通用冷却基板模块的制作方法

1.本发明的实施方式大体涉及数据中心。更具体地，本发明的实施方式涉及一种通用冷却基板模块。


背景技术：

2.包括数个有源电子机架的数据中心的热管理对于确保在机架中运行的服务器和其它it设备的适当性能至关重要。在没有适当的热管理的情况下，机架内的热环境可能超过操作阈值，从而导致操作后果(例如，服务器故障等)。管理热环境的一种方法是使用冷却空气来冷却it设备。大多数现有数据中心都是空气冷却的。近来，数据中心已经部署了更高功率密度的电子机架，其中更高密度的芯片更紧密地封装在一起，以提供更大的处理能力。通过维持适当的热环境来冷却这些高密度机架可能是现有冷却系统的问题。
3.随着高功率密度电子器件的功率密度增加，液体冷却成为一种可行的解决方案。在一些情况下，空气冷却可能不是可行的解决方案。首先，当电子器件的功率密度高时，它超过了大多数空气冷却装置或系统的限制。连续的空气冷却设计将牺牲显著的成本(初始资本成本和运行成本)，并且也会挑战可靠性。其次，在一些最新的电子封装中，整个主板以及电子器件封装在封闭系统中。这意味着电子器件可能不能接近任何空气源。因此，在该系统中不能使用空气冷却。第三，边缘计算设备可以在外部环境中使用。即使冷却空气可用于这些电子器件，包括温度、湿度、质量的空气条件对于操作这些设备或冷却系统也可能不可行。
4.液体冷却对空气冷却的主要缺点之一是设计的复杂性。液体冷却将包括歧管、软管、连接器和冷却装置的几个附加部件引入服务器中。这些部件不仅增加了设计复杂度，而且增加了相应的成本，并降低了可靠性。在许多最近的服务器设计中，多个高功率密度处理器封装在主板上。对于具有多个液体冷却的高功率密度处理器的系统，液体冷却解决方案设计变得更具挑战性。
5.对于云服务提供商，要部署在它们数据中心中的服务器硬件的类型可以显著不同，使得服务器硬件中的一些可以是定制的服务器，例如服务器硬件中的一些可以是scorpio服务器或ocp服务器，或者服务器硬件中的一些可以是标准服务器。这些服务器的热机械和电设计具有不同的形式。


技术实现要素：

6.根据本申请的一方面，提供了一种用于向电子电路板提供液体冷却的冷却装置，包括：上部模块，具有形成上表面的冷却板，以容纳其上沉积有一个或多个电子装置的外部电路板，所述上部模块具有嵌入其中的第一液体分配通道，以使用在所述第一液体分配通道中流动的冷却液通过所述冷却板从所述电路板的电子装置提取热量；下部模块，其具有嵌入其中的第二液体分配通道，以从外部冷却液源接收所述冷却液；以及多个管通道，位于所述上部模块与所述下部模块之间，以接收来自所述下部模块的冷却液，并将所述冷却液
向上供应至所述上部模块。
7.根据本申请的另一方面，提供了一种数据处理系统，包括：一个或多个电子装置，设置在电路板上，所述一个或多个电子装置包括至少一个处理器；以及冷却装置。冷却装置包括：上部模块，具有形成上表面的冷却板，以容纳其上沉积有一个或多个电子装置的电路板，所述上部模块具有嵌入其中的第一液体分配通道，以使用在所述第一液体分配通道中流动的冷却液通过所述冷却板从所述电路板的电子装置提取热量；下部模块，其具有嵌入其中的第二液体分配通道，以从外部冷却液源接收所述冷却液；以及多个管通道，位于所述上部模块与所述下部模块之间，以接收来自所述下部模块的冷却液，并将所述冷却液向上供应至所述上部模块。
8.根据本申请的又一方面，提供了一种数据中心的电子机架，包括：多个服务器刀片，布置在栈中，每个服务器刀片均具有一个或多个服务器，以向客户端提供数据处理服务，其中，每个服务器均包括：设置在电路板上的一个或多个电子装置，所述一个或多个电子装置包括至少一个处理器；以及冷却装置。冷却装置包括：上部模块，具有形成上表面的冷却板，以容纳其上沉积有一个或多个电子装置的电路板，所述上部模块具有嵌入其中的第一液体分配通道，以使用在所述第一液体分配通道中流动的冷却液通过所述冷却板从所述电路板的电子装置提取热量；下部模块，其具有嵌入其中的第二液体分配通道，以从外部冷却液源接收所述冷却液；以及多个管通道，位于所述上部模块与所述下部模块之间，以接收来自所述下部模块的冷却液，并将所述冷却液向上供应至所述上部模块。
