CN111739859A - 一种多层螺旋式微通道液冷散热装置及其加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多层螺旋式微通道液冷散热装置及其加工方法，包括依次固定为一体的上盖板、上钎料板、基板、下钎料板和下盖板，上盖板和下盖板通过上钎料板和下钎料板与基板焊接成一体；上盖板和下盖板均设有螺旋式凸槽，基板上设有螺旋式凹槽，螺旋式凸槽与螺旋式凹槽相互组合，形成螺旋式强制涡流液流微通道，使冷却液沿螺旋路线流动并产生强制涡流；基板上设有液流入口和液流出口，内部设有集水槽和导流孔；导流孔设于螺旋式凹槽的中心，与液流入口相连通；集水槽设于螺旋式凹槽的末端，与液流出口相连通。通过设置多层螺旋式强制涡流液流微通道，有效增强散热面积及涡流效应，大幅降低半导体器件温升，提高半导体器件的稳定性和可靠性。

Description

一种多层螺旋式微通道液冷散热装置及其加工方法

技术领域

本发明涉及散热器技术领域，尤其涉及一种适用于大功率晶闸管、电力电子半导体器件上的液冷式散热装置及其加工方法。

背景技术

现代的电力电子设备对可靠性要求、性能指标、功率密度等要求进一步提高，电力电子设备的热设计也越来越重要。半导体器件是轨道交通、电力电子设备中的关键器件，其工作状态的好坏直接影响整机可靠性、安全性以及使用寿命，半导体器件的散热方案除了能有效的散掉热量之外，可靠性也是至关重要的。

当前半导体器件器件在工作时会产生导通以及开关损耗，因此需要安装冷却设备进行散热，以降低功率器件的结温，确保半导体器件在允许温度下正常、可靠运行。目前半导体器件的冷却方式主要有风冷、液冷和热管等，随着器件性能要求和功率密度的进一步提高，对散热要求也越来越严苛。从可靠性考虑，一般选用散热效率高的液冷散热器对功率器件进行冷却，由于小流量大功耗成为一种趋势，而常规的直槽道结构难以实现高功率密度冷却要求，需要采用强化散热技术。

传统的液冷散热器是通过在液冷基板上开直槽，再将液冷盖板与基板在中间夹一层钎料片通过真空钎焊焊接在一起，在盖板面安装电子器件，采用的盖板多为薄壁板结构以降低散热器传导热阻要求，可见现有液冷板流道简单，液体在单层同一平面上循环冷却，散热性能受限及成本高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种多层螺旋式微通道液冷散热装置及其加工方法，克服现有技术的不足，解决了新能源电力电子设备现有技术液冷系统无法适应现有电力电子设备中半导体器件功率增加发热问题。

本发明的技术解决方案是：本发明提供一种多层螺旋式微通道液冷散热装置，包括依次固定为一体的上盖板、上钎料板、基板、下钎料板和下盖板，所述上盖板和下盖板分别通过上钎料板和下钎料板与基板焊接成一体；

所述上盖板和下盖板内部均设有螺旋式凸槽，所述基板的两面设有螺旋式凹槽，所述螺旋式凸槽与螺旋式凹槽相互组合，分别形成第一层螺旋式强制涡流液流微通道和第二层螺旋式强制涡流液流微通道，使冷却液流过该通道时沿螺旋路线流动并产生强制涡流；

所述基板的一侧设有液流入口和液流出口，内部设有集水槽和导流孔；所述导流孔设于所述螺旋式凹槽的中心，与所述液流入口相连通；所述集水槽设于所述螺旋式凹槽的末端，与所述液流出口相连通；冷却液经所述液流入口进入所述基板，在所述第一层螺旋式强制涡流液流微通道和第二层螺旋式强制涡流液流微通道流动散热后，经所述液流出口排出。

进一步的，所述上盖板、上钎料板、基板、下钎料板和下盖板通过钎焊工艺焊接为一体。

进一步的，所述上盖板、上钎料板、基板、下钎料板和下盖板在焊接前通过定位销定位组合，所述上钎料板、基板、下钎料板和下盖板上分别设有对应位置的上钎料板定位孔、基板定位孔、下钎料板定位孔和下盖板定位孔。

