一种多热管复合式高功率电子芯片散热器的制造方法
【专利摘要】一种多热管复合式高功率电子芯片散热器，属于电子产品辅助设备技术领域，包括环形蒸汽腔基座、重力热管、热驱动脉动流热管式肋片、紧固抓手、扎箍、散热风扇、围护支架和紧固螺栓；重力热管垂直安装于环形蒸汽腔基座上，其内部腔体与环形蒸汽腔基座内环空腔相互贯通并密封连接；若干热驱动脉动流热管式肋片交错卡固在重力热管上部壳体外侧的多层花形卡槽内，并通过紧固抓手配合扎箍与重力热管外壁紧贴固定。本实用新型实现了高功率电子芯片产热在三维散热空间上的合理分配与高效输运和散释，散热功率大、效率高。
【专利说明】
一种多热管复合式高功率电子芯片散热器
技术领域
[0001]本实用新型属于电子产品辅助设备技术领域，涉及一种电子散热装置，具体的说是涉及一种用于解决独立高热流密度电子芯片散热问题的具有高效、高功率散热的多热管复合式高功率电子芯片散热器。
【背景技术】
[0002]电子芯片与元件工作时的散热水平直接关系到电子设备可靠性，尤其对于热负荷敏感度较高的独立高热流密度电子芯片(如CPU、GPU、LED)来说，热量在芯片处的累积将明显降低其工作稳定性和使用寿命。特别是，电子元器件高性能、微型化和集成化的三大发展趋势将使其面临的散热问题更加突出，而传统的肋片扩展换热表面配合强制空气对流的传统散热方式已经无法满足功耗日益增长的高热流密度电子芯片的散热需求。因此，为了保证高功率电子芯片的稳定、高效运行，亟需研发高热流密度、高效率的电子芯片散热技术。
[0003]近年来，热管散热、热电致冷、射流式/浸润式直接冷却、主动式微通道液体循环冷却等多种新型散热/冷却技术的提出和发展为解决上述高热流密度电子芯片的散热难题提供了契机。其中，热管散热技术因其等温性好、散热能力强、加工布置方便和可靠性优良等性能优势而在高热流密度电子元器件的散热领域得到了较为广泛的应用。目前，常规热管散热技术往往是利用毛细热管、重力热管和回路热管等高导热性换热元件将电子芯片产热高效导出至与之配合的大面积肋化换热表面后借助强制对流换热散释。然而，基于传统设计的各型热管虽然加工技术成熟、生产成本低廉，但其运行过程中仍存在着一系列传热极限，如携带极限、毛细极限等，导致其极限散热量仍有待提高。另外，以高导热率金属作为基材的传统肋片扩展表面因受到肋效率的影响而造成其散热性能受到一定限制。
【实用新型内容】
[0004]本实用新型的目的是针对上述现有技术的不足，提供一种散热功率大，散热性能好，并且结构新颖紧凑，安装维护方便的多热管复合式高功率电子芯片散热器，其能有效提升常规热管散热技术的散热极限，并显著改善传统高热率金属肋片扩展表面换热性能受限于肋效率的问题。
[0005]本实用新型的技术方案是:一种多热管复合式高功率电子芯片散热器，包括环形蒸汽腔基座、重力热管、热驱动脉动流热管式肋片、紧固抓手、扎箍、散热风扇、围护支架和紧固螺栓;其特征在于:所述重力热管垂直安装于所述环形蒸汽腔基座上，其内部腔体与所述环形蒸汽腔基座内环空腔相互贯通并密封连接;若干所述热驱动脉动流热管式肋片交错卡固在所述重力热管上部壳体外侧的多层卡槽内，并通过所述紧固抓手配合所述扎箍与所述重力热管外壁紧贴固定;所述散热风扇通过所述围护支架水平支撑在所述重力热管上方，并利用所述紧固螺栓串接紧固。
