BR112014014348B1

BR112014014348B1 - Dispositivo eletrônico com resfriamento por espalhador com metal líquido

Info

Publication number: BR112014014348B1
Application number: BR112014014348-0A
Authority: BR
Inventors: Jacques Salat; Yvan Avenas; Régis Bernard Albert Meuret; Mansour Tawk
Original assignee: Institut Polytechnique De Grenoble; Centre National De La Recherche Scientifique; Labinal Power Systems
Priority date: 2011-12-13
Filing date: 2012-12-11
Publication date: 2020-09-08
Also published as: BR112014014348A2; EP2791971A1; WO2013088054A1; RU2014124159A; CA2856833A1; CN103999214A; CA2856833C; US20150289410A1; US9693480B2; FR2984074B1; RU2604572C2; FR2984074A1; CN103999214B; JP2015502054A; EP2791971B1

Abstract

dispositivo eletrônico com resfriamento por espalhador com metal líquido. a presente invenção refere-se a um dispositivo eletrônico com resfriamento de uma fonte de dissipação de calor (32), por um espalhador com metal líquido, esse dispositivo compreendendo pelo menos uma fonte de dissipação de calor, pelo menos um espalhador (30) atravessado pelo menos por um canal de circulação de metal líquido, que forma um circuito que passa abaixo de uma fonte de dissipação de calor (32), pelo menos um dissipador de calor (33) e pelo menos uma bomba eletromagnética (31) de colocação em movimento do metal líquido (34) no referido pelo menos um canal, de maneira que o metal líquido absorva o calor dissipado por uma fonte de dissipação de calor e a transporte para ser evacuada por um dissipador de calor, no qual cada espalhador compreende pelo menos duas placas feitas de material isolante elétrico dispostas de ambos os lados de pelo menos uma barra feita de um material deformável.

Description

DISPOSITIVO ELETRÔNICO COM RESFRIAMENTO POR ESPALHADOR COM METAL LÍQUIDO

DOMÍNIO TÉCNICO

[0001] A presente invenção refere-se a um dispositivo eletrônico, por exemplo, um semicondutor, com resfriamento por espalhador com metal líquido.

ESTADO DA TÉCNICA ANTERIOR

[0002] O domínio da invenção é aquele da gestão térmica de componentes eletrônicos, por exemplo, semicondutores. Conforme ilustrado na figura 1, um componente eletrônico pode ser disposto sobre um dispositivo de resfriamento por intermédio de uma placa metálica de alguns milímetros de espessura. Essa placa tem por objeto expandir o fluxo de calor emitido e assim aumentar a seção de passagem desse fluxo de calor vista pelo dispositivo de resfriamento. Os gradientes de temperatura sendo inversamente proporcionais à superfície de troca, a gestão térmica global se acha amplamente melhorada. Na sequência, utiliza-se a denominação "espalhador" para designar essa placa. A figura 1 ilustra uma fonte de dissipação 10, por exemplo, um componente eletrônico ou um conjunto de componentes em caixa, disposta sobre um espalhador 11, que permite ao fluxo se expandir antes de chegar ao dispositivo de resfriamento 12 (as setas representam a direção da densidade de fluxo de calor φ). Esse espalhador tem uma espessura ótima: abaixo desse valor, a expansão não é suficiente, o que degrada os desempenhos do dispositivo de resfriamento. Acima desse valor, a resistência térmica fornecida por este se torna muito importante. Para ser eficaz, o espalhador deve ser muito bom condutor do calor, por exemplo, em cobre. Todavia, o cobre é pesado, é por isso que o alumínio é também muito utilizado. Além disso, a condutividade térmica do cobre é limitada (400 W.m-1 .K-1). Assim, o aumento em grandes proporções da superfície de um espalhador não permite então diminuir a resistência térmica global, pois o fluxo de calor não atinge as extremidades do espalhador.

