CN108695278A - 热移散热器 - Google Patents

Abstract

一种散发大功率高集成度的半导体芯片与器件工作热量的热移散热器，其创新点就是去掉热沉散热器底板，在循环热管结构中由热移管平面并列而成的热移管筏替代，并作为相变区，其内液态工质潜能吸热，发生爆发性相变，将热量以近即时速度定向移到蒸气区，并经冷凝区后，冷凝工质通过节流管进入到首末端接通的循环管路中，其显著标志是散热器自身热阻低，将目前热沉散热器温差22℃，大幅度缩小到12℃，在32℃环境下，仅送风，机房服务器CPU芯片便可正常工作，节约空调20～30％的电耗，由此积极促进室外移动机房的发展，另外，也便于大功率高集成的射频、红外、激光在结构上脱离压缩机制冷的束缚，实现整体化，提高机动性与人体便携化。

Description

热移散热器

所属技术领域

本发明涉及一种散发大功率高集成度的半导体芯片与器件工作热量的装置，尤其是通过循环热管结构中的相变区内液态工质潜能吸热，发生爆发性相变，使相变区热量以近即时速度定向移到蒸气区，并由此进入冷凝区，经冷凝区的翅片散热后，仍保持相应的近即时速度，通过节流管进入到首末端接通的循环管路中，形成低热阻的热移散热器。

背景技术

目前，用于散发大功率高集成度的半导体芯片工作热量的散热器，因为大功率高集成度的半导体芯片都是在热沉基板上集成的，所以为了配合其散热，均为热沉散热器，简单地说，半导体工作时结点产生的热量先传导到基板内表面，基板由金银铜铝等良导体制成，结热进入基板通过传导均匀了热流密度与降低了温度并沉降至外表面，这个过程称为热沉，基板便称为热沉基板，其外表面称为排热面，因其面积小，完不成热量的排放，故与之相配合的小功率者直接贴到良导体外壳，两者界面在纳米级导热脂参与下，增强传导性，测不出温差，通过外壳表面对流排放到空气中，大功率则与芯片热沉同理，通过良导界面进入良导体散热器底板，进一步降低热流密度并传导到底板上众多散热翅片表面，由空气对流排放到空气中，因此也被称为热沉散热器，其中无一例外地都要经过1.25毫米厚度以上的散热器底板的传导过程，随着市场需求，半导体集成度、功率、运频越来越高，结热的热流密度、热量也越来越大，单靠空气对流排放远远不够，于是出现风扇吹，空调冷风吹，水冷，压缩机蒸发管穿入底板主动冷却，因此又带来了很大的电耗与不便，需要首先说明，实际的散热工况非常复杂，工况细微不同，结果差异很大，但为了表述清关键问题，忽略复杂场所条件，以便用数据说明，例如：中型计算机房，总运营功率为2500千瓦，其中近一半的耗电是为了保证服务器运营安全，保持机房送风通道温度为18～22℃，由空调消耗掉了，为什么非要用冷风吹，是因为服务器中CPU与GPU正常运营时，其内结点温度不得超过80℃，则需热沉基板排热面与热沉散热器底板受热面之间的界面温度不得超过60℃，由于结热产生的速度为电速度，而良导体传导为秒米速度，两者相差数百万倍，凡有传导，必有热阻，只有送22℃以下冷风，按一定流向流速吹拂热沉散热器表面的条件下，测试其上部表面温度方为30℃，测试其界面温度为55℃，与上部表面形成25℃的散热器温差，22℃冷风与上部表面形成8℃的排放温差，由这两个温差平衡，保持其散热速度，界面温度为55℃，结温处于75℃，服务器处于有一定安全余地中工作，若提高空调冷风温度，，缩小排放温差1～2℃则带来系统温升，则可导致结温达到78℃，易造成运营安全问题，因此，机房送冷风宁低勿高，同理，其它所有半导体集成芯片凡采用热沉散热器，尤其是大功率高集成的热电、光电、红外、激光、射频等功能转换类芯片，散热均受这两个温差平衡的制约，其中，缩小散热器温差，增大排放温差则是很有益的，为缩小前者，减小散热翅片间距，加密排布，增加40％数量，散热器温差仅缩小1℃多，这是因为散热面积不是其中最慢的过程，另在散热器底板上增加2～3根热管，最佳方式为直立U形管，但通过测试，同等热功下，散热器温差仅由25℃温差最大降低到21～22℃，未有质的提效，这是因为热管为轴径循环，理想状态下，理论上相变蒸发速度可达声速，大于100米/秒堪称爆发，但在实用中冷凝、回流速度不到声速百分之一，热传速取决于回流过程，即使比紫铜传导速度提高若干倍，仍属慢传热，且热量是通过散热器底板热管窝传入的，其与界面间尚存1.25mm厚度，还是先进行传导扩散过程，加之管壁厚度再被工质吸收，仍属热沉散热器，总之，未能解决热沉散热器存在很大热阻之症结，为增大后者，水冷或压缩机蒸发管穿入底板主动冷却，水冷不发生相变，效果不明显，压缩机蒸发管冷却，虽有明显的效果，但增加电耗，一般结构不允许，除特殊需要外，只有采用空调送冷风为便捷，这虽产生很大的电耗，但也是不得已中的好办法，实践证明，从后者入手增大排放温差已无良方，应集中到如何破解前者症结，大幅度缩小散热器温差，大幅度降阻提效，才是研发方向，当然更应包括芯片内部降阻提效，然而至今，尚未有突破性进展。

