专利名称：一种液冷散热器用的微通道冷板装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及 一 种电子产品领域的散热装置，尤其是 一种涉及汽液相变的液冷散热装置。
背景技术：
英特尔的创始人之一高登，摩尔在1965年提出预言半 导体芯片上的晶体管的数量大约每隔18个月就会翻倍，这 就是摩尔定律。英特尔近40年的发展历程验证了摩尔的预 言，到2010年，晶体管的数量将达到10亿个，而随着32 纳米技术的成熟，下 一 代微处理器将集成20亿个晶体管。 随着计算机芯片晶体管数量的增加，单位面积上的电路越来 越密，所产生的热量也将是现在芯片的IO倍以上，其当量 发热密度可以达到每平方厘米1000瓦以上，尤其是芯片内 部的高功率元器件，其核心温度可接近600CTC ，该高温点称 为热斑，如果没有适当的散热方式，将严重影响芯片的性能 和寿命。
目前高端电子产品的主要散热方式为液冷散热，请参阅
图1所示，现有常用的液冷产品主要包括冷板1 、泵2、鳍 片散热器3和连接上述组件的软管。冷板1紧贴热源(即电 子芯片，例如CPU)，在泵2驱动下的液体流经冷板1吸收 热量后，在鳍片散热器3处向外部环境释放热量，被冷却的 液体再次流经冷板1，循环往复连续不断地把热量从发热芯 片传递到环境中。鳍片散热器可采用自然风或风扇强制冷 却。冷却液体可以是去离子的纯净水、掺加有防冻液的纯净 水、或者其它液体及混合物，例如四氟乙烷R134a。
目前商用液冷散热器内部工质在循环时不产生相变，即 在散热器内部无论受加热或者冷却，都保持液态.虽然上述 液冷方式具有热阻低、传递热容量大、传输距离较远的优点，但是，由于冷板材料的局限性，以及液体吸热温度升高，使 得冷板的热阻不能得到进 一 步降低，并且冷板内部存在高的 温度梯度，导致和其接触的电子芯片的温度也是不均匀的， 从而产生热应力。另夕卜，在一定的液体驱动力下，其热阻值 是一定的，而该热阻值很难满足未来电子芯片的散热需求， 尤其是难以对热斑有效冷却，且高热流密度条件也使风扇噪 声和液体泵的寿命面临巨大挑战。
由此可见，上述现有的液冷散热装置在结构与使用上， 显然仍存在有不便与缺陷，而亟待加以进一步改进。为了解 决液冷散热装置存在的问题，相关厂商无不费尽心思来谋求 解决之道，但长久以来一直未见适用的设计被发展完成，而 一般产品又没有适切的结构能够解决上述问题，此显然是相 关业者急欲解决的问题。因此如何能创设 一 种低热阻、高散 热性能的新型结构液冷散热装置，实属当前重要研发课题之 一，亦成为当前业界极需改进的目标。长期的实验研究证实 通过微通道的液体产生相变后的汽液两相流动可以显着地
降低工质流率或驱动工质所需的泵功(Pumping Power)， 并 且在工质及冷板(Heat Sink)内部温度更加均匀。由于微通 道汽液两相流动及传热具有上述的所有优点，以及其潜在的 应用前景，包括微电子芯片及高能激光器的冷却，和在微小 型动力机械及能源系统中的应用，使得微通道两相流成为近 10年来学术界的 一 个研究热点。但是人们发现微通道冷板内 存在强烈的两相流不稳定性。不稳定性会降低系统的性能和 可靠性，会引起机械故障，甚至造成破坏。因此，带有工质 相变的冷板尚未在商业化液冷散热技术中有报道。
实用新型内容
为了克服现有的液冷散热装置存在的缺陷，本实用新型
的目的在于提供 一 种液冷散热器用的微通道冷板装置，该 装置可以使液冷散热的冷板具有均匀的温度分布，具有更低 的热阻和更好的散热性能，增强微信道冷板中的两相流工作 介质的流动稳定性，从而更加适于实用。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案如下一种液冷散热器用的微通道冷板装置，它包括 一 上盖及 一下底板，上盖和下底板系结合为一体，在上盖之一侧开有 一工作介质进入冷板的进口 ，另 一 侧则开有 一 工作介质离开 冷板的出口，工作介质进入冷板的进口为逐渐扩大的进口， 工作介质离开冷板的出口为逐渐縮小的出口 。
