CN107734840B - 基于印制电路板三维微通道阵列液冷冷却结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于印制电路板三维微通道阵列液冷冷却结构，包括顶部PCB层、中部PCB层和底部PCB层，每层中部PCB层由平行设置的肋条和将相邻肋条连接使之形成整体的连接段构成，相邻肋条之间的空间构成流道；所有中部PCB层的肋条数量相同并上下一一正对，所有中部PCB层的连接带在肋条长度方向上相互错开，以使所有中部PCB层相对应肋条间的流道上下完全连通；顶部PCB层盖在最上层的中部PCB层上表面，底部PCB层盖在最下层的中部PCB层下表面以封闭所有中部PCB层组合后构成的流道上下表面；流道两端形成冷却液进口和出口。本发明有效解决了印制电路板中超高功率器件的散热问题，以及散热不均匀的问题。

Description

基于印制电路板三维微通道阵列液冷冷却结构
技术领域
本发明涉及基于印制电路板（Printed Circuit Board，缩写PCB）的高热流密度电子元器件散热技术领域，具体为集成于印制电路板的三维微通道阵列液冷冷却结构。
背景技术
目前，各类电子元器件朝着高集成度和性能不断提高的趋势发展，导致单位面积上的热功耗显著增大，局部区域热流密度已经高达100-1000W/cm²。电子元器件所处的热环境越来越恶劣，传统的散热方式如热传导和强制风冷因超出其散热极限，已相继失效。如何实现高效散热已成为各类电子元器件继续向前发展急需突破的关键技术。微通道液冷散热技术以其较大的比表面积且紧凑可靠的特性被相关研究者认为是目前解决高热流密度问题的最佳方案。而在实际工程应用中，常常将若干根微通道阵列化布置，一方面，依托高精度加工工艺在单位面积内尽可能多的布置微通道，可增加换热面积，从而进一步提升单位面积的散热能力；另一方面，通过若干个微通道的阵列化布置，可使散热区域覆盖面积更大，也能够提高散热效果。
目前国内外关于微通道阵列散热技术的研究较多，依托成熟的机加工工艺和硅刻蚀工艺，现阶段微通道阵列技术研究主要集中在金属基板和硅基板上,例如：厦门大学周伟等人提出一种微通道阵列加工方法（公开号104708089A），该加工方法通过设计铣削组合刀具在普通机床上对金属板进行微通道阵列加工；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通道散热器集成冷却装置（公开号CN104201158A），该装置通过刻蚀工艺制作成散热微通道阵列，肋厚和沟道宽度均小于0.1mm。然而在工艺成熟、成本低廉且已广泛应用与各类军民电子产品的的印制电路板基板方面，目前只有中国电子科技集团公司第二十六研究所余怀强首次提出一种印制电路板内嵌流道液冷换热装置（公开号105188260A），该装置提出的内嵌微流道呈直线型、“S”型或树杈型，但未涉及微通道阵列，并且根据该专利提出来的方法无法解决若干根肋悬浮的问题。
发明内容
针对现有印制电路板存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种基于印制电路板三维微通道阵列的液冷冷却结构，本发明有效解决了印制电路板中超高功率器件的散热问题，以及散热不均匀的问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
基于印制电路板三维微通道阵列液冷冷却结构，包括顶部PCB层、中部PCB层和底部PCB层，所述中部PCB层由多层构成；每层中部PCB层由平行设置的肋条和将相邻肋条连接使之形成整体的连接段构成，所有肋条两端平齐，所有连接段垂直于肋条并位于同一直线上以形成连接带，相邻肋条之间的空间构成流道；所有中部PCB层的肋条数量相同并上下一一正对，所有中部PCB层的连接带在肋条长度方向上相互错开，以使所有中部PCB层相对应肋条间的流道上下完全连通；顶部PCB层盖在最上层的中部PCB层上表面，底部PCB层盖在最下层的中部PCB层下表面以封闭所有中部PCB层组合后构成的流道上下表面；流道两端形成冷却液进口和出口。
进一步地，每层中部PCB层的所有肋条和连接段在同一基板上一体成型，每层中部PCB层的电极图案在所有肋条和连接段上形成。
顶部PCB层、所有中部PCB层和底部PCB层依次通过粘接剂粘接固定。
每层中部PCB层的所有肋条厚度相同，所有连接段厚度相同，连接段厚度低于肋条厚度。
相比现有技术，本发明具有如下有益效果：
1、本发明有效实现了印制电路板内三维阵列化微通道，以其超高的比表面积而具有很强的散热能力，可以较好的解决超高功率器件、超高热流密度散热问题。
2、本发明通过在单位面积内尽可能多布置流道而进一步提升比表面积，从而具有更强的散热能力，可以解决更高热流密度的散热问题；并且通过微通道阵列的增加，可以扩展散热区域。
3、本发明微通道阵列可解决单根微通道上下游散热不均的问题。
附图说明
图1是本发明印制电路板内三维微通道阵列液冷换热结构示意图。
图2是图1印制电路板内三维微通道阵列液冷换热结构分解示意图。
图3是制备三维微通道阵列的多层PCB图形示意图。
图4（a）为悬浮阵列化结构；（b）为带连接带的一体化阵列结构。
图5是基于印制电路板三维微通道阵列液冷换热结构具体实施例的结构示意图。
图6是图5三维微通道A-A向剖视图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明进行详细描述。
参见图1-图4，从图上可以看出，本发明基于印制电路板三维微通道阵列液冷冷却结构，包括顶部PCB层1、中部PCB层2和底部PCB层3，所述中部PCB层2由多层构成，可以根据散热性能的需要或者其它考虑适当增加或减少中间层的层数。每层中部PCB层由平行设置的肋条8和将相邻肋条连接使之形成整体的连接段9构成，所有肋条8两端平齐，所有连接段9垂直于肋条并位于同一直线上以形成连接带，相邻肋条之间的空间构成流道7，流道7为冷却介质的流经通道。所有中部PCB层2的肋条数量相同并上下一一正对，所有中部PCB层的连接带在肋条长度方向上相互错开，以使所有中部PCB层相对应肋条间的流道7上下完全连通，并使两肋条间的流道形成上下弯折，而非传统的在水平面的弯折，从而使所有流道在整体上形成三维微通道阵列图形，连接段对液冷介质形成阻碍和冲撞，增加了液冷介质扰流，达到更好的散热传热效果。顶部PCB层1盖在最上层的中部PCB层上表面，底部PCB层3盖在最下层的中部PCB层下表面以封闭所有中部PCB层组合后构成的流道上下表面；流道两端形成冷却液进口和出口。
每层中部PCB层2的若干根肋条8由连接段9连接成一体，即连接段9为肋条8与肋条8之间的连接物，该连接段9使得每一层微通道图形的若干个肋条连成一体，如图4（b），避免肋条悬空而导致微通道阵列图形制作的不可行，原因是悬空的肋条会脱落，或在上下多层图形粘合的过程肋条会移位，导致肋条的位置或流道的形状不可控，如图4（a）。若干个流道7与肋条8组合形成肋-沟-…-沟-肋阵列状图形。热量由表贴在顶部PCB层1上的大功率器件产生，经热传导后传递至三维微通道阵列层，由液冷冷却介质强制对流换热带走，实现高效散热。
每层中部PCB层的所有肋条8和连接段9在同一基板上一体成型，每层中部PCB层的电极图案在所有肋条和连接段上形成。
顶部PCB层1、所有中部PCB层2和底部PCB层3依次通过粘接剂粘接固定。
每层中部PCB层的所有肋条8厚度相同，所有连接段9厚度相同，连接段9厚度低于肋条8厚度，这样可以减小冷却介质的流动阻力。
本发明基于印制电路板的每一层微通道阵列图形，通过印制电路板工艺机械铣来实现，在需要刻蚀流道7的位置，直接铣穿，所述铣穿是指一层印制电路板基材的厚度。通过控制机械铣的深度，在连接段9处，完全保留基材，或铣去一部分，保留一部分来实现肋条与肋条的连接。顶部PCB、中部若干微阵列图形层、底部PCB通过PP片粘合热压，最终成型为印制电路板内三维微通道阵列。
图5和图6为具体实施例的结构示意图，典型印制电路板内嵌三维微通道阵列冷却结构的总厚度为1.8毫米，其中顶部PCB层1和底部PCB层3均为0.5毫米，中部PCB层2有三层印制电路板基材，每一层厚度为0.2毫米，每两层间的PP片粘合剂为0.05毫米。
三维微通道阵列中流道高度为0.8毫米，由中间微通道阵列图形层的基材厚度以及叠加的层数决定再加上粘合剂的厚度。
流道的宽度为0.8毫米。
典型的肋厚为0.8毫米。
连接段高度为0.2毫米，由每一层微通道阵列图形层基材的厚度决定，可完全与基材厚度相等，也可根据需要将连接段铣去一定高度，使连接段高度小于基材厚度。
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 (4)

