CN114823577B - 一种用于芯片的高效制冷装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种用于芯片的高效制冷装置，属于芯片制冷领域。本发明包括芯片封装结构和散热单元。芯片封装结构包括芯片、塑模、引线、芯片粘接剂、塑模和衬底。采用双金属片与触点的组合实现热电片的上电与悬空状态的切换，能够自动实现芯片的多级制冷；通过设置双金属片为第一屏障，当芯片温度较低时，采用微通道散热，有效降低整体功耗，当热电片热端温度较高时，双金属片与触点接触，实现热电片上电状态转变；采用触点构成第二屏障，有效解决热电片热端温度过高，从而改善芯片散热效果，当热电片热端温度过高，能够将热电片重新置于悬空状态，免除由于导热作用到冷端，使得芯片温度不降反升。本发明能够显著改善散热效果，有效降低功耗。
Description
技术领域
本发明属于芯片制冷领域，具体涉及芯片的自感知温度保护领域。
背景技术
随着5G技术、微电子技术的高速发展，***逐渐向小型化、轻型化、高集成、高功率密度的多功能综合***发展。然而，高度集成化、小型化带来的结果就是精密电子器件的高热流密度。这对传统的风冷、水冷等制冷方式提出巨大挑战。此外，目前芯片有两种通道进行散热，一个是从上方安装在顶部的散热器流入环境空气中，另一个是从底部到印制电路板。从上方散热通道中散热，散热器与芯片需要有一层热界面材料保证与散热器的导热。但这会增加一层热阻，且往往该层材料是石墨烯，两端有双面胶进行贴合，不可靠。而另一方面通过底部印制电路板的散热，是直接通往大气进行自然对流，散热量较小。
发明内容
针对芯片的散热问题，本发明公开的一种用于芯片的高效制冷装置，能够自动实现芯片的多级制冷，有效解决结温过高问题，有效解决热电片热端温度过高问题，有效降低整体功耗。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的：
本发明公开的一种用于芯片的高效制冷装置，包括芯片封装结构和散热单元。
所述芯片封装结构包括芯片、塑模、引线、芯片粘接剂、塑模和衬底。所述芯片位于衬底上方，用芯片粘结剂连接；所述塑模位于芯片的上方；所述引线从芯片两端引出接入衬底中。
所述散热单元包括微通道散热器和热电片；所述热电片主要由单个热电对阵列形成，单个热电对包括P、N型热电臂、铜电极、绝缘基底以及双金属片、触点；所述微通道散热器位于热电片热端，依次上下设置的为盖板、钎料片和基板，位于基板上开有多条并列设置的散热微通道；所述微通道散热器位于热电片热端绝缘基底上方。
所述双金属片分为主动层与被动层，所述主动层材料的热膨胀系数大于被动层材料；所述主动层位于被动层下方；所述主动层位于被动层下方；所述双金属片发生翘曲时的温度称为第一限定值。
所述P、N型热电臂位于同一水平面，P、N型热电臂顶部与底部采用焊接材料与铜电极连接；所述双金属片位于P型热电臂顶部铜电极的下方，所述触点位于N型热电臂顶部铜电极的下方；所述绝缘基底位于P、N型热电臂铜电极的远离热电臂一侧。
所述触点由熔点高于双金属片的限定值相变材料构成；所述触点材料熔点称为第二限定值。
所述热电片热端出现在外界电流从P型热电臂流向N型热电臂时；相反，如果外界电流从N型热电臂流向P型热电臂时为冷端。
所述热电片有两种状态：上电状态和悬空状态。双金属片与触点接触，热电片处于上电状态；反之，双金属片脱离触点，热电片就会变为悬空状态；所述热电片处于上电状态时，外界电源可导通热电片；当热电片热端温度高于第一限定值时，热电片处于上电状态；当热端温度过高时，即热端温度高于第二限定值时，触点熔化，双金属片脱离触点，热电片重新处于悬空状态；当热端温度下降后，热电片又进入上电状态。
本发明公开的一种用于芯片的高效制冷装置的工作方法为，热电片以及芯片引线连接外界电源，当芯片温度较低时，热电片处于悬空状态，采用微通道散热，热电片相当于一层热阻；当芯片温度较高时，根据导热，将热量传到热电片的热端，当热电片热端温度较高时，热电片处于上电状态，芯片采用热电制冷及微通道组合散热，当热端温度高于第二限定值时，触点熔化，双金属片脱离触点，热电片重新处于悬空状态，即采用双金属片与触点的组合实现热电片的上电与悬空状态的切换，进而能够自动实现芯片多级制冷，采用热电制冷能有效解决结温过高问题；当热电片热端温度回温后，热电片重新回到上电状态。
