CN114141733B - 一种分级式歧管微通道散热装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分级式歧管微通道散热装置，主要包括一级微通道、二级微通道、三级微通道和底板部分。通过键合技术将四层通道封装起来，工质进、出口均位于顶部，可以根据换热面积增加微通道和歧管通道的数量。换热工质经过一级微通道和二级微通道流入三级微通道，由最初的两个入口分裂成最后的八个入口流向模拟芯片表面，工质均匀的分布提升了模拟芯片表面温度分布均匀性。换热后的工质在经过三级微通道和二级微通道汇入一级微通道，最终由两个一级微通道汇集到中间的出口位置流出。流道被分段成多个微小通道单元，流动长度缩短使得压降减小，热边界层难以在微通道中发展，有利于提高换热系数和降低总热阻。本发明具有占地面积小、低功耗、散热能力大的优点，可用于满足超过热流密度的散热需求。

Description

一种分级式歧管微通道散热装置

技术领域

本发明涉及微小空间内的冷却散热领域，适用于超高热流密度散热技术，具体涉及一种分级式歧管微通道散热装置。

背景技术

近几十年来，随着微纳加工技术的蓬勃发展，微电子机械系统、大规模集成电路和大功率发光二极管研制技术也向前大步迈进。能源动力、航空航天、生物化工、核能技术、移动通信、电动汽车等先进工程领域越来越注重电子设备的微型化和集成化，不断提升的市场需求加剧了对高精尖硬件设备研制技术发展的要求。电子器件的功率提升与体积微小化发展趋势导致了其发热热流持续上升，过高的运行温度将直接导致设备可靠性下降等问题，因此伴随而来的是对电子设备的高效散热方案需求，为高功率设备研发合适的高效换热技术具有深远的实际意义。

高热流不仅仅局限于计算机电子设备的使用情景，在许多其他场景中也已经存在，例如X射线医疗设备、新能源汽车、储氢、核工程、火箭推进、航空发动机涡轮叶片、军事雷达、人造卫星等，目前散热需求已在kW/cm²量级。然而，传统的间接冷却式散热是将芯片与散热器隔开的，中间填充热界面材料，由于接触热阻，这将导致整个散热装置有一个极大的温度梯度。此外，局部加热也可能会导致芯片表面的温度的温度分布不均。

发明内容

本发明的目的在于提供一种分级式歧管微通道散热装置，以克服现有技术存在的缺陷，本发明中入口和出口的总管路中包括多个平行的流动通道，保证流体均匀覆盖在芯片表面。该装置利用多层分级式流动将流体分配到热源表面，设计多个进出口，歧管结构将微通道分为许多并联的微通道单元，大大缩短了微通道的有效流动长度，使压降减小，流动长度的减小使得热边界层难以在微通道内发展，这样有利于提高换热系数，降低总热阻。另外，分层式的布置方式使得入口工质更均匀的分布，提升了芯片底面温度分布均匀性。当增加芯片的换热面积时，可通过增加分级数目来增加歧管微通道的数量，紧凑的结构设计也大大节约了散热器占用空间。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种分级式歧管微通道散热装置，包括从上至下依次设置的第一层基板、第二层基板、第三层基板和底板；

所述第一层基板的下表面加工有四个一级微通道，且四个一级微通道交错排列，第一个和第四个一级微通道为入口微通道，第二个和第三个一级微通道为出口微通道，且两个出口微通道之间设置有连通微通道，所述第一层基板的上表面设置有两个一级工质入口和一个一级工质出口，两个一级工质入口分别与两个入口微通道的中心位置连通，一级工质出口与连通微通道的中心位置连通；

所述第二层基板的下表面加工有八个二级微通道，所述二级微通道与一级微通道相互平行，且所述八个二级微通道呈四行两列交错布置，每个二级微通道的中部均开设有一个通孔，第一行、第三行左侧的二级微通道和第二行、第四行右侧的二级微通道上的通孔为四个二级工质入口，第一行、第三行右侧的二级微通道和第二行、第四行左侧的二级微通道上的通孔为四个二级工质出口；

