CN110010569A - 一种用于电子芯片散热的梯度尺度孔隙烧结芯均热板换热器及其均热板换热器的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于电子芯片散热的梯度尺度孔隙烧结芯均热板换热器及其均热板换热器的制备方法，属于电子芯片散热技术领域，均热板换热器由烧结芯均热板、散热肋片及散热风扇组成，均热板壳体内填充有梯度尺寸孔隙烧结芯，均热板的腔室顶部铣有脉络状槽道，均热板外侧顶部焊接有肋片，并与散热风扇固定安装，且在均热板底部的中心区域与芯片接触，带走其释放的热量；梯度尺度孔隙烧结芯与顶部脉络状微槽道共同作用，有利于蒸汽快速扩散至冷壁面，有利于冷凝液在强大毛细抽吸力作用下以较小的阻力回流至均热板底部中心区域的受热区域；有利于强化沸腾及冷凝化热能力，并可增加沸腾及冷凝换热面积，可以大大提高烧结芯换热的传热能力并且拓展适用环境。
Description
技术领域
本发明属于电子芯片散热技术领域，涉及一种热管换热器，具体的说是涉及一种为提高传热效果而采用梯度尺度孔隙烧结芯结构的气液两相流相变换热器及均热板换热器的制备方法。
背景技术
随着电子技术迅速发展，电子芯片的高频、高速以及集成电路的密集化和小型化，散热问题己成为制约电子技术发展的主要因素之一。因此，电子芯片散热技术研究日益重要。在受限空间结构中，迫切需要发展小型化、无泵驱动的新型高效热控器件。
现有的芯片散热已经包含了多种形式。例如，利用各种形状的扩展肋片，采用自然或强制对流方式散热，但是这种方式散热能力较弱，不适合于高功率密度的电子芯片热控。又例如，采用液体冷却技术，虽然换热能力较强，但是需要消耗额外泵功，同时系统构成复杂，可靠性降低，从而限制了此方法的应用。
由于均热板具有极高的导热性、优良的等温性、热流密度可变性、恒温特性环境的适应性、安全可靠等优良特点，可以满足电子芯片设备对散热装置紧凑、高散热效率、可靠等要求，已经在电子芯片换热器中得到的应用，成高功率密度电子芯片热控管理的重要手段。烧结芯是均热板实现其诸多优良热性能的重要组成部分。现有均热板中的烧结芯主要通过一次烧结成型的方法，其内部孔隙尺度均匀。在均热板工作过程中，内部烧结芯中的孔隙结构既是蒸汽及冷凝液的流动通道，又为冷凝液回流提供毛细抽吸力。这样烧结芯的设计就存在一个难以克服的矛盾，即为使蒸汽及冷凝液流动顺畅，需增大烧结芯孔隙尺寸，以减小流动阻力，而为足够毛细抽吸力以使冷凝液回流，增强均热板内工作循环动力，需减小烧结芯孔隙尺寸。就均热板工作时的工作循环过程而言，二者矛盾的统一体，均匀尺度毛细芯难以很好的兼顾二者需求，同时不利于均热板降低启动工作温度、提高极限热流密度和减少温度波动。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术的缺点和不足，提出一种用于电子芯片散热的梯度尺度孔隙烧结芯均热板换热器，通过该换热器能够有效改善蒸汽-冷凝液工质循环，降低启动温度，提高传热极限。
本发明的技术方案是：一种用于电子芯片散热的梯度尺度孔隙烧结芯均热板换热器，其特征在于：所述换热器由散热风扇、脉络状散热片和烧结芯均热板组成；所述烧结芯均热板内由均热板基板和均热板盖板形成了中空腔室结构，所述中空腔室内设有梯度尺寸孔隙烧结芯，所述梯度尺寸孔隙烧结芯分三层，由小尺寸烧结芯层、中尺寸烧结芯层和大尺寸烧结芯层构成，所述小尺寸烧结芯层靠近电子芯片设置，所述均热板盖板的一面设有脉络状槽道，所述脉络状槽道由槽道主枝和槽道分枝构成，所述槽道主枝由盖板中心向四周分布，所述槽道分枝分布在槽道主枝的两侧，所述均热板盖板与均热板基板紧固连接，所述脉络状槽道所在面与所述梯度尺寸孔隙烧结芯贴合，所述均热板盖板的另一面为光板结构，所述脉络状散热片与所述脉络状槽道的结构相同，所述脉络状散热片固定设置在均热板盖板的光板面上，所述脉络状散热片的位置与脉络状槽道位置相对应，所述散热风扇和脉络状散热片通过螺栓与均热板壳体紧固连接。
