一种带导热柱和流道液冷模块的多层级散热装置

1.本发明涉及一种多级散热方案，是一种带有导热柱和流道液冷模块的多级液冷散热方案，属于热传领域，可用于诸如电子芯片、高功率led高发热设备的冷却。


背景技术：

2.随着微电子制造业和电子封装的不断进步，电子元器件的高度集成导致高功耗电子元件会产生更多的热量集中。电子元器件过热会造成诸多不良影响，降低电子元器件可靠性和寿命，所以针对电子元器件的散热至关重要。同时，一般陶瓷基板或pcb板在厚度方向与平面方向的导热性能差异较大，其在厚度方向的散热性能远远弱于平面方向，热量难以传导。为解决散热问题有学者提出了基板内埋置微流道的技术方案，提高整体的散热能力，但是微流道加工会面临容腔塌陷和容腔错位等缺陷，以及生产成本过高的问题。
3.针对上述问题，提出了一种带有导热柱和流道液冷模块的多层级散热装置，基板内采用高导热系数材料制成的导热柱代替微流道，使用流道液冷模块同时连接基板层与冷板层，并与冷板内流道形成整体散热结构。本发明能够改善局部热点问题，强化散热性能，提高换热极限。


技术实现要素：

4.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：本发明设计的一种带有导热柱和流道液冷模块的多层级散热装置主要组成部分为：基板、导热柱、流道液冷模块、冷板、冷板内流道。基板所采用的材料可以为fr-4、环氧树脂、低温共烧陶瓷、高温共烧陶瓷等印制电路板材料。
5.导热柱和流道液冷模块采用相同的材料，以实现减少界面热阻的目的。其所采用的材料为高导热金属材料为铜，可同时满足基板烧结温度和流道液冷模块加工条件。所述流道液冷模块位于导热柱所在区域的正下方，同时与冷板流道相平行重合，一起构成了整体流道。
6.导热柱的加工可先在基板上进行打孔，打孔方式有钻孔、冲孔和激光打孔，再进行金属填充。为了使填充金属更加方便和可靠，通孔的直径要根据具体制造工艺，控制在一定范围内。
7.流道液冷模块采用具有良好导热性能的材料如铜、银等（和导热柱材料相同）加工制成，其上具有流道结构。流道液冷模块嵌入冷板中，所述流道液冷模块可通过微机电加工技术、3d打印而成。
8.冷板采用的材料为铝或铝合金，材料选用具有一定的经济效益和导热能力，冷板底部有矩形突起，构成流道壁面。其加工可以通过机加工和增材制造而成。
9.上述的所有结构，均通过导热胶粘合或焊接等方式密封和连接，其中，冷板与流道液冷模块还可以通过螺纹连接，本发明设计了可钻孔的区域。
10.本发明是一种功能明确，结构紧凑的多级散热装置与传统的微通道液冷散热器相
比，具有以下特征和优点：对于传统微流道散热器，本发明为多层级散热方案，形成了热源-基板-冷板（热量-导热柱-流道液冷模块-冷却剂）的有效传热路径，并避免了在基板内埋置微流道所面对的技术缺陷，降低了加工的难度，提高了经济效益，并具有良好的散热效果。
11.本发明采用导热柱与热源、流道液冷模块接触，有效传导热量到流道液冷模块，流道液冷模块与流体直接接触，可通过对流传热的作用迅速而有效的将发热元件上的热量带走以提高散热性性能，同时嵌入单元采用导热系数很高的材料，使得冷却液能够快速的将热量带走。有效的提高了散热器的综合换热能力和换热极限。
附图说明
12.图1 是本发明的一个实施例整体示意图;图2 是本发明的一个实施例的结构示意图；图3 是本发明的导热柱示意图；图4 是本发明的流道液冷模块示意图；图5 是本发明的冷板示意图。
具体实施方案
13.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，对本发明进一步详细说明。此处说明若涉及到具体实例时仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。
14.本实施例中所述的是一种带有导热柱和流道液冷模块的多级液冷散热结构，如图1所示。其结构示意图如图2所示，该带有金属热扩散网与金属嵌入单元的微通道散热器是由热源(1)、导热柱(2)、基板(3)、流道液冷模块(4)、冷板(5)组成。
15.参见图3，所述的导热柱包含在基板层中，导热柱位于热源正下方，呈矩形规律布局。本实施例中导热柱材料采用铜，基板材料为ltcc。其所在基板通过导热硅胶或导热硅脂等与发热器件结合。先对基板进行钻孔，再通过烧结将导热柱和基板烧结为一体，基板和导热柱孔径具体尺寸按需求和加工能力确定。
16.参见图4，所述的流道液冷模块包括与导热柱层接触域4-1，流道域4-2。导热柱材质采用导热系数较高的铜，以增强热扩散能力与换热能力。接触域4-1位于导热柱阵列正下方，流道域2-2采用与冷板流道相同形状的矩形形状。接触域作用是在保证整个散热器的整体性以及结构强度的同时保证将热量迅速进行扩散，减小扩散热阻。流道域的作用主要是保证，流道域则是根据冷板流道的尺寸来适当调整。接触域可进行适当的表面处理以保证其与ltcc的烧结或焊接的顺利进行，流道域加工要保证粗糙度和冷板流道的平行度，确保共同实现整体流道功能。
17.参见图5，所述的冷板层，包括上冷板5-1，冷板流道5-2，流道入口5-3，下冷板5-4，流道出口5-5。冷板材质选用铝，可降低生产成本。上冷板5-1，下冷板5-4通过焊接或螺纹连接构成整体，下冷板5-4可通过机加工得到冷板流道5-2，冷板流道可进行适当的表面处理，冷板流道截面尺寸在毫米量级。冷却剂通过流道入口5-3流入，流经流道液冷模块带走热量，再从流道出口5-5流出。
18.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以
限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进，均应包含在本发明的保护范围之内。


