CN110463368A - 用于制造流体基冷却元件以及流体基冷却元件 - Google Patents

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CN110463368A CN201880019920.4A CN201880019920A CN110463368A CN 110463368 A CN110463368 A CN 110463368A CN 201880019920 A CN201880019920 A CN 201880019920A CN 110463368 A CN110463368 A CN 110463368A
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Abstract

提供一种用于制造流体基冷却元件(10)的方法。流体基冷却元件(10)构造成对设置在印刷电路板(100)上的生热元件(102)进行冷却。所述方法包括形成基体(12)，所述基体(12)包括板状基体部(11)和与板状基体部(11)一体化形成的内基体部(20)。形成基体(12)的步骤包括：通过压铸形成板状基体部(11)和内基体部(20)。内基体部(20)包括形成于内基体部(20)上侧上的多个突起(22a‑22o、24a‑24o)。突起(22a‑22o、24a‑24o)的间隙尺寸(D)为0.5mm至1.5mm。

Description

用于制造流体基冷却元件以及流体基冷却元件
本发明涉及用于制造流体基冷却元件的方法，其中，流体基冷却元件构造成对设置在印刷电路板(PCB)上的生热元件进行冷却。此外，本发明涉及对设置在印刷电路板上的生热元件进行冷却的流体基冷却元件。
根于现有技术，用于对计算机以及设置在印刷电路板上的其它生热电子和/或电气部件进行冷却的流体基冷却系统通常设计成类似于常规汽车发动机流体基冷却系统。该流体基系统通常是闭环设置，包括冷板、流体、流体输送管、流体冷却泵和热交换器。
通常，用于流体基冷却系统的高性能冷板(即，液块或水块)由金属基座(通常由铜或铝构成)制备，并且在PCB部件(通常是高功率微处理器)的高热通量区域、带垫圈的密封盖以及入口和出口流体连接器或端口上方具有高密度散热鳍片结构。
传统上，流体基冷却板(即，液块或水块)由高热导率的一个或多个金属原料棒制备、特别是通过将材料去除(切割)成最终形状的一个或多个金属原料棒制备。此处，使用一种或多种材料去除技术，例如，机械加工、刮削、电腐蚀或其它技术。在小批量生产中，已知的冷板几乎完全由材料切割制备，因为该技术不需要任何额外的昂贵工具。
在大批量生产中，原料金属棒通常由压铸、冲压、锻造或挤出的金属型材代替，以提高生产率。这种预成型形状减少了已知冷板的加工时间，因为通常只需要产生一些结构细节，其中最重要和耗时的是制造散热冷却通道。
散热鳍片结构的散热冷却通道最常用小直径高速切割机、轮式切割锯、电腐蚀或鳍片刮削技术制备。以此方式，产生散热鳍片的线性阵列。通常，根据冷板材料和技术，对于切削机械加工的鳍片，散热鳍片间隙尺寸可以制造成宽度薄至0.1mm，对于切割锯机械加工的鳍片，散热鳍片间隙尺寸可以制造成宽度薄至0.2mm。
一般来说，散热鳍片结构或散热鳍片阵列的密度越高，在散热鳍片结构或散热鳍片阵列区域中使用冷板的冷却表面效率越高。最常见的是，高性能冷板使用0.2mm至0.8mm厚的散热鳍片结构。或者，散热鳍片结构或散热鳍片阵列也可以焊接(solder或weld)至冷板的基座。
因此，高密度散热鳍片结构对于实现冷板的良好热性能是重要的，当生热PCB部件达到高达80W/cm2的相对高的热通量时尤为如此。
图5显示现有技术的高密度散热鳍片结构的冷板的基座12’。图5所示的冷板的基座12'通过使用已知的预成型技术制造。随后，散热鳍片结构的散热冷却通道使用小直径高速切割机、轮式切割锯、电腐蚀或鳍片刮削技术制造。
然而，使用该技术使生产时间大幅增加，因为其需要额外的机械加工以及工具/设备成本，并且使生产成本增加。特别是，刚刚提到的任意加工步骤都可能占高达冷板生产成本的一半。
因此，制造高性能冷板的已知方法的常规问题是其不能生产高密度散热鳍片结构以实现良好的热性能，而且同时避免相对耗时、复杂和昂贵的加工步骤。
本发明的目的涉及用于制造流体基冷却元件的方法，其允许以高效、简单且经济的方式生产流体基冷却元件，同时获得良好的性能。
