一種多熱管復合式高功率電子芯片散熱器的制造方法
【專利摘要】一種多熱管復合式高功率電子芯片散熱器，屬于電子產品輔助設備技術領域，包括環形蒸汽腔基座、重力熱管、熱驅動脈動流熱管式肋片、緊固抓手、扎箍、散熱風扇、圍護支架和緊固螺栓；重力熱管垂直安裝于環形蒸汽腔基座上，其內部腔體與環形蒸汽腔基座內環空腔相互貫通并密封連接；若干熱驅動脈動流熱管式肋片交錯卡固在重力熱管上部殼體外側的多層花形卡槽內，并通過緊固抓手配合扎箍與重力熱管外壁緊貼固定。本實用新型實現了高功率電子芯片產熱在三維散熱空間上的合理分配與高效輸運和散釋，散熱功率大、效率高。
【專利說明】
一種多熱管復合式高功率電子芯片散熱器
技術領域
[0001]本實用新型屬于電子產品輔助設備技術領域，涉及一種電子散熱裝置，具體的說是涉及一種用于解決獨立高熱流密度電子芯片散熱問題的具有高效、高功率散熱的多熱管復合式高功率電子芯片散熱器。
【背景技術】
[0002]電子芯片與元件工作時的散熱水平直接關系到電子設備可靠性，尤其對于熱負荷敏感度較高的獨立高熱流密度電子芯片(如CPU、GPU、LED)來說，熱量在芯片處的累積將明顯降低其工作穩定性和使用壽命。特別是，電子元器件高性能、微型化和集成化的三大發展趨勢將使其面臨的散熱問題更加突出，而傳統的肋片擴展換熱表面配合強制空氣對流的傳統散熱方式已經無法滿足功耗日益增長的高熱流密度電子芯片的散熱需求。因此，為了保證高功率電子芯片的穩定、高效運行，亟需研發高熱流密度、高效率的電子芯片散熱技術。
[0003]近年來，熱管散熱、熱電致冷、射流式/浸潤式直接冷卻、主動式微通道液體循環冷卻等多種新型散熱/冷卻技術的提出和發展為解決上述高熱流密度電子芯片的散熱難題提供了契機。其中，熱管散熱技術因其等溫性好、散熱能力強、加工布置方便和可靠性優良等性能優勢而在高熱流密度電子元器件的散熱領域得到了較為廣泛的應用。目前，常規熱管散熱技術往往是利用毛細熱管、重力熱管和回路熱管等高導熱性換熱元件將電子芯片產熱高效導出至與之配合的大面積肋化換熱表面后借助強制對流換熱散釋。然而，基于傳統設計的各型熱管雖然加工技術成熟、生產成本低廉，但其運行過程中仍存在著一系列傳熱極限，如攜帶極限、毛細極限等，導致其極限散熱量仍有待提高。另外，以高導熱率金屬作為基材的傳統肋片擴展表面因受到肋效率的影響而造成其散熱性能受到一定限制。
【實用新型內容】
[0004]本實用新型的目的是針對上述現有技術的不足，提供一種散熱功率大，散熱性能好，并且結構新穎緊湊，安裝維護方便的多熱管復合式高功率電子芯片散熱器，其能有效提升常規熱管散熱技術的散熱極限，并顯著改善傳統高熱率金屬肋片擴展表面換熱性能受限于肋效率的問題。
[0005]本實用新型的技術方案是:一種多熱管復合式高功率電子芯片散熱器，包括環形蒸汽腔基座、重力熱管、熱驅動脈動流熱管式肋片、緊固抓手、扎箍、散熱風扇、圍護支架和緊固螺栓;其特征在于:所述重力熱管垂直安裝于所述環形蒸汽腔基座上，其內部腔體與所述環形蒸汽腔基座內環空腔相互貫通并密封連接;若干所述熱驅動脈動流熱管式肋片交錯卡固在所述重力熱管上部殼體外側的多層卡槽內，并通過所述緊固抓手配合所述扎箍與所述重力熱管外壁緊貼固定;所述散熱風扇通過所述圍護支架水平支撐在所述重力熱管上方，并利用所述緊固螺栓串接緊固。
