錯位復雜微通道微型換熱器的制造方法
【專利摘要】錯位復雜微通道微型換熱器,屬于微電子換熱器【技術領域】,包括封裝在一起的封裝片(1),基板(2);封裝片上開有與外部管路連接的流體入口(3)和流體出口(4);基板的正面刻蝕有錯位復雜微通道、進口處的蓄液槽(6)和出口處的蓄液槽(7)。本裝置滿足大功率電子芯片的散熱;同時彌補高效金屬微散熱器熱膨脹系數(shù)不匹配的應用限制和被冷卻表面(即電子芯片)溫度分布不均勻的缺點。
【專利說明】錯位復雜微通道微型換熱器
【技術領域】
[0001]本實用新型屬于微電子換熱器【技術領域】,涉及一種冷卻裝置,尤其是錯位復雜微通道微型換熱器。
【背景技術】
[0002]微電子技術的發(fā)展,極大的推動了計算機技術、航空航天技術及電子器件的快速發(fā)展。電子產品的核心器件芯片朝著高集成、高頻、高速及小型化發(fā)展,這導致芯片的功率密度依照摩爾定理急劇增大。對于熱負荷敏感性極高的微電子芯片而言:傳統(tǒng)的冷卻器已不能有效地帶走芯片的發(fā)熱量,熱量在芯片處的累計將導致芯片的溫度上升、芯片的溫度分布不均勻,嚴重的影響芯片的工作狀態(tài)和穩(wěn)定性,甚至由于熱應力而損壞芯片。因此,高效穩(wěn)定的電子芯片散熱技術至關重要。
[0003]目前國內外研究的微冷卻器有:微熱管、微通道熱沉、微熱電制冷器、微冷凍機及集成式微冷卻器等。其中,由于微通道熱沉其加工制作技術比較成熟,得到了人們較多的關注并且已被證明是最具有潛力的散熱方式之一。銅基微通道散熱器雖然具有良好的導熱性,但是由于微尺寸加工受限及銅與芯片(一般是硅)的熱膨脹系數(shù)不匹配導致銅基微通道散熱器在芯片散熱的應用受限。因此,具有與芯片的良好的熱匹配及具有良好導熱性的低電導率硅基微通道散熱器成為了最佳的散熱器。但是微通道換熱器存在兩個設計上的局限。其一,是由于小尺寸所產生的較大流動阻力;其二,由于冷卻介質在入口、出口間溫度變化較大,因而導致?lián)Q熱表面溫度分布不均。
[0004]本實用新型通過進出口和通道結構的優(yōu)化設計和布局,滿足了可控壓降的條件下具有良好的換熱效果且滿足溫度分布的均勻性。其應用于大功率芯片散熱的裝置,具有良好的熱匹配性、散熱快、溫度均勻等優(yōu)點。
實用新型內容
[0005]本實用新型的目的在于提供一種微型換熱器,用于解決高熱流密度電子芯片的有效散熱、芯片溫度分布均勻性及換熱器與芯片的熱匹配的問題,為芯片的運行提供可靠的溫度環(huán)境。
[0006]本實用新型設計了一種流體強制對流錯位復雜微通道微型換熱器,其特征在于,如圖1所示,包括依次疊層封裝在一起封裝片(1),基板(2);封裝片(I)表面的兩邊開有與外部管路連接的通孔,分別作為流體入口(3)和流體出口(4);基板(2)正面的四周為平整的一圈凸起,中間部分為凹槽,基板正面凹槽的中間區(qū)域為錯位復雜微通道區(qū)域(5),錯位復雜微通道區(qū)域(5)相對的兩邊分別與基板正面的凸起連接,錯位復雜微通道區(qū)域(5)另一相對的兩側邊分別為入入口處蓄液槽(6)和出口處蓄液槽(7),錯位復雜微通道區(qū)域(5)的錯位復雜微通道直接將入口處蓄液槽(6)和出口處蓄液槽(7)連通,即錯位復雜微通道區(qū)域(5)將基板正面凹槽部分分成并列的入口處蓄液槽(6)、錯位復雜微通道區(qū)域(5)和出口處蓄液槽(7)。封裝片⑴密封蓋在基板(2)的正面上,封裝片⑴的流體入口(3)位于基板⑵入口處蓄液槽(6)的正上方,封裝片⑴的流體出口⑷位于基板(2)出口處蓄液槽(7)的正上方。優(yōu)選錯位復雜微通道區(qū)域(5)的頂面與基板正面四周的凸起齊平。通道的高度大于200微米,通道高度大于基板底層的厚度。
