高功率電子芯片陣列散熱模組的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種高功率電子芯片陣列散熱模組，包括熱沉空腔、封裝熱沉空腔底部的底板、封裝熱沉空腔頂部的蓋板、熱管陣列和散熱風(fēng)扇，所述熱管陣列穿過蓋板在封裝熱沉空腔中與底板固定連接，所述散熱風(fēng)扇設(shè)置在熱管陣列上方，在底板、熱沉空腔和蓋板構(gòu)成的密閉腔內(nèi)填充將熱管陣列下部的蒸發(fā)段埋設(shè)其中的相變材料；該熱管陣列上部的冷凝段裸露在空氣中。本發(fā)明顯著改善了所述下部相變材料熔化相變吸熱的熱響應(yīng)速度和可持續(xù)散熱能力；熱管外壁耦合有仿生肋片有效擴展了換熱面積，強化了相變材料的熔化和凝固換熱；軸向槽道式粉末多孔吸液芯較好地實現(xiàn)了毛細(xì)壓力與滲透率的匹配，降低了熱管內(nèi)工質(zhì)的回流阻力，從而強化了熱管自身的傳熱性能。
【專利說明】
高功率電子芯片陣列散熱模組
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體器件冷卻裝置技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種高功率電子芯片陣列散熱模組。
【背景技術(shù)】
[0002]電子設(shè)備及元器件的小型化、集成化和智能化，使得單位體積電子芯片的封裝密度和工作頻率不斷提高，從而導(dǎo)致電子芯片的功耗熱流密度急劇增大，以肋化擴展表面配合強制對流換熱為代表的傳統(tǒng)散熱技術(shù)已經(jīng)無法滿足電子芯片日益增長的散熱需求。特別是，信息技術(shù)和微電子技術(shù)的成功應(yīng)用往往需要將高功率電子芯片呈陣列狀高密度封裝，這就對高功率、大能量電子散熱技術(shù)的研發(fā)提出了更大挑戰(zhàn)。
[0003]現(xiàn)有電子散熱(冷卻)技術(shù)主要包括:直接浸入式冷卻技術(shù)、熱電冷卻技術(shù)、主動式微槽道散熱技術(shù)、射流冷卻技術(shù)、熱管散熱技術(shù)、固-液相變冷卻技術(shù)等。其中，熱管散熱技術(shù)依靠熱管內(nèi)部流體工質(zhì)相變潛熱-顯熱耦合輸運實現(xiàn)熱量高效傳輸，具有導(dǎo)熱性好、環(huán)境適應(yīng)性優(yōu)良、等溫性優(yōu)異等諸多優(yōu)點，進而得到了較為廣泛的應(yīng)用。然而，熱管自身獨特的工作原理和有限的工質(zhì)充注量使其在大功率散熱負(fù)荷運行時存在著一系列傳熱極限，導(dǎo)致熱管散熱技術(shù)的極限散熱量受到限制，如專利CN101990389A公開了一種適用于CPU等大功率電子元件冷卻的散熱模組，其利用一根毛細(xì)熱管將電子元件產(chǎn)熱及時地輸運至翅片擴展換熱表面并通過散熱風(fēng)扇驅(qū)動的強制對流散釋，但當(dāng)散熱負(fù)荷過大時，熱管毛細(xì)芯所提供的毛細(xì)抽吸力無法驅(qū)動足量的冷凝液回流補充蒸發(fā)段工質(zhì)，形成毛細(xì)極限，造成散熱模組工作失效。專利CN101900313A公開了一種用于大功率LED燈的環(huán)形蒸汽腔熱管散熱模組，其原理是利用中央環(huán)形蒸汽腔熱管將底部大功率LED燈封裝陣列的產(chǎn)熱高效傳輸至頂端環(huán)形散熱翅片散釋，但在過高散熱負(fù)荷下工作時，蒸汽腔中心高速上行的蒸汽會對內(nèi)壁面回流冷凝液形成強烈的反向剪切攜帶作用，導(dǎo)致回流冷凝液的量不能滿足蒸發(fā)段的補液需求，形成攜帶極限，造成蒸發(fā)段燒干失效。