一种大尺寸芯片用两级分流歧管微通道结构

1.本发明涉及功率器件散热技术领域，具体是涉及一种高冷却效率的大尺寸芯片用两级分流歧管微通道结构。


背景技术：

2.功率模块广泛应用于电动汽车，轨道交通，电力输送等领域，但随着各行各业对设备小型化、高性能、多功能、高可靠性的发展需求，芯片的集成度、封装密度、层量、小尺寸和工作频率不断提高，热通量也大大提高了，热管理已成为一个严重的问题。然而传统的风冷和水冷设备因远离芯片，传热路径过长和材料热阻过大，导致散热效率较低，已无法满足当下功率模块的散热需求。
3.随着引入微通道，有望实现冷却结构在功率模块封装的集成和芯片级散热，达到降低热阻、提高散热效率和功率密度的目的。同时，为了实现更大的散热效率，许多科研人员通过设计不同结构提高微通道的传热系数。但是二维的平行微通道冷却都存在温度分布不均且温度梯度大的问题，这极大的影响了其实际应用。因为流体在流经靠近入口的热源时，流体温度为入口温度，此时固液温差大导热能力强，但是当携带一定热量后的流体继续流经靠近出口的热源时，流体温度将大于入口温度，传热系数将会小于靠近入口时的流体。所以，为了解决散热不均的问题，有学者提出了三维分流的歧管微通道结构，通过分流的方式保证了进入微通道时的流体温度都接近入口温度。但微通道散热结构的运行需要外界提供能量驱动流体的运动，如电驱动机械泵运转为流体提供动力。而微通道结构由于其尺寸为微米级，压力降巨大，并且随着热源尺寸的增大，驱动流体运动所需的功率也将成倍增加。而且，固定泵送功率的驱动泵也会由于压力降过大而无法达到高的质量、流量，从而减小冷却装置的冷却效率。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是，克服上述背景技术的不足，提供一种散热效率高的大尺寸芯片用两级分流歧管微通道结构，在保证相同散热能力的前提下降低外界能量消耗。
5.本发明解决其技术问题采用的技术方案是：一种大尺寸芯片用两级分流歧管微通道结构，包括从上至下依次排布的汇水层、第一级分流层、第二级分流层和微通道层，所述汇水层包括中间的汇水入水口和两侧独立或连通的汇水出水口，所述第一级分流层包括第一级分流入水口和第一级分流出水口，汇水入水口与第一级分流入水口连通，汇水入水口往下分隔成并列的两个第一级分流入水口，第一级分流出水口与汇水出水口连通；所述第二级分流层包括入水歧管和出水歧管，入水歧管与出水歧管相互间隔，第一级分流入水口与入水歧管连通，第一级分流出水口与出水歧管连通；所述微通道层由微米级的平行微通道组成；入水歧管和出水歧管与微通道相对垂直并连通，入水歧管通过微通道与出水歧管连通；微通道层与热源接触。
1与第一级分流入水口2-1连通，汇水入水口1-1往下通过隔板分隔成并列的两个第一级分流入水口2-1，第一级分流出水口2-2与汇水出水口1-2连通。本实施例中，汇水入水口1-1有多个，均匀的分布于汇水层1的中间，每个汇水入水口1-1往下通过隔板分隔成并列的两个第一级分流入水口2-1。
27.第一级分流出水口2-2有多个，均匀分布于汇水层1的两侧。第二级分流层3包括多个入水歧管3-1和多个出水歧管3-2，入水歧管3-1与出水歧管3-2相互间隔，各第一级分流入水口2-1与相应的入水歧管3-1连通，各第一级分流出水口2-2与相应的出水歧管3-2连通。
28.参照图9，微通道层4由多个微米级的平行微通道4-1组成；入水歧管3-1和出水歧管3-2与微通道4-1相对垂直并连通，入水歧管3-1通过微通道4-1与出水歧管3-2连通。
29.导热层5位于微通道层4下方，导热层远离微通道层4的一侧与热源连接。在实际应用中，还可去除导热层5，微通道层4直接与热源接触。
30.微通道层4吸收热源的热量，流体在整个歧管微通道结构内流动，带走热源的热量。第一级分流层2进行第一级分流，作用是将通道结构由串联改为并联的流动方式，其作用包括减小总压力降；增加形状扰流，提高传热系数。第二级分流层3进行第二级分流，作用是将流体分入微通道4-1内，保证流体散热能力的均一性；改变流体流动方式，将流体由与散热面平行改变为与散热面垂直的热交换方式，提高散热能力；流体分入微通道4-1内，减小压力降。微通道4-1为主要散热结构，尺寸为微米级，可增加传热面积，提高散热能力。
