CN103999214B - 具有通过液体金属扩散器冷却的电子装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有通过液体金属扩散器冷却热源(32)的电子装置，该装置包括至少一个热源；至少一个扩散器(30)，其钻孔有至少一个通道用于流动液体金属，形成热源(32)下面流过的回路；至少一个散热器(33)；和至少一个电磁泵(31)，用于使液体金属(34)在所述至少一个通道中移动，这样液体金属吸收热源所发出的热，以及传递它由散热器排散，其中每个扩散器包括放置在由可变形材料所制造的至少一个条带的两侧的任一侧上的由绝缘材料所制造的至少两个板。

Description

具有通过液体金属扩散器冷却的电子装置
技术领域
本发明涉及通过液体金属扩散器冷却的电子装置，例如半导体装置。
背景技术
本发明的领域是电子元件，例如半导体的温度管理。如图1中所示，电子元件可以通过几毫米厚的金属板放置在冷却装置上。该板的目的是如同冷却装置所经历的一样，扩散所发出的热流量，由此增加该热流量的截面。因为温度梯度与交换面积呈反比，所以大大地改善了总的温度管理。在该说明书的整个剩余部分中，术语“扩散器”用于表示这种板。图1表示耗散源10，例如电子元件或一组封装的元件，布置在扩散器11上，该扩散器11在热流量到达冷却装置12之前扩散热流量(箭头表示热流量密度φ)。这种扩散器的厚度是最佳的，在该厚度以下，扩散不充分，这降低了冷却装置的性能。在该厚度以上，由它所增加的温度阻力变得太高。如果它要效率高，扩散器必须保持为非常好的热导体，例如它可以由铜制造。然而，铜是重的，并且这是为什么也常常使用铝的原因。而且，铜的热传导率受到限制(400W.m-1.K-1)。因此，扩散器面积的大幅增加不会减小总的热阻，因为热流量将不会达到扩散器的限度。
因此，为了改善总的温度管理，使用具有更高等效的热传导率的材料是有用的。一个方案包括使用非常好的热导体的材料，诸如装载有带高热传导率颗粒(钻石、碳等)的材料。但是目前，这种材料整合到设备中不足够成熟，并且成本和性能与工业要求(可靠性、机械加工、所获得的传导率、质量)不相容。另一个常常设想的方案是使用热管道。如图2中所示，热管道15包括封闭的容积16，其内壁覆盖有液体18所饱和的毛细管网17。它通常包括三个部件，称为蒸发器20、冷凝器21和绝热区域22。在蒸发器20，液体18被转换为蒸气23，该蒸气23朝向冷凝器21的路线发送。冷凝后，液体通过毛细管网17被带回到蒸发器，毛细管网17驱动热管道。用适合的毛细管网，热管道15可以在所有的位置工作，因此没有重力。热管道原理的主要优点是它在蒸发区域20(热源)和冷凝区域21(冷却源)之间产生非常低的温度差。热管道作为“热短的回路”。因为热管道的蒸气区域具有非常高等效的热传导率，它们可以用作扩散器。图3表示这种热管道27作为热扩散器的运转。接着使用术语热扩散器或“蒸气室”。运转的原理与常规的热管道相同，但是流体路径不同，因为热源25(蒸发器)放置在热管道的第一面上，而冷却源26(冷凝器)使用整个第二面。
双相流体类型方案(热管道、蒸气室)有限制。例如，在航空学应用中，最大限制性的限制包括流体的选择、加速度的阻力、用于非常高密度的性能。所用的流体必须与航空学约束条件(火的约束条件、欧洲REACH法规等)相容。而且，这些方案的性能非常依赖于所使用的冷却源和双相流体的特征。
目前，有用于电子系统的冷却回路的例子，其利用了通过直流电(DC)磁流体动力学类型的电磁泵所移动的导电流体(熔融盐或液体金属)。在说明书结尾处参考文献【1】中所限定的冷却回路由此使用磁流体动力学类型的导电泵(MHD DC)用于GaIn(镓-铟)类型的导电流体，以冷却电子元件。泵产生了25kPa数量级的压力，具有0.14升.分钟-1的流速，而施加于泵的磁场是0.9T。该系统能够冷却超过200W.cm-2热流量密度。在该回路中：
-镓-铟的熔点高于0℃，这在熔解温度以下的环境温度时引起了运转问题。因为冷却源远离电子元件，所以在已经加热元件之前不可能起动装置。
-电磁泵(高电流/低电压)的电源是复杂的，并且效率是低的。
