CN209896047U - 一种歧管式复杂结构微通道微型散热器 - Google Patents
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Abstract
一种歧管式复杂结构微通道微型散热器，属于强化换热技术领域。包括由依次堆叠封装在一起的盖板(1)，基板(2)；盖板(1)的上表面加工有与外部管路连接的通孔，分别作为流体入口(3)和流体出口(4)，下表面加工有歧管通道，分别作为流体流入复杂微通道的入口主歧管(5)和流体流出复杂微通道的出口主歧管(6)；基板(2)上表面加工复杂结构微通道(7)，肋壁(8)。本装置歧管式的设计有效地降低流动阻力，提高了温度分布的均匀性；同时复杂结构微通道增大对流换热面积和流体的扰动，增强了对流换热效果，降低了壁面温度；可满足大功率电子芯片的散热要求。
Description
技术领域
本实用新型属于强化换热技术领域，具体是一种新型歧管式复杂结构微通道微型散热器的设计，应用于高热流微电子器件的散热。
背景技术
随着微电子技术、大型集成电路、高速计算机等科学技术的飞速发展，高功率、高集成度以及微型化已经成为电子器件的主要发展趋势。微电子芯片的集成元件每年以40％～50％的速度递增，特别是在一些尖端技术领域如大功率雷达的微电子芯片，瞬态热流密度甚至高达107W/m2。若不能及时有效地对芯片散热，热量堆积将会造成芯片性能下降、寿命降低，甚至烧毁器件。据统计，微电子芯片的失效55％以上是由散热问题导致，且器件的工作环境温度在70-80℃水平上，每增加1℃，可靠性下降5％。因此，高热流密度微型器件及设备的散热问题严重制约着高新技术的发展，越来越受到国际传热界及相关工业领域的高度重视。由于其瞬态热流密度高，散热面积小，常规冷却技术已无法满足散热需求，研制体积小、重量轻、传热效率高、结构紧凑的微型冷却技术迫在眉睫。
目前国内外学者正在积极着手研究的微冷却器包括：微通道散热器、微冷冻机、微热管均热片、整合式微冷却器及微射流阵列热沉等。其中，微通道散热器因其比表面积大、单位面积换热强度高、自重轻、体积小、可以直接集成在散热芯片上避免了热应力匹配问题等优点，被认为是解决高热流密度微型设备散热问题的有效方法之一，得到了国内外学者的高度重视和广泛研究。但是微通道换热器存在两个设计上的局限。其一，是由于小尺寸所产生的较大流动阻力；其二，热流密度高引起冷却介质在入口、出口间温度变化较大，导致换热表面温度分布不均。
因此，设计压降较小，温度分布均匀的微通道散热器成为微电子芯片散热的关键技术。
实用新型内容
鉴于上述所提到的问题，本实用新型提出了一种新型歧管式复杂微通道散热器，目的在于实现微散热器强化换热的同时，降低微散热器压降，提高温度分布的均匀性，为高热流芯片的运行提供可靠的温度环境。
本实用新型设计了一种新型歧管式复杂微通道散热器，其特征在于，如图1所示：包括盖板(1)，基板(2)，盖板(1)盖住基板(2)；盖板(1)的上表面加工有与外部管路连接的通孔，分别作为流体入口(3)和流体出口(4)，下表面加工有两个歧管主通道槽，流体入口(3)下部的歧管主通道槽和流体出口(4)下部的歧管主通道槽分别作为流体流入复杂微通道的入口主歧管(5)和流体流出复杂微通道的出口主歧管(6)；入口主歧管(5)长度方向和出口主歧管(6)长度方向平行且相对；入口主歧管(5)和出口主歧管(6)之间，入口主歧管(5)设有多个垂直于入口主歧管(5)且伸向出口主歧管(6)的入口支歧管(9)，出口主歧管(6)与入口支歧管(9)之间具有间隙，出口主歧管(6)设有多个垂直于出口主歧管(6)且伸向入口主歧管(5)的出口支歧管(10)，入口主歧管(5)与出口支歧管(10)之间具有间隙，入口支歧管(9)和出口支歧管(10)交替间隔分布；基板(2)上表面加工复杂结构微通道(7)，多个平行的复杂结构微通道(7)构成微通道区域，入口主歧管(5)和出口主歧管(6)对应的位于微通道区域的两侧，入口主歧管(5)和出口主歧管(6)与复杂结构微通道(7)的通道方向平行；
