液冷相变矢量热移散热系统技术方案

一种散发高集成度大功率半导体芯片工作热量的装置，尤其是去掉热沉散热器底板，换成在芯片界面热量被循环管路系统内液态工质吸收，相变成气态，以近即时速度，按照管路结构轴向指定的方向进行矢量热移，比紫铜传导扩散快百倍的速度，直接将界面热量引至最容易散发的部位，其中结构系统匹配公式及其设计总成中的工质腔积比例与功率工质校正、单向循环提速措施为特征，保障液冷相变矢量热移的进行，应用在大功率LED路灯中的散热、5G服务器大功率CPU与GPU或射频芯片中的散热、微距LED显示屏中的散热以及无风扇汽车通用LED前灯或射灯中散热的不同而构成各种形态一体化的液冷相变矢量热移散热系统，达到在高温环境中正常工作的目的。

Liquid cooled phase change vector heat transfer system

【技术实现步骤摘要】
液冷相变矢量热移散热系统所属
本专利技术涉及一种散发高集成度大功率半导体芯片工作热量的装置，尤其是去掉热沉散热器底板，换成在半导体芯片界面的热量被循环管路系统内液态工质吸收，相变成气态，以近即时速度，按照管路结构轴向指定的方向进行矢量热移，比紫铜传导扩散快百倍的速度，直接将界面热量引至最容易散发的部位，由此构成有效管控高集成度大功率半导体芯片结热的液冷相变矢量热移散热系统。
技术介绍
目前，商品化用于散发高集成度大功率半导体芯片工作热量的散热器，因为半导体芯片大都是在热沉基板上集成的，所以半导体工作时结点产生的热量先传导到基板内表面，基板由金银铜铝等良导热材料制成，当工作热量进入基板后，通过传导扩散了热流强度与降低了温度并沉降至外表面，以这个结热传导扩散过程的特征而论称为热沉，基板便称为热沉基板，其外表面为排热面，因其面积小，热流强度大，自身完不成热量的排放，故与之相配合的小功率者直接贴到良导体外壳内侧面，通过外壳表面空气对流与辐射排放到外界，大功率者则与芯片热沉同理，热量通过排热面贴到良导体制成的散热器底板面，进一步通过传导扩散再次降低热流强度，并传导到底板上排列的散热翅片表面，由空气对流或定向风排放到外界，两者界面由导热脂填充并紧密接触，界面本身几无热阻，但往外排放时，热量全部散出，界面无温升，即无热阻，若不能完全散出，就产生温升，因此界面温升便成为外壳或散热器热阻的量化值，热阻越小散热器功效越高，由于热沉散热器原理最简单，商品化高导铝合金热导率可达280W/mk，模具挤出成形，紫铜热导率为393W/mk，一般焊接成形，做成相同规格的散热器，实测热阻值铜比铝仅低10％，由于在重量上铝是紫铜的1/3，造成当前服务器大都采用高导铝型材散热器，因其工作热量是靠传导扩散到散热器的外表面，不具矢量性，热阻大小完全取决于材料的导热性和散热表面积以及风力，故往往跟不上芯片发展造成的散热需求，首先发现热沉散热器从界面到散热翅片都要经过1.5～7.5毫米厚度的底板的传导过程，这个过程很慢，为加快底板的热传导，开始引入液体相变的热管传热，即2～4根热管首段卧在底板上成为蒸发管，其余段水平字或垂直“U”字形插入散热翅片中成为冷凝管，并在内壁上附着微型孔道层，利用虹吸与重力回流，构成铝质焊接热管散热器，随科技发展，半导体芯片集成度、频率、功率越来越高，包括集成电路即IC众多结点产生的热量、热流强度也越来越大，单靠插热管与风扇吹进行排放远远不够，于是出现空调冷风置换，后又发现空调耗电量巨大，散热仍不够，于是又产生了水或冷却液穿入底板用液体循环与界面换热，又有压缩机蒸发管穿入底板主动冷却界面，以至将承载高集成度大功率半导体芯片的主板由冷却液或液态制冷剂浸没在容器中，工作热量基本不经传导，界面热量直接被工质吸收相变蒸发到上部空间被冷凝器交换，或者内部空间由耐压壳体封闭，由壳体外散热翅片散出，称为液浸散热容器，以上所有散热器分为热沉散热器、热管散热器、水泵循环散热器，压缩机制冷散热器，液浸散热容器共五种