[0007]本實用新型提出的錯位復雜微通道(5)區(qū)域的加工可根據(jù)被冷卻的器件的尺寸確定。為了更加明確基板⑵的結構,圖1(c)、圖1(d)、圖1(e)分別給出了基板(2)的主視圖、A-A剖面圖、B-B剖面圖。
[0008]如圖2所示,將換熱器的兩片組合封裝后形成封閉的錯位復雜微通道微型換熱器
[8]。在封閉的換熱器內可使流體流動進行循環(huán),流體流經路線為:流體入口(3)、入口蓄液槽(6)、錯位復雜微通道區(qū)域(5)的錯位復雜微通道、出口蓄液槽(7)、流體出口(4)。冷卻流體經入口蓄液槽(6)后,將均勻分散到錯位復雜結構微通道內,將從錯位復雜微通道的底面和微通道表面吸收熱量,最后從流體出口(4)流出。
[0009]本實用新型采用如下技術方案:
[0010]基于增大換熱面積和流體擾動的對流換熱理論,在換熱器主要部位采用錯位復雜結構微通道,錯位復雜結構微通道是由含有扇形凹槽的長條微結構或由含有三角凹槽的長條微結構組成的通道。
[0011]所述含有扇形凹槽的長條微結構指的是以多個平行的平直長條微結構為基礎,任一個平直長條與相鄰的平直長條平行相對的兩側面均刻有扇形凹槽,扇形凹槽是凹向平直長條中心軸的,扇形凹槽的高度與平直長條的高度齊平,扇形凹槽任意高度所在的扇面均與平直長條的中心軸平行,扇形凹槽在平直長條的側面錯位均勻分散布置,即在同一側面是扇形凹槽和未刻蝕的直平面交替分布,同一平直長條兩側面的扇形凹槽是交錯分布的,即一側面的扇形凹槽對應另一側面的未刻蝕的直平面,從總體看形成波浪形狀;任意相鄰兩個含有扇形凹槽的長條微結構之間形成微通道的相對的兩側面是扇形凹槽相對扇形凹槽、未刻蝕的直平面相對未刻蝕的直平面。
[0012]而所述的含有三角凹槽的長條微結構與含有扇形凹槽的長條微結構相同,只是將扇形凹槽替換為三角形凹槽,優(yōu)選凹向平直長條中心軸的角為等腰直角。
[0013]流體的進出口與流體在通道里的流動方向垂直。
[0014]錯位復雜微通道的結構尺寸,疏密程度,散熱面上通道組數(shù)多少可根據(jù)實際芯片的功率及芯片的尺寸等實際情況優(yōu)化設計。錯位復雜微通道一方面有效的擴展了換熱面積并加強流體的擾動,提高了換熱效率;另一方面采用優(yōu)化和合理的錯位復雜微通道的結構尺寸,在壓降一定條件下可極大地提高被冷卻表面溫度分布的均勻性。因此,強制對流錯位復雜微通道微型換熱器是高熱流密度芯片散熱的有效方法之一。
[0015]考慮到微散熱器與芯片的封裝集成,微散熱器的進出口設計在封裝片(I)上與流體在通道里的流動方向垂直。相對于流體平行方向的進出口,流體垂直方向進出口的微散熱器與芯片集成板的芯片連接簡單方便,可根據(jù)不同芯片的散熱量控制每個微散熱器的流量,使得芯片集成板上的各個芯片溫度分布均勻。
[0016]換熱工質可分別選用空氣、水、制冷劑等。根據(jù)所用工質以及器件最佳工作溫度范圍,在傳熱表面上將形成流體通過錯位復雜微通道的流動,即此處所述的對流是指換熱工質相對于被冷卻物質是流動的,換熱以單相對流換熱或相變對流換熱來實現(xiàn)冷卻技術要求。
[0017]微型散熱器的基板⑵的底面即與芯片連接的平面(也是基板(2)的材質)采用硅、鎢銅等與芯片熱膨脹系數(shù)匹配的材料,則相應的蓋板(I)可選用硅、玻璃,銅或鎢銅等與基板2可鍵合封裝的材料;考慮到散熱機加工工藝基板(2)上的復雜微通道結構層,基板
(2)可選擇銅或硅材料。總體幾何形狀尺寸可根據(jù)被冷卻器件尺寸及總體封裝要求確定。本微型散熱器適用于條形、方形等發(fā)熱表面的冷卻。
