[发明专利]一种垂直方向上具有梯度的强化沸腾换热微结构及其制造方法

说明书

本发明公开了一种垂直方向上具有梯度的强化沸腾换热微结构及其制造方法，包括散热板，散热板上设置有若干方形区块单元，相邻的方形区块单元之间布置有补液通道，每个方形区块单元由若干圈方形微柱组成，同一个方形区块单元内的方形微柱的截面尺寸相同，高度不同，使每个方形区块单元内形成中间高、四周低的梯度分布。本发明能够使得水平方向上的气泡不易合并，增加垂直方向气泡脱离频率，减小高热流密度区域的液体补充阻力。同时，本发明还设置有补液通道，能够在高热流区域及时补充液体，阻止高热流区域的传热恶化。

技术领域

本发明属于超高热流密度沸腾强化换热技术，涉及一种适用于超高热流密度微电子器件高效冷却技术，具体涉及一种垂直方向上具有梯度的强化沸腾换热微结构及其制造方法。

背景技术

随着电子器件集成化程度不断提高，特征尺寸逐渐减小的同时导致芯片的热流密度越来越高。耗能和散热将成为整个信息产业甚至全球经济性命攸关的大问题。芯片的热控制问题直接影响了电子器件可靠性的改善与集成化的提高，因热导致的失效已经成为微电子器件失效的主要形式。沸腾换热是通过大量汽泡的生成、成长和脱离将工质由液态转换到汽态的一种剧烈汽化过程，与传统的风冷和对流换热相比，换热系数具有量级的差别，因此是一种非常有效的散热方式。由于相变过程中存在大量的潜热，沸腾换热作为一种高效的热传递方式已经广泛应用在电子器件冷却领域并取得显著成效。

沸腾过程中，会产生大量气体，沸腾换热很难避免汽液两相的相互限制，无法达到汽体脱离通道和液体供应通道的绝对分离，在高热流区域，由于液体不能及时补充，也会造成传热性能的恶化，因而也就难以进一步实现超高热流密度的散热。近年来国内外大量学者通过强化表面结构对沸腾传热进行了研究，现有的大多数采用强化沸腾换热的方法是使用增大比表面积、提高汽化核心数目的强化表面，具体的强化表面包括粗糙表面、烧结表面、电镀表面、喷涂表面，微机械加工表面等。其中方柱微结构表面利用相互连通的微通道，可以显著地提高临界热流密度值，并且在高热流密度区沸腾曲线非常陡直，壁面温度较稳定，达到临界热流密度时壁面温度远低于芯片工作的上限温度。但是，这种方柱微结构受其自身微柱的形状以及排列方式所限，会导致液体在微结构方柱之间微通道的流动阻力很大，导致其在高热流密度区的补液比较困难。

发明内容

针对现有强化表面结构对超高热流密度电子器件冷却存在的不足和缺陷，本发明提供一种垂直方向上具有梯度的强化沸腾换热微结构及其制造方法。本发明能够使得水平方向上的气泡不易合并，增加垂直方向气泡脱离频率，减小高热流密度区域的液体补充阻力。同时，本发明还设置有补液通道，能够在高热流区域及时补充液体，阻止高热流区域的传热恶化。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种垂直方向上具有梯度的强化沸腾换热微结构，包括散热板，散热板上设置有若干方形区块单元，相邻的方形区块单元之间布置有补液通道，每个方形区块单元由若干圈方形微柱组成，同一个方形区块单元内的方形微柱的截面尺寸相同，高度不同，使每个方形区块单元内形成中间高、四周低的梯度分布。

进一步地，所述方形区块单元呈方形阵列分布在散热板上，且相邻的方形区块单元之间的间距相等，所述方形阵列填充满散热板。

进一步地，散热板的长度和宽度都为L，L＝10mm。

进一步地，每个方形区块单元的长度a等于宽度b，且相邻的方形区块单元之间的距离D为0.1L。

进一步地，所述方形区块单元中的方形微柱的截面长度和宽度都为d，d＝100μm-400μm。

进一步地，所述方形区块单元内的相邻两个方形微柱之间距离为d。

进一步地，每个方形区块单元内的方形微柱由外到内在高度方向上呈阶梯分布，方形微柱的最低高度h₁为60μm，相邻圈层的方形微柱高度差相等，均为0.25d。