[发明专利]一种高热流密度电子器件蒸发散热装置与方法

说明书

本发明公开了一种针对高热流密度电子器件的微米级薄膜散热装置，可用于高热流密度电子器件的快速、高效散热，提高电子器件性能，延长电子产品寿命。其结构包括：刻槽供液基板、疏水透气薄膜及气液道盖板。该装置正常工作时为粘附于高热流密度电子芯片上表面，刻槽供液基板将热量导至基板上端肋处及槽底，装置内部通水并在微米级槽道处形成微米级厚度液膜，通过薄膜蒸发带走热量，并通过通风孔导风将热蒸气吹出以达到散热目的。该装置避免了复杂的设备连接，仅利用简易液泵、风机及简单管路即可完成气液循环和散热过程。同时该装置体积小，利用薄膜蒸发换热原理，换热效率高，具有环保、低能耗特点。

技术领域

本发明属于电子散热技术领域，具体涉及一种高热流密度电子器件蒸发散热装置与方法。

背景技术

随着微电子技术的发展，单位面积芯片上集成的晶体管数量越来越多，高密度晶体管在芯片性能提升的同时，芯片发热问题却愈发严重。目前国防领域射频功率芯片的热流密度甚至超过了1kW/cm²，局部热点的热流密度达到10kW/cm²以上，超高热流密度下芯片难以连续稳定长时间工作，在温度超过许用温度时甚至还要降功率降频率使用，严重限制设备性能。为保证电子设备安全、平稳、高效的运行，应最大限度的降低其工作温度。对于硅基电子芯片而言，其最高工作温度应低于85℃。如何及时将电子器件中的热量排出，保证电子器件在合适的温度下发挥其最佳性能，已成为当前芯片行业的一大瓶颈。沸腾换热能够利用汽化潜热实现热量传递，是一种高效的散热手段，其换热能力远高于常规尺度的单相风冷和液冷技术，在高热流密度芯片散热领域应用前景广阔。但是，沸腾换热过程中产生的气泡附着在加热表面，阻碍液体向蒸干区域补给，使得其临界热流密度普遍低于200W/cm²。此外，大量气泡分散在液相中，气泡动力学行为容易导致流体流动不稳定，使流体运动状况难易分析，使得该技术在面对规模化芯片冷却时，容易产生流量分配不均的情况，进而导致局部高温使得芯片产生局部应力而损坏的情况。

研究表明液膜厚度对沸腾换热特性有重要影响，当液膜厚度达到几微米至几十微米量级时，液膜厚度小于气泡成核的最小空间尺度，换热过程将转变成更为高效的蒸发，其散热效率将呈现量级式提升。薄液膜蒸发是一种高效的相变传热过程，由于实现了相变气体与液体的快速分离，克服了传统沸腾换热中气泡无法脱离导致沸腾临界的瓶颈，临界热流密度能够达到1kW/cm²以上，在高热流密度电子器件散热领域极具前景。但是，液体表面张力和粘性力的存在让液膜充分铺展到微米级厚度非常困难；同时，在高热流密度下薄液膜会快速蒸发，如何实现连续补液以维持薄液膜又成为第二个难题。此外，探索薄膜蒸发的强化措施、进一步降低发热芯片温度仍然有重要的学术意义和工程应用价值。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了提出一种高热流密度电子器件蒸发散热装置与方法，将微通道与薄液膜蒸发耦合，利用泵驱补液解决薄液膜的维持为题，利用疏水透气薄膜限制液膜厚度，利用微肋效应进一步强化液膜蒸发，并将其集成为高效散热装置，不仅可以大幅度提升散热效果，保护电子器件，同时也为复杂微型电路的设计提供运作环境的温度保障，有利于推动电子器件的进一步研发和利用，促进相关电子产品的升级优化，为电子产品的深度发展提供更多基础保障与优化可能。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种高热流密度电子器件蒸发散热装置，包括刻槽供液基板，刻槽供液基板上设置有气液道盖板，刻槽供液基板上开设有凹槽，凹槽内设置依次相连的基板入液区、基板分液区、液膜蒸发散热区、基板汇液区和基板回液区，基板入液区和回液区开设有流道，基板分液区和基板汇液区开设有与流道相连通的槽道，液膜蒸发散热区设置有多条平行的微槽道，蒸发散热区上设置疏水透气薄膜，气液道盖板表面设置有进液孔、回液孔、进气孔、出气孔；刻槽供液基板与气液道盖板相连形成密闭空间。

本发明进一步的改进在于，基板分液区上的流道为多条并排的渐扩槽道；基板汇液区上的流道为多条并排的渐缩槽道。

本发明进一步的改进在于，凹槽深度为微米级，微槽道深度为10-100μm。