CN108400121B - 一种用于高热流密度芯片的散热装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了高热流密度电子元器件散热冷却领域的一种用于高热流密度芯片的散热装置，包括散热风扇、微型泵、散热热沉、温度传感器以及芯片，散热热沉上设置有液体注入口和液体流出口，微型泵上设置有液体回流入口和液体回流出口，液体注入口与液体回流出口通过软管连接，液体流出口与液体回流入口通过软管连接，散热热沉固定于芯片上方且与芯片接触以吸收芯片工作产生的热量，散热风扇固定于散热热沉上方，温度传感器的上接触片和下接触片分别设置于散热热沉上表面和下表面以获取散热热沉上下表面的温度差，芯片与温度传感器、散热风扇以及微型泵连接以用于在获取到不同温度差对应的热流密度时发送不同的控制信号。

Description

一种用于高热流密度芯片的散热装置
技术领域
本发明涉及高热流密度电子元器件散热冷却领域，尤其涉及一种用于高热流密度芯片的散热装置。
背景技术
近年来，电子信息器件不断向高精度高可靠性小型化方向发展，特别是用于航空、国防、新能源列车等使用芯片的功率达到近350W，而其封装体积却不断减小，使得部分芯片热流密度已经超过了200W/cm2。面临如此高的热流密度，电子器件的散热技术逐渐成为信息产业向前发展的技术瓶颈。微流体用于芯片散热技术最早于1981年Tuckerman等人提出，由于尺寸进入微米甚至纳米级别，存在不确定的尺寸效应，微通道内的对流传热机理还处于研究探索阶段。在过去近30年里，国内外广大传热学者对微流体散热进行了不断深入研究，下列成果得到了学界的一致认同：第一，微通道散热性能比传统的通道液冷散热性好；第二，微通道的深宽比，以及通道内部的粗糙元结构对微通道的整体散热性能影响巨大；第三，基于传热强化的熵产原理与场协同原理对微通道分析得到学界普遍认同。
当热流密度超过100 W/cm2时，微通道散热技术被认为是最有前途的高热流密度散热技术，随着尺寸的不断减小，如何在有限空间内实现最优的散热结构与方式成为未来信息器件发展的重要瓶颈。目前在部分信息器件（如高功率IGBT，高集成IC封装等），已经开始采用圆形或矩形直微通道进行直接水冷散热。但散热效果越好，器件所占空间大小就越大，如何实现最小空间内的高效散热是现阶段亟待解决的问题。
发明内容
本发明目的在于提供一种用于高热流密度芯片的散热装置，以解决现有技术无法克服的缺陷。
为实现上述目的，本发明提供了一种用于高热流密度芯片散热装置，包括散热风扇、微型泵、散热热沉、温度传感器以及芯片，散热热沉上设置有液体注入口和液体流出口，微型泵上设置有液体回流入口和液体回流出口，液体注入口与液体回流出口通过软管连接，液体流出口与液体回流入口通过软管连接，散热热沉固定于芯片上方且与芯片接触以吸收芯片工作产生的热量，散热风扇固定于散热热沉上方，温度传感器的上接触片和下接触片分别设置于散热热沉上表面和下表面以获取散热热沉上下表面的温度差，芯片与温度传感器、散热风扇以及微型泵连接以用于在获取到不同温度差对应的热流密度时发送不同的控制信号。
优选地，微型泵为可控泵入流量的微型泵。
优选地，散热热沉包括基板层，基板层直接设置于芯片上，且基板层内部刻蚀有微通道。
优选地，微通道包括空洞结构和突起结构，靠近液体注入口的突起结构的排列密度小于靠近液体流出口的突起结构的排列密度。
优选地，突起结构包括等腰三角形突出结构、圆弧形突出结构、等腰梯形突出结构以及锯齿形突出结构、等腰三角形洞穴结构、圆弧形洞穴结构、等腰梯形洞穴结构以及锯齿形洞穴结构。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明采用水冷和风冷相结合的散热方式，对不同工作功率下的芯片采用不同方式进行散热，保证得到最佳的散热效果，在有限空间内实现最优的散热效果。
2、本发明的水冷采用微通道散热，微通道呈前疏后密排布，且微通道为扰流结构，散热性能好。
下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明优选实施例的一种用于高热流密度芯片的散热装置的结构示意图；
图2是本发明优选实施例的一种用于高热流密度芯片的散热装置的结构分解示意图；
图3是本发明优选实施例的一种用于高热流密度芯片的散热装置的半剖图；
图4是本发明优选实施例的一种用于高热流密度芯片的散热装置的散热热沉基板结构图；
图5是图4中A处的局部放大图；
图6是本发明优选实施例的一种用于高热流密度芯片的散热装置的微通道突起结构示意图。
