CN112736046B - 一种集成芯片散热装置及其散热方法 - Google Patents

一种集成芯片散热装置及其散热方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种集成芯片散热装置及其散热方法。传统的散热方式不能满足芯片微型化,集成化的发展要求。本发明一种集成芯片散热装置,包括装载外壳和虹吸散热装置。所述装载外壳的其中一块竖直侧板为基板。虹吸散热装置包括蒸发器、冷凝器、蒸汽管、回流管、蒸发槽和冷却槽。蒸发槽安装在蒸发器上。本发明利用了虹吸散热原理以及重力的作用,用冷却液带走芯片产生的热量沉到底部进入蒸发槽,蒸发器对蒸发槽内的冷却液进行蒸发,蒸发的气态冷却液通过蒸汽管进入冷凝器,随后冷凝器对其内部的气态冷却液进行冷却,冷却成液态通过管道流回到冷却槽中,这样有利于对冷却液进一步冷却。

Description

一种集成芯片散热装置及其散热方法
技术领域
本发明属于集成芯片技术领域,具体涉及一种集成芯片散热装置及其散热方法。
背景技术
随着集成芯片朝着集成化,微型化的方向发展,由于传统的风冷方式存在整体尺寸较大,散热效率较低,风扇容易积灰等缺点,故传统的方式不能满足芯片微型化,集成化的发展要求。研究表明,芯片的平均热流密度将会达到500W/cm2,局部温度将达到1000W/cm2。如果不能及时地散发热量,使得芯片的温度超过了70摄氏度,就会大大降低集成芯片的性能。当芯片的温度在70~80摄氏度之间时,整个***的性能将降低50%,当芯片的温度超过85摄氏度时,芯片将会因为温度过高而损坏。为了提高集成芯片的性能,因为受限于整体尺寸的不断减小,散热设备不宜过多且过大,如何在芯片微型化,集成化的同时,尽量的提高它的散热效率,为此设计了一种微型芯片的散热装置。
发明内容
本发明的目的在于提供一种微型集成芯片散热的装置及其散热方法。
本发明一种集成芯片散热装置,包括装载外壳和虹吸散热装置。所述装载外壳的其中一块竖直侧板为基板。基板用于竖直安装芯片。装载外壳的顶部开设有进液口,底部开设有一个或多个下出液口。基板上开设有侧部出液孔组。虹吸散热装置包括蒸发器、冷凝器、蒸汽管、回流管、蒸发槽和冷却槽。蒸发槽安装在蒸发器上。蒸发器能够使得蒸发槽内的冷却液气化。蒸发槽上设置有输入口和输出口,输出口位于蒸发槽的顶部。蒸发槽低于装载外壳;冷却槽高于装载外壳。装载外壳的下出液口及侧部出液孔组均通过回流管连接到蒸发槽的输入口。蒸发器的输出口通过蒸汽管连接到冷凝器的输入口。冷凝器的输出口连接到冷却槽的输入口;冷却槽的输出口连接到装载外壳的进液口。
作为优选,安装在基板上的多片芯片依次叠置且间隙设置。最靠近基板的芯片与基板之间留有间隙。
作为优选,所述基板上的侧部出液孔组包括位于基板中心位置的方形孔阵列和环绕在方形孔阵列周围且呈阵列状排布的多个圆形孔。
作为优选,所述芯片散热装置基板的孔径大小为300~500微米。
作为优选,所述蒸汽管和回流管的直径为3mm。
作为优选,所述的蒸发槽、蒸汽管、回流管均采用金属材质。
作为优选,所述的冷却槽内设置有金属网烧结件。
作为优选,所述的虹吸散热装置内设有冷却液。所述的冷却液采用体积分数为0.2%的ZnO-H2O纳米流体。
作为优选,所述的冷凝器包括蛇形管和翅片。多片翅片依次间隔排列;蛇形管往复多次穿过各翅片。
作为优选,所述的蛇形管选用纯铜材质,翅片采用经过表面电镀的铝材;翅片与管道以锡膏焊接的方式连接。
该集成芯片散热装置的散热方法具体如下:
冷却槽中的冷却液在重力的作用下,自上而下流动进入装载外壳并进入相邻芯片的缝隙之间,带走芯片产生的热量。装载外壳中的冷却液经回流管流出到蒸发槽中;蒸发器使得蒸发槽内的冷却液蒸发至气态,气态的冷却液上升至冷凝器内,换热并液化;冷却后的液态冷却液流进冷却槽中,并再次进入装载外壳。
本发明的有益效果是:
1、本发明利用了虹吸散热原理以及重力的作用,将芯片竖直焊接在基板上,在芯片产生热量后,冷却液带走芯片产生的热量沉到底部并流进回流管进入蒸发槽,蒸发器对蒸发槽内的冷却液进行蒸发,蒸发的气态冷却液通过蒸汽管进入冷凝器,随后冷凝器对其内部的气态冷却液进行冷却,冷却成液态通过管道流回到冷却槽中,这样有利于对冷却液进一步冷却,当积累一定量的液态冷却液后,通过管道再次流入到芯片的周围。利用冷热流密度的差异,促使冷却液循环流动,并用冷流带走芯片产生的热量,循环往复,从而大大提高了芯片的散热效果。
2、由于芯片焊接在基板上,与基板直接焊接的芯片产生的热量难以散发,因此本发明通过在基板上设置侧部出液孔组将芯片附近的冷却液导出;同时,在基板中心部位开设密度较大的方形孔,且在周围开设圆孔,对重点发热区域进行针对性散热。