-用液体金属或熔融盐运转的这种回路具有高的热性能。然而，它受限于特定的应用，因为导电流体非常昂贵(1000欧元/kg)，并且一些液体金属，诸如镓或镓合金的密度比水高6倍。
文献【2】公开了一种扩散器，其中液体金属，例如镓或镓合金，诸如镓-铟-锡，被放入到一个或几个半导体元件以下的扩散器中所机械加工的通道中进行循环。该液体金属吸收半导体元件下面的热和将该热分布在整个保留表面上。通过整合在扩散器中的磁流体动力学的导电泵移动该流体金属。保护材料的沉积分离了通道壁和液体金属，以防止它们之间化学相互作用。这种扩散器具有下列缺点：它需要化学涂层以分离化学通道和液体金属。当它固化时，没有提供抗镓膨胀的补救；这种膨胀可以损坏扩散器。
本发明的目的是通过公开扩散器中液体金属的循环来克服这些缺点，该扩散器由与镓化学相容的堆叠的几个板制造，吸收热源下面热的液体金属具有很低的温度的温度以及在扩散器的整个保留表面上分布热，而整合到扩散器以下的面中的散热器排散来自于液体金属的热。
发明内容
本发明涉及具有通过液体金属扩散器冷却热耗散源的电子装置，该装置包括至少一个热耗散源，其包括至少一个电子元件；至少一个扩散器，至少一个液体金属循环通道通过它，形成在热耗散源下面有路线的回路，至少一个散热器和至少一个电磁泵，后者在所述至少一个通道中移动液体金属，这样液体金属吸收热耗散源所耗散的热，并且传递它由散热器排散，其特征在于：每个扩散器包括位于由可变形材料所制造的至少一个条杆的每侧上的由绝缘电材料所制造的至少两个板，液体金属循环通道绕该条杆制成。
有利地，至少一个电子元件可以是半导体元件。液体金属可以选自镓、铟、铋、锡，包含镓和/或铟和/或锡的合金，钠-钾合金。有利地，由变形材料所制造的条杆是由膨胀的聚四氟乙烯(Teflon)、带有封闭小室的泡沫、带有开放小室和带有密封涂层的泡沫，或者由实心或空心的可变形塑料所制造。电极是由涂覆有保护涂层的钼、钨、不锈钢或铜制造的。该后面的方案减少了总电压的下降和由此电磁泵效率的下降。散热器是带鳍的散热器，它可以与风扇或强制对流的液体冷却器一起使用或者不与它们一起使用。每个电磁泵可以是磁流体动力学的导电泵((MHD DC))。它可以包括在扩散器的由电绝缘材料所制造的两个板之间。由绝缘电材料所制造的这些板可以由陶瓷、AIN、AI203、Si3N4或SiC所制造。
有利地，扩散器在至少一个液体金属循环通道内包括鳍，以增加与液体金属的交换面积。
有利地，根据本发明的装置包括电磁泵+堆叠的几个半导体/液体金属扩散器/散热器元件。
有利地，热管道布置在液体金属扩散器和散热器之间。
有利地，在第一实施方式中，根据本发明的装置包括：
-第一磁回路，其包括由磁性材料和永磁铁所制造的至少一个条杆；
-第一聚合物框架；
-由绝缘材料所制造的第一板，其上放置有半导体元件；
-由可变形材料所制造的条杆；
-三个电极，一个电极放置在可变形材料上；
-带有支撑装置的聚合物密封；
-由绝缘材料所制造的第二板；
-第二聚合物框架；
-第二磁回路；
-散热器；
液体金属循环通道绕着由可变形材料所制造的条杆制成。
有利地，在第二实施方式中，根据本发明的装置包括：
-两个第一磁回路，
-一个聚合物框架；
-第一陶瓷板，其上放置有半导体元件；
-由可变形材料所制造的条杆；
-电极，其中一个电极放置在可变形材料上；
-具有支撑装置的聚合物密封；
-第二陶瓷板；
-两个第二磁回路；
-带鳍的散热器；
液体金属循环通道绕着由可变形材料所制造的条杆制成。
有利地，在第三实施方式中，根据本发明的装置包括：
-第一带鳍的散热器，
-第一聚合物框架，
-第一磁回路，
-第一陶瓷板，其上放置有半导体元件；
-第一电极；
-由可变形材料所制造的三个第一杆；
-具有支撑装置的第一聚合物密封；
-第二陶瓷板；
-具有支撑装置的第二聚合物密封；
-第二电极；
-由可变形材料所制造的三个第二杆；
-第三陶瓷板；
-第二磁回路；
-第二聚合物框架；
-第二带鳍的散热器；
第一液体金属循环通道绕着由可变形材料所制造的第一杆制成，第二液体金属循环通道绕着由可变形材料所制造的第二杆制成。
根据本发明的装置具有下列优点：
