專利名稱：微通道冷卻技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及流體力學和熱傳遞，更具體的，涉及集成電路及其它應(yīng)用中的熱學管理技術(shù)。
背景技術(shù)：
由于半導體的發(fā)展，激光及能量轉(zhuǎn)換技術(shù)不可避免地伴隨著更高的能量和更高的能量密度，如果沒有熱學管理技術(shù)的相伴發(fā)展，不可能獲得這種發(fā)展。因此，熱學管理已作為電子系統(tǒng)的主要設(shè)計限制因素而出現(xiàn)。
個人計算機(PC)提供了一種對熱學管理挑戰(zhàn)的極好例子。即，利用今日的桌面PC，所經(jīng)歷的平均熱通量可大于150瓦每平方厘米，且在通常稱為熱點的局部區(qū)域內(nèi)，可能出現(xiàn)高達500瓦每平方厘米的顯著較大平均熱通量。
在過去二十年里，由于傳統(tǒng)(且普遍存在的)空氣冷卻方法的固有限制，對電子設(shè)備的液體冷卻的研究盛行。例如，對于通常需要熱源與熱沉空間分離的應(yīng)用例如筆記本電腦，一般采用熱管來吸收熱源產(chǎn)生的熱量、傳遞該熱量并使該熱量擴散到熱沉的基底。然而，由于熱管是無源設(shè)備，依靠表面張力來流通熱傳遞流體，所以給定幾何構(gòu)造的熱管能夠傳送的熱量受到極大的限制。例如，對于許多應(yīng)用例如計算機處理器和蜂窩基站中的射頻功率晶體管，要迅速到達或者超過熱管的最大功率。
微通道冷卻是另一種正在研究的液體冷卻構(gòu)造。因為與傳遞給微通道中流體的熱量以及自該微通道中流體傳遞的熱量有關(guān)的熱傳遞系數(shù)格外高，通常大于或等于約1×104瓦每平方米開爾文(W/m2K)，所以僅需要相當小的溫度差例如僅達到約五攝氏度(℃)就能驅(qū)動流經(jīng)該微通道的流體與相鄰熱源或熱沉之間的熱傳遞。參見例如R.J.Philips，Microchannel Heat Sinks，2 Advances in Thermal Modeling ofElectronic Components and Systems，109-184(1990)，在此引入其公開內(nèi)容以供參考。熱傳遞系數(shù)表示表面與流體之間在數(shù)量上需要多大的溫度差來把給定熱通量(用瓦每平方米計量)從該表面?zhèn)魅朐摿黧w。這具有維持流體在熱源的工作溫度附近的優(yōu)點，為熱傳遞至周圍環(huán)境提供較大的溫度差(驅(qū)動力)，這有助于使熱沉的幾何構(gòu)造最小化。
然而，傳統(tǒng)微通道冷卻的一個問題是與經(jīng)過微通道泵送流體有關(guān)的壓降相當高，因為該通道如此小。結(jié)果，需要通常更大、更重、更昂貴且更復雜的更高功率液壓泵來克服壓降。另一與傳統(tǒng)微通道冷卻相關(guān)的問題是對流體的熱傳遞效率沿著微通道的長度保持恒定。即，用以把給定熱通量傳入流體內(nèi)所需要的微通道壁與流體之間的溫度差沿著微通道的長度保持恒定。同樣的，熱源上的熱點(對應(yīng)于高功率耗散的局部區(qū)域)維持在比其它區(qū)域高的溫度，并引入由于所得到溫度梯度導致的熱應(yīng)力。
熱點減緩是電子業(yè)面臨的棘手問題。參見例如R.Viswanath et al.，Thermal Performance Challenges from Silicon to Systems，INTELTECH JOURNAL(August 2000)，在此引入其公開內(nèi)容以供參考。結(jié)果是，愈加地，模具上的熱區(qū)域相當局部化并限制電子設(shè)備可耗散的能量。這些局限性進一步限制了模具的功能性。
因此，需要適于與電子業(yè)的熱耗散增大需求相匹配的改進熱學管理技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種熱傳遞技術(shù)。在本發(fā)明的一個方面中，提供一種熱傳遞設(shè)備。該熱傳遞設(shè)備包括一條或多條適于容納熱傳遞流體的微通道，一條或多條所述微通道具有位于其至少一個內(nèi)表面上的突出構(gòu)件，該突出構(gòu)件構(gòu)造用于影響熱傳遞流體通過該一條或多條微通道的流動。此構(gòu)件可以包括涂覆以疏水涂層的柱狀件。
在一種示范實施例中，柱狀件包括毫微柱(nanoposts)。此外，毫微柱可接收一種用于形成超疏水毫微構(gòu)件的疏水涂層。可調(diào)節(jié)這些超疏水毫微構(gòu)件的尺寸、間距和成分，以減小與經(jīng)過微通道泵送流體有關(guān)的壓降和/或調(diào)整熱傳遞效率。
附圖的簡要說明

圖1是說明一種傳統(tǒng)熱傳遞設(shè)備的示圖；圖2A-B是說明一種示范性單微通道熱傳遞設(shè)備結(jié)構(gòu)的示圖，該結(jié)構(gòu)用以表明把構(gòu)造用以影響流體流的構(gòu)件放置在微通道中的有效性；圖3是說明一種示范性封閉微通道冷卻系統(tǒng)的示圖；圖4A-B是說明示范性微通道熱沉幾何構(gòu)造的示圖；圖5是說明示范性微通道毫微柱構(gòu)造的示圖；圖6A-C是說明毫微柱間距變化的圖像；圖7是說明超疏水毫微構(gòu)件如何影響流體的流速分布的示圖；以及圖8是說明一種用于制造熱傳遞設(shè)備的示范方法的示圖。
具體實施例方式
在說明本技術(shù)的創(chuàng)造性方面和特征之前，首先說明一種傳統(tǒng)熱傳遞設(shè)備。圖1是說明一種傳統(tǒng)熱傳遞設(shè)備的示圖。如圖1所示，傳統(tǒng)熱傳遞設(shè)備10包括熱沉12(Heat Sink)、熱界面材料(TIMs)14和15、散熱器16、集成電路(IC)芯片18(熱源)以及球柵陣列(BGA)基片20。這種熱傳遞設(shè)備可以，例子方式，包括個人計算機(PC)的中央處理單元(CPU)。
