CN110828404A - 一种带凹穴结构的微通道均热板 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带凹穴结构的微通道均热板，包括底板、毛细芯和盖板，所述底板的上表面设置有凹腔，毛细芯设置于凹腔内，所述盖板的上表面加工有微通道结构，所述微通道结构的内表面两侧设置凹穴结构，底板和盖板通过焊接方式形成密闭空腔，通过抽真空注液形成带凹穴结构的微通道均热板。本发明采用带凹穴结构的微通道阵列代替常规冷凝端吸液芯结构，一方面有利于工质的传输和均匀分配，增大工质冷凝面积，缩短冷凝回流路径，实现更低的流阻和优越的抗烧干特性；另一方面，凹穴结构可以增加传热面积，产生喷射节流效应，扰动蒸汽流动，抑制冷凝液膜的形成，促进冷凝回流，增大抗烧干极限，进而提高传热效率。
Description
技术领域
本发明涉及微电子器件及芯片散热技术领域，具体涉及一种带凹穴结构的微通道均热板。
背景技术
随着电子设备的微小化、集成化和功能复杂化，电子芯片的发热功率越来越高。目前，电子芯片的表面平均热流密度已经超过100W/cm2，并有持续增加的趋势。同时，高热流密度会在电子器件表面形成“热点”，导致电子芯片性能和可靠性下降。
均热板是一种通过相变传热的散热元器件，可以将聚集在电子元器件表面的热流迅速传递并扩散到冷凝面上，进行热量散发，从而有效降低电子元器件的表面热流密度。近年来，均热板被广泛应用于电子器件及芯片的散热技术领域。
均热板一般采用上下壳体加吸液芯结构构成。其中，吸液芯结构作为均热板的核心，是均热板设计的重中之重。目前，均热板的吸液芯结构主要有多孔金属烧结和微通道阵列两种。多孔金属烧结吸液芯具有毛细吸力大，抗烧干特性好等优点，是目前应用比较多的吸液芯结构。但是，多孔金属烧结吸液芯流动阻力大、渗透率低，往往需要配合蒸汽腔和支撑柱一起使用，从而造成均热板支撑强度低，加工复杂、制造成本高等问题。另外，多孔金属烧结的吸液芯结构在高温封装过程中容易使得均热板发生变形而导致成品率低，同时在长时间受热作用下壳板容易发生形变导致与芯片接触不良等。而采用微通道吸液芯结构可以很好的避免这一问题。微通道吸液芯结构，通过在基板上直接加工出微通道结构，具有接触热阻小、传热面积大、流动阻力小、渗透率大等优点。另外，采用微通道结构取代蒸汽腔和支撑柱结构，可以有效提高均热板的抗压和抗热的能力，缩短冷凝回流路径，从而有效提升均热板的传热能力。近年来，随着电子设备的微小化和先进加工技术的进步，均热板也向着超薄、柔性和高传热性能方向发展，而微通道吸液芯具有支撑强度大、流动阻力小、渗透率大等优点，更符合超薄和柔性均热板的发展趋势。
然而，目前的微通道吸液芯结构比较简单，多为直通道阵列结构。直通道阵列结构吸液芯，内表面光滑平缓，当蒸汽在通道内表面受冷凝结时，容易在表面形成一层液膜，妨碍蒸汽与冷凝板的直接接触，进而导致微通道冷凝板的传热热阻增加，换热能力降低。另外，蒸汽在通道内表面受冷形成液滴时，由于直通道内表面平缓，受到表面张力大，不容易滴落回流到蒸发端，进而降低了均热板的烧干极限，使均热板的整体散热性能下降。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种带凹穴结构的微通道均热板，通过在微通道内的两侧面设置凹穴结构，可以有效破坏流体边界层，扰乱流体流动，抑制冷凝液膜的形成，从而有效促进传热。同时，微通道中的凹穴结构会形成低温滞留区，促进蒸汽的冷凝回流，实现更高的传热能力和优越的抗烧干特性。
本发明采用如下技术方案：
一种带凹穴结构的微通道均热板，包括底板、毛细芯和盖板，所述底板的上表面设置有凹腔，毛细芯设置于凹腔内，所述盖板的上表面加工有微通道结构，所述微通道结构的内表面两侧设置凹穴结构，底板和盖板通过焊接方式形成密闭空腔，通过抽真空注液形成带凹穴结构的微通道均热板。
所述毛细芯为铜粉烧结、泡沫金属或丝网结构。
所述微通道结构由多个微通道构成的阵列形式，所述阵列形式包括线性阵列和圆周阵列。
所述凹穴结构为二维凹穴结构，凹穴结构包括多个凹穴，所述凹穴的形状包括矩形、三角形、半圆形或梯形。
所述多个凹穴呈对称分布在微通道的内表面两侧。
所述微通道的横截面为圆弧形、三角形、矩形或梯形。
所述微通道阵列的深度等于底板凹腔深度减去毛细芯的高度。
所述底板和盖板的形状相同。
所述底板和盖板的形状包括圆形或方形。
所述毛细芯为铜粉烧结吸液芯时，铜粉颗粒粒径为0.075mm-0.150mm。
本发明的有益效果：
(1)本发明采用微通道吸液芯结构代替传统的多孔金属烧结吸液芯结构，一方面微通道结构既有利于工质蒸汽的传输和均匀分配，通道壁还扩展了工质冷凝的面积，缩短液体冷凝回流的路径，实现更低的流阻和优越的抗烧干特性；另一方面微通道结构兼作上下壳板支撑柱，较多孔金属烧结吸液芯结构具有更大强度，更能保证均热板在长时间受热作用下与芯片紧密贴合；