复杂结构微通道(7)的两侧是由两肋壁(8)形成的；复杂结构微通道(7)的通道结构的俯视截面是多个平箭头腔体首尾相串联组成的，所述的平箭头为箭头的尖端替换为与末端平行的齐平结构；相邻的两个复杂结构微通道(7)相错半个箭头，即在垂直通道长度的方向上，第一个复杂结构微通道内的平箭头腔体的首端对应第二个复杂结构微通道内的平箭头腔体的中部位置，依次类推；两个复杂结构微通道(7)之间的肋壁(8)的俯视截面是由多个三角形串联组合组成的锯齿结构；
其中，复杂微通道(7)区域的尺寸与冷却芯片的尺寸相同。为了更加明确盖板(1)和基板(2)的结构，图2-图5分别给出了盖板(1)的三维示图、主视图、A-A剖面图、B-B剖面图；图6-图9分别给出了基板(2)的三维示图、主视图、C-C剖面图、D-D剖面图。
如图1所示，通过键合技术将盖板(1)和基板(2)密封形成微散热器。在封闭的微散热器内，流体流经路线为：流体入口(3)、复杂微通道的入口主歧管(5)、复杂结构微通道(7)、复杂微通道的出口主歧管(6)、流体出口(4)。冷却流体经入口复杂微通道的入口歧管(5)后通过入口支歧管(9)，将均匀分散到复杂结构微通道内，将从复杂结构微通道的底面和微通道表面吸收热量，通过出口支歧管(10)汇聚到出口主歧管(6)，最后从流体出口(4)流出。
本实用新型采用如下技术方案：
首先，微散热器采用盖板集成式的歧管式流体分配，如图5。歧管式流体分配方式有蛇形薄肋结构形成复杂微通道的入口主歧管(5)和复杂微通道的出口主歧管(6)。歧管的流体进出口的个数以及肋壁的厚度可能根据实际芯片的功率及尺寸等实际情况设计优化。歧管式流体分配方式有效地减小了流体在通道内的流动长度、减小了给定微散热器流量下微通道内流体的速度，从而降低了微散热器的压降、提高了温度分布的均匀性、降低了微散热器的热应力。其次，微散热器的主要散热部分采用了锯齿型复杂结构微通道(7)，如图8。平箭头型复杂结构微散热器一方面增大对流换热面积和流体的扰动，增强了对流换热效果；另一方面错位布置的锯齿型微通道，增大通道的横截面积，降低了流动阻力。因此，结合歧管式流体分配方式和锯齿型复杂结构微通道有效的解决了微通道散热器流动阻力大、温升高的问题，对高热流电子器件的散热具有非常重要的意义。
考虑到微型换热器的加工及其与芯片的封装集成，歧管式流体分配方式集成于盖板背面，有效地减少了加工、键合的步骤，提高了散热器的密封性能，同时降低了制造成本。微散热器的进出口设计在盖板(1)上，与流体在歧管和微通道内的流动方向垂直。相比于平行于歧管或微通道内的流动方向的进出口，流体垂直方向进出口的微散热器与芯片集成连接更加方便简单，流体分配更均匀，更有利于芯片的散热。
换热工质可选用去离子水、制冷剂等绝缘流体。根据所冷却电子芯片的散热需求和所选取的换热工质，确定所需工质流量，采用歧管式复杂微通道散热器对芯片进行冷却散热。
考虑到微型换热器的加工及其与芯片的封装集成，基板(2)采用硅材料，盖板(1)采用硅或玻璃。同时，如果用于其他领域的散热，微散热器的盖板和基板可选用钨铜、无氧铜、硅等。总体集合形状、尺寸可根据器件的尺寸及总封装要求确定。主要适用于条形、方向等器件的散热。
本实用新型具有下列优点与效果：
1、垂直于歧管和通道流体流动方向的散热器流体进出口设计，便于集成安装、流体分配均匀性好；
2、歧管式流体分配方式集成于盖板(1)背面，有效地减少了加工、键合的步骤，提高了散热器的密封性能，同时降低了制造成本；
3、歧管式的流体分配方式有效地减小了流体在通道内的流动长度、减小了给定微散热器流量下微通道内流体的速度，从而明显地降低了微散热器的压降；
4、歧管式的流体分配方式有效地提高了流体分配的均匀性，从而明显地提高散热器温度分布的均匀性、降低了微散热器的热应力、提高散热器件的可靠性和寿命；
5、相比于光滑的矩形微通道，锯齿型复杂结构微通道一方面增大对流换热面积和流体的扰动，增强了对流换热效果；另一方面错位布置的锯齿型微通道，增大通道的横截面积，降低了流动阻力。
附图说明
图1本实用新型一种歧管式复杂结构微通道微型散热器的三维示意图。
图2本实用新型微型散热器的盖板示三维示意图。
图3本实用新型微型散热器的盖板主视图。
图4本实用新型微型散热器的盖板A-A剖面图。
图5本实用新型微型散热器的盖板B-B剖面图。
图6本实用新型微型散热器的基板示三维示意图。
图7本实用新型微型散热器的基板主视图。
图8本实用新型微型散热器的基板C-C剖面图。