，按是否利用液态工质，除第一种外余四种均用，按热交换介质，第一、二种热量直接排放到空气中为气冷，余三种大部分热量首先排放到液体中统称为液冷，其中第三、四种又称为冷板间接液冷式，第五种称为浸入直接液冷式，按功效分析，第一种完全取决于材料导热性与翅片面积，热量不具矢量性，热阻大，第二种是在第一种基础上穿插了热管，穿插的目的是提高热沉底板扩散性传导的速度，开始产生热量进行矢量化有利于散热的结构，但热管为轴径相变循环，液态工质剂量与管腔容积比在20℃时为1/7，随温度提高饱和蒸气压提高，因其是在密闭管腔内，液相降低，该比值降低，在此比值内，其内工质相变蒸发速度较快，冷凝后顺原管路内壁靠虹吸与重力回流到蒸发处的速度也较快，若大于这个比例，蒸发冷凝两者速度都会放慢，另外从结构上讲，工质轴向蒸发，与管壁径向进行热交换，冷凝后顺管路内壁回流到原蒸发处，属于“哪去哪回”直通往返式，工质走到一半就开始回头，其携带的热量矢量度仅达50％，起主导作用的仍属扩散性气冷散热，必须借助风扇，加之每根工质剂量都很少，造成热管传热功率不大，仅适用于PC台式电脑、笔记本电脑与智能手机CPU散热，第三、四种散热器是因热管携带热功率小，不能直接全部吸收大功率芯片界面热量与空调耗电大而产生的，水或冷却液循环不发生或部分发生相变，压缩蒸发制冷发生完整的相变，两者工质循环量都大，流速高，热量矢量度达93％以上，虽适用于高热流强度大功率芯片或器件界面的散热，例如半导体致冷、射频、红外、激光等散热，但必须由脱离界面或者说由体外的表冷器或冷凝器将工质携带的热量散发出去，都需要增加散热器体外机械电力泵与相互连接的循环管路，第五种液浸散热容器，集上述散热器之长，弃其之短，芯片界面无热阻，并具空前大的热容空间，热量无须矢量化，适应高温环境，可谓颠覆目前商业化数据中心一切设施及工况，但一体化成本非常高，若采用高挥发性绝缘冷却液，其所有的线束、接口必须密封，维护难度极大，平常避免不了缓慢泄露，机房必须具备换气系统，开盖维护更避免不了人体伤害，若采用粘滞性小的硅油类液体，非常昂贵，若采用制冷剂则必须在承压3～6Mpa容器内，线束、接口不可能常年密封，开盖维护制冷剂将会秒逝，补充也难，人无法操作，仅适用于一次性导弹与运载火箭主板中，总之，无论哪一种液冷与气冷相比，因能量守恒，液冷必须经过体外有源泵力与相应表冷器形成的循环管路系统，所有的接口与泵均不能泄露，工作热量置换到最后还是散发到大气中，与之直接气冷相比则仅需基建空调、风道、风扇而已，建设与运营成本及其可靠性，业内明眼人已十分清楚，因此，在密闭的机房中的换热，任何人工合成的化工冷媒均不如直接用空气，除非没有体外机械电力泵、表冷器及其循环管路，否则，液冷机房不具商用性，如何保持大功率半导体芯片界面之低温升，大幅度降低散热器热阻，如何降低对风冷温度及强度的依赖性，仅利用空气对流，如何再缩小散热器占主板面积及空间，如何实现无外在动力源，低成本的界面热移循环一体化结构，才是研发方向，当然更应包括芯片内部利用石墨烯或拓扑绝缘体材料，将超导材料与技术应用在高集成度大功率半导体芯片中，然而至今，尚未有突破性进展。
技术实现思路
本专利技术分析现有各种散热器功效之优劣时发现：1、任何良导固体传导扩散热量速度均不如工质相变热移速度，2、工质液态剂量与热量成正比，3、工质相变循环速度及其矢量度，即将工质相变循环这三要素最大限度地体现在吸热界面上的循环管路与穿插在散热翅片中的循环管路在各自给定的空间内所形成液冷相变吸热与矢量热移散热相互匹配的结构系统中，就能制造出一种力图最大限度地降低散热器自身的热阻，尽量精密小巧标准一体化结构摆脱强力冷风吹拂的，克服工质循环阻力的，无外动力源散热的液冷相变矢量热移散热系统，也就是将液冷与气冷两者优势结合起来，即以芯片工作内源热量为动力，通过循环管路内液态工质吸收界面热量，利用相变产生的气压推动结构内工质沿管路轴向进行单向循环，同等单