使用液態金屬工質的藕狀規則多孔金屬微通道熱沉的製作方法

2023-07-14 13:49:51 1

專利名稱：使用液態金屬工質的藕狀規則多孔金屬微通道熱沉的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於高熱流密度電子元器件或半導體雷射器的微通道散熱裝置，特別涉及一種使用液態金屬工質的藕狀規則多孔金屬微通道散熱裝置。
背景技術：
近年來，高集成度的計算機晶片、光電器件等引發的熱障問題已經成為了制約其發展的重要問題和技術瓶頸之一，如何高效安全的對晶片進行散熱成為了電子器件研究的
重要課題之一。1971年Intel公司推出世界上第一臺微處理器4004，它的集成度為2300個電晶體，直到2004年Intel公司推出64位處理器Madison 9M和Deerfield，其集成度已經超過5億支，而同時CPU的特徵尺寸在1990年 2000年內由0.35 μ m減少到了 0.18 μ m，散熱量也由IOW增加到了 50W。2005年，Intel公司生產的臺式機的CPU採用的是0.09 μ m的封裝技術，其最大發熱量已經高達115W。2000年美國半導體工業協會做出預測，到2011年採用0.04 μ m工藝，高性能微處理器將在8.17cm2的面積內集成7.053X109個電晶體，主頻達到10GHZ，而工作電壓僅為0.6V，晶片功耗將高達177W。Intel公司在其技術論壇中指出，由於線寬進入納米尺度後其漏電流與散熱問題遲遲無法獲得一個妥善的解決方案，因此暫時放棄開發更高主頻的CPU，而轉向發展雙核心甚至多核心CPU市場。由此可見CPU的散熱問題已經受到了嚴重的挑戰目前高熱流密度散熱技術正在經歷從強制風冷到液冷的轉變。各類集成電路晶片普遍採用受迫對流空氣來冷卻發熱器件，即使通過擴展肋片，改進氣流分布，增大風壓，傳統的翼片式熱沉的有效熱傳輸係數也僅在l-2W/cm2K，已經難以滿足高熱流密度器件散熱的要求。液體冷卻目前是比較理想且可行的晶片散熱方式，也因此引起諸多研究人員的重視。由於液體金屬具有遠高於水、空氣及許多非金屬介質的熱導率(如鎵導熱率約為水的60倍，高出空氣1000多倍)，且具有流動性，因而可實現快速高效的熱量輸運能力，可以最大限度地解決了高密度能流的散熱難題。特別是，由於採用了液體金屬，散熱器可作得很小且易於通過功耗極低的電磁泵驅動，由此可實現整體集成化的微型散熱器。可以預計，作為一種同時兼有高效導熱和對流散熱特性的技術，液態金屬冷卻將有望成為新一代最理想的超高功率密度熱傳輸技術之一。典型的液冷方案通過熱管、微通道、液體噴淋等實現。熱管是一種被動散熱，利用相變傳熱的冷卻方式，可以達到較之單相流體更高的熱流轉移通量，但熱管制作工藝如芯體材料的製備、工質封裝、維護及可靠性等仍有待於提高，這使其應用受到一定限制。採用液體噴淋冷卻的辦法可以顯著提高冷卻效率，它可通過採用類似噴墨印表機噴頭驅動的技術來實現，不過這種技術同時需要有液體循環機構與之配合。該方案一方面實現起來相對複雜，另外，晶片的密封也是問題之一。目前大家認為最好的液冷方案就是利用微通道(多孔結構)來實現。微通道熱沉最早是由Tukeman和Pease採用化學蝕刻的方法,在Icm2的娃片上加工了寬0.05mm，深0.302mm的矩形微槽道，槽道間隔0.05mm。在其實驗條件下，Icm2上得熱阻只有0.1W/K。但公知的槽道微通道熱沉存在加工困難，加工成本高，微通道壓降大，需求泵功率高等缺陷，其市場應用價值不高。由此本發明提出了一種設計合理且改善上述缺陷的散熱裝置。

發明內容
