CN103591730A - 半导体制冷集成系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种半导体制冷集成系统，包括半导体制冷芯片，导冷块，在所述半导体制冷芯片热端设置有热管集成散热器，所述热管集成散热器包括热管、散热板、翅片组；所述散热板表面有槽，所述热管的蒸发管段嵌埋在散热板上且蒸发管段与散热板的表面在同一平面上；在所述导冷块与散热板之间并排设置有两个或以上芯片，导冷块独立分块设置、或由所述散热板独立分段设置，以使得各半导体制冷芯片的端面均与导冷块、散热板紧密贴合。本发明与半导体制冷芯片的端面无间隙对接，接触性能良好，能将半导体制冷芯片热端的热量迅速导走，并利用翅片与外界环境换热，大大提高了散热能力。

Description

半导体制冷集成系统

技术领域

本发明涉及制冷技术领域，更具体地说是涉及一种半导体制冷集成系统。

背景技术

对于传统采用氟利昂制冷剂的制冷系统，由于其所采用的制冷剂的泄漏对大气臭氧层具有强烈的破坏作用，因此逐渐被淘汰。

半导体制冷系统是一种环保的制冷系统，它利用半导体材料的珀尔帖效应原理，当直流电通过两种不同半导体材料串联成的电偶时,在电偶的两端即可分别吸收热量和放出热量,可以实现制冷的目的。它的特点是无运动部件,可靠性也比较高，因而具有无噪声、无振动、不需制冷剂、体积小、重量轻的优点，它工作可靠，操作简便，易于进行冷量调节，特别适合于占地空间小的场合，在电子器件、医疗器械、家用电器方面得到广泛的应用，涉及工业、农业、国防领域。

半导体制冷装置包括半导体制冷芯片，半导体制冷芯片的一端发热称为热端，另一端为冷端。然而，当半导体制冷芯片工作时，如果其热端的热量不能及时散发出去，将会影响半导体制冷芯片的制冷效率，严重时甚至导致半导体制冷芯片烧毁。而且，当半导体制冷芯片热端散热效果不理想时，热量容易通过热桥从半导体制冷芯片的热端传递到其冷端，从而降低了系统的制冷效果，因此，解决半导体制冷芯片热端的散热问题是提高制冷效率的重要条件。在半导体制冷系统的热端换热器上通常采用强制风冷结构或者是热管结构，如00100480.8、02292989.4、02292990.8等中国专利所公开的技术方案。这些技术方案都可实现半导体制冷系统与外界环境间的热交换，从而达到制冷或者制热的目的。但是上述专利的技术方案仅涉及单一的半导体制冷系统,在系统内只设置一个半导体制冷芯片,而目前的芯片产品规格和型号基本是固定的,它的制冷量不能任意增加,当需要较大的制冷总量时,就常用到两套或多套的制冷系统并联。并联两套完全独立的半导体制冷系统需要两套半导体制冷芯片、冷端换热器、热端换热器和各自的强制风冷结构，使用两套独立的制冷系统可以满足大制冷量的要求，但是由于两套制冷系统是完全独立的，因此，使用时需相应配套设计各个半导体制冷系统的安装固定结构，使得半导体制冷系统的成本乘倍数增加。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种能提供较大制冷量的复合结构的、采用热管集成散热器的半导体制冷集成系统，使之具有制冷速度快、制冷效果好的特点，以克服现有技术的不足。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种半导体制冷集成系统，包括半导体制冷芯片，在所述半导体制冷芯片冷端设置有导冷块，在所述半导体制冷芯片热端设置有热管集成散热器，所述热管集成散热器包括热管、散热板、翅片组；所述翅片组紧套在热管的冷凝管段上，所述散热板表面有槽，所述热管的蒸发管段嵌埋在散热板上且蒸发管段与散热板的表面在同一平面上；在所述导冷块与散热板之间并排设置有半导体制冷芯片两个或两个以上，所述导冷块适应半导体制冷芯片数量独立分块设置、或由所述散热板适应半导体制冷芯片数量独立分段设置，以使得各半导体制冷芯片的端面均与导冷块、散热板紧密贴合。

