CN1223919C - 以液体金属镓或其合金作流动工质的芯片散热用散热装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的以液体金属镓或其合金作流动工质的芯片散热用散热装置，包括：一内部开有流道，且流道内装有液体金属镓或其合金流动工质的主散热器，该主散热器与待冷却芯片表面相接触的另一表面上设有散热片；至少一个内部开有流道，且流道内装有液体金属镓或其合金流动工质的副散热器，该副散热器的表面上设有散热片；连接管道连通于主、副散热器之间，连接管道上设有用于驱动液体金属镓或其合金流动工质流动的微型泵；所述的流动工质为在室温附近即可熔化的液体金属镓或其合金；其优点：集散热肋片散热和对流冷却散热于一体，体积尺寸小，散热表面大，传热效率高；整体结构形式多样，适用面宽；循环过程封闭，对环境无影响。

Description

以液体金属镓或其合金作流动工质的芯片散热用散热装置

技术领域

本发明涉及用于计算机芯片的散热装置，特别涉及一种以液体金属镓或其合金作流动工质的芯片散热用散热装置。

背景技术

当前微电子工业发展的一个显著特征是个人计算机、工作站及掌上电脑等呈爆炸般增长，随之而来的一个重要问题是如何将这些系统内产生的高热量迅速而有效地散走。冷却微小系统的困难在于：首先，过高的冷却空气速率会造成大的声学噪音；其次，器件结构紧凑性要求仅允许保留有限的冷却流体空间；第三，模块上应尽量避免安装大表面热沉。以上这些问题均提出了发展高功率密度散热器件的重要性，而体积小、效率高正是其中最重要的指标之一。可以说，针对各类电子器件中相当高的热源密度，寻找具有高效热输运效能的散热方法多年来一直是人们追求的目标。

目前，人们一般采用受迫对流空气来冷却发热器件，即利用风扇将冷却空气压送至散热器件表面以将该处热量散走，但此种方式散热量有限，且冷却效率与风扇速度成正比，因而会造成明显噪音；而且一旦微器件发热密度过高时，空气冷却将难以胜任。随着计算机芯片集成度的飞速增长，所要求的换热强度也越来越高，采用水冷或热管散热的方式已提到日程上来，相应产品也零星出现在市场上。据业界人士分析，水冷可能会成为一个主流。然而，水冷虽然效率较高，但在运行中由于蒸发等会导致器件老化、腐蚀，对水质及流动管道的要求较高，存在泄露，可靠性尚有待提高，据报道，目前采用水冷的芯片易于烧毁，原因在于水冷系统尚不可靠，一旦由于某些故障导致水流停止，则失去冷却的芯片温度将迅速攀升，直至烧毁。

考虑到上述因素，研究人员正考虑采用相变换热方式来排走热量。采用相变传热与单相传热或导热相比，所需工质少，热传输量大，因而可减轻重量。在这类散热方法中，最典型的莫过于热管技术，它以相变(蒸发与凝结)换热作为传热的主要方式，具有传热能力大、温度控制能力强、传热效率高等特点，在计算机元器件散热方面的应用已引起重视。但热管制做工艺如芯体材料的制备、工质封装、维护等相当复杂，这使其应用受到很大限制。

我们知道，金属一般具有远高于非金属材料的热导率，因而在一些特殊场合具有重要用途。而计算机一般工作在0℃以上，100℃以下，设想若能在这一温区内将液体金属作为冷却流体，则可望产生很好的散热性能。正是基于上述考虑，本发明提出一种可以在小结构下实现大热量排放的新型散热器，可以实现尺寸更小、性能更好的散热。目前几乎所有的计算机芯片冷却方法都不外乎基于气体或非金属类液体，以液体金属作流动工质的作法在芯片冷却行业中至今尚未被提出。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种同时具有肋片结构和内部冷却流道的以液体金属镓或其合金作流动工质的芯片散热用散热装置。

本发明的技术方案如下：

本发明提供的以液体金属镓或其合金作流动工质的芯片散热用散热装置，其特征在于，该散热装置包括：

一内部开有流通通道，且流通通道内装有液体金属镓或其合金流动工质的主散热器1，该主散热器1与待冷却芯片表面相接触的另一表面上设置有第一散热肋片5；至少一个内部开有流通通道，且流通通道内装有液体金属镓或其合金流动工质的副散热器2；

