專利名稱：增強型散熱器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種散熱器，尤其涉及一種接收流體以將集成電路芯片上的熱量移除的散熱器。
背景技術：
微電子裝置不斷增長的密度、速度和功耗導致熱量的快速增加，因此需要驅(qū)散熱通量以保證微電子裝置的穩(wěn)定和可靠運行。同時，電子裝置的尺寸的縮小使得用于冷卻方案的可用空間非常有限，因此需要有創(chuàng)新和高效的簡潔冷卻技術。US4, 450，472專利文件揭露了一種傳統(tǒng)的、具有被鰭片隔開的微通道陣列的微通道散熱器。鰭片陣列設置在有蓋覆蓋的外殼內(nèi)。蓋上有進口孔和出口孔。進口孔和出口孔 用于接收來自加壓冷卻液供應源的冷卻液。傳統(tǒng)的微通道散熱器的問題在于，因為邊界層變厚和冷卻液變熱導致微通道內(nèi)沿流動方向的傳熱性能變差，所以經(jīng)過芯片的顯著溫度變化持續(xù)存在。這些經(jīng)過芯片的溫度梯度能危及集成電路的可靠性并導致早期失效。因此非常需要進一步提高微通道散熱器的傳熱性能。

發(fā)明內(nèi)容
第一方面，本發(fā)明提供一種用于消散裝配的電子元件的熱量的散熱器裝置，該裝置包括接收流體的入口 ；排放所述流體的出口 ；處于所述入口和出口中間的熱消散區(qū)域；所述區(qū)域包括多個橫通道和在相鄰的橫通道間延伸的多個斜通道；其中，所述斜通道和橫通道確定了所述流體從所述入口到所述出口的流體路徑。在一個實施例中,本發(fā)明提供一種包括至少一個橫通道和在散熱器的表面引入至少一個斜通道的增強型微通道和迷你通道散熱器。橫通道可以延長，并可以在與散熱器的軸并行的方向延伸，斜通道可沿著與所述軸傾斜的方向上設置。橫通道和斜分支通道之間的設置可以為；橫通道與斜分支通道進行流體交互。根據(jù)本發(fā)明，散熱器的熱邊界層周期性的重新開始于每一中斷的斜分支通道的前沿，且由于短通道的邊界層的平均厚度比長通道薄，所以中斷的表面的局部和平均傳熱系數(shù)比連續(xù)表面的要高。斜分支通道的存在也使得部分流體從橫通道轉流向斜分支通道，然后注入相鄰的橫通道。這樣產(chǎn)生的第二流體提高了流體的混合，并進一步提高了傳熱性能。本發(fā)明的進一步的優(yōu)勢特征揭露在從屬權利要求中。


參照描述了本發(fā)明的可能設計的相應附圖，可方便的進一步描述本發(fā)明。本發(fā)明的其它設計是可能的和可推理的，相應附圖的特性不應理解為代替本發(fā)明的前述描述的一般性。圖I (a)為根據(jù)本發(fā)明的具有斜通道的微通道散熱器的等角投影圖I (b)為表示圖I (a)中的展示流體流動方式的微通道散熱器的平面視圖；圖2為具有斜通道的微通道散熱器的計算域；圖3為根據(jù)圖I (a)的實施例的具有斜通道的微通道散熱器的底壁溫度曲線圖；圖4為根據(jù)圖I (a)發(fā)明的具有斜通道的微通道散熱器的局部傳熱系數(shù)圖；圖5為根據(jù)圖1(a)發(fā)明的具有斜通道的微通道散熱器的壓降曲線圖；圖6(a)為具有密集的斜通道陣列的增強型微通道散熱器的等角投影圖；圖6(b)為表示圖6(a)中的展示流體流動方式的微通道散熱器的平面視圖；圖7為根據(jù)圖6發(fā)明的具有斜通道的微通道散熱器的底壁溫度曲線圖；
