CN1993596B - 用于电子基片的冷却系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于电子基片的包括热传导流体(4，10)的冷却系统。热传导流体(4，10)布置为沿路径(5，11，12)以毛细力流动。

Description

用于电子基片的冷却系统

技术领域

本发明涉及包括热传导流体的用于电子基片的冷却系统。

背景技术

部件温度和温度梯度的控制对于例如电子电路的电子产品的成功运行和可靠性是基本的。因为伴随着消费者产品变得更小而对更高的热量去除的持续需求，热管理将起到关键作用。因此，要求新颖的冷却方法来面对市场需求。倾向于更小的部件的趋势引起了功率密度的增加，要求了比纯辐射冷却或用例如风扇的对流冷却更复杂的冷却方法。如噪声和可靠性的重要的方面限制了风扇冷却的使用。因此存在对于先进的冷却方法的需求。

液体冷却是已经用于便携式计算机，即笔记本计算机的方法。固态照明是要求冷却的特别的应用。白光固态照明或色彩控制固态照明要求使用多芯片模块，其中数个LED相互非常靠近地放置以限定点光源。此设计导致硅基台内在100W/cm²量级上的高的功率密度。液体是比空气显著地更好的热传导介质，因为它们的热导率和热容量更高(好10到1000倍)。受迫对流微通道液体冷却被证明在工业界(金属微通道结构)中和工业研究(硅微通道设备)中是高效的。此技术的主要不方便是液体由泵通过通道泵送，这使得此技术更不适合于小型化和整合的消费者产品和电子设备。

O＇Conner等人在US 2002/0039280A1中披露了带有泵的冷却系统的例子。O＇Conner等人的发明涉及用于冷却例如计算机的设备内的电子部件的微型流体热交换系统。热交换设备大体上与生热电子部件以界面接触且将内部运行的流体供给到热交换区。运行流体以低于部件温度的第一流体温度流入热交换区内，且然后以高于第一流体温度的第二流体温度出离热交换区。

发明内容

本发明的目的是提供用于电子部件的不利用泵的冷却系统。这以根据权利要求1的冷却系统实现。在从属权利要求中指出了优选的实施例。

根据本发明，用于电子基片的冷却系统包括热传导流体，其中热传导流体布置为沿路径以毛细力流动。因此，优点是此冷却系统除热传导流体外无移动部分且功率消耗相对地低。这增加了可靠性和灵活性且与要求机械泵或压电促动的泵的系统相比使得结构是稳健的。

本发明的基本特征是使用了在微尺度上移动流体的技术，以实现整合的和紧凑的电子部件冷却，例如芯片基台冷却。

为便于理解本技术，使用了例子，其中希望以90℃的温度下降来驱散100W/cm²。进行对关于通过一对平行板的水的速度的估计。系统的热流量通过下式给出：

$Q=\frac{k}{D}\·\mathrm{\ΔT}\·\mathrm{Nu}$

其中k是水的热导率(0.628Wm^-1K^-1)，D是液力直径(10^-3m)且Nu是努赛尔(Nusselt)数，它由下式给出：

Nu＝C·Re^m·Prⁿ·K

其中Re是雷诺数且Pr是普朗特数，它们分别由下式给出：

$\mathrm{Re}=\frac{\mathrm{\ρ}\·v_{\mathrm{av}}\·D}{\mathrm{\μ}}$

和

$\mathrm{Pr}=\frac{C_p\·\mathrm{\μ}}{k}$

C＝1.85，m＝1/3，n＝1/3，K＝0.386，Cp＝4178Jkg^-1K^-1，p＝995kg/m^-3且μ＝651·10^-6kgm^-1s^-1。vav估计为1m/s的量级，这取决于截面积给出体积流量为10到100μl/s的量级。

在本发明的优选实施例中，系统进一步包括布置为向导热流体施加电压的电极，用于改变热传导流体的表面张力。电润湿法的原理允许以液滴序列移动数百μl/s。以略微不同的方式陈述，能量运输率P(J/s)由下式给出：

$P=\frac{\mathrm{\ΔV}}{\mathrm{\Δt}}\·\mathrm{\ρ}\·C_p\·\mathrm{\ΔT}$

其中ΔV/Δt是通过热源的流体的体积流速。对于P＝30W和Δt＝50℃，流速将为140μl/s。电湿润法涉及以静电荷改变表面张力，导致流体/流体弯月面的运动。该运动能以至少两个不同的方式提供，即(i)通过在一个或数个通道或狭缝内促动流体/流体弯月面或(ii)通过在表面上运输液滴。

