一種集成液流電池自供能與協同散熱晶片組件
2024-04-13 20:41:05
1.本發明屬於電子器件散熱技術和晶片組件技術領域，具體地說涉及一種集成液流電池自供能與協同散熱晶片組件。
背景技術：
2.目前的超級計算機體積與能耗都十分巨大，其中核心運行部件為電子晶片；大功率、高性能、高集成度已成為現代電子晶片的發展趨勢，同時也給熱管理帶來了嚴峻的挑戰。未來高性能計算系統和gan晶片熱流密度將達到1000w/cm2，局部熱點的熱流密度甚至可達數十kw/cm2，已遠遠超過傳統熱管理技術數百w/cm2的冷卻極限。在高運行溫度下，晶片內各種輕微物理缺陷造成的故障更容易顯現出來。高溫會使晶片內導線電阻增大、延時增加，降低cpu的工作效率。同時，隨著晶片溫度的升高，晶片漏電流增大，工作電壓降低。因此，隨著電子設備溫度升高，將會出現可靠性降低甚至失效的問題。
3.在電化學儲能裝置中，使用流動液體電解質的氧化還原液流電池因其能量容量(與電解質罐體積成正比)和功率(與電池面積成正比)可以解耦設計、能量轉換效率高、啟動速度快等特點而受到技術人員的關注，可以廣泛用於從微電子系統至大型應急電源系統多尺度的供能。
4.考慮電子晶片製程發展的困難，近年來針對晶片集成化的研究和開發越來越廣泛。目前，尚未有將晶片元件與液流電池模塊集成的設計結構，能夠同時實現晶片的供能與散熱，因此，如何耦合不同部件的設計構建和協同運行，提高晶片的系統能效是本領域技術人員迫切需要解決的技術難題。
技術實現要素：
5.為解決現有技術種存在的不足，本發明提出了一種集成液流電池自供能與協同散熱晶片組件，通過對作為供能單元和吸熱單元的液流電池的極板微流道結構優化，以及對作為用能單元與散熱單元的晶片集成構造設計，能夠保證微通道熱沉內單相流動換熱性能的同時又能夠提高液流電池功率密度，協同實現對晶片組件的供能與散熱，同時提高了液流電池的工作效率。
6.本發明所採用的技術方案如下：一種集成液流電池自供能與協同散熱晶片組件，包括同時用以液流電池電解質流動和晶片散熱的熱沉雙極板單元、液流電池電化學能量供應的終端和需要被熱沉冷卻的晶片單元以及提供電解質發生氧化還原反應發生的膜電極組件；
7.所述膜電極組件包括陽極多孔電極層、離子交換膜和陰極多孔電極層，陽極多孔電極層和陰極多孔電極層通過電流傳導單元與晶片單元實現電氣互連；所述熱沉雙極板單元包括分別刻蝕有微通道結構的熱沉正極板和熱沉負極板；
8.集成n組熱沉雙極板單元，n≥1；當n＝1時，同一塊熱沉極板外側與晶片單元接觸，內側與膜電極組件接觸，微流道的電解液進液管與電解液出液管設置於熱沉雙極板單元的
任意實體面的對角上；當n》1時，每兩個相鄰熱沉極板依次堆疊裝配，相鄰熱沉極板的電解液出液管與電解液進液管逐層相連，最首塊熱沉極板外側與晶片單元接觸，最末塊熱沉極板內側與膜電極組件接觸，形成逐層的三維堆疊結構。
9.與現有技術相比，本發明的有益效果在於：本發明通過集成液流電池自供能與協同散熱晶片組件，充分利用了晶片封裝的內部垂直空間，實現整個系統的集成式生產、安裝和維護。本發明中所述的底部帶微通道的熱沉雙極板，可通過刻蝕工藝得到，最後再與晶片通過鍵合工藝為一體，不僅是液流電池微反應器，還是晶片散熱的熱沉部件，可大幅節約生產成本。通過液流電池的流動工質的微流道液冷，保證了散熱面積，有效解決了傳統晶片熱管理效能不足，同時，通過液流電池工作產生的電能給晶片供能，解決了傳統晶片及其供能模塊耦合性低的問題。另一方面，利用晶片產生的熱量提高了液流電池運行溫度，從而提高電池功率密度，部分回收利用了晶片餘熱，協同運行獲得系統收益。使用的氧化還原電解質可循環使用，通過外部電源對電解質進行充電完成儲能。預計該技術可將器件體積壓縮百萬倍，能效提高數千倍，從而使計算機體積與能耗發生根本性的變化，實現對未來億次級數據的計算和實時分析能力。
附圖說明