附图说明
9.本发明的实施方式在图中以示例的方式而不是限制的方式示出，在附图中相同的附图标记表示类似的元件。
10.图1是根据一个实施方式的通用冷却基板模块的侧向剖视图。
11.图2是根据一个实施方式的通用冷却基板模块的上部模块的截面俯视剖视图。
12.图3是根据一个实施方式的通用冷却基板模块的俯视图。
13.图4示出了根据另一实施方式的通用冷却基板模块的俯视图。
14.图5示出了根据另一实施方式的通用冷却基板模块的侧视图。
15.图6示出了根据另一实施方式的使用通用冷却基板模块的系统。
具体实施方式
16.将参考以下所讨论的细节来描述本发明的各种实施方式和方面，附图将示出所述各种实施方式。下列描述和附图是对本发明的说明，而不应当解释为对本发明进行限制。描述了许多特定细节以提供对本发明的各种实施方式的全面理解。然而，在某些情况下，并未描述众所周知的或常规的细节，以提供对本发明的实施方式的简洁讨论。
17.本说明书中提及“一个实施方式”或“实施方式”意味着结合该实施方式所描述的特定特征、结构或特性可包括于本发明的至少一个实施方式中。在本说明书中各个地方出现的短语“在一个实施方式中”不一定全部指同一实施方式。
18.本发明的实施方式提供了一种通用的冷却基板设计。冷却基板用于服务器液体冷却装配和包装。冷却基板通过多个端口从外部冷却液源交换冷却液。冷却基板的内部结构
包括多个流体通道，用于在基板的整个冷却表面上分配和散布流体。冷却基板还包括使用内部设计和附加部件的流体分配或液体回路延伸的功能。在基板上设计有多个流体子端口，用于将流体分配到外部冷却装置。
19.液体供应和返回部和冷却基板的内部通道设计确保来自外部冷却液源的冷却液体进入冷却基板并输送至外部冷却装置。冷却基板的内部流体路径结构确保流体分配和从热源到冷却介质(冷却液体)的有效热传递。本发明旨在消除在服务器上实现液体冷却解决方案时所需的组件。冷却基板消除了在实施液体冷却解决方案时所需的许多部件，并且与不同的机架配置以及机架和设施级流体结构兼容。冷却基板设计还提供了额外的灵活性，因为该设计可以基于主板上的不同液体设计来定制。本发明旨在通过其设计来解决液体冷却模块在服务器上的安装困难和复杂性。该解决方案可用于支持不同的液体冷却装置或其冷却回路，诸如串联的单个回路中的多个冷板或多个并联回路中的多个冷板。
20.根据一个实施方式，用于向电子电路板提供液体冷却的冷却装置包括上部模块，该上部模块具有形成上表面的冷却板，以容纳其上沉积有一个或多个电子器件的外部电路板。上部模块包括嵌入其中的第一液体分配通道，以使用在第一液体分配通道中流动的冷却液通过冷却板从电路板的电子器件提取热量。下部模块包括嵌入其中以接收来自外部冷却液源的冷却液的第二液体分配通道。多个管通道位于上部模块和下部模块之间，以接收来自下部模块的冷却液，并将冷却液向上供应至上部模块。
21.在一个实施方式中，冷却装置包括联接至下部模块的扩展模块。扩展模块包括具有一个或多个扩展端口连接部的液体歧管，以向附加的液体冷却装置提供液体分配。在一个实施方式中，扩展模块经由一个或多个连接端口可拆卸地联接至下部模块。在一个实施方式中，冷却装置包括联接至扩展模块的液体歧管的一个或多个扩展端口的附加冷却装置。附加冷却装置位于电路板顶面上的一个或多个电子组件上。
22.在一个实施方式中，冷却板包括多个水翅片，这些水翅片在冷却液和冷却板之间提供额外的接触区域，以增加传导热传递。在一个实施方式中，管通道定位成允许空气在冷却板和下部模块之间流动。
23.在一个实施方式中，入口用于接收来自外部冷却液源的冷却液；以及排出口用于将载有从电路板提取的热量的冷却液返回至外部冷却液源。在一个实施方式中，第一热垫位于冷却板和电路板的底面之间。热垫是导热的。
24.图1示出了根据一个实施方式的冷却基板模块的冷却板模块设计的详细流体结构。冷却板模块包括下部模块/通道和上部通道。存在连接下通道和上通道的多个管通道。因此，下部通道、管通道和上部通道形成冷却基板模块的冷却板模块内的流体路径。在上部模块内，组装多个翅片(如图2中所示)，以用于冷却表面延伸。如图1所示，可以看出的是，流体首先进入冷却基板，然后在经过下通道和管通道之后进入上通道。