主散热器1和副散热器2之间由连接管道3连通，并形成连通回路，连接管道3上设置有用于驱动液体金属镓或其合金流动工质流动的微型泵4；

所述副散热器2可为内部开有流通通道，且流通通道内装有液体金属镓或其合金流动工质，且表面上设有第二散热肋片6的散热器；所述副散热器2还可为盘管内装有液体金属镓或其合金流动工质的盘管式散热器，其上方设置有风扇7；

所述的第一散热肋片5和第二散热肋片6的横截面形状均为正方形、长方形、三角形或圆形；所构成的散热肋片整体尺寸为10nm×10nm×10nm到5cm×5cm×5cm；

所述的主散热器1的第一散热肋片5上方和副散热器2的第二散热肋片6上方还可设置有风扇7；

所述的连接管道3由高导热金属材料铝、铜或银或玻璃做成；所述的连接管道3可为由塑料做成的柔性管道；

所述的主散热器1、副散热器2由高导热金属铝、铜、银或半导体硅材料做成；

所述的主散热器1、副散热器2的流通通道内流动的液体金属镓为室温下可熔化的低熔点金属镓，其合金为在室温下可熔化的液体金属镓与锡、铋或铟组成的合金；

所述的主散热器1、副散热器2内流通通道的横截面形状可为正方形、长方形、三角形或圆形。

本发明具有下述优点：集散热肋片散热/盘管式散热和对流冷却散热于一体，体积尺寸小，散热表面大，传热效率高；整体结构形式多样，适用面更宽；其循环过程封闭，对环境无影响。

本发明提供的以液体金属镓或其合金作流动工质的芯片散热用散热装置，与待冷却芯片表面相接触的另一表面上设置有散热肋片，而内部开有流道，以及用于将来自主散热器中液体金属镓或其合金流动工质带来的热量散走的副散热器(其外表面也分布有散热片)，主、副散热器上的散热肋片均用于增强换热目的；本散热装置还包括：用于连通主、副散热器的连接管道，设置在连接管道上的用于驱动液体金属镓其合金流动工质流动的微型泵；主、副散热器内的流通通道形状可多样化，原则上现行所有的流通管道形式均可用作其结构；当副散热器置于空气中，其内热量通过空气受追对流及辐射的方式排出，此时副散热器上方可设置有风扇；也可将其置于冷却水中(此时，应将风扇取走)，其热量通过对流冷却的形式被水带走；主、副散热器表面上的散热肋片形式可多样化，散热肋片上方设置风扇以强化空气对流；主、副散热器由高导热金属如铝、铜或银等材料做成，其间的连接管道可由上述金属或塑料等做成，液体金属镓或其合金流动工质被封装在主、副散热器的流通通道及连接管道内构成的循环通路内，由此可实现稳定而可靠的运行。

本发明概念新颖，不同于现行计算机冷却技术中采用的非金属类工质，而是将液体金属镓或其合金用于冷却目的的流动工质，充分地利用了金属或其合金类材料具有远高于非金属类材料热导率的特性，而且该工质可以流动，因而具有大而快速的热量输运能力。

