[發明專利]熱移散熱器

有效

• 申請號: 201810470577.7
• 申請日: 2018-05-08
• 公開（公告）號: CN108695278B
• 公開（公告）日: 2020-04-03
• 發明（設計）人: 吳鴻平;楊衞平
• 申請（專利權）人: 深圳市科太科技有限公司
• 主分類號: H01L23/367
• 分類號: H01L23/367;H01L23/427
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

一種散發大功率高集成度的半導體芯片與器件工作熱量的熱移散熱器，其創新點就是去掉熱沉散熱器底板，在循環熱管結構中由熱移管平面并列而成的熱移管筏替代，并作為相變區，其內液態工質潛能吸熱，發生爆發性相變，將熱量以近即時速度定向移到蒸氣區，并經冷凝區后，冷凝工質通過節流管進入到首末端接通的循環管路中，其顯著標志是散熱器自身熱阻低，將目前熱沉散熱器溫差22℃，大幅度縮小到12℃，在32℃環境下，僅送風，機房服務器CPU芯片便可正常工作，節約空調20～30％的電耗，由此積極促進室外移動機房的發展，另外，也便于大功率高集成的射頻、紅外、激光在結構上脫離壓縮機制冷的束縛，實現整體化，提高機動性與人體便攜化。

所屬技術領域

本發明涉及一種散發大功率高集成度的半導體芯片與器件工作熱量的裝置，尤其是通過循環熱管結構中的相變區內液態工質潛能吸熱，發生爆發性相變，使相變區熱量以近即時速度定向移到蒸氣區，并由此進入冷凝區，經冷凝區的翅片散熱后，仍保持相應的近即時速度，通過節流管進入到首末端接通的循環管路中，形成低熱阻的熱移散熱器。

背景技術

目前，用于散發大功率高集成度的半導體芯片工作熱量的散熱器，因為大功率高集成度的半導體芯片都是在熱沉基板上集成的，所以為了配合其散熱，均為熱沉散熱器，簡單地說，半導體工作時結點產生的熱量先傳導到基板內表面，基板由金銀銅鋁等良導體制成，結熱進入基板通過傳導均勻了熱流密度與降低了溫度并沉降至外表面，這個過程稱為熱沉，基板便稱為熱沉基板，其外表面稱為排熱面，因其面積小，完不成熱量的排放，故與之相配合的小功率者直接貼到良導體外殼，兩者界面在納米級導熱脂參與下，增強傳導性，測不出溫差，通過外殼表面對流排放到空氣中，大功率則與芯片熱沉同理，通過良導界面進入良導體散熱器底板，進一步降低熱流密度并傳導到底板上眾多散熱翅片表面，由空氣對流排放到空氣中，因此也被稱為熱沉散熱器，其中無一例外地都要經過1.25毫米厚度以上的散熱器底板的傳導過程，隨著市場需求，半導體集成度、功率、運頻越來越高，結熱的熱流密度、熱量也越來越大，單靠空氣對流排放遠遠不夠，于是出現風扇吹，空調冷風吹，水冷，壓縮機蒸發管穿入底板主動冷卻，因此又帶來了很大的電耗與不便，需要首先說明，實際的散熱工況非常復雜，工況細微不同，結果差異很大，但為了表述清關鍵問題，忽略復雜場所條件，以便用數據說明，例如：中型計算機房，總運營功率為2500千瓦，其中近一半的耗電是為了保證服務器運營安全，保持機房送風通道溫度為18～22℃，由空調消耗掉了，為什么非要用冷風吹，是因為服務器中CPU與GPU正常運營時，其內結點溫度不得超過80℃，則需熱沉基板排熱面與熱沉散熱器底板受熱面之間的界面溫度不得超過60℃，由于結熱產生的速度為電速度，而良導體傳導為秒米速度，兩者相差數百萬倍，凡有傳導，必有熱阻，只有送22℃以下冷風，按一定流向流速吹拂熱沉散熱器表面的條件下，測試其上部表面溫度方為30℃，測試其界面溫度為55℃，與上部表面形成25℃的散熱器溫差，22℃冷風與上部表面形成8℃的排放溫差，由這兩個溫差平衡，保持其散熱速度，界面溫度為55℃，結溫處于75℃，服務器處于有一定安全余地中工作，若提高空調冷風溫度，，縮小排放溫差1～2℃則帶來系統溫升，則可導致結溫達到78℃，易造成運營安全問題，因此，機房送冷風寧低勿高，同理，其它所有半導體集成芯片凡采用熱沉散熱器，尤其是大功率高集成的熱電、光電、紅外、激光、射頻等功能轉換類芯片，散熱均受這兩個溫差平衡的制約，其中，縮小散熱器溫差，增大排放溫差則是很有益的，為縮小前者，減小散熱翅片間距，加密排布，增加40％數量，散熱器溫差僅縮小1℃多，這是因為散熱面積不是其中最慢的過程，另在散熱器底板上增加2～3根熱管，最佳方式為直立U形管，但通過測試，同等熱功下，散熱器溫差僅由25℃溫差最大降低到21～22℃，未有質的提效，這是因為熱管為軸徑循環，理想狀態下，理論上相變蒸發速度可達聲速，大于100米/秒堪稱爆發，但在實用中冷凝、回流速度不到聲速百分之一，熱傳速取決于回流過程，即使比紫銅傳導速度提高若干倍，仍屬慢傳熱，且熱量是通過散熱器底板熱管窩傳入的，其與界面間尚存1.25mm厚度，還是先進行傳導擴散過程，加之管壁厚度再被工質吸收，仍屬熱沉散熱器，總之，未能解決熱沉散熱器存在很大熱阻之癥結，為增大后者，水冷或壓縮機蒸發管穿入底板主動冷卻，水冷不發生相變，效果不明顯，壓縮機蒸發管冷卻，雖有明顯的效果，但增加電耗，一般結構不允許，除特殊需要外，只有采用空調送冷風為便捷，這雖產生很大的電耗，但也是不得已中的好辦法，實踐證明，從后者入手增大排放溫差已無良方，應集中到如何破解前者癥結，大幅度縮小散熱器溫差，大幅度降阻提效，才是研發方向，當然更應包括芯片內部降阻提效，然而至今，尚未有突破性進展。