[实用新型]微通道冷却热沉

说明书

本实用新型涉及半导体激光器及其列阵器件、大规模集成电路等散热的冷却部件，也可推广应用于其他要求快速散热和通过多方面实现整体散热的场合，如晶体散热等。

微通道热沉最早是由土克曼(D.B.Tuckerman)在美国斯坦福大学(Stanford)提出的。土克曼在1981年5月电子器件通信(IEEE ELECTRONDEVICE LETTER)第2卷第5期发表的“大规模集成电路的高性能热沉(High-Performance Heat Sinking for VISI)”一文中描述的微通道冷却热沉的结构是：在集成电路芯片的硅衬底背面用化学方法腐蚀若干矩形沟槽，用盖板耦合构成冷却液微通道，密封与外界连接而形成冷却液回路。器件产生的热量通过联结层传导到热沉，被微通道中流动的冷却液带走而达到对集成电路芯片散热的目的。该项技术已获明显效果，然而这种热沉只能用于平面型的大规模集成电路和激光二极管列阵以及平面型半导体器件，它只能通过一个接触面散热。而且，由于传导的热阻与材料的热导率成反比，微通道中冷却液吸热的等效热阻与微通道的结构参数成反比(W和H分别为微通道的宽度和深度)，也就是说微通道的深宽比大则带走热量快，但是硅材料的热导率不算太好，特别是用化学腐蚀方法制作微通道不易达到大的深宽比(槽深难于超过300微米)，因此限制了散热效果。

为此，本实用新型旨在提供一种新结构的微通道热沉，以致克服上述已有技术的热沉存在的缺限，提高热沉冷却效率，使其使用方便，应用范围拓宽。

本实用新型的微通道冷却热沉是由N块(N≥4)均匀的良导热金属(或合金)薄片的热沉片叠合封围构成的。这些热沉片按叠合顺序依次分为传热片1、通道片2、导流片3和过流片4。过流片4上开有圆孔41、45分别为进液孔和出液孔，以备通过“O”形圈密封与外部管道连接，过流片4直接与安装座接触。传热片是直接与被冷却物体接触，无孔或必要时也开有圆孔为进出液孔。通道片2上有平行密集的多条细狭缝23，细狭缝的宽度通常取值30～100微米，细狭缝的密度大于10条/毫米，细狭缝23大幅面地分布在通道片2的中部或者集中分布在圆形、环带状或条形区域里。在进出液孔的相应位置也开有圆孔21和25，圆孔周围均匀分布有宽缝22、24与圆孔21、25相通。在通道片2与过流片4之间有导流片3，导流片3上有M(M≥2)个长条形导流孔32、34，也有圆孔31、35。导流片上的长条形的导流孔32、34为的是跨接细狭缝23和宽缝22、24相通。这些热沉薄片叠合粘结后，互相封围，其中宽缝形成冷却液流通的主通道，细狭缝形成微通道，导流孔则形成导流通道，过液孔形成了过液通道，热沉片叠合成为一整体，成为一高抗压强度的薄壁结构，并具有圆形的进出液孔。

上述构成热沉的热沉片均选用导热性能优良而物化性质稳定的金属或合金材料，例如无氧铜、镀银紫铜、银等等，热沉片可以是方形、长方形、圆形或者是环带状的。

与已有技术相比，本实用新型的微通道冷却热沉具有下列优点：

1.冷却效果更好。

理论和实验都早已指出，冷却液湍流层是起吸热作用的主要部分，其热阻与通道的深宽比成反比。已有技术中用化学腐蚀法刻制微通道受保护胶耐浸泡时间等等条件的限制，硅片蚀刻几十微米宽度的槽深难以超过300微米；而且槽底平面很难保证，这也直接影响散热效果。本新型采用薄片开缝然后叠合封围所构成的微通道，深宽比根本不受限制，可以大大改善湍流层的吸热性能。槽深了通道截面就增大，冷却液的总流量随之增大，也有利于提高带走热量的速度。良导热金属和绝对平底的传热层最大限度地降低了被冷却物体至冷却液的热阻，例如铜或银的导热率是硅片的近3倍，所以本新型的冷却效果远远比上述已有技术好。

2.有广泛的适用场合。

由于本新型的进出液孔都是圆形孔，采用“O”形圈与外界连接，这种连接方式比橡皮片的密封可靠，而且装配方便，易于实现模块拼接，因此可以推广应用于任何要求快速散热的器件，特别是适合于有相当厚度和要求通过多面实现整体散热的器件，如固体激光器的工作物质、光功能晶体器件、大功率电气元器件等等。

3.电连接方便。

用金属热沉片叠合成的热沉导电性能优良，用于冷却高功率激光二极管等大电流半导体器件时正好充当芯片的下电极，固定在接通外部管道的金属基座上，可以实现可靠的电连接。

4.热沉片的结构简单，便于加工，成品率高。