專利名稱：陣列射流式微型換熱器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種冷卻裝置。
背景技術(shù)：
隨著各種尖端技術(shù)領(lǐng)域中所使用的芯片集成度的提高，芯片的體積發(fā)熱熱通量增大的趨勢(shì)非常迅猛。對(duì)于熱負(fù)荷敏感度較高的微電子器件及微系統(tǒng)而言，熱量在芯片處的累積將導(dǎo)致器件和系統(tǒng)溫度迅速升高，嚴(yán)重影響電子器件的工作狀態(tài)和系統(tǒng)的穩(wěn)定。此外，由于芯片集成化的提高，芯片表面溫度平均化也是越來越得到人們的關(guān)注，而一旦超出微電子器件或微系統(tǒng)的容許上限溫度，或者芯片表面溫度分布不均，將會(huì)造成芯片工作時(shí)不穩(wěn)定，死機(jī)，嚴(yán)重的還會(huì)由于熱應(yīng)力的作用而損壞芯片。因此，配置高效穩(wěn)定的電子芯片散熱系統(tǒng)至關(guān)重要。
根據(jù)散熱類型不同，CPU散熱可分為風(fēng)冷、熱管、水冷等幾種冷卻方式。其中以風(fēng)冷散熱應(yīng)用最為廣泛。常見的風(fēng)冷散熱器由散熱片和風(fēng)扇組成。再輔以導(dǎo)熱介質(zhì)進(jìn)行工作。風(fēng)冷散熱器利用散熱底座吸收芯片工作時(shí)產(chǎn)生的熱量，并傳至散熱片上。依靠散熱器上部高速轉(zhuǎn)動(dòng)的風(fēng)扇加快空氣對(duì)流，帶走散熱片的熱量。熱管散熱器的原理是利用熱管內(nèi)快速導(dǎo)熱的材質(zhì)，達(dá)到帶走熱量的目的。其結(jié)構(gòu)類似風(fēng)冷散熱器，只是將熱量傳導(dǎo)的主要介質(zhì)換為熱管。同樣具備底座和散熱片，同樣也可以利用風(fēng)扇加快散熱。由于風(fēng)冷散熱技術(shù)的散熱性能有限，已不能滿足目前各大芯片制造公司對(duì)高端芯片的要求。熱管由于整體導(dǎo)熱性能好，對(duì)對(duì)流的要求小一些，并且沒有噪音污染，因此多被應(yīng)用于筆記本電腦，服務(wù)器等高端電子芯片冷卻，但為了達(dá)到高熱流密度換熱，熱管必須有主動(dòng)散熱方式作為輔助，而且此被動(dòng)散熱方式受環(huán)境的制約(如環(huán)境溫度，外部傳導(dǎo)，空氣對(duì)流等)。所以使用條件比較苛刻，需改善環(huán)境溫度。同時(shí)由于其結(jié)構(gòu)的限制，很難使芯片表面溫度均勻，尤其在大熱流密度(熱流密度＞100W/cm2)下，熱管表面溫差很難限制在5℃以內(nèi)，這極大的影響芯片外工作微熱環(huán)境。
近年來，隨著大熱流密度電子元件的冷卻需要，液冷技術(shù)得到了廣泛的關(guān)注，尤其是以微通道和液體射流冷卻技術(shù)為主。微通道冷卻作為液冷方式中最普遍的一種，在結(jié)構(gòu)上就像一個(gè)縮小了的換熱器。采用微通道技術(shù)的換熱器常用導(dǎo)熱系數(shù)很大的材料制成，并將其底板貼敷在芯片上，利用冷卻工質(zhì)在小于1mm的通道內(nèi)流動(dòng)，得到比較大的換熱系數(shù)。但是由于冷卻劑在微通道內(nèi)流動(dòng)不停的吸收熱量，因此在通道進(jìn)口和出口溫差往往相差很大，引起換熱面溫度分布不均，從而導(dǎo)致被冷卻的芯片的微熱環(huán)境惡劣。
傳統(tǒng)的風(fēng)冷技術(shù)由于其冷卻能力的局限，也不能滿足目前大熱流密度的CPU芯片；熱管和微通道技術(shù)用來冷卻CPU芯片，雖然在冷卻能力上有了不少提高，但其冷卻的不均勻性成為CPU芯片正常穩(wěn)定工作的隱患。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種陣列射流式微型換熱器，來滿足高效的電子芯片散熱；同時(shí)能彌補(bǔ)現(xiàn)在常用的高效冷卻方式的換熱表面溫度分布不均的缺點(diǎn)。