圖8為根據(jù)圖6發(fā)明的具有斜通道的微通道散熱器的局部傳熱系數(shù)曲線圖；圖9為#1組微通道散熱器(500 U m通道寬度)的平均傳熱系數(shù)曲線圖；圖10為#1組微通道散熱器(500 u m通道寬度)的總熱阻的對比圖；圖11為#2組微通道散熱器(300 u m通道寬度)的平均傳熱系數(shù)曲線圖；圖12為#3組微通道散熱器( 120 y m通道寬度)的平均傳熱系數(shù)圖；圖13為#3組微通道散熱器( 120 U m通道寬度)的壓降曲線圖；圖14(a)為具有不均勻斜通道斜度的增強型微通道散熱器的等角投影圖；圖14(b)為展示流體流動方式的圖14(a)中的微通道散熱器的平面視圖；圖15為用熱點仿真的微通道散熱器的底壁溫度曲線圖；圖16為都以斜切角度為函數(shù)的貫穿散熱器的總熱阻和壓降圖；圖17為根據(jù)在多個熱點具有不均勻鰭片斜度的進一步實施例的散熱器平面視圖；圖18為根據(jù)圖17的散熱器的等角投影圖。
具體實施例方式本發(fā)明提供一種通過接收流體以將集成電路芯片上的熱量移除的增強型微通道或迷你通道散熱器。下面討論的實施例不是為了窮舉或限制本發(fā)明?？梢岳斫獾氖?，當多個實施例提供的例子中涉及的通道尺寸小于1_的同時，通道尺寸等于和大于1_也同樣落入本發(fā)明的范圍。關于尺寸，具有最大尺寸小于Imm的那些通道內(nèi)的湍流的形成對于流體流動的實際水平可能是困難的。為此，流體流動應該是層流的(Re < 2300)。這并不是排除在某些情況下湍流(Re > 2300)產(chǎn)生的可能性。同時，通道內(nèi)的流動形式不是本發(fā)明的限制，本發(fā)明的實際應用可以比產(chǎn)生湍流更容易地產(chǎn)生層流。根據(jù)本發(fā)明的散熱器裝置的制造方法可根據(jù)小規(guī)模裝置的已知慣例做出變化。非窮舉的這些方法包括但不限于微機械加工，注塑，線切割，液態(tài)模鍛，擴散焊，立體光刻，化學腐蝕和LIGA。參考圖I (a)和圖I (b)，增強型微通道散熱器5的一個實施例包括位于散熱器表面的引入了至少一個斜通道30的至少一個橫通道25。根據(jù)本發(fā)明的散熱器裝置5，如圖1(a)和圖1(b)所示，包括流體11流入的入口 10。從入口 10延伸的是多個橫通道25，橫通道25終止于流體16流出的出口 15。位于橫通道25之間的是多個斜通道30其允許流體在相鄰的橫通道間交互。橫通道和斜通道確定了從入口到出口的一個流體路徑。因此，橫通道和斜通道形成了入口和出口之間的一個熱量消散區(qū)。根據(jù)單獨的散熱器裝置的設計，熱量消散區(qū)可以包括入口和出口間的整個區(qū)域，或者包括裝置內(nèi)的更小的子區(qū)域。可以理解的是，流體可以是液體例如水，或氣體例如空氣。本發(fā)明不涉及流體的具體特性，可應用多種這樣的熱量消散流體。雖然本實施例示出了橫通道和斜通道的均勻間隙50，55陣列，本發(fā)明也可包括多種非均勻間隙的橫通道和/或斜通道。進一步地，本實施例雖然示出了橫通道25與散熱器裝置的軸47并行，其它實施例可包括與軸成一定角度的橫通道，或者甚至成曲線路徑。在這里，本發(fā)明為散熱器裝置的設計者提供了對多種參數(shù)的控制，從而定制這樣的散熱 器裝置進行設置以適合多種熱量消散應用。值得注意的是，橫通道25是按照散熱器裝置5的軸47的方向橫向延長和延伸的，斜通道設置成與橫通道成一定角度，或者斜向于橫通道，在本實施例中是與散熱器裝置的軸成一定角度。橫分支通道和斜分支通道的如此設置使得橫通道的流體可與斜通道的流體交互。在一個例子中，斜通道的角度在15° 45°范圍。在進一步的實施例中，斜通道的尺寸可以小于橫通道的尺寸。在再進一步的實施例中，微通道散熱器可包括容納斜通道陣列的外殼。設置有入口孔和出口孔的蓋6可設置以固定至所述外殼。入口 10和出口 15用于接收來自加壓流體供應源的流體11，15。本發(fā)明的熱邊界層周期性地重新起始于每一個中斷的斜通道的前沿，并且由于短通道的邊界層的平均厚度比長通道的薄，所以中斷的表面的局部的和平均的傳熱系數(shù)比連續(xù)的表面高。斜通道的存在也導致部分流體40從橫通道轉向到斜通道，隨后注入相鄰的橫通道。這產(chǎn)生的第二流體40可提高流體的混合和進一步增強傳熱性能。