所述第三层基板的下表面加工有八个三级微通道，八个三级微通道相互平行、错列布置，每个三级微通道的两侧各开有一个通孔，每个三级微通道一侧的通孔为三级工质入口，另一侧的通孔为三级工质出口，且相邻三级微通道内的工质流动方向相反，所述三级微通道与二级微通道之间相互垂直布置；

所述底板包括外围基座，所述外围基座上设置有用于放置模拟芯片的台阶型通孔，所述模拟芯片的背面贴有ITO加热膜；

使用时，工质依次经过一级工质入口、二级工质入口和三级工质入口后，对模拟芯片进行散热，然后依次经三级工质出口、二级工质出口和一级工质出口排出。

进一步地，第一层基板、第二层基板、第三层基板和底板的尺寸均为l×l×H，长度和宽度均为l，且l＝20mm，高度H为2mm。

进一步地，所述一级微通道的尺寸为w₁×d×h，一级微通道的长度w₁为12～16mm，宽度d为1.5～1.8mm，高度h为0.5mm。

进一步地，所述一级工质出口和一级工质入口的尺寸均为D×(H-h)，直径D即为一级微通道的宽度d。

进一步地，所述二级微通道的尺寸为w₂×d×h，二级微通道的长度w₂＝1/2×w₁。

进一步地，所述二级工质出口和二级工质入口的尺寸均为D×(H-h)。

进一步地，所述三级微通道的尺寸为w₃×d×h，三级微通道的长度w₃＝w₁。

进一步地，所述三级工质出口和三级工质入口的尺寸均为D×(H-h)。

进一步地，所述模拟芯片的尺寸为l₁×d₁×h₁，h₁＝0.5mm，l₁＝18mm，d₁＝12mm；所述ITO加热膜的尺寸为l₂×d₂，l₂＝15mm，d₂＝8mm。

进一步地，所述模拟芯片的换热面积与第三层基板上相邻三级微通道的重合部分面积相等。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明在歧管微通道的基础上，设计了一种分级式的新型歧管微通道散热装置。换热工质从芯片上方的第一层基板左、右两侧通入，垂直流入一级微通道后继续向两侧分流，进入二级微通道，随后进入三级微通道，再次分成双孔通路，三级微通道相互错列布置，相邻的三级微通道之间相互逆流，流体对模拟芯片进行对流散热后，在依次经过二级微通道、一级微通道，最终芯片上方的第一层基板上方中间位置的出口处流出。相比于中间进两边出的歧管式微通道，流体沿一侧进一侧出的流动方式避免了流动死区，另外，间隔式的逆流排列方式使得温度分布更加均匀，从而避免传统微通道出口温度与进口温差大、壁面温度十分不均、易导致干烧提前发生的问题，从而到达提升临界热流密度和换热系数，降低了总热阻，最终达到强化换热的效果。

