专利名称：采用热电－电磁泵驱动的液态金属芯片散热器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种芯片散热装置，特别涉及一种利用低熔点金属或其合金作为流动冷却工质的采用热电-电磁泵驱动的液态金属芯片散热器。
背景技术：
近年来，随着计算机芯片集成度的快速提高，对散热强度的要求也越来越苛刻，这促使人们更加关注于发展高功率密度散热器件，而体积小、效率高正是其中最重要的技术指标之一。冷却微小系统的困难在于(刘静，微米/纳米尺度传热学，北京科学出版社，2001)首先，过高的冷却空气速率会引起大的声学噪音；其次，器件结构紧凑性要求仅允许保留有限的冷却流体空间；再者，模块上应尽量避免安装大表面热沉。
当前个人计算机上普遍采用受迫对流空气来冷却发热器件，此种方式的散热量有限，一旦芯片发热密度过高，空冷会难以胜任。因此，人们逐步尝试采用水冷或其他有机液体解决散热问题，然而，这些方式虽然效率较高，但由于蒸发会导致器件老化、腐蚀，甚至出现泄露造成芯片烧毁。此外，研究人员也已着手考虑采用相变换热方式如热管技术来排走热量，但该法对器件的制作工艺要求较高，如芯体材料的制备、工质封装、维护等相当复杂，这使其应用受到很大限制。
2002年，本申请人在实用新型专利ZL02257291.0《一种芯片散热用散热装置》中首次提出将熔点在室温附近的液体金属用于芯片散热，这是国内外在计算机芯片散热技术上的创新性尝试。由于液体金属具有远高于非金属流体如水、空气乃至其他混合液体的热导率，且其热物性比较适合用于热量传输，因而将其作为冷却流体时，可以产生极优异的散热性能。IBM公司于2004年4月在网上发布新闻，宣布启动将液体金属用于芯片散热的研究计划。看来，利用液体金属实现芯片散热已引起著名公司的高度重视。
为使基于液体金属的芯片散热器的控制更方便，且尽可能降低其能耗，本实用新型专利提供一种采用热电-电磁泵驱动的液态金属传热的计算机芯片散热器，从而实现了在无需外界电能的情况下达到自维持工作。该散热器的工作原理是这样实现的，采用温差发电器将芯片发热端产生的热能部分转化为电磁泵工作所需电流，继而通过电磁泵驱动流道内的液体金属流动，从而持续不断地将芯片发热端产生的热量迅速传输走。这种散热器的电能来源于芯片本身产生的废热，因而无需或很少量需要电能，能耗较低。本专利中由于工作流体是金属，因而易于采用电磁驱动，采用该类方式驱动流体流动时，对供电的要求是采用小电压、大电流，而这恰恰为温差发电器提供了一个极好的用武之地，它也成为本专利中一个极有价值的地方。由于温差发电器、电磁泵等的体积可作得很小，因此由此设计成的液体金属型芯片散热器的结构相当紧凑，可针对不同微/纳米发热元件的散热需求制做成各种微型或稍大一些尺寸的散热器。
发明内容
本实用新型专利的目的在于提供一种利用低熔点金属或其合金作为流动冷却工质，并采用热电-电磁泵驱动的计算机芯片散热装置。这是一种纯电控的芯片冷却器，充分地利用了芯片发热端产生的废热，因而能耗较低。
本实用新型专利的技术方案如下本实用新型专利提供的采用热电-电磁泵驱动的液态金属芯片散热装置，包括一内设循环流道的高导热平片1；所述循环流道内装有液体金属8；放置在高导热平片1发热端上的至少一个温差电转换器件6；所述温差电转换器件6的上表面上放置带有肋片5的肋片散热器15；一微型电磁泵；所述微型电磁泵包括一内设两条流道的流道基底13，流道的一端分别通过连接管道3与所述高导热平片1内的循环流道的入口和出口相连通，每一条流道的内侧壁上设有相向放置的电极片对11，流道基底13的上下表面上分别设有永磁片10，所述电极片对11的放置方向与永磁片10的设置方向垂直；电极片对11的输入端引线12连接温差电转换器件6的电流输出导线9；一上下表面分别带有散热肋片5的散热器2；所述散热器2内设有循环流道，所述循环流道的两端口分别通过连接管道3与流道基底13内的两流道的另一端相连通；金属液体8封装在由高导热平片1、流道基底13和散热器2内的流道构成的循环通路中。
