一種鏈式交錯型微通道結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種鏈式交錯型微通道結(jié)構(gòu),其包括基底和設置在基底上的微流體通道，其特征在于，所述微流體通道包括兩個微流體分支通道，且所述兩個微流體分支通道周期性的相互交叉和分開，兩個微流體分支通道在相互交叉處和分開處分別形成交叉口和分叉口。本發(fā)明提供的微流體通道，彎曲微通道是周期性變化的弧線型流道，由不同弧度的圓弧平滑地連接而成，相鄰兩個流道對稱，每隔一段距離交叉，交叉后流道按照弧線布置。冷卻工質(zhì)在流道中流動平滑，摩擦阻力系數(shù)小。每個微流體通道的兩個微流體分支通道的交錯，引起了流道前沿的熱邊界層的重新發(fā)展，降低了邊界層的厚度，重新產(chǎn)生的入口效應使得流體一直處于發(fā)展狀態(tài)，提高了散熱器的散熱性能。
【專利說明】-種鏈式交錯型微通道結(jié)構(gòu)

【技術(shù)領域】
[0001] 本發(fā)明屬于微電子高功率芯片封裝散熱領域，尤其涉及一種鏈式交錯型微通道結(jié) 構(gòu)。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著集成電路中半導體數(shù)目不斷增加，封裝體積不斷小型化，芯片單位體積的發(fā) 熱量在顯著增加，如果不能在短時間內(nèi)將該些熱量有效地散發(fā)出去，將對半導體器件的壽 命和工作性能產(chǎn)生很大的影響。
[0003] 傳統(tǒng)的換熱方式有；風冷散熱、水冷散熱、熱管散熱、熱電制冷、微噴射流冷卻和微 通道冷卻。風冷散熱成本低，散熱效果明顯，但是由于使用機械部件，體積大，噪音高，無法 滿足高熱流密度的散熱要求。水冷散熱器較風冷散熱器的散熱效果好，但同樣不適用于高 密度組裝的散熱需求。熱管的散熱能力較高，不耗電，質(zhì)量輕，但是其導熱能力取決于毛細 效應，長度一般為10 - 20畑1，不適合冷熱源之間導熱路徑較長的情況。熱電制冷的原理是 采用帕爾貼效應，其制冷量小。微噴射流冷卻和微通道散熱器的散熱效果較好，均需消耗額 外的粟功率提供冷卻劑在通道中流動的動力。
[0004] 微通道散熱器是一種新興的高效液冷散熱技術(shù)。微通道指流體通道的水力直徑為 10-1000微米的通道，通過粟驅(qū)動冷卻劑流經(jīng)流體通道進行散熱。
[0005] 2010年華中科技大學的羅小兵和陳劍楠等人申請發(fā)明了一種微通道換熱器（用 于電子封裝器件的微通道熱沉，申請?zhí)?201010146723. 4)。其微通道結(jié)構(gòu)如圖1所示；該微 通道散熱器由H部分組成，其中103是蓋板，104是微流體通道，105是基底。101是發(fā)熱器 件，即熱源，102是導熱絕緣膠或其它高導熱系數(shù)的粘接材料。該微通道散熱器通過導熱材 料粘接到熱源上。熱源工作時產(chǎn)生的熱量通過導熱材料傳遞到微通道的壁面，通過粟驅(qū)動 冷卻劑流經(jīng)微通道，帶走側(cè)壁的熱量。
[0006] 該微通道散熱器存在W下問題：
[0007] 1)當冷卻工質(zhì)流經(jīng)加熱的較長的平直流道時，工質(zhì)吸收熱源傳遞到通道側(cè)壁的熱 量，使得工質(zhì)的溫度隨著流動方向不斷升高，受熱面的均溫性不佳。
[0008] 2)流體流經(jīng)平直流道時，隨著熱邊界層的形成與發(fā)展，對流換熱系數(shù)隨著流動方 向減小，換熱效率不高。
[0009] 2013年鄭州大學的斬遵龍和張志超等人申請發(fā)明了一種微通道換熱器（一種微 通道換熱器，申請?zhí)枺?01320005298. 6)，如圖2所示。該微通道散熱器由兩部分組成；基底 01和W及在基底01的一側(cè)鋪設的彎曲通道02。其中，基底01的材質(zhì)為娃板，基底01的厚 度為2mm。基底01的一側(cè)鋪設有16根彎曲通道02,彎曲通道02內(nèi)通過入口溫度為293K 的去離子水。彎曲通道02的通道直徑為0. 4mm，彎曲通道02的半徑由0. 4mm和0. 9mm的圓 弧構(gòu)成，進出口長度均為1mm。
[0010] 該微通道散熱器存在W下問題：
[0011] 1)微流道的流道相對較長，將會消耗更多的粟功率，換熱效率較低。
[0012] 2)流體流經(jīng)彎曲流道時，相鄰流道內(nèi)的流體混合匿乏，散熱性能較低。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0013] 為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種鏈式交錯型微通 道結(jié)構(gòu)，其均溫性好，能夠提高微通道散熱器的散熱性能。
