專(zhuān)利名稱(chēng):一種電子元器件用沸騰換熱裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及沸騰相變傳熱研究領(lǐng)域,特別涉及一種電子元器件用沸騰換 熱裝置。
背景技術(shù):
隨著電力電子技術(shù)的迅猛發(fā)展,電子元器件高頻、高速、高集成化的要 求越來(lái)越高,高溫的工作環(huán)境勢(shì)必會(huì)影響電子元器件的性能,這就要求對(duì)其 進(jìn)行更加高效冷卻來(lái)滿足其要求。因此,有效解決電子元器件的散熱問(wèn)題已 成為當(dāng)前電子元器件和電子設(shè)備制造的關(guān)鍵技術(shù)。
目前,禾u用液體對(duì)電子芯片進(jìn)行冷卻已引起國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者的廣泛關(guān)注, 尤其將電子芯片直接浸沒(méi)在不導(dǎo)電液體中,利用沸騰相變傳熱的方式對(duì)其進(jìn) 行冷卻。但是,不導(dǎo)電液體相比水而言,普遍具有較高的壁面潤(rùn)濕特性和較 低的沸騰傳熱系數(shù),表面?zhèn)鳠釤嶙璩蔀殡娮有酒倐鳠徇^(guò)程的主要熱阻,因 此,利用強(qiáng)化表面技術(shù)來(lái)提高沸騰換熱顯得尤為重要。
為了強(qiáng)化芯片沸騰換熱,發(fā)明人曾在芯片表面開(kāi)平行槽道進(jìn)行過(guò)研究, 發(fā)現(xiàn)在低熱流密度區(qū)換熱得到了強(qiáng)化,但是在高熱流密度區(qū)由于槽道之間不 連通,易形成汽膜,使得液體難以補(bǔ)充,導(dǎo)致底部出現(xiàn)干斑現(xiàn)象,提早發(fā)生
臨界熱流密度;后來(lái)又提出在芯片表面利用干腐蝕技術(shù)生成方柱微結(jié)構(gòu)進(jìn)行 強(qiáng)化沸騰換熱,方柱微結(jié)構(gòu)形成了相互連通的矩形微通道,研究結(jié)果表明, 該結(jié)構(gòu)可以大大的提高臨界熱流密度值,但是,沸騰起始時(shí)溫度跳躍過(guò)度較 大和壁面溫度過(guò)高,其主要原因是產(chǎn)生汽泡的汽化核心數(shù)較少所致。近年來(lái),國(guó)內(nèi)外其他研究者提出了利用多孔介質(zhì)涂層和泡沫金屬結(jié)構(gòu)表 面進(jìn)行芯片的沸騰強(qiáng)化換熱,對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)這種多孔結(jié)構(gòu)有效地 增加了產(chǎn)生氣泡的汽化核心數(shù),使得沸騰起始時(shí)壁面溫度降低和溫度過(guò)升量
減少;同時(shí),利用多孔結(jié)構(gòu)的毛細(xì)作用力將主流區(qū)的流體吸到受熱表面,進(jìn) 行強(qiáng)化沸騰換熱。但是,由于多孔結(jié)構(gòu)內(nèi)部相互交錯(cuò),在核態(tài)沸騰區(qū),多孔 結(jié)構(gòu)內(nèi)部汽泡大量蒸發(fā)產(chǎn)生汽膜,這樣氣體與主流液體形成的逆向阻力較大, 導(dǎo)致細(xì)小孔隙對(duì)液體的毛細(xì)作用力不能克服液體流動(dòng)阻力,最后在加熱面上 不能及時(shí)得到主流液體的補(bǔ)充,使得發(fā)熱元器件表面在較低的熱流下就可能 出現(xiàn)蒸干現(xiàn)象,提前從核態(tài)沸騰進(jìn)入膜態(tài)沸騰,且在較小臨界熱流密度時(shí)的 壁面溫度已大于芯片正常工作上限溫度85°C。
早在1988年Jones等人在文獻(xiàn)Electronic cooling through porous layers with wick boiling[A] . H R JACOBS. Proceedings of the National Heat Transfer Conference: Vo 1 . l[C] . New York: ASME, 523-532.