一種鏈?zhǔn)浇诲e(cuò)型微通道結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種鏈?zhǔn)浇诲e(cuò)型微通道結(jié)構(gòu),其包括基底和設(shè)置在基底上的微流體通道，其特征在于，所述微流體通道包括兩個(gè)微流體分支通道，且所述兩個(gè)微流體分支通道周期性的相互交叉和分開(kāi)，兩個(gè)微流體分支通道在相互交叉處和分開(kāi)處分別形成交叉口和分叉口。本發(fā)明提供的微流體通道，彎曲微通道是周期性變化的弧線型流道，由不同弧度的圓弧平滑地連接而成，相鄰兩個(gè)流道對(duì)稱，每隔一段距離交叉，交叉后流道按照弧線布置。冷卻工質(zhì)在流道中流動(dòng)平滑，摩擦阻力系數(shù)小。每個(gè)微流體通道的兩個(gè)微流體分支通道的交錯(cuò)，引起了流道前沿的熱邊界層的重新發(fā)展，降低了邊界層的厚度，重新產(chǎn)生的入口效應(yīng)使得流體一直處于發(fā)展?fàn)顟B(tài)，提高了散熱器的散熱性能。
【專利說(shuō)明】-種鏈?zhǔn)浇诲e(cuò)型微通道結(jié)構(gòu)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于微電子高功率芯片封裝散熱領(lǐng)域，尤其涉及一種鏈?zhǔn)浇诲e(cuò)型微通道結(jié) 構(gòu)。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著集成電路中半導(dǎo)體數(shù)目不斷增加，封裝體積不斷小型化，芯片單位體積的發(fā) 熱量在顯著增加，如果不能在短時(shí)間內(nèi)將該些熱量有效地散發(fā)出去，將對(duì)半導(dǎo)體器件的壽 命和工作性能產(chǎn)生很大的影響。
[0003] 傳統(tǒng)的換熱方式有；風(fēng)冷散熱、水冷散熱、熱管散熱、熱電制冷、微噴射流冷卻和微 通道冷卻。風(fēng)冷散熱成本低，散熱效果明顯，但是由于使用機(jī)械部件，體積大，噪音高，無(wú)法 滿足高熱流密度的散熱要求。水冷散熱器較風(fēng)冷散熱器的散熱效果好，但同樣不適用于高 密度組裝的散熱需求。熱管的散熱能力較高，不耗電，質(zhì)量輕，但是其導(dǎo)熱能力取決于毛細(xì) 效應(yīng)，長(zhǎng)度一般為10 - 20畑1，不適合冷熱源之間導(dǎo)熱路徑較長(zhǎng)的情況。熱電制冷的原理是 采用帕爾貼效應(yīng)，其制冷量小。微噴射流冷卻和微通道散熱器的散熱效果較好，均需消耗額 外的粟功率提供冷卻劑在通道中流動(dòng)的動(dòng)力。
[0004] 微通道散熱器是一種新興的高效液冷散熱技術(shù)。微通道指流體通道的水力直徑為 10-1000微米的通道，通過(guò)粟驅(qū)動(dòng)冷卻劑流經(jīng)流體通道進(jìn)行散熱。
[0005] 2010年華中科技大學(xué)的羅小兵和陳劍楠等人申請(qǐng)發(fā)明了一種微通道換熱器（用 于電子封裝器件的微通道熱沉，申請(qǐng)?zhí)?201010146723. 4)。其微通道結(jié)構(gòu)如圖1所示；該微 通道散熱器由H部分組成，其中103是蓋板，104是微流體通道，105是基底。101是發(fā)熱器 件，即熱源，102是導(dǎo)熱絕緣膠或其它高導(dǎo)熱系數(shù)的粘接材料。該微通道散熱器通過(guò)導(dǎo)熱材 料粘接到熱源上。熱源工作時(shí)產(chǎn)生的熱量通過(guò)導(dǎo)熱材料傳遞到微通道的壁面，通過(guò)粟驅(qū)動(dòng) 冷卻劑流經(jīng)微通道，帶走側(cè)壁的熱量。
[0006] 該微通道散熱器存在W下問(wèn)題：
[0007] 1)當(dāng)冷卻工質(zhì)流經(jīng)加熱的較長(zhǎng)的平直流道時(shí)，工質(zhì)吸收熱源傳遞到通道側(cè)壁的熱 量，使得工質(zhì)的溫度隨著流動(dòng)方向不斷升高，受熱面的均溫性不佳。
[0008] 2)流體流經(jīng)平直流道時(shí)，隨著熱邊界層的形成與發(fā)展，對(duì)流換熱系數(shù)隨著流動(dòng)方 向減小，換熱效率不高。
