CN211428151U

CN211428151U - 一种电子元器件芯片与薄液膜相变传热的集成装置

Info

Publication number: CN211428151U
Application number: CN201921815278.9U
Authority: CN
Inventors: 李嘉华; 陈林; 吕延超; 金凤雏; 冼海珍; 林俊; 杜小泽
Original assignee: North China Electric Power University
Current assignee: North China Electric Power University
Priority date: 2019-10-25
Filing date: 2019-10-25
Publication date: 2020-09-04
Anticipated expiration: 2029-10-25

Abstract

本实用新型公开了属于散热技术领域的一种电子元器件芯片与薄液膜相变传热的集成装置，所述电子元器件芯片与薄液膜相变传热的集成装置由四部分组成，包括真空负压罩、含电子元器件芯片的高效散热装置主体、液体工质腔及其连接管路部件组成；高效散热装置主体包含在真空负压罩中；并从上至下，真空抽气泵、真空负压罩、高效散热装置主体、给液泵、液体工质腔依次串联；在高效散热装置主体中，电子元器件芯片布置在相邻微通孔之间的封装层中；封装层、测温层依次固定在支持层上；本实用新型采用液体工质在封装层及电子元器件芯片上表面的超薄液膜相变换热，可满足整个电子元器件芯片的散热要求。

Description

一种电子元器件芯片与薄液膜相变传热的集成装置

技术领域

本实用新型属于散热技术领域，特别涉及一种电子元器件芯片与薄液膜相变传热的集成装置，

背景技术

随着芯片等电子元器件集成模块性能的提高，其消耗的电功率越来越大，相应的散热量，即用单位面积的发热量的“热流密度”来定量表述散热量；对于电子元器件集成模块来说，由于面积很小，因此热流密度很高，也随之增加；对于电子芯片等半导体元器件集成模块，温度是影响其性能的关键因素，过高的温度会严重影响电子器件的工作状态，降低其稳定性、可靠性及寿命。另一方面，芯片等电子元器件的集成度也在不断提高，散热问题已成为制约电子元器件集成模块发展的一个根本性问题。传统的冷却散热方式已经远不能满足高热流密度的散热要求，必须采用新型散热方法和散热结构应对这个问题。

针对现有散热技术散热能力不足、无法满足高热流密度电子元器件集成模块散热的情况，本发明提出基于微纳米超薄液膜相变传热的散热方法。

实用新型内容

本实用新型的目的是提出一种电子元器件芯片与薄液膜相变传热的集成装置，其特征在于，所述电子元器件芯片与薄液膜相变传热的集成装置由四部分组成，包括真空负压罩、含电子元器件芯片的高效散热装置主体、液体工质腔及其连接管路部件组成；其中包括：

1)真空负压罩直接连接在高效散热装置主体的一侧；具体结构是从上至下，真空抽气泵1、真空负压罩2、高效散热装置主体3、给液泵4、液体工质腔5、依次串联；

2)将高效散热装置主体包含在真空负压罩中；具体结构是真空抽气泵1和真空负压罩2连接，在真空负压罩2内的高效散热装置主体3与给液泵4、液体工质腔5依次串联；

所述高效散热装置主体包括电子元器件芯片封装层、测温层和支撑层；在高效散热装置主体中微通孔7呈阵列排布；在相邻微通孔7之间的封装层8中固定电子元器件芯片6；封装层8下面为测温层9，二者一起固定在支持层10上；在微通孔7下面连接给液泵4管道，给液泵4管道分别和液体工质腔5与循环泵17 连接，循环泵17再与液体工质腔5连接；真空负压罩2底部连接废液泵18；补液泵13连接液体工质腔5；真空负压罩2上面的真空抽气泵1连接分离器15，分离器15通过净化器16与液体工质腔5连接；组成液体工质闭循环运行系统；如果液体工质采用开循环运行时，去掉上述分离器15和净化器16。

所述封装层8和微通孔7表面做了亲水层11；或者在封装层8上面还设有高导热的保护层12，然后再在保护层12和微通孔7表面做亲水层11。

所述微通孔的形状为圆孔、方孔、三角形孔、六边形蜂窝孔；孔径/等效孔径为5nm～500μm，孔间距为孔径的0.5～5。

所述封装层能够封装不同形状或厚度的电子元器件芯片；所述电子元器件芯片的上表面与微通孔的上表面、封装层上表面平齐，从而形成一个连续的平整表面；如果电子元器件能够与绝缘的冷却工质直接接触散热时，对这个平整表面进行亲水处理，以利于液态工质的流动和铺展成微纳米薄液膜；如果电子元器件芯片不能与冷却工质直接接触，则在上述平整表面上覆盖高导热的保护层，对保护层的表面做亲水处理，使经由微通孔通道流出的冷却工质在保护层表面铺展成微纳米薄液膜；其中，液态工质为水、乙醇、丙醇或氟利昂。

