CN102683305B - 一种多孔微柱变曲率型面的芯片强化沸腾换热结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及超高热流密度沸腾强化换热技术，特别涉及一种适用于超高热流密度微电子芯片高效冷却技术，具体为一种多孔微柱变曲率型面的芯片强化沸腾换热结构，包括芯片表面的散热板以及在散热板上面利用泡沫金属形成若干个多孔变曲率型面三维微结构，呈阵列式分布，其多孔变曲率型面三维微结构为六面型，上下表面为不同尺寸的正方形，4个侧表面为相同形状的弧面。本发明的芯片强化沸腾换热结构提供了足够多的汽泡汽化核心数目和大的比表面积，高的热传导效率，同时有效解决了毛细泵吸作用与流体流动阻力“同步增加或同步减小”相互制约问题，因此显著地提高了超高热流密度核态沸腾换热，从而使得超高临界热流密度微电子器件的有效换热得到了保证。

Description

一种多孔微柱变曲率型面的芯片强化沸腾换热结构

技术领域

本发明涉及超高热流密度沸腾强化换热技术，特别涉及一种适用于超高热流密度微电子芯片高效冷却技术，具体为一种多孔微柱变曲率型面的芯片强化沸腾换热结构。

背景技术

随着MEMS微电子机械加工技术的迅猛发展，电子元器件高频、高速、高集成化的要求越来越高，高温的工作环境势必会影响电子元器件的性能，这就要求对其进行更加高效冷却来满足其要求。因此，有效解决电子元器件的散热问题已成为当前电子元器件和电子设备制造的关键技术。

目前，利用液体对电子芯片进行冷却已引起国内外很多学者的广泛关注，尤其将电子芯片直接浸没在不导电液体中，利用沸腾相变传热的方式对其进行冷却。但是，不导电液体相比水而言，普遍具有较高的壁面润湿特性和较低的沸腾传热系数，表面传热热阻成为电子芯片总传热过程的主要热阻，因此，利用强化表面技术来提高沸腾换热显得尤为重要。

为了强化电子芯片沸腾换热，发明人曾在芯片表面开设平行槽道进行研究，发现在低热流密度区电子器件散热得到了显著强化，但是在高热流密度区由于槽道之间不连通，且槽道内液体流动阻力逐渐增加，这样在槽道底部易形成汽膜，使得新鲜液体难以及时补充，导致壁面出现蒸干现象，提前发生临界热流密度；后来又提出在芯片表面采用干式腐蚀技术生成十字交叉的方柱微结构进行强化沸腾换热，其研究结果表明，利用这种相互连通的微结构微通道，可以显著的提高临界热流密度值，但是，该结构在沸腾起始时会出现较大温度跳跃同时壁面温度会过高，这样对电子器件的热性能会产生较大冲击，同时使得电子器件的使用寿命有所降低，归其主要原因是起始沸腾所需过热度较高，而能够提供产生汽泡的汽化核心数较少所致。

近年来，国内外其他研究学者提出了利用多孔介质涂层和泡沫金属结构表面进行芯片的沸腾强化换热，对相关文献进行研究发现这种多孔结构能有效促进核化现象，通过增加产生汽泡的汽化核心数，使得沸腾起始时壁面温度降低和温度过升量减少；同时，利用多孔结构的毛细作用力将主流区的流体抽吸到受热表面，进行强化沸腾换热。但是，由于多孔结构内部相互交错，在核态沸腾区，多孔结构内部汽泡大量蒸发产生气膜，这样汽体与主流液体形成的逆向流动阻力较大，导致细小孔隙对液体的毛细作用力不足以克服液体流动阻力，最后在加热面上不能及时得到主流液体的补充，使得发热元器件表面在较低的热流下就可能出现蒸干现象，提前从核态沸腾进入膜态沸腾，且在较小临界热流密度时壁面温度已大于芯片正常工作结点温度85℃。

早在1988年Jones等人在文献Electronic cooling through porous layers with wickboiling[C]Proc.National Heat Transfer Conf.，vol.1,pp：523-532，1988.中对多孔涂层表面用于强化电子器件冷却散热装置进行了实验，发现多孔表面底部产生的蒸汽层中蒸汽首先进行水平流动，找到较大孔径的孔隙通道时得以向上溢出，由此启发人们，在多孔涂层表面开设槽道可以减少蒸汽的阻力，使蒸汽走槽道，液体走多孔区，从而汽液流动更有序，沸腾传热强度增强，临界热流密度提高，推迟核态沸腾向膜态沸腾的转变。由此，许多研究学者对多孔表面开槽方式主要集中在多孔结构表面开设矩形微槽，通过增加毛细作用有效区域，提高核态沸腾换热，结果表明：临界热流密度相比没有开槽的多孔结构大大提高，但是，对于超高热流密度沸腾区域，发热元器件表面换热恶化，其热流密度值随着壁面过热度线性增加，而且研究发现临界热流密度与开设槽道数目多少和尺寸大小均无关，主要由于在超高临界热流密度情形下，对于大尺寸槽道（数目少）而言虽然流体流动阻力减少，但同时会导致毛细泵吸作用降低，这样不利于液体通过槽道顺利供应给加热表面，而对于小尺寸槽道（数目多）虽然毛细泵吸作用增强，但是相应流体流动阻力也会同步增加。