一种半导体制冷集成系统，包括半导体制冷芯片，在所述半导体制冷芯片冷端设置有导冷块，在所述半导体制冷芯片热端设置有热管集成散热器，所述热管集成散热器包括热管、散热板、翅片组；所述翅片组紧套在热管的冷凝管段上，所述散热板表面有槽，所述热管的蒸发管段嵌埋在散热板上且蒸发管段与散热板的表面在同一平面上；在所述导冷块与散热板之间并排设置有半导体制冷芯片两个或两个以上，所述导冷块适应半导体制冷芯片数量独立分块设置、所述散热板适应半导体制冷芯片数量独立分段设置，以使得各半导体制冷芯片的端面均与导冷块、散热板紧密贴合。

一种半导体制冷集成系统，包括半导体制冷芯片，在所述半导体制冷芯片冷端设置有导冷块，在所述半导体制冷芯片热端设置有热管集成散热器，所述热管集成散热器包括热管、散热板、翅片组；所述翅片组紧套在热管的冷凝管段上，所述散热板表面有槽，所述热管的蒸发管段嵌埋在散热板上且蒸发管段与散热板的表面在同一平面上；在所述导冷块与散热板之间并排设置有半导体制冷芯片两个或两个以上，在各个半导体制冷芯片的冷端和热端表面均涂有导热硅脂。

上述的半导体制冷集成系统，所述热管的集成是通过嵌入在散热板的槽内、并在压合加工后、将带热管的散热板表面机械铣平制得，从而使得被铣平的热管和散热板形成一个平整的受热面。

上述的半导体制冷集成系统，所述半导体制冷芯片的热端基板材的导热系数比冷端的大。

上述的半导体制冷集成系统，在集成系统工作时，所述热管的蒸发管段的高度位置位于热管其它管段的下方，所述热管是直线型或折线型向上走向的。

上述的半导体制冷集成系统，所述导冷块上还设有散冷翅片。

上述的半导体制冷集成系统，所述导冷块与散冷翅片为整体构件。

上述的半导体制冷集成系统，多个半导体制冷芯片可以电串联或电并联。

本发明的有益效果是：

1）本发明的半导体制冷集成系统在芯片的热端设置有热管集成散热器，该热管集成散热器由金属散热板、热管、翅片组、风扇构成，热管的蒸发段（吸热）嵌入、压平在金属散热板传热面的表槽内，热管的蒸发管段与金属散热板传热面经铣削加工形成一平整度高的传热平面。散热装置利用热管作为导热元件，并将热管与散热板高度集成，嵌有热管的散热板经铣削加工后，与半导体制冷芯片的端面无间隙对接，接触性能良好，能将半导体制冷芯片热端的热量迅速导走，并利用翅片与外界环境换热，大大提高了散热能力。

2）本发明在一个系统内设置两个或多个制冷芯片，在芯片的冷端设置多个散热冷铝或在热端把散热板分开多段消除不同芯片厚度在制造过程中产生的工差，以科学合理的方式组合成为一个复合式的制冷系统，在同一个系统内使各制冷芯片取得合适的装配基准，确保半导体制冷芯片与冷热端换热器良好接触，从而保证了系统的传热效果。同时，可避免因芯片厚度偏差而出现压裂芯片基板的现象，保护了芯片，降低产品装配下线率。

3）本发明的半导体制冷集成系统装配时，使热管冷凝段管段水平位置均高于热管的蒸发管段。当热管工质它吸热蒸发为气体后，工质气体是沿蒸发段、节流段逐渐上升至冷凝段的，过程中没有被迫沉降损害工作效率的情况，因此，能充分保证热管的蒸发效率。

附图说明

图1是本发明半导体制冷集成系统的结构示意图。

图2是本发明半导体制冷集成系统第一实施例的爆炸图。

图3是本发明半导体制冷集成系统第二实施例的爆炸图

图4是本发明半导体制冷集成系统的热管集成散热器结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明附图，对本发明的具体实施方式作描述，显然，所描述的具体实施方式仅是一部分实施例，基于本发明的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均在本发明的保护范围内。