[0003] Para melhorar a gestão térmica global, portanto é interessante utilizar materiais, cuja condutividade térmica equivalente é mais elevada. Uma solução consiste em utilizar materiais muito bom condutores do calor como materiais carregados por partículas com forte condutividade térmica (diamante, carbono, ...) mas esses materiais não são, no momento atual, suficientemente maduros para poderem ser integrados em equipamentos com custos e desempenhos (confiabilidade, usinagem, condutividade obtida, massa) compatíveis com as exigências industriais. Uma outra solução comumente considerada é a utilização de dutos portadores de calor. Conforme ilustrado na figura 2, um duto portador de calor 15 é constituído de um compartimento fechado 16, cujas paredes internas são recobertas por uma rede capilar 17 saturada de líquido 18. É geralmente composto de três partes denominadas evaporador 20, condensador 21 e zona adiabática 22. No nível do evaporador 20, o líquido 18 se transforma em vapor 23 que se dirige para o condensador 21. Após condensação, o líquido é levado para o evaporador, graças à rede capilar 17 que exerce o papel de motor do duto portador de calor. Com uma rede capilar adaptada, o duto portador de calor 15 pode funcionar em todas as posições e, por conseguinte, fora de gravidade. O interesse essencial do princípio do duto portador de calor é que ele gera entre a zona de evaporação 20 (fonte quente) e a zona de condensação 21 (fonte fria) uma diferença de temperatura muito pequena. O duto portador de calor exerce o papel de um "curto-circuito térmico". A zona de vapor dos dutos portadores de calor sendo uma zona de condutividade térmica equivalente muito elevada, é possível utilizá-los como espalhador. A figura 3 ilustra o funcionamento desse duto portador de calor 27 utilizado como ex-pansor de calor. Fala-se então de expansor de calor ou de "câmara de vapor". O princípio de funcionamento é o mesmo que aquele dos dutos portadores de calor clássicos, mas os trajetos do fluido são diferentes, pois a fonte quente 25 (evaporador) é colocada sobre uma primeira face do duto portador de calor e a fonte fria 26 (condensador) utiliza a integralidade da segunda face.

[0004] As soluções de tipo fluido difásico (duto portador de calor, "câmara de vapor") apresentam limitações. Por exemplo, em aeronáutica, dentre as limitações as mais difíceis, podem-se citar a escolha do fluido, a manutenção às acelerações, os desempenhos para densidades muito fortes. A fluidez utilizada deve ser compatível com a dificuldade aeronáutica (fogo, regulamento europeu Reach, ...). Além disso, o desempenho dessas soluções depende muito das características da fonte fria e do fluido difásico utilizado.

[0005] Existem hoje exemplos de circuitos de resfriamento para os sistemas eletrônicos recorrendo a fluidos condutores (sais fundidos ou metais líquidos) colocados em movimento por bombas eletromagnéticas de tipo magneto-hidrodinâmico de corrente contínua (DC). Um circuito de resfriamento definido no documento referenciado com [1] em fim de descrição utiliza assim uma bomba magneto-hidrodinâmico de condução (MHD DC) para um fluido condutor de tipo Galn (Gálio-Índio), a fim de resfriar um componente eletrônico. A bomba gera uma pressão da ordem de 25 kPa com um fluxo de 0,14 litro.min-1, enquanto que o campo magnético aplicado na bomba é de 0.9 T. Esse sistema é capaz de resfriar uma densidade de fluxo de calor superior a 200 W.cm-2. Nesse circuito:

- o ponto de fusão do Gálio-Índio é superior a 0 oC, o que acarreta um problema de funcionamento a temperaturas ambiente inferiores à temperatura de fusão. A fonte fria estando longe do componente eletrônico, a colocação em funcionamento do dispositivo pode se tornar impossível, antes do superaquecimento do componente.
- A alimentação da bomba eletromagnética (forte corrente / baixa tensão) é complexa e dispõe de um baixo rendimento.
- Esse circuito que funciona com um metal líquido ou sal fundido oferece bons desempenhos térmicos. Todavia, ele está limitado a aplicações particulares, pois os fluidos condutores são muito caros (1000 euros / kg) e determinados metais líquidos como o gálio ou as ligas de gálio têm uma massa volúmica seis vezes maior que aquela da água.

