CN105188260B - 印制电路板内嵌流道液冷换热装置 - Google Patents

印制电路板内嵌流道液冷换热装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种印制电路板内嵌流道液冷换热装置，包括顶部PCB层、中部PCB层和底部PCB层，中部PCB层布设有流道，该流道通过顶部PCB层和底部PCB层封闭后形成内嵌流道。流道进口和流道出口同时设于顶部PCB层或底部PCB层，或者分别位于顶部PCB层和底部PCB层上。在安装发热器件的顶部PCB层或底部PCB层上设有若干金属导通孔，该金属导通孔位于发热器件安装位置正下方，金属导通孔内填充有导电材料，该导电材料同时是热的良导体。本发明有效解决了印制电路板中大功率器件的散热问题，且体积更小、集成度和可靠性更高。

Description

印制电路板内嵌流道液冷换热装置
技术领域
本发明涉及基于印制电路板（Printed Circuit Board，简称PCB）的电子电路热管理技术领域，尤其涉及一种内嵌于印制电路板的流道液冷换热装置。
背景技术
依靠成熟先进的集成电路工艺，大功率电子元器件集成度越来越高，尺寸越来越小。然而，器件集成度的提高使得内部产生的热量无法及时散走，从而导致芯片局部温度飙升，器件工作性能和使用寿命急剧下降。例如目前大多数GaAs、GaN单片集成功率放大器若在连续波工作状态下发热，其热流密度将达数百瓦每平方厘米，采用直接热传导方式换热的共晶焊烧结技术已经不能满足要求，较高的器件工作温度将使得器件的功率附加效率下降甚至出现失效。如何实现一种更高效的换热技术将如此巨大的热量从器件内部散走已成为大功率元器件急需突破的重大难题。
随着微加工技术和传统机加工技术的飞速发展，近年来具有高换热系数的微流道液冷散热技术得到国内外研究者的重视，该技术有望解决高热流密度器件的散热问题。目前，国内外已有较多涉及微流道散热技术的专利，例如：中国科学院工程热物理研究所姜玉燕等人采用形状记忆合金材料代替目前铜或铝材料公开了一种尺寸可随温度变化的微流道冷却装置，该装置提高了冷却液的换热效率（公开号为“CN103826422A”、“CN103824825A”）；中国电子科技集团公司第十一研究所刘刚等人提出一种内部设有纤毛肋的微流道装置，可进行强化传热（公开号为“CN103985681A”）；中国电子科技集团公司第二十九研究所王延等人提出一种硅基微流道散热器集成冷却装置，该装置可根据发热芯片位置和数量灵活布置以及扩展散热器（公开号为“CN104201158A”）；中国电子科技集团公司第十研究所阎德劲等人提出一种多层低温共烧陶瓷（LTCC）基板集成液冷微流道的制备方法（公开号为“CN103456646A”），该技术优势是制备出的微流道不易变形、分层与塌陷；公开号为“US2013/0105135A1”的专利文献公开了一种互补金属氧化物半导体（CMOS）集成的微流道热沉装置及其制备方法，该微流道以金属、聚合物作为结构材料，采用微加工工艺制作而成，具有高深宽比，低热阻、结构紧凑等特点。
从以上现有微流道散热技术可以看出，技术研究重点逐渐从分立式的微流道液冷散热器技术转移到内嵌电路板或芯片的集成微流道技术，从而解决分立式微流道液冷散热器具有的可靠性差、热阻大、冷却效率低、难以与发热芯片或电路板安装等缺点。现有的内嵌集成微流道技术主要集中在硅基集成电路与LTCC电路，然而在工艺成熟可靠、成本低廉且广泛应用于军民产品的印制电路板中实现内嵌集成微流道的技术报道几乎为空白。印制电路板中的电子元器件仍然通过金属接触并配合散热片、风扇等散热装置的方式实现换热，存在着散热效率低、装置体积大等问题，这严重制约了大功率器件如CPU、GPU、功率放大器等在印制电路板技术的应用与发展。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种印制电路板内嵌流道液冷换热装置，本发明有效解决了印制电路板中大功率器件的散热问题，且体积更小、集成度和可靠性更高。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
