專利名稱：微射流陣列冷卻熱沉的制作方法
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。
目前國內(nèi)外正在積極著手研究和已經(jīng)應(yīng)用的微冷卻器包括微熱交換器、微冷凍機、微通道熱沉、微熱管均熱片及整合式微冷卻器等。其中微通道熱沉已經(jīng)被證實是傳熱性能最佳且最具應(yīng)用潛力的冷卻方式之一。
目前普遍公認的兩種有代表性的微通道冷卻熱沉是傳統(tǒng)微通道型(Traditional Microchannel Type，TMC)和岐管微通道型(ManifoldMicrochannel Type，MMC)。TMC熱沉的特點是入口和出口分別位于被冷卻元器件的兩端。雖然TMC熱沉具有高的冷卻能力，但兩個設(shè)計上的局限限制了它的廣泛應(yīng)用。其一，是由于小尺寸所產(chǎn)生的較大壓力降；其二，是熱源入口、出口間巨大的溫度變化。而MMC熱沉具有多條入口、出口通道，以一定間隔交替分布在通道長度方向上。在一個固定的流率下，依據(jù)岐管通道的入口/出口數(shù)量，流動阻力被相應(yīng)減小，溫度變化幅度被相應(yīng)減小，總的傳熱熱阻也被相應(yīng)地減小。因此，與TMC熱沉相比，MMC熱沉具有很大的優(yōu)越性。然而，無論是TMC熱沉還是MMC熱沉，其冷卻機理均為通道內(nèi)流體受迫對流換熱。其結(jié)果是通道入口處流體溫度低、冷卻效果好，而出口處流體溫度高、冷卻效果相對較差，由此導(dǎo)致?lián)Q熱表面溫度分布不均。而這一局部區(qū)域的溫度分布(特別是最高溫度)是影響被冷卻器件工作特性的關(guān)鍵，也是評價微通道熱沉性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)。
一種微射流陣列冷卻熱沉，其特征在于，如圖1所示，包括有依次封裝在一起的過流片1，射流入口腔片2，射流噴嘴片3，射流出口片4，傳熱片5；過流片1上開有與外部管路連接的進液口6和出液口7；射流入口腔片2上設(shè)有射流入口腔8，在與過流片1上的進液口6和出液口7相對應(yīng)的位置分別開有進液孔9和出液孔10；射流噴嘴片3上設(shè)有與射流入口腔8和設(shè)置在射流出口腔片4上的射流出口腔14相通的射流噴嘴11，連通進液孔9和射流入口腔8的進液導(dǎo)流通道12，連通出液孔10和射流出口腔14的出液導(dǎo)流通道13；射流出口腔片4上在與射流入口腔片2的射流入口腔8相對應(yīng)的位置設(shè)有射流出口腔14。
如圖8所示，本發(fā)明的射流出口腔片4上在與過流片1上的進液口6和出液口7相對應(yīng)的位置開有進液孔9和出液孔10，傳熱片5上在與過流片1上的進液口6和出液口7相對應(yīng)的位置分別開有進液口6和出液口7。
本發(fā)明采用了由孔陣列組成的射流噴嘴11。
如圖4所示，本發(fā)明在射流出口腔片4上采用了開有微通道17的射流出口腔14，微通道17的數(shù)量及位置與射流噴嘴11中的孔相對應(yīng)。
本發(fā)明提出的微射流陣列冷卻熱沉基于射流沖擊換熱理論。射流沖擊冷卻時，流體法向沖擊傳熱表面，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，采用合理的微射流陣列布置方式，可以極大地提高被冷卻表面溫度分布的均勻性。因此，微射流陣列冷卻熱沉是減小電子器件換熱表面最高溫度、降低溫度變化的有效方法。
如圖2所示，將熱沉片組合封裝后形成微射流陣列冷卻熱沉15。在熱沉內(nèi)部可形成封閉的流體循環(huán)，流體流經(jīng)順序為進液口6、進液孔9、進液導(dǎo)流通道12、射流入口腔8、射流噴嘴11、射流出口腔14、出液導(dǎo)流通道13、出液孔10、出液口7，流體通過射流噴嘴11以較高的速度、垂直噴射在傳熱片5上，實現(xiàn)了高熱流通量傳熱。
