貼體薄面接觸導熱式熱管散熱器的製作方法

2023-05-01 10:23:56 1

專利名稱：貼體薄面接觸導熱式熱管散熱器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種大規模集成電路或大容量電力電子用散熱器，尤其是一種採用熱管和減少金屬導熱熱阻，具有快速散熱效果的集成電路用貼體薄面接觸導熱式熱管散熱器。
背景技術：
近年來，電子技術飛速發展，電子器件的高頻、高速以及集成電路的容量大型化和體積的小型化，使電子器件單位面積的發熱量也飛速增大。電子器件的正常工作範圍一般為-5℃-65℃，超過這個範圍，元件穩定性下降，性能也顯著下降，也就影響了整個系統的工作穩定性。有資料表明，單個半導體元件溫度升高10℃，系統的可靠性降低50％，因而電子技術的發展需要良好的散熱手段來保證。這種散熱手段要求具有高散熱速度、緊湊性、可靠性、靈活性以及免維護等條件。近年來，熱管技術的應用一定程度上滿足了上述電子設備的基本要求。
隨著熱管的應用和計算機技術的發展，計算機CPU產生的熱量已經達到120W/cm2以上的水平，而有關大功率電子元件的散熱功率達到6000W的水平，因此，這些新的需要對熱管技術與性能又提出新的要求，需要熱管有更強的散熱能力和速度。
通過分析熱管式散熱器的結構，可以看到，單純採用圓管式熱管連接吸熱端金屬和散熱段的結構，雖然結構簡單，製作方便，成本也比較低，這是熱管式散熱器得到應用的原因，但存在的主要技術問題是熱管被當作散熱器的一部分，因此，在整個散熱環節中存在諸多子環節如電子器件向連接體(主要是金屬)的散熱、連接體向熱管吸熱段的散熱、熱管具有長度而形成本身從吸熱段到散熱段的傳熱、熱管散熱段向對空氣散熱肋體的散熱、以及空氣散熱體向空氣的散熱。在上述各子環節中，快速散熱的熱管與其它環節不能匹配，散熱圓管式金屬熱管和接觸的金屬之間存在比較大的金屬熱阻，和具有快速傳熱能力的熱管相比，散熱器中的構成金屬本身以及金屬之間的接觸熱阻已經成了散熱過程的主要熱阻，因此改進該整體散熱過程熱阻的方法是減少上述兩種熱阻。
根據目前常規的熱管結構以及改進性結構的研究，已經有一些克服上述技術特點的技術，出現了改進的空腔式熱管或分體式熱管，某種程度上部分提高了熱管散熱器的散熱速度，提高了設備運行的可靠性。但是從目前的產品結果上看，上述改進還沒有客觀上滿足電子器件對熱管散熱的需要，也就是說上述改進僅僅是熱管散熱器形式上的改進，對於影響散熱器本身沒有太大的效果。其主要原因是目前產品設計對影響金屬導熱的諸多因素特別是金屬材料的厚度考慮不周；另外熱管傳熱影響因素中，熱管內部與工作介質接觸的材料的表面性狀沒有得到很好的考慮，導致利用熱管的散熱器也不能滿足電子器件的散熱需求。
綜上所述，開發具有更高散熱速度和效果的散熱器，是目前製造大規模集成電路以及大功率高速度運行的電子設備的有效保證，也是行業急需解決的關鍵問題之一。
技術要點實用新型所要解決的技術問題在於克服目前電力與電子散熱器所存在的問題，即針對目前電力電子以及半導體等製造領域因缺乏高效散熱器而無法提高電子元件與晶片等的工作頻率速度以及輸出功率等實際現狀，提供一種發熱電子元器件的新型熱管散熱器。該散熱器結合傳熱學的導熱理論和熱管傳熱的原理，將電子元器件產生的熱量快速傳送並散發到大氣，保證大功率電子元器件在正常的工作溫度範圍。與相關相同外觀尺寸的熱管散熱器相比，具有更大的散熱速度和效果。
