CN105118811B - 一种采用均热板及微通道对多热源器件散热的均温装置 - Google Patents
一种采用均热板及微通道对多热源器件散热的均温装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种采用均热板及微通道对多热源器件散热的均温装置，用于解决现有散热装置存在的不能够对多热源高热流密度电子器件进行均匀散热的问题，以及现有的平行微通道在使用过程中温度沿流向迅速上升，形成了较大的温度梯度而影响芯片的稳定性的问题。本发明包括LTCC基板，所述LTCC基板内封装有至少两个热源，所述LTCC基板的上方安装有均热板，所述均热板的上方设置有与热源数量相同的微通道，各个微通道的入口由一个进口与外界的冷却液源连通，各个微通道的出口与外界的集液箱连通。
Description
技术领域
本发明属于基于LTCC多芯片组件散热装置技术领域，具体公开了一种采用均热板及微通道对多热源器件散热的均温装置，用于对多热源高热流密度器件进行散热。
背景技术
现代微电子芯片技术飞速发展，多芯片组件（MCM）是在混合集成电路基础上发展起来的一种微电子封装技术，具有更多的功能、更高的性能和更小的体积。陶瓷多芯片组件（MCM-C）作为厚膜HIC发展的高级阶段和一种实用的多芯片组件，具有互连层数多、集成密度大、电学性能优、制造成本低等显著优点得到了越来越广泛的应用。通过将低温共烧陶瓷（LTCC）基板与封装外壳腔壁、PGA外引线进行一体化封装的方法，有效地实现LTCC型MCM-C的高性能封装。随着芯片尺寸的不断缩小和集成电路封装元件数量和功率的增加，整个微电子系统的热流密度急剧增加，导致电子设备的工作温度逐渐提高。研究发现，元件温度的升高对设备长期的使用不利，半导体元件对温度十分敏感，根据著名的“10℃法则”，电子元件的工作温度每上升10℃，该元件的使用寿命将会缩减一半；元器件在70℃至80℃工作环境中，温度每上升1℃，其可靠性将下降5%；因此对高热流密度电子器件进行温度控制极其重要。
在目前电子散热的研究领域中，常见的散热方式有风冷、液冷以及相变冷却，由于当散热密度大于5时，风冷的冷却方式就不能满足散热要求，也就应该采用液冷的冷却方式。微通道热沉是目前使用较多的液冷冷却装置，微通道热沉主要以强迫对流的方式将热量带走，在高热流密度条件下，由于微通道热沉进出口温差较大，容易导致出口附近的电子器件温度明显高于进口附近的电子器件的温度，因此，在高热流密度条件下，应该采用相变换热装置进行换热。
相变换热装置（均热板）的蒸发面液态工质受热相变后，蒸汽沿均热板轴线方向运动到冷凝面，在冷凝面发生相变冷凝，冷凝液态工质在吸液芯结构毛细压力和重力驱动下沿均热板的径向方向回流，冷凝液体还可以通过支撑柱从轴向回流至蒸发面。而热管的传热方式是一维的，是线的传导方式，而均热板的蒸汽可以在整个冷凝面上发生凝结，传导方式是二维的，是面的传导方式，故均热板的传热效率和均温性都优于传统热管。例如申请号为201210187939.4的发明转啦公开了一种相变化散热装置，用以对发热元件散热，其包括一腔体及设置于所述腔体内的工作介质，工作介质为在常温呈现固态的相变化绝缘物质，腔体收容发热元件；工作介质为结晶水合盐类、有机酸或酯类等。
然而，对于多热源高热流密度电子器件，由于组成元件正常工作时功率不同，因此多芯片组件中各个元件的发热量也有所不同，现有技术中都是采用统一平行的微通道进行散热，如果采用统一的流道结构进行散热，会导致各热源温度不一致。因此，针对多热源高热流密度电子器件的散热研究具有很大的研究价值。
发明内容
本发明为了解决现有散热装置存在的不能够对多热源高热流密度电子器件进行均匀散热的问题，以及现有的平行微通道在使用过程中温度沿流向迅速上升，形成了较大的温度梯度而影响芯片的稳定性的问题，而提供一种采用均热板及微通道对多热源器件散热的均温装置，采用二维传热方式的均热板进行散热，具备更低的热阻值，芯片散热速度更快；同时本发明的微通道设计能够减小温度梯度，实现热量的均匀分布，避免了芯片局部热负荷过高带来的危害；同时微通道还降低了整个微通道的总压降。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种采用均热板及微通道对多热源器件散热的均温装置，其特征在于，包括LTCC基板，所述LTCC基板内封装有至少两个热源，所述LTCC基板的上方安装有均热板，所述均热板的上方设置有与热源数量相同的微通道，各个微通道的入口由一个进口与外界的冷却液源连通，各个微通道的出口与外界的集液箱连通。
所述的各个微通道的流道数量相同或者不同。
所述微通道的各个流道相互并列设置。
所述均热板包括金属壳体，金属壳体形成一个蒸汽腔，金属壳体的内壁上设有吸液芯， 所述蒸汽腔内注入有工作液体，所述金属壳体内还设有竖直设置的支撑柱，所述支撑柱的上下端分别连接在吸液芯上。