进一步的，所述螺旋式凸槽与螺旋式凹槽采用机械结构组合为一体，并与所述液流入口和液流出口相连通，形成多层螺旋式强制涡流液流微通道。

为解决技术问题，本发明还提供一种多层螺旋式微通道液冷散热装置加工方法，包括如下步骤：

S1、采用机械加工或开模成型，独立加工出具有螺旋式凸槽的上盖板、具有螺旋式凸槽的下盖板以及两面具有螺旋式凹槽的基板；

S2、采用冲压成型的方式将钎料加工成所需形状的螺旋状上钎料板和螺旋状下钎料板，并将所需的定位销采用车床加工成形；

S3、在上钎料板、基板、下钎料板和下盖板对应的位置处打定位孔，将上盖板、上钎料板、基板、下钎料板和下盖板通过机械结构组合，组装时采用定位销来定位，并通过真空高温钎焊焊接成一体；

S4、将S3步骤中焊接好的半成品散热装置做人工时效处理；

S5、将经S4步骤处理过的半成品散热装置采用机械加工成成品所需要的外形尺寸；

S6、将成品散热装置内部及外部通过超声波或专用的清洗设备清洗干净；

S7、进行最后的表面处理工艺。

实施本发明的多层螺旋式微通道液冷散热装置及其加工方法，具有以下有益效果：(1)通过在盖板上设置螺旋式凸槽，基板内部设置螺旋式凹槽，使冷却液流过凹凸槽时沿螺旋路线流动并产生强制涡流，有效增强散热面积及涡流效应，大幅度降低热阻，满足大功率半导体器件散热需求；

(2)通过在散热装置内设置多层螺旋式强制涡流液流微通道，有效增强散热面积及涡流效应，大幅降低半导体器件温升，提高半导体器件的稳定性和可靠性；

(3)盖板内的螺旋式凸槽与基板内的螺旋式凹槽通过定位销来定位及积木方式快速组合，有效提高生产效率降低成本；

(4)多层螺旋式强制涡流液流微通道，是通过组合的方式形成，无需在盖板或基板上整体加工微通道，有效提高生产效率降低成本；

(5)生产时将焊接好的半成品液冷板做人工时效处理，有效释放内应力，提升液冷板表面硬度，增强承压强度。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本发明多层螺旋式微通道液冷散热装置的分解结构示意图；