前述下底板的进口处设有液体储存区，该下底板的出口 处则设有蒸汽排放区，在该液体储存区和蒸汽排放区之间设 有微通道区，该微通道区的二端系分别与液体储存区及蒸汽 排放区相连通；此外该蒸汽排放区和液体储存区均各为 一 空
腔体，而微通道区为连通的格栅式通道；液体储存区与微通 道区联通的空间结构符合喷管结构，蒸汽排放区和微通道区 联通的空间结构为直通结构。
由于采用上述技术方案，使本实用新型与现有技术相比
具有如下有益效果
(1) 本实用新型提出的冷板，工质的进出口流道采用渐扩
及渐縮形状，可以减小工质流动阻力；
(2) 本实用新型提出的冷板，在工质进口段采用大的储液 区逐渐收縮结构(即喷管结构)过渡到微通道区，可以拟制传 统冷板结构中普遍存在的流动分配不均的现象；
(3) 由于采取喷管结构，流体流速在微通道区入口处往下 游方向附近流速达到最大，从而辅助起到拟制在微通道中工 质相变发生时的蒸汽回流现象；
(4) 本实用新型提出的冷板，其内部的微通道结构在芯片 加热区的上游和下游存在 一 段很长的微信道区，即微信道区 的长度大于芯片长度，在芯片加热区上下游存在一段加长的 微通道区域，该区域对芯片散热贡献不大，但是该加长区域 可以很好地拟制蒸汽回流造成的不稳定性现象，其原理是在 微通道中 一 旦相变，由于工质体积膨胀所产生的蒸汽回流现 象，由于加长的微通道结构，因此蒸汽无法回流到加长的微 通道的前端，这样必然在微通道内部产生汽液界面-弯月面， 根据拉普拉斯方程，在该弯月面处会产生毛细力，毛细力的 大小取决于表面张力和弯月面半径，而弯月面半径又取决于微通道截面尺寸，越小的截面水利半径具有越大的毛细力，该 毛细力会产生很强的抽吸作用，从而推动液体向微通道出口 端流动，达到拟制蒸汽回流的作用，同时芯片加热区的下游 端的加长的微通道结构可以稳定蒸汽流动(实现充分发展的
流动)，从而在微通道的进出口端起到稳定流动的目的；
(5)由于汽液相变，热量传递通过汽化潜热完成，工质温 度增加有限，使整个冷板的热阻明显下降，电子芯片温度更 加均匀。
以下结合附图和实施例对本实用新型进 一 步说明。 图1是现有的液冷散热装置的结构示意图。 图2是本实用新型液冷散热器用的微通道冷板装置的结 构示意图。
图3A是本实用新型中的冷板结构的第一个实施例立体 结构示意图。
图3B是图3A的俯视图。
图3C是图3B的A-A剖视图。
图3D是图3B的B-B剖视放大图。
图4A是图3A中的下底板的立体结构示意图。
图4B是图4A的俯视图。
图4C是图4B的A-A剖视图及微通道区的放大图。 图5 A是本实用新型中的冷板结构的第二个实施例的立 体结构示意图。
图5B是图5A的俯视图。
图5C是图5B的A-A剖视图。
图5D是图5B的B-B剖视放大图。
图6是图5A中的下底板结构示意图。
图7A是本实用新型中的冷板结构第三个实施例的立体 结构示意图。
图7B是图7A的俯视图。
图7C是图7B的A-A剖视图。
图7D是图7B的B-B剖视放大图。图8是图7A中的下底板结构示意图。 图9是本实用新型工作过程的示意图。
图中，l.冷板，2.泵，3.鳍片散热器，5.导热材料，6. 电子芯片，ll.上盖，12.下底板，111.进口， 112.出口， 113. 沟槽，121.液体储存区，122.微通道区，123.蒸汽排放区， 124.通孔，13.螺钉，14.密封0型圈。
具体实施方式
请参阅图2所示，本实用新型 一 种液冷散热器用的微通 道冷板l，该冷板系由一上盖ll及一下底板12所组合而成。 其中该上盖11之 一 侧开设有 一 工作介质进入冷板1的进口 111，另一侧则开设有一工作介质离开冷板1的出口 112，工 作介质进入冷板的进口为逐渐扩大型态的进口 111，工作介 质离开冷板的出口为逐渐縮小型态的出口 112。
