CN216121199U - 一种应用于高功率半导体光源芯片的冷却热沉及叠阵 - Google Patents

Abstract

本发明涉及半导体光电子技术领域，具体涉及一种应用于高功率半导体光源芯片的冷却热沉及叠阵，解决了现有冷却热沉换热能力不佳以及热量传递没有导引措的问题。该冷却热沉包括自上而下相互层叠设置的上密封叠片、上冷却叠片、导流叠片、下冷却叠片和下密封叠片。上冷却叠片上设置第三入水口、第二出水口、第四镂空微结构；第四镂空微结构内，且与导流叠片上导流结构相对应的位置设有热量导引片；采用铜或金刚石或碳化硅制作的热量导引片采用铜或金刚石或碳化硅制作，包括N个等距排布的筋条，N个等距排布的细筋条构成了N+1个微形通道，筋条的宽度尺寸和微形通道的宽度尺寸均为0.10mm。

Description

一种应用于高功率半导体光源芯片的冷却热沉及叠阵

技术领域

本发明涉及半导体光电子技术领域，具体涉及一种应用于高功率半导体光源芯片的冷却热沉及叠阵。

背景技术

随着半导体光源芯片的普及并大范围应用与科研、工业等行业，其参数性能也逐步提高。随着芯片的功率不断提高，使其发热量也大幅度增加，而发热量的增加不只关乎到能耗的问题，对芯片的可靠性及使用寿命也会产生影响，严重直接烧毁。因此搭配传热能力和效率更高的冷却热沉是一种有效的解决方法。

现有半导体光源芯片的冷却热沉设计，主要通过更改微通道结构，提升湍流流动状态，以增大换热系数，例如射流单孔设计，其设计及原理见图1至图3。该冷却热沉包括自上而下相互层叠设置的上密封叠片05、上冷却叠片04、导流叠片03、下冷却叠片02和下密封叠片01。下密封叠片01包括相互隔离的入水口06与出水口013；下冷却叠片02上设有与入水口06位置相对应的第一镂空微结构07，以及与出水口013位置相对应的第三镂空微结构012，且两者相互隔离，第一镂空微结构07内设有由若干个筋板构成宽度相同的若干个第一冷却通道08，第三镂空微结构012沿下冷却叠片02两侧延伸至第一冷却通道08，若干个第一冷却通道08的长度由中间区域向两边区域递减；导流叠片03上设有与第一冷却通道08位置相对应的若干个射流孔09、与第三镂空微结构012完全相同的第二镂空微结构011，以及与第一镂空微结构07位置相对应的第二入水口014，且三者相隔离；上冷却叠片04包括相互隔离的第四镂空微结构015、第三入水口016和第二出水口017，第四镂空微结构015上设有由若干个筋板构成的第二冷却通道010，且与若干个射流孔09的位置相对应，第三入水口016和第二出水口017的位置分别对应于第二入水口014、第二镂空微结构011；上密封叠片05包括相互隔离的第四入水口018与第三出水口019。

冷却水的流动方向如图2所示，冷却水从下密封叠片01的入水口06进入第一镂空微结构07后经过第一冷却通道08，再通过射流孔09进入第二冷却通道010后，依次进入第四镂空微结构015、第二镂空微结构011与第三镂空微结构012，最终从出水口013流出。

但是上述热沉结构在使用过程中存在以下缺陷：

1、上述热沉结构主要通过提升内部水流湍流流动状态，增大换热系数。要想进一步降低温升需要更大的压强与流量，仅依靠改变流体流动状态提升换热能力有限，因此对于高功率芯片应用产生局限，同时上述热沉结构难以对芯片上的热量传递进行引导，芯片表面温度均匀分布不可调控。

2、如图3所示，导流叠片03顶部设置0.2mm*1.0mm射流孔09，由于是射流阵列，热量传递没有明显的导引措施，不可根据实际芯片表面的发热状况，对热量进行调整。

3、上述热沉结构的压力变化较大，冷却水在通过射流孔09时流通面积急剧减少，压力、流速急剧增大，会加速热沉结构的损坏，减少其寿命。

发明内容

本发明的目的是解决现有冷却热沉换热能力不佳以及热量传递没有导引措的问题，而提供一种应用于高功率半导体光源芯片的冷却热沉及叠阵。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案如下：