所述烧结芯均热板的壳体由均热板基板和均热板盖板两部分组成，均热板基板为5～12mm的金属基板，在均热板基板上铣出3～10mm的槽，槽内部填充梯度孔隙烧结芯；均热板盖板为2～3mm的金属盖板，均热板盖板一面铣有脉络状槽道，另一面焊接设有横截面形状与槽道相同的脉络状散热片，脉络状散热片是高度为15～30mm的金属散热肋片。
所述梯度尺寸孔隙烧结芯由不同粒径的金属粉末采用松装烧结而成，小尺寸烧结芯层的粉末粒径为20～50微米，中尺寸烧结芯层的粉末粒径为50～100微米，大尺寸烧结芯层的粉末粒径为100～200微米。
所述均热板壳体内部的烧结芯采用由内至外呈放射状分布的3层烧结芯结构；或呈上下平行分布的3层烧结芯结构。
所述脉络状槽道由4支相同多级分叉槽道沟槽组成，分别占据槽道区域的1/4，分叉槽道从盖板中心引出，各级槽道深度相同；1级槽道无分叉，其长度为L 1，宽度为W 1；从第2级起，槽道包含槽道主枝15和槽道分枝16，各级主枝的轴线与第一级槽道轴线重合，各级主枝与分支间夹角θ范围为5°～85°；各级主枝长度相等，即L 1=L 2=L 3=L 4=…=L n，分支延伸至均热板腔室边缘；主枝与分支宽度相同，且各级宽度与上级宽度满足Murray定律，即W n 3 =3W n+1 3，n = 1，2，3，4，……。
所述烧结芯均热板内充注并封装有受热后可发生相变的液体工作介质，被充注的工作介质体积占均热板内部腔体体积的40%～60%。
所述脉络状散热肋片表面设置有表面微凸起，表面微凸起的截面采用半圆形、矩形、三角形或梯形中的一种，以强化冷空气吹拂散热肋片表面的扰动，并进一步增加肋片的散热面积，强化冷空气与肋片间的换热。
一种用于电子芯片散热的梯度尺度孔隙烧结芯均热板换热器的制备方法，方法如下：
(1)在均热板基板铣出壁厚1～3mm，深3～10mm的槽，同时在侧壁加工工质充液孔；
(2)采用粉末松装烧结方法利用粒径20～50微米的金属粉末在槽底部烧结小尺度孔隙烧结芯，随后依次利用粒径为50～100微米的金属粉末烧结中尺度孔隙烧结，利用粒径为100～200微米的金属粉末烧结大尺度孔隙烧结芯，并使梯度尺度孔隙烧结芯填满基板槽内；
(3)采用激光雕铣、电火花加工、光刻等工艺在均热板盖板加工脉络状槽道(14)；
(4)将烧结有梯度尺度孔隙烧结芯的均热板基板与加工有脉络状槽道的均热板盖板焊接，并检验气密性；
(5)盖板与基板焊接后，将均热板内的压强抽至10-3Pa以下，并向均热板内充注工作介质，充注完成后将充液孔密封，以保证均热板气密性。
本发明的有益效果为：本发明提出的一种用于电子芯片散热的梯度尺度孔隙烧结芯均热板换热器及其均热板换热器的制备方法，其结构新颖，制备原理清晰，均热板换热器由烧结芯均热板、散热肋片及散热风扇组成，均热板壳体内填充有梯度尺寸孔隙烧结芯，均热板的腔室顶部铣有脉络状槽道，均热板外侧顶部焊接有肋片，并与散热风扇固定安装，且在均热板底部的中心区域与芯片接触，带走其释放的热量；均热板内填充有多孔隙尺度的毛细烧结芯；梯度尺度孔隙烧结芯与顶部脉络状微槽道共同作用，有利于蒸汽快速扩散至冷壁面，同时有利于冷凝液在强大毛细抽吸力作用下以较小的阻力回流至均热板底部中心区域的受热区域；烧结芯可增加工质蒸发及冷凝过程中的气化和液化核心，有利于强化沸腾及冷凝化热能力，并可增加沸腾及冷凝换热面积。脉络状槽道还可以扩大蒸汽与均热板冷壁面接触接触面积，以强化换热。由于烧结芯的存在，使该均热板换热器可以在微重力甚至于逆重力的环境中使用，可以大大提高烧结芯换热的传热能力并且拓展适用环境。