[0006]所述环形蒸汽腔基座由基板和盖板组合焊接加工而成，基板上加工有内环开口空腔和外环开口空腔，内环开口空腔背面加工有高功率电子芯片导热接触面，环形蒸汽腔基座顶部设有辐射状肋片，蒸汽腔内表面加工有三维微肋。
[0007]所述三维微肋的形状为长方体、梯形台或三角锥中的一种，肋高为0.1?0.2mm，肋密度为90?150个/cm2;蒸汽腔顶部与下部内壁上的径向肋间距为0.8?1.2mm，周向肋间距为0.6?1.0mm;蒸汽腔四周内壁上的轴向肋间距为0.6?1.0mm，周向肋间距为0.8?1.2mm。
[0008]所述重力热管由环形蒸汽腔基座内环开口空腔、壳体、蒸发段内插管、冷凝段内插管以及顶部封盖组合焊接加工而成，重力热管内设有与重力热管同轴放置的冷凝段内插管和蒸发段内插管，冷凝段内插管长度为重力热管内腔总高度的50%?55%，蒸发段内插管长度为重力热管内腔总高度的30%?35%。
[0009]所述蒸发段内插管底端设有蒸发段内插管通流栅格，蒸发段内插管壁面上错列开设有若干限泡通孔，限泡通孔的孔径为2?3mm，纵向孔间距为6?10mm，周向孔间距为4?8mm ο
[0010]所述冷凝段内插管为均匀壁厚的光滑管，其顶端设有冷凝段内插管通流栅格，另一端设有渐扩形导流段，渐扩形导流段高度为10?12_，渐扩角Θ = 45°?60°。
[0011]所述蒸发段内插管与冷凝段内插管内外管径统一，且各自外壁与重力热管内壁之间形成环隙的最佳尺寸范围均为3?5_。
[0012]所述热驱动脉动流热管式肋片通过毛细金属管首尾相接并反复弯折成形后抽真空并部分充注工质而制成，热驱动脉动流热管式肋片内环直径与重力热管外壁面的最小外径相匹配。
[0013]所述毛细金属管的个数大于等于6，且其当量内径介于0.5?3.0mm，壁厚为0.15?
0.2mm。
[0014]所述卡槽为多层结构，每层卡槽卡固一根热驱动脉动流热管式肋片，其卡槽内尺寸与热驱动脉动流热管式肋片内环管路相匹配并采用过盈配合将热驱动脉动流热管式肋片卡固；卡槽轴向上加工有与热驱动脉动流热管式肋片内环管路外形相匹配的滑槽，供热驱动脉动流热管式肋片滑入安装。
[0015]本实用新型的有益效果为:本实用新型提出的一种多热管复合式高功率电子芯片散热器，结构新颖紧凑，工作原理清晰，安装维护方便，它以中心重力热管作为散热器的传热中枢，实现了底部高功率电子芯片产热沿垂直方向的高效热传输，并且与传统中空式重力热管相比，管内设置的内插管有助于蒸发段工质沸腾过程中的微层蒸发和沸腾汽泡的脱离，削弱了冷凝段上升蒸汽和回流冷凝液间的逆流携带并促进冷凝排液，进而分别强化了相应工作段的沸腾和冷凝换热，提升了重力热管的携带极限;底部环形蒸汽腔基座可将高功率电子芯片部分产热快速扩展至水平方向上散释，有效缓解了垂直方向上的散热负荷，并且其内壁面上加工的三维微肋大幅度增加了蒸汽腔蒸发面的核态沸腾汽化核心数量并增强了冷凝面的毛细抽吸排排液能力，从而强化了蒸汽腔内的沸腾与冷凝换热，提高其毛细极限；采用热驱动脉动流热管式肋片作为扩展散热表面，有效改善了传统高热率金属肋片扩展表面换热性能受限于肋效率的问题。本实用新型可将高功率电子芯片的产热合理分配并高效扩展至三维空间扩展表面散释，散热功率大、效率高，从而满足了功耗日益增长的高热流密度电子芯片的散热需求。