图9本实用新型微型散热器的基板D-D剖面图。
图10本实用新型具体实施中盖板歧管壁区域的B-B剖面尺寸图。
图11本实用新型具体实施中基板复杂微通道区域的C-C剖面尺寸图。
图12本实用新型具体实施中复杂微通道尺寸示意图。
图13本实用新型具体实施中模拟热源的尺寸示意图。
图中标号：1-盖板，2-基板，3-流体入口，4-流体出口，5-入口主歧管；6-出口主歧管，7-复杂结构微通道，8-通道肋壁，9-入口支歧管，10-出口支歧管。
具体实施方式
本实用新型提出了一种新型歧管式复杂结构微通道微型散热器，其核心思想是：(1)通过盖板实现歧管式的流体分配，从生产上，简化加工封装工艺，降低制造成本；从性能上，减小微散热器的压降，提高流体分配的均匀性，提高微散热器的换热能力；(2)平箭头串联组成的锯齿型复杂微通道增强了对流换热面积和流体扰动，促进冷热流体的混合，强化对流换热效果；同时，锯齿型微通道增大了流体的流通面积，减小了流动阻力。总的来说，新型歧管式复杂结构微通道微型散热器即强化了对流换热性能、降低了流动阻力，也简化了加工工艺，增强了密封的可靠性，降低了加工成本，提高了经济效益。
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型专利作进一步的描述。但本实用新型并不限于以下实施例。
实施例1
如图1所示为一种新型歧管式复杂结构微通道微型散热器，整体结构从上之下包括7740耐热玻璃盖板1和硅基基板2。工质采用去离子水。由于大功率芯片的成本非常昂贵，本实施方案采用模拟热源代替芯片进行性能测试。模拟热源采用铂金属加热膜。经过设计优化，该铂金属加热膜能够均匀地产热，模拟芯片的发热。铂加热膜的输入电压可根据芯片的产热量确定。
7740耐热玻璃盖板1与硅基基板2的尺寸相同，具体尺寸为13mm*5mm*0.5mm。7740耐热玻璃盖板1上表面加工0.2mm深，直径为1mm的通孔，分别作为流体入口3和流体出口4，通孔圆心距散热器短边6.5mm、距较近散热器长边0.9mm；7740耐热玻璃盖板1下表面加工0.3mm深的歧管通道，分别作为流体流入复杂微通道的入口主歧管5和流体流出复杂微通道的出口主歧管6，歧管区域位于散热器中间位置尺寸为10mm*4.2mm，歧管壁厚(即相邻的入口支歧管和出口支歧管之间的壁厚)为1.05mm呈蛇形布局，歧管宽即入口支歧管和出口支歧管的宽均为0.2mm、长为2.1mm，两侧为分别为半个歧管宽度0.1mm，如图所示。硅基基板2上表面加工有0.3mm深的复杂微通道7，如图所示；复杂结构微通道的区域尺寸为10mm*2mm，复杂微通道的结构参数，如图所示，平箭头串联组成的锯齿型复杂微通道最大间距即箭头的末端宽度为0.2mm，最小间距即箭头的首端宽度为0.1mm，剪头的长度为0.2mm，肋壁的锯齿结构深0.05mm，锯齿长为0.2mm；肋壁8两侧的锯齿在水平方向相间0.1mm，肋壁的最大宽度为0.1mm、最小宽度为0.025mm；模拟热源铂金属加热膜是通过溅射技术镀在基底的下表面，区域和微通道区域相同，如图区域所示。
所述的流体流入复杂微通道的入口主歧管5能够均匀的将流体分配到微通道的，流体在微通道内的流动长度减小到非歧管结构的1/8；同时，在散热器总流量相同的情况下，流体在微通道内的流动速度减小到非歧管结构的1/8。压降损失与速度的平方成正比，与流道的长度成正比。因此，上述两个因素有效地降低了微散热器的压降。
所述的锯齿型微通道结构增大了对流换热面积和流体扰动，促进通道内冷热流体的混合，从而强换了换热效果；同时，错位布置的锯齿型微通道结构增大流体流通的横截面积，从而减小了流动阻力。
经数值模拟，与传统的矩形微通道散热器相比，在流量为60ml/min，热流密度为200W/cm2时，此歧管式复杂结构微散热器的压降降低了95％，芯片最高温度降低5℃，最大温差降低了15℃。这将有效的降低芯片的热应力，保障了芯片的可靠运行，同时压降的降低也有效地降低了微散热器冷却的运行成本。