本實用新型所要解決的問題是通過以下技術方案實現的一種貼體薄面接觸導熱式熱管散熱器，包括吸熱端、散熱端和液體蒸發與回流輸送管三部分。
吸熱端是將傳統熱管的蒸發段與連接金屬合二為一體的一個變形空腔體，該空腔體的與電子元件接觸的一面是與電子元件表面形狀相吻合而可以形成貼體的薄金屬片，薄金屬片以及其與電子元件的粘結面很薄，從而大幅度減小接觸熱阻。
散熱端是熱管散熱段與散熱金屬體合二為一或二者連接在一起所形成，吸熱端與散熱端的連接是通過二者之間的液體蒸發與輸送回流管實現整體連接，由此形成廣義整體式熱管或成為熱管式散熱器，空腔體內充有熱管工作的傳熱介質。
吸熱端黏結在發熱電子元件的表面，以吸取電子元件的散熱。所吸取的熱量將工作介質汽化經液體蒸發管輸送到散熱段冷卻，而冷凝成液體，再經過輸送管輸送回吸熱端。工質在不同位置的汽化吸熱和冷凝冷卻過程，實現了電子元件藉助於熱管的遠距離和高強度散熱。
一般情況下，液體的蒸發與輸送由單管實現，為保證工作時，氣態工質能儘快到達散熱端，可以增加蒸發管的數量或增大蒸發管的內徑。為使液態工質能夠回到吸熱端，在使用單支蒸發管實現液體回流時，蒸發管內表面設回流吸液芯或毛細管；在使用獨立的液體回流輸送管時可以採用輸送泵以加速到達吸熱端液體的回流。
在本技術方案中，所用結構為採用薄金屬的貼體方法，將薄金屬面與需要散熱的電子材料粘接在一起，減小粘接層的厚度，這樣，有效地克服熱管金屬和散熱的電子材料之間粘接層的熱阻。
所用結構中，為了加強吸熱段薄金屬對熱管介質的傳熱，做2個方面的改進設計，一是，將薄金屬散熱表面進行粗糙處理，提高該表面的粗糙度，以達到與所用介質可以形成核態沸騰的最佳傳熱效果；二是，在薄金屬的散熱表面，通過焊接導熱能力強的金屬棒或球形成增加了散熱表面積的效果，達到增強散熱能力的效果。
在散熱端，將熱管與散熱翅片結合成一體，形成熱管式翅片，同時對熱管式翅片進行如下改進，(1)內表面尺寸擴張，形成表面積的擴張；(2)對內表面進行表面凹凸化處理，同時進行化學處理，以利於介質的快速凝結；(3)將多個散熱翅片並聯或串聯，以增大散熱能力。
由以上技術方案可知，本實用新型主要是通過採用貼體薄金屬片做吸熱端與電子材料的粘接面，降低粘接層和該金屬接觸面的熱阻；同時，在吸熱端，為了更好的使流體工質具有更好的傳熱性能，採用增加金屬內表面粗糙度的方法，使流體工質易於形成核態沸騰；同時，在金屬內表面焊接導熱係數高的金屬棒或球，增加內表面的沸騰傳熱面積，達到降低沸騰傳熱熱阻的效果。而在散熱段的金屬內表面，也有擴大金屬內表面、表面進行粗糙化處理以及親介質表面處理等實施技術。
本實用新型最大程度地發揮了熱管傳熱性能高的特點，使得熱管散熱器的散熱速度大大提高，為開發製造大規模集成電路，高功率電子設備奠定了技術基礎；同時，由於液體蒸發與回流輸送管長度以及形狀可以方便調節，方便在電力與電子設備內部的安裝，具有極大的實用價值。
圖例說明

圖1本實用新型的典型實施例結構圖2本新型用於電子散熱器的結構示意圖圖3本實用新型一具有較佳實施結果的實施結構示意圖圖4本實用新型另一具有較佳實施結果的實施結構示意圖圖5本實用新型中散熱端的一具有較佳實施結果的實施例圖6本實用新型中散熱端的另一具有較佳實施結果的實施例具體實施方式