本实用新型的有益效果是所提出的电子元器件芯片与薄液膜相变传热的集成装置，能使电子元器件芯片的上表面、微通孔通道的上表面、封装层上表面平齐，形成一个完整、连续的表面，并对这个完整表面以及孔壁进行超亲水处理，利于液态工质的流动，从而在完整表面以及孔壁表面形成微纳米尺度的薄液膜，具有很高的热流密度，最可达约5000W/cm²；因此上表面的相变换热即可满足整个电子元器件芯片的散热要求。

附图说明

图1为电子元器件芯片与薄液膜相变传热的集成装置示意图，其中(a)真空负压罩直接连接在高效散热装置主体的一侧；(b)真空负压罩将高效散热装置主体包含在其中。

图2为电子元器件芯片集成在高效散热装置主体中的俯视示意图。

图3为电子元器件芯片集成在高效散热装置主体中的剖面示意图。

图4为带保护层的电子元器件集成及高效散热装置主体的剖面示意图。

图5为电子元器件芯片集成在高效散热装置主体的主视示意图。

图6为电子元器件芯片表面液膜相变示意图，其中(a)厚液膜相变示意图； (b)薄液膜相变示意图。

图7为液体工质闭式循环系统示意图。

图8为液体工质开式循环系统示意图。

图9为高效散热装置主体附近结构与工质流动图。

具体实施方式

本实用新型提出一种电子元器件芯片与薄液膜相变传热的集成装置，下面结合附图和实施例对本实用新型予以进一步说明。

如图1所示，电子元器件芯片与薄液膜相变传热的集成装置主要由四部分组成，包括真空负压罩、高效散热装置主体、液体工质腔以及必要的管路部件。其中，(a)真空负压罩直接连接在高效散热装置主体的一侧；具体结构是从上至下，真空抽气泵1、真空负压罩2、高效散热装置主体3、给液泵4、液体工质腔5、依次串联；(b)真空负压罩将高效散热装置主体包含在其中，具体结构是真空抽气泵1和真空负压罩2连接，在真空负压罩2内的高效散热装置主体3与给液泵4、液体工质腔5依次串联。

在高效散热装置主体3中微通孔7呈阵列排布；在相邻微通孔7之间的封装层8中固定电子元器件芯片6；封装层8下面为测温层9，二者一起固定在支持层10上；在微通孔7下面连接给液泵4管道，给液泵4管道分别和液体工质腔5 与循环泵17连接，循环泵17再与液体工质腔5连接；真空负压罩2底部连接废液泵18；补液泵13连接液体工质腔5；真空负压罩2上面的真空抽气泵1连接分离器15，分离器15通过净化器16与液体工质腔5连接；组成液体工质闭循环运行系统(如图7所示)；如果液体工质采用开循环运行时，去掉上述分离器15和净化器16(如图8所示)；其中，液态工质为水、乙醇、丙醇或氟利昂。

图2所示为电子元器件芯片集成在高效散热装置主体中的俯视示意图。从外观来看，主要结构是阵列的微通孔7(图中以圆孔为例，也可以是方孔、三角形孔、六边形蜂窝孔等各种形状的孔；孔径/等效孔径5nm～500μm，孔间距为孔径的0.5～5倍，具体根据所冷却的电子元器件芯片的尺寸来确定)以及集成布置在微通孔7通道之间的电子元器件芯片6。俯视图中装置的整体呈长方形，具体实施中，可采取适应实际使用需求的外形，如圆形、三角形、多边形等。