有益效果：
1.本发明公开的一种用于芯片的高效制冷装置，采用双金属片与触点的组合实现热电片的上电与悬空状态的切换，进而能够自动实现芯片的多级制冷，相较于单一微通道制冷而言，采用热电制冷能有效解决结温过高问题。
2.本发明公开的一种用于芯片的高效制冷装置，通过设置双金属片为第一屏障，当芯片温度较低时，采用微通道散热，能够有效降低整体功耗，当热电片热端温度较高时，双金属片与触点接触，实现热电片上电状态的转变，开始制冷。
3.本发明公开的一种用于芯片的高效制冷装置，采用触点构成第二屏障，能够有效解决热电片热端温度过高，从而影响芯片散热问题，当热电片热端温度过高，能够将热电片重新置于悬空状态，免除由于导热作用到冷端，使得芯片温度不降反升。
4.本发明公开的一种用于芯片的高效制冷装置，当芯片温度较低时，采用微通道散热器进行被动式散热，而当芯片温度较高时，采用热电片及微通道换热器组合散热，且热电片是自感知芯片温度后，自动开始制冷；此外，当热电片热端温度过高时，热电片会自动断电，以免芯片遭受热电片温度过高带来的影响。本发明采用热电片与微通道组合协同散热，显著改善散热效果，有效降低整体功耗。
附图说明
图1本发明公开的一种用于芯片的高效制冷装置结构图；
图2实施例悬空状态图；
图3实施例上电状态图；
图4功能转换装置放大图；
其中，1—热电片，1-1—P型热电材料，1-2—N型热电材料，1-3—金属连接片，1-3-1—P型材料的金属连接片，1-3-2—N型材料的金属连接片，2-脉冲实现装置，2-1—双金属片，主动层2-1-1，被动层2-1-2，2-2—固定端，2-3—触点，3—绝缘基底，4-微通道散热器，5-1—衬底，5-2—引线，5-3—芯片粘结剂，5-4—塑模，5-5—芯片。
具体实施方式
为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。
实施例1：
本发明从微观与宏观角度出发，基于热电制冷设计了用于芯片的主动制冷装置，为详细说明本发明的技术内容，以下结合实施方式并配合附图予以说明。
本实施例公开的一种用于芯片的高效制冷装置，包括芯片封装结构和散热单元。
如图1所示，所述芯片封装结构包括芯片5-5、塑模5-4、引线5-2、芯片粘接剂5-3、塑模5-4和衬底5-1；所述芯片5-5位于衬底5-1上方，用芯片粘结剂5-3连接；所述塑模5-4位于芯片5-5的上方；所述引线5-2从芯片两端引出接入衬底5-1中。
所述散热单元包括微通道散热器4和热电片1。
如图2所示，所述散热单元包括热电片1、状态转换装置2。所述热电片1包括P型热电臂1-1、N型热电臂1-2、冷端金属连接片1-4和热端金属连接片1-3；所述金属连接片2通过焊料与P型热电臂1-1、N型热电臂1-2接触。
所述P热电臂1-1、N型热电臂1-2位于同一水平面，P热电臂1-1、N型热电臂1-2顶部与底部采用焊接材料与铜电极连接；所述双金属片2-1位于P型热电臂1-1顶部铜电极1-3-1的下方，所述触点位于N型热电臂顶部铜电极1-3-2的下方。
所述绝缘基底3放置在热电片2的上下方，通过粘结材料进行粘结；所述绝缘基底可以是云母片或者陶瓷等绝缘材料。
所述状态转换装置2包括双金属片2-1、固定端2-2及触点2-3；所述双金属片包括主动层2-1-1与被动层2-1-2，所述主动层2-1-1位于被动层2-1-2下方，且主动层2-1-1较被动层2-1-2材料的热膨胀系数更大；所述金属片2-1固定在固定端2-2，固定端2-2与P型热电臂1-1金属连接片1-3-1为一体，触点2-3位于N型热电臂1-2金属连接片1-3-2上。
如图4所示，所述主动层2-1-1材料可以为锰镍铜合金、镍铬铁合金、镍锰铁合金、镍等；所述被动层2-2-2的材料主要是镍铁合金，镍含量为34～50％。
所述触点2-2由一种熔点高于双金属片2-1的限定值相变材料构成；所述触点2-2材料熔点称为第二限定值。
所述微通道散热器4位于热电片1热端，内部开有多条并列设置的散热微通道；所述微通道散热器4的材料可为镍、铜、铝等。