本发明的关键之处在于引入了液体金属镓或其合金作为传输热量的流体工质，即，在流通通道及连接管道内流动的冷却工质并非常规所用的水或其他有机混合流体，而是为在室温附近即可熔化的低熔点金属如镓或其合金等，由于液体金属具有远高于水和空气的热导率，其具有远高于非金属的热导率和热扩散率，且具有流动性，因而可快速而高效的输运热量，这相对于以往使用气体或非金属液体作流动工质的作法是一个革新。目前，尽管许多金属如汞等的熔点均较低，但比较合适的低熔点金属应为镓，它在大气环境下的熔点仅为29.77℃，且在100℃以下比较稳定且几乎无毒，而其合金的熔点更低，含锡8％的镓合金熔点为20℃，含铟25％的镓合金在16℃时即熔化。进一步地，采用多元混合物，还可获得熔点更广泛的金属流体，如三元低共熔混合物：62.5％Ga，21.5％In，16％Sn的熔点为10.7℃。上述特性表明，低熔点金属镓可以很好地用于热量的输运，而且，只要在连接管道中设置一个微型泵(可为机械泵或电磁泵)，即可驱动流通通道及连接管道内的金属液体工质流动；另外，本发明提供的散热器同时将散热肋片散热和对流换热组合在一起实现热量的传输，这在概念上拓展了已有的单一的芯片散热方法(如仅靠空气受迫对流或水冷等)，而这种同时高效实现上述两种散热方式的措施也只有在引入高热导率液体金属后才可望实现。而且，即使液体金属停止流动，本装置中设置的散热肋片也可充分地行使散热的功能，从而保证芯片运行稳定可靠，而当温度高于一定数值时，液体金属即投入运行，由此极大地增强热量的输运能力；实际上，液体金属一般具有很大的过冷度，比如镓一旦熔化，其可在0℃甚至更低温度以上长期保持液态，因而实际上很难出现凝固，而在大多数情况下保持为液态，这对于散热器运行非常有利。

目前，由于高热流密度排放的需求，人们对高效冷却方式的追求始终如火如荼，但有关途径的散热能力几乎已达到极限；本发明提供的以液体金属作为冷却流体以及同时结合散热肋片散热和对流冷却散热的方式是一种概念新颖的技术，是寻找高效冷却芯片的新的切入点。

附图说明

附图1为本发明的结构示意图；

附图2为本发明主散热器1的横截面(散热片5及流通通道)示意图；

附图2a为附图2的A-A截面的示意图；

附图2b为附图2的B-B截面的示意图；

附图3为副散热器2的一实施例(四周表面上全部设置有散热片)的结构示意

图；

附图4为本发明具有多个副散热器2的散热装置的结构示意图；

其中，主散热器1            副散热器2            连接管道3

      微型泵4              第一散热肋片5        风扇7

      液体金属冷却工质8    第二散热肋片6

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例进一步描述本发明：

图1为本发明的结构示意图，也是本发明的一个实施例；附图2为本发明主散热器1的横截面(第一散热肋片5及流通通道)示意图；附图2a为附图2的A-A截面的示意图；附图2b为附图2的B-B截面的示意图；由图可知，本发明提供的以液体金属镓或其合金作流动工质的芯片散热用散热装置，包括：

一内部开有流通通道，且流通通道内装有液体金属镓或其合金流动工质的主散热器1，该主散热器1与待冷却芯片表面相接触的另一表面上设置有第一散热肋片5；至少一个内部开有流通通道，且流通通道内装有液体金属镓或其合金流动工质的副散热器2；

主散热器1和副散热器2之间由连接管道3连通，并形成连通回路，连接管道3上设置有用于驱动液体金属镓或其合金流动工质流动的微型泵4；

所述副散热器2可为内部开有流通通道，且流通通道内装有液体金属镓或其合金流动工质，且表面上设有第二散热肋片6的散热器；所述副散热器2还可为盘管内装有液体金属镓或其合金流动工质的盘管式散热器，其上方设置有风扇7；

所述的第一散热肋片5和第二散热肋片6的横截面形状均为正方形、长方形、三角形或圆形；所构成的散热肋片整体尺寸为10nm×10nm×10nm到5cm×5cm×5cm；

