CN106409790A - 一种强效的芯片散热器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于散热器领域，尤其涉及一种强效的芯片散热器，包括散热器主体、与散热器主体连接的水泵和水箱；所述散热器主体包括：紧贴于发热芯片上的蒸发层、蒸发层上设有制冷层、制冷层上包覆的微通道散热层，蒸发层与微通道散热层固定；所述蒸发层内设置有平行交替排列并共用侧壁的蒸发腔和水通道；所述制冷层内设置有PN结，PN结连接外部电源进行半导体制冷；微通道散热层内设置有平行结构的微通道；所述蒸发腔内装有冷却液；所述水通道和微通道与外部水箱连接形成水循环通路。本发明蒸发层隔离半导体制冷层和芯片，安全性高；通过液体冷却、半导体制冷进行散热，散热效率高，适用范围广。

Description

一种强效的芯片散热器
技术领域
本发明属于散热器领域，尤其涉及一种强效的芯片散热器。
背景技术
自半导体器件问世以来，芯片的集成度越来越高，单位面积上集成的电子元器件越多，芯片级的热流密度已经高达300W/cm2，而半导体集成电路芯片的结温应低于100℃，如此高的热流密度如果没有强效的散热方法，必将严重影响芯片的和电子元器件的可靠性。因此芯片的散热显得格外重要。
散热或冷却的方法主要有空气冷却(分为自然冷却和强制冷却)、液体冷却、蒸发冷却、半导体制冷、热管传热等。其中应用最广泛的是风冷，其次是液冷,最强效的冷却方法是半导体制冷，但是半导体制冷有一个最大的问题就是易结霜。传统芯片散热器一般采用单个冷却方式进行散热，散热效率较低。
发明内容
本发明的目的在于：针对目前芯片散热器散热方式单一、散热效率低的情况，提供一种强效的芯片散热器。
本发明采用的技术方案如下：
一种强效的芯片散热器，包括散热器主体、与散热器主体连接的水泵和水箱；散热器主体包括：紧贴于发热芯片上的蒸发层、蒸发层上设有制冷层、制冷层上包覆的微通道散热层；所述蒸发层内设置有平行交替排列并共用侧壁的蒸发腔和水通道，水通道两端分别为蒸发层出水口和蒸发层进水口；所述制冷层内设置有PN结，PN结连接外部电源进行半导体制冷；微通道散热层内设置有平行结构的微通道，微通道两端分别为微通道散热层进水口和微通道散热层出水口；所述蒸发腔内装有工作液；所述水通道和微通道与外部水箱连接形成水循环通路。
热源在蒸发层底部，蒸发层的主要作用是把热源表面的热量转移到蒸发层的上表面；制冷层的作用是冷却蒸发层的上表面，使蒸发腔内水蒸气冷凝，保证蒸发层正常工作；微通道散热层的作用是冷却制冷层的热端，保证冷却层正常工作；蒸发层与微通道散热层分别通过水通道和微通道与外部水箱连接形成水循环通路进行水冷却，制冷层内设置有PN结，PN结连接外部电源进行半导体制冷。同时芯片温度提高使蒸发腔内的液体汽化，蒸发的气体遇到温度低的顶面时冷凝，冷凝的液体通过蒸发腔内毛细结构回流底面；同时，蒸发的气体遇到侧壁时也要冷凝。本发明整体的热通路为热源-蒸发层-制冷层-微通道散热层-微通道中的水带走热量。
进一步的，水通道侧壁设置有凸起的肋片，用于增大对流传热面积。
进一步的，所述蒸发腔内壁设有烧结铜粉，使蒸发腔内液体蒸汽冷凝效果提高。
进一步的，蒸发层外沿设有下底面为斜面的支托环，微通道散热层内对应支托环的位置设置有贯通的密封槽，下底面为斜面的支托环可以避免对蒸发层与芯片的贴合时产生不必要的干扰。
