一种相分离结构的逆流双层微细通道群组微换热器的制作方法

本实用新型涉及微细通道相变强化传热领域，具体涉及一种相分离结构的逆流双层微细通道群组微换热器。

技术背景

近年来，越来越多的科研工作者将研究重点放在3d堆叠芯片上，与传统的平面集成电路（2dic）相比，3d堆叠芯片具有集成度高、大幅度减少互联长度等优点，但3d堆叠芯片的热管理更具挑战性，这是因为由于三维结构具有较高的功率密度和较低的表面/体积比，芯片间互连层的介电材料导热性差，会产生不同程度的过热点或过热区，加速接点泄漏、电迁移等失效，导致器件性能下降，降低系统的可靠性和寿命。因此，有效减小过热点使芯片温度均匀降低已成为制约3d堆叠芯片实际推广应用的瓶颈。

针对二维芯片开发的传统散热技术如散热器、空气冷却、微细通道、冷板等，只能从整个三维堆栈的顶部或底部提取热量，对于3d堆叠芯片的工作需求来说是不够的，有学者提出层间微细通道液体冷却技术，随着对芯片之间嵌入单层微细通道的深入研究，其缺点也逐渐显现，例如单层微细通道内沿流体流动方向汽液两相干度逐渐增大，出口处易产生过热点，散热壁面存在较大的温度梯度，降低芯片操作性能，甚至造成损害。研究表明，微细通道的布置和形状对通道内汽泡动力学特征影响很大，通道出口尺寸较大的受限汽泡会阻碍两相流的流动，引起流动不稳定，进一步导致制冷剂在通道间的分布不均匀、压力和温度的波动等不良现象，甚至使部分平行通道随机出现周期性回流，可能导致过早的临界热流密度，最终导致过热点的增多或设备的烧毁。

技术实现要素：

针对上述技术问题，本实用新型旨在提供一种结构简单、散热性能优异且满足3d堆叠需求的、相分离结构的逆流双层微细通道群组微换热器。

本实用新型的目的至少通过以下技术方案之一实现：

一种相分离结构的逆流双层微细通道群组微换热器，包括一层或多层上下叠置的微换热器，所述微换热器上下表面居中设置有芯片安装槽，所述微换热器内设置有逆流双层微细通道，所述逆流双层微细通道包括通过隔板分隔形成的上层微细通道和下层微细通道，所述上层微细通道和下层微细通道的两端均设置有进液口和出液口且工作介质的流向相反，所述隔板的上、下表面均匀设置有若干与工作介质流向一致的矩形微沟槽，两端分别设置有连通所述上层微细通道和下层微细通道的网状凹槽，所述网状凹槽内覆盖设置有蒸汽渗透膜。

进一步地，当包括多层上下叠置的微换热器时，相邻两层微换热器中，位于上层的换热器的下层微细通道与位于下层的换热器的上层微细通道内的工作介质流向相同，且两端汇集后分别连接同一进液口和出液口。

进一步地，所述多层上下叠置的微换热器为一体式结构，结构紧凑。

进一步地，所述工作介质包括水、乙醇或制冷剂。

进一步地，所述隔板的上、下表面的矩形微沟槽底面均匀间隔地设置有若干行列分布的微观凹腔，进一步强化传热。

进一步地，所述微观凹腔的间隔为0.1mm~0.4mm，所述矩形微沟槽底面呈行列式排列。

进一步地，所述微观凹腔的间隔和行列数与微细通道所受热流密度大小成正比，热流密度越高，设置微观凹腔间隔较小，排列较密。

进一步地，所述网状凹槽长度为20mm~40mm，且与位于同一端的上层微细通道和下层微细通道出入口处的距离为10mm-20mm，其目的是为了放置蒸汽渗透膜。

进一步地，所述蒸汽渗透膜的长度为20-40mm，孔隙直径为200nm-300nm、厚度为80-100mm，其目的是将一个通道下游的沸腾蒸汽排入另一个通道上游。

进一步地，所述蒸汽渗透膜的材料采用聚四氟乙烯多孔膜。

相比现有技术，本实用新型提出基于相分离结构的逆流双层微细通道，在逆流双层微细通道进出口段局部设置蒸汽渗透膜，蒸汽渗透膜只允许汽相通过，不允许液相通过，上层微细通道出口区过多的蒸汽通过蒸汽渗透膜进入下层微细通道进口区，加热下层进口制冷剂，减少下层单相段长度；下层微细通道出口区过多的蒸汽通过蒸汽渗透膜进入上层微细通道进口区，加热上层进口制冷剂，减少上层单相段长度。在上下层通道进出口段实现相分离，避免上下层通道出口段干度过大，使上下层通道内单相段缩短，减小受限汽泡的体积，避免出现周期性回流，降低微细通道内压降，使整个通道换热壁面及时得到液体的补充，从而有效提高传热效率，降低壁面温度分布不均匀性，减少芯片过热点数目，保证3d堆叠芯片的性能。