【附图说明】
[0016]图1为本实用新型的立体结构示意图。
[0017]图2为本实用新型的立体结构总体装配示意图。
[0018]图3为本实用新型中环形蒸汽腔基座与重力热管组合体的正视工作示意图。
[0019]图4为本实用新型中环形蒸汽腔基座的制作流程图。
[0020]图5为本实用新型中三维微肋-梯形台形三维微肋结构示意图。
[0021 ]图6为本实用新型中三维微肋-三角形三维微肋结构示意图。
[0022]图7为本实用新型中三维微肋-长方体形三维微肋结构示意图。
[0023]图8为本实用新型中重力热管与环形蒸汽腔基座组合体的的制作流程图。
[0024]图9为本实用新型中蒸发段内插管示意图。
[0025]图10为本实用新型中冷凝段内插管示意图。
[0026]图11为本实用新型中重力热管壳体示意图。
[0027]图12为本实用新型中重力热管顶部封盖示意图。
[0028]图13为本实用新型中热驱动脉动流热管式肋片示意图。
[0029]图14为图13中A-A方向的剖视图。
[0030]图15为本实用新型中热驱动脉动流热管式肋片装配流程示意图。
[0031]图中:散热风扇1、紧固螺栓2、围护支架3、热驱动脉动流热管式肋片4、辐射状肋片5、环形蒸汽腔基座6、紧固抓手7、重力热管8、扎箍9、通孔10、顶部封盖11、冷凝段内插管12、壳体13、环隙14、蒸发段内插管15、蒸汽腔16、导热接触面17、盖板18、内环开口空腔19、外环开口空腔20、基板21、三维微肋22、预制体23、限泡通孔24、蒸发段内插管通流栅格25、冷凝段内插管通流栅格26、渐扩形导流段27、卡槽28、滑槽29、凸缘30。
【具体实施方式】
[0032]下面结合附图对本实用新型作进一步说明:
[0033]如图1-2所示，一种多热管复合式高功率电子芯片散热器，包括环形蒸汽腔基座6、重力热管8、热驱动脉动流热管式肋片4、紧固抓手7、扎箍9、散热风扇1、围护支架3和紧固螺栓2。
[0034]如图3-4所示，一种多热管复合式高功率电子芯片散热器，环形蒸汽腔基座6由基板21和盖板18组合焊接加工而成，各部件材质均为高导热率金属或合金，如铜(合金)、铝(合金)、镍(合金)等。基板21上加工有内环开口空腔19和外环开口空腔20，内环开口空腔19背面加工有高功率电子芯片导热接触面17;盖板18穿过内环开口空腔19外围壁面将外环开口空腔20接密封后便形成环形蒸汽腔基座6;辐射状肋片5沿径向垂直焊接在盖板18顶面，以增加有效散热面积，其厚度、高度及分布密度可根据散热负荷灵活调整;在环形蒸汽腔基座6外缘对称开有四个通孔10供紧固螺栓2穿过固定。环形蒸汽腔基座6内部的蒸汽腔16内壁顶部、底部与四周均采用集束刀具犁削加工有三维微肋22，三维微肋的形状为梯形台形三维微肋(图5)、三角锥形三维微肋(图6)或长方体形三维微肋(图7)，肋高为0.1?0.2mm，肋密度为90?150个/cm2;蒸汽腔16顶部与下部内壁上的径向肋间距为0.8?1.2mm，周向肋间距为0.6?1.0mm ；蒸汽腔16四周内壁上的轴向肋间距为0.6?1.0mm，周向肋间距为0.8?