[0006] O documento referenciado com [2] descreve um espalhador, no qual um metal líquido, por exemplo, o gálio ou uma liga de gálio, tal como gálio-Índio-Estanho, é colocado em circulação em canais usinados neste, abaixo de um ou vários componentes semicondutores. Esse metal líquido absorve o calor sob o(s) componente(s) semicondu-tor(es) e distribui esse calor sobre toda a superfície restante. Esse metal líquido é colocado em movimento por intermédio de uma bomba magneto-hidrodinâmica de condução, que é integrada no espalhador. O depósito de um material de proteção permite realizar um isolamento entre as paredes do canal e o metal líquido, a fim de evitar as interações químicas entre eles. Esse espalhador apresenta os seguintes inconvenientes: ele necessita de um depósito químico ("coating") para isolar as paredes do canal do metal líquido. Nenhum remédio contra a dilatação do gálio, quando este se solidifica, é previsto; essa dilatação podendo danificar o espalhador.

[0007] A invenção tem por objeto prevenir esses inconvenientes, propondo colocar em circulação o metal líquido em um espalhador fabricado a partir de um empilhamento de várias placas compatíveis quimicamente com o gálio, o metal líquido absorvendo o calor sob a fonte de calor com pequenas elevações de temperatura e distribuindo esse calor sobre toda a superfície restante do espalhador, um dissipador integrado sobre a face abaixo do espalhador, permitindo evacuar o calor do metal líquido.

EXPOSIÇÃO DA INVENÇÃO

[0008] A invenção se refere a um dispositivo eletrônico, com resfriamento de uma fonte de dissipação de calor, por um espalhador com um metal líquido, esse dispositivo compreendendo pelo menos uma fonte de dissipação de calor, que comporta pelo menos um componente eletrônico, pelo menos um espalhador atravessado pelo menos por um canal de circulação de metal líquido, formando um circuito que passa abaixo de uma fonte de dissipação de calor, pelo menos um dissipador de calor e pelo menos uma bomba eletromagnética de colocação em movimento do metal líquido em pelo menos um canal, de maneira que o metal líquido absorva o calor dissipado por uma fonte de dissipação de calor e a transporta para ser evacuada por um dissipador de calor, caracterizado pelo fato de cada espalhador comportar pelo menos duas placas em material isolante elétrico dispostas de ambos os lados de pelo menos uma barra em material deformável, em torno do qual é realizado um canal de circulação do metal líquido.

[0009] Vantajosamente, pelo menos um componente eletrônico pode ser um componente semicondutor. O metal líquido pode ser escolhido dentre: o gálio, o índio, o bismuto, o estanho, as ligas que compreendem o gálio e/ou o índio e/ou o estanho, a liga sódio-potássio. Vantajosamente, cada barra em material deformável é fabricada em teflon expandido, em espuma com células fechadas, em espuma com células abertas com revestimento estanque, ou em plástico deformável maciço ou oco. Os eletrodos são em molibdênio (em tungstênio, em inox ou em cobre recoberto de uma proteção ("coating") Esta última solução permite diminuir a queda de tensão global, portanto, o rendimento da bomba eletromagnética. O dissipador de calor é dissipador com alhetas, associado ou não com um ventilador, ou um refrigerador de convecção forçada líquida. Cada bomba-eletromagnética pode ser uma bomba magneto-hidrodinâmica de condução (MHD DC). Ela pode ser integrada entre as duas placas em material isolante elétrico de um espalhador. Essas placas em material iso-lante elétrico podem ser fabricadas em cerâmica, em AlN, em Al203, em Si3N4 ou em SiC.

[00010] Vantajosamente, o espalhador comporta alhetas no interior de pelo menos um canal de circulação de metal líquido para aumentar a superfície de troca com o metal líquido.

[00011] Vantajosamente, o dispositivo da invenção compreende um conjunto bomba eletromagnética + um empilhamento de vários componentes semicondutores / espalhador com metal líquido / dissipador.

[00012] Vantajosamente, um duto condutor de calor é disposto entre o espalhador com metal líquido e o dissipador de calor.