该目的通过具有权利要求1的特征的方法以及通过具有权利要求15的特征的流体基冷却元件来实现。本发明的有利改进在从属权利要求中有所限定。
根据一个实施方式，提供了一种用于制造流体基冷却元件的方法。流体基冷却元件构造成对设置在印刷电路板上的生热元件进行冷却。该方法包括形成基体，所述基体包括板状基体部和与板状基体部一体化形成的内基体部。形成基体的步骤包括：通过压铸形成板状基体部和内基体部。内基体部包括形成于内基体部上侧上的多个突起。突起的间隙尺寸为0.5mm至1.5mm。优选地，形成基体的步骤包括：通过单个加工步骤形成板状基体部和内基体部。以此方式，可以以高效、简单且经济的方式实现生产流体基冷却元件。同时，流体基冷却元件的特征为良好的热性能。
优选地，突起的间隙尺寸为约1mm。因此，一方面可以提供足够高密度的散热鳍片装置，并且另一方面可以相对稳健地制造散热鳍片装置。
有利的是，当形成基体的步骤包括使用铝-硅压铸合金时，铝-硅压铸合金是G-AlSi12。该压铸合金G-AlSi12提供了出色的压铸性能，同时维持高热导率、铸造产率和耐腐蚀性。
优选地，铝-硅压铸合金G-AlSi12基本不含铜。因此，可以有效避免电偶腐蚀，提高了流体基冷却元件可靠性。
或者，形成基本的步骤包括使用铝-硅-镁压铸合金或使用铝-镁压铸合金。例如，铝-硅-镁压铸合金是G-AlSi7Mg、G-AlSi5Mg、G-AlMg5Si或G-AlSi10Mg。此外，铝-镁压铸合金可以是G-AlMg3或G-AlMg5。因此，可以使用多个不同铝基压铸合金生产流体基冷却元件。
当突起平行于板状基体部上表面延伸时，当突起限定平行于板状基体部上表面延伸的多个流体通道时，以及当突起构造成散热鳍片装置时，是有利的。这允许对设置在散热鳍片装置下方的高热通量区域进行高效冷却。
当多个突起的第一单独突起向着平行于板状基体部的上表面的第一纵向方向延伸时，当多个突起中的第二单独突起向着平行于所述板状基体部的上表面的第二纵向方向延伸时，当第一单独突起沿第一纵向方向的延伸限定了相对于平行于板状基体部上表面延伸的多个突起的对称轴的第一角度时，当第二单独突起沿第二纵向方向的延伸限定了相对于平行于板状基体部上表面延伸的多个突起的对称轴的第二角度时，以及当第一角度和/或第二角度等于或大于15°且小于90°时，是有利的。由此，提供了散热鳍片的非线性阵列，其提高了流体通道或加热器冷却通道的长度，并且继而使散热有效面积增加。此外，还可以改进液压性能。
优选地，第一角度和第二角度是相同大小的。因此，可以获得散热鳍片装置的对称构造。
有利的是，当该方法还包括形成含有纵向延伸的流体入口的喷嘴主体时，形成喷嘴主体的步骤包括使用铝基压铸合金。这允许提供中心输入分流喷嘴，其可以用于为散热鳍片装置提供分流。由此，可以改进热性能，而且同时可以减少流体基冷却元件的液压节流(hydraulic restriction)。
优选地，该方法还包括在内基体部上设置喷嘴主体，其中，纵向延伸的流体入口垂直设置在多个突起的对称轴上方，多个突起形成于内基体部的上侧上。由此，可以对为散热鳍片装置产生分流进行优化。
优选地，该方法还包括：将密封元件设置在板状基体部上/或中。因此，可以有效地防止冷却液从流体腔泄漏。
当该方法还包括将密封体设置在板状基体部上，其中，板状基体部、内基体部和密封体一起限定了流体腔时；以及当流体腔构造成用于接收冷却液时，是有利的。这允许在液体腔中获得可控且可靠的冷却液流动。
根据一个实施方式，用于对设置在印刷电路板上的生热元件进行冷却的流体基冷却元件包括基体，所述基体包括板状基体部和与板状基体部一体化形成的内基体部。板状基体部和内基体部通过压铸形成。内基体部包括形成于内基体部上侧上的多个突起。突起的间隙尺寸为0.5mm至1.5mm。
例如，生热元件可以是微处理器、集成电路、或设置在印刷电路板上的任何其他PCB部件，例如、存储器IC(RAM)、非易失性存储IC(闪存)、总线开关(PCIe开关)、FPGA、ASIC、I/O控制器、PHY控制器、线圈、二极管和电压转换器。
本发明的其他特征和优点将通过基于实施方式及其附图更详细解释本发明的下文进行详述。
图1显示流体基冷却元件的一个实施方式的基体的顶部透视图；
图2显示图1基体的俯视图，显示了散热鳍片装置；
图3显示设置在图1基体的散热鳍片装置上的示例性喷嘴主体的俯视图；
