RU2604572C2 - Электронное устройство с охлаждением через распределитель с жидким металлом - Google Patents

Электронное устройство с охлаждением через распределитель с жидким металлом Download PDF

Info

Publication number
RU2604572C2
RU2604572C2 RU2014124159/28A RU2014124159A RU2604572C2 RU 2604572 C2 RU2604572 C2 RU 2604572C2 RU 2014124159/28 A RU2014124159/28 A RU 2014124159/28A RU 2014124159 A RU2014124159 A RU 2014124159A RU 2604572 C2 RU2604572 C2 RU 2604572C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
liquid metal
distributor
heat
deformable material
heat sink
Prior art date
Application number
RU2014124159/28A
Other languages
English (en)
Other versions
RU2014124159A (ru
Inventor
Жак САЛА
Иван АВЕНА
Режи Бернар Альбер МЕРЕ
Мансур ТАВК
Original Assignee
Лабиналь Пауэр Системз
Энститю Политекник Де Гренобль
Сантр Насьональ Де Ля Решерш Сьянтифик
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Лабиналь Пауэр Системз, Энститю Политекник Де Гренобль, Сантр Насьональ Де Ля Решерш Сьянтифик filed Critical Лабиналь Пауэр Системз
Publication of RU2014124159A publication Critical patent/RU2014124159A/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2604572C2 publication Critical patent/RU2604572C2/ru

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/46—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements involving the transfer of heat by flowing fluids
    • H01L23/473—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements involving the transfer of heat by flowing fluids by flowing liquids
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
    • H05K7/20—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating
    • H05K7/20218—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating using a liquid coolant without phase change in electronic enclosures
    • H05K7/20263—Heat dissipaters releasing heat from coolant
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
    • H05K7/20—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating
    • H05K7/20218—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating using a liquid coolant without phase change in electronic enclosures
    • H05K7/20272—Accessories for moving fluid, for expanding fluid, for connecting fluid conduits, for distributing fluid, for removing gas or for preventing leakage, e.g. pumps, tanks or manifolds
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/0001—Technical content checked by a classifier
    • H01L2924/0002—Not covered by any one of groups H01L24/00, H01L24/00 and H01L2224/00

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Electrical Apparatus (AREA)

Abstract

Объектом изобретения является электронное устройство с охлаждением источника рассеяния тепла через распределитель с жидким металлом, причем это устройство содержит, по меньшей мере, один источник рассеяния тепла (32), содержащий, по меньшей мере, один электронный компонент, по меньшей мере, один распределитель (30), в котором выполнен, по меньшей мере, один канал циркуляции жидкого металла, образующий контур, проходящий под источником тепла (32), по меньшей мере, один теплоотвод (33) и, по меньшей мере, один электромагнитный насос (31) для приведения в движение жидкого металла в упомянутом, по меньшей мере, одном канале таким образом, чтобы жидкий металл поглощал тепло, рассеиваемое источником рассеяния тепла и переносил это тепло для его удаления через теплоотвод. В электронном устройстве каждый распределитель содержит, по меньшей мере, две пластины из электроизоляционного материала, расположенные с двух сторон от, по меньшей мере, одной планки из деформирующегося материала. Изобретение обеспечивает циркуляцию жидкого металла в распределителе, выполненном в виде набора из нескольких пластин, химически совместимых с галлием. 14 з.п. ф-лы, 18 ил.