換熱工質(zhì)可分別選用空氣、水、制冷劑等。根據(jù)所用工質(zhì)以及器件最佳工作溫度范圍，在傳熱表面上將形成單相流體射流沖擊換熱、射流沖擊相變換熱來實現(xiàn)冷卻技術(shù)要求。
熱沉片可選用無氧銅、硅片、銀等材料，總體幾何形狀尺寸可根據(jù)被冷卻器件尺寸及總體封裝要求確定。
射流沖擊冷卻是一種強烈的對流換熱方式，特別是在微細尺度條件下，射流沖擊換熱具有極高的換熱速率。本發(fā)明充分利用了微射流沖擊換熱系數(shù)極高這一特點，利用微射流陣列熱沉來冷卻微電子器件，同時在某些情況下可以實現(xiàn)射流沖擊相變換熱，利用流體發(fā)生相變時的潛熱來實現(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結(jié)構(gòu)示意圖；圖中1、過流片，2、射流入口腔片，3、射流噴嘴片，4、射流出口腔片，5、傳熱片，6、進液口，7、出液口，8、射流入口腔，9、進液孔，10、出液孔，11、射流噴嘴，12、進液導(dǎo)流通道，13、出液導(dǎo)流通道，14、射流出口腔；圖2具有圖1所示結(jié)構(gòu)的本發(fā)明示意圖；圖中15、冷卻熱沉；圖3本發(fā)明冷卻半導(dǎo)體激光條的示意圖；圖中16、半導(dǎo)體激光條；圖4本發(fā)明的具有圓孔陣列射流噴嘴和微通道的結(jié)構(gòu)示意圖；圖中17、微通道；圖5本發(fā)明的具有長方孔陣列射流噴嘴的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6具有圖5所示結(jié)構(gòu)的本發(fā)明示意圖；
圖7本發(fā)明冷卻大功率半導(dǎo)體激光器陣列的示意圖；圖中18、電源正極，19、絕緣層，20、光線，21、入口管，22、出口管，23、密封圈；圖8射流出口腔片上具有進、出液孔和傳熱片上具有進、出液口的冷卻熱沉結(jié)構(gòu)示意圖。
實施例2如圖4所示，在射流出口腔片4上的射流出口腔14開有微通道17，微通道17的數(shù)量及位置與射流噴嘴11中的圓孔相對應(yīng)，微通道17的寬度為300-500微米，各片加工完成后，依次焊接在一起，形成微射流冷卻熱沉，流體在熱沉內(nèi)部流經(jīng)順序為進液口6、進液孔9、進液導(dǎo)流通道12、射流入口腔8、射流噴嘴11、微通道17、射流出口腔14、出液導(dǎo)流通道13、出液孔10、出液口7；當(dāng)流體進入到射流入口腔8后，首先通過射流噴嘴11以較高的速度、垂直噴射在傳熱片5上，實現(xiàn)了高熱流通量傳熱，然后流體經(jīng)微通道17流動到射流出口腔14，實現(xiàn)了與傳熱面換熱，充分利用了射流沖擊換熱與通道內(nèi)受迫對流換熱組合的冷卻方式。
實施例3如圖5所示，采用兩塊厚度為200微米的射流噴嘴片3，射流噴嘴11由一排均勻排列的寬度為40微米、長度為500微米的長方孔組成，射流出口腔片4的厚度為200微米，過流片1、射流入口腔片2、傳熱片5的厚度均為300微米，如圖6所示為具有圖5結(jié)構(gòu)的熱沉示意圖。流體在熱沉內(nèi)部流經(jīng)順序為進液口6、進液孔9、進液導(dǎo)流通道12、射流入口腔8、射流噴嘴11、射流出口腔14、出液導(dǎo)流通道13、出液孔10、出液口7。流體通過射流噴嘴11的長方孔以平面射流方式垂直、高速噴射在傳熱片5上，實現(xiàn)了對于某些具有狹長的發(fā)熱區(qū)域器件的冷卻。
