CN216818326U

CN216818326U - 大功率芯片高效散热冷却装置

Info

Publication number: CN216818326U
Application number: CN202220583239.6U
Authority: CN
Inventors: 李骥; 李晨夕
Original assignee: University of Chinese Academy of Sciences
Current assignee: University of Chinese Academy of Sciences
Priority date: 2022-03-17
Filing date: 2022-03-17
Publication date: 2022-06-24
Anticipated expiration: 2032-03-17

Abstract

本实用新型公开了一种大功率芯片高效散热冷却装置，应用于散热冷却技术领域，包括：基板和盖板；所述基板的散热侧开设有微槽道，所述基板的蒸发侧与热源贴合；所述微槽道以热源贴合处为中心向四周辐射布设；所述微槽道内填充流体工质。本实用新型公开提供了一种大功率芯片高效散热冷却装置，微槽道中心密集，边缘稀疏，整体呈中心向边缘扩散的辐射状，热源居于中心位置，实现热源和蒸发区域面积完美匹配，增加吸热面积；微槽道排列紧密，实现全域覆盖，热量从蒸发侧同时且均匀地向四周散发，最大限度地进行热量传递，提升均温性；微槽道排列近似对称，当量直径一致，无额外毛细结构，制作简单，成本低。

Description

大功率芯片高效散热冷却装置

技术领域

本实用新型涉及散热冷却技术领域，更具体的说是涉及大功率芯片高效散热冷却装置。

背景技术

随着加工技术的发展，芯片的制作工艺已经进入5-7nm时代，更为先进的制造工艺可以使CPU与GPU内部集成更多的晶体管，使处理器具有更多的功能以及更高的性能，但晶体管的增多会带来更高的散热设计功耗。高功率服务器中的单颗CPU散热设计功耗250W起步，英特尔推出的Sapphire Rapids(蓝宝石激流)系列服务器处理器和AMD推出的第四代EPYC(霄龙)产品，散热设计功耗更是高达400W！如果不能及时将聚集热量散失掉以保证芯片温度在安全温度以下，轻则影响芯片运行性能，重则直接烧毁瘫痪，严重制约高性能计算机的发展，故开发设计出清洁高效的芯片散热技术具有重要的研究和应用价值。

目前的芯片冷却技术主要有风冷散热技术、液冷散热技术和传统热管散热技术。其中，风冷散热极限大约在50W/cm²，对于高功率芯片严重发热时，难以及时将热量导出，导致芯片工作环境恶化。液冷技术相较于风冷散热提高了很多，但是其必须配备附属动力装置，结构复杂，造价昂贵，占用空间大。传统热管散热虽说利用了气液相变原理，可以带走更多的热量，但是其设计安装往往受到结构限制，换热能力也受毛细极限、携带极限等因素的影响。

鉴于此，为了适应小空间、高功率、低成本的工作和生产要求，即有一种可以解决上述散热问题的脉动热管技术产生。脉动热管技术最早由日本科学家Akachi于1990年提出，是一种新型高效的被动式传热装置。根据散热用途可分为管式和板式脉动热板，而为了能更为紧密地与散热芯片贴合，减小接触热阻，在电子器件散热中通常采用整体更加紧凑的板式脉动热管。

现有技术中脉动热管，采用仿生流道的蒸发段，减少了换热热阻和流动阻力，提高启动速度，更早产生单向循环，但结构较为复杂，体积较大，紧凑性不强。

因此，如何提供一种局部高热流密度的散热需求，结构简单，紧凑性强的大功率芯片高效散热冷却装置是本领域技术人员亟需解决的问题。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供了一种大功率芯片高效散热冷却装置，满足在局部高热流密度的散热需求，结构简单，紧凑性强。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

大功率芯片高效散热冷却装置，包括：基板和盖板；所述基板的散热侧开设有微槽道，所述基板的蒸发侧与热源贴合；所述微槽道以热源贴合处为中心向四周辐射布设；所述微槽道内填充流体工质。

通过上述技术方案，本实用新型的技术效果在于，微槽道中心密集，边缘稀疏，整体呈中心向边缘扩散的辐射状，热源居于中心位置，实现热源和蒸发区域面积完美匹配，增加吸热面积。

可选的，在上述的一种大功率芯片高效散热冷却装置中，还包括充液管；所述充液管与所述微槽道连通。

可选的，在上述的一种大功率芯片高效散热冷却装置中，所述微槽道为单独回路或至少两条回路嵌套连通。

可选的，在上述的一种大功率芯片高效散热冷却装置中，所述基板上设置有安装孔；所述热源贴合处的中心与安装孔为界限将所述基板划分为若干区域；每个区域中设置多条微槽道，并通过安装孔相邻的一条或多条微槽道以弧线平滑连接。

