带有喷射偏转的喷射冷却制造技术

一种用于冷却元件（１０１）的冷却系统，包括构造成喷出冷却流体射流（１０５）的喷射器（１０２）和控制射流偏转的射流偏转器。喷射器可以是连续的或渐增式的。过量的喷射物可以偏转到构造成阻挡冷却流体撞击元件的槽（１６１）内。可以使用接触表面（２４１）、可控制的喷口加热器（１３１）和／或电极（３４１、３４３）进行操作的射流偏转器构造成以一个或多个自由度来偏转射流。多个喷射器可以具有用于冗余性的重叠喷射图案。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术大体涉及用于产生热量的器件的冷却系统，更具体地说，涉及喷射冷却系统和使用喷射冷却系统来冷却一个或多个半导体器件(即芯片)的方法。
技术介绍
随着具有日益增大元件密度的半导体器件的出现，消除由器件产生的热量已成为日益具有挑战性的技术问题。随着时间的过去，CMOS器件的工作频率已显著增加。由此引起的微处理器功耗同样成数量级地上升。尽管减小了器件的输入电压和容量，然而在追求处理效率时，在典型微处理器电路小片(die)上的器件数量持续快速增加。而且，器件微型化使器件设计者将先前单独的元件(诸如用于制作超高速缓冲存储器的那些元件)集成到微处理器电路小片中。这种器件的合并已产生高的CPU芯功率密度，例如，20mm×20mm微处理器电路小片的50％可以包含CPU芯，其余的为超高速缓冲存储器。此外，典型处理器插接板在某些情况下可以包括多个CPU模块、专用集成电路(IC)和静态随机存储器(SRAM)以及DC-DC转换器，它们均具有渐增的功耗需求，从而增加计算机系统所需的整体功耗级别。增加复杂性的是，使用这种高耗散电路小片的新式系统常常具有各种需要不同冷却级别的电路小片，仅其中一些是极端的。取决于电子系统的设计，包含这些芯片的元件可以设置在整个系统中，并且可能不容易使用简单的冷却设备或使用仅指向需要它们的性能的电路小片的有成本效益的高散热冷却设备进行处理。散热器(heat sink)可以用于增加热生成器件的散热表面面积。然而，散热器典型地以机械对接于它们所冷却的器件为特征，这一般导致热流中的干涉，并且可以导致非常高的热阻。实际上，大半用于冷却的可用热预算，典型为在电路小片温度和周围温度之间的45℃温差，一般将为该对接界面所耗尽。机械界面还可以导致不均匀冷却。这进一步为在许多电路小片上的不均匀功率分布所复杂化，这经常产生在将不同元件集成在单一的芯片上时。为了处理这些难题，已开发了创新的方法以减少电路小片对散热器的热阻。自由流动和强制通风对流、自由流动和强制液体对流、液池沸腾(就是使液体冷却流体沸腾而从浸没式器件上蒸发)和喷射冷却(就是使液体冷却流体沸腾而离开以液体进行喷射的器件)包括在半导体冷却方法中。因为液体典型地具有高汽化潜热，所以这些较后的两个方法提供了高的热传递效率，以恒定温度吸收大量的热。这些沸腾/汽化方法的使用受限于最大功率密度，临界热通量(CHF)。在较高的密度，汽化的冷却流体形成将器件与液体冷却流体隔离的防汽层，因此使器件壁温极大地增加。此现象被称为蒸干(dry-out)。当适当喷射冷却剂时，冷却剂可以分散这种蒸汽层，并且其CHF可以大大超过高于液池沸腾系统的CHF的数量级。这种高CHF优选为均匀喷射，并且应匹配器件的功耗需求。因此，目前的喷射冷却为诸如半导体器件的产生热量的器件提供了最有效的冷却。典型地，用于喷射冷却的冷却流体具有较低沸点(相对于器件的操作温度)，这是被喷射器件经冷却所希望的温度。最优选的是，冷却流体对于热源是惰性的。对于半导体器件，诸如3MFC-72，(FC-72，即FLUORINERT，由3M公司销售)，3M公司的流体Novecline(HFE7100等，由3M公司销售)或PF-5060的低沸点流体都是在多种公知的适当冷却液体之中的。喷嘴设计是喷射冷却的关键元件。压力辅助的和气体辅助的喷嘴是公知的设计，其中冷却流体被连续喷射。然而，这些类型的喷嘴在它们的控制喷射速度的性能上是有限的。因此，它们可以造成″汇聚″(即由于过甚的喷射速度而在被冷却器件上的液体集结)。而且，喷射速度、方向和/或位置的细微局部控制通常是不能得到的。对于压力辅助的喷射而言，一致且可控的喷射需要一个或多个即使是在变化流速下都可提供精确压力以泵送液体通过喷嘴的高压泵。所喷射液体的分布和流率可以随着驱动压力的变化和/或喷嘴结构的微小变化而改变。因此，冷却系统是灵敏且可能会昂贵的器件，其可能对控制而言是一项挑战。对于气体射流，一致且可控的喷射需要以精确方式输送给喷头设计的加压气体。因为气体与冷却流体分开加压，所以，这种系统典型地不是封闭系统。气体必须从冷凝器排放出去以有效运行。此外，冷却流体的分布和流率可以随着气体压力变化而改变。因此，冷却系统是灵敏且可能会昂贵的器件，其可能是对控制的挑战。压电式和热喷射式射流喷嘴也是公知的设计，其中冷却流体渐增式地进行喷射(即其按照请求以递增增量进行喷射)。