CN107464793A - 一种基于微通道多孔扁管的微通道集成冷板及制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电子设备散热技术领域，尤其是一种基于微通道多孔扁管的微通道集成冷板及制作方法。本发明包括用于放置微通道多孔扁管的空腔区域、用于放置空腔区域的液冷腔基板和用于将液冷腔基板覆盖形成封闭结构的盖板；空腔区域为形状渐变的两个汇流腔和流道腔，空腔区域首部汇流腔、流道腔与空腔区域尾部汇流腔依次连接；设置靠近冷板进出液口的流道腔的端部与汇流腔扩口端尺寸相匹配；冷却液依次通过冷板进液口、汇流腔收口端、汇流腔扩口端、流道腔、汇流腔扩口端、汇流腔收口端、冷却液出液口；微通道多孔扁管密封焊接在液冷腔基板的流道腔中，液冷腔基板前端或者后端设置冷板进出液口。

Description

一种基于微通道多孔扁管的微通道集成冷板及制作方法

技术领域

本发明涉及电子设备散热技术领域，尤其是一种基于微通道多孔扁管的微通道集成冷板及制作方法。

背景技术

液冷散热是电子行业对高发热电子芯片的常用冷却方式。其原理是在电子芯片安装板(同时起冷却作用，又称冷板)的内部设置液冷通道，通入冷却液，利用冷却液将电子芯片产生的热量带走，从而给电子芯片散热降温。

提高液冷散热效率的一种有效途径，是尽可能在有限的体积内增大换热面积，即冷板内尽可能布置多的液冷通道(将单个通道的尺寸尽可能做小，达到毫米级以下，散热领域称之为微通道)，以提高换热效率。目前微通道冷板设计方法主要为机械加工配合焊接方式，即将冷板分为基板和盖板两个部分分别机械加工，然后通过焊料焊接成一体。这种方式对于大尺度液冷通道冷板具有较高的加工成熟度，但对于微通道液冷板，存在如下问题：焊料过多导致通道堵塞、焊料过少影响密封性、机械加工中翅片容易弯曲变形、盖板厚度不能过薄等，影响了这种常规方式在微通道尺度冷板的成熟度。同时焊接冷板往往采用铝材等材料，通常存在着冷板材料与芯片材料热膨胀系数不匹配的问题，常规方法是通过具有焊接钼铜片等过渡载片来缓解热膨胀应力，而这无疑增大了芯片到热沉之间的热阻。

微通道多孔扁管(又称“平行流铝扁管”)是一种铝材通过热挤压形成的薄壁多孔扁形管状型材，有多种流道尺寸可供选择，主要应用于各种冷剂的空调系统中制作平行流散热器，较少应用于电子设备微通道液冷板中。目前关于微通道多孔扁管应用于液冷技术的专利较少，仅有CN201410053542.5等，但涉及到的集成方式在冷板级还是硅胶垫密封方式，有泄露风险以及导热不良问题，而采用微通道多孔扁管内嵌集成焊接形成的冷板专利，则为空白。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种基于微通道多孔扁管的微通道集成冷板及制作方法，解决高热流密度电子芯片散热难题。通过该方法设计的微通道冷板，获得薄壁微通道的同时，具有液冷通道一次成型、密封性优良、加工简单，焊接面接触充分、和芯片热匹配等优点。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于微通道多孔扁管的微通道集成冷板包括：用于放置微通道多孔扁管的空腔区域、集成空腔区域的液冷腔基板和用于将液冷腔基板覆盖形成封闭结构的盖板；

空腔区域为形状渐变的两个汇流腔和流道腔，空腔区域首部汇流腔、流道腔与空腔区域尾部汇流腔依次连接；设置靠近冷板进出液口的流道腔的端部与汇流腔扩口端尺寸相匹配；冷却液依次通过冷板进液口、汇流腔收口端、汇流腔扩口端、流道腔、汇流腔扩口端、汇流腔收口端、冷却液出液口；微通道多孔扁管密封焊接在液冷腔基板的流道腔中，液冷腔基板前端或者后端设置冷板进出液口。

