CN105845649A - 高功率电子芯片阵列散热模组 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高功率电子芯片阵列散热模组，包括热沉空腔、封装热沉空腔底部的底板、封装热沉空腔顶部的盖板、热管阵列和散热风扇，所述热管阵列穿过盖板在封装热沉空腔中与底板固定连接，所述散热风扇设置在热管阵列上方，在底板、热沉空腔和盖板构成的密闭腔内填充将热管阵列下部的蒸发段埋设其中的相变材料；该热管阵列上部的冷凝段裸露在空气中。本发明显著改善了所述下部相变材料熔化相变吸热的热响应速度和可持续散热能力；热管外壁耦合有仿生肋片有效扩展了换热面积，强化了相变材料的熔化和凝固换热；轴向槽道式粉末多孔吸液芯较好地实现了毛细压力与渗透率的匹配，降低了热管内工质的回流阻力，从而强化了热管自身的传热性能。

Description

高功率电子芯片阵列散热模组
技术领域
本发明属于半导体器件冷却装置技术领域，特别是一种高功率电子芯片阵列散热模组。
背景技术
电子设备及元器件的小型化、集成化和智能化，使得单位体积电子芯片的封装密度和工作频率不断提高，从而导致电子芯片的功耗热流密度急剧增大，以肋化扩展表面配合强制对流换热为代表的传统散热技术已经无法满足电子芯片日益增长的散热需求。特别是，信息技术和微电子技术的成功应用往往需要将高功率电子芯片呈阵列状高密度封装，这就对高功率、大能量电子散热技术的研发提出了更大挑战。
现有电子散热(冷却)技术主要包括：直接浸入式冷却技术、热电冷却技术、主动式微槽道散热技术、射流冷却技术、热管散热技术、固-液相变冷却技术等。其中，热管散热技术依靠热管内部流体工质相变潜热-显热耦合输运实现热量高效传输，具有导热性好、环境适应性优良、等温性优异等诸多优点，进而得到了较为广泛的应用。然而，热管自身独特的工作原理和有限的工质充注量使其在大功率散热负荷运行时存在着一系列传热极限，导致热管散热技术的极限散热量受到限制，如专利CN101990389A公开了一种适用于CPU等大功率电子元件冷却的散热模组，其利用一根毛细热管将电子元件产热及时地输运至翅片扩展换热表面并通过散热风扇驱动的强制对流散释，但当散热负荷过大时，热管毛细芯所提供的毛细抽吸力无法驱动足量的冷凝液回流补充蒸发段工质，形成毛细极限，造成散热模组工作失效。专利CN101900313A公开了一种用于大功率LED灯的环形蒸汽腔热管散热模组，其原理是利用中央环形蒸汽腔热管将底部大功率LED灯封装阵列的产热高效传输至顶端环形散热翅片散释，但在过高散热负荷下工作时，蒸汽腔中心高速上行的蒸汽会对内壁面回流冷凝液形成强烈的反向剪切携带作用，导致回流冷凝液的量不能满足蒸发段的补液需求，形成携带极限，造成蒸发段烧干失效。除热管散热技术外，固-液相变冷却技术因具有冷却量大、蓄放热过程等温性好、过程易控制等优点而备受关注。然而相变材料导热系数普遍偏低且热响应速度慢，近年来虽得到了一定程度的优化和改进，但其可持续冷却能力仍受到相变材料封装量的限制，其工作启动阶段的热响应速度也有待进一步提升，如专利CN104235800A公开了一种间歇性大功率LED相变温控装置，其利用固液相变材料融化时吸收的相变潜热来实现大功率LED芯片点阵的冷却，并且其通过设置金属点阵骨架来强化相变材料的导热，但由于相变材料封装量有限，其融化吸热冷却时间也受到限制，使其仅适用于间歇性工作的大功率LED芯片点阵。专利CN104235801A公开了一种自带热管的大功率LED相变温控装置，其通过埋入高导热率热管配合变厚度翅片扩展换热面积的方式来提高相变材料的有效导热系数和热响应速率，但由于热管和变厚度翅片全部埋入相变材料之中，其工作启动阶段仅仅依靠热管与变厚度翅片导热耦合相变材料融化吸热来实现，热响应速度有限，仍难以满足高功率电子芯片工作启动阶段的快速散热需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种通过导热、对流、相变耦合实现了热响应性快、散热极限高、温控能力强的高功率电子芯片阵列散热模组。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种高功率电子芯片阵列散热模组，包括热沉空腔、封装热沉空腔底部的底板、封装热沉空腔顶部的盖板、热管阵列和散热风扇，所述热管阵列穿过盖板在封装热沉空腔中与底板固定连接，所述散热风扇设置在热管阵列上方，在底板、热沉空腔和盖板构成的密闭腔内填充将热管阵列下部的蒸发段埋设其中的相变材料；该热管阵列上部的冷凝段裸露在空气中。