[0009] 2013年鄭州大學(xué)的斬遵龍和張志超等人申請(qǐng)發(fā)明了一種微通道換熱器（一種微 通道換熱器，申請(qǐng)?zhí)枺?01320005298. 6)，如圖2所示。該微通道散熱器由兩部分組成；基底 01和W及在基底01的一側(cè)鋪設(shè)的彎曲通道02。其中，基底01的材質(zhì)為娃板，基底01的厚 度為2mm。基底01的一側(cè)鋪設(shè)有16根彎曲通道02,彎曲通道02內(nèi)通過(guò)入口溫度為293K 的去離子水。彎曲通道02的通道直徑為0. 4mm，彎曲通道02的半徑由0. 4mm和0. 9mm的圓 弧構(gòu)成，進(jìn)出口長(zhǎng)度均為1mm。
[0010] 該微通道散熱器存在W下問(wèn)題：
[0011] 1)微流道的流道相對(duì)較長(zhǎng)，將會(huì)消耗更多的粟功率，換熱效率較低。
[0012] 2)流體流經(jīng)彎曲流道時(shí)，相鄰流道內(nèi)的流體混合匿乏，散熱性能較低。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0013] 為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問(wèn)題，本發(fā)明的目的是提供一種鏈?zhǔn)浇诲e(cuò)型微通 道結(jié)構(gòu)，其均溫性好，能夠提高微通道散熱器的散熱性能。
[0014] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種鏈?zhǔn)浇诲e(cuò)型微通道結(jié)構(gòu)包括 基底和設(shè)置在基底上的微流體通道，所述微流體通道包括兩個(gè)微流體分支通道，且所述兩 個(gè)微流體分支通道周期性的相互交叉和分開(kāi)，兩個(gè)微流體分支通道在相互交叉處和分開(kāi)處 分別形成交叉口和分叉口。
[0015] 微流體通道的兩個(gè)微流體分支通道的交錯(cuò)，引起了流道前沿流體熱邊界層的重新 發(fā)展，降低了邊界層的厚度，重新在交叉口處產(chǎn)生的入口效應(yīng)使得流體一直處于發(fā)展?fàn)顟B(tài)， 提高了散熱器的散熱性能。同時(shí)，在兩個(gè)微流體分支通道的交叉口，可W顯著增強(qiáng)流體混 合。在分叉口，流體經(jīng)匯合后會(huì)重新分配，進(jìn)一步提高散熱器的散熱性能。
[0016] 優(yōu)選的技術(shù)方案，所述微流體通道的兩個(gè)微流體分支通道呈軸對(duì)稱分布。
[0017] 進(jìn)一步的優(yōu)選技術(shù)方案，所述微流體分支通道為呈周期性變化的弧線型流道。彎 曲的流道與矩形截面的直流道相比，流道長(zhǎng)度增加，能夠有效降低發(fā)熱面的溫度。
[0018] 更進(jìn)一步的優(yōu)選技術(shù)方案，所述微流體分支通道的橫截面為矩形。
[0019] 所述矩形的寬度為0. 2毫米，長(zhǎng)度為0. 8毫米。
[0020] 所述兩個(gè)微流體分支通道呈等距離的交叉。
[0021] 所述基底采用熱導(dǎo)系數(shù)高的陶瓷材料或者娃材料。
[0022] 所述基底的厚度為2毫米。
[0023] 所述微流體通道的冷卻工質(zhì)為己醇、己二醇、純水、去離子水或者液態(tài)金屬。
[0024] 所述兩個(gè)微流體分支通道的分開(kāi)段為弧形，且分開(kāi)段的長(zhǎng)度大于交匯段的長(zhǎng)度。 [00巧]采用W上技術(shù)方案，本發(fā)明具有如下有益效果：
[002引 1.本發(fā)明提供的微流體通道，彎曲微通道是周期性變化的弧線型流道，由不同弧 度的圓弧平滑地連接而成，相鄰兩個(gè)流道對(duì)稱，每隔一段距離交叉，交叉后流道按照弧線布 置。冷卻工質(zhì)在流道中流動(dòng)平滑，摩擦阻力系數(shù)小。
[0027] 2.每個(gè)微流體通道的兩個(gè)微流體分支通道的交錯(cuò)，引起了流道前沿的熱邊界層的 重新發(fā)展，降低了邊界層的厚度，重新產(chǎn)生的入口效應(yīng)使得流體一直處于發(fā)展?fàn)顟B(tài)，提高了 散熱器的散熱性能。