元环轴路循环比热管往返轴径循环的功效至少提高1倍，以近即时比紫铜传导速度快百倍的相变蒸发速度将热量矢量热移至最容易与空气交换的部位，并本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种摈弃散热器热沉底板，采用密闭的循环管路系统代替之，即将半导体芯片(1)界面(2)焊接或粘结在循环管路的管平面上，或者将半导体芯片界面全面焊接或粘结在循环管路并列成管筏的平面上，或者将半导体集成电路即IC界面粘结在循环管路侧翼平面上，循环管平面或管筏平面或管侧翼平面吸收半导体芯片或IC界面热量使其内液态工质发生相变成气态，产生起始气压，该循环管路内称为气相区(4)，含有热量的气相工质小部分透过管壁传导其周围翅翼片直接散热，绝大部分即刻进入无缝连接的蒸发区(5)管路，蒸发区为每根蒸发管路排布的导向区并散热，导向后随即每根蒸发管路按散热间隔插入散热翅片(6)中至冷凝区(7)，在冷凝区各管路内工质虽然热量还是进行径向换热，但在起始压力下，气态冷凝成液气混流的工质不再贴敷管壁上，仍进行管路的轴向循环，经回流管(8)进入汇流管(9)并聚集到足够的量，在其内分配剩余的循环压力，并各自以相同余压进入导流管区，在每根导流管(10)末端内轴向安装同心或偏心单向阀(11)，由每根导流管末端(12)与所对应的每根气相区管路首端(13)相连接并密封，或多根导流管末端与一公共蒸发管路首端相连接并密封，由此构成首末端工质通过单向阀相通的轴向循环管路系统，导流管内液气混态工质经单向阀归流后，再射入气相区，再吸热相变气化，保持起始气压，不断循环，由结构到循环系统，设半导体芯片输入额定功率，工作到基础温度平衡时，便发现结构系统匹配公式：R...

【技术特征摘要】
1.一种摈弃散热器热沉底板，采用密闭的循环管路系统代替之，即将半导体芯片(1)界面(2)焊接或粘结在循环管路的管平面上，或者将半导体芯片界面全面焊接或粘结在循环管路并列成管筏的平面上，或者将半导体集成电路即IC界面粘结在循环管路侧翼平面上，循环管平面或管筏平面或管侧翼平面吸收半导体芯片或IC界面热量使其内液态工质发生相变成气态，产生起始气压，该循环管路内称为气相区(4)，含有热量的气相工质小部分透过管壁传导其周围翅翼片直接散热，绝大部分即刻进入无缝连接的蒸发区(5)管路，蒸发区为每根蒸发管路排布的导向区并散热，导向后随即每根蒸发管路按散热间隔插入散热翅片(6)中至冷凝区(7)，在冷凝区各管路内工质虽然热量还是进行径向换热，但在起始压力下，气态冷凝成液气混流的工质不再贴敷管壁上，仍进行管路的轴向循环，经回流管(8)进入汇流管(9)并聚集到足够的量，在其内分配剩余的循环压力，并各自以相同余压进入导流管区，在每根导流管(10)末端内轴向安装同心或偏心单向阀(11)，由每根导流管末端(12)与所对应的每根气相区管路首端(13)相连接并密封，或多根导流管末端与一公共蒸发管路首端相连接并密封，由此构成首末端工质通过单向阀相通的轴向循环管路系统，导流管内液气混态工质经单向阀归流后，再射入气相区，再吸热相变气化，保持起始气压，不断循环，由结构到循环系统，设半导体芯片输入额定功率，工作到基础温度平衡时，便发现结构系统匹配公式：R气/C气＝M(R总-R气)S凝/S气(C总-C气)，式中：S凝为冷凝时间，S气为气化时间，M＝S凝/S气VAC(T2-T1)，M为匹配因数，由S凝/S气、V矢量热移度、温差数值、AC气冷方式即平行风或对流四因数决定，R气为气相区工质液态剂量，C气为气相区管路腔积，R总为系统工质液态总剂量，R总-R气＝R凝为冷凝区工质液态剂量，C总为系统管路总腔积，C总-C气＝C凝为冷凝区腔积，且R总/C总比T1＝20℃时不大于3/5，保障不工作静态时液态工质浸没气相区，T2＝110℃时不小于1/5，保障工作动态温度平衡时气相区有充裕的液态工质供应，匹配公式表答的是匹配因数在理想状态