所述肋片散热器15的上方和散热器2的上下方均设有风扇7。
所述流道基底13由塑料、有机玻璃或聚合物非导体材料制做，其内流道内径为10纳米-10毫米，长度为1厘米-50厘米。
所述温差电转换器件6的数目为1到10个。
所述散热器2由高导热金属如铝、铜、金或银材料制做。
所述连接管道3由高导热金属如铝、铜、金、银材料或塑料制做。
本实用新型专利的采用热电-电磁泵驱动的液态金属芯片散热装置，引入热电-电磁泵，可方便地实现对低熔点金属或其合金液体的驱动，并使之达到高效输运芯片热量的目的，而且，芯片发热量越大，则温差发电器输出电能越高，因而驱动电磁泵产生的金属流体推力越大，传输的热量越多，因此，本实用新型专利提供的采用热电-电磁泵驱动的液态金属芯片散热装置是一种自维持、自适应型高效散热装置。而且，当温差发电器输出电能不够时，电极对的引线也可直接连通外界电源线，此时可获得更多电能、从而产生更大的流体驱动力；这种采用热电-电磁泵驱动的液态金属芯片散热装置具有能耗低、控制更为灵活的优点。
附图1为散热器的运行原理及结构示意图；附图2为散热器肋片及流道的截面示意图；附图3为导热片或散热器内的流道结构示意图。
其中高导热平片1 散热器2 连接管道3肋片5 电流输出导线9风扇7液体金属8 永磁片10 肋片散热15电极片对11 电极引线12 流道基底13；流道14 肋片散热1具体实施方式
以下结合附图和具体实施例进一步描述本实用新型专利
图1为本实用新型专利提供的采用热电-电磁泵驱动的液态金属芯片散热装置的结构示意图，也是本实用新型专利的一个实施例；附图2为该散热装置中的散热器肋片及循环通道的截面示意图；附图3为导热片及散热器内的流道结构示意图。
由图可知，本实用新型专利提供的采用热电-电磁泵驱动的液态金属芯片散热装置，包括一内设循环流道的高导热平片1；所述循环流道内装有液体金属(8)；放置在高导热平片1发热端上的至少一个温差电转换器件6；所述温差电转换器件6的上表面上放置带有肋片5的肋片散热器15；一微型电磁泵；所述微型电磁泵包括一内设两条流道的流道基底13，流道的一端分别通过连接管道3与所述高导热平片1内的循环流道的入口和出口相连通，每一条流道的内侧壁上设有相向放置的电极片对11，流道基底13的上下表面上分别设有永磁片10，所述电极片对11的放置方向与永磁片10的设置方向垂直；电极片对11与温差电转换器件6电连接；一上下表面分别带有散热肋片5的散热器2；所述散热器2内设有循环流道，所述循环流道的两端口分别通过连接管道3与流道基底13内的两流道的另一端相连通；金属液体8封装在由高导热平片1、流道基底13和散热器2内的流道构成的循环通路中。
所述肋片散热器15的上方和散热器2的上下方均设有风扇7。
所述流道基底13由塑料、有机玻璃或聚合物非导体材料制做，其内流道内径为10纳米-10毫米，长度为1厘米-50厘米。
所述温差电转换器件6的为1到10个。
所述散热器2由高导热金属如铝、铜、金或银材料制做。
所述连接管道3由高导热金属如铝、铜、金、银材料或塑料制做。
微型电磁泵的制作如下，可在流道基底13上预先制作出矩形流道14，并在其相对的两壁上固定一对电极片11，之后在流道14两侧的壁面上钻出半径在0.01mm～1mm的小孔，将一对金属铜电极片11的引线12沿此两孔分别穿出流道14(流道内径可根据需要做成10纳米-10毫米，长度1厘米-50厘米不等)，之后密封该两侧小孔；再从市场上购置一对磁场强度在0.01～2特斯拉范围的永磁片10，其厚度约0.1～5mm，半径在0.1～5cm之间，将其沿垂直于电极片对11的方向布置在流道基底13的上下表面(见图2)；于是，当电极片11接通温差电转换器件6时，其与永磁体10的联合作用就会推动管道14内的金属流体8流动，从而实现热量输运的功能；对于多个流道如图2所示的两股往返流道情况，各流道内电极的正负极布置方向应相反，以便在通电时电磁驱动的力量是加和的关系，而不是相互抵消；这样设置多对电极的作法相当于在整个流道上增加了多个分布式驱动泵，因而流体驱动力更强。