CN117476573A - 一种用于功率芯片散热的歧管-微通道式冷板及散热方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于功率芯片散热的歧管‑微通道式冷板及散热方法，包括依次设置的盖板、歧管基板、微通道基板及底板；盖板上开设有冷却介质进口和冷却介质出口；歧管基板上设置有歧管本体，歧管本体包括入口段、歧管段及出口段；其中，歧管段包括若干进液通道和若干出液通道；入口段的一端与冷却介质进口连通，入口段的另一端与进液通道的一端连通，进液通道的另一端与微通道基板的进口连通，微通道基板的出口与出液通道的一端连通，出液通道的另一端与出口段的一端连通；底板的外表面与待散热功率芯片紧密接触；本发明利用歧管基板上歧管本体的分配效应，能够实现将冷却介质平均分配入流至微通道基板，有效提高了冷板的换热效率，稳定性高。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，特别涉及一种用于功率芯片散热的歧管-微通道式冷板及散热方法。
背景技术
随着功率芯片技术的发展，功率芯片的热流密度已突破了1kw/cm2的数量级；功率芯片在高热流密度下工作时，如果不能对其进行高效的散热，则功率芯片的温升会大大超过其正常工作时的允许值。
高热流密度下功率芯片散热不良引起的高的温升，将会损坏功率芯片元器件节点与电路拓扑连接结构、产生热应力损伤，进而降低功率芯片工作的可靠性与使用寿命；而高热流密度下功率芯片内部存在的温度分布不均匀性亦会进一步加剧上述效应。
在传统的电子冷却技术中，由于芯片与远端散热器之间存在热界面材料，其增加了导热热阻，并因此难以将芯片表面的温度维持在安全工作范围内。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种用于功率芯片散热的歧管-微通道式冷板及散热方法，以解决现有的电子冷却技术中，由于热界面材料产生的多层热阻，导致换热效率低，严重影响芯片寿命的技术问题。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
本发明提供了一种用于功率芯片散热的歧管-微通道式冷板，包括从上到下依次设置的盖板、歧管基板、微通道基板及底板；
所述盖板的一端开设有冷却介质进口，所述盖板的另一端开设有冷却介质出口；所述歧管基板上设置有歧管本体，所述歧管本体包括入口段、歧管段及出口段；其中，所述歧管段包括若干进液通道和若干出液通道；
所述入口段的一端与所述冷却介质进口连通，所述入口段的另一端与所述进液通道的一端连通，所述进液通道的另一端与所述微通道基板的进口连通，所述微通道基板的出口与所述出液通道的一端连通，所述出液通道的另一端与所述出口段的一端连通；
所述底板的外表面与待散热功率芯片紧密接触。
进一步的，若干进液通道间隔分布，且相邻两个进液通道之间设置有一个出液通道。
进一步的，所述进液通道为宽进窄出的渐缩型流道结构；所述出液通道为窄进宽出的渐扩型流道结构。
进一步的，所述入口段，包括进液入口及若干进液连接通道，所述进液入口设置在所述歧管基板的表面，并正对所述冷却介质进口设置；若干进液连接通道的一端与所述进液入口均连通，若干进液连接通道的另一端分别与若干进液通道一一对应相连；其中，所述进液连接通道为窄进宽出的渐缩型流道结构。
进一步的，所述微通道基板上设置有微通道本体，所述微通道本体包括若干渐缩微通道单元，若干所述渐缩微通道呈阵列分布。
进一步的，所述底板的外表面设置有限位框，所述待散热功率芯片配合设置在所述限位框中。
进一步的，所述盖板采用透明的亚克力板制作而成。
进一步的，所述歧管基板、微通道基板及底板均采用选择性激光熔化成型工艺制作而成。
本发明还提供了一种用于功率芯片散热的歧管-微通道式冷板的散热方法，利用所述的用于功率芯片散热的歧管-微通道式冷板；
所述散热方法，包括：
冷却介质从所述冷却介质入口内进入；利用所述歧管本体将所述冷却介质平均分配至微通道基板上；所述冷却介质在微通道基板上与待散热功率芯片实现热交换，热交换后的冷却介质，经所述冷却介质出口流出；