附图说明
图1 为本发明的整体外形示意图。
图2 为本发明的整体三维分解示意图。
图3 为本发明的针对单一或集中分布芯片的换热器工作原理示意图。
图4 为本发明的针对分散布置芯片的换热器工作原理示意图。
图5 为本发明的针对单一或集中分布芯片的梯度尺度烧结芯均热板整体剖视示意图。
图6为本发明的针对分散布置芯片的梯度尺度烧结芯均热板整体剖视示意图。
图7 为本发明的盖板立体示意图。
图8 为本发明的盖板俯视示意图。
图9 为本发明的脉络状肋片外形示意图。
图中：散热风扇1、脉络状散热片2、烧结芯均热板3、均热板盖板4、均热板基板5、大尺寸烧结芯层6、中尺寸烧结芯层7、小尺寸烧结芯层8、电子芯片9、热量传递路径10、相变传热工质蒸汽传输路径11、相变传热工质冷凝液传输路径12、冷却空气13、脉络状槽道14、槽道主枝15、槽道分支16、散热风扇固定孔17、散热肋片表面微凸起18。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图1所示，本发明所涉及的适用于电子芯片散热的梯度尺度孔隙烧结芯均热板换热器由散热风扇1、脉络状散热肋片2和烧结芯均热板3组成，如图1及图2所示。为降低换热器重量，均热板壳体及脉络状散热肋片根据实际情况加工，可采用铝合金加工，也可采用铜等其他金属材料。均热板内含有梯度尺度孔隙的烧结芯。均热板内充注并封装有受热后可以发生相变的液体工作介质，如丙酮、酒精、氨水、制冷剂、电子氟化液等。为保证烧结芯均热板优良的传热性能，被充注的工作介质体积占均热板内部腔体体积的40%～60%。
适用于电子芯片散热的梯度尺度孔隙烧结芯均热板换热器工作过程及原理如图3及图4所示。对于单一或集中分布芯片为，芯片工作过程中产生的热量均热板基板5壁面传递至分散在烧结芯内的相变工作介质；工作介质受热蒸发/沸腾，蒸汽通过烧结芯孔隙沿蒸汽传输路径11输送至均热板上部盖板4(冷壁面)，并通过均热板盖板上的脉络状槽道14充分扩散以与冷壁面接触；蒸汽在冷壁面将携带自芯片的热量释放后凝结，冷凝液在吸液芯的毛细抽吸作用下沿所示的冷凝液传输路径12回流至小尺度烧结芯层8；回流的冷凝液受热后继续蒸发/沸腾，蒸汽在上部盖板区域凝结释放热量后回流，如此循环往复，不断将芯片热量带走；蒸汽凝结释放的热量通过盖板4，一部分传导至脉络状散热肋片，通过肋片表面与冷却空气13以对流换热方式散发到外界环境中，另一部分则在盖板4外表面直接与冷却空气13以对流换热方式散发到外界环境中。对于分散分布的芯片，散热器的工作过程与原理与单一或集中分布芯片条件下的散热器相似，主要区别在与均热板内蒸汽及冷凝液的输运方式。
本发明所涉及的均热板内布置有梯度尺度孔隙的烧结芯。远离芯片而靠近散热肋片处为大尺度孔隙烧结芯层6，靠近芯片处为小尺度孔隙烧结芯层8。在梯度尺度孔隙烧结芯中，小尺度孔隙烧结芯层8可以强化工质沸腾传热，同时为冷凝液回流提供强大抽吸力；大尺度孔隙烧结芯层6可以提高烧结芯的渗透率，减小蒸汽在烧结芯内扩散，及冷凝回流至均热板受热区域的阻力。这样均热板内烧结芯可以保证均热板高效运行，强化其换热能力。针对不同的芯片布置方式，本发明在均热板内部采用了不同的梯度孔隙烧结芯结构布置方式。如图5所示，对于单一或集中分布芯片，均热板内的3层烧结芯为内至外呈放射状分布；如图6所示，对于分散布置芯片，均热板内的3层烧结芯呈上下平行分布。
