[发明专利]一种回水层设有交错排列倾斜柱状扰流脊的微通道热沉

说明书

技术领域

本发明设计是半导体激光器列阵，大规模集成电路等散热冷却器件的一种回水层设有交错排列的倾斜柱状扰流脊的微通道热沉，属于半导体光电子技术领域。

背景技术

微通道冷却热沉是一种模块式微通道致冷器(ModularMicrochannelCooledHeatsinks,简称MCC)。激光器列阵的发展与这一高效的低热阻热沉的出现有密切的关系，特别是高占空比甚至CW运行的全填充激光二极管列阵。MCC可以像积木一样按二极管列阵的设计需要搭接出不同的三维结构。MCC的散热性能依赖与液体致冷剂和它通过MCC的层流(LaminarFlow)或者湍流等流体形态，其良好的热控制性能十分适合平均功率大的，因为吸收波长狭窄的线宽(<3nm)要求对列阵进行严格的温度调制的半导体激光器的二极管列阵。

美国学者Tuckerman和Pease在20世纪80年代首先提出了平行微通道热沉(MicrochannelHeatsink,MCHS)，从理论上证明出了水冷却微通道可达1000W/cm2的散热能力。其加工方法是：在集成电路硅衬底的背面采取化学方法腐蚀出若干矩形沟槽，使用盖板耦合而构成封闭式的冷却剂通道，与外界密封连接从而形成为冷却剂回路。由器件产生的热通过联结层传导到热沉，然后热量被微通道中的流动冷却剂带走从而达到对于集成电路芯片良好散热的目的。

该概念的提出为进一步降低热沉热阻奠定了理论基础，它的优点在于扩大固液之间的接触面积的同时，利用非常小的水流沟道宽度最大限度的减小了热边界层的厚度，因此大大提高了热传导效率，有源热沉设计的基本原理就是要尽可能的使热沉的热导率高，以便达到最好的散热效果，同时兼顾制造的可行性及制作成本等问题。

Vafai和Zhu提出了一个两层叠加逆流式微通道热沉结构,流体在上下两层矩形微通道内逆向流动,每一层内的流体和基板温升通过两层之间的导热得到相互补偿,降低了温度梯度其数值研究结果显示层叠逆流结构基板流体温升较单层微通道结构有显著的减少,同时,需要消耗的泵功也得到明显的降低。

Wei和Joshi对多层微通道层叠结构进行了数值研究这种微通道结构设计以增加换热面积为目的,在给定换热量条件下,多层微通道结构所需的泵功或压降相对单层结构有显著的降低，在微小空间内泵功受限的环境下具有潜在的应用优势。

交错微肋结构是应用最广泛的一种强化传热方式。Kishimoto和Sasaki将平直流道的长肋片拆分为多个流线形状菱形小肋片并错排交替分布，此方法减薄了热边界层的厚度增强了换热能力，较常规的平行直流肋片结构结点温差降低了25％。

邹江等研究了微小交错流道散热块的传热性能和热阻系数。发现在相同Re数下，交错流道结构热阻较直通流道减小约18％，且在Re数为700左右即开始发生流动转捩。

Hong和cheng对层流条件下水在交错直肋结构微通道热沉内的对流换热情况研究发现对流换热强化的原因是由于流动方向的周期性改变使得冷热流体得到充分混合。在此过程中热边界层的发展也得到了有效抑制。

单片式微通道热沉由五层形态各异的薄片组合而成，激光bar条芯片焊接在上盖层的前端，bar条芯片发出的激光的同时也产生大量的热量，在bar条下方上盖板上形成一个高热量的热源面27，此面的热量经热沉上盖板传递给流经热沉内部通道的冷却液并由其经过循环带出热沉，起到对芯片热源面散热的目的。冷却液从进水口进入进水层区，经过进水通道进入微通道区，再由返水孔进入回水层，经过回水层微通道从出水口流出，对bar条完成一次循环制冷。

在传统的微通道结构设计中，更多的是采用平行通道，原因是采用腐蚀这种制作方法是通过控制时间在平面上生成通道，大部分情况下只能得到平行通道，研究发现：在一定的流量下，矩形通道中的流体总热传导系数和通道水力的直径成反比。所以，通道直径的不断减小，系统散热面积和体积比的显著的增加，换热系数会随着增加。在减小体积的同时增加散热面积有助于散热量的增加。另外，交错微脊结构减小了热边界层的厚度，增强了边界层的换热能力，增加了内部流场湍流程度，提高了换热效率，柱状脊呈一定倾斜角度可以增加固液热交换面积，进一步提高了微通道热沉的散热性能，对半导体激光器大功率化发展研究工作具有重要意义。

本发明依据此散热机理对目前应用较为广泛的一种微通道热沉的结构做些相应的改进，将回水层常规平行直通道改为交错排列的倾斜柱状脊，减小了固体域体积同时增加了散热面积，进一步提高热沉的散热能力。

发明内容