專利名稱：磁流體平板熱管均熱器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種磁流體平板熱管均熱器，可被用于電子器件冷卻裝 置中的均熱器。
背景技術(shù)：
微電子芯片的應(yīng)用遍及日常生活、生產(chǎn)乃至國家安全的各個(gè)層面，在現(xiàn) 代文明中扮演著極其重要的角色。芯片發(fā)展的趨勢(shì)是進(jìn)一步提高集成度、減
小芯片尺寸及增大時(shí)鐘頻率。1971年Intel公司生產(chǎn)的第一個(gè)芯片只含2300 個(gè)晶體管，而如今在一枚工ntel奔騰4芯片上，就集成有4200萬個(gè)晶體管。 高集成度對(duì)于計(jì)算機(jī)性能的升級(jí)是有利的。然而，與此同時(shí)芯片耗能和散熱 問題也凸現(xiàn)出來。電子技術(shù)迅速發(fā)展，電子器件的高頻、高速以及集成電路 的密集和小型化，使得電子器件的發(fā)熱功率與功率密度也急劇增加。CPU芯片 的發(fā)熱量已由幾年前的10 W/cm2左右猛增到現(xiàn)在的將近100 W/cm2。因此， 如果散熱不良，產(chǎn)生的過高溫度會(huì)降低芯片的工作穩(wěn)定性，增加出錯(cuò)率，同 時(shí)模塊內(nèi)部與其外部環(huán)境間所形成的熱應(yīng)力會(huì)直接影響到芯片的電性能、工 作頻率、機(jī)械強(qiáng)度及可靠性。因此，電子器件的冷卻技術(shù)將是影響微電子技 術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵因素。
電子芯片小型化與高發(fā)熱量的趨勢(shì)，使電子設(shè)備的散熱凸現(xiàn)出以下幾個(gè) 顯著特點(diǎn)(l)局部熱流密度非常大，熱量容易在局部發(fā)生聚集，導(dǎo)致局部溫 度過高。(2)熱流密度分布不均勻，高熱流密度通常僅僅局限在很小的空間范 圍內(nèi)。(3)在電子設(shè)備啟動(dòng)過程中，容易出現(xiàn)瞬時(shí)功率"飆升"，燒壞電子設(shè) 備。(4)需要散失的總熱流量并不是很大。所以，解決電子設(shè)備冷卻的關(guān)鍵是 如何減小過高的局部熱流密度，防止出現(xiàn)熱點(diǎn)而導(dǎo)致設(shè)備故障。為了增強(qiáng)散 熱效果， 一般都會(huì)在電子芯片上加裝一個(gè)比芯片體積大得多的熱沉。這樣很 容易在芯片表面產(chǎn)生熱點(diǎn)。而且使熱沉具有較大的擴(kuò)散熱阻，內(nèi)部截面上的 熱流密度分布非常不均勻，熱沉的散熱效果受到了一定的影響。
傳統(tǒng)的實(shí)心銅板均熱器可以將電子芯片內(nèi)部產(chǎn)生的熱量以熱傳導(dǎo)的方式 引出到散熱器翅片上，再借翅片與其周圍空氣的對(duì)流作用將熱量傳入氣流中 帶走。實(shí)心純銅板均熱器在一定程度上能起到使熱流量分布均勻，消除熱點(diǎn) 的作用。但是由于銅的導(dǎo)熱系數(shù)有限，其均熱效果并不是非常明顯。如果采 用鉆石之類的超導(dǎo)熱材料制造均熱器，其昂貴的價(jià)格將使其難以普及到實(shí)際 應(yīng)用中。因此提出了平板熱管式均熱器。
平板熱管式均熱器能最大限度的使熱流密度趨于均勻，這是因?yàn)槠淅?了熱管高效導(dǎo)熱的原理。熱管是人們所知的最有效的傳熱元件之一，它可將 大量熱量通過很小的截面積進(jìn)行遠(yuǎn)距離的傳輸而無需外加動(dòng)力。熱管的一端 為蒸發(fā)段，另一端為冷凝段。當(dāng)熱管的一端受熱時(shí)毛細(xì)芯中的液體蒸發(fā)汽化， 蒸汽在微小的壓差下流向另一端放出熱量凝結(jié)成液體，液體再沿多孔材料靠 毛細(xì)力的作用流回蒸發(fā)段。如此循環(huán)往復(fù)，熱量由熱管的一端傳至另一端。 傳統(tǒng)的熱管呈管狀，依據(jù)熱管內(nèi)部毛細(xì)結(jié)構(gòu)的不同可以分為絲網(wǎng)熱管，槽 道熱管和燒結(jié)熱管。平板熱管均熱器是一種異型熱管，它的冷凝段和蒸發(fā)段 被兩個(gè)平面(蒸發(fā)面和冷凝面)所代替，又叫做扁平熱管，其工作原理如圖1 所示。在這種熱管中，在垂直于熱流方向上的尺寸較大，但在平行于熱流方 向上的尺寸很小。蒸發(fā)面與冷凝面之間的距離一般只有幾毫米。
