CN113066772B - 一种互连放射式相变微通道散热器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种互连放射式相变微通道散热器，包括相对设置的底盘和其上方的盖板，所述底盘上设置有微通道，所述微通道以互连放射式从底盘中心向底盘四周发展，所述盖板和底盘的中心位置设置有冷却工质入口，所述盖板和底盘的边缘位置设置有冷却工质出口。与现有技术相比，本发明通过互连放射式的微通道结构、多层短程叉状微通道相互连接以及引入两种节点基本单元结构，能够有效降低因流体相变带来的压降损失、降低散热器的功耗、提高散热器稳定性，且能提高冷却能力并有助于维持芯片温度均匀、有利于推迟沸腾流动失稳现象的发生。

Description

一种互连放射式相变微通道散热器
技术领域
本发明涉及半导体相变散热技术领域，尤其是涉及一种互连放射式相变微通道散热器。
背景技术
目前，针对高功率密度半导体的高效冷却技术，已成为左右半导体芯片行业发展的关键。其中，当前公认最有前景的技术之一，是基于流动沸腾现象的微通道相变冷却技术，通过引入沸腾相变这一传递机制，结合微通道热沉固有的超高比表面积，能够显著提高传热系数、控制芯片温度并降低冷却流体的流量与泵工。
但是，在更高热流密度下，由于冷却液体剧烈相变为蒸汽，导致微通道内流体体积剧烈膨胀，流速与压降均会超出可接受范围(理论流速可逼近声速)。这种现象会显著增大散热器的压降损失，并增加散热器的功耗，降低散热器的稳定性。
在现有的技术中，为进一步降低压降并提高传热系数，通常其微通道阵列在结构上会进行一定的调整，导致微通道网络结构与流速分配系统过于复杂，加工、封装困难。
此外，随着工质沿着微通道方向流动，通道内近壁面处流体的热边界层逐渐增厚，此时该区域内的传热方式以导热传热为主，传热系数相较于对流换热显著下降。这种现象使得远离入口处的流体对流传热效果下降，从而降低了散热器整体的冷却效率和热均匀性。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种互连放射式相变微通道散热器，以降低流体相变带来的压降损失、提高散热器的稳定性。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种互连放射式相变微通道散热器，包括相对设置的底盘和盖板，所述底盘上设置有微通道，所述微通道以互连放射式从底盘中心向底盘四周发展，所述盖板和底盘的中心位置设置有冷却工质入口，所述盖板和底盘的边缘位置设置有冷却工质出口。
进一步地，所述微通道具体为多级放射式网络结构，所述多级放射式网络结构包括依次连接的多层短程叉状微通道，其中，第一层短程叉状微通道围绕在冷却工质入口。
进一步地，所述多级放射式网络结构中，第一层短程叉状微通道采用第一基本单元连接构成，第二层短程叉状微通道采用第二基本单元连接构成，其余层短程叉状微通道采用第一基本单元和第二基本单元混合交替连接构成。
进一步地，所述第一基本单元由一条上游微通道Lk和两条下游微通道Lk+1组成，以上游微通道为中轴线，两条下游微通道与中轴线之间的夹角均为θ。
进一步地，所述第二基本单元由两条上游微通道Lk和三条下游微通道Lk+1组成，以两条上游微通道对称轴为中轴线，上游微通道与中轴线之间夹角为ɑ，下游微通道的其中一条在中轴线上，另外两条与中轴线之间的夹角均为β。
进一步地，所述夹角ɑ、β或θ的取值范围为15°～60°。
进一步地，所述微通道的横截面为矩形。
进一步地，所述底盘为正方形结构，所述微通道的高度与底盘边长的比值为1:30，所述微通道的宽度与底盘边长的比值为1:30。
进一步地，所述底盘为正方形结构，所述冷却工质入口具体为圆形开孔，所述开孔的直径与底盘边长的比值为1:6，所述开孔的深度与微通道高度相同。
进一步地，所述底盘为正方形结构，所述冷却工质出口具体为矩形环状开槽，所述开槽的宽度与底盘边长的比值为1:15，所述开槽的高度与微通道高度相同。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
