一种具有水平方向及垂直方向扰流结构的微通道散热器的制作方法

文档序号:13770353阅读:501来源:国知局

本发明涉及一种微通道散热器,尤其涉及一种具有水平方向及垂直方向扰流结构的微通道散热器。



背景技术:

随着微电子器件逐渐向大功率、微型化、高集成度方向迅猛发展,器件单位面积的热流密度急剧。例如,激光二极管阵列的工作功率已经达到100-400w/cm2,不久的将来将会超过1000w/cm2。而传统散热技术(如自然风冷、强迫风冷、常规液冷等)的散热能力有限,不能满足未来微电子器件发展的散热需求。同时微电子器件中的芯片温度每提升10℃,其稳定性就会降低50%。因此微电子器件散热问题成为器件进一步发展的瓶颈,带有扰流结构的微通道散热器正是基于以上原因而诞生。

目前微通道散热器仅局限在水平方向或者垂直方向上添加扰流结构,实现单一方向上的强化对流传热(如图1图2分别是在垂直方向和水平方向上带有肋片结构的微通道散热器)。夏国栋等人在appliedthermalengineering31(2011)1208-1219发表的文章《optimumthermaldesignofmicrochannelheatsinkwithtriangularreentrantcavities》提出了在微通道水平方向的左侧壁、右侧壁上添加凹槽结构,对流体产生扰动,提高流体温度场和速度场在水平方向上的均匀性,强化了对流传热。然而,流体温度场和速度场在垂直方向上的并没有发生变化,因此强化对流传热能力有限。

法国saipem公司的desrues等人在appliedthermalengineering45(2012)52-63发表的文章《numericalpredictionofheattransferandpressuredropinthree-dimensionalchannelswithalternatedopposedribs》研究了垂直方向上的方形肋片对微通道流动和散热性能的影响。他们分别采用湍流和层流模型对带肋片微通道和传统光滑微通道进行了数值研究。结果表明:微通道上下壁面上的肋片结构能在垂直方向上的壁面附近引起回流,促进冷热流体混合,提高微通道的对流传热作用。然而垂直方向的肋片结构只在垂直方向上强化了对流传热,没有提高流体温度场在水平方向上的均匀性。



技术实现要素:

针对现有技术中的缺陷,本发明的目的是提供一种具有水平方向及垂直方向扰流结构的微通道散热器,通过两个方向上的扰流结构同时强化对流传热,加强散热器的散热效果,从而解决上述微电子器件的散热问题。

技术方案:

一种具有水平方向及垂直方向扰流结构的微通道散热器,其特征在于:微通道散热器的上盖板的下表面为上壁面,上壁面上有设有散热介质的入口和出口,微通道部分的左右侧面为左壁面、右壁面,基体部分的上表面为下壁面;微通道散热器内的三个或四个壁面上设有扰流结构,上壁面和下壁面上的扰流结构交错设置,起垂直方向上强化散热作用,左壁面和右壁面上的扰流结构交错设置,起水平方向上强化散热作用;上壁面上的扰流结构与左壁面或右壁面之一上的扰流结构在同一个垂直面上并能互相拼合,下壁面上的扰流结构与左壁面或右壁面之一上的扰流结构在同一个垂直面上并能互相拼合。

优选地,所述扰流结构以上壁面上的扰流结构和左壁面上的扰流结构拼合、下壁面上的扰流结构和右壁面上的扰流结构拼合、上壁面上的扰流结构和右壁面上的扰流结构拼合、下壁面上的扰流结构和左壁面上的扰流结构拼合的顺序循环分布,进一步增加了散热工质的流动路径,起到更好的扰流效果。

优选地,所述散热器各壁面组合后,各壁面上的扰流结构均不在一个垂直面上,这种方式更易于加工扰流结构。

进一步优选地,所述扰流结构包括肋片扰流结构、凹槽扰流结构或肋片与凹槽组合扰流结构。

更进一步优选地,扰流结构包含的肋片或凹槽为任意的规则几何形状,包括但不限于长方形、正方形、三角形、圆形、扇形或它们之间的组合。

更进一步优选地,肋片或凹槽的长度范围为10-500μm,宽度范围为10-1000μm,高度范围为10-1000μm。

更进一步优选地,肋片或凹槽的材料包括硅、铜、镍、铝、银、su-8之一或它们之间的多层组合。

有益效果:

1)与现有的仅在单个方向(水平方向或者垂直方向)带有扰流结构的微通道散热器相比,使用本发明的微通道散热器中上壁面、下壁面或者上下壁面组合上的扰流结构能实现垂直方向上的对流强化传热作用,左壁面、右壁面或者左右壁面组合上的扰流结构实现水平方向上的对流强化传热作用。当散热工质经过微通道时,水平方向上的扰流结构和垂直方向上的扰流结构同时对散热工质进行扰动,在两个方向上强化对流传热,突破目前单一方向上强化对流传热的局限,能提高微通道中散热工质的温度均匀性,强化对流传热。利用fluent有限元仿真软件对垂直方向肋片结构si基微通道、水平方向肋片结构si基微通道、水平和垂直方向肋片结构si基微通道进行了对比研究后结果表明,在相同的热源条件(100w/cm2)和入口条件(2m/s)下,水平和垂直方向肋片结构si基微通道上的最高温度(321k)分别比水平方向肋片结构si基微通道(331k)、垂直方向肋片结构si基微通道(329k)要低10k和8k,因此散热器的散热效果得到了极大提高.

2)本发明设计的微通道散热器结构简单,使用方便,制备工艺可行,重现性好,易于普及应用。

附图说明

图1为现有技术中垂直方向上带有肋片扰流结构的单个微通道结构示意图;

图2为现有技术中水平方向上带有肋片扰流结构的单个微通道结构示意图;

图3为垂直方向和水平方向上都带有肋片扰流结构的微通道散热器的整体示意图;

图4为本发明垂直方向和水平方向上都带有肋片扰流结构的单个微通道结构示意图;

图中:1为垂直方向上的肋片结构,2为水平方向上的肋片结构,3为上壁面,4为下壁面,5为左壁面,6为右壁面,19为入口,20为出口。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明:

根据图3所示一种水平方向和具有水平方向及垂直方向扰流结构的微通道散热器,微通道散热器的上盖板的下表面为上壁面,上壁面上有设有散热介质的入口和出口,微通道部分的左右侧面为左壁面、右壁面,基体部分的上表面为下壁面;微通道散热器内的三个或四个壁面上设有扰流结构,上壁面和下壁面上的扰流结构交错设置,起垂直方向上强化散热作用,左壁面和右壁面上的扰流结构交错设置,起水平方向上强化散热作用;上壁面上的扰流结构与左壁面或右壁面之一上的扰流结构在同一个垂直面上并能互相拼合,下壁面上的扰流结构与左壁面或右壁面之一上的扰流结构在同一个垂直面上并能互相拼合。

如图4中上壁面上的扰流结构与左壁面上的扰流结构能在同一个垂直面上互相拼合成一个l形扰流结构,下壁面上的扰流结构与左壁面上的扰流结构能在同一个垂直面上互相拼合成一个倒l形扰流结构。

扰流结构以上壁面上的扰流结构和左壁面上的扰流结构拼合、下壁面上的扰流结构和右壁面上的扰流结构拼合、上壁面上的扰流结构和右壁面上的扰流结构拼合、下壁面上的扰流结构和左壁面上的扰流结构拼合的顺序循环分布,进一步增加了散热工质的流动路径,起到更好的扰流效果。