[0018]上述的基板(2)的加工可按照離子深刻蝕技術,在基板(2)的正面將錯位復雜結構微通道和蓄液槽同時刻蝕等制備出。
[0019]本實用新型具有下列優(yōu)點與效果:
[0020]1、垂直的流體入口、出口與基板⑵錯位復雜結構微通道內液體流向垂直,方便安裝和集成,入口、出口均在蓄液槽所對應位置的中心能夠均均勻地分配流體到每一個微通道;
[0021]2、錯位復雜微通道有效的增大換熱面積并強化了流體的擾動,有效的換熱并極大地提高被冷卻表面溫度分布的均勻性;
[0022]3、相比于矩形通道微換熱器,在相同壓降下,換熱效果明顯增大;
[0023]4、相比于微針肋微型換熱器,相同換熱量下,壓降明顯降低;
[0024]5、相比于非錯位復雜微通道微型換熱器,在相同壓降下,提高了被冷卻面的溫度分布的均勻性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0025]圖1:具有錯位復雜微通道微換熱器的結構示意圖;
[0026]圖中:1、封裝片,2、基板,3、流體入口,4、流體出口,5、錯位復雜微通道,6、入口蓄液槽,7、出口蓄液槽;
[0027]圖1(a)封裝片圖;
[0028]圖1(b)基板圖;
[0029]圖1 (c):本實用新型具有錯位三角凹槽微通道的基板主視圖;
[0030]圖1(d):本實用新型具有錯位三角凹槽微通道的基板圖(C)A-A剖面圖;
[0031]圖1 (e):本實用新型具有錯位三角凹槽微通道的基板圖(C)B-B剖面圖;
[0032]圖2:封裝片和基板復合的不意圖;
[0033]圖中:8、微型換熱器;
[0034]圖3:具有錯位扇形凹槽微通道結構的本實用新型冷卻大功率芯片的示意圖;
[0035]圖中:9、大功率芯片或加熱膜;
[0036]圖4:本實用新型的具有錯位扇形凹槽微通道的結構不意圖;
[0037]圖中:5、錯位扇形凹槽微通道;
[0038]圖5:具有錯位三角凹槽微通道結構的換熱器冷卻大功率芯片或加熱膜的示意圖;
[0039]圖中:9、大功率芯片或加熱月旲;
[0040]圖6:本實用新型的具有錯位二角凹槽微通道的結構不意圖;
[0041]圖中:5、錯位三角凹槽微通道。
[0042]具體實施方法I
[0043]下面結合附圖及實施例解釋說明本實用新型微換熱器及在電子芯片散熱中的應用對本實用新型作進一步的描述,但本實用新型并不限于以下實施例:實施例1
[0044]隨著信息技術和電子技術的飛速發(fā)展,電子芯片的功率急劇增大,有效的散熱成為芯片發(fā)展的至關重要的問題。錯位扇形凹槽微通道微換熱器由復雜通道的基底2和封裝片I組成,見圖1和圖2?;撞捎霉?,封裝片采用玻璃,工質為去離子水。由于大功率芯片的成本非常昂貴,本實施方案中采用薄膜熱源代替芯片進行新能測試。薄膜熱源采用鉬金屬加熱膜,經過微電子學電路設計優(yōu)化,鉬加熱膜能夠均勻的產熱模擬電子芯片的散熱,鉬加熱膜的輸入電壓根據(jù)芯片的產熱量確定。
[0045]如圖3所示,用錯位扇形凹槽微通道微換熱器冷卻加熱膜或大功率芯片9,通過鍍膜技術在硅基背面形成絕緣層及金屬鍍膜過渡層最終形成厚100納米的均勻蛇形鉬薄膜,通電后產熱模擬芯片的散熱。通過深刻蝕技術在厚為500微米的硅基上刻蝕深300微米的微通道,與帶有直徑為2mm流體進出口的厚為500微米的玻璃片鍵合形成封閉的微型散熱器。單個通道的放大圖如圖4所示,錯位扇形凹槽微通道結構的側壁由120度半徑為0.1mm的圓弧和直線形成長度為0.25mm的單元依次構成,錯位扇形凹槽微結構的兩個側壁依次錯位結構。錯位扇形凹槽微通道在兩個扇形凹槽中間的處形成最大間距為200微米(即兩個扇形凹槽頂面相對的位置的間距),在兩個直線中間處形成最小間距為100微米(即兩個未刻蝕的直平面相對的位置的間距)。硅基上含有錯位扇形凹槽微通道結構區(qū)域和加熱膜或大功率芯片區(qū)域一致,即在有熱源的地方就有錯位扇形凹槽微通道。工質去離子水依次流經流體入口 3、入口蓄液槽6、錯位扇形凹槽微通道、出口蓄液槽7、流體出口 4。去離子水流經入口蓄液槽6后,將均勻分散到錯位扇形凹槽微通道,將從錯位扇形凹槽微通道的底面和微通道壁面吸收熱量,最后從流體出口 4流出。