[0006]所述環形蒸汽腔基座由基板和蓋板組合焊接加工而成，基板上加工有內環開口空腔和外環開口空腔，內環開口空腔背面加工有高功率電子芯片導熱接觸面，環形蒸汽腔基座頂部設有輻射狀肋片，蒸汽腔內表面加工有三維微肋。
[0007]所述三維微肋的形狀為長方體、梯形臺或三角錐中的一種，肋高為0.1?0.2mm，肋密度為90?150個/cm2;蒸汽腔頂部與下部內壁上的徑向肋間距為0.8?1.2mm，周向肋間距為0.6?1.0mm;蒸汽腔四周內壁上的軸向肋間距為0.6?1.0mm，周向肋間距為0.8?1.2mm。
[0008]所述重力熱管由環形蒸汽腔基座內環開口空腔、殼體、蒸發段內插管、冷凝段內插管以及頂部封蓋組合焊接加工而成，重力熱管內設有與重力熱管同軸放置的冷凝段內插管和蒸發段內插管，冷凝段內插管長度為重力熱管內腔總高度的50%?55%，蒸發段內插管長度為重力熱管內腔總高度的30%?35%。
[0009]所述蒸發段內插管底端設有蒸發段內插管通流柵格，蒸發段內插管壁面上錯列開設有若干限泡通孔，限泡通孔的孔徑為2?3mm，縱向孔間距為6?10mm，周向孔間距為4?8mm ο
[0010]所述冷凝段內插管為均勻壁厚的光滑管，其頂端設有冷凝段內插管通流柵格，另一端設有漸擴形導流段，漸擴形導流段高度為10?12_，漸擴角Θ = 45°?60°。
[0011]所述蒸發段內插管與冷凝段內插管內外管徑統一，且各自外壁與重力熱管內壁之間形成環隙的最佳尺寸范圍均為3?5_。
[0012]所述熱驅動脈動流熱管式肋片通過毛細金屬管首尾相接并反復彎折成形后抽真空并部分充注工質而制成，熱驅動脈動流熱管式肋片內環直徑與重力熱管外壁面的最小外徑相匹配。
[0013]所述毛細金屬管的個數大于等于6，且其當量內徑介于0.5?3.0mm，壁厚為0.15?
0.2mm。
[0014]所述卡槽為多層結構，每層卡槽卡固一根熱驅動脈動流熱管式肋片，其卡槽內尺寸與熱驅動脈動流熱管式肋片內環管路相匹配并采用過盈配合將熱驅動脈動流熱管式肋片卡固；卡槽軸向上加工有與熱驅動脈動流熱管式肋片內環管路外形相匹配的滑槽，供熱驅動脈動流熱管式肋片滑入安裝。
[0015]本實用新型的有益效果為:本實用新型提出的一種多熱管復合式高功率電子芯片散熱器，結構新穎緊湊，工作原理清晰，安裝維護方便，它以中心重力熱管作為散熱器的傳熱中樞，實現了底部高功率電子芯片產熱沿垂直方向的高效熱傳輸，并且與傳統中空式重力熱管相比，管內設置的內插管有助于蒸發段工質沸騰過程中的微層蒸發和沸騰汽泡的脫離，削弱了冷凝段上升蒸汽和回流冷凝液間的逆流攜帶并促進冷凝排液，進而分別強化了相應工作段的沸騰和冷凝換熱，提升了重力熱管的攜帶極限;底部環形蒸汽腔基座可將高功率電子芯片部分產熱快速擴展至水平方向上散釋，有效緩解了垂直方向上的散熱負荷，并且其內壁面上加工的三維微肋大幅度增加了蒸汽腔蒸發面的核態沸騰汽化核心數量并增強了冷凝面的毛細抽吸排排液能力，從而強化了蒸汽腔內的沸騰與冷凝換熱，提高其毛細極限；采用熱驅動脈動流熱管式肋片作為擴展散熱表面，有效改善了傳統高熱率金屬肋片擴展表面換熱性能受限于肋效率的問題。本實用新型可將高功率電子芯片的產熱合理分配并高效擴展至三維空間擴展表面散釋，散熱功率大、效率高，從而滿足了功耗日益增長的高熱流密度電子芯片的散熱需求。