实施例一

参见图1、2、4，本发明的半导体制冷集成系统包括半导体制冷芯片（以下简称芯片），在所述芯片2冷端设置有导冷块3，在导冷块的另一端面设置散冷翅片4，通常，可把导冷块3与散冷翅片4以整体方式加工制成。通常，为了加强隔热效果，在芯片2及导冷块3的四周设置一中空的隔热套5，以减少系统冷量的流失。在所述芯片2热端设置有热管集成散热器1，所述热管集成散热器1包括热管10、散热板15、翅片组14，所述翅片组14紧套在热管的冷凝管段13上，所述散热板15表面有槽，所述热管的蒸发管段12集成在散热板上，所述热管的集成是通过嵌入在散热板的槽内、并在压合加工后、将带热管的散热板表面机械铣平制得，从而使得被铣平的热管和散热板形成一个平整的受热面。热管集成散热器利用金属板（铝板）结合热管来制成集成化的散热装置，使散热板的吸热面积与热传导的效能增加，进而可使芯片热端不断产生的热量持续被热管内的工质所吸收并传导至远端处放热冷凝，使半导体制冷系统正常高效运行。

参见图2，本发明的集成系统在导冷块与散热板之间并排设置有两块芯片2，两个半导体制冷芯片可以电串联或电并联，为适应芯片数量，导冷块3为独立的两块（各块导冷块3与散冷翅片4整体制成），分别贴合在两芯片的冷端，而且隔热套5设置有两中空内框，在两中空内框内分别布置有两芯片、及相应的导冷块3，散热板15是一块长方形的铝板，嵌有热管的表面与两块芯片贴合。由于导冷块分块设置，使得两芯片的端面均与各导冷块、散热板紧密贴合。本发明在两个不同的芯片上具有各自的装配基准，使该复合式的制冷系统可适应不同规格、厚度的芯片，并在装配配合上充分保证了芯片冷热端面的传热效果，杜绝了两个芯片夹在同一个导冷块与散热板之间可能出现的压裂、接触不好等情况。

在集成系统工作时，热管10的蒸发管段12的高度位置位于热管其它管段的下方，热管10是直线型或折线型向上走向的。它的冷凝管段13（翅片部位）及节流管段11均高于散热板上的蒸发管段12，即是说热管内的工质在热管工作时，当它吸热蒸发为气体后，工质气体是逐渐上升的，过程中没有被迫沉降等损害工作效率的情况，因此，能充分保证热管的蒸发效率。

普通的半导体制冷芯片，其冷、热端基板的材质是一样的，冷热端基板绝大多数采用Al₂O₃为主，实现电绝缘、热传导。从能量角度，半导体热电材料的珀尔帖效应属结面效应，无论是冷量、热量均产生在半导体热电模块中的电偶对的冷、热端面，其能量传递满足：Qh=Qc+Pi，其中Qh为电偶对热端面产生的热量；Qc为电偶对冷端面产生的冷量；Pi为芯片的电输入功率。根据能量公式，可推算出当芯片的热端基板导热系数提高即热阻降低时，对应的电偶对热端与热端基板温差降低，导致芯片产冷量增加，从而使芯片的转换效率提高，因此，当半导体制冷芯片的冷端和热端的基板材的导热系数不相同且半导体制冷芯片的热端基板材的导热系数比冷端的大时，通过降低芯片热端传导热阻实现芯片冷、热端热量的均衡传递，达到减小芯片热端电偶对结面到热端基板的温降，提高芯片冷端的产冷量及转换效率。同时，为减小芯片冷端经芯片的金属导线造成的冷量损失，芯片的引出导线需焊接在热端陶瓷基板一侧。

 

实施例二

参见图3，本实施例在实施例一的基础上作如下改变：将分别与两芯片的冷端接触的导冷块3整合在同一块散冷翅片4上，使其结合为一整体器件，并将散热板15适应半导体制冷芯片数量独立分段设置为两段，两段散热板与两芯片的热端适配贴合，两散热板表面均有槽，热管10的蒸发管段12嵌入在两散热板的槽内，热管与两散热板压合加工后，将两散热板表面同时铣平，当热管集成散热器1与芯片2装配时，不同的芯片厚度由在两散热板的间隙上的热管适应性地弯曲调整，从而保证了两芯片的端面均与各导冷块、散热板紧密贴合。

 