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к электронному устройству, например к полупроводниковому электронному устройству с охлаждением через распределитель с жидким металлом.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к области термического контроля электронных компонентов, например полупроводниковых компонентов. Как показано на фиг. 1, электронный компонент может быть расположен на устройстве охлаждения через посредство металлической пластины толщиной в несколько миллиметров. Эта пластина предназначена для расширения излучаемого теплового потока и для увеличения проходного сечения этого теплового потока с точки зрения устройства охлаждения. Поскольку температурные градиенты обратно пропорциональны площади теплообмена, за счет этого существенно улучшается термический контроль. В дальнейшем для обозначения такой пластины будет использован термин «распределитель». На фиг. 1 показан источник 10 рассеяния тепла, например, электронный компонент или совокупность компонентов в корпусе, расположенный на распределителе 11, который обеспечивает расширение потока до его попадания на устройство 12 охлаждения (стрелками показано направление плотности теплового потока ϕ). Такой распределитель имеет оптимальную толщину: ниже этого значения расширение оказывается недостаточным, что снижает характеристики устройства охлаждения. Выше этого значения его термическое сопротивление становится слишком большим. Для обеспечения своей эффективности распределитель должен быть хорошим проводником тепла, например, из меди. Однако медь является тяжелой, поэтому часто используют алюминий. Кроме того, теплопроводность меди является ограниченной (400 Вт·м-1·К-1). Таким образом, значительное увеличение площади распределителя не приводит к уменьшению общего термического сопротивления, так как тепловой поток не доходит до краев распределителя.
Следовательно, для улучшения общего термического контроля следует применять материалы, имеющие более значительную эквивалентную теплопроводность. Одним из решений является использование материалов с очень хорошей теплопроводностью, таких как материалы с наполнителем из частиц с высокой теплопроводностью (алмаз, углерод, …). Однако в настоящее время такие материалы не освоены в достаточной степени, чтобы их можно было внедрять в оборудование при стоимости и характеристиках (надежность, способность к механической обработке, проводимость, масса), совместимых с промышленными масштабами. Другим известным решением является использование теплопроводов. Как показано на фиг. 2, теплопровод 15 содержит замкнутую камеру 16, внутренние стенки которой покрыты капиллярной сетью 17, насыщенной жидкостью 18. Как правило, он состоит из трех частей, называемых испарителем 20, конденсатором 21 и адиабатической зоной 22. На уровне испарителя 20 жидкость 18 превращается в пар 23 и проходит в конденсатор 21. После конденсации жидкость возвращается в испаритель через капиллярную сеть 17, которая в теплопроводе играет роль двигателя. При соответствующей капиллярной сети теплопровод 15 может работать во всех положениях и, следовательно, без учета гравитации. Принцип теплопровода представляет интерес, поскольку он обеспечивает очень низкую разность температуры между зоной испарения 20 (горячий источник) и зоной конденсации 21 (холодный источник). Теплопровод выполняет функцию «термического короткого замыкания». Поскольку паровая зона теплопроводов является зоной с очень высокой эквивалентной теплопроводностью, их можно использовать в качестве распределителей. На фиг. 3 представлена работа такого теплопровода 27, применяемого в качестве расширителя тепла. При этом говорят о расширителе тепла или о “vapour chamber”. Принцип работы является таким же, как и у классических теплопроводов, но пути текучей среды отличаются, так как горячий источник 25 (испаритель) находится на первой стороне теплопровода, а холодный источник 26 (конденсатор) использует всю площадь второй стороны.
Решения типа двухфазной текучей среды (теплопровод, “vapour chamber”) имеют ограничения. Например, в авиации среди наиболее строгих ограничений можно указать выбор текучей среды, стойкость при ускорениях, эффективность при очень высоких значениях плотности. Используемая текучая среда должна быть совместимой с требованиями в области авиации (пожаробезопасность, европейский регламент REACH, …). Кроме того, эффективность этих решений во многом зависит от характеристик холодного источника и используемой двухфазной текучей среды.
В настоящее время существуют примеры контуров охлаждения для электронных систем, в которых применяют проводящие текучие среды (расплавленные соли или жидкие металлы), приводимые в движение электромагнитными насосами типа магнитогидродинамических насосов постоянного тока (DC). Так, в контуре охлаждения, описанном в документе, указанном в конце описания под ссылкой [1], для охлаждения электронного компонента используют кондукционный магнитогидродинамический насос (MHD DC) для проводящей текучей среды типа GaIn (галлий-индий). Насос создает давление порядка 25 кПа при расходе 0,14 л/мин-1, тогда как магнитное поле, применяемое в насосе, имеет значение 0,9 Тл. Эта система может охлаждать тепловой поток плотностью более 200 Вт·см-2. В таком контуре:
- Точка плавления галлия-индия превышает 0°С, что создает проблему работы при окружающей температуре ниже температуры плавления. Поскольку холодный источник находится далеко от электронного компонента, может оказаться невозможным запустить устройство до перегрева компонента.
- Питание электромагнитного насоса (сильный ток/низкое напряжение) является сложным и отличается низким КПД.
- Такой контур, работающий на расплавленной соли или на жидком металле, имеет хорошие термические характеристики. Однако он имеет очень ограниченную область применения, так как проводящие текучие среды являются очень дорогими (1000 евро за кг), а некоторые из жидких металлов, такие как галлий или сплавы галлия, имеют плотность, в шесть раз превышающую плотность воды.