图中，1、小马达；2、微型风扇支架；3、风扇固定孔；4、散热风扇；5、PCB板；6、散热热沉PCB固定孔； 7、散热热沉风扇固定孔；8、热沉翅片；9、液体注入口；10、微型泵；11、微型泵固定脚；12、液体回流出口；13、液体流出口；14、散热热沉；15、基板层；16、液体回流入口；17、微通道；1711、等腰三角形洞穴结构；1712、等腰三角形突出结构；1721、圆弧形突出结构；1722、圆弧形洞穴结构；1731、等腰梯形洞穴结构；1732、等腰梯形突出结构；1741、第一锯齿形洞穴结构；1742、第二锯齿形洞穴结构；1751、第一锯齿形突出结构；1752、第二锯齿形突出结构；18、芯片；19、芯片引脚；20、温度传感器；201、下接触片；202、上接触片。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
本发明提供了一种用于高热流密度芯片的散热装置，包括散热风扇4、微型泵10、散热热沉14、温度传感器20以及芯片18，散热热沉14上设置有液体注入口9和液体流出口13，微型泵10上设置有液体回流入口16和液体回流出口12，液体注入口9与液体回流出口12通过软管连接，液体流出口13与液体回流入口16通过软管连接，散热热沉14固定于芯片18上方且与芯片18接触以吸收芯片18工作产生的热量，散热风扇4固定于散热热沉14上方，温度传感器20的上接触片201和下接触片202分别设置于散热热沉14上表面和下表面以获取散热热沉14上下表面的温度差，芯片18与温度传感器20、散热风扇4以及微型泵10连接以用于在获取到不同温度差对应的热流密度时发送不同的控制信号。
参见图1、图2和图3，微型泵10通过微型泵固定脚11安装于PCB板5上，芯片18通过芯片引脚19固定于PCB板5上。散热热沉14的装配方式包括两种，一种为直接与芯片18一体化封装，一种为通过导热材料与芯片18粘连。微型泵10上设置有液体回流入口16和液体回流出口12，散热热沉14上设置有液体注入口9和液体流出口13。散热热沉14上方安装有小马达1、微型风扇支架2以及散热风扇4，散热热沉14与散热风扇4通过散热热沉风扇固定孔7以及风扇固定孔3进行固定。散热热沉14上排布有热沉翅片8。PCB板5与散热热沉14通过散热热沉PCB固定孔6连接。微型泵10的液体回流出口12与逐级缩小的软细管道相连，软细管的最小端与散热热沉14上的液体注入口9相连接，同样通过软细管道连接散热热沉14上的液体流出口13与微型泵10上的液体回流入口16，构成完整的冷却液回路。
芯片18刚开始工作时热流密度较小，一般为5W/cm2以下，此时小马达1通电，带动风扇转动，散热风扇4对散热热沉14进行散热；当芯片18工作时的热流密度处于5W/cm2-100W/cm2时，小马达1断电停止工作，微型泵10通电开始工作，液体回流出口12流出冷却液，冷却液进入液体注入口9，吸收散热热沉14的热量后从液体流出口13流出回到液体回流入口16，通过冷却液对散热热沉14散热；当芯片18工作时的热流密度超过100W/cm2时，小马达1重新工作，使空冷和液冷结合，增强散热效果。
优选地，微型泵10为可控泵入流量的微型泵10。
热流密度通过散点测量的方式计算，通过测量散热热沉14上下表面的温度差换算成热流密度控制微型泵10的工作状态。散热热沉14上下底表面温度差通过温度传感器20获取，经过芯片18转换成热流密度，最终信号输入到微型泵10的微泵控制器调节液体的泵入流量。
微型泵10的水力直径在0.1-1mm之间，当芯片18工作温度超过80℃时，微型泵10的泵入量会自动增加。
优选地，散热热沉14包括基板层15，基板层15直接连接于芯片18上，且基板层15内部刻蚀有微通道17。
优选地，微通道17包括空洞结构和突起结构，靠近液体注入口9的突起结构的排列密度小于靠近液体流出口13的突起结构的排列密度。
如图4所示，基板层15内部由多条的并列的微通道17组成，从图5，即放大视图A可见，微通道17内的空洞或突起沿着冷却液的流动方向，其排列方法符合前疏后密的规律。通过前疏后密排布方式，在压降上比均匀布置形式降低明显，这种方式的排布，从速度场和温度场的协同上，使得芯片18上的温度分布更均匀，并实现散热的优化。
突起结构或洞穴结构对流体形成的热边界层起到终止与再生成作用，从而提高传热努赛尔数。刻蚀的突起结构或洞穴结构能够起到扰流作用，打破热边界层。
优选地，突起结构包括等腰三角形突出结构1712、圆弧形突出结构1721、等腰梯形突出结构1732以及锯齿形突出结构、等腰三角形洞穴结构1711、圆弧形洞穴结构1722、等腰梯形洞穴结构1731以及锯齿形洞穴结构。
