CN112038311A - 一种双层复杂交错结构微通道热沉 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种双层复杂交错结构微通道热沉，包括基板1和封装板2。所述基板和封装板相互键合，基板下方是热源8。所述封装板上设置有冷却剂进口3和冷却剂出口4。所述硅基底板分为分流区5，微通道区6和合流区7。所述微通道区6，刻蚀出上下两层相互交错斜向布置的斜槽9，斜槽构成矩阵子通道。上层矩阵子通道和下层矩阵子通道间交错布置，交叉区域10相互连通。矩阵子通道呈一定角度布置，矩阵子通道间周期排列。分流区、合流区和侧槽子通道由基板和封装板的合围区域构成。本发明上下层冷却剂可以充分混合，且矩阵子通道拐角处，冷却剂会周期性改变流动法向，形成强烈的流体扰动现象，可以破坏热边界层，适用于大功率电子芯片散热领域。
Description
技术领域
本发明属于微电子芯片的散热技术领域，涉及一种冷却装置，具体涉及一种双层复杂交错结构微通道热沉。
背景技术
随着过去几十年微机电系统（MEMSs）的飞速发展，电子设备小型化、集成化程度越来越高，电子芯片的散热功率也成倍增加，许多紧凑型产品的热流密度很容易超过106W/m2。而对微电子芯片而言，如不能及时去除高热通量，降低芯片表面温度，将会使器件工作性能大幅下降甚至由于温度度过高而损毁。与传统规模的换热器相比，当量直径小于0.5mm的微通道热沉（MCHS）可以大大提高冷却剂接触面积，减小设备体积，很好的满足集成电路的散热需求。因此，通过对微通道结构的合理布置、设计一种稳定而高效的微通道热沉十分必要。在如今的电子设备冷却领域，单层微通道热沉被广泛应用，然而为了满足日益微型化和集成化电子设备的散热需求，Vafai等人(Vafai K, Zhu L. Analysis of two-layeredmicro-channel heat sink concept in electronic cooling. Int J Heat Mass Trans1999; 42:2287–97)于1999年首先提出了双层微通道热沉。此双层微通道热沉每层由多个矩形截面的平直微通道组成，每层结构形式一致，一层垂直叠放在另一层上，双层微通道内的冷却剂的流动是平行流动或者逆向流动布置。实验和仿真研究表明，双层微通道热沉的温升和压降明显优于单层微通道热沉。但是常规的双层矩形微通道热沉结构简单，与微通道截面具有槽和肋的复杂结构微通道热沉相比，冷却能力不够优异。因此可以改变流动形式从而促进冷热流体的混合，增强二次流强度，形成涡流，不断破坏微通道内流体流动的热边界层从而减小传热热阻；增大流动面积，增强传热，同样也是提高双层微通道热沉热性能的有效手段。二者可以通过对矩阵子通道和侧槽子通道的合理布置得以实现。
发明内容
本发明的目的是通过对矩阵子通道和侧槽子通道的合理布置，提供一种高效的双层复杂交错结构微通道热沉。利用冷却剂在微通道内的交错流动和充分混合，增强传热效果，提高冷却能力，解决高热流密度电子芯片的散热问题。
为达上述目的，本发明通过以下技术方案实现：本发明所涉及的双层复杂交错结构微通道热沉，包括基板和封装板。所述基板和封装板相互键合，基板下方是热源。所述基板上共有三个区域，按流动方向分别为分流区、微通道区和合流区。微通道区域分为上下两层，由矩阵子通道和侧槽子通道组成，矩阵子通道通过刻蚀出的斜槽构成，矩阵子通道在侧壁与侧槽子通道相连通。上层矩阵子通道和下层矩阵子通道间交错布置，交叉区域相互连通，矩阵子通道与侧槽子通道间呈一定角度布置，矩阵子通道间周期排列。所述封装板设有冷却剂进口和出口，冷却剂由进口进入热沉，通过分流区进入微通道区，再经合流区汇集，最终由出口流出热沉。分流区、合流区和侧槽子通道由基板和封装板的合围区域构成。冷却剂沿矩阵子通道流动，进入侧槽子通道，一部分冷却剂流动方向改变一定角度，进入另一层子通道；一部分冷却剂沿着侧槽子通道方向流动，在侧槽子通道下游，冷却剂还可以流回矩阵子通道。另外，由于下层矩阵子微通道离热源较近，下层矩阵子通道内的冷却剂温度要高于上层矩阵子通道中的冷却剂温度，所以上下层矩阵子通道交叉连通区域可以使冷热流体充分混合。这些过程可引起强烈的流体扰动现象，形成涡流，强化下层高温流体和上层低温流体间的混合和传热，从而显著增加微通道热沉的传热效率。
