一种新型微针肋阵列热沉的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于微电子高功率芯片封装散热领域，涉及一种新型微针肋阵列热沉，其 散热效果优于常规菱形微针肋阵列热沉。
【背景技术】
[0002] 随着半导体加工技术的不断进步，微机电系统MEMS制造技术的不断成熟，微型紧 凑式换热器由于其优越的换热性能，可用于解决高功率器件的散热问题，受到了国内外学 者的关注。
[0003]目前使用或研究较多的微冷却器包括：微型换热器、微冷冻机、微通道热沉、微热 管均热片和微整合式冷却器等。微通道热沉作为第一代微型热沉，具有高效的换热能力，从 1984年提出到现在，经历了很长时间的发展。由于其加工制作技术比较成熟，已在很多领域 得到了应用。
[0004] 2010年华中科技大学的罗小兵和陈剑楠等人申请发明了一种用于电子封装器件 的微通道热沉，其申请号为201010146723. 4。该微通道热沉如图1所示：该微通道热沉由 三部分组成，其中103是盖板，104是微流体通道，105是基底。101是发热器件，即热源，102 是导热绝缘胶或其它高导热系数的粘接材料。该微通道散热器通过导热材料粘接到热源 上。热源工作时产生的热量通过导热材料传递到微通道的壁面，通过泵驱动冷却剂流经微 通道，带走侧壁的热量。
[0005] 该微通道散热器存在以下问题：
[0006] 1)由于微通道尺寸小，冷却剂流经微通道时会产生较大的流动阻力；
[0007] 2)由于微通道入口、出口间冷却剂的温度变化较大，换热表面温度分布不均匀。
[0008] 微针肋阵列热沉作为第二代微型热沉，其强化换热效果更加明显，内部流动更加 复杂，是典型的内部流动和外部流动的结合体。微针肋阵列热沉，是在微通道内敷设与流体 主流方向相垂直的针肋（扰流元）阵列，不仅可以对介质的流动起到扰动作用，增强流体的 扰动性，同时一定程度上可以增加有效对流换热面积，因此其换热性能更佳。
[0009]目前，微针肋阵列的截面形状有：三角形，方形，圆形，椭圆形，菱形，水滴形等。微 针肋阵列的排布形式为顺排和叉排。同等条件下，叉排对流体的扰流效果更佳，其换热效果 优于顺排；顺排比叉排的摩擦阻力系数小，雷诺数越大越明显。
[0010] 如图2所示，现有技术中的一种菱形微针肋阵列（叉排）的结构，其中，201是流体 通道，202是菱形针肋阵列，203是冷却工质。冷却工质流经微针肋阵列时，受到针肋阵列的 扰动作用，流体混掺更明显，其换热效果更好。
[0011] 但是，该菱形微针肋阵列热沉也存在以下缺点：
[0012] 1)由于其具有两个尖锐的侧面，造成流体边界层的不断分离，从而带来较大的摩 擦阻力；
[0013] 2)由于肋柱具有尖锐的边角，增加了肋的粘滞力，使得流体压降增大；
[0014] 3)在较小雷诺数下，尾部极易形成尾涡滞留区，不利于换热。
【发明内容】
[0015] 为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明的目的是提供一种新型微针肋阵列 热沉，用于解决高功率电子元器件的散热问题。该热沉是基于流体横掠针肋阵列的对流换 热理论，提高被冷却表面温度分布的有效装置。
[0016] 为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种新型微针肋阵列热沉，包括 基底和设置在基底上的针肋阵列，针肋阵列内形成交错的微流体通道，所述针肋阵列由多 个四方体交错分布形成；所述四方体的水平截面为四边形，所述四边形的对角线相互垂直， 且其中一对对角相等，另一对对角不相等；所述四边形相等的一对对角为钝角，冷却介质从 四边形的另一对对角中的较大角一端流向较小角一端。
[0017] 优选的技术方案，所述针肋阵列内多个四方体形成的交错微流体流动空间为交错 的渐缩渐扩通道，冷却介质在该渐缩渐扩通道内流动。
[0018] 进一步优选的技术方案，所述四边形具有两对分别相等的邻边，其中一对相等的 邻边大于另一对相等的邻边；冷却介质先接触较短的一对邻边，再接触较长的一对邻边，即 冷却介质的流向为从四边形较短的一对邻边流向四边形较长的一对邻边。
[0019] 更进一步优选的技术方案，所述针肋阵列的高度为200微米，当量直径为200微 米。
[0020] 所述微流体通道的冷却工质为乙醇、乙二醇，纯水或者去离子水。
[0021] 所述基底采用热导系数高的硅材料或者采用热导系数高的陶瓷材料。
[0022] 所述基底的厚度为0. 4毫米。
[0023] 所述微针肋阵列热沉采用深度反应离子刻蚀DRIE技术在硅基板上加工而成或者 采用MEMS加工工艺加工而成。
[0024] 采用以上技术方案，本发明具有如下有益效果：
[0025] 1.本发明提供的新型微针肋阵列热沉，基于流体横掠微针肋阵列对流换热理论， 针肋阵列对流体工质的流动起到扰动作用，增强了流体的扰动性，一定程度上可增加有效 对流换热面积，因此其换热性能更佳。
[0026] 2."长菱形"（其为类似菱形形状，尾部为细长形的"变形菱形"，也即该形状由菱 形变形而来，其中一对两邻边大于另一对相邻边，冷却介质由短边流向长边）针肋阵列的 布置方式，使流动空间形成交错的渐缩渐扩通道，不断冲击针肋壁面，使得流体边界层不断 分离，从而促进传热。
[0027] 3.类似菱形微针肋热沉与矩形截面的微通道热沉相比，对流换热面积显著增加， 流体扰动性加强，散热性能更好，发热面的温度分布更均匀。
[0028] 4.长菱形微针肋阵列热沉与菱形微针肋阵列热沉相比，其尾部设计避免了尾涡滞 留区的形成，因此其换热性能较高。
【附图说明】
[0029] 图1为现有技术中用于电子封装器件的微通道热沉的方案示意框图；
[0030] 图2为现有技术中的一种菱形微针肋阵列的方案示意框图；
[0031] 图3为本发明一种新型微针肋阵列热沉的示意图；
[0032] 图4为本发明一种新型微针肋阵列热沉的坚直方向的截面示意图。
[0033] 图5为不同冷却剂流速下三种通道的芯片最高温度对比图。
【具体实施方式】
[0034] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面