CN110199446A - 包括合成金刚石材料的散热器 - Google Patents

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Abstract

一种散热器，其包括散热片(2)，所述散热片由合成金刚石制成并且具有用于安装一个或多个例如激光盘(8)的待冷却部件的前表面和用于直接流体冷却(10)的后表面。多个肋状件(4、7)接合到散热片(2)的后表面以便加强散热片的刚度。散热片和多个肋状件都由合成金刚石材料形成。肋状件(4、7)可以通过钎焊接合(6)而固定到散热片。

Description

包括合成金刚石材料的散热器
技术领域
本发明涉及一种包含合成金刚石材料的散热器，并且涉及一种包括散热器的散热器组件。
背景技术
本领域中已知包含合成金刚石材料的散热器。合成金刚石材料有利地用于散热器，原因在于所述合成金刚石材料具有极高的导热性，从而允许从热点有效地扩散热量并且有效地将热量从发热部件传递到流体冷却剂。合成金刚石材料在这些应用中也是有利的，这是因为所述合成金刚石材料具有低的热膨胀系数和高刚性，因此它们具有机械稳定性和几何稳定性，并且即使暴露于大的温度变化时也只发生较低的热变形。这些特征的组合在诸如需要精确几何形状以及高效热性能的激光系统的光学应用中尤为有用。在这样的系统中，诸如激光盘和反射镜的光学部件产生高温，因此需要进行高效冷却，同时还保持精确的光学几何形状以便保持性能。在US2015/0171586中描述了包括金刚石散热器的固态激光器系统的示例。类似的标准也适用于高功率半导体应用。
虽然合成金刚石散热器已经使得能够开发更高功率的光学和半导体系统，但下一代系统正在挑战当前的合成金刚石散热器在热性能和机械稳定性方面的极限。
本发明的实施例的目的是提供一种经济的解决方案，以提供具有改善的刚度和改善的传热性能的散热器。
发明内容
如背景技术部分所述的那样，散热器在热负荷和冷却负荷下需要不发生扭曲变形。这意味着散热器需要是刚性的并且具有将热量传递到流体冷却剂中的良好热传递性能。
通过形成较厚的合成金刚石材料的板或者经由所述合成金刚石材料的板的主面将两个或更多个合成金刚石材料的板接合在一起可以增加合成金刚石散热器的刚度。这两种解决方案由于需要大量的金刚石材料而都具有显著增加成本的缺点。此外，很难形成非常厚的合成金刚石材料板，并且可以形成的单一的合成金刚石板的厚度存在上限。此外，通过金刚石板的主面将两个或更多个金刚石板接合在一起导致大量的粘合剂，所述粘合剂在金刚石部件内引入热障(thermal barrier)并且降低热负荷下的机械稳定性。从发热部件到流体冷却剂的热传递效率降低。
通过在合成金刚石散热器的后流体冷却表面上加工槽或其他表面特征可以增加从发热部件到流体冷却剂的热传递的效率。US 2003/0183368描述了一种金刚石散热器，其中肋片被激光切割成菱形基板，从而允许从散热肋片传递更多的热量。然而，这种方法仅在部件的刚度不是主要考虑因素时才是实用的，这是因为将肋片切割成菱形会显著降低散热器部件的整体刚度。当暴露于温度变化时，这样的部件更易于变形，因此不适用于诸如激光系统的光学应用。
根据本发明的第一方面，提供一种散热器，其包括：
散热片，其具有用于安装一个或多个待冷却部件的前表面和用于直接流体冷却的后表面；和
多个肋状件，其接合到散热片的后表面以便加强散热片的刚度，
其中散热片和多个肋状件都由合成金刚石材料制成。
根据本发明的第二方面，提供了一种散热器组件，其包括：
根据本发明第一方面的合成金刚石散热器，所述散热器包括：散热片，所述散热片具有前表面和后表面；以及多个肋状件，所述多个肋状件接合到散热片的后表面以便加强散热片的刚度；