中對(duì)多孔表面用于強(qiáng)化電 子冷卻裝置傳熱進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)多孔表面底部產(chǎn)生的蒸汽層中蒸汽首先進(jìn) 行水平流動(dòng),找到較大孔徑的孔隙通道時(shí)得以向上溢出,由此啟發(fā)人們,在 多孔結(jié)構(gòu)表面開(kāi)槽道可以減少蒸汽的阻力,使蒸汽走槽道,液體走多孔區(qū), 從而氣液流動(dòng)更有序,沸騰傳熱強(qiáng)度增強(qiáng),臨界熱流密度提高,推遲核態(tài)沸 騰向膜態(tài)沸騰的轉(zhuǎn)變。由此,許多研究者對(duì)多孔表面開(kāi)槽方式主要集中在多 孔結(jié)構(gòu)表面開(kāi)設(shè)平行槽,還有一些開(kāi)設(shè)大尺度(約0.5 2mrn)十字交叉槽。 研究結(jié)果顯示多孔表面開(kāi)設(shè)平行槽可以使氣液流動(dòng)比較平穩(wěn),但是出現(xiàn)的情 況與發(fā)明人曾在芯片表面直接開(kāi)平行槽類(lèi)似,即槽道之間不連通,較易形成 汽膜,降低了加熱壁面的再潤(rùn)濕能力,使得沸騰滯后效應(yīng)明顯加重,影響沸 騰過(guò)程的穩(wěn)定性。多孔表面開(kāi)設(shè)大尺度十字交叉槽,在低熱流密度時(shí)換熱效果較好,沸騰起始壁面溫度較低,而進(jìn)入高熱流密度核態(tài)沸騰區(qū)域,發(fā)熱元 器件表面換熱惡化,熱流密度值隨著壁面過(guò)熱度線性增加,同時(shí)得到的臨界 熱流密度值偏低,其原因在于高熱流密度時(shí),槽道尺寸過(guò)大導(dǎo)致毛細(xì)作用降 低,不利于液體通過(guò)槽道順利供應(yīng)給加熱面。
發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有強(qiáng)化表面技術(shù)對(duì)高熱流密度電子器件冷卻存在的不足和缺陷, 本發(fā)明的目的在于提供一種電子元器件用沸騰換熱裝置,能夠消除芯片在沸 騰起始時(shí)的溫度過(guò)升量,降低沸騰起始時(shí)的壁面溫度,減少溫度對(duì)芯片造成 的熱沖擊,進(jìn)一步強(qiáng)化核態(tài)沸騰換熱,使核態(tài)沸騰向膜態(tài)沸騰的轉(zhuǎn)變得以延 遲,顯著提高臨界熱流密度,降低加熱壁面蒸干的幾率。
為了達(dá)到上述目的,本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)。 一種電子元器件用沸騰換熱裝置,其特征在于,包括固定在電子元器 件表面的散熱板,散熱板上面燒結(jié)或焊接有金屬泡沫層,金屬泡沫層上開(kāi)設(shè)
有寬度為50 u m 200 y m方柱型微結(jié)構(gòu),方柱型微結(jié)構(gòu)的相互間距為50 y m 200 um。
本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)和特點(diǎn)在于
所述散熱板通過(guò)絕緣導(dǎo)熱硅膠粘接在電子元器件表面。
所述散熱板為銅板或鋁板。
所述金屬泡沬層為銅泡沫層或鋁泡沫層。
所述方柱型微結(jié)構(gòu)的開(kāi)設(shè)采用激光打標(biāo)技術(shù)實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明是一種高效冷卻的雙重強(qiáng)化技術(shù),具有突出的優(yōu)點(diǎn)和顯著的功效。 (1)采用金屬泡沫材料形成多孔結(jié)構(gòu),利用其自身材料具有比重小、孔 隙率高、比表面積大的突出特點(diǎn)和金屬材料高的熱傳導(dǎo)率,大大地增加了強(qiáng)化換熱表面積和汽化核心數(shù),使得核態(tài)沸騰得到很大程度的改善,相比其他 強(qiáng)化換熱表面結(jié)構(gòu),解決了沸騰開(kāi)始溫度過(guò)高和溫度過(guò)升量較大的問(wèn)題,同 時(shí)避免了對(duì)電子元器件造成的熱沖擊以及電子元器件啟動(dòng)難的問(wèn)題。