由电湿润法展示的最大弯月面速度是0.1m/s或略微更高。可由电湿润法产生的最大压力调制由2Δγ/R给出，其中Δγ是表面张力的改变且R是弯月面的曲率。Δγ可以是0.1N/m的数量级。对于100μm的曲率，最大压力大约为2000Pa。

为保证电湿润设备的方向自由，在系统中的重力压降必须小于最大电湿润压力调制。重力压降等于ΔpgL，其中L是投影长度。可以通过使用具有类似质量密度的流体，通过最小化流体之一的柱高度且通过使用平衡的几何形状来保证最大方向自由。

已知在长度为2cm且直径为300μm的通道内可达到0.1m/s的流速。这给出了体积流速为每个微通道7μl/s。换言之，140μl/s的体积流速可以在带有大约20个微通道的促动-促动系统中实现。

优选地，至少一个微通道连接到热传导流体存储器。通过流体存储器绕热源布置和这些存储器的合适的散热，热被有效地去除。

在本发明的实施例中，电极位于被加热区域外侧。在设备内促动-促动流产生了从集中的加热区域到更大的冷却区域的能量的输运。优选地，促动电极位于被加热区域的外侧，因为这将改进设备的寿命。进一步地，流体系统优选地是封闭系统。这将降低流体蒸发和泄漏的风险。

在冷却系统的进一步的实施例中包括两个带有不同电导率的不能混合的流体，例如空气/水，水/油等。被促动的促动要求电极存在于流体/流体弯月面附近。电极一般地包括具有金属电导的材料并涂敷以绝缘层。绝缘层可以例如是1μm到10μm的聚对二甲苯，或10nm到1μm的含氟聚合物层，或这样的层的组合。

不同的微通道可以流体静力学地相互分开或它们可以在某个接合点或通道内结合(例如共同的通道或存储器)。应留意保证在微通道内弯月面的完整性，例如避免一类流体进入用于第二类流体的存储器。

在再另一个实施例中，系统布置为使得流体以双向方式被促动。流体流动可以是单向或双向的。优选地，流体以双向方式被促动，使得接触被加热的区域的流体可以被限制为仅一类流体。这将改进设备的寿命。双向流动通过施加脉动电压来实现，这将导致热传导流体的往复流动。

为降低跨过被冷却的设备的温度梯度，系统优选地包括两组以相反流动关系布置的微通道。

附图说明

现在将参考示出了本发明的不同实施例的附图进一步描述本发明。

图1示出了用于固态照明应用的多芯片模块的例子。

图2示出了液滴流动的例子。

图3示出了用于在热区域和冷区域之间运输流体的一个微通道。

图4a和图4b示出了带有数个连接到存储器的微通道的冷却单元。

图5a示出了根据本发明的带有环几何形状的系统。

图5b示出了图5a中系统的部分的放大视图。

图6a示出了根据本发明的带有相反流动布置的系统。

图6b示出了图6a中系统的部分的放大视图。

图7a示出了根据本发明的径向系统。

图7b示出了图7a中系统的部分的放大视图。

图8示出了带有具有非连续宽度的通道的径向系统。

具体实施方式

图1示出了带有9个LED(发光二极管)1的多芯片模块的总视图。白光或颜色控制固态照明要求了对多芯片模块的需求，其中数个LED 1相互非常靠近地放置以限定点光源。此设计导致在硅基台2上的高功率密度。通过在硅基台2中整合基于主动液体冷却液滴的促动的泵，可以实现要求的冷却。在图1中示出的例子中，硅基台的尺寸为5mm ×6mm且基台2布置为邻近存储器/收集器3。存储器/收集器3包括用于去除由LED 1所产生的热能的热传导流体。

在图2中示出了液滴运输的原理。热传导流体液滴4在通道5内从存储器/收集器3流动。通过由电极6施加到流体上的电压使液滴移动。以此方式，热现在将从硅基台2传导到液滴4。液滴4将随后在存储器/收集器3中冷却。被存储器/收集器3吸收的能量将随后借助于分开的冷却系统(未示出)从存储器/收集器3传导。被加热的芯片是包括例如印刷电路板材料、模制互连设备(MID)、玻璃、金属设备等的更大的设备的部分。这些材料的每种可以包括电极和通道结构。可以提供孔使得硅芯片能暴露于热传导流体以及被电相互连接。