所述的主散热器1的第一散热肋片5上方和副散热器2的第二散热肋片6上方还可设置有风扇7；

所述的连接管道3由高导热金属材料铝、铜或银或玻璃做成；所述的连接管道3可为由塑料做成的柔性管道；

所述的主散热器1、副散热器2由高导热金属铝、铜、银或半导体硅材料做成；

所述的主散热器1、副散热器2的流通通道内流动的液体金属镓为在室温下可熔化的低熔点金属镓，其合金为在室温下可熔化的液体金属镓与锡、铋或铟组成的合金；

所述的主散热器1、副散热器2内流通通道的横截面形状可为正方形、长方形、三角形或圆形。

本发明提供的以液体金属镓或其合金作流动工质的芯片散热用散热装置，其主散热器1、副散热器2的流通通道形状可多样化，原则上现行所有的流通管道形式均可用作其结构；当它置于空气中，其内热量通过空气受迫对流及辐射的方式排出，主散热器1和副散热器2的第一散热肋片5和第二散热肋片6上方可设置有风扇7以强化空气对流，或直接将副散热器2放置于冷却水中，其热量通过对流冷却的形式为水所带走；主散热器1和副散热器2的第一散热肋片5和第二散热肋片6形式可多样化，主、副散热器1、2可由高导热金属如铝、铜或银等材料做成，其间的连接管道3可由上述金属或塑料做成；上述结构连通为一体，液体金属镓或其合金流动工质被封装在由主、副散热器1和2内的流通通道及连接管道3构成的循环通路内，由此可实现稳定而可靠的运行。

连接管道3上安装电磁微泵4(市场上购置)，以便在散热器运行时驱动管道内的液体金属镓或其合金流动工质流动；制做时，可通过机加工或其他成熟技术制做主、副散热器1，2内的流通通道，之后与连接管道3连接，但在一端留有开口，以便将液体金属镓或其合金流动工质8沿此开口注入管道和循环通路中，待整个流通通道内充满该液体金属镓或其合金流动工质8后，将上述开口予以封装，即形成内部循环通道为密闭的高效散热装置。使用时，将其贴附于待散热芯片表面上，即可实现热量的高效传输。根据需要，连接管道3可由金属或塑料制成，其长短可根据需要加以调整，此方式对于计算机芯片的冷却较为灵活，整个散热装置的尺寸可根据需要制作。所述的液体金属镓或其合金流动工质8除采用最常见的镓金属外，也可采用其合金，如铟化镓；流通通道的结构形式可根据需要加以制备，并可实现多种形式的组合。整套散热装置可为平片型，也可为其他形状如环状。

主散热器1表面也可为光滑表面，此时，液体金属镓或其合金流动工质8可将芯片产生的热量带到副散热器2，之后再从该处表面的第二散热肋片6上散走。这种方式对于某些芯片的组装十分有利，因为该种结构可使得芯片附近的空间得以节省出来，而液体金属镓或其合金流动工质8的引入相当于将芯片表面的热量转移到离主散热器1较远的地方后，再予以排放，因而使用更为灵活。

本发明提供的散热装置在工作介质的选择上与传统散热装置有着实质性差别，即它首次采用液体金属镓及其合金作为冷却芯片的流体工质(至今国内外文献和专利中均无相同方法的报道)。当散热装置基底连接热源时，热量即通过主散热器1基底管壁传给其内所充满的液体金属镓或其合金流动工质8以及第一散热肋片5，再由风扇7通过受迫对流方式散走，由于液体金属镓或其合金流动工质8具有远高于传统流体的热导率和热扩散率，因而传热是高效而快速的，其流动可致使很快地将所吸收的热量通过流动传输走；与此同时，主散热器1的表面第一散热肋片5处于自然排热状态，另一端则通过连接管道3与副散热器2连通，这样，由主散热器1流出的液体金属镓或其合金流动工质8所带来的热量即可由副散热器2的第二散热肋片6表面散失出去；为了增大散热性能，第二散热肋片6的表面可以作成多种形式，图3示出了副散热器2表面的散热片采用肋片式散热片，因而可以通过极大地得到扩展的散热表面将热量排走；总之，液体金属镓或其合金流动工质8极高的热导率可以保证由芯片传导给主散热器1上第一散热肋片5的热流较高，而以往所用的水或有机混合物等类非金属流体则导热率较低，会导致流向肋片的热量较少，所以液体金属镓或其合金流动工质8的引入使得同时具有肋片散热和流体对流冷却换热的方式高效而可行。此外，本装置中，在连接管道上设置有微型泵4，可在流通通道内造成一定压差，在压差作用下，液体金属镓或其合金流动工质8即由主散热器1流动到副散热器2，并在那里将热量排放出去；液体金属镓或其合金流动工质8放出热量后，再通过微型泵4的驱动回流到主散热器1，继续完成新的热量输运。