散熱器16可由高導熱性材料塊組成，該高導熱性材料包括但不限于銅或其合金。選擇性的，散熱器16包括蒸汽室。蒸汽室是一種具有使其像熱管那樣起作用的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的扁平中空板。例如，對于最高功率設(shè)備，例如輸出100瓦或更大，散熱器16由蒸汽室(例如，一種具有一平方厘米或更大占地面積且覆蓋IC芯片18的大部分區(qū)域的矩形熱管)構(gòu)成以盡可能減小垂直方向以及橫向的熱阻抗。
熱沉12是一種翅片式熱沉，且與散熱器16附接和熱連接以使熱量散逸到周圍空氣中。一層TIM例如TIM15通常存在于散熱器16與熱沉12之間，然而，熱沉12可整合到散熱器16中。
熱沉12可被風扇冷卻。例如，如果IC芯片18包括PC的CPU、圖形處理單元(GPU)或其它IC熱源，該熱源產(chǎn)生的熱量可經(jīng)由TIM14和15、散熱器16和熱沉12傳導并通過對流帶入環(huán)境空氣中。
圖2A-B是說明一種示范性單微通道熱傳遞設(shè)備結(jié)構(gòu)的示圖，該結(jié)構(gòu)用以表明把構(gòu)造用以影響流體流的構(gòu)件放置在微通道中的有效性。
在圖2A中，熱傳遞設(shè)備200包括熱源202。依據(jù)一種示范實施例，熱源202包括一種例如與BGA基片204連接且具有焊球206和絲焊208的IC。然而，這里提出的教義不限于此或者任何其它特定的熱源構(gòu)造。例如，熱源202可包括一種與印刷電路板連接的引線封裝。適當熱源的例子包括但不限于專用集成電路(ASICs)、CPUs、GPUs、圖形芯片、現(xiàn)場可編程門陣列(FPGAs)、激光器及功率晶體管。
在與BGA基片204相對的熱源202的一側(cè)，采用芯片連接粘合劑210使熱源202與微通道熱沉212物理連接和熱連接。微通道熱沉212包括上部212U和下部212L。重要的是注意，芯片連接粘合劑210的使用是選擇性的，也可采用包括但不限于焊接在內(nèi)的其它適當連接方法。依據(jù)一種示范實施例，微通道熱沉212包括至少一個基本矩形的微通道例如微通道213，該微通道213的橫截面具有從約50至約500微米的長度以及高達約500微米的寬度。依據(jù)此示范實施例，為使該通道被看作是微通道，微通道的橫截面是這樣的以致于最短尺寸必須小于或等于約500微米。依據(jù)特定應(yīng)用，微通道沿流體流動方向的長度為任意長。微通道熱沉212包括多個構(gòu)件214。構(gòu)件214伸入微通道213且構(gòu)造用以影響流經(jīng)微通道熱沉212的流體流。例如，構(gòu)件214可包括超疏水毫微構(gòu)件。如以下將要詳細說明的，超疏水毫微構(gòu)件包括其上具有疏水涂層的毫微柱。此外，如以下將要詳細說明的，可調(diào)整或者調(diào)節(jié)超疏水毫微構(gòu)件以減小與在給定流率下泵送流體經(jīng)過微通道有關(guān)的壓降和/或以調(diào)整或者調(diào)節(jié)特定區(qū)域內(nèi)的熱傳遞效率。
熱傳遞設(shè)備200還包括經(jīng)由例如氣室(plenum)222與微通道213流連通的流體入口/出口218和220。如以下將要詳細說明的，熱傳遞設(shè)備200中采用的熱傳遞流體例如冷卻劑包括任何適于移除熱源的熱量的流體，該流體包括但不限于水。熱傳遞設(shè)備200還包括粘焊縫224和基片226。粘焊縫224連接熱沉212的上部212U和下部212L?；?26可以是印刷線路板互連基片。
可改變毫微柱的布置和幾何構(gòu)造以調(diào)整系統(tǒng)的熱移除特性。更具體的，可利用毫微柱的布置和幾何構(gòu)造的變化以盡可能減小經(jīng)過微通道的流體壓降，以及例如通過控制熱源與熱傳遞流體之間的局部熱阻來管理該熱源上的熱點。例如，微通道213中的位置216處可不存在構(gòu)件214以增強該區(qū)域的局部熱傳遞。直接處于位置216下方的熱源202區(qū)域可包括熱點。如這里所使用的，術(shù)語“熱點”指例如IC芯片上產(chǎn)生(與該芯片的其它區(qū)域相比)更高熱通量級的區(qū)域。在芯片上熱通量高的局部區(qū)域內(nèi)，可使對微通道中流體的熱傳遞更有效，以便熱源基本等溫。
依據(jù)這里提出的教導，術(shù)語“等溫”用于指物體例如熱源表面的所有部分處于基本恒定溫度。例如，橫過熱源表面的溫度梯度低于或等于約五攝氏度(℃)、優(yōu)選低于或等于1℃，該熱源在此被認為是基本等溫的。因而，此等溫性用于維持熱源處在最高平均操作溫度、通常是最佳操作溫度。此外，等溫性消除熱源上的熱應(yīng)力，并簡化熱設(shè)計。同時，沒有熱點熱學管理，熱通量級較低的熱源區(qū)域會不必要地被冷卻到最低操作溫度以下。
有關(guān)熱源上的熱點，不具有熱傳遞的空間精確調(diào)整能力，必須降低所采用熱傳遞流體的溫度以能夠充分冷卻最高溫度的熱點。為進一步降低熱傳遞流體溫度，需要采用更大熱沉。更大熱沉需要更大風扇以提供充分冷卻。更大風扇會更喧鬧并占據(jù)更多空間。此外，采用更大熱沉可能不是可行方案，因為熱源的特定區(qū)域會被不必要地冷卻到最低熱傳遞濕度以下。然而，具有熱傳遞的精確空間調(diào)整能力，能夠獲得基本等溫熱源，可以在比傳統(tǒng)封裝更高的溫度下操作，這導致較小的空氣側(cè)熱沉和/或冷卻風扇或者對相同尺寸熱沉和/或冷卻風扇的更高功率耗散限制。因而，這里所述的技術(shù)可用以在電子設(shè)備的通常低于125℃的最高結(jié)溫處及其以下操縱該電子設(shè)備。
