一种蛛网式微流道散热装置的制作方法

本发明涉及微电子高功率芯片散热技术，具体是一种蛛网式微流道散热装置。

背景技术：

随着智能手机、平板电脑、移动存储设备及车用电子设备等电子产品对更多功能、更小体积和更高集成度需求的日益增加。片上系统(SOC)即在单个芯片上集成一个完整的系统，包括中央处理器、存储器、以及外围电路等，以及封装系统(SIP)工即将具有一定功能的芯片密封在与其相适应的一个外壳壳体中，这两种技术也随之不断进步，微电子芯片实现的功能和功能密度都呈指数增加。功能增加的同时，其功耗和发热也随之增加，研究表明，超过55％的电子设备失效都是由温度过高引起的，因此对于芯片或集成系统的封装提出了很高的要求。封装基板性能的好坏很大程度上决定了产品的可靠性和使用寿命，因此散热问题已成为制约电子产品进一步小型化和集成化的瓶颈之一。为解决小体积和高集成度条件下的电子产品散热问题，需要采用更加有效的新型散热技术，而作为新型散热技术之一的微流道散热技术由于具有低热阻、高效率和可与芯片集成加工等优点。

为了解决电子元器件的散热问题，需要创新出新型散热装置，罗小兵等人提出了一种用于微电子元器件散热装置，散热装置是里面基板两端进出的直通道，冷却工质进入直通道中，通过热对流传热将热源产生的热量带走，从而达到散热的效果，这种传统的微通道散热器件存在一定问题，由于直通道的微流道结构具有单一的流道方向，造成流体流动方式为层流，这种流动方式不易于流体与流道壁面对流换热，整体对流换热系数减小，散热效率低下。为了提高流体散热效率，可通过改善流体流动方式，进而靳遵龙和张志超等人提供了一种弯曲结构微通道换热器，通过这一点引入了弯曲微通道结构，冷却工质不再是单一的流动方式，在斜率比较大的拐弯通道中，流体流动路径变得曲折，同时增加了冷却工质与壁面的换热过程，整个弯曲通道对于传统直通道散热器有了相应的改善，但也存在一定不足之处，在相邻的通道之间存在一定的间隔，使得整体散热不均匀；还有的是冷却工质进出口方向仍是基板前后面，这样对冷却工质的进出口存在一个隐患，使得流体源不方便进入微流道中。

夏国栋等人也提出一种微通道散热器结构，这种散热装置主要应用于多芯片组件的封装散热，由于多芯片组件中温度分布不均匀需要考虑到多面积的均匀散热，因此该结构中采用了多个微通道散热器进行集成散热，这样就能解决多芯片组件中热源不均匀问题，但该专利微通道结构过于简单，散热面积过小，并且仍存在直通道流体对流换热效率低下问题，而且冷却工质进出口过于繁琐。另外， L Gong等人在研究了波状通道作为改善层流流体在微通道散热器中的传热性能时，发现通过引入波纹壁面结构后的散热效率相比直微通道高达55％，因此这种波纹结构将是未来高热通量的电子产品散热结构的最佳候选者。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术的不足，而提供一种蛛网式微流道散热装置。这种装置结构简单、整体散热更加均匀，能够提高散热器的散热性能。

实现本发明目的的技术方案是：

一种蛛网式微流道散热装置，包括基板，所述基板的底部设有均匀分布的呈蛛网状的流体微流道，基板的中心为流体微流道的中心位置，所述流体微流道由中心位置向外辐射，呈现为不同半径的圆圈状，流体微流道以中心位置为基准设有“米”字状的流体微流直通道，“米”字状的流体微流直通道将流体微流道均匀分成8个等分的对称分布的扇区，其中一个“米”字状的微流直通道的两端分别与设在基板底部的冷却工质进端口、出端口连接，所述流体微流道的内壁呈波浪状，热源放置在基板的中心位置上。

所述基板为厚度至少为2毫米的低温共烧陶瓷基板或陶瓷基板。

所述“米”字状的流体微流直通道的直通道横截面为宽为0.5毫米、长为1 毫米的矩形。

所述冷却工质进端口、出端口均外套有圆环套，圆环套的规格为外径为1.5 毫米、内径为1.2毫米。

所述流体微流道的8个扇区内的结构相互对称，流道路径长度相同。

所述微流体通道的冷却工质可使用去离子水。

波浪壁面蛛网式的微通道结构，将传统的弧线型微通道变得更加曲折了，当流体流过蛛网的转折处的时候，流体在节点处会产生回流显现，也就是在角落处会有极小的漩涡形成，这样能够加大流体与壁面的换热过程，从而提高了散热能力，蛛网式的微流道结构更加充分的布满整个结构，蛛网中间插入的直流到，有利于加快冷却工质的流动过程，也更加均匀的让流体流入每个流道，使得散热更加均匀，波浪壁面改善微流道流体的流动方式，增加流体换热过程。

1.本技术方案中的流体微流道，通过一段段的圆弧相互连接而来，每个弧度相同的圆弧平滑地连接而成，整体呈现轴对称结构，流道以矩形结构作为截面，冷却工质在流道中平滑的流动，摩擦阻力系数小，有益于换热；