图4显示可固定于印刷电路板的流体基冷却元件的一个实施方式的分解图；
图5显示现有技术的流体基冷却元件的基体的顶部透视图。
图1显示流体基冷却元件10(参见图4)的一个实施方式的基体12的顶部透视图。如图1所示，所述基体12包括板状基体部11和与板状基体部11一体化形成的内基体部20。板状基体部11包括多个内部凹陷部14a至14c，构造成限定用于接收冷却液的流体腔。板状基体部11还包括多个流体开口16a至16c和围绕内部凹陷部14a至14c的周向凹陷部18。采用流体开口16a至16c来提供由内部凹陷部14a至14c限定的流体腔室与流体入口和流体出口之间的流体连接。周向凹陷部18形成在板状基体部11的上表面中，并且构造成用于接收密封元件，例如密封垫。如图1进一步所示，内基体部20包括散热鳍片装置，该散热鳍片装置延伸到限定在板状基体部11内的流体腔中。随后参考图2，描述散热鳍片装置的更多细节。
更具体地说，图1所示的基体部12可以通过铝-硅压铸合金G-AlSi12的高压压铸(pressure die casting)获得。
图2显示图1基体12的俯视图，显示了散热鳍片装置。特别是，内基体部20包括形成于内基体部20上侧上的多个突起22a至22o和24a至24o。突起22a至22o和24a至24o平行于板状基体部11的上表面延伸，并限定平行于板状基体部11的上表面延伸的多个流体通道23a至23p和25a至25p。
如图2所示，散热鳍片装置包括相对于多个突起22a至220和24a至24o的对称轴S对称设置的第一组突起22a至22o和第二组鳍片24a至24o。图2所示的散热鳍片装置也可以成为散热鳍片的非线性阵列。此处，散热鳍片通过多个突起22a至220和24a至24o形成。
参见图2，第一单独突起(即，第一组突起22a至22o中的任意)向着平行于板状基体部11的上表面的第一纵向方向延伸，并且第二单独突起(即，第二组突起24a至24o中的任意)向着平行于板状基体部11的上表面的第二纵向方向延伸。在图2中，输入流体流动的方向由箭头P1表示，而第一纵向方向和第二纵向方向分别由箭头P2和P3表示。进一步参见图2，第一单独突起沿第一纵向方向的延伸限定了相对于对称轴S的第一角度α1，并且第二单独突起沿第二纵向方向的延伸限定了相对于对称轴S的第二角度α2。在图2的散热鳍片中，第一角度α1和/或第二角度α2等于或大于15°且小于90°。因此，图2中的散热鳍片的非线性阵列明显不同于图5所示的已知线性或直线散热鳍片结构。
为了获得优化的流体流(其相对于对称轴S对称)，第一角度α1和第二角度α2是相同大小的。此处，由第一纵向方向和第二纵向方向限定的总角度α3等于或大于30°且小于180°。提供图2的散热鳍片装置允许增加流体通道23a至23p和25a至25p的长度，并且因此可以改进流体基冷却元件10的热性能。
如图2所示，第一组突起22a至22o和第二组突起24a至24o分别彼此平行延伸。此处，第一组突起22a至22o和第二组突起24a至24o具有相同的间隙尺寸D。间隙尺寸D可以限定为第一组的两个相邻突起(即，突起22a、22b；22b、22c；……22n、22o)之间或第二组的两个相邻突起(即，突起24a、24b；24b、24c；……24n、24o)之间的平均最小距离。具体来说，突起22a至22o和24a-24o的间隙尺寸D为0.5mm至1.5mm。例如，间隙尺寸D为0.6mm至1.4mm、0.7mm至1.3mm、0.8mm至1.2mm或0.9mm至1.1mm。优选地，间隙尺寸D为1mm±0.1mm。
图3显示设置在图1基体12的散热鳍片装置上的示例性喷嘴主体26的俯视图。喷嘴主体26使用铝基压铸合金通过压铸获得。如图3所示，喷嘴主体26包括沿输入流体流P1方向逐渐变细的内部凹陷部28。如图3进一步所示，喷嘴主体26包括纵向延伸的流体入口29，纵向延伸的流体入口29构造成使沿方向P1的输入流体流分流为沿方向P2’的第一输出流体流和沿方向P3’的第二输出流体流。此处，方向P2’和方向P3’平行于图2中所示的第一纵向方向P2和第二纵向方向P3。参见图3，喷嘴主体26设置在内基体部20上，使得纵向延伸的流体入口29与多个突起22a至22o和24a至24o的对称轴S对齐。通过设置喷嘴主体26，可以可控且可靠的方式产生分流。