[00013] Vantajosamente, em um primeiro modo de realização, o dispositivo da invenção compreende:

- um primeiro circuito magnético que compreende pelo menos uma barra de metal magnético e um ímã permanente,
- uma primeira armação em polímero,
- uma primeira placa em material isolante elétrico sobre a qual são dispostos componentes semicondutores,
- uma barra em material deformável,
- três eletrodos, um sendo disposto sobre o material deformável,
- uma junta em polímero com meios de manutenção,
- uma segunda placa em material isolante elétrico,
- uma segunda armação em polímero,
- um segundo circuito magnético,
- um dissipador de calor,

um canal de circulação de metal líquido sendo realizado em torno da barra em material deformável.

[00014] Vantajosamente, em um segundo modo de realização, o dispositivo da invenção compreende:

- dois primeiros circuitos magnéticos,
- uma armação em polímero,
- uma primeira placa em cerâmica sobre a qual são dispostos componentes semicondutores,
- uma barra em material deformável,
- eletrodos dos quais um eletrodo disposto sobre um material deformável,
- uma junta em polímero com meios de manutenção,
- uma segunda placa em cerâmica,
- dois segundos circuitos magnéticos,
- um dissipador de calor com alhetas,

um canal de circulação de metal líquido sendo aberto em torno da barra em material deformável.

[00015] Vantajosamente, em um terceiro modo de realização, o dispositivo da invenção compreende:

- um primeiro dissipador de calor com alhetas,
- uma primeira armação em polímero,
- primeiros circuitos magnéticos,
- uma primeira placa em cerâmica sobre a qual são dispostos componentes semicondutores,
- primeiros eletrodos,
- três primeiras barras em material deformável,
- uma primeira junta em polímero com meios de manutenção,
- uma segunda placa em cerâmica,
- uma segunda junta em polímero com meios de manutenção,
- segundos eletrodos,
- três segundas barras em material deformável,
- uma terceira placa em cerâmica,
- segundos circuitos magnéticos,
- uma segunda armação em polímero,
- um segundo dissipador de calor com alhetas,

um primeiro canal de circulação de metal líquido sendo aberto em torno das primeiras barras em material deformável, e um segundo canal de circulação de metal líquido sendo aberto em torno das segundas barras em material deformável.

[00016] O dispositivo da invenção apresenta as seguintes vantagens:

- a forte condutividade do espalhador permite evacuar densidades de fluxos de calor muito mais importantes do que aquelas atingidas com dutos portadores de calores. Valores que atingem o kW/cm2 são considerados.
- A compacidade do espalhador permite utilizar um volume muito pequeno de metal líquido (alguns mililitros). Ela permite também manter a fonte de dissipação de calor próxima de todo o volume líquido e de obter uma fusão deste na totalidade. Uma recolocação em funcionamento, após solidificação, é possível.
- Uma fusão pode ser pesquisada, a fim de utilizar a mudança de fase para diminuir a velocidade da subida em temperatura do(s) componente(s) eletrônico(s). Assim, a utilização de ligas à temperatura de fusão mais elevada e não contendo gálio é considerável.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[00017] A figura 1 ilustra o princípio de funcionamento de um dispositivo de resfriamento de tipo espalhador.

[00018] A figura 2 ilustra o princípio de funcionamento de um duto portador de calor.

[00019] A figura 3 ilustra o princípio de funcionamento de um duto portador de calor utilizado como um expansor de calor.

[00020] A figura 4 ilustra o dispositivo da invenção. A figura 5 ilustra o princípio de funcionamento de uma bomba eletromagnética utilizada no dispositivo da figura 4.

[00021] As figuras 6A e 6B ilustram um primeiro modo de realização do dispositivo da invenção respectivamente em uma vista explodida e em uma vista em relevo.

[00022] A figura 7 ilustra esquematicamente o funcionamento de uma bomba eletromagnética utilizada no dispositivo da invenção ilustrado nas figuras 6A e 6B.

[00023] As figuras 8A e 8B ilustram um segundo modo de realização do dispositivo da invenção respectivamente em uma vista explodida e em uma vista em relevo.

[00024] As figuras 9A e 9B ilustram um terceiro modo de realização do dispositivo da invenção respectivamente em uma vista explodida e em uma vista em relevo.