(2)本发明均热板中微通道内的两个侧面加工有凹穴结构，一方面可以破坏流体边界层，造成流体扰动，从而抑制冷凝液膜的形成，增强蒸汽与冷凝板之间的对流换热能力，提升均热板的换热性能；另一方面，凹穴结构的插入会导致低温滞留区的形成(如图6和如图7所示)，从而强化了蒸汽在凹穴处的冷凝作用(冷凝强化点)，促进液体工质的冷凝回流，增强了均热板的抗烧干特性；
(3)微通道均热板中加入凹穴结构，可以有效增大传热面积，同时在凹穴进口处发生喷射效应，在出口处产生节流效应，两效应有效促进二次流的形成，进而降低蒸汽流动阻力，提升蒸汽对流换热系数，最终有效提升均热板的均温和散热性能；
(4)本发明所涉及的带凹穴结构微通道均热板，支撑强度高、流动阻力小、均温性能好、传热效率高，更符合超薄和柔性均热板的发展趋势；
(5)本发明所涉及的带凹穴结构微通道均热板，制作方便，加工成本低廉，便于产品的规模化生产和制造。
附图说明
图1是本发明实施例1中一种带凹穴结构的微通道均热板结构示意图；
图2是图1的剖视图；
图3是图1中的盖板结构示意图；
图4是本发明实施例2的结构示意图；
图5是本发明实施例2的盖板俯视结构示意图；
图6为本发明实施例1的微通道均热板的散热温度分布图；
图7为本发明实施例1的散热流速分布图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
如图1-图3所示，一种带凹穴结构的微通道均热板，包括底板1、毛细芯2和盖板3，在底板的内表面设置凹腔，毛细芯2内嵌于底板凹腔内共同构成均热板的蒸发端。本实施例中盖板和底板均为圆形，在盖板内表面加工有圆周阵列的微通道结构31，该微通道结构由多个微通道构成，多个微通道以盖板圆心中心点，向边缘发散，均匀设置，本实施例中，微通道有20条，所述微通道内表面的两侧加工有凹穴结构32。
如图3所示，本实施例中，凹穴结构由多个半圆形凹穴32构成，多个半圆形凹穴呈对称分布在微通道的两侧，半圆形凹穴32的直径与通道宽度相等，每条微通道中半圆形凹穴数为10。
所述底板和盖板通过焊接方式形成密闭空腔，然后通过抽真空注液等方式形成最终的带凹穴结构的微通道均热板。
本实施例中，底板和盖板的材料为紫铜。
本实施例中，底板1通过圆形铜板直接冲压一体成型。
本实施例中，毛细芯为铜粉烧结吸液芯，铜粉颗粒粒径为0.075mm–0.150mm。加工时，先在底板凹穴上表面盖上设计好的石墨模具，然后将铜粉颗粒定量的填入底板与模具之间的空隙中，经过振动填实，然后放入烧结炉进行烧结成型。
实施例2
参见图4和图5，本实施例与实施例1的区别在于：盖板和底板形状为方形，盖板上的微通道阵列为并列的矩形直微通道阵列，凹穴结构为矩形凹穴。
本实施例的其他参数设置与加工方式与实施例1相同。
图6中Temperature表示温度，340、342、344等表示温度的变化。图7中Velocity表示流速。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种带凹穴结构的微通道均热板，其特征在于，包括底板、毛细芯和盖板，所述底板的上表面设置有凹腔，毛细芯设置于凹腔内，所述盖板的上表面加工有微通道结构，所述微通道结构的内表面两侧设置凹穴结构，底板和盖板通过焊接方式形成密闭空腔，通过抽真空注液形成带凹穴结构的微通道均热板。
2.根据权利要求1所述的微通道均热板，其特征在于，所述毛细芯为铜粉烧结、泡沫金属或丝网结构。
3.根据权利要求1所述的微通道均热板，其特征在于，所述微通道结构由多个微通道构成的阵列形式，所述阵列形式包括线性阵列和圆周阵列。
4.根据权利要求1所述的微通道均热板，其特征在于，所述凹穴结构为二维凹穴结构，凹穴结构包括多个凹穴，所述凹穴的形状包括矩形、三角形、半圆形或梯形。
5.根据权利要求4所述的微通道均热板，其特征在于，所述多个凹穴呈对称分布在微通道的内表面两侧。
6.根据权利要求1所述的微通道均热板，其特征在于，微通道的横截面为圆弧形、三角形、矩形或梯形。
7.根据权利要求1所述的微通道均热板，其特征在于，微通道阵列深度等于底板凹腔深度减去毛细芯的高度。
8.根据权利要求1所述的微通道均热板，其特征在于，所述底板和盖板的形状相同。
9.根据权利要求1所述的微通道均热板，其特征在于，所述底板和盖板的形状包括圆形或方形。
10.根据权利要求2所述的微通道均热板，其特征在于，所述毛细芯为铜粉烧结吸液芯时，铜粉颗粒粒径为0.075mm-0.150mm。
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