图4显示可固定于印刷电路板100的流体基冷却元件10的一个实施方式的分解图。印刷电路板100包括待冷却的生热元件102(例如，高功率微处理器)。流体基冷却元件10构造成通过固定构件40固定至印刷电路板100。具体来说，流体基冷却元件10可固定于印刷电路板100，以使内基体部20设置在生热元件102上方。通过提供机械接触和热接触，生热元件102可以通过流体基冷却元件10进行高效冷却。
如图4所示，该流体基冷却元件10包括基体12，基体12包括板状基体部11和与板状基体部11一体化形成的内基体部20。如图4进一步显示，流体基冷却元件10包括密封元件30，密封元件30构造成由形成于板状基体部11上表面中的周向凹陷部18容纳。流体基冷却元件10还包括具有内部凹陷部28的喷嘴主体26，其构造成垂直设置在内基体部20上方，从而与形成在内基体部20上侧上的散热鳍片机械接触和热接触。
流体基冷却元件10还包括：构造成设置在板状基体部上的密封体32。密封体32是板状的，并且可以通过多个固定元件(例如，螺丝34)固定至板状基体部11。在组装状态下，板状基体部11、内基体部20和密封体32一起限定流体腔。参见图4，在包括流体入口38a和流体出口38b的基体12的一侧上可以设置连接元件36。通过流体入口38a和流体出口38b，可以提供通过限定于板状基体部11内流体腔的受控流体流。
本发明的一些实施方式提供了使用铝基合金G-AlSi12的高压压铸快速生产高性能冷板(即，流体基冷却元件10)，其中，完整的冷却鳍片散热结构可以以一次操作进行压铸而无需任意其它制造工艺。本发明的一些实施方式提供了如下优点：冷却鳍片间隙尺寸D可以小至1mm或更低。不同于已知的预成型技术，本发明的一些实施方式允许生产具有丝状(filigrane)散热冷却通道的高密度散热鳍片结构。此处，优选使用上述合金G-AlSi12，因为其提供了出色的压铸性能，同时维持高热导率、铸造产率和耐腐蚀性。
所采用的压铸合金实质上是不含铜的(<0.05％)，这样通过避免原电池腐蚀进一步改进了冷板10的可靠性。取决于应用，也可以使用以下合金：G-AlSi7Mg、G-AlSi5Mg、G-AlMg3、G-AlMg5、G-AlMg5Si或G-AlSi10Mg。
此处，应注意由于纯铝的强度低，并且难以铸造，通常仅用于需要高电导率和热导率的特定应用，例如电动机部件。然而，在所采用铝合金中使用硅(Si)作为示例性添加剂是有利的，因为其降低了熔点并增加了熔体流动、流动性(fluidity)、硬度和强度。
替代现有技术的散热鳍片的线性阵列，本发明的一些实施方式提供了非线性冷却鳍片阵列设计，其中两个散热鳍片结构两半之间的角度α3等于或大于30°且小于180°。本发明设计使冷却通道延长，继而使有效散热表面增加(与直线鳍片阵列结构相比，增加高达40％)。此外，可以改进液压性能。
根据一些实施方式，可以使用中心流体输入分流设计以提高冷板10的热性能，而且同时减少液压节流。具体来说，设置同样可以由压铸铝基合金制备的中心输入分流喷嘴26。这有助于改进冷板10的冷却性能，因为喷嘴26和冷板鳍片结构处于机械接触，并且因此处于热接触。或者，喷嘴26也可以由另一材料(如塑料)制备，但是并没有额外的热性能增益。
为了进一步提高生产率，本发明的一些实施方式还允许焊接密封盖，这消除了对于密封垫圈和紧固件的需要。
本发明还提供了如下优点：由于冷却鳍片的特定尺寸或密度，基本上没有冷却鳍片阵列热致变形的危险，当与通过使用刮削或其它材料去除技术所制造的较薄结构相比时尤为如此。
附图标记列表
10 流体基冷却元件
11,20 基体部
12 基体
14a至14c、18、28 凹陷部
16a至16c 流体开口
22a至22o、24a至24o 突起
23a至23p、25a至25p 流体通道
26 喷嘴主体
29、38a 流体入口
30 密封元件
32 密封体
34 螺丝
36 连接元件
38b 流体出口
40 固定构件
100 印刷电路板
102 生热元件
12’,20’ 现有部件
P1至P3、P2’、P3’ 方向
α1至α3 角度[°]
S 对称轴

Claims (15)

1.一种用于制造流体基冷却元件(10)的方法，其中，流体基冷却元件(10)构造成对设置在印刷电路板(PCB)(100)上的生热元件(102)进行冷却，其中，所述方法包括：
形成基体(12)，所述基体(12)包括板状基体部(11)和与板状基体部(11)一体化形成的内基体部(20)，
其中，形成基体(12)的步骤包括：通过压铸形成板状基体部(11)和内基体部(20)，