[0014] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種鏈式交錯型微通道結(jié)構(gòu)包括 基底和設置在基底上的微流體通道，所述微流體通道包括兩個微流體分支通道，且所述兩 個微流體分支通道周期性的相互交叉和分開，兩個微流體分支通道在相互交叉處和分開處 分別形成交叉口和分叉口。
[0015] 微流體通道的兩個微流體分支通道的交錯，引起了流道前沿流體熱邊界層的重新 發(fā)展，降低了邊界層的厚度，重新在交叉口處產(chǎn)生的入口效應使得流體一直處于發(fā)展狀態(tài)， 提高了散熱器的散熱性能。同時，在兩個微流體分支通道的交叉口，可W顯著增強流體混 合。在分叉口，流體經(jīng)匯合后會重新分配，進一步提高散熱器的散熱性能。
[0016] 優(yōu)選的技術(shù)方案，所述微流體通道的兩個微流體分支通道呈軸對稱分布。
[0017] 進一步的優(yōu)選技術(shù)方案，所述微流體分支通道為呈周期性變化的弧線型流道。彎 曲的流道與矩形截面的直流道相比，流道長度增加，能夠有效降低發(fā)熱面的溫度。
[0018] 更進一步的優(yōu)選技術(shù)方案，所述微流體分支通道的橫截面為矩形。
[0019] 所述矩形的寬度為0. 2毫米，長度為0. 8毫米。
[0020] 所述兩個微流體分支通道呈等距離的交叉。
[0021] 所述基底采用熱導系數(shù)高的陶瓷材料或者娃材料。
[0022] 所述基底的厚度為2毫米。
[0023] 所述微流體通道的冷卻工質(zhì)為己醇、己二醇、純水、去離子水或者液態(tài)金屬。
[0024] 所述兩個微流體分支通道的分開段為弧形，且分開段的長度大于交匯段的長度。 [00巧]采用W上技術(shù)方案，本發(fā)明具有如下有益效果：
[002引 1.本發(fā)明提供的微流體通道，彎曲微通道是周期性變化的弧線型流道，由不同弧 度的圓弧平滑地連接而成，相鄰兩個流道對稱，每隔一段距離交叉，交叉后流道按照弧線布 置。冷卻工質(zhì)在流道中流動平滑，摩擦阻力系數(shù)小。
[0027] 2.每個微流體通道的兩個微流體分支通道的交錯，引起了流道前沿的熱邊界層的 重新發(fā)展，降低了邊界層的厚度，重新產(chǎn)生的入口效應使得流體一直處于發(fā)展狀態(tài)，提高了 散熱器的散熱性能。
[0028] 3.在流道交叉處，流體匯合后再在分叉處重新分配，可W顯著增強流體混合，進一 步提高散熱器的散熱性能。
[0029] 4.彎曲的流道與矩形截面的直流道相比，流道長度增加，能夠有效降低發(fā)熱面的 溫度。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0030] 圖1為現(xiàn)有技術(shù)中用于電子封裝器件的微通道熱沉的方案示意圖；
[0031] 圖2為現(xiàn)有技術(shù)中一種微通道換熱器的方案示意圖；
[0032] 圖3為本發(fā)明一種鏈式交錯型微通道結(jié)構(gòu)的示意圖；
[0033] 圖4為不同冷卻劑流速下H種通道的芯片最高溫度對比圖。

【具體實施方式】
[0034] 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明了，下面結(jié)合具體實例并參照附 圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。應該理解，該些描述只是示例性的，而并非要限制本發(fā)明的 范圍。此外，在W下說明中，省略了對公知結(jié)構(gòu)和技術(shù)的描述，W避免不必要地混淆本發(fā)明 的概念。
[00巧]如圖3所示；一種鏈式交錯型微通道結(jié)構(gòu)包括基底1和設置在基底1上的微流體 通道2，所述微流體通道2包括兩個微流體分支通道21、22，且所述兩個微流體分支通道21、 22周期性的相互交叉和分開，兩個微流體分支通道21、22在相互交叉處和分開處分別形成 交叉口 23和分叉口 24。所述微流體通道2的兩個微流體分支通道21、22呈軸對稱分布。 所述微流體分支通道21、22為呈周期性變化的弧線型流道。所述微流體分支通道21、22的 橫截面為矩形。所述矩形的寬度為0.2毫米，長度為0.8毫米。所述兩個微流體分支通道 21、22呈等距離的交叉。所述基底1采用熱導系數(shù)高的陶瓷材料或者娃材料。所述基底1 的厚度為2毫米。所述微流體通道2的冷卻工質(zhì)為己醇、己二醇、純水、去離子水或者液態(tài) 金屬。所述兩個微流體分支通道21、22的分開段為弧形，且分開段的長度大于交匯段的長 度。
[0036] 上述流道采用噴射氣相刻蝕技術(shù)JVE在陶瓷材料上加工微流通道，或采用深度反 應離子刻蝕技術(shù)DRIE在娃基板上加工微流通道。
