CN1288752C - 硅基微通道热交换器 - Google Patents

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Abstract

一种用于高热流密度电子元器件的散热冷却的硅基微通道热交换器，其技术方案是在半导体硅基片上蚀刻由多条沿冷却液流动方向的纵向微通道和在垂直于流动方向上具有一定相互间隔距离的多条横向微通道构成的微通道，所说的纵向微通道和横向微通道形成纵横交错微通道阵列，并用耐热玻璃封装微通道。使用本发明时将微泵，连接管与硅基微通道热交换器连接在一起，形成一个强制循环回路。本发明的硅基微通道热交换器可以和其它IC元件集成在一起，也可以单独制作硅基微通道热交换器。

Description

硅基微通道热交换器
技术领域
本发明涉及一种作为电子元器件的散热冷却装置的微通道热交换器。特别是用于高热流密度的集成IC电子元器件的散热冷却装置的硅基微通道热交换器。
背景技术
近年来，随着信息产业的迅速发展，晶体管集成度大大提高，单位面积热流密度也随之提高，因而电子元件散热技术成为信息产业发展的瓶颈，电子元件散热技术成为电子封装技术的一个重要分支。国外对电子元件散热技术给予了相当的关注，并形成了电子和机械的新型交叉学科。
微通道热沉在冷却高热流密度电子元件上已获得广泛应用。一般的硅基微通道热沉的结构是：在半导体硅的基片上用化学方法腐蚀若干矩形沟槽，用盖板耦合构成冷却液微通道，微通道与外界连接而形成冷却液回路。电子元器件产生的热量通过联结层传导到热沉，被微通道中流动的冷却液带走而达到对电子元器件散热的目的。现有的硅基微通道热沉的缺点是：硅基微通道大多采用平行微通道阵列，当流体进入微通道后，同时进行流动边界层和热边界层的发展，在热边界层还未达到充分发展区域，传热系数和努塞尔特数都较大，但随着流动的展开，传热系数和努塞尔特数迅速下降，因而这种平行微通道阵列结构的硅基微通道热沉的冷却散热效果受到限制。
发明内容
本发明的目的是提出一种能避免上述现有平行微通道阵列结构的硅基微通道热沉所存在缺点，能提高冷却散热效果的硅基微通道热交换器，即硅基微通道热沉。
本发明的目的可通过以下技术方案予以实现：在半导体硅基片上蚀刻由多条沿冷却液流动方向的纵向微通道和在垂直于流动方向上具有一定相互间隔距离的多条横向微通道构成的微通道，所说的纵向微通道和横向微通道形成纵横交错微通道阵列，并用耐热玻璃封装微通道。即在半导体硅的基片上通过蚀刻工艺沿冷却液流动方向加工出多条纵向微通道，同时在垂直于流动方向上，每相隔一定距离加工出一条横向微通道，形成纵横交错微通道阵列，微通道阵列形成后，用耐热玻璃封盖在硅片的表面将微通道封装起来。耐热玻璃与硅片的封装可采用高压静电场键合技术。
一般来说，其微通道水力直径(D)可在1微米到2毫米之间，但当水力直径小于100微米时，微通道极易堵塞，所以微通道水力直径推荐采用100微米到2毫米之间，L/D＝10～6000，其中L为硅基微通道热交换器的纵向微通道总长度，而一般横向微通道的水力直径至少为纵向微通道水力直径的2-3倍，L1/D＝10～60，其中L1为横向微通道的间距。纵向微通道的个数在1～1000范围之间。