圖2B是表示微通道熱沉212的下部212L的縱向剖面圖。微通道熱沉212的下部212L內(nèi)包括多個構(gòu)件214。此外，如圖2A所示，位置216處不存在構(gòu)件214以增強該區(qū)域內(nèi)的局部熱傳遞。
如以下將要詳細說明的，使具有較大密度超疏水毫微構(gòu)件的微通道區(qū)域不像幾乎不存在或者不存在超疏水毫微構(gòu)件的微通道區(qū)域(例如，位置216)那樣有效地從熱源給熱傳遞流體傳熱。這種熱傳遞變化的理由是相當有效的熱傳遞發(fā)生在熱傳遞流體與微通道壁直接接觸的位置。通過比較，如以下結(jié)合圖5的描述將要說明的，具有疏水涂層的毫微柱的存在防止熱傳遞流體接觸并潤濕存在該毫微柱的微通道的壁。由此，在存在疏水毫微構(gòu)件的位置，熱量必須經(jīng)由毫微柱本身以及經(jīng)由存在于熱傳遞流體流與微通道壁之間的蒸汽層傳導以到達熱傳遞流體。這增大了毫微柱存在處的熱源與流體之間的熱阻。
如這里所述，本發(fā)明技術(shù)非限制性地包括涉及間接液體冷卻的實施例以及涉及直接液體冷卻的實施例。對于間接液體冷卻，微通道中的熱傳遞流體與熱源物理隔離。對于直接液體冷卻，微通道中的熱傳遞流體直接與熱源表面接觸。
示范實施例采用在微通道的空間準確且可選定部分上控制摩擦和熱傳遞的超疏水毫微構(gòu)件。此外，如上強調(diào)的，超疏水毫微構(gòu)件包括其上具有疏水涂層的毫微柱。適當疏水涂層包括但不限于具有類似特氟隆結(jié)構(gòu)的氟化聚合物(例如由Asahi Glass Co.，LTD of Tokyo Japan制造的Cytop)、具有通式CFX的無定形任意氟碳材料以及由氯硅烷和/或烷氧基硅烷制造的硅烷基自組合單層(SAMs)。
疏水涂層可作為薄共形層經(jīng)由任何適當施加方法施加給毫微柱，這些方法包括但不限于噴射、旋涂、印刷、浸漬以及化學汽相淀積(CVD)。例如，由氟化聚合物組成的疏水涂層通常經(jīng)由旋涂施加到毫微柱上，隨后烘焙以蒸發(fā)殘留的溶劑和固化聚合物。這些氟化聚合物涂層通常施加至達到約50毫微米(nm)的厚度。由具有通式CFX的氟碳材料組成的疏水涂層通常在采用氟化烴進氣例如CF4的化學汽相淀積反應(yīng)器中施加。這些具有通式CFX的氟碳材料通常施加至達到約30nm的厚度。由硅烷基SAMs組成的疏水涂層通常利用把毫微柱浸入硅烷(例如，三甲基氯硅烷)的己烷溶劑中、然后漂洗以除去未反應(yīng)物質(zhì)來施加。這些硅烷基SAMs通常施加至約2nm至約5nm之間的厚度。這里提出的涂層通過顯著降低經(jīng)過微通道的一般高得驚人的高壓降，使得長久已知為用于電子設(shè)備冷卻的最有效熱傳遞模式之一的微通道冷卻最終商業(yè)可行。
在示范實施例中，傳遞給微通道中流體以及自該微通道中流體傳遞的最大熱流僅受到泵送過該微通道的流體的流率的限制。流經(jīng)微通道的流體的流率(例如，以千克每秒(kg/sec)或立方米每秒(m3/sec)計量)是橫過該微通道的壓降的函數(shù)。依據(jù)本教義，經(jīng)過微通道的壓降利用超疏水毫微構(gòu)件降低至可管理值。經(jīng)過微通道的流體壓降可降低百分之五十或更多。這使得可采用更小、更輕、更便宜且不太復雜的泵用更低的泵送功率把流體泵送過微通道。此要素對于重量、功率、尺寸和成本限制相當嚴格的消費者電子設(shè)備空間(例如膝上型電腦)而言尤其重要。
圖3是說明一種示范性封閉微通道冷卻系統(tǒng)的示圖。在圖3中，微通道冷卻系統(tǒng)300包括微通道熱沉組件302。微通道熱沉組件302包括熱源302a(例如，一種可產(chǎn)生高于約100℃例如約100℃至約125℃之間的溫度的IC芯片)以及具有多條微通道303的微通道熱沉302b。微通道冷卻系統(tǒng)300還包括空氣側(cè)熱沉304(例如經(jīng)由流體管路306與微通道熱沉組件302流連接)以及流體泵308(經(jīng)由例如流體管路310與空氣側(cè)熱沉304流連接)。流體泵308又經(jīng)由流體管路312與微通道熱沉組件302連接。流體管路306，310和312可以包括具有慣用長度和直徑的標準流體管件。此外，依據(jù)一種示范實施例，一個或多個超疏水毫微構(gòu)件還可存在于流體管路306，310和312中一個或多個的內(nèi)側(cè)。依據(jù)此示范實施例，管路的橫截面積因而減小，毫微構(gòu)件將改變流經(jīng)該管路的流體的流速分布。
微通道熱沉302b包括多條微通道303且在此情況中為24條單獨通道，這些通道中一條或多條的一個或多個表面(未表示)上包括超疏水毫微構(gòu)件。微通道熱沉的結(jié)構(gòu)將在以下例如結(jié)合圖4A-B的描述詳細說明。
空氣側(cè)熱沉304包括其內(nèi)具有多條微通道305的微通道熱沉304a，這些微通道305中一條或多條的一個或多個表面(未表示)上包括超疏水毫微構(gòu)件。空氣側(cè)熱沉304還包括散熱片304b。
微通道305確保充分散熱并輸送熱量至散熱片304b。然而，例如當空氣側(cè)熱沉304不處在有限空間環(huán)境中并能使其更大以提供更大散熱量時，該空氣側(cè)熱沉304上不需要存在微通道305。因而，依據(jù)一種示范實施例，空氣側(cè)熱沉304不包括微通道。