除熱管散熱技術(shù)外，固-液相變冷卻技術(shù)因具有冷卻量大、蓄放熱過程等溫性好、過程易控制等優(yōu)點而備受關(guān)注。然而相變材料導(dǎo)熱系數(shù)普遍偏低且熱響應(yīng)速度慢，近年來雖得到了一定程度的優(yōu)化和改進，但其可持續(xù)冷卻能力仍受到相變材料封裝量的限制，其工作啟動階段的熱響應(yīng)速度也有待進一步提升，如專利CN104235800A公開了一種間歇性大功率LED相變溫控裝置，其利用固液相變材料融化時吸收的相變潛熱來實現(xiàn)大功率LED芯片點陣的冷卻，并且其通過設(shè)置金屬點陣骨架來強化相變材料的導(dǎo)熱，但由于相變材料封裝量有限，其融化吸熱冷卻時間也受到限制，使其僅適用于間歇性工作的大功率LED芯片點陣。專利CN104235801A公開了一種自帶熱管的大功率LED相變溫控裝置，其通過埋入高導(dǎo)熱率熱管配合變厚度翅片擴展換熱面積的方式來提高相變材料的有效導(dǎo)熱系數(shù)和熱響應(yīng)速率，但由于熱管和變厚度翅片全部埋入相變材料之中，其工作啟動階段僅僅依靠熱管與變厚度翅片導(dǎo)熱耦合相變材料融化吸熱來實現(xiàn)，熱響應(yīng)速度有限，仍難以滿足高功率電子芯片工作啟動階段的快速散熱需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種通過導(dǎo)熱、對流、相變耦合實現(xiàn)了熱響應(yīng)性快、散熱極限高、溫控能力強的高功率電子芯片陣列散熱模組。
[0005]實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為:一種高功率電子芯片陣列散熱模組，包括熱沉空腔、封裝熱沉空腔底部的底板、封裝熱沉空腔頂部的蓋板、熱管陣列和散熱風(fēng)扇，所述熱管陣列穿過蓋板在封裝熱沉空腔中與底板固定連接，所述散熱風(fēng)扇設(shè)置在熱管陣列上方，在底板、熱沉空腔和蓋板構(gòu)成的密閉腔內(nèi)填充將熱管陣列下部的蒸發(fā)段埋設(shè)其中的相變材料;該熱管陣列上部的冷凝段裸露在空氣中。
[0006]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點:(I)有效克服了相變材料導(dǎo)熱系數(shù)低、熱響應(yīng)速度慢的缺陷，下部蒸發(fā)段埋設(shè)于相變材料中的熱管陣列可依靠自身的高導(dǎo)熱率將底部電子芯片陣列的產(chǎn)熱快速導(dǎo)出并通過上部冷凝段的空氣強制對流將熱量散釋，顯著改善了所述下部相變材料熔化相變吸熱的熱響應(yīng)速度和可持續(xù)散熱能力。(2)熱管外壁耦合有仿生肋片有效擴展了換熱面積，優(yōu)化分配了熱管陣列與相變材料間的導(dǎo)熱熱流，強化了相變材料的熔化和凝固換熱。(3)下部相變材料的熔化相變吸熱量大、溫度可控性好，有效提升了熱管陣列的散熱極限和控溫能力，而且相變材料中高導(dǎo)熱率納米顆粒加入使相變潛熱存儲與釋放的響應(yīng)速度更快、過程更均勻，更有利于相變溫控。(4)熱管內(nèi)壁設(shè)置的軸向槽道式粉末多孔吸液芯較好地實現(xiàn)了毛細(xì)壓力與滲透率的匹配，降低了熱管內(nèi)工質(zhì)的回流阻力，從而強化了熱管自身的傳熱性能。(5)本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡約緊湊、安裝維護方便，易于組合擴展。
[0007]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細(xì)描述。
【附圖說明】
[0008]圖1為本發(fā)明高功率電子芯片陣列散熱模組的外形圖。