本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)有效克服了相变材料导热系数低、热响应速度慢的缺陷，下部蒸发段埋设于相变材料中的热管阵列可依靠自身的高导热率将底部电子芯片阵列的产热快速导出并通过上部冷凝段的空气强制对流将热量散释，显著改善了所述下部相变材料熔化相变吸热的热响应速度和可持续散热能力。(2)热管外壁耦合有仿生肋片有效扩展了换热面积，优化分配了热管阵列与相变材料间的导热热流，强化了相变材料的熔化和凝固换热。(3)下部相变材料的熔化相变吸热量大、温度可控性好，有效提升了热管阵列的散热极限和控温能力，而且相变材料中高导热率纳米颗粒加入使相变潜热存储与释放的响应速度更快、过程更均匀，更有利于相变温控。(4)热管内壁设置的轴向槽道式粉末多孔吸液芯较好地实现了毛细压力与渗透率的匹配，降低了热管内工质的回流阻力，从而强化了热管自身的传热性能。(5)本发明结构简约紧凑、安装维护方便，易于组合扩展。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为本发明高功率电子芯片阵列散热模组的外形图。
图2为本发明高功率电子芯片阵列散热模组的装配图。
图3为本发明高功率电子芯片阵列散热模组的俯视示意图。
图4为本发明高功率电子芯片阵列散热模组的正视示意图。
图5为图2中热管结构示意图。
图6为图5的A-A剖面图。
图7为轴向槽道式粉末多孔吸液芯阳模示意图。
图8为轴向槽道式粉末多孔吸液芯的制作流程图。
具体实施方式
结合图1和图2，本发明高功率电子芯片阵列散热模组实现了导热、对流、相变的耦合，包括热沉空腔6、封装热沉空腔6底部的底板10、封装热沉空腔6顶部的密封盖板3、热管阵列5和散热风扇2，所述热管阵列5穿过密封盖板3在封装热沉空腔6中与底板10固定连接，所述散热风扇2设置在热管阵列5上方，在底板10、热沉空腔6和密封盖板3构成的密闭腔内填充将热管阵列5下部的蒸发段埋设其中的相变材料9；该热管阵列5上部的冷凝段裸露在空气中。
本发明的热沉空腔6采用高导热率金属铸造或机加工而成，其四周外部壁面加工有多组散热肋片4用以增加散热面积，四角各加工有安装散热风扇2的圆柱形支撑柱7：当散热模组应用于封装在底板10背面的电子芯片阵列12散热时，支撑柱7开设螺纹盲孔，供紧固螺栓1将散热风扇2旋紧固定于热管阵列5上方；当散热模组应用于焊接在独立主板上的电子芯片阵列12散热时，支撑柱7上开设通孔，供紧固螺栓1穿过散热风扇2和支撑柱7与主板上相应的固定螺孔旋紧，将底板10紧固在电子芯片阵列12上。底板10与热沉空腔6采用焊接或胶接连接，底板10上加工有安装热管阵列5的凹槽11，该凹槽11背面对应加工有与电子芯片阵列12相对应的平整导热接触面。所述热管阵列5一端通过焊接、胀接或螺栓连接等方式垂直安装在凹槽11内，并保证和凹槽11热接触良好，导热接触面利用导热硅脂与电子芯片阵列12实现良好热接触。所述热沉空腔6中填充有相变材料9，其填充量取决于所使用相变材料的热膨胀率、相变潜热及所需散热负荷，但不超过所述热沉空腔6总体积的95％，以考虑相变材料熔化后的体积膨胀。所述热沉空腔6上部设置密封盖板3，其上部机加工有供热管阵列5相匹配的贯通槽8，相变材料9填充完毕后，将密封盖板3穿过热管阵列5将相变材料9封装在热沉空腔6中，密封盖板3与热沉空腔6上缘之间以及贯通槽8与热管阵列5之间都采用胶结或焊接的方式密封。