由于平板熱管內(nèi)部的空間狹小，毛細(xì)結(jié)構(gòu)的布置始終是平板熱管制作的 難點(diǎn)，并且傳統(tǒng)的毛細(xì)芯結(jié)構(gòu)很難完全利用毛細(xì)力的作用使液態(tài)工質(zhì)克服重 力的作用形成良好回流。平板熱管在反重力條件下工作比較困難。
磁性流體是指將表面活性劑包覆的磁性納米粒子分散在基液中形成的非 常穩(wěn)定的且?guī)в写判缘哪z態(tài)懸浮液。磁性流體將固體的強(qiáng)磁性和液體的流動(dòng) 性巧妙地結(jié)合起來了,因此具有非常獨(dú)特的性質(zhì)。磁流體由磁性微粒、載液(或 稱基液)和表面活性劑組成。磁流體的性能主要取決于磁性微粒和載液的性 能，對(duì)磁性微粒、載液的選擇，決定了磁流體的應(yīng)用領(lǐng)域和范圍。用于制備 磁流體的磁性微粒通常有四氧化三鐵、三氧化二鐵等以及新型的磁性強(qiáng)、穩(wěn) 定性好的氮化鐵、硼化鐵微粒。載液可保持磁流體的液體性質(zhì)，通常為水、 有機(jī)溶劑、碳?xì)浠衔?、合成酯等流體。表面活性劑的作用是防止磁性微粒 相互間的凝聚或沉淀，它將單個(gè)磁性微粒的表面包裹起來，使之彼此分開， 懸浮于載液中。載液不同，則所需的表面活性劑也不同。因此表面活性劑的 選擇原則是與載液相適應(yīng)，且具有永久吸附磁性微粒的特殊分子結(jié)構(gòu)。
磁流體具有流體的流動(dòng)性和被磁場(chǎng)吸引的能力，并且大量研究表明在無 外加磁場(chǎng)條件下，磁性流體就能夠較大的強(qiáng)化沸騰換熱效率。加入外界磁場(chǎng) 后，沸騰換熱效率會(huì)得到進(jìn)一步的強(qiáng)化。通過分析磁場(chǎng)對(duì)氣泡的影響，結(jié)果 顯示沸騰過程中外加不均勻磁場(chǎng)會(huì)改變氣泡破裂直徑和氣泡的形狀，從而起 到強(qiáng)化沸騰的作用。因此，將磁流體用于平板熱管工質(zhì)，在外加磁場(chǎng)的作用 下，不但可以強(qiáng)化蒸發(fā)面的相變換熱效率，而且有利于促進(jìn)工質(zhì)的回流，甚 至可以讓熱管在反重力條件下工作。
實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型旨在解決傳統(tǒng)的平板熱管均熱器中毛細(xì)芯布置困難，毛細(xì)力 不足等缺點(diǎn)，提出了磁流體平板熱管。這種平板熱管可以完全去除毛細(xì)芯的 設(shè)計(jì)，通過安置外加磁場(chǎng)不但可以強(qiáng)化工質(zhì)沸騰，而且能夠促進(jìn)工質(zhì)回流， 能讓平板熱管在反重力條件下工作。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采取了如下技術(shù)方案。本實(shí)用新型包括 有焊接在一起的蒸發(fā)面平板和冷凝面平板，在蒸發(fā)面平板和冷凝面平板圍成
的空腔內(nèi)充有磁流體。在蒸發(fā)面平板外側(cè)的電子器件1周圍的布置了磁鐵5。 所述的磁鐵5為環(huán)形磁鐵。
