[发明专利]一种电子芯片自适应微通道冷却装置及其制作方法

说明书

本发明公开了一种电子芯片自适应微通道冷却装置及其制作方法，所述装置包括一面设有微通道结构的模拟芯片、水凝胶微阀、歧管分配/收集器、密封膜层、PCB、基板，所述水凝胶微阀集成在微通道中，微通道与歧管分配/收集器相通，其中水凝胶微阀通过自身体积随热负荷的变化实现对微通道流量的智能调控。制作上述自适应微通道冷却装置时，首先加工微通道结构和金属镀层，填充熔化石蜡并在微柱结构周围压印水凝胶微阀轮廓，然后将水凝胶溶液填入压印轮廓中，待聚合完成后清洗石蜡得到集成在通道中的水凝胶微阀，最后将各部件堆叠和压紧。本发明结构简单，易于批量制造，具有很好的流量调节效果，能够解决传统微通道冷却面临的泵功浪费和冷却经济性的问题。

技术领域

本发明涉及芯片散热技术领域，特别是一种电子芯片自适应微通道冷却装置及其制作方法。

背景技术

随着电子芯片集成度的不断提高，其面临的散热问题也越来越严重，采用空气自然对流、强迫风冷等方式已无法满足高热流密度电子芯片的散热需求。与风冷技术相比，以微通道热沉等为代表的水冷技术具有更大的对流换热面积，更高的对流换热系数，近年来受到了广泛关注。电子芯片冷却的另一个关键在于减小从产热节点到通道壁面的导热热阻。基底嵌入式微通道直接将微通道结构加工在芯片基底中，在利用微通道高效冷却性能的同时缩短了从节点到通道壁面的导热路径，实现了对电子芯片的高效、近节点冷却。为保证冷却的安全可靠，传统微通道往往采用最大热负荷所需的工质流量运行，而实际芯片工作过程中的热负荷是不断变化的，且微通道结构水力直径小，流动阻力大，由此导致了显著的泵功浪费，严重降低了微通道冷却技术的经济性。

自适应微通道通过引入温敏调节机构感知热负荷的变化，并对通道流量进行自动调控。与传统无调节微通道相比，自适应微通道能够在不影响冷却能力的同时，根据实时热负荷智能匹配所需的工质流量，从而达到减小泵功消耗，提高冷却经济性的目的。目前的自适应冷却方案主要采用温敏微阀对流量进行调控。例如在冷板入口位置设置石蜡驱动微阀，热负荷增大后微阀温度上升，石蜡相变过程中体积发生变化，从而达到驱动微阀，增大流量的目的。采用记忆合金作为驱动元件也可实现类似的功能。虽然上述微阀能够实现工质流量的自适应调节，但微阀结构复杂，且尺寸受加工工艺限制难以进一步缩小，因此往往只是将单个微阀布置在冷板中，难以集成到基底嵌入式微通道中以实现对芯片局部热负荷的自适应调节，石蜡相变微阀还面临泄漏的风险。对比文献1(Laguna,Gerard,et al.Numerical parametric study of a hotspot-targeted microfluidic cooling arrayfor microelectronics.Applied Thermal Engineering 144(2018):71-80)将整个基底划分为多个微流体冷却单元，在每个单元出口位置布置与通道顶面平行的金属阀片，利用金属阀片和硅基底之间热膨胀系数的差异实现了工质流量的温敏调节，但此时需在阀片和单元出口间增设额外的导流槽改变阀片处的流动方向才能发挥调节作用，单元结构和流动组织方式复杂，不利于大规模应用。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种电子芯片自适应微通道冷却装置及其制作方法，解决传统自适应微通道存在的结构复杂，难以实现芯片级集成的问题。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种电子芯片自适应微通道冷却装置，其特征在于，包括一面设有微通道结构的模拟芯片、水凝胶微阀、歧管分配/收集器、密封膜层、镂空狭槽、PCB、基板，所述水凝胶微阀集成在模拟芯片的微通道中中，微通道与歧管分配/收集器相通，二者之间用密封膜层进行密封，模拟芯片另一面与PCB接触，PCB下方布置基板。所述多个微通道平行布置，截面形状为矩形，每个通道中心线上设有多个微柱结构，水凝胶材质为采用物理交联的纳米复合水凝胶，呈圆环形，嵌套在微通道中心的微柱周围，溶胀后外径与通道宽度一致，歧管分配/收集器中分配通道与收集通道截面为矩形，位置与模拟芯片上的微通道相对应。密封膜层为0.2mm厚的硅橡胶膜，其中镂空狭槽的数目和尺寸与微通道数目和尺寸一致。