CN120711690A - 一种基于复合材料菱形肋片阵列的叠层式微通道热沉 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于复合材料菱形肋片阵列的叠层式微通道热沉，属于电子设备散热技术领域。解决了电子设备高功率、高热流密度散热需求难以满足的问题。它包括铜质箱体、受热基板和叠层式微通道组件，铜质箱体两侧均分别开设有冷却工质流通口，叠层式微通道组件包括多层金刚石/铜复合材料基板，多层金刚石/铜复合材料基板沿竖直方向叠层设置，各层金刚石/铜复合材料基板表面加工有规则分布的菱形肋片阵列，形成微通道层，相邻微通道层相连，受热基板为金刚石/铜复合材料，受热基板与叠层式微通道组件相连，铜质箱体与受热基板相连，叠层式微通道组件位于铜质箱体内部。它主要用于电子设备散热。

Description

一种基于复合材料菱形肋片阵列的叠层式微通道热沉

技术领域

本发明属于电子设备散热技术领域，特别是涉及一种基于复合材料菱形肋片阵列的叠层式微通道热沉。

背景技术

随着新一代电子技术向高度集成化和小型化发展，电子系统的热管理面临严峻挑战：发热功率持续攀升、热源高度集中且散热空间受限，导致设备高温故障率居高不下。据统计，电子设备因超温引发的失效占比达55%，而微电子设备约70%的故障与高温直接相关。因此，严格的温控要求使热管理成为制约电子产品性能突破的关键瓶颈。要解决这一问题，需从材料和散热方式两个维度提升散热性能：一方面，由于热点与周围区域热流密度差异显著，需采用更高导热材料以实现均温；另一方面，器件整体发热量巨大，需发展更高效的散热方式以快速导出热量。

随着电子设备集成度、使用频率的不断提高，集成电路某些电子元件的热流密度可达50W/cm²，有的甚至达到200W/cm²，传统铝、铜及其合金等纯金属散热材料的性能局限日益凸显。与传统材料相比，金刚石/铜复合材料集成了金刚石材料的高导热特性以及金属材料尺寸大、易成型的特点，具有高导热率（＞600W/(mK)）、低密度（＜7g/cm³）、膨胀系数可调等优点；但是，金刚石/铜复合材料在实际应用中同时存在金刚石与金属铜之间浸润性较差造成的界面结合强度不足问题以及硬度强、脆性大同时存在的材料特性，最终导致金刚石/铜复合材料在大尺寸制备过程中面临工艺困难，且难以加工成复杂形状结构。这一系列材料特性严重制约了金刚石/铜复合材料在散热领域的实际应用效果。

目前，传统风冷散热的热流密度仅为1W/cm²，虽然传统液冷散热的热流密度极限可达200W/cm²，但是其体积较大，难以满足高密度集成系统的散热需求。与传统散热方式相比，微通道散热技术利用冷却工质流经微细通道进行高效热交换，凭借更大的传热面积、紧凑结构和高传热系数等优势，实现了更小体积、更轻重量和更高散热效率。微通道散热技术虽然具有高效散热能力，但在实际应用中仍存在以下技术难点：首先，该技术对材料性能要求较高，特别是采用金刚石基高导热复合材料时，其加工难度显著增加；其次，由于微通道结构尺寸微小，导致流体流动阻力较大，这不仅增加了泵功消耗，还容易在管路连接处产生泄漏风险；此外，沿流动方向存在的显著温度梯度会导致热源区域出现局部高热点，影响散热均匀性。这些因素共同制约了微通道散热技术的实际应用效果。