所述支撑柱为圆柱体。
所述吸液芯为烧结金属粉末吸液芯。
所述支撑柱的表面设有毛细层，所述毛细层由烧结金属粉末制成。
所述均热板与LTCC基板之间设有绝缘导热板。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明的采用均热板及微通道对多热源器件散热的均温装置，包括LTCC基板，所述LTCC基板内封装有至少两个热源，所述LTCC基板的上方安装有均热板，所述均热板的上方设置有与热源数量相同的微通道，各个微通道的入口由一个进口与外界的冷却液源连通，各个微通道的出口与外界的集液箱连通。本发明采用二维传热方式的均热板进行散热，具备更低的热阻值，芯片散热速度更快，热传递均匀的特点；同时本发明的各个微通道的连接在一起形成一个Y形结构，能够用于多热源器件进行均匀散热，与传统的平行微通道相比，能够减小温度梯度，实现热量的均匀分布，避免了芯片局部热负荷过高带来的危害；微通道还降低了整个微通道的总压降，降低总压降能够减少微通道进出口的冲击，保证进出口的密封性能，同时减少对流道管壁的冲击力，延长微通道的使用寿命。
附图说明
图1是本发明一实施例的爆炸示意图；
图2是本发明的剖视图结构示意图；
图3是图1中的第二微通道的结构示意图；
图4是图1中的第一微通道的结构示意图；
图5是图1中的均热板使用时的剖视图示意图；
图6是本发明使用时的结构框图。
图中标记：1、微通道盖板，2、第一微通道，3、均热板，4、绝缘导热板，5、LTCC基板，6、第一热源，7、第二热源，8、第二微通道，9、金属壳体，10、吸液芯，11、蒸汽腔，12、支撑柱。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的描述，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，并不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他所用实施例，都属于本发明的保护范围。
结合附图，本发明的采用均热板及微通道对多热源器件散热的均温装置，包括LTCC基板5，所述LTCC基板5内封装有至少两个热源（例如图1中标注的第一热源6、第二热源7），本发明的LTCC基板5可以根据实际使用的情况，封装多个热源；所述LTCC基板5的上方安装有均热板3，所述均热板3的上方设置有与热源数量相同的微通道（如图1中标注的第一微通道2和第二微通道8），为了便于安装和使用，微通道的配设有微通道盖板1；各个微通道的入口由一个进口与外界的冷却液源连通，各个微通道的出口与外界的集液箱连通。本发明采用二维传热方式的均热板进行散热，具备更低的热阻值，芯片散热速度更快，热传递均匀的特点；同时本发明的各个微通道的连接在一起形成一个Y形结构，能够用于多热源器件进行均匀散热，与传统的平行微通道相比，能够减小温度梯度，实现热量的均匀分布，避免了芯片局部热负荷过高带来的危害；微通道还降低了整个微通道的总压降，降低总压降能够减少微通道进出口的冲击，保证进出口的密封性能，同时减少对流道管壁的冲击力，延长微通道的使用寿命。
结合图1、图3和图4，本发明的各个通道形成Y形结构，在每个分叉处均产生了一定的压力回升，从而使得整个通道的总压降下降。
各个微通道的流道数量相同或者不同，在实际运用中，热源的功率大都不一样，因此，微通道的流道数量根据热源的功率进行选择，例如本发明的第二热源7的功率为60w，那么与之相对应的第二微通道8选用6个流道的微通道，本发明的第一热源的功率为80w，那么与之相对应的第一微通道2选用8个流道的微通道。
作为本发明一种优选的方式，第一微通道和第二微通道长和宽均为30mm×30mm，流道的高度均为2mm，流道宽度均为2.5mm，第二微通道8的流道间距为2.5mm，第一微通道2的流道间距为1.25mm。
结合图5，本发明的均热板3包括金属壳体9，金属壳体9形成一个蒸汽腔11，金属壳体9的内壁上设有吸液芯10， 所述蒸汽腔11内注入有工作液体，所述金属壳体9内还设有竖直设置的支撑柱12，所述支撑柱12的上下端分别连接在吸液芯10上。本发明的均热板的工作原理为：为了便于描述，与热源接触的端称为蒸发面，与微通道接触的端称为冷凝面；热源的热量由外部进入金属壳体内，蒸发面液态工作液体受热相变后，蒸汽沿均热板轴线方向运动到冷凝面，在冷凝面相变冷凝，冷凝液态工作液体靠微结构的毛细作用和重力作用沿均热板的径向方向回流，冷凝液态工作液体还可以通过支撑住从轴向方向回流至蒸发面，完成一个热传循环，形成一个液态与气态并存的双相循环系统，因此在均热板的表面能够形成良好的温度均温性蒸汽可以在整个冷凝面发生凝结，传导方式是二维的，是面的传导方式；蒸汽腔内始终充满温度相同的饱和蒸汽，故均热板的传热效率和均温性都优于传统热管。