-扩散器的高传导率排散了比热管道可以获得的热流量密度更高的热流量密度。可以设想达到约1kW/cm2的值。
-扩散器的致密性可以使用非常小体积的液体金属(几毫米)。它也可以维持热耗散源接近整个液体体积，以完全地熔化液体体积。固化后它可以重新开始。
-熔化是期望的，以使用相变降低电子元件的温度升高的速率。因此，可以设想使用具有更高熔化温度和不包含镓的合金。
附图说明
图1表示扩散器类型冷却装置的工作原理。
图2表示热管道的工作原理。
图3表示用作热扩散器的热管道的工作原理。
图4表示根据本发明的装置。
图5表示图4中装置中所使用的电磁泵的工作原理。
图6A和6B分别地表示根据本发明的装置的第一实施方式的分解图和立体图。
图7示意性地表示根据图6A和6B中所示的本发明装置中所使用的电磁泵的工作。
图8A和8B分别地表示根据本发明装置的第二实施方式的分解图和立体图。
图9A和9B分别地表示根据本发明装置的第三实施方式的分解图和立体图。
图11表示图10A中所示的根据本发明的液体金属扩散器和图10B中所示的铜扩散器的比较性能。
图12A和12B表示根据本发明装置的变化实施方式。
图13表示根据本发明装置的另一个变化实施方式。
具体实施方式
如图4中所示，根据本发明的装置包括下列构件：
-热耗散源32，其包括至少一个电子元件，例如半导体元件，
-液体金属扩散器30，其是排散热耗散源下面热的液压部件，由绝缘材料所制造的，例如陶瓷所制造的两个板制成，设置在可变形材料的每侧上，在可变形材料周围制成液体金属循环通道；
-电磁泵31，其保持液体金属移动；
-散热器33。
热耗散源32放置在扩散器30的顶面上。散热器33设置在扩散器30的底面上。附图标记34表示在至少一个通道中液体金属循环，其中可有添加鳍以增加交换面积。附图标记35表示液体金属进口，并且附图标记36表示液体金属出口。
根据本发明的装置在热导电基质中循环是热传递流体的液体金属。该液体金属吸收电子元件32下面的热，具有很小的温度升高，并且在基质的整个保持表面上分布该热。液体金属，诸如镓合金或熔融盐，诸如钠-钾，具有优良的物理特性。因此，镓，其具有约28W.m-1.K-1的热传导率，该传导率大于水的传导率40倍，这种镓可以获得非常高的对流交换系数，以及由此非常高的热流量密度的耗散。除了它们高的热传导率以外，液体金属也具有它们是良好的电导体的优点，这可以使用图5和图7中所示的电磁或磁流体动力学泵31，其中磁场(磁感应B)和电流I的联合使用产生拉普拉斯(Laplace)力F，该力驱动液体金属运动。
本发明可以驱动扩散器内液体金属的循环，该扩散器由堆叠的至少两个板所制造，该板由与镓化学地相容的绝缘材料所制造，该可变形材料的条杆吸收镓固化期间镓的膨胀。驱动液体金属移动的电磁泵可以整合在两个板之间。该液体金属吸收热源下面的热，具有很低的温度升高以及在扩散器的整个保留面积上分布该热。散热器，其排散来自于液体金属的热，在扩散器的表面上被传递。
图6A和6B表示根据本发明装置的第一实施方式，包括两个电磁泵，每个包括产生磁场的第一和第二电磁回路，以及传输电流的电极。
图6A清楚地示意了下列：
-第一磁回路40，其包括由磁性材料41和永磁铁42所制造的至少一个条杆；
-第一聚合物框架43；
-由绝缘材料44所制造的第一板，半导体元件52位于其上；
-由可变形材料47所制造的条杆；
-三个电极45，其中一个电极布置在可变形材料上；
-具有支撑装置46’的聚合物密封46；
-由绝缘材料48所制造的第二板；
-第二聚合物框架49；
-第二磁回路50；
-散热器51；
液体金属循环通道绕着由可变形材料52所制造的条杆制成。
在一个有利的实施方式中，根据本发明的装置具有下列特征：
液体金属可以选自镓、铟、铋、锡，包含镓和/或铟和/或锡的合金，钠-钾合金。
本发明聚合物的作用是密封扩散器和提供具有金属强度的堆叠，框架作为根据本发明装置的封装。该聚合物可以是树脂。在图6A中所示不同构件的组装期间，聚合物框架43、46和49的聚合物是软的。当允许它干燥时，然后它固化。
由可变形材料所制造的条杆可以由膨胀的聚四氟乙烯(Teflon)、带有封闭小室的泡沫、带有开放小室和带有密封涂层的泡沫，或者由实心或空心的可变形塑料所制造。