针对电子设备的高功率、高热流密度散热需求，考虑到目前金刚石/铜复合材料的正反两方面材料特性以及微通道散热技术正反两方面的技术特点，亟需开发一种基于金刚石/铜复合材料的微通道散热方案，该方案需通过优化微通道结构设计实现金刚石/铜复合材料的复杂形状加工，并提高散热器整体温度均匀性，保证结构紧凑的同时提高散热器的实际使用能力，以满足高功率、高热流密度工况下的电子设备的散热需求。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种基于复合材料菱形肋片阵列的叠层式微通道热沉，以解决电子设备高功率、高热流密度散热需求难以满足的问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种基于复合材料菱形肋片阵列的叠层式微通道热沉，它包括铜质箱体、受热基板和叠层式微通道组件，所述铜质箱体两侧均分别开设有冷却工质流通口，两个冷却工质流通口分别为冷却工质进口和冷却工质出口，所述叠层式微通道组件包括多层金刚石/铜复合材料基板，多层金刚石/铜复合材料基板沿竖直方向叠层设置，各层金刚石/铜复合材料基板表面加工有规则分布的菱形肋片阵列，形成微通道层，相邻微通道层相连，所述受热基板为金刚石/铜复合材料，所述受热基板与叠层式微通道组件相连，所述铜质箱体与受热基板相连，所述叠层式微通道组件位于铜质箱体内部。

更进一步的，所述各层金刚石/铜复合材料基板表面采用激光刻蚀工艺加工规则分布的菱形肋片阵列，相邻微通道层间采用真空扩散焊工艺连接。

更进一步的，所述受热基板与叠层式微通道组件之间采用真空扩散焊工艺连接。

更进一步的，所述铜质箱体与受热基板之间通过气密性焊接相连。

更进一步的，所述受热基板上不与叠层式微通道组件连接的表面进行选择性镀铜处理，所述铜质箱体与镀铜处理后的受热基板非接触表面冶金结合。

更进一步的，所述菱形肋片阵列的菱形长短对角线尺寸分别为2mm和1mm，肋片高度2mm，阵列横向、纵向中心距均为1.6mm。

更进一步的，所述铜质箱体外表面镀镍。

更进一步的，所述冷却工质流通口为宝塔接头，所述铜质箱体通过螺丝固定安装两个相同规格的宝塔接头。

更进一步的，所述叠层式微通道组件包括五层金刚石/铜复合材料基板，各层金刚石/铜复合材料基板尺寸一致，长宽高分别为90mm×90mm×3mm。

更进一步的，所述铜质箱体的外包络尺寸长宽高分别为170mm×114mm×28mm。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

为解决高功率、高热流密度电子设备散热问题，实现提高电子设备性能、延长电子设备使用寿命的目标，本发明提供一种基于复合材料菱形肋片阵列的叠层式微通道热沉。在扩展换热面的同时，减小金刚石/铜复合材料受热基板的水平方向温度梯度和冷却工质的垂直方向温度梯度，提高受热基板和冷却工质的温度均匀性，扩大换热量、提升换热效率；同时，采用高精度真空扩散焊接工艺减少各层微通道表面之间的接触热阻，降低微通道热沉内部结构的温度梯度。

本发明创新性的采用了多层金刚石/铜复合材料基板沿竖直方向叠层设置的形式组成叠层式微通道组件，菱形肋片阵列的叠层式微通道结构采用多层热传导-热对流组合传热路径：一方面，高导热金刚石/铜复合材料大幅降低受热基板水平方向的温度梯度；另一方面，菱形肋片阵列的分层设计减少冷却工质沿垂直方向的温度梯度，解决了传统微通道因温度梯度导致的局部高热点问题。实验证明，以去离子水为冷却介质，本发明所述叠层式微通道热沉可实现4.5~7kW的散热量，对应热流密度不低于100W/cm²，同时将电子设备表面温度稳定控制在75℃以下，满足高集成电子设备的高功率、高热流密度散热需求。

针对金刚石/铜复合材料因界面结合强度不足、硬度高、脆性大导致的复杂形状加工困难问题，本发明采用激光刻蚀工艺在金刚石/铜复合材料基板表面精密加工规则分布的菱形肋片阵列，结合真空扩散焊工艺实现相邻微通道层及受热基板的一体化连接。该工艺将分布规则的固定形状流道组合为复杂流道结构，在保留金刚石/铜复合材料高导热率（≥600W/(m·K)）、低密度（<7g/cm³）优势的同时，显著提升了散热器内部的流道复杂程度，增强冷却工质流动扰动，扩大换热面积，从而强化换热效果。

