CN100399556C - 包括微喷射器的冷却组件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于利用冷却剂(C)冷却热源(2)尤其是电子部件(7)的冷却组件(100)。为了实现使高热流冷却的高冷却剂效率，并为了避免冷却通道中自由循环区域的出现，但得到了通过冷却通道的微观的冷却运输，依照本发明提出的冷却组件包括：响应控制信号，适于向热源(2)上喷射冷却剂(C)的多个微喷射器(1)、和在接连喷射冷却剂(C)的扫射模式中适于控制冷却剂(C)从微喷射器(1)喷射的控制器(15)。优选地，布置微喷射器，形成阵列并通过加压装置(13、14)加压以引起冷却剂的速度扰动。

Description

包括微喷射器的冷却组件
技术领域
本发明涉及用于冷却热源的冷却组件，特别是具有冷却剂的电子部件。此外，本发明涉及半导体器件、电路板和冷却方法。
背景技术
正在进行的电子部件和手持设备的微型化加之功能水平的提高，一方面导致了非常高的功率密度，另一方面又导致了高时钟频率。没有合适的冷却，会发生降低性能并限制消费产品的寿命的大的空间和时间的温度梯度和温度级。传统的冷却方法，例如自然对流(浮力感应流)和鼓风对流(强制对流)由于有限的冷却能力(自然对流)或不可接受的噪声产生和高能耗(鼓风)，面临高功率密度应用的适应性。因此需要其它解决办法，例如水冷却或如压电鼓风(piezofans)之类的先进冷却技术。
新一代的手持设备，例如便携式电话、掌上电脑(handheldcomputer)、还有如卷轴机(beamers)、置顶盒、平面电视、DVD和BD录像机等的高质量的电子产品需要具有低能耗，能冷却高热流量和无声的新的复杂冷却技术。另一要求是集成度。具有集成的冷却溶液的关键部件可容易地集成到设备中，无需重新设计设备的布局从而实现最佳的热性能。
EP 0 560 478 A1公开了用于强制冷却例如集成电路的电子电路封装的冷却结构。冷却结构包括具有许多小直径通孔的管状散热片构件(member)、连接并密封管状散热片构件一端的平板、附着在管状散热片构件另一端的盖子构件和用作向平板构件喷射冷却剂的喷嘴的导管构件。依照实施例在喷嘴的内表面上形成螺旋槽，所以当冷却剂通过喷嘴时会使冷却剂旋涡运动。为了进一步提高从管状散热片到冷却剂的热传递效率，可成一直线地布置大量的冷却结构形成冷却组件。
US 2002/0152761 A1公开了配备通过控制系统控制的具有热墨水喷射型喷雾器的半导体芯片冷却系统。该控制系统可以不同的速率操作喷雾器组来可控地以不同的速率冷却芯片的分离区域。构成检测系统，以便通过在被喷射的区域反射离开芯片的光束来分别地检测发生在芯片的不同区域的冷却状况。
发明内容
本发明的目的是提供具有低能耗、无声、高效率并能和允许与待冷却的热源集成的冷却组件和相应的冷却方法。
依照以下所述的冷却组件实现目的，包括：
响应控制信号，适于向热源上喷射冷却剂的多个微喷射器，以及
适于在微喷射器接连的喷射冷却剂的扫射(sweep)模式中控制微喷射器的冷却剂喷射的控制器。
本发明还提出了一种用于利用冷却剂冷却热源的冷却方法，包括步骤：响应控制信号使用多个微喷射器向热源喷射冷却剂；以及控制冷却剂从微喷射器的喷射；其中，以微喷射器接连喷射冷却剂的扫射模式控制冷却剂从微喷射器喷射的步骤。
本发明基于使用多个微喷射器的思想，不是同时对热源喷射冷却剂而是以扫射模式操作，即一接另一个、一组接另一组地接连地活动。这样，通过待冷却的热源上的冷却通道，实现冷却剂的宏观传输并且能减少当控制所有微喷射器以同时喷射冷却剂时会发生的冷却通道中再循环区的出现。进一步，在冷却通道中使冷却剂流向优选的方向，所以可提供热冷却剂的有效去除，因此保证高的热传输率。此外，通过接连地寻址微喷射器来促使宏观流进入热流高温的特定区。
在一个优选实施例中，微喷射器包括：
-用于冷却剂流入的入口，
-用于冷却剂喷射的出口，
-用于冷却剂从入口到出口流动的微通道，以及
-用于感应微通道中冷却剂上的速度扰动的加压装置，
其中布置微喷射器基本上垂直于热源的表面。