有利地，由绝缘材料所制造的两个板可以由陶瓷、AIN、AI203、Si3N4或SiC所制造，它们所有都考虑了三个下面的约束条件：与镓的化学相容性、电绝缘和良好的热传导率。
制造电极的材料必须是导电材料和与镓相容，可以是涂覆有保护涂层的钼、钨、不锈钢或铜。
用于在通道中产生磁场的永磁铁可以由NdFeB所制造。
散热器可以是带鳍的散热器，连接有风扇，带有强制液体对流的冷却器或者不连接它们。
图7表示电磁泵的工作。它由第一磁回路40和第二磁回路50和电极45形成，液体金属循环通道绕着由可变形材料52所制造的条杆形成。箭头58表示通过电极的电流方向。箭头56和57给出了在两个磁回路40和50之间所形成的磁感应B的方向。箭头55表示根据上述参考图5的原理，所引起的液体金属位移的方向。
图8A和8B表示根据本发明装置的第二实施方式，其对应于包括四个电磁泵的动力模式。
图8A清楚地表示下列：
-两个第一磁回路60和61；
-聚合物框架62；
-第一陶瓷板63，其上放置电子回路64或几个电子元件65；
-由可变形材料68所制造的条杆；
-放置在可变形材料68上的电极66、66’、69、69’和电极67；
-具有支撑装置70’的聚合物密封70；
-第二陶瓷板71；
-两个第二磁回路72、73；
-带鳍的散热器74；
液体金属循环通道绕着由可变形材料68所制造的条杆制成。
图9A和9B表示根据本发明装置的第三实施方式，其对应于具有两个叠置液体金属循环通道的模式。
图9A清楚地表示下列：
-第一带鳍的散热器80；
-第一聚合物框架81；
-第一磁回路82；
-第一陶瓷板83，半导体元件84放置在其上；
-第一电极85；
-由可变形材料94所制造的三个第一杆；
-第一聚合物密封86，具有支撑装置87；
-第二陶瓷板88，
-第二聚合物密封90，具有支撑装置91；
-第二电极92；
-由可变形材料93所制造的三个第二杆；
-第三陶瓷板95；
-第二磁回路96；
-第二聚合物框架97；
-第二带鳍的散热器98；
第一液体金属循环通道绕着由可变形材料92所制造的第一条杆制成，第二液体金属循环通道绕着由可变形材料93所制造的第二条杆制成。
为了证实上述扩散器的优点，它的性能可以与具有相同体积的实心铜块的性能进行比较。在两种类型的扩散器中，施加到相对于电子元件的表面上的交换系数的值是相同的，h＝20000W.m-2.K-1。图10A因此表示根据本发明的液体金属扩散器30(看图4)，并且图10B表示由铜块所制成的扩散器。在后面的情况下，耗散源105是在扩散器106的中心，因为这种结构给了最低可能的热阻。图11表示这两种类型扩散器的热阻Rth根据液体金属流量的变化。实心铜扩散器的热阻是恒定的，并且等于值0.16K.W-1，另一方面液体金属扩散器的热阻对于1.5 1/分钟的流量是0.09K.W-1，其是45％的降低。
变化实施方式
本发明可以用在不同的领域，诸如微电子学、特别地用于微处理器的冷却，功率电子学、用于冷却半导体元件，光电子元件、用于冷却LEDs，或者用于太阳能，用于浓差光电池。
图12A和12B表示根据本发明装置的变化实施方式，使用垂直安装的几个半导体元件101(3D电源模块)/液体金属扩散器102/散热器103制造的堆叠，每个连接电磁泵100。
在图13中所示的另一个变化实施方式中，热管道110可以添加在液体金属扩散器111和散热器112之间，以使扩散器温度均匀和进一步增加其性能。在这种情况下，扩散器内液体金属的相变更好。而且，耗散源113，其是半导体元件，与热管道之间液体金属扩散器的引入减小了热管道所经历的热密度，由此使其远离其工作限制(特别地毛细限制和沸腾限制)。
在一个变化的实施方式中，扩散器在液体金属循环通道中具有鳍，以增加与液体金属的交换面积，例如，如图10A和12A中所示。
参考文献：
[1]Miner,A.&Ghoshal,U.,2004.使用液体金属冷却剂的高功率密度微装置的冷却，Applied Physics Letters,85(3),506。
[2]US 2009/0279257。