[0028] 3.在流道交叉處，流體匯合后再在分叉處重新分配，可W顯著增強(qiáng)流體混合，進(jìn)一 步提高散熱器的散熱性能。
[0029] 4.彎曲的流道與矩形截面的直流道相比，流道長(zhǎng)度增加，能夠有效降低發(fā)熱面的 溫度。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0030] 圖1為現(xiàn)有技術(shù)中用于電子封裝器件的微通道熱沉的方案示意圖；
[0031] 圖2為現(xiàn)有技術(shù)中一種微通道換熱器的方案示意圖；
[0032] 圖3為本發(fā)明一種鏈?zhǔn)浇诲e(cuò)型微通道結(jié)構(gòu)的示意圖；
[0033] 圖4為不同冷卻劑流速下H種通道的芯片最高溫度對(duì)比圖。

【具體實(shí)施方式】
[0034] 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明了，下面結(jié)合具體實(shí)例并參照附 圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)該理解，該些描述只是示例性的，而并非要限制本發(fā)明的 范圍。此外，在W下說(shuō)明中，省略了對(duì)公知結(jié)構(gòu)和技術(shù)的描述，W避免不必要地混淆本發(fā)明 的概念。
[00巧]如圖3所示；一種鏈?zhǔn)浇诲e(cuò)型微通道結(jié)構(gòu)包括基底1和設(shè)置在基底1上的微流體 通道2，所述微流體通道2包括兩個(gè)微流體分支通道21、22，且所述兩個(gè)微流體分支通道21、 22周期性的相互交叉和分開(kāi)，兩個(gè)微流體分支通道21、22在相互交叉處和分開(kāi)處分別形成 交叉口 23和分叉口 24。所述微流體通道2的兩個(gè)微流體分支通道21、22呈軸對(duì)稱分布。 所述微流體分支通道21、22為呈周期性變化的弧線型流道。所述微流體分支通道21、22的 橫截面為矩形。所述矩形的寬度為0.2毫米，長(zhǎng)度為0.8毫米。所述兩個(gè)微流體分支通道 21、22呈等距離的交叉。所述基底1采用熱導(dǎo)系數(shù)高的陶瓷材料或者娃材料。所述基底1 的厚度為2毫米。所述微流體通道2的冷卻工質(zhì)為己醇、己二醇、純水、去離子水或者液態(tài) 金屬。所述兩個(gè)微流體分支通道21、22的分開(kāi)段為弧形，且分開(kāi)段的長(zhǎng)度大于交匯段的長(zhǎng) 度。
[0036] 上述流道采用噴射氣相刻蝕技術(shù)JVE在陶瓷材料上加工微流通道，或采用深度反 應(yīng)離子刻蝕技術(shù)DRIE在娃基板上加工微流通道。
[0037] 對(duì)H種微通道散熱器進(jìn)行仿真，通過(guò)對(duì)不同冷卻劑流速下H種微通道散熱器進(jìn)行 仿真，得到芯片上的溫度分布圖。
[0038] 其中，參數(shù)設(shè)置和仿真結(jié)果如下：
[00測(cè)模型尺寸：
[0040] 1、微通道液冷冷板尺寸為；20mmX 14mmX2mm ;
[0041] 2、微通道的截面尺寸為；0.8mmX0.8mm，微通道的個(gè)數(shù)為8個(gè)；
[0042] 3、蓋板尺寸為；20mmX 14mmX 1mm ;
[0043] 4、芯片尺寸為：10mmX lOmmX 1mm。
[0044] 仿真設(shè)置：
[004引 冷卻工質(zhì)冰；
[0046] 微通道散熱器：娃；
[0047] 熱源設(shè)置；芯片的體積生熱率為5X 108W/m3 ;
[004引芯片和散熱器與周?chē)諝獾膶?duì)流換熱系數(shù)為20W/m2 ? k。
[0049] 冷卻劑的溫度為293K，環(huán)境溫度為298K ;
[0050] 建好仿真模型，設(shè)置好求解參數(shù)后，進(jìn)行求解，最后觀察求解結(jié)果。
[0051] 從通過(guò)在不同冷卻劑流速下H種微通道散熱器的仿真，得到芯片上最高溫度值， 如圖4中我們可W看出：本發(fā)明中設(shè)計(jì)的交錯(cuò)型通道，散熱效果比長(zhǎng)直通道和彎曲通道好。