1.2mm;三维微肋22有效提升了蒸汽腔16蒸发面的核态沸腾汽化核心数量和冷凝面的毛细抽吸排泄能力，从而提高了蒸汽腔16的毛细极限并强化了沸腾、冷凝换热。使用前，需要对蒸汽腔16抽真空充注工质，由于环形蒸汽腔基座6的散热负荷较垂直于高功率电子芯片方向的散热负荷要小，故选用沸点较低液体作为工质，如F87氟化液，R123等，工质的充液率为30%?50%。
[0035]如图3和图8所示，一种多热管复合式高功率电子芯片散热器，重力热管8由环形蒸汽腔基座6的内环开口空腔19、壳体13、蒸发段内插管15、冷凝段内插管12以及顶部封盖11组合焊接加工而成，各部件材质均与环形蒸汽腔基座6保持一致。蒸发段内插管15长度为重力热管8内腔总高度的30%?35%，壁厚为I?2mm，其底端加工有蒸发段内插管通流栅格25，其余壁面上错列开设有若干限泡通孔24;蒸发段内插管通流栅格25高度为10?12mm，通流面积占同高度圆环面积的70%以上；限泡通孔24孔径为2?3mm，纵向孔间距为6?10mm，周向孔间距为4?8mm，具体值可根据蒸发段内插管15的高度和直径设置。冷凝段内插管12为均匀壁厚光滑管，长度为重力热管8内腔总高度的50%?55%，其顶端设有冷凝段内插管通流栅格26，另一端加工有渐扩形导流段27，渐扩段高度为10?12mm，渐扩角Θ = 45°?60°，冷凝段内插管12非渐扩段内外管径及冷凝段内插管通流栅格26尺寸分别与蒸发段内插管15的相应尺寸保持一致。壳体13为一内径与环形蒸汽腔基座内环开口空腔19内径一致的中空管状结构，外壁最小厚度为3?4mm，其底部加工有与环形蒸汽腔基座内环开口空腔19顶部环面尺寸一致的焊接平面，外壁面加工有供热驱动脉动流热管式肋片4安装的卡槽28;卡槽28为多层结构，每层卡槽卡固一根热驱动脉动流热管式肋片4，其卡槽内尺寸与热驱动脉动流热管式肋片4内环管路相匹配并采用过盈配合将热驱动脉动流热管式肋片4卡固；卡槽28轴向上加工有与热驱动脉动流热管式肋片4内环管路外形相匹配的滑槽29，供热驱动脉动流热管式肋片4滑入安装。顶部封盖11为直径与壳体13外壁直径一致的圆形盖板，厚度为3?4mm，底部设置有与壳体13内径向匹配的定位凸缘30，以方便与壳体13定位焊接。如图5所示，在组合焊接前，将各部件与焊接接触面加工平整并清洗干净，然后将蒸发段内插管15通过蒸发段内插管通流栅格25的栅格针脚与环形蒸汽腔基座内环开口空腔19的底部内表面同轴垂直对焊连接，并将壳体13套过蒸发段内插管15与环形蒸汽腔基座内环开口空腔19贯通焊接为一体;将冷凝段内插管12通过冷凝段内插管通流栅格26的栅格针脚与顶部封盖11下表面同轴垂直焊接得到预制体23;最终，将预制体23从顶部同轴插入壳体13并通过顶部封盖11上的定位凸缘30与壳体13顶部定位焊接密封便形成重力热管8的封闭腔体。对重力热管8进行密封检查，而后抽真空充入25%?30%的工质，由于重力热管8承担了高功率电子芯片的主要散热负荷，因此在考虑管体材料相容性的基础上选用汽化潜热较高的液态物质作为工质，如水、甲醇等。这样，蒸发段内插管15与冷凝段内插管12的外壁与重力热管8的内壁面之间形成环隙14，环隙的最佳尺寸范围为3?5mm;蒸发段内插管15限制了该段沸腾汽泡在环隙14内的生长，增加了汽泡底部液体微层对汽泡的加热面积并延长了微层蒸发时间，并且限泡通孔24有助于沸腾汽泡的脱离，使蒸发段沸腾换热得到强化;冷凝段内插管12可引导上升蒸汽经冷凝段内插管通流栅格26折返至冷凝段环隙中冷凝释热回流，从而削弱了上升蒸汽和回流冷凝液间的逆流携带并促进了冷凝液的排液，提升了重力热管8的携带极限和冷凝段的冷凝换热强度。
