一种多层复合式纳米多孔蒸发器

本实用新型涉及一种新型多层复合式纳米多孔蒸发器，属于微电子器件冷却技术领域。

背景技术：

近年来随着电子芯片制造业、军事工业、新能源应用技术和航空航天领域的高速发展，工程应用中对电子器件提出了“微型化”“高集成”“高功率”的新要求，由此氮化镓（gan）高电子迁移率晶体管（hemt）等微电子器件在各个领域得到广泛应用。然而局部热点上的散热问题极大限制了微电子器件的输出功率，研究发现在gan基hemt器件的部分亚毫米区域上，产生的热流密度高达5kw/cm²。因此如何有效散热以提高微电子器件的功率，延长其工作寿命成为急需解决的问题。目前，国内外对高热流密度电子器件的传统散热方案主要包括：高导热系数固体均热材料（铜、钨铜和金刚石等）或热界面材料（焊锡、导热硅脂和环氧树脂等）再结合空气冷却或液冷冷板，以此达到散热的目的。但由于接触热阻的存在，使得传统的散热方式并不能有效地降低结温，进而严重威胁器件的安全稳定运行。为解决此问题，研究者提出一种新型电子器件嵌入式冷却方案，热量由电子器件的基板直接散去，而不是在电子器件封装水平上，减少了界面材料的使用，大大降低了器件的结温。再利用绝缘介电液作为冷却工质，确保器件工作区域不产生磁场，进而保障了电子器件的运行性能。

近年来nems（nano-electromechanicalsystem）技术飞速发展，纳米尺度内的传热问题成为传热学领域的前沿科学。大量研究证明纳米多孔膜上的相变可以消耗大量热量，因此利用纳米多孔膜对高热流密度微电子器件进行嵌入式散热获得了众多研究者的肯定。深层次的研究结果为高性能纳米多孔蒸发设备提出了以下标准：（1）从基底到液-气界面的低传热热阻；（2）能够产生较大的毛细力以输运蒸发所需工质；（3）有效的液体供应结构，可使压降最小化；（4）高效的蒸汽输运通道。然而在设计层面上如何达到以上标准困扰着人们，目前国内外的纳米多孔散热设备面临的问题主要有：纳米膜的机械强度差；利用流动通道进行供液易导致纳米孔堵塞；没有独立的蒸汽通道使得气液分离不能有效进行等。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种新型多层复合式纳米多孔蒸发器。

为解决上述技术问题，本实用新型所采取的技术方案是：一种多层复合式纳米多孔蒸发器，总体上由三层结构组成，分别为上层硅结构、中层纳米多孔膜结构和下层硅结构；其中中层纳米多孔膜结构在上层硅结构下表面直接加工得到，下层硅结构则通过键合与中层纳米多孔膜结构连接。

上层硅结构包括n个蒸汽通道、n+1条歧管通道、进口储液池、出口储液池；n个蒸汽通道为多道平行独立的长方形体通道，长方形体通道的长度方向两端封闭；n个蒸汽通道之间以及最外两蒸汽通道的两侧面共形成n+1条歧管通道；在n个蒸汽通道长度方向的两端对应的为进口储液池、出口储液池；歧管通道分别与进口储液池、出口储液池连通，使得液体工质能够从进口储液池经由歧管通道流至出口储液池；多个蒸汽通道则平行分布于n+1条歧管通道之间，保证由蒸发产生的蒸汽能够得到高效运输；上层硅结构的上表面只有n个蒸汽通道露出，n+1条歧管通道、进口储液池、出口储液池均封闭；

中层纳米多孔膜结构在上层硅下表面通过刻蚀加工得到，在每个蒸汽通道下端口设有一块独立的具有纳米孔的纳米多孔膜；n块纳米多孔膜的位置与上层硅结构中的n个蒸汽通道对应，从而形成的纳米孔阵列在n块纳米多孔膜上均匀排布，单个纳米孔孔径约为200nm。

优选每块纳米多孔膜与对应的蒸汽通道下端口大小一致；在中层纳米多孔膜结构中对应的进口储液池、出口储液池、歧管通道位置均为空缺没有对应的膜；

下层硅结构包括平行排列的肋、肋间的微通道、液体进口和液体出口；液体进口与液体出口为对称结构，对应与上层硅结构中的进口储液池、出口储液池连通，使得液体工质能够从液体进口与液体出口进出进口储液池、出口储液池；在下层硅结构的上表面设有肋和肋间的微通道；在平行的肋之间形成的平行排列的微通道，肋顶部与中层的纳米多孔膜相接触，为纳米多孔膜提供支撑作用，同时微通道中的液体利用纳米孔内的强毛细力为蒸发过程供液。