一种应用于高功率半导体光源芯片的冷却热沉，包括自上而下相互层叠设置的上密封叠片、上冷却叠片、导流叠片、下冷却叠片和下密封叠片；

所述下密封叠片上设置相互隔离的第一入水口和第一出水口；

所述下冷却叠片上设置相互隔离的第一镂空微结构和第二镂空微结构；所述第一镂空微结构的位置对应于第一入水口；所述第一镂空微结构内设有由若干个筋板构成的冷却通道；所述第二镂空微结构的位置对应于第一出水口；

所述导流叠片上设置相互隔离的第二入水口、第三镂空微结构与导流结构；所述第二入水口的位置对应于第一镂空微结构；所述导流结构的位置对应于若干个冷却通道；

所述上冷却叠片上设有相互隔离的第三入水口、第二出水口、第四镂空微结构；所述第三入水口与第二出水口的位置分别对应于第二入水口、第三镂空微结构；

所述上密封叠片上设置相互隔离第四入水口与第三出水口，其位置分别对应于第三入水口与第二出水口；

其特殊之处在于：

所述第四镂空微结构内，且与导流叠片上导流结构相对应的位置设有热量导引片；

热量导引片采用铜或金刚石或碳化硅制作，包括N个等距排布的筋条，N 个等距排布的细筋条构成了N+个微形通道，筋条的宽度尺寸和微形通道的宽度尺寸均为0.10mm。

所述热量导引片采用铜或金刚石或碳化硅制作。

进一步地，所述导流结构为波浪状的导流槽。

进一步地，所述热量导引片的长度为3.20mm。

进一步地，所述第四镂空微结构沿着第三入水口两侧并延伸至第二出水口。进一步地，所述第二镂空微结构包括主流通区域、两条相互对称的第一微通道和两条相互对称的第二微通道；

所述主流通区域的位置对应与第一出水口；

所述第一微通道由主流通区域延伸至第一镂空微结构；所述第二微通道由主流通区域延伸至第一微通道边缘，且与第一微通道相隔离；

所述第三镂空微结构与第二镂空微结构完全相同。

进一步地，位于热量导引片中部区域的筋条长度逐渐减小。

进一步地，若干个冷却通道的宽度由中间区域向两边区域依次递减。

进一步地，所述第四入水口与第三出水口的半径相等，所述第一入水口、第二入水口、第三入水口、第一出水口与第二出水口的半径相等，且第四入水口的半径大于第一入水口；

所述第四入水口与第三出水口上设有密封圈，且密封圈的内径与第一入水口的直径相同。

进一步地，所述上密封叠片、上冷却叠片、导流叠片、下冷却叠片和下密封叠片均设置有处于中心位置的第一定位孔、第二定位孔和第三定位孔；所述第二定位孔与第三定位孔对称设置；五个所述第一定位孔、五个所述第二定位孔和五个所述第三定位孔均相互同轴设置。

另外，本发明还提供一种应用于高功率半导体光源芯片的叠阵，其特殊之处在于：包括自上而下依次叠放的多组冷却热沉单元，所述冷却热沉单元采用所述的应用于高功率半导体光源芯片的冷却热沉。

本发明具有如下优点：

1.换热能量强，对热量具有可控目的性的引导。通过热量导引片的设置，将热流从上密封叠片传递到热量导引片，并与冷却水汇合产生热交换，带走热量。热量导引片选用具有导热系数较高材料制作，如采用固体铜片，其的导热系数接近400W/m·K，远大于水等流体的导热系数0.55-0.6W/m·K，相差近730倍，固体铜具有较好的传递效果。与现有技术中的结构相比，同发热功率，同流量冷却测试效果，该发明结构温升降低4.43℃。另外，热流导引片起到导引与传递热量的桥梁作用，因此也就具有控制表面温度均匀性的目的。

2.热量导引片对芯片表面温度均匀性控制基于优点1，芯片与热量导引片存在温度梯度，热量快速扩散至热量导引片，水流等液体与其发生热交换；通过调整热量导引片的长度与长短分布，调整芯片表面到流体的换热路径，等同于调整芯片至流体传热桥梁的路径，达到控制芯片表面温度分布的目的。