[0036]如图13-14所示，一种多热管复合式高功率电子芯片散热器，热驱动脉动流热管式肋片4是通过毛细金属管首尾相接并反复弯折成形后抽真空并部分充注工质而成，毛细金属管的当量内径介于0.5?3.0mm，壁厚为0.15?0.2mm，工质充液率为50%?60%;热驱动脉动流热管式肋片4内环直径与重力热管8外壁面的最小外径相匹配，外环直径应在环形蒸汽腔基座外缘通孔10所在圆弧的直径范围之内，以方便围护支架3的安装;热驱动脉动流热管式肋片4的个数大于等于6，这样足够多的通道弯头就可以提供管内足够大的表面张力及管间不平衡热驱动力，从而克服重力对热驱动脉动流热管式肋片4工作性能的影响，使其在水平状态下仍能高效工作。
[0037]如图2和如图15所示，一种多热管复合式高功率电子芯片散热器，装配时，卡槽28槽内和热驱动脉动流热管式肋片4的内环管路外壁均涂抹导热硅脂，以减小接触热阻;将多根热驱动脉动流热管式肋片4从上向下依次插入卡槽28的滑槽29，到达各自安装位置后旋转进入卡齿进行定位卡固形成多层肋片组，其中，借助卡槽28卡入重力热管8外壁面的管段为蒸发段，其余管段为冷凝段;多层肋片组中各肋片沿轴向交错布置，从而使各层冷凝段管路在工作时相互之间形成扰流，强化热驱动脉动流热管式肋片4外的强制对流散热;热驱动脉动流热管式肋片4个数及轴向分布密度可根据散热负荷灵活调整；随后，通过紧固抓手7从上向下穿过交错布置的肋片间隙将热驱动脉动流热管式肋片4的蒸发段夹紧固定在卡槽28，并利用底部相互配合的扎箍9对紧固抓手7进行进一步约束固定。最终，通过围护支架3将散热风扇支撑在重力热管8与热驱动脉动流热管式肋片4形成的组合体的上方，散热风扇的四角与围护支架的四根支腿上加工有与环形蒸汽腔基座外缘通孔10相对应的螺栓通孔，这样就可以利用紧固螺栓2串接散热风扇1、围护支架3以及环形蒸汽腔基座6并与主板上相应的固定螺孔旋紧，将内环开口空腔背面的导热接触面17紧固在高功率电子芯片上。热驱动脉动流热管式肋片4内充注工质的种类可根据管壁金属相容性及能量梯级利用原理进行选择。在靠近底部高功率电子芯片侧，热驱动脉动流热管式肋片4蒸发段温度以及散热负荷较高，可选中沸点的工质，如丙酮、FC-72氟化液等;在远离底部电子芯片的散热末段，热驱动脉动流热管式肋片4蒸发段温度以及散热负荷较低，可选用沸点较低的工质，如F87氟化液、R123等。热驱动脉动流热管式肋片4工作依靠的是管内热驱动气液两相脉动相变潜热传热与显热输运，当量导热系数是等截面纯铜的数百倍，显著改善了传统高热率金属肋片由于肋效率影响而产生的传热性能受限的问题，同时热驱动脉动流热管式肋片4根据沿重力热管6高度方向上散热负荷的大小来选用相应沸点的热管工质，可有效实现能量的梯级利用。
【主权项】
1.一种多热管复合式高功率电子芯片散热器，包括环形蒸汽腔基座(6)、重力热管(8)、热驱动脉动流热管式肋片(4)、紧固抓手(7)、扎箍(9)、散热风扇(1)、围护支架(3)和紧固螺栓(2);其特征在于:所述重力热管(8)垂直安装于所述环形蒸汽腔基座(6)上，其内部腔体与所述环形蒸汽腔基座(6)内环空腔相互贯通并密封连接;若干所述热驱动脉动流热管式肋片(4)交错卡固在所述重力热管(8)上部壳体外侧的多层卡槽(28)内，并通过所述紧固抓手(7)配合所述扎箍(9)与所述重力热管(8)外壁紧贴固定;所述散热风扇(I)通过所述围护支架(3)水平支撑在所述重力热管(8)上方，并利用所述紧固螺栓(2)串接紧固。2.根据权利要求1所述的一种多热管复合式高功率电子芯片散热器，其特征在于:所述环形蒸汽腔基座(6)由基板(21)和盖板(18)组合焊接加工而成，基板(21)上加工有内环开口空腔(19)和外环开口空腔(20)，内环开口空腔(19)背面加工有高功率电子芯片导热接触面(17)，环形蒸汽腔基座(6)顶部设有辐射状肋片(5)，蒸汽腔(16)内表面加工有三维微肋(22)。