[发明专利]一种多孔微柱变曲率型面的芯片强化沸腾换热结构

说明书

技术领域

本发明涉及超高热流密度沸腾强化换热技术，特别涉及一种适用于超高热流密度微电子芯片高效冷却技术，具体为一种多孔微柱变曲率型面的芯片强化沸腾换热结构。

背景技术

随着MEMS微电子机械加工技术的迅猛发展，电子元器件高频、高速、高集成化的要求越来越高，高温的工作环境势必会影响电子元器件的性能，这就要求对其进行更加高效冷却来满足其要求。因此，有效解决电子元器件的散热问题已成为当前电子元器件和电子设备制造的关键技术。

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，不导电液体相比水而言，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，发明人曾在芯片表面开设平行槽道进行研究，发现在低热流密度区电子器件散热得到了显著强化，但是在高热流密度区由于槽道之间不连通，且槽道内液体流动阻力逐渐增加，这样在槽道底部易形成汽膜，使得新鲜液体难以及时补充，导致壁面出现蒸干现象，提前发生临界热流密度；后来又提出在芯片表面采用干式腐蚀技术生成十字交叉的方柱微结构进行强化沸腾换热，其研究结果表明，利用这种相互连通的微结构微通道，可以显著的提高临界热流密度值，但是，该结构在沸腾起始时会出现较大温度跳跃同时壁面温度会过高，这样对电子器件的热性能会产生较大冲击，同时使得电子器件的使用寿命有所降低，归其主要原因是起始沸腾所需过热度较高，而能够提供产生汽泡的汽化核心数较少所致。

近年来，国内外其他研究学者提出了利用多孔介质涂层和泡沫金属结构表面进行芯片的沸腾强化换热，对相关文献进行研究发现这种多孔结构能有效促进核化现象，通过增加产生汽泡的汽化核心数，使得沸腾起始时壁面温度降低和温度过升量减少；同时，利用多孔结构的毛细作用力将主流区的流体抽吸到受热表面，进行强化沸腾换热。但是，由于多孔结构内部相互交错，在核态沸腾区，多孔结构内部汽泡大量蒸发产生气膜，这样汽体与主流液体形成的逆向流动阻力较大，导致细小孔隙对液体的毛细作用力不足以克服液体流动阻力，最后在加热面上不能及时得到主流液体的补充，使得发热元器件表面在较低的热流下就可能出现蒸干现象，提前从核态沸腾进入膜态沸腾，且在较小临界热流密度时壁面温度已大于芯片正常工作结点温度85℃。

早在1988年Jones等人在文献Electronic cooling through porous layers with wick boiling[C]Proc.National Heat Transfer Conf.，vol.1,pp：523-532，1988.中对多孔涂层表面用于强化电子器件冷却散热装置进行了实验，发现多孔表面底部产生的蒸汽层中蒸汽首先进行水平流动，找到较大孔径的孔隙通道时得以向上溢出，由此启发人们，在多孔涂层表面开设槽道可以减少蒸汽的阻力，使蒸汽走槽道，液体走多孔区，从而汽液流动更有序，沸腾传热强度增强，临界热流密度提高，推迟核态沸腾向膜态沸腾的转变。由此，许多研究学者对多孔表面开槽方式主要集中在多孔结构表面开设矩形微槽，通过增加毛细作用有效区域，提高核态沸腾换热，结果表明：临界热流密度相比没有开槽的多孔结构大大提高，但是，对于超高热流密度沸腾区域，发热元器件表面换热恶化，其热流密度值随着壁面过热度线性增加，而且研究发现临界热流密度与开设槽道数目多少和尺寸大小均无关，主要由于在超高临界热流密度情形下，对于大尺寸槽道（数目少）而言虽然流体流动阻力减少，但同时会导致毛细泵吸作用降低，这样不利于液体通过槽道顺利供应给加热表面，而对于小尺寸槽道（数目多）虽然毛细泵吸作用增强，但是相应流体流动阻力也会同步增加。

发明内容

针对现有强化表面技术对超高热流密度电子器件冷却存在的不足和缺陷，本发明的目的在于同时利用“增加汽化核心数目，改善毛细压头和流动阻力同步增加或同步减少”的强化换热原理，提供一种质轻，比表面积大，高的热传导率，能够消除和降低沸腾起始时的温度过升量与壁面过热度，增加毛细压头作用力，降低流动阻力，增大临界热流密度的多孔微柱变曲率型面的芯片强化沸腾换热结构。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：包括芯片表面的散热板以及在散热板上面利用泡沫金属形成若干个多孔变曲率型面三维微结构，其中多孔变曲率型面三维微结构为六面型，上下表面为不同尺寸的正方形，4个侧表面为相同形状的弧面。

上述方案的进一步特点在于：