CN103280434B - 基于斯特林发动机的节能循环型微纳光电子芯片散热装置 - Google Patents

Abstract

本发明针对高密度堆叠微纳光电子芯片集成组件的散热问题，运用斯特林发动机构建一个能量循环利用的物理装置，具体提供一种基于斯特林发动机的节能循环型微纳光电子芯片散热装置，包括芯片集成组件、风扇、散热器、液体容器、微泵、芯片冷却模块、微型斯特林发动机、支撑柱和微管。该装置利用液/风冷却，能够大幅度提高高密度堆叠微纳光电子芯片集成组件的散热效率，确保芯片集成组件正常工作的稳定性，利用芯片集成组件产生的热能，运用斯特林发动机转变成机械能驱动风扇和泵，达到散热的目的。本发明是一种节能环保，绿色高效，且具有良好的散热效果和较低的噪音的装置。

Description

基于斯特林发动机的节能循环型微纳光电子芯片散热装置

技术领域

本发明涉及一种微纳光电子芯片集成组件的散热装置，尤其是一种运用微型斯特林发动机提供动力的液/风冷却装置，适用于电子设备中多层堆叠微纳光电子芯片集成组件的降温冷却。

背景技术

堆叠式微纳光电子芯片集成组件近年来逐成为技术发展的主流，堆叠芯片是指在不改变封装尺寸的前提下，在同一个封装体内垂直叠放的两个以上的芯片，其特点是多功能，高性能，大容量高密度，但是散热成为了制约其发展的主要因素。传统的芯片散热方式以风冷，水冷为主。液/风冷却装置在大功率主板上有广泛的应用。斯特林发动机是一种外燃机，在将热能变成机械能的转换上，斯特林发动机在真实的热机中可达到最高的热效率，至多达80%，鉴于能源成本普遍上涨，能源短缺和全球暖化之类的环境问题，斯特林引擎的优点愈来愈显著。此发动机可由任何热源运行，多层堆叠芯片集成组件的高密度发热足以驱动该发动机。

至目前，研究芯片散热的专利主要有：CN02149603.X公布了一种热驱动换热器，利用微管液冷散热，该装置利用液体自身驱动，缺少外界动力，影响散热效率；CN99253842.4公开了一种CPU水冷散热器，散热管结构过于简单，液体不能充分的吸收芯片热量；CN01232219.9公布了一种风冷鳍片散热装置，没有循环利用能量。多层堆叠芯片作为未来芯片发展的主流方向，其散热问题直接影响到堆叠芯片的性能与数量，IBM公司几年前就提出了芯片内部安装微管直接水冷散热的设计，实验证实，这样的设计在4平方厘米的多层芯片中，散热效率可到每层180W/cm²，完全可以满足堆叠芯片的散热要求。本装置考虑到现有装置的一些缺点，结合多层堆叠芯片集成组件散热的特点，创新结构，利用斯特林发动机原理，运用液/风冷却技术，对芯片集成组件实施散热。

发明内容

本发明的目的是克服已有技术中的不足，提供一种结构简单紧凑、节约能源、运行稳定、散热效果好的液/风冷却装置，用于多层堆叠芯片的散热。

本发明的技术方案是：

基于斯特林发动机的节能循环型微纳光电子芯片散热装置，包括芯片集成组件、风扇、散热器、液体容器、微泵、芯片冷却模块、微型斯特林发动机、支撑柱和微管，芯片集成组件由多层电子芯片组成，芯片冷却模块设在两层电子芯片的中间，芯片冷却模块上有一层粘合层，在粘合层上刻蚀微槽，将微管安装固定在槽内，微管的进口端和出口端设置在芯片集成组件外的支撑柱内，微管的进口端连接微泵，微泵与液体容器连接，散热器安装在芯片集成组件的侧面，散热器的一端与液体容器连通，另一端与微管的出口端连接；芯片集成组件的上方安装微型斯特林发动机，微型斯特林发动机的一端与风扇连接，另一端与微泵电路连接，同时为风扇和微泵提供电源；所述风扇设置在散热器旁；同时微管采用冷热交互排列方式。