进一步的，空腔区域的汇流腔是通过仿真得到，使得流体经过汇流腔进入多孔扁管各小孔的流量分配均匀。仿真过程具体是：

通过Catia建模，建立一定多孔扁管宽度下液冷基板模型，并设置对应宽度的流道腔，进出口形状固定为对应进出液连接器的形状，然后建立多组形状的汇流腔和多种微通道尺寸的多孔扁管；

将三维模型导入热设计仿真软件比如Icepak中，设置冷板进出液口流量、发热芯片功率参数，根据多组模型仿真结果中流量均匀性对比，将某一空腔区域对应多孔扁管流道流体分配最均匀的形状作为汇流腔的形状。实施例一：

流道腔是长方形，汇流腔是梯形，首部梯形汇流腔、梯形尾部汇流腔底部与流道腔两端长度都相同。

进一步的，当液冷腔设置n个串联的微通道多孔扁管时；则放置n个微通道多孔扁管的n个空腔区域依次首尾相接，形成S形状的结构；即第一级空腔区域尾部汇流腔与第二级空腔区域首部汇流腔相接；第二级空腔区域尾部汇流腔与第三级空腔区域首部汇流腔相接；、、、第n-1级空腔区域尾部汇流腔与第n级空腔区域首部汇流腔相接。

进一步的，当液冷腔设置多个并联的微通道多孔扁管时；此时空腔区域流道腔并行放置n个微通道多孔扁管，微通道多孔扁管进液口靠近冷板进液口，微通道多孔扁管出液口靠近冷板出液口。

进一步的，盖板为薄壁金属平板。

进一步的，采用扩散焊或者异种金属钎焊将扁管底部和液冷基板内部底部焊接。

进一步的，微通道扁管一次成型(避免各种机械加工)；液冷腔基板材料采用与芯片热膨胀系数匹配的材料(芯片指的是需要被散热的芯片)。

一种基于微通道多孔扁管的微通道集成冷板设计方法包括：

步骤1：在液冷基板内部设置用于放置微通道多孔扁管的空腔区域；

步骤2：通过仿真设计空腔区域，其中空腔区域具有形状渐变的两个汇流腔和流道腔空腔区域，空腔区域首部汇流腔、流道腔与空腔区域尾部汇流腔依次连接；设置靠近冷板进出液口的流道腔的端部与汇流腔扩口端尺寸相匹配；冷却液依次通过冷板进液口、汇流腔收口端、汇流腔扩口端、流道腔、汇流腔扩口端、汇流腔收口端、冷却液出液口；微通道多孔扁管密封焊接在液冷腔基板的流道腔中，液冷腔基板前端或者后端设置冷板进出液口。

步骤3：通过盖板将液冷腔基板覆盖形成封闭结构。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

基于微通道多孔扁管的微通道冷板快速成型方法是在常规冷板成型方法的基础上改良而成，将常规机加工流道换为微通道多孔扁管嵌入焊接的方式，既减小了加工难度，又提高了焊接成功率。

微通道流道取材于通用化型材，节省加工量和提高成功率；

避免翅片和盖板焊接导致的焊接不良或堵塞流道；

型材流道一体化成型，且每个小通道成类圆孔结构，强度高；

采用异种金属焊接技术，达到冷板与芯片的膨胀系数匹配，无需过渡载板，可直接将芯片焊接于冷板上，减小了芯片到冷板的热阻。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本发明结构示意图。

图2是液冷腔基板(串联形式)立体示意图。

图3是液冷腔基板(串联形式)俯视示意图。

图4是液冷腔基板(并联形式)立体示意图。

图5是液冷腔基板(并联形式)俯视图示意图。

图6是微通道多孔扁管型材。

图7是微通道多孔扁管汽车空调冷凝器以及截面图。

图8是实施实例示意图。

1a—冷板进液口 1b—冷板出液口 1c—汇流腔

1c1-扩口端扩口端 1c2-汇流腔收口端

1d—流道腔 1e—隔板

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，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。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