3.在保证换热的同时，冷却水的压力不产生较大变化。本发明中的导流槽与现有技术中的射流孔相比，其延伸了微型通道的行程，降低压力，提高比表面积，进而提高传热效率。位于热量导引片中部区域的筋条长度逐渐减小，有利于冷却水从微型通道流至第四镂空微结构，消除阻力，降低压力。且现有技术中的第四镂空微结构仅延伸至第三入水口，与第二镂空结构相通的面积占比小，而本发明的第四镂空结构延伸至第二出水口，与第三镂空结构相通的面积占比大，提高其流通空间，进一步消除阻力，降低压力。此外，本发明中第二镂空微结构包括互不相通的主流通区域、第一微通道和第二微通道，第一微通道延伸至第一镂空微结构两侧，第二微通道延伸至第一微通道，与现有技术中的第二镂空微结构与第三镂空微结构相比其面积占比更大，进而冷却水的流通空间更大，有利于冷却水流出。

4.由于本发明设有热量导引片，导流结构为波浪状的导流槽，以及第二镂空微结构、第三镂空微结构与第四镂空微结构面积占比大，上述四个技术特征作为一个整体使得该冷却热沉具有明显的降温效果，温升与同流量条件下参考热沉相比，降低4℃，并且可以根据筋条长度及长短分布情况，调整芯片表面温度分布；满足上效果条件下，流体驱动压力变化不大。

附图说明

图1是背景技术中半导体光源芯片冷却热沉的整体结构示意图；

图2是背景技术中半导体光源芯片冷却热沉的***示意图(黑色箭头代表冷却水的流动方向)；

图3是背景技术中半导体光源芯片冷却热沉每层的结构示意图；

图1至图3附图标记如下：

01-下密封叠片，02-下冷却叠片，03-导流叠片，04-上冷却叠片，05-上密封叠片，06-入水口，07-第一镂空微结构，08-第一冷却通道，09-射流孔，010-第二冷却通道，011-第二镂空微结构，012-第三镂空微结构，013-出水口，014-第二入水口，015-第四镂空微结构，016-第三入水口，017-第二出水口，018-第四入水口，019-第三出水口；

图4是本发明实施例中半导体光源芯片冷却热沉的整体结构示意图；

图5是本发明实施例中半导体光源芯片冷却热沉的***结构示意图(黑色箭头代表冷却水的流动方向，灰色线条代表热量传输方向)；

图6是本发明实施例中半导体光源芯片冷却热沉每层的结构示意图；

图7是本发明实施例中下密封叠片的结构示意图；

图8是本发明实施例中下冷却叠片的结构示意图；

图9是本发明实施例中导流叠片的结构示意图；

图10是本发明实施例中上冷却叠片的结构示意图；

图11是本发明实施例中上密封叠片的结构示意图；

图12是本发明实施例中热量导引片的结构示意图；

图4至图12附图标记如下：

1-上密封叠片，2-上冷却叠片，3-导流叠片，4-下冷却叠片，5-下密封叠片， 6-第一入水口，7-第一出水口，8-第一镂空微结构，9-第二镂空微结构，91-主流通区域，92-第一微通道，93-第二微通道，10-冷却通道,11-第二入水口,12-第三镂空微结构,13-导流槽,14-第三入水口,15-第二出水口,16-第四镂空微结构,17-热量导引片,18-第四入水口,19-第三出水口,20-第一定位孔,21-第二定位孔,22-第三定位孔,23-微型通道。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。

如图4至图7所示，一种应用于高功率半导体光源芯片的冷却热沉，包括五层叠片，叠片的长度为28mm，按照上密封叠片1、上冷却叠片2、导流叠片 3、下冷却叠片4和下密封叠片5的顺序由上至下叠装而成。

如图6所示，下密封叠片5上设有相互隔离的第一入水口6和第一出水口下冷却叠片4上设有相互隔离的第一镂空微结构8和第二镂空微结构9。第一镂空微结构8的位置对应于第一入水口6设置，第二镂空微结构9的位置对应于第一出水口7，另外第一镂空微结构8内设置有由若干个筋板构成的冷却通道10，且若干个冷却通道10的长度由中间区域向两边区域依次递减，且处于中间区域冷却通道10宽度大于其余冷却通道10的宽度，其筋板的长度由长到短依次为3.35mm、2.85mm、1.85mm，其宽度为0.3mm，最外侧筋板距下冷却叠片 4边缘的距离为0.62mm。

第二镂空微结构9包括主流通区域91、两条相互对称的第一微通道92和两条相互对称的第二微通道93；主流通区域91的位置对应与第一出水口7；第一微通道92由主流通区域91延伸至第一镂空微结构8。第二微通道93由主流通区域91延伸至第一微通道92边缘，且与第一微通道92相隔离。导流叠片3上设有相互隔离的第二入水口11、第三镂空微结构12与导流槽13；第二入水口 11的位置对应于第一微结构空腔8的位置开设；第三微结构空腔12对应于第二微结构空腔9的位置开设，且第三微结构空腔12与第二微结构空腔9结构完全相同；导流槽13对应于若干个冷却通道10的位置开设，且靠近导流叠片3的边缘。