上盖ll和下底板12的材质可以是铜或铝等金属，也可 以是硅等非金属。工质可以是水，也可以是丙酮，甲醇，氨 水或氟立昂类，例如R134a等其它工质，根据使用的条件而 选择。
请参阅图3A、图3B、图3C、图3D所示的本实用新型液 冷散热器的冷板结构的第 一 个实施例，其下底板12材料为 半导体材料硅，上盖ll材料可以是硅可以是石英玻璃等，下 底板12与上盖11通过键合(Bonding)的方式结合为一体。 其上盖11可以通过在硅或者石英玻璃材料上通过等向性蚀 亥ij (微电子力口工工艺的 一 禾中一isotropic wet etching)，力口工 出渐扩和渐縮的进口 lll和出口 112。第一个实施例的渐扩 的进口 111和渐縮的出口 11 2的顶端均与上盖11的顶面平 齐。在下底板12的进口处设有带有喷管结构的液体储存区 121，在下底板12的出口处设有蒸汽排放区123，在液体储 存区121和蒸汽排放区123之间设有微通道区122，该微通 道区122的一端与液体储存区121相连通，另一端与蒸汽排 放区123相连通；蒸汽排放区123和液体储存121区均各为 一空腔体，微通道区122为图4C所示的连通的格栅式通道。 液体储存区与微通道区联通的空间结构符合喷管结构，所谓 喷管结构，即一种管道过渡结构，由于液体流速小于当地声速，因此此处的喷管结构为由一大尺寸管道圆滑收縮到一小 尺寸管道的结构，蒸汽排放区和微通道区联通的空间结构为 直通结构。
图4A、图4B、图4C、图4D为图3A所示的冷板结构的 下底板12示意图，它可以通过在硅材料上采用深干蚀刻的 方法(微电子加工工艺的 一种-DRIE)，同时加工出带有喷管 结构的液体储存区121，微通道区122和蒸汽排放区123。
请参阅图5A、图5B、图5C、图5D所示的本实用新型液 冷散热器的冷板结构的第二个实施例，其下底板12材料为 金属，例如铜或者铝，上盖11材料可以是和下底板相同的金 属，也可以不同.下底板12与上盖ll通过焊接的方式结合为 一体，如果是同一种金属材料，可是通过硬焊结合(brazing), 如果为不同金属材料，可以采用软焊接(soldering)。第二个 实施例的渐扩的进口 111和渐縮的出口 11 2均伸出于上盖11 的顶面之外。第二个实施例的上盖ll可以通过金属机加工 (CNC)或者压力铸造(die casting), 或者金属射出(metal injection module)的方式，加工出渐扩和渐縮的进口 111和 出口 112以及带有喷管结构的液体储存区121和与微通道区 直通的蒸汽排放区123.图6为图5A所示的冷板结构的下底 板12示意图，可以通过在金属材料上采用刨片(skived fin) 的方式产生微通道区122。
请参阅图7A、图7B、图7C、图7D所示的本实用新型液 冷散热器的冷板结构的第三个实施例，其下底板12材料为 金属，例如铜或者铝，上盖11材料可以是金属，也可以是塑 料.下底板1 2与上盖11通过螺钉1 3紧固的方式结合为 一 体， 考虑到密封要求，对于螺钉1 3紧固，需要在下底板1 2和上 盖11之间可再加装密封之0型圈1 4 。第三个实施例的渐扩 的进口 111和渐縮的出口 11 2均伸出于上盖11的顶面之外。
该实施例的上盖11可以通过塑料射出，或者金属射出 (metal injection modu 1 e)的方式，力口工出渐扩禾口渐缩的进 口 111和出口 112、带有喷管结构的液体储存区1 2 1和与微 通道区直通的蒸汽排放区123，以及放置0型密封圈14的沟槽113.图8为图7A所示的冷板结构的下底板12示意图，可 以通过在金属材料上采用刨片(skived fin)的方式产生微通 道区122，然后通过机加工产生用来穿过螺钉13的通孔124.