[0046]在熱流密度為280w/cm2、流體的入口處的質量流量相同時,與常規(guī)微通道相比,其散熱面的最大溫差以減小6°、散熱面平均溫度可以減小5°。
[0047]在熱流密度為280w/cm2、流體的進出口的壓降相同(即所消耗的能量相同)時,與常規(guī)微通道相比,其散熱面的最大溫差以減小4°、散熱面平均溫度可以減小3°。
[0048]芯片溫度上升1°,芯片的壽命就會減小5%,因此本實用新型微型散熱器具有了良好的散熱性,對芯片散熱具有重大意義。所以本實用新型實現(xiàn)高熱流密度電子器件的散熱,保證電子器件運行的溫度及溫度的均勻性增強散熱器件的壽命。
[0049]實施例2
[0050]下面結合附圖及錯位三角凹槽微通道微換熱器在電子芯片散熱中的應用對本實用新型作進一步的描述:
[0051]隨著信息技術和電子技術的飛速發(fā)展,電子芯片的功率急劇增大,有效的散熱成為芯片發(fā)展的至關重要的問題。錯位三角凹槽微通道微換熱器由含有與復雜通道的基底2和封裝片I組成見圖1和圖2?;撞捎霉?,封裝片采用玻璃,工質為去離子水。由于大功率芯片的成本非常昂貴,本實施方案中采用薄膜熱源代替芯片進行新能測試。薄膜熱源采用鉬金屬加熱膜,經過微電子學電路設計優(yōu)化,鉬加熱膜能夠均勻的產熱模擬電子芯片的散熱,鉬加熱膜的輸入電壓根據(jù)芯片的產熱量確定。
[0052]如圖5所示,用錯位三角凹槽微通道微換熱器冷卻加熱膜9,通過鍍膜技術在硅基背面形成絕緣層及金屬鍍膜過渡層最終形成厚100納米的均勻蛇形鉬薄膜,通電后產熱模擬芯片的散熱。通過深刻蝕技術在厚為500微米的硅基上刻蝕深300微米深的微通道,與帶有直徑為2mm流體進出口厚為500微米的玻璃片鍵合形成封閉的微型散熱器。單個肋結構的放大圖如圖5(b)所示。如圖6所示,錯位三角凹槽微通道肋結構即側壁由直角邊為0.1mm的等腰直角三角形兩個直角邊與直線形成長度為0.2mm的單元依次構成,肋結構的兩個側壁依次錯位結構。錯位三角凹槽微通道肋的最小寬度為50微米。錯位三角凹槽微通道在兩個三角凹槽中間的處形成最大間距為200微米,在兩個直線中間處形成最小間距為100微米。硅基上含有錯位三角凹槽微通道結構區(qū)域和加熱膜區(qū)域一致,即在有熱源的地方就有錯位扇形凹槽微通道。工質去離子水依次流經流體入口 3、入口蓄液槽6、錯位三角凹槽微通道、出口蓄液槽7、流體出口 4。去離子水流經入口蓄液槽6后,將均勻分散到錯位三角膠凹槽微通道,將從錯位三角凹槽微通道的底面和微通道壁面吸收熱量,最后從流體出口 4流出。
[0053]在熱流密度為250w/cm2、流體的入口處的質量流量相同時,與常規(guī)微通道相比,其散熱面的最大溫差以減小8度、散熱面平均溫度可以減小6度。
[0054]在熱流密度為250w/cm2、流體的進出口的壓降相同(即所消耗的能量相同)時,與常規(guī)微通道相比,其散熱面的最大溫差以減小6°、散熱面平均溫度可以減小5°。
[0055]芯片溫度上升1°,芯片的壽命就會減小5%,因此本實用新型微型散熱器具有了良好的散熱性,對芯片散熱具有重大意義。所以本實用新型實現(xiàn)高熱流密度電子器件的散熱,保證電子器件運行的溫度及溫度的均勻性增強散熱器件的壽命。