技术特征：
1.一种带导热柱和流道液冷模块的多级散热装置，其特征在于，散热器由基板，导热柱，流道液冷模块，冷板，冷板流道；各结构层依次叠置，通过粘合、烧结、焊接或部分机加工组成整个散热器。2.根据权利要求1所述的一种带导热柱和流道液冷模块的多级散热装置，其特征在于所述导热柱为了加强针对局部的散热能力，位于热源正下方，最后通过烧结将导热柱和基板烧结为一体2。3.根据权利要求1所述的一种带导热柱和流道液冷模块的多级散热装置，其特征在于所述流道液冷模块由导热性良好的材料制成，其上有导热柱接触域，流道域。接触域的面积取决于热源面积。流道域则是根据冷板流道进行调整，流道尺寸量级在毫米量级，此外流道中还可以存在各种针鳍、涡流发生器等微结构进行增强散热。4.根据权利要求1所述的一种带导热柱和流道液冷模块的多级散热装置，其特征在于所述冷板不同于传统微流道，可通过放大尺寸改变材料等方式降低生产成本和加工难度，需要确保与流道液冷模块的配合关系，并保证连接的稳定性和密封性。5.根据权利要求1所述的一种带导热柱和流道液冷模块的多级散热装置，其特征在于基板可采用ltcc、htcc制成，冷板可以通过具有导热能力的材料制成。

技术总结
本发明关于一种带导热柱和流道液冷模块的多层级散热装置,该装置主要由热源（1）、导热柱（2）、基板（3）、流道液冷模块（4）、冷板（5）组成，构成了热源-基板-冷板的多层级散热结构。导热柱与液冷模块由相同的高导热系数材料加工而成，其主要特征有：具有良好传热性能的导热柱有助于减小整体热阻，提高在垂直方向的温度传导能力；流道液冷模块嵌入到冷板流道中，使得热量均匀扩散，并增强热耗散能力；本发明在现有微流道散热技术上进行改进，使用冷板内置流道取代基板微流道，降低加工难度和生产成本；使用基板内置导热柱，确保纵向热量的有效传导。该多层级散热器形成了基板内导热柱传导，冷板内流道对流换热的散热结构，并设计了流道液冷模块加强了热量传导和对流换热能力，使得冷却剂能够迅速将热量带走，有助于提高热耗散功率。本发明结构紧凑、换热能力好、功能明确，在针对如电子芯片等，多热源高热耗的设备冷却方面具有很好的应用前景。冷却方面具有很好的应用前景。冷却方面具有很好的应用前景。


技术研发人员：李春泉 郑渊皓 阎德劲 尚玉玲 黄红艳 李雪斌 胡逸龙
受保护的技术使用者：桂林电子科技大学
技术研发日：2023.05.10
技术公布日：2023/7/13