CN110146956A - 一种光模块的内部热输运微结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光模块的内部热输运微结构，在各发热器件所处位置下方的PCB板内部刻蚀微水池，微水池中储存有液态冷却工质；在PCB板表面刻蚀用于液态冷却工质传输的微型流道Ⅰ，在PCB板表面刻蚀用于液态冷却工质与PCB板外部进行热交换的微型流道Ⅱ，微型流道Ⅰ、微型流道Ⅱ与各微水池联通，形成一条闭合的流体回路；将若干导热柱放置在各微水池中并贯穿PCB板，形成导热柱阵列，在与导热片相接的PCB板的一面上贴附石墨烯散热膜，该石墨烯散热膜分别与微型流道Ⅱ和各导热柱阵列相接触，从而实现各微水池与石墨烯散热片的连接。本发明解决了现有电子设备散热技术中遇到的问题，改善了电子设备的性能和稳定性。

Description

一种光模块的内部热输运微结构
技术领域
本发明属于光模块散热技术领域，特别涉及了一种光模块的热运输结构。
背景技术
随着数据通信和电信传输技术的快速发展，光网络信息容量激增，高速宽带光模块成为当前光通信领域的一大研究热点。高速信息传输带来的光模块的高能量密度需要更高效的散热方案，传统的冷却技术和散热集成装置已经无法满足需求，必须采用合适的散热方式和散热装置以确保高速光模块的正常工作。随着材料科学的发展，石墨烯作为一种易加工，有着优异的光学和热学特性，它具有很好的导热性，热阻比铜铝等金属低很多，是一种非常高效的散热材料。液体冷却也是种非常重要的散热方法，它常常被用于设备级别的冷却。但是随着PCB加工工艺的发展，可以直接在基板上刻蚀微通道以实现器件级别的液体辅助散热。当前还没有商用的液体冷却光封装装置，但是液体冷却在高端电脑/服务器市场已经引起重视，而且IBM已经主动在将液体冷却法推向市场，并推动在3D堆叠芯片结构中使用集成水冷微通道。
现有的利用微型结构改善散热的技术专利如：中国专利公布文献(公开号CN206449608U)《光模块散热结构》提出一种微型冷却单元，旨在提高光模块的散热效率；中国专利公布文献(公开号CN208047116U)《一种光模块散热装置》利用多层散热鳍片改善外置散热装置的散热性能；中国专利公布文献(公开号CN105188260A)《印刷电路板内嵌流道液冷换热装置》提出了在印刷电路板内嵌液冷流道来改善大功率器件的散热问题。
从以上现有散热技术可以看出，技术研究重点逐渐由分立式散热装置转移到内嵌电路板的集成散热装置，从而解决当前光模块散热技术冷却效率低、集成度低、热阻大、热交换与输运效率低等问题。而当前光模块散热技术中依然存在以下问题：
1、热交换热输运效率依然较低；
2、需要外接的流体泵为通道内的冷却工质提供动力，额外增加功率；
3、热输运路径规划不合理，没有形成完整的热输运路径；
4、对外接微泵的功率要求很高，现有微泵无法达到要求。
发明内容
为了解决上述背景技术提到的技术问题，本发明提出了一种光模块的内部热输运微结构。
为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：
一种光模块的内部热输运微结构，该光模块包括PCB板以及设置在PCB板上的发热器件和导热片，在各发热器件所处位置下方的PCB板内部刻蚀微水池，微水池中储存有液态冷却工质；在PCB板表面刻蚀用于液态冷却工质传输的微型流道Ⅰ，在PCB板表面刻蚀用于液态冷却工质与PCB板外部进行热交换的微型流道Ⅱ，微型流道Ⅰ、微型流道Ⅱ与各微水池联通，形成一条闭合的流体回路；将若干导热柱放置在各微水池中并贯穿PCB板，形成导热柱阵列，在与导热片相接的PCB板的一面上贴附石墨烯散热膜，该石墨烯散热膜分别与微型流道Ⅱ和各导热柱阵列相接触，从而实现各微水池与石墨烯散热片的连接。