3、传统集成芯片横向放置在基板上,当冷却液自上而下流入时,冷却液流动性差,故冷却液难以将芯片与芯片间的热量带走,使得芯片局部温度过高,散热效果较差,芯片过热而变形,影响芯片的性能。与传统方式相比,该芯片散热装置将芯片竖直放置,由于重力的作用,冷却液流动性较好,冷却液可以利用重力流进芯片与芯片之间交错排布的微槽道,使得芯片局部温度过高的部位温度下降,使得芯片整体温度总体平均,提高芯片的性能。
附图说明
图1为本发明的总体结构示意图;
图2为本发明中基板的结构示意图;
图3为本发明中冷凝器的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
如图1和2所示,一种集成芯片散热装置,包括装载外壳1和虹吸散热装置。装载外壳1的接缝处封闭设置,使得冷却液在装载外壳1中不会泄露。装载外壳1的其中一块竖直侧板为基板4。竖直且间隙设置的多片芯片2安装在基板4上。最靠近基板4的芯片2与基板4之间留有间隙。装载外壳1的顶部开设有进液口,底部开设有多个下出液口。基板4上开设有侧部出液孔组。侧部出液孔组包括位于基板4中心位置的方形孔阵列4-1和环绕在方形孔阵列4-1周围且呈阵列状排布的多个圆形孔4-2。
由于芯片2的中心部位的发热量较大,故在中心部位开设孔隙率较大的方形孔,在周围开设圆形孔4-2,来实现针对性散热。在当冷却液从冷却槽9流进基板4的孔时,冷却液带走这一部分热量,并通过多孔管道流进回流管5。利用多孔对芯片2进行辅助散热,这样可以大大提高芯片2的散热效率。考虑到纳米流体自身的黏度的影响,如果基板4上孔的直径过小,热虹吸力无法克服流动阻力,这时冷却液将无法通过基板4上的孔流入右侧的回流管5中。当芯片2的热流密度较小时尚能满足芯片2自身的性能,当热流密度增加时,散热效果大大降低。故所述芯片2散热装置基板4的孔径大小为300~500微米。此外,蒸汽管8和回流管5的直径为3mm。
虹吸散热装置包括蒸发器6、冷凝器3、蒸汽管8、回流管5、蒸发槽7和冷却槽9。蒸发槽7、蒸汽管8、回流管5均采用金属材质。蒸发槽7安装在蒸发器6上。蒸发器6能够通过加热或降压的方式使得蒸发槽7内的冷却液气化。蒸发槽7的侧部设置有输入口,顶部设置有输出口。蒸发槽7低于装载外壳1;冷却槽9高于装载外壳1;使得冷却槽9内的冷却液可以在重力和毛细效应的共同作用下进入装载外壳1中,并渗透到芯片的缝隙中进行充分冷却;装载外壳1内的冷却液在吸收芯片释放的热量后,能够从装载外壳1的下出液口和侧部出液孔组输出到蒸发槽7中。
装载外壳1的下出液口及侧部出液孔组均通过回流管5汇总连接到蒸发槽7的输入口。蒸发器6的输出口通过蒸汽管8连接到冷凝器3的输入口。冷凝器3的输出口连接到冷却槽9的输入口;冷却槽9的输出口连接到装载外壳1的进液口。在冷却槽9内壁上放置一张金属网烧结件,当冷却液进入冷却槽时,利用毛细现象的原理,有利于气态的冷却液冷凝成液态滴下。
由于冷凝器3能够交换通过的冷却液的热量;由此使得整个回路的形成密度差异;又由于热流与冷流密度的差异,使得冷却液按照“蒸发槽7→冷凝器3→冷却槽9→装载外壳1”的方向循环流动(图1中的逆时针方向,即右侧为上升的热流,左侧为下沉的冷流。回路中的冷却液采用体积分数为0.2vol%的ZnO-H2O纳米流体。该纳米流体具有较好的热导率,可大大提高集成芯片的散热效率。
如图3所示,冷凝器3采用增强换热结构。冷凝器3包括蛇形管3-1和翅片3-2。多片翅片3-2依次间隔排列;蛇形管3-1往复多次穿过各翅片3-2。蛇形管3-1选用纯铜材质,翅片3-2采用经过表面电镀的铝材;翅片3-2与管道以锡膏焊接的方式连接。
该集成芯片散热装置的散热方法具体如下:
工作时,在冷却槽9内加满冷却液;芯片2工作产生热量时,由于重力的作用,冷却液自上而下流动进入装载外壳1,带走芯片2产生的热量。与传统方式相比,该芯片散热装置将芯片2竖直放置,这样冷却液便可以通过重力流进芯片与芯片之间交错排布的微槽道,这样有利于使得芯片2局部温度过高的部位温度下降,使得芯片2整体温度总体保持平均,提高芯片2的使用性能。同时,流进基板4与芯片2之间的冷却液也会带走热量,随后流进右侧的回流管5中。从而,冷却液可在竖直以及横向两个方向上带走芯片2上所产生的热量。随后冷却液通过回流管5流入到蒸发槽7中,蒸发器6对蒸发槽7进行加温,将其中冷却液蒸发至气态并通过蒸汽管8流至冷凝器3内。通过冷凝器3对其中的气态冷却液进行冷却,将其中的气态冷却液液化成液态,散发的热量经冷凝器3散发到环境中,冷却后的液态冷却液流进冷却槽9中,这样也可对冷却液进行二次冷却,待积累一定量的冷却液后,通过管道再次流回到芯片2的周围,这样循环往复,从而起到对芯片2持续散热的一个作用。

