專利名稱：仿哺乳動物呼吸系統微管道網絡換熱器的制作方法
專利說明
一、技術領域本實用新型涉及一種集成電路芯片冷卻用微管道換熱器，特別是一種仿哺乳動物呼吸系統微管道網絡換熱器。
二背景技術：
現有的用于電子器件冷卻用微管道換熱器結構形型式多是基于Tuckerman等人于1981年提出的平行陣列直微管道型式，其結構形式及制造工藝相對簡單。隨著電子器件集成度日益增大，電子芯片越來越小型化，現有冷卻系統所能達到的散熱能力受到極大挑戰，設計一種具有更優換熱性能、更低流動壓降的微冷卻系統成為微管道換熱器發展的趨勢。
文獻1美國專利US6,474,074.Ghoshal，Uttam Shyamalindu.Apparatus for dense chippackaging using heat pipes and thermoelectric coolers.2002.5公開了一種集成熱管及熱電冷卻器的集成電路封裝裝置，其中的毛細區雖然也具有樹狀分形結構特征，但其作用在于單相液體的回流而不是換熱；且該裝置為集成電路的封裝裝置，與微管道網絡換熱器不屬同類產品。
文獻2Yongping Chen，Ping Cheng.Heat transfer and pressure drop in tree-likemicrochannel net.International Journal ofHeat and Mass Transfer，2002(45)2643-2648.提出了一種T形樹狀微管道網絡模型，并分析其中層流對流換熱特性，以用于電子器件冷卻。這種T形樹狀分形微管道網絡為雙層立體結構，需占用電子器件的上下兩個表面，且兩層微管道之間需要有通道連接，實際應用時給器件本身的電路設計、引腳布置、整體封裝均帶來諸多困難。
三
發明內容
本實用新型的目的是提供一種具有單層平面結構、便于芯片引腳布置與整體封裝、可采用等離子刻蝕工藝實現批量制造的集成電路芯片冷卻用仿哺乳動物呼吸系統微管道網絡換熱器。
本實用新型實現的技術方案為一種仿哺乳動物呼吸系統結構分形微管道網絡換熱器，包括硅襯底，蓋板，絕熱玻璃蓋板上設工質入口、工質出口，溫度傳感器接口，壓力傳感器接口；其特征在于硅襯底上設有仿生分形微管道網絡，微管道網絡兩端分別設有工質入口蓄液槽、出口蓄液槽。
本實用新型的仿哺乳動物呼吸系統微管道網絡換熱器仿生分形微管道網絡為仿哺乳動物呼吸系統微管道網絡，由兩部分完全相同的分形結構對接而成。
本實用新型的仿哺乳動物呼吸系統微管道網絡換熱器蓋板為絕熱玻璃蓋板。
本實用新型的原理是哺乳動物血液循環系統和呼吸系統中的物質運輸與分配網絡具有典型的分形結構特征，例如動脈、靜脈、支氣管網絡等，這些結構中的物質傳輸效率被證實是極其高效的；根據熱、質輸運在機理上的相似性，參照哺乳動物呼吸系統和消化系統的物質運輸與分配網絡所具有的分形結構特征，將電子器件冷卻系統設計成具有分形特征的微管道網絡換熱器。
本實用新型與現有技術相比，其顯著優點是1.結構緊湊，可直接刻蝕在硅芯片的背部；2.二維平面結構便于電子器件引腳布置和整體封裝；3.采用相變換熱，具有更高的換熱能力，而只需較小的泵送功率。
4.也可用于燃料電池極板等相關的微流體網絡結構設計。
四
圖1是本實用新型的仿哺乳動物呼吸系統微管道網絡換熱器基形結構。
圖2是本實用新型的仿哺乳動物呼吸系統微管道網絡換熱器結構示意圖。
圖3是本實用新型的仿哺乳動物呼吸系統微管道網絡換熱器硅襯底結構圖。
五具體實施方式
以下結合附圖，詳細說明本實用新型的實施方式。
結合圖1，本實用新型的仿哺乳動物呼吸系統分形微管道網絡換熱器的基形為二分叉結構12，即微管道的下一層均具有兩個分叉，分叉數N＝2；根據Mandelbort的實驗結論，哺乳動物肺支氣管分叉樹結構的分叉角φ約為2π/9，取微管道的分叉角為2π/9，分形維數D＝1.8；二分叉的末端增加了一段沿軸線方向的流動段13，起導向作用，保證下一層沿預定方向伸展。