一、本发明通过互连放射式的微通道结构，将冷却工质入口布置在对应于芯片中心的底盘和盖板中心位置，并结合微通道由底盘中心向底盘边缘不断扩增，以此逐步增大汽液两相流动的沿程等效横截面积，从而适应高热流密度下相变造成的流体体积剧烈膨胀，可以有效地降低因流体相变带来的压降损失，降低散热器的功耗，提高散热器的稳定性。
二、本发明采用多级放射式网络结构构造微通道，在多级放射式网络结构中采用依次连接的多层短程叉状微通道结构，使得气泡在节点附近的合并、破裂等动力学行为可扰动临近叉状微通道的热边界层、且减小薄液膜厚度，从而提高微通道网络的壁面传热系数，此外，本发明在多层短程叉状微通道中，通过引入两种节点结构基本单元，使微通道网络分布较现已有的分形树状网络更加密集和均匀，显著增加比表换热面积，从而有效提高冷却能力并有助于维持芯片温度均匀；通过短程叉状微通道互连成网，不同微通道之间可自主高效地发生热质交换，有利于推迟沸腾流动失稳现象的发生。
三、本发明中，微通道结构仅存在沿流动平面方向的二维图案结构，在深度方向上结构平整，因此涉及的微加工与封装工艺简单明了，易于实施。
附图说明
图1为本发明的外形整体结构示意图；
图2为本发明中底盘结构示意图；
图3为微通道网络结构示意图；
图4为微通道网络结构中第一基本单元结构示意图；
图5为微通道网络结构中第二基本单元结构示意图；
图6为实施例中多个散热器组合排列示意图；
图中标记说明：
1、盖板，2、底盘，3、冷却工质入口，4、冷却工质出口，5、微通道。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
如图1和图2所示，一种互连放射式相变微通道散热器，包括相对设置的底盘2和盖板1，盖板1是为冷却工质流体的出入口起到导流的作用，以及作为微通道的上表面；
底盘2上设置有微通道5，微通道5以互连放射式从底盘2中心向底盘2四周发展，盖板1和底盘2的中心位置设置有冷却工质入口3，盖板1和底盘2的边缘位置设置有冷却工质出口4，底盘2将被散热设备的热量传递给冷却流体，冷却流体沿微通道5方向从底盘2中心向底盘2四周边缘流动，从而将热量带走。
其中，微通道5的横截面为矩形，微通道5的宽度和高度沿扩展方向不变。本实施例中，底盘2和盖板1均为正方形结构，正方形边长范围为300微米～1000微米，具体边长需要根据冷却工质流量和底盘下表面热流密度最优化选取，最优化目标需综合考虑整体冷却效率及散热器压降损失，最优化结果需要根据实际应用进行确定。
本实施例中，微通道5的高度(图2中的b)与底盘2边长(图2中的c)的比值为1:30，微通道5的宽度(图2中的a)与底盘2边长的比值为1:30；
冷却工质入口3具体为圆形开孔，设置在底盘2的中心位置，开孔的直径与底盘2边长的比值为1:6，开孔的深度与微通道5高度相同，冷却工质入口3沿周向划分成若干区域作为与微通道5的连接入口；
冷却工质出口4具体为矩形环状开槽，设置在底盘2的边缘位置，开槽的宽度与底盘2边长的比值为1:15，开槽的高度与微通道5高度相同。
如图3所示，微通道5具体为多级放射式网络结构，多级放射式网络结构包括依次连接的多层短程叉状微通道，其中，第一层短程叉状微通道围绕在冷却工质入口3，各层短程叉状微通道均包含上游微通道和下游微通道，各层短程叉状微通道结构之间相互连接，上一层的下游微通道即为下一层的上游微通道。
在多级放射式网络结构中，第一层短程叉状微通道采用第一基本单元连接构成，第二层短程叉状微通道采用第二基本单元连接构成，其余层短程叉状微通道采用第一基本单元和第二基本单元混合交替连接构成。
具体的，如图4所示，第一基本单元由一条上游微通道Lk和两条下游微通道Lk+1组成，以上游微通道为中轴线，两条下游微通道与中轴线之间的夹角均为θ。
如图5所示，第二基本单元由两条上游微通道Lk和三条下游微通道Lk+1组成，以两条上游微通道对称轴为中轴线，上游微通道与中轴线之间夹角为ɑ，下游微通道的其中一条在中轴线上，另外两条与中轴线之间的夹角均为β。