在本发明的一个实施例中，热传导流体通道5填充以两种流体。图3是用于在热区域7和冷区域8之间运输流体的一个微通道5的示意图。电极未画出。流体之一的塞9用于“推”另一种主要地用作热传导流体的流体10。电极优选地在塞9上施加脉动电压，使得塞9且因此使得热传导流体10被以双向方式促动，即热传导流体的往复流动，以避免塞进入热区域7。这将改进设备的寿命。为使得这能工作，要求是两种流体是不能混合的流体，例如在过剩的水中的油塞。

图4a和图4b图示了多通道系统，系统包括热传导流体存储器3。在图4a中，不施加电压且所有的热传导流体保留在存储器3内。在图4b中，已施加电压且热传导流体开始流入微通道11内。当切断施加的电压时，热传导流体返回到存储器3内。

从图5a和图5b中可见制成“环”形状的通道11的例子，图5b是图5a的部分的放大的视图。实施例包括两个存储器3，作为用于热传导流体的散热器。

图6a示出了根据本发明的冷却系统，冷却系统包括两个热传导流体的存储器3，存储器3布置有分开的以相反流动关系布置的通道11的组。此布置有助于降低跨过硅芯片的温度梯度且因此硅芯片的寿命因更均匀的热负荷而得以增加。图6b是在图6a中示出的实施例的部分的放大视图。

在图7a和图7b中示出了根据本发明的带有径向冷却和在中心的热源的实施例，图7b是图7a中的实施例的部分的放大视图。因此，热传导流体从存储器3在微通道11内向中心行进。存储器外侧连接了散热器(未示出)。

图8示出了再另一个根据本发明的系统的实施例。系统包括两个以通道12相互连接的存储器3。通道宽度在两个存储器3之间变化，用于优化热传导流体的毛细流动。

为利用本发明，应在最后阶段以设备内的孔/通道完成液体的填充。优选地，所有的微通道同时填充，例如通过垂直于微通道走向的填充通道填充。整个液体设备也应在填充后完全地密封。可包括压力缓冲器以避免在装备中建立的压力。进一步地，可包括柔性存储器(例如以膜或包含空气泡的袋)以允许流体膨胀和收缩。

本领域技术人员认识到本发明决不限制于以上描述的实施例。相反，许多修改和变化在附带的权利要求书的范围内是可以的。例如，通道系统的形状不限制于附图中的实施例。

Claims (10)

1.一种用于冷却生热电子部件(1)的冷却系统，其包括：

电子基片(2)，该电子基片(2)适于作为用于所述电子部件(1)的基台，

在所述基片(2)中形成的至少一个微通道(5，11，12)，以及

热传导流体(4，10)，该热传导流体(4，10)布置为沿所述微通道(5，11，12)流动，

其中，所述微通道的尺寸使得该热传导流体通过毛细力来流动。

2.根据权利要求1所述的冷却系统，其中系统进一步包括布置为向热传导流体(4，10)施加电压的电极(6)，以改变热传导流体(4，10)的表面张力。

3.根据权利要求1所述的冷却系统，其中至少一个微通道(5，11，12)连接到热传导流体存储器(3)。

4.根据权利要求2所述的冷却系统，其中电极(6)位于所述基片(2)的被加热的区域(7)的外侧。

5.根据前述权利要求1-4的任何一项所述的冷却系统，其中流体系统是封闭的系统。

6.根据前述权利要求1-4的任何一项所述的冷却系统，其中冷却系统包括两种不能混合的的流体(9，10)。

7.根据前述权利要求2所述的冷却系统，其中，将所述电极(6)布置为施加脉动电压，以使所述流体(4，10)以双向方式被促动。

8.根据前述权利要求1-4的任何一项所述的冷却系统，其中系统包括两组以相反流动关系布置的微通道(11)。

9.一种利用权利要求1所述的冷却系统来冷却生热电子部件(1)的方法，包括：

施加电压到形成在所述基片中的微通道(5，11，12)，使得包含在所述微通道中的热传导流体(4，10)的表面张力被改变，从而产生作用于所述流体的力。

10.根据权利要求9所述的方法，其中施加脉动电压。

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