本装置中所设计的各流道14可通过机加工或其他成熟技术作出，之后与连通管道3连接，但在一端应留有开口，以便将熔化后的低熔点金属或其合金(呈液体状态)8沿此开口注入管道和循环通路中，待整个流道内充好液体金属8后，将上述开口予以封装，即形成内部循环通道为密闭的高效散热机构，将其贴附于待散热的芯片表面，即可实现热量的高效传输。根据需要，连通管道3可由金属、聚合物或塑料等制成，其长短可根据需要加以调整，此方式对于计算机芯片的冷却较为灵活，整个散热结构的尺寸可根据需要制作。本散热器中采用的流动工质即液体金属8除采用最常见的镓外，也可采用其合金(如比例在0～100％范围的铟化镓)等。
本装置中，在流动管道内设置有微型电磁泵，其能量来源于热电式温差发电器6，当电磁泵工作时，可在流道14内造成一定驱动力，于是，在其作用下，循环通道内的液体金属8即由导热片1流动到散热器2，并在那里将热量排放出去。液体金属8放出热量后，再通过电磁泵的驱动回流到导热片1，继续完成新的热量输运。
本实用新型专利中对于毫、微米级的管道内微孔或槽可通过现有技术加工出。目前的进展已使得加工由多个水力学直径在10nm到103μm之间的微管道成为可能。这些槽道可制作在硅、金属或其它合适材料的薄片上。这些技术保证了本散热装置的加工。比如，制作散热器的流道时，若所要求的管道尺寸较小(如在数十微米量级)，则需采用一些微/纳米加工技术如LIGA技术、激光打孔等在散热器基底1，2(可为金属如铝或半导体硅等)上按一定管道方式加工出一系列微型槽或孔道。若管道尺寸很大(如毫米到厘米量级)，则采用常规方法如机加工或电加工即可作出。整个制造工艺并不复杂。
为达到较好的散热效果，一般用作本实用新型的液体金属8或其合金应满足如下要求无毒，对所接触材料不起腐蚀及化学作用，在100℃左右的高温下不发生化学反应；便于获取；具有一定的热稳定性；比热、热导率和热扩散率要高，因而在传递一定的热量时，可使流量小，传热迅速。工质应与结构材料相容，所选工质应不能造成对散热器系统部件产生腐蚀和锈化等影响使用寿命的不利因素，此外，工质还应具有较大的熔化潜热和较小的粘性系数。比如，同样作为液体金属的钠，即使其熔点97.82℃，钾的熔点为63.2℃，它们均不适合于芯片冷却用，一方面是因其熔点对于芯片散热而言偏高，另一方面是因钠和钾极易与水发生化学反应。另外，水银的熔点虽然很低，为-38.87℃，但因有毒性，也不宜考虑作为工质。当然，若解决好密封问题，其独特的低熔点也可能会在芯片散热器上发挥重要用途，稼等金属在零度以上有时易于凝固，而水银则无此问题，这使其也成为一种在特殊场合下有潜在应用价值的金属冷却剂。显然，本实用新型装置提供的结构也易于采用这样的流体金属，实际过程中可根据要求具体选用。
目前，本实用新型提供的装置中，推荐以稼或其合金为主。镓是柔软的银白色金属，它在大气环境下的熔点很低，仅29.77℃，熔化潜热为19.16cal/克(钱增源，低熔点金属的热物性，北京科学出版社，1985)；镓熔融时体积减小。液体镓在熔点时的导热系数为25.2kcal/m.h.℃，远高于空气和水；液体镓在100℃时的比热为0.082cal/g.℃。这些热特性表明将镓作为芯片散热用的冷却介质是十分合适的。在常温下，镓在空气中是稳定的，当温度在260℃以上时，干燥的氧可使镓金属氧化，但生成的氧化膜可防止它继续氧化(《希有金属知识》编写组，希散金属，北京冶金工业出版社，1978)。特别是，镓可与许多金属如铋、锡、铟等易于生成熔点低的合金，例如，含锡8％的镓合金熔点为20℃，含铟25％的镓合金在16℃时即熔化。进一步地，采用多元混合物，还可获得熔点更广泛的金属流体，比如(顾学民，龚毅生，臧希文，汤卡罗，吕云阳，曾文臻，无机化学丛书第二卷，北京科学出版社，1990)，三元低共熔混合物62.5％Ga，21.5％In，16％Sn的熔点为10.7℃，而三元低共熔混合物69.8％Ga，17.6％In，12.6％Sn的熔点为10.8℃。它们均可作为本实用新型提供的散热器中的工作介质。