发明内容

本发明针对现有热沉散热器的症结，提出一种热移散热器，力图最大限度地降低散热器自身的温差，例如：将上述机房服务器CPU或GPU所用的热沉散热器换成热移散热器，在相同的工况下，测试结果是界面温度由原55℃降低到47℃，热移散热器上部散热翅片表面温度却上升到40℃，保持排放温差8℃不变，散热器温差由21～25℃降低至7℃，那么，则可改变工况，将送风温度升至32℃，即不用空调，只用相同风速，此时再测试热移散热器上部散热翅片表面温度为47～48℃，也能排放出相同的工作热量，也能使界面温度保持在55℃，如此服务器CPU、GPU结温仍保持在75℃，仍处于安全余地中工作，其创新点就是去掉热沉散热器底板，换成热移管筏，同类划区，热移管筏是循环热管散热器中接受界面热量，发生工质相变的区位，称为相变区，其气体工质出口端为首端，经过循环热管蒸气区，再进入冷凝区后，循环回末端，为液态工质入口端，首末端通过节流管相接通形成轴路循环结构，当灌装的工质配方与剂量适宜时，实测热移管筏与蒸气拐管间温差小于2℃，热移管筏内工质相变爆发流速为100米/秒，堪称近即时速度，循环冷凝回流速度仍保持在34米/秒相应的近即时，该回流速度同截面比紫铜传导速度快四百多倍，热阻很小，堪称快传速，以热移管筏参与到循环热管结构中形成的热移散热器替代现有热沉散热器，可以使机房CPU、GPU与各种大功率高集成度的功能转换类芯片，实现去掉压缩机制冷耗电，以常温风吹拂热移散热器，便可排放同等热量，达到保持芯片正常工作的目的。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种利用工质相变直接吸收大功率高集成度半导体芯片排热界面热量的热移散热器，其特征是与半导体芯片排热界面接触的底面由相应规格的热移管并排至热移管筏面构成，热移管为挤压成形的翼型管，内径保持为圆形，管外壁带有侧翼，由小于1.0mm的薄壁管形成的热移管，管壁轴向两侧翼底面与管外壁相切连成管平面，由含1.0mm以上的厚壁形成的热移管，管壁轴向两侧翼底面与去掉弓形管壁的弦平面连成管平面，弦平面中心线到壁内径的厚度不得超过1.0mm，必要时，既使壁厚小于1.0mm也采取去掉弓形管壁由弦平面连接侧翼平面，热移管管平面并列起来形成热移管筏面，热移管的管径与翼宽度决定其规格，其规格决定热移管的间距、数量以及并列成筏面的长宽度，热移管内壁为光管或具有间距为0.2mm凹凸为0.2mm的螺纹线，贴内壁附着40～100目筛网，利用张力吸附液态工质于内壁以利提高爆发速度，并避免重力影响，热移管一端面为工质蒸气出口端连接U形循环热管中的蒸气拐管，同类成区，蒸气拐管连接冷凝管，经冷凝区翅片散热，冷凝工质通过冷凝拐管进入汇流管，汇流管上并、串联排布节流管，由节流管进入热移管另一端面即进缩口端，形成封闭循环管路，节流管内径与热移管内径比为1∶3～8，依工质配方与循路不同而定，虽管路在结构上是并联管路，但工质流在循环过程中，通过汇流管也发生串联，因此，在空间允许下，热移管筏面大于半导体芯片与器件的排热面，通过插片与插管流体换热器制造方法，根据所需散热功率分布散热翅片，在热移管轴向距管壁内径0.5mm的侧翼内，设有热移管筏温度探头孔道，该孔道与界面相切，仅允许直径小于1.0mm温度探头插入，检测界面温度与散热器相变区温度，在蒸气拐管外壁焊接插入同规格的温度探头毛细管，检测蒸气区温度，在热移散热器散热翅片折中处焊接温度探头毛细管，检测散热器表面温度，在冷凝拐管或汇流管焊温度探头毛细管，检测回流温度，在工质配方达到标定比例与剂量下，芯片从开始工作时起，热移管筏面内工质就将界面热量几尽吸收，单沸进而共沸爆发相变，由热移管筏承受其压力，并在节流管作用下，将热量以近即时速度单向移至蒸气拐管，由此构成热移散热器。