基于上述技术方案的优选方案，所述微型流道Ⅰ和微型流道Ⅱ为毛细结构。
基于上述技术方案的优选方案，所述微型流道Ⅱ通过卷曲和/或弯折，以增大其与PCB板外部的热交换面积。
基于上述技术方案的优选方案，所述微型流道Ⅱ在弯折处为圆弧结构。
基于上述技术方案的优选方案，所述微型流道Ⅰ和微型流道Ⅱ的截面为圆形。
基于上述技术方案的优选方案，所述微水池的底面与侧面的连接处呈圆角结构。
基于上述技术方案的优选方案，所述导热柱为圆柱结构，导热柱阵列为矩形阵列。
基于上述技术方案的优选方案，石墨烯散热膜与导热柱阵列接触的面积和石墨烯散热膜与微型流道Ⅱ接触的面积大于石墨烯散热膜其他位置的面积。
基于上述技术方案的优选方案，所述液态冷却工质为温度5℃的纯净水；所述石墨烯散热膜为单层石墨烯；所述导热柱的材质为铜。
采用上述技术方案带来的有益效果：
(1)本发明提出的光模块热输运微结构可以实现高效的流体热输运，与其他光模块热输运方案相比拥有更高的热交换效率，改善光模块的性能与稳定性；
(2)本发明提出的光模块热输运微结构合理规划出完整的光模块散热路径，横向与纵向散热路径改善了光模块的热输运效率；
(3)本发明提出的微通道热输运方案使用毛细微通道可以借助流体自身的表面张力使流体回路中的流体工质缓慢流动，不再需要微流体泵驱动，进一步降低了光模块功耗。
附图说明
图1是本发明的立体示意图；
图2是本发明背部示意图；
图3是本发明内部热输运微结构示意图；
图4是本发明内部热输运微结构的剖面示意图；
图5是本发明热输运通道示意图。
标号说明：1、散热鳍片；2、PCB板；3、石墨烯散热膜；4、发热器件；5、微型流道；6、微型流道；7、微水池；8、微水池；9、微水池；10、导热柱阵列；11、导热柱阵列；12、导热柱阵列；13、导热片；14、发热器件；15、发热器件。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1-2所示，与传统光模块类似，在PCB板2的一侧设置发热器件4、14、15，在PCB板2的另一侧设置散热鳍片1，散热鳍片用于与PCB板2进行热交换，散热鳍片与PCB之间为导热片。
如图3-4所示，相对于发热器件4、14、15，在PCB板2内部刻蚀3个微水池7、8、9，微水池内存储有液态冷却工质。在PCB板表面刻蚀用于液态冷却工质传输的微型流道5，在PCB板表面刻蚀用于液态冷却工质与散热鳍片1进行热交换的微型流道6。在3个微水池中分别设置贯穿PCB板2的导热柱阵列10、11、12。在与导热片13相接的PCB板的一面上贴附石墨烯散热膜3，该石墨烯散热膜3分别与微型流道6和3个导热柱阵列相接触，从而实现3个微水池与石墨烯散热片的连接。3个微水池7、8、9与微型流道5、6相互联通，形成一条闭合的流体回路。
在本实施例中，采用如下优选技术方案：
1、微型流道5和6均为毛细结构，可以借助流体自身的表面张力使流体回路中的流体工质缓慢流动。
2、微型流道6在PCB板的热交换区多次弯折，且折角为圆弧结构，这是为了加大热交换面积，同时减小液态工质的流动阻力。
3、微型流道5和6的截面均为圆形，这是为了避免液态冷却工质在工作时由于浓度不均匀或者室内流速不同导致在边角处发生液态工质溶质堆积而堵塞微型流道5和6。
4、微水池可以根据发热器件的形状刻蚀成不同形状，其底面与侧面的连接处呈圆角结构。