25.该设计用于使水和冷却板的接触面积最大化。这改善了主板和冷却板的传导热传递以及水和冷却板之间的热传递。管通道用作用于在上部模块内更均匀的流体分配的结构。管通道也用作用于不同冷却应用的液体-空气冷却结构。
26.在一个实施方式中，参考图1，冷却板模块包括冷却板102、下部模块104和连接冷却板102和下部模块104的多个管通道106。下部模块104可从外部冷却液源接收冷却液。然后，冷却液沿着下部模块的流体路径110a流动，并向上通过管通道106到达冷却板102。然
后，冷却液沿着冷却板102的流体路径110b流动，从而从电路板、主板或与冷却板102接触的其它电子器件中提取热量。然后，冷却液返回至外部冷却源。另外，如下面参照图3和图4进一步描述的是，冷却液也可以由冷却板模块提供至一个或多个扩展模块，所述一个或多个扩展模块用于向附加的冷却装置(诸如冷板、或服务器冷却器等)提供冷却液。
27.管通道106可以是微通道或微管，以将冷却液从下部模块104运送到冷却板102。管通道106可以间隔足够的距离以允许空气在它们之间流动。因而，在下部模块104和冷却板102之间通过的空气可以通过与携带冷却液的管通道106接触而进行冷却。然后，冷却的空气可以再循环，并且用于在与冷却板模块100相同的外壳内对电子器件进行空气冷却。
28.冷却板102还包括多个水翅片108。水翅片108增加了从冷却板102传递至在流体路径110b中流动的冷却液的热量。如参照图2进一步描述的是，水翅片108可以在整个冷却板102上间隔开，以利用水翅片108优化冷却流体的传热区域设计。应注意的是，图1中所示的流体路径110a-110b是代表性的，并且根据使用情况可以使用其它流体路径。
29.图2示出了根据一个实施方式的冷却板模块的内部结构设计的俯视图。可以看出的是，上通道连接至管通道，并且水翅片组装在上通道内。需要指出的是，更详细的内部流体结构设计应该基于多个实验测试和工程设计循环，以用于最终产品，基于实际使用情况。
30.在一个实施方式中，参照图2，冷却板模块包括冷却板102、管通道106和水翅片108，如图1所示。冷却板模块还包括入口端口202和出口端口204。入口端口202从冷却板模块外部的源接收冷却液，并将冷却液提供应下部模块(例如，图1的下部模块104)。冷却液从下部模块通过管通道106向上流入冷却板102。管通道106彼此间隔开，以提供遍及冷却板102的冷却流体分配。冷却液可以流过整个冷却板102，在此期间，通过冷却板102均热量提取到冷却液中。
31.水翅片108分布在整个冷却板102上。水翅片108可以是从冷却板102内部的顶部跨越到冷却板102内部的底部的销状结构。从与冷却板102的表面接触的电子器件提取的热量被从表面提取到冷却液体中。热量也通过水翅片108向下传递。然后，传递至水翅片108的热量被提取到流经与水翅片108接触的冷却板102的冷却液。因此，水翅片108提供了从冷却板102到冷却液的附加热传递区域。应该注意的是，水翅片108的结构可变化，并且不限于图2所示的销状结构。
32.图3示出了根据一个实施方式的冷却模块的简化示意图的俯视图。冷却模块的主要部分由冷却板模块组成。冷却板模块将用作底部基座，在底部基座处，服务器主板将附接在底部基座顶部上。冷却模块的侧部设计为流体扩展模块。该模块也可理解为流体分配模块。在这些模块的顶部上不会附接有任何主板。这些模块用于延伸流体供应并返回至附加装置或其它部件级液体冷却装置。流体入口和流体出口装配在冷却模块上。这些端口用于与外部冷却源连接。需要指出的是，在实际设计情况下，端口的数量可以根据不同的使用情况而变化。端口可以是无滴快速断开连接。端口也可以是盲配合的快速断开连接。