本发明的有益效果是：由于热移散热器各部结构均形成标准零件，材料与制造成本较低，便于形成大规模量产，主要通过热移管筏温度检测，便于控制热移工况达标，保证量产质量，由于能够在常温下使各种芯片正常工作，便可使机房空调系统节约20～30％的电耗，更便于形成室外移动机房，也便于大功率高集成的热电、光电、工频类的芯片在室外发挥高性能地工作，使得大功率射频、红外、激光在结构上脱离压缩机制冷的束缚，实现整体化，提高机动性与人体便携化。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

图1为本发明第一个实施例示意——热移散热器分解剖视示意图。

图2为本发明第二个实施例示意——插片式热移散热器。

图3为本发明第三个实施例示意——插管式热移散热器。

图4为本发明第四个实施例示意——混合式热移散热器

图中：1.热移管 2.热移管筏面 3.侧翼 4.螺纹线 5.筛网 6.蒸气出口端 7.蒸气拐管 8.冷凝管 9.冷凝拐管 10.汇流管 11.节流管 12.进缩口端 13.散热翅片 14.热移管筏温度探头孔道 15.探头毛细管 16.装卡框 17.外壳

图1所示为本发明第一个实施例沿中心面局部剖视，说明装配关系，采用壁厚为0.8mm标准管，通过模具挤压成内径保持为圆形管外壁带有侧翼(3)的热移管(1)，与半导体芯片排热界面接触的热移散热器底面由热移管管平面并排至热移管筏面(2)构成，管壁轴向两侧翼底面与去掉弓形管壁的弦平面连成管平面，弦平面中心线与热移管内径厚度为0.5mm，该规格管平面大于外径2.0mm，根据界面宽度需要，计算出所需热移管数量，以管平面小于0.2mm间距并列起来形成热移管筏面的长宽度，热移管内壁具有间距为0.2mm凹凸为0.2mm的螺纹线(4)，贴内壁附着60目筛网(5)，利用张力吸附液态工质于内壁以利提高爆发速度，并避免重力影响，热移管一端面为蒸气出口端(6)连接U形循环热管中的蒸气拐管(7)的下端，同类成区，蒸气拐管的上端连接冷凝管(8)，冷凝管连接冷凝拐管(9)上端，冷凝拐管下端连接汇流管(10)，冷凝工质通过冷凝拐管进入汇流管，汇流管上并联排布节流管(11)，由节流管插入热移管另一端面即进缩口端(12)，形成封闭循环管路，节流管内径与热移管内径比为1∶5，依工质配方与循路不同而定，根据所需散热功率穿插分布分布散热翅片(13)，冷凝管错位穿插，以利吹风，在热移管轴向距管壁内径0.5mm的侧翼内，设有热移管筏温度探头孔道(14)，该孔道与界面相切，仅允许直径小于1.0mm温度探头插入，检测界面温度与散热器相变区温度，在蒸气拐管外壁焊接插入同规格的温度探头毛细管(15)，检测蒸气温度，在热移散热器散热翅片折中处焊接温度探头毛细管(15)，检测散热器表面温度，在冷凝拐管上焊接温度探头毛细管(15)，检测回流温度，在工质配方达到标定比例与剂量下，芯片从开始工作时起，热移管筏将界面热量就几尽吸收，单沸进而共沸爆发相变，由热移管筏承受其压力，并在节流管作用下，将热量以近即时速度单向移至蒸气拐管，由此构成热移散热器。