所述基板上层矩阵子通道以一定角度与两侧侧槽子通道连通，呈周期性排列，所述基板下层矩阵子通道与上层矩阵子通道呈相反角度与两侧侧槽子通道连通，同样呈周期性排列。
所述封装板设置有一个或若干个进口，所述封装板设置有一个或若干个出口。
采用如上技术方案，本发明具有如下优点：
1.本发明微通道热沉中通过对矩阵子通道和侧槽子通道的配置改变流动形式，冷却剂沿矩阵子通道流动，进入侧槽通道，流动方向周期性改变一定角度进入另一层子通道，引起强烈的流动扰动，破坏热边界层，提高了微通道热沉的传热效率。
2.本发明微通道热沉中，上层和下层的矩阵子通道交叉区相连通，可以使不同层的冷却剂充分混合，促使下层热流体与上层冷流体掺混，从而强化传热。
3.本发明微通道热沉中，通过对子通道的配置，冷却剂流动面积增大，流动路径选择增多，流动长度延长，流动阻力较低，散热性能表现优异。
附图说明
图1为本发明所述的一种双层复杂交错结构微通道热沉的立体图，其中：1、基板，2、封装板，3、冷却剂进口，4、冷却剂出口，5、分流区，6、微通道区，7、合流区，8为底面热源，9为斜槽。
图2为本发明所述的一种双层复杂交错结构微通道热沉的封装片图；图2(a)为封装板主视图，图2(b)为封装板A-A剖面图，其中：10为上下层交错斜槽连通区域。
图3为本发明所述的一种双层复杂交错结构微通道热沉的基板图；图3(a)为基板主视图，图3(b)为基板A-A断面图，图3(c)为基板B-B断面图，图3(d)为基板C-C断面图。
图4为本发明所述的一种双层复杂交错结构微通道热沉的子微通道区域示意图；图4(a)为子微通道区域主视图，图4(b)为子微通道区域俯视图，图4(c)为子微通道区域侧视图，其中：a和e为侧槽子通道，b，c和d为上层矩阵子通道，f，g和h为下层矩阵子通道。
具体实施方式
结合附图，对本发明提供的复杂交错结构微通道热沉换热工质的流动作进一步说明。
如图1~图4所示，一种双层复杂交错结构微通道热沉，包括键合在一起的硅基底板1和封装板2。热源8设置在硅基底板1下方。所述封装板2上设置有冷却剂进口3和冷却剂出口4。所述硅基底板1可分为分流区5，微通道区6和合流区7。所述微通道区6，刻蚀出上下两层相互交错斜向布置的斜槽9，斜槽构成矩阵子通道。上层矩阵子通道和下层矩阵子通道间交错布置，交叉区域10相互连通。矩阵子通道呈一定角度布置，矩阵子通道间周期排列。分流区、合流区和侧槽子通道由基板和封装板的合围区域构成。冷却剂由冷却剂进口3进入分流区5，分流区5将冷却剂分配进入矩阵子通道和侧槽子通道。冷却剂沿着矩阵子通道流动，在侧壁位置与侧槽子通道内冷却剂汇合，一部分冷却剂流动方向改变一定角度，进入另一层子通道；一部分冷却剂沿着侧槽子通道方向流动，在侧槽子通道下游，冷却剂还可以流回矩阵子通道。冷却剂流出微通道区6后汇入合流区7，最后沿着冷却剂出口4流出热沉。由于冷却剂一方面可以通过交叉连通区域10充分掺混，另外一方面，冷却剂从矩阵子通道进入侧槽子通道后，会有一部分冷却剂流动方向改变一定角度进入另外一层矩阵子通道内部。这些个过程都可引起强烈的流体扰动现象，形成涡流，破坏热边界层，强化下层高温流体和上层低温流体间的混合和传热，从而显著增加微通道热沉的传热效率。
其中，冷却剂进口3与分流区5连通，分流区5与微通道区6的始端连通，合流区7与微通道区6的末端连通，最后合流区7与冷却剂出口4连通。冷却剂在微通道区6内的流动，整体上呈现螺旋前进的趋势。
所述微流体通道的冷却剂为乙醇、乙二醇、纯水或者去离子水。
其中冷却剂入口3和冷却剂出口4出的个数不限于一个，可根据实际冷却工质流动耗功和冷却强度要求增减。
另外热沉模块尺寸及子通道数量、尺寸和间距可根据实际传热要求和流动条件等确定。