流體泵308包括例如市場上可買到的流體泵設(shè)備。依據(jù)一種示范實施例，流體泵308包括多個并行操作的市場上可買到的流體泵，以例如滿足為把熱傳遞流體泵送過微通道所需要的壓力需求。市場上可買到的適當流體泵由例如Mesoscopic Devices，LLC of Broomfield，Colorado制造。
依據(jù)圖3所示的示范實施例，熱源302a散逸的熱量傳遞給流經(jīng)微通道冷卻系統(tǒng)300的組件及管路的熱傳遞流體。進入微通道熱沉組件302的熱傳遞流體必須具有比熱源302a處溫度低的溫度，以便把熱量傳遞給該流體。例如，若熱源302a處溫度為65℃且熱傳遞流體的溫度為61℃(流向是這樣的以便進入微通道熱沉組件302的熱傳遞流體已例如通過流經(jīng)空氣側(cè)熱沉304的微通道305而被冷卻)，于是熱量將從該熱源302a傳給該熱傳遞流體。重要的是注意，這里指定的操作溫度僅僅是示范性的，這里提出的教義應(yīng)不限于任何特定溫度值。
流體的一些加熱量將發(fā)生在微通道熱沉302b處，加熱該熱傳遞流體約1℃(且可能到達約5℃)。由此例如，在已流經(jīng)微通道熱沉組件302之后流經(jīng)流體管路306的流體具有約64℃的溫度。在任一流體管路中將幾乎不發(fā)生冷卻。
大部分冷卻將發(fā)生在熱傳遞流體流經(jīng)空氣側(cè)熱沉304的微通道305時。例如，熱傳遞流體的溫度在這里可降低達到約3℃。因而，存在于空氣側(cè)熱沉304處的流體的溫度約61℃(與熱傳遞流體進入微通道熱沉組件302的溫度相同)。
依據(jù)圖3所示的示范實施例，需要兩個熱沉，即，一個位于系統(tǒng)的熱源側(cè)上，一個位于系統(tǒng)的空氣側(cè)上。這確保熱量以最小溫差從熱源傳遞給熱傳遞流體并從該熱傳遞流體傳遞給空氣側(cè)熱沉。這使有效溫差例如空氣側(cè)熱沉的溫度與周圍空氣的溫度之間的溫差最大化。周圍空氣的溫度與空氣側(cè)熱沉的溫度之間的有效溫差最大化又使所需要的空氣側(cè)熱沉體積最小化。
在示范實施例中選擇水作為熱傳遞流體，因為其高比熱使所需要的流率最小化。在圖3所示封閉系統(tǒng)中熱傳遞流體例如水的最大飽合壓發(fā)生在系統(tǒng)的最高溫度(例如65℃)處且等于0.25大氣壓(atm)。然而，如前所述，可采用其它流體。
此外，由于封閉系統(tǒng)內(nèi)的靜壓一般超過0.25atm，在此例中水將通常處于液態(tài)。另外，可采用兩相系統(tǒng)，以減小熱傳遞流體的所需流率。這樣的實施需要氣體壓縮至高壓以及額外操作功率最終作為熱量經(jīng)由空氣側(cè)熱沉散逸。對于直接液體冷卻應(yīng)用，如以下將要詳細說明的，希望流體工作溫度高于100℃，因為該流體直接與熱源接觸，因此用水作為熱傳遞流體的兩相液體冷卻是有利的。
在圖3所示的示范例中，假定位于微通道熱沉組件正上方的空氣的最高溫度為約45℃，這是消費者電子設(shè)備應(yīng)用的實際值。通常情況是，用于從空氣側(cè)熱沉至周圍空氣的熱傳遞的溫度驅(qū)動力相當適中，在此例中僅20℃。因此，重要的是此20℃溫差的盡可能少被需要用以把熱負載從微通道熱沉組件傳入熱傳遞流體以及從該熱傳遞流體傳給空氣側(cè)熱沉上的散熱片，以使空氣側(cè)熱沉和/或用于冷卻該空氣側(cè)熱沉的翅片的尺寸最小化。
為例如以3℃的溫度升高來吸收150瓦所需要的水的流率是717毫升每分鐘(ml/min)，這不構(gòu)成過大流率。市場上可買到的小型泵在并行操作時需要僅45立方厘米(cm3)的總空間，且為在2巴的壓力下輸送900ml/min的水僅消耗約3瓦的總功率。這種泵的小型化在工業(yè)中仍在繼續(xù)。
此外，泵正在獲得逐漸增高的壓力和流率操作點。如圖3所示且如上所述，假定熱傳遞流體以61℃進入微通道熱沉組件并以64℃離開該微通道熱沉組件以及熱源溫度為65℃，那么1至4℃可用來把熱量從熱源傳入熱傳遞流體。因此，采用盡可能低的壓降，可優(yōu)化微通道以用相當小的熱傳遞驅(qū)動力(例如，1至4℃)來傳遞大量的熱量。
圖4A-B是說明示范性微通道熱沉幾何構(gòu)造的示圖。圖4A-B所示的微通道熱沉類似于上述微通道熱沉，例如，以上結(jié)合圖3的說明描述的微通道熱沉302b。
圖4A表示一種示范微通道熱沉構(gòu)造的寬度a、高度b和間距s的尺寸。在圖4A中，微通道熱沉組件400包括微通道熱沉殼體402、微通道404、焊劑層406以及集成熱源408。在此實施例中，微通道404包括位于其一個或多個表面(未表示)上的多個超疏水毫微構(gòu)件。這種超疏水毫微構(gòu)件的圖案表示在例如圖5和圖6A-C中且在以下詳細說明。
微通道熱沉殼體402由從以下組中選出的材料構(gòu)成，該組包括銅、硅以及由前述材料中至少一個組成的化合物。還可采用其它材料。此外，依據(jù)一種示范實施例，集成熱源408包括一種65℃且160瓦的熱源。
圖4B表示一種示范微通道單元例如經(jīng)由微通道熱沉殼體402的翅片分隔的兩相鄰微通道404的高度b、深度c和間距s的尺寸。依據(jù)一種示范實施例，微通道熱沉殼體402的壁被模制成用以把熱量傳遞給微通道404中的熱傳遞流體的導熱翅片。
此外，依據(jù)一種示范實施例，改變毫微柱的材料以例如改變該毫微柱的導熱性。僅以例子方式，當毫微柱由硅組成時，它們是導熱的。然而，如果硅被氧化以形成二氧化硅，那么毫微柱的熱傳遞效率將改變，因為二氧化硅是一種比硅要弱的導熱體。例如，多晶二氧化硅(石英玻璃)的導熱性是1.38瓦每米開爾文(W/m-K)，而硅是180W/m-K。以下結(jié)合對牛頓冷卻定律的描述來說明熱傳遞效率。