10.下面將結合本發明實施例，對本發明的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有付出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
11.圖1為本發明實施例1的集成單層熱沉雙極板全釩液流電池的自供能與散熱晶片組件的結構示意圖。
12.圖2為本發明實施例2的集成多層熱沉雙極板多金屬氧酸鹽(pom)液流電池的自供能與散熱晶片組件的結構示意圖。
13.附圖標記說明：1.電解液進液管、2.電解液出液管、3.晶片單元、4.刻蝕有微通道結構的熱沉正極板、5.刻蝕有微通道結構的熱沉負極板、6.電極、7.質子交換膜、8.矽通孔、9.飛線、10.板間電解液進/出液口、11.刻蝕有微通道結構的近晶片側熱沉正極板、12.刻蝕有微通道結構的近電極側熱沉正極板、13.刻蝕有微通道結構的近晶片側熱沉負極板、14.刻蝕有微通道結構的近電極側熱沉負極板。
具體實施方式
14.如圖1所示，本發明提出一種集成液流電池自供能與協同散熱晶片組件，包括：熱沉雙極板單元、晶片單元3、膜電極組件。
15.所述熱沉雙極板單元提供電解液流動的路徑，熱沉雙極板單元包括熱沉正極板4和熱沉負極板5，設置在所述雙極板上通過刻蝕工藝製得微通道結構。
16.進一步地，所述微通道為蛇形流道、叉指流道、平行流道、平行蛇流道或以上形式的複合型流道。所述流道的電解液進液管1與電解液出液管2設置於雙極板的任意實體面的對角上，利於電解液均勻流經全部液冷區域，通過流動工質對晶片散熱。
17.更進一步地，所述微通道的深度取數值範圍為100μm-600μm。所述微通道外圍輪廓
尺寸與膜電極尺寸相同。
18.更進一步地，電解質通過電解液進液管1流經雙極板上微通道，通過電解液出液管2流出。
19.更進一步地，根據實際功率與散熱需求，流動工質選用可循環使用的氧化還原電解液、金屬氫化物電解液、金屬配合物有機電解液，氣液混合型液流電池體系的電解液，懸浮粒子半固態電解液泥漿等。
20.更進一步地，所述電解質流量為0.05l/min-0.2l/min。流速大小會直接影響電解液的流動，從而影響液流電池的電化學工作性能和晶片的液流散熱性能。
21.更進一步地，所述熱沉雙極板單元可使用多層複合材料以製作基板層與流道層，或採用一體化集成材料。
22.更進一步地，所述熱沉雙極板單元兩側集成電流傳導單元，實現液流電池與晶片的電氣互連。所述電流傳導單元可選用集流板，集流導線或貫穿矽通孔(through silicon vias,tsv)。
23.更進一步地，熱沉雙極板單元作為晶片熱沉，與晶片通過低界面熱阻的熱界面材料直接接觸散熱。其正負極熱沉極板外側，即非微流道面，可分別裝配兩組晶片或晶片陣列，形成三維堆疊晶片組件，晶片集成度進一步增強，滿足輕便、緊湊、集成的晶片先進熱管理要求。
24.更進一步地，熱沉雙極板單元作為液流電池電解液流動路徑，與膜電極組件直接裝配形成液流電池。其正負極熱沉極板內側，即微流道面，與膜電極組件接觸。
25.更進一步地，根據需要集成n組(n≥1)熱沉雙極板單元。當n＝1時，同一塊熱沉極板外側與晶片接觸，內側與膜電極接觸，正負極熱沉極板類此鏡像裝配。當n》1時，每兩個相鄰熱沉極板依次堆疊裝配，相鄰熱沉極板電解液進出液管逐層相連形成完整流體路徑通道，最首塊熱沉極板外側與晶片接觸，最末塊熱沉極板內側與膜電極接觸，正負極熱沉極板類此鏡像裝配，形成逐層的三維堆疊結構。
26.所述膜電極組件單元提供電解液發生氧化還原反應及內部電子/離子輸運通道，包括陽極多孔電極層、離子交換膜和陰極多孔電極層。所述液流電池的多孔電極層通過電流傳導單元與晶片實現電氣互連。
27.進一步地，所述液流電池中電解質發生完全氧化還原反應後，反應產物可通過外部電源充電以循環利用。