В ссылочном документе [2] описан распределитель, в котором жидкий металл, например галлий или сплав галлия, такой как галлий-индий-олово, циркулирует в выполненных в нем каналах под одним или несколькими полупроводниковыми компонентами. Этот жидкий металл поглощает тепло под полупроводниковым(и) компонентом(ами) и распределяет это тепло по всей остальной площади. Этот жидкий металл приводится в движение при помощи кондукционного магнитогидродинамического насоса, встроенного в распределитель. Покрытие из защитного материала обеспечивает изоляцию между стенками канала и жидким металлом, чтобы избегать между ними химического взаимодействия. Такой распределитель имеет следующие недостатки: он требует наличия химического покрытия (“coating”) для изоляции стенок канала от жидкого металла. Кроме того, не предусмотрено никакого средства против расширения галлия при его затвердевании; такое расширение может привести к повреждению распределителя.
Изобретение призвано устранить эти недостатки и предложить циркуляцию жидкого металла в распределителе, выполненном в виде набора из нескольких пластин, химически совместимых с галлием, при этом жидкий металл поглощает тепло под источником тепла при небольших повышениях температуры и распределяет это тепло по всей остальной площади распределителя, при этом выполненный на нижней стороне распределителя теплоотвод позволяет удалять тепло из жидкого металла.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Объектом изобретения является электронное устройство с охлаждением источника рассеяния тепла посредством распределителя с жидким металлом, причем это устройство, содержащее, по меньшей мере, один источник рассеяния тепла, содержащий, по меньшей мере, один электронный компонент, по меньшей мере, один распределитель, в котором выполнен, по меньшей мере, один канал циркуляции жидкого металла, образующий контур, проходящий под источником рассеяния тепла, по меньшей мере, один теплоотвод и, по меньшей мере, один электромагнитный насос для приведения в движение жидкого металла в упомянутом, по меньшей мере, одном канале таким образом, чтобы жидкий металл поглощал тепло, рассеиваемое источником рассеяния тепла и переносил это тепло для его удаления через теплоотвод, отличается тем, что каждый распределитель содержит, по меньшей мере, две пластины из электроизоляционного материала, расположенные с двух сторон от, по меньшей мере, одной планки из деформирующегося материала, вокруг которой выполнен канал циркуляции жидкого металла.
Предпочтительно упомянутый, по меньшей мере, один электронный компонент может быть полупроводниковым компонентом. Жидкий металл можно выбирать из: галлий, индий, висмут, олово, сплавы, содержащие галлий, и/или индий, и/или олово, сплав натрий-калий. Предпочтительно каждую планку из деформирующегося материала выполняют из пеноматериала с закрытыми ячейками, из пеноматериала с открытыми ячейками с герметичным покрытием или из массивного или полого деформирующегося пластика. Электроды выполнены из молибдена, из вольфрама, из нержавеющей стали или из меди с защитным покрытием (“coating”). Это последнее решение позволяет уменьшить общее падение напряжения, то есть снижение КПД электромагнитного насоса. Теплоотвод является ребристым теплоотводом, связанным или нет с вентилятором или охладителем с принудительной жидкостной конвекцией. Каждый электромагнитный насос может быть кондукционным магнитогидродинамическим насосом (MHD DC). Он может быть встроен между двумя пластинами из электроизоляционного материала распределителя. Эти пластины из электроизоляционного материала могут быть выполнены из керамики, из AIN, из Al2O3, из Si3N4 или из SiC.
Предпочтительно распределитель содержит ребра внутри упомянутого, по меньшей мере, одного канала циркуляции жидкого металла для увеличения площади теплообмена с жидким металлом.
Предпочтительно устройство в соответствии с изобретением содержит узел «электромагнитный насос + набор из нескольких полупроводниковых компонентов/распределитель с жидким металлом/теплоотвод».
Предпочтительно между распределителем с жидким металлом и теплоотводом расположен теплопровод.
Предпочтительно в первом варианте выполнения устройство в соответствии с изобретением содержит:
- первую магнитную цепь, содержащую, по меньшей мере, одну планку из магнитного материала и постоянный магнит,
- первую рамку из полимера,
- первую пластину из электроизоляционного материала, на которой расположены полупроводниковые компоненты,
- планку из деформирующегося материала,
- три электрода, один из которых расположен на деформирующемся материале,
- прокладку из полимера со средствами крепления,
- вторую пластину из электроизоляционного материала,
- вторую рамку из полимера,
- вторую магнитную цепь,
- теплоотвод,
при этом вокруг планки из деформирующегося материала выполнен канал циркуляции жидкого металла.
Предпочтительно во втором варианте выполнения устройство в соответствии с изобретением содержит:
- две первые магнитные цепи,
- рамку из полимера,
- первую пластину из керамики, на которой расположены полупроводниковые компоненты,
- планку из деформирующегося материала,
- электроды, один из которых расположен на деформирующемся материале,
- прокладку из полимера со средствами крепления,
- вторую пластину из керамики,
- две вторые магнитные цепи,
- ребристый теплоотвод,
при этом вокруг планки из деформирующегося материала выполнен канал циркуляции жидкого металла.
Предпочтительно в третьем варианте выполнения устройство в соответствии с изобретением содержит:
- первый ребристый теплоотвод,
- первую рамку из полимера,
- первые магнитные цепи,
- первую пластину из керамики, на которой расположены полупроводниковые компоненты,
- первые электроды,
- три первые планки из деформирующегося материала,
- первую прокладку из полимера со средствами крепления,
- вторую пластину из керамики,
- вторую прокладку из полимера со средствами крепления,
- вторые электроды,
- три вторые планки из деформирующегося материала,
- третью пластину из керамики,
- вторые магнитные цепи,
- вторую рамку из полимера,
- второй ребристый теплоотвод,
при этом вокруг первых планок из деформирующегося материала выполнен первый канал циркуляции жидкого металла, и вокруг вторых планок из деформирующегося материала выполнен второй канал циркуляции жидкого металла.
Устройство в соответствии с изобретением имеет следующие преимущества:
- Высокая проводимость распределителя позволяет удалять тепловой поток гораздо большей плотности, чем при применении теплопроводов. Значения плотности могут достигать кВт/см2.