33.图3中还示出了流体通道结构设计。可以看出的是，流体进入冷却模块并被分配到多个模块，包括并联的冷却板模块和扩展模块。在这里，在当前设计中，绘制了并联方式，这可能是一种更有效的方法。然而，也可以使用串联的流体装置。流体均匀地分布在冷却板的整个体积上。供应和返回流体通道包括于两个流体扩展模块中。一旦冷却回路装配在服务器上，则其回路供应和返回端口将通过预定义的流体连接器连接至这些扩展模块。需要提
及的是，冷却回路可以连接至一个流体扩展模块的流体供应端口，并且返回回路可联接至另一流体扩展模块的流体返回端口。这意味着内部流体通道使得多个流体扩展模块能够作为一个单独单元。这将显着地改善其与不同服务器液体冷却回路的兼容性，以及在主板上的不同电子布局上实现液体冷却回路。例如，冷板在一个回路中并联连接，而一些冷板在一个回路中串联连接。
34.在一个实施方式中，参考图3，冷却基板300包括图1的冷却板模块100。冷却板模块100包括入口端口202和出口端口204。流体扩展模块302a-302b在每一侧附接至冷却板模块100。冷却板模块100被设计成将诸如电路板或主板的电子器件或系统附接至冷却板模块100的冷却板表面。然而，该装置不覆盖流体扩展模块302a-302b。冷却板模块100可以使用沿着流体通道304流过冷却板(例如，图1和图2的冷却板102)的冷却液从附接至冷却板模块100的表面的电路板提取热量。冷却板模块100通过入口端口202从外部冷却液源接收冷却液。
35.流体扩展模块302a-302b可以永久地附接至冷却板模块100，如图所示，或者可以是可拆卸的。流体扩展模块302a-302b可以包括一个或多个流体扩展端口，用于向附加的冷却回路和冷却装置提供冷却液。流体扩展模块302a-302b可以从冷却板模块100接收冷却液，并将冷却液提供应附加的冷却回路。在一个实例中，冷却回路可以附接至两个流体扩展模块，使得回路的一端附接至一个流体扩展模块302a的供应部，而回路的另一端附接至另一个流体扩展模块302b的返回部。在另一例子中，冷却回路的两端均附接至同一流体扩展模块的供应部和返回部。一旦冷却液穿过流体扩展模块302a-302b和任何附加的、附接至流体扩展模块302a-302b的冷却回路，冷却液就返回至冷却板模块100。然后，冷却液通过出口端口204从冷却板模块100返回至外部冷却液源。
36.图4提供了根据一个实施方式的冷却基板的一些附加内部流体结构设计以及冷却基板的模块化概念。可以看出的是，冷却板模块和扩展模块存在于分开的部分中。冷却板模块和扩展模块使用连接端口连接，例如盲配合连接器。这提高了为不同的服务器平台配置冷却基板的灵活性。需要提及的是，在扩展模块上设计了附加的流体扩展端口(供应和返回两者)。同样，就流体通道连接而言，扩展模块中的一个的供应扩展端口的任何一个均与相同扩展模块或不同扩展模块上的另一供应相同。然而，不同类型的扩展端口连接器可以组装在扩展模块上，因为不同的服务器回路可以使用不同类型或大小不同的连接器。
37.在一个实施方式中，参照图4，冷却基板400包括具有入口端口202和出口端口204的、图1的冷却板模块100。冷却板模块100包括用于将扩展模块302a-302b连接至冷却板模块的多个连接端口404a-404b。扩展模块302a-302b包括多个扩展端口402，以将冷却回路连接至扩展模块302a-302b。类似于图3，电路板可以附接至冷却板模块100的表面。流经冷却板模块100的冷却液从电路板提取热量。冷却板模块100通过入口端口202从外部冷却液源接收冷却液。
38.流体扩展模块302a-302b可以是可使用连接端口404a-404b附接至冷却板模块的模块化部件。流体扩展模块302a-302b可以包括一个或多个扩展端口402，扩展端口402用于向附加的冷却回路和冷却装置提供冷却液体。端口可装配有不同类型的连接器，诸如无滴快速断开连接。扩展端口模块可以在其上配置有不同大小的端口。流体扩展模块302a-302b可以从冷却板模块100接收冷却液，并将冷却液提供应附加的冷却回路。每个扩展模块302a