[0052]

【權(quán)利要求】
1. 一種鏈?zhǔn)浇诲e(cuò)型微通道結(jié)構(gòu)，包括基底和設(shè)置在基底上的微流體通道，其特征在 于，所述微流體通道包括兩個(gè)微流體分支通道，且所述兩個(gè)微流體分支通道周期性的相互 交叉和分開(kāi)，兩個(gè)微流體分支通道在相互交叉處和分開(kāi)處分別形成交叉口和分叉口。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鏈?zhǔn)浇诲e(cuò)型微通道結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述微流體通道 的兩個(gè)微流體分支通道呈軸對(duì)稱分布。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鏈?zhǔn)浇诲e(cuò)型微通道結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述微流體分支 通道為呈周期性變化的弧線型流道。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鏈?zhǔn)浇诲e(cuò)型微通道結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述微流體分支 通道的橫截面為矩形。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種鏈?zhǔn)浇诲e(cuò)型微通道結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述矩形的寬度 為0.2毫米，長(zhǎng)度為0.8毫米。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鏈?zhǔn)浇诲e(cuò)型微通道結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述兩個(gè)微流體 分支通道呈等距離的交叉。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鏈?zhǔn)浇诲e(cuò)型微通道結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述基底采用熱 導(dǎo)系數(shù)高的陶瓷材料或者娃材料。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鏈?zhǔn)浇诲e(cuò)型微通道結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述基底的厚度 為2毫米。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鏈?zhǔn)浇诲e(cuò)型微通道結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述微流體通道 的冷卻工質(zhì)為己醇、己二醇、純水、去離子水或者液態(tài)金屬。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鏈?zhǔn)浇诲e(cuò)型微通道結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述兩個(gè)微流體 分支通道的分開(kāi)段為弧形，且分開(kāi)段的長(zhǎng)度大于交匯段的長(zhǎng)度。
【文檔編號(hào)】H01L23/473GK104465562SQ201410816273
【公開(kāi)日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2014年12月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月24日
【發(fā)明者】田文超, 衛(wèi)三娟 申請(qǐng)人:西安電子科技大學(xué)