[實用新型]一種內微通道冷卻熱沉

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201420367423.2
• 申請日: 2014-07-04
• 公開（公告）號: CN204012181U
• 公開（公告）日: 2014-12-10
• 發(fā)明（設計）人: 王智勇;張冬云;李從洋;閆岸茹
• 申請（專利權）人: 成都三鼎日新激光科技有限公司
• 主分類號: H01S5/024
• 分類號: H01S5/024
• 代理公司: 成都華典專利事務所(普通合伙) 51223
• 代理人: 徐豐

技術領域

本實用新型設計半導體激光器及列陣器件，大規(guī)模集成的電路等散熱冷卻器件的一種內微通道冷卻熱沉，屬于半導體光電子技術領域。

背景技術

內微通道冷卻熱沉是一種模塊式微通道致冷器(Modular Microchannel Cooled Heatsinks,簡稱MCC)。列陣的發(fā)展與這一有效的低熱阻熱沉的出現有密切的關系，特別是高占空比甚至CW運行的全填充激光二極管列陣。MCC是在硅中借助各向異性化學腐蝕制得的，可以像積木一樣按二極管列陣的設計需要搭接大的二維結構。MCC的低熱阻是依賴液體致冷劑和它通過MCC的層流(Laminar Flow)，其良好的熱控制性能十分適合平均功率大的泵浦固體激光器的二極管列陣，因為吸收波長狹窄的線寬(<3nm)要求對列陣進行嚴格的溫度調制。

二十世紀八十年代，美國學者Tuckerman和Pease首先提出了平行微通道熱沉(Microchannel Heatsink，MCHS)，從理論上證明出了水冷卻微通道可達1000W/cm2的散熱能力。其加工方法是：在集成電路硅襯底的背面采取化學方法腐蝕出若干矩形溝槽，使用蓋板耦合而構成封閉式的冷卻劑通道，與外界密封連接從而形成為冷卻劑回路。由器件產生的熱通過聯結層傳導到熱沉，而被微通道中的流動冷卻劑帶走以致達到對于集成電路芯片良好散熱的目的。

該概念的提出為進一步降低熱沉熱阻奠定了理論基礎，它的優(yōu)點在于擴大固液之間的接觸面積的同時，利用非常小的水流溝道寬度最大限度的減小了熱邊界層的厚度，因此大大提高了熱傳導效率，有源熱沉設計的基本原理就是要盡可能的使熱沉的熱導率高，以便達到最好的散熱效果，同時兼顧制造的可行性及制作成本等問題。

Vafai和Zhu提出了一個兩層疊加逆流式微通道熱沉結構,流體在上下兩層矩形微通道內逆向流動,每一層內的流體和基板溫升通過兩層之間的導熱得到相互補償,降低了溫度梯度其數值研究結果顯示層疊逆流結構基板流體溫升較單層微通道結構有顯著的減少,同時,需要消耗的泵功也得到明顯的降低。wei和Joshi對多層微通道層疊結構進行了數值研究這種微通道結構設計以增加換熱面積為目的,在給定換熱量條件下,多層微通道結構所需的泵功或壓降相對單層結構有顯著的降低，在微小空間內泵功受限的環(huán)境下具有潛在的應用優(yōu)勢。日本的Skandakumaran等對比了單層和多層碳化硅微通道熱沉性能實驗數據和理論封閉解析解,結果發(fā)現多層微通道結構熱沉的熱阻較低如果提高熱沉材料的導熱系數,也可提升其換熱性 能在定流量的情況下增加微通道層數,雖然多層結構中每個通道內的流量有所減少,但總體壓降還是得到明顯的降低。由此可見熱沉主要向著多層結構和微通道結構優(yōu)化方向發(fā)展。

在傳統(tǒng)的制造方法中，單片式微通道熱沉由五層形態(tài)各異的薄片組合而成，激光bar位于上蓋層的前端，冷卻液從入水口進入微通道層的微通道區(qū)，經過導水層的狹縫再次進入微通道區(qū)，再由出水口進入下蓋層，對bar條完成一次循環(huán)制冷。

在傳統(tǒng)的微通道結構設計中，更多的是采用平行通道，原因是采用腐蝕這種制作通道通過控制時間在單個面上大部分情況下只能得到平行通道，另外根據Riddle人們的研究：在一定的流量下，矩形通道中的流體總熱傳導系數和通道水力的直徑成反比。所以，通道直徑的不斷減小，換熱系數會隨著增加。由于系統(tǒng)散熱面積和體積比的顯著的增加，在減小體積時散熱量而得到了極大提高。若依據兩相流的散熱機理做些相應的改進，將還能提高系統(tǒng)的散熱能力。一般對于微通道而言，流體特性可由水力直徑與深度的比等幾何特征來決定，而傳熱特性則會受到幾何條件、溫度差與流量所控制。因流體的熱傳導的系數遠低于固體，因此系統(tǒng)的熱阻主要存于流體。雖然縮小了微通道尺寸可以增加散熱能力，但是同時會引起壓差的升高，會增加微通道壓力負載和泵的功率。

材料方面由于半導體芯片主要是砷化鎵等半導體材料制成，熱膨脹系數大約是6m/m℃，為了避免芯片發(fā)熱由于熱沉和芯片熱膨脹系數不匹配造成芯片翹曲的smile效應，盡量讓熱沉基體與芯片熱膨脹系數相一致，所以熱沉材料的選擇需要考慮密度、熱膨脹率、性價比等因素。材料的熱阻與材料的導熱系數成反比，導熱系數越大，則熱阻越小。此外，實驗中工質橫掠微針助陣列后會產生較大的溫升，這就要求材料的線性熱膨脹系數與外延材料線性熱膨脹系數的匹配性要好,以減小由溫度產生的熱應力。而傳統(tǒng)的無氧銅在熱膨脹系數中表現的并不優(yōu)異。

實用新型內容