实施例三

本实施例在实施例一的基础上作如下改变：将散热板15适应半导体制冷芯片数量独立分段设置为两段，两段散热板与两芯片的热端适配贴合，两散热板表面均有槽，热管10的蒸发管段12嵌入在两散热板的槽内，热管与两散热板压合加工后，将两散热板表面同时铣平。本实施例由于导冷块以及散热板均分开独立设置，使芯片2与热管集成散热器1、导冷块3装配时，装配基准更加灵活，容易适应不同规格、厚度的芯片，在装配配合上充分保证系统传热效果。

 

实施例四

本实施例在实施例一的基础上作如下调整：两导冷块3与散冷翅片4制成整体一件式结构，同时散热板15也是一件式结构，在芯片2的两端面上涂上导热硅酯，整体式的导冷块与散热板分别复合在芯片两端，由导热硅脂涂层厚度消化芯片的厚度差异。

本发明以科学合理的结构实现了半导体制冷集成系统高效的散热结构。多个芯片的复式系统设计更使得系统的制冷量大大增强。具有结构简单、高度集成化、散热效果明显的优点。

Claims (9)

1.一种半导体制冷集成系统，包括半导体制冷芯片，在所述半导体制冷芯片冷端设置有导冷块，其特征在于：在所述半导体制冷芯片热端设置有热管集成散热器，所述热管集成散热器包括热管、散热板、翅片组；所述翅片组紧套在热管的冷凝管段上，所述散热板表面有槽，所述热管的蒸发管段嵌埋在散热板上且蒸发管段与散热板的表面在同一平面上；在所述导冷块与散热板之间并排设置有半导体制冷芯片两个或两个以上，所述导冷块适应半导体制冷芯片数量独立分块设置、或由所述散热板适应半导体制冷芯片数量独立分段设置，以使得各半导体制冷芯片的端面均与导冷块、散热板紧密贴合。

2.一种半导体制冷集成系统，包括半导体制冷芯片，在所述半导体制冷芯片冷端设置有导冷块，其特征在于：在所述半导体制冷芯片热端设置有热管集成散热器，所述热管集成散热器包括热管、散热板、翅片组；所述翅片组紧套在热管的冷凝管段上，所述散热板表面有槽，所述热管的蒸发管段嵌埋在散热板上且蒸发管段与散热板的表面在同一平面上；在所述导冷块与散热板之间并排设置有半导体制冷芯片两个或两个以上，所述导冷块适应半导体制冷芯片数量独立分块设置、所述散热板适应半导体制冷芯片数量独立分段设置，以使得各半导体制冷芯片的端面均与导冷块、散热板紧密贴合。

3.一种半导体制冷集成系统，包括半导体制冷芯片，在所述半导体制冷芯片冷端设置有导冷块，其特征在于：在所述半导体制冷芯片热端设置有热管集成散热器，所述热管集成散热器包括热管、散热板、翅片组；所述翅片组紧套在热管的冷凝管段上，所述散热板表面有槽，所述热管的蒸发管段嵌埋在散热板上且蒸发管段与散热板的表面在同一平面上；在所述导冷块与散热板之间并排设置有半导体制冷芯片两个或两个以上，在各个半导体制冷芯片的冷端和热端表面均涂有导热硅脂。

4.根据权利要求1或2或3所述的半导体制冷集成系统，其特征在于：所述热管的集成是通过嵌入在散热板的槽内、并在压合加工后、将带热管的散热板表面机械铣平制得，从而使得被铣平的热管和散热板形成一个平整的受热面。

5.根据权利要求1或2或3所述的半导体制冷集成系统，其特征在于：所述半导体制冷芯片的热端基板材的导热系数比冷端的大。

6.根据权利要求1或2或3所述的半导体制冷集成系统，其特征在于：在集成系统工作时，所述热管的蒸发管段的高度位置位于热管其它管段的下方，所述热管是直线型或折线型向上走向的。

7.根据权利要求1或2或3所述的半导体制冷集成系统，其特征在于：所述导冷块上还设有散冷翅片。

8.根据权利要求7所述的半导体制冷集成系统，其特征在于：所述导冷块与散冷翅片为整体构件。

9.根据权利要求1或2所述的半导体制冷集成系统，其特征在于：多个半导体制冷芯片可以电串联或电并联。

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