其中，所述冷却介质在微通道基板上与待散热功率芯片实现热交换时，所述冷却介质在所述底板上形成温度均匀的低温区域，所述待散热功率芯片，能够与所述温度均匀的低温区域进行热交换。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供了一种用于功率芯片散热的歧管-微通道式冷板及散热方法，通过在微通道基板上设置歧管基板，将歧管基板上的入口段与盖板上的冷却介质进口连通，将歧管基板上的出口段与盖板上的冷却介质出口连通，并通过底板将待散热功率芯片与微通道基板相连；利用歧管基板上歧管本体的分配效应，能够实现将冷却介质平均分配入流至微通道基板，以使微通道基板上的每个分配单元的传热系数保持统一，确保了底板的温度降低保持均匀，提高了待散热功率芯片表面的散热能力，有效提高了冷板的换热效率，稳定性高，进而提高了功率芯片的可靠性和使用寿命。
进一步的，在歧管基板上进液通道与出液通道交错分布，有效缩短了冷却介质在微通道中的流动路径，进而减小了冷却介质与微通道之间摩擦，实现快速从微通道中排出的目的。
进一步的，根据质量守恒定律，流量恒定的情况下通道截面越窄流速越大，因此将进液通道设置为宽进窄出的渐缩型流道结构，有助于在微通道中加速流体，强化对流换热。
进一步的，微通道基板上的微通道本体采用阵列分布的渐缩微通道单元构成，有助于均匀的给各个微通道分配流量，从而使得整板的对流换热强度保持一致，提升温度的均匀性。
进一步的，通过在底板的外表面设置限位框，有助于限定热源的位置，减小流体运动产生的震动的传递，从而减小热源与冷板的换热热阻；具体的，通过限位框与待散热功率芯片配合，以实现将待散热功率芯片需要换热的区域靠近并定位在底板的换热能力最强的区域。
进一步的，盖板采用透明的亚克力板制作，能够对冷却介质在歧管基板上的流动状态进行实时观察。
进一步的，歧管基板、微通道基板及底板均采用选择性激光熔化成型工艺制作而成，加工过程简单，精度较高。
附图说明
图1为实施例所述的歧管-微通道式冷板的爆炸图；
图2为实施例中的盖板结构示意图；
图3为实施例中歧管基板结构示意图；
图4为实施例中微通道基板的局部结构示意图；
图5为实施例中底板的局部结构示意图；
图6为实施例中渐缩通道单元的结构示意图；
图7为实施例所述的歧管-微通道式冷板中冷却介质的流动路径示意图。
其中，1盖板，2歧管基板，3微通道基板，4底板；101冷却介质进口，102冷却介质出口；201入口段，202歧管段，203出口段，204进液通道，205出液通道；301渐缩微通道单元；401限位框。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题，技术方案及有益效果更加清楚明白，以下具体实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例
如附图1-6所示，本实施例提供了一种用于功率芯片散热的歧管-微通道式冷板，用于对功率芯片的散热；所述歧管-微通道式冷板，包括从上到下依次设置的盖板1、歧管基板2、微通道基板3及底板4。
所述盖板1的一端开设有冷却介质进口101，所述盖板1的另一端开设有冷却介质出口102；所述歧管基板2上设置有歧管本体，所述歧管本体包括入口段201、歧管段202及出口段203；所述冷却介质进口101的一端与外部冷源的出口端连接，所述冷却介质进口101的另一端与所述入口段201的一端连通；所述入口段201的另一端与所述歧管段202的一端连通，所述歧管段202的另一端与所述出口段203的一端连通；所述出口段203的另一端与冷却介质出口102的一端连通，所述冷却介质出口102的另一端与外部冷源的回液口端连接；其中，外部冷源内储存有冷却介质，所述冷却介质为冷却液或冷却气体。
本实施例中，所述歧管基板2的上表面与所述盖板1的下表面紧密贴合固定；所述入口段201设置在所述歧管基板2的上表面一端，所述入口段201包括进液入口及若干进液连接通道；所述进液入口为开设在所述歧管基板2的表面的凹槽结构，所述进液入口正对所述冷却介质进口101设置，所述进液入口的上端与所述冷却介质进口101的下端连通；若干进液连接通道均匀设置在所述进液入口与所述歧管段202之间，所述进液连接通道的一端与所述进液入口的侧壁连通，所述进液连接通道的另一端与所述歧管段202的进口连通。