一種陣列射流式微型換熱器，采用陣列射流技術(shù)。其特征在于，從上到下依次包括封裝在一起的蓋板1，射流孔分布板2，底座3；蓋板1的下表面和底座3的上表面緊貼，射流孔分布板2是一個(gè)凹型結(jié)構(gòu)，并放置在底座3內(nèi)部；底座3內(nèi)有一個(gè)內(nèi)陷的槽，該槽用來放置射流孔分布板2，槽的大小使射流孔分布板2水平放入，并使射流孔分布板2的上表面和底座3上表面平齊；蓋板1中心處開有與外部管路連接的進(jìn)液口4，在蓋板1開有出液口11；蓋板1和射流孔分布板2之間形成射流進(jìn)入腔5；在射流進(jìn)入腔5的正下方，射流孔分布板2上平均分布不少于5個(gè)射流孔6；射流孔6孔徑dj和相鄰射流孔圓心距離s的值由被冷卻面的面熱流密度以及微熱環(huán)境要求來確定，在本發(fā)明中，射流孔6的孔徑dj不大于2mm；相鄰射流孔6的中心距離s＝2.5～4.0dj。
底座3內(nèi)部在射流孔分布板2的下方開有另一個(gè)內(nèi)陷型槽，該槽處于射流孔6的正下方，射流孔分布板2和底座3形成射流沖擊腔7；射流沖擊腔7的高度就是陣列射流的射流距離，為了達(dá)到最佳的換熱效果，規(guī)定射流沖擊腔7的高度Z＝4.0～8.0dj；底座3內(nèi)射流沖擊腔7的內(nèi)壁四周開有冷卻液出液通道8，冷卻液出口通道8的直徑do和個(gè)數(shù)no以冷卻液能順利流出為原則；在本發(fā)明中，冷卻液出口通道8的直徑do≤3mm，個(gè)數(shù)no≤8；在底座3的上表面開有出液匯流槽9，冷卻液出口通道8和出液匯流槽9相連通，為了降低流動(dòng)壓力，減少泵功，出液匯流槽9的槽寬dt＝1.2～1.5do；槽高h(yuǎn)t＝1.2～1.5do；蓋板1和底座3配合時(shí)，蓋板1上的出液口11和出液匯流槽9相連通；將蓋板1，射流孔分布板2，底座3按從上到下的次序組合封裝后形成陣列射流式微型換熱器。在微型換熱器內(nèi)部可形成封閉的冷卻液循環(huán)，冷卻液流經(jīng)順序?yàn)檫M(jìn)液口4、射流進(jìn)入腔5，射流陣列噴嘴6、射流沖擊腔7、冷卻液出液通道8、出液匯流槽9、出液口11。冷卻液通過射流噴嘴6以較高的速度垂直噴射在傳熱面10上，實(shí)現(xiàn)了高熱流通量傳熱。
本發(fā)明提出的陣列射流式微型冷卻器基于射流沖擊換熱理論。射流沖擊冷卻時(shí)，冷卻液垂直沖擊傳熱表面，形成很薄的速度和溫度邊界層，因而具有很高的傳熱率。同時(shí)，采用合理的射流陣列布置方式，可以極大地提高被冷卻表面溫度分布的均勻性。因此，陣列射流式微型冷卻器是減小電子器件換熱表面最高溫度、降低溫度變化的最有效方法。在某些情況下可以實(shí)現(xiàn)射流沖擊相變換熱，利用冷卻液發(fā)生相變時(shí)的潛熱來實(shí)現(xiàn)更高的熱流密度。


圖1本發(fā)明的具有圓孔陣列射流噴嘴的微型換熱器結(jié)構(gòu)示意圖；圖中1、蓋板；2、射流孔分布板；3、底座；圖2本發(fā)明具有圓孔陣列射流噴嘴的微型換熱器的蓋板結(jié)構(gòu)示意圖，(a)蓋板俯視圖，(b)蓋板沿A-A面的剖面圖；圖中11、出液口；圖3本發(fā)明具有圓孔陣列射流噴嘴的微型換熱器的射流孔分布板結(jié)構(gòu)示意圖，(a)射流孔分布板俯視圖，(b)射流孔分布板沿B-B面的剖面圖；圖中6、圓形射流孔；圖4本發(fā)明具有圓孔陣列射流噴嘴的微型換熱器的底座結(jié)構(gòu)示意圖，(a)底座俯視圖