片式堆叠液冷换热器制造技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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、热交换贴片和液冷基板层叠为换热层；根据所对应芯片的热耗和控温要求不同，调整集成在基板上的堆叠式液冷板18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。

【技术实现步骤摘要】
片式堆叠液冷换热器
本专利技术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。
技术介绍
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。目前为电子设备提供冷却液的装置，从结构上来说一般是由冷却系统和冷却液循环系统组成。其工作原理是将冷却液按规定进行温度、压力、流量调节后，送往工作中的电子设备，实现设备散热冷却。根据设备冷却要求和使用环境的不同，现在市场上存在的液冷系统大致分为两类，一类采用环境大气作为冷源，进入设备的冷却液温度一般比环境温度高；另一类一般情况下进入设备的冷却液温度比环境温度低，需要制冷系统作为冷源。液冷系统的冷量由蒸发循环系统或水侧换热器提供。供液流量的控制由流量传感器、控制系统和流量三通阀来协作完成。由控制器比较流量传感器的测量流量和设定流量，采用PID控制率计算后输出信号调节三通阀，实现流量控制。系统的温度控制是由出口温度传感器、环境温度传感器、水箱温度传感器、控制系统和温度三通阀来执行完成。首先将环境温度与设定温度进行比较，当环境温度低于设定温度25时，系统的冷量完全由水侧换热器承担，蒸发循环系统不工作，此时的温度调节由控制系统驱动温度三通阀，通过调节进入水侧换热器的水量大小来实现；若不满足环境温度低于设定温度25时，控制系统将会开启蒸发循环系统进行制冷，系统的冷量由蒸发循环系统的蒸发器承担；温度调节也是通过调节进入水侧换热器的水量大小来实现，此时水侧加热器吸收冷凝器的热量。在液冷系统的中的热传递方式主要是导热和对流。包括冷板与芯片之间固一固导热，冷板与内部流体间的固一液对流换热，及流体与换热器间的换热。典型的驱动液冷循环系统主要有三个部分组成：液冷冷板、微型泵和风冷散热器。其功能主要是将电子器件或其他部件的热量通过金属传导到液体中去；微型液压泵使液体产生流动，循环冷却介质；散热器将介质的热量通过风冷的方式散发出去。液体再回到水箱这样一个循环过程。大功率耗散的电子设备常用强迫液体冷却的冷板装置来控制热点温度。冷板由传热能力高的铝板或铜板制成，电子组件直接紧固到冷板上，从组件到冷板中的冷却液体之间提供一条热阻的热流路径。这种系统用泵把吸收了电子设备耗散热的冷却剂抽到远处的空气一液体热交换器(散热器)，然后用大型的风扇驱动冷却空气通过热交换器使液体冷却。经冷却的液体又被抽回冷板，再次吸收电子设备的耗散热，而吸收了冷却液体热量的空气则被排放到周围环境中。已知热传递有三种基本方式：热传导(导热)、热对流、热辐射，实际的热量传递过程都是这三种基本方式的不同组合。在液冷系统的中的热传递方式主要是导热和对流。包括冷板与芯片之间固一固导热，冷板与内部流体间的固一液对流换热，及流体与换热器间的换热。对于各种形式电子产品的散热方式有很多，主要包括：空气冷却(自然风冷和强迫风冷)、喷射冷却、热管相变、循环液冷和喷雾冷却。喷雾冷却是通过喷嘴把液体雾化成一滴滴的液滴，然后喷射撞击加热壁面的一种冷却方式。该冷却技术的工作原理是：喷嘴雾化的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种片式堆叠液冷换热器，包括：分布在液冷基板(17)上的堆叠式液冷板换热器(18)，其特征在于：在堆叠式液冷板换热器(18)上制有冷却工质进口管(1)和冷却工质出口管(2)、包含了板级堆叠装配的矩形片式液冷汇集层(4)和细分流道的换热层(5)的堆叠层压的冷板(3)，液冷汇集层(4)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(6)，换热层(5)位于液冷汇集层(4)的下方，以中间矩形孔两边线阵排列孔的贴装矩形片(10)为基础，顺次层压了对应贴装矩形片(10)线阵排列孔和中心矩形孔的第一换热贴片(11)、第二换热贴片(12)及中间的第四换热贴片换热层(13)、热交换贴片(14)和液冷基板(15)层叠为换热层(5)；根据所对应芯片的热耗和控温要求不同，调整集成在基板(17)上的五个堆叠式液冷板换热器(18)中的主换热层数目，实现冷却模块级电子设备芯片的精确控温。/n

【技术特征摘要】
1.一种片式堆叠液冷换热器，包括：分布在液冷基板(17)上的堆叠式液冷板换热器(18)，其特征在于：在堆叠式液冷板换热器(18)上制有冷却工质进口管(1)和冷却工质出口管(2)、包含了板级堆叠装配的矩形片式液冷汇集层(4)和细分流道的换热层(5)的堆叠层压的冷板(3)，液冷汇集层(4)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(6)，换热层(5)位于液冷汇集层(4)的下方，以中间矩形孔两边线阵排列孔的贴装矩形片(10)为基础，顺次层压了对应贴装矩形片(10)线阵排列孔和中心矩形孔的第一换热贴片(11)、第二换热贴片(12)及中间的第四换热贴片换热层(13)、热交换贴片(14)和液冷基板(15)层叠为换热层(5)；根据所对应芯片的热耗和控温要求不同，调整集成在基板(17)上的五个堆叠式液冷板换热器(18)中的主换热层数目，实现冷却模块级电子设备芯片的精确控温。


2.如权利要求1所述的片式堆叠液冷换热器，其特征在于：液冷工质流(16)从冷却工质进口管(1)进入液冷汇集层(4)的矩形孔，逐层向下流，沿着换热层(5)冷板两侧的回流通道逐层回，进入液冷冷板的液冷工质从冷板中间逐层向下流，通过换热层(5)的中心流道，沿着换热层(5)中的贴装矩形片层两侧的回流通道，逐层回流至液冷汇集层(4)，汇集后由液冷工质出口管(2)流出。


3.如权利要求1所述的片式堆叠液冷换热器，其特征在于：矩形片式液冷汇集层(4)包括垂直固定有液冷工质进口管(1)入口和液冷工质出口管(2)的顶部封闭连接片(6)，制有至少两个矩形孔的第一汇集片(7)和第二汇集片(8)，其中，第二汇集片()8的长边两侧还制有纵向矩形孔。


4.如权利要求1所述的片式堆叠液冷换热器，其特征在于：液冷冷却工质通过顶部封闭连接片(6)上的液冷工质进口管(1)入口进入冷板，通过矩形片式液冷汇集层(4)的第一汇集片(7)左侧矩形孔进入第二汇集片(8)和第二汇集片(8)对应的矩形孔流入下一层中的第三汇集片(9)进行液冷工质换热后，返回第二汇集片(8)，进入第一汇集片(7)，沿第一汇集片(7)的右侧方孔进入液冷工质出口管(2)流出冷板。


5.如权利要求1所述的片式堆叠液冷换热器，其特征在于：矩形片式液冷汇集层(4)包括垂直固定有液冷工质进口管(1)入口和液冷工质出口管(2)的顶部封闭连接片(6)，制有至少两个矩形孔的第一汇集片...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵亮，
申请(专利权)人：西南电子技术研究所中国电子科技集团公司第十研究所，
类型：发明
国别省市：四川;51