[發明專利]一種雙層復雜交錯結構微通道熱沉

在審

• 申請號: 202011101893.0
• 申請日: 2020-10-15
• 公開（公告）號: CN112038311A
• 公開（公告）日: 2020-12-04
• 發明（設計）人: 劉曉剛;徐鑫;楊超
• 申請（專利權）人: 哈爾濱理工大學
• 主分類號: H01L23/473
• 分類號: H01L23/473
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明提供一種雙層復雜交錯結構微通道熱沉，包括基板1和封裝板2。所述基板和封裝板相互鍵合，基板下方是熱源8。所述封裝板上設置有冷卻劑進口3和冷卻劑出口4。所述硅基底板分為分流區5，微通道區6和合流區7。所述微通道區6，刻蝕出上下兩層相互交錯斜向布置的斜槽9，斜槽構成矩陣子通道。上層矩陣子通道和下層矩陣子通道間交錯布置，交叉區域10相互連通。矩陣子通道呈一定角度布置，矩陣子通道間周期排列。分流區、合流區和側槽子通道由基板和封裝板的合圍區域構成。本發明上下層冷卻劑可以充分混合，且矩陣子通道拐角處，冷卻劑會周期性改變流動法向，形成強烈的流體擾動現象，可以破壞熱邊界層，適用于大功率電子芯片散熱領域。

技術領域

本發明屬于微電子芯片的散熱技術領域，涉及一種冷卻裝置，具體涉及一種雙層復雜交錯結構微通道熱沉。

背景技術

隨著過去幾十年微機電系統（MEMSs）的飛速發展，電子設備小型化、集成化程度越來越高，電子芯片的散熱功率也成倍增加，許多緊湊型產品的熱流密度很容易超過10⁶W/m²。而對微電子芯片而言，如不能及時去除高熱通量，降低芯片表面溫度，將會使器件工作性能大幅下降甚至由于溫度度過高而損毀。與傳統規模的換熱器相比，當量直徑小于0.5mm的微通道熱沉（MCHS）可以大大提高冷卻劑接觸面積，減小設備體積，很好的滿足集成電路的散熱需求。因此，通過對微通道結構的合理布置、設計一種穩定而高效的微通道熱沉十分必要。在如今的電子設備冷卻領域，單層微通道熱沉被廣泛應用，然而為了滿足日益微型化和集成化電子設備的散熱需求，Vafai等人(Vafai K, Zhu L. Analysis of two-layeredmicro-channel heat sink concept in electronic cooling. Int J Heat Mass Trans1999; 42:2287–97)于1999年首先提出了雙層微通道熱沉。此雙層微通道熱沉每層由多個矩形截面的平直微通道組成，每層結構形式一致，一層垂直疊放在另一層上，雙層微通道內的冷卻劑的流動是平行流動或者逆向流動布置。實驗和仿真研究表明，雙層微通道熱沉的溫升和壓降明顯優于單層微通道熱沉。但是常規的雙層矩形微通道熱沉結構簡單，與微通道截面具有槽和肋的復雜結構微通道熱沉相比，冷卻能力不夠優異。因此可以改變流動形式從而促進冷熱流體的混合，增強二次流強度，形成渦流，不斷破壞微通道內流體流動的熱邊界層從而減小傳熱熱阻；增大流動面積，增強傳熱，同樣也是提高雙層微通道熱沉熱性能的有效手段。二者可以通過對矩陣子通道和側槽子通道的合理布置得以實現。

發明內容

本發明的目的是通過對矩陣子通道和側槽子通道的合理布置，提供一種高效的雙層復雜交錯結構微通道熱沉。利用冷卻劑在微通道內的交錯流動和充分混合，增強傳熱效果，提高冷卻能力，解決高熱流密度電子芯片的散熱問題。

為達上述目的，本發明通過以下技術方案實現：本發明所涉及的雙層復雜交錯結構微通道熱沉，包括基板和封裝板。所述基板和封裝板相互鍵合，基板下方是熱源。所述基板上共有三個區域，按流動方向分別為分流區、微通道區和合流區。微通道區域分為上下兩層，由矩陣子通道和側槽子通道組成，矩陣子通道通過刻蝕出的斜槽構成，矩陣子通道在側壁與側槽子通道相連通。上層矩陣子通道和下層矩陣子通道間交錯布置，交叉區域相互連通，矩陣子通道與側槽子通道間呈一定角度布置，矩陣子通道間周期排列。所述封裝板設有冷卻劑進口和出口，冷卻劑由進口進入熱沉，通過分流區進入微通道區，再經合流區匯集，最終由出口流出熱沉。分流區、合流區和側槽子通道由基板和封裝板的合圍區域構成。冷卻劑沿矩陣子通道流動，進入側槽子通道，一部分冷卻劑流動方向改變一定角度，進入另一層子通道；一部分冷卻劑沿著側槽子通道方向流動，在側槽子通道下游，冷卻劑還可以流回矩陣子通道。另外，由于下層矩陣子微通道離熱源較近，下層矩陣子通道內的冷卻劑溫度要高于上層矩陣子通道中的冷卻劑溫度，所以上下層矩陣子通道交叉連通區域可以使冷熱流體充分混合。這些過程可引起強烈的流體擾動現象，形成渦流，強化下層高溫流體和上層低溫流體間的混合和傳熱，從而顯著增加微通道熱沉的傳熱效率。