结合图3和图4，本发明热管阵列5下部作为蒸发段埋设于相变材料9内，埋设长度占热管阵列总高度的1/3至2/3，具体可根据所需散热负荷和工作间歇时间灵活调整。热管阵列5的上部作为冷凝段位于蒸发段之上，裸露在空气中。所述热管阵列5中每根热管13的充液率为30％～60％，充注工质可根据管壁金属相容性及所需散热负荷进行选择，如水、氨、乙醇、甲醇、R123或丙酮等。这样，热管13蒸发段内工质在外部热源(电子芯片阵列12工作所产生的热量)作用下相变蒸发产生蒸汽并上升至热管冷凝段，在散热风扇2驱动的强制对流的冷却作用下，冷凝段工质冷却并凝结为液体，凝结液在重力和毛细抽吸力作用下回流至蒸发段而完成一个循环。当电子芯片阵列12工作时，通过热管13内工质不断的蒸发、凝结，把电子芯片阵列12产生的热量连续快速地导出，并通过冷凝段的空气强制对流将大部分热量散释，同时相变材料9也吸收部分导出的热量产生相变熔化。该散热过程有效结合了热管自身高效导热、下部蒸发段相变材料相变潜热换热和上部冷凝段空气强制对流换热的优点：下部蒸发段相变材料9的熔化相变吸热量大、温度可控性好，有效提升了热管散热模组的散热极限和控温能力；同时，上部冷凝段的空气强制对流始终可以将所述热管阵列5导出的大部分热量迅速散释，显著改善了下部蒸发段相变材料9的熔化相变吸热的热响应速度并可保证当相变材料9完全熔化时整个散热模组仍具有相当的散热能力，从而提高了可持续散热能力。当电子芯片阵列12停止工作时，散热风扇2将继续工作一段时间，将相变材料9所蓄积的热量通过热管阵列冷凝段与热沉空腔外壁面散热肋片4上的空气强制对流散释掉，这将有助于相变材料9的快速固化，从而使其冷却能力迅速恢复。
结合图5，本发明的热管13本体通过铸造或机加工而成，其材料可以根据工作条件与工作介质相容性等选择不同的高导热率金属或合金，如碳素钢、低合金钢、不锈钢、铜(合金)、铝(合金)或镍(合金)等。热管13周向上通过焊接或机加工的方式均匀设置仿生肋片14，肋片材料与所述热管本体保持一致，肋片个数以4～8个为宜。
所述仿生肋片14至少包含2级级树杈肋片且每级树杈肋片又包含2个以上的肋片，第1级树杈肋片的根部与热管13外壁连接。所述仿生肋片14的相邻两级树杈肋片厚度比为n1/α、长度比为n1/β，其中，n为每级树杈肋片的个数，α为厚度因子且2≤α<3，β为长度因子且1<β≤2。仿生肋片14通过各级所述树杈肋片产生越来越多的分支，这大幅度增加了热管阵列5与相变材料9间的换热面积，并优化分配了热管阵列5与相变材料9间的导热热流。同时，热管阵列5具有很高的导热系数，使其与仿生肋片14一起成为相变材料熔化和凝固的导热骨架来强化相变材料9的相变换热。
结合图6、图7和图8，热管13内壁面四周烧结有轴向槽道式粉末多孔吸液芯15，通过以下具体烧结过程制作了轴向槽道式粉末多孔吸液芯15：根据所述槽道式粉末多孔吸液芯15的设计尺寸，采用微细线切割工艺加工与热管13内径轮廓尺寸相匹配的阳模19(如图7所示)，考虑到碳层能够在脱模过程中起到良好的润滑减阻作用，采用石墨作为阳模19的制备材料。将阳模19放入预先加工好的热管管壳20中心空腔中，而后将金属粉末21松散或经振实填入阳模19和热管管壳20之间所包围的空间内，直到金属粉末21充分填满形成粉末烧结层，从而获得烧结预制体(如图8所示)，所述金属粉末21粒径为20～100μm，材料可以根据工作条件与所述热管阵列内工作介质的相容性等选择不同的材料，如铜、镍、钛或不锈钢等。将所述烧结预制体放入具有保护气氛的烧结炉中烧结成形，烧结控温过程为：以350～400℃每小时的速度升温至400～450℃后保温30～35分钟，然后再以350～400℃每小时的速度升温至950～1000℃后保温烧结45～90分钟；随炉冷却后，将阳模19拔出，即可得到槽道式粉末多孔吸液芯15。最终，将热管管壳20端部焊接密封并抽真空后充注工质，即得到热管13。通过上述方法烧结槽道式粉末多孔吸液芯15，成本低廉，操作方便，能够较好地实现粉末颗粒之间孔隙的均匀分布。
上述槽道式粉末多孔吸液芯15的长度与热管13内腔体高度一致且具有16～48个轴向贯通毛细吸液槽16，该毛细吸液槽16由毛细吸液缝17和回流槽18组成，该回流槽18内嵌在热管内壁面的粉末烧结层内并通过毛细吸液缝17与轴向槽道式粉末多孔吸液芯15所包围的腔体相连通。毛细吸液缝17的宽度为200～400μm，深度为100～300μm，回流槽18横截面形状可以为矩形(图6的A)、“Ω”形(图6的B)、燕尾型(图6的C)和三角形(图6的D)，其水力直径为500～800μm。吸液芯15所包围的腔体截面当量直径为2.0～5.0mm。轴向槽道式粉末多孔吸液芯15既可利用所述毛细吸液缝17微小开口处的高曲率弯液面提供高毛细抽吸压力，又可利用所述大尺寸回流槽18提升吸液芯的渗透率、减小工质回流阻力，还可以大大降低液体回流受到蒸汽反向流动的剪切阻碍作用，同时，烧结粉末多孔结构进一步提高了毛细抽吸压力。这样，热管13的毛细极限与携带极限得到显著提高，传热性能得到明显强化。