本发明中的毫、微米级的管道内微孔或槽可通过现有技术加工出。目前的进展已使得加工由多个水力学直径在10nm到10³μm之间的微管道成为可能。这些槽道可制作在硅、金属或其它合适材料的薄片上，每一薄片既可单独组成一个换热器，也可堆叠和焊接在一起以形成平行的顺流或逆流换热器。这些技术保证了本散热装置制的加工。比如，制作散热器的流通通道时，若所要求的管道尺寸较小(如在数十微米量级)，则需采用一些微/纳米加工技术如LIGA技术、激光打孔等在主、副散热器1、2的基底(可为金属如铝或半导体硅等)上按一定管道方式加工出一系列微型槽或孔道。若管道尺寸很大(如毫米到厘米量级)，则采用常规方法如机加工或电加工即可作出。整个制造工艺并不复杂。

根据散热的要求，本发明的散热装置可为多种形式，如一个主散热器1可带动多个副散热器2(见图4)。整个散热装置可以是一个主散热器和两个以上的副散热器的组合，其间采用一定的连接管道3，在采用塑料制做的连接管道3时，即构成柔性散热装置，适合于多种要求的散热；

为达到较好的散热效果，一般用作本发明的液体金属镓或其合金流动工质8应满足如下要求：无毒，对所接触材料不起腐蚀及化学作用，在100℃左右的高温下不发生化学反应；便于获取；具有一定的热稳定性；比热、热导率和热扩散率较高，因而在传递一定的热量时，可使流量小，传热迅速；该液体金属镓或其合金流动工质8工质应与结构材料相容，所选液体金属镓或其合金流动工质8应不能造成对散热器部件产生腐蚀和锈化等影响使用寿命的不利因素，此外，该液体金属镓或其合金流动工质8还应具有较大的熔化潜热和较小的粘性系数，比如，同样作为液体金属的钠，即使其熔点97.82℃，钾的熔点为63.2℃，它们均不适合于芯片冷却用，一方面是因其熔点对于芯片散热而言偏高，另一方面是因钠和钾极易与水发生化学反应；另外，再比如，水银的熔点虽然很低，为-38.87℃，但因有毒性，也不宜考虑作为本发明的工质。

目前，比较适合于作为本发明的液体金属镓或其合金流动工质8可以是稼或其合金；镓是柔软的银白色金属，它在大气环境下的熔点很低，仅为29.77℃，沸点为2204.8℃，熔化潜热为19.16cal/克，固态镓的密度为5.904g/cm³，32.38℃时的液体镓的密度为6.093g/cm³(钱增源，低熔点金属的热物性，北京：科学出版社，1985)；固态镓在27℃时的比热为0.089ca1/g.℃，固态镓的线膨胀系数在0℃至熔点范围为18.1×10^-6/℃；镓熔融时体积减小；液体镓在熔点时的导热系数为25.2kcal/m.h.℃，远高于空气和水；液体镓在100℃时的比热为0.082cal/g.℃；液态镓的绝对粘度为：在52.9℃时为1.89×10^-2g/cm.s，在301℃时为1.03×10^-2g/cm.s；这些热特性表明将镓作为芯片散热用的冷却介质是十分合适的；在常温下，镓在空气中是稳定的，当温度在260℃以上时，干燥的氧可使镓金属氧化，但生成的氧化膜可防止它继续氧化(《希有金属知识》编写组，希散金属，北京：冶金工业出版社，1978)；所以，基于镓的散热器具有很好的稳定性和可靠性；在原子反应堆中，人们也曾使用液态镓作载热体；但在100℃以下的情况则尚未见有报道，仅被用作填充到芯片热面和散热器底端之间以减小接触热阻的界面涂覆材料；值得指出的是，镓可与许多金属如铋、锡、铟等生成熔点低的合金，例如，含锡8％的镓合金熔点为20℃，含铟25％的镓合金在16℃时即熔化；进一步地，采用多元混合物，还可获得熔点更广泛的金属流体，比如(顾学民，龚毅生，臧希文，汤卡罗，吕云阳，曾文臻，无机化学丛书第二卷，北京：科学出版社，1990)，三元低共熔混合物：62.5％Ga，21.5％In，16％Sn的熔点为10.7℃，而三元低共熔混合物：69.8％Ga，17.6％In，12.6％Sn的熔点为10.8℃。它们均可作为本发明的工作介质。

