CN112566471A - 一种高热流密度电子器件蒸发散热装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种针对高热流密度电子器件的微米级薄膜散热装置，可用于高热流密度电子器件的快速、高效散热，提高电子器件性能，延长电子产品寿命。其结构包括：刻槽供液基板、疏水透气薄膜及气液道盖板。该装置正常工作时为粘附于高热流密度电子芯片上表面，刻槽供液基板将热量导至基板上端肋处及槽底，装置内部通水并在微米级槽道处形成微米级厚度液膜，通过薄膜蒸发带走热量，并通过通风孔导风将热蒸气吹出以达到散热目的。该装置避免了复杂的设备连接，仅利用简易液泵、风机及简单管路即可完成气液循环和散热过程。同时该装置体积小，利用薄膜蒸发换热原理，换热效率高，具有环保、低能耗特点。

Description

一种高热流密度电子器件蒸发散热装置与方法

技术领域

本发明属于电子散热技术领域，具体涉及一种高热流密度电子器件蒸发散热装置与方法。

背景技术

随着微电子技术的发展，单位面积芯片上集成的晶体管数量越来越多，高密度晶体管在芯片性能提升的同时，芯片发热问题却愈发严重。目前国防领域射频功率芯片的热流密度甚至超过了1kW/cm²，局部热点的热流密度达到10kW/cm²以上，超高热流密度下芯片难以连续稳定长时间工作，在温度超过许用温度时甚至还要降功率降频率使用，严重限制设备性能。为保证电子设备安全、平稳、高效的运行，应最大限度的降低其工作温度。对于硅基电子芯片而言，其最高工作温度应低于85℃。如何及时将电子器件中的热量排出，保证电子器件在合适的温度下发挥其最佳性能，已成为当前芯片行业的一大瓶颈。沸腾换热能够利用汽化潜热实现热量传递，是一种高效的散热手段，其换热能力远高于常规尺度的单相风冷和液冷技术，在高热流密度芯片散热领域应用前景广阔。但是，沸腾换热过程中产生的气泡附着在加热表面，阻碍液体向蒸干区域补给，使得其临界热流密度普遍低于200W/cm²。此外，大量气泡分散在液相中，气泡动力学行为容易导致流体流动不稳定，使流体运动状况难易分析，使得该技术在面对规模化芯片冷却时，容易产生流量分配不均的情况，进而导致局部高温使得芯片产生局部应力而损坏的情况。

研究表明液膜厚度对沸腾换热特性有重要影响，当液膜厚度达到几微米至几十微米量级时，液膜厚度小于气泡成核的最小空间尺度，换热过程将转变成更为高效的蒸发，其散热效率将呈现量级式提升。薄液膜蒸发是一种高效的相变传热过程，由于实现了相变气体与液体的快速分离，克服了传统沸腾换热中气泡无法脱离导致沸腾临界的瓶颈，临界热流密度能够达到1kW/cm²以上，在高热流密度电子器件散热领域极具前景。但是，液体表面张力和粘性力的存在让液膜充分铺展到微米级厚度非常困难；同时，在高热流密度下薄液膜会快速蒸发，如何实现连续补液以维持薄液膜又成为第二个难题。此外，探索薄膜蒸发的强化措施、进一步降低发热芯片温度仍然有重要的学术意义和工程应用价值。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了提出一种高热流密度电子器件蒸发散热装置与方法，将微通道与薄液膜蒸发耦合，利用泵驱补液解决薄液膜的维持为题，利用疏水透气薄膜限制液膜厚度，利用微肋效应进一步强化液膜蒸发，并将其集成为高效散热装置，不仅可以大幅度提升散热效果，保护电子器件，同时也为复杂微型电路的设计提供运作环境的温度保障，有利于推动电子器件的进一步研发和利用，促进相关电子产品的升级优化，为电子产品的深度发展提供更多基础保障与优化可能。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种高热流密度电子器件蒸发散热装置，包括刻槽供液基板，刻槽供液基板上设置有气液道盖板，刻槽供液基板上开设有凹槽，凹槽内设置依次相连的基板入液区、基板分液区、液膜蒸发散热区、基板汇液区和基板回液区，基板入液区和回液区开设有流道，基板分液区和基板汇液区开设有与流道相连通的槽道，液膜蒸发散热区设置有多条平行的微槽道，蒸发散热区上设置疏水透气薄膜，气液道盖板表面设置有进液孔、回液孔、进气孔、出气孔；刻槽供液基板与气液道盖板相连形成密闭空间。