上冷却叠片2上设有相互隔离的第三入水口14、第二出水口15、第四镂空微结构16和热量导引片17。第三入水口14与第二出水口15的位置分别对应于第二入水口11、第三镂空微结构12。第四镂空微结构16沿着第三入水口14两侧并延伸至第二出水口15。在第四镂空微结构16内，且与导流叠片3上导流结构相对应的位置设有热量导引片17。热量导引片17采用铜或金刚石或碳化硅制作，包括49个等距排布的筋条，49个等距排布的细筋条构成了50个微形通道，筋条的宽度尺寸和微形通道23的宽度尺寸均为0.10mm。热量导引片17采用铜或金刚石或碳化硅制作。多个微型通道23构成梳齿状，中部区域的筋条长度逐渐减小，左右两侧区域的筋条长度相等，均为3.20mm。热量导引片17除呈直线状的筋条外，也可采用弯曲结构的筋条。此外，该热量导引片17也可应用于其他相似的冷却热沉，不仅限于此类。

上密封叠片1上设有相互隔离的第四入水口18、第三出水口19。其位置分别对应于第三入水口14与第二出水口15。

本发明冷却水的具体流向如下：

冷却水从第一入水口6进入第一镂空微结构8，流入各个冷却通道10后通过导流槽13进入热量导引片17上的各个微型通道23，由于芯片位于上密封叠片1与热量导引片17相对应的位置，此时芯片的热量传递至热量导引片17，冷却水与热量导引片17换热后，带走热量，然后冷却水经过第四镂空微结构16、第三镂空微结构12、第二镂空微结构9、第一出水口7流出，满足循环使用条件。

本发明的原理在于将芯片产生的热量，通过固体传热方式，强化引导光源芯片产生的热量传递至微型通道23中的冷却液，热量导引片17起到桥梁引导的作用，增加了固体结构与冷却液的换热面积，强化了散热，调节芯片表面温度均一性。热量导引片17的长短及分布影响换热面积及热量导流。

该冷却热传在进行强化散热，降低功率芯片温升的同时，压力不产生较大变化。原因在于：1.导流槽13与现有技术的射流孔相比，延伸了的行程，降低压力。2.热量导引片17中部区域的筋条长度逐渐减小，有利于冷却水从微型通道 23流至第四镂空微结构16，消除阻力。3.现有技术中的第四镂空微结构仅延伸至第三入水口，与第二镂空结构相通的面积占比小，而本发明中第四镂空微结构 16沿着第三入水口14两侧并延伸至第二出水口15，与第三镂空结构12相通的面积占比大，提高其流通空间，消除阻力。4.本发明中第二镂空微结构9包括互不相通的主流通区域91、第一微通道92和第二微通道93，第一微通道92延伸至第一镂空微结构8两侧，第二微通道93延伸至第一微通道92，与现有技术中的第二镂空微结构与第三镂空微结构相比其面积占比更大，进而冷却水的流通空间更大，消除阻力，有利于冷却水流出。

作为对本发明的进一步优化，第四入水口18与第三出水口19的半径相等，为8mm，第一入水口6、第二入水口11、第三入水口14、第一出水口7与第二出水口15的半径相等，为6mm。第四入水口18与第三出水口19上设有密封圈，且密封圈的内径与第一入水口的直径相同。

作为对本发明的更进一步优化，为了方便定位，上密封叠片1、上冷却叠片 2、导流叠片3、下冷却叠片4和下密封叠片5均设置有处于中心位置的第一定位孔20、第二定位孔21和第三定位孔22，第二定位孔21与第三定位孔22对称设置，五个第一定位孔20、五个第二定位孔21和五个第三定位孔22均相互同轴设置。设置第一定位孔20、第二定位孔21和第三定位孔22有利于多个冷却热沉的安装，在安装时可通过***销轴确保上密封叠片5、上冷却叠片4、导流叠片3、下冷却叠片2和下密封叠片1直线的安装对位，提高装配精度和效率。

另外本发明还提供了一种应用于高功率半导体光源芯片的叠阵，包括自上而下依次叠放的多组冷却热沉单元，冷却热沉单元本发明提供的应用于高功率半导体光源芯片的冷却热沉。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、同等替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种应用于高功率半导体光源芯片的冷却热沉，包括自上而下相互层叠设置的上密封叠片(1)、上冷却叠片(2)、导流叠片(3)、下冷却叠片(4)和下密封叠片(5)；

