[发明专利]一种组合式柱状的芯片强化沸腾换热微结构及其制造方法

说明书

本发明公开了一种组合式柱状的芯片强化沸腾换热微结构及其制造方法，包括芯片表面的散热板，散热板上设置有若干组合单元，每个组合单元由五个微柱组成，组合单元中心为圆柱形微柱，圆柱形微柱的四周对称设有四个工字型微柱，每个工字型微柱面向圆柱形微柱以及背向圆柱形微柱的两个面为相同的抛物线曲面，其余两个侧面和顶面均为平面，且每两个相邻的组合单元之间共用一个工字型微柱。本发明可以大大增加汽泡汽化核心数目，显著提高核态沸腾换热性能及临界热流密度。

技术领域

本发明属于超高热流密度沸腾强化换热技术，涉及一种适用于超高热流密度微电子芯片高效冷却技术，具体涉及一种组合式柱状的芯片强化沸腾换热微结构及其制造方法。

背景技术

随着MEMS微电子机械加工技术的高速发展，电子元器件的尺寸在不断减小，工作频率越来越高，然而这两个改变带来的却是电子器件的热流密度不断提高，散热问题成了制约电子器件集成度进一步提高的关键。因此有效地解决电子器件的散热问题成为当前电子器件制造的关键技术。

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，相比水而言，不导电液体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，国内外众多学者进行了大量研究工作，其中强化表面结构是一种很有效的提高临界热流密度，减小壁面过热度的方法。随着微加工技术的发展，强化表面结构研究进入了微尺度时代，由于微结构表面的芯片沸腾换热时微通道的表面力和粘性力相对作用增强，而惯性力的作用变小，因此微结构表面芯片的换热效率可以大大的提高。

最初的光滑芯片由于其汽化核心少的原因，沸腾换热的效果比较差，沸腾曲线斜率很小，临界热流密度低，很容易形成膜态沸腾而导致传热恶化。在芯片上加工微槽道结构能够有效地增加芯片壁面的汽化核心数，芯片低热流密度区的换热得到了显著的强化，但是由于其槽道之间不连通，且槽道内的流动阻力随槽道的长度增加而逐渐增加，使得槽道内补液困难，因此芯片在高热流密度区容易形成膜态沸腾而导致传热恶化。

魏进家和Honda等对方柱微结构表面进行了深入的研究，发现利用这种相互连通的微通道，可以显著地提高临界热流密度值，并且在高热流密度区沸腾曲线非常陡直，壁面温度较稳定，达到临界热流密度时壁面温度远低于芯片工作的上限温度。但是，这种方柱微结构受其自身微柱的形状以及排列方式所限，会导致液体在微结构方柱之间微通道的流动阻力很大，导致其在高热流密度区的补液比较困难。

圆柱微结构表面能够很好地解决流动阻力大的问题，但是由于微通道在补液时表面力和粘性力发挥着重要的作用，圆柱微结构在减小了流动阻力的同时也使得其毛细泵吸力减小，因此这种微结构表面在高热流密度区的补液也存在一定问题。因此如何改善“毛细压头和流动阻力同步增加或同步减少”这一问题，是进一步强化芯片等电子器件表面沸腾换热的关键因素。

在近年的研究发现，在高热流密度区或接近临界热流密度时，换热表面产生的大量气体脱离换热表面，气液两相之间的摩擦阻力显著增大，从而增大了新鲜液体在垂直于换热表面方向上的补给难度，这是导致临界热流密度难以进一步提高的主要原因。因此减小垂直于换热表面方向上的气液两相间摩擦阻力，将气体脱离通道和液体补给通道分开，对进一步提高换热表面高热流密度区换热性能和临界热流密度有重要作用。

发明内容

针对现有强化表面结构对超高热流密度电子器件冷却存在的不足和缺陷，本发明提供了一种组合式柱状的芯片强化沸腾换热微结构及其制造方法。本发明具有高传热效率，增加毛细压力头作用，降低流动阻力，增大临界热流密度的优势。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：