28.更進一步地，所述膜電極厚度為400μm-1000mm。根據實際功率需求，膜電極長度和寬度範圍為10mm-50mm。
29.更進一步地，所述多孔電極層表面可通過預製微通道或增加催化劑層等表面修飾工藝提高傳質及電化學效率。
30.所述晶片單元運行供電來自液流電池的電化學反應產生，晶片運行產熱由熱沉雙極板單元傳導至其中流動的電解質。其特徵在於：通過飛線與電流傳導單元連接傳輸電流，通過直接與熱沉雙極板接觸散熱。
31.更進一步地，在無塵環境中，對集成液流電池自供能與協同散熱晶片組件進行封裝及鍵合。
32.更進一步地，在溫度為26℃的環境下，對集成有液流電池的晶片集成供能與散熱
協同組件進行測試。其特徵是：電解質進液溫度為-20℃-26℃，流經微流道內溫度升高至26℃-48℃，在該溫升條件下液流電池電化學反應活性提高，過電勢損失降低，離子擴散速率增大。同時，晶片產熱通過熱沉雙極板傳遞至流動電解液，最後直接排至系統外部，得以有效冷卻。
33.所述的集成液流電池自供能與協同散熱晶片組件，還可以在水平方向上，每層雙極板熱沉根據需要集成m(m≥1)個晶片單元；
34.可以在垂直方向，根據需要堆疊k(k≥1)個集成有液流電池的晶片集成供能與散熱協同組件，其特徵是：在晶片外部集成晶片殼罩，實現對k個組件的連接。
35.進一步地，根據晶片的數量和功率密度，匹配設置相應供能與散熱能力的熱沉雙極板和膜電極的規模，結構及其電解質性質。
36.下面結合附圖和具體實施例來進一步說明本發明。
37.實施例1
38.本實施例中所設計的底部帶微通道的熱沉雙極板(包括底部帶微通道的熱沉正極板4和底部帶微通道的熱沉負極板5)，是通過刻蝕工藝得到的，最後在無塵環境中再與晶片3通過鍵合工藝為一體，從而形成完整的晶片液冷散熱用微通道。根據不同的晶片散熱應用場景，合理調節微流道刻蝕結構以調節對流換熱，選用蛇形流道、叉指流道、平行流道、平行蛇流道或以上形式的複合型流道；合理選用熱沉雙極板材料和不同表面處理工藝。
39.質子交換膜7和電極6尺寸相同，根據實際功率需求，長度和寬度範圍為10mm-50mm；相應地，熱沉正極板4和熱沉負極板5上流道外輪廓尺寸的長度和寬度與膜電極(質子交換膜7和電極6)尺寸一致，組合成緊密的整體，熱沉雙極板尺寸為流道外輪廓尺寸在長度和寬度方向各增加30mm，便於在流道外側加工製造電解液進液管1、電解液出液管2和矽通孔8。
40.在溫度為26℃的環境下，如圖1所示，依次逐層安裝集成有晶片3的底部帶微通道的熱沉正極板4、膜電極、集成有晶片3的底部帶微通道的熱沉負極板5。其中，熱沉正極板4與電極6和熱沉負極板5與電極6之間分別放置正極密封墊片和負極密封墊片以提高密封性。並接入電解液進液管1和電解液出液管2，正負極板上進出液口兩兩相對設置。通過緊固件固定矽通孔8，通過飛線9對晶片3供電。同時為了防止液流電池中電解液發生洩漏，會對對集成有全釩液流電池的晶片供能與散熱協同組件進行適當機械應力下的壓縮，膜電極將產生一定程度的形變。安裝完成後進行測試。
41.本晶片供能與散熱協同裝置工作時，通過外接泵把電解液泵入液流電池的雙極板4和5內，在本實例中，電解質進液溫度為26℃，電解質流量為0.05l/min，在半電池的閉合迴路中流動，電解質溶液經過微通道平行流過電極6表面，流體吸收晶片3通過熱沉雙極板4和5傳導的熱量，發生電化學反應並將晶片3的熱量帶走，通過雙極板4和5收集並傳輸電流至矽通孔8，最後通過飛線9供電至晶片3。陰陽極發生以下反應：
42.陽極：
43.陰極：
44.反應離子以質子形式擴散通過質子交換膜7，維持電解質平衡。電子通過電極6傳導至矽通孔8至晶片3。根據實際運行情況，電解液流經微流道內溫度升高至26℃-48℃，在
