[發(fā)明專利]微結(jié)構(gòu)化的冷卻器及其使用

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200680025250.4
• 申請日: 2006-07-12
• 公開（公告）號: CN101218672A
• 公開（公告）日: 2008-07-09
• 發(fā)明（設(shè)計）人: O·屈茨;R·赫貝爾;P·普雷希特爾;S·泰森;M·赫恩
• 申請（專利權(quán)）人: 埃托特克德國有限公司
• 主分類號: H01L23/473
• 分類號: H01L23/473
• 代理公司: 永新專利商標代理有限公司
• 代理人: 蔡洪貴

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種用于被冷卻物體的微結(jié)構(gòu)化的冷卻器，以及使用這種冷卻器以冷卻電子器件例如處理器、更具體地是中央處理器(CPU)以及功率電子器件。

背景技術(shù)

電子器件性能的日益提高，例如微處理器時鐘頻率的增大，也造成這些器件熱量累積增大。器件的小型化甚至還增強這種累積。盡管采取了減小處理器功率損耗的措施，但熱問題仍增大。而且，一般增大例如服務(wù)器的系統(tǒng)內(nèi)各種器件的封裝密度導(dǎo)致需要從變得更小的空間中散失更多的熱量。但是，電子器件的性能和耐用性取決于工作溫度的最大值及其波動范圍。這導(dǎo)致需要使用高性能緊湊冷卻系統(tǒng)，以便保證有效的局部散熱。

當前，現(xiàn)代處理器在1cm²面積上釋放出例如150W的熱量。這遠大于廚灶燃燒器產(chǎn)生的熱量(約10W/cm²)。為了散發(fā)這部分熱量，所用的最重要的冷卻系統(tǒng)是熱沉、與熱沉組合的風(fēng)扇、熱管、Peltier陣列和流體冷卻系統(tǒng)。可以預(yù)計，將來散發(fā)的熱量將進一步增大。

當前，電子器件使用最頻繁的冷卻技術(shù)是環(huán)境空氣冷卻。在很多應(yīng)用中，這項技術(shù)是簡單而經(jīng)濟的。對于需要較高冷卻性能的系統(tǒng)，這種方法是非常不經(jīng)濟的，因為這需要具有相當高輸出的空調(diào)系統(tǒng)，這不但導(dǎo)致投資和運行成本大增，而且在能量和環(huán)境政策方面也存在問題。

隨著熱輸出很高的新一代處理器的產(chǎn)生，空氣冷卻也達到其極限。在大多數(shù)情況下，通過增大風(fēng)扇輸出仍能保證散發(fā)熱量，但這也增大工作噪音。目前，在商業(yè)和家庭應(yīng)用中，55dB已經(jīng)是太高了。

與其它冷卻系統(tǒng)直接相比，由金屬或陶瓷材料制成的流體冷卻系統(tǒng)提供最高的冷卻輸出。這主要是由于例如水的冷卻介質(zhì)的高熱容、以及其低粘度。最近，由銅、鋁和陶瓷制成的微處理器的水冷卻器已經(jīng)開始在市場上銷售。目前，所有這些產(chǎn)品的特征是非工業(yè)化的、小規(guī)模生產(chǎn)的高制造成本。

用于IBM功率芯片的液體冷卻器公開在：《熱傳遞工程》，25(3)，3-12，2004。此冷卻器具有小通道結(jié)構(gòu)，但是，它完全由硅制成并直接結(jié)合在CPU上。

WO?98/41076?A2描述一種冷卻電子器件的設(shè)備，其能力通過熱沉比公知的冷卻器明顯增大，并且其導(dǎo)熱系數(shù)、以及由此得到的總導(dǎo)熱性明顯提高。該文獻在其內(nèi)容中披露，冷卻劑液體在其經(jīng)過微結(jié)構(gòu)化的熱沉?xí)r產(chǎn)生的最大壓力損失出現(xiàn)在分配結(jié)構(gòu)區(qū)和連接通道區(qū)。為了解決這個問題，提出提供一種具有多個單層并包括至少一個板的冷卻器，所述板具有大量微通道和一個分配通道，并且還具有帶連接通道的中間板，以及帶收集通道的收集板，當這些板被提供公共的蓋板和底板時形成封閉的冷卻通道。冷卻通道的冷卻介質(zhì)通過入口進入微結(jié)構(gòu)化的熱沉，并通過出口從其中流出。冷卻介質(zhì)的中間板形成臺階狀和/或斜邊的過渡結(jié)構(gòu)，由此使垂直截面相對經(jīng)過所有各個層的表面表示的入口和/或出口的截面積與微通道的截面積連續(xù)融合在一起。作為例子，提到了具有流動截面為0.3×10mm的冷卻通道的冷卻器。在此冷卻器中，實現(xiàn)了8.5W/cm².K的導(dǎo)熱系數(shù)以及500ml/min的體積流速下0.5bar的壓力損失。在這些功率數(shù)據(jù)下，這種相當復(fù)雜的冷卻器僅僅達到一般CPU所需的冷卻能力的10％。

與已經(jīng)在研究和開發(fā)項目中使用的以及在現(xiàn)有工業(yè)技術(shù)工藝中使用的微反應(yīng)器和微熱交換器相比，設(shè)計電子冷卻器的問題仍然遠未解決，因為在微反應(yīng)器或微熱交換器中的“熱管理”與從表面散發(fā)熱量的冷卻器明顯不同。

在反應(yīng)器中，如果想要盡可能接近理想的等溫過程，則必須盡可能快地散發(fā)或交換流動介質(zhì)即反應(yīng)器內(nèi)產(chǎn)生的熱量。基于此原因，需要努力使通道的截面以及通道之間的壁厚在反應(yīng)過程的技術(shù)極限內(nèi)盡可能低。實際上，反應(yīng)器在其設(shè)計方面也必須優(yōu)化，例如在流阻、流速等方面。但基本的熱管理原理相當簡單。

最近的測試表明，此目的，即從局部強烈加熱的表面散發(fā)熱量是非常復(fù)雜的問題。遇到的困難是實際熱源位于冷卻器外面。因此，液體循環(huán)通過的熱沉的三維結(jié)構(gòu)內(nèi)的熱阻必須更多地予以考慮。

電子領(lǐng)域的進一步特殊要求(例如冷卻CPU器件)使找到此問題的答案更加困難，因為需要以最少的冷卻水和冷卻器的最小壓力損失散發(fā)熱量。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，甚至使用更加細小的結(jié)構(gòu)即更小的通道截面，也僅能在有限程度上增大冷卻能力，因為這使流阻過多增大。