图2所示为本发明第二个实施例——插片式热移散热器，根据半导体芯片型号及其排热面的面积，来决定选用相应规格的热移管(1)管平面并排构成热移管筏面(2)所需的接触底面，热移管一端面为蒸气出口端(6)连接U形循环热管中的蒸气拐管(7)的下端，同类成区，蒸气拐管的上端连接冷凝管(8)，冷凝管连接冷凝拐管(9)上端，冷凝拐管下端连接汇流管(10)，冷凝工质通过冷凝拐管进入汇流管，汇流管并联排布节流管，由节流管插入热移管另一端面即进缩口端，形成封闭循环管路，节流管内径与热移管内径比为1∶5，虽管路在结构上是并联管路，但工质流在循环过程中，通过汇流管也发生串联，因此，在空间允许下，热移管筏面大于半导体芯片与器件的排热面，依照插片式流体换热器制造方法，根据所需散热功率穿插分布散热翅片(13)，冷凝管错位穿插，以利吹风，在热移管筏两侧焊接与半导体芯片排热面接触的装卡框(16)，由此构成插片式热移散热器。

图3所示为本发明第三个实施例——插管式热移散热器，根据半导体芯片型号及其排热面的面积，来决定选用相应规格的热移管(1)管平面并排构成热移管筏面(2)所需的接触底面，热移管除侧翼(3)外，同时一次性挤压出散热翅片(13)，热移管除管平面并列成筏面接触芯片排热面外，利用其侧翼底面与弦平面分散贴于外壳(17)散热，然后用蒸气拐管(7)一端插入贴芯片的蒸气出口端(6)，另一端插入到贴外壳的充当冷凝管(8)的入口，同样，冷凝拐管(9)一端插入冷凝管连接，另一端插入汇流管(10)连接，冷凝工质汇流后，由节流管插入热移管进缩口端，节流管内径与热移管内径比为1∶6，形成封闭循环管路，由此构成插管式热移散热器。

图4所示为本发明第四个实施例——混合式热移散热器，根据大功率半导体器件型号及其排热面的面积，来决定选用相应规格的热移管(1)管平面并排构成热移管筏面(2)所需的接触底面，热移管同时挤压出双侧翼(3)，一面侧翼与器件排热面贴合，另一面侧翼与外壳(17)相贴，热移管一端面为蒸气出口端(6)连接U形循环热管中的双蒸气拐管(7)，蒸气拐管的上端连接冷凝管(8)，冷凝管穿插在散热翅片(13)中，T字形冷凝拐管(9)上端与两侧冷凝管连接，冷凝拐管下端连接汇流管(10)，汇流管对称串联排布节流管(11)，节流管先插入进缩口端(12)后，再分流插入热移管另一端面，节流管内径与热移管内径比为1∶4，虽节流管在汇流管分布上是串联，但工质流在循环过程中，通过汇流管也发生并联，形成封闭“8”字循环管路，其中混合既插片又插管两种制造方法，由此构成混合式热移散热器。