1.基于印制电路板三维微通道阵列液冷冷却结构，包括顶部PCB层、中部PCB层和底部PCB层，所述中部PCB层由多层构成，其特征在于：每层中部PCB层由平行设置的肋条和将相邻肋条连接使之形成整体的连接段构成，所有肋条两端平齐，所有连接段垂直于肋条并位于同一直线上以形成连接带，相邻肋条之间的空间构成流道；所有中部PCB层的肋条数量相同并上下一一正对，所有中部PCB层的连接带在肋条长度方向上相互错开，以使所有中部PCB层相对应肋条间的流道上下完全连通；顶部PCB层盖在最上层的中部PCB层上表面，底部PCB层盖在最下层的中部PCB层下表面以封闭所有中部PCB层组合后构成的流道上下表面；流道两端形成冷却液进口和出口。
2.根据权利要求1所述的基于印制电路板三维微通道阵列液冷冷却结构，其特征在于：每层中部PCB层的所有肋条和连接段在同一基板上一体成型，每层中部PCB层的电极图案在所有肋条和连接段上形成。
3.根据权利要求1所述的基于印制电路板三维微通道阵列液冷冷却结构，其特征在于：顶部PCB层、所有中部PCB层和底部PCB层依次通过粘接剂粘接固定。
4.根据权利要求1所述的基于印制电路板三维微通道阵列液冷冷却结构，其特征在于：每层中部PCB层的所有肋条厚度相同，所有连接段厚度相同，连接段厚度低于肋条厚度。
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