【權利要求】
1.一種流體強制對流錯位復雜微通道微型換熱器,其特征在于,包括依次疊層封裝在一起封裝片(1),基板(2);封裝片(I)表面的兩邊開有與外部管路連接的通孔,分別作為流體入口(3)和流體出口(4);基板(2)正面的四周為平整的一圈凸起,中間部分為凹槽,基板正面凹槽的中間區(qū)域為錯位復雜微通道區(qū)域(5),錯位復雜微通道區(qū)域(5)相對的兩邊分別與基板正面的凸起連接,錯位復雜微通道區(qū)域(5)另一相對的兩側邊分別為進口處蓄液槽(6)和出口處蓄液槽(7),錯位復雜微通道區(qū)域(5)的錯位復雜微通道直接將進口處蓄液槽(6)和出口處蓄液槽(7)連通,即錯位復雜微通道區(qū)域(5)將基板正面凹槽部分分成并列的進口處蓄液槽¢)、錯位復雜微通道區(qū)域(5)和出口處蓄液槽(7);封裝片(I)密封蓋在基板⑵的正面上,封裝片⑴的流體入口⑶位于基板⑵進口處蓄液槽(6)的正上方,封裝片(I)的流體出口(4)位于基板(2)出口處蓄液槽(7)的正上方。
2.按照權利要求1的一種流體強制對流錯位復雜微通道微型換熱器,其特征在于,錯位復雜微通道區(qū)域(5)的頂面與基板正面四周的凸起齊平。
3.按照權利要求1的一種流體強制對流錯位復雜微通道微型換熱器,其特征在于,流體入口和出口與流體在通道里的流動方向垂直。
4.按照權利要求1的一種流體強制對流錯位復雜微通道微型換熱器,其特征在于,在封閉的換熱器內使流體流動進行循環(huán),流體流經路線為:流體入口(3)、入口蓄液槽(6)、錯位復雜微通道區(qū)域(5)的錯位復雜微通道、出口蓄液槽(7)、流體出口(4)。
5.按照權利要求1的一種流體強制對流錯位復雜微通道微型換熱器,其特征在于,錯位復雜結構微通道是由含有扇形凹槽的長條微結構或由含有三角凹槽的長條微結構形成的通道; 所述含有扇形凹槽的長條微結構指的是以多個平行的平直長條微結構為基礎,任一個平直長條與相鄰的平直長條平行相對的兩側面均刻有扇形凹槽,扇形凹槽是凹向平直長條中心軸的,扇形凹槽的高度與平直長條的高度齊平,扇形凹槽任意高度所在的扇面均與平直長條的中心軸平行,扇形凹槽在平直長條的兩個側面錯位均勻分散布置,即在同一側面是扇形凹槽和未刻蝕的直平面交替分布,同一平直長條兩側面的扇形凹槽是交錯分布的,即一側面的扇形凹槽對應另一側面的未刻蝕的直平面,從總體看形成波浪形狀;任意相鄰兩個含有扇形凹槽的長條微結構之間形成微通道的相對的兩側面是扇形凹槽相對扇形凹槽、未刻蝕的直平面相對未刻蝕的直平面; 所述的含有三角凹槽的長條微結構與含有扇形凹槽的長條微結構相同,只是將扇形凹槽替換為三角形凹槽。
6.按照權利要求5的一種流體強制對流錯位復雜微通道微型換熱器,其特征在于,凹向平直長條中心軸的角為等腰直角。
7.按照權利要求1的一種流體強制對流錯位復雜微通道微型換熱器,其特征在于,換熱工質選用空氣、水或制冷劑。
8.按照權利要求1的一種流體強制對流錯位復雜微通道微型換熱器,其特征在于,微型散熱器的基板(2)采用硅、銅或鎢銅與芯片熱膨脹系數(shù)匹配的材料,則相應的蓋板(I)選用硅、玻璃,或鎢銅與基板可鍵合封裝的材料。
9.按照權利要求1的一種流體強制對流錯位復雜微通道微型換熱器,其特征在于,通道的高度大于200微米,通道高度大于基板底層的厚度。
【文檔編號】H01L23/473GK203983257SQ201420247746
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年5月14日 優(yōu)先權日:2014年5月14日
【發(fā)明者】夏國棟, 馬丹丹, 翟玉玲, 蔣靜, 李云飛 申請人:北京工業(yè)大學