結合圖2，相鄰兩層微管道的長度比γ為定值，由式(1)確定；則第k層微管道的長度按照式(2)計算γ＝N-1/D(1)Lk＝L0γk(2)各層微管道截面為矩形，高度均相同。相鄰兩層微管道的水力直徑之比由式(3)計算z＝Dh，k+1/Dk＝N-1/Δ(3)式(3)中Δ為分形指數，取Δ＝3。
設相鄰兩層微管道的寬度之比ζ＝Wk+1/Wk；各層微管道的高寬比為ak；則ζ根據式(4)確定ζ=z1+1/αk+11+1/αk---(4)]]>由給定的設計條件(L0、Hc、W0)，根據式(1)～(4)即可確定分形結構中各層微管道的結構參數。由于仿哺乳動物呼吸系統分形結構初始層次(第1-2層)的微管道分布較為稀疏，設計微管道換熱器結構時可從第3層以后開始，具體應用時根據需要選擇合適的層數。
仿哺乳動物呼吸系統微管道網絡換熱器由硅襯底[8]和絕熱玻璃蓋板[1]組成。絕熱玻璃蓋板[1]與硅襯底[8]之間通過陽極鍵合連接。
結合圖3，硅襯底材料為厚度為400微米的多晶硅片。硅襯底[8]上刻蝕了仿哺乳動物呼吸系統微管道網絡[11]、冷卻工質入口蓄液槽[10]，冷卻工質出口蓄液槽[9]；仿哺乳動物呼吸系統微管道網絡[11]由兩完全相同的分形結構(從第3層開始)對接而成。
蓋板1為絕熱玻璃蓋板，材料厚度為500微米的Pyrex 7740耐熱玻璃，具有強度高、便于同硅襯底結合的特點。絕熱玻璃蓋板[1]上設置了冷卻工質入、出口[3、6]，溫度傳感器接口[2、7]，壓力傳感器接口[4、5]。
中仿哺乳動物呼吸系統微管道網絡換熱器的冷卻工質可以是去離子水、具制冷劑或電子冷卻劑，根據被冷卻器件所需的溫度確定；冷卻工質流經微管道網絡換熱器時汽化吸熱，從而將熱量帶走，而換熱器系統溫度則穩定在工質沸點溫度附近。
權利要求1.一種仿哺乳動物呼吸系統微管道網絡換熱器，包括硅襯底[8]，蓋板[1]，絕熱玻璃蓋板上設工質入口[3]、工質出口[6]，溫度傳感器接口[2、7]，壓力傳感器接口[4、5]；其特征在于硅襯底[8]上設有仿生分形微管道網絡[11]，微管道網絡兩端分別設有工質入口蓄液槽[10]、出口蓄液槽[9]。
2.根據權利要求1所述的仿哺乳動物呼吸系統微管道網絡換熱器，其特征在于仿生分形微管道網絡[11]為仿哺乳動物呼吸系統微管道網絡，由兩部分完全相同的分形結構對接而成。
3.根據權利要求1或2所述的仿哺乳動物呼吸系統微管道網絡換熱器，其特征在于蓋板[1]為絕熱玻璃蓋板。
4.根據權利要求1或2所述的仿哺乳動物呼吸系統微管道網絡換熱器，其特征在于具有單層平面仿生分形結構，微管道截面為矩形，微管道高度相等。
5.根據要求權利1或2所述的仿哺乳動物呼吸系統結構分形微管道網絡換熱器，其特征在于二分叉分形結構N＝2，分叉角為2π/9；分形維數D＝1.8；分形指數為Δ＝3。
專利摘要本實用新型涉及一種仿哺乳動物呼吸系統微管道網絡換熱器。包括硅襯底，蓋板，絕熱玻璃蓋板上設工質入口、工質出口，溫度傳感器接口，壓力傳感器接口，硅襯底上設有仿生分形微管道網絡，微管道網絡兩端分別設有工質入口蓄液槽、出口蓄液槽。本實用新型與現有技術相比，其顯著優點是結構緊湊，可直接刻蝕在硅芯片的背部，二維平面結構便于電子器件引腳布置和整體封裝，用相變換熱，具有更高的換熱能力，而只需較小的泵送功率，也可用于燃料電池極板等相關的微流體網絡結構設計。
文檔編號G12B15/02GK2699434SQ200420025350
公開日2005年5月11日 申請日期2004年3月12日 優先權日2004年3月12日
發明者陳運生, 董濤, 陳強, 楊國來 申請人:南京理工大學