5、导热柱阵列起支撑和导热作用，导热柱为圆柱结构，这是因为圆柱体对流体回路中的流体流动阻力较小，同时具有比较高的热交换面积。而形成的导热柱阵列为矩形阵列。
6、石墨烯散热膜与导热柱阵列接触的面积和石墨烯散热膜与微型流道Ⅱ接触的面积明显大于石墨烯散热膜其他位置的面积，这样是为了充分利用石墨烯散热膜高效的单向导热性，构筑第二条横向热输运路径。
7、液态冷却工质采用温度5℃的纯净水；石墨烯散热膜采用单层石墨烯；导热柱的材质为铜。
如图5所示，在工作时，液态冷却工质在微水池7、8、9、微形流道5、6组成的闭合流体回路中由自身的毛细作用驱动缓慢流动。发热器件4、14、15产生的热量首先被传送并储存到它们下方的微水池7、8、9中的液态冷却工质，液态冷却工质首先与微水池7、8、9中的导热柱阵列10、11、12进行热交换，一部分热量通过导热柱阵列10、11、12所构筑的纵向热输运通道将热量传送到石墨烯导热膜3，石墨烯导热膜3构筑起一条横向热输运通道将热量输运到PCB板热交换区。同时随着液态冷却工质的缓慢流动，微型流道5构筑另一条横向热输运通道，将热量输运到位于PCB板热交换区的微型流道6，并与导热片13完成与外界的热交换，将热量传输到外部。
在实际应用中，该光模块热输运微结构通过电子设备的外壳或封装后与导热片接触，在导热片与电子设备外壳之间以及电子设备外壳与微结构之间填充导热酯等材料减少热阻，这对本发明的散热效果有进一步的改善作用。
实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (9)

1.一种光模块的内部热输运微结构，该光模块包括PCB板以及设置在PCB板上的发热器件和导热片，其特征在于：在各发热器件所处位置下方的PCB板内部刻蚀微水池，微水池中储存有液态冷却工质；在PCB板表面刻蚀用于液态冷却工质传输的微型流道Ⅰ，在PCB板表面刻蚀用于液态冷却工质与PCB板外部进行热交换的微型流道Ⅱ，微型流道Ⅰ、微型流道Ⅱ与各微水池联通，形成一条闭合的流体回路；将若干导热柱放置在各微水池中并贯穿PCB板，形成导热柱阵列，在与导热片相接的PCB板的一面上贴附石墨烯散热膜，该石墨烯散热膜分别与微型流道Ⅱ和各导热柱阵列相接触，从而实现各微水池与石墨烯散热片的连接。
2.根据权利要求1所述光模块的内部热输运微结构，其特征在于：所述微型流道Ⅰ和微型流道Ⅱ为毛细结构。
3.根据权利要求1所述光模块的内部热输运微结构，其特征在于：所述微型流道Ⅱ通过卷曲和弯折以增大其与PCB板外部的热交换面积。
4.根据权利要求3所述光模块的内部热输运微结构，其特征在于：所述微型流道Ⅱ在弯折处为圆弧结构。
5.根据权利要求1所述光模块的内部热输运微结构，其特征在于：所述微型流道Ⅰ和微型流道Ⅱ的截面为圆形。
6.根据权利要求1所述光模块的内部热输运微结构，其特征在于：所述微水池的底面与侧面的连接处呈圆角结构。
7.根据权利要求1所述光模块的内部热输运微结构，其特征在于：所述导热柱为圆柱结构，导热柱阵列为矩形阵列。
8.根据权利要求1所述光模块的内部热输运微结构，其特征在于：石墨烯散热膜与导热柱阵列接触的面积和石墨烯散热膜与微型流道Ⅱ接触的面积大于石墨烯散热膜其他位置的面积。
9.根据权利要求1所述光模块的内部热输运微结构，其特征在于：所述液态冷却工质为温度5℃的纯净水；所述石墨烯散热膜为单层石墨烯；所述导热柱的材质为铜。
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