下，液冷相变吸收的热量与矢量热移散出的热量相等，由此可得到理论的管径、长度、并列的数量及间距的设计数据，同时依实际芯片热源界面形态与工作功率所产生的工质相变热流强度，在各自给定的散热空间内，最大限度地排列气相区与蒸发区管路并在其引导下按冷凝区管路排列间距插入到散热翅片中设计成相匹配的结构系统形态，再依经验公式：1W热功率＝0.50±0.25毫升液态工质剂量内，对匹配公式计算的数值与设计成实际结构系统所形成的数值进行校正，使气相区与冷凝区通过结构设计将其内工质相变循环，达到液冷相变产生的热流量与矢量热移散出的热流量温度平衡在芯片界面标定的安全值中，达到结构系统的匹配，缩小体积，降低成本，实现液冷相变吸热与矢量热移散热两种优势的一体化，为保证循环速度与矢量性，在导流管末端内轴向安装的单向阀，同心单向阀呈漏斗状，大小管内径比为1∶0.3～0.2，大径端外径与导流管内径保持过盈配合，变径过渡段长度为2～8mm，大小端长度比1∶3～6，小径端冲向气相区，具体位置达到气相区边线至其中心线的中点或其内，偏心单向阀出口截面呈笑嘴状，口腔与笑嘴截面比为1∶0.4～0.2，口腔部外径与导流管内径保持过盈配合，腔变嘴过渡段长度为3～6mm，口腔与嘴长度比1∶2～4，嘴端面冲向气相区，具体位置达到过气相区边线处，当两个单向阀同时指向气相区时则采用偏心漏斗状单向阀，以保障工质启动与循环的单向性，工质喷入气相区时，小径端或嘴可挡住相变气回流，并在变径或变嘴段反导下，使气相工质沿中心轴冲向宽敞的蒸发区管路，并由蒸发管或分支或穿冷凝管导向最容易实现散热的部位，而这种相变推动的循环不再是扩散性的，而是按管路各环节精细排布无循环阻力形成的矢量性循环，矢量热移度达96％以上，并通过气相区与蒸发区的温差小于1～5℃得以验证，总之，循环系统各区连接关系、结构系统匹配公式及其设计总成中的工质腔积比例与功率工质校正、单向循环提速措施为主要特征，根据应用在大功率LED路灯中的散热、5G服务器大功率CPU与GPU或射频芯片中的散热、微距LED显示屏中的散热、5G移动智能终端中的散热以及无风扇汽车通用LED前大灯或射灯散热中的不同而构成各种形态一体化的液冷相变矢量热移散热系统。


2.根据权利要求1所述的散热系统，其特征是：根据路灯大功率LED芯片型号及其排热面的面积与芯片输入额定功率基础温度平衡时所测得数据，再根据结构系统匹配公式：R气/C气＝M(R总-R气)S凝/S气(C总-C气)，与R总/C总比T1＝20℃时不大于3/5，保障不工作静态时液态工质浸没气相区，T2＝110℃时不小于1/5，保障工作动态温度平衡时气相区有充裕的液态工质供应，得到理论上的管径、长度、并列的数量及间距的设计数据，结合实际所给定的散热空间内，在对流空气散热条件下，因其相变吸热是快过程，散热冷凝是慢过程，两者差异很大，除气相区占据很小空间外，其它所有空间均为散热空间，最大限度地排列蒸发区管路并在其引导下按冷凝区管路排列间距插入到散热翅片中设计成相匹配的结构系统形态，再依经验公式：1W热功率＝0.50+0.25毫升液态工质剂量内，对匹配公式计算的数值与设计成实际结构系统所形成的数值进行校正，使气相区与冷凝区通过结构设计将其内工质相变循环，达到液冷相变产生的热流量与矢量热移散出的热流量温度平衡在芯片界面标定的安全值中，达到结构系统的匹配，缩小体积，降低成本，实现液冷相变吸热与矢量热移散热两种优势的一体化，如此设计验证后便可确定循环管路的规格并由此决定管平面(3)，并将LED芯片(14)通过全面焊接在管平面上，通电发光时管平面内工质吸收界面热量，液态工质发生相变成气态，产生起始气压，按照发光强度要求形成一定的间隔，并列而构成气相区(4)，含有热量的气相工质小部分透过管壁传导其周围翅片直接散热，绝大部分即刻进入无缝连接的蒸发区(5)管路，蒸发区为每根蒸发管路排布的导向区并散热，导向后随即每根蒸发管路插入散热翅片(6