以下通過具體實施例，並結合附圖對本實用新型做進一步的說明。
圖1是本實用新型具有較佳實施結果的典型實施例，其主要特徵是與散熱體相接觸的吸熱面1是薄金屬面，空腔體2的其他部分為具有一定抗壓強度的金屬板式或殼體結構。由具有薄金屬的吸熱面與空腔體的其他部分構成散熱熱管的吸熱端。由熱管散熱末端4和散熱翅片5構成本新型的熱管散熱端。吸熱端、熱管液體蒸發與回流輸送段3和散熱端構成具有散熱功能的熱管散熱器。
由於吸熱空腔內處於負壓狀態，吸熱端的所有表面承受外來的大氣壓力，因此，需要金屬具有一定的厚度，以保持一定的強度與剛度；而對承擔熱交換的金屬面，可以特殊設計成薄面，以滿足傳熱速度的要求，而其所需要的剛度與強度通過黏結膠與電子器件的高強度黏結來共同完成，達到既有高的傳熱強度，又有結構強度和剛度的優點。
圖2為本實用新型的具有較佳實施效果的實施結構例，散熱器與電子設備或元器件6由黏結膠7粘接在一起，電子元器件所發熱量通過黏結膠7穿過吸熱金屬薄面1，金屬薄面1由於溫度升高而使工作介質汽化，從而將熱量散發到吸熱端空腔2，汽化介質在熱管內擴散上升致熱管散熱端，在熱管散熱端受外界散熱影響而在散熱端內表面冷凝而成為液體，該液體沿熱管表面由於重力或毛細管效應，而向吸熱端流動，形成介質的循環流動，該循環流動的驅動力就是由電子元器件散熱所提供的熱量。
圖3為本新型應用於有凹凸電子表面的實施例，在本方案中，由於所用的金屬材料很薄，利於金屬的外形變化，利於使金屬的外形尺寸與電子元器件的外表面相緊密結合，從而減小粘接材料的厚度，降低粘接層的熱阻；本實用新型的熱管吸熱端有不同的實施形式，即除了圖1所示結構的金屬薄面內表面為普通光面之外，圖4為本實用新型另一具有較佳實施結果的實施結構示意圖，即吸熱表面增加表面粗糙處理以及金屬棒或球的結構示意圖。為進一步提高金屬薄面對工作介質的汽化效果，在金屬薄面的內表面採用提高表面粗糙度的方法，形成粗糙表面8，使工作介質在設計溫度下，可以更容易形成核態沸騰，從而進一步減小該金屬表面的沸騰傳熱熱阻；同時在薄金屬內表面焊接表面粗糙的金屬棒或金屬球9，提高該金屬表面液體沸騰的有效表面積，進一步提高傳熱的速度，降低沸騰傳熱過程的熱阻；在實際工程中，上述方案可以單獨實施，也可以聯合實施。
在實施方案中，由於傳熱強度的提高，熱管的數量以及熱管的尺寸可以做合適的設計，當採用尺寸小的熱管時，可以用多支熱管，將所需要傳送的熱量及時傳出；尺寸允許時，也可以採用加大熱管尺寸的方法來實現。本方案中，熱管本身設計時允許內設毛細管結構或吸液芯，也可以採用單獨設計回流管的方式，根據需要，採用單支或多支回流管，同時，為了，加大回流速度，滿足大容量傳熱實際需要，可以採用輸送泵，實現大回流需要。
對於本實用新型的散熱端部分，與吸熱端實施方案特點相似，散熱端也有不同的實施形式。
在本方案中，為了減小熱管冷凝端與散熱翅片金屬的接觸熱阻，將散熱端的熱管末端4冷凝位置布置到散熱翅片5的根部，將散熱翅片與熱管合二為一，圖5所示結構為本實用新型具有較佳實施結果的結構圖。為擴大散熱能力，將該熱管散熱翅片尺寸擴大，即將熱管內壁擴張至散熱翅片根部；同時，為了布置方便，採取並聯方式，通過將不同的散熱段熱管的蒸發與回流輸送管並聯，形成多個並聯的熱管散熱翅片，從而提高熱管的整體散熱能力。