尽管这些类型的喷嘴对喷射流速度典型地提供了优良控制，然而它们可能经受与它们的渐增式喷射机理相关的流动困难。压电式喷嘴由于腔室内的压力波而从腔室喷出液体滴。压力波通过施加于压电式器件的电荷而由腔室的收缩产生。喷射射流喷嘴使用加热器汽化腔室内少部分的流体。汽化的流体膨胀，致使其他流体从腔室喷出。许多因素影响了喷射冷却的性能，因此影响热传递系数h和/或CHF。通常所理解的是，被喷射的元件的表面粗糙度和可湿性是这些因素中的两个因素，而被喷射表面的方位可以是第三个因素。尤其是，应相信的是，当使用加压液体喷射时h对于粗糙表面是较高的，并且当使用气体射流时h对于光滑表面是较高的。具有较低可润湿性的表面看来似乎在h方面具有边际增加量。一致、可控冷却的关键是，液体冷却流体以所希望的分布、流速和速率进行可控的应用。例如，在低质量的流速下，CHF和h随着质量流速而增加。然而，在临界的质量流速下，增加的质量流的优势由于汇聚和/或由于过渡到单相热传递的转变而减少。因此，喷射冷却系统优选在达到临界质量流量之前限定的质量流量而均匀操作。所有这些因素成为喷射器设计的关键，即喷嘴的设计及其相关喷射器件。对冷却系统设计也是重要的是其操作温度。尤其是，希望对系统进行构造，以在高的h下操作，这将随着设计温度超出沸腾温度并且低于将蒸干所喷射的冷却剂的温度而出现。待要消散的热量必须比CHF小。典型地，在实现喷射冷却系统时，喷射冷却喷射器安装在还包含载有一个或多个芯片的印刷电路板的容器内。印刷电路板具有通过气密式和不透水式连接而在容器外面电气式地连接于系统上的导线。这种系统可以是较大的，并且建造和维护起来可能是昂贵的。因此，需要一种小型、精确、可靠且具成本效益的喷射冷却系统，其可以用于支承具有一个或多个高耗散器件的复杂处理系统。喷射冷却系统将优选以最大的可靠性来提供灵活和冗余的操作，并且将以精确流速操作以便精确控制。本专利技术优选的实施例满足了这些和其他需要，并且提供了更多的相关优势。专利技术概述在各种实施例中，本专利技术通过提供有效地操作以给元件提供精确冷却的组装级(package-level)的冷却系统，而解决了上述需要的其中一部分或全部。本专利技术的用于冷却诸如具有冷却流体的半导体器件的元件的系统，其特征在于喷射器和射流偏转器，该喷射器具有构造成喷出冷却流体射流的喷口，该射流偏转器是可操作的，以选择性地控制在沿第一方向喷射和沿第二方向喷射之间的射流偏转。其中至少一个方向是朝向元件的不受阻的方向。该系统可以进一步以诸如槽(gutter)的阻碍件为特征，该阻碍件构造成用以阻挡在其中一个方向上喷射的冷却流体撞击元件。或者，该系统可以进一步渐增式喷射器为特征，以作为槽的替代的。系统可以选择性地以渐增式喷射器和槽为特征。射流偏转器可以使用多种机构进行操作，诸如接触面本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于以冷却流体来冷却元件（１０１）的系统，包括：喷射器（１０２），其具有构造成用以喷出所述冷却流体的射流（１０５）的喷口；和射流偏转器，其是可操作的，以便选择性地控制所述射流在沿第一方向喷射和沿第二方向喷射之间的偏转；　 　其中，所述第一方向是朝向所述元件的不受阻的方向。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2004-12-4 11/005,2841.一种用于以冷却流体来冷却元件(101)的系统，包括喷射器(102)，其具有构造成用以喷出所述冷却流体的射流(105)的喷口；和射流偏转器，其是可操作的，以便选择性地控制所述射流在沿第一方向喷射和沿第二方向喷射之间的偏转；其中，所述第一方向是朝向所述元件的不受阻的方向。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括构造成用以阻挡沿所述第二方向喷射的冷却流体撞击所述元件的阻碍件(161)。3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述射流偏转器构造成用于以两个自由度来偏转所述射流。4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括第二喷射器，其具有构造成用以喷出所述冷却流体射流的喷口；第二射流偏转器，其是可操作的，以便选择性地控制所述第二喷射器的射流在沿第二喷射器的第一方向喷射和沿第二喷射器的第二方向喷射之间的偏转；和控制器(135)，其配置成用以控制所述第一射流偏转器和第二射流偏转器的操作；其中，所述第二喷射器的第一方向和第二方向是朝向所述元件的不受阻的方向；并且其中，所述第一喷射器的第一...

【专利技术属性】
技术研发人员：CE巴什，CD佩特尔，
申请(专利权)人：惠普开发有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]