CN110831406B - 一种面向超高热流密度电子器件的高效散热装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种面向超高热流密度电子器件的高效散热装置，包括冷板基板、嵌入式散热模块和紧固件，嵌入式散热模块通过紧固件固定在冷板基板上；冷板基板内设置有内部流道，内部流道两端的冷却液进口、冷却液出口均设置在冷板基板上，冷板基板上设置有若干安装接口，安装接口为内凹槽口，内凹槽口上设置有进液口和出液口，内凹槽口内部空间通过进液口、出液口与内部流道连通；嵌入式散热模块与安装接口配合通过法兰密封使安装接口形成闭合空间；本发明由于能够节省一层接触热阻因而能大幅度降低芯片工作温度，该散热装置能够解决局部热流密度达到1000W/cm²的器件散热问题，具有广泛的应用前景。

Description

一种面向超高热流密度电子器件的高效散热装置

技术领域

本发明涉及电子设备散热技术领域，具体涉及一种面向超高热流密度电子器件的高效散热装置。

背景技术

电子设备元器件的可靠性随着其工作温度的增加而降低。“10℃法则”明确指出：半导体器件的温度每升高10℃，其可靠性就会降低50％，而且这种失效情况随着温度的增加而不断增，如果电子设备工作温度达到70℃～80℃，则其工作温度每增加1℃，可靠性就会下降10％，因此良好的散热是保证电子设备正常工作的必要条件。

近年来随着技术的发展和进步，电子设备元器件在小型化发展的同时要求获得更好的性能。提高器件运行功率是提高器件性能的一种方法，因此在器件朝着小型化、高性能化发展的同时，其发热功率和热流密度都在不断增加。例如在CPU领域，单个CPU的热耗从2000年左右的约50W增加到目前的约200W。而器件热流密度的快速增加趋势在射频微波领域表现的更加明显，美国海军研究机构估计，雷达射频组件功放芯片的热流密度将会快速的从目前约100W/cm²增加到500W/cm²，并在不远的将来增加到1000W/cm²的量级，因此电子器件技术的快速发展对电子设备散热技术领域提出了越来越高的要求。

为了应对越来越高的电子设备元器件的散热需求，国内外在高热流密度电子器件散热方面进行了大量的研究和优化，提出了一系列高效散热技术。但是目前已有技术都主要集中在以下几个方面，部分技术通过采用射流冲击、两相流、微通道技术等降低冷板的传热热阻，该类技术的强化传热机理为通过增加冷板内部的散热面积、增加对流换热系数等降低冷板内部的对流热阻而降低冷板总传导热阻，此外，由于电子器件的热设计的最终目的都是为了降低器件结温，而器件总传导热阻还包括器件封装结壳热阻，因此还可通过降低芯片封装热阻提高器件工作可靠性，例如优化封装壳体的传热结构和路径，采用导热系数更高的封装材料等，以上的技术虽然分别从降低冷板热阻和封装热阻两个方面最终提高了器件工作的可靠性。但是，一般来说为了保证设备的可维修性和器件的置换性，电子器件和冷板一般采用螺接、胶结等可拆卸的方式安装在一块，这会导致两者之间存在巨大的界面热阻，虽然通过采用高导热系数衬垫、导热硅脂、石墨烯等能够降低界面热阻，但是都面临着效果有限、长期工作性能稳定性、工艺实现性、空间尺寸、经济性等其中一种或者几种问题的困扰，更为重要的是，界面材料虽然能够降低界面接触热阻，但是其仍然存在，当热流密度继续增加的时候其能力仍将受到限制，因此上述散热技术无法应对未来的超高热流密度器件的散热需求，最佳的办法就是消除接触界面接触热阻。

目前国际上应用的消除界面接触热阻的技术一种为将高热流密度器件直接焊接到冷板上去，这种方法最大的问题是当一个液冷冷板上需要焊接多个高热流密度器件时，那么如果其中一个器件损坏将有可能导致整个电子设备损坏，从而使得设备可靠性大幅度降低，另外一种方法则是将流道直接和器件壳体一体化设计，每个器件壳体都有冷却液的进出口和完整的内部流道，通过冷却液直接流到壳体内部直接完成器件内部芯片的冷却，采用该结构形式的好处是由于冷却液直接进入壳体内部，因此不存在芯片和冷板的接触热阻问题，也能防止某个器件损坏引起的设备可靠性问题，但是采用该方法将会面临以下问题：首先由于需要形成一个完整的流道，芯片封装后结构在厚度方向必须有一定的尺寸以保证其有足够的耐压强度和换热面积，其次每个芯片封装结构必须要有冷却液的进出口和液冷系统联通，这会大大增加系统的复杂性并降低可靠性，再次如果冷板和封装壳体一体化设计形成独立流道，由于尺寸和加工工艺的限制，其流道形式受到较大的限制且内部换热面积有限，这会影响其最终的散热效果，最后针对高热流密度器件的散热问题，需要采用微通道散热技术，采用该种流道设计技术，在使用过程中面临流道堵塞的风险，如果采用壳体内部集独立流道的高集成设计，很难对堵塞流道进行有效处理，这将导致整个器件失效。

鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。

发明内容

为解决上述技术缺陷，本发明采用的技术方案在于，提供一种面向超高热流密度电子器件的高效散热装置，包括冷板基板、嵌入式散热模块和紧固件，所述嵌入式散热模块通过所述紧固件固定在所述冷板基板上；所述冷板基板内设置有内部流道，所述内部流道两端的冷却液进口、冷却液出口均设置在所述冷板基板上，所述冷板基板上设置有若干安装接口，所述安装接口为内凹槽口，所述内凹槽口上设置有进液口和出液口，所述内凹槽口内部空间通过所述进液口、所述出液口与所述内部流道连通；所述嵌入式散热模块与所述安装接口配合通过法兰密封使所述安装接口形成闭合空间。

较佳的，所述安装接口和所述嵌入式散热模块的对应安装面上设置密封元件，所述密封元件实现所述嵌入式散热模块与所述安装接口连接位置的密封。

较佳的，所述密封元件设置为密封圈或密封垫。

较佳的，所述密封元件的密封形式设置为轴向密封或径向密封。

较佳的，所述嵌入式散热模块设置有散热面积扩展结构，所述散热面积扩展结构设置为翅片结构或具有高比表面积的结构。

较佳的，所述翅片结构设置为矩形翅片、锯齿形翅片和波浪型翅片中的一种。

与现有技术比较本发明的有益效果在于：本散热装置由于能够节省一层接触热阻因而能大幅度降低芯片工作温度，该散热装置能够解决局部热流密度达到1000W/cm²的器件散热问题，具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为所述面向超高热流密度电子器件的高效散热装置的结构示意图；

图2为所述面向超高热流密度电子器件的高效散热装置的结构爆炸图；

图3为带圆形热扩展区嵌入式散热模块的结构示意图；

图4为带矩形热扩展区嵌入式散热模块的结构示意图；

图5为设置有多个嵌入式散热模块的所述面向超高热流密度电子器件的高效散热装置的结构示意图。

图中数字表示：

1-冷板基板；2-嵌入式散热模块；3-密封元件；4-紧固件。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。

如图1和图2所示，图1为所述面向超高热流密度电子器件的高效散热装置的结构示意图；图2为所述面向超高热流密度电子器件的高效散热装置的结构爆炸图；本发明所述面向超高热流密度电子器件的高效散热装置包括冷板基板1、嵌入式散热模块2、密封元件3和紧固件4。所述嵌入式散热模块2通过所述紧固件4固定在所述冷板基板1上，所述密封元件3保证所述嵌入式散热模块2和所述冷板基板1之间连接位置的密封效果。

所述冷板基板1内设置有内部流道，所述内部流道的两端，即冷却液进口、冷却液出口均设置在所述冷板基板1上，外部的冷却液通过所述冷却液进口进入所述冷板基板1并经所述内部流道由所述冷却液出口流出。

所述冷板基板1上设置有若干安装接口，所述安装接口用于安装所述嵌入式散热模块2，一般的，所述安装接口为内凹槽口，所述内凹槽口上设置有进液口和出液口，所述内凹槽口内部空间通过所述进液口、所述出液口与所述内部流道连通，从而实现所述内部流道内冷却液由所述进液口进入所述内凹槽口内并从所述出液口再次进入所述内部流道内。

所述嵌入式散热模块2与所述安装接口配合通过法兰密封使所述安装接口形成闭合空间，从而使所述内部流道和所述内凹槽口形成完整的闭式流道，所述安装接口的法兰密封面设置所述密封元件3，实现所述嵌入式散热模块2与所述安装接口连接位置的密封效果，通过所述紧固件4实现所述嵌入式散热模块2与所述安装接口的固定连接并提供密封所需的预紧力。

所示嵌入式散热模块2热扩展表面在所述内凹槽口内部，冷却液从所述冷板基板1的冷却液进口流进后经过各所述安装接口将器件热量带走然后再流出所述冷板基板1。

法兰密封面所使用的所述密封元件2可以是密封圈，也可以是密封垫，所述密封元件2的结构形式可以是圆形、方形或者其他特殊形状，密封形式可以是轴向密封也可以是径向密封。

所述嵌入式散热模块2的区域大小可以根据器件大小和热流密度进行调整，一个所述冷板基板1可以安装若干相同或者不相同的所述嵌入式散热模块2。

如图3和图4所示，图3为带圆形热扩展区嵌入式散热模块的结构示意图；图4为带矩形热扩展区嵌入式散热模块的结构示意图；所述嵌入式散热模块2带有散热面积扩展结构，其散热面积扩展结构可以为不同形式的翅片结构(如矩形翅片、锯齿形翅片、冲压成型波浪型翅片等)，也可以是泡沫金属等其他具有高比表面积的结构。