内基体部(20)包括形成于内基体部(20)上侧上的多个突起(22a-22o、24a-24o)，并且
突起(22a-22o、24a-24o)的间隙尺寸(D)为0.5mm至1.5mm。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述突起(22a-22o、24a-24o)的间隙尺寸(D)为约1mm。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中，形成基体(12)的步骤包括使用铝-硅压铸合金，其中，所述铝-硅压铸合金是G-AlSi12。
4.如权利要求3所述的方法，其中，所述铝-硅压铸合金G-AlSi12基本不含铜。
5.如权利要求1或2所述的方法，其中，形成基体(12)的步骤包括使用铝-硅-镁压铸合金或使用铝-镁压铸合金。
6.如权利要求5所述的方法，其中，所述铝-硅-镁压铸合金是G-AlSi7Mg、G-AlSi5Mg、G-AlMg5Si或G-AlSi10Mg，并且，铝-镁压铸合金是G-AlMg3或G-AlMg5。
7.如权利要求1至6中任一项所述的方法，其中，突起(22a-22o、24a-24o)平行于板状基体部(11)上表面延伸，突起(22a-22o、24a-24o)限定平行于板状基体部(11)上表面延伸的多个流体通道(23a-23p、25a-25p)，并且突起(22a-22o、24a-24o)构造成散热鳍片装置。
8.如权利要求1至7中任一项所述的方法，其中，多个突起(22a-22o、24a-24o)中的第一单独突起向着平行于板状基体部(11)的上表面的第一纵向方向(P2)延伸，多个突起(22a-22o、24a-24o)中的第二单独突起向着平行于所述板状基体部(11)的上表面的第二纵向方向(P3)延伸，第一单独突起在第一纵向方向(P2)的延伸限定了相对于平行于板状基体部(11)上表面延伸的多个突起(22a-22o、24a-24o)的对称轴(S)的第一角度(α1)，第二单独突起在第二纵向方向(P3)的延伸限定了相对于平行于板状基体部(11)上表面延伸的多个突起(22a-22o、24a-24o)的对称轴(S)的第二角度(α2)，并且第一角度(α1)和/或第二角度(α2)等于或大于15°且小于90°。
9.如权利要求8所述的方法，其中，第一角度(α1)和第二角度(α2)具有相同大小。
10.如权利要求1至9中任一项所述的方法，其中，所述方法还包括形成含有纵向延伸的流体入口(29)的喷嘴主体(26)，其中，形成喷嘴主体(26)的步骤包括使用铝基压铸合金。
11.如权利要求10所述的方法，其中，所述方法还包括在内基体部(20)上设置喷嘴主体(26)，其中，纵向延伸的流体入口(29)垂直设置在多个突起(22a-22o、24a-24o)的对称轴上方，所述多个突起形成于内基体部(20)的上侧上。
12.如权利要求1至11中任一项所述的方法，其中，所述方法还包括：将密封元件(30)设置在板状基体部(11)上或板状基体部(11)中。
13.如权利要求1至12中任一项所述的方法，其中，该方法还包括：将密封体(32)设置在板状基体部(11)上，其中，板状基体部(11)、内基体部(20)和密封体(32)一起限定了流体腔，所述流体腔构造成用于接收冷却液。
14.如权利要求1至13中任一项所述的方法，其中，形成基体(12)的步骤包括：以单个加工步骤形成板状基体部(11)和内基体部(20)。
15.一种用于对设置在印刷电路板(100)上的生热元件(102)进行冷却的流体基冷却元件(10)，其中，流体基冷却元件(10)包括：
基体(12)，所述基体(12)包括板状基体部(11)和与板状基体部(11)一体化形成的内基体部(20)，其中，所述板状基体部(11)和内基体部(20)通过压铸形成，
内基体部(20)包括形成于内基体部(20)上侧上的多个突起(22a-22o、24a-24o)，并且
突起(22a-22o、24a-24o)的间隙尺寸(D)为0.5mm至1.5mm。
CN201880019920.4A 2017-03-24 2018-03-23 用于制造流体基冷却元件以及流体基冷却元件 Pending CN110463368A (zh)

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