发热部件，其接合在散热片的前表面上；和
流体冷却系统，其构造成将流体输送到散热片的后表面。
本发明特别适于独立式合成金刚石散热器，所述独立式金刚石散热器被直接流体冷却而不是安装在本身被流体冷却的固体支撑基底上。在合成金刚石散热片的后表面上设置多个合成金刚石肋状件改善了散热片的刚度并且改善了从散热片到流体冷却剂的热传递。此外，与提供单个厚的合成金刚石材料的板或提供接合在一起的多个合成金刚石材料的较薄的板相比，需要较少的金刚石，从而降低了成本。此外，由于与其中经由主面来将两个或更多个合成金刚石的板进行接合的解决方案相比，使用肋状件减小了接合面积，因此减少了热障阻和热稳定性的问题。
由合成金刚石材料形成散热片和多个肋状件提供了肋状件和散热片之间的导热性、刚度和热膨胀系数匹配的最佳组合。
作为选择，肋状件通过钎焊接合而接合到后表面。
散热片可选地具有介于0.8mm至4.5mm之间的厚度，并且肋状件可选地具有在相同范围内的厚度。
为了确保后表面和肋状件之间的良好接触，散热片的后表面至少在肋状件接合的区域上可选地具有小于10微米的平面度。该平面度可选地小于2微米。可选地，每个肋状件均具有接合到散热片的后表面的交界表面，该交界表面具有小于10微米或小于2微米的平面度。
散热片的前表面可选地至少在前表面的一部分上具有凸起或凹入的曲率。
散热片的前表面可选地在前表面的全部或一部分上包括反射涂层。
多个肋状件可选地以轴向对称形式设置在散热片的后表面上，以便确保部件的刚度在任何轴向方向上都是均匀的。
在具体实施方式中描述了包括其他的可选和优选特征的本发明的实施例。
附图说明
为了更好地理解本发明并示出如何实现本发明，现在将仅通过示例的方式参照附图来描述本发明的实施例，其中：
图1(a)和图1(b)示出了根据本发明的实施例的散热器的示意图；
图2示出了根据本发明的另一实施例的散热器的示意图；和
图3示出了散热器组件的示意图，该散热器组件包括发热部件、散热器和流体冷却系统。
具体实施方式
如发明内容部分所述，本发明的一个方面涉及散热器的制造，所述散热器包括：
散热片，其具有用于安装一个或多个待冷却部件的前表面和用于直接流体冷却的后表面；和
多个肋状件，该多个肋状件接合到散热片的后表面以便加强散热片的刚度，
其中散热片和多个肋状件都由合成金刚石材料制成。
为了制造这种散热器，散热片的后表面至少在要与肋状件接合的区域上可以被加工处理成小于10微米、优选地小于2微米的平面度。每个肋状件均具有待接合到散热片的后表面的交界表面。这些交界表面也可以被加工处理成小于10微米、优选地小于2微米的平面度。然后可以通过例如钎焊接合或金属扩散接合将多个肋状件接合到散热片的后表面。例如，可以使用活性碳化物形成钎焊接合，例如是含有钛的碳化物或者形成用于接合到金刚石的组分的替代的碳化物。如果合成金刚石用于散热片和肋状件两者，则由于不存在热膨胀系数不匹配而可以使用高温钎焊接合。
散热片的厚度可以介于0.8mm至4.5mm之间。通常，本发明的实施例将能够应用于需要相对较厚、较硬的散热器但成本或合成能力却阻止较大厚度的情况。肋状件也可以具有介于0.8mm至4.5mm之间的厚度。肋状件厚度通常不会显著超过散热片的厚度，以避免需要形成较厚的金刚石材料，这具有挑战性且昂贵。有利地，散热片和肋状件将具有相同的厚度，因此可以使用相同的合成工艺形成。替代地，每个肋状件均可以包括接合在一起(例如，经由钎焊接合)的多于一层的金刚石材料。目前，以成本有效的方式生产具有高厚度(例如，超过约4.5mm)的散热片具有挑战性。将肋状件接合到散热片使散热片的刚度远大于没有肋状件的散热片的刚度，因此使散热片适于更高功率的光学和半导体系统。