所述热电片1热端出现在外界电流从P型热电臂1-1流向N型热电臂1-2时；相反，如果外界电流从N型热电臂1-2流向P型热电臂1-1时为冷端。
如图2-3所示，所述热电片有两种状态：上电状态以及悬空状态。双金属片2-1与触点2-2接触，热电片1处于上电状态；反之，双金属片2-1脱离触点2-2，热电片1就会变为悬空状态；所述热电片1处于上电状态时，外界电源可导通热电片1；当热电片1热端温度高于第一限定值时，热电片1处于上电状态；当热端温度过高时，即热电片1热端温度高于第二限定值时，触点2-2熔化，双金属片2-1脱离触点2-2，热电片1重新处于悬空状态；当热端温度下降后，热电片1又进入上电状态。
本实施例公开的一种用于芯片的高效制冷装置的工作方法为：热电片1以及芯片引线5-2一直连接外界电源，当芯片5-5温度较低时，热电片1处于悬空状态，采用微通道4散热，热电片1相当于一层热阻；当芯片5-5温度较高时，根据导热，将热量传到热电片1的热端，当热电片1热端温度较高时，热电片1处于上电状态，芯片5-5采用热电片1制冷及微通道4组合散热，当热端温度过高时，即热电片1热端温度高于第二限定值时，触点2-2熔化，双金属片2-1脱离触点，热电片1重新处于悬空状态；当热电片1热端温度回温后，热电片1重新回到上电状态。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种用于芯片的高效制冷装置，其特征在于：包括芯片封装结构和散热单元；
所述芯片封装结构包括芯片、塑模、引线、芯片粘接剂、塑模和衬底；所述芯片位于衬底上方，用芯片粘结剂连接；所述塑模位于芯片的上方；所述引线从芯片两端引出接入衬底中；
所述散热单元包括微通道散热器和热电片；所述热电片主要由单个热电对阵列形成，单个热电对包括P、N型热电臂、铜电极、绝缘基底以及双金属片、触点；所述微通道散热器位于热电片热端，依次上下设置的为盖板、钎料片和基板，位于基板上开有多条并列设置的散热微通道；所述微通道散热器位于热电片热端绝缘基底上方；
所述双金属片分为主动层与被动层，所述主动层材料的热膨胀系数大于被动层材料；所述主动层位于被动层下方；所述双金属片发生翘曲时的温度称为第一限定值；
所述P、N型热电臂位于同一水平面，P、N型热电臂顶部与底部采用焊接材料与铜电极连接；所述双金属片位于P型热电臂顶部铜电极的下方，所述触点位于N型热电臂顶部铜电极的下方；所述绝缘基底位于P、N型热电臂铜电极的远离热电臂一侧；
所述触点由熔点高于双金属片的限定值相变材料构成；所述触点材料熔点称为第二限定值；
所述热电片热端出现在外界电流从P型热电臂流向N型热电臂时；相反，如果外界电流从N型热电臂流向P型热电臂时为冷端；
所述热电片有两种状态：上电状态和悬空状态；双金属片与触点接触，热电片处于上电状态；反之，双金属片脱离触点，热电片就会变为悬空状态；所述热电片处于上电状态时，外界电源可导通热电片；当热电片热端温度高于第一限定值时，热电片处于上电状态；当热端温度过高时，即热端温度高于第二限定值时，触点熔化，双金属片脱离触点，热电片重新处于悬空状态；当热端温度下降后，热电片又进入上电状态；
工作方法为，热电片以及芯片引线连接外界电源，当芯片温度较低时，热电片处于悬空状态，采用微通道散热，热电片相当于一层热阻；当芯片温度较高时，根据导热，将热量传到热电片的热端，当热电片热端温度较高时，热电片处于上电状态，芯片采用热电制冷及微通道组合散热，当热端温度高于第二限定值时，触点熔化，双金属片脱离触点，热电片重新处于悬空状态，即采用双金属片与触点的组合实现热电片的上电与悬空状态的切换，进而能够自动实现芯片多级制冷，采用热电制冷能有效解决结温过高问题；当热电片热端温度回温后，热电片重新回到上电状态。
2.如权利要求1所述的一种用于芯片的高效制冷装置，其特征在于：所述主动层材料为锰镍铜合金、镍铬铁合金、镍锰铁合金或镍；所述被动层的材料主要是镍铁合金，镍含量为34～50%。
3.如权利要求1所述的一种用于芯片的高效制冷装置，其特征在于：所述微通道散热器（4）的材料为镍、铜或铝。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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