具体优点如下：

(1)分级式歧管微通道进出口压力损失大幅度降低。分级式的歧管结构将微通道被划分为许多并联的微通道单元，大大缩短了微通道流动的有效长度，使得压降减小。

(2)分级式歧管微通道的热阻更小。由于分级式歧管结构形成了多个入口并减小了微通道流动长度，因此热边界层难以在微通道内发展，这有利于提高换热系数，使热阻减小。

(3)分级式歧管微通道结构使得换热面的温度更加均匀。多级多通道间隔逆流布置使得换热工质更均匀的分布，提升了芯片底面的温度分布均匀性。

(4)歧管的入口和出口结构设计于芯片的上方，因此当沿着平面扩大换热面积时，增加微通道和歧管通道的数量十分容易。

(5)由于紧凑的结构设计，在芯片散热中使用大大节约散热器的占用空间。

(6)分级式歧管微通道的设计可以实现超高热流密度的散热能力，有效解决热流密度500-1000W/cm²的散热需求。

附图说明

说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1-1为本发明的二维结构示意图；

图1-2为本发明的三维结构爆炸图；

图2-1为本发明一级微通道的三维图；

图2-2为本发明一级微通道的主视图；

图2-3为本发明一级微通道的俯视图；

图3-1为本发明二级微通道的三维图；

图3-2为本发明二级微通道的主视图；

图3-3为本发明二级微通道的俯视图；

图4-1为本发明三级微通道的三维图；

图4-2为本发明三级微通道的主视图；

图4-3为本发明三级微通道的俯视图；

图5-1为本发明底板的三维图；

图5-2为本发明底板的主视图；

图5-3为本发明底板的俯视图。

其中，1、第一层基板；2、第二层基板；3、第三层基板；4、外围基座；5、模拟芯片；6、ITO加热膜。

具体实施方式

下面对本发明的实施方式做进一步详细描述：

本发明通过复杂流道设计实现传统平行微通道的流动与换热强化，附加了多级分流装置，开发了一种压降低、热阻小、壁面温度分布均匀的分层式歧管微通道散热装置。

一种分级式歧管微通道散热装置，包括第一层基板1(第一层基板1下表面设计有四个一级微通道，上表面设计有两个一级工质入口和一个一级工质出口)、第二层基板2(第二层基板2下表面设计有八个二级微通道，每个二级微通道的中部均设置有一个通孔)、第三层基板3(第三层基板3下表面设计有八个三级微通道，每个三级微通道的两侧均设置有两个通孔)、底板(底板包括外围基座4、模拟芯片5、ITO加热薄膜6)。

整个分级式歧管微通道散热装置主要由上部的三层基板和底板组成，其中最顶部的第一层基板1上设置有一级微通道，顶部布置有位于两侧的两个一级工质入口，换热工质沿一级微通道进入二级微通道，此时两个一级工质入口通道分成四个二级工质入口，继而进入三级微通道，四个二级工质入口再一次拆分为八个三级工质入口，从而使得工质可以均匀地对模拟芯片5表面进行对流散热，换热后的工质沿着交错排列的八个三级工质出口再经过三级微通道和二级微通道，最终换热工质由一级微通道汇聚到顶部中央的一级工质出口处流出。分级式歧管微通道的最底部是整个散热装置的底板，由外围基座4、模拟芯片5以及ITO加热薄膜6组成，外围基座4主要是用来对模拟芯片5进行固定，模拟芯片5底部贴有ITO加热膜6，提供热源来给模拟芯片5加热，以此来模拟CPU/手机芯片的散热。换热工质从芯片上方的第一层基板通入，垂直流入微通道后向两侧分流，随后在微通道中流动至出口附近汇合，最后仍然从芯片上方的第一层基板排出。这一流道设计使得整个微通道内的流体扰动增强，避免了流动死区，原本的长直的第一级微通道被分段成短小弯折的二、三级微通道，使得压降损失大大降低、减小了热阻，换热工质均匀分布也提升了芯片底面的温度分布均匀性。另外，歧管微通道的入口和出口结构设计于芯片的上方，当芯片沿着换热平面扩大面积，增加微通道和歧管通道的数量时十分容易。紧凑的结构设计在电子器件散热中更加适用，节约了散热器占用空间。

整个分级式歧管微通道散热装置分为四层，分别为第一层基板1、第二层基板2、第三层基板3和底板，每一层的尺寸均为l×l×H，长度和宽度均为l，且l＝20mm，高度H为2mm。

第一层基板1的下表面加工有四个一级微通道，一级微通道尺寸为w₁×d×h，一级微通道的长度w₁为12～16mm，宽度d为1.5～1.8mm，高度h为0.5mm，四个一级微通道交错排列，第一、四个一级微通道为入口微通道，第二、三个一级微通道为出口微通道。第一层基板1的上表面设有两个一级工质入口，分布在左右两侧，位于第一、四个微通道的上方位置，中间设有一个一级工质出口，最终流出的工质经第二、三个微通道汇聚到中间一级工质出口处流出。一级工质入口、一级工质出口的尺寸均为D×(H-h)，直径D即为一级微通道的宽度d。

