[發明專利]連續相變熱沉熱控制單元

在審

• 申請號: 201610015080.7
• 申請日: 2016-01-11
• 公開（公告）號: CN105529315A
• 公開（公告）日: 2016-04-27
• 發明（設計）人: 胡家渝
• 申請（專利權）人: 中國電子科技集團公司第十研究所
• 主分類號: H01L23/427
• 分類號: H01L23/427
• 代理公司: 成飛(集團)公司專利中心 51121
• 代理人: 郭純武

技術領域

本發明涉及一種利用相變傳熱原理對電子設備進行傳熱的相變熱沉。

背景技術

隨著電子器件的高頻、高速以及集成電路技術的迅速發展和技術的進步，電子元器 件的總功率密度大幅度增長而物理尺寸卻越來越小，熱流密度也隨之增加，所以高溫的溫度 環境勢必會影響電子元器件的性能，這就要求對其進行更加高效的熱控制。因此，有效解決 電子元器件的散熱問題已成為當前電子元器件和電子設備制造的關鍵技術。隨著微電子技術 的迅速發展,電子器件的微型化已經成為現代電子設備發展的主流趨勢。電子器件特征尺寸 不斷減小,芯片的集成度、封裝密度以及工作頻率卻不斷提高,這就使得單位容積電子器件的 總功率密度和發熱量大幅度地增長,從而使電子器件的冷卻問題變得越來越突出。統計表明, 超過55％的電子設備的失效形式是由溫度過高引起的。另一方面，電子器件工作的可靠性對 溫度卻十分敏感，器件溫度在70-80水平上每增加1，可靠性就會下降5％。較高的溫度水 平已日益成為制約電子器件性能的瓶頸，而高效電子器件的溫度控制目前已經漸漸成為一個 研究熱點。隨著電子元器件功率的增大,冷卻設計對保證電子元器件正常工作起著非常重要 的作用。固液相變熱能存儲系統作為熱控制單元(TCU)已經運用于電子器件在脈沖熱負荷條 件下的高溫保護和冷卻。相變材料(PhaseChangeMaterial)通常是一些常壓下在某些電子器 件工作溫度區段進行固液相變的材料,可利用相變材料在相變潛熱吸收一定時段內運行的電 子器件(如移動電話、便攜式電腦)產生的熱量,從而對電子器件進行保護。當PCM吸收熱 量后,其狀態變為液態,當環境溫度降低后,經過向環境的散熱,就可以恢復固態。高溫環境下工 作的封裝有相變材料的熱沉,一方面利用固液相變潛熱存儲系統吸收電子器件散發的熱量,另 一方面還要吸收從高溫環境傳遞過來的熱量。熱沉結構的幾何外形是影響上述兩個熱量傳遞 的關鍵因素。相變蓄熱材料分石蠟類、非石蠟類、無機鹽水合物、金屬等。相變熱沉是利用 相變材料：如石蠟、無機鹽類、脂肪酸類物質在發生相變時的潛熱大，同時在相變過程中溫 度基本保持不變的特性。相變熱沉將電子設備、器件等發出的熱量吸收，同時相變熱沉可保 持溫度在一定時間內幾乎不發生變化，特別適用某些瞬態使用的大功率的電子設備熱管理。 由于系統內部存在溫度變化,分裝于系統內的石蠟密度會隨著溫度變化而變化,溫度的差異會 導致密度差,自然對流由此產生,相變材料體積會隨著密度的變化而膨脹或收縮,頂端空氣 也會隨著溫度差異產生自然對流。對于頂端暴露于空氣中的相變材料,相界面與空氣互相 接觸而不互相融合。相變材料沿橫向的凝固速度比縱向要快得多,這是因為,熔融態相變材料 主要是對流傳熱為主；凝固態相變材料主要是熱傳導為主,相變材料的導熱系數比較低,隨著 相變材料凝固厚度的增加,熱阻會越來越來大。目前國內外主要使用兩種形式的相變熱沉結 構：一是使用普通純相變物質，機械封裝在一個封閉腔體內形成的熱沉，二是采用某些高導 熱填料、結構及改性的相變材料，機械封裝在封閉腔體內形成熱沉。采用普通相變材料封裝 的熱沉其導熱系數低，相變界面移動緩慢，相變材料發生相變后由于其導熱系數低，將形成 加熱面與剩余未相變部分相變材料的熱阻，造成較大溫差，從而導致需要進行熱控制的電子 器件的溫升高，進而導致器件的失效，相變熱沉沒有充分發揮作用。采用高導熱相變材料有 很多技術途徑，主要有在傳統相變材料中增加銅粉、鋁粉以至納米材料；在蜂窩結構的或周 期性金屬結構中填入普通相變材料；使用復雜的物理、化學合成方法將石墨形成微膠囊，而 普通相變材料包裹在微膠囊中。對于這些技術途徑，主要目的均是為了提高相變材料導熱系 數，提高相變界面移動速度，從而降低加熱面與未相變材料之間的溫差，促進相變材料的充 分利用，增加熱沉工作時間，同時降低熱沉溫度。目前已有的改型相變材料主要采用泡沫金 屬填充、石墨類材料組成包覆體、添加金屬或其它高導熱粒子；增加輕質高導熱骨架，如翅 片或周期性金屬網格材料等四種基本技術提高其導熱系數。所有的現有技術均是基于提高導 熱系數對相變材料進行改進的。國內外主要的專利也朝是在這個方向集中的。無論采用何種 提高導熱系數手段，都涉及到諸如新材料的制造合成、新結構的制造合成，新工藝手段的開 發等。復合相變材料等所采用的技術手段復雜；如為生產高導熱多孔介質材料。復合相變材 料的等效的比熱較之純相變材料物質下降幅度較大；無論采用何種技術手段，復合之后的等 效比熱較之純相變物質來說都會變小，以膨脹石墨相變材料來說，復合后的材料潛熱從純石 蠟的230Kj/Kg變化到復合材料的161.2Kj/Kg。在相同重量的情況下，蓄熱能力下降 30～40％，對于重量敏感的設備和項目來說是不合適的。復合相變材料與結構的結構工藝性 難以大規模生產；復合相變材料或結構的生產工藝性差，例如采用金屬多孔介質必須解決多 孔介質與相變材料容器之間的焊接問題，采用復合相變材料又涉及到材料如何封裝入封閉容 器中的問題，目前的工藝方法均不十分成熟，采用的如真空加注等方法，技術實施復雜，工 藝過程有大量工藝參數需要確定，因此能夠掌握的生產單位不多，生產規模不大。復合相變 材料與結構的成本較普通相變材料高得多。基于以上原因，所有的技術手段都導致成本的提 高，其技術經濟性普遍較差，因此在通常的應用中很難大規模推廣使用。