(2)傳統(tǒng)的多孔介質(zhì)表面加工結(jié)構(gòu)在高熱流核態(tài)沸騰區(qū),多孔結(jié)構(gòu)內(nèi)汽 泡大量蒸發(fā),形成汽膜,而多孔結(jié)構(gòu)相互交錯(cuò),導(dǎo)致細(xì)小孔隙結(jié)構(gòu)內(nèi)液體流 動(dòng)阻力過(guò)大而不便于順利到達(dá)加熱面,容易在加熱電子元器件表面出現(xiàn)干斑 現(xiàn)象。而本發(fā)明在金屬泡沫層表面開(kāi)設(shè)有方柱型微結(jié)構(gòu),方柱型微結(jié)構(gòu)的寬 度50um 200um,方柱型微結(jié)構(gòu)的相互間距為50 y m 200 y m,利用微方柱 結(jié)構(gòu)之間形成的熱毛細(xì)對(duì)流作用,使得加熱面上的新鮮液體能夠及時(shí)與方便 地補(bǔ)充供給,推遲了核態(tài)沸騰向膜態(tài)沸騰的轉(zhuǎn)變,保證穩(wěn)定的核態(tài)沸騰狀態(tài), 使電子元器件壁面溫度幾乎不隨熱流密度的增加而變化,可顯著地提高臨界 熱流密度值。
圖1具有方柱型微結(jié)構(gòu)的金屬泡沬示意圖
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。 參照?qǐng)Dl,本發(fā)明的電子元器件用沸騰換熱裝置,包括固定在電子元器
件表面的散熱板,散熱板上面燒結(jié)有金屬泡沫層,金屬泡沬上開(kāi)設(shè)有寬度d
為50 u m 200 u m方柱型微結(jié)構(gòu),方柱型微結(jié)構(gòu)的相互間距為50 u m 200 u m;
其中,金屬泡沫層為銅泡沫層或鋁泡沬層,散熱板為銅板或鋁板,散熱板通
過(guò)絕緣導(dǎo)熱硅膠粘接在電子元器件表面。
方柱型微結(jié)構(gòu)的開(kāi)設(shè)采用激光打標(biāo)技術(shù)實(shí)現(xiàn)。激光打標(biāo)技術(shù)為成熟技術(shù),
早在1997年李東煒等人在文獻(xiàn)(激光打標(biāo)在航空制造業(yè)中的應(yīng)用前景[J]航空制造工程)中已提到此技術(shù)。本發(fā)明方柱型微結(jié)構(gòu)的具體開(kāi)設(shè)方法為在一 塊Al或CU做成的模板上雕空出尺寸與方柱微結(jié)構(gòu)一致的掩模板,經(jīng)望遠(yuǎn)鏡 擴(kuò)束的激光照射在掩模板上,光從雕空的部分通過(guò),掩模板上的圖形經(jīng)透鏡 成像到燒結(jié)在散熱板上面的金屬泡沫層上,然后經(jīng)激光輻射的金屬泡沫層表 面被迅速加熱汽化或產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng),發(fā)生顏色變化,形成可分辨的清晰方柱 微結(jié)構(gòu)標(biāo)記。
本發(fā)明中,金屬泡沫指開(kāi)孔泡沫金屬,利用熔模鑄造法制備得到,當(dāng)然 也可以利用其他方法制備,比如滲流鑄造法,噴濺沉積法,燒結(jié)溶解法等。
金屬泡沫層中,孔結(jié)構(gòu)的孔隙率e (—定體積的金屬泡沫中孔隙所占體積的
百分比)可達(dá)80% 97%,孔密度PPI (每英寸長(zhǎng)度上的孔洞數(shù))可達(dá)50 100,
它與孔徑成反比關(guān)系,孔徑可以加工到1 10微米數(shù)量級(jí)。
金屬泡沫也叫泡沬金屬,其冷卻成形后,燒結(jié)或用焊錫焊接到作為散熱
板的銅板或鋁板上。然后,在金屬泡沫層表面用激光打標(biāo)技術(shù)標(biāo)記出方柱型
微結(jié)構(gòu),由于方柱微結(jié)構(gòu)之間存在毛細(xì)現(xiàn)象和流動(dòng)阻力相互作用,根據(jù)力平
衡條件推導(dǎo)得到《-尸2=^,其中A為大氣壓力,尸2為汽泡內(nèi)的壓力,5為汽
r
液界面上的表面張力,r為汽泡半徑。當(dāng)r減少,g減少,方柱微結(jié)構(gòu)之間的 熱毛細(xì)對(duì)流增強(qiáng),同時(shí)汽體流動(dòng)阻力增加,反之,當(dāng)r增大,/>2增大,方柱微 結(jié)構(gòu)之間的熱毛細(xì)對(duì)流減弱,同時(shí)汽體流動(dòng)阻力減弱,綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,
存在最佳的方柱微結(jié)構(gòu)的寬度為50 u m 200 u m。