在本實施方案中，為進一步提高熱管散熱能力，在實際應用中對散熱熱管內表面的作不同的實施方案，圖6為本新型對散熱末端4內表面做不同實施形式的改進效果示意效果內表面粗糙軋制11、粗糙磨製10、不規則壓制10以及親溶質性金屬表面處理。上述不同的形式可以用於提高內表面介質的凝結性能，加快凝結過程，提高凝結換熱速度，從而整體提高散熱能力。
權利要求1.一種貼體薄面接觸導熱式熱管散熱器，其特徵在於，它包括吸熱端、散熱端和在中間連接二者的液體蒸發與回流輸送管；所述的吸熱端為變形空腔體，與電子器件相連接的表面採用薄的金屬片，透過黏結膠與電子器件黏結，熱管的連接位置位於該空腔體幾何位置最高點；所述的散熱端是帶散熱肋片的根部具有空腔結構的散熱體；熱管的連接位置位於散熱端幾何最低位置。
2.根據權力要求1所述的一種貼體薄面接觸導熱式熱管散熱器，其特徵在於吸熱端與電子器件相連接的面為薄金屬片，厚度1.0mm以下，其外形尺寸和外表結構形式以根據電子器件的外表形狀而決定；
3.根據權力要求1所述的一種貼體薄面接觸導熱式熱管散熱器，其特徵在於吸熱端與電子器件外表連接面的薄金屬材料具有良好的導熱性，以銅、鋁、鋼為主，也可以用其他具有相當性能的金屬；
4.根據權力要求1所述的一種貼體薄面接觸導熱式熱管散熱器，其特徵在於吸熱端與電子器件連接的薄金屬空腔內表面有表面粗糙化處理層。
5.根據權力要求1所述的一種貼體薄面接觸導熱式熱管散熱器，其特徵在於吸熱端與電子器件連接的薄金屬空腔內表面焊接金屬棒或金屬管，該金屬棒或金屬管是具有良好導熱性能的金屬材料，所用材料如銅、鋁、鋼等與薄面有良好焊接性能的材料；
6.根據權力要求1所述的一種貼體薄面接觸導熱式熱管散熱器，其特徵在於散熱端是散熱肋片根部具有空心結構，能與熱管貫穿為一體的整體式散熱結構；同時，將一個以上的散熱端通過並聯或串聯的方式連接
7.根據權力要求1所述的一種貼體薄面接觸導熱式熱管散熱器，其特徵在於散熱端熱管內表面具有光滑表面、粗糙表面、凹凸表面、一般親疏液態工質特性、親液態工質或以上特徵之組合等表面的幾何與物理特性。
8.根據權力要求1所述的一種貼體薄面接觸導熱式熱管散熱器，其特徵在於液體蒸發與回流輸送管可以為一個或數個，對於單獨設置的液體回流輸送管，為加大液體回流速度，也可以設置液體輸送泵。
專利摘要一種電力與電子用貼體薄面接觸導熱式熱管散熱器，是通過將傳統的熱管的各部分進行尺寸和功能的改進，從而提高熱管散熱器的散熱能力的。它是利用變截面空腔體熱管吸熱端與散熱端，採用薄金屬面作吸熱空腔與電子散熱表面的接觸面，以減小接觸面的金屬熱阻；同時，對該薄金屬面的空腔內表面進行粗糙化處理，提高工作工質的沸騰特性；並對該內表面進行表面擴張化，加大沸騰表面積；散熱端熱管段與翅片合二為一，並將擴張的熱管段內表面進行粗糙化處理，同時，採用散熱端的並聯方式加大冷卻強度。通過上述改進和熱管輸送段的設計，使熱管散熱器的散熱能力得到大幅度提高，從而提高電子元器件的工作性能。
文檔編號H01L23/36GK2882205SQ200520146938
公開日2007年3月21日 申請日期2005年12月28日 優先權日2005年12月28日
發明者徐福州 申請人:徐福州