一種用於高頻線路板的微通道散熱器的製作方法

2023-05-19 13:51:04

：
1.本實用新型涉及一種微通道散熱器，具體地涉及一種用於大功率高頻線路板散熱應用的微通道散熱器。


背景技術：

2.隨著集成電路製造技術的迅猛發展，電子元件小型化、微型化，使得晶片工作能量密度迅速增長。另一方面，隨著高頻通訊技術的迅速發展，社會經濟和工業產業對信息通訊高傳輸速率、高可靠性、高通量等要求的不斷提高，以5g通訊為代表的新一代通訊系統，其系統自身的能源消耗問題、熱管理問題日益嚴峻。例如，5g基站的單站功耗是4g基站的2.5—4倍,其功耗增加主要來源於有源相控陣天線單元。以有源相控陣天線的功放晶片為例，如果採用第三代半導體gan晶片，其功率放大器晶片熱流密度可達到500w/cm2。在如此高的熱流密度下，系統散熱能力的大小往往限制了性能的進一步提高。
3.微通道散熱器由tuckerman等人於1981年提出後，一直受到業界和科學界的極大關注。許多學者和工程師對其進了了廣泛、深入的研究，是目前解決高密度熱管理問題最有前途的技術之一。業界對微通道散熱器的改進主要集中在兩個方面：(一)一些研究是集中在改進或採用新型散熱結構上。例如，專利cn101001516b和專利cn102014598b均公開了一種射流微通道散熱器，都可以用較低的壓降提供衝擊噴射的冷卻液流體，實現較好的散熱效果。(二)、一些研究則將重點放在流體的流入和流出分配的改進上。例如，專利cn102645117b提出了一種流入流出的分級結構，保證每一個微通道內流體情況非常接近，能夠用於對溫度均勻性要求較高的場合。專利cn204375724u設置了中心入，邊緣出的流入流出結構，加快了冷卻液的循環流動效率，提高了散熱器的散熱效率。
4.而對於大功率高頻線路板的熱管理需求而言，一方面散熱器要具備高散熱效率，另一方面散熱器表面的溫度均勻化有較高的要求。而上述專利中，對於兩者的結合，即高散熱效率及溫度均勻化方面較難在同一產品中充分體現。因此，如何針對上述應用場景設計出溫差小、壓降低、同時散熱效率高的微通道散熱器是本領域關注的重要技術問題之一。