該溫升條件下全釩液流電池反應活性提高，過電勢損失降低，離子擴散速率增大，全釩液流電池庫倫效率提升。集成在不同熱沉雙極板上的晶片通過各自對應微流道極板內的電解質冷卻，均為並聯，保證了冷卻效果。充分利用晶片的垂直空間，可實現整個系統的集成式安裝，運行和維護。最後通過電解液出液管2收集發生過電化學反應後的電解質溶液，通過外部電源裝置對電解質進行充電，可循環使用。
45.實施例2
46.本實施例中所設計的底部帶微通道的熱沉雙極板(包括底部帶微通道的熱沉正極板11-12和底部帶微通道的熱沉負極板13-14)，是通過刻蝕工藝得到的，最後在無塵環境中再與晶片3通過鍵合工藝為一體，從而形成完整的晶片液冷散熱用微通道。根據不同的晶片散熱應用場景，合理調節微流道刻蝕結構以調節對流換熱，選用蛇形流道、叉指流道、平行流道、平行蛇流道或以上形式的複合型流道；合理選用熱沉雙極板材料和不同表面處理工藝。
47.質子交換膜7和電極6尺寸相同，根據實際功率需求，長度和寬度範圍為10mm-50mm；相應地，雙層熱沉正極板11-12上流道外輪廓尺寸的長度和寬度與膜電極(質子交換膜7和電極6)尺寸一致，組合成緊密的整體，熱沉雙極板尺寸為流道外輪廓尺寸在長度和寬度方向各增加30mm，便於在雙極板外側加工製造電解液進液管1、電解液出液管2和矽通孔8。
48.在溫度為26℃的環境下，如圖2所示，依次逐層安裝集成晶片單元3、刻蝕有微通道結構的近晶片側熱沉正極板11、刻蝕有微通道結構的近電極側熱沉正極板12、膜電極、負極密封墊片、刻蝕有微通道結構的近電極側熱沉正極板14和刻蝕有微通道結構的近晶片側熱沉負極板13。其中，刻蝕有微通道結構的近電極側熱沉正極板12與電極6和刻蝕有微通道結構的近電極側熱沉正極板14與電極6之間分別放置正極密封墊片和負極密封墊片以提高密封性。並接入電解液進液管1和電解液出液管2，其中電解液進液管1設置在近晶片側熱沉正極板11和近晶片側熱沉負極板13，電解液出液管2設置在近電極側熱沉正極板12和近電極側熱沉負極板14。各極板上進出液口兩兩相對設置。近晶片側熱沉正極板11的電解液出液口設置在微流道面內，近電極側熱沉正極板12的電解液進液口設置在微流道面內，雙層正極板通過板間電解液進/出液口10相通；雙層負極板同理設置板間電解液進/出液口10。
49.通過緊固件固定矽通孔8，通過飛線9對晶片3供電。同時為了防止液流電池中電解液發生洩漏，會對對集成有多金屬氧酸鹽液流電池的晶片供能與散熱協同組件進行適當機械應力下的壓縮，膜電極將產生一定程度的形變。安裝完成後進行測試。
50.本晶片供能與散熱協同裝置工作時，通過外接泵把電解液泵入液流電池的近晶片側熱沉正極板11和近晶片側熱沉負極板13內，在本實例中，電解質進液溫度為-20℃，電解質流量為0.05l/min，首先在雙層雙極板近晶片3的熱沉正極板11和熱沉負極板13內流動，將熱量吸收至電解質流體，繼而流入近電極6側的第二層極板，即熱沉正極板12和熱沉負極板14，在該層流道內電解質溶液經過微通道平行流過電極6表面，流體吸收晶片3通過雙層熱沉雙極板11-14傳導的熱量，發生電化學反應並將晶片3的熱量帶走，通過雙極板11-14收集並傳輸電流至貫穿矽通孔8，最後通過飛線9供電至晶片3。選用合適的pom多金屬氧酸鹽及正極電解質在陰陽極發生氧化還原反應。
51.反應離子以質子形式擴散通過質子交換膜7，維持電解質平衡。電子通過電極6傳
導至矽通孔8至晶片3。根據實際運行情況，電解液流經微流道內溫度升高至26℃-48℃，多金屬氧酸鹽液流電池從進液溫度到反應溫度的溫差極大，可對集成在多層熱沉雙極板上的晶片實現充分冷卻。最後通過電解液出液管2收集發生過電化學反應後的電解質溶液，通過外部電源裝置對電解質進行充電，可循環使用。
52.上述實施例僅是本發明的較佳實施方式，應當指出：對於本技術領域的技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和等同替換，這些對本發明權利要求進行改進和等同替換後的技術方案，均落入本發明的保護範圍。