如图6（a）、图6（b）、图6（c）、图6（b）和图6（e）所示，基板层15内的微通道17的突出结构不限于等腰三角形洞穴结构1711、等腰三角形突出结构1712、圆弧形洞穴结构1722、圆弧形突出结构1721、等腰梯形洞穴结构1731、等腰梯形突出结构1732、第一锯齿形洞穴结构1741、第二锯齿形洞穴结构1742、第一锯齿形突出结构1751和第二锯齿形突出结构1752。
上述各种突出结构和空洞结构在破坏热边界层原理上都起到相似的作用，在具体的强化传热作用上不同结构传热效果有所不同，但相比较直通道而言均有传热显著增强作用。
本发明采用共轭传热数值模拟仿真的方法对热流密度分别为100W/cm2和180W/cm2的硅基微通道热沉散热性能进行了验证。在水力直径为90-150um下，以去离子水为工质对矩形直通道、内部有均匀分布的洞穴或突起的微通道17以及前疏后密分布与前密后疏分布有洞穴或突出的几种微通道17热沉进行了模拟仿真研究。结果表明：芯片18表面温度最高为矩形直通道，最低的为前疏后密型结构，最高温差达到150C以上；同时对比了不同微通道17结构的压降，其中压降最小的仍然为前疏后密结构，几种不同结构在压差上面甚至达到1个数量级的差别。同时实现相同的芯片18表面温度，前疏后密结构所需的空洞或突起要比均布结构减少将近一半，从而大大降低压降，提高泵工作效率。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种用于高热流密度芯片的散热装置，其特征在于，包括散热风扇(4)、微型泵(10)、散热热沉(14)、温度传感器(20)以及芯片(18)，所述散热热沉(14)上设置有液体注入口(9)和液体流出口(13)，所述微型泵(10)上设置有液体回流入口(16)和液体回流出口(12)，所述液体注入口(9)与所述液体回流出口(12)通过软管连接，所述液体流出口(13)与所述液体回流入口(16)通过软管连接，所述散热热沉(14)固定于所述芯片(18)上方且与所述芯片(18)接触以吸收所述芯片(18)工作产生的热量，所述散热风扇(4)固定于所述散热热沉(14)上方，所述温度传感器(20)的上接触片(201)和下接触片(202)分别设置于所述散热热沉(14)上表面和下表面以获取所述散热热沉(14)上下表面的温度差，所述芯片(18)与所述温度传感器(20)、所述散热风扇(4)以及所述微型泵(10)连接以用于在获取到不同温度差对应的热流密度时发送不同的控制信号，所述散热热沉(14)包括基板层(15)，所述基板层(15)直接设置于芯片(18)上，且所述基板层(15)内部刻蚀有微通道(17)，所述微通道(17)包括空洞结构和突起结构，靠近所述液体注入口(9)的所述突起结构的排列密度小于靠近所述液体流出口(13)的突起结构的排列密度。
2.根据权利要求1所述的一种用于高热流密度芯片的散热装置，其特征在于，所述微型泵(10)为可控泵入流量的微型泵(10)。
3.根据权利要求1所述的一种用于高热流密度芯片的散热装置，其特征在于，所述突起结构包括等腰三角形突出结构(1712)、圆弧形突出结构(1721)、等腰梯形突出结构(1732)以及锯齿形突出结构、等腰三角形洞穴结构(1711)、圆弧形洞穴结构(1722)、等腰梯形洞穴结构(1731)以及锯齿形洞穴结构。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101835367A (zh) * 2010-05-11 2010-09-15 电子科技大学 一种风冷、液冷组合式散热系统
CN104167399A (zh) * 2014-05-14 2014-11-26 北京工业大学 错位复杂微通道微型换热器
CN106931815A (zh) * 2017-04-27 2017-07-07 长沙理工大学 一种变径串、并联槽道板式脉动热管

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101835367A (zh) * 2010-05-11 2010-09-15 电子科技大学 一种风冷、液冷组合式散热系统
CN104167399A (zh) * 2014-05-14 2014-11-26 北京工业大学 错位复杂微通道微型换热器
CN106931815A (zh) * 2017-04-27 2017-07-07 长沙理工大学 一种变径串、并联槽道板式脉动热管

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