[00025] A figura 11 ilustra os desempenhos a comparados de um espalhador com metal líquido, de acordo com a invenção, ilustrado na figura 10A e de um espalhador em cobre ilustrado na figura 10B.

[00026] As figuras 12A a 12B ilustram uma variante de realização do dispositivo da invenção.

[00027] A figura 13 ilustra uma outra variante de realização do dispositivo da invenção.

EXPOSIÇÃO DETALHADA DE MODOS DE REALIZAÇÃO PARTICULARES.

[00028] Conforme ilustrado na figura 4, o dispositivo da invenção compreende os seguintes elementos:

- uma fonte de dissipação de calor 32, que comporta pelo menos um componente eletrônico, por exemplo, um componente semicondutor,
- um espalhador com metal líquido 30, que é a parte hidráulica que serve para evacuar o calor abaixo da fonte de dissipação de calor, realizada a partir de duas placas em material isolante elétrico, por exemplo, em cerâmica, dispostas de ambos os lados de um material deformável em torno do qual é aberto um canal de circulação de um metal líquido,
- uma bomba eletromagnética 31 que permite colocar o metal líquido em movimento;
- um dissipador de calor 33.

[00029] A fonte de dissipação de calor 32 é disposta sobre a face superior do espalhador 30. Um dissipador de calor 33 é disposto sobre a face inferior do espalhador 30. A referência 34 ilustra a circulação de metal líquido em pelo menos um canal, no qual se podem acrescentar alhetas para aumentar a superfície de troca. A referência 35 ilustra a entrada do metal líquido e a referência 36 a saída do metal líquido.

[00030] O dispositivo da invenção coloca em circulação um metal líquido, que é o fluido portador de calor, em um substrato condutor térmico. Esse metal líquido absorve o calor sob os componentes eletrônicos 32 com pequenas elevações de temperatura e distribui esse calor sobre toda a superfície restante do substrato. Os metais líquidos, como as ligas de gálio ou os sais fundidos, como o sódio-potássio, possuem excelentes propriedades físicas. Assim, o gálio que possui uma condutividade térmica próxima de 28 W. m-1 .K-1 valor que é 40 vezes maior do que aquela da água, permite atingir coeficiente de trocas convectivas muito importantes e, portanto, uma dissipação muito importante em termos de densidade de fluxo de calor. Além de suas elevadas condutividades térmicas, os metais líquidos têm também por vantagem serem bons condutores elétricos, o que torna possível a utilização de bombas eletromagnéticas ou magneto-hidrodinâmicas 31, conforme aquela ilustrada nas figuras 5 e 7, nas quais a utilização acoplada de um campo magnético, (indução magnética B) e de uma corrente elétrica 1 criam uma força de Laplace F arrastando o metal líquido em movimento.

[00031] A invenção permite colocar em circulação um metal líquido no interior do espalhador fabricado a partir de um empilhamento de pelo menos duas placas em material isolante elétrico compatível quimicamente com o gálio, e de uma barra em material deformável que serve para absorver a dilatação do gálio, quando de sua solidificação. A bomba eletromagnética que serve para colocar em movimento o metal líquido pode ser integrada entre as duas placas. Esse metal líquido absorve o calor sob a fonte de calor com pequenas elevações de temperatura e distribui esse calor sobre toda a superfície restante do es-palhador. O dissipador, que serve para evacuar o calor no metal líquido, é levado sobre uma superfície do espalhador.

[00032] As figuras 6A e 6B ilustram um primeiro modo de realização do dispositivo da invenção, compreendendo duas bombas eletromagnéticas, comportando, cada uma, um primeiro e um segundo circuitos eletromagnéticos gerando um campo magnético, e eletrodos veiculando uma corrente elétrica.