Claims (5)

1.一种利用工质相变直接吸收大功率高集成度半导体芯片排热界面热量的热移散热器，其特征是与半导体芯片排热界面接触的底面由相应规格的热移管并排至热移管筏面构成，热移管为挤压成形的翼型管，内径保持为圆形，管外壁带有侧翼，由小于1.0mm的薄壁管形成的热移管，管壁轴向两侧翼底面与管外壁相切连成管平面，由含1.0mm以上的厚壁形成的热移管，管壁轴向两侧翼底面与去掉弓形管壁的弦平面连成管平面，弦平面中心线到壁内径的厚度不得超过1.0mm，必要时，既使壁厚小于1.0mm也采取去掉弓形管壁由弦平面连接侧翼平面，热移管管平面并列起来形成热移管筏面，热移管的管径与翼宽度决定其规格，其规格决定热移管的间距、数量以及并列成筏面的长宽度，热移管内壁为光管或具有间距为0.2mm凹凸为0.2mm的螺纹线，贴内壁附着40～100目筛网，利用张力吸附液态工质于内壁以利提高爆发速度，并避免重力影响，热移管一端面为工质蒸气出口端连接U形循环热管中的蒸气拐管，同类成区，蒸气拐管连接冷凝管，经冷凝区翅片散热，冷凝工质通过冷凝拐管进入汇流管，汇流管上并、串联排布节流管，由节流管进入热移管另一端面即进缩口端，形成封闭循环管路，节流管内径与热移管内径比为1∶3～8，依工质配方与循路不同而定，虽管路在结构上是并联管路，但工质流在循环过程中，通过汇流管也发生串联，因此，在空间允许下，热移管筏面大于半导体芯片与器件的排热面，通过插片与插管流体换热器制造方法，根据所需散热功率分布散热翅片，在热移管轴向距管壁内径0.5mm的侧翼内，设有热移管筏温度探头孔道，该孔道与界面相切，仅允许直径小于1.0mm温度探头插入，检测界面温度与散热器相变区温度，在蒸气拐管外壁焊接插入同规格的温度探头毛细管，检测蒸气区温度，在热移散热器散热翅片折中处焊接温度探头毛细管，检测散热器表面温度，在冷凝拐管或汇流管焊温度探头毛细管，检测回流温度，在工质配方达到标定比例与剂量下，芯片从开始工作时起，热移管筏面内工质就将界面热量几尽吸收，单沸进而共沸爆发相变，由热移管筏承受其压力，并在节流管作用下，将热量以近即时速度单向移至蒸气拐管，由此构成热移散热器。

2.根据权利要求1所述的热移散热器，其特征是：采用壁厚为0.8mm标准管，通过模具挤压成内径保持为圆形管外壁带有侧翼(3)的热移管(1)，与半导体芯片排热界面接触的热移散热器底面由热移管并排至热移管筏面(2)构成，管壁轴向两侧翼底面与去掉弓形管壁的弦平面连成管平面，弦平面中心线与热移管内径厚度为0.5mm，该规格管平面大于外径2.0mm，根据界面宽度需要，计算出所需热移管数量，以管平面小于0.2mm间距并列起来形成热移管筏面的长宽度，热移管内壁具有间距为0.2mm凹凸为0.2mm的螺纹线(4)，贴内壁附着60目筛网(5)，利用张力吸附液态工质于内壁以利提高爆发速度，并避免重力影响，热移管一端面为蒸气出口端(6)连接U形循环热管中的蒸气拐管(7)的下端，同类成区，蒸气拐管的上端连接冷凝管(8)，冷凝管连接冷凝拐管(9)上端，冷凝拐管下端连接汇流管(10)，冷凝工质通过冷凝拐管进入汇流管，汇流管上并联排布节流管(11)，由节流管插入热移管另一端面即进缩口端(12)，形成封闭循环管路，节流管内径与热移管内径比为1∶6，依工质配方与循路不同而定，根据所需散热功率穿插分布分布散热翅片(13)，冷凝管错位穿插，以利吹风，在热移管轴向距管壁内径0.5mm的侧翼内，设有热移管筏温度探头孔道(14)，该孔道与界面相切，仅允许直径小于1.0mm温度探头插入，检测界面温度与散热器相变区温度，在蒸气拐管外壁焊接插入同规格的温度探头毛细管(15)，检测蒸气温度，在热移散热器散热翅片折中处焊接温度探头毛细管(15)，检测散热器表面温度，在冷凝拐管上焊接温度探头毛细管(15)，检测回流温度，在工质配方达到标定比例与剂量下，芯片从开始工作时起，热移管筏将界面热量就几尽吸收，单沸进而共沸爆发相变，由热移管筏承受其压力，并在节流管作用下，将热量以近即时速度单向移至蒸气拐管，由此构成热移散热器。

