仿哺乳動(dòng)物呼吸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)微管道網(wǎng)絡(luò)換熱器

1、說(shuō) 明 書仿哺乳動(dòng)物呼吸系統(tǒng)微管道網(wǎng)絡(luò)換熱器一、技術(shù)領(lǐng)域本發(fā)明涉及一種集成電路芯片冷卻用換熱裝置，特別是一種仿哺乳動(dòng)物呼吸系統(tǒng)微管道網(wǎng)絡(luò)換熱器。二、背景技術(shù)現(xiàn)有的用于電子器件冷卻用微管道換熱器結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)形式及制造工藝相對(duì)簡(jiǎn)單。隨著電子器件集成度日益增大，電子芯片越來(lái)越小型化，現(xiàn)有冷卻系統(tǒng)所能達(dá)到的散熱能力受到極大挑戰(zhàn)，設(shè)計(jì)一種具有更優(yōu)換熱性能、更低流動(dòng)壓降的微冷卻系統(tǒng)成為微管道換熱器發(fā)展的趨勢(shì)。文獻(xiàn)1：美國(guó)專利US6,474,074. Ghoshal，Uttam Shyamalindu. Apparatus for d

2、ense chip packaging 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(xì)區(qū)雖然也具有樹狀分形結(jié)構(gòu)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(wǎng)絡(luò)換熱器不屬同類產(chǎn)品。文獻(xiàn)2：Yongping Chen，Ping Cheng. Heat transfer and pressure drop in tree-like microchannel net. International Journal of Heat and Mass Tr

3、ansfer，2002(45)：2643-2648.提出了一種T形樹狀微管道網(wǎng)絡(luò)模型，并分析其中層流對(duì)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(wǎng)絡(luò)為雙層立體結(jié)構(gòu)，需占用電子器件的上下兩個(gè)表面，且兩層微管道之間需要有通道連接，實(shí)際應(yīng)用時(shí)給器件本身的電路設(shè)計(jì)、引腳布置、整體封裝均帶來(lái)諸多困難。三、發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種具有單層平面結(jié)構(gòu)、便于芯片引腳布置與整體封裝、可采用等離子刻蝕工藝實(shí)現(xiàn)批量制造的集成電路芯片冷卻用仿哺乳動(dòng)物呼吸系統(tǒng)微管道網(wǎng)絡(luò)換熱器。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種仿哺乳動(dòng)物呼吸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分形微管道網(wǎng)絡(luò)換熱器，包括硅襯底，蓋板，絕熱玻璃蓋板上設(shè)工質(zhì)入口、工

4、質(zhì)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(shè)有仿生分形微管道網(wǎng)絡(luò)，微管道網(wǎng)絡(luò)兩端分別設(shè)有工質(zhì)入口蓄液槽、出口蓄液槽。本發(fā)明的仿哺乳動(dòng)物呼吸系統(tǒng)微管道網(wǎng)絡(luò)換熱器仿生分形微管道網(wǎng)絡(luò)為仿哺乳動(dòng)物呼吸系統(tǒng)微管道網(wǎng)絡(luò)，由兩部分完全相同的分形結(jié)構(gòu)對(duì)接而成。本發(fā)明的仿哺乳動(dòng)物呼吸系統(tǒng)微管道網(wǎng)絡(luò)換熱器蓋板為絕熱玻璃蓋板。本發(fā)明的原理是：哺乳動(dòng)物血液循環(huán)系統(tǒng)和呼吸系統(tǒng)中的物質(zhì)運(yùn)輸與分配網(wǎng)絡(luò)具有典型的分形結(jié)構(gòu)特征，例如動(dòng)脈、靜脈、支氣管網(wǎng)絡(luò)等，這些結(jié)構(gòu)中的物質(zhì)傳輸效率被證實(shí)是極其高效的；根據(jù)熱、質(zhì)輸運(yùn)在機(jī)理上的相似性，參照哺乳動(dòng)物呼吸系統(tǒng)和消化系統(tǒng)的物質(zhì)運(yùn)輸與分配網(wǎng)絡(luò)所具有的分形結(jié)構(gòu)特征，將電子

5、器件冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)成具有分形特征的微管道網(wǎng)絡(luò)換熱器。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)是：1、結(jié)構(gòu)緊湊，可直接刻蝕在硅芯片的背部；2、二維平面結(jié)構(gòu)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(guān)的微流體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。四 附圖說(shuō)明圖1是本發(fā)明的仿哺乳動(dòng)物呼吸系統(tǒng)微管道網(wǎng)絡(luò)換熱器基形結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明的仿哺乳動(dòng)物呼吸系統(tǒng)微管道網(wǎng)絡(luò)換熱器結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本發(fā)明的仿哺乳動(dòng)物呼吸系統(tǒng)微管道網(wǎng)絡(luò)換熱器硅襯底結(jié)構(gòu)圖。五 具體實(shí)施方式以下結(jié)合附圖，詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式。結(jié)合圖1，本發(fā)明的仿哺乳動(dòng)物呼吸系統(tǒng)分形微管道網(wǎng)絡(luò)換熱器的基

