CN116884933B - 一种交错微流道散热结构及芯片散热系统 - Google Patents

Abstract

一种交错微流道散热结构及芯片散热系统，该散热结构包括上盖板、与所述上盖板相配合固定连接的微流道冷板，所述上盖板与所述微流道冷板之间形成冷却腔，所述上盖板与/或所述微流道冷板上开设有与所述冷却腔相连通的流体入口以及流体出口，位于所述冷却腔内的所述微流道冷板的表面设置有若干交错设置的散热凸起，通过改进现有结构来解决单芯片温度过高以及多芯片热源温度不均匀问题。

Description

一种交错微流道散热结构及芯片散热系统

技术领域

本申请涉及芯片散热领域，具体而言，涉及一种交错微流道散热结构及芯片散热系统。

背景技术

随着电子系统朝着集成度高，功率高和小型化的方向发展，电子产品性能得到提升的同时也会带来热流密度大幅度增加的情况。如果不能够采取适当的散热措施，会使得电子产品温度过高，并且芯片内部若存在多个发热源，也会存在温度分布不均匀的情况，这些问题都对现有散热系统提出了新的挑战。作为新型散热技术之一的微流道散热技术，具有小型化、高散热效率、低热阻等优点，其在实际应用中能够满足小型化电子产品的散热及均温性需求。

随着功率芯片的热流密度急剧增大，散热需求急剧上升，简单的微流道结构如矩形微流道结构已经难以满足现有的要求，需要采用新的散热结构来达到更好的散热效果以及更好的温度均匀性。如图1所示，现有的微流道结构是由盖板和矩形微流道冷板组成，冷却液体通过盖板流入矩形微流道中，在与热源换热后，从盖板另一边出口流出微流道装置。

对于现有的矩形微流道而言其内部的流场主要以层流为主，冷却流体在各自的流道内独自流动，独自带走热量，彼此之间并无交集。由于层流的对流换热系数远低于湍流，因此平行矩形流道相对于交错流道的换热系数较低。

流体在矩形流道的流动过程中，由于边界层逐渐变厚，流体在靠近出口处的温度会高于入口处的温度，微流道散热器的换热性能逐渐恶化，使得芯片的温度均匀性较差，靠近出口处的芯片温度会高于靠近入口处的温度。

此外，长直的矩形流道容易堵塞，若其中某个流道堵塞则会在很大程度上影响散热效果，因此散热器内部需要人工定期清理养护。

因此对于现有的电子产品散热问题，有必要提出一种新的微流道散热结构，用来解决现有微流道结构散热不足及芯片温度不均匀的问题。

发明内容

本申请的主要目的在于提供一种交错微流道散热结构及芯片散热系统，以解决相关技术中微流道结构散热不足及芯片温度不均匀的问题，通过改进现有结构来解决单芯片温度过高以及多芯片热源温度不均匀问题。

为了实现上述目的，第一方面，本申请提供了一种交错微流道散热结构，包括上盖板、与所述上盖板相配合固定连接的微流道冷板，所述上盖板与所述微流道冷板之间形成冷却腔，所述上盖板与/或所述微流道冷板上开设有与所述冷却腔相连通的流体入口以及流体出口，其特征在于：位于所述冷却腔内的所述微流道冷板的表面设置有若干交错设置的散热凸起。

进一步改进的是，所述散热凸起的高度小于所述冷却腔的高度。

进一步改进的是，所述散热凸起呈梯形、圆柱形、圆台形或者长方形中的一种。

进一步改进的是，所述散热凸起呈梯形，所述散热凸起与所述微流道的接触面积大于其另一端面的面积。

进一步改进的是，所述上盖板与所述微流道冷板两者的拼接缝处设置有密封层。

进一步改进的是，所述上盖板与所述微流道冷板之间通过紧固件相固定连接。

进一步改进的是，所述上盖板、所述微流道冷板由铝合金制成。

进一步改进的是，所述上盖板的一侧开设有两个所述流体入口，其相对的另一侧开设有两个所述流体出口。

为了实现上述目的，第二方面，本申请提供了一种芯片散热系统，包括位于芯片上方上述的交错微流道散热结构、通过第一流体管道与所述流体入口相连通的动力泵。

进一步改进的是，还包括冷却水箱以及过滤器，所述动力泵与所述冷却水箱相连通，所述冷却水箱与所述流体出口通过第二流体管道相连通，所述过滤器设置于所述第二流体管道上。

与现有技术相比，其有益效果为：采用了交错梯形微流道结构，流体在流道内流动时会产生涡流和二次流，涡流和二次流能够促进微流道内冷、热流之间的相互混合，从而强化了散热效果以及多芯片热源的温度均匀性。由于在小空间内难以安装风冷结构并且风冷的散热效率相对不高，因此可以采用交错梯形微流道结构，通过较小的散热面积散去更多的热量，使得高功耗芯片的温度降低，表面温度更加均匀。