本实用新型所述的结构，不同于以往的微散热结构，其将微散热器进出口3和4、歧管的主进出口5和6集成于盖板2上。此结构微散热器，从性能上，即降低了压降损失，又提高了换热性能；从生产经济性方面，即简化了加工工艺，又提高了经济性能。其次，此微散热器的周期性扩缩变截面微通道，增大了对流换热面积和流体的扰动，从而强化了对流换热效果；同时，复杂微通道的错位布置，增大流体流动的横截面积，增大了相同散热面积的微通道数目，降低的压降的增大。
综上所述，以上仅为本实用新型的优选实施例，并非用于限制本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改及改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种歧管式复杂结构微通道微型散热器，其特征在于，包括盖板(1)，基板(2)，盖板(1)盖住基板(2)；盖板(1)的上表面加工有与外部管路连接的通孔，分别作为流体入口(3)和流体出口(4)，下表面加工有两个歧管主通道槽，流体入口(3)下部的歧管主通道槽和流体出口(4)下部的歧管主通道槽分别作为流体流入复杂微通道的入口主歧管(5)和流体流出复杂微通道的出口主歧管(6)；入口主歧管(5)长度方向和出口主歧管(6)长度方向平行且相对；入口主歧管(5)和出口主歧管(6)之间，入口主歧管(5)设有多个垂直于入口主歧管(5)且伸向出口主歧管(6)的入口支歧管(9)，出口主歧管(6)与入口支歧管(9)之间具有间隙，出口主歧管(6)设有多个垂直于出口主歧管(6)且伸向入口主歧管(5)的出口支歧管(10)，入口主歧管(5)与出口支歧管(10)之间具有间隙，入口支歧管(9)和出口支歧管(10)交替间隔分布；基板(2)上表面加工复杂结构微通道(7)，多个平行的复杂结构微通道(7)构成微通道区域，入口主歧管(5)和出口主歧管(6)对应的位于微通道区域的两侧，入口主歧管(5)和出口主歧管(6)与复杂结构微通道(7)的通道方向平行；
复杂结构微通道(7)的两侧是由两肋壁(8)形成的；复杂结构微通道(7)的通道结构的俯视截面是多个平箭头腔体首尾相串联组成的，所述的平箭头为箭头的尖端替换为与末端平行的齐平结构；相邻的两个复杂结构微通道(7)相错半个箭头，即在垂直通道长度的方向上，第一个复杂结构微通道内的平箭头腔体的首端对应第二个复杂结构微通道内的平箭头腔体的中部位置，依次类推；两个复杂结构微通道(7)之间的肋壁(8)的俯视截面是由多个三角形串联组合组成的锯齿结构。
2.按照权利要求1所述的一种歧管式复杂结构微通道微型散热器，其特征在于，微通道区域的尺寸与冷却芯片的尺寸相同。
3.按照权利要求1所述的一种歧管式复杂结构微通道微型散热器，其特征在于，通过键合技术将盖板(1)和基板(2)密封形成微散热器。
4.按照权利要求1所述的一种歧管式复杂结构微通道微型散热器，其特征在于，在封闭的微散热器内，流体流经路线为：流体入口(3)、复杂微通道的入口主歧管(5)、复杂结构微通道(7)、复杂微通道的出口主歧管(6)、流体出口(4)；冷却流体经入口复杂微通道的入口主歧管(5)后通过入口支歧管(9)，将均匀分散到复杂结构微通道内，将从复杂结构微通道的底面和微通道表面吸收热量，通过出口支歧管(10)汇聚到出口主歧管(6)，最后从流体出口(4)流出。
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| CN201920897610.4U CN209896047U (zh) | 2019-06-14 | 2019-06-14 | 一种歧管式复杂结构微通道微型散热器 |
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110164835A (zh) * | 2019-06-14 | 2019-08-23 | 北京工业大学 | 一种歧管式复杂结构微通道微型散热器 |
| WO2022241846A1 (zh) * | 2021-05-21 | 2022-11-24 | 北京大学 | 一种包括嵌入歧管式微流道的引线键合结构及其制备方法 |
| CN116741726A (zh) * | 2023-08-15 | 2023-09-12 | 湖南大学 | 一种大尺寸芯片用两级分流歧管微通道结构 |
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