在優(yōu)化微通道的數(shù)量n、它們的幾何構(gòu)造即寬度a、高度b、深度c和間距s、以及它們的組成時，應(yīng)考慮大量因素。對于傳統(tǒng)微通道冷卻技術(shù)，重要的是在熱傳遞與經(jīng)過每條微通道的壓降之間折衷選擇。因此，熱傳遞系數(shù)隨著以壓降增大為代價的傳統(tǒng)微通道的液力直徑(實質(zhì)上是它們的寬度)的減小而相當急劇地增大。例如，與供完全展開層流經(jīng)過微通道用的給定流體流率對應(yīng)的壓降近似與該微通道的液力直徑的立方成反比。微通道的液力直徑等于其橫截面積除以其濕潤周長，例如，近似是圖4A中微通道壁之間距離的兩倍。
然而如上所強調(diào)的，采用具有疏水涂層的毫微柱以通過例如使流阻最小化來減小與流體流經(jīng)微通道有關(guān)的壓降。圖5是說明一種示范性微通道毫微柱構(gòu)造的示圖。即在圖5中，其上具有疏水涂層的毫微柱502(例如，具有橫截面503的圓柱)與固體基底504例如微通道壁形成一體。如以下將要詳細說明的，僅毫微柱502的頂端502a被例如流經(jīng)微通道的熱傳遞流體506潤濕。如以下將要進一步詳細說明的，要素例如毫微柱的間距還能影響經(jīng)過微通道的流體流。
在圖5中，熱傳遞流體506與毫微柱502之間的局部接觸角大于90度。因此，熱傳遞流體不在毫微柱之間潤濕，即，微通道壁是超疏水的。結(jié)果，傳統(tǒng)不滑移(零速率)邊界條件不適用于沿著微通道的壁。與流體速率有關(guān)的通常不滑移邊界條件僅適用于毫微柱502的頂端502a處，該頂端502a極小例如僅占據(jù)微通道表面區(qū)域的約百分之一。術(shù)語“不滑移邊界條件(no-slip boundary condition)”指在流體與固體接觸的區(qū)域內(nèi)，流體速率接近零。例如，流體不能在固體表面上“滑移”，然而，流體可在液體-空氣界面上滑移。
其它各處例如大于或等于約99％的微通道表面區(qū)域適用滑移邊界條件，因為表面張力阻止熱傳遞流體506潤濕微通道的壁。熱傳遞流體506的此表面張力狀態(tài)在圖5中表示為存在于毫微柱502的頂端502a之間的熱傳遞流體506的凹沉。如以下結(jié)合圖6A-C的描述將要說明的，毫微柱的間距508可變化。計算機模擬已顯示毫微柱陣列能增大給定壓降下的流率達約200％而不負面影響熱傳遞。這使得可以實施微通道冷卻而不采用需要太高功率的不現(xiàn)實大泵。
通過在空間上改變毫微柱的密度和直徑，可調(diào)整沿微通道的摩擦系數(shù)(例如，壓降)分布。實際上，依據(jù)這里提出的教義，對于固定的流體流率，經(jīng)過微通道的流體壓降可減小達約50％或更多。
此外，可選擇毫微柱間距和疏水涂層材料，使得由于熱傳遞流體的表面張力而相當不利于流體浸潤毫微柱之間的空間。參見例如Krupenkin et al..From Rolling Ball To Complete Wettingthe DynamicTuning of Liquids on Nanostructures Surfaces，20 LANGMUIR 3824(2004)，在此引入其公開內(nèi)容以供參考。如上所述，在毫微柱僅組成微通道表面區(qū)域的約百分之一的構(gòu)造中，流體主要與空氣和水蒸氣的薄層接觸，該薄層分隔大體積熱傳遞流體與微通道壁。此特別構(gòu)造使得熱傳遞流體更容易流經(jīng)微通道，因為該熱傳遞流體由于其低粘度而受到來自相鄰空氣層的最小流阻。這與同毫微柱接觸的少量流體大不相同，該少量流體由于流體顆粒附著在不可變形的毫微柱表面上而受到顯著阻礙。
圖5所示構(gòu)造可與“不滑移邊界條件”比較。因此依據(jù)圖5所示構(gòu)造，流體邊界處于液體-空氣界面處(除了與毫微柱頂端對應(yīng)的極小區(qū)域外)。
圖6A-C是說明毫微柱間距變化的圖像。圖6A-C所示毫微柱都具有相同直徑。依據(jù)一種示范實施例，毫微柱具有達到約400nm的直徑。此外，依據(jù)這里提出的教義，毫微柱的間距可調(diào)節(jié)以便在較高溫度下主要因為流體表面張力的變化使與毫微柱的接觸角下降至低于90度，熱傳遞流體穿過毫微柱并潤濕微通道壁。圖6B所示毫微柱具有比圖6A所示毫微柱更大的間距。圖6C所示毫微柱具有比圖6B所示毫微柱更大的間距。在圖6A-B中每個內(nèi)提供了三微米標尺，在圖6C中提供了五微米標尺，僅供參考。
毫微柱的幾何構(gòu)造進一步描述在名稱為“Method and Apparatusfor Controlling the Movement of a Liquid on a NanostructuredSurface or Microstructured Surface”且序列號為No.10/403,159的美國專利申請、名稱為“Method and Apparatus for Controlling FrictionBetween a Fluid and a Body”且序列號為No.10/649,285的美國專利申請以及名稱為“Method and Apparatus for Controlling the FlowResistance of a Fluid on Nanostructured or MicrostructuredSurfaces”且序列號為No.10/674,448的美國專利申請中，在此引入它們的公開內(nèi)容以供參考。此外，應(yīng)理解的是，這里提出的教義應(yīng)被解釋為不特別限于任何一個超疏水毫微構(gòu)件。例如，超疏水毫微構(gòu)件可包括經(jīng)過微通道縱向和橫向延伸的連續(xù)矩形構(gòu)件。