所述下密封叠片(5)上设置相互隔离的第一入水口(6)和第一出水口(7)；

所述下冷却叠片(4)上设置相互隔离的第一镂空微结构(8)和第二镂空微结构(9)；所述第一镂空微结构(8)的位置对应于第一入水口(6)；所述第一镂空微结构(8)内设有由若干个筋板构成的冷却通道(10)；所述第二镂空微结构(9)的位置对应于第一出水口(7)；

所述导流叠片(3)上设置相互隔离的第二入水口(11)、第三镂空微结构(12)与导流结构；所述第二入水口(11)的位置对应于第一镂空微结构(8)；所述导流结构的位置对应于若干个冷却通道(10)；

所述上冷却叠片(2)上设有相互隔离的第三入水口(14)、第二出水口(15)、第四镂空微结构(16)；所述第三入水口(14)与第二出水口(15)的位置分别对应于第二入水口(11)、第三镂空微结构(12)；

所述上密封叠片(1)上设置相互隔离第四入水口(18)与第三出水口(19)，其位置分别对应于第三入水口(14)与第二出水口(15)；

其特征在于：

所述第四镂空微结构(16)内，且与导流叠片(3)上导流结构相对应的位置设有热量导引片(17)；

热量导引片(17)采用铜或金刚石或碳化硅制作，包括N个等距排布的筋条，N个等距排布的细筋条构成了N+1个微形通道，筋条的宽度尺寸和微形通道(23)的宽度尺寸均为0.10mm。

2.根据权利要求1所述的一种应用于高功率半导体光源芯片的冷却热沉，其特征在于：所述导流结构为波浪状的导流槽(13)。

3.根据权利要求2所述的一种应用于高功率半导体光源芯片的冷却热沉，其特征在于：所述热量导引片(17)的长度为3.20mm。

4.根据权利要求3所述的一种应用于高功率半导体光源芯片的冷却热沉，其特征在于：所述第四镂空微结构(16)沿着第三入水口(14)两侧并延伸至第二出水口(15)。

5.根据权利要求4所述的一种应用于高功率半导体光源芯片的冷却热沉，其特征在于：所述第二镂空微结构(9)包括主流通区域(91)、两条相互对称的第一微通道(92)和两条相互对称的第二微通道(93)；

所述主流通区域(91)的位置对应于第一出水口(7)；

所述第一微通道(92)由主流通区域延伸至第一镂空微结构(8)；所述第二微通道(93)由主流通区域(91)延伸至第一微通道(92)边缘，且与第一微通道(92)相隔离；

所述第三镂空微结构(12)与第二镂空微结构(9)完全相同。

6.根据权利要求5所述的一种应用于高功率半导体光源芯片的冷却热沉，其特征在于：位于热量导引片(17)中部区域的筋条长度逐渐减小。

7.根据权利要求6所述的一种应用于高功率半导体光源芯片的冷却热沉，其特征在于：若干个冷却通道(10)的宽度由中间区域向两边区域依次递减。

8.根据权利要求1-7任一所述的一种应用于高功率半导体光源芯片的冷却热沉，其特征在于：所述第四入水口(18)与第三出水口(19)的半径相等，所述第一入水口(6)、第二入水口(11)、第三入水口(14)、第一出水口(7)与第二出水口(15)的半径相等，且第四入水口(18)的半径大于第一入水口(6)；

所述第四入水口(18)与第三出水口(19)上设有密封圈，且密封圈的内径与第一入水口(6)的直径相同。

9.根据权利要求8所述的一种应用于高功率半导体光源芯片的冷却热沉，其特征在于：所述上密封叠片(1)、上冷却叠片(2)、导流叠片(3)、下冷却叠片(4)和下密封叠片(5)均设置有处于中心位置的第一定位孔(20)、第二定位孔(21)和第三定位孔(22)；所述第二定位孔(21)与第三定位孔(22)对称设置；五个所述第一定位孔(20)、五个所述第二定位孔(21)和五个所述第三定位孔(22)均相互同轴设置。

10.一种应用于高功率半导体光源芯片的叠阵，其特征在于：包括自上而下依次叠放的多组冷却热沉单元，所述冷却热沉单元采用如权利要求1所述的应用于高功率半导体光源芯片的冷却热沉。

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