第二层基板2的下表面加工有八个二级微通道，二级微通道尺寸为w₂×d×h，二级微通道的长度w₂＝1/2×w₁。流体经一级微通道流入，然后各自分为两路进入二级微通道，每一行分布着两个二级微通道，因此，八个二级微通道呈四行两列交错布置，需要注意的是二级微通道方向是与一级微通道方向相互平行布置的，在每个二级微通道的中部各自开有一个通孔，二级工质入口、二级工质出口之间交错布置，第一、三行左侧和第二、四行右侧为四个二级工质入口，第一、三行右侧和第二、四行左侧为四个二级工质出口。二级工质入口和二级工质出口的尺寸均为D×(H-h)。

第三层基板3的下表面加工有八个三级微通道，三级微通道尺寸为w₃×d×h，三级微通道的长度w₃＝w₁。八个三级微通道相互平行、错列布置，每个三级微通道的左、右两侧各开有一个通孔，总共设有16个通孔(8个三级工质入口和8个三级工质出口)，工质经过二级微通道流入三级微通道，工质由一侧三级工质入口流入，沿另一侧三级工质出口流出，相邻三级微通道内的工质流动方向相反。而三级微通道的方向则与二级微通道之间相互垂直布置。三级工质入口和三级工质出口的尺寸均为D×(H-h)。

第四层为底板，底板包括开有一个尺寸为l₁×d₁×h₁的台阶的外围基座4，用来放置模拟芯片5，即模拟芯片5的尺寸也为l₁×d₁×h₁，模拟芯片5为方形硅片，h₁＝0.5mm。模拟芯片5背部贴有ITO加热膜6，用来给模拟芯片5加热，所以ITO加热膜6的面积即为模拟芯片5的换热面积(l₂×d₂)，需要注意的是，模拟芯片5的换热面积只占了在三级微通道相邻通道的重合部分，即中间的方形区域，并非整个三级微通道内流体流过的面积。

(1)本发明换热工质从两侧进中间出的方式，相比于中间进两侧出的流动方式，避免了流动死区。

(2)本发明设计了一级微通道、二级微通道和三级微通道，多级式的布置将微通道划分为了多个并联的通道单元，相比于传统的歧管微通道，缩短了微通道的有效流动长度、使压降减小。

(3)本发明在三级微通道设计了多个入口，流体从不同位置对换热表面进行对流散热，使得热边界层难以在微通道内发展，减小了流动长度，有利于提高换热系数，减低总热阻。

(4)本发明多级微通道式的间隔逆流布置使得换热工质更均匀地冲击在芯片底面，使芯片换热面的温度分布更加均匀。

(5)本发明结构简单，容易实现，可根据工艺要求对分级式歧管微通道散热装置进行设计，当芯片沿着换热平面扩大面积时，可根据具体的工艺参数增加微通道的数量，流动长度的减小使得压降降低，减小了流动不稳定性，换热面均匀的温度分布，防止了局部过热，大大提升了微通道的换热性能。

下面结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照附图，一种分级式歧管微通道散热装置，如图1-1、1-2所示，包括第一层基板1，第二层基板2，第三层基板3，第四层包括外围基座4，模拟芯片5和ITO加热膜6。每一层的长度和宽度均为l(20mm)，高度为H(2mm)。本发明基于歧管换热器的原理，设计了一种分级式歧管微通道散热装置，整个散热装置分为四层，第一层基板1顶部左右两侧开有两个一级工质入口，中间为一级工质出口，换热工质沿一级微通道1左右两侧进入第二层基板2，分成八个平行错列的二级微通道2(四个入口通道、四个出口通道)，进、出口通道相互交错布置。随后换热工质沿着二级微通道2的四个入口通道进入第三层基板3，第三层基板3下表面加工有八个平行的三级微通道3，每个三级微通道3都有一进一出的两个通孔，共有十六个进、出口，相邻三级微通道流动方向相反，增强了扰动，强化了换热性能。底部为散热装置的底板，由外围基座4、模拟芯片5和ITO加热膜6组成。在模拟芯片5表面刻蚀有微柱结构，大大增加了换热面积，促进了对流换热。外围基座4主要是用来放置模拟芯片5，模拟芯片5的底部贴有ITO加热膜6，用来给模拟芯片5加热，模拟芯片5充当热源。分级式歧管微通道散热装置的流道设计使得流体扰动增强，避免了流动死区，原本的长直微通道被分段成短小弯折的微通道单元。减小了压降和热阻，多级交错式的流道分布使得工质在换热表面更均匀的分布，提升了芯片底面的温度分布均匀性，防止局部干涸，延缓了临界现象，提高了临界热流密度。