【附圖說明】
[0016]圖1為本實用新型的立體結構示意圖。
[0017]圖2為本實用新型的立體結構總體裝配示意圖。
[0018]圖3為本實用新型中環形蒸汽腔基座與重力熱管組合體的正視工作示意圖。
[0019]圖4為本實用新型中環形蒸汽腔基座的制作流程圖。
[0020]圖5為本實用新型中三維微肋-梯形臺形三維微肋結構示意圖。
[0021 ]圖6為本實用新型中三維微肋-三角形三維微肋結構示意圖。
[0022]圖7為本實用新型中三維微肋-長方體形三維微肋結構示意圖。
[0023]圖8為本實用新型中重力熱管與環形蒸汽腔基座組合體的的制作流程圖。
[0024]圖9為本實用新型中蒸發段內插管示意圖。
[0025]圖10為本實用新型中冷凝段內插管示意圖。
[0026]圖11為本實用新型中重力熱管殼體示意圖。
[0027]圖12為本實用新型中重力熱管頂部封蓋示意圖。
[0028]圖13為本實用新型中熱驅動脈動流熱管式肋片示意圖。
[0029]圖14為圖13中A-A方向的剖視圖。
[0030]圖15為本實用新型中熱驅動脈動流熱管式肋片裝配流程示意圖。
[0031]圖中:散熱風扇1、緊固螺栓2、圍護支架3、熱驅動脈動流熱管式肋片4、輻射狀肋片5、環形蒸汽腔基座6、緊固抓手7、重力熱管8、扎箍9、通孔10、頂部封蓋11、冷凝段內插管12、殼體13、環隙14、蒸發段內插管15、蒸汽腔16、導熱接觸面17、蓋板18、內環開口空腔19、外環開口空腔20、基板21、三維微肋22、預制體23、限泡通孔24、蒸發段內插管通流柵格25、冷凝段內插管通流柵格26、漸擴形導流段27、卡槽28、滑槽29、凸緣30。
【具體實施方式】
[0032]下面結合附圖對本實用新型作進一步說明:
[0033]如圖1-2所示，一種多熱管復合式高功率電子芯片散熱器，包括環形蒸汽腔基座6、重力熱管8、熱驅動脈動流熱管式肋片4、緊固抓手7、扎箍9、散熱風扇1、圍護支架3和緊固螺栓2。
[0034]如圖3-4所示，一種多熱管復合式高功率電子芯片散熱器，環形蒸汽腔基座6由基板21和蓋板18組合焊接加工而成，各部件材質均為高導熱率金屬或合金，如銅(合金)、鋁(合金)、鎳(合金)等。基板21上加工有內環開口空腔19和外環開口空腔20，內環開口空腔19背面加工有高功率電子芯片導熱接觸面17;蓋板18穿過內環開口空腔19外圍壁面將外環開口空腔20接密封后便形成環形蒸汽腔基座6;輻射狀肋片5沿徑向垂直焊接在蓋板18頂面，以增加有效散熱面積，其厚度、高度及分布密度可根據散熱負荷靈活調整;在環形蒸汽腔基座6外緣對稱開有四個通孔10供緊固螺栓2穿過固定。環形蒸汽腔基座6內部的蒸汽腔16內壁頂部、底部與四周均采用集束刀具犁削加工有三維微肋22，三維微肋的形狀為梯形臺形三維微肋(圖5)、三角錐形三維微肋(圖6)或長方體形三維微肋(圖7)，肋高為0.1?0.2mm，肋密度為90?150個/cm2;蒸汽腔16頂部與下部內壁上的徑向肋間距為0.8?1.2mm，周向肋間距為0.6?1.0mm ；蒸汽腔16四周內壁上的軸向肋間距為0.6?1.0mm，周向肋間距為0.8?