[00033] Distinguem-se na figura 6A:

- um primeiro circuito magnético 40 compreendendo pelo menos uma barra de material magnético 41 é um ímã permanente 42,
- uma primeira armação em polímero 43,
- uma primeira placa em material isolante elétrico 44 sobre a qual são dispostos componentes semicondutores 52,
- uma barra em material deformável 47,
- três eletrodos 45, um sendo disposto sobre o material deformável,
- uma junta em polímero 46 com meios de manutenção 46',
- uma segunda placa em material isolante elétrico 48,
- uma segunda armação em polímero 49,
- um segundo circuito magnético 50,
- um dissipador de calor 51,
- um canal de circulação do metal líquido sendo realizado em torno da barra em material deformável 52.

[00034] Em um exemplo vantajoso de realização o dispositivo da invenção apresenta as seguintes características:

[00035] O metal líquido pode ser escolhido dentre: gálio, índio, bismuto, estanho, ligas compreendendo o gálio e/ou o índio e/ou o estanho, liga sódio-potássio.

[00036] O papel do polímero na invenção é de assegurar a estan-queidade do espalhador, assim como a manutenção mecânica do empilhamento, as armações servindo como caixa para o dispositivo da invenção. Esse polímero pode ser uma resina, quando da ligação dos diferentes elementos ilustrados na figura 6A, o polímero das armações de polímero 43, 46 e 49 é mole. Ele se solidifica, em seguida, quando é deixado secar.

[00037] As barras em material deformável podem ser realizadas em teflon expandido, em espuma com células fechadas, em espuma com células abertas com revestimento estanque, ou em plástico deformável maciço ou oco.

[00038] Vantajosamente, as duas placas em material isolante elétrico podem ser fabricadas em cerâmica, em AlN, em Al203, em Si3N4 ou em SiC que todos respeitam as três dificuldades: compatibilidade química com o gálio, isolamento elétrico e boa condutividade térmica.

[00039] O material dos eletrodos, que deve ser condutor elétrico e compatível com o gálio, pode ser o molibdênio, o tungstênio, o inox ou o cobre recoberto por uma camada de proteção.

[00040] Os ímãs permanentes que servem para criar o campo magnético no canal podem ser em NdFeB.

[00041] O dissipador de calor pode ser um dissipador com alheta, associado a um ventilador ou não, um resfriador de convecção forçada líquida.

[00042] A figura 7 ilustra o funcionamento de uma bomba eletromagnética. Ela é formada do primeiro circuito magnético 40 e do segundo circuito magnético 50 e eletrodos 45, o canal de circulação do metal líquido sendo formado em torno da barra em material deformável 52. A seta 58 indica o sentido da corrente elétrica que atravessa os eletrodos. As setas 56 e 57 dão o sentido da indução magnética B formada entre os dois circuitos magnéticos 40 e 50. As setas 55 dão o sentido de deslocamento do metal líquido que daí resulta, conforme o princípio descrito acima conforme visto na figura 5.

[00043] As figuras 8A e 8B ilustram um segundo modo de realização do dispositivo da invenção, que corresponde a um modelo de potência que comporta quatro bombas eletromagnéticas.

[00044] Distinguem-se na figura 8A:

- dois primeiros circuitos magnéticos 60 e 61,
- uma armação em polímero 62,
- uma primeira placa em cerâmica 63, sobre a qual são dispostos circuitos eletrônicos 64 ou vários componentes eletrônicos 65,
- uma barra em material deformável 68,
- eletrodos 66, 66', 69, 69' e eletrodos 67 dispostos sobre o material deformável 68,
- uma junta em polímero 70 com meios de manutenção 70',
- uma segunda placa em cerâmica 71,
- dois segundos circuitos magnéticos 72 e 73,
- um dissipador de calor com alhetas 74,
- um canal de circulação do metal líquido sendo aberto em torno da barra em material deformável 68.

[00045] As figuras 9A e 9B ilustram um terceiro modo de realização do dispositivo da invenção, que corresponde a um modelo com dois canais superpostos de circulação de metal líquido.