本发明通过叠层式微通道组件与铜质箱体的设计，在保证紧凑结构的前提下，增大冷却工质进出口尺寸及箱体空腔容积。铜质箱体两侧安装宝塔接头并通过螺丝固定，有效解决传统微通道因尺寸微小导致的流动阻力大、泵功消耗高及管路泄漏风险。此外，受热基板非接触表面经选择性镀铜处理后，与铜质箱体通过真空扩散焊实现冶金结合，耐压测试表明该结构可将压降控制在0.01MPa以内，确保整体气密性和长期运行可靠性。

本发明铜质箱体外表面镀镍处理，有效防止铜在空气中氧化形成低导热性氧化层，保障长期散热性能稳定。冷却工质兼容去离子水或醇类防冻液，适用于航空航天等严苛环境。整体结构通过真空扩散焊实现全密封连接，兼具高导热性、耐腐蚀性及轻量化特点，为高密度电子系统提供可靠散热解决方案。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明所述的一种基于复合材料菱形肋片阵列的叠层式微通道热沉立体结构示意图；

图2为本发明所述的一种基于复合材料菱形肋片阵列的叠层式微通道热沉爆炸结构示意图；

图3为本发明所述的铜质箱体结构示意图；

图4为本发明所述的叠层式微通道组件与受热基板连接结构示意图；

图5为本发明所述的叠层式微通道组件俯视放大结构示意图；

图6为本发明所述的叠层式微通道组件侧视放大结构示意图；

图7为本发明所述的一种基于复合材料菱形肋片阵列的叠层式微通道热沉的测试系统连接结构示意图；

图8为本发明所述的一种基于复合材料菱形肋片阵列的叠层式微通道热沉测试的流量随散热量变化曲线；

图9为本发明所述的一种基于复合材料菱形肋片阵列的叠层式微通道热沉测试的流量随散热热流密度变化曲线。

图中：

1-铜质箱体，2-冷却工质进口，3-受热基板，4-叠层式微通道组件，5-冷却工质出口，6-供液装置，7-涡轮流量计，8-第一热电偶，9-第二热电偶，10-压差计，11-电子设备。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地阐述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

参见图1-6说明本实施方式，一种基于复合材料菱形肋片阵列的叠层式微通道热沉，它包括铜质箱体1、受热基板3和叠层式微通道组件4，所述铜质箱体1两侧均分别开设有冷却工质流通口，两个冷却工质流通口分别为冷却工质进口2和冷却工质出口5，所述叠层式微通道组件4包括多层金刚石/铜复合材料基板，多层金刚石/铜复合材料基板沿竖直方向叠层设置，各层金刚石/铜复合材料基板表面加工有规则分布的菱形肋片阵列，形成微通道层，相邻微通道层相连，所述受热基板3为金刚石/铜复合材料，所述受热基板3与叠层式微通道组件4相连，所述铜质箱体1与受热基板3相连，所述叠层式微通道组件4位于铜质箱体1内部。

如图1和图2所示，所述铜质箱体1通过螺丝固定安装两个相同规格的宝塔接头作为冷却工质流通口，其中一个宝塔接头为冷却工质进口2，另一个为冷却工质出口5。所述宝塔接头可根据实际管路连接情况进行更换，有效解决了传统微通道热沉管路尺寸小、易泄露等问题，提高了微通道热沉的实际使用能力。

如图3所示，为防止铜在空气中受热氧化形成导热系数较低的氧化铜，从而降低本实施例所述一种基于复合材料菱形肋片阵列的叠层式微通道热沉的实际散热能力，对所述铜质箱体1外表面进行镀镍处理，所述铜质箱体1的外包络尺寸长宽高分别为170mm×114mm×28mm。