本发明具有很多优点，首先，基于液体金属镓或其合金制成的芯片散热器尺寸可以很小，而传热能力则相对较高，由于散热器热量的输运由散热片和液体金属完成，因而传热效率较高；本发明集散热片散热和对流冷却散热于一体，大大拓展了传统散热方式的散热表面；一个主散热器和多个副散热器的多种组合，其适用面更宽；整个散热装置是封闭的，不会对环境造成影响；

本发明的散热装置可方便地用于将器件产生的热量从其表面导走；以实施例1为例，使用本发明的方式如下：根据待散热表面面积大小，选择不同大小的散热装置，将其紧贴于芯片发热表面，二者之间的接触面采用高导热率油脂以增加传热效果；于是，所产生的热量即可由散热器基底和液体金属传输到排热端(第一散热肋片5端和第二散热肋片6端)并排走，从而使芯片维持在一个正常的工作温度。

Claims (11)

1、一种以液体金属镓或其合金作流动工质的芯片散热用散热装置，其特征在于，该散热装置包括：

一内部开有流通通道，且流通通道内装有液体金属镓或其合金的主散热(1)，所述金属镓合金为在室温下可熔化的液体金属镓与锡、铋或铟组成的合金；该主散热器(1)与待冷却芯片表面相接触的另一表面上设置有第一散热肋片(5)；

至少一个内部开有流通通道，且流通通道内装有液体金属镓或其合金的副散热器(2)；

主散热器(1)和副散热器(2)之间由连接管道(3)连通，并形成连通回路，连接管道(3)上设置有用于驱动液体金属镓或其合金流动工质流动的微型泵(4)。

2、按权利要求1所述的以液体金属镓或其合金作流动工质的芯片散热用散热装置，其特征在于，所述副散热器(2)为内部开有流通通道，且流通通道内装有液体金属镓或其合金流动工质，且表面上设有第二散热肋片(6)的散热器。

3、按权利要求1所述的以液体金属镓或其合金作流动工质的芯片散热用散热装置，其特征在于，所述副散热器(2)为盘管内装有液体金属镓或其合金流动工质的盘管式散热器。

4、按权利要求1所述的以液体金属镓或其合金作流动工质的芯片散热用散热装置，其特征在于，所述主散热器(1)的第一散热肋片(5)的上方设置有风扇(7)。

5、按权利要求2所述的以液体金属镓或其合金作流动工质的芯片散热用散热装置，其特征在于，所述副散热器(2)的第二散热肋片(6)的上方设置有风扇(7)。

6、按权利要求4所述的以液体金属镓或其合金作流动工质的芯片散热用散热装置，其特征在于，所述的第一散热肋片(5)的横截面形状为正方形、长方形、三角形或圆形；所构成的散热肋片整体的尺寸为10nm×10nm×10nm到5cm×5cm×5cm。

7、按权利要求5所述的以液体金属镓或其合金作流动工质的芯片散热用散热装置，其特征在于，所述的第二散热肋片(6)的横截面形状为正方形、长方形、三角形或圆形；所构成的散热肋片整体的尺寸为10nm×10nm×10nm到5cm×5cm×5cm。

8、按权利要求1所述的以液体金属镓或其合金作流动工质的芯片散热用散热装置，其特征在于，所述的主散热器(1)、副散热器(2)由高导热金属铝、铜、银或半导体硅材料做成。

9、按权利要求1所述的以液体金属镓或其合金作流动工质的芯片散热用散热装置，其特征在于，所述的连接管道(3)由高导热金属材料铝、铜或银或有机玻璃做成。

10、按权利要求1所述的以液体金属镓或其合金为流动工质的芯片散热用散热装置，其特征在于，所述的连接管道(3)为由塑料做成的柔性管道。

11、按权利要求1所述的以液体金属镓或其合金为流动工质的芯片散热用散热装置，其特征在于，所述的主散热器(1)、副散热器(2)内的流通通道的横截面形状为正方形、长方形、三角形或圆形。

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