本发明的相变材料9以石蜡、柠檬酸钠、磷酸钠或硝酸盐等熔点低于电子芯片阵列12安全工作温度的物质作为基础材料，并通过物理分散和化学分散相结合的方法混入纳米铜粉、纳米铝粉、纳米碳包铜或纳米氧化铝等高导热率纳米颗粒，具体方法是：将基础材料熔化为液态，称取一定量的纳米颗粒粉体和化学分散剂一起加入到液态相变材料中，并对其进行物理超声振荡分散约2小时，获得均匀且分散性较好的纳米复合相变材料原液，然后对原液进行稳定降温冷却，直至相变材料完全固化，整个降温固化过程的时间控制在25～30分钟。其中，所述纳米颗粒粒径范围为30～50nm，质量分数为1wt％～5wt％；化学分散剂可根据基础材料和纳米颗粒的物理化学特性来选取，如CTAB、SDBS、Span-80、GA和Hitenol BC-10等，其质量分数为0.20wt％～0.32wt％。高导热率纳米颗粒有助于提高所述相变基础材料的有效导热系数，并进一步提升相变潜热存储与释放的热响应速度，使相变材料9的熔化与凝固恢复过程更加均匀快速，更有利于相变温控。

Claims (10)

1.一种高功率电子芯片阵列散热模组，其特征在于包括热沉空腔(6)、封装热沉空腔(6)底部的底板(10)、封装热沉空腔(6)顶部的盖板(3)、热管阵列(5)和散热风扇(2)，所述热管阵列(5)穿过盖板(3)在封装热沉空腔(6)中与底板(10)固定连接，所述散热风扇(2)设置在热管阵列(5)上方，在底板(10)、热沉空腔(6)和盖板(3)构成的密闭腔内填充将热管阵列(5)下部的蒸发段埋设其中的相变材料(9)；该热管阵列(5)上部的冷凝段裸露在空气中。
2.根据权利要求1所述的高功率电子芯片阵列散热模组，其特征在于所述热管阵列(5)中每根热管(13)沿周向均匀设置仿生肋片(14)，所述仿生肋片(14)至少包含2级树杈肋片，每级树杈肋片又包含2个以上的肋片，第1级树杈肋片的根部与该热管(13)的外壁连接；所述仿生肋片(14)的相邻两级树杈肋片厚度比为n1/α、长度比为n1/β，其中n为每级树杈肋片的个数，α为厚度因子且2≤α<3，β为长度因子且1<β≤2。
3.根据权利要求1所述的高功率电子芯片阵列散热模组，其特征在于所述热沉空腔(6)外部壁面设置加强散热的肋片(4)；所述底板(10)上开设安装热管阵列(5)的凹槽(11)。
4.根据权利要求1所述的高功率电子芯片阵列散热模组，其特征在于所述热管阵列(5)下部埋设于相变材料的长度占所述热管阵列总高度的1/3至2/3。
5.根据权利要求1所述的高功率电子芯片阵列散热模组，其特征在于以熔点低于高功率电子芯片阵列安全工作温度的物质作为基础材料，并通过物理分散和化学分散相结合的方法混入高导热率纳米颗粒得到相变材料(9)。
6.根据权利要求5所述的高功率电子芯片阵列散热模组，其特征在于所述高导热率纳米颗粒的粒径范围为30～50nm，质量分数为1％～5％。
7.根据权利要求1所述的高功率电子芯片阵列散热模组，其特征在于所述热管阵列(5)中每根热管(13)内壁面上烧结有轴向槽道式粉末多孔吸液芯(15)。
8.根据权利要求7所述的高功率电子芯片阵列散热模组，其特征在于所述槽道式粉末多孔吸液芯(15)的长度与热管(13)内腔体高度一致，并在槽道式粉末多孔吸液芯(15)中间设置具有16～48个轴向贯通毛细吸液槽(16)，该毛细吸液槽(16)由毛细吸液缝(17)和回流槽(18)组成，所述回流槽(18)内嵌在粉末烧结层内并通过毛细吸液缝(17)与槽道式粉末多孔吸液芯(15)所包围的腔体相连通。
9.根据权利要求8所述的高功率电子芯片阵列散热模组，其特征在于所述毛细吸液缝(17)的宽度为200～400μm，深度为100～300μm。
10.根据权利要求8所述的高功率电子芯片阵列散热模组，其特征在于所述回流槽(18)横截面形状为矩形、“Ω”形、燕尾型或三角形，其水力直径为500～800μm。
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