[00046] Na figura 9A distinguem-se:

- um primeiro dissipador de calor com alhetas 80,
- uma primeira armação em polímero 81,
- primeiros circuitos magnéticos 82,
- uma primeira placa em cerâmica 83 sobre a qual são dispostos componentes semicondutores 84,
- primeiros eletrodos 85,
- três primeiras barras em material deformável 94,
- uma primeira junta em polímero 86, com meios de manutenção 87,
- uma segunda placa em cerâmica 88,
- uma segunda junta em polímero 90 com meios de manutenção 91,
- segundos eletrodos 92,
- três segundas barras em material deformável 93,
- uma terceira placa em cerâmica 95,
- segundos circuitos magnéticos 96,
- uma segunda armação em polímero 97,
- um segundo dissipador de calor com alhetas 98,

um primeiro canal de circulação de metal líquido sendo aberto em torno das primeiras barras em material deformável 92; e um segundo canal de circulação de metal líquido sendo realizado em torno das segundas barras em material deformável 93.

[00047] A fim de mostrar o interesse por um espalhador, tal como descrito acima, podem-se comparar seus desempenhos com aqueles de um bloco maciço de cobre de mesmo volume. O valor do coeficiente de troca imposta sobre a superfície oposta ao componente eletrônico é o mesmo nos dois tipos de espalhador, h = 20000 W.m-2.K-2. A figura 10A ilustra assim um espalhador com metal líquido 30, de acordo com a invenção, (ver a figura 4) e a figura 10B um espalhador formado de um bloco de cobre. Neste último caso, a fonte de dissipação 105 está no centro do espalhador 106, pois essa configuração permite obter a menor resistência térmica possível. A figura 11 apresenta a evolução da resistência térmica Rth desses dois tipos de espalhador em função do fluxo de metal líquido. A resistência térmica do espalhador maciço em cobre é constante de valor 0,16 K.W-1, por contra a resistência térmica do espalhador com metal líquido, para um fluxo de 1,5 1/min, é de 0,09 K.W-1, o que corresponde a uma diminuição de 45%.

Variantes de realização

[00048] A invenção pode ser utilizada em diferentes domínios como aquele da microeletrônica, notadamente para o resfriamento dos microprocessadores, aquele da eletrônica de potência, para o resfriamento de componentes semicondutores, aquele da optoeletrônica, para o resfriamento das LED, ou aquele da energia solar, para células fotovoltaicas com concentração.

[00049] As figuras 12A e 12B ilustram uma variante de realização do dispositivo da invenção, utilizando empilhamentos de vários conjuntos componentes semicondutores montados verticalmente (módulo de potência 3D) 101/espalhador com metal líquido 102/dissipador de calor 103, associados, cada um, a uma bomba eletromagnética 100.

[00050] Em uma outra variante de realização ilustrada na figura 13, um duto condutor de calor 110 pode ser acrescentado entre o espalhador com metal líquido 111 e o dissipador de calor 112, para homogeneizar a temperatura do espalhador e melhorar ainda seus desempenhos. A mudança de fase do metal líquido no interior do espalhador, nesse caso, é melhor. Por outro lado, a introdução do espalhador com metal líquido 111 entre a fonte de dissipação 113, que é um componente semicondutor, e o duto portador de calor permitem diminuir a densidade de calor vista pelo duto portador de calor e assim afastar seus limites de funcionamento (limite capilar e limite de ebulição, em particular).

[00051] Em uma variante de realização o espalhador comporta alhetas no interior do canal de circulação de metal líquido, para aumentar a superfície de troca com o metal líquido, conforme ilustrado, por exemplo, nas figuras 10A e 12A.