本发明进一步的改进在于，基板分液区上的流道为多条并排的渐扩槽道；基板汇液区上的流道为多条并排的渐缩槽道。

本发明进一步的改进在于，凹槽深度为微米级，微槽道深度为10-100μm。

本发明进一步的改进在于，刻槽供液基板材质为硅片、铜或不锈钢。

本发明进一步的改进在于，刻槽供液基板的材质为硅片时，采用反应离子刻蚀工艺制备微槽道；材质为铜或不锈钢时，采用激光刻蚀或精密机床制备微槽道。

本发明进一步的改进在于，基板分液区和基板汇液区均设置有若干导流板；在盖板上表面设置有柱状套管。

本发明进一步的改进在于，基板入液区和基板回液区的流道两侧壁面延长线的夹角为6°至15°；基板入液区和基板回液区的端部为流道相匹配的圆弧形。

本发明进一步的改进在于，疏水透气薄采用氧化铝或聚四氟乙烯多孔薄膜，薄膜孔径为纳米级；疏水透气薄膜与液膜蒸发散热区的微槽道构成多个腔体。

本发明进一步的改进在于，进液孔和回液孔分别与外部供液管路和回液管路连接；进气孔和出气孔分别与外部进气管路和回气管路连接；气液道盖板上设置有气流槽，气孔和出气孔均与气流槽相连通；进液孔、回液孔分别与刻槽供液基板上的入液区和回液区相连通，形成液体通路；气流槽与疏水透气薄膜上表面构成气腔，与进气孔和出气孔形成气体通路。

一种高热流密度电子器件蒸发散热方法，将刻槽供液基板底面与高热流密度电子器件表面贴合，高热流密度电子器件热量导至刻槽供液基板上表面，冷却液经盖板进液孔进入液膜蒸发散热区的微槽道，在疏水透气薄膜的作用下形成微米级液膜，高热流密度电子器件的热量传递至微槽道内使部分液体蒸发，蒸汽透过疏水透气薄膜的孔道进入盖板气流槽，多余的液体经气液道盖板上的回液孔流出。

与现有技术方案相比，本发明具有以下有益效果：

本发明的装置通过在刻槽供液基板与气液道盖板之间设置有疏水透气薄，实现对高热流密度电子器件表面的散热，结构紧凑，易于安装和集成，应用于高热流密度电子器件散热可有效减小占用体积，节约空间。本发明的装置采用薄膜蒸发散热，相比于传统的散热手段，为一种高效相变传热过程，可大幅提升散热性能，散热效率更高，有效节约能耗、物耗，达到节能环保的效果。本发明的装置对设备要求不高，相较于其他液冷及风扫装置，本装置在实际工作时，仅需较低液压及风速即可满足实验要求，一定程度上减少耗能及设备要求。

本发明在散热时，将刻槽供液基板底面与高热流密度电子器件表面贴合，将高热流密度电子器件热量传导至刻槽供液基板上表面，冷却液经盖板进液孔进入液膜蒸发散热区的微槽道，在疏水透气薄膜的作用下形成微米级液膜，高热流密度电子器件的热量传递至微槽道内使部分液体蒸发，蒸汽透过疏水透气薄膜的孔道进入盖板气流槽，多余的液体经气液道盖板上的回液孔流出，散热效率高。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图。

图2为本发明装置结构的爆炸示意图。

图3为本发明中刻槽供液基板的结构示意图。其中，(a)为俯视图，(b)为侧视图。

图4为本发明正常工作时刻槽供液基板的通液示意图。

图5为本发明正常工作时工作原理的前视爆炸示意图。

图6为本发明正常工作时工作原理的左视爆炸示意图。

附图标记：1为刻槽供液基板；2为疏水透气薄膜；3为气液道盖板；1-1为基板入液区；1-2为基板分液区；1-3为液膜蒸发散热区；1-4为基板汇液区；1-5为基板回液区；1-6为第一螺孔；3-1为盖板进液孔；3-2为盖板回液孔；3-3为盖板进气孔；3-4为盖板出气孔；3-5为盖板气流槽；3-6为第二螺孔；4为发热电子芯片。

具体实施方式

具体实施例中将本装置用于芯片散热，下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

本发明旨在于利用微通道与薄膜蒸发协同，结合多孔疏水透气膜实现连续、稳定和高效的薄液膜蒸发换热，解决超高热流密度电子元器件的散热问题，提出了一种高热流密度电子器件蒸发散热装置与方法。