进一步的，密封槽内由下到上设置有密封圈、金属压板、螺钉，密封圈设有用于引出制冷层导线的孔，密封圈用于隔绝半导体PN结制冷底面冷端与空气的接触，防止，当冷端温度过低，使其周围的水蒸气液化，行成小水珠。密封圈与密封槽之间间隙配合，以使螺钉向下施压力时，密封圈可以更顺利地被压下，同时密封圈上下被压扁，左右膨胀到密封槽壁，三个方向都可以保证密封。
进一步的，所述微通道与水通道连通，使水从微通道散热层进水口流入，流经微通道散热层中微通道，从微通道散热层出水口流出，流经水管，从蒸发层进水口流入，流经蒸发层中的水通道，从蒸发层出水口流出，最后进入外部的水箱，减少了与水箱的连接口数量，简化了散热器主体结构。
进一步的，微通道散热层和支托环外沿分别设有对应的固定肋板，固定肋板通过螺栓紧固，使散热器主体的三个工作层固定。
进一步的，制冷层连接有制冷层温度调节器，用于监控PN结工作温度，监控其结霜状态。
进一步的，蒸发层与芯片接触面和与制冷层接触面均涂导热硅脂，提高其导热效率，提高散热器整体工作效果。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1.通过蒸发层隔离半导体制冷层和芯片，防止半导体制冷是冷端温度过低，使其周围的水蒸气液化，行成小水珠，导致芯片和周围电路损害。
2.利用蒸发的原理，蒸发腔构成热管传热，具有比金属高几十倍甚至上百倍的导热率，导热和冷却效率高。
3.蒸发层设有水通道，可以在制冷层因故障停止工作时，依然可以对芯片进行冷却。同时保证蒸发腔依然正常工作。
附图说明
图1为本发明的原理示意图；
图2为本发明的主剖视图；
图3为本发明的整体外观图；
图4为本发明中蒸发腔的内部结构图；
图5为本发明中密封圈处的局部视图；
图6为本发明的应用例1的示意图；
图7为本发明的应用例2的示意图；
图8为本发明的应用例3的外观图。
其中，图中，Ⅰ.蒸发层，Ⅱ.制冷层，Ⅲ.微通道散热层，1.金属压板，2.螺钉，3.微通道，4.微通道散热层进水口，5.PN结，6.固定肋板，7.支托环，8.烧结铜粉，9.蒸发腔，10.水通道，11.密封圈，12.蒸发层出水口，13.螺栓，14.蒸发层进水口，15.水管，16.微通道散热层出水口，17.螺钉。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
下面结合附图对本发明作详细说明。
结合图1，本发明的技术思想是综合利用三种强效的散热原理(液体对流散热、蒸发散热、半导体制冷)，设计出一体化的散热器。本发明的技术结构是：从顶层到底层依次为微通道散热层Ⅲ、制冷层Ⅱ、蒸发层Ⅰ；制冷层Ⅱ镶嵌在微通道散热层Ⅲ中，可以拆卸；微通道散热层Ⅲ与蒸发层Ⅰ通过螺栓连接紧固，制冷层(Ⅱ)加在中间；热源在蒸发层Ⅰ底部，蒸发层Ⅰ的主要作用是把热源表面的热量转移到蒸发层的上表面；制冷层Ⅱ的作用是冷却蒸发层Ⅰ的上表面，使水蒸气冷凝，保证蒸发层正常工作；微通道散热层Ⅲ的作用是冷却制冷层Ⅱ的热端，保证冷却层正常工作。本发明整体的热通路为热源-蒸发层Ⅰ-制冷层Ⅱ-微通道散热层Ⅲ-微通道中的水带走热量。
结合图2和图3，本发明的散热器中的水从微通道散热层进水口4流入，流经微通道散热层Ⅲ中微通道，从微通道散热层出水口16流出，流经水管15，从蒸发层进水口14流入，流经蒸发层中的水通道10，从蒸发层出水口12流出，最后进入外部的水箱。