通过外部场(field)给微喷射器加压以在轴向或法线方向引起进入冷却剂的速度扰动。得到的高湍流水平将导致待冷却热源的增强的对流热传输。优选的加压装置(forcing means)包括压电晶体、压电陶瓷或低音扬声器和用于控制加压的控制器。
冷却剂可以是气体，例如空气或氮气，也可以是液体，例如水、但是水需要封闭的冷却系统。用于冷却电子部件主要优选空气作为冷却剂。
用于获得无噪声的冷却组件的一个重要方面是加压装置的加压频率。相应于调焦频率的边界条件是应该非常低，优选是在200Hz以下，或相当的高，优选是在10kHz以上。最佳的频率范围依赖于整个系统的空气动力学的特性和需要实验性地确定。扫射率，即微喷射器的开启和关闭的频率，也依赖于系统的特性，如流阻力、压力下降等等。
在一个实施例中，微通道的直径在10μm到10mm的范围内，特别是50μm到50mm。从热源的表面到微喷射器的出口的距离是在从0.1mm到20mm的范围内，特别是从0.5mm到10mm。这些参数还有最佳的微喷射间隔依赖于系统方面，例如槽的宽度、微通道直径和通过该系统的要求的流速率，即冷却能力，并必须实验性地确定。
依照另一实施例微喷射器基本上不垂直，但相对于热源的表面以倾斜角度放置，特别是在0°到45°范围内的倾斜角度。
优选多个微喷射器布置为微喷射器的二维阵列。在所说的阵列中微喷射器可以成直线排列，如交错的矩阵或成其它几何形状，例如定向为圆形或三角形形状。可以具有不同优选扫射模式。可能的扫射方案是：交替扫射微喷射器的行和列、每行和列交替扫射奇和偶的喷射器、从阵列的内到外扫射、或是从边缘开始。此外，可控制冷却剂的喷射以使喷射的冷却剂流入热源上的优选方向，例如流入热沉的方向。应当注意该扫射方案列表并不完全。可能还有许多其它的扫射方案。
在另一实施例，依照偏流速率，从所有微喷射器可接连地喷射冷却剂，而仅在预定的时间期间每个微喷射器喷射额外高量的冷却剂。依据另一实施例，绝大数时间不喷射冷却剂，但仅在预定的时间期间有目的地启动微喷射器。
本发明还涉及包括半导体元件和与半导体元件集成的用于冷却半导体元件的冷却组件的半导体器件。进一步，本发明涉及包括半导体器件和为冷却该半导体器件而设置的冷却组件的电路板。然而，本发明并不限于冷却半导体器件，还适用于冷却任何需要高冷却能力的其它热源。
附图说明
现在依照下列附图说明本发明
图1显示了依照本发明单个加压微喷射器的实施例，
图2显示了接连模式操作的加压微喷射器的阵列，
图3显示了依照本发明在扫射模式中操作的加压微喷射器的阵列，
图4显示了图3所示的微喷射器的流速率，
图5显示了不同的脉冲形状，
图6显示了依照本发明加压微喷射器的阵列，
图7显示了扫射模式的第一实施例，
图8显示了扫射模式的第二实施例，
图9显示了扫射模式的第三实施例，
图10显示了扫射模式的第四实施例，
图11显示了与半导体器件集成的冷却组件的实施例和
图12显示了其上安装有冷却器件和半导体器件的电路板的实施例。
具体实施方式
在图1中显示了依照本发明单个微喷射器的实施例。微喷射器1包括用于冷却剂C流入的入口10、用于喷射冷却剂的出口11、冷却剂从入口10到出口11流动的微通道12和用于引起微通道12中冷却剂C上的速度扰动的加压装置13，上述的加压装置13由控制器14控制。优选布置微喷射器以使其可以是独立的普通通道、管或小型通道(纳米级的亚微型通道)的微通道12基本上垂直于所示待冷却的热源2的表面。然而，也可以以和热源2的表面不成90的角度来布置微通道12。这样的倾斜布置会增加或减少通过扫射微喷射器引起的宏观流的出现。
在撞击热源2的表面之后所得到的喷射冷却剂C的流图案标记为3。众所周知这种流在撞击热源2表面的点31附近具有高热传输系数，其中点31称为滞点(stagnation point)。然而这种流的再循环特性导致在远离滞点31的分离点32的热传输性能差。
使用外部场E对流加压以将速度扰动引入冷却剂的未变形的进入流中并且增加旋涡的强度。在轴向、纵向或法线方向可使轴向通道流3变形以增加速度扰动，即，增强流的旋涡强度。