- Компактность распределителя позволяет использовать очень малый объем жидкого металла (несколько миллилитров). Она позволяет также удерживать источник рассеяния тепла близко ко всему объему жидкости и обеспечивает ее полное расплавление. При этом после затвердевания возможен повторный запуск.
- Можно добиваться плавления, чтобы использовать изменение фазы с целью замедления повышения температуры электронного(ых) компонента(ов). Можно предусмотреть использование сплавов с более высокой температурой плавления, не содержащих галлия.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 иллюстрирует принцип работы устройства охлаждения типа распределителя.
Фиг. 2 иллюстрирует принцип работы теплопровода.
Фиг. 3 иллюстрирует принцип работы теплопровода, используемого в качестве расширителя тепла.
Фиг. 4 - устройство в соответствии с изобретением.
Фиг. 5 иллюстрирует принцип работы электромагнитного насоса, применяемого в устройстве, показанном на фиг. 4.
Фиг. 6А и 6В - первый вариант выполнения устройства в соответствии с изобретением, соответственно вид в разборе и вид в перспективе.
Фиг. 7 схематично иллюстрирует работу электромагнитного насоса, применяемого в заявленном устройстве, показанном на фиг. 6А и 6В.
Фиг. 8А и 8В - второй вариант выполнения устройства в соответствии с изобретением, соответственно вид в разборе и вид в перспективе.
Фиг. 9А и 9В - третий вариант выполнения устройства в соответствии с изобретением, соответственно вид в разборе и вид в перспективе.
Фиг. 11 - сравнительные характеристики распределителя с жидким металлом в соответствии с изобретением, показанного на фиг. 10А, и распределителя из меди, показанного на фиг. 10В.
Фиг. 12А-12В - версия выполнения устройства в соответствии с изобретением.
Фиг. 13 - другая версия выполнения устройства в соответствии с изобретением.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ЧАСТНЫХ ВАРИАНТОВ ВЫПОЛНЕНИЯ
Как показано на фиг. 4, устройство в соответствии с изобретением содержит следующие элементы:
- источник рассеяния тепла 32, который содержит, по меньшей мере, один электронный компонент, например полупроводниковый компонент,
- распределитель 30 с жидким металлом, представляющий собой гидравлическую часть, предназначенную для удаления тепла под источником рассеяния тепла, и выполненный в виде двух пластин из электроизоляционного материала, например из керамики, расположенных с двух сторон от деформирующегося материала, вокруг которого выполнен канал циркуляции жидкого металла,
- электромагнитный насос 31, приводящий в движение жидкий металл,
- теплоотвод 33.
Источник рассеяния тепла 32 расположен на верхней стороне распределителя 30. Теплоотвод 33 расположен на нижней стороне распределителя 30. Стрелкой 34 показана циркуляция жидкого металла, по меньшей мере, в одном канале, в котором можно добавить ребра для увеличения площади теплообмена. Позицией 35 показан вход жидкого металла, а позицией 36 - выход жидкого металла.
Устройство в соответствии с изобретением приводит в движение жидкий металл, который является текучей средой-теплоносителем, в теплопроводящей подложке. Этот жидкий металл поглощает тепло под электронными компонентами 32 с небольшим повышением температуры и распределяет это тепло по всей остальной площади подложки. Жидкие металлы, такие как сплавы галлия, или расплавленные соли, такие как натрий-калий, имеют отличные физические свойства. Так, галлий, который обладает теплопроводностью, близкой к 28 Вт·м-1·К-1, то есть со значением, в сорок раз превышающим теплопроводность воды, позволяет получать очень большие значения коэффициентов конвекционного теплообмена и, следовательно, обеспечивает очень сильное рассеяние с точки зрения плотности теплового потока. Кроме больших значений теплопроводности, жидкие металлы являются хорошими электрическими проводниками, что делает возможным использование электромагнитных или магнитогидродинамических насосов 31, как показано на фиг. 5 и 7, в которых комбинированное применение магнитного поля (магнитная индукция В) и электрического тока I приводит к появлению силы Лапласа F, приводящей в движение жидкий металл.
Изобретение обеспечивает циркуляцию жидкого металла внутри распределителя, выполненного в виде набора, по меньшей мере, из двух пластин из электроизоляционного материала, химически совместимого с галлием, и планки из деформирующегося материала, которая служит для поглощения расширения галлия во время его работы. Электромагнитный насос, который служит для приведения в движение жидкого металла, можно встроить между двумя пластинами. Этот жидкий металл поглощает тепло под источником тепла с небольшим повышением температуры и распределяет это тепло по всей остальной площади распределителя. Теплоотвод, который служит для удаления тепла в жидком металле, расположен на поверхности распределителя.
На фиг. 6А и 6В представлен первый вариант выполнения заявленного устройства, содержащий два электромагнитных насоса, каждый из которых содержит первую и вторую электромагнитные цепи, генерирующие магнитное поле, и электроды, по которым проходит электрический ток.
На фиг. 6А показаны:
- первая магнитная цепь 40, содержащая по меньшей мере, одну планку 41 из магнитного материала и постоянный магнит 42,
- первая рамка 43 из полимера,
- первая пластина 44 из электроизоляционного материала, на которой находятся полупроводниковые компоненты 52,
- планка 47 из деформирующего материала,
- три электрода 45, один из которых находится на деформирующемся материале,
- прокладка 46 из полимера со средствами крепления 46',
- вторая пластина 48 из электроизоляционного материала,
- вторая рамка 49 из полимера,
- вторая магнитная цепь 50,
- теплоотвод 51,
при этом вокруг планки 52 из деформирующегося материала выполнен канал циркуляции жидкого металла.
В предпочтительном примере выполнения устройство в соответствии с изобретением имеет следующие характеристики.
Жидкий металл можно выбирать из: галлий, индий, висмут, олово, сплавы, содержащие галлий, и/или индий, и/или олово, сплав натрий-калий.