由于肋状件的横向尺寸显著小于散热片的横向尺寸，因此在保持所需刚度的同时实现了金刚石材料的更有效使用。肋状件的横向尺寸应足够大，以便提供足够的钎焊面积和接合强度。此外，肋状件的间距应足够小，以便在热负荷和冷却负荷下达到所需的刚度水平。例如，肋状件之间的间隔可以与散热片的厚度大致相同。对于某些应用，有利的是多个肋状件在散热片的后表面上以轴向对称的形式构造。例如，这在许多光学应用中是有利的，因此例如激光腔内的任何光学畸变是对称的，并且散热片的抗弯强度基本上是均匀的而与测量抗弯强度的轴向方向无关。
散热片的前表面可以被加工成至少在前表面的一部分上具有凸起或凹入的曲率。例如，可以提供凹曲率以提供凹面镜部件。或者，略微凸起的曲率可有利于在接合到上覆部件时确保良好的接触。散热片的前表面还可以包括用于许多光学应用的反射涂层。
图1(a)和图1(b)示出了根据本发明实施例的散热器的示意图。散热器包括合成金刚石散热片2，其中，合成金刚石肋状件4接合到合成金刚石散热片的后表面，如图1(a)中的平面图所示。图1(b)示出了散热器的横截面视图，其示出了经由钎焊接合6而接合到散热片2的肋状件4。
图1(a)和图1(b)所示的实施例包括类似于车轮辐条以径向分布的六个肋状件。图2示出了根据本发明的另一实施例的散热器的示意图。该实施例还包括合成金刚石散热片2，所述散热片具有经由钎焊接合而接合到其后表面的肋状件。这里，并非使用细长的肋状件，而是分布多个较小(较短)的合成金刚石材料7以便形成每个主要的支撑肋状件。可以使用例如来自用于制造散热片过程中的钻石的边脚料来制造这种构造，所述边脚料否则将被丢弃。因此，该方法可以利用更多分量的金刚石材料，从而减少浪费并降低制造成本。
可以使用如本文所述的散热器构造来构建散热器组件。图3示出了这种散热器组件的示例的示意图。该散热器组件包括如本文所述的散热器，所述散热器包括具有前表面和后表面的散热片2以及多个肋状件4，所述多个肋状件经由钎焊接合6而接合到散热片的后表面以便加强散热片2的刚度。发热部件8接合到散热片的前表面。例如，发热部件8可以是包括激光激活介质或反射结构(即镜子)的激光盘。流体冷却系统10构造成将流体输送到散热片的后表面。
尽管优选地，散热片和多个肋状件都由整体式合成金刚石材料形成，以便提供肋状件和散热片之间的导热性、刚度和热膨胀系数匹配的最佳组合，但是还设想了可以通过将合成金刚石加强的肋状件应用于由不同材料形成的散热片来实现的一些益处。替代地，还可以设想，如果例如合成金刚石散热片相对较薄，则可以通过将非金刚石加强的肋状件应用于合成金刚石散热片以便加强散热片的刚度来实现一些益处。替代的材料可以包括蓝宝石和硒化锌。例如，可以使用金刚石肋状件来加强蓝宝石或硒化锌基底的刚度。
术语“刚度”在本文中用于指在给定载荷下的部件对挠曲的抵抗力。部件的刚度不仅取决于部件材料的杨氏模量，还取决于部件被如何加载以及部件的尺寸和形状。出于在高功率光学或半导体应用中使用散热片的目的，抗弯刚度至关重要。具有多个与其接合的肋状件的散热片比没有肋状件与其接合的散热片的刚度更大。
肋状件的主要目的是加强散热片的刚度，尽管所述肋状件还具有增加表面积以散热的额外目的。然而，传统散热片的肋片设计成使得表面积与体积的比率被最大化，以便大大增加整个表面积并因此最大化散热。在本申请中，肋状件需要加强刚度，因此对肋状件的表面积与体积的比进行最大化将减少所期望的刚度加强的量。因此，肋状件使散热片的后表面的整个表面增加不超过100％、不超过75％、不超过50％或不超过30％。
举例来说，图1a示出了散热片2，其中后表面具有90mm的直径，使得表面积为6362mm2。六个肋状件4被钎焊到后表面。每个肋状件的尺寸为27×5×4.5mm。每个肋状件4的总暴露表面积为423mm2，使得六个肋状件具有2538mm2的额外表面积。因此，表面积的增加小于40％。