本發明的目的在於，提供一種用於高熱流密度電子元器件及半導體雷射器的微通道熱沉，解決現有微通道熱沉，進出口壓降大、結構複雜、加工困難等問題，可以達到更高的散熱效率。本發明的技術方案如下:本發明提供的用於高熱流密度電子元器件或半導體雷射器的使用液態金屬工質的藕狀規則多孔金屬微通道散熱裝置，其特徵在於，該裝置包括:內部帶有藕狀規則多孔金屬微通道，且通道內裝有低熔點液態金屬工質的微通道散熱模塊3，該微通道模塊3與晶片I之間以銅蓋板2相互接觸，銅蓋板2與微通道模塊3之間設有密封圈和螺釘孔固定。至少有一個內部裝有低熔點液態金屬工質的遠端散熱裝置7。微通道模塊3與遠端散熱裝置7以管路相互連接形成閉合通路，連通管道上裝有用於驅動低熔點液態金屬工質流動的微泵6。所述微通道模塊3包括出入口流道和微通道兩部分，所述微通道為藕狀規則多孔金屬。所述微泵6是以電流在磁場中所受到的洛倫茲力為驅動力，驅動低熔點液態金屬工質循環流動散熱的電磁泵，所述電磁泵具有噪音小，壽命長的優點。所述遠端散熱裝置7可以是微型翅片管道8，在所述微型翅片管道8上安裝有風扇9，強制風冷，加強散熱。所述遠端散熱裝置7可以是儲液箱，所述儲液箱內裝有低熔點液態金屬工質，內部可安裝散熱板，加強散熱。所述藕狀規則多孔金屬是利用金屬-氣體共晶定向凝固法所得到的圓柱形氣孔規則定向排列於金屬基體中的多孔材料，在工作段界面上布滿了孔徑幾十到幾百微米的圓柱孔，孔長5-20mm，孔隙率在40%左右，基體材料可以是銅、鎂、矽等。所述出入口流道可以為I型、U型、D型等多種類型。其特徵在於所述出入口流道由高導熱金屬材料鋁、銅或有機玻璃做成。所述低熔點液態金屬工質為在室溫附近即可融化的低熔點金屬鎵或其合金。 所述微型翅片管道是由高導熱金屬材料鋁、銅等做成。所述管道為由塑料做成的柔性管道或者紫銅管。液體工作介質經過入口 4進入方形的入口混合段10，在混合段10中混合流入帶有定向圓形孔洞的藕狀規則多孔金屬的孔洞中，最後流出孔洞進入出口混合段11，在這個過程中，液體工質吸收來自於電子元器件I散發的熱量，溫度上升，從出口 5出來後，經過管道流入儲液箱7或者微型翅片管道8中進行遠端散熱，然後經過微泵6進入下一輪循環。工作段核心為藕狀規則多孔金屬，是由金屬/氣體共晶定向凝固法製備而成，製備工藝簡單，且可以大批量製備，在工作段界面上布滿了孔徑幾十到幾百微米的圓柱孔，孔長5-20mm，孔內壁光滑，流阻較小，有足夠大的換熱面積，能夠達到非常高的換熱效率。微通道模塊3帶有密封槽道，起密封作用。本發明具有下述優點:製備工藝簡單，加工方便，加工成本低；微通道光滑，出入口壓降小；體積尺寸小，散熱表面積大，流體工質導熱係數高，散熱效率高；整體形態多樣，適用面廣；其循環環境封閉，對環境無影響；非常適用於高熱流密度電子元器件或半導體雷射器的散熱。


圖1為本發明的一種實施例組成示意圖；圖2為本發明的另一種實施例組成示意圖；圖3為本發明微通道模塊核心多孔通道主視圖；圖4為本發明微通道模塊I示意圖；圖5為本發明微通道模塊II示意圖；圖6為本發明微通道模塊III示意圖；圖7為本發明微通道模塊III (帶晶片)示意圖；其中，I晶片 2銅蓋板 3微通道 4入口 5出口 6微泵7遠端散熱裝置 8翅片管道 9風扇 10入口混合段11出口混合段 12螺釘孔
具體實施例方式以下結合附圖對本發明專利的進一步說明。如圖1所示，電磁泵6、儲液箱7、微通道模塊3通過管路相連接形成閉合通路，微通道模塊3表面用擴散焊連接銅蓋板2，在與晶片I利用導熱矽脂相接觸，對晶片I進行散熱，工作介質液態金屬通過微通道模塊3，將晶片I的熱量帶走，晶片I可以為高熱流密度電子元器件晶片或者半導體雷射器發熱體，在通過出口 5流到儲液箱7，進行遠端散熱，儲液箱7內部可安裝散熱板，便於散熱，工作介質流過儲液箱7後進電磁泵6再進入下一循環。如圖2所示，電磁泵6、翅片管道8、微通道模塊3通過管路相連接形成閉合通路，工作介質液態金屬通過微通道模塊3所帶走的晶片熱量，經由翅片管道8帶走，翅片管道8上面可安裝風扇9，進行強制風冷，增強換熱。微通道模塊3為藕狀規則多孔金屬，是利用金屬-氣體共晶定向凝固法所得到的圓柱形氣孔規則定向排列於金屬基體中的多孔材料，常見材料為銅、鎂、矽及部分合金。如圖3所示，圖為微通道示意圖。藕狀規則多孔金屬在工作段界面上布滿了孔徑幾十到幾百微米的圓柱孔，孔長5-20_，如需更長的尺寸，則可以用中間切斷的方式增加通孔長度。一般製備的藕狀規則多孔金屬孔隙率在40%左右，藕狀規則多孔金屬製備工藝簡單，且可以大批量製備，孔內壁光滑，流阻較小，有足夠大的換熱面積，能夠獲得優異的換熱效率。液體工作介質為低熔點液態金屬工質，常見為金屬鎵及其合金。
