專利名稱：一種電子元器件用沸騰換熱裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及沸騰相變傳熱研究領域，特別涉及一種電子元器件用沸騰換 熱裝置。
背景技術：
隨著電力電子技術的迅猛發(fā)展，電子元器件高頻、高速、高集成化的要 求越來越高，高溫的工作環(huán)境勢必會影響電子元器件的性能，這就要求對其 進行更加高效冷卻來滿足其要求。因此，有效解決電子元器件的散熱問題已 成為當前電子元器件和電子設備制造的關鍵技術。
目前，禾u用液體對電子芯片進行冷卻已引起國內外很多學者的廣泛關注， 尤其將電子芯片直接浸沒在不導電液體中，利用沸騰相變傳熱的方式對其進 行冷卻。但是，不導電液體相比水而言，普遍具有較高的壁面潤濕特性和較 低的沸騰傳熱系數，表面?zhèn)鳠釤嶙璩蔀殡娮有酒倐鳠徇^程的主要熱阻，因 此，利用強化表面技術來提高沸騰換熱顯得尤為重要。
為了強化芯片沸騰換熱，發(fā)明人曾在芯片表面開平行槽道進行過研究， 發(fā)現在低熱流密度區(qū)換熱得到了強化，但是在高熱流密度區(qū)由于槽道之間不 連通，易形成汽膜，使得液體難以補充，導致底部出現干斑現象，提早發(fā)生
臨界熱流密度；后來又提出在芯片表面利用干腐蝕技術生成方柱微結構進行 強化沸騰換熱，方柱微結構形成了相互連通的矩形微通道，研究結果表明， 該結構可以大大的提高臨界熱流密度值，但是，沸騰起始時溫度跳躍過度較 大和壁面溫度過高，其主要原因是產生汽泡的汽化核心數較少所致。近年來，國內外其他研究者提出了利用多孔介質涂層和泡沫金屬結構表 面進行芯片的沸騰強化換熱，對相關文獻進行研究發(fā)現這種多孔結構有效地 增加了產生氣泡的汽化核心數，使得沸騰起始時壁面溫度降低和溫度過升量
減少；同時，利用多孔結構的毛細作用力將主流區(qū)的流體吸到受熱表面，進 行強化沸騰換熱。但是，由于多孔結構內部相互交錯，在核態(tài)沸騰區(qū)，多孔 結構內部汽泡大量蒸發(fā)產生汽膜，這樣氣體與主流液體形成的逆向阻力較大， 導致細小孔隙對液體的毛細作用力不能克服液體流動阻力，最后在加熱面上 不能及時得到主流液體的補充，使得發(fā)熱元器件表面在較低的熱流下就可能 出現蒸干現象，提前從核態(tài)沸騰進入膜態(tài)沸騰，且在較小臨界熱流密度時的 壁面溫度已大于芯片正常工作上限溫度85°C。
早在1988年Jones等人在文獻Electronic cooling through porous layers with wick boiling[A] . H R JACOBS. Proceedings of the National Heat Transfer Conference: Vo 1 . l[C] . New York: ASME， 523-532.中對多孔表面用于強化電 子冷卻裝置傳熱進行了實驗，發(fā)現多孔表面底部產生的蒸汽層中蒸汽首先進 行水平流動，找到較大孔徑的孔隙通道時得以向上溢出，由此啟發(fā)人們，在 多孔結構表面開槽道可以減少蒸汽的阻力，使蒸汽走槽道，液體走多孔區(qū)， 從而氣液流動更有序，沸騰傳熱強度增強，臨界熱流密度提高，推遲核態(tài)沸 騰向膜態(tài)沸騰的轉變。由此，許多研究者對多孔表面開槽方式主要集中在多 孔結構表面開設平行槽，還有一些開設大尺度(約0.5 2mrn)十字交叉槽。 研究結果顯示多孔表面開設平行槽可以使氣液流動比較平穩(wěn)，但是出現的情 況與發(fā)明人曾在芯片表面直接開平行槽類似，即槽道之間不連通，較易形成 汽膜，降低了加熱壁面的再潤濕能力，使得沸騰滯后效應明顯加重，影響沸 騰過程的穩(wěn)定性。多孔表面開設大尺度十字交叉槽，在低熱流密度時換熱效果較好，沸騰起始壁面溫度較低，而進入高熱流密度核態(tài)沸騰區(qū)域，發(fā)熱元 器件表面換熱惡化，熱流密度值隨著壁面過熱度線性增加，同時得到的臨界 熱流密度值偏低，其原因在于高熱流密度時，槽道尺寸過大導致毛細作用降 低，不利于液體通過槽道順利供應給加熱面。

