技术领域
[0001] 本
申请涉及微
电子芯片
散热领域，特别涉及内置微转子强化纳米流体换热的微通道热沉系统。
背景技术
[0002]
温度是电子设备可靠性失效的第一大原因。目前已有文献表明，现有电子芯片的发热热流
密度已经超过1000W/cm2。在微电子芯片领域，随着温度的升高使得其运行性能急剧下降，面临失效甚至被烧毁的
风险。由于现有芯片的布线几乎逼近其物理极限，有学者提出了堆叠芯片的构想以延续摩尔定律。不难想象，堆叠芯片的结果，其发热只会越来越多。因此，需要及时高效的将芯片产生的热量迅速带走，以保证其安全、可靠、高效的运行。
[0003] 微通道液冷技术相比传统毫米级通道散热技术具有高出1-2个数量级的
传热系数。但由于微通道内流体流动为
层流，传质速率慢，这限制了其传热性能的进一步提高。纳米流体是通过在液体中添加金属或非金属粉体形成的换热介质，它相比单纯的流体具有更高的导热系数，在微通道内添加纳米流体能进一步提高微通道的散
热能力。其中，纳米颗粒在流体中的均匀、稳定分布对纳米流体的高效换热能力至关重要。已有实验研究表明，在长时间运行条件下，纳米颗粒容易在通道壁面沉积，增加壁面传热热阻，进而增加
泵功消耗，恶化传热；更严重的，甚至造成纳米颗粒堵塞通道，使冷却方式失效，无法为微电子芯片的运行提供可靠保障。
发明内容
[0004] 针对上述
现有技术中存在的问题，本发明提出通过在微通道内内置微转子，在磁力搅拌器的作用下带动转子转动，破坏纳米流体的热
边界层和速度边界层，强化
对流换热；同时，通过改变磁力搅拌速度来调控纳米颗粒的实时沉积，抑制纳米颗粒沉积所带来的传热热阻增加，能显著改善芯片温度的均匀性，提高散热热流密度，可应用于微电子芯片散热等领域。
[0005] 为了解决上述问题，本发明提供了内置微转子强化纳米流体换热的微通道热沉系统，包括：微通道热沉、磁力搅拌器和
铁磁性微转子，所述
铁磁性微转子设置在所述微通道热沉内，其在所述磁力搅拌器驱动下转动，搅拌所述微通道热沉内的纳米流体，抑制纳米颗粒在所述微通道热沉内沉积。
[0006] 较佳地，所述微通道热沉包括：一微通道热沉基底，所述微通道热沉基底的第一平面上开设有一容纳所述铁磁性微转子的微腔室、纳米流体流入通道、纳米流体流出通道、第一纳米流体入口孔和第一纳米流体出口孔，所述第一纳米流体入口孔与所述第一纳米流体出口孔依次经所述纳米流体流入通道、微腔室和纳米流体流出通道连通；一微通道热沉盖板，所述微通道热沉盖板设有第二纳米流体入口孔和第二纳米流体出口孔，分别对应所述微通道热沉基底开设的第一纳米流体入口孔和第一纳米流体出口孔。
[0007] 较佳地，所述微腔室内设置有一微圆柱，所述铁磁性微转子可套设于所述微圆柱上。
[0008] 较佳地，所述微通道热沉基底的尺寸为10mm*30mm*0.5mm，所述第一纳米流体入口孔的直径为2mm，所述第一纳米流体出口孔的直径为2mm，所述微腔室的直径为5mm，所述微圆柱的直径为0.8mm，所述纳米流体流入通道的宽度为0.8mm，所述纳米流体流出通道的宽度为0.8mm。
[0009] 较佳地，所述微通道热沉盖板的尺寸为10mm*30mm*0.5mm，所述第二纳米流体入口孔的直径为2mm，所述第二纳米流体出口孔的直径为2mm。
[0010] 较佳地，所述微通道热沉基底采用
硅基、
铜基或
铝基。
[0011] 较佳地，所述纳米流体为Al2O3纳米流体或TiO2纳米流体。
[0012] 较佳地，所述铁磁性微转子采用
镀锌的铁丝绕制而成。
[0013] 较佳地，所述磁力搅拌器提供的转速为0-6000rpm。
[0014] 较佳地，所述微通道热沉盖板采用玻璃盖板。
[0015] 较佳地，还包括一模拟热源，设于所述微通道热沉基底的第二平面，其大小和