在第一基本单元和第二基本单元中，夹角ɑ、β或θ的取值范围为15°～60°，具体夹角的角度值需要根据散热器单元尺寸、冷却工质流量和底盘下表面热流密度最优化选取，最优化目标需综合考虑整体冷却效率及散热器压降损失，最优化结果需要根据实际应用进行确定。
如图6所示，当底盘及其上方盖板不足以覆盖全部待冷却面积时，可将上述散热器结构作为一个散热单元，再将多个散热单元以矩阵状均匀分布组成一个整体的散热器，这个整体的散热器尺寸则根据实际待冷却面积的需要进行确定。
此外，本实施例中，底盘2和盖板1均选用单晶硅材料制成，冷却工质选用R113制冷剂。
综上所述，本发明提出一种互连放射式相变微通道散热器，该散热器通过互连放射式的微通道结构，将入口布置在芯片中心并结合微通道不断扩增，逐步增大汽液两相流动的沿程等效横截面积，从而适应高热流密度下相变造成的流体体积剧烈膨胀，可以有效地降低因流体相变带来的压降损失，降低散热器的功耗，提高稳定性；并且，通过采用了短程叉状的微通道结构设计，气泡在节点附近的合并、破裂等动力学行为可扰动临近叉状微通道的热边界层且减小薄液膜厚度，从而提高微通道网络的壁面传热系数；同时，通过引入两种节点结构，使微通道网络分布较现已有的分形树状网络更加密集和均匀，显著增加比表换热面积，提高冷却能力并有助于维持芯片温度均匀；最后，通过短程微通道互连成网，不同微通道间可自主高效地发生热质交换，有利于推迟沸腾流动失稳现象的发生。值得一提的是，本发明提出的微通道网络结构仅存在沿流动平面方向的二维图案结构，在深度方向上结构平整，因此涉及的微加工与封装工艺简单明了，易于实施。

Claims (6)

1.一种互连放射式相变微通道散热器，其特征在于，包括相对设置的底盘(2)和盖板(1)，所述底盘(2)上设置有微通道(5)，所述微通道(5)以互连放射式从底盘(2)中心向底盘(2)四周发展，所述盖板(1)和底盘(2)的中心位置设置有冷却工质入口(3)，所述盖板(1)和底盘(2)的边缘位置设置有冷却工质出口(4)；
所述微通道(5)具体为多级放射式网络结构，所述多级放射式网络结构包括依次连接的多层短程叉状微通道，其中，第一层短程叉状微通道围绕在冷却工质入口(3)；
所述多级放射式网络结构中，第一层短程叉状微通道采用第一基本单元连接构成，第二层短程叉状微通道采用第二基本单元连接构成，其余层短程叉状微通道采用第一基本单元和第二基本单元混合交替连接构成；
所述第一基本单元由一条上游微通道Lk和两条下游微通道Lk+1组成，以上游微通道为中轴线，两条下游微通道与中轴线之间的夹角均为θ；
所述第二基本单元由两条上游微通道Lk和三条下游微通道Lk+1组成，以两条上游微通道对称轴为中轴线，上游微通道与中轴线之间夹角为ɑ，下游微通道的其中一条在中轴线上，另外两条与中轴线之间的夹角均为β。
2.根据权利要求1所述的一种互连放射式相变微通道散热器，其特征在于，所述夹角ɑ、β或θ的取值范围为15°～60°。
3.根据权利要求1所述的一种互连放射式相变微通道散热器，其特征在于，所述微通道(5)的横截面为矩形。
4.根据权利要求3所述的一种互连放射式相变微通道散热器，其特征在于，所述底盘(2)为正方形结构，所述微通道(5)的高度与底盘(2)边长的比值为1:30，所述微通道(5)的宽度与底盘(2)边长的比值为1:30。
5.根据权利要求1所述的一种互连放射式相变微通道散热器，其特征在于，所述底盘(2)为正方形结构，所述冷却工质入口(3)具体为圆形开孔，所述开孔的直径与底盘(2)边长的比值为1:6，所述开孔的深度与微通道(5)高度相同。
6.根据权利要求1所述的一种互连放射式相变微通道散热器，其特征在于，所述底盘(2)为正方形结构，所述冷却工质出口(4)具体为矩形环状开槽，所述开槽的宽度与底盘(2)边长的比值为1:15，所述开槽的高度与微通道(5)高度相同。
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