作为本发明一种优选的方式，所述支撑柱为圆柱体，并且直径为4mm，支撑住横向和纵向均匀布置，横向间距为16mm，纵向间距为18mm，支撑柱12的横向布置间距不大于40mm，纵向布置不小于两排，且在横向和纵向均等间距布置；吸液芯为烧结金属粉末吸液芯；所述支撑柱的表面设有毛细层，毛细层的厚度为2mm，所述毛细层由烧结金属粉末制成。通过采用金属粉末层作为毛细层，以便减小冷凝工作液体回流路径，从而进一步提高热传递效率。
作为本发明一种优选的方式，均热板3与LTCC基板5之间设有绝缘导热板4。
本发明的微通道和均热板封装在同一壳体内，能够减小热阻值，提高散热效果。
结合图6，为本发明在运用中的一结构框图，与外部的设备配套形成散热系统，主要有供液箱、集液箱、流量控制器、计算机、温度测试仪、压降测试仪以及管道构成，工作过程为：首先通过数据编程在调试控制器中设置相应的数据，然后调速控制器控制水泵电机使其从供液箱中获得相应的流量，并从同一入口输送到各个微通道内，在微通道中进行热交换后的液体最后进入集液箱中冷却；微通道两端并联连接压降测试仪，可测量其压降，微通道底部为均热板，带动均热板冷凝面的热量，使得均热板迅速冷却，均热板下面为热源，热源可提供恒定的热流密度，同时也可以检测微通道底面温度，即它集成了热源和温度测试仪。
实施例一
本实施例的采用均热板及微通道对多热源器件散热的均温装置，包括LTCC基板，所述LTCC基板内封装有至少两个热源，所述LTCC基板的上方安装有均热板，所述均热板的上方设置有与热源数量相同的微通道，各个微通道的入口由一个进口与外界的冷却液源连通，各个微通道的出口与外界的集液箱连通。
实施例二
本实施例的采用均热板及微通道对多热源器件散热的均温装置，包括LTCC基板，所述LTCC基板内封装有至少两个热源，所述LTCC基板的上方安装有均热板，所述均热板的上方设置有与热源数量相同的微通道，各个微通道的入口由一个进口与外界的冷却液源连通，各个微通道的出口与外界的集液箱连通；所述的各个微通道的流道数量相同或者不同。
实施例三
本实施例的采用均热板及微通道对多热源器件散热的均温装置，包括LTCC基板，所述LTCC基板内封装有至少两个热源，所述LTCC基板的上方安装有均热板，所述均热板的上方设置有与热源数量相同的微通道，各个微通道的入口由一个进口与外界的冷却液源连通，各个微通道的出口与外界的集液箱连通；所述的各个微通道的流道数量相同或者不同；所述微通道的各个流道相互并列设置。
实施例四
在上述任一实施例的基础之上，所述均热板包括金属壳体，金属壳体形成一个蒸汽腔，金属壳体的内壁上设有吸液芯， 所述蒸汽腔内注入有工作液体，所述金属壳体内还设有竖直设置的支撑柱，所述支撑柱的上下端分别连接在吸液芯上。
实施例五
在实施例四的基础之上，所述支撑柱为圆柱体。
实施例六
在实施例四或实施例五的基础之上，所述吸液芯为烧结金属粉末吸液芯。
实施例七
在实施例四至实施例六任一实施例的基础之上，所述支撑柱的表面设有毛细层，所述毛细层由烧结金属粉末制成。
实施例八
在上述任一实施例的基础之上，所述均热板与LTCC基板之间设有绝缘导热板。
Claims (5)
1. 一种采用均热板及微通道对多热源器件散热的均温装置，包括多热源器件及散热基板，冷却件，其特征在于，所述多热源器件为至少两个热源器件，散热基板为LTCC基板，各热源器件封装于LTCC基板内，而冷却件则为基于相变换热原理的均热板及基于液流对流散热的微通道散热器；所述均热板设于LTCC基板上部，并通过其吸热面与LTCC基板封装有各热源器件一侧的表面紧固连接，所述微通道散热器的数量与热源数量相同，均设于均热板冷凝面的外顶部并分别在正对各热源器件位置处固定，各个微通道的入口由一个进口与外界的冷却液源连通，各个微通道的出口与外界的集液箱连通；所述均热板包括金属壳体，金属壳体形成一个蒸汽腔，金属壳体的内壁上设有吸液芯， 所述蒸汽腔内注入有工作液体，所述金属壳体内还设有竖直设置的支撑柱，所述支撑柱的上下端分别连接在吸液芯上。
2.根据权利要求1所述的采用均热板及微通道对多热源器件散热的均温装置，其特征在于，所述吸液芯为烧结金属粉末吸液芯。
3.根据权利要求1所述的采用均热板及微通道对多热源器件散热的均温装置，其特征在于，所述支撑柱为圆柱体。
4.根据权利要求1或3所述的采用均热板及微通道对多热源器件散热的均温装置，其特征在于，所述支撑柱的表面设有毛细层，所述毛细层由烧结金属粉末制成。
5.根据权利要求1所述的采用均热板及微通道对多热源器件散热的均温装置，其特征在于，所述均热板与LTCC基板之间设有绝缘导热板。
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