如图4所示，受热基板3与叠层式微通道组件4相连形成菱形肋片阵列的叠层式微通道结构，所述叠层式微通道组件4由五层金刚石/铜复合材料基板组成，各层金刚石/铜复合材料基板表面采用激光刻蚀工艺精密加工规则分布的菱形肋片阵列，形成微通道层，相邻微通道层间采用高精度真空扩散焊工艺连接。连接后形成的叠层式微通道组件4具有较高的流道复杂程度，从而提高冷却工质流动过程中的紊乱程度，增强扰动，同时，在传统微通道较大传热面积的基础上，通过各层金刚石/铜复合材料基板与冷却工质的进一步接触，增大换热面积，综合以上两点，所述叠层式微通道组件4通过激光刻蚀工艺并结合高精度真空扩散焊接技术，将分布规则的固定形状流道进行组合，形成复杂形状流道，增强扰动、扩大换热面积，从而起到强化换热的效果，有效弥补了金刚石/铜复合材料复杂形状加工困难等问题。

如图4所示，所述受热基板3为金刚石/铜复合材料，所述受热基板3与叠层式微通道组件4之间采用真空扩散焊工艺连接，形成整体的菱形肋片阵列的叠层式微通道结构。相较于传统微通道散热器主要依靠从热源到散热器的热传导以及从散热器到冷却工质的热对流的热量传热方式，所述菱形肋片阵列的叠层式微通道结构完成了多层热传导-热对流组合的热量传递方式，在利用金刚石/铜复合材料的优异传热性能减小受热基板3沿流动方向的温度均匀性的同时，将冷却工质进行分层，减少冷却工质沿热量传递方向的温度梯度，提高冷却工质温度均匀性，强化冷却工质的换热能力，有效解决了传统微通道散热沿流动方向存在的显著温度梯度，从而导致热源区域出现局部高热点的问题。

如图4所示，为实现铜质箱体1与菱形肋片阵列的叠层式微通道结构之间的高气密性焊接，在完成菱形肋片阵列的叠层式微通道结构焊接的基础上，对受热基板3上不与叠层式微通道组件4连接的表面进行选择性镀铜处理，最后，通过高精度真空扩散焊接工艺实现铜质箱体1与镀铜处理后的受热基板3非接触表面冶金结合，经耐压测试，该工艺可保证压降控制在0.01MPa以内，确保一种基于复合材料菱形肋片阵列的叠层式微通道热沉整体结构的密封性和热传导性能。

如图5和图6所示，所述叠层式微通道组件4包括五层金刚石/铜复合材料基板，各层金刚石/铜复合材料基板尺寸一致，长宽高分别为90mm×90mm×3mm，各层基板表面采用激光刻蚀工艺精密加工规则分布的菱形肋片阵列，所述菱形肋片阵列的菱形长短对角线尺寸分别为2mm和1mm，肋片高度2mm，阵列横向、纵向中心距均为1.6mm。相对于传统单层流道的微通道热沉，在相同的换热面积条件下，本实施例一种基于复合材料菱形肋片阵列的叠层式微通道热沉具有更小的体积，同时兼备了尺寸较大的冷却工质进出口和箱体空腔，可以起到进一步降低流动阻力、减少泵功消耗的作用。

本实施方式在使用时，电子设备11紧密贴合在受热基板3的下表面，冷却工质通过冷却工质进口2进入箱体内，吸热后从冷却工质出口5流出，所述冷却工质为去离子水或醇类防冻液。

本实施方式为一种基于复合材料菱形肋片阵列的叠层式微通道热沉的测试系统，如图7所示，测试系统包括供液装置6、涡轮流量计7、第一热电偶8、第二热电偶9和压差计10，供液装置6的冷却工质出口与冷却工质进口2之间依次串联涡轮流量计7和第一热电偶8，供液装置6的冷却工质入口与所述冷却工质出口5之间串联第二热电偶9，同时，在冷却工质进口2和冷却工质出口5之间并联压差计10，使用内部镶嵌热电偶的电加热片模拟电子设备11，电子设备11与上述实施例一种基于复合材料菱形肋片阵列的叠层式微通道热沉的受热基板3下表面之间涂抹导热硅脂，并采用夹紧装置将二者紧密贴合。在受热基板3非受热区域粘贴热电偶，实现不同流量下的热沉表面多测点温度与热沉流阻实时采集。

