[发明专利]片式堆叠液冷换热器

说明书

本发明公开的一种片式堆叠液冷换热器，旨在提供一种冷却效率高，能够有效抑制热斑效应的高效液冷换热器。本发明通过下述技术方案实现：液冷汇集层上制有至少四层汇集了采用沿圆孔、矩形条孔、方孔结构错位分布的细分流道及顶部封闭连接片，换热层位于液冷汇集层的下方，以中间矩形孔两边线阵排列孔的贴装矩形片为基础，顺次层压了对应贴装矩形片线阵排列孔和中心矩形孔的第一换热贴片、第二换热贴片、第三换热贴片及中间的第四换热贴片换热层、第五热交换贴片和底部封闭换热片层叠为换热层；根据所对应芯片的热耗和控温要求不同，调整集成在液冷基板上的堆叠式液冷板中的主换热层数目，实现同一模块上冷却模块级电子设备芯片的精确控温。

技术领域

本发明涉及一种适用于高热流密度的电子芯片、电子设备模块热控的液冷冷板。

背景技术

近年来，电子信息技术以及微细加工工艺的迅猛发展，为微型换热设备的研究与应用提供可能。热控制技术是电子设备结构设计的关键技术之一，它关系到整个电子设备系统能否正常工作、工作性能及可靠性。当今，电子设备的发展趋势越发微型化、紧凑化和集成化，其内部电子元器件的特征尺寸也已达到微米级别。例如，英特尔公司的代号为SandyBridge的微处理器已经可以在261mm²的芯片上集成接近109个晶体管，服务器微处理器满负荷运行时的功耗将超过130W。这意味着满负荷运行时，芯片上的热流密度接近惊人的1MWm^-2，电子设备体积功率的剧增，必然对设备的散热需求越来越高。采用传统的强迫风冷散热技术要在有限的空间内处理如此之高的热流密度将遇到极大的挑战，特别由大量的发热单元组成的阵列或大面积的发热源，这些发热源在热控要求上有一些共性的特点，即：单个单元或单位面积发热量小，但单元数量多，总发热量相当可观；发热位置比较分散，往往是立体式分布；阵列紧密，间隙小；各单元间可能有较严格的均温和恒温要求。单元间距、组件间距等在内的结构尺寸受到严格限制，冷板和分流腔的设计都有很大困难。根据《印制电路组件装焊技术指南》标准，为了减少传输器和连接导线，大幅度缩小设备的体积，很多高密度印制电路板采用板级堆叠装配，“沿用”MCM芯片级组装垂直互联、侧向互联、凸点互联等多种互联技术，以板级为基础在设备内部空间实现印制电路板之间的堆叠装配。或者以板级之间的“错位”设计技术，表面组装技术为基础技术，实现电路板之间的板级堆叠装配，其突出标志是在垂直方向（Z方向）上安装高密度元器件。多次高温带来金属氧化、焊盘剥离、元件和液冷基板的变形及损坏以及金属间化合物的过度生长等问题，很难不影响到其它堆叠元件，堆叠封装的高温散热变得尤为困难。由于电子元器件对温度十分敏感，器件温度超过其安全工作温度时，每增加1℃，可靠性就会下降5％。因此，为了电子设备维持正常稳定运转，其工作温度必须控制在一定的范围之内。为了解决电子设备的发热过高问题，大多设备都设有液冷系统。电子设备液冷系统主要部件包括泵、冷板机箱、安全活门、膨胀罐、过滤器等。系统内电子元件产生的热量通过冷板传递给循环的载冷剂，载冷剂温度升高后，经泵泵入换热器组件，在换热器组件内，用空气对换热器载冷剂进行冷却，冷却到技术要求后，进入下一个循环。传统液冷系统的散热方式采用普通的空冷、单相受迫对流冷却，需要的散热设备体积较大，单位空间的热流密度较低，很难达到高效冷却的效果。当电子设备的热流密度不大时，采用简单的自然冷却或者是强迫风冷都能够满足设备的散热要求，但是当发热源数量多，位置分散且对空间尺寸要求严格，发热功率达到2W/cm2或以上时，采用风冷就难以达到散热的要求。相比而言，液冷在处理高热流密度散热问题时效果非常明显，不但可以使冷源与被冷却对象间隔比较远的距离，还可以针对分散式热源集中的散热，有效地减小整个散热系统的体积。但如果超过100W发热功率的中央处理器使用普通风冷散热器进行散热已经相当吃力，不但需要一个设计/制造精良的散热片，可能还需要忍受高速风扇带来的噪音。更复杂的散热器的热管型风冷散热器的水冷散热系统必须具有水冷块、循环液、水泵、管道和水箱或换热器。水冷块是一个内部留有水道的金属块，由铜或铝制成，与CPU接触并将吸收CPU的热量。循环液由水泵的作用在循环的管路中流动，如果液体是水，就称水冷系统。水冷散热系统最大的特点有两个：均衡CPU的热量和低噪声工作。由于水的比热容超大，因此能够吸收大量的热量而保持温度不会明显的变化。由于换热器的表面积很大，需要低转速的风扇对其进行散热。因此水冷大多搭配转速较低的风扇，水箱用来存储循环液，水管连接水泵、水冷块和水箱，其作用是让循环液在一个密闭的通道中循环流动而不外漏，让液冷散热系统正常工作。此外，水泵的工作噪声一般也不会很明显。换热器就是一个类似散热片的装置，循环液将热量传递给具有大表面积的散热片，散热片上的风扇则将流入空气的热量带走。水冷散热与风冷散热其本质是相同的，只是水冷利用循环液将CPU的热量从水冷块中搬运到换热器上再散发出去，代替了风冷散热的均质金属或者热管，其中的换热器部分又几乎是风冷散热器的翻版。