В рамках изобретения полимер предназначен для обеспечения герметичности распределителя, а также механической прочности набора, при этом рамки выполняют роль корпуса для заявленного устройства. Этот полимер может быть смолой. Во время соединения различных элементов, показанных на фиг. 6А, полимер полимерных рамок 43, 46 и 49 является мягким. Затем он затвердевает по время высыхания.
Планки из деформирующегося материала можно выполнять из вспененного тефлона, из пеноматериала с закрытыми ячейками, из пеноматериала с открытыми ячейками с герметичным покрытием или из массивного или полого деформирующегося пластика.
Предпочтительно обе пластины из электроизоляционного материала можно выполнить из керамики, из AIN, из Al2O3, из Si3N4 или из SiC, то есть из материалов, соответствующих трем следующим требованиям: химической совместимости с галлием, электрической изоляции и хорошей теплопроводности.
Материалом электродов, который должен быть электропроводящим и совместимым с галлием, может быть молибден, вольфрам, нержавеющая сталь или медь с защитным покрытием.
Постоянные магниты, которые служат для создания магнитного поля в канале, можно выполнить из NdFeB.
Теплоотвод может быть ребристым теплоотводом, связанным или нет с вентилятором, охладителем с принудительной жидкостной конвекцией.
На фиг. 7 представлена работа электромагнитного насоса. Он содержит первую магнитную цепь 40, вторую магнитную цепь 50 и два электрода 45, при этом вокруг планки 52 из деформирующегося материала выполнен канал циркуляции жидкого металла. Стрелкой 58 показано направление электрического тока, проходящего через электроды. Стрелками 56 и 57 показано направление магнитной индукции В между двумя магнитными цепями 40 и 50. Стрелки 55 показывают направление получаемого перемещения жидкого металла, согласно принципу, который был описан выше со ссылками на фиг. 5.
На фиг. 8А и 8В представлен второй вариант выполнения заявленного устройства, который соответствует силовой модели с четырьмя электромагнитными насосами.
На фиг. 8А показаны:
- две первые магнитные цепи 60 и 61,
- рамка 62 из полимера,
- первая пластина 63 из керамики, на которой расположены электронные схемы 64 или несколько электронных компонентов 65,
- планка 68 из деформирующегося материала,
- электроды 66, 66', 69, 69' и электроды 67, расположенные на деформирующемся материале 68,
- прокладка 70 из полимера со средствами крепления 70',
- вторая пластина 71 из керамики,
- две вторые магнитные цепи 72 и 73,
- ребристый теплоотвод 74,
при этом вокруг планки 68 из деформирующегося материала выполнен канал циркуляции жидкого металла.
На фиг. 9А и 9В представлен третий вариант выполнения заявленного устройства, который соответствует модели с двумя расположенными друг над другом каналами циркуляции жидкого металла.
На фиг. 9А показаны:
- первый ребристый теплоотвод 80,
- первая рамка 81 из полимера,
- первые магнитные цепи 82,
- первая пластина 83 из керамики, на которой расположены полупроводниковые компоненты 84,
- первые электроды 85,
- три первые планки 94 из деформирующегося материала,
- первая прокладка 86 из полимера со средствами крепления 87,
- вторая пластина 88 из керамики,
- вторая прокладка 90 из полимера со средствами крепления 91,
- вторые электроды 92,
- три вторые планки 93 из деформирующегося материала,
- третья пластина 95 из керамики,
- вторые магнитные цепи 96,
- вторая рамка 97 из полимера,
- второй ребристый теплоотвод 98,
при этом вокруг первых планок 92 из деформирующегося материала выполнен первый канал циркуляции жидкого металла, и вокруг вторых планок 93 из деформирующегося материала выполнен второй канал циркуляции жидкого металла.
Чтобы показать преимущество описанного выше распределителя, можно сравнить его характеристики с характеристиками массивного медного блока такого же объема. Значение коэффициента теплообмена на поверхности, противоположной электронному компоненту, является одинаковым в обоих типах распределителей: h=20000 Вт·м-2·К-1. На фиг. 10А показан распределитель 30 с жидким металлом в соответствии с изобретением (см. фиг. 4), а на фиг. 10В - распределитель в виде медного блока. В этом последнем случае источник рассеяния тепла 105 находится в центре распределителя 106, так как эта конфигурация позволяет добиться наименьшего термического сопротивления. На фиг. 11 показано изменение термического сопротивления Rth этих двух типов распределителей в зависимости от расхода жидкого металла. Термическое сопротивление массивного распределителя из меди является постоянным и имеет значение 0,16 К·Вт-1, тогда как термическое сопротивление распределителя с жидким металлом при расходе 1,5 л/мин равно 0,09 К·Вт-1, что соответствует уменьшению на 45%.
ВЕРСИИ ВЫПОЛНЕНИЯ
Изобретение можно применять в различных областях, таких как микроэлектроника, в частности для охлаждения микропроцессоров, в силовой электронике для охлаждения полупроводниковых компонентом, в оптоэлектронике для охлаждения электролюминесцентных диодов или при производстве солнечной энергии для концентрированных фотогальванических элементов.
На фиг. 12А и 12В представлена версия выполнения устройства в соответствии с изобретением с использованием наборов из нескольких смонтированных вертикально узлов «полупроводниковые компоненты (силовой модуль 3D) 101/распределитель 102 с жидким металлом/теплоотвод 103», каждый из которых связан с электромагнитным насосом 100.
В другой версии выполнения, показанной на фиг. 13, между распределителем 111 с жидким металлом и теплоотводом 112 можно добавить теплопровод 110 для гомогенизации температуры распределителя и для повышения его производительности. В этом случае изменение фазы жидкого металла внутри распределителя происходит гораздо лучше. Кроме того, расположение распределителя 111 с жидким металлом между источником 113 рассеяния, который является полупроводниковым компонентом, и теплопроводом позволяет уменьшить плотность тепла со стороны теплопровода и раздвинуть рабочие пределы (в частности, предел капиллярности и предел кипения).
В версии выполнения распределитель содержит ребра внутри канала циркуляции жидкого металла для увеличения площади теплообмена с жидким металлом, как показано, например, на фиг. 10А и 10В.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Miner, A. & Ghoshal, U., 2004. Cooling of high-power-density microdevices using liquid metal coolants. Applied Physic Letters, 85(3), 506.
2. US 2009/0279257.

