CN101175389A - 一种微热管散热基板 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电子元件散热基板，特别是涉及一种微热管散热基板。该微热管散热基板由多层平板式散热层构成，在上下散热层中制作微热管结构，使其在垂直方向上具有热端和冷端，然后利用底部的控温陶瓷层控制冷端的温度，使得整个基板具有散热和控温功能。与传统的金属(或陶瓷)基板相比，该基板采用微热管结构和冷端控温的设计，不仅具有热输运能力强、散热好、均热的特点，而且能控制基板的温度。这种新型基板用在半导体发光二极管(LED)、半导体激光器(LD)、半导体元件、集成电路(IC)、CPU等电子领域，是极具优势的。
Description
技术领域
本发明涉及电子元件散热基板，特别是涉及一种微热管散热基板。
背景技术
电子及相关产业的发展有两大趋势，一是追求小型化和集成化，二是追求高频率和高运算速度，导致单位容积电子元器件的发热量大增。事实上，电子设备的散热问题已成为制约微电子工业发展的瓶颈。考察现代电子设备的冷却问题，一般分为3个层次，第1层次：热量从芯片传递到基板，基板材料通常为塑料、金属和陶瓷；第2层次：热量从基板传递到冷却板；第3层次：把热量传给大气。传统上，第2和第3层次的散热依靠空气的自然对流或强制对流方式实现。散热情况的好坏将直接影响到电子设备工作的稳定性，芯片工作温度的增高会带来半导体内的电子迁移，从而引起芯片失效甚至烧毁。有资料表明，电子设备的工作温度每升高8度，失效率增加1倍。当芯片发热量在3～4W以上时，一般基板材料的散热性能很难应付。因此，如何提高基板的散热性能，使得电路在正常温度下工作已成为一个亟待解决的问题。除了最高温度限制外，电子设备对均温性也有更高的要求。集成电路表面温度分布不均匀也将影响芯片的工作性能，传统的散热方式采用铝制、铜制散热片，或者采用风扇散热。这已经不能够满足电子器件稳定工作的需要，尤其是内部散热空间较小的电子设备，已无法采用传统的散热方式，必须采用新的技术用于电子设备中散热和温度分配。和传统散热设备相比，采用相变制冷的热管无需消耗动力“空间尺寸小”冷却能力高，均热性能好，单位面积的传热量高。近几年来，微型小型热管技术用于冷却电子元器件得到了很大的发展，成为热管应用的一个重要领域。
在目前所有已知的电子冷却方式中，微热管已获得证实是传热性能最佳且最具潜力的冷却方式。微热管技术广泛的应用在航空器热控制、高功率电子元件制冷、核反应堆和化学工程应用以及MEMS器件应用。热管技术是一种无需外部驱动，靠自身吸热作为动力进行散热的技术，已在大尺度散热方面有着广泛成熟的应用，随着MEMS工艺及微细加工技术的成熟，微热管(MHP)冷却技术成为最有吸引力的集成电路和电子芯片散热技术之一，同时它也广泛的用在航空器热控制、高功率电子元件制冷、核反应堆和化学工程等应用上。通过对热管性能的分析与试验表明，相对于其他冷却技术，微热管技术有着高效传热以及消除热结的显著特点。在Charlott Gillot，Seok HwanMoon，Ravi S.Prasher等人的研究中也建立了各种以实验数据为前提的热管性能分析模型。而MEMS工艺的发展使得基于硅的微热管日益受到关注。由于与硅基集成电路良好的匹配性，硅微热管受到了极大的关注。但是，基于硅的微热管采用半导体工艺，不易简单加工，同时成本高。更为不利的是，硅材料本身很脆，制成硅基微热管很薄，不利于大规模的加工应用，这样就限制了硅基微热管的使用范围。
相对硅材料而言，某些陶瓷材料，如AlN陶瓷，具有如下特点：热导率高，热膨胀系数与硅接近，各种电性能优良。因此，陶瓷材料是一种很好的基板材料。在基板材料方面，过去而言是直接运用铜箔印刷电路板(Printed Circuit Board，PCB)来散热，也就是最常见的FR4印刷电路基板，然而随着电子元件的发热愈来愈高，FR4印刷电路基板已逐渐难以消受，理由是其热传导率不够(仅0.36W/m.K)。为了改善电路板层面的散热，因此提出了所谓的金属核心的印刷电路板(Metal Core PCB，MCPCB)，即是将原有的印刷电路板附贴在另外一种热传导效果更好的金属上(如：铝、铜)，以此来强化散热效果，而这片金属位于印刷电路板内，所以才称为(Metal Core)，MCPCB的热传导效率就高于传统FR4 PCB，达1W/m.K～2.2W/m.K。不过，MCPCB也有些限制，在电路系统运作时不能超过140℃，这个主要是来自介电层(Dielectric Layer，也称Insulated Layer，绝缘层)的特性限制，此外在制造过程中也不得超过250℃～300℃。而陶瓷基板(Ceramic Substrate)，或者是所谓的直接铜接合基板(DirectCopper Bonded Substrate，简称：DBC)，或是金属复合材料基板。无论是陶瓷基板或直接铜接合基板都有24～170W/m.K的高传导率，其中直接铜接合基板更允许制程温度、运作温度达800℃以上，因此是陶瓷基板一种很有优势的基板技术。