1.2mm;三維微肋22有效提升了蒸汽腔16蒸發面的核態沸騰汽化核心數量和冷凝面的毛細抽吸排泄能力，從而提高了蒸汽腔16的毛細極限并強化了沸騰、冷凝換熱。使用前，需要對蒸汽腔16抽真空充注工質，由于環形蒸汽腔基座6的散熱負荷較垂直于高功率電子芯片方向的散熱負荷要小，故選用沸點較低液體作為工質，如F87氟化液，R123等，工質的充液率為30%?50%。
[0035]如圖3和圖8所示，一種多熱管復合式高功率電子芯片散熱器，重力熱管8由環形蒸汽腔基座6的內環開口空腔19、殼體13、蒸發段內插管15、冷凝段內插管12以及頂部封蓋11組合焊接加工而成，各部件材質均與環形蒸汽腔基座6保持一致。蒸發段內插管15長度為重力熱管8內腔總高度的30%?35%，壁厚為I?2mm，其底端加工有蒸發段內插管通流柵格25，其余壁面上錯列開設有若干限泡通孔24;蒸發段內插管通流柵格25高度為10?12mm，通流面積占同高度圓環面積的70%以上；限泡通孔24孔徑為2?3mm，縱向孔間距為6?10mm，周向孔間距為4?8mm，具體值可根據蒸發段內插管15的高度和直徑設置。冷凝段內插管12為均勻壁厚光滑管，長度為重力熱管8內腔總高度的50%?55%，其頂端設有冷凝段內插管通流柵格26，另一端加工有漸擴形導流段27，漸擴段高度為10?12mm，漸擴角Θ = 45°?60°，冷凝段內插管12非漸擴段內外管徑及冷凝段內插管通流柵格26尺寸分別與蒸發段內插管15的相應尺寸保持一致。殼體13為一內徑與環形蒸汽腔基座內環開口空腔19內徑一致的中空管狀結構，外壁最小厚度為3?4mm，其底部加工有與環形蒸汽腔基座內環開口空腔19頂部環面尺寸一致的焊接平面，外壁面加工有供熱驅動脈動流熱管式肋片4安裝的卡槽28;卡槽28為多層結構，每層卡槽卡固一根熱驅動脈動流熱管式肋片4，其卡槽內尺寸與熱驅動脈動流熱管式肋片4內環管路相匹配并采用過盈配合將熱驅動脈動流熱管式肋片4卡固；卡槽28軸向上加工有與熱驅動脈動流熱管式肋片4內環管路外形相匹配的滑槽29，供熱驅動脈動流熱管式肋片4滑入安裝。頂部封蓋11為直徑與殼體13外壁直徑一致的圓形蓋板，厚度為3?4mm，底部設置有與殼體13內徑向匹配的定位凸緣30，以方便與殼體13定位焊接。如圖5所示，在組合焊接前，將各部件與焊接接觸面加工平整并清洗干凈，然后將蒸發段內插管15通過蒸發段內插管通流柵格25的柵格針腳與環形蒸汽腔基座內環開口空腔19的底部內表面同軸垂直對焊連接，并將殼體13套過蒸發段內插管15與環形蒸汽腔基座內環開口空腔19貫通焊接為一體;將冷凝段內插管12通過冷凝段內插管通流柵格26的柵格針腳與頂部封蓋11下表面同軸垂直焊接得到預制體23;最終，將預制體23從頂部同軸插入殼體13并通過頂部封蓋11上的定位凸緣30與殼體13頂部定位焊接密封便形成重力熱管8的封閉腔體。對重力熱管8進行密封檢查，而后抽真空充入25%?30%的工質，由于重力熱管8承擔了高功率電子芯片的主要散熱負荷，因此在考慮管體材料相容性的基礎上選用汽化潛熱較高的液態物質作為工質，如水、甲醇等。這樣，蒸發段內插管15與冷凝段內插管12的外壁與重力熱管8的內壁面之間形成環隙14，環隙的最佳尺寸范圍為3?5mm;蒸發段內插管15限制了該段沸騰汽泡在環隙14內的生長，增加了汽泡底部液體微層對汽泡的加熱面積并延長了微層蒸發時間，并且限泡通孔24有助于沸騰汽泡的脫離，使蒸發段沸騰換熱得到強化;冷凝段內插管12可引導上升蒸汽經冷凝段內插管通流柵格26折返至冷凝段環隙中冷凝釋熱回流，從而削弱了上升蒸汽和回流冷凝液間的逆流攜帶并促進了冷凝液的排液，提升了重力熱管8的攜帶極限和冷凝段的冷凝換熱強度。