2.本技术方案中的流体微流道，流体在微通道中流动有圆弧通道，每个圆弧的连接点通道方向会有转折点，流体流往转折点后容易出现回流，加强流体的对流换热过程，总体提高微流道结构的对流换热系数；

3.本技术方案中的流体微流道通过波浪壁面的结构，将微流体的流动方式得以改善，在微流道中流体流动方式趋于层流，引入波浪壁面后，冷却工质流动方式趋于湍流模式，从而提高工质对壁面的换热过程，进而改善整体散热效率。

4.本技术方案中的流体微流道流体进出口是通过引入一条直通道，穿过蛛网中心，形成轴对称图形，这样的结构均匀的将流体分配到了各个流道中，使得整体模型散热均匀，连接外部微泵是通过基底底座的橡胶端口，直接插入相应的微管就可以供应冷却液；

5.本技术方案中的流体微流道蛛网式微流道结构布满整个基板内部，整体散热面积加大，散热更加充分。

这种装置结构简单、整体散热更加均匀，能够提高散热器的散热性能。

附图说明

图1为实施例的结构示意图；

图2为实施例中不同冷却液流速下三种微通道的芯片最高温度对比折线图；

图3为实施例中冷却液流速为1m/s下直通道温度仿真云图；

图4为实施例中冷却液流速为1m/s下弯曲微通道温度仿真云图；

图5为实施例中冷却液流速为1m/s下蛛网式微通道温度仿真云图。

图中，1.热源2.基板3.流体微流道4.冷却工质进端口4-1.冷却工质出端口5.“米”字状的微流直通道。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明内容作进一步的阐述，但不是对本发明的限定。

实施例：

参照图1，一种蛛网式微流道散热装置，包括基板2，所述基板2的底部设有均匀分布的呈蛛网状的流体微流道3，基板2的中心为流体微流道3的中心位置，所述流体微流道3由中心位置向外辐射，呈现为不同半径的圆圈状，流体微流道3以中心位置为基准设有“米”字状的流体微流直通道5，“米”字状的流体微流直通道5将流体微流道3均匀分成8个等分的对称分布的扇区，其中一个“米”字状的微流直通道5的两端分别与设在基板2底部的冷却工质进端口4、出端口4-1连接，所述流体微流道3的内壁3-1呈波浪状，热源1放置在基板2 的中心位置上。

所述基板2为厚度至少为2毫米的低温共烧陶瓷基板或陶瓷基板。

所述“米”字状的流体微流直通道5的直通道横截面为宽为0.5毫米、长为 1毫米的矩形。

所述冷却工质进端口4、出端口4-1均外套有圆环套，圆环套的规格为外径为1.5毫米、内径为1.2毫米。

所述流体微流道3的8个扇区内的结构相互对称，流道路径长度相同。

所述微流体通道的冷却工质可使用去离子水。

波浪壁面蛛网式的微通道结构，将传统的弧线型微通道变得更加曲折了，当流体流过蛛网的转折处的时候，流体在节点处会产生回流显现，也就是在角落处会有极小的漩涡形成，这样能够加大流体与壁面的换热过程，从而提高了散热能力，蛛网式的微流道结构更加充分的布满整个结构，蛛网中间插入的直流到，有利于加快冷却工质的流动过程，也更加均匀的让流体流入每个流道，使得散热更加均匀，波浪壁面改善微流道流体的流动方式，增加流体换热过程。

为了本实施例的散热效果，使用有限元流体分析软件FLUENT对不同微流道结构进行温度仿真，并且针对不同流体流速的情况下做对比，得到芯片以及散热装置整体的温度分布图。

其中，参数设置和边界条件的设置如下：

模型尺寸：发热芯片尺寸为10mm×10mm×1mm；基板尺寸为40mm×40mm× 2mm；蛛网微通道横截面尺寸为0.8mm×0.6mm；直通道横截面尺寸为0.8mm× 0.6mm；流体进出端口尺寸为外圆柱Φ1.5mm×1mm，内圆柱Φ1.2×1mm。

仿真设置:在fluent中打开能量方程和湍流模型，冷却工质使用水，芯片材料使用硅芯片，基板材料使用陶瓷基板，芯片热源设置为热流密度，2.2×10⁶w/m³芯片和基板散热装置的表面与空气的对流换热系数为10w/m².k，冷却工质的入口温度为25℃，环境温度设置为25℃。

在仿真软件中建立好所制定的模型尺寸后，划分好网格，导入流体分析软件 FLUENT中设置好相应的参数，进行求解，分析不同的微流道结构，在不同微流道结构模型中，保持模型冷却工质体积量一致，三种模型边界条件均相同，设置不同的流速等级，最后观察记录结果，记录结果如表1。

通过在不同冷却工质流速下三种微通道散热装置的仿真，得到芯片上最高温度值，如图2所示，图中可以看出，本实施例中蛛网式微流道，散热效果显著且散热效率高于其他两种结构(微流道为直通道、微流道为弯曲通道)，通过最终仿真结果验证了实施例的蛛网式结构特点。图3、4、5分别为冷却液流速为1m/s 时不同微流道结构的温度仿真云图，由图可知微流道为直通道最高温度为 132.32℃，微流道为弯曲通道最高温度为149.07℃，本例蛛网式微通道最高温度为108.27℃，由此可知本实施例中的波浪壁面蛛网式微通道散热装置在解决散热问题上具有一定的优越性。

表1