3.根据权利要求1所述的热移散热器，其特征是：根据半导体芯片型号及其排热面的面积，来决定选用相应规格的热移管(1)管平面并排构成热移管筏面(2)所需的接触底面，热移管一端面为蒸气出口端(6)连接U形循环热管中的蒸气拐管(7)的下端，同类成区，蒸气拐管的上端连接冷凝管(8)，冷凝管连接冷凝拐管(9)上端，冷凝拐管下端连接汇流管(10)，冷凝工质通过冷凝拐管进入汇流管，汇流管并联排布节流管，由节流管插入热移管另一端面即进缩口端，形成封闭循环管路，节流管内径与热移管内径比为1∶5，虽管路在结构上是并联管路，但工质流在循环过程中，通过汇流管也发生串联，因此，在空间允许下，热移管筏面大于半导体芯片与器件的排热面，依照插片式流体换热器制造方法，根据所需散热功率穿插分布散热翅片(13)，冷凝管错位穿插，以利吹风，在热移管筏两侧焊接与半导体芯片排热面接触的装卡框(16)，由此构成插片式热移散热器。

4.根据权利要求1所述的热移散热器，其特征是：根据半导体芯片型号及其排热面的面积，来决定选用相应规格的热移管(1)管平面并排构成热移管筏面(2)所需的接触底面，热移管除侧翼(3)外，同时一次性挤压出散热翅片(13)，热移管除管平面并列成筏面接触芯片排热面外，利用其侧翼底面与弦平面分散贴于外壳(17)散热，然后用蒸气拐管(7)一端插入贴芯片的蒸气出口端(6)，另一端插入到贴外壳的充当冷凝管(8)的入口，同样，冷凝拐管(9)一端插入冷凝管连接，另一端插入汇流管(10)连接，冷凝工质汇流后，由节流管插入热移管进缩口端，节流管内径与热移管内径比为1∶6，形成封闭循环管路，由此构成插管式热移散热器。

5.根据权利要求1所述的热移散热器，其特征是：根据大功率半导体器件型号及其排热面的面积，来决定选用相应规格的热移管(1)管平面并排构成热移管筏面(2)所需的接触底面，热移管同时挤压出双侧翼(3)，一面侧翼与器件排热面贴合，另一面侧翼与外壳(17)相贴，热移管一端面为蒸气出口端(6)连接U形循环热管中的双蒸气拐管(7)，蒸气拐管的上端连接冷凝管(8)，冷凝管穿插在散热翅片(13)中，T字形冷凝拐管(9)上端与两侧冷凝管连接，冷凝拐管下端连接汇流管(10)，汇流管对称串联排布节流管(11)，节流管先插入进缩口端(12)后，再分流插入热移管另一端面，节流管内径与热移管内径比为1∶4，虽节流管在汇流管分布上是串联，但工质流在循环过程中，通过汇流管也发生并联，形成封闭“8”字循环管路，其中混合既插片又插管两种制造方法，由此构成混合式热移散热器。