本实用新型专利具有很多优点，首先，基于热电-电磁泵驱动低熔点金属或其合金的流动，实现了自维持型的纯电控方式，由于无需蠕动泵，而采用结构极为紧凑的电磁泵，因而所制成的芯片散热器尺寸可以很小，而传热能力则较高。本实用新型专利是一种能耗较低的纯电控芯片散热器；整个散热器内液体金属的循环过程是封闭的，不会对环境造成影响。
本实用新型专利的散热装置可方便地用于将器件产生的热量从其表面导走。以实施例1为例，使用本实用新型专利的方式如下根据待散热表面面积大小，选择不同大小的散热装置，将其紧贴于芯片发热表面，二者之间的接触面采用高导热率油脂以增加传热效果；于是，当发热端产生的热量足够多时，温差电转换器件6输出足够大的电流，该电流输送到电极片11上，从而驱动流道14内的液体金属8流动，由此，基于金属流体8的流动，即可将器件内产生的热量由导热片1基底传输到散热器2并排走，从而使芯片维持在一个正常的工作温度。
权利要求1.一种采用热电-电磁泵驱动的液态金属芯片散热器，其特征在于，包括一内设循环流道的高导热平片(1)；所述循环流道内装有液体金属(8)；放置在高导热平片(1)发热端上的至少一个温差电转换器件(6)；所述温差电转换器件(6)的上表面上放置带有肋片(5)的肋片散热器(15)；一微型电磁泵；所述微型电磁泵包括一内设两条流道的流道基底(13)，流道的一端分别通过连接管道(3)与所述高导热平片(1)内的循环流道的入口和出口相连通，每一条流道的内侧壁上设有相向放置的电极片对(11)，流道基底(13)的上下表面上分别设有永磁片(10)，所述电极片对(11)的放置方向与永磁片(10)的设置方向垂直；电极片对(11)与温差电转换器件(6)电连接；一上下表面分别带有散热肋片(5)的散热器(2)；所述散热器(2)内设有循环流道，所述循环流道的两端口分别通过连接管道(3)与流道基底(13)内的两流道的另一端相连通；金属液体(8)封装在由高导热平片(1)、流道基底(13)和散热器(2)内的流道构成的循环通路中。
2.按权利要求1所述的采用热电-电磁泵驱动的液态金属芯片散热器，其特征在于，所述肋片散热器(15)的上方和散热器(2)的上下方均设有风扇(7)。
3.按权利要求1所述的采用热电-电磁泵驱动的液态金属芯片散热器，其特征在于，所述流道基底(13)由塑料、有机玻璃或聚合物非导体材料制做，其内流道内径为10纳米-10毫米，长度为1厘米-50厘米。
4.按权利要求1所述的采用热电-电磁泵驱动的液态金属芯片散热器，其特征在于，所述温差电转换器件(6)的为1到10个。
5.按权利要求1所述的采用热电-电磁泵驱动的液态金属芯片散热器，其特征在于，所述散热器(2)由高导热金属如铝、铜、金或银材料制做。
6.按权利要求1所述的采用热电-电磁泵驱动的液态金属芯片散热器，其特征在于，所述连接管道(3)由高导热金属如铝、铜、金、银材料或塑料制做。
专利摘要一种采用热电－电磁原驱动的液态金属芯片散热器，包括装液体金属的高导热平片循环流道；放在高导热平片发热端的温差电转换器件上表面的肋片散热器；和微型电磁泵；泵内设两条流道的流道基底，流道一端分别与高导热平片的循环流道入口和出口相通，流道内侧壁上设相向放置的电极片对，流道基底上下表面上分别设永磁片，电极片放置方向与永磁片设置方向垂直；电极片输入端连接温差电转换器件的电流输出端；散热器内设循环流道，其两端口分别与流道基底的两流道另一端相通；金属液体封装在由高导热平片、流道基底和散热器内的流道构成的循环通路中。结构紧凑、能耗较低，用于驱动液体金属流动的电磁泵电能来自半导体温差发电器，属无需外界供应电能的自维持型芯片散热装置。
文档编号H01L23/46GK2736933SQ200420072948
公开日2005年10月26日 申请日期2004年7月2日 优先权日2004年7月2日
发明者刘静 申请人:中国科学院理化技术研究所