在外加磁場(chǎng)的作用下，液態(tài)磁流體工質(zhì)聚集在蒸發(fā)面上的熱源附近區(qū)域 中并不斷沸騰，相變產(chǎn)生的氣態(tài)工質(zhì)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)到整個(gè)冷凝面上凝結(jié)并放出熱 量。此時(shí)，大部分的液態(tài)工質(zhì)在磁場(chǎng)力的作用下聚集在蒸發(fā)面上熱源附近的 區(qū)域中，因此不會(huì)對(duì)氣態(tài)工質(zhì)的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生阻礙影響，有利于氣態(tài)工質(zhì)的擴(kuò)散 運(yùn)動(dòng)到整個(gè)冷凝面上凝結(jié)，達(dá)到更好的均熱效果。凝結(jié)出的液態(tài)工質(zhì)在磁場(chǎng) 力的作用下又回到蒸發(fā)面熱源附近的區(qū)域中，從而完成工質(zhì)的循環(huán)運(yùn)動(dòng)。同 時(shí)外加磁場(chǎng)具有強(qiáng)化磁性流體沸騰的作用，因此可以增大平板熱管工作時(shí)的 相變換熱效率，大大提高平板熱管的性能。
本實(shí)用新型的有益效果
1. 外加磁場(chǎng)對(duì)磁流體具有較強(qiáng)的吸引力作用，能夠促進(jìn)無毛細(xì)芯平板熱 管內(nèi)磁流體工質(zhì)的循環(huán)，并且可以使無毛細(xì)芯平板熱管在反重力條件下正常 工作。
2. 大部分的液態(tài)工質(zhì)在磁場(chǎng)力的作用下聚集在蒸發(fā)面上熱源附近的區(qū)域
中，因此不會(huì)對(duì)氣態(tài)工質(zhì)的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生阻礙影響，有利于氣態(tài)工質(zhì)的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，
并在整個(gè)冷凝面上凝結(jié)，達(dá)到更好的均熱效果。
3.外加磁場(chǎng)具有強(qiáng)化磁性流體沸騰的作用，因此可以增大平板熱管工作 時(shí)的相變換熱效率，大大提高平板熱管的性能。

圖l:平板熱管工作原理圖
圖2:磁性流體平板熱管結(jié)構(gòu)的示意圖
圖3:磁流體平板熱管在反重力條件下溫度隨時(shí)間變化圖 圖4:水平板熱管在反重力條件下溫度隨時(shí)間變化圖
圖1 圖4中標(biāo)號(hào)為1.電子芯片，2.蒸發(fā)面平板，3.冷凝面平板，4.毛
細(xì)層，5.磁鐵，6，磁性流體。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖具體說明本實(shí)用新型的實(shí)施例
本實(shí)施例由蒸發(fā)面平板2和冷凝面平板3焊接而成。平板熱管腔體內(nèi)沒
有任何毛細(xì)結(jié)構(gòu)。對(duì)平板熱管抽真空后充入磁流體作為工質(zhì)。在蒸發(fā)面平板
外側(cè)的電子器件1附近布置了磁鐵5作為外加磁場(chǎng)。
本實(shí)施例中磁性流體平板熱管的具體結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。碟型平板 熱管的直徑為85mm，材料為紫銅。內(nèi)部腔體高度為lmm，并且腔體內(nèi)部沒有 任何毛細(xì)芯結(jié)構(gòu)。平板熱管的蒸發(fā)面平板2和冷凝面平板3的厚度都為3 imi。 在蒸發(fā)面平板3外側(cè)安置有一個(gè)環(huán)形磁鐵5，其材料為釹鐵硼，內(nèi)環(huán)直徑為 25顯，外環(huán)直徑為40腿，高度為10 mm，軸向磁感應(yīng)強(qiáng)度為4000 Gs。用作 平板熱管工質(zhì)的水基磁流體的密度為1. 28 g/cm3，磁飽和強(qiáng)度為320 Gs。