技術實現要素：

5.本實用新型的目的是提供一種高散熱效率、低泵功、冷卻面溫度梯度小的微通道散熱器，適合於大功率高頻線路板的熱管理應用。
6.為達到上述目的，本實用新型的構思是：一方面在微通道的設計上，採用三維層疊的網格結構，而非普遍使用的二維平面矩形結構或平面陣列結構，這樣可使冷卻流體流動時保持湍流而非層流，抑制熱邊界層的發展而強化傳熱；另一方面在流體流入流出的通道設計上，採用流體分配器和流體匯聚器，將流體均分後再進入換熱網絡之中，使得換熱網絡中垂直於流體流動方向的各個位置流動換熱情況相近。這樣保證了在消耗較小泵功的同時，冷卻表面的溫度分布更加均勻。
7.基於以上描述，本實用新型採用如下技術方案：
8.一種用於高頻線路板的微通道散熱器，包括第一蓋板、第二蓋板和位於兩者之間的微通道換熱結構，所述微通道換熱結構包括依次連通的分配器、換熱微通道網絡和匯流器，所述分配器設有逐級分流的分配通道，所述匯流器設置有逐級匯合的匯流通道，所述換熱微通道網絡設有若干上下交錯排列的凹孔以流通冷卻液進行散熱處理。
9.優選地，所述第一蓋板開設有冷卻液的入口和出口，形成類似圓形通孔的圓柱體結構。
10.優選地，所述第一蓋板和第二蓋板刻蝕分配器、匯流器，兩者結構相同，排布對稱；所述分配器和匯流器分為逐級相連的若干級；所述分配器中每一級入口將上一級出口流入流體通過倒t形分液結構平均分為兩份，匯流器與分配器相反設置；分配器第一級入口與冷卻液入口相連；匯流器最末級出口與冷卻液出口相連。
11.優選地，所述分配器與匯流器的通道截面為矩形、圓角矩形、圓、橢圓中的至少一種。
12.優選地，所述分配器各級通道截面積大小逐級減小；下一級通道的截面積大小為上一級的1/2；匯流器與分配器的設置相反。
13.優選地，所述分配器與匯流器通道沿流體流動方向轉角處為圓弧。
14.優選地，所述第一蓋板和第二蓋板上加工有緊密排列的正方形凹孔陣列；所述第一蓋板上的凹孔陣列與第二蓋板上的凹孔陣列交錯布置；交錯距離為方形重複單元對角線距離的1/2。
15.優選地，所述緊密排列的正方形凹孔陣列，其特徵是，正方形邊與流體流動方向的夾角為45度。
16.優選地，所述緊密排列的正方形凹孔陣列,其特徵是，包括了隔離壁和正方形凹孔；其中，隔離壁厚度小於方形凹孔的邊長；優選地，隔離壁厚度為正方形凹孔邊長的1/2—1/4；進一步地，隔離壁壁厚度為正方形凹孔邊長的1/3。
17.優選地，第一蓋板與第二蓋板疊合後，所述兩層交錯的正方形凹孔陣列緊密貼合形成換熱微通道網絡。
18.優選地，所述換熱微通道網絡首端垂直於流體流動方向均分為若干入口，入口數量為2n個，n為分配器的級數；所述每一個入口與分配器最末級的出口相連。
19.優選地，所述換熱微通道網絡末端垂直於流體流動方向均分為若干出口，出口與入口對稱排布；所述出口與匯流器第一級的入口相連。
20.與現有技術相比，本實用新型具有如下顯而易見的實質性特點和顯著優點：採用基於擾流作用的換熱微通道，強化了熱交換效果，提高了散熱效率；採用多級流體分配器和匯流器，保證了較小泵功下，冷卻表面各個位置溫度的均一性；最後，本發明製作方便，結構簡單，可用現有成熟的微加工手段輕易達成。
附圖說明：
21.圖1為本實用新型的一個實施例中微通道散熱器的分解結構示意圖。
22.圖2為圖1所示微通道散熱器的剖視示意圖。
23.圖3為圖1所示的換熱微通道網絡的立體示意圖，其中未標示出通道的上邊界與下邊界。
24.圖4為圖1所示微通道散熱器的工作狀態示意圖。
具體實施方式：
25.下面結合具體實施例對本實用新型提出的微通道散熱器做詳細說明。
26.本實用新型的一個實施例如圖1所示，包括了第一蓋板1和第二蓋板2。本實施例中，第一蓋板和第二蓋板的平面尺寸基本一致，二者都為黃銅材質。蓋板表面的通道採用微細銑削的方式加工，蓋板之間通過金屬擴散焊工藝疊合在一起。第一蓋板1還包括了圓柱狀的冷卻液入口11和冷卻液出口12。在第一蓋板1的下表面，第二蓋板2的上表面皆加工有槽和正方形凹孔，兩面組裝時緊密貼合，其中的槽和正方形凹孔上下組合成為換熱微通道。發熱器件3與第二蓋板2的下表面貼合。