图2为本发明多层螺旋式微通道液冷散热装置的组装示意图；

图3为本发明多层螺旋式微通道液冷散热装置的基板内部结构示意图；

图4为本发明多层螺旋式微通道液冷散热装置的上盖板内部结构示意图；

图5为本发明多层螺旋式微通道液冷散热装置的下盖板内部结构示意图；

图6为本发明多层螺旋式微通道液冷散热装置的上钎料板结构示意图。

附图标记：

001—上盖板 002—上钎料板

003—导流孔 004—基板

005—定位销 006—下钎料板

007—下盖板 008—上钎料板定位孔

009—螺旋式凹槽 010—集水槽

011—基板定位孔 012—液流出口

013—液流入口 014—下钎料板定位孔

015—下盖板定位孔 016—螺旋式凸槽

017—半导体器件安装台面

具体实施方式

图1至图6示出本发明多层螺旋式微通道液冷散热装置的一个优选实施例，其包括依次固定为一体的上盖板001、上钎料板002、基板004、下钎料板006和下盖板007，上盖板001和下盖板007分别通过上钎料板002和下钎料板006与基板004焊接成一体；上盖板001和下盖板007内部均设有螺旋式凸槽016，基板004的两面设有螺旋式凹槽009，螺旋式凸槽016与螺旋式凹槽009相互组合，分别形成第一层螺旋式强制涡流液流微通道和第二层螺旋式强制涡流液流微通道，使冷却液流过该通道时沿螺旋路线流动并产生强制涡流；基板004的一侧设有液流入口013和液流出口012，内部设有集水槽010和导流孔003；导流孔003设于螺旋式凹槽009的中心，与液流入口013相连通；集水槽010设于螺旋式凹槽009的末端，与液流出口012相连通；冷却液经液流入口013进入基板004，在第一层螺旋式强制涡流液流微通道和第二层螺旋式强制涡流液流微通道流动散热后，经液流出口012排出。上盖板001的顶部为半导体器件安装台面017，上盖板001和下盖板007上设置的螺旋式凸槽016，与基板004两面上的螺旋式凹槽009相适配，螺旋式凸槽016插入螺旋式凹槽009中形成螺旋式强制涡流液流微通道，用于冷却液螺旋式流动散热，形成强制涡流，有效增强散热面积及涡流效应，使冷却的效率更高，大幅降低半导体器件温升，提高半导体器件的稳定性和可靠性，满足大功率半导体器件散热需求。基板004用于固定上盖板001和下盖板007，同时供冷却液流入和流出，在螺旋式凹槽009的中心处设有导流孔003，与液流入口013相连通，端部设有集水槽010，与液流出口012相连通，从而形成一个液流通道。冷却液经液流入口013进入基板004，经导流孔003流入第一层螺旋式强制涡流液流微通道和第二层螺旋式强制涡流液流微通道，流动散热后汇聚至集水槽010处，再经液流出口012排出，完成一个冷却的循环。

上盖板001、上钎料板002、基板004、下钎料板006和下盖板007通过钎焊工艺焊接为一体，钎料是指为实现两种材料(或零件)的结合进行钎焊时，在其间隙内或间隙旁所加的填充物，用来形成焊缝的填充材料，钎料板即为板状的钎料。钎焊是指低于焊件熔点的钎料和焊件同时加热到钎料熔化温度后，利用液态钎料填充固态工件的缝隙使金属连接的焊接方法，焊接后变形小，接头光滑美观，适合于焊接精密、复杂和由不同材料组成的构件，使散热装置的各个焊接处更为平滑。

本实施例中上盖板001、上钎料板002、基板004、下钎料板006和下盖板007在焊接前通过定位销005定位组合，上钎料板002、基板004、下钎料板006和下盖板007上分别设有对应位置的上钎料板定位孔008、基板定位孔011、下钎料板定位孔014和下盖板定位孔015，组合时将上述组件的定位孔对准，将定位销005插入定位孔中，各个组件即完成定位组装，可以进行接下来的钎焊工序，为生产提供了便利，同时也保证了散热装置的质量。

本实施例中螺旋式凸槽016与螺旋式凹槽009采用机械结构组合为一体，并与液流入口013和液流出口012相连通，形成多层螺旋式强制涡流液流微通道。

为解决技术问题，本发明还提供一种多层螺旋式微通道液冷散热装置加工方法，包括如下步骤：

S1、采用机械加工或开模成型，独立加工出具有螺旋式凸槽的上盖板、具有螺旋式凸槽的下盖板以及两面具有螺旋式凹槽的基板；

S2、采用冲压成型的方式将钎料加工成所需形状的螺旋状上钎料板和螺旋状下钎料板，并将所需的定位销采用车床加工成形；

S3、在上钎料板、基板、下钎料板和下盖板对应的位置处打定位孔，将上盖板、上钎料板、基板、下钎料板和下盖板通过机械结构组合，组装时采用定位销来定位，并通过真空高温钎焊焊接成一体，有效防止泄漏风险，提高整体散热装置的使用寿命及安全性；

S4、将S3步骤中焊接好的半成品散热装置做人工时效处理，人工时效指将经固溶处理后的合金加热到室温以上的适当温度，保持一定时间使合金性能发生变化的处理过程，一般是加热或是冰冷处理消除或减小淬火后工件内的微观应力、机械加工残余应力，防止变形及开裂；

S5、将经S4步骤处理过的半成品散热装置采用机械加工成成品所需要的外形尺寸；

S6、将成品散热装置内部及外部通过超声波或专用的清洗设备清洗干净；

S7、进行最后的表面处理工艺。

使用本发明的多层螺旋式微通道液冷散热装置及其加工方法，具有下列优点：(1)通过在盖板上设置螺旋式凸槽，基板内部设置螺旋式凹槽，使冷却液流过凹凸槽时沿螺旋路线流动并产生强制涡流，有效增强散热面积及涡流效应，大幅度降低热阻，满足大功率半导体器件散热需求；