圖7是說明超疏水毫微構(gòu)件如何影響流體的流速分布的示圖。在圖7中，管路704(與不具有任何超疏水毫微構(gòu)件的管路705比較)內(nèi)表面上的超疏水毫微構(gòu)件702使得拋物線分布706被低摩擦插塞式流708取代。重要的是注意，圖7中的描繪僅僅是液流如何被超疏水毫微構(gòu)件改變的示意例圖，應(yīng)理解的是也可獲得其它流圖案，例如具有不同通道。
如上所提到的，從微通道壁至熱傳遞流體的熱傳遞主要經(jīng)由毫微柱，因為對導熱的較高阻抗存在于穿過與毫微柱熱并聯(lián)的例如水蒸汽層，尤其當該毫微柱具有足夠高的導熱性例如大于或等于空氣導熱性的約7000倍時(例如，當它們由銅、硅、鋁、鎢或其合金制成時)。在一種示范實施例中，毫微柱由膨脹系數(shù)類似于硅的鎢銅合金組成。此外，毫微柱可由氟化聚合物材料組成，此材料例如在與上述疏水涂層結(jié)合時產(chǎn)生全聚合超疏水毫微構(gòu)件。
例如，硅具有180W/m-K的導熱性，而空氣具有0.026W/m-K的導熱性。如果毫微柱占據(jù)微通道表面區(qū)域的百分之一且空氣覆蓋其它99％，那么該毫微柱的熱導系數(shù)等于導熱性為1.8W/m-K的均質(zhì)層的熱導系數(shù)，這比空氣層的熱導系數(shù)大69倍。在此例中，經(jīng)由空氣層的導熱忽略不計。此結(jié)果不依賴于毫微柱的高度。毫微柱的高度決定熱阻的絕對量。例如，如果毫微柱由硅組成且具有兩微米的高度，那么一平方厘米單位面積的熱阻是2×10-6m/[1.8W/m-K·(0.01m)2]＝0.011℃/W。這是一個相當?shù)偷闹?。然而，如果毫微柱由二氧化?導熱性1.38W/m-K)制成、高度為十微米且覆蓋區(qū)域的0.1％，那么它們具有導熱性為0.001·1.4W/m-K＝0.0014W/m-K的均質(zhì)層的有效熱導。在這種情況中，經(jīng)由毫微柱的導熱忽略不計，且該構(gòu)件的熱作用類似于其熱阻約10×10-6m/
＝3.8℃/W的空氣層，因為空氣層的熱阻比經(jīng)過毫微柱的熱阻小。這是一個相當高的值。由此，通過改變不同位置內(nèi)毫微柱的間距、長度和組成，可空間調(diào)整熱阻以使熱點等溫。
為進一步使熱傳遞效率達到最大，應(yīng)優(yōu)化熱源與微通道熱沉例如上述圖3所示微通道熱沉組件302的熱源302a與微通道熱沉302b之間的熱界面?？梢圆捎庙槕?yīng)導體(compliant conductors)(例如，焊劑)、適當表面加工、膨脹匹配材料及預(yù)先組裝技術(shù)來實現(xiàn)橫過可靠接合點的低熱阻抗值。
通過比較，基于空氣側(cè)熱沉例如上述圖3所示包括微通道305和散熱片304b的空氣側(cè)熱沉304的熱傳遞和散熱大大不同。例如，由于空氣側(cè)熱沉具有例如比微通道熱沉組件更大的占地面積，所以采用具有更大表面積的更多微通道。
在傳統(tǒng)微通道系統(tǒng)中，因為與微通道有關(guān)的高壓降，關(guān)鍵是僅在需要極有效熱傳遞的位置采用微通道。然而，給出本發(fā)明教義則不再是這樣。即，在微通道內(nèi)采用具有疏水涂層的毫微柱減小與該微通道有關(guān)的壓降，例如，依據(jù)一種示范實施例，與把本身是水的熱傳遞流體輸送過整個系統(tǒng)有關(guān)的總壓降低于或等于約5atm、優(yōu)選低于或等于約1atm，這與傳統(tǒng)微通道相比壓降減小超過1/3。
此外，如例如以上結(jié)合圖3的描述說明的，微通道冷卻系統(tǒng)300的熱傳遞組件經(jīng)由流體管路306，310和312流連接，該流體管路306，310和312有利地允許單獨研究和優(yōu)化每個組件。然而依據(jù)一種示范實施例，也可采用單個、小型、整體式熱方案，例如合并微通道熱沉組件和空氣側(cè)熱沉以及可能的流體泵為單個單元，這簡化安裝并使空間需求最小化。
與以上提出的間接液體冷卻相比，本發(fā)明的教導也可用于直接液體冷卻。例如，本技術(shù)可用于冷卻具有集成微通道的熱源，該微通道內(nèi)具有超疏水毫微構(gòu)件或其它流體流影響構(gòu)件。
這種直接液體冷卻顯著減小熱源與相關(guān)熱沉之間的溫差。此外，直接液體冷卻允許硅芯片上熱點緩和(hot spot mitigation)，這對于全面熱學管理變得越來越關(guān)鍵。參見例如R.Mahajan et al.，EmergingDirections for Packaging Technologies，INTEL TECH JOURNAL(May，2002)，在此結(jié)合入其公開內(nèi)容以供參考。
芯片與封裝之間以及封裝與周圍空氣之間的熱阻串聯(lián)發(fā)生。因此，集中于芯片與封裝之間的熱界面是最有益的。盡管蒸汽室形式的封裝(例如，大占地面積、小厚度的熱管)目前用于硅芯片上的熱點緩和，但不希望這將無限持續(xù)，因為超出最大熱負載和通量，蒸汽室將變干。另外，目前位于芯片與封裝之間的未預(yù)期熱界面材料(通常具有相當?shù)偷膶嵝?例如TIM材料在使用微通道的直接液體冷卻環(huán)境下將省略。此外，微通道可被制造成正位于芯片后側(cè)。選擇性地，微通道可由硅或一些其它適當材料制成，并與芯片(膨脹匹配表面)熱連接。
利用牛頓冷卻定律控制從熱源至微通道中的熱傳遞流體的熱傳遞，該定律表明q″(x，y)＝h(x，y)[Td(x，y)-Tf(x，y)]，其中，q″(x，y)，h(x，y)和Tf(x，y)分別代表熱源上熱通量的(相當不一致的)空間相關(guān)性、熱源與熱傳遞流體例如水之間的對流熱傳遞系數(shù)以及熱傳遞流體的溫度。Td(x，y)是熱源的溫度。目標是維持Td為某空間一致值。q″(x，y)取決于高功率單元優(yōu)先組的芯片上的位置，如上所述，此外，Tf(x，y)是空間變化的，因為當熱傳遞流體流過熱源并吸收熱量時，其溫度升高。