也可以設置斜通道的尺寸使得大量的流體流經(jīng)橫通道，而僅有小部分流體導入斜通道。圖1(b)的增強型微通道散熱器平面圖示出了分為主流體和第二流體的流體路徑。CFD分析表明，對于一個給定的固定量流速，提出的方案導致更高的傳熱速率，并伴隨著可忽略的壓頭(pressure head)的增加。因此，最大的壁溫和其溫度梯度都大幅降低。此外，對流熱量傳遞得到大幅提高。利用硅熱試驗塊和銅塊的試驗調(diào)查也證實CFD分析里達到的增強的傳熱性能。微通道液體冷卻借助一個例子調(diào)查微通道散熱器裝置的一個實施例中的層流和傳熱。仿真對圖2中所示的微通道60進行。詳細的幾何參數(shù)列在表I中。流經(jīng)硅質(zhì)微通道的冷卻液，在這里是水，其平均速率為lm/s，雷諾數(shù)(Reynold’s Number)為160。均勻的100W/cm2的熱通量64供應給散熱器的底壁。由于周期性邊界環(huán)境62，圖2圖示了在仿真域內(nèi)僅建模了一個通道-鰭片60，66，68對。表I增強型微通道散熱器的幾何參數(shù)鰭片通道通道鰭片鰭片基座熱通量
,^ 寬度_寬瘦fc高度H長度L節(jié)距P厚度tq Ita
__(fjm)(/um)(jum)(fjm)(p_)(jutn)(W/cm)
4 I 100 I100I 4007709_200100圖3示出了增強型微通道散熱器的底壁(加熱器)溫度的曲線。最大的壁溫度Tw,_ = 48. 4°C，而其溫度梯度ATwall = 12. 6°C。另一方面，傳統(tǒng)的微通道散熱器具有最大的壁溫度52. 2°C和最大的溫度梯度16. 3°C。因此，沿鰭片的斜切技術的引入導致最大壁溫和其溫度梯度各大幅下降3. 8°C和3. 7V。如圖4所示，斜通道的引入導致局部的和全局的傳熱能力大幅增強。幾乎每一處的局部傳熱系數(shù)都提高了 40%。 這種傳熱增強技術在實際中是有吸引力的，因為很少或沒有壓降損失。從圖5可以看出，增強型散熱器的壓降堪與傳統(tǒng)的微通道散熱器相比。斜通道的節(jié)距或者間隙可以變化以構成不同密度的斜通道陣列。在一實施例中，斜通道的更密集陣列導致熱邊界層重建和流體轉向的頻繁發(fā)生，這能產(chǎn)生更好的傳熱性能。此外，改變斜通道的其它關鍵參數(shù)例如通道寬度和斜通道的角度，能導致不同的壓降和傳熱性能(尤其對于更高的流速的環(huán)境)。在可承受的壓降下進行優(yōu)化能得到大為提高的傳熱性能。圖6(a)和圖6(b)示出了增強型微通道69的另一種配置，對比橫通道90的間隙95，其斜通道70的節(jié)距75和寬度76減小，導致產(chǎn)生更密集的斜通道70陣列和更小的熱量消散鰭片85，其中第二流體80在該熱量消散鰭片85周圍移動。圖7描述了微通道的仿真，該微通道的詳細幾何參數(shù)列在表2中。冷卻液/工作液，在這里是水，以lm/s的平均速率和160的雷諾數(shù)流經(jīng)硅質(zhì)微通道。均勻的lOOW/cm2的熱通量供應給散熱器的底壁?？紤]到周期性的邊界環(huán)境，僅模擬了一個通道-鰭片對。表2具有斜切(更小的鰭片節(jié)距)的增強型微通道散熱器的幾何參數(shù)
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^ 寬度Iw 寬度fc高度H長度L 節(jié)歷P厚度tq bta