结合图4，蒸发层Ⅰ内部部有平行的蒸发腔9和水通道10，它们交替排列。蒸发层Ⅰ底面与芯片紧贴，蒸发层的顶面与制冷层Ⅱ紧贴，界面都要涂导热硅脂，蒸发腔9的侧壁与水通道10侧壁是共用的。芯片的热量传导至蒸发层Ⅰ底面，使蒸发腔内的液体汽化，蒸发的气体遇到温度低的顶面时冷凝，冷凝的液体通过蒸发腔9内毛细结构流回底面。同时，蒸发的气体遇到侧壁时也要冷凝，因此即使制冷层出现故障停止工作，散热器依然会正常工作，只是效果变差。
所述蒸发腔9的截面尺寸为5mm×5mm；所述水通道10的截面尺寸为7mm×5mm，其内壁有凸起的肋片，用于增大对流传热面积，每侧肋片的数量为4个，截面尺寸为3mm×1mm，间隙为1mm。水通道10有两个作用，一是直接参与冷却热源器件，二是使相邻蒸发腔中的水蒸气冷凝。特别地，本专利保护的是蒸发腔和水通道的形状和布局，尺寸并不限于上述尺寸和数量，不同尺寸和数量依然是本专利保护范围。
支托环7的底面是个斜面，不允许与蒸发腔的底面共面，避免在下述应用实例中对芯片的贴合产生不必要的干扰。
优选地，所述蒸发腔内毛细结构为烧结铜粉末毛细多孔层，厚度为1～2mm范围内，加工允许有误差。
优选地，所述蒸发腔内的液体为去离子水，每个蒸发腔充液量为1mL。
结合图2，制冷层的厚度高出微通道散热层最低面0.5～1mm，避免制冷层被悬空导致与蒸发层接触不实。
半导体制冷最大的问题在于，当冷端温度过低，将在冷端面结霜，这对被散热的芯片和电路将是致命的，结霜的原因是冷端温度过低，使其周围的水蒸气液化，行成小水珠。解决结霜问题有两种方法，一是控制冷端温度，二是隔绝冷端与空气接触。密封圈11的作用正是隔绝半导体制冷底面冷端与空气的接触。
结合图5，密封圈11和金属压板1都在微通道散热层的密封槽里，金属压板1在密封圈11上面，他们不需要固定在一起，都是可活动的。密封槽顶部开有螺纹通孔，里面的无尖螺钉压紧金属压板1，当蒸发腔和微通道散热器通过螺栓连接后，拧紧螺钉，使金属压板1向下压紧密封圈11，这样制冷层冷端就与外界空气隔离开了。所述密封圈11的初始状态比密封槽底面高，即密封圈11的高度较小，没有从密封槽中露出。所述密封圈11与密封槽两壁过渡配合，保证密封圈可以上下移动。
实施例1：
针对大表面的芯片，如服务器CPU或者PC CPU，不妨假设芯片的面积为40mm×40mm，功率160W。应用实例示意图如图6所示，A部分(虚线框内)为本发明中的强效散热器，B部分为实施例一假设的大表面芯片，芯片与散热器的蒸发层紧贴，中间有界面材料。优选地，上述界面材料为导热系数大于3W/mK的导热硅脂。此时散热器的整体尺寸为68mm×58mm×17.2mm,蒸发腔的尺寸为50mm×58mm×7mm。一般地，本发明的散热器整体尺寸取决于蒸发腔的尺寸，而蒸发腔的尺寸依据芯片尺寸设计，所以针对不同表面积的芯片，要对应不同尺寸的蒸发腔，进而对应不同尺寸的整体散热器。本发明中的制冷层、水泵以及上述未提及的冷排风扇，供电都可以用机箱电源的12V接口。本发明的强效散热器本身没有发声组件，所以非常适合用在服务器和PC上。
实施例2：
针对大功率芯片或器件封装，如LED灯芯片、IGBT管。这些大功率芯片或器件上，都有热沉，把封装内部的热量传导至热沉表面。事实上，热沉可以是平板热管，再进一步，热沉也可以是本发明散热器中的蒸发层，本实施例是用所述蒸发层替代平板金属热沉进行封装。常用的导热金属材料，如铜和铝的导热系数(最高400+W/mK)，远低于所述蒸发层导热系数(数千甚至上万W/mK)。应用实例示意图如图7所示，A部分(上面虚线框内)为本发明中的强效散热器，C部分(下面虚线框内)为芯片封装，芯片(100)的引脚焊在衬底(110)上的覆铜线路上，基板(120)与蒸发层封装为一体。蒸发层与功率器件封装后，通过紧固件(如螺栓或螺钉)把本发明散热器的微通道散热层与蒸发层连接，实现强效散热。
