CN116669399A - 一种面向微电子设备热点自适应冷却的新型方式 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种面向微电子设备热点自适应冷却的新型方式，涉及微电子设备热管理技术领域，该方式采用分散相具有双疏(疏水疏油)特性的汽‑液相变纳米乳液(去离子水为连续相，低沸有机氟化物为分散相)作为换热工质；所述相变乳液流经微电子设备的背景区域时利用水的高携热能力进行换热，在流经热点区域时利用有机氟化物的汽化潜热和沸腾泡滴扰动协同强化换热；所述相变乳液发生沸腾后可维持稳定的泡状流。本发明能够实现结温通常低于85℃的微电子设备热点自适应冷却，在常压下利用沸腾换热技术使微电子设备的温度始终维持在较低水平，实现微电子设备热点动态变化过程中高效散热与安全稳定运行的兼顾。

Description

一种面向微电子设备热点自适应冷却的新型方式

技术领域

本发明涉及微电子设备热管理技术领域，特别是涉及一种面向微电子设备热点自适应冷却的新型方式。

背景技术

近年来，随着电子设备微型化和集成化的不断发展，微电子设备的散热问题愈发突出，热点区域的热流密度更是高达背景区域的6倍以上。热点过热致使微电子设备工作性能下降，其次，微电子设备的工作温度最好保持在85℃以下，局部区域温度过高导致微电子设备的故障率不断攀升。为保证电子设备中微电子设备的高效、稳定工作，现已发展出风冷、水冷、半导体制冷等多种微电子设备冷却方式，但难以实现针对微电子设备热点的局部高效冷却。

由于水冷散热具有低成本和高换热效率等优点，是目前市面上面向微电子设备冷却的主要方式，其冷却工质多为去离子水。然而，在常压下，工质水主要以单相层流流动方式带走微电子设备表面的热量，边界层的不断发展限制了其换热效果，虽然通过提高流体流速可强化微电子设备整体的换热性能却难以针对微电子设备热点区域进行高效冷却。另外，在微电子设备热点区域引入二次流道或是加密布置微肋等强化换热手段仅适用于可预测的热点区域冷却，在无法应对复杂的热点位置变化的同时还会大幅增大系统压降和器件加工难度。此外，借助温敏型材料在不同温度下的形变响应特性来调控工质与壁面之间的换热能力或是增大局部工质流速实现对任意局部随机热点的自适应冷却，如形状记忆合金可实现对于任意局部随机热点处换热结构的自适应变形，温敏型水凝胶在温度变化时发生热缩来自适应调控换热工质的流量。但形状记忆合金存在记忆疲劳寿命，温敏型水凝胶在释放和吸收水分的过程中易引起通道压力波动，导致现有微电子设备热点的冷却方式无法兼顾热点动态变化工况和安全稳定运行。

发明内容

发明的目的是提供一种面向微电子设备热点自适应冷却的新型方式，解决上述现有技术存在的问题，通过更换通道内的换热工质，实现微电子设备热点动态变化过程中高效散热与安全稳定运行的兼顾。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种分散相具有双疏特性的汽-液相变纳米乳液(去离子水为连续相，低沸有机氟化物为分散相)作为面向微电子设备热点自适应冷却的换热工质，代替传统的单相工质。

优选地，所述有机氟化物均为沸点温度范围为20-85℃的全氟聚醚类、氢氟醚类、氢氟烯烃类等及其混合物。

优选地，采用超声乳化法制备分散相体积分数低于5％且液滴直径为20-1000nm之间的所述汽-液相变纳米乳液。

优选地，所述汽-液相变纳米乳液中的分散相液滴与水在换热通道表面上形成竞争润湿关系。

优选地，所述汽-液相变纳米乳液可用于用于结温低于85℃的微电子设备热点自适应冷却。

优选地，在换热通道中流经微电子设备背景区域时利用水的高显热对该区域进行冷却。

优选地，所述汽-液相变纳米乳液在换热通道中流经微电子设备背景区域时利用水的高显热对该区域进行冷却。

优选地，所述汽-液相变纳米乳液流经微电子设备热点区域时利用低沸有机氟化物的汽化潜热及沸腾泡滴扰动来强化换热。

优选地，所述汽-液相变纳米乳液流出热点区域再次流经温度相对较低的背景区域时，有机氟化物泡滴冷凝过程中将热点区域的热量传递至水中，以待再次沸腾，以此实现针对微电子设备随机热点区域的高效自适应冷却。

优选地，所述有机氟化物泡滴具有不易聚并的特性，可在换热通道中维持稳定的泡状流。

优选地，所述换热通道的壁面材质为导热性能优异的紫铜，同时进行亲水或超亲水处理。

优选地，所述换热通道宽度可减小至亚毫米级别。

本发明公开了以下技术效果：

本发明通过利用汽-液相变纳米乳液在流经微电子设备热点区域时水的高携热能力和分散相的汽化潜热及沸腾泡滴扰动进行协同强化换热，以此实现在低于微电子设备结温(85℃)情况下使用流动沸腾换热技术，并且在通道内维持稳定的泡状流，在对微电子设备热点进行高效自适应冷却的同时兼顾系统安全稳定运行。

附图说明

为了更清楚地说明本发明中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的技术解释，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为微电子设备热点自适应冷却方式示意图；