附图说明

构成本申请的一部分附图用来提供对本申请的进一步理解，使得本申请的其它特征、目的和优点变得更明显。本申请的示意性实施例附图及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是现有结构示意图；

图2是本发明示意图；

图3是本发明分解图；

图4是微流道冷板俯视图；

图5是微流道冷板主视图；

图6是不同微流道结构散热效果对比图。

其中：1、上盖板；2、微流道冷板；3、散热凸起；4、流体入口；5、流体出口；6、螺丝孔。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中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申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本申请中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本申请及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。

并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本申请中的具体含义。

另外，术语“多个”的含义应为两个以及两个以上。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

如图2-图5所示，一种交错微流道散热结构，包括上盖板1、与所述上盖板1相配合固定连接的微流道冷板2，所述上盖板1与所述微流道冷板2之间形成冷却腔，所述上盖板1上开设有与所述冷却腔相连通的流体入口4以及流体出口5，位于所述冷却腔内的所述微流道冷板2的表面设置有若干交错设置的散热凸起3。

采用了交错的散热凸起3的微流道结构，流体在流道内流动时会产生涡流和二次流，涡流和二次流能够促进微流道内冷、热流之间的相互混合，从而强化了散热效果以及多芯片热源的温度均匀性。由于在小空间内难以安装风冷结构并且风冷的散热效率相对不高，因此通过较小的散热面积散去更多的热量，使得高功耗芯片的温度降低，表面温度更加均匀。

如图2、图3所示，当然流体入口4以及流体出口5也可以开设于微流道冷板2上，此外为了提高散热效率，采用双进双出结构，即所述上盖板1的一侧开设有两个所述流体入口4，其相对的另一侧开设有两个所述流体出口5，而上盖板1与微流道冷板2之间通过紧固件固定连接，优选采用螺丝固定，即上盖板1以及微流道冷板2采用传统机加工方式进行加工制造时预留了螺丝孔6位，两者通过螺丝进行固定，另外为了防止安装完成后，上盖板1与微流道冷板2之间会存在间隙导致流体经过微流道时发送泄露，因此所述上盖板1与所述微流道冷板2两者的拼接缝处设置有密封层，具体地可以采用在上盖板1与微流道冷板2之间涂抹一圈防水的密封胶水，以使整个装置的密封性达到要求。

另外冷却散热工质可以选用去离子水、乙二醇溶液等比热容高，粘性较小的介质，为了保证散热结构的使用寿命，因此选用有一定的抗腐蚀性、可加工性强、重量相对较轻，并且成本相对较低的铝合金材料，具体可以采用6061铝合金加工上盖板1以及微流道冷板2，而且在使用前首先需要对上盖板1与微流道冷板2进行清洗，以保证流体在散热结构的微流道内的顺利流通，用去离子水清洗干净后烘干水分，以去除上盖板1与微流道冷板2上的油污及颗粒。

如图5所示，冷却介质在相同的入口流量及入口温度下，微流道散热器的散热性能主要受以下三个因素的影响：换热表面积的大小，冷却介质的流动特性及涡流的传播程度，因此采用开放式散热器优于采用封闭式散热器，继而本实施例中所述散热凸起3的高度小于所述冷却腔的高度，如散热凸起3高度Hf为2.5mm，低于冷却腔的高度H为3mm，即开放式散热凸起3的顶部和上盖板1之间预留了一定的开放空间，开放空间内冷却介质的加速流动，使得流体速度达到最大，当流体加速流过梯形微肋顶部时会产生径向流动阻止边界层的分离，从而降低了流动阻力。并且梯形微肋之间也会产生涡流与二次流，整体上强化传热的程度很高。由于冷却介质具有一定的分散特性，使得产生的涡流能够进一步传播演化，增加了流动的湍流程度，提升了冷却介质的流动特性，如若采用封闭式散热器时，即Hf为3mm时，散热凸起3上表面与和盖板直接接触，散热凸起3上表面无法与冷却介质直接进行对流换热，并且散热凸起3上表面与上盖板1之间主流道内没有冷却介质的加速流动，降低了对流换热效果。封闭式散热器内出现的流体边界层分离现象，也使得整体的流动阻力增加，尽管相对于封闭式散热器，开放式散热器的有效散热面积会有所降低，但受到上述三个因素的综合影响，开放式散热器的散热效果比封闭式散热器的散热性能更加优异。