有不同的可能性以加压微喷射器。优选例如用于加压薄片状壁流的低音扬声器、压电陶瓷或压电晶体可用作加压装置13。这种压电晶体或陶瓷使用在例如喷墨打印头中以计量通过通道的流量，以使仅少量墨水小滴沉积在需打印的衬底上。也可通过正弦曲线、成锯齿状的或短脉冲的调制来控制流的加压。
依照本发明，如图2a所示使用形成冷却组件100的加压微喷射器阵列1a、1b、1c、1d来扩大需冷却的区。交错的或成一直线排列的多个微喷射器1a-1d的阵列的缺点是当同时操作微喷射器时在冷却剂的流出流3中出现分离点32。得到的流图案3由多个滞点31和分离点32组成。分离点32是以热传输系数显著地降低为特征的，这可从图2b所示的热传输系数的分布曲线4中看出。分布曲线4的最高点对应于滞点31，最低点对应于分离点32。微喷射器1a-1d的成一直线或离轴(off-axis)间距决定了分离点32的位置和热传输系数下降的强度。
Garimella等人已对微喷射器阵列的热传输特性作理论研究(Garimella等人，“Local heat transfer distributions inconfined multiple air jet impingement”，Journal ofElec.Pack.2001，v.123，p.165)。已被改变的某些参数是喷嘴的直径和到热源的距离。考虑将具有多微喷嘴的阵列用于空间和噪声都受限的设备中的冷却应用。此外，Vukasinovic，J.和Glezer，A.在“Countercurrent Flow of an Impinging Round SyntheticJet”，Bulletin of the American Physical Society-Division ofFluid Dynamics，Vol.46，No.10，pp.196，2001.中公开了不同的多个喷嘴的配置，显示了它们的用于电子工业冷却应用的热传输能力。
为克服由分离区域导致的局部热点问题，依照本发明提出了调整单个微喷射器的开关频率以使在扫射模式中操作微喷射器。这在图3中作了说明。除了多个微喷射器1a-1d和控制器14用于控制加压外，冷却组件进一步包括用于控制单个微喷射器冷却剂喷射的控制器15。对比已知阵列，操作微喷射器以使冷却剂不是同时从所有微喷射器喷出，而是单个微喷射器或数个微喷射器的组一接一个的启动。控制器15控制这种扫射操作。例如，在图3a所示的本实施例中接连地按1a、1b、1c、1d的顺序一个接一个地启动微喷射器。这样，通过冷却通道出现的冷却剂的宏观传输通过箭头5标记，有效去除热冷却剂和因此保证高热传输系数。由于这种引导流的加压特性，如得到的通道流3所示，显著地抑制了流分离的出现和稳定再循环区。
扫射模式操作的相应的热传输系数6如图3b所示。对于接连的模式操作，在分布曲线4中没有看见最高点或最低点。在流向(streamwise)方向上的热传输系数6的降低是由在该方向上冷却剂的升温导致的。
图4显示随着时间的过去，四个微喷射器1a-1d(也称作喷嘴)的流速率Φ。可看出矩形脉冲接连地启动喷嘴，例如，具有t1a，off-t1a，on持续时间的脉冲Φ1a，pulse启动喷嘴1a。在本例中喷嘴1a与1b的脉冲和喷嘴1c与1d的脉冲都在时间上轻微地重叠。
一般地，喷嘴要么是在活动的(开的)状态要么是在不动的(关的)状态。然而，这会导致更低的通过冷却组件的有效流速率。通过给所有在启动单个喷嘴期间添加额外的流速率的喷嘴提供接连的偏流速率可实现进一步提高的热传输。这可从图4中看出，其中有时在喷嘴并不是由启动脉冲启动的地方，流速率Φ对于每个水平在特定偏流速率Φbias。可确定在额外流速率和偏流速率之间的比率，并主要依赖于不同的系统参数。在0.1到100之间的比率好像是可行的。应该清楚对于每个喷嘴偏流速率也可是不同的。
因此，每个喷嘴的流速率是时间依赖的，并且最大流速率依赖于喷嘴在冷却组件中的位置。例如，可控制通过喷嘴阵列中的中心喷嘴的最大流率使其比通过阵列边缘的喷嘴的高。本发明因此允许使用不同的流速率策略，即，使用具有时间依赖额外脉冲形状流速率的恒定偏置水平。这种额外流速率会导致宏观流和可认为是扫射的因素。