如图2-1、2-2和2-3所示，第一层基板1上表面的一级微通道的长度为w₁(12～16mm)，宽度为d(1.5～1.8mm)，高度为h(0.5mm)。最外侧的两个一级微通道为入口微通道，中间的两个一级微通道为出口微通道，每个入口通道的中部各开有一个工质入口，两个出口通道汇聚到第一层的中间位置，在该处开有一个工质出口。工质进、出口的直径为D(1.5～1.8mm)，深度为H-h(1.5mm)。

如图3-1、3-2和3-3所示，第二层基板2上表面的二级微通道的长度为w₂(6～8mm)，宽度为d(1.5～1.8mm)，高度为h(0.5mm)。八个二级微通道平行错列布置，工质经一级微通道流入二级微通道时，每个二级微通道又分成两个小的微通道，即二级微通道的第一、三行的左侧和第二、四行的右侧为入口微通道，第一、三行的右侧和第二、四行的左侧为出口微通道。每个二级微通道的中间位置开有一个通孔，总共八个进、出口，直径为D(1.5～1.8mm)，深度为H-h(1.5mm)。

如图4-1、4-2和4-3所示，第三层基板3上表面的三级微通道的长度为w₃(12～16mm)，宽度为d(1.5～1.8mm)，高度为h(0.5mm)。八个三级微通道平行错列布置，每个三级微通道两端各开有一个入口和一个出口，总共十六个进、出口，直径为D(1.5～1.8mm)，深度为H-h(1.5mm)。靠近外侧的八个通孔为入口，内部的八个通孔为出口，所以相邻三级微通道内的工质流动方向相反，增加了扰动，强化了对流换热。

如图5-1、5-2和5-3所示，第四层底板的外围基座4中间开有一个方形台阶，长度为l₁(18mm)，宽度为d₁(12mm),高度为h₁(0.5mm)，用来放置模拟芯片5，即模拟芯片5的长度为l₁(18mm)，宽度为d₁(12mm),厚度为h₁(0.5mm)，模拟芯片底部贴有ITO加热膜6，用来给模拟芯片提供热量，ITO加热膜6的面积即为芯片的换热面积，长度为l₁(15mm)，宽度为d₁(8mm)。换热工质经过第三层的三级微通道3在模拟芯片5的表面进行对流散热，多通道的布置使得换热表面的热量分布更加均匀，大大提高了换热效率。

本发明基于歧管微通道的原理，从强化传热、减小压降和热阻、增加壁面温度均匀性的角度出发，开发了一种分级式歧管微通道散热装置。换热工质从芯片上方的第一层基板顶部的两侧通入，垂直流入一级微通道，进入第二层后向两侧分流，分成四股流入四个平行错列的二级微通道，随后继续分成八个入口通道流入三级微通道，换热工质沿着三级微通道的一侧进入，与置于外围基座4上的模拟芯片进行对流换热，然后沿着三级微通道的另一侧流出，再依次经过二级微通道、一级微通道汇聚到芯片上方的第一层基板顶部的中间出口处流出。这一流道设计使得流体扰动增强，避免了流动死区，原本的长直微通道被分段成短小弯折的微通道单元。多通道并联大大缩短了微通道的有效流动长度，压降减小，降低了总的热阻，换热系数大大提高。多级式分布使得换热工质更均匀的分布在换热表面，提升了芯片底面的温度分布均匀性。进、出口设计于芯片上方的第一层基板顶部，因此可以根据换热面积的大小来布置合适的微通道和歧管通道数量，紧凑的结构设计大大节约了散热器的占地面积。