圖3、圖4、圖5分別為本發明的三種不同出入口流道類型，圖3為I型出入口流道，可以產生較大的流量，流速平穩；圖4為D型出入口流道，安裝方便，流速均勻，溫度分布均勻；圖5為U型出入口流道，安裝方便，流速分布均勻，溫度分布均勻，流量較大。圖6為完整微通道模塊剖面圖，微通道模塊3與蓋板2連接，連接方法可以是擴散焊或者釺焊，蓋板2與晶片I之間塗有導熱矽脂，保證絕緣以及熱量的傳遞。所述微通道模塊上，蓋板2與微通道流道之間存在一圈密封槽道，可以方便使用密封圈與外界連接，達到密封效果，蓋板與微通道流道上有10個螺紋孔12，利用螺釘相連接。根據上述微通道模塊設計參數，利用4X30X20的微通道模塊核心尺寸，在出入口壓力差lOOOOPa，可實現200W/cm2的散熱，此時熱沉表面最高溫度322K，平均溫度315K，保證元器件的正常工作溫度。
權利要求
1.一種用於高熱流密度電子元器件或半導體雷射器的使用液態金屬工質的藕狀規則多孔金屬微通道散熱裝置，其特徵在於，該裝置包括: 內部帶有藕狀規則多孔金屬微通道，且通道內裝有低熔點液態金屬工質的微通道散熱模塊3，該微通道模塊3與晶片I之間以銅蓋板2相互接觸，銅蓋板2與微通道模塊3之間設有密封圈和螺釘孔固定。
至少有一個內部裝有低熔點液態金屬工質的遠端散熱裝置7。
微通道模塊3與遠端散熱裝置7以管路相互連接形成閉合通路，連通管道上裝有用於驅動低熔點液態金屬工質流動的微泵6。
2.根據權利要求1所述使用液態金屬工質的藕狀規則多孔金屬微通道散熱裝置，其特徵在於，所述微通道模塊3包括出入口流道和微通道兩部分，所述微通道為藕狀規則多孔金屬。
3.根據權利要求1所述使用液態金屬工質的藕狀規則多孔金屬微通道散熱裝置，其特徵在於，所述微泵6是以電流在磁場中所受到的洛倫茲力為驅動力，驅動低熔點液態金屬工質循環流動散熱的電磁泵，所述電磁泵具有噪音小，壽命長的優點。
4.根據權利要求1所述使用液態金屬工質的藕狀規則多孔金屬微通道散熱裝置，其特徵在於，所述遠端散熱裝置7可以是微型翅片管道8，在所述微型翅片管道8上安裝有風扇9，強制風冷，加強散熱。
5.根據權利要求1所述使用液態金屬工質的藕狀規則多孔金屬微通道散熱裝置，其特徵在於，所述遠端散熱裝置7可以是儲液箱，所述儲液箱內裝有低熔點液態金屬工質，內部可安裝散熱板，加強散熱。
6.根據權利要求1或2所述使用液態金屬工質的藕狀規則多孔金屬微通道散熱裝置，其特徵在於，所述藕狀規則多孔金屬是利用金屬-氣體共晶定向凝固法所得到的圓柱形氣孔規則定向排列於金屬基體中的多孔材料，在工作段界面上布滿了孔徑幾十到幾百微米的圓柱孔，孔長5-20mm，孔隙率在40%左右，基體材料可以是銅、鎂、矽等。
7.根據權利要求2所述使用液態金屬工質的藕狀規則多孔金屬微通道散熱裝置，其特徵在於，所述出入口流道可以為I型、U型、D型等多種類型，由高導熱金屬材料鋁、銅或有機玻璃做成。
8.根據權利要求1或3所述使用液態金屬工質的藕狀規則多孔金屬微通道散熱裝置，其特徵在於，所述低熔點液態金屬工質為在室溫附近即可熔化的低熔點金屬鎵或其合金。
9.根據權利要求4所述使用液態金屬工質的藕狀規則多孔金屬微通道散熱裝置，其特徵在於，所述微型翅片管道是由高導熱金屬材料鋁、銅等做成。
10.根據權利要求1所述使用液態金屬工質的藕狀規則多孔金屬微通道散熱裝置，其特徵在於，所述管道為由塑料做成的柔性管道或者紫銅管。
全文摘要
用於高熱流密度電子元器件或半導體雷射器的使用液態金屬工質的藕狀規則多孔金屬微通道熱沉，屬於微型電子器件的散熱裝置，解決了現有微通道熱沉進出口壓降大、結構複雜、加工困難、成本高等問題，可以獲得優異的散熱效果。本發明由微通道模塊3、微泵6和遠端散熱裝置7通過管路相連接形成閉合通路，微通道模塊核心為利用金屬-氣體共晶定向凝固法所得到的圓柱形氣孔規則定向排列於金屬基體中的多孔材料，流體工作介質為低熔點液態金屬或合金。本發明提供了一種結構簡單，製作工藝簡便，安裝方便，進出口壓降小，散熱效率高，適用於高熱流密度的電子元器件或者雷射二極體陣列的散熱的裝置。
文檔編號H05K7/20GK103188912SQ20111044807
公開日2013年7月3日 申請日期2011年12月27日 優先權日2011年12月27日
發明者劉源, 陳海鋒 申請人:劉源, 陳海鋒