图9为本实用新型所提出的一种液冷散热器用的微通道 冷板装置具体应用时的工作过程实例示意图，该带有工质相 变的液冷装置包括鳍片散热器、泵和软管(图中均未画出)， 冷板l通过一层界面导热材料5和电子芯片6相连，电子芯 片6所产生的热量通过界面导热材料5传递到冷板1的下底 板12的下表面，该热量通过导热传递到微通道区122，工质 流过微通道芯片加热区吸热后由液体变为蒸汽，在泵的驱动 下(包括前面所提的毛细力的作用)汽液两相流工质沿箭头 所示方向流动，将下底板12传递上来的热量带走，经过风 冷鳍片散热器时把热量传递给自然环境，蒸汽液化，再重新 回到冷板1中，循环往复。在图9应用实例中，冷板1的结 构为本实用新型所提出的实施例三。
本实用新型适用于电子领域的散热装置。 以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而己，并非对 本实用新型作任何形式上的限制，虽然本实用新型已以较佳 实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型，任何熟悉 本专业的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围内， 当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同 变化的等效实施例，但凡是未脱离本实用新型技术方案的内 容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简 单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的 范围内。
权利要求1、一种液冷散热器用的微通道冷板装置，其包括一上盖及一下底板，在上盖一侧开设有一工作介质进入冷板的进口，另一侧则开设有一工作介质离开冷板的出口，其特征在于所述的工作介质进入冷板的进口为逐渐扩大的进口，所述的工作介质离开冷板的出口为逐渐缩小的出口。
2、 根据权利要求1所述的液冷散热器用的微通道冷板 装置，其特征在于其中下底板的进口处设有液体储存区， 在下底板的出口处设有蒸汽排放区，在液体储存区和蒸汽排 放区之间设有微通道区。
3、 根据权利要求2所述的液冷散热器用的微通道冷板 装置，其特征在于其中蒸汽排放区和液体储存区均各为一 空腔体，所述的微通道区为连通的格栅式通道；液体储存区 与微通道区联通的空间结构符合喷管结构，蒸汽排放区与微 通道区联通的空间结构为直通结构。
4、 根据权利要求1或2所述的液冷散热器用的微通道冷板装置，其特征在于对于下底板和上盖均为半导体材料 并通过键合结合为一体的冷板装置，由微电子工艺加工出的 渐扩的进口和渐縮的出口的顶端均与上盖的顶面平齐。
5、 根据权利要求1或2所述的液冷散热器用的微通道冷板装置，其特征在于对于下底板和上盖均为金属材料并 通过焊接结合为 一 体的冷板装置，由机械加工生产出来的渐 扩的进口和渐縮的出口均伸出于上盖的顶面之外。
6 、 根据权利要求1或2所述的液冷散热器用的微通道冷板装置，其特征在于对于下底板为金属，上盖为金属或 塑料，并通过螺纹紧固连接为 一 体的冷板装置，由注塑或机 加工生产出来的渐扩的进口和渐缩的出口均伸出于上盖的 顶面之外。
7 、 根据权利要求6所述的液冷散热器用的微通道冷板装置，其特征在于在上盖和下底板之间加装密封0型圈。
专利摘要一种液冷散热器用的微通道冷板装置，其包括一上盖及一下底板，该上盖之一侧开设有一工作介质进入冷板的进口，另一侧则开设有一工作介质离开冷板的出口，该工作介质进入冷板的进口系为逐渐扩大型态的进口，工作介质离开冷板的出口为逐渐缩小型态的出口。本实用新型可以使液冷散热的冷板具有均匀的温度分布，具有更低的热阻和更好的散热性能，增强微通道冷板中的两相流工作介质的流动稳定性，从而更加适于实用。适用于电子领域的散热装置。
文档编号H05K7/20GK201383909SQ200920106318
公开日2010年1月13日 申请日期2009年3月3日 优先权日2009年3月3日
发明者骥 李 申请人:北京奇宏科技研发中心有限公司