印制电路板内嵌流道液冷换热装置，包括上下叠放键合在一起的顶部PCB层、中部PCB层和底部PCB层，中部PCB层布设有流道，该流道贯通中部PCB层上下表面，该流道上下表面通过顶部PCB层和底部PCB层封闭后形成内嵌流道；还包括将内嵌流道两端连通以引入和导出冷却液的流道进口和流道出口，所述流道进口和流道出口同时设于顶部PCB层或底部PCB层，或者分别位于顶部PCB层和底部PCB层上；在安装发热器件的顶部PCB层或底部PCB层上设有若干金属导通孔，该金属导通孔位于发热器件安装位置正下方，金属导通孔内填充有导电材料，通过该导电材料实现发热器件和印制电路板电连接，该导电材料同时是热的良导体，发热器件利用金属导通孔内填充的导电材料将热量传递给内嵌流道内的冷却液，以实现换热。
所述顶部PCB层、中部PCB层或底部PCB层仅由一层PCB单元层构成，或者由多层PCB单元层构成。
所述PCB单元层包括金属图形层和PCB介质层。
所述内嵌流道整体呈直线型、“S”型或树叉型。
由于安装在PCB板上的发热器件、元件、芯片往往体积很小，如何在有限的表面把其产生的热量快速导出，这是现有技术的一个瓶颈。本结构在现有导通孔的基础上，借助印制电路板本身增设内嵌流道，可以快速通过金属导通孔和内嵌流道将热量导出。
相比现有技术，本发明具有如下有益效果：
1、本发明采用散热能力较强的内嵌流道液冷技术，与现有仅通过印制电路板金属导通孔进行热传导的散热技术相比具有更高的换热系数，更有利于降低印制电路板上表贴式大功率器件工作温度，从而进一步提高电路性能和可靠性。
2、与外接式或分立式微流道液冷换热装置相比，本发明所述装置还具有散热针对性更强、体积更小、集成度和可靠性更高等优势。
附图说明
图1是本发明印制电路板内嵌流道液冷换热装置结构示意图。
图2是图1印制电路板内嵌流道液冷换热装置的结构分解示意图。
图3是图1的俯视图。
图4是PCB单元层的结构剖面示意图。
图5是本发明实施例应用的结构示意图。
图6是图5中AA向的剖视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
请参阅图1-图4所示，本发明的印制电路板内嵌流道液冷换热装置包括换热装置本体1、流道进出口2、内嵌流道3和金属导通孔4。
所述换热装置本体1分为顶部PCB层5、中部PCB层6和底部PCB层7三个层次；所述中部PCB层6是内嵌流道图形结构8所在层，即内嵌流道3设于中部PCB层6上并上下贯通，顶部PCB层5和底部PCB层7盖在中部PCB层6上下两面，顶部PCB层5相当于内嵌流道3的上盖板，底部PCB层7相当于内嵌流道3的下盖板，通过上、下盖板以封闭中部PCB层6，由此形成封闭的内嵌流道3，流道进出口2位于内嵌流道3两端作为内嵌流道3的进口和出口。所述流道进出口2既可以同时位于顶部PCB层5或底部PCB层7，又可以分别位于顶部PCB层5和底部PCB层7。从整体上讲，内嵌流道3分布于换热装置本体1内，通过流道进出口2引入和导出冷却液。所述金属导通孔4位于安装发热器件的顶部PCB层5和/或底部PCB层7上，且该金属导通孔位于发热器件安装位置正下方。金属导通孔内填充有导电材料，通过该导电材料实现发热器件和印制电路板电连接，该导电材料同时是热的良导体，发热器件利用金属导通孔内填充的导电材料将热量传递给内嵌流道内的冷却液，以实现换热。