图3所示为电子元器件芯片集成在高效散热装置主体中的剖面示意图(未按尺寸比例绘制)，由上至下依次为封装层8、测温层9以及支撑层10。

封装层由不导电的聚醚醚酮(PEEK)、透明聚苯脂(PHB)、高强度有机玻璃、聚对苯二酰对苯二胺、多孔阳极氧化铝或陶瓷组成；通过沉积、刻蚀等方法加工，封装层与微通孔孔通道同时成型。封装层用来放置和集成包括电子元器件芯片在内的高发热量的电子元器件。不同形状、不同厚度的电子元器件芯片，均可使用本发明进行封装。对于不同形状的电子元器件芯片，一方面根据其形状和尺寸，选取与之匹配的微通孔孔通道(包括孔的形状、尺寸、分布等，参见图2)；另一方面，可以改变电子元器件芯片的位置及安装角度，如图2所示，可以位于相邻两孔或者对角两孔的中间位置；对于不同厚度的电子元器件芯片，在集成封装时要保证元器件芯片的上表面与微通孔孔通道的上表面、封装层上表面平齐，从而形成一个完整、连续的表面。对这个完整表面以及孔壁进行超亲水处理，即在封装层8和微通孔7表面做了亲水层11；亲水层11利于液态工质的流动(如图3所示)。在图3所示的剖面结构基础上，对于电子元器件芯片表面与冷却工质不能直接接触的情况，也可以在封装层8上部添加具有高导热的保护层12(如图4 所示)，然后再在保护层12和微通孔7表面做亲水层11。增加保护层是将电子元器件芯片与工质完全隔离，此时电子元器件芯片的热量会通过高导热的保护层传递到保护层上表面后进行相变换热。添加的保护层也应具有与封装层、测温层相同的外形和相同的微通孔孔通道，

电子元器件封装层8下面是测温层9，具体为厚度小于100nm的、具有良好温度-电阻相关性的金属薄层，用于测定温度。测温层也可以通过沉积、刻蚀等方法加工，从图3的剖面示意图可知，测温层具有与封装层相同的外形和相同的微通孔孔通道。图3中的测温层以Pt纳米薄层为例，也可使用其它金属的薄层。若位于封装层的电子元器件芯片具有测温模块，则可省去测温层，直接使用电子元器件芯片产生的温度信号。

支撑层由高强度的聚醚醚酮(PEEK)、透明聚苯脂(PHB)、高强度有机玻璃、聚对苯二酰对苯二胺或多孔阳极氧化铝制成，用来支撑上述的测温层和封装层，防止其被破坏。支撑层也可以通过沉积、刻蚀等方法加工，从图3的剖面示意图可知，支撑层具有与封装层、测温层相同的外形和相同的孔通道。

图5所示是电子元器件芯片集成于高效散热装置主体的主视示意图。电子元器件芯片之间的连线位于封装层内，电子元器件芯片总的引出针脚可以位于散热装置的一侧、两侧、三侧或四侧，针脚进行密封，防止工质对电子元器件芯片工作造成影响。测温层(Pt层)两侧引出电极，通过测量Pt层电阻监测温度。Pt 层电阻信号传至图7及图8所示的控制器14，控制器14控制给液泵4的功率及循环阀17的开闭。

图6为电子元器件芯片表面液膜相变示意图，其中(a)厚液膜相变示意图； (b)薄液膜相变示意图。所使用的微纳米超薄液膜相变换热与普通的液膜相变换热有很大不同。图6左侧的(a)厚液膜相变示意图所示是普通的厚液膜换热，对于普通厚液膜换热，气泡会在固体表面不断增长，到达分离尺寸后才会分离。图6右侧的(b)薄液膜相变示意图所示为超薄液膜换热，对于超薄液膜换热，工质液体通过微纳米级的微通孔7输送到需要冷却的表面，铺展为微纳米尺度的薄液膜，由于液膜很薄，气泡生长在未达到分离尺寸时就会触及液膜上壁面，从而脱离固体表面，由于气泡非常小，气泡脱离频率会很高，因此具有很高的热流密度。

实施例

高效散热装置工作时，冷却工质可以闭式循环也可开式循环。闭式循环如图 7所示，开式循环如图8所示。集成了电子元器件芯片的高效散热装置主体附近工质流动如图9所示；电子元器件芯片6工作前，补液泵13向工质腔5内补充一定量的液态工质，电子元器件芯片6开始工作时，高效散热装置主体3所在真空负压罩2内被抽至一定的真空，具体真空度由电子元器件芯片6工作温度要求及工质性质决定，此时给液泵4功率很小，同时循环阀17打开，给液泵4打出的工质流经高效散热装置主体3，一部分工质由于给液泵4的压力及微通孔7的毛细作用流至电子元器件芯片6上表面，一部分工质经循环阀17返回工质腔5。由于此时电子元器件芯片6热流密度较低，相变强度较低，因此流出的工质会在电子元器件芯片6表面形成一层较厚的液膜，多余的工质会顺散热装置主体3四周滴落至腔体底部，通过废液泵18排出腔体。相变过程中，电子元器件芯片6 表面产生气泡，足够大后脱离电子元器件芯片表面，垂直上升穿过厚液膜区后进入真空负压罩2，如图6左侧的(a)厚液膜相变示意图所示。随着电子元器件热流密度的升高，电子元器件芯片表面工质相变强度升高，工质需求量增加，此时关闭循环阀，使给液泵输出的工质全部流到封装层及电子元器件芯片上表面，给液泵功率由控制器控制，使电子元器件芯片表面能够形成一层极薄的液膜，该液膜如图6右侧的(b)薄液膜相变示意图所示得到超薄液膜换热，由于该层液膜极薄，此时相变换热特点与热流密度较低时的厚液膜换热有明显区别，此时液膜厚度小于气泡的分离尺寸，随着气泡的增大，气泡顶部与液膜上表面不断接近，在气泡分离前气泡尺寸已达到液膜厚度，从而破裂进入真空负压罩。由于气泡非常小，此时电子元器件芯片表面具有很高的热流密度。随着电子元器件芯片热流密度持续升高，过热度会持续升高，此时控制器14调节给液泵4增加功率，从而维持薄液膜的存在及其厚度，保证散热强度。