使用图2的另外的示例，示出了散热片2，其中后表面的直径为90mm，使得表面积为6363mm2。十二个肋状件7被钎焊到后表面。每个肋状件的尺寸为7×5×4.5mm。每个肋状件7的总暴露面积为143mm2，使得六个肋状件具有1716mm2的额外表面积。因此，表面积的增加小于27％。通过使用具有比散热肋片更低的表面积与体积之比的肋状件，最大化肋状件的刚度加强效果。
虽然已经参考实施例具体示出和描述了本发明，但是本领域技术人员将理解的是在不脱离由所附带权利要求限定的本发明的范围的情况下，可以在形式和细节上进行各种改变。

Claims (15)

1.一种散热器，所述散热器包括：
散热片，其具有用于安装一个或多个待冷却部件的前表面和用于直接流体冷却的后表面；和
多个肋状件，其接合到所述散热片的所述后表面以便加强所述散热片的刚度，
其中所述散热片和所述多个肋状件都由合成金刚石材料形成。
2.根据权利要求1所述的散热器，
其中，所述多个肋状件通过钎焊接合而接合到所述散热片的所述后表面。
3.根据权利要求1或2所述的散热器，
其中，所述散热片的厚度介于0.8mm至4.5mm的范围内。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的散热器，
其中，所述多个肋状件各自具有介于0.8mm至4.5mm的范围内的厚度。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的散热器，
其中，所述散热片的所述后表面至少在接合到所述肋状件的区域上具有小于10微米的平面度。
6.根据权利要求5所述的散热器，
其中，所述散热片的所述后表面的平面度至少在接合到所述肋状件的区域上小于2微米。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的散热器，
其中，每个所述肋状件具有接合到所述散热片的所述后表面的交界表面，所述交界表面具有小于10微米的平面度。
8.根据权利要求7所述的散热器，
其中，每个所述肋状件的所述交界表面的平面度小于2微米。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的散热器，
其中，所述散热片的所述前表面至少在所述前表面的一部分上具有凸起或凹入的曲率。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的散热器，
其中，所述散热片的所述前表面包括反射涂层。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的散热器，
其中，所述多个肋状件在所述散热片的所述后表面上以轴向对称形式构造。
12.根据权利要求11所述的散热器，
其中，在所述散热片的所述后表面上的所述肋状件的所述轴向对称形式被构造成向所述散热器提供轴向对称的抗弯刚度。
13.一种散热器组件，其包括：
根据权利要求1至12中任一项所述的散热器，所述散热器包括：散热片，所述散热片具有前表面和后表面；以及多个肋状件，所述多个肋状件接合到所述散热片的所述后表面以便加强所述散热片的刚度；
发热部件，其接合到所述散热片的所述前表面；和
流体冷却系统，其构造成将流体输送到所述散热片的所述后表面。
14.根据权利要求13所述的散热器组件，
其中，所述发热部件是包括激光激活介质的激光盘。
15.根据权利要求13所述的散热器组件，
其中，所述发热部件是反射结构。
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