[0009]圖2為本發(fā)明高功率電子芯片陣列散熱模組的裝配圖。
[0010]圖3為本發(fā)明高功率電子芯片陣列散熱模組的俯視示意圖。
[0011 ]圖4為本發(fā)明高功率電子芯片陣列散熱模組的正視示意圖。
[0012]圖5為圖2中熱管結(jié)構(gòu)示意圖。
[0013]圖6為圖5的A-A剖面圖。
[0014]圖7為軸向槽道式粉末多孔吸液芯陽模示意圖。
[0015]圖8為軸向槽道式粉末多孔吸液芯的制作流程圖。
【具體實施方式】
[0016]結(jié)合圖1和圖2，本發(fā)明高功率電子芯片陣列散熱模組實現(xiàn)了導(dǎo)熱、對流、相變的耦合，包括熱沉空腔6、封裝熱沉空腔6底部的底板10、封裝熱沉空腔6頂部的密封蓋板3、熱管陣列5和散熱風(fēng)扇2，所述熱管陣列5穿過密封蓋板3在封裝熱沉空腔6中與底板10固定連接，所述散熱風(fēng)扇2設(shè)置在熱管陣列5上方，在底板10、熱沉空腔6和密封蓋板3構(gòu)成的密閉腔內(nèi)填充將熱管陣列5下部的蒸發(fā)段埋設(shè)其中的相變材料9;該熱管陣列5上部的冷凝段裸露在空氣中。
[0017]本發(fā)明的熱沉空腔6采用高導(dǎo)熱率金屬鑄造或機加工而成，其四周外部壁面加工有多組散熱肋片4用以增加散熱面積，四角各加工有安裝散熱風(fēng)扇2的圓柱形支撐柱7:當(dāng)散熱模組應(yīng)用于封裝在底板10背面的電子芯片陣列12散熱時，支撐柱7開設(shè)螺紋盲孔，供緊固螺栓I將散熱風(fēng)扇2旋緊固定于熱管陣列5上方；當(dāng)散熱模組應(yīng)用于焊接在獨立主板上的電子芯片陣列12散熱時，支撐柱7上開設(shè)通孔，供緊固螺栓I穿過散熱風(fēng)扇2和支撐柱7與主板上相應(yīng)的固定螺孔旋緊，將底板10緊固在電子芯片陣列12上。底板10與熱沉空腔6采用焊接或膠接連接，底板10上加工有安裝熱管陣列5的凹槽11，該凹槽11背面對應(yīng)加工有與電子芯片陣列12相對應(yīng)的平整導(dǎo)熱接觸面。所述熱管陣列5—端通過焊接、脹接或螺栓連接等方式垂直安裝在凹槽11內(nèi)，并保證和凹槽11熱接觸良好，導(dǎo)熱接觸面利用導(dǎo)熱硅脂與電子芯片陣列12實現(xiàn)良好熱接觸。所述熱沉空腔6中填充有相變材料9，其填充量取決于所使用相變材料的熱膨脹率、相變潛熱及所需散熱負(fù)荷，但不超過所述熱沉空腔6總體積的95%，以考慮相變材料熔化后的體積膨脹。所述熱沉空腔6上部設(shè)置密封蓋板3，其上部機加工有供熱管陣列5相匹配的貫通槽8，相變材料9填充完畢后，將密封蓋板3穿過熱管陣列5將相變材料9封裝在熱沉空腔6中，密封蓋板3與熱沉空腔6上緣之間以及貫通槽8與熱管陣列5之間都采用膠結(jié)或焊接的方式密封。
[0018]結(jié)合圖3和圖4，本發(fā)明熱管陣列5下部作為蒸發(fā)段埋設(shè)于相變材料9內(nèi)，埋設(shè)長度占熱管陣列總高度的1/3至2/3，具體可根據(jù)所需散熱負(fù)荷和工作間歇時間靈活調(diào)整。熱管陣列5的上部作為冷凝段位于蒸發(fā)段之上，裸露在空氣中。所述熱管陣列5中每根熱管13的充液率為30%?60%，充注工質(zhì)可根據(jù)管壁金屬相容性及所需散熱負(fù)荷進行選擇，如水、氨、乙醇、甲醇、R123或丙酮等。這樣，熱管13蒸發(fā)段內(nèi)工質(zhì)在外部熱源(電子芯片陣列12工作所產(chǎn)生的熱量)作用下相變蒸發(fā)產(chǎn)生蒸汽并上升至熱管冷凝段，在散熱風(fēng)扇2驅(qū)動的強制對流的冷卻作用下，冷凝段工質(zhì)冷卻并凝結(jié)為液體，凝結(jié)液在重力和毛細(xì)抽吸力作用下回流至蒸發(fā)段而完成一個循環(huán)。