[发明专利]连续相变热沉热控制单元

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用相变传热原理对电子设备进行传热的相变热沉。

背景技术

随着电子器件的高频、高速以及集成电路技术的迅速发展和技术的进步，电子元器件的总功率密度大幅度增长而物理尺寸却越来越小，热流密度也随之增加，所以高温的温度环境势必会影响电子元器件的性能，这就要求对其进行更加高效的热控制。因此，有效解决电子元器件的散热问题已成为当前电子元器件和电子设备制造的关键技术。随着微电子技术的迅速发展,电子器件的微型化已经成为现代电子设备发展的主流趋势。电子器件特征尺寸不断减小,芯片的集成度、封装密度以及工作频率却不断提高,这就使得单位容积电子器件的总功率密度和发热量大幅度地增长,从而使电子器件的冷却问题变得越来越突出。统计表明,超过55％的电子设备的失效形式是由温度过高引起的。另一方面，电子器件工作的可靠性对温度却十分敏感，器件温度在70-80水平上每增加1，可靠性就会下降5％。较高的温度水平已日益成为制约电子器件性能的瓶颈，而高效电子器件的温度控制目前已经渐渐成为一个研究热点。随着电子元器件功率的增大,冷却设计对保证电子元器件正常工作起着非常重要的作用。固液相变热能存储系统作为热控制单元(TCU)已经运用于电子器件在脉冲热负荷条件下的高温保护和冷却。相变材料(PhaseChangeMaterial)通常是一些常压下在某些电子器件工作温度区段进行固液相变的材料,可利用相变材料在相变潜热吸收一定时段内运行的电子器件(如移动电话、便携式电脑)产生的热量,从而对电子器件进行保护。当PCM吸收热量后,其状态变为液态,当环境温度降低后,经过向环境的散热,就可以恢复固态。高温环境下工作的封装有相变材料的热沉,一方面利用固液相变潜热存储系统吸收电子器件散发的热量,另一方面还要吸收从高温环境传递过来的热量。热沉结构的几何外形是影响上述两个热量传递的关键因素。相变蓄热材料分石蜡类、非石蜡类、无机盐水合物、金属等。相变热沉是利用相变材料：如石蜡、无机盐类、脂肪酸类物质在发生相变时的潜热大，同时在相变过程中温度基本保持不变的特性。相变热沉将电子设备、器件等发出的热量吸收，同时相变热沉可保持温度在一定时间内几乎不发生变化，特别适用某些瞬态使用的大功率的电子设备热管理。由于系统内部存在温度变化,分装于系统内的石蜡密度会随着温度变化而变化,温度的差异会导致密度差,自然对流由此产生,相变材料体积会随着密度的变化而膨胀或收缩,顶端空气也会随着温度差异产生自然对流。对于顶端暴露于空气中的相变材料,相界面与空气互相接触而不互相融合。相变材料沿横向的凝固速度比纵向要快得多,这是因为,熔融态相变材料主要是对流传热为主；凝固态相变材料主要是热传导为主,相变材料的导热系数比较低,随着相变材料凝固厚度的增加,热阻会越来越来大。目前国内外主要使用两种形式的相变热沉结构：一是使用普通纯相变物质，机械封装在一个封闭腔体内形成的热沉，二是采用某些高导热填料、结构及改性的相变材料，机械封装在封闭腔体内形成热沉。采用普通相变材料封装的热沉其导热系数低，相变界面移动缓慢，相变材料发生相变后由于其导热系数低，将形成加热面与剩余未相变部分相变材料的热阻，造成较大温差，从而导致需要进行热控制的电子器件的温升高，进而导致器件的失效，相变热沉没有充分发挥作用。采用高导热相变材料有很多技术途径，主要有在传统相变材料中增加铜粉、铝粉以至纳米材料；在蜂窝结构的或周期性金属结构中填入普通相变材料；使用复杂的物理、化学合成方法将石墨形成微胶囊，而普通相变材料包裹在微胶囊中。对于这些技术途径，主要目的均是为了提高相变材料导热系数，提高相变界面移动速度，从而降低加热面与未相变材料之间的温差，促进相变材料的充分利用，增加热沉工作时间，同时降低热沉温度。目前已有的改型相变材料主要采用泡沫金属填充、石墨类材料组成包覆体、添加金属或其它高导热粒子；增加轻质高导热骨架，如翅片或周期性金属网格材料等四种基本技术提高其导热系数。所有的现有技术均是基于提高导热系数对相变材料进行改进的。国内外主要的专利也朝是在这个方向集中的。无论采用何种提高导热系数手段，都涉及到诸如新材料的制造合成、新结构的制造合成，新工艺手段的开发等。复合相变材料等所采用的技术手段复杂；如为生产高导热多孔介质材料。复合相变材料的等效的比热较之纯相变材料物质下降幅度较大；无论采用何种技术手段，复合之后的等效比热较之纯相变物质来说都会变小，以膨胀石墨相变材料来说，复合后的材料潜热从纯石蜡的230Kj/Kg变化到复合材料的161.2Kj/Kg。在相同重量的情况下，蓄热能力下降30～40％，对于重量敏感的设备和项目来说是不合适的。复合相变材料与结构的结构工艺性难以大规模生产；复合相变材料或结构的生产工艺性差，例如采用金属多孔介质必须解决多孔介质与相变材料容器之间的焊接问题，采用复合相变材料又涉及到材料如何封装入封闭容器中的问题，目前的工艺方法均不十分成熟，采用的如真空加注等方法，技术实施复杂，工艺过程有大量工艺参数需要确定，因此能够掌握的生产单位不多，生产规模不大。复合相变材料与结构的成本较普通相变材料高得多。基于以上原因，所有的技术手段都导致成本的提高，其技术经济性普遍较差，因此在通常的应用中很难大规模推广使用。