所述歧管段202设置在所述歧管基板2的中部，所述歧管段202包括若干进液通道204和若干出液通道205；其中，若干进液通道204间隔分布，且相邻两个进液通道204之间设置有一个出液通道205；若干所述进液通道204的一端与若干所述进液连接通道一一对应连通，所述进液通道204的另一端与所述微通道基板3的进口连通，所述微通道基板3的出口与所述出液通道205的一端连通，所述出液通道205的另一端与所述出口段203连通。
所述出口段203设置在所述歧管基板2的上表面另一端，所述出口段203位开设在所述歧管基板2上表面的三角形凹槽结构，所述出口段203的侧壁与所述出液通道205连通，所述出口段203的上端与所述冷却介质出口102连通。
本实施例中，所述进液连接通道为窄进宽出的渐缩型流道结构，所述进液通道204为宽进窄出的渐缩型流道结构，所述出液通道205为窄进宽出的渐扩型流道结构；在冷却介质的进液过程中，冷却介质每流进一个渐缩微通道单元301中后，所述进液通道204中的流量将相应减小，为保持进液通道204中的余下的流量和其他渐缩微通道单元的数量成正比关系，将进液通道204设置为宽进窄出的渐缩型流道结构，有助于保持所有渐缩微通道单元的入口速度保持一致，从而保证每个渐缩微通道都分配了相同的流量和流速，从而保证每个渐缩微通道单元带走的热量差距较小，保持整板的温度均匀性。
所述微通道基板3的上表面与所述歧管基板2的下表面紧贴固定，所述微通道基板3上设置有微通道本体；所述微通道本体设置在所述微通道基板3的中部，并位于所述歧管段202的正下方；具体的，所述微通道本体包括若干渐缩微通道单元301，若干所述渐缩微通道301呈阵列分布。
所述底板4的上表面与所述微通道基板3的下表面紧贴固定，所述底板4的下表面与待散热功率芯片紧密接触；其中，所述底板4的下表面设置有限位框401；所述限位框401为在所述底板4的下表面中部开设的凹槽结构，所述限位框401位于所述微通道本体的正下方；所述限位框401的形状与待散热功率芯片的外形相匹配，所述待散热功率芯片配合设置在所述限位框401内。
本实施例中，所述盖板1采用透明的亚克力板制作而成，能够对冷却介质在歧管基板上的流动状态进行实时观察；所述盖板1、所述歧管基板2、所述微通道基板3及所述底板4均采用增材制造工艺中的选择性激光熔化成型工艺(SLM)制作而成。
工作原理及散热方法：
本实施例所述的用于功率芯片散热的歧管-微通道式冷板，使用时，将所述盖板1上的冷却介质进口101与外部冷源的出口端连接，将所述盖板1上的冷却介质出口102与外部冷源的回液口端连接。
外部冷源内的冷却介质从冷却介质入口101内进入；利用所述歧管本体上的若干进液通道204将所述冷却介质平均分配至微通道基板3上的若干渐缩微通道单元301；所述冷却介质在微通道基板3上通过所述底板4与待散热功率芯片实现热交换，热交换后的冷却介质，经所述冷却介质出口流出，完成一个冷却循环，如附图7所示。
本实施例中，所述冷却介质在微通道基板3上与待散热功率芯片实现热交换时，所述冷却介质在所述底板4上形成温度均匀的低温区域，所述待散热功率芯片，能够与所述温度均匀的低温区域进行热交换。
本实施例中，通过在盖板1与底板4之间依次设置歧管基板2及微通道基板3，形成歧管-微通道组合结构；从冷却介质的流路上看，通过在微通道基板3上设置若干渐缩微通道单元301，若干渐缩微通道单元301能够加速冷却介质在流动长度方向上的速度，提高了冷却介质的冷却能力，进而降低了底板4的平均温度；利用所述歧管基板2上间隔设置的若干进液通道的分配效应平均分配入流，使得每一个渐缩微通道单元的传热系数较为统一，底板4的平均温度降低，提高了芯片表面的散热能力，进而可提高功率芯片的可靠性和使用寿命。
本发明所述的用于功率芯片散热的歧管-微通道式冷板，包括从上到下依次设置的盖板1、歧管基板2、微通道基板3及底板4；盖板1设有冷却介质进口101及冷却介质出口102；歧管基板2设有入口段201、歧管段202及出口段203；微通道基板3设有呈阵列分布的若干渐缩微通道单元，底板4的表面布置有待散热功率芯片。