Claims (10)

1.一种集成芯片散热装置,包括装载外壳(1)和虹吸散热装置;其特征在于:所述装载外壳(1)的其中一块竖直侧板为基板(4);基板(4)用于竖直安装芯片(2);装载外壳(1)的顶部开设有进液口,底部开设有一个或多个下出液口;基板(4)上开设有侧部出液孔组;虹吸散热装置包括蒸发器(6)、冷凝器(3)、蒸汽管(8)、回流管(5)、蒸发槽(7)和冷却槽(9);蒸发槽(7)安装在蒸发器(6)上;蒸发器(6)能够使得蒸发槽(7)内的冷却液气化;蒸发槽(7)上设置有输入口和输出口,输出口位于蒸发槽(7)的顶部;蒸发槽(7)低于装载外壳(1);冷却槽(9)高于装载外壳(1);装载外壳(1)的下出液口及侧部出液孔组均通过回流管(5)连接到蒸发槽(7)的输入口;蒸发器(6)的输出口通过蒸汽管(8)连接到冷凝器(3)的输入口;冷凝器(3)的输出口连接到冷却槽(9)的输入口;冷却槽(9)的输出口连接到装载外壳(1)的进液口。
2.根据权利要求1所述的一种集成芯片散热装置,其特征在于:安装在基板(4)上的多片芯片(2)依次叠置且间隙设置;最靠近基板(4)的芯片(2)与基板(4)之间留有间隙。
3.根据权利要求1所述的一种集成芯片散热装置,其特征在于:所述的冷却槽(9)内设置有金属网烧结件。
4.根据权利要求1所述的一种集成芯片散热装置,其特征在于:所述基板(4)上的侧部出液孔组包括位于基板(4)中心位置的方形孔阵列(4-1)和环绕在方形孔阵列(4-1)周围且呈阵列状排布的多个圆形孔(4-2)。
5.根据权利要求1所述的一种集成芯片散热装置,其特征在于:所述芯片(2)散热装置基板(4)的孔径大小为300~500微米。
6.根据权利要求1所述的一种集成芯片散热装置,其特征在于:所述蒸汽管(8)和回流管(5)的直径为3mm。
7.根据权利要求1所述的一种集成芯片散热装置,其特征在于:所述的虹吸散热装置内设有冷却液;所述的冷却液采用体积分数为0.2%的ZnO-H2O纳米流体。
8.根据权利要求1所述的一种集成芯片散热装置,其特征在于:所述的冷凝器(3)包括蛇形管(3-1)和翅片(3-2);多片翅片(3-2)依次间隔排列;蛇形管(3-1)往复多次穿过各翅片(3-2)。
9.根据权利要求8所述的一种集成芯片散热装置,其特征在于:所述的蛇形管(3-1)选用纯铜材质,翅片(3-2)采用经过表面电镀的铝材;翅片(3-2)与管道以锡膏焊接的方式连接。
10.如权利要求1所述的一种集成芯片散热装置的散热方法,其特征在于:冷却槽(9)中的冷却液在重力的作用下,自上而下流动进入装载外壳(1)并进入相邻芯片(2)的缝隙之间,带走芯片(2)产生的热量;装载外壳(1)中的冷却液经回流管(5)流出到蒸发槽(7)中;蒸发器(6)使得蒸发槽(7)内的冷却液蒸发至气态,气态的冷却液上升至冷凝器(3)内,换热并液化;冷却后的液态冷却液流进冷却槽(9)中,并再次进入装载外壳(1)。
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