一種新型微針肋陣列熱沉的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于微電子高功率芯片封裝散熱領域，涉及一種新型微針肋陣列熱沉，其 散熱效果優(yōu)于常規(guī)菱形微針肋陣列熱沉。
【背景技術】
[0002] 隨著半導體加工技術的不斷進步，微機電系統(tǒng)MEMS制造技術的不斷成熟，微型緊 湊式換熱器由于其優(yōu)越的換熱性能，可用于解決高功率器件的散熱問題，受到了國內(nèi)外學 者的關注。
[0003]目前使用或研究較多的微冷卻器包括：微型換熱器、微冷凍機、微通道熱沉、微熱 管均熱片和微整合式冷卻器等。微通道熱沉作為第一代微型熱沉，具有高效的換熱能力，從 1984年提出到現(xiàn)在，經(jīng)歷了很長時間的發(fā)展。由于其加工制作技術比較成熟，已在很多領域 得到了應用。
[0004] 2010年華中科技大學的羅小兵和陳劍楠等人申請發(fā)明了一種用于電子封裝器件 的微通道熱沉，其申請?zhí)枮?01010146723. 4。該微通道熱沉如圖1所示：該微通道熱沉由 三部分組成，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，通過泵驅(qū)動冷卻劑流經(jīng)微 通道，帶走側壁的熱量。
[0005] 該微通道散熱器存在以下問題：
[0006] 1)由于微通道尺寸小，冷卻劑流經(jīng)微通道時會產(chǎn)生較大的流動阻力；
[0007] 2)由于微通道入口、出口間冷卻劑的溫度變化較大，換熱表面溫度分布不均勻。
[0008] 微針肋陣列熱沉作為第二代微型熱沉，其強化換熱效果更加明顯，內(nèi)部流動更加 復雜，是典型的內(nèi)部流動和外部流動的結合體。微針肋陣列熱沉，是在微通道內(nèi)敷設與流體 主流方向相垂直的針肋（擾流元）陣列，不僅可以對介質(zhì)的流動起到擾動作用，增強流體的 擾動性，同時一定程度上可以增加有效對流換熱面積，因此其換熱性能更佳。
[0009]目前，微針肋陣列的截面形狀有：三角形，方形，圓形，橢圓形，菱形，水滴形等。微 針肋陣列的排布形式為順排和叉排。同等條件下，叉排對流體的擾流效果更佳，其換熱效果 優(yōu)于順排；順排比叉排的摩擦阻力系數(shù)小，雷諾數(shù)越大越明顯。
[0010] 如圖2所示，現(xiàn)有技術中的一種菱形微針肋陣列（叉排）的結構，其中，201是流體 通道，202是菱形針肋陣列，203是冷卻工質(zhì)。冷卻工質(zhì)流經(jīng)微針肋陣列時，受到針肋陣列的 擾動作用，流體混摻更明顯，其換熱效果更好。
[0011] 但是，該菱形微針肋陣列熱沉也存在以下缺點：
[0012] 1)由于其具有兩個尖銳的側面，造成流體邊界層的不斷分離，從而帶來較大的摩 擦阻力；
[0013] 2)由于肋柱具有尖銳的邊角，增加了肋的粘滯力，使得流體壓降增大；
[0014] 3)在較小雷諾數(shù)下，尾部極易形成尾渦滯留區(qū)，不利于換熱。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015] 為了解決現(xiàn)有技術中存在的上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種新型微針肋陣列 熱沉，用于解決高功率電子元器件的散熱問題。該熱沉是基于流體橫掠針肋陣列的對流換 熱理論，提高被冷卻表面溫度分布的有效裝置。
[0016] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案為：一種新型微針肋陣列熱沉，包括 基底和設置在基底上的針肋陣列，針肋陣列內(nèi)形成交錯的微流體通道，所述針肋陣列由多 個四方體交錯分布形成；所述四方體的水平截面為四邊形，所述四邊形的對角線相互垂直， 且其中一對對角相等，另一對對角不相等；所述四邊形相等的一對對角為鈍角，冷卻介質(zhì)從 四邊形的另一對對角中的較大角一端流向較小角一端。
[0017] 優(yōu)選的技術方案，所述針肋陣列內(nèi)多個四方體形成的交錯微流體流動空間為交錯 的漸縮漸擴通道，冷卻介質(zhì)在該漸縮漸擴通道內(nèi)流動。
[0018] 進一步優(yōu)選的技術方案，所述四邊形具有兩對分別相等的鄰邊，其中一對相等的 鄰邊大于另一對相等的鄰邊；冷卻介質(zhì)先接觸較短的一對鄰邊，再接觸較長的一對鄰邊，即 冷卻介質(zhì)的流向為從四邊形較短的一對鄰邊流向四邊形較長的一對鄰邊。
[0019] 更進一步優(yōu)選的技術方案，所述針肋陣列的高度為200微米，當量直徑為200微 米。
[0020] 所述微流體通道的冷卻工質(zhì)為乙醇、乙二醇，純水或者去離子水。
[0021] 所述基底采用熱導系數(shù)高的硅材料或者采用熱導系數(shù)高的陶瓷材料。
[0022] 所述基底的厚度為0. 4毫米。
[0023] 所述微針肋陣列熱沉采用深度反應離子刻蝕DRIE技術在硅基板上加工而成或者 采用MEMS加工工藝加工而成。
[0024] 采用以上技術方案，本發(fā)明具有如下有益效果：
[0025] 1.本發(fā)明提供的新型微針肋陣列熱沉，基于流體橫掠微針肋陣列對流換熱理論， 針肋陣列對流體工質(zhì)的流動起到擾動作用，增強了流體的擾動性，一定程度上可增加有效 對流換熱面積，因此其換熱性能更佳。
[0026] 2."長菱形"（其為類似菱形形狀，尾部為細長形的"變形菱形"，也即該形狀由菱 形變形而來，其中一對兩鄰邊大于另一對相鄰邊，冷卻介質(zhì)由短邊流向長邊）針肋陣列的 布置方式，使流動空間形成交錯的漸縮漸擴通道，不斷沖擊針肋壁面，使得流體邊界層不斷 分離，從而促進傳熱。
[0027] 3.類似菱形微針肋熱沉與矩形截面的微通道熱沉相比，對流換熱面積顯著增加， 流體擾動性加強，散熱性能更好，發(fā)熱面的溫度分布更均勻。
[0028] 4.長菱形微針肋陣列熱沉與菱形微針肋陣列熱沉相比，其尾部設計避免了尾渦滯 留區(qū)的形成，因此其換熱性能較高。
【附圖說明】
[0029] 圖1為現(xiàn)有技術中用于電子封裝器件的微通道熱沉的方案示意框圖；
[0030] 圖2為現(xiàn)有技術中的一種菱形微針肋陣列的方案示意框圖；
[0031] 圖3為本發(fā)明一種新型微針肋陣列熱沉的示意圖；
[0032] 圖4為本發(fā)明一種新型微針肋陣列熱沉的堅直方向的截面示意圖。
[0033] 圖5為不同冷卻劑流速下三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、技術方案和優(yōu)點更加清楚明了，下面