發(fā)明內容
針對現有強化表面技術對高熱流密度電子器件冷卻存在的不足和缺陷， 本發(fā)明的目的在于提供一種電子元器件用沸騰換熱裝置，能夠消除芯片在沸 騰起始時的溫度過升量，降低沸騰起始時的壁面溫度，減少溫度對芯片造成 的熱沖擊，進一步強化核態(tài)沸騰換熱，使核態(tài)沸騰向膜態(tài)沸騰的轉變得以延 遲，顯著提高臨界熱流密度，降低加熱壁面蒸干的幾率。
為了達到上述目的，本發(fā)明采用以下技術方案予以實現。 一種電子元器件用沸騰換熱裝置，其特征在于，包括固定在電子元器 件表面的散熱板，散熱板上面燒結或焊接有金屬泡沫層，金屬泡沫層上開設
有寬度為50 u m 200 y m方柱型微結構，方柱型微結構的相互間距為50 y m 200 um。
本發(fā)明的進一步改進和特點在于
所述散熱板通過絕緣導熱硅膠粘接在電子元器件表面。
所述散熱板為銅板或鋁板。
所述金屬泡沬層為銅泡沫層或鋁泡沫層。
所述方柱型微結構的開設采用激光打標技術實現。
本發(fā)明是一種高效冷卻的雙重強化技術，具有突出的優(yōu)點和顯著的功效。 (1)采用金屬泡沫材料形成多孔結構，利用其自身材料具有比重小、孔 隙率高、比表面積大的突出特點和金屬材料高的熱傳導率，大大地增加了強化換熱表面積和汽化核心數，使得核態(tài)沸騰得到很大程度的改善，相比其他 強化換熱表面結構，解決了沸騰開始溫度過高和溫度過升量較大的問題，同 時避免了對電子元器件造成的熱沖擊以及電子元器件啟動難的問題。
(2)傳統(tǒng)的多孔介質表面加工結構在高熱流核態(tài)沸騰區(qū)，多孔結構內汽 泡大量蒸發(fā)，形成汽膜，而多孔結構相互交錯，導致細小孔隙結構內液體流 動阻力過大而不便于順利到達加熱面，容易在加熱電子元器件表面出現干斑 現象。而本發(fā)明在金屬泡沫層表面開設有方柱型微結構，方柱型微結構的寬 度50um 200um，方柱型微結構的相互間距為50 y m 200 y m，利用微方柱 結構之間形成的熱毛細對流作用，使得加熱面上的新鮮液體能夠及時與方便 地補充供給，推遲了核態(tài)沸騰向膜態(tài)沸騰的轉變，保證穩(wěn)定的核態(tài)沸騰狀態(tài)， 使電子元器件壁面溫度幾乎不隨熱流密度的增加而變化，可顯著地提高臨界 熱流密度值。


圖1具有方柱型微結構的金屬泡沬示意圖
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發(fā)明的具體實施方式
作進一步詳細的說明。 參照圖l，本發(fā)明的電子元器件用沸騰換熱裝置，包括固定在電子元器
件表面的散熱板，散熱板上面燒結有金屬泡沫層，金屬泡沬上開設有寬度d
為50 u m 200 u m方柱型微結構，方柱型微結構的相互間距為50 u m 200 u m;
其中，金屬泡沫層為銅泡沫層或鋁泡沬層，散熱板為銅板或鋁板，散熱板通
過絕緣導熱硅膠粘接在電子元器件表面。
方柱型微結構的開設采用激光打標技術實現。激光打標技術為成熟技術，
早在1997年李東煒等人在文獻(激光打標在航空制造業(yè)中的應用前景[J]航空制造工程)中已提到此技術。本發(fā)明方柱型微結構的具體開設方法為在一 塊Al或CU做成的模板上雕空出尺寸與方柱微結構一致的掩模板，經望遠鏡 擴束的激光照射在掩模板上，光從雕空的部分通過，掩模板上的圖形經透鏡 成像到燒結在散熱板上面的金屬泡沫層上，然后經激光輻射的金屬泡沫層表 面被迅速加熱汽化或產生化學反應，發(fā)生顏色變化，形成可分辨的清晰方柱 微結構標記。
本發(fā)明中，金屬泡沫指開孔泡沫金屬，利用熔模鑄造法制備得到，當然 也可以利用其他方法制備，比如滲流鑄造法，噴濺沉積法，燒結溶解法等。
金屬泡沫層中，孔結構的孔隙率e (—定體積的金屬泡沫中孔隙所占體積的