可选的，在上述的一种大功率芯片高效散热冷却装置中，所采用流体工质为水、丙酮、HFE7X00、R113、R134a和R1336mzz中的一种。

可选的，在上述的一种大功率芯片高效散热冷却装置中，还包括散热翅片；所述散热翅片与所述基板通过焊接方式固定连接。

可选的，在上述的一种大功率芯片高效散热冷却装置中，还包括散热风扇；所述散热风扇通过安装座安装在所述散热翅片上方或侧方。

可选的，在上述的一种大功率芯片高效散热冷却装置中，所述安装孔通过弹簧螺栓将所述基板与所述热源贴合。

进一步，微槽道当量直径D需要满足下式：

式中，g为重力加速度，ρ_l和ρ_g分别表示液态工质和汽态工质密度，σ表示工质表面张力。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本实用新型公开提供了一种大功率芯片高效散热冷却装置，微槽道中心密集，边缘稀疏，整体呈中心向边缘扩散的辐射状，热源居于中心位置，实现热源和蒸发区域面积完美匹配，增加吸热面积；微槽道排列紧密，实现全域覆盖，热量从蒸发侧同时且均匀地向四周散发，最大限度地进行热量传递，提升均温性；微槽道排列近似对称，当量直径一致，无额外毛细结构，制作简单，成本低。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1是传统技术方案中隐去上盖板的俯视图；

图2(a)是本实用新型实施例1立体分解示意图；

图2(b)是本实用新型实施例1隐去上盖板的俯视图；

图3(a)是本实用新型实施例2立体分解示意图；

图3(b)是本实用新型实施例2隐去上盖板的俯视图；

图4(a)是本实用新型实施例3立体分解示意图；

图4(b)是本实用新型实施例3隐去上盖板的俯视图；

图5(a)是本实用新型实施例4立体分解示意图；

图5(b)是本实用新型实施例4隐去上盖板的俯视图；

图6是含有本申请实施例技术方案中所述结构的散热案例示意图；

图中：1.上盖板，2.导热基板，3.微槽道，4.充液管，5.安装孔，6.热源，7.平板脉动热管，8.弹簧螺栓，9.散热翅片。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型实施例公开了一种大功率芯片高效散热冷却装置，微槽道中心密集，边缘稀疏，整体呈中心向边缘扩散的辐射状，热源居于中心位置，实现热源和蒸发区域面积完美匹配，增加吸热面积；微槽道排列紧密，实现全域覆盖，热量从蒸发侧同时且均匀地向四周散发，最大限度地进行热量传递，提升均温性；微槽道排列近似对称，当量直径一致，无额外毛细结构，制作简单，成本低。

传统平板脉动热管散热方案如图1所示。微槽道以一条回路的形式均呈平行排列排布，加工简易。但是由于结构限制，需要充注较多的工质才有可能启动，且在启动前期振荡方向随机，通常会在原位置附近徘徊脉动，热量很难快速有效地散发到四周。

鉴于此，在本申请实施例中，提供了一种大功率芯片高效散热冷却装置，设计出四种不同微槽道排列的板式脉动热管结构。其主要包括由CNC数控加工或者印刷电路板蚀刻法加工有微槽道3的硅/紫铜/铝材导热基板2、上盖板1和充液管4，通过键合、钎焊、分子扩散焊和感应焊的方式进行组合，参见图2-5所示。本实施例在简化了制造工艺的前提下，满足局部高热流密度的散热需求，可用于超薄化电子芯片的均温散热等场景。

实施例1公开了一种大功率芯片高效散热冷却装置，如图2(a)所示，板式脉动热管包括呈矩形且面积相等的上盖板1和导热基板2、圆柱状的充液管4组成，采用高导热材料制成，例如硅材、紫铜、铝等，保证散热的可靠性。导热基板2一侧加工有微槽道3且另一侧紧贴热源6，其厚度根据实际使用需求进行设置。上盖板1用于贴合密封导热基板2，形成封闭微槽道空间，因此其厚度可设置成相较于导热基板2较薄，保证能够满足内外压差造成的应力及装配应力需求。