Claims

Dispositivo eletrônico com resfriamento de uma fonte de dissipação de calor, por um espalhador com um metal líquido, esse dispositivo compreendendo pelo menos uma fonte de dissipação de calor (32), que comporta pelo menos um componente eletrônico, pelo menos um espalhador (30) atravessado pelo menos por um canal de circulação de metal líquido, formando um circuito que passa abaixo de uma fonte de dissipação de calor (32), pelo menos um dissipador de calor (33) e pelo menos uma bomba eletromagnética (31) de colocação em movimento do metal líquido (34) em pelo menos um canal, de maneira que o metal líquido absorva o calor dissipado por uma fonte de dissipação de calor e a transporte para ser evacuada por um dissipador de calor, caracterizado pelo fato de cada espalhador comportar pelo menos duas placas em material isolante elétrico dispostas de ambos os lados de pelo menos uma barra em material deformável, em torno do qual é realizado um canal de circulação do metal líquido.
Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de pelo menos um componente eletrônico ser um componente semicondutor.
Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o metal líquido ser escolhido dentre: gálio, índio, bismuto, estanho, ligas compreendendo o gálio e/ou o índio e/ou estanho, liga sódio-potássio.
Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de cada barra em material deformável ser realizada em teflon expandido, em espuma com células fechadas, em espuma com células abertas com revestimento estanque, ou em plástico deformável maciço ou oco.
Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o dissipador de calor ser um dissipador com alhetas, associado ou não a um ventilador, ou um refrigerador de convecção forçada líquida.
Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de cada bomba eletromagnética ser uma bomba mag-neto-hidrodinâmica de condução.
Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de as placas em material isolante elétrico serem fabricadas em cerâmica, em AIN, em Al2O3, em Si3N4 ou em SiC.
Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de cada bomba eletromagnética ser integrada entre as duas placas em material isolante elétrico de um espalhador.
Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o espalhador comportar alhetas no interior de pelo menos um canal de circulação de metal líquido para aumentar a superfície de troca com o metal líquido.
Dispositivo, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de compreender um conjunto de bomba eletromagnética (100) + empilhamento de vários componentes semicondutores (101)/espalhador com metal líquido (102)/ dissipador (103).
Dispositivo, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de um duto portador de calor (110) ser disposto entre o espalhador com metal líquido (111) e o dissipador de calor (112).
Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de compreender:
- - um primeiro circuito magnético (40) que compreende pelo menos uma barra de metal magnético (41) e um ímã permanente (42),
- - uma primeira armação em polímero (43),
- - uma primeira placa em material isolante elétrico (44) sobre a qual são dispostos componentes semicondutores (52),
- - uma barra em material deformável (47),
- - três eletrodos (45), um sendo disposto sobre a barra em material deformável,
- - uma junta em polímero (46) com meios de manutenção (46'),
- - uma segunda placa em material isolante elétrico (48),
- - uma segunda armação em polímero (49),
- - um segundo circuito magnético (50),
- - um dissipador de calor (51),
um canal de circulação de metal líquido sendo realizado em torno da barra em material deformável.
Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de compreender:
- - dois primeiros circuitos magnéticos (60) e (61),
- - uma armação em polímero (62),
- - uma primeira placa em cerâmica (63) sobre a qual são dispostos componentes semicondutores (65),
- - uma barra em material deformável (68),
- - eletrodos (66, 66', 69, 69') de um eletrodo (67) disposto sobre um material deformável (68),
- - uma junta em polímero (70) com meios de manutenção (70'),
- - uma segunda placa em cerâmica (71),
- - dois segundos circuitos magnéticos (72 e 73),
- - um dissipador de calor com alhetas (74),
um canal de circulação de metal líquido sendo realizado em torno da barra em material deformável.
Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de compreender:
- - um primeiro dissipador de calor com alhetas (80),
- - uma primeira armação em polímero (81),
- - primeiros circuitos magnéticos (82),
- - uma primeira placa em cerâmica (83) sobre a qual são dispostos componentes semicondutores (84),
- - primeiros eletrodos (85),
- - três primeiras barras em material deformável (94),
- - uma primeira junta em polímero (86) com meios de manutenção (87),
- - uma segunda placa em cerâmica (88),
- - uma segunda junta em polímero (90) com meios de manutenção (91),
- - segundos eletrodos (92),
- - três segundas barras em material deformável (93),
- - uma terceira placa em cerâmica (95),
- - segundos circuitos magnéticos (96),
- - uma segunda armação em polímero (97),
- - um segundo dissipador de calor com alhetas (98),
um primeiro canal de circulação de metal líquido sendo realizado em torno das primeiras barras em material deformável, e um segundo canal de circulação de metal líquido sendo realizado em torno das segundas barras em material deformável.
Dispositivo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 12 a 14, caracterizado pelo fato de os eletrodos serem em molibdênio, em tungstênio, em inox ou em cobre com uma camada de proteção.