27.需要說明的是，本實施例中的正方形凹孔實際上類似為正方形凹槽結構；當然，在其他實施例中，也可以是實際的正方形凹孔孔體結構，如類似實施例：第一蓋板1當作密封蓋板時，僅在第二蓋板2上刻蝕出所述的換熱微通道中的下半部分，而上半部分則單獨製作，上半部分和下半部分上下緊密貼合在第一蓋板1和第二蓋板2之間。當然，除了上述的兩實施例外，還可以有其他實施例，只要換熱微通道位於兩蓋板之間的結構，如兩蓋板互配設置形成所述的換熱微通道、或者擇一蓋板加單獨設置的剩餘部分散熱微通道、或者單獨設置整個換熱微通道的結構，都在本實用新型權利要求書的保護範圍內。
28.如圖2所示，表示了圖1所示微通道散熱器的俯視剖面示意圖，剖面平行於第一蓋板1平面，位置位於通道深度的2/3處。圖2中，從左到右分布有分配器的分配通道21，換熱微通道網絡23，和匯流器的匯流通道22。在該實施例中，分配通道21分為三級。第一級入口與冷卻液入口11相連，第一級主管道211與支管道212共同構成倒t型分液通道。支管道212和主管道211的截面為矩形。其中，支管道212的截面積為主管道211橫截面積的1/2。在分配器的每一級中，上一級的流體被均勻分配為兩份，進入到下一級的各個入口處。最終，所示分配器通過三級分配將流體均分為8份後，通過8個末端入口213進入換熱微通道網絡23中。
29.本實施例中的匯流器的結構與分配器的結構呈鏡像對稱。冷卻液從8個出口221流出換熱微通道網絡23，通過三級匯流的結構，匯總到冷卻液出口12。
30.在通道中流體的阻力除了通道本身寬度，也需要考慮90度彎折帶來的壓力。因此，在上述分配器、匯流器中，通道的90度轉彎處具有彎曲輪廓，從而減少因彎折產生的壓降。
31.可以理解的是，分配器、匯流器的優選實施例不限於圖1、圖2所示的三級。還可以採取更少或者更多的級數。
32.在圖2所示的實施例中，換熱微通道網絡23的俯視剖面為緊密排列的兩層正方形陣列。正方形凹孔232與同層相鄰的凹孔被隔離壁231隔離。而下層的隔離壁處於上層正方形凹孔的中心位置，從而形成相間交錯的形式。在如本實施例的優選布局中，隔離壁231的厚度為正方形凹孔231邊長的1/3。
33.請參照圖3，換熱微通道網絡的部分三維結構如圖所示，示例圖省略了頂面和底面。正方形陣列的邊與流體總體流動方向呈45度夾角。由於隔離壁的限制，流體從下方孔31進入上層方形空間後，分別從第一孔32、第二孔33、第三孔34向下流動，進入下層相鄰的方形空間；同樣地，流體從第三孔34流入下層空間後，只能從第四孔35、第五孔36、第六孔37向上流動，進入上層相鄰空間。在流動時,同一方形空間中的流體會受到來自相鄰多個方向方
形空間的流體流動的擾動，由此沿著流體總流動方向產生湍流。圖3中流體的可能流動路徑由實線箭頭表示。
34.在上述換熱微通道網絡的設計中，一方面利用了隔離壁增加散熱面積，另一方面利用湍流抑制了流體熱邊界層的充分發展。從而提高了散熱器的散熱效率。
35.圖4是本實施例中微通道散熱器的工作狀態示意圖。冷卻液從入口進入後經過分配器均勻地從多點進入換熱微通道網絡。發熱器件與下蓋板(第二蓋板)表面相貼，流體經過換熱微通道網絡將熱量帶走。使用過的冷卻液從多點流出，通過匯流器匯流到出口。冷卻液的流入、流出方向，熱量的傳遞方向如圖中箭頭所示。
36.可以設想到上述微通道冷卻器實施例的多個方面的可選方案。例如，還可以設想，除了實施例中所示矩形截面的分配器、匯流器通道之外，還可以採用橢圓或圓角矩形截面的通道方案。還可以設想，採用多種合適的材料，如鋁合金、矽等，來構造上述微通道散熱器。還可以設想，冷卻劑流體可以是氣體，也可以是液體。冷卻液流體也可以包含其他固體顆粒，例如納米流體，從而進一步改進熱傳輸能力。還可以設想，上述實例結構可用於兩相冷卻器，即液體在熱表面發生相變成為氣體；為此，結構設計上，氣體出口和氣體匯流器管道的截面積要大於入口和液體分配器管道的截面積。
37.還可以理解，本構思的微通道散熱器可以在單個裝置或多個裝置上集成使用。除了用於大功率電路板、天線陣列的散熱，也可用於高功率雷射器件、光學器件等。
38.以上內容是結合具體的優選實施方式對本實用新型所作的進一步詳細說明，不能認定具體實施只局限於這些說明。對於所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應當視為屬於本實用新型的保護範圍。