3.根据权利要求2所述的一种多热管复合式高功率电子芯片散热器，其特征在于:所述三维微肋(22)为梯形台形三维微肋、三角锥形三维微肋或长方体形三维微肋中的一种，肋高为0.1?0.2mm，肋密度为90?150个/cm2;蒸汽腔(16)顶部与下部内壁上的径向肋间距为0.8?I.2mm，周向肋间距为0.6?I.0mm ；蒸汽腔(16)四周内壁上的轴向肋间距为0.6?1.0mm，周向肋间距为0.8?1.2mm。4.根据权利要求1所述的一种多热管复合式高功率电子芯片散热器，其特征在于:所述重力热管(8)由环形蒸汽腔基座内环开口空腔(19)、壳体(13)、蒸发段内插管(15)、冷凝段内插管(12)以及顶部封盖(11)组合焊接加工而成，重力热管(8)内设有与重力热管(8)同轴放置的冷凝段内插管(12)和蒸发段内插管(15)，冷凝段内插管(12)长度为重力热管内腔总高度的50%?55%，蒸发段内插管(15)长度为重力热管内腔总高度的30%?35%。5.根据权利要求4所述的一种多热管复合式高功率电子芯片散热器，其特征在于:所述蒸发段内插管(15)底端设有蒸发段内插管通流栅格(25)，蒸发段内插管(15)壁面上错列开设有若干限泡通孔(24)，限泡通孔(24)的孔径为2?3mm，纵向孔间距为6?10mm，周向孔间距为4?8mm。6.根据权利要求4所述的一种多热管复合式高功率电子芯片散热器，其特征在于:所述冷凝段内插管(12)为均匀壁厚的光滑管，其顶端设有冷凝段内插管通流栅格(26)，另一端设有渐扩形导流段(27)，渐扩形导流段(27)高度为10?12_，渐扩角Θ= 45°?60°。7.根据权利要求4所述的一种多热管复合式高功率电子芯片散热器，其特征在于:所述蒸发段内插管(15)与冷凝段内插管(12)内外管径统一，且各自外壁与重力热管内壁之间形成环隙的最佳尺寸范围均为3?5_。8.根据权利要求1所述的一种多热管复合式高功率电子芯片散热器，其特征在于:所述热驱动脉动流热管式肋片(4)通过毛细金属管首尾相接并反复弯折成形后抽真空并部分充注工质而制成，热驱动脉动流热管式肋片(4)内环直径与重力热管(8)外壁面的最小外径相匹配。9.根据权利要求8所述的一种多热管复合式高功率电子芯片散热器，其特征在于:所述毛细金属管的个数大于等于6，且其当量内径介于0.5?3.0mm，壁厚为0.15?0.2_。10.根据权利要求1所述的一种多热管复合式高功率电子芯片散热器，其特征在于:所述卡槽(28)为多层结构，每层卡槽卡固一根热驱动脉动流热管式肋片(4)，其卡槽内尺寸与热驱动脉动流热管式肋片(4)内环管路相匹配并采用过盈配合将热驱动脉动流热管式肋片(4)卡固；卡槽(28)轴向上加工有与热驱动脉动流热管式肋片(4)内环管路外形相匹配的滑槽(29)，供热驱动脉动流热管式肋片(4)滑入安装。
【文档编号】H01L23/427GK205680673SQ201620468858
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年5月20日 公开号201620468858.5, CN 201620468858, CN 205680673 U, CN 205680673U, CN-U-205680673, CN201620468858, CN201620468858.5, CN205680673 U, CN205680673U
【发明人】刘向东, 陈永平, 王超, 沈超群
【申请人】扬州大学