實施例4如圖7所示，采用本發(fā)明冷卻大功率半導(dǎo)體激光器陣列，該陣列由M個發(fā)光單元組成，在本實施例中M＝4，每個發(fā)光單元間涂有絕緣層19；每個發(fā)光單元包括電源正極18、冷卻熱沉15、及置于它們之間的半導(dǎo)體激光條16和絕緣層19，冷卻熱沉15同時作為電源負極，半導(dǎo)體激光條16在電場的作用下發(fā)出光線20。流體經(jīng)入口管21分別進入每個冷卻熱沉15，經(jīng)出口管22流出；入口管21、出口管22與冷卻熱沉15之間有橡膠密封圈23密封。
在本實施例中，最上方的冷卻熱沉15與圖1所示結(jié)構(gòu)相同，即射流出口腔片4、傳熱片5上無進、出液孔，下方的冷卻熱沉15的射流出口腔片4、傳熱片5上分別加工有進、出液孔和進、出液口，如圖8所示，這樣，冷卻流體可以經(jīng)過同一根入口管分別進入每個熱沉，并經(jīng)同一出口管流出，實現(xiàn)了對大功率半導(dǎo)體激光器陣列的冷卻。
權(quán)利要求
1.一種微射流陣列冷卻熱沉，其特征在于，包括有依次封裝在一起的過流片(1)，射流入口腔片(2)，射流噴嘴片(3)，射流出口片(4)，傳熱片(5)；過流片(1)上開有與外部管路連接的進液口(6)和出液口(7)；射流入口腔片(2)上設(shè)有射流入口腔(8)，在與過流片(1)上的進液口(6)和出液口(7)相對應(yīng)的位置開有進液孔(9)和出液孔(10)；射流噴嘴片(3)上設(shè)有與射流入口腔(8)和設(shè)置在射流出口腔片(4)上的射流出口腔(14)相通的射流噴嘴(11)，連通進液孔(9)和射流入口腔(8)的進液導(dǎo)流通道(12)，連通出液孔(10)和射流出口腔(14)的出液導(dǎo)流通道(13)；射流出口腔片(4)上在與射流入口腔片(2)的射流入口腔(8)相對應(yīng)的位置設(shè)有射流出口腔(14)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微射流陣列冷卻熱沉，其特征在于，所述的射流出口腔片(4)在與過流片(1)上的進液口(6)和出液口(7)相對應(yīng)的位置分別開有進液孔(9)和出液孔(10)；所述的傳熱片(5)在與過流片(1)上的進液口(6)和出液口(7)相對應(yīng)的位置分別開有進液孔(6)和出液孔(7)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種微射流陣列冷卻熱沉，其特征在于，采用了由孔陣列組成的射流噴嘴(11)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種微射流陣列冷卻熱沉，其特征在于，在射流出口腔片(4)上采用了開有微通道(17)的射流出口腔(14)，微通道(17)的數(shù)量及位置與射流噴嘴(11)中的孔相對應(yīng)。
全文摘要
微射流陣列冷卻熱沉，屬于微電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種冷卻裝置。本發(fā)明包括有依次封裝在一起的過流片(1)，射流入口腔片(2)，射流噴嘴片(3)，射流出口片(4)，傳熱片(5)；過流片(1)上開有進液口和出液口；射流入口腔片(2)上設(shè)有射流入口腔、進液孔和出液孔；射流噴嘴片(3)上設(shè)有與射流入口腔和設(shè)置在射流出口腔片(4)上的射流出口腔相通的射流噴嘴，連通進液孔和射流入口腔的進液導(dǎo)流通道，連通出液孔和射流出口腔的出液導(dǎo)流通道；射流出口腔片(4)上設(shè)有射流出口腔。本發(fā)明實現(xiàn)了高熱流通量傳熱，具有極高的換熱速率，有效地降低了電子器件換熱表面的溫度，而且能提高換熱表面溫度分布的均勻性。
文檔編號H01L23/473GK1471159SQ03146648
公開日2004年1月28日 申請日期2003年7月11日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月11日
發(fā)明者夏國棟 申請人:北京工業(yè)大學(xué)