[0036]如圖13-14所示，一種多熱管復合式高功率電子芯片散熱器，熱驅動脈動流熱管式肋片4是通過毛細金屬管首尾相接并反復彎折成形后抽真空并部分充注工質而成，毛細金屬管的當量內徑介于0.5?3.0mm，壁厚為0.15?0.2mm，工質充液率為50%?60%;熱驅動脈動流熱管式肋片4內環直徑與重力熱管8外壁面的最小外徑相匹配，外環直徑應在環形蒸汽腔基座外緣通孔10所在圓弧的直徑范圍之內，以方便圍護支架3的安裝;熱驅動脈動流熱管式肋片4的個數大于等于6，這樣足夠多的通道彎頭就可以提供管內足夠大的表面張力及管間不平衡熱驅動力，從而克服重力對熱驅動脈動流熱管式肋片4工作性能的影響，使其在水平狀態下仍能高效工作。
[0037]如圖2和如圖15所示，一種多熱管復合式高功率電子芯片散熱器，裝配時，卡槽28槽內和熱驅動脈動流熱管式肋片4的內環管路外壁均涂抹導熱硅脂，以減小接觸熱阻;將多根熱驅動脈動流熱管式肋片4從上向下依次插入卡槽28的滑槽29，到達各自安裝位置后旋轉進入卡齒進行定位卡固形成多層肋片組，其中，借助卡槽28卡入重力熱管8外壁面的管段為蒸發段，其余管段為冷凝段;多層肋片組中各肋片沿軸向交錯布置，從而使各層冷凝段管路在工作時相互之間形成擾流，強化熱驅動脈動流熱管式肋片4外的強制對流散熱;熱驅動脈動流熱管式肋片4個數及軸向分布密度可根據散熱負荷靈活調整；隨后，通過緊固抓手7從上向下穿過交錯布置的肋片間隙將熱驅動脈動流熱管式肋片4的蒸發段夾緊固定在卡槽28，并利用底部相互配合的扎箍9對緊固抓手7進行進一步約束固定。最終，通過圍護支架3將散熱風扇支撐在重力熱管8與熱驅動脈動流熱管式肋片4形成的組合體的上方，散熱風扇的四角與圍護支架的四根支腿上加工有與環形蒸汽腔基座外緣通孔10相對應的螺栓通孔，這樣就可以利用緊固螺栓2串接散熱風扇1、圍護支架3以及環形蒸汽腔基座6并與主板上相應的固定螺孔旋緊，將內環開口空腔背面的導熱接觸面17緊固在高功率電子芯片上。熱驅動脈動流熱管式肋片4內充注工質的種類可根據管壁金屬相容性及能量梯級利用原理進行選擇。在靠近底部高功率電子芯片側，熱驅動脈動流熱管式肋片4蒸發段溫度以及散熱負荷較高，可選中沸點的工質，如丙酮、FC-72氟化液等;在遠離底部電子芯片的散熱末段，熱驅動脈動流熱管式肋片4蒸發段溫度以及散熱負荷較低，可選用沸點較低的工質，如F87氟化液、R123等。熱驅動脈動流熱管式肋片4工作依靠的是管內熱驅動氣液兩相脈動相變潛熱傳熱與顯熱輸運，當量導熱系數是等截面純銅的數百倍，顯著改善了傳統高熱率金屬肋片由于肋效率影響而產生的傳熱性能受限的問題，同時熱驅動脈動流熱管式肋片4根據沿重力熱管6高度方向上散熱負荷的大小來選用相應沸點的熱管工質，可有效實現能量的梯級利用。
【主權項】
1.一種多熱管復合式高功率電子芯片散熱器，包括環形蒸汽腔基座(6)、重力熱管(8)、熱驅動脈動流熱管式肋片(4)、緊固抓手(7)、扎箍(9)、散熱風扇(1)、圍護支架(3)和緊固螺栓(2);其特征在于:所述重力熱管(8)垂直安裝于所述環形蒸汽腔基座(6)上，其內部腔體與所述環形蒸汽腔基座(6)內環空腔相互貫通并密封連接;若干所述熱驅動脈動流熱管式肋片(4)交錯卡固在所述重力熱管(8)上部殼體外側的多層卡槽(28)內，并通過所述緊固抓手(7)配合所述扎箍(9)與所述重力熱管(8)外壁緊貼固定;所述散熱風扇(I)通過所述圍護支架(3)水平支撐在所述重力熱管(8)上方，并利用所述緊固螺栓(2)串接緊固。2.根據權利要求1所述的一種多熱管復合式高功率電子芯片散熱器，其特征在于:所述環形蒸汽腔基座(6)由基板(21)和蓋板(18)組合焊接加工而成，基板(21)上加工有內環開口空腔(19)和外環開口空腔(20)，內環開口空腔(19)背面加工有高功率電子芯片導熱接觸面(17)，環形蒸汽腔基座(6)頂部設有輻射狀肋片(5)，蒸汽腔(16)內表面加工有三維微肋(22)。