Claims (15)

1. Электронное устройство с охлаждением источника рассеяния тепла посредством распределителя с жидким металлом, причем это устройство содержит, по меньшей мере, один источник рассеяния тепла (32), содержащий, по меньшей мере, один электронный компонент, по меньшей мере, один распределитель (30), в котором выполнен, по меньшей мере, один канал циркуляции жидкого металла, образующий контур, проходящий под источником рассеяния тепла (32), по меньшей мере, один теплоотвод (33) и, по меньшей мере, один электромагнитный насос (31) для приведения в движение жидкого металла в упомянутом, по меньшей мере, одном канале таким образом, чтобы жидкий металл поглощал тепло, рассеиваемое источником рассеяния тепла и переносил это тепло для его удаления через теплоотвод, отличающееся тем, что каждый распределитель содержит, по меньшей мере, две пластины из электроизоляционного материала, расположенные с двух сторон от, по меньшей мере, одной планки из деформирующегося материала, вокруг которой выполнен канал циркуляции жидкого металла.
2. Устройство по п. 1, в котором упомянутый, по меньшей мере, один электронный компонент является полупроводниковым компонентом.
3. Устройство по п. 1, в котором жидкий металл выбирают из: галлий, индий, висмут, олово, сплавы, содержащие галлий, и/или индий, и/или олово, сплав натрий-калий.
4. Устройство по п. 1, в котором каждую планку из деформирующегося материала выполняют из вспененного тефлона, из пеноматериала с закрытыми ячейками, из пеноматериала с открытыми ячейками с герметичным покрытием или из массивного или полого деформирующегося пластика.
5. Устройство по п. 1, в котором теплоотвод является ребристым теплоотводом, связанным или нет с вентилятором или охладителем с принудительной жидкостной конвекцией.
6. Устройство по п. 1, в котором каждый электромагнитный насос является кондукционным магнитогидродинамическим насосом.
7. Устройство по п. 1, в котором пластины из электроизоляционного материала выполнены из керамики, из AIN, из Al2O3, из Si3N4 или из SiC.
8. Устройство по п. 1, в котором каждый электромагнитный насос встроен между двумя пластинами из электроизоляционного материала распределителя.
9. Устройство по п. 1, в котором распределитель содержит ребра внутри упомянутого, по меньшей мере, канала циркуляции жидкого металла для увеличения площади теплообмена с жидким металлом.
10. Устройство по п. 2, содержащее узел «электромагнитный насос (100) + набор из нескольких полупроводниковых компонентов (101)/распределитель (102) с жидким металлом/теплоотвод (103)».
11. Устройство по любому из предыдущих пунктов, в котором между распределителем (111) с жидким металлом и теплоотводом (112) расположен теплопровод (110).
12. Устройство по п. 1, содержащее:
- первую магнитную цепь (40), содержащую, по меньшей мере, одну планку (41) из магнитного материала и постоянный магнит (42),
- первую рамку (43) из полимера,
- первую пластину (44) из электроизоляционного материала, на которой расположены полупроводниковые компоненты (52),
- планку (47) из деформирующегося материала,
- три электрода (45), один из которых расположен на планке из деформирующегося материала,
- прокладку (46) из полимера со средствами крепления (46'),
- вторую пластину (48) из электроизоляционного материала,
- вторую рамку (49) из полимера,
- вторую магнитную цепь (50),
- теплоотвод (51),
при этом вокруг планки из деформирующегося материала выполнен канал циркуляции жидкого металла.
13. Устройство по п. 1, содержащее:
- две первые магнитные цепи (60 и 61),
- рамку (62) из полимера,
- первую пластину (63) из керамики, на которой расположены полупроводниковые компоненты (65),
- планку (68) из деформирующегося материала,
- электроды (66, 66', 69, 69'), из которых один электрод (67) расположен на деформирующемся материале (68),
- прокладку (70) из полимера со средствами крепления (70'),
- вторую пластину (71) из керамики,
- две вторые магнитные цепи (72 и 73),
- ребристый теплоотвод (74),
при этом вокруг планки из деформирующегося материала выполнен канал циркуляции жидкого металла.
14. Устройство по п. 1, содержащее:
- первый ребристый теплоотвод (80),
- первую рамку (81) из полимера,
- первые магнитные цепи (82),
- первую пластину (83) из керамики, на которой расположены полупроводниковые компоненты (84),
- первые электроды (85),
- три первые планки (94) из деформирующегося материала,
- первую прокладку (86) из полимера со средствами крепления (87),
- вторую пластину (88) из керамики,
- вторую прокладку (90) из полимера со средствами крепления (91),
- вторые электроды (92),
- три вторые планки (93) из деформирующегося материала,
- третью пластину (95) из керамики,
- вторые магнитные цепи (96),
- вторую рамку (97) из полимера,
- второй ребристый теплоотвод (98),
при этом вокруг первых планок из деформирующегося материала выполнен первый канал циркуляции жидкого металла, и вокруг вторых планок из деформирующегося материала выполнен второй канал циркуляции жидкого металла.
15. Устройство по любому из пп. 12, 13 или 14, в котором электроды выполнены из молибдена, из вольфрама, из нержавеющей стали или из меди с защитным покрытием.
RU2014124159/28A 2011-12-13 2012-12-11 Электронное устройство с охлаждением через распределитель с жидким металлом RU2604572C2 (ru)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR1161543A FR2984074B1 (fr) 2011-12-13 2011-12-13 Dispositif electronique avec refroidissement par spreader a metal liquide
FR1161543 2011-12-13
PCT/FR2012/052873 WO2013088054A1 (fr) 2011-12-13 2012-12-11 Dispositif electronique avec refroidissement par spreader a metal liquide