实施例1
随着信息技术的和电子技术的飞速发展，电子芯片的功率急剧增大，高效的散热方式为芯片发展所有面临的重要问题。如图1~图3所示，一种双层复杂交错结构微通道热沉，包括键合在一起的硅基底板1和封装板2，所述硅基底板1下方设有热源。基底材料为硅，封装板材料为有机玻璃，工质为去离子水。如图4所示，一种双层复杂交错结构微通道热沉共计包含8条子通道，其中a和e为侧槽子通道，b，c和d为上层矩阵子通道，f，g和h为下层矩阵子通道。上层矩阵子通道与热沉流动方向横截面呈45°角，下层矩阵子通道与上层矩阵子通道垂直布置。
所述微通道热沉长4mm，宽1.5mm，高0.75mm。所述矩阵子通道宽0.1mm，高0.2mm。所述侧槽子通道宽0.1mm，高0.45mm。
所述微通道热沉通过ANSYS FLUENT软件进行了冷却冷却剂流动和传热特性的数值仿真，具体仿真结果可参见专利发明人的文章“Xiaogang Liu, Meng Zhang, ZhongyiWang, Juhui Chen, Haiou Sun，Haifeng Sun. Numerical Analysis of Fluid Flow andHeat Transfer in Micro-Channel Heat Sinks with Double-Layered ComplexStructure [J]. Micromachines. 2020, 11:146-164.”。
在底面热流为106W/m2、冷却剂进口处的质量流量相同时，与常规双层微通道热沉相比，不同的进口雷诺数(Re<350)条件下，双层复杂交错结构微通道热沉底面的平均温度、冷却剂进出口压降和冷却剂流动耗功均明显优于常规双层微通道热沉，其底面的平均温度可以减小6℃，其冷却剂进出口压降可以减小30kPa，其冷却剂流动耗功可减小0.014W。
芯片温度上升1℃，芯片的寿命就会缩短5％，因此本发明能为实现高热流密度电子器件的散热提供一种新思路，可以有效延长电子器件的使用寿命。
所述一种双层复杂交错结构微通道热沉的结构形式为受到燃气轮机高温透平叶片内部的交错肋冷却结构启发而提出的。
以上所述仅为本发明示例实施方式，对于本技术领域的人员可在本发明构思的基础上适当进行些许改进，这些改进也应视为本发明保护范围之内。
Claims (6)
1.一种双层复杂交错结构微通道热沉，包括键合在一起的硅基底板1和封装板2，热源8设置在硅基底板1下方，所述封装板2上设置有冷却剂进口3和冷却剂出口4，所述硅基底板1可分为分流区5，微通道区6和合流区7。
2.根据权利要求1所述的一种双层复杂交错结构微通道热沉，其特征在于，所述微通道区6，刻蚀出上下两层相互交错斜向布置的斜槽9，斜槽构成矩阵子通道，上层矩阵子通道和下层矩阵子通道间交错布置，交叉区域10相互连通，矩阵子通道呈一定角度布置，矩阵子通道间周期排列。
3.根据权利要求1所述的一种双层复杂交错结构微通道热沉，其特征在于，分流区、合流区和侧槽子通道由基板和封装板的合围区域构成。
4.根据权利要求1所述的一种双层复杂交错结构微通道热沉，其特征在于，冷却剂由冷却剂进口3进入分流区5，分流区5将冷却剂分配进入矩阵子通道和侧槽子通道，冷却剂沿着矩阵子通道流动，在侧壁位置与侧槽子通道内冷却剂汇合，一部分冷却剂流动方向改变一定角度，进入另一层子通道；一部分冷却剂沿着侧槽子通道方向流动，在侧槽子通道下游，冷却剂还可以流回矩阵子通道，冷却剂流出微通道区6后汇入合流区7，最后沿着冷却剂出口4流出热沉。
5.根据权利要求1或4所述的一种双层复杂交错结构微通道热沉，其特征在于，所述封装板设置有一个或若干个进口。
6.根据权利要求1或4所述的一种双层复杂交错结构微通道热沉，其特征在于，所述封装板设置有一个或若干个出口。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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