位置与所述微腔室对应。
[0016] 与现有技术相比，本发明存在以下技术效果：
[0017] 1、本发明
实施例通过在微通道内内置微转子，在磁力搅拌器的作用下带动转子转动，破坏纳米流体的热边界层和速度边界层，强化对流换热；同时，通过改变磁力搅拌速度来调控纳米颗粒的实时沉积，抑制纳米颗粒沉积所带来的传热热阻增加，能显著改善芯片温度的均匀性，提高散热热流密度。
[0018] 2、本发明微通道热沉可广泛应用于微电子芯片散热等领域。
[0019] 当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
[0020] 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，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。附图中：
[0021] 图1为本发明实施例内置微转子强化纳米流体换热的微通道热沉系统的三维爆炸示意图；
[0022] 图2为本发明实施例微通道内内置微转子的平面结构示意图；
[0023] 图3为本发明实施例微通道内微腔室的平面结构示意图；
[0024] 图4为本发明实施例微通道热沉基底背部的模拟热源示意图。
具体实施方式
[0025] 以下将结合附图对本发明提供的内置微转子强化纳米流体换热的微通道热沉系统进行详细的描述。本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。但本发明的保护范围不限于下述的实施例，本领域技术人员在不改变本发明精神和内容的范围内，能够对其进行
修改和润色。
[0026] 本发明实施例通过在微通道热沉内设置铁磁性微转子，铁磁性微转子在磁力搅拌器驱动下转动，破坏纳米流体的热边界层和速度边界层，强化对流换热；同时，通过改变磁力搅拌速度来调控纳米颗粒的实时沉积，抑制纳米颗粒沉积所带来的传热热阻增加，能显著改善芯片温度的均匀性，提高散热热流密度，可应用于微电子芯片散热等领域。
[0027] 请参考图1-图3，内置微转子强化纳米流体换热的微通道热沉系统，包括微通道热沉、磁力搅拌器4和铁磁性微转子3，所述铁磁性微转子3设置在所述微通道热沉内，其在所述磁力搅拌器4驱动下转动，搅拌所述微通道热沉内的纳米流体，抑制纳米颗粒在所述微通道热沉内沉积。
[0028] 具体地，微通道热沉包括一微通道热沉基底1，所述微通道热沉基底1的第一平面上开设有一容纳所述铁磁性微转子3的微腔室13、纳米流体流入通道15、纳米流体流出通道16、第一纳米流体入口孔11和第一纳米流体出口孔12，所述第一纳米流体入口孔11与所述第一纳米流体出口12孔依次经所述纳米流体流入通道15、微腔室13和纳米流体流出通道16连通；
[0029] 一微通道热沉盖板2，所述微通道热沉盖板2设有第二纳米流体入口孔21和第二纳米流体出口孔22，分别对应所述微通道热沉基底1开设的第一纳米流体入口孔11和第一纳米流体出口孔12；
[0030] 所述磁力搅拌器4设于所述微通道热沉基底1的第二平面，本实施例中，第一平面和第二平面为微通道热沉基底1上相对的两个平面。
[0031] 所述铁磁性微转子3在所述磁力搅拌器4驱动下转动，搅拌所述微腔室13内的纳米流体。
[0032] 本发明实施例的微通道热沉采用微通道热沉基底1和微通道热沉盖板2封装而成，微通道热沉盖板2设于所述微通道热沉基底1的第一平面上，且使第二纳米流体入口孔21与第一纳米流体入口孔11对应，第二纳米流体出口孔22与第一纳米流体出口孔12对应。
[0033] 作为一种优选实施例，微腔室13内设置有一微圆柱14，铁磁性微转子3可套设于所述微圆柱14上。