金屬泡沫層表面開(kāi)設(shè)的方柱型微結(jié)構(gòu),類(lèi)似銅板上燒結(jié)有四方形多孔介 質(zhì)構(gòu)成的立柱。通過(guò)用絕緣導(dǎo)熱硅膠把電子芯片和與銅板燒結(jié)在一起的泡沫 金屬結(jié)構(gòu)整體粘合在一起,由電子芯片發(fā)熱壁面產(chǎn)生熱流,通過(guò)銅板導(dǎo)熱, 利用具有較多汽化核心的金屬泡沫作為散熱面并在其上開(kāi)設(shè)有一系列方柱型微結(jié)構(gòu)以形成相互連通的矩形微通道,起到提供大量汽化核心和在高熱流密 度便于新鮮液體向加熱面及時(shí)供應(yīng)的雙重強(qiáng)化換熱,使得電子芯片得到高效 冷卻效果。
本發(fā)明采用上述技術(shù)方案,具有突出的優(yōu)點(diǎn)和顯著的功效。 優(yōu)點(diǎn)之一利用本發(fā)明中電子元器件高效冷卻的雙重強(qiáng)化技術(shù)可以消除 現(xiàn)有技術(shù)方法在低熱流密度區(qū)域下出現(xiàn)的核態(tài)沸騰起始溫度過(guò)升量較大的問(wèn) 題,這樣就可以消除大溫度差對(duì)電子芯片造成的熱沖擊隱患問(wèn)題,大大地延 長(zhǎng)大功率電子元器件的使用壽命。
優(yōu)點(diǎn)之二與現(xiàn)有電子器件冷卻用的強(qiáng)化表面技術(shù)相比,本發(fā)明中高效 冷卻的雙重強(qiáng)化技術(shù)可大大的強(qiáng)化核態(tài)沸騰換熱,使芯片加熱面的熱流密度 隨壁面過(guò)熱度增加而急劇增加,明顯地降低電子芯片的壁面溫度,可顯著地 提高臨界熱流密度值,大大延遲核態(tài)沸騰向膜態(tài)沸騰的轉(zhuǎn)變。解決了現(xiàn)有技 術(shù)中存在的汽化核心數(shù)較少而出現(xiàn)的沸騰起始溫度較高、槽道不連通而引起 的加熱壁面出現(xiàn)大面積干斑現(xiàn)象以及金屬泡沫表面開(kāi)有大尺度十字交叉槽道 而引起芯片加熱面上出現(xiàn)的熱流密度隨壁面過(guò)熱度線性增加和所得臨界熱流 密度值較低等問(wèn)題。
優(yōu)點(diǎn)之三利用金屬泡沫自身材料具有質(zhì)量輕、體積小、吸音降噪機(jī)械 性能好、孔隙率高、比表面積大等突出特點(diǎn)和金屬材料導(dǎo)熱效率高,使它具 有良好換熱性能,在各種電子元器件的冷卻散熱裝置中均可以應(yīng)用,尤其適 用于電腦芯片及CPU等的高效散熱冷卻。
權(quán)利要求
1、一種電子元器件用沸騰換熱裝置,其特征在于,包括固定在電子元器件表面的散熱板,散熱板上面燒結(jié)或焊接有金屬泡沫層,金屬泡沫層上開(kāi)設(shè)有寬度為50μm~200μm方柱型微結(jié)構(gòu),方柱型微結(jié)構(gòu)的相互間距為50μm~200μm。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電子元器件用沸騰換熱裝置,其特征在于, 所述散熱板通過(guò)絕緣導(dǎo)熱硅膠粘接在電子元器件表面。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電子元器件用沸騰換熱裝置,其特征在于, 所述散熱板為銅板或鋁板。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電子元器件用沸騰換熱裝置,其特征在于, 所述金屬泡沫層為銅泡沫層或鋁泡沫層。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電子元器件用沸騰換熱裝置,其特征在于, 所述方柱型微結(jié)構(gòu)的開(kāi)設(shè)采用激光打標(biāo)技術(shù)實(shí)現(xiàn)。
全文摘要
本發(fā)明涉及沸騰相變傳熱研究領(lǐng)域,特別涉及一種電子元器件用沸騰換熱裝置。它包括固定在電子元器件表面的散熱板,散熱板上面燒結(jié)或焊接有金屬泡沫層,金屬泡沫層上開(kāi)設(shè)有寬度為50μm~200μm方柱型微結(jié)構(gòu),方柱型微結(jié)構(gòu)的相互間距為50μm~200μm。
文檔編號(hào)H01L23/367GK101541159SQ20091002207
公開(kāi)日2009年9月23日 申請(qǐng)日期2009年4月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月16日
發(fā)明者方嘉賓, 薛艷芳, 高秀峰, 魏進(jìn)家 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)