Claims (15)

1.具有通过液体金属扩散器冷却热耗散源的电子装置，该装置包括至少一个热耗散源(32)，其包括至少一个电子元件；至少一个扩散器(30)，至少一个液体金属循环通道通过它，形成在热耗散源(32)下面有路线的回路，至少一个散热器(33)和至少一个电磁泵(31)，后者在所述至少一个通道中移动液体金属(34)，这样液体金属吸收热耗散源所耗散的热，并且传递它由散热器排散，其特征在于：每个扩散器包括位于由可变形材料所制造的至少一个条杆的每侧上的由绝缘材料所制造的至少两个板，液体循环通道绕着该条杆制成。
2.根据权利要求1的装置，其中至少电子元件是半导体元件。
3.根据权利要求1的装置，其中液体金属选自镓、铟、铋、锡，或者包含镓和/或铟和/或锡的合金，或者钠-钾合金。
4.根据权利要求1的装置，其中由变形材料所制造的每个条杆是由膨胀的聚四氟乙烯、带有封闭小室的泡沫、带有开放小室和带有密封涂层的泡沫，或者由实心或空心的可变形塑料所制造。
5.根据权利要求1的装置，其中散热器是带鳍的散热器，其可以与风扇或强制对流液体冷却器一起使用，或者不与它们一起使用。
6.根据权利要求1的装置，其中每个电磁泵是磁流体动力学导电泵。
7.根据权利要求1的装置，其中由绝缘电材料所制造的板是由陶瓷、AIN、Al2O3、Si3N4或SiC所制造。
8.根据权利要求1的装置，其中每个电磁泵包括在由绝缘材料所制造的扩散器的两个板之间。
9.根据权利要求1的装置，其中扩散器在至少一个液体金属循环通道内部包括鳍，以增加与液体金属的交换面积。
10.根据权利要求2的装置，包括几个半导体元件(101)和液体金属扩散器(102)和散热器(103)元件制造的堆叠，半导体元件(101)和液体金属扩散器(102)和散热器(103)元件中每个连接电磁泵100。
11.根据前述权利要求中任一权利要求的装置，其中热管道(110)布置在液体金属扩散器(111)和散热器(112)之间。
12.根据权利要求1的装置，包括：
-第一磁回路(40)，其包括由磁性材料(41)和永磁铁(42)所制造的至少一个条杆；
-第一聚合物框架(43)；
-由绝缘材料(44)所制造的第一板，半导体元件(52)放置在其上；
-可变形材料(47)所制造的条杆；
-三个电极(45)，一个电极放置在由可变形材料所制造的条杆上；
-具有支撑装置(46’)的聚合物密封(46)；
-由绝缘材料(48)所制造的第二板；
-第二聚合物框架(49)；
-第二磁回路(50)；
-散热器(51)；
液体金属循环通道绕着由可变形材料所制造的条杆制成。
13.根据权利要求1的装置，包括：
-两个第一磁回路(60)和(61)，
-一个聚合物框架(62)；
-第一陶瓷板(63)，其上放置有几个半导体元件(65)；
-由可变形材料(68)所制造的条杆；
-电极(66、66’、69、69’)，其中一个电极(67)放置在可变形材料(68)上；
-具有支撑装置(70’)的聚合物密封(70)；
-第二陶瓷板(71)；
-两个第二磁回路(72和73)；
-带鳍的散热器(74)；
液体金属循环通道绕着由可变形材料所制造的条杆制成。
14.根据权利要求1的装置，包括：
-第一带鳍的散热器(80)，
-第一聚合物框架(81)，
-第一磁回路(82)，
-第一陶瓷板(83)，其上放置有半导体元件(84)；
-第一电极(85)；
-由可变形材料(94)所制造的三个第一杆；
-具有支撑装置(87)的第一聚合物密封(86)；
-第二陶瓷板(88)；
-具有支撑装置(91)的第二聚合物密封(90)；
-第二电极(92)；
-由可变形材料(93)所制造的三个第二杆；
-第三陶瓷板(95)；
-第二磁回路(96)；
-第二聚合物框架(97)；
-第二带鳍的散热器(98)；
第一液体金属循环通道绕着由可变形材料所制造的第一杆制成，第二液体金属循环通道绕着由可变形材料所制造的第二杆制成。
15.根据权利要求12、13或14中任一权利要求的装置，其中电极由涂覆有保护涂层的钼、钨、不锈钢或铜制造的。
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