参见图1和图2，本装置由上至下叠层放置，依次是刻槽供液基板1、疏水透气薄膜2和气液道盖板3，疏水透气薄膜2设置在刻槽供液基板1与气液道盖板3之间，刻槽供液基板1与气液道盖板3相连形成密闭空间。刻槽供液基板1上表面刻有若干相平行的深度为微米级的浅槽，浅槽由基板入液区1-1、基板分液区1-2、液膜蒸发散热区1-3、基板汇液区1-4和基板回液区1-5构成。基板入液区1-1和回液区1-5开设有流道，分别用于流入和流出的冷却液的缓冲储存。基板分液区1-2为多条并排的渐扩槽道，用于引导冷却液的分流，基板汇液区1-4为多条并排的渐缩槽道，用于引导冷却液的汇流。液膜蒸发散热区1-3由多条平行排列的微槽道构成，整体呈矩形，为主要蒸发散热区。

参见图3中(a)和(b)以及图4，刻槽供液基板1选用硅片、铜或不锈钢等材料制成，液膜蒸发散热区1-3包括多条平行并列微槽道，为降低液膜厚度，槽道深度为10-100μm，槽道的宽度、间距和排列数量需根据发热芯片的具体尺寸选定。刻槽供液基板1的材质为硅时，可采用反应离子刻蚀工艺制备微槽道；材质为铜或不锈钢时，可采用激光刻蚀或精密机床制备微槽道。

参见图3和图4，为使冷却液均匀分布在基板液膜蒸发散热区1-3的各个微槽道中，在基板分液区1-2和基板汇液区1-4各设置若干导流板，使得冷却液由基板入液区1-1进入基板分液区1-2的各个流道的入口面积相同，使冷却液流量大小相等，在各流道均匀分布。为减小沿程阻力对冷却液流动的影响，将基板入液区1-1和基板回液区1-5的流道两侧壁面延长线的夹角为6°至15°。为避免形成流动死区，导致局部温度升高产生局部应力，使得芯片被破坏，在基板入液区1-1和基板回液区1-5的端部采用圆弧形设计，使得流道与圆弧段相切。

参见图2，疏水透气薄2可采用氧化铝(AAO)、聚四氟乙烯(PTFE)等具备疏水性的多孔薄膜，薄膜孔径应在几十至几百nm以保证液体在高压差下难以穿透。疏水透气薄膜2的下表面与液膜蒸发散热区1-3的顶面相贴合，并与液膜蒸发散热区1-3的微槽道共同构成数个腔体，作为液流通道和成膜区。为实现气路和液路隔离，疏水透气薄2应为矩形且面积比液膜蒸发散热区1-3稍大。

参见图1和图2，气液道盖板3为环氧树脂、金属等材料经机加工、3D打印等制成的板状结构，位于装置最上端，长宽与刻槽供液基板1相同，与刻槽供液基板1通过胶或螺丝紧密贴合。气液道盖板3上设置有进液孔3-1、回液孔3-2、进气孔3-3、出气孔3-4和气流槽3-5五部分。进液孔3-1和回液孔3-2为供装置进液和出液的通道，分别与外部供液管路和回液管路连接。进气孔3-3和出气孔3-4分别为供装置进气和出气的通道，与外部进气管路和回气管路连接。气流槽3-5主要为热蒸汽的扫出提供空间，进气孔3-3、出气孔3-4均加工在气流槽3-5底部。进液孔3-1、回液孔3-2分别与刻槽供液基板1上的入液区1-1和回液区1-5相连通，形成液体通路。气流槽3-5与疏水透气薄膜2上表面共同构成气腔，与进气孔3-3和出气孔3-4形成气体通路，可供蒸汽和吹扫风流通。疏水透气薄膜2上的纳米级孔道作为蒸汽从液道进入气腔的通道，可实现气液分离，同时起隔离气腔和液道的作用。为提高装置的稳定性，在盖板3上加工出具有一定高度的柱状套管作为气液道接口，可通过增大套接长度，形成稳定的连接，避免气液泄露和保证工质输入输出稳定。

本发明的一种高热流密度电子器件蒸发散热方法如下：

参见图5和图6，该装置正常工作时，通过刻槽供液基板1的第一螺孔1-6、气液道盖板3上的第二螺孔3-6、导热胶与高热流密度电子器件(即芯片)紧密贴合，具体的，将芯片固定在基板上，通过第一螺孔1-6、第二螺孔3-6以及螺栓将芯片进行固定。配合简易风机、液泵和辅助管道、液体储存罐实现工质循环。使用导热胶粘附在高热流密度电子芯片上表面，刻槽供液基板1的下表面与电子芯片贴合，将芯片热量导至基板上表面处，在液泵作用下，冷却液经盖板进液孔3-1进入液膜蒸发散热区1-3的微槽道，在疏水透气薄膜2的作用下形成微米级液膜，芯片的热量传递至微槽道内使部分液体蒸发，蒸汽透过疏水透气薄膜2的纳米级孔道进入盖板气流槽3-5，由风机送风吹扫清除，多余的液体经盖板回液孔3-2流出，回收利用。同时，通过风机将气体泵入气腔，将冷却液热蒸气从气体出口泵出，冷却回收利用。在这个过程，液膜厚度低于气泡成核的最小尺寸，相变过程不会产生气泡，泵的作用推动液体不断向液膜蒸发散热区1-3补给，形成持续、稳定和高效的薄膜蒸发散热。液膜蒸发散热区1-3的微槽道形成的肋效应可以强化传热，风的吹扫可持续移除蒸汽并进行回收，形成闭环冷却。

