[发明专利]基于仿生分形结构的超低流阻微通道散热器及其制造方法

说明书

基于仿生分形结构的超低流阻微通道散热器及其制造方法，包括自上而下设置的散热盖板、隔板和供液底板，散热盖板、隔板和供液底板之间均键合密封；散热盖板上设置有工质进口孔，若干仿生分形微通道槽道和环形工质汇集槽，环形工质汇集槽位于微槽道的外围，仿生分形微通道槽道一端与微通道进口孔相连，另一端与环形工质汇集槽相连；隔板上设置有供液孔和排液孔，供液孔与散热底板上的微通道进口孔对应，排液孔对称位于供液孔的两侧，与环形工质汇集槽相连接。本发明的多级分叉微通道网络结构仿照自然界高效低阻物质输运网络，在每个分叉处存在入口段压力恢复效应，与传统的直线形和蛇形微通道相比，具有更低的流动压力损失和泵功消耗。

技术领域

本发明属于超高热流密度微通道散热技术，涉及一种适用于超高热流密度微电子器件高效低阻冷却技术，具体涉及一种基于仿生分形结构的超低流阻微通道散热器及其制造方法。

背景技术

目前，电子元器件正朝着集成化，高频化和功能复杂化发展，随着芯片特征尺寸的减小和功率的提高，发热问题逐渐成为限制其性能提升的主要瓶颈。功率器件正常工作平均热流密度已超过1kW/cm²，局部热点热流密度有可能超过20kW/cm²。一般硅基芯片的工作温度在85℃以下，GaN芯片的工作温度在175℃一下，如果芯片的发热量不能及时导出，工作环境的温度会不断提高，进而严重影响芯片的工作性能和寿命。研究结果表明，芯片的温度每提高10℃，芯片的性能就会下降50％。因此，如何在有限的空间内将热量高效导出成为解决芯片热管理问题的关键。

微通道液冷散热技术具备换热系数高、结构紧凑并可实现嵌入式集成等显著优点，是目前超高热流密度电子器件散热的最优选择。但由于微通道的特征尺度在微米量级，通道的壁面粗糙度对流动阻力的影响不能忽略，流动阻力和压降将随着流速的提高急剧增加，驱动流体的功耗也会大幅增加，这极大的限制了微通道散热技术的规模化应用。因此如何在保持微通道散热器高换热效率的同时降低流动阻力成为微通道液冷散热技术的研究重点。芯片散热技术不仅要及时移除热量，还得同时保证芯片表面的温度均匀性。传统的直线或蛇形微通道内换热工质越接近出口，与热源的温差越小，换热效果越差，导致芯片表面温度分布极不均匀。由于芯片是多种材料通过键合、焊接等工艺连接的多层结构，不同材料之间存在热膨胀系数差异，温度不均产生的热应力对芯片可靠性和寿命影响很大。特别地，对于大功率、大尺寸芯片，热应力问题尤其严重。

发明内容

针对现有微通道液冷换热器流动阻力大、表面温度分布不均的问题，提出了一种基于仿生分形结构的超低流阻微通道散热器及其制造方法。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

基于仿生分形结构的超低流阻微通道散热器，包括自上而下设置的散热盖板、隔板和供液底板，散热盖板，隔板和供液底板之间均采用键合技术密封；

散热盖板上加工有微通道进口孔、环形工质汇集槽和仿生分形微槽道，沿着微通道进口孔的圆心环形布置n个仿生分形微槽道；

每个仿生分形微槽道包括多个相同的仿生分形微通道簇，每一个仿生分形微通道簇包括m级通道，分别为第0，1，2……，(m-1)级通道，其中，第0级通道与微通道进口孔相连通，第m-1级通道与环形工质汇集槽相连；

隔板中心设置有供液孔，供液孔位于微通道进口孔正下方，在供液孔的两侧对称位置设置有排液孔，排液孔位于环形工质汇集槽的正下方；

供液底板上设置有工质进口、供液微槽道、排液微槽道、集液区和工质出口；工质进口和工质出口分别位于供液底板的两端；工质进口与供液微槽道相连通，工质出口和集液区相连通；供液微槽道的末端位于隔板上供液孔的正下方；排液微槽道一端位于隔板上排液孔的正下方，另一端与集液区相连接。

本发明进一步的改进在于，n个仿生分形微槽道整体为圆形；圆形直径Da＝20～40mm；微通道进口孔直径D_b＝βD_a，β的取值范围为5％～10％。