利用金刚石/铜复合材料导热率较高的材料特性和微通道散热传热路径短、单位流体体积下传热面积大的结构特点，减小受热基板3水平方向温度梯度和冷却工质垂直方向温度梯度，提高受热基板3和冷却工质的温度均匀性，扩大换热量、提升换热效率；同时，采用高精度真空扩散焊接工艺减少各层微通道表面之间的接触热阻，降低微通道热沉内部结构的温度梯度，如图8和图9所示，测试结果表明：以去离子水为冷却介质，在冷却工质进口温度20℃±2℃、体积流量5~20L/min的工况条件下，本发明能够实现4.5~7kW的稳定散热量，对应的散热热流密度不低于100W/cm²，同时将模拟的电子设备11表面温度有效控制在75℃以下。

本发明特别适用于航空航天等严苛环境。整体结构通过真空扩散焊实现全密封连接，兼具高导热性、耐腐蚀性及轻量化特点，为高密度电子系统提供可靠散热解决方案。

以上公开的本发明具体实施方式只是用于帮助阐述本发明。具体实施方式并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。

Claims (10)

1.一种基于复合材料菱形肋片阵列的叠层式微通道热沉，其特征在于：它包括铜质箱体(1)、受热基板(3)和叠层式微通道组件(4)，所述铜质箱体(1)两侧均分别开设有冷却工质流通口，两个冷却工质流通口分别为冷却工质进口(2)和冷却工质出口(5)，所述叠层式微通道组件(4)包括多层金刚石/铜复合材料基板，多层金刚石/铜复合材料基板沿竖直方向叠层设置，各层金刚石/铜复合材料基板表面加工有规则分布的菱形肋片阵列，形成微通道层，相邻微通道层相连，所述受热基板(3)为金刚石/铜复合材料，所述受热基板(3)与叠层式微通道组件(4)相连，所述铜质箱体(1)与受热基板(3)相连，所述叠层式微通道组件(4)位于铜质箱体(1)内部。

2.根据权利要求1所述的一种基于复合材料菱形肋片阵列的叠层式微通道热沉，其特征在于：所述各层金刚石/铜复合材料基板表面采用激光刻蚀工艺加工规则分布的菱形肋片阵列，相邻微通道层间采用真空扩散焊工艺连接。

3.根据权利要求1所述的一种基于复合材料菱形肋片阵列的叠层式微通道热沉，其特征在于：所述受热基板(3)与叠层式微通道组件(4)之间采用真空扩散焊工艺连接。

4.根据权利要求1所述的一种基于复合材料菱形肋片阵列的叠层式微通道热沉，其特征在于：所述铜质箱体(1)与受热基板(3)之间通过气密性焊接相连。

5.根据权利要求4所述的一种基于复合材料菱形肋片阵列的叠层式微通道热沉，其特征在于：所述受热基板(3)上不与叠层式微通道组件(4)连接的表面进行选择性镀铜处理，所述铜质箱体(1)与镀铜处理后的受热基板(3)非接触表面冶金结合。

6.根据权利要求1所述的一种基于复合材料菱形肋片阵列的叠层式微通道热沉，其特征在于：所述菱形肋片阵列的菱形长短对角线尺寸分别为2mm和1mm，肋片高度2mm，阵列横向、纵向中心距均为1.6mm。

7.根据权利要求1所述的一种基于复合材料菱形肋片阵列的叠层式微通道热沉，其特征在于：所述铜质箱体(1)外表面镀镍。

8.根据权利要求1所述的一种基于复合材料菱形肋片阵列的叠层式微通道热沉，其特征在于：所述冷却工质流通口为宝塔接头，所述铜质箱体(1)通过螺丝固定安装两个相同规格的宝塔接头。

9.根据权利要求1所述的一种基于复合材料菱形肋片阵列的叠层式微通道热沉，其特征在于：所述叠层式微通道组件(4)包括五层金刚石/铜复合材料基板，各层金刚石/铜复合材料基板尺寸一致，长宽高分别为90mm×90mm×3mm。

10.根据权利要求1所述的一种基于复合材料菱形肋片阵列的叠层式微通道热沉，其特征在于：所述铜质箱体(1)的外包络尺寸长宽高分别为170mm×114mm×28mm。