另外，对于大多数半导体电子元件而言，它们都是温度敏感型器件，外界的温度变化会影响器件的性能。例如LED，外界环境温度改变导致的LED器件结温的变化，将影响LED的光输出量、光色以及器件的可靠性。因此，具有控温功能的基板将大大提高器件的性能。传统的控温技术一般采用温度探测和反馈电路控制方面，复杂，不利于集成和小型化，同时增加了额外成本，设计复杂度也增加了。
发明内容
本发明的目的是针对现有的电子元件散热基板存在的问题，提供了一种散热性能好、均热且可具有控温功能的散热基板。
为了实现良好的散热功能，本发明采用微热管技术，在顶部陶瓷层下方设置具有微热管结构阵列的上部散热层。
为了进一步提高散热效果，本发明在上部散热层下方设置下部散热层，下部散热层上也设有微热管结构阵列，上下部散热层之间通过绝热陶瓷层分隔开来，上下部散热层之间还设有内部连通管道，连通形成回路。这样一来，上下部散热层形成冷热两端。
为了实现控温功能，本发明在下部散热层下方设置控温陶瓷层，控温陶瓷层内嵌有电阻丝。通过控制下部散热层的温度来控制上部散热层的温度。采用的电阻丝是具有很高电阻线性的金属材料，能够通过控制金属材料的电阻而达到控制电阻温度的目的，应用于微热管散热基板，达到控温的目的。
上下部散热层内抽成真空，内部封装有液体，如甲醇、乙醇、水或其他冷却剂(如电子冷却剂FC-72)。上下部散热层所用的材料优选为陶瓷片或金属片(如铝板、铜板或不锈钢板等)。微热管的横截面可为三角形、矩形、星形或其他形状。绝热陶瓷层可为云母片或其它导热系数不高的陶瓷材料。
顶部陶瓷层采用电镀工艺或丝网印刷制作电极，机械加工或激光加工的方法制作陶瓷内部微热管阵列和连通管道，控温陶瓷层通过陶瓷和内嵌的高线性电阻丝烧结而成，然后各个部分采取焊接或陶瓷烧结而成。
本发明的5层结构不是必备的，例如只包括顶部陶瓷层和上部散热层的结构是落入本发明保护范围的；不采用底部控温陶瓷片，通过设计上下两层的微热管阵列结构而使得基板内部具有控温功能也属于本发明的保护范围；对于多层微热管结构，也属于本发明的保护范围。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：为了解决传统基板中散热效率不佳、不可控温以及实用性不强的缺点，本发明结合微热管技术、陶瓷基板技术和新型控温技术，提供了微热管散热基板结构。本发明的微热管散热基板具有5层结构，散热性能好、均热且可控制温度，无需泵作为动力源，工作时无噪声，也无需维护。工作冷却介质为液体，运行安全可靠。采用陶瓷片，坚固耐用，散热效率高且温度可控。可以用在LCD显示以及航空器热控制、高功率电子元件制冷、核反应堆、化学工程应用以及MEMS器件应用上。
附图说明
图1为方形微热管散热基板的结构示意图和各层分解图；
图2为圆形微热管散热基板的结构示意图和各层分解图；
图3为上下部散热层的放大图；
图4为微热管散热基板工作原理示意图；
图5为微热管散热基板的制备流程图；
图6为微热管三种形状的横截面示意图；
图7为微热管散热基板作为大功率电子元件散热基板的示意图；
图8为微热管散热基板作为多芯片电子元件散热基板的示意图。
其中：1.微热管散热基板；2.顶部陶瓷层；3.上部散热层；4.绝热陶瓷层；5.下部散热层；6.控温陶瓷层；7.微热管；8.连通管道；9.电阻丝；10.电极；11.芯片；12.金丝。
具体实施方式
图1中，左图是整个微热管散热基板1的示意图，右图是微热管散热基板1的各层结构图。该微热管散热基板1由5层构成，顶部陶瓷层2为导热率高的陶瓷片，上面可以做成电路或者LED封装所需的杯碗形状。第2层为具有微热管结构阵列的陶瓷片(或金属片)散热层3，上面有矩形结构的微热管7结构阵列，其边缘通过连通管道8与下部微热管形成通路。第3层为绝热陶瓷层4，目的在于将上下两层的微热管散热层形成热端和冷端，其内部连通管道8使得上下两层的微热管能够互通。第4层为具有微热管阵列的陶瓷片(或金属片)散热层5，其内部管道与第2层的微热管通过连通管道8互通。第5层为控温陶瓷层6，该控温陶瓷层6由陶瓷和线性极好的电阻丝9烧结而成，通过外部电路调节电阻丝的电阻，便可精确控制该陶瓷层6的温度。本发明通过电路控制底部陶瓷层6的温度来达到控制整个微热管散热基板1的温度的目的。微热管7内部抽成真空，并通入合适比例的水或酒精等液体。