通常，h(x，y)是恒定的，即不依賴于位置。然而，在具有本疏水涂層毫微柱的情況中，h(x，y)是可調(diào)整的，如上所述?？苫跓嵩瓷辖o定位置處的q″(x，y)和Tf(x，y)的值來調(diào)整h(x，y)的值，使Td在整個芯片上近似恒定。通過改變毫微柱的材料(例如導熱性)、密度(例如間距)、直徑和高度，可空間調(diào)整熱傳遞系數(shù)以在微通道陣列內(nèi)提供必須用以維持空間一致熱源溫度所需要的分布。
例如經(jīng)由通過系統(tǒng)而被冷卻的熱傳遞流體可經(jīng)由專用微通道輸送至熱源上熱通量(q″(x，y))極高例如大于或等于約平均熱通量五倍的位置，在該專用微通道內(nèi)，毫微柱已被調(diào)整以使熱傳遞最小化直至到達熱點。例如，如以下將要說明的，可增大位于熱點附近外部區(qū)域內(nèi)的毫微柱的高度以使那些區(qū)域內(nèi)的熱傳遞最小化。在熱點附近，毫微柱可較短、較厚或較緊密以使那點處的熱傳遞最大化。
一種用于控制或調(diào)整熱傳遞的可供選擇方法是利用溫度來控制熱傳遞流體穿過毫微柱。任何液體的表面張力(以及由此其與毫微柱形成的接觸角)取決于其溫度。因此，可按照這樣一種方式設(shè)計毫微柱陣列，以使熱傳遞流體在高于特定閥溫的溫度下穿過毫微柱層內(nèi)部。這將允許冷卻系統(tǒng)根據(jù)熱源表面上熱點的特定布置而自動調(diào)節(jié)。例如，超出特定溫度，流體的表面張力下降至低到足以使該流體與毫微柱之間的接觸角小于90度。然后，流體將潤濕微通道壁。此外，當流體表面張力減小以及當毫微柱密度減小時，流體穿過毫微柱層的靜壓也降低。因此，可將毫微柱布置成在熱點附近相互進一步遠離設(shè)置和/或可采用表面張力隨著溫度升高而減小的熱傳遞流體。
例如，在靠近熱點的區(qū)域處，熱傳遞流體穿過毫微柱層，導致較大的熱傳遞系數(shù)。在熱源的其它區(qū)域上，熱傳遞流體保持懸浮在毫微柱頂端，從而導致那些區(qū)域內(nèi)的較低熱傳遞系數(shù)。
這里預(yù)料其它示范構(gòu)造。例如，有關(guān)間接液體冷卻應(yīng)用，微通道熱沉可并入例如鉛框架內(nèi)，且利用低熱阻抗粘合劑(例如，硅-硅粘合劑(silicon-silicon bond)或者高導熱性薄焊接粘合劑)粘接到熱源上。通過比較，有關(guān)直接液體冷卻應(yīng)用，可在熱源本身內(nèi)蝕刻微通道，鉛框架粘接到熱源上以密封該通道，使流體能經(jīng)由該通道泵送。在此實施例中，微通道與經(jīng)過熱源的熱通路熱并聯(lián)。
重要的是注意，直接液體冷卻所需要的熱傳遞流體的流率遠小于間接液體冷卻。當避免經(jīng)由封裝的熱導時，熱傳遞至周圍的驅(qū)動力等于最高熱源工作溫度(例如125℃)與周圍溫度(例如45℃)之間的差。在此例中，驅(qū)動力等于80℃。如果例如僅允許微通道內(nèi)流體溫度上升24℃，那么對于150瓦的功率耗散，所需要流率為約94ml/min。此外，此流率能進一步減小，因為一旦熱源表面溫度等于125℃(平均熱源溫度)，相應(yīng)的水飽合壓為2.25atm且蒸發(fā)變?yōu)榭赡堋＠么藘上嘞到y(tǒng)中水蒸發(fā)的高潛熱將允許更低的流率。
一旦熱源上消除熱點，其就可在較高的平均溫度下工作。這轉(zhuǎn)化為空氣側(cè)熱沉的更高工作溫度，因為熱源接合點與周圍空氣之間可利用的總熱傳遞驅(qū)動力(溫差)增大。此外，通過直接液體冷卻而不經(jīng)由中間封裝，把熱量從熱源傳給微通道中的熱傳遞流體所需要的溫差較小，進一步升高空氣側(cè)熱沉的溫度。最終結(jié)果是總系統(tǒng)性能增強以及計算機殼體的設(shè)計具有更大的靈活性。由此，因為熱沉工作溫度升高，熱沉對于給定熱負載而言占據(jù)較少的體積、需要較慢的風扇轉(zhuǎn)速(更低噪音級)并傳遞較高熱負載給周圍空氣。
圖8是說明一種用于制造熱傳遞設(shè)備的示范方法的示圖。即，圖8中給出的方法可用于制造熱傳遞設(shè)備例如以上結(jié)合圖2A的描述所表示并說明的熱傳遞設(shè)備200。
在步驟802中，在微通道殼體材料812內(nèi)制作對準孔(例如，鉆孔)810。然后，在微通道殼體材料812和814中蝕刻或者模壓出毫微結(jié)構(gòu)面816。在步驟804中，微通道殼體材料812和814配接到一起并例如使用粘合劑或者焊劑密封。在步驟806中，連接印刷線路板818、IC芯片819以及接線820。在步驟808中，插入流體配件822。
依據(jù)另一示范實施例，如上所述，可通過例如經(jīng)由專用微通道輸送“較冷”熱傳遞流體至熱源上的熱點區(qū)域來處理那些區(qū)域。例如，特定微通道在逐漸導至熱點的流路區(qū)域內(nèi)包括高密度超疏水毫微構(gòu)件，該構(gòu)件設(shè)置用以減少那些區(qū)域內(nèi)的熱傳遞量。由此，輸送至熱點的流體將較冷。然而，在熱點處，超疏水毫微構(gòu)件可縮短、省略或者改型以在該區(qū)域內(nèi)提供更強的冷卻。
依據(jù)又一示范實施例，可調(diào)整超疏水毫微構(gòu)件，以對于給定流體流率而言在降低壓降的同時不顯著改變熱傳遞。依據(jù)此示范實施例，調(diào)節(jié)超疏水毫微構(gòu)件的高度，使該超疏水毫微構(gòu)件短到足以使并行的空氣層和毫微構(gòu)件的熱阻相對于同對流入熱傳遞流體中有關(guān)的熱阻不顯著。因而，熱傳遞基本不受影響，且壓降減小。