如图2(b)所示，导热基板2上加工有当量直径为1mm的矩形微槽道3，其当量直径D需要满足下式，可以保证微槽道内工质形成汽/液塞相间分布。

槽道当量直径D需要满足下式：

所述板式脉动热管基板为高导热材料，以某一侧表面上的4个安装孔对角线的交点为中心，过中心的垂直和竖直线为界线，将板式脉动热管表面划分为4个矩形区域，在每个矩形区域中设置多条微槽道3。所有槽道以一条线的形式依次排列开来，在其中的一个U型转弯处与充液口连接，无最外侧流体工质汇聚槽道。此外，4个矩形区域仅通过距离安装孔最近的槽道以弧线平滑连接，加工难度适中。所述微槽道3整体呈中心向边缘扩散的辐射状，电子芯片等热源位于安装孔中心区域，形成了热量从点到面再到体的快速传输路径，保证循环回路内工质及时交替更新，便于热量从四周同时且均匀地散发出去，提升均温性。

实施例2公开了一种大功率芯片高效散热冷却装置，如图3(a)(b)所示，与实施例基本相同，相同之处略。不同之处在于，微槽道3的当量直径为2mm。相应地，单位面积上的槽道要更稀疏一些。

实施例3公开了一种大功率芯片高效散热冷却装置，如图4(a)(b)所示，与实施例1基本相同，相同之处略。不同之处在于，距基板边缘1mm处加工有一圈流体工质汇聚槽道，也是连接充液口的主槽道，四个矩形区域各有一条槽道与此相连。此外，在4个安装孔5对角线上通过数个弧形槽道将4个矩形区域平滑连接。相较于改进后的实施例1、2，可以实现微槽道之间相互嵌套关联，脉动作用相互影响，更加有利于热量的周向散出，提升均温性，但是整体加工难度略高一些。

实施例4公开了一种大功率芯片高效散热冷却装置，如图5(a)(b)所示，与实施例3基本相同，相同之处略。不同之处在于，微槽道3的当量直径为2mm。相应地，单位面积上的槽道要更稀疏一些。

在工作时，中心热源发热，部分液相工质受热产生汽泡，将长液塞阻断为短液塞，并提升液塞两侧压差，同时，相邻槽道内的压力不平衡导致汽/液塞进行上下脉动，将热量传递到四周。若散热空间允许，可以在板式脉动热管上侧加装有散热翅片9，散热翅片9通过低温锡膏焊到板式脉动热管上；弹簧螺栓8将带有散热翅片9的板式脉动热管与热源6接触，并通过散热风扇强制对流的形式增强冷端散热能力，如图6所示。

本申请实施例提供的平板脉动热管周向热扩展方式散热性能高、均温性好、加工成本低，厚度可控，适用于计算机芯片、军用雷达和激光设备等高热流密度部件散热。特别地，其工作原理不同于传统热管，循环动力主要为部分热量转换为汽/液塞动能，受重力影响较小，故亦可用于航空航天领域电子器件散热，大大拓宽了其应用场景。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims

1.一种大功率芯片高效散热冷却装置，其特征在于，包括：基板和盖板；所述基板的散热侧开设有微槽道，所述基板的蒸发侧与热源贴合；所述微槽道以热源贴合处为中心向四周辐射布设；所述微槽道内填充流体工质。

2.根据权利要求1所述的一种大功率芯片高效散热冷却装置，其特征在于，还包括充液管；所述充液管与所述微槽道连通。

3.根据权利要求1所述的一种大功率芯片高效散热冷却装置，其特征在于，所述微槽道为单独回路或至少两条回路嵌套连通。

4.根据权利要求1所述的一种大功率芯片高效散热冷却装置，其特征在于，所述基板上设置有安装孔；所述热源贴合处的中心与安装孔为界限将所述基板划分为若干区域；每个区域中设置多条微槽道，并通过安装孔相邻的一条或多条微槽道以弧线平滑连接。

5.根据权利要求1所述的一种大功率芯片高效散热冷却装置，其特征在于，所采用流体工质为水、丙酮、HFE7X00、R113、R134a和R1336mzz中的一种。

6.根据权利要求4所述的一种大功率芯片高效散热冷却装置，其特征在于，还包括散热翅片；所述散热翅片与所述基板通过焊接方式固定连接。

7.根据权利要求6所述的一种大功率芯片高效散热冷却装置，其特征在于，还包括散热风扇；所述散热风扇通过安装座安装在所述散热翅片上方或侧方。

8.根据权利要求6所述的一种大功率芯片高效散热冷却装置，其特征在于，所述安装孔通过弹簧螺栓将所述基板与所述热源贴合。