另一方案为散热器各壁面组合后,各壁面上的扰流结构均不在一个垂直面上,这种方式更易于加工扰流结构。

其中扰流结构包括肋片扰流结构、凹槽扰流结构或肋片与凹槽组合扰流结构。

扰流结构包含的肋片或凹槽为任意的规则几何形状,包括但不限于长方形、正方形、三角形、圆形、扇形或它们之间的组合。

肋片或凹槽的长度范围为10-500μm,宽度范围为10-1000μm,高度范围为10-1000μm。

肋片或凹槽的材料包括于硅、铜、镍、铝、银、su-8之一或它们之间的多层组合。

当散热工质经过微通道时,水平方向的扰流结构和垂直方向的扰流结构同时对散热工质进行扰动,在两个方向上强化对流传热,突破目前单一方向上强化对流传热的局限,能提高微通道中散热工质的温度均匀性,强化对流传热,极大地提高散热器的散热效果。

在实施例1中,散热器的整体加工工艺流程如下:

步骤1、在基体硅片的正面旋涂掩膜,并通过光刻工艺图形化掩膜层,光刻出下壁面上带由肋片结构的结构图形。

步骤2、用rie进行刻蚀,在基体上表面刻蚀出带有肋片结构的部分微通道结构。

步骤3、去除步骤1的掩膜结构,并在硅片的正面溅射cr/cu种子层,并镀上一层20μm的sn层,带有肋片结构的基体部分制作完成。

步骤4、在另一块微通道硅片的正面旋涂掩膜,并通过光刻图形化出左、右壁面上带有肋片结构的微通道结构图形。

步骤5、用rie进行刻蚀,刻蚀出左、右壁面上带有肋片结构的部分微通道结构。

步骤6、去除步骤4的掩膜层结构,并在硅片的正面、背面溅射cr/cu种子层,并镀上一层20μm的sn层,在左、右壁面上带有肋片结构的微通道部分制作完成。

步骤7、在盖板硅片的背面旋涂掩膜,并通过光刻出上壁面上带有肋片结构的结构图形。

步骤8、用rie进行刻蚀,刻蚀出盖板下表面上带有肋片结构9的部分微通道结构。

步骤9、去除步骤7的掩膜层结构,并在硅片的背面溅射cr/cu种子层,并镀上一层20μm的sn层。

步骤10、通过机械加工或激光打孔方法制作硅通孔,作为微通道散热器的入口和出口,带有肋片结构的微通道盖板部分制作完成。

步骤11、将步骤1至步骤3加工形成的带有肋片结构的基体部分、步骤1至步骤3加工形成的左、右壁面上带有肋片结构的微通道部分和步骤7至步骤加工形成的带有肋片结构的盖板部分进行组装,并通过高温键合,组成完整的封闭腔体结构。

实施例中肋片结构的水平截面形状优选为长方形结构,也可以是其他形状,如正方形、三角形、圆形、扇形或者它们的组合。

实施例中微通道散热器的材料优选为硅,包括但不限于其他热导率优良的材料,如铜、镍、铝、银、su-8等。

实施例中的采用的肋片结构分布在左右壁面和上下壁面之一的三个壁面上、但也能上下壁面和左右壁面之一的三个壁面上、或上下左右四个壁面上。

本实施例中采用肋片作为强化散热的扰流单元,也可以采用凹槽、肋片和凹槽的组合结构作为扰流单元。

实施例中的散热工质优选为去离子水,但也可以包括含纳米金属颗粒的水溶液或其他热导率较好的溶液。所述的散热工质通过水泵、导流管、入口19进入微通道,微通道中的扰流结构就对工质产生扰动,强化工质与微通道之间的散热,加强散热器的散热效果,最后从出口20排出。再经过冷却、过滤,重新进入散热的封闭腔体。

在实施例2中,将实施例1的基体硅片上的掩膜光刻出上表面带有凹槽结构的微通道结构图形,将微通道硅片上的掩膜光刻出左、右壁面上带有凹槽结构的微通道结构图形,将盖板硅片下表面上的掩膜光刻出带有凹槽结构的微通道结构图形,随后通过rie刻蚀工艺,刻蚀出水平方向和垂直方向都带有凹槽结构的基体部分、微通道部分和盖板部分。通过去掩膜、溅射cr/cu、电镀、打孔和键合工艺完成水平方向和垂直方向上都带有凹槽结构的微通道热器的制作。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用于限制本发明,凡在本发明的原则和精神之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

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