发明内容

针对现有强化表面技术对超高热流密度电子器件冷却存在的不足和缺陷，本发明的目的在于同时利用“增加汽化核心数目，改善毛细压头和流动阻力同步增加或同步减少”的强化换热原理，提供一种质轻，比表面积大，高的热传导率，能够消除和降低沸腾起始时的温度过升量与壁面过热度，增加毛细压头作用力，降低流动阻力，增大临界热流密度的多孔微柱变曲率型面的芯片强化沸腾换热结构。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：包括芯片表面的散热板以及在散热板上面利用泡沫金属形成若干个多孔变曲率型面三维微结构，其中多孔变曲率型面三维微结构为六面型，上下表面为不同尺寸的正方形，4个侧表面为相同形状的弧面。

上述方案的进一步特点在于：

所述多孔变曲率型面三维微结构呈阵列式分布；

所述多孔变曲率型面三维微结构侧表面的弧面形状为弧线型轨迹，其三维微结构高度h为50μm～300μm，上表面边长W_上为10μm～100μm，下表面边长W_下为5μm～50μm，相邻微结构之间中心点距离p为上表面边长W_上的1.5～2.5倍。

所述多孔变曲率型面三维微结构侧表面的弧面形状为抛物线型轨迹，其三维微结构高度h为50μm～300μm，上表面边长W_上为10μm～100μm，下表面边长W_下为5μm～50μm，相邻微结构之间中心点距离p为上表面边长W_上的1.5～2.5倍。

所述的多孔微柱变曲率型面的芯片强化沸腾换热结构的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步：利用液态聚合物紫外光固化工艺，制作变曲率型面三维微通道铸模器件：

首先对三维CAM/CAD实体模型进行数据分析，其次解析分解为二维CAD平面数据，工作时，激光束按照解析平面图形进行分层扫描固化，被扫描到的部位就形成与图形一致的二维片状单位并堆积，不断重复此过程，形成三维聚合物结构即与三维实体模型相吻合的铸模；

第二步：把制备好的液态泡沫金属，浇铸到铸模中进行金属微电镀，待冷却固化后，用溶剂或进行化学反应，将固化聚合物分解去除，最后得到阵列式分布的多孔微柱变曲率型面三维微结构。

上述技术方案的进一步特点在于：

所述二维片状单位的堆积轨迹是按照三维实体模型的轮廓设定，为抛物线型或弧线型。

本发明采用上述技术方案，具有突出的优点和显著的效果。

优点之一：利用本发明的多孔微柱变曲率型面的芯片强化沸腾换热结构可以大大增加汽泡汽化核心数目，显著提高核态沸腾换热，降低沸腾起始过热度，消除沸腾起始温度过升量，同时具有很高的热传导效率。

优点之二：利用本发明的多孔微柱变曲率型面的芯片强化沸腾换热结构，可以弥补传统强化换热表面开设矩形微通道出现的毛细作用力和流体阻力同步增加或同步减少的不足，通过在三维微柱侧表面产生弧面形状，一方面保证通道底部尺寸较宽，流体流动阻力减小，新鲜液体及时供应，另一方面通道结构的中间部位曲率增大对应曲率半径减小，毛细泵吸作用增强，液体输运效率提高，另外，通道结构的入口处曲率半径较小，其通道尺寸约相当于微柱上表面边长W_上，这样能够保证整个通道的毛细压头是最大的，而且流体流动阻力显著减小，对于产生超高临界热流密度的芯片沸腾换热具有很大吸引力。

附图说明

图1是本发明的多孔微柱变曲率型面强化元件实施的一种三维结构示意图。

图2是图1的主视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。

参照图1，本发明包括芯片表面的散热板以及在散热板2上面利用泡沫金属1形成若干个多孔变曲率型面的三维微结构，其中多孔变曲率型面三维微结构的上下表面为不同尺寸的正方形，侧表面为相同形状的弧面。