附图说明

图1为本实用新型实施例一的相分离结构的逆流双层微细通道群组微换热器部分剖视示意图。

图2为本实用新型实施例二的相分离结构的逆流双层微细通道群组微换热器部分剖视示意图。

图3为本实用新型实施例二的相分离结构的逆流双层微细通道群组微换热器立体示意图。

图4为本实用新型实施例二的相分离结构的逆流双层微细通道群组微换热器双层微通道剖面示意图。

图5为本实用新型实施例二的相分离结构的逆流双层微细通道群组微换热器使用安装示意图。

图中：1-微换热器；2-逆流双层微细通道；3-上层微细通道；31-下层微细通道；4-第一网状凹槽；41-第二网状凹槽；5-第一蒸汽渗透膜；51-第二蒸汽渗透膜；6-进液口；7-汇流腔分口；8-汇流腔分口；9-出液口；10-芯片安装槽；11-芯片；12-c4垫；13-衬底层；14-焊接球；15-pcb。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型的实用新型目的作进一步详细地描述，实施例不能在此一一赘述，但本实用新型的实施方式并不因此限定于以下实施例。

实施例一

如图1所示，一种相分离结构的逆流双层微细通道群组微换热器，包括一层微换热器1，所述微换热器1上下表面居中设置有芯片安装槽10，所述微换热器1内设置有逆流双层微细通道2，所述逆流双层微细通道2包括通过隔板分隔形成的上层微细通道3和下层微细通道31，所述上层微细通道3和下层微细通道31的两端均设置有进液口6和出液口9且工作介质的流向相反，所述隔板的上、下表面均匀设置有若干与工作介质流向一致的矩形微沟槽，两端分别设置有连通所述上层微细通道3和下层微细通道31的第一网状凹槽4和第二网状凹槽41，所述第一网状凹槽4和第二网状凹槽41内分别覆盖设置有第一蒸汽渗透膜5和第二蒸汽渗透51膜。所述工作介质包括水、乙醇或制冷剂，本实施例采用水。两个蒸汽渗透膜的作用是只允许汽相通过，不允许液相通过。

如图4所示，所述隔板的上、下表面的矩形微沟槽截面尺寸为2mm×2mm。所述微沟槽底面均匀间隔地设置有若干行列分布的微观凹腔，进一步强化传热。所述微观凹腔的间隔为0.1mm~0.4mm，沿所述矩形微沟槽底面行列式排列。所述微观凹腔的间隔和行列数与微细通道所受热流密度大小成正比。热流密度越高，设置微观凹腔间隔较小，排列较密。

所述第一网状凹槽4和第二网状凹槽41长度均为20mm~40mm，且与位于同一端的上层微细通道3和下层微细通道31出入口处的距离为10mm-20mm，其目的是为了放置蒸汽渗透膜。

所述第一蒸汽渗透膜5和第二蒸汽渗透51膜的长度为20-40mm，孔隙直径为200nm-300nm、厚度为80-100mm，其目的是将一个通道下游的沸腾蒸汽排入另一个通道上游。

所述第一蒸汽渗透膜5和第二蒸汽渗透51膜的材料为聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene，以下简称ptfe)多孔膜。

本实施例中，所述芯片11水平放置于所述微换热器1上下表面居中设置有芯片安装槽10内，利用导热硅脂将两者粘合。将芯片11放置于微换热器后，可以通过c4垫、衬底层、焊接球将装有芯片的微换热器固定在pcb上，从而实现3d堆叠芯片的安装。

运行过程中，如图1所示，箭头方向为工作介质的流动方向，工作介质分别反向地从所述上层微细通道3和下层微细通道31的进液口6流入，流经所述上层微细通道3和下层微细通道31后经由各自的出液口9再流出，形成双层逆流。进入上层微细通道3工作介质流动时发生相变传热，产生的饱和蒸汽在出口段经过第一蒸汽渗透膜5进入下层微细通道31；同时，进入下层微细通道31的工作介质流动时发生相变传热，产生的饱和蒸汽在出口段经过第二蒸汽渗透膜51进入上层微细通道3。