本发明的有益效果：微型斯特林发动机将芯片集成组件运行产生的热能加以利用，对冷却装置进行供电，利用风冷和液冷对多层堆叠芯片进行散热，多层堆叠芯片本身发热量大，斯特林发动机作为一种高效热机，在转变热能为机械能方面具有很大的优越性。据此设计出的装置节能环保，可靠性高，使用寿命长，维修需求低，且该装置结构简单、紧凑，安全性高，适用于电子设备的多层堆叠微纳光电子芯片集成组件的散热。

附图说明

图1是本发明的散热装置平面原理图。

图2是本发明的一种基于斯特林发动机的液/风冷却装置。

图3是本发明的芯片冷却模块内微管布局。

图中：1.风扇；2.散热器；3.液体容器；4.微泵；5.芯片冷却模块；6.斯特林发动机；7.支撑柱；8.微管；9.芯片；10.芯片组件基底。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述：

图2是本发明的一种基于斯特林发动机的液/风冷却装置，该装置包括芯片集成组件，风扇1，散热器2，液体容器3，微泵4，芯片冷却模块5，斯特林发动6，支撑柱7，微管8。芯片集成组件由多层电子芯片9组成，芯片冷却模块5设在两层电子芯片的中间。在芯片冷却模块5的粘合层上排布刻蚀微槽，将微管8安装固定在槽内，如图3所示。微管8的进口端与芯片集成组件外的支撑柱7连接，支撑柱7上侧连接微泵4，微泵4与散热器2连接，散热器2内部连接液体容器3，容器内盛有丙酮溶液，散热器2另一端与左边支撑柱7连接，接入芯片微管8出口，形成一个完整的液体循环回路。在芯片集成组件顶部安装微型斯特林发动机6，风扇1与斯特林发动机6机构连接，直接由斯特林发动机6带动，同时斯特林发动机6转动发电，向微泵4提供电源，驱动散热液体，如图2所示。

本装置的工作过程为：芯片集成组件工作发热，当达到一定温度时，自启动微型斯特林发动机6，斯特林发动机6吸收热量，运转发电，驱动风扇1和微泵4，微泵4驱动循环回路里的丙酮冷却液，通过芯片的粘合层，带走芯片集成组件内部的热量，经过散热器2，风扇1对散热器2进行降温散热。冷却后的液体回到液体容器3，通过微泵4重新流入芯片中进行降温，形成一个循环过程。如此就可以通过芯片集成组件发热驱动斯特林发动机6发电，为散热设备提供动力源。

本装置利用斯特林发动机将多层堆叠微纳光电子芯片的高发热量转化成机械能和电能，通过风冷和液冷，对芯片本身进行散热降温，该过程中一旦芯片发热量到达一定的程度，整个装置就能自运行起来，既高效节能，又安全可靠，适用于多层堆叠微纳光电子芯片的散热。

Claims (3)

1.基于斯特林发动机的节能循环型微纳光电子芯片散热装置，包括芯片集成组件、风扇、散热器、液体容器、微泵、芯片冷却模块、微型斯特林发动机、支撑柱和微管，其特征在于，芯片集成组件由多层电子芯片组成，芯片冷却模块设在两层电子芯片的中间，芯片冷却模块上有一层粘合层，在粘合层上刻蚀微槽，将微管安装固定在槽内，微管的进口端和出口端设置在芯片集成组件外的支撑柱内，微管的进口端连接微泵，微泵与液体容器连接，散热器安装在芯片集成组件的侧面，散热器的一端与液体容器连通，另一端与微管的出口端连接；芯片集成组件的上方安装微型斯特林发动机，微型斯特林发动机的一端与风扇连接，另一端与微泵电路连接，同时为风扇和微泵提供电源；所述风扇设置在散热器旁。

2.根据权利要求1所述的基于斯特林发动机的节能循环型微纳光电子芯片散热装置，其特征在于：所述微管采用冷热交互排列方式。

3.根据权利要求1或2所述的基于斯特林发动机的节能循环型微纳光电子芯片散热装置，其特征在于：所述液体容器内盛有丙酮溶液。