由于带曲面形状的三维微结构，利用传统的光刻腐蚀，湿式腐蚀等技术已经不能满足需求。早在1993年由日本Ikuta教授(IKUTA K,HIROWATARI K，Real three dimensional microfabrication using stereo lithography and metal molding[C],Proceedings of IEEE MEMS′93,42-47)提出了一种新的微加工工艺即集成固化微立体光刻—IH工艺，主要利用紫外线固化液体聚合物（抗蚀剂），形成片状单元，然后按预设轨迹堆积而成，不需要制作掩膜板，即可加工出带任意曲面形状的微立体三维结构。本发明的三维微结构呈阵列式分布，因此采用Ikuta教授在1996年提出的利用微光导纤维阵列进行多光束扫描技术—Mass IH。本发明提供具体开设方法为采用两步骤集成法，其步骤一：利用液态聚合物紫外光固化工艺，制作变曲率型面三维微通道铸模器件，其中，首先要对三维CAM/CAD实体模型进行数据分析，其次解析分解为一系列二维CAD平面数据，工作时，激光束按照解析平面图形进行分层扫描固化，被扫描到的部位就形成与图形一致的二维片状单位，不断重复此过程，其中片状单位的堆积轨迹是按照三维实体模型的轮廓设定（可为抛物线型或弧线型等），最终形成三维聚合物结构即与三维实体模型相吻合的铸模。其步骤二，把制备好的液态泡沫金属，浇铸到铸模中进行金属微电镀，待冷却固化后，用溶剂或进行化学反应，将固化聚合物分解去除，最后得到阵列式分布的多孔微柱变曲率型面三维微结构。

本发明的一种多孔微柱变曲率型面的芯片强化沸腾换热结构，一方面利用多孔微柱结构增加汽泡汽化核心数目和提高热传导效率，另一方面利用变曲率型面微结构抑制毛细压头和流体阻力“同步增大或同步减小”现象的发生，同时强化超高热流密度核态沸腾换热，而且，根据发明人曾对方柱微结构表面进行的实验和数值模拟研究得出，微通道之间存在最优尺寸，且对应的毛细泵吸作用是最强，所以，本发明微结构高度h，间距p和上表面边长W_上尺寸范围的选取是依据最优尺寸而得，同时本发明微结构的下表面边长W_下是上表面W_上的一半，这样两个微通道底部间距最大，保证流体流动阻力最小，新鲜液体顺利和及时供应到加热壁面。另外，微结构的曲面形状采用弧线型或者抛物线型，其中侧表面结构的曲率依次增大对应曲率半径依次减小，在通道入口处曲率半径最小，这样沿着通道壁面向上毛细泵吸作用逐渐增强，能够保证产生的毛细泵吸作用可以克服流体流动阻力，因此，在整个核态沸腾换热过程中，具有很强的换热性能，尤其对于产生超高临界热流密度的芯片冷却成为可能，为新一代微电子产品的出现提供了技术支持。

Claims (3)

1.一种多孔微柱变曲率型面的芯片强化沸腾换热结构，包括芯片表面的散热板以及在散热板上面利用泡沫金属形成若干个多孔变曲率型面三维微结构，其特征在于：多孔变曲率型面三维微结构为六面型，上下表面为不同尺寸的正方形，4个侧表面为相同形状的弧面；所述多孔变曲率型面三维微结构呈阵列式分布；

所述多孔变曲率型面三维微结构侧表面的弧面形状为弧线型轨迹或抛物线型轨迹；

当所述多孔变曲率型面三维微结构侧表面的弧面形状为弧线型轨迹时，所述微结构高度h为50μm～300μm,上表面边长W_上为10μm～100μm，下表面边长W_下为5μm～50μm，相邻微结构之间中心点距离p为上表面边长W_上的1.5～2.5倍；

当所述多孔变曲率型面三维微结构侧表面的弧面形状为抛物线型轨迹时，所述微结构高度h为50μm～300μm,上表面边长W_上为10μm～100μm，下表面边长W_下为5μm～50μm，相邻微结构之间中心点距离p为上表面边长W_上的1.5～2.5倍。

2.一种根据权利要求1任一项所述的多孔微柱变曲率型面的芯片强化沸腾换热结构的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)利用液态聚合物紫外光固化工艺，制作变曲率型面三维微通道铸模器件:

首先对三维CAM/CAD实体模型进行数据分析，其次解析分解为二维CAD平面数据，工作时，激光束按照解析平面图形进行分层扫描固化，被扫描到的部位就形成与图形一致的二维片状单位并堆积，不断重复此过程，形成三维聚合物结构即与三维实体模型相吻合的铸模；

2)把制备好的液态泡沫金属，浇铸到铸模中进行金属微电镀，待冷却固化后，用溶剂或进行化学反应，将固化聚合物分解去除，最后得到阵列式分布的多孔微柱变曲率型面三维微结构。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：其中二维片状单位的堆积轨迹是按照三维实体模型的轮廓设定，为抛物线型或弧线型。