图5示出了不同的可能的脉冲形状。图5a显示了矩阵脉冲，图5b示出了梯形脉冲形状以及图5c示出了脉冲的第三种形状。此外，可能的脉冲形状是，例如，三角形、阶梯状等等。
图6示意性地显示了位于具有N列和M行的笛卡儿格栅上的多个微喷射器的阵列。间隔Lm(m)和Ln(n)依赖于在矩阵中的位置。单个微喷射器1的位置标记为n和m。在图7到10中将使用这种布置以说明依照本发明用的不同的扫射模式。在这些图中通过显示三个接连的步骤来说明扫射模式，其中实心的圆1’指不动的(或关的)微喷射器，即，被控制不喷射冷却剂，而空心的圆1”指活动的(或开的)微喷射器，即，被控制喷射冷却剂。应该清楚在微喷射器的活动和不动状态都可能出现偏置水平。
在图7显示的扫射模式的第一实施例中，控制单个微喷射器以扩展模式从阵列中心向边缘接连喷射冷却剂。因此迫使喷射的冷却剂从中心流向边缘。
依照图8中显示的实施例，微喷射器从左到右按列向(columnwise)寻址。选择性地，也可按行向(rowwise)寻址微喷射器，或可在一个循环中一列列地寻址微喷射器，而在下一个循环中一行行地寻址微喷射器。
在图9所示的实施例中，首先寻址中心列(或行)的微喷射器，接着是向边缘在列(或行)中寻址微喷射器。在本实施例中，可加速阵列中心部分的冷却剂流。
图10显示了进一步的实施例，根据该实施例，首先寻址在左下角的微喷射器，接着向左上角寻址微喷射器。因此，可得到预定方向的冷却剂流，这里是朝左上角方向。应该清楚本发明也覆盖未限定数量的另外的可行的扫射模式。
图11显示了包括表面需冷却的半导体元件20、和与其集成的微喷射器1阵列的半导体器件7的实施例。为提供具有冷却剂C的微喷射器1，在上部分提供了冷却剂供给8。微喷射器遍布在半导体元件2的整个表面上以提供高效的冷却。
图12显示了依照本发明装有半导体器件7’和冷却组件100的电路板9的实施例。在该实施例中，冷却组件100并未集成在半导体器件7’内，而是作为分离的元件，放置在半导体器件7’之上。
通过本发明可实现热源尤其电子元件的有效冷却。通过在扫射模式中操作微喷射器，有效地防止了在冷却通道中再循环区域的出现并可引导冷却剂流向优选的方向。通过扫射使冷却剂宏观传输能够有效冷却高热流。

Claims (12)

1.一种用于利用冷却剂(C)冷却热源(2)的冷却方法，包括步骤：
响应控制信号使用多个微喷射器(1)向热源(2)喷射冷却剂(C)，以及
控制冷却剂(C)从微喷射器(1)的喷射，
其特征在于，以微喷射器(1)接连喷射冷却剂(C)的扫射模式控制冷却剂(C)从微喷射器(1)喷射的步骤。
2.如权利要求1所述的冷却方法，其特征在于，还包括在将冷却剂喷射到热源(2)之前，在微喷射器(1)的微通道(12)中的冷却剂(C)上产生速度扰动的步骤。
3.如权利要求1所述的冷却方法，其特征在于，冷却剂(C)以与热源(2)的表面垂直的方向喷射在热源(2)上。
4.权利要求1所述的冷却方法，其中冷却剂(C)是液体，或是气体。
5.如权利要求2所述的冷却方法，其中在冷却剂(C)上产生速度扰动的步骤是在200Hz以下或10KHz以上的频率范围内。
6.如权利要求2所述的冷却方法，其中冷却剂(C)是以相对于热源(2)的表面成倾斜角度的方向喷射在热源(2)上，该倾斜角度在0°到45°范围内。
7.如权利要求1所述的冷却方法，其中将多个微喷射器(1)布置为微喷射器的二维阵列。
8.如权利要求7所述的冷却方法，其中冷却剂(C)是从微喷射器(1)的二维阵列中心到外部接连地喷射，或者冷却剂(C)是从微喷射器(1)的二维阵列外部到中心接连地喷射。
9.如权利要求7所述的冷却方法，其中冷却剂(C)是从偶数和奇数行或偶数和奇数列的微喷射器(1)交替地喷射的。
10.如权利要求7所述的冷却方法，其中迫使喷射的冷却剂(C)按预定的方向流动。
11.如权利要求1所述的冷却方法，其中微喷射器依照偏流率连续地喷射少量的冷却剂并依照额外流率在预定的时间期间喷射更高量的冷却剂。
12.如权利要求1所述的冷却方法，其中仅在预定的时间期间喷射冷却剂。
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