本发明的硅基微通道热交换器实际上成为一种边界层中断型微流体MEMS(微电子机械系统)热交换器，具有强化换热的功能，其强化换热工作原理可通过以下过程得到实现。当流体到达第一段纵向微通道阵列末端后，边界层还未达到充分发展，努塞尔特数较高，然后进入第一个横向微通道。此横向微通道相当于一个联箱，中断了流体热边界层的继续发展。流体进入此第一个联箱后，进行重新分配并进入第二段纵向微通道，热边界层从第一个横向微通道开始重新发展，努塞尔特数重新以很高的值随流动方向衰减。当流体热边界层还未到达充分发展时，又重新进入下一个横向微通道(联箱)，并进入下一段纵向微通道。这样，通过间歇地设置横向微通道，周期性地中断热边界层的发展，使流动始终处于热边界层发展之中，而不能达到充分发展。因而努塞尔数始终处于很高的值，使传热得到大大强化，如图4所示。从以上分析可以看出，本发明充分利用了热边界层在发展之中具有很高的努塞尔特数的科学原理，因而通过沿流动方向间歇地设置横向微通道(联箱)来间歇性地中断热边界层，可从整体上大大提高努塞尔特数，达到强化传热的目的。
与其它强化传热途径不同，本发明的热边界层中断型MEMS热交换器在同样的加热功率及流量下，不仅能够大大强化传热，而且能够减小阻力。其它常规强化传热装置虽然能够在某种程度上强化传热，但大多数要以增大阻力为代价。
使用本发明的硅基微通道热交换器作为电子元器件的散热冷却装置的工作过程中，将微泵，连接管与本发明的硅基微通道热交换器连接在一起，形成一个强制循环回路。本发明的硅基微通道热交换器可以和其它集成电路(IC)元件集成在一起，也可以单独制作硅基微通道热交换器，并将硅基微通道热交换器与其它IC芯片固结在一起。
附图说明
图1为本发明的硅基微通道热交换器的结构示意图；
图2为图1(整体)的A-A剖视图；
图3为图1(整体)的B-B剖视图；
图4为普通微通道阵列与本发明交错微通道阵列的努塞尔数；
图5为本发明的一种硅基微通道热交换器的使用方式；
图6为本发明的另一种硅基微通道热交换器的使用方式。
具体实施方式
实施例一
本硅基微通道热交换器的结构如图1～3所示，用蚀刻工艺在半导体硅基片2上沿冷却液流动方向加工出多条平行的纵向微通道3，其水力直径D为0.1mm，在纵向通道的两端留出输入输出口，在垂直于流动方向上每隔3mm加工出一横向微通道4，其水力直径为0.3mm，形成纵横交错的微通道阵列。在微通道阵列形成后，采用高压静电场键合技术将硅片上表面与耐热玻璃1键合而将微通道阵列封装起来，即完成本硅基微通道热交换器的制作。
本硅基微通道热交换器用作电子元器件的散热冷却装置的使用方式如图5所示，将微泵8，连接管7与本发明的硅基微通道热交换器5连接在一起，形成一个强制循环回路。
图4显示出在纵向通道长度为L，水力直径D为0.1mm的普通微通道阵列与本发明交错微通道阵列的努塞尔数比较曲线。
实施例二
本实施例为将本发明的硅基微通道热交换器5与其他IC芯片6集成在一起的应用实例，其中硅基微通道热交换器5中的微通道阵列结构与实施例一相同。

Claims (4)

1.一种硅基微通道热交换器，在半导体硅基片上蚀刻有微通道，微通道上用耐热玻璃封装，其特征在于所说的微通道由多条沿冷却液流动方向的纵向微通道(3)和在垂直于流动方向上具有一定相互间隔距离的多条横向微通道(4)构成，纵向微通道(3)和横向微通道(4)形成纵横交错微通道阵列，其中，横向微通道(4)的间距L1与微通道的水力直径D的比：L1/D＝10～60。
2.根据权利要求1所述的硅基微通道热交换器，其特征在于所说的微通道的水力直径D为0.1～2mm。
3.根据权利要求1所述的硅基微通道热交换器，其特征在于所说的微通道阵列中，横向微通道(4)的水力直径为纵向微通道(3)的2～3倍。
4.根据权利要求1所述的硅基微通道热交换器，其特征在于所说的硅基微通道热交换器和其他IC元件集成在一起。
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