[0037] 對H種微通道散熱器進行仿真，通過對不同冷卻劑流速下H種微通道散熱器進行 仿真，得到芯片上的溫度分布圖。
[0038] 其中，參數(shù)設置和仿真結(jié)果如下：
[00測模型尺寸：
[0040] 1、微通道液冷冷板尺寸為；20mmX 14mmX2mm ;
[0041] 2、微通道的截面尺寸為；0.8mmX0.8mm，微通道的個數(shù)為8個；
[0042] 3、蓋板尺寸為；20mmX 14mmX 1mm ;
[0043] 4、芯片尺寸為：10mmX lOmmX 1mm。
[0044] 仿真設置：
[004引 冷卻工質(zhì)冰；
[0046] 微通道散熱器：娃；
[0047] 熱源設置；芯片的體積生熱率為5X 108W/m3 ;
[004引芯片和散熱器與周圍空氣的對流換熱系數(shù)為20W/m2 ? k。
[0049] 冷卻劑的溫度為293K，環(huán)境溫度為298K ;
[0050] 建好仿真模型，設置好求解參數(shù)后，進行求解，最后觀察求解結(jié)果。
[0051] 從通過在不同冷卻劑流速下H種微通道散熱器的仿真，得到芯片上最高溫度值， 如圖4中我們可W看出：本發(fā)明中設計的交錯型通道，散熱效果比長直通道和彎曲通道好。
[0052]

【權(quán)利要求】
1. 一種鏈式交錯型微通道結(jié)構(gòu)，包括基底和設置在基底上的微流體通道，其特征在 于，所述微流體通道包括兩個微流體分支通道，且所述兩個微流體分支通道周期性的相互 交叉和分開，兩個微流體分支通道在相互交叉處和分開處分別形成交叉口和分叉口。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鏈式交錯型微通道結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述微流體通道 的兩個微流體分支通道呈軸對稱分布。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鏈式交錯型微通道結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述微流體分支 通道為呈周期性變化的弧線型流道。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鏈式交錯型微通道結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述微流體分支 通道的橫截面為矩形。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種鏈式交錯型微通道結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述矩形的寬度 為0.2毫米，長度為0.8毫米。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鏈式交錯型微通道結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述兩個微流體 分支通道呈等距離的交叉。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鏈式交錯型微通道結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述基底采用熱 導系數(shù)高的陶瓷材料或者娃材料。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鏈式交錯型微通道結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述基底的厚度 為2毫米。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鏈式交錯型微通道結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述微流體通道 的冷卻工質(zhì)為己醇、己二醇、純水、去離子水或者液態(tài)金屬。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鏈式交錯型微通道結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述兩個微流體 分支通道的分開段為弧形，且分開段的長度大于交匯段的長度。
【文檔編號】H01L23/473GK104465562SQ201410816273
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月24日
【發(fā)明者】田文超, 衛(wèi)三娟 申請人:西安電子科技大學