本发明所涉及的均热板盖板4加工有脉络状槽道14，如图7及图8所示。槽道由4支相同多级分叉槽道沟槽组成，分别占据槽道区域的1/4。分叉槽道级数可根据实际情况确定，本发明以级数为4进行示意。分叉槽道从盖板中心引出，各级槽道深度相同；1级槽道无分叉，其长度为L 1，宽度为W 1；从第2级起，槽道包含主枝15和分支16，各级主枝的轴线与第一级槽道轴线重合，各级主枝与分支间夹角θ范围为5°-85°；各级主枝长度相等，即L 1=L 2=L 3=L 4=…=L n，分支延伸至均热板腔室边缘；主枝与分支宽度相同，且各级宽度与上级宽度满足Murray定律，即W n 3 = 3W n+1 3，n = 1, 2, 3, 4,……。
梯度尺度孔隙烧结芯均热板的制作方法如下：在均热板盖板铣出壁厚1～3mm，深3～10mm的槽，同时在侧壁加工工质充液孔；采用粉末松装烧结方法利用粒径20～50微米的金属粉末在槽底部烧结小尺度孔隙烧结芯8，随后依次利用粒径为50～100微米的金属粉末烧结中尺度孔隙烧结7，利用粒径为100～200微米的金属粉末烧结大尺度孔隙烧结芯6，并使梯度尺度孔隙烧结芯填满基板槽内；采用激光雕铣、电火花加工、光刻等工艺在均热板盖板加工脉络状槽道14；将烧结有梯度尺度孔隙烧结芯的均热板基板5与加工有脉络状槽道的均热板盖板4焊接，并检验气密性；盖板与基板焊接后，将均热板内的压强抽至10-3Pa以下，并向均热板内充注工作介质，充注完成后将充液孔密封，以保证均热板气密性。
本发明脉络状散热肋片2与脉络状槽道14具有相似的截面形状。为强化冷空气吹拂散热肋片表面的扰动，并进一步增加肋片的散热面积，以强化冷空气与肋片间的换热，在脉络状散热肋片2表面设置有表面微凸起18，此表面微凸起的截面可以是半圆形、矩形、三角形、梯形等，本实施方式中以半圆形截面为例。
为便于固定安装散热风扇1，在与风扇安装螺孔对应的肋片位置设置有散热风扇固定孔17。脉络状散热肋片2采用挤压成型方法生产，按照实际需要切割为所需长度，然后与均热板焊接在盖板无槽道一侧，且脉络状散热肋片2的截面与脉络状槽道14的截面相对。
Claims (8)
1.一种用于电子芯片散热的梯度尺度孔隙烧结芯均热板换热器，其特征在于：所述换热器由散热风扇(1)、脉络状散热片(2)和烧结芯均热板(3)组成；所述烧结芯均热板(3)内由均热板基板(5)和均热板盖板(4)形成了中空腔室结构，所述中空腔室内设有梯度尺寸孔隙烧结芯，所述梯度尺寸孔隙烧结芯分三层，由小尺寸烧结芯层(8)、中尺寸烧结芯层(7)和大尺寸烧结芯层(6)构成，所述小尺寸烧结芯层(8)靠近电子芯片(9)设置，所述均热板盖板(4)的一面设有脉络状槽道(14)，所述脉络状槽道(14)由槽道主枝(15)和槽道分枝(16)构成，所述槽道主枝(15)由盖板中心向四周分布，所述槽道分枝(16)分布在槽道主枝(15)的两侧，所述均热板盖板(4)与均热板基板(5)紧固，所述脉络状槽道(14)所在面与所述梯度尺寸孔隙烧结芯贴合，所述均热板盖板(4)的另一面为光板结构，所述脉络状散热片(2)与所述脉络状槽道(14)的结构相同，所述脉络状散热片(2)固定设置在均热板盖板(4)的光板面上，所述脉络状散热片(2)的位置与脉络状槽道(14)位置相对应，所述散热风扇(1)和脉络状散热片(2)通过螺栓与均热板壳体(3)紧固连接。