3.根據權利要求2所述的一種多熱管復合式高功率電子芯片散熱器，其特征在于:所述三維微肋(22)為梯形臺形三維微肋、三角錐形三維微肋或長方體形三維微肋中的一種，肋高為0.1?0.2mm，肋密度為90?150個/cm2;蒸汽腔(16)頂部與下部內壁上的徑向肋間距為0.8?I.2mm，周向肋間距為0.6?I.0mm ；蒸汽腔(16)四周內壁上的軸向肋間距為0.6?1.0mm，周向肋間距為0.8?1.2mm。4.根據權利要求1所述的一種多熱管復合式高功率電子芯片散熱器，其特征在于:所述重力熱管(8)由環形蒸汽腔基座內環開口空腔(19)、殼體(13)、蒸發段內插管(15)、冷凝段內插管(12)以及頂部封蓋(11)組合焊接加工而成，重力熱管(8)內設有與重力熱管(8)同軸放置的冷凝段內插管(12)和蒸發段內插管(15)，冷凝段內插管(12)長度為重力熱管內腔總高度的50%?55%，蒸發段內插管(15)長度為重力熱管內腔總高度的30%?35%。5.根據權利要求4所述的一種多熱管復合式高功率電子芯片散熱器，其特征在于:所述蒸發段內插管(15)底端設有蒸發段內插管通流柵格(25)，蒸發段內插管(15)壁面上錯列開設有若干限泡通孔(24)，限泡通孔(24)的孔徑為2?3mm，縱向孔間距為6?10mm，周向孔間距為4?8mm。6.根據權利要求4所述的一種多熱管復合式高功率電子芯片散熱器，其特征在于:所述冷凝段內插管(12)為均勻壁厚的光滑管，其頂端設有冷凝段內插管通流柵格(26)，另一端設有漸擴形導流段(27)，漸擴形導流段(27)高度為10?12_，漸擴角Θ= 45°?60°。7.根據權利要求4所述的一種多熱管復合式高功率電子芯片散熱器，其特征在于:所述蒸發段內插管(15)與冷凝段內插管(12)內外管徑統一，且各自外壁與重力熱管內壁之間形成環隙的最佳尺寸范圍均為3?5_。8.根據權利要求1所述的一種多熱管復合式高功率電子芯片散熱器，其特征在于:所述熱驅動脈動流熱管式肋片(4)通過毛細金屬管首尾相接并反復彎折成形后抽真空并部分充注工質而制成，熱驅動脈動流熱管式肋片(4)內環直徑與重力熱管(8)外壁面的最小外徑相匹配。9.根據權利要求8所述的一種多熱管復合式高功率電子芯片散熱器，其特征在于:所述毛細金屬管的個數大于等于6，且其當量內徑介于0.5?3.0mm，壁厚為0.15?0.2_。10.根據權利要求1所述的一種多熱管復合式高功率電子芯片散熱器，其特征在于:所述卡槽(28)為多層結構，每層卡槽卡固一根熱驅動脈動流熱管式肋片(4)，其卡槽內尺寸與熱驅動脈動流熱管式肋片(4)內環管路相匹配并采用過盈配合將熱驅動脈動流熱管式肋片(4)卡固；卡槽(28)軸向上加工有與熱驅動脈動流熱管式肋片(4)內環管路外形相匹配的滑槽(29)，供熱驅動脈動流熱管式肋片(4)滑入安裝。
【文檔編號】H01L23/427GK205680673SQ201620468858
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年5月20日 公開號201620468858.5, CN 201620468858, CN 205680673 U, CN 205680673U, CN-U-205680673, CN201620468858, CN201620468858.5, CN205680673 U, CN205680673U
【發明人】劉向東, 陳永平, 王超, 沈超群
【申請人】揚州大學