[0034] 具体地，为了保证铁磁性微转子3能可靠地运转，本实施例铁磁性微转子3采用直径0.2mm镀锌的铁丝制成，铁磁性微转子3的结构包括一圆圈结构，铁磁性微转子3通过该圆圈结构套设至微圆柱14上；镀锌的目的是为了防止裸露的铁丝在运行条件下被纳米流体中溶解的
氧气氧化。可以理解地，铁磁性微转子3可利用铁丝绕制而成或采用其他具有铁磁性的材料制成，对其形状不做限制，只要将其挂在微腔室13的微圆柱14上可转动即可。同时，需要注意铁磁性微转子3的转动当量直径需要小于微腔室13的直径，铁磁性微转子3的高度需要小于微腔室13的深度，以便铁磁性微转子3可以容纳在微腔室13内。
[0035] 进一步地，为了保证铁磁性微转子3能可靠地运转，需保证微转子结构上的圆圈内径比微圆柱14的直径大至少20微米。同时，铁磁性微转子3的转动当量直径应比微腔室13的直径小至少20微米，铁磁性微转子3的高度需要比微腔室13的深度小至少20微米。
[0036] 在微通道热沉键合封装前，将铁磁性微转子3套入微腔室13内的微圆柱14上，且确保铁磁性微转子3能可靠转动。
[0037] 本实施例中，微通道热沉基底1采用硅基材料，当然，在实际应用过程中，也可采用铜基、铝基等材料，其尺寸为10mm*30mm*0.5mm。通过深硅
刻蚀技术，在微通道热沉基底1上刻蚀出深度为0.22mm的微槽道，其中，第一纳米流体入口孔11的直径为2mm，第一纳米流体出口孔12的直径为2mm，微腔室13的直径为5mm，微圆柱14的直径为0.8mm，高为0.22mm。在微腔室13左边的纳米流体流入通道15的宽度为0.8mm，在微腔室13右边的纳米流体流出通道16的宽度为0.8mm；
[0038] 微通道热沉盖板2的尺寸为10mm*30mm*0.5mm，通过
激光打孔技术加工第二纳米流体入口孔21和第二纳米流体出口孔22，第二纳米流体入口孔21的直径为2mm，第二纳米流体出口孔22的直径为2mm。
[0039] 本实施例中，磁力搅拌器4提供的转速为0-6000rpm。
[0040] 作为一种优选实施例，本发明实施例的内置微转子强化纳米流体换热的微通道热沉系统对于所有纳米流体均适用，即对于纳米流体的材料种类、纳米颗粒粒径、
粘度等不受限制，可以是Al2O3纳米流体、TiO2纳米流体等。本发明实施例采用的是粒径为30nm的以去离子
水为基液配置的Al2O3纳米流体。
[0041] 作为一种优选实施例，微通道热沉盖板2采用玻璃盖板。
[0042] 作为一种优选实施例，请参考图4，在微通道热沉基底1的背部还集成了模拟热源5，模拟热源5呈圆形，直径为5mm，其大小和位置与微通道热沉基底1
正面的微腔室13对应，可用于模拟真实电子芯片的发热过程。硅材料具有较高的导热系数148w/(m·k)，能迅速传输热量，目前芯片的制造材料也为硅，因此，微通道热沉基底1在后期可与真实电子芯片器件良好集成。
[0043] 使用时，纳米流体由纳米流体入口孔21流入，当纳米流体流入微通道热沉以后，通过顶部的微通道热沉盖板1观察纳米颗粒在微通道内的沉积情况，并根据实际沉积情况判断是否开启磁力搅拌器4。在纳米流体通进微通道的短时间内，可能并无太多纳米颗粒沉积，此时，可选择开启或不开启磁力搅拌器4。如此时开启磁力搅拌器4虽然不抑制纳米颗粒的沉积，但可以破坏壁面流体的速度边界层和热边界层，从而能强化对流换热。在观察到大量的纳米颗粒沉积时，可开启磁力搅拌器4以驱动铁磁性微转子3，铁磁性微转子3转动可将沉积的纳米颗粒赶走。最后，纳米流体将电子芯片散发的热量带走，并由纳米流体出口孔22流出。
[0044] 以上公开的仅为本申请的一个具体实施例，但本申请并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化，都应落在本申请的保护范围内。