依據(jù)又另一示范實施例，微通道在其至少一個內(nèi)表面上具有突出構(gòu)件，可調(diào)節(jié)該構(gòu)件以增強熱傳遞。例如，微通道的局部區(qū)域可包括不具有疏水涂層的毫微柱。因此，這些構(gòu)件不是超疏水的。因而在那些區(qū)域內(nèi)，熱傳遞流體不被阻止與微通道壁接觸。微通道壁的潤濕將增強那些區(qū)域內(nèi)的熱傳遞。由此，依據(jù)此示范實施例，毫微柱構(gòu)件增強熱傳遞，此外，這些局部區(qū)域可具有此毫微柱的密集陣列，以顯著增大那些區(qū)域內(nèi)的熱傳遞表面積。
這里預(yù)想其它用于增強熱傳遞的技術(shù)。例如同上，微通道在其至少一個內(nèi)表面上具有突出構(gòu)件，可調(diào)節(jié)該構(gòu)件以增強熱傳遞。更具體的，該構(gòu)件包括毫微柱，該毫微柱被涂覆以顯示不同表面能的材料。這生成了僅在特定溫度以下顯示超疏水性能的高能面。例如，在此溫度以上，允許熱傳遞流體潤濕微通道壁。此外，利用上述疏水涂層涂覆毫微柱的其它區(qū)域(生成低能面)將確保那些其它區(qū)域顯示與溫度無關(guān)的超疏水性能。這種選擇性涂覆技術(shù)可用來調(diào)整或者調(diào)節(jié)系統(tǒng)。
這里提出的教導具有廣泛應(yīng)用性。例如，本技術(shù)可用于發(fā)光二極管(LED)設(shè)備，包括但不限于投影儀、顯示器、廣告牌、街燈、具有運動影像的蜂窩式電話、手持式投影儀(例如個人數(shù)字助理(PDAs))；高功率電子設(shè)備，包括但不限于雷達和軍事應(yīng)用；以及通信設(shè)備，包括但不限于無線塔頂電子設(shè)備和微波應(yīng)用。
應(yīng)理解的是，這里在以上闡述的示例中以及附圖中表示和說明的這些和其它實施例及變型僅僅是為說明本發(fā)明的原理，本領(lǐng)域技術(shù)人員可獲得許多變型而不脫離本發(fā)明的范圍和實質(zhì)。
權(quán)利要求
1.一種熱傳遞設(shè)備，包括一條或多條適于容納熱傳遞流體的微通道，一條或多條所述微通道具有位于其至少一個內(nèi)表面上的突出構(gòu)件，該突出構(gòu)件構(gòu)造用于影響熱傳遞流體通過所述一條或多條微通道的流動。
2.權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，一個或多個所述構(gòu)件包括柱狀件。
3.權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述一條或多條微通道的最短橫截面尺寸小于或等于約500微米。
4.權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，一個或多個所述構(gòu)件包括涂覆以疏水涂層的柱狀件。
5.一種自熱源移除熱量的方法，所述方法包括步驟與所述熱源熱接觸地泵送熱傳遞流體通過一條或多條微通道，所述一條或多條微通道具有位于其至少一個內(nèi)表面上且與熱傳遞流體接觸的突出構(gòu)件，所述構(gòu)件構(gòu)造用于影響熱傳遞流體通過所述一條或多條微通道的流動。
6.權(quán)利要求5所述的方法，還包括步驟改變一個或多個所述構(gòu)件的密度、直徑、高度和材料中的一個或多個以調(diào)整從所述熱源的熱移除。
7.權(quán)利要求5所述的方法，還包括步驟配置所述構(gòu)件以使所述熱源基本等溫。
8.權(quán)利要求5所述的方法，還包括步驟配置所述構(gòu)件以降低熱傳遞流體內(nèi)的壓降的至少一部分。
9.一種熱傳遞系統(tǒng)，包括熱傳遞設(shè)備，包括一條或多條適于容納至少一部分熱傳遞流體的微通道，一條或多條所述微通道具有位于其至少一個內(nèi)表面上的突出構(gòu)件，該突出構(gòu)件構(gòu)造用于影響熱傳遞流體通過所述一條或多條微通道的流動；至少一個熱沉，其與所述熱傳遞設(shè)備連接；以及至少一個泵，適于使熱傳遞流體通過所述系統(tǒng)循環(huán)。
10.一種裝置，包括一個或多個集成電路；熱傳遞設(shè)備，與所述一個或多個集成電路熱連接，所述熱傳遞設(shè)備包括一條或多條適于容納熱傳遞流體的微通道，一條或多條所述微通道具有位于其至少一個內(nèi)表面上的突出構(gòu)件，該突出構(gòu)件構(gòu)造用于影響熱傳遞流體通過所述一條或多條微通道的流動。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種熱傳遞技術(shù)。在本發(fā)明的一個方面中，提供一種熱傳遞設(shè)備。該熱傳遞設(shè)備包括一條或多條適于容納熱傳遞流體的微通道，該一條或多條微通道具有位于其至少一個內(nèi)表面上的突出構(gòu)件，該突出構(gòu)件構(gòu)造用于影響熱傳遞流體通過該一條或多條微通道的流動。此構(gòu)件可以包括涂覆以疏水涂層的柱狀件。
文檔編號G06F1/20GK1819165SQ20051012488
公開日2006年8月16日 申請日期2005年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月24日
發(fā)明者M·S·霍茲, P·R·克羅德訥, T·N·克魯彭金, W·李, A·M·萊昂斯, T·R·薩拉蒙, J·A·泰勒, D·P·韋斯 申請人:朗迅科技公司