微热管散热基板1也可以采用圆形基板，如图2所示。
上下部散热层3，5的放大图见图3，结合图4，本发明的基本原理和工作过程如下：整个微热管散热基板1抽真空并注入部分液体后，由于表面张力的作用，液体存储于截面的尖角处。对于微热管散热基板顶部的一个平面受到局部加热时，如A-A平面所示，蒸发过程迅速产生于上部微热管阵列内汽液界面处，从而把热量迅速传递到相邻的通道内。同时热量也由上部的微热管阵列陶瓷片3通过管道输送到下部的微热管阵列。由于加热只发生在小面积热源平面，下部的陶瓷片温度相对较低，因此在上部微热管陶瓷片3边缘和下部微热管陶瓷片5内为非加热区，汽液界面处(如B冷凝端所示)产生冷凝过程，冷凝液在表面张力的作用下回流到加热区。同时下部的微热管陶瓷片5受到底部控温陶瓷片6的控温作用，从而通过控制微热管冷端的温度来控制整个微热管散热基板1的温度。
微热管散热基板1的制备如图5所示：顶部陶瓷层1根据实际需要制作电极或杯碗；上下部微热管散热层3，5在内部制作微热管阵列和连通管道8；绝热陶瓷层4在内部制作连通管道8；控温陶瓷层6通过陶瓷和内嵌的高线性电阻丝9烧结而成；然后各个部分采取焊接或陶瓷烧结而成。
微热管的传热能力与管道外形、尺寸以及液体的含量有关，因此选取合适的设计参数，对提高微热管散热基板的散热能力有帮助。另外，也可通过设计上下微热管的相关参数，使得微热管阵列自身有温度调节功能。微热管阵列截面可为图6所示的形状。
微热管散热基板可作为大功率电子元件(如LED、LD、CPU、IC等)的散热基板，如图7所示。在微热管散热基板上端制作互联电路，可作电子元件的引线连接和互联通道。工作时，大功率电子元件散发的热通过底部微热管散热基板，传到基板底部的散热连接元件上，从而抑制了电子元件的温升和过高温度。当外界温度改变时，基板下端的控温陶瓷片6始终工作在一定温度下，从而避免了由于外界温度变化而造成了电子元件温度变化，提高了电子元件的可靠性。
微热管散热基板可作为多芯片电子元件封装的基板，如图8所示。多颗芯片高密度的封装在一块微热管散热基板上，微热管散热基板上端可制作互联电路和杯碗(对于LED，此杯碗可为反射杯碗)。由于该微热管散热基板的均热效果，可以实现很高密度的多芯片封装，这是传统基板技术不能达到的。多芯片工作时，多芯片产生的热量通过微热管散热基板带到下端的其它冷却装置，多芯片工作时产生的冷热不均也可通过该微热管散热基板的均热性能得到改善。
LED汽车灯头必须具备大功率、高效率与工作温度在-40℃至125℃的高可靠性，此外其光学、电学参数必须稳定且具有一致性，光强度衰减也不能超过20℃；其中最难克服的一个部分是散热的问题。LED芯片只要遇到高温，发光效率就会衰减甚至损坏，一般建议的工作是80℃以下。本发明的微热管散热基板可用于LED车灯的散热。
Claims (10)
1.一种微热管散热基板，其特征在于包括顶部陶瓷层(2)以及设置在顶部陶瓷层(2)下方的上部散热层(3)，上部散热层(3)上设有微热管(7)结构阵列。
2.如权利要求1所述的微热管散热基板，其特征在于所述上部散热层(3)下方还设有下部散热层(5)，下部散热层(5)上也设有微热管(7)结构阵列；上下部散热层(3，5)之间设有陶瓷绝热层(4)和连通管道(8)。
3.如权利要求2所述的微热管散热基板，其特征在于所述下部散热层(5)下方还设有控温陶瓷层(6)，控温陶瓷层(6)内嵌有电阻丝(9)。
4.如权利要求1或2所述的微热管散热基板，其特征在于所述上下部散热层(3，5)为陶瓷片或金属片。
5.如权利要求1或2所述的微热管散热基板，其特征在于所述上下部散热层(3，5)内抽成真空，内部封装有液体。
6.如权利要求5所述的微热管散热基板，其特征在于所述液体为甲醇、乙醇、水或其他冷却剂。
7.如权利要求1或2所述的微热管散热基板，其特征在于所述微热管(7)的横截面可为三角形、矩形、星形或其他形状。
8.如权利要求1或2所述的微热管散热基板，其特征在于所述上下部散热层(3，5)的微热管(7)通过连通管道(8)形成闭合回路。
9.如权利要求2所述的微热管散热基板，其特征在于所述绝热层(4)为云母片或其它低导热材料。
10.如权利要求2所述的微热管散热基板，其特征在于所述的连通管道(8)为孔洞、三角洞或其它连通管道。
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