)中至冷凝区(7)，在冷凝区各管路内工质虽然热量还是进行径向换热，但在起始压力下，气态冷凝成液气混流的工质不再贴敷管壁上，仍进行管路的轴向快速循环，经回流管(8)进入汇流管(9)并聚集到足够的量，在其内分配剩余的循环压力，并各自以相同余压进入导流管区，在每根导流管(10)末端内轴向安装同心单向阀(11)，由每根导流管末端与所对应的每根气相区管路首端相连接并密封，由此构成首末端工质通过单向阀相通的轴向循环管路系统，导流管内液气混态工质经单向阀归流后，再射入气相区，再吸热相变气化，保持起始蒸气压，不断循环，为保证循环速度与矢量性，在导流管内轴向安装同心单向阀，同心单向阀呈漏斗状，大小管内径比为1∶0.2，大径端外径与导流管内径保持过盈配合，变径过渡段长度为8mm，大小端长度比1∶6，小径端冲向气相区，具体位置达到气相区边线至其中心线的中点，以保障工质启动与循环的单向性，工质喷入气相区时，小径端可挡住相变气回流，并在变径段反导下，使气相工质沿中心轴冲向宽敞的蒸发区管路，并由蒸发管导向最容易实现散热的顶层部位，而这种相变推动的循环不再是扩散性的，而是按管路排布形成的矢量性循环，矢量热移度达96％以上，并通过气相区与蒸发区的温差小于1℃得以验证，由此构成液冷相变矢量热移LED路灯散热系统。


3.根据权利要求1所述的散热系统，其特征是：根据服务器CPU或GPU芯片排热界面的面积与输入额定功率基础温度平衡时所测得数据，再根据结构系统匹配公式：R气/C气＝M(R总-R气)S凝/S气(C总-C气)，与R总/C总比T1＝20℃时不大于3/5，保障不工作静态时液态工质浸没气相区，T2＝80℃时不小于1/5，保障工作动态温度平衡时气相区有充裕的液态工质供应，得到理论上的管径、长度、并列的数量及间距的设计数据，结合实际所给定的散热空间内，在风扇平行风吹拂散热条件下，因其相变吸热是快过程，散热冷凝是慢过程，两者差异很大，除气相区占据很小空间外，其它所有空间均为散热空间，最大限度地排列蒸发区管路并在其引导下按冷凝区管路排列间距插入到散热翅片中设计成相匹配的结构系统形态，再依经验公式：1W热功率＝0.50-0.25毫升液态工质剂量内，对匹配公式计算的数值与设计成实际结构系统所形成的数值进行校正，使气相区与冷凝区通过结构设计将其内工质相变循环，达到液冷相变产生的热流量与矢量热移散出的热流量温度平衡在芯片界面标定的安全值中，达到结构系统的匹配，缩小体积，降低成本，实现液冷相变吸热与矢量热移散热两种优势的一体化，如此设计验证后便可确定循环管路的规格并将其管平面(3)并列成管筏平面(15)，该管筏平面比服务器CPU或GPU芯片散热界面大，并将CPU或GPU芯片界面通过导热脂粘结在管筏平面上，工作时管筏平面内工质吸收界面热量，液态工质发生相变成气态，产生起始气压，由此构成气相区(4)，含有热量的气相工质小部分透过管壁传导其周围翅片直接散热，大部分即刻进入无缝连接的管路蒸发区(5)管路，蒸发区为各管路的导向区并散热，导向后即各管路插入散热翅片(6)中至冷凝区(7)，在冷凝区各管路内工质虽然热量还是进行径向换热，但在起始压力下，气态冷凝成液气混流不再贴敷管壁上，仍进行管路的轴向快速循环，经回流管(8)进入汇流管(9)并聚集到足够的量，在其内分配循环压力，并各自以相同压力进入导流管区，在每根导流管(10)末端内轴向安装偏心单向阀(11)，由每根导流管末端与所对应的每根气相区管路首端相连接并密封，由此构成首末端工质通过单向阀相通的轴向循环管路系统，导流管内液气混态工质经单向阀归流后，再射入气相区，再吸热相变气化，保持起始蒸...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴鸿平，
申请(专利权)人：深圳市科太科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44