當(dāng)電子芯片陣列12工作時，通過熱管13內(nèi)工質(zhì)不斷的蒸發(fā)、凝結(jié)，把電子芯片陣列12產(chǎn)生的熱量連續(xù)快速地導(dǎo)出，并通過冷凝段的空氣強制對流將大部分熱量散釋，同時相變材料9也吸收部分導(dǎo)出的熱量產(chǎn)生相變?nèi)刍Ｔ撋徇^程有效結(jié)合了熱管自身高效導(dǎo)熱、下部蒸發(fā)段相變材料相變潛熱換熱和上部冷凝段空氣強制對流換熱的優(yōu)點:下部蒸發(fā)段相變材料9的熔化相變吸熱量大、溫度可控性好，有效提升了熱管散熱模組的散熱極限和控溫能力；同時，上部冷凝段的空氣強制對流始終可以將所述熱管陣列5導(dǎo)出的大部分熱量迅速散釋，顯著改善了下部蒸發(fā)段相變材料9的熔化相變吸熱的熱響應(yīng)速度并可保證當(dāng)相變材料9完全熔化時整個散熱模組仍具有相當(dāng)?shù)纳崮芰?，從而提高了可持續(xù)散熱能力。當(dāng)電子芯片陣列12停止工作時，散熱風(fēng)扇2將繼續(xù)工作一段時間，將相變材料9所蓄積的熱量通過熱管陣列冷凝段與熱沉空腔外壁面散熱肋片4上的空氣強制對流散釋掉，這將有助于相變材料9的快速固化，從而使其冷卻能力迅速恢復(fù)。
[0019]結(jié)合圖5，本發(fā)明的熱管13本體通過鑄造或機加工而成，其材料可以根據(jù)工作條件與工作介質(zhì)相容性等選擇不同的高導(dǎo)熱率金屬或合金，如碳素鋼、低合金鋼、不銹鋼、銅(合金)、鋁(合金)或鎳(合金)等。熱管13周向上通過焊接或機加工的方式均勻設(shè)置仿生肋片14，肋片材料與所述熱管本體保持一致，肋片個數(shù)以4?8個為宜。
[0020]所述仿生肋片14至少包含2級級樹杈肋片且每級樹杈肋片又包含2個以上的肋片，第I級樹杈肋片的根部與熱管13外壁連接。所述仿生肋片14的相鄰兩級樹杈肋片厚度比為111/°、長度比為111/{!，其中，11為每級樹杈肋片的個數(shù)，(1為厚度因子且2 4〈3，0為長度因子且1
2。仿生肋片14通過各級所述樹杈肋片產(chǎn)生越來越多的分支，這大幅度增加了熱管陣列5與相變材料9間的換熱面積，并優(yōu)化分配了熱管陣列5與相變材料9間的導(dǎo)熱熱流。同時，熱管陣列5具有很高的導(dǎo)熱系數(shù)，使其與仿生肋片14 一起成為相變材料熔化和凝固的導(dǎo)熱骨架來強化相變材料9的相變換熱。
[0021]結(jié)合圖6、圖7和圖8，熱管13內(nèi)壁面四周燒結(jié)有軸向槽道式粉末多孔吸液芯15，通過以下具體燒結(jié)過程制作了軸向槽道式粉末多孔吸液芯15:根據(jù)所述槽道式粉末多孔吸液芯15的設(shè)計尺寸，采用微細(xì)線切割工藝加工與熱管13內(nèi)徑輪廓尺寸相匹配的陽模19(如圖7所示)，考慮到碳層能夠在脫模過程中起到良好的潤滑減阻作用，采用石墨作為陽模19的制備材料。將陽模19放入預(yù)先加工好的熱管管殼20中心空腔中，而后將金屬粉末21松散或經(jīng)振實填入陽模19和熱管管殼20之間所包圍的空間內(nèi)，直到金屬粉末21充分填滿形成粉末燒結(jié)層，從而獲得燒結(jié)預(yù)制體(如圖8所示)，所述金屬粉末21粒徑為20?ΙΟΟμπι，材料可以根據(jù)工作條件與所述熱管陣列內(nèi)工作介質(zhì)的相容性等選擇不同的材料，如銅、鎳、鈦或不銹鋼等。將所述燒結(jié)預(yù)制體放入具有保護氣氛的燒結(jié)爐中燒結(jié)成形，燒結(jié)控溫過程為:以350?400°C每小時的速度升溫至400?450°C后保溫30?35分鐘，然后再以350?400°C每小時的速度升溫至950?1000°C后保溫?zé)Y(jié)45?90分鐘；隨爐冷卻后，將陽模19拔出，即可得到槽道式粉末多孔吸液芯15。最終，將熱管管殼20端部焊接密封并抽真空后充注工質(zhì)，即得到熱管13。通過上述方法燒結(jié)槽道式粉末多孔吸液芯15，成本低廉，操作方便，能夠較好地實現(xiàn)粉末顆粒之間孔隙的均勻分布。