Claims (10)

1.一种高热流密度电子器件蒸发散热装置，其特征在于，包括刻槽供液基板(1)，刻槽供液基板(1)上设置有气液道盖板(3)，刻槽供液基板(1)上开设有凹槽，凹槽内设置依次相连的基板入液区(1-1)、基板分液区(1-2)、液膜蒸发散热区(1-3)、基板汇液区(1-4)和基板回液区(1-5)，基板入液区(1-1)和回液区(1-5)开设有流道，基板分液区(1-2)和基板汇液区(1-4)开设有与流道相连通的槽道，液膜蒸发散热区(1-3)设置有多条平行的微槽道，蒸发散热区(1-3)上设置疏水透气薄膜(2)，气液道盖板(3)表面设置有进液孔(3-1)、回液孔(3-2)、进气孔(3-3)、出气孔(3-4)；刻槽供液基板(1)与气液道盖板(3)相连形成密闭空间。

2.根据权利要求1所述的一种高热流密度电子器件蒸发散热装置，其特征在于，基板分液区(1-2)上的流道为多条并排的渐扩槽道；基板汇液区(1-4)上的流道为多条并排的渐缩槽道。

3.根据权利要求1所述的一种高热流密度电子器件蒸发散热装置，其特征在于，凹槽深度为微米级，微槽道深度为10-100μm。

4.根据权利要求1所述的一种高热流密度电子器件蒸发散热装置，其特征在于，刻槽供液基板(1)材质为硅片、铜或不锈钢。

5.根据权利要求4所述的一种高热流密度电子器件蒸发散热装置，其特征在于，刻槽供液基板(1)的材质为硅片时，采用反应离子刻蚀工艺制备微槽道；材质为铜或不锈钢时，采用激光刻蚀或精密机床制备微槽道。

6.根据权利要求1所述的一种高热流密度电子器件蒸发散热装置，其特征在于，基板分液区(1-2)和基板汇液区(1-4)均设置有若干导流板；在盖板(3)上表面设置有柱状套管。

7.根据权利要求1所述的一种高热流密度电子器件蒸发散热装置，其特征在于，基板入液区(1-1)和基板回液区(1-5)的流道两侧壁面延长线的夹角为6°至15°；基板入液区(1-1)和基板回液区(1-5)的端部为流道相匹配的圆弧形。

8.根据权利要求1所述的一种高热流密度电子器件蒸发散热装置，其特征在于，疏水透气薄(2)采用氧化铝或聚四氟乙烯多孔薄膜，薄膜孔径为纳米级；疏水透气薄膜(2)与液膜蒸发散热区(1-3)的微槽道构成多个腔体。

9.根据权利要求1所述的一种高热流密度电子器件蒸发散热装置，其特征在于，进液孔(3-1)和回液孔(3-2)分别与外部供液管路和回液管路连接；进气孔(3-3)和出气孔(3-4)分别与外部进气管路和回气管路连接；气液道盖板(3)上设置有气流槽(3-5)，气孔(3-3)和出气孔(3-4)均与气流槽(3-5)相连通；进液孔(3-1)、回液孔(3-2)分别与刻槽供液基板(1)上的入液区(1-1)和回液区(1-5)相连通，形成液体通路；气流槽(3-5)与疏水透气薄膜(2)上表面构成气腔，与进气孔(3-3)和出气孔(3-4)形成气体通路。

10.一种基于权利要求1所述的装置的高热流密度电子器件蒸发散热方法，其特征在于，将刻槽供液基板(1)底面与高热流密度电子器件表面贴合，高热流密度电子器件热量导至刻槽供液基板(1)上表面，冷却液经盖板进液孔(3-1)进入液膜蒸发散热区(1-3)的微槽道，在疏水透气薄膜(2)的作用下形成微米级液膜，高热流密度电子器件的热量传递至微槽道内使部分液体蒸发，蒸汽透过疏水透气薄膜(2)的孔道进入盖板气流槽(3-5)，多余的液体经气液道盖板(3)上的回液孔(3-2)流出。

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