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2014124159A RU2014124159A (ru) 2016-02-10
RU2604572C2 true RU2604572C2 (ru) 2016-12-10

Family

ID=47505248

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2014124159/28A RU2604572C2 (ru) 2011-12-13 2012-12-11 Электронное устройство с охлаждением через распределитель с жидким металлом

Country Status (9)

Country Link
US (1) US9693480B2 (ru)
EP (1) EP2791971B1 (ru)
JP (1) JP2015502054A (ru)
CN (1) CN103999214B (ru)
BR (1) BR112014014348B1 (ru)
CA (1) CA2856833C (ru)
FR (1) FR2984074B1 (ru)
RU (1) RU2604572C2 (ru)
WO (1) WO2013088054A1 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2750688C2 (ru) * 2017-01-18 2021-07-01 Сафран Способ изготовления электронного силового модуля посредством аддитивной технологии и соответственные подложка и модуль

Families Citing this family (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9357670B2 (en) * 2014-02-18 2016-05-31 Lockheed Martin Corporation Efficient heat transfer from conduction-cooled circuit cards
US9894802B2 (en) * 2014-05-29 2018-02-13 Ge-Hitachi Nuclear Energy Americas Llc Passive system of powering and cooling with liquid metal and method thereof
CN104409433B (zh) * 2014-10-30 2017-01-25 中国科学院理化技术研究所 一种基于液态金属双电层效应驱动的双流体热扩展器
CN107636827B (zh) * 2015-04-13 2020-05-12 Abb瑞士股份有限公司 功率电子设备模块
DE102015106552B4 (de) * 2015-04-28 2022-06-30 Infineon Technologies Ag Elektronisches Modul mit Fluid-Kühlkanal und Verfahren zum Herstellen desselben
US20170363375A1 (en) * 2015-06-30 2017-12-21 Georgia Tech Research Corporation Heat exchanger with variable density feature arrays
DE102015113873B3 (de) * 2015-08-21 2016-07-14 Semikron Elektronik Gmbh & Co. Kg Leistungselektronische Baugruppe mit Kondensatoreinrichtung
CN105572460B (zh) * 2015-12-09 2018-10-09 广东威创视讯科技股份有限公司 Led多屏拼接液冷智能监测方法及led多屏拼接***
ES2912294T3 (es) * 2015-12-21 2022-05-25 Carrier Corp Sistema de transferencia de calor electrocalórico con líquido eléctricamente conductor
US10345874B1 (en) 2016-05-02 2019-07-09 Juniper Networks, Inc Apparatus, system, and method for decreasing heat migration in ganged heatsinks
US10104805B2 (en) * 2016-05-09 2018-10-16 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army Self cooling stretchable electrical circuit having a conduit forming an electrical component and containing electrically conductive liquid
CN106793711A (zh) * 2017-01-22 2017-05-31 北京态金科技有限公司 液态金属散热器
US10178813B2 (en) * 2017-01-26 2019-01-08 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army Stacked power module with integrated thermal management
US10591964B1 (en) * 2017-02-14 2020-03-17 Juniper Networks, Inc Apparatus, system, and method for improved heat spreading in heatsinks
JP6885126B2 (ja) * 2017-03-22 2021-06-09 富士電機株式会社 インバータ装置
CN107706165B (zh) * 2017-10-30 2023-08-15 广东西江数据科技有限公司 一种液态金属恒温散热装置
US10645844B2 (en) 2018-04-17 2020-05-05 Ge Aviation Systems Llc Electronics cooling module
CN108644631B (zh) * 2018-06-16 2023-10-03 复旦大学 石墨烯掺杂液态金属散热的高功率密度紫外led光源模组
CN109193288B (zh) * 2018-08-09 2023-10-10 云南科威液态金属谷研发有限公司 一种运动件间的导电***
FR3088137B1 (fr) * 2018-11-06 2020-11-27 Inst Polytechnique Grenoble Systeme electronique de puissance
KR102153475B1 (ko) * 2019-06-14 2020-09-08 연세대학교 산학협력단 채널 유동을 이용한 유연 히트싱크 및 이의 제조방법
WO2022020382A1 (en) * 2020-07-20 2022-01-27 Kirtley James L Magnetohydrodynamic pump for molten salts and method of operating
KR20220016680A (ko) 2020-08-03 2022-02-10 삼성전자주식회사 열 전달 물질 및 그 제조 방법과 이를 포함하는 반도체 패키지
CN115692345A (zh) * 2023-01-03 2023-02-03 成都天成电科科技有限公司 一种芯片高效散热结构及散热设备