(2)通过在散热装置内设置多层螺旋式强制涡流液流微通道，有效增强散热面积及涡流效应，大幅降低半导体器件温升，提高半导体器件的稳定性和可靠性；

(3)盖板内的螺旋式凸槽与基板内的螺旋式凹槽通过定位销来定位及积木方式快速组合，有效提高生产效率降低成本；

(4)多层螺旋式强制涡流液流微通道，是通过组合的方式形成，无需在盖板或基板上整体加工微通道，有效提高生产效率降低成本；

(5)生产时将焊接好的半成品液冷板做人工时效处理，有效释放内应力，提升液冷板表面硬度，增强承压强度。

以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上可以作出许多变化，只要这些变化未脱离本发明的构思，均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种多层螺旋式微通道液冷散热装置，其特征在于，包括依次固定为一体的上盖板(001)、上钎料板(002)、基板(004)、下钎料板(006)和下盖板(007)，所述上盖板(001)和下盖板(007)分别通过上钎料板(002)和下钎料板(006)与基板(004)焊接成一体；

所述上盖板(001)和下盖板(007)内部均设有螺旋式凸槽(016)，所述基板(004)的两面设有螺旋式凹槽(009)，所述螺旋式凸槽(016)与螺旋式凹槽(009)相互组合，分别形成第一层螺旋式强制涡流液流微通道和第二层螺旋式强制涡流液流微通道，使冷却液流过该通道时沿螺旋路线流动并产生强制涡流；

所述基板(004)的一侧设有液流入口(013)和液流出口(012)，内部设有集水槽(010)和导流孔(003)；所述导流孔(003)设于所述螺旋式凹槽(009)的中心，与所述液流入口(013)相连通；所述集水槽(010)设于所述螺旋式凹槽(009)的末端，与所述液流出口(012)相连通；冷却液经所述液流入口(013)进入所述基板(004)，在所述第一层螺旋式强制涡流液流微通道和第二层螺旋式强制涡流液流微通道流动散热后，经所述液流出口(012)排出。

2.根据权利要求1所述的双螺旋阶梯强制涡流式液冷散热器，其特征在于，所述上盖板(001)、上钎料板(002)、基板(004)、下钎料板(006)和下盖板(007)通过钎焊工艺焊接为一体。

3.根据权利要求2所述的多层螺旋式微通道液冷散热装置，其特征在于，所述上盖板(001)、上钎料板(002)、基板(004)、下钎料板(006)和下盖板(007)在焊接前通过定位销(005)定位组合，所述上钎料板(002)、基板(004)、下钎料板(006)和下盖板(007)上分别设有对应位置的上钎料板定位孔(008)、基板定位孔(011)、下钎料板定位孔(014)和下盖板定位孔(015)。

4.根据权利要求1所述的多层螺旋式微通道液冷散热装置，其特征在于，所述螺旋式凸槽(016)与螺旋式凹槽(009)通过机械结构组合为一体，并与所述液流入口(013)和液流出口(012)相连通，形成多层螺旋式强制涡流液流微通道。

5.一种多层螺旋式微通道液冷散热装置加工方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、采用机械加工或开模成型，独立加工出具有螺旋式凸槽的上盖板、具有螺旋式凸槽的下盖板以及两面具有螺旋式凹槽的基板；

S2、采用冲压成型的方式将钎料加工成所需形状的螺旋状上钎料板和螺旋状下钎料板，并将所需的定位销采用车床加工成形；

S3、在上钎料板、基板、下钎料板和下盖板对应的位置处打定位孔，将上盖板、上钎料板、基板、下钎料板和下盖板通过机械结构组合，组装时采用定位销来定位，并通过真空高温钎焊焊接成一体；

S4、将S3步骤中焊接好的半成品散热装置做人工时效处理；

S5、将经S4步骤处理过的半成品散热装置采用机械加工成成品所需要的外形尺寸；

S6、将成品散热装置内部及外部通过超声波或专用的清洗设备清洗干净；

S7、进行最后的表面处理工艺。

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