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4 丨 100 I 100I 400200300200100傳統(tǒng)的和增強型微通道散熱器的底壁(加熱器)的溫度曲線繪示于圖7。具有小節(jié)距鰭片的增強型微通道的最大壁溫Tw, _記錄為46.4°C，其溫度梯度ATwall = 11.6°C。這種設置表明傳熱性能進一步地提高，最大壁溫和溫度梯度與具有大節(jié)距鰭片的增強型微通道相比，進一步分別降低2°C^P1°C。從圖8可以看出，相比傳統(tǒng)的微通道和具有大節(jié)距鰭片的增強型微通道，具有小節(jié)距鰭片的增強型微通道的局部的和全局的傳熱系數(shù)得到大幅提高。由于具有小節(jié)距鰭片，增強型微通道能達到45，000W/m2K的平均傳熱系數(shù)，高于具有大斜度鰭片的增強型微通道 40 %，高于傳統(tǒng)微通道 80 %。除了仿真，也進行了實驗調(diào)查來研究增強型微通道的壓降和傳熱性能。本實驗對銅(銅塊)制的和硅(倒裝芯片熱量實驗塊)制的微通道散熱器都進行了評估。銅質(zhì)的微通道散熱器用于大尺寸通道的性能評估，而硅質(zhì)的微通道散熱器用于小尺寸通道的性能評估。每一片測試片的詳細尺寸列于表3。每個實驗組都有具有斜切測試片的增強型微通道和具有相似/可比的尺寸的相應傳統(tǒng)微通道測試片。表3 :微通道散熱器測試片的詳細尺寸
權利要求
1.一種用于消散裝配的電子元件上熱量的散熱器裝置，所述裝置包括 接收流體的入口； 排放所述流體的出口； 處于所述入口和出口中間的熱消散區(qū)域； 所述區(qū)域包括多個橫通道和在相鄰的橫通道間延伸的多個斜通道； 其中，所述斜通道和橫通道確定了所述流體從所述入口到所述出口的流體路徑。
2.根據(jù)權利要求I所述的散熱器裝置，其中，所述斜通道相對于所述橫通道以范圍為15°至45°的角度定位。
3.根據(jù)權利要求I或2所述的散熱器裝置，其中，所述斜通道相對于所述橫通道以范圍為20°至45°的角度定位。
4.根據(jù)權利要求I至3任意一項所述的散熱器裝置，其中，所述斜通道以與所述橫通道成30°的角度定位。
5.根據(jù)前述任意一項權利要求所述的散熱器裝置，其中，任一所述斜通道的橫截面區(qū)小于所述斜通道在其間延伸的所述橫通道的橫截面區(qū)。
6.根據(jù)前述任意一項權利要求所述的散熱器裝置，其中，分隔所述通道的所述熱消散區(qū)的元件是熱消散鰭片，所述熱消散鰭片與所述電子元件之間傳遞熱量。
7.根據(jù)前述任意一項權利要求所述的散熱器裝置，其中，在所述熱消散區(qū)內(nèi)所述斜通道之間彼此均勻間隔。
8.根據(jù)權利要求I至6任意一項所述的散熱器裝置，進一步包括所述熱消散區(qū)內(nèi)的至少一熱量集中區(qū)，所述至少一熱量集中區(qū)的斜通道的間隔小于所述熱消散區(qū)的剩余部分的所述斜通道的間隔。
9.根據(jù)權利要求I至6任意一項所述的散熱器裝置，進一步包括所述熱消散區(qū)內(nèi)的至少一熱量集中區(qū)，所述至少一熱量集中區(qū)的橫通道的間隔小于所述熱消散區(qū)的剩余部分的所述橫通道的間隔。
10.根據(jù)權利要求8或9所述的散熱器裝置，其中，所述熱消散區(qū)有多個熱量集中區(qū)。
11.根據(jù)前述任意一項權利要求所述的散熱器裝置，其中，所述橫通道和/或斜通道內(nèi)的流體流動具有小于2300的雷諾數(shù)。
全文摘要
一種用于消散裝配的電子元件的熱量的散熱器裝置，該裝置包括接收流體的入口；排放所述流體的出口；處于所述入口和出口中間的熱消散區(qū)域；所述區(qū)域包括多個橫通道和在相鄰的橫通道間延伸的多個斜通道；其中，所述斜通道和橫通道確定了所述流體從所述入口到所述出口的流體路徑。
文檔編號F28F3/12GK102713490SQ201080055001
公開日2012年10月3日 申請日期2010年4月29日 優(yōu)先權日2009年12月2日
發(fā)明者李勇軍, 李普生 申請人:新加坡國立大學