实施例3：
实施例1、2中的水流回路为：水从微通道散热层进水口4流入，流经微通道散热层Ⅲ中微通道，从微通道散热层出水口16流出，流经水管15，从蒸发层进水口14流入，流经蒸发层中的水通道10，从蒸发层出水口12流出，最后进入外部的水箱。这样的回路过长，压降很大，本实施例把水管15去掉，参考图8，水从微通道散热层出水口16和蒸发层进水口14同时流入，分别流经微通道散热层Ⅲ中微通道和蒸发层中的水通道10，最后从微通道散热层进水口4和蒸发层出水口12流出。本实施例的水路是并联的，水流量会增大，压降降低，散热性能提升。
实施例4：在上述任一实施例基础上，所述密封圈11与密封槽之间间隙配合，两侧可各留0.1～0.5mm的间隙，以使螺钉17向下施压力时，密封圈11可以更顺利地被压下，同时密封圈11上下被压扁，左右膨胀到密封槽壁，三个方向都可以保证密封。
实施例5：在上述任一实施例基础上，通过外部调节电路控制制冷层冷端温度。

Claims (9)

1.一种强效的芯片散热器，包括散热器主体、与散热器主体连接的水泵和水箱；其特征在于，所述散热器主体包括：紧贴于发热芯片上的蒸发层(Ⅰ)、蒸发层(Ⅰ)上设有制冷层(Ⅱ)、制冷层(Ⅱ)上包覆的微通道散热层(Ⅲ)；所述蒸发层(Ⅰ)内设置有平行交替排列并共用侧壁的蒸发腔(9)和水通道(10)，水通道(10)两端分别为蒸发层出水口(12)和蒸发层进水口(14)；所述制冷层(Ⅱ)内设置有PN结(5)，PN结(5)连接外部电源进行半导体制冷；微通道散热层(Ⅲ)内设置有平行结构的微通道(3)，微通道两端分别为微通道散热层进水口(4)和微通道散热层出水口(16)；所述蒸发腔(9)内装有工作液；所述水通道(10)和微通道(3)与外部水箱连接形成水循环通路。
2.根据权利要求1所述的一种强效的芯片散热器，其特征在于，所述水通道(10)侧壁设置有凸起的肋片。
3.根据权利要求1所述的一种强效的芯片散热器，其特征在于，所述蒸发腔(9)内壁设有烧结铜粉(8)。
4.根据权利要求1所述的一种强效的芯片散热器，其特征在于，所述蒸发层(Ⅰ)外沿设有下底面为斜面的支托环(7)，微通道散热层(Ⅲ)内对应支托环(7)的位置设置有密封槽。
5.根据权利要求1所述的一种强效的芯片散热器，其特征在于，所述密封槽内由下到上设置有密封圈(11)、金属压板(1)、螺钉(17)，密封圈(11)设有用于引出制冷层(Ⅱ)导线的孔。
6.根据权利要求1所述的一种强效的芯片散热器，其特征在于，所述微通道(3)与水通道(10)连通。
7.根据权利要求1所述的一种强效的芯片散热器，其特征在于，所述微通道散热层(Ⅲ)和支托环(7)外沿分别设有对应的固定肋板(6)，固定肋板(6)通过螺栓(13)紧固。
8.根据权利要求1所述的一种强效的芯片散热器，其特征在于，所述制冷层(Ⅱ)连接有制冷层温度调节器。
9.根据权利要求1所述的一种强效的芯片散热器，其特征在于，所述蒸发层(Ⅰ)与芯片接触面和与制冷层(Ⅱ)接触面均涂导热硅脂。
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