百分比)可達80% 97%，孔密度PPI (每英寸長度上的孔洞數)可達50 100，
它與孔徑成反比關系，孔徑可以加工到1 10微米數量級。
金屬泡沫也叫泡沬金屬，其冷卻成形后，燒結或用焊錫焊接到作為散熱
板的銅板或鋁板上。然后，在金屬泡沫層表面用激光打標技術標記出方柱型
微結構，由于方柱微結構之間存在毛細現象和流動阻力相互作用，根據力平
衡條件推導得到《-尸2=^，其中A為大氣壓力，尸2為汽泡內的壓力，5為汽
r
液界面上的表面張力，r為汽泡半徑。當r減少，g減少，方柱微結構之間的 熱毛細對流增強，同時汽體流動阻力增加，反之，當r增大，/>2增大，方柱微 結構之間的熱毛細對流減弱，同時汽體流動阻力減弱，綜合實驗結果表明，
存在最佳的方柱微結構的寬度為50 u m 200 u m。
金屬泡沫層表面開設的方柱型微結構，類似銅板上燒結有四方形多孔介 質構成的立柱。通過用絕緣導熱硅膠把電子芯片和與銅板燒結在一起的泡沫 金屬結構整體粘合在一起，由電子芯片發(fā)熱壁面產生熱流，通過銅板導熱， 利用具有較多汽化核心的金屬泡沫作為散熱面并在其上開設有一系列方柱型微結構以形成相互連通的矩形微通道，起到提供大量汽化核心和在高熱流密 度便于新鮮液體向加熱面及時供應的雙重強化換熱，使得電子芯片得到高效 冷卻效果。
本發(fā)明采用上述技術方案，具有突出的優(yōu)點和顯著的功效。 優(yōu)點之一利用本發(fā)明中電子元器件高效冷卻的雙重強化技術可以消除 現有技術方法在低熱流密度區(qū)域下出現的核態(tài)沸騰起始溫度過升量較大的問 題，這樣就可以消除大溫度差對電子芯片造成的熱沖擊隱患問題，大大地延 長大功率電子元器件的使用壽命。
優(yōu)點之二與現有電子器件冷卻用的強化表面技術相比，本發(fā)明中高效 冷卻的雙重強化技術可大大的強化核態(tài)沸騰換熱，使芯片加熱面的熱流密度 隨壁面過熱度增加而急劇增加，明顯地降低電子芯片的壁面溫度，可顯著地 提高臨界熱流密度值，大大延遲核態(tài)沸騰向膜態(tài)沸騰的轉變。解決了現有技 術中存在的汽化核心數較少而出現的沸騰起始溫度較高、槽道不連通而引起 的加熱壁面出現大面積干斑現象以及金屬泡沫表面開有大尺度十字交叉槽道 而引起芯片加熱面上出現的熱流密度隨壁面過熱度線性增加和所得臨界熱流 密度值較低等問題。
優(yōu)點之三利用金屬泡沫自身材料具有質量輕、體積小、吸音降噪機械 性能好、孔隙率高、比表面積大等突出特點和金屬材料導熱效率高，使它具 有良好換熱性能，在各種電子元器件的冷卻散熱裝置中均可以應用，尤其適 用于電腦芯片及CPU等的高效散熱冷卻。
權利要求
1、一種電子元器件用沸騰換熱裝置，其特征在于，包括固定在電子元器件表面的散熱板，散熱板上面燒結或焊接有金屬泡沫層，金屬泡沫層上開設有寬度為50μm～200μm方柱型微結構，方柱型微結構的相互間距為50μm～200μm。
2、 根據權利要求1所述的一種電子元器件用沸騰換熱裝置，其特征在于， 所述散熱板通過絕緣導熱硅膠粘接在電子元器件表面。
3、 根據權利要求1所述的一種電子元器件用沸騰換熱裝置，其特征在于， 所述散熱板為銅板或鋁板。
4、 根據權利要求1所述的一種電子元器件用沸騰換熱裝置，其特征在于， 所述金屬泡沫層為銅泡沫層或鋁泡沫層。
5、 根據權利要求1所述的一種電子元器件用沸騰換熱裝置，其特征在于， 所述方柱型微結構的開設采用激光打標技術實現。
全文摘要
本發(fā)明涉及沸騰相變傳熱研究領域，特別涉及一種電子元器件用沸騰換熱裝置。它包括固定在電子元器件表面的散熱板，散熱板上面燒結或焊接有金屬泡沫層，金屬泡沫層上開設有寬度為50μm～200μm方柱型微結構，方柱型微結構的相互間距為50μm～200μm。
文檔編號H01L23/367GK101541159SQ20091002207
公開日2009年9月23日 申請日期2009年4月16日 優(yōu)先權日2009年4月16日
發(fā)明者方嘉賓, 薛艷芳, 高秀峰, 魏進家 申請人:西安交通大學