，(b)底座沿C-C面的剖面圖；圖中8、冷卻液出液通道；9、出液匯流槽；10、傳熱面；12、支撐座；圖5本發(fā)明具有圓孔陣列射流噴嘴的微型換熱器的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖中4、進(jìn)液口；5、射流進(jìn)入腔；7、射流沖擊腔；8、冷卻液出液通道；9、出液匯流槽；10、傳熱面；圖6本發(fā)明用來冷卻具有方形發(fā)熱面的發(fā)熱元件的示意圖；圖中13、具有方形發(fā)熱面的發(fā)熱元件；圖7本發(fā)明用來冷卻具有圓形發(fā)熱面的發(fā)熱元件的示意圖；圖中14、具有圓形發(fā)熱面的發(fā)熱元件；圖8本發(fā)明具有兩種陣列噴孔排列形式示意圖；具體實(shí)施方式
實(shí)施例1如圖6所示，利用方形陣列射流式微型換熱器冷卻大熱流密度CPU芯片。CPU芯片尺寸為30mm×30mm，功率為(120W)微型冷卻器由圖1所示的蓋板1、射流孔分布板2、底座3依次封裝而成。蓋板1高5mm，直徑為60mm；射流孔分布板2高2mm，直徑為22.5mm；底座3高10mm，直徑為60mm；傳熱面10的厚度為1mm。如圖8(a)所示在射流孔分布板上由九個(gè)直徑一致的圓孔組成射流孔方形陣列，射流孔孔徑為1.5mm，孔間距為6mm；射流孔距噴射面距離為7mm。微型換熱器底座外邊面涂有導(dǎo)熱硅膠，并緊貼在CPU芯片上。整個(gè)換熱器采用導(dǎo)熱系數(shù)較高的黃銅來制造，冷卻液采用20℃的去離子水，去離子水最低流量為60mL/min。換熱進(jìn)行時(shí)，去離子水在微型換熱器內(nèi)部可形成封閉的循環(huán)，去離子水流經(jīng)順序?yàn)檫M(jìn)液口4、射流進(jìn)入腔5，射流陣列噴嘴6、射流沖擊腔7、冷卻液出液通道8、出液匯流槽9、出液口11，去離子水通過射流噴嘴6以較高的速度、垂直噴射在傳熱面10上，將具有方形發(fā)熱面的發(fā)熱元件產(chǎn)生并傳到傳熱面10上的熱量帶走。通過計(jì)算，九孔方形分布能使CPU表面溫度保持在40℃，并能保證表面溫度波動(dòng)在1℃以內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了CPU穩(wěn)定工作的微熱環(huán)境。
實(shí)施例2如圖7所示用陣列射流式微型換熱器冷卻具有圓形發(fā)熱面的發(fā)熱元件14。根據(jù)圓形發(fā)熱面的尺寸相應(yīng)布置射流孔陣列。假定發(fā)熱元件直徑為30mm，并且發(fā)熱均勻，發(fā)熱量在200W～500W。微型冷卻器由圖1所示的蓋板1；射流孔分布板2；底座3依次封裝而成。蓋板1高5mm，直徑為60mm；射流孔分布板2高2mm，直徑為28mm；底座3高10mm，直徑為60mm。如圖8(b)所示在射流孔分布板上由九個(gè)直徑一致的圓孔組成射流孔圓形陣列，孔徑為1mm，孔距為6mm，射流孔的深度2mm，射流孔距噴射面距離為7mm；傳熱面10的厚度為1mm。冷卻液選用20℃的氮?dú)?，最低流量?00ml/min。氮?dú)庠谖⑿蛽Q熱器內(nèi)部可形成封閉的流動(dòng)循環(huán)，氮?dú)饬鹘?jīng)順序?yàn)檫M(jìn)液口4、射流進(jìn)入腔5，射流陣列噴嘴6、射流沖擊腔7、冷卻液出液通道8、出液匯流槽9、出液口11，氮?dú)馔ㄟ^射流噴嘴6以較高的速度、垂直噴射在傳熱面10上，將發(fā)熱元件13產(chǎn)生并傳到傳熱面10上的熱量帶走，由成圓形分布的9個(gè)射流孔進(jìn)行沖擊換熱，在射流沖擊腔內(nèi)形成紊流流動(dòng)，并在換熱面10上形成薄的熱邊界層，實(shí)現(xiàn)了大高熱流通量傳熱。通過計(jì)算，采用圓形分布的9個(gè)射流孔進(jìn)行沖擊換熱，最高能使發(fā)熱量為500W的圓形發(fā)熱元件的表面溫度冷卻到70℃。