31.根据图2和图3，流体流动路径分为入水和出水。首先，流体首先由汇水入水口1-1进入，在第一级分流层2被分流导入并列的两个第一级分流入水口2-1，如图2和图5所示。然后进入各自相连通的入水歧管3-1通道，见图6。之后在通过入水歧管3-1的过程中不断被分流流进相连通的微通道4-1，然后经由微通道4-1汇聚进入出水歧管3-2，参考图7、图8。流体进入与各出水歧管3-2相连通的两侧第一级分流出水口2-2，然后最终汇入汇水出水口1-2，如图3所示。
32.下面对本发明实施例微通道结构冷却效率的提升进行验证，使用普通歧管微通道结构的仿真参数进行对比。
33.首先，在接触结构面相同的情况下，流体和壁面的热交换与流速有关，即局部热交换系数与流速有关。设定各通道内的平均流速相同时，各微通道结构的冷却效率如下。
34.泵送功率p由下列计算式决定：p=ρgqh
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（1）其中，ρ表示流体的密度（纯水的密度为997 kg/m
³
），g是重力加速度（9.8n/kg），q是水泵流量，h为扬程。
35.而水泵流量的表达式如下：q=νa
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（2）其中，ν表示流体的流速，a是截面面积。
36.在有限元流体仿真中，将歧管微通道结构的流体域抽离出来进行仿真，并设置普通歧管微通道结构的入水口速度为0.4 m/s，入水口截面为5
×
85 mm2；本发明实施例的流体入水口速度为0.27 m/s，入水口截面为11
×
85 mm2。仿真设置1000个循环迭代，最终仿真结果如图10和图11所示。
37.假定外接管道直径为10mm，管路总长0.2m，整个管道不存在高度差和外接弯管，冷却为闭环回路，进出口流速相同，且只比较微通道结构的泵送功率需求。因此扬程只与压力降δp有关，关系式如下：h=δp/ρg
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（3）由仿真结果可知，普通歧管微通道结构的入水口压强为1450 pa，出水口压强为-7 pa，流体的体加权平均流速为0.367 m/s；而本发明实施例微通道结构的入水口压强为958 pa，两个出水口的平均压强为-2 pa，流体的体加权平均流速为0.371 m/s。因此普通歧管微通道结构压力降为1457 pa，本发明实施例微通道结构的压力降为960 pa。
38.通过联立公式（1）（2）（3）计算得到，普通歧管微通道的泵送功率为2.389
×
10-2n•
m/s，本发明实施例微通道结构的泵送功率则为2.419
×
10-2n•
m/s。可以发现，两种微通道结构在泵送功率基本相同的情况下，局部热交换系数也相差不大。
39.但普通歧管微通道结构的水泵流量qa为1.64
×
10-5
m3/s，本发明实施例微通道结构的水泵流量qb则为2.52
×
10-5
m3/s。
40.冷却效率cop的计算式为：cop=q/p
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（4）其中，q代表流体能够带走的热量。
41.由于局部热交换系数和泵送功率相同，而本发明实施例微通道结构的水泵流量相对普通歧管微通道结构提高了约53%，因此冷却效率也相对的提高了53%。
42.相对于普通歧管微通道结构，本发明的两级分流歧管微通道结构，更适用于大尺寸芯片，本发明“大尺寸芯片”具体是指表面积大于100平方毫米的芯片。本发明出现的“多个”具体是指不少于两个。
43.本发明两级分流的歧管微通道结构，实现了功率器件芯片级散热，在保证相同散热能力的前提下降低外界能量消耗的目的。水泵电机所需驱动功率与压力降、流体质量、流量成正比，本发明通过两级分流有效减小压力降从而降低水泵电机所需驱动功率，由于可有效减小压力降，故可选择高质量、流量的流体，从而提高散热效率；本发明可增加形状扰流，提高传热系数，保证流体散热能力的均一性；改变流体流动方式，将流体由与散热面平行改变为与散热面垂直的热交换方式，提高散热能力；节约了能源，提供了更高效的散热。
44.本领域的技术人员可以对本发明进行各种修改和变型，倘若这些修改和变型在本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则这些修改和变型也在本发明的保护范围之内。
45.说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知的现有技术。