由于上层微细通道3的出口区过多的蒸汽通过第一蒸汽渗透膜5进入下层微细通道31的进口区，加热下层微细通道31的进口区的工作介质，减少下层单相段长度；所述下层微细通道31出口区过多的蒸汽通过第二蒸汽渗透膜51进入上层微细通道3的进口区，加热上层微细通道3进口区的工作介质，减少上层单相段长度。本实施例在上、下层通道进出口段实现相分离，避免上、下层微细通道出口段干度过大，使上、下层微细通道内单相段缩短，减小受限汽泡的体积，避免出现周期性回流，降低微细通道内压降，使整个通道换热壁面及时得到液体的补充，从而有效提高传热效率，降低壁面温度分布不均匀性，减少芯片过热点数目，提高3d堆叠芯片的操作性能。

实施例二

如图2、图3所示，一种相分离结构的逆流双层微细通道群组微换热器，包括四层上下叠置的微换热器1，所述微换热器1上下表面居中设置有芯片安装槽10，所述微换热器1内设置有逆流双层微细通道2，所述逆流双层微细通道2包括通过隔板分隔形成的上层微细通道3和下层微细通道31，所述上层微细通道3和下层微细通道31的两端均设置有进液口6和出液口9且工作介质的流向相反，所述隔板的上、下表面均匀设置有若干与工作介质流向一致的矩形微沟槽，两端分别设置有连通所述上层微细通道3和下层微细通道31的第一网状凹槽4和第二网状凹槽41，所述第一网状凹槽4和第二网状凹槽41内分别覆盖设置有第一蒸汽渗透膜5和第二蒸汽渗透51膜。所述工作介质包括水、乙醇或制冷剂，本实施例采用乙醇。

相邻两层微换热器1中，位于上层的换热器1的下层微细通道31与位于下层的换热器1的上层微细通道3内的工作介质流向相同，且两端汇集后分别连接同一进液口6和出液口9，如进液口6通过汇流腔分口7同时连通位于上层的换热器1的下层微细通道31与位于下层的换热器1的上层微细通道3的入口，而位于上层的换热器1的下层微细通道31与位于下层的换热器1的上层微细通道3的出口则通过汇流腔分口8同时连通所述出液口9，上述设置能起到简化结构的作用。

叠层布置的相邻微细通道冷却液进口和冷却液出口交错布置，每组冷却液进口和冷却液出口同时为两组逆流双层微细通道中的一层微细通道工作，从而实现逆流双层微细通道的逆流。

所述多层上下叠置的微换热器1为一体式结构，结构紧凑。实际应用中，逆流双层微细通道2的大小、数量与形状可根据芯片的实际尺寸需要而更改，从而最大限度地利用有限的空间。

如图4所示，所述隔板的上、下表面的矩形微沟槽截面尺寸为2mm×2mm。所述隔板的上、下表面的矩形微沟槽底面均匀间隔地设置有若干行列分布的微观凹腔，进一步强化传热。所述微观凹腔的间隔为0.1mm~0.4mm，沿所述矩形微沟槽底面行列式排列。所述微观凹腔的间隔和行列数与微细通道所受热流密度大小成正比。热流密度越高，设置微观凹腔间隔较小，排列较密。

所述第一网状凹槽4和第二网状凹槽41的长度为20mm~40mm，且与位于同一端的上层微细通道3和下层微细通道31出入口处的距离为10mm-20mm。

所述第一蒸汽渗透膜5和第二蒸汽渗透51膜的长度为20-40mm，孔隙直径为200nm-300nm、厚度为80-100mm。

所述第一蒸汽渗透膜5和第二蒸汽渗透51膜的材料为聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene，以下简称ptfe)多孔膜。

如图5所示，芯片水平放置于两层逆流双层微细通道之间，本实施例中，芯片11水平放置于所述微换热器1上下表面居中设置有芯片安装槽10内，利用导热硅脂将两者粘合，其中，位于中部的芯片水平放置于两层逆流双层微细通道之间。将所述芯片11放置于微换热器后，可以通过c4垫12、衬底层13、焊接球14将装有芯片的微换热器固定在pcb15上，从而实现3d堆叠芯片的安装。

本实施例的工作原理、技术效果与实施例一相类似，可以对更多叠加的芯片11进行散热，当然，除了本实施例的四层上下叠置的结构外，亦可根据需要设置其他适合3d堆叠芯片的不同层数。

实施例三

上述实施例的相分离结构的逆流双层微细通道群组微换热器的制造方法，包括步骤：上层微细通道3和下层微细通道31

1采用金属3d打印方式中的直接金属激光烧结dmls制造所述逆流双层微细通道的下层微细通道31及所述网状凹槽；

2使用耐高温耐磨聚碳酸酯polycarbonate将所述ptfe多孔膜固定在所述网状凹槽中；

3继续利用金属3d打印完成所述逆流双层微细通道的上层微细通道3；

4重复步骤1-3，完成所述逆流双层微细通道群组微换热器的制作。

本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。