电子元器件芯片中发生相变换热的表面仅为上表面，而由于电子元器件芯片厚度极薄，且上表面换热的热流密度很大，理论计算的最高热流密度可达约 5000W/cm²。因此上表面的相变换热即可满足整个电子元器件芯片的散热要求。高效散热装置液态工质通路在底部通道及纳米孔内，气态工质通路在高校散热装置主体的上部真空负压罩内，液态工质与气态工质通路不交叉，可有效防止相互造成干扰，同时有效减小阻力。

Claims

1.一种电子元器件芯片与薄液膜相变传热的集成装置，其特征在于，所述电子元器件芯片与薄液膜相变传热的集成装置由四部分组成，包括真空负压罩、含电子元器件芯片的高效散热装置主体、液体工质腔及其连接管路部件组成；其中包括：

1)真空负压罩直接连接在高效散热装置主体的一侧；具体结构是从上至下，真空抽气泵(1)、真空负压罩(2)、高效散热装置主体(3)、给液泵(4)、液体工质腔(5)、依次串联；

2)将高效散热装置主体包含在真空负压罩中；具体结构是真空抽气泵(1)和真空负压罩(2)连接，在真空负压罩(2)内的高效散热装置主体(3)与给液泵(4)、液体工质腔(5)依次串联；

所述高效散热装置主体包括电子元器件芯片封装层、测温层和支撑层；在高效散热装置主体中微通孔(7)呈阵列排布；在相邻微通孔(7)之间的封装层(8)中固定电子元器件芯片(6)；封装层(8)下面为测温层(9)，二者一起固定在支持层(10)上；在微通孔(7)下面连接给液泵(4)管道，给液泵(4)管道分别和液体工质腔(5)与循环泵(17)连接，循环泵(17)再与液体工质腔(5)连接；真空负压罩(2)底部连接废液泵(18)；补液泵(13)连接液体工质腔(5)；真空负压罩(2)上面的真空抽气泵(1)连接分离器(15)，分离器(15)通过净化器(16)与液体工质腔(5)连接；组成液体工质闭循环运行系统；如果液体工质采用开循环运行时，去掉上述分离器(15)和净化器(16)。

2.根据权利要求1所述电子元器件芯片与薄液膜相变传热的集成装置，其特征在于，所述封装层(8)和微通孔(7)表面做了亲水层(11)；或者在封装层(8)上面还设有高导热的保护层(12)，然后再在保护层(12)和微通孔(7)表面做亲水层(11)。

3.根据权利要求1所述电子元器件芯片与薄液膜相变传热的集成装置，其特征在于，所述微通孔的形状为圆孔、方孔、三角形孔、六边形蜂窝孔；孔径/等效孔径为5nm～500μm，孔间距为孔径的0.5～5。

4.根据权利要求1所述电子元器件芯片与薄液膜相变传热的集成装置，其特征在于，所述封装层能够封装不同形状或厚度的电子元器件芯片；所述电子元器件芯片的上表面与微通孔的上表面、封装层上表面平齐，从而形成一个连续的平整表面；如果电子元器件能够与绝缘的冷却工质直接接触散热时，对这个平整表面进行亲水处理，以利于液态工质的流动和铺展成微纳米薄液膜；如果电子元器件芯片不能与冷却工质直接接触，则在上述平整表面上覆盖高导热的保护层，字对保护层的表面做亲水处理，使经由微通孔通道流出的冷却工质在保护层表面铺展成微纳米薄液膜；液态工质为水、乙醇、丙醇或氟利昂。