權(quán)利要求
1.一種陣列射流式微型換熱器，其特征在于，從上到下依次包括封裝在一起的蓋板(1)，射流孔分布板(2)，底座(3)；蓋板(1)的下表面和底座(3)的上表面緊貼，射流孔分布板(2)是一個(gè)凹型結(jié)構(gòu)，并放置在底座(3)內(nèi)部；底座(3)內(nèi)有一個(gè)內(nèi)陷的槽，該槽用來放置射流孔分布板(2)，槽的大小使射流孔分布板(2)水平放入，并使射流孔分布板(2)的上表面和底座(3)上表面平齊；蓋板(1)中心處開有與外部管路連接的進(jìn)液口(4)，在蓋板(1)開有出液口(11)；蓋板(1)和射流孔分布板(2)之間形成射流進(jìn)入腔(5)；在射流進(jìn)入腔(5)的正下方，射流孔分布板(2)上平均分布不少于5個(gè)射流孔(6)；底座(3)內(nèi)部在射流孔分布板(2)的下方開有另一個(gè)內(nèi)陷型槽，該槽處于射流孔(6)的正下方，射流孔分布板(2)和底座(3)形成射流沖擊腔(7)；底座(3)內(nèi)射流沖擊腔(7)的內(nèi)壁四周開有冷卻液出液通道(8)，在底座(3)的上表面開有出液匯流槽(9)，冷卻液出口通道(8)和出液匯流槽(9)相連通，蓋板(1)和底座(3)配合時(shí)，蓋板(1)上的出液口(11)和出液匯流槽(9)相連通。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陣列射流式微型換熱器，其特征在于，所述的射流孔(6)的孔徑dj不大于2mm，相鄰射流孔圓心距離s＝2.5～4.0dj。
3.據(jù)權(quán)利要求1所述的陣列射流式微型換熱器，其特征在于，所述的射流沖擊腔(7)的高度Z＝4.0～8.0dj。
4.據(jù)權(quán)利要求1所述的陣列射流式微型換熱器，其特征在于，所述的冷卻液出口通道(8)的直徑do≤3mm和個(gè)數(shù)no≤8個(gè)。
5.據(jù)權(quán)利要求1所述的陣列射流式微型換熱器，其特征在于，所述的出液匯流槽(9)的槽寬dt＝1.2～1.5do，槽高h(yuǎn)t＝1.2～1.5do，其中do是冷卻液出口通道(8)的直徑。
全文摘要
陣列射流式微型換熱器屬于微電子技術(shù)領(lǐng)域。傳統(tǒng)的風(fēng)冷技術(shù)不能滿足目前大熱流密度的CPU芯片；熱管和微通道技術(shù)冷卻的不均勻性成為CPU芯片正常穩(wěn)定工作的隱患。本發(fā)明依次包括封裝在一起的蓋板(1)，射流孔分布板(2)，底座(3)；蓋板(1)的下表面和底座(3)的上表面緊貼，射流孔分布板(2)是一個(gè)凹型結(jié)構(gòu)，并放置在底座(3)內(nèi)部；底座(3)內(nèi)有一個(gè)內(nèi)陷的槽，該槽用來放置射流孔分布板(2)，槽的大小使射流孔分布板(2)水平放入，并使射流孔分布板(2)的上表面和底座(3)上表面平齊。本發(fā)明滿足高效的電子芯片散熱；同時(shí)能彌補(bǔ)現(xiàn)在常用的高效冷卻方式的換熱表面溫度分布不均的缺點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01L23/473GK1968596SQ20061014403
公開日2007年5月23日 申請(qǐng)日期2006年11月24日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月24日
發(fā)明者夏國(guó)棟, 張忠江 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)