如图1，基于多孔扁管的微通道冷板快速成型方法是在常规冷板成型方法的基础上改良而成，将常规机加工流道换为多孔扁管嵌入焊接的方式，既减小了加工难度，又提高了焊接成功率。

1、液冷腔基板(液冷腔基板中的空腔区域是在液冷腔基板中加工出来的)

采用机械加工或者3D打印方式获得。液冷腔基板上具有进出液孔，液体由进液孔进入由液体汇流腔和流道腔构成的空腔区域。汇流腔为形状渐变的空腔，用于流体分配，汇流腔的形状可通过仿真设计等手段设计，保证流体经过进液孔流入多孔扁管多个流道后能够流量均匀。流道腔用于和多孔扁管焊接构成微通道流道，流道腔的宽度由横向焊接多孔扁管的数量决定，而多孔扁管的数量与发热芯片的个数和布置形式有关，流道腔可采取并联或者串联方式，当采用串联方式时，须有隔板隔开，保证流体不串流。总空腔区域宽度大于n*单个空腔区域宽度；

其中，仿真过程具体是：

步骤1：通过Catia建模，建立一定多孔扁管宽度下液冷基板模型，并设置对应宽度的流道腔，进出口形状固定为对应进出液连接器的形状，然后建立多组形状的汇流腔和多种微通道尺寸的多孔扁管；

步骤2：将三维模型导入热设计仿真软件比如Icepak中，设置冷板进出液口流量、发热芯片功率参数，根据多组模型仿真结果中流量均匀性对比，将某一空腔区域对应多孔扁管流道流体分配最均匀的形状作为汇流腔的形状

空腔区域具体实施例：

流道腔是长方形，汇流腔是梯形，首部梯形汇流腔、梯形尾部汇流腔底部与流道腔两端长度都相同。

2、微流道多孔扁管

具有多种尺寸，内孔尺寸最小可达0.5mm以下，是一种广泛应用于汽车空调制冷行业的型材，实际使用过程中可根据需要选择合适内孔大小和宽度的扁管进行切割。常见使用方式是作为汽车空调的冷凝器或蒸发器的制冷剂流道，与空气散热翅片焊接，制冷剂与空气进行热交换，但用在微通道冷板中的甚少。本发明将该型材扁管放置于1/液冷基板中进行焊接，液冷腔基板选用与芯片热膨胀系数匹配的材料，同时由于2/多孔扁管本身是带翅片的薄壁封闭结构，耐压能力极强，与其焊接的基板和盖板可以做到很薄，焊接接触面厚度可以达到0.5mm，极大的降低了与芯片接触位置的导热热阻。

3、盖板

为薄壁金属平板，材料可为铝、铜、不锈钢、金刚石铜、碳化硅、钼铜等等，将微流道多孔扁管密封在液冷腔基板中，由于与扁管材料不同，采用扩散焊或者异种金属钎焊等形式与扁管和基板焊接，保持系统的密封性。

具体实施例：基于本发明，加工了某液冷散热组件，液冷微通道扁管内嵌到盒体底板中，实现快速成型焊接，同时兼顾了芯片和冷板的热膨胀系数匹配，达到了预期的散热效果。具体实施实例如图8：该实例中，盒体的底板同时作为冷板的基板和结构支撑，盒体外侧设置有安装耳，用于盒体的对外连接，盒体外围尺寸为46mm*31mm*7mm。盒体内部加工有流道腔和汇流腔，流道腔嵌入两条串行布置的多孔扁管。扁管长21mm，宽13mm，截面有23个0.5mm宽、0.8mm高的孔，壁厚0.24mm。扁管通过扩散焊与盒体底板以及钼铜盖板焊接，保证密封性，同时保证芯片和盒体的热膨胀匹配。