技术特征：
1.一种大尺寸芯片用两级分流歧管微通道结构，其特征在于：包括从上至下依次排布的汇水层、第一级分流层、第二级分流层和微通道层，所述汇水层包括中间的汇水入水口和两侧独立或连通的汇水出水口，所述第一级分流层包括第一级分流入水口和第一级分流出水口，汇水入水口与第一级分流入水口连通，汇水入水口往下分隔成并列的两个第一级分流入水口，第一级分流出水口与汇水出水口连通；所述第二级分流层包括入水歧管和出水歧管，入水歧管与出水歧管相互间隔，第一级分流入水口与入水歧管连通，第一级分流出水口与出水歧管连通；所述微通道层由微米级的平行微通道组成；入水歧管和出水歧管与微通道相对垂直并连通，入水歧管通过微通道与出水歧管连通；微通道层与热源接触。2.如权利要求1所述的大尺寸芯片用两级分流歧管微通道结构，其特征在于：所述汇水入水口有多个，均匀的分布于汇水层的中间，每个汇水入水口往下分隔成并列的两个第一级分流入水口。3.如权利要求2所述的大尺寸芯片用两级分流歧管微通道结构，其特征在于：所述第一级分流出水口有多个，均匀分布于汇水层的两侧。4.如权利要求3所述的大尺寸芯片用两级分流歧管微通道结构，其特征在于：所述入水歧管和出水歧管有多个，各第一级分流入水口与相应的入水歧管连通，各第一级分流出水口与相应的出水歧管连通。5.如权利要求1或2所述的大尺寸芯片用两级分流歧管微通道结构，其特征在于：还包括导热层，导热层位于微通道层下方，导热层与热源接触。6.如权利要求2至4中任一项所述的大尺寸芯片用两级分流歧管微通道结构，其特征在于：所述多个是指不少于两个。7.如权利要求1至4中任一项所述的大尺寸芯片用两级分流歧管微通道结构，其特征在于：所述大尺寸芯片是指表面积大于100平方毫米的芯片。

技术总结
一种大尺寸芯片用两级分流歧管微通道结构，包括从上至下依次排布的汇水层、第一级分流层、第二级分流层和微通道层，汇水层包括中间的汇水入水口和两侧的汇水出水口，第一级分流层包括第一级分流入水口和第一级分流出水口，汇水入水口与第一级分流入水口连通，汇水入水口往下分隔成并列的两个第一级分流入水口，第一级分流出水口与汇水出水口连通；第二级分流层包括入水歧管和出水歧管，入水歧管与出水歧管相互间隔，第一级分流入水口与入水歧管连通，第一级分流出水口与出水歧管连通；微通道层由微米级的平行微通道组成；入水歧管和出水歧管与微通道相对垂直并连通，入水歧管通过微通道与出水歧管连通；微通道层与热源接触。本发明散热效率高。本发明散热效率高。本发明散热效率高。


技术研发人员：杨鑫 向籽蜓
受保护的技术使用者：湖南大学
技术研发日：2023.08.15
技术公布日：2023/9/14