肋的长度方向与纳米多孔膜的长度方向垂直。

每块纳米多孔膜上设有两排纳米孔。

进口储液池、出口储液池的截面均为梯形结构空腔，所述的截面平行中层纳米多孔膜结构；梯形结构的长底面平行对应蒸汽通道的端部，另一短底面远离蒸汽通道的端部。

n为4-10的数。

在下层硅结构的下表面对应的肋和肋间的微通道部位对应热区，肋间的微通道没有贯穿下层硅结构的下表面，使得下层硅结构的下表面对应的热区为一平面结构。

本实用新型的有益效果是：

在新型多层复合式纳米多孔蒸发器中，热源位于蒸发器底部使得热量可以在电子器件的基板上直接散去，属于嵌入式冷却方案。与传统外接散热器的散热方式相比，由于减少了界面材料的使用使得接触热阻大大减小，进而大幅度降低了器件的结温，保障电子器件安全稳定运行。多个纳米多孔膜与歧管交错平行排列的设计在最大化蒸发面积的同时也保证了单个纳米多孔膜的机械强度。歧管作为流动通道与微通道作为供液通道的分离式设计既保证了液体的流动性，同时也避免了因液体流动带来的纳米孔堵塞等问题。结构中的微通道既为纳米多孔膜提供机械支撑作用以再次提高膜的强度，其肋也可将热量传导至相变界面。同时利用纳米孔的毛细力吸液作用，实现充足的液体供应，大大减小了传统液冷方案中的泵功消耗，并将蒸发过程限制在薄膜蒸发区域，通过多个蒸汽通道有效地完成气液分离。设备内各流动通道的分层结构也有助于减小流动阻力。在这种结构内液体的相变方式结合了池沸腾和流动沸腾的优点，即可满足高热流密度的散热冷却需求，又避免了不稳定性的出现，是一种理想的冷却方式。

附图说明

图1为本实用新型的整体结构示意图。

图2为本实用新型的整体结构正面爆炸示意图。

图3为本实用新型的整体结构背面爆炸示意图。

图4为本实用新型的上层硅结构正面示意图。

图5为本实用新型的上层硅结构背面示意图。

图6为本实用新型的中层纳米多孔结构示意图。

图7为本实用新型的下层硅结构正面示意图。

图8为本实用新型的下层硅结构背面示意图。

图9为本实用新型的工作流程演示图。

图中，1、上层硅结构；1.1、蒸汽通道；1.2、歧管通道；1.3、进口储液槽；1.4、出口储液槽；2、中层纳米多孔结构；2.1、纳米多孔膜；2.2、纳米孔；3、下层硅结构；3.1、微通道；3.2、肋；3.3、液体进口；3.4、液体出口；3.5、热区。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步详细的说明，但本实用新型并不限于以下实施例。

实施例1

如图1、2、3、4、5、6、7、8所示，一种新型多层复合式纳米多孔蒸发器，包括上层硅结构1、中层纳米多孔膜结构2和下层硅结构3。上层硅结构为流动模块，由六个蒸汽通道1.1、七条歧管通道1.2、进口储液池1.3和出口储液池1.4组成。中层纳米多孔结构为蒸发模块，由六块纳米孔2.2阵列均匀排布的纳米多孔膜2.1组成。下层硅结构为液体供应模块，由液体进口3.3、液体出口3.4以及肋3.2和微通道3.1交错排布构成。

多个蒸汽通道1.1与歧管通道1.2交错排列，歧管通道1.2两侧与呈对称结构的进口储液池、出口储液池连通；中层纳米多孔结构2为蒸发模块，纳米孔2.2阵列在多个纳米多孔膜2.1上均匀分布，每块膜的位置都分别与上层的每条蒸汽通道1.1所对应；下层硅结构3为供液模块，液体进口3.3与上层的进口储液池1.3连通，液体出口3.4与上层的出口储液池1.4连通，中心区域内部平行分布的肋3.2之间形成体积相同的微通道3.1。中层纳米多孔膜结构2直接在上层硅结构1表面刻蚀得到，再通过键合与下层硅结构3相连。

由三层职能不同的结构即上层硅结构1、中层纳米多孔膜结构2和下层硅结构3复合而成，每层之间接触面的外边形状和大小相同。

在中心区域六个蒸汽通道1.1与七条歧管1.2交错平行排布，蒸汽通道1.1贯通上层硅结构1且水平面积与单个纳米多孔膜2.1面积相等。

纳米孔2.2阵列分别在六块膜上均匀排列，单个纳米孔直径在200nm左右。

整个微通道区域的面积与中层整个纳米多孔膜区域面积以及上层蒸汽通道和歧管区域的面积向对应且相等。

六块纳米多孔膜2.1的位置在垂直方向上分别与六个蒸汽通道1.1相对应，使得每块纳米多孔膜2.1都有一条独立的蒸汽通道1.1。

液体进出口位于下层，进出口储液池及歧管通道1.2位于上层，使得流体可以完成自下至上再从下流出的流动过程。

歧管通道1.2与微通道3.1拥有不同职能相互独立存在，实现了流动通道与供液通道的分离式设计。

从俯视角度看，歧管通道1.2与微通道3.1呈垂直排布而非水平排布，这有利于微通道3.1内液体的均匀分配。

假设将本新型多层复合式纳米多孔蒸发器安装于微电子器件上，使得蒸发器底部与热区3.5接触。如图9所示，液体工质通过外接供液管从液体进口1.3流入进口储液池3.3，通过七条歧管通道1.2时一部分液体进入到下层硅结构3的微通道3.1中，另一部分液体流入出口储液池1.4并从液体出口3.4流出。

纳米多孔膜2.1位于微通道3.1上方，纳米孔2.2内的强毛细力作用可以使微通道3.1内的液体工质稳定供应至纳米孔2.2内，同时肋3.2将底面微电子器件热区3.5产生的热量传导至六块纳米多孔膜2.1，使得液体可以在纳米孔2.2内实现稳定的薄膜蒸发，再通过六个独立的蒸汽通道1.1有效地完成气液分离。