本实施例中优选地，所述散热凸起3呈梯形、圆柱形、圆台形或者长方形中的一种，当然不同的散热凸起3的结构其散热效果也会存在区别，鉴于此，通过三维软件建立矩形长直流道和四种不同的交错微流道分别为梯形微流道、长方体微流道、圆台微流道以及圆柱微流道结构，通过仿真对比不同微流道结构下热源最高温度随着入口质量流量的变化曲线如图6所示。

交错梯形微流道结构在同样的入口流量下，相对于圆柱、圆台与长方体微流道结构,其在整体上的速度分布更加均匀，并且随着入口质量流量的提升，交错梯形微流道结构的对流换热系数、努塞尔数的增加程度也较高，结构总热阻比圆柱和圆台结构更小，因此整体上的换热效果优于圆柱和圆台微流道结构且仅次于长方体结构。在不同的微流道入口流量下，交错梯形微流道结构的流动压降及摩擦因子均低于长方体微流道结构，而长方体微流道结构需要以较大的泵功耗为代价来达到更好的散热效果，整体上系统的能耗增加了。因此综合考虑，本发明的流道结构采用交错梯形微流道结构，以较小的压力损失达到更好的综合散热效果，如图3、图4、图5所示，由此本实施例中优选所述散热凸起3呈梯形，所述散热凸起3与所述微流道的接触面积大于其另一端面的面积，使得微流道内靠近热源处的散热面积大于远离热源处的散热面积，当然梯形散热凸起3结构的倾角和不同散热凸起3间的缝隙都对加工精度有一定的要求，由此微流道冷板2更适合采用传统机加工方式进行加工制造。

除此以外本实施例中还提供了一种芯片散热系统，包括位于芯片上方上述的交错微流道散热结构、通过第一流体管道与所述流体入口4相连通的动力泵，还包括冷却水箱以及过滤器，所述动力泵与所述冷却水箱相连通，所述冷却水箱与所述流体出口5通过第二流体管道相连通，所述过滤器设置于所述第二流体管道上，启动该散热系统，液冷循环系统的动力泵提供冷却液流动的动力，冷却液的流动使得芯片不断散热，冷却介质在散热器内完成换热过程从微流道结构流出后，经过冷却水箱冷却和过滤器过滤，重新通过动力泵进入散热器完成散热循环。微流道散热结构装配完成后与动力泵，过滤器，冷却水箱等形成了一套完整的散热系统。通过微流道下表面与热源接触将芯片温度控制在合适的水平，从而有效提升器件的工作效率。并且相对于现有的矩形水冷流道，冷却液在梯形微流道内能够停留更长的时间，避免冷却液还未完全吸收热量就从出口流出，导致散热效果不佳的问题。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种交错微流道散热结构，包括上盖板、与所述上盖板相配合固定连接的微流道冷板，所述上盖板与所述微流道冷板之间形成冷却腔，所述上盖板与/或所述微流道冷板上开设有与所述冷却腔相连通的流体入口以及流体出口，其特征在于：位于所述冷却腔内的所述微流道冷板的表面设置有若干交错设置的散热凸起，所述散热凸起的高度小于所述冷却腔的高度，所述散热凸起的顶部和所述上盖板之间预留了开放空间，所述散热凸起高度Hf为2.5mm，所述冷却腔的高度H为3mm，所述散热凸起呈梯形，所述散热凸起与所述微流道的接触面积大于其另一端面的面积。

2.如权利要求1所述的一种交错微流道散热结构，其特征在于：所述上盖板与所述微流道冷板两者的拼接缝处设置有密封层。

3.如权利要求1所述的一种交错微流道散热结构，其特征在于：所述上盖板与所述微流道冷板之间通过紧固件相固定连接。

4.如权利要求1所述的一种交错微流道散热结构，其特征在于：所述上盖板、所述微流道冷板由铝合金制成。

5.如权利要求1所述的一种交错微流道散热结构，其特征在于：所述上盖板的一侧开设有两个所述流体入口，其相对的另一侧开设有两个所述流体出口。

6.一种芯片散热系统，其特征在于：包括位于芯片上方如权利要求1-5任意一项权利要求所述的交错微流道散热结构、通过第一流体管道与所述流体入口相连通的动力泵。

7.如权利要求6所述的芯片散热系统，其特征在于：还包括冷却水箱以及过滤器，所述动力泵与所述冷却水箱相连通，所述冷却水箱与所述流体出口通过第二流体管道相连通，所述过滤器设置于所述第二流体管道上。