2.根据权利要求1所述的一种用于电子芯片散热的梯度尺度孔隙烧结芯均热板换热器，其特征在于：所述烧结芯均热板(3)的壳体由均热板基板(5)和均热板盖板(4)两部分组成，均热板基板(5)为5～12mm的金属基板，在均热板基板(5)上铣出3～10mm的槽，槽内部填充梯度孔隙烧结芯；均热板盖板(4)为2～3mm的金属盖板，均热板盖板(4)一面铣有脉络状槽道，另一面焊接设有横截面形状与槽道相同的脉络状散热片(2)，脉络状散热片(2)是高度为15～30mm的金属散热肋片。
3.根据权利要求1所述的一种用于电子芯片散热的梯度尺度孔隙烧结芯均热板换热器，其特征在于：所述梯度尺寸孔隙烧结芯由不同粒径的金属粉末采用松装烧结而成，小尺寸烧结芯层(8)的粉末粒径为20～50微米，中尺寸烧结芯层(7)的粉末粒径为50～100微米，大尺寸烧结芯层(8)的粉末粒径为100～200微米。
4.根据权利要求1所述的一种用于电子芯片散热的梯度尺度孔隙烧结芯均热板换热器，其特征在于：所述烧结芯均热板(3)的壳体内部烧结芯采用由内至外呈放射状分布的3层烧结芯结构；或呈上下平行分布的3层烧结芯结构。
5.根据权利要求1所述的一种用于电子芯片散热的梯度尺度孔隙烧结芯均热板换热器，其特征在于：所述脉络状槽道(14)由4支相同多级分叉槽道沟槽组成，分别占据槽道区域的1/4，分叉槽道从盖板中心引出，各级槽道深度相同；1级槽道无分叉，其长度为L 1，宽度为W 1；从第2级起，槽道包含槽道主枝15和槽道分枝16，各级主枝的轴线与第一级槽道轴线重合，各级主枝与分支间夹角θ范围为5°～85°；各级主枝长度相等，即L 1=L 2=L 3=L 4=…=L n，分支延伸至均热板腔室边缘；主枝与分支宽度相同，且各级宽度与上级宽度满足Murray定律，即W n 3 = 3W n+1 3，n = 1，2，3，4，……。
6.根据权利要求1所述的一种用于电子芯片散热的梯度尺度孔隙烧结芯均热板换热器，其特征在于：所述烧结芯均热板(3)内充注并封装有受热后可发生相变的液体工作介质。
7.根据权利要求1所述的一种用于电子芯片散热的梯度尺度孔隙烧结芯均热板换热器，其特征在于：所述脉络状散热肋片(2)表面设置有表面微凸起(18)，表面微凸起(18)的截面采用半圆形、矩形、三角形或梯形中的一种，以强化冷空气吹拂散热肋片表面的扰动，并进一步增加肋片的散热面积，强化冷空气与肋片间的换热。
8.一种用于电子芯片散热的梯度尺度孔隙烧结芯均热板换热器的制备方法，其特征在于，制备权利要求1-5任一项所述的梯度尺度孔隙烧结芯均热板换热器，方法如下：
(1)在均热板基板(5)铣出壁厚1～3mm，深3～10mm的槽，同时在侧壁加工工质充液孔；
(2)采用粉末松装烧结方法利用粒径20～50微米的金属粉末在槽底部烧结小尺度孔隙烧结芯(8)，随后依次利用粒径为50～100微米的金属粉末烧结中尺度孔隙烧结(7)，利用粒径为100～200微米的金属粉末烧结大尺度孔隙烧结芯(6)，并使梯度尺度孔隙烧结芯填满基板槽内；
(3)采用激光雕铣、电火花加工、光刻等工艺在均热板盖板(4)加工脉络状槽道(14)；
(4)将烧结有梯度尺度孔隙烧结芯的均热板基板(5)与加工有脉络状槽道的均热板盖板(4)焊接，并检验气密性；
(5)盖板与基板焊接后，将均热板内的压强抽至10-3Pa以下，并向均热板内充注工作介质，充注完成后将充液孔密封，以保证均热板气密性。
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