6、形為二分叉結(jié)構(gòu)12，即微管道的下一層均具有兩個(gè)分叉，分叉數(shù)N=2；根據(jù)Mandelbort的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，哺乳動(dòng)物肺支氣管分叉樹結(jié)構(gòu)的分叉角約為，取微管道的分叉角為，分形維數(shù)D1.8；二分叉的末端增加了一段沿軸線方向的流動(dòng)段13，起導(dǎo)向作用，保證下一層沿預(yù)定方向伸展。結(jié)合圖2，相鄰兩層微管道的長(zhǎng)度比為定值，由式(1)確定；則第k層微管道的長(zhǎng)度按照式(2)計(jì)算： (1) (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(jì)算： (3)式(3)中為分形指數(shù)，取。設(shè)相鄰兩層微管道的寬度之比；各層微管道的高寬比為；則根據(jù)式(4)確定： (4)由給定的設(shè)計(jì)條件（、），根據(jù)式(1)

7、(4)即可確定分形結(jié)構(gòu)中各層微管道的結(jié)構(gòu)參數(shù)。由于仿哺乳動(dòng)物呼吸系統(tǒng)分形結(jié)構(gòu)初始層次（第12層）的微管道分布較為稀疏，設(shè)計(jì)微管道換熱器結(jié)構(gòu)時(shí)可從第3層以后開始，具體應(yīng)用時(shí)根據(jù)需要選擇合適的層數(shù)。仿哺乳動(dòng)物呼吸系統(tǒng)微管道網(wǎng)絡(luò)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(yáng)極鍵合連接。結(jié)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(dòng)物呼吸系統(tǒng)微管道網(wǎng)絡(luò)11、冷卻工質(zhì)入口蓄液槽10，冷卻工質(zhì)出口蓄液槽9；仿哺乳動(dòng)物呼吸系統(tǒng)微管道網(wǎng)絡(luò)11由兩完全相同的分形結(jié)構(gòu)(從第3層開始)對(duì)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

8、玻璃，具有強(qiáng)度高、便于同硅襯底結(jié)合的特點(diǎn)。絕熱玻璃蓋板1上設(shè)置了冷卻工質(zhì)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(dòng)物呼吸系統(tǒng)微管道網(wǎng)絡(luò)換熱器的冷卻工質(zhì)可以是去離子水、具制冷劑或電子冷卻劑，根據(jù)被冷卻器件所需的溫度確定；冷卻工質(zhì)流經(jīng)微管道網(wǎng)絡(luò)換熱器時(shí)汽化吸熱，從而將熱量帶走，而換熱器系統(tǒng)溫度則穩(wěn)定在工質(zhì)沸點(diǎn)溫度附近。4權(quán) 利 要 求 書1、一種仿哺乳動(dòng)物呼吸系統(tǒng)微管道網(wǎng)絡(luò)換熱器，包括硅襯底8，蓋板1，絕熱玻璃蓋板上設(shè)工質(zhì)入口3、工質(zhì)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(shè)有仿生分形微管道網(wǎng)絡(luò)11，微管道網(wǎng)絡(luò)兩端分別設(shè)有工質(zhì)入口蓄液槽

9、10、出口蓄液槽9。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的仿哺乳動(dòng)物呼吸系統(tǒng)微管道網(wǎng)絡(luò)換熱器，其特征在于：仿生分形微管道網(wǎng)絡(luò)11為仿哺乳動(dòng)物呼吸系統(tǒng)微管道網(wǎng)絡(luò)，由兩部分完全相同的分形結(jié)構(gòu)對(duì)接而成。3、根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的仿哺乳動(dòng)物呼吸系統(tǒng)微管道網(wǎng)絡(luò)換熱器，其特征在于：蓋板1為絕熱玻璃蓋板。4、根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的仿哺乳動(dòng)物呼吸系統(tǒng)微管道網(wǎng)絡(luò)換熱器，其特征在于：具有單層平面仿生分形結(jié)構(gòu)，微管道截面為矩形，微管道高度相等。5、根據(jù)要求權(quán)利1或2所述的仿哺乳動(dòng)物呼吸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分形微管道網(wǎng)絡(luò)換熱器，其特征在于：二分叉分形結(jié)構(gòu)N2，分叉角為；分形維數(shù)D1.8；分形指數(shù)為3。說(shuō) 明 書 摘 要本發(fā)明涉及一種仿哺乳動(dòng)物呼吸系統(tǒng)微管道網(wǎng)絡(luò)換熱器。包括硅襯底，蓋板，絕熱玻璃蓋板上設(shè)工質(zhì)入口、工質(zhì)出口，溫度傳感器接口，壓力傳感器接口，硅襯底上設(shè)有仿生分形微管道網(wǎng)絡(luò)，微管道網(wǎng)絡(luò)兩端分別設(shè)