均可以包括液体供应路径和液体返回路径。在一个实例中，冷却回路可以附接至两个流体扩展模块，使得回路的一端附接至一个流体扩展模块302a的供应部，而回路的另一端附接至另一个流体扩展模块302b的返回部。在另一个例子中，冷回路的两端附接至同一流体扩展模块的供应部和返回部。一旦冷却液穿过流体扩展模块302a-302b和任何附加的、附接至流体扩展模块302a-302b的冷却回路，冷却液就返回至冷却板模块100。然后，冷却液通过出口端口204从冷却板模块100返回至外部液体冷却源。
39.图5示出了冷却模块设计的侧视图。根据一个实施方式，冷却基板可以布置成多个层。可以看出的是，冷却板模块位于冷却板模块的顶部，流体扩展模块位于冷却板模块的底部。在一些应用中，可以在冷却基板上增加附加的扩展模块。这些附加的扩展模块将通过与冷却板模块和流体扩展模块相同的入口和出口接收冷却流体并返回流体。
40.在一个实施方式中，参考图5，冷却基板500包括冷却板模块100、流体扩展模块302和供应和返回模块510。流体扩展模块302可以附接至冷却板模块的底侧(即，图1的下部模块104)。供应和返回模块包括入口端口202和出口端口204。流体扩展模块302包括多个扩展端口402。供应和返回模块510通过入口端口202从外部冷却液源接收冷却液。供应和返回模块510将冷却液从入口端口202引导到并联的冷却板模块100和流体扩展模块302两者。供应和返回模块510还接收流经冷却板模块100和流体扩展模块302的冷却流体，并通过出口端口204将该冷却流体返回至外部冷却液源。流体扩展模块302的扩展端口402为附加的液体冷却回路提供连接。
41.图6示出了当在根据一个实施方式的服务器机架上实现通用冷却基板模块时的示例。可以看出的是，冷却基板装配在主板的底部处。主板通过热垫附接至冷却基板上。热垫提供了两个物品的表面的更好的连接。在冷却基板的底部，采用抗振动结构来增强封装可靠性以及在冲击振动环境下的冷却基板可靠性。冷却基板用于冷却主板的底部以及整个环境。在gpu或cpu的顶部使用附加的冷却装置，诸如冷板。然后，将冷板环连接至冷却基板上的扩展模块。冷却基板提供了基本的基板模块，大部分冷却解决方案可以基于该基板模块进行组装。
42.注意，如图6所示的系统可以表示任何数据处理系统，例如用于自主驾驶车辆的规划和控制系统或边缘计算系统。替代地，如图6所示的系统可以是数据中心的电子机架中的服务器之一，其中电子机架包括服务器叶片阵列。每个服务器刀片均包括向客户端提供数据处理服务的一个或多个服务器，并且每个服务器均可以包括一个或多个电子装置(例如，处理器)。
43.在一个实施方式中，参考图6，冷却基板300包括于服务器机箱612内，以冷却主板606和电子器件，例如处理器604。冷却基板300通过位于冷却基板300和服务器机箱612之间的抗振动结构610附接至服务器机箱612。服务器机箱612可以位于诸如自主车辆的边缘计算环境中，要求电子器件以避免由于振动而损坏的方式附接至机箱。抗振动结构610保护附接至服务器机箱612的部件免于可能引起部件损坏的移动。主板606附接至冷却基板300。导热的热垫608放置在冷却基板300和主板606之间。热垫提供从主板606到冷却基板300的均匀接触和传导热传递。冷却基板300可以包括其上附接有主板606的冷板。冷板可以包括液体分配通道，冷却液流过该液体分配通道以从主板606提取热量。
44.附接至主板606的处理器604可能需要额外的冷却，例如当处理器604是具有高功
率密度的高性能处理器时。冷板602附接至处理器604，以提取由处理器604产生的热量。冷板602可以包括液体分配通道，冷却液体流过该液体分配通道，以从处理器604提取热量。冷板回路614将冷板602联接至冷却基板300。冷却基板300可以通过冷板回路614向冷板提供冷却液。例如，冷板回路614可以附接至流体扩展模块(例如，图3的流体扩展模块302a-302b)，该流体扩展模块包括用于冷板回路614的连接，并向诸如冷板602的附加冷却装置提供冷却液体。
45.在以上的说明书中，已参考本发明的具体示例性实施方式对本发明的实施方式进行了描述。将显而易见的是，在不脱离所附权利要求书中阐述的本发明的更宽泛精神和范围的情况下，可对本发明做出各种修改。因此，应当在说明性意义而不是限制性意义上来理解本说明书和附图。