[0022]上述槽道式粉末多孔吸液芯15的長度與熱管13內(nèi)腔體高度一致且具有16?48個軸向貫通毛細(xì)吸液槽16，該毛細(xì)吸液槽16由毛細(xì)吸液縫17和回流槽18組成，該回流槽18內(nèi)嵌在熱管內(nèi)壁面的粉末燒結(jié)層內(nèi)并通過毛細(xì)吸液縫17與軸向槽道式粉末多孔吸液芯15所包圍的腔體相連通。毛細(xì)吸液縫17的寬度為200?400μπι，深度為100?300μπι，回流槽18橫截面形狀可以為矩形(圖6的Α)、“Ω”形(圖6的B)、燕尾型(圖6的C)和三角形(圖6的D)，其水力直徑為500?800μπι。吸液芯15所包圍的腔體截面當(dāng)量直徑為2.0?5.0mm。軸向槽道式粉末多孔吸液芯15既可利用所述毛細(xì)吸液縫17微小開口處的高曲率彎液面提供高毛細(xì)抽吸壓力，又可利用所述大尺寸回流槽18提升吸液芯的滲透率、減小工質(zhì)回流阻力，還可以大大降低液體回流受到蒸汽反向流動的剪切阻礙作用，同時，燒結(jié)粉末多孔結(jié)構(gòu)進一步提高了毛細(xì)抽吸壓力。這樣，熱管13的毛細(xì)極限與攜帶極限得到顯著提高，傳熱性能得到明顯強化。
[0023]本發(fā)明的相變材料9以石蠟、檸檬酸鈉、磷酸鈉或硝酸鹽等熔點低于電子芯片陣列12安全工作溫度的物質(zhì)作為基礎(chǔ)材料，并通過物理分散和化學(xué)分散相結(jié)合的方法混入納米銅粉、納米鋁粉、納米碳包銅或納米氧化鋁等高導(dǎo)熱率納米顆粒，具體方法是:將基礎(chǔ)材料熔化為液態(tài)，稱取一定量的納米顆粒粉體和化學(xué)分散劑一起加入到液態(tài)相變材料中，并對其進行物理超聲振蕩分散約2小時，獲得均勻且分散性較好的納米復(fù)合相變材料原液，然后對原液進行穩(wěn)定降溫冷卻，直至相變材料完全固化，整個降溫固化過程的時間控制在25?30分鐘。其中，所述納米顆粒粒徑范圍為30?50]11]1，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1￥1:%?5￥1:% ;化學(xué)分散劑可根據(jù)基礎(chǔ)材料和納米顆粒的物理化學(xué)特性來選取，如CTAB、SDBS、Span-80、GA和HitenolBC-10等，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.20wt %?0.32wt%。高導(dǎo)熱率納米顆粒有助于提高所述相變基礎(chǔ)材料的有效導(dǎo)熱系數(shù)，并進一步提升相變潛熱存儲與釋放的熱響應(yīng)速度，使相變材料9的熔化與凝固恢復(fù)過程更加均勻快速，更有利于相變溫控。
【主權(quán)項】
1.一種高功率電子芯片陣列散熱模組，其特征在于包括熱沉空腔(6)、封裝熱沉空腔(6)底部的底板(10)、封裝熱沉空腔(6)頂部的蓋板(3)、熱管陣列(5)和散熱風(fēng)扇(2)，所述熱管陣列(5)穿過蓋板(3)在封裝熱沉空腔(6)中與底板(10)固定連接，所述散熱風(fēng)扇(2)設(shè)置在熱管陣列(5)上方，在底板(10)、熱沉空腔(6)和蓋板(3)構(gòu)成的密閉腔內(nèi)填充將熱管陣列(5)下部的蒸發(fā)段埋設(shè)其中的相變材料(9);該熱管陣列(5)上部的冷凝段裸露在空氣中。