分级式歧管微通道散热装置拟采用铜，通过微铣削技术在铜板表面加工一、二、三级微通道和多个进、出口通道，模拟芯片为硅片，模拟芯片底部贴有ITO加热膜，提供热量，模拟芯片固定在底板上，然后将一级微通道、二级微通道、三级微通道和底板部分一体化集成完成分级式歧管微通道散热装置的制备。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种分级式歧管微通道散热装置，其特征在于，包括从上至下依次设置的第一层基板(1)、第二层基板(2)、第三层基板(3)和底板；

所述第一层基板(1)的下表面加工有四个一级微通道，且四个一级微通道交错排列，第一个和第四个一级微通道为入口微通道，第二个和第三个一级微通道为出口微通道，且两个出口微通道之间设置有连通微通道，所述第一层基板(1)的上表面设置有两个一级工质入口和一个一级工质出口，两个一级工质入口分别与两个入口微通道的中心位置连通，一级工质出口与连通微通道的中心位置连通；

所述第二层基板(2)的下表面加工有八个二级微通道，所述二级微通道与一级微通道相互平行，且所述八个二级微通道呈四行两列交错布置，每个二级微通道的中部均开设有一个通孔，第一行、第三行左侧的二级微通道和第二行、第四行右侧的二级微通道上的通孔为四个二级工质入口，第一行、第三行右侧的二级微通道和第二行、第四行左侧的二级微通道上的通孔为四个二级工质出口；

所述第三层基板(3)的下表面加工有八个三级微通道，八个三级微通道相互平行、错列布置，每个三级微通道的两侧各开有一个通孔，每个三级微通道一侧的通孔为三级工质入口，另一侧的通孔为三级工质出口，且相邻三级微通道内的工质流动方向相反，所述三级微通道与二级微通道之间相互垂直布置；

所述底板包括外围基座(4)，所述外围基座(4)上设置有用于放置模拟芯片(5)的台阶型通孔，所述模拟芯片(5)的背面贴有ITO加热膜(6)；

使用时，工质依次经过一级工质入口、二级工质入口和三级工质入口后，对模拟芯片(5)进行散热，然后依次经三级工质出口、二级工质出口和一级工质出口排出。

2.根据权利要求1所述的一种分级式歧管微通道散热装置，其特征在于，第一层基板(1)、第二层基板(2)、第三层基板(3)和底板的尺寸均为l×l×H，长度和宽度均为l，且l＝20mm，高度H为2mm。

3.根据权利要求2所述的一种分级式歧管微通道散热装置，其特征在于，所述一级微通道的尺寸为w₁×d×h，一级微通道的长度w₁为12～16mm，宽度d为1.5～1.8mm，高度h为0.5mm。

4.根据权利要求3所述的一种分级式歧管微通道散热装置，其特征在于，所述一级工质出口和一级工质入口的尺寸均为D×(H-h)，直径D即为一级微通道的宽度d。

5.根据权利要求3所述的一种分级式歧管微通道散热装置，其特征在于，所述二级微通道的尺寸为w₂×d×h，二级微通道的长度w₂＝1/2×w₁。

6.根据权利要求3所述的一种分级式歧管微通道散热装置，其特征在于，所述二级工质出口和二级工质入口的尺寸均为D×(H-h)，直径D即为一级微通道的宽度d。

7.根据权利要求3所述的一种分级式歧管微通道散热装置，其特征在于，所述三级微通道的尺寸为w₃×d×h，三级微通道的长度w₃＝w₁。

8.根据权利要求3所述的一种分级式歧管微通道散热装置，其特征在于，所述三级工质出口和三级工质入口的尺寸均为D×(H-h)，直径D即为一级微通道的宽度d。

9.根据权利要求3所述的一种分级式歧管微通道散热装置，其特征在于，所述模拟芯片(5)的尺寸为l₁×d₁×h₁，h₁＝0.5mm，l₁＝18mm，d₁＝12mm；所述ITO加热膜(6)的尺寸为l₂×d₂，l₂＝15mm，d₂＝8mm。

10.根据权利要求1所述的一种分级式歧管微通道散热装置，其特征在于，所述模拟芯片(5)的换热面积与第三层基板(3)上相邻三级微通道的重合部分面积相等。