本发明中，所述盖板1上的冷却介质进口101作为冷却介质的流入通道，冷却介质出口102作为换热后的冷却介质的排出通道；歧管基板2上的入口段201，用于分配从冷却介质入口流入的冷却介质，使进入到歧管段202的流量均匀分布；所述出口段203，用于引导换热后的冷却介质流动至冷却介质出口102；所述盖板1、所述歧管基板2、微通道基板3和底板4均选择性激光熔化成型工艺制作而成，实现一体打印，兼顾制造效率和成本；所述歧管基板2上的进液通道呈现宽进窄出的流道结构，其能够加速流体，流体流经固体区域的速度越高，换热效果越好；所述微通道基板3上的渐缩微通道单元整体式呈阵列分布，有助于加速微通道中的流体，强化散热效果；所述底板4上的限位框内用于放置待散热的功率芯片，采用直接在底板4的表面一体化加工成型。
上述实施例仅仅是能够实现本发明技术方案的实施方式之一，本发明所要求保护的范围并不仅仅受本实施例的限制，还包括在本发明所公开的技术范围内，任何熟悉本技术领域的技术人员所容易想到的变化、替换及其他实施方式。
Claims (9)
1.一种用于功率芯片散热的歧管-微通道式冷板，其特征在于，包括从上到下依次设置的盖板(1)、歧管基板(2)、微通道基板(3)及底板(4)；
所述盖板(1)的一端开设有冷却介质进口(101)，所述盖板(1)的另一端开设有冷却介质出口(102)；所述歧管基板(2)上设置有歧管本体，所述歧管本体包括入口段(201)、歧管段(202)及出口段(203)；其中，所述歧管段(202)包括若干进液通道和若干出液通道；
所述入口段(201)的一端与所述冷却介质进口(101)连通，所述入口段(201)的另一端与所述进液通道的一端连通，所述进液通道的另一端与所述微通道基板(3)的进口连通，所述微通道基板(3)的出口与所述出液通道的一端连通，所述出液通道的另一端与所述出口段(203)的一端连通；
所述底板(4)的外表面与待散热功率芯片紧密接触。
2.根据权利要求1所述的一种用于功率芯片散热的歧管-微通道式冷板，其特征在于，若干进液通道间隔分布，且相邻两个进液通道之间设置有一个出液通道。
3.根据权利要求1所述的一种用于功率芯片散热的歧管-微通道式冷板，其特征在于，所述进液通道为宽进窄出的渐缩型流道结构；所述出液通道为窄进宽出的渐扩型流道结构。
4.根据权利要求1所述的一种用于功率芯片散热的歧管-微通道式冷板，其特征在于，所述入口段(201)，包括进液入口及若干进液连接通道，所述进液入口设置在所述歧管基板的表面，并正对所述冷却介质进口(101)设置；若干进液连接通道的一端与所述进液入口均连通，若干进液连接通道的另一端分别与若干进液通道一一对应相连；其中，所述进液连接通道为窄进宽出的渐缩型流道结构。
5.根据权利要求1所述的一种用于功率芯片散热的歧管-微通道式冷板，其特征在于，所述微通道基板(3)上设置有微通道本体，所述微通道本体包括若干渐缩微通道单元，若干所述渐缩微通道呈阵列分布。
6.根据权利要求1所述的一种用于功率芯片散热的歧管-微通道式冷板，其特征在于，所述底板(4)的外表面设置有限位框(401)，所述待散热功率芯片配合设置在所述限位框(401)中。
7.根据权利要求1所述的一种用于功率芯片散热的歧管-微通道式冷板，其特征在于，所述盖板(1)采用透明的亚克力板制作而成。
8.根据权利要求1所述的一种用于功率芯片散热的歧管-微通道式冷板，其特征在于，所述歧管基板(2)、微通道基板(3)及底板(4)均采用选择性激光熔化成型工艺制作而成。
9.一种用于功率芯片散热的歧管-微通道式冷板的散热方法，其特征在于，利用权利要求1-8任意一项所述的用于功率芯片散热的歧管-微通道式冷板；
所述散热方法，包括：
冷却介质从所述冷却介质入口(101)内进入；利用所述歧管本体将所述冷却介质平均分配至微通道基板(3)上；所述冷却介质在微通道基板(3)上与待散热功率芯片实现热交换，热交换后的冷却介质，经所述冷却介质出口流出；
其中，所述冷却介质在微通道基板(3)上与待散热功率芯片实现热交换时，所述冷却介质在所述底板(4)上形成温度均匀的低温区域，所述待散热功率芯片，能够与所述温度均匀的低温区域进行热交换。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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