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高功率電子芯片陣列散熱模組，其特征在于所述熱管陣列(5)中每根熱管(13)沿周向均勻設(shè)置仿生肋片(14)，所述仿生肋片(14)至少包含2級樹杈肋片，每級樹杈肋片又包含2個以上的肋片，第I級樹杈肋片的根部與該熱管(13)的外壁連接;所述仿生肋片(14)的相鄰兩級樹杈肋片厚度比為η1/α、長度比為n1/e，其中η為每級樹杈肋片的個數(shù)，α為厚度因子且2 < α〈3，β為長度因子且1〈β < 2。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高功率電子芯片陣列散熱模組，其特征在于所述熱沉空腔(6)外部壁面設(shè)置加強散熱的肋片(4);所述底板(10)上開設(shè)安裝熱管陣列(5)的凹槽(11)。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高功率電子芯片陣列散熱模組，其特征在于所述熱管陣列(5)下部埋設(shè)于相變材料的長度占所述熱管陣列總高度的1/3至2/3。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高功率電子芯片陣列散熱模組，其特征在于以熔點低于高功率電子芯片陣列安全工作溫度的物質(zhì)作為基礎(chǔ)材料，并通過物理分散和化學(xué)分散相結(jié)合的方法混入高導(dǎo)熱率納米顆粒得到相變材料(9)。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的高功率電子芯片陣列散熱模組，其特征在于所述高導(dǎo)熱率納米顆粒的粒徑范圍為30?50nm，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為I %?5%。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高功率電子芯片陣列散熱模組，其特征在于所述熱管陣列(5)中每根熱管(13)內(nèi)壁面上燒結(jié)有軸向槽道式粉末多孔吸液芯(15)。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的高功率電子芯片陣列散熱模組，其特征在于所述槽道式粉末多孔吸液芯(15)的長度與熱管(13)內(nèi)腔體高度一致，并在槽道式粉末多孔吸液芯(15)中間設(shè)置具有16?48個軸向貫通毛細(xì)吸液槽(16)，該毛細(xì)吸液槽(16)由毛細(xì)吸液縫(17)和回流槽(18)組成，所述回流槽(18)內(nèi)嵌在粉末燒結(jié)層內(nèi)并通過毛細(xì)吸液縫(17)與槽道式粉末多孔吸液芯(15)所包圍的腔體相連通。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的高功率電子芯片陣列散熱模組，其特征在于所述毛細(xì)吸液縫(17)的寬度為200?400μπι，深度為100?300μπι。10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的高功率電子芯片陣列散熱模組，其特征在于所述回流槽(18)橫截面形狀為矩形、“ Ω ”形、燕尾型或三角形，其水力直徑為500?800μπι。
【文檔編號】H01L23/367GK105845649SQ201610368722
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年5月28日
【發(fā)明人】劉向東, 陳永平, 孫清
【申請人】揚州大學(xué)