為了模擬磁流體在外加磁場(chǎng)下工作時(shí)的狀態(tài)，我們將一塊石英玻璃板放 在環(huán)形磁鐵之上，并將磁流體倒在石英玻璃板之上?？梢钥吹剑谏煌该?磁性流體在環(huán)形磁鐵的吸引下，在石英玻璃板上呈均勻的環(huán)形分布。即使將 石英玻璃板倒置之后，磁流體也不會(huì)滴落，而是繼續(xù)保持環(huán)形分布在石英玻 璃板上。可以想象，當(dāng)我們將環(huán)形磁鐵安置在平板熱管的蒸發(fā)面附近時(shí)。腔 內(nèi)的絕大部分液態(tài)磁流體工質(zhì)聚集在熱源附近的環(huán)形區(qū)域內(nèi)，受熱發(fā)生蒸發(fā) 或者沸騰之后，蒸汽帶走蒸發(fā)面的熱量并在整個(gè)冷凝面上凝結(jié)。由于蒸發(fā)面 和冷凝面之間的距離只有1 mm，在外加磁場(chǎng)的作用下，凝結(jié)下來的液態(tài)工質(zhì)
會(huì)很容易重新回到熱源附近的環(huán)形區(qū)域內(nèi)。在反重力條件下，由于外加磁場(chǎng) 的作用，使這種無毛細(xì)吸液芯的平板熱管具有克服重力工作的可能。
通過對(duì)本實(shí)施例中的磁流體平板熱管進(jìn)行性能測(cè)試。磁流體平板熱管和
水平板熱管在反重力條件下溫度隨時(shí)間變化圖如圖3和4所示?？梢钥吹剑?br> 磁流體平板熱管能夠克服重力的作用而正常工作。我們將工質(zhì)換為水，并進(jìn) 行了實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)水平板熱管被倒置后在各種充液率下都不能正常工作。
這是由于蒸發(fā)面和冷凝面的距離僅為1 mm，在冷凝面凝結(jié)下來的磁流體液態(tài) 工質(zhì)能夠在外加磁場(chǎng)的作用下返回蒸發(fā)面，從而使平板熱管能夠在反重力條 件下正常工作。
權(quán)利要求1.磁流體平板熱管均熱器，包括有蒸發(fā)面平板(2)和冷凝面平板(3)；其特征在于在蒸發(fā)面平板(2)和冷凝面平板(3)圍成的空腔內(nèi)充有磁流體(6)，在蒸發(fā)面平板外側(cè)的電子器件(1)周圍布置有磁鐵(5)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁流體平板熱管均熱器，其特征在于所述的磁鐵(5)為環(huán)形磁鐵。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種磁流體平板熱管均熱器，可被用于電子器件冷卻裝置中的均熱器。本實(shí)用新型旨在解決傳統(tǒng)的平板熱管均熱器中毛細(xì)芯布置困難，毛細(xì)力不足等缺點(diǎn)，整個(gè)磁流體平板熱管由蒸發(fā)面平板(2)和冷凝面平板(3)焊接而成。平板熱管腔體內(nèi)沒有任何毛細(xì)結(jié)構(gòu)。對(duì)平板熱管抽真空后充入磁流體作為工質(zhì)。在蒸發(fā)面平板外側(cè)的電子器件(1)附近布置了磁鐵(5)。這種平板熱管可以完全省去毛細(xì)吸液芯的設(shè)計(jì)，通過安置外加磁場(chǎng)不但可以強(qiáng)化工質(zhì)沸騰，而且能夠促進(jìn)工質(zhì)回流，能讓磁流體平板熱管在反重力條件下工作。
文檔編號(hào)H01L23/427GK201197251SQ200820080778
公開日2009年2月18日 申請(qǐng)日期2008年5月23日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月23日
發(fā)明者劉中良, 明 張 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)