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2076390C1 (ru) * 1993-04-26 1997-03-27 Московский государственный институт электроники и математики (технический университет) Способ охлаждения полупроводниковых пластин в вакууме
US6708501B1 (en) * 2002-12-06 2004-03-23 Nanocoolers, Inc. Cooling of electronics by electrically conducting fluids
US7131286B2 (en) * 2002-12-06 2006-11-07 Nanocoolers, Inc. Cooling of electronics by electrically conducting fluids
US8003370B2 (en) * 2006-05-17 2011-08-23 California Institute Of Technology Thermal cycling apparatus

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7348665B2 (en) * 2004-08-13 2008-03-25 Intel Corporation Liquid metal thermal interface for an integrated circuit device
US7265977B2 (en) 2005-01-18 2007-09-04 International Business Machines Corporation Active liquid metal thermal spreader
CN101005745A (zh) * 2006-01-20 2007-07-25 刘胜 用于电子器件的微喷射流冷却***
US8221089B2 (en) * 2008-09-12 2012-07-17 Rockwell Collins, Inc. Thin, solid-state mechanism for pumping electrically conductive liquids in a flexible thermal spreader
US8017872B2 (en) * 2008-05-06 2011-09-13 Rockwell Collins, Inc. System and method for proportional cooling with liquid metal
US20110180238A1 (en) * 2008-10-28 2011-07-28 Jan Vetrovec Thermal interface device
US8730674B2 (en) * 2011-12-12 2014-05-20 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Magnetic fluid cooling devices and power electronics assemblies

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2076390C1 (ru) * 1993-04-26 1997-03-27 Московский государственный институт электроники и математики (технический университет) Способ охлаждения полупроводниковых пластин в вакууме
US6708501B1 (en) * 2002-12-06 2004-03-23 Nanocoolers, Inc. Cooling of electronics by electrically conducting fluids
US7131286B2 (en) * 2002-12-06 2006-11-07 Nanocoolers, Inc. Cooling of electronics by electrically conducting fluids
US8003370B2 (en) * 2006-05-17 2011-08-23 California Institute Of Technology Thermal cycling apparatus

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2750688C2 (ru) * 2017-01-18 2021-07-01 Сафран Способ изготовления электронного силового модуля посредством аддитивной технологии и соответственные подложка и модуль

Also Published As

Publication number Publication date
RU2014124159A (ru) 2016-02-10
CA2856833C (fr) 2021-01-19
JP2015502054A (ja) 2015-01-19
FR2984074B1 (fr) 2014-11-28
CA2856833A1 (fr) 2013-06-20
US20150289410A1 (en) 2015-10-08
BR112014014348A2 (pt) 2017-06-13
EP2791971A1 (fr) 2014-10-22
WO2013088054A1 (fr) 2013-06-20
BR112014014348B1 (pt) 2020-09-08
EP2791971B1 (fr) 2016-08-31
CN103999214A (zh) 2014-08-20
CN103999214B (zh) 2017-02-22
US9693480B2 (en) 2017-06-27
FR2984074A1 (fr) 2013-06-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2604572C2 (ru) Электронное устройство с охлаждением через распределитель с жидким металлом
EP3174093B1 (en) Cooled power electronic assembly
US8904808B2 (en) Heat pipes and thermoelectric cooling devices
US20140318152A1 (en) Method and apparatus for thermoelectric cooling of fluids
Tawk et al. Numerical and experimental investigations of the thermal management of power electronics with liquid metal mini-channel coolers
WO2015010039A1 (en) Method and system for an immersion boiling heat sink
JP2006310363A (ja) パワー半導体装置
CN102714193A (zh) Igbt的冷却方法
CN105281198A (zh) 一种半导体激光器的热管理装置
US20190373761A1 (en) Heatsink and method of manufacturing a heatsink
TWM512123U (zh) 液冷裝置及系統
Bar-Cohen Thermal management of on-chip hot spots and 3D chip stacks
KR102256906B1 (ko) 전기 캐비닛에 대한 콜드 플레이트 어셈블리
WO2012161002A1 (ja) 平板型冷却装置及びその使用方法
EP2002194A2 (en) Low cost boiling coolers utilizing liquid boiling
Tawk et al. Study and realization of a high power density electronics device cooling loop using a liquid metal coolant
CN113923950A (zh) 一种利用磁场和微槽道实现大热流密度器件冷却的装置及方法
CN113811164A (zh) 滚珠直流驱动散热器
KR101172679B1 (ko) 공기조화기의 실외기
CN219068715U (zh) 一种利用磁场实现大热流密度器件冷却的装置
TW535486B (en) An active heat exchanger with built-in pump and flexible coolant conduits
JP2015065187A (ja) 冷却装置とこれを搭載した電子機器
CN209627965U (zh) 一种相变散热设备
CN216058084U (zh) 滚珠直流驱动散热器
JP5903549B2 (ja) 冷却装置およびこれを搭載した電子機器、および電気自動車

Legal Events

Date Code Title Description
PD4A Correction of name of patent owner