其中，有机氟化物液滴1；有机氟化物泡滴2；热点区域3；背景区域4；微电子设备5。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种分散相具有双疏特性的汽-液相变纳米乳液作为面向微电子设备热点自适应冷却的换热工质，代替传统的单相工质，兼顾热点的高效自适应冷却和系统安全稳定运行。

为使本发明的上述目的、特征和效果能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

作为一种优选的具体实施方式，本实施例提供的所述低沸有机氟化物相变温度的范围均为20-85℃，在具体的使用环境下均高于初始环境温度且低于微电子设备的最高结温。

作为一种优选的具体实施方式，本实施例采用超声乳化法制备汽-液相变纳米乳液，在去离子水中加入体积分数小于3％的低沸有机氟化物，将具有双疏特性的低沸有机氟化物与水在常温下超声乳化为汽-液相变纳米乳液。

作为一种优选的具体实施方式，通过改变超声频率、功率和时间来改变分散相液滴的直径，以及改变分散相体积分数来适应微电子设备的实际热设计功耗和热点发热规律。优选的，使用频率为28kHz的超声分散仪在60W功率下超声10min制备3％体积分数HFE-7100/水纳米乳液。

作为一种优选的具体实施方式，其中换热通道的壁面应选择导热性能优异的紫铜进行制作。

作为一种优选的具体实施方式，其中换热通道加工成亚毫米级别。

作为一种优选的具体实施方式，采用氢氧化钠和过硫酸铵混合溶液对打磨及清洗过后的紫铜通道壁面进行氧化处理，并通过控制氧化时间制备不同亲水性的通道来满足泵功要求。

图1为分散相具有双疏特性的汽-液相变纳米乳液在通道内流动沸腾过程的主视剖面图，内部热点的位置和数量并不限于图1所示，根据微电子设备的实际工作状态实时变化。

汽-液相变纳米乳液对微电子设备热点的自适应冷却工作原理如下所述：

汽-液相变纳米乳液从通道入口处流入，在首次流经微电子设备5的背景区域4时，背景区域4的壁面温度低于有机氟化物液滴1的沸点，此时利用水的高显热对该区域进行冷却；乳液流经微电子设备热点区域3时，热边界层内的乳液温度升高至有机氟化物的沸点，此时低沸有机氟化物液滴1在连续相水中发生沸腾，产生有机氟化物泡滴2；乳液流出热点区域3再次流经温度相对较低的背景区域4时，有机氟化物泡滴2冷凝为有机氟化物液滴1的过程会将热点区域3的热量传递至背景区域4的水中，以待再次沸腾，以此实现针对微电子设备随机热点区域3的自适应冷却。

与现有技术相比，本申请的创新部分如下所述：

现有面向微电子设备冷却的大多以去离子水作为沸腾工质，常压下，只有在壁面温度超过100℃才能实现流动沸腾换热，该温度下微电子设备故障率极高。其次，作为具有高饱和蒸气压与低粘度特性的大多数有机氟化物(沸点20-85℃)虽然可在85℃内实现沸腾，但是其导热系数和比热容较小，在不发生相变时的单相流动换热能力显著低于同工况下的水，在发生流动沸腾过程中又不可避免的存在单一均相工质沸腾过程汽泡层堆积、工质干涸、流动不稳定等问题。以上两种常见的换热工质且均无法针对微电子设备随机热点区域进行自适应冷却。以分散相具有双疏特性的汽-液相变纳米乳液作为换热工质，乳液在流经背景区域时依靠水的单相流动换热，流经热点区域时利用水的高显热优势和低沸有机氟化物的汽化潜热进行协同强化换热，实现对微电子设备随机热点区域的高效自适应冷却，同时兼顾系统的安全稳定运行。

需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种面向微电子设备热点自适应冷却的新型方式，其特征在于：分散相具有双疏(疏水疏油)特性的汽-液相变纳米乳液(去离子水为连续相，低沸有机氟化物为分散相)在换热通道内流经微电子设备的背景区域时借助水的高显热优势换热，流经热点区域时利用低沸有机氟化物的汽化潜热及沸腾泡滴扰动协同强化换热，再次流经背景区域时携热泡滴将热点区域的热量传递至背景区域的水中，实现针对微电子设备随机热点区域的高效自适应冷却。

2.根据权利要求1所述的一种面向微电子设备热点自适应冷却的新型方式，其特征在于：所述有机氟化物的种类包括全氟聚醚类、氢氟醚类、氢氟烯烃类等及其混合物，沸点温度范围为20-85℃。

3.根据权利要求1所述的一种面向微电子设备热点自适应冷却的新型方式，其特征在于：所述分散相具有双疏特性的汽-液相变纳米乳液中分散相液滴直径在20-1000nm之间。

4.据权利要求1所述的一种面向微电子设备热点自适应冷却的新型方式，其特征在于：换热通道表面经过亲水处理后，所述纳米乳液中的分散相液滴与去离子水在表面形成竞争润湿关系。

5.根据权利要求1所述的一种面向微电子设备热点自适应冷却的新型方式，其特征在于：所述面向微电子设备热点自适应冷却的新型方式用于结温不高于85℃的微电子设备控温散热。

6.根据权利要求1所述的一种面向微电子设备热点自适应冷却的新型方式，其特征在于：所述汽-液相变纳米乳液中有机氟化物的体积分数不高于5％。