本发明中，所述顶部PCB层5、中部PCB层6、底部PCB层7各自可以仅为单层PCB单元层10构成，也可以由多层PCB单元层10通过热压工艺键合而成。请参阅图4，所述PCB单元层10由金属图形层11和PCB介质层12构成，根据需要还可以在PCB单元层10上设置金属导通孔4并在金属导通孔4内填充导电材料以用于电连接，金属图形层可位于PCB介质层的单面或双面，金属材料可以为铜、铝等，介质材料可以为FR-4、Ro3200、Ro4003、Ro4350等。所述顶部PCB层5、中部PCB层6、底部PCB层7可以各自通过位于其他位置的金属导通孔技术实现多层电学互连布线。所述顶部PCB层5、中部PCB层6、底部PCB层7键合在一起后形成的换热装置本体1也可以通过金属导通孔实现多层金属互连布线。
本发明中，所述内嵌流道的横截面为四边形。优选地，所述四边形为长方形，所述长方形的高度由上述中部PCB层厚度决定，所述长方形的宽度由PCB加工工艺限制和设计需求决定。所述内嵌流道可设计成直线型、“S”型、树叉型等等。
优选地，所述内嵌流道集中分布于发热器件下方，以提高换热效率。
本发明中，同时可实现器件电学连接；与常规PCB电路设计类似，所述发热器件可以通过金属互连线和金属导通孔实现传输电学信号的电学互连布线。
下面结合实施例进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
如图5和图6所示，本实施例中的换热装置本体1是由顶部PCB层5、中部PCB层6、底部PCB层7以及两层之间的粘接材料层13键合而成。本实施例中的顶部、中部、底部PCB层均仅有一层PCB单元层10：顶部PCB层5的介质层12的上下表面均带有金属图形层11，中部PCB层6和底部PCB层7的介质层12仅下表面带有金属图形层11。所述金属图形层11可以为微带线、共面波导、控制引线、电源引线，接地图形、导热图形等，利用金属导通孔4实现多层互连布线。
发热器件9上的接地焊盘14与位于其正下方的金属导通孔4通过回流焊工艺或其他焊接工艺形成良好接触，内嵌流道3则集中分布于所述发热器件9的正下方。从金属导通孔4传导来的热量通过内嵌流道3内流动的冷却工质带走。流道进出口2均位于顶部PCB层5，通过管道接口引入和导走冷却工质。底部PCB层7下表面大面积为接地金属图形，通过回流焊工艺或者导电银浆工艺与壳体形成良好的电学和热学接触。
典型换热装置本体1的厚度为1.8毫米，其中顶部PCB层5、中部PCB层6、底部PCB层7的厚度分别为0.25、1、0.25毫米，其他材料层如金属、粘接材料、绿油等的厚度为0.3毫米。
典型内嵌流道宽度为1毫米，边间距为0.8毫米。
典型金属导通孔孔径为0.35毫米，填充材料为铜和树脂。
本发明的上述实施例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (3)

1.印制电路板内嵌流道液冷换热装置，其特征在于：包括上下叠放键合在一起的顶部PCB层、中部PCB层和底部PCB层，中部PCB层布设有流道，该流道贯通中部PCB层上下表面，该流道上下表面通过顶部PCB层和底部PCB层封闭后形成内嵌流道；还包括将内嵌流道两端连通以引入和导出冷却液的流道进口和流道出口，所述流道进口和流道出口同时设于顶部PCB层或底部PCB层，或者分别位于顶部PCB层和底部PCB层上；在安装发热器件的顶部PCB层或底部PCB层上设有若干金属导通孔，金属导通孔与内嵌流道相通，该金属导通孔位于发热器件安装位置正下方，金属导通孔内填充有导电材料，通过该导电材料实现发热器件和印制电路板电连接，该导电材料同时是热的良导体，发热器件利用金属导通孔内填充的导电材料将热量传递给内嵌流道内的冷却液，以实现换热；
所述内嵌流道整体呈“S”型或树叉型；
金属导通孔孔径为0.35毫米，金属导通孔内填充材料为铜和树脂。
2.根据权利要求1所述的印制电路板内嵌流道液冷换热装置，其特征在于：所述顶部PCB层、中部PCB层或底部PCB层仅由一层PCB单元层构成，或者由多层PCB单元层构成。
3.根据权利要求2所述的印制电路板内嵌流道液冷换热装置，其特征在于：所述PCB单元层包括金属图形层和PCB介质层。
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