[发明专利]用于冷却电子元件的液体冷却散热片

说明书

相关申请

本发明是1993年12月15日提交的本申请人的序号为No．08／166871的共同未决的专利申请的部分继续，该专利申请已转让给与本发明相同的受让人。

发明领域

本发明涉及冷却发热元件的散热片的改进，具体涉及冷却电子元件的散热片的改进。

相关技术的说明

半导体电子元件和其它产热源具有由若干因素确定的输送功率限制。所有电子元件尽管效率很高，但是在产生有用功的同时总会产生一些内部损耗。电路电阻或导电状态的改变将造成能量的内部损失。该能量表现为热能形式，该热能如果没有得到正确的控制和散热，将会使内部温度(或能量状态)达到使该电子元件不能正确操作的程度。因为尽可能多地从元件中取出有用的功是元件终端使用者的目的，所以元件制造商将会提供尽可能减小内耗的内部结构，或者如果不足够减小内耗，则需要提供效率高的散热路径，以便从元件中传走(或传送)热能。如果是后者，应用一种通常称作“散热片”的外部元件，以便吸收热能并最后将热能传送到终端用户提供的任何一种灌注的冷却流体中。

热能(由工作元件连续产生)一当产生便只能从热的区域“流到”相对冷的区域。这种能量传输率(或释放)主要由热量传输的三种方式确定。第一种是传导传热。该机理是基于任何固体物质能够传导通过其本身的热量。更主要参数是：存在的温差(ΔT)、物质的导热率(k)、传热路径的长度(l)和热量必须流过的横截面积(A)，这可以用公式表示如下：

Q=kAΔT／l

第二种机理是对流传热，这是基于灌注的流体(通常为空气或水)能够与热的固体表面的紧密接触而吸收热量。其主要参数是：存在的温差(ΔT)、流体吸热特性(h)和表面接触面积(A)的大小。这可以表示如下：

Q=hAΔT／l

最后一种基理是辐射传热。这是基于从固定表面上发射低能级的波，发射到远距离的较冷的表面或流体分子上，类似于从火炉中辐射的热量。辐射热量取决于：存在的温差(ΔT)、表面的辐射率(E)和受辐射作用的表面积大小(A)。这可以表示如下：

Q=EAΔT

确定热量如何通畅地从元件(像半导体器件)的临界操作表面传出正是这三种方式的相互作用。在通常使用的产热元件中，热量首先通过传导传热而传送到较冷的外表面。随后，如果散热片与该外表面接触，则热量通过传导作用越过边界面，再流到较冷的相邻散热片。然后该热量通过传导作用，经散热片，流到其较冷的外表面，即暴露于藻注流体的内表面。在此位置热量通过对流和辐射作用传送到较冷的周围流体。然而还存在影响热量流动的若干客观和实际的限制。首先，或许最重要的是存在离散的相对固定的温差。大部分电子半导体元件当其内部活性(结合)表面温度超过150℃时便不能可靠地操作，而且一般可利用的冷却流体其初始进入的环境温度为25～50℃。不可否认，终端用户可以采用某种形式的制冷循环来过度冷却流体，但是经济上的代价通常是将这种制冷循环着作为最后的求助办法。

终端用户可采用的冷却流体的实际特性构成第二个限制因素。一般采用空气(作为气体)、水或其它液体混合物。每种流体具有固定的相对于热流必须考虑和适应的物理参数，例如，致密的流体(如水)在较小体积中可以吸收大量热能。相反，气体(如空气)只能在大的体积中吸收较小的热能。最后，包括从热源到冷却流体必需的导热路径的固体物质具有自身的固定物理参数，例如导热率。

散热片的操作正是受到所有上述因素的制约。散热片的相对操作性能可以用术语“热阻”Q说明，该热阻基本上反映了这种制约。用下式表示：

Q=ΔT／Q

式中ΔT是存在的温度梯度；Q是耗散的热量。当热量相当低，而温度梯度相当大时，一般最好用空气作冷却介质。已经设计各种散热片与这种流体联合操作。从简单的冲压金属型式到逐渐加大的更复杂的挤压件和机加工组件，范围很广。然而在某些情况下，要传送的热能量超过空气冷却散热片的能力。大量能量需要大量露出的表面积。大的表面积又需要大的导热支承件以分散热量。而大的导热支承件具有很长的传热路径。最后，传热路径的损耗超过了更大的对流(和辐射)面积的增益。