所述嵌入式散热模块2可以是单独成型，也可以是直接和器件壳体集成化设计。

如图5所示，图5为设置有多个嵌入式散热模块的所述面向超高热流密度电子器件的高效散热装置的结构示意图。所述冷板基板1上面可以安装一个或者若干个所述嵌入式散热模块2；当所述冷板基板1上面安装的所述嵌入式散热模块2大于1个的时候，他们所在的安装区域将根据需要通过串、并联相结合的流道连通并和所述冷板基板1上的冷却液进口、冷却液出口一起形成完整的流道。

相比传统的散热装置，本发明装置少了一层接触热阻，从而大大降低了高热流密度器件的工作温度，有利于提高其长期工作稳定性和可靠性，从而有效解决超高热流密度器件的散热问题。

相比流道壳体一体化设计结构，本发明装置中的嵌入式散热模块的翅片为开式结构，如果发生流道堵塞，可以将器件翅片区域堵塞物进行有效处理，从而保证器件长期可靠工作。

具体的，所述冷板基板1是一个带有内部流道和所述嵌入式散热模块2安装接口的结构件；所述嵌入式散热模块1和所述冷板基板2通过法兰密封形成完整的闭式流道，法兰面之间通过所述密封元件3密封，并通过所述紧固件4提供密封所需的预紧力；高效散热装置的冷却液进出口在所述冷板基板1上，所述嵌入式散热模块2和所述冷板基板1装配后一同形成高效散热装置。

实施例二

以图1为例，在器件封装芯片尺寸为5mm×5mm×0.2mm、器件壳体尺寸为沉底尺寸为20mm×20mm×2mm、所述冷板基板1尺寸为35mm×35mm×9mm、所述嵌入式散热模块2上翅片区域尺寸为20mm×20mm×5mm、翅片区域上翅片间距为0.5mm、翅片区域上翅片厚度为0.5mm、翅片区域上翅片高度为5mm、冷却液介质为65号冷却液、供液温度为30℃、冷却液流量为1.2L/min、壳体材料无氧铜的条件下，针对不同芯片热流密度的工况，对传统散热装置和本装置的散热效果进行了仿真对比分析。

如表一所示，表一为本发明装置和传统散热装置不同芯片热流密度下的器件温度表。

表一

表一是在忽略焊接热阻且假设螺接器件壳体和冷板间接触换热系数15000(W/m²·K)是本发明装置和传统散热装置不同芯片热流密度下的芯片壳体温度的对比情况。表中η指的是新发明装置相比传统发明装置的总传热热阻降低的百分比。从表中可以看出，以芯片壳体温度不超过100℃为标准，传统散热装置只能解决热流芯片热流密度为360W/cm²的器件的散热需求，而本发明的高效散热装置可以解决热流芯片热流密度为600W/cm²的器件的散热需求；以芯片壳体温度不超过125℃为标准，传统散热装置只能解决热流芯片热流密度为490W/cm²的器件的散热需求，而本发明装置可以解决热流芯片热流密度为800W/cm²的器件的散热需求；以芯片壳体温度不超过150℃为标准，传统散热装置只能解决热流芯片热流密度为600W/cm²的器件的散热需求，而本发明的高效散热装置可以解决热流芯片热流密度为1000W/cm²的器件的散热需求。此外，从表中可以看出，本发明装置相比传统散热装置总传热热阻能够降低40％左右，从而大幅度降低器件内部芯片的工作温度。从表中可以看出，本发明装置能够解局部热流密度(器件内部芯片区域)达到1000W/cm²的器件的散热问题，从而为超高热流密度器件的大规模应用提供了一种可行的散热解决方案。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种面向超高热流密度电子器件的高效散热装置，其特征在于，包括冷板基板、嵌入式散热模块和紧固件，所述嵌入式散热模块通过所述紧固件固定在所述冷板基板上；所述冷板基板内设置有内部流道，所述内部流道两端的冷却液进口、冷却液出口均设置在所述冷板基板上，所述冷板基板上设置有若干安装接口，所述安装接口为内凹槽口，所述内凹槽口上设置有进液口和出液口，所述内凹槽口内部空间通过所述进液口、所述出液口与所述内部流道连通；所述嵌入式散热模块与所述安装接口配合通过法兰密封使所述安装接口形成闭合空间。

2.如权利要求1所述的面向超高热流密度电子器件的高效散热装置，其特征在于，所述安装接口和所述嵌入式散热模块的对应安装面上设置密封元件，所述密封元件实现所述嵌入式散热模块与所述安装接口连接位置的密封。

3.如权利要求2所述的面向超高热流密度电子器件的高效散热装置，其特征在于，所述密封元件设置为密封圈或密封垫。

4.如权利要求2所述的面向超高热流密度电子器件的高效散热装置，其特征在于，所述密封元件的密封形式设置为轴向密封或径向密封。

5.如权利要求1所述的面向超高热流密度电子器件的高效散热装置，其特征在于，所述嵌入式散热模块设置有散热面积扩展结构，所述散热面积扩展结构设置为翅片结构或具有高比表面积的结构。

6.如权利要求5所述的面向超高热流密度电子器件的高效散热装置，其特征在于，所述翅片结构设置为矩形翅片、锯齿形翅片和波浪型翅片中的一种。

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