实施效果：

4个3.5mm*3.5mm的芯片通过金锡焊与盒体连接，每个发热量为28W，在盒体通液温度20℃、通液流量0.7L/min条件下，测试微通道液冷组件散热效果如下：

由此可见，基于多孔扁管的微通道集成冷板对于解决高热流密度的电子芯片散热具有巨大优势。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (8)

1.一种基于微通道多孔扁管的微通道集成冷板，其特征在于包括：用于放置微通道多孔扁管的空腔区域、集成空腔区域的液冷腔基板和用于将液冷腔基板覆盖形成封闭结构的盖板；

空腔区域为形状渐变的两个汇流腔和流道腔，空腔区域首部汇流腔、流道腔与空腔区域尾部汇流腔依次连接；设置靠近冷板进出液口的流道腔的端部与汇流腔扩口端尺寸相匹配；冷却液依次通过冷板进液口、汇流腔收口端、汇流腔扩口端、流道腔、汇流腔扩口端、汇流腔收口端、冷却液出液口；微通道多孔扁管密封焊接在液冷腔基板的流道腔中，液冷腔基板前端或者后端设置冷板进出液口。

2.根据权利要求1所述的一种基于微通道多孔扁管的微通道集成冷板，其特征在于空腔区域的汇流腔形状与流道腔形状是通过仿真得到，使得流体经过汇流腔进入多孔扁管各小孔的流量分配均匀。

3.根据权利要求2所述的一种基于微通道多孔扁管的微通道集成冷板，其特征在于当液冷腔设置n个串联的微通道多孔扁管时；则放置n个微通道多孔扁管的n个空腔区域依次首尾相接，n个空腔区域设置有n-1个隔板隔开，保证流体不串流，形成S形状的结构；即第一级空腔区域尾部汇流腔与第二级空腔区域首部汇流腔相接；第二级空腔区域尾部汇流腔与第三级空腔区域首部汇流腔相接；、、、第n-1级空腔区域尾部汇流腔与第n级空腔区域首部汇流腔相接；总空腔区域宽度大于n*单个空腔区域宽度。

4.根据权利要求2所述的一种基于微通道多孔扁管的微通道集成冷板，其特征在于当液冷腔设置多个并联的微通道多孔扁管时；此时空腔区域流道腔并行放置n个微通道多孔扁管，微通道多孔扁管进液口靠近冷板进液口，微通道多孔扁管出液口靠近冷板出液口；总空腔区域宽度大于n*单个空腔区域宽度。

5.根据权利要求2所述的一种基于微通道多孔扁管的微通道集成冷板，其特征在于盖板为薄壁金属平板。

6.根据权利要求2所述的一种基于微通道多孔扁管的微通道集成冷板，其特征在于采用扩散焊或者异种金属钎焊将扁管底部和液冷基板内部底部焊接。

7.根据权利要求2所述的一种基于微通道多孔扁管的微通道集成冷板，其特征在于微通道扁管一次成型；液冷腔基板材料采用与芯片热膨胀系数匹配的材料。

8.基于权利要求1至7之一所述的基于微通道多孔扁管的微通道集成冷板的微通道集成冷板设计方法，其特征在于包括：

步骤1：在液冷基板内部设置用于放置微通道多孔扁管的空腔区域；

步骤2：通过仿真设计空腔区域，其中空腔区域具有形状渐变的两个汇流腔和流道腔空腔区域，空腔区域首部汇流腔、流道腔与空腔区域尾部汇流腔依次连接；设置靠近冷板进出液口的流道腔的端部与汇流腔扩口端尺寸相匹配；冷却液依次通过冷板进液口、汇流腔收口端、汇流腔扩口端、流道腔、汇流腔扩口端、汇流腔收口端、冷却液出液口；微通道多孔扁管密封焊接在液冷腔基板的流道腔中，液冷腔基板前端或者后端设置冷板进出液口；

步骤3：通过盖板将液冷腔基板覆盖形成封闭结构。