散热系统及散热方法转让专利
申请号 : CN202110350441.4
文献号 : CN112736051B
文献日 : 2021-06-18
发明人 : 赵卫东 , 惠利省 , 李靖 , 卢乐 , 杨国文
申请人 : 度亘激光技术(苏州)有限公司
摘要 :
权利要求 :
1.一种散热系统,其特征在于,包括雾化装置、与所述雾化装置连通的加压装置和散热装置,所述散热装置包括复合壳体以及设置在所述复合壳体内的热管,所述复合壳体包括由吸热材料层、过渡材料层和散热材料层依次叠置形成的一体结构,所述过渡材料层是由所述吸热材料层和所述散热材料层的原子相互扩散形成的,在所述吸热材料层的表面开设有器件安装部,所述器件安装部用于承载半导体器件,在所述散热材料层内形成有用于流通冷却介质的空腔,所述热管设置于所述器件安装部的底面并且朝向所述空腔内延伸,所述空腔上设有多个入口和出口,所述冷却介质通过所述入口进入所述空腔并通过所述出口排出,所述雾化装置的喷射口与所述散热装置的入口连通,所述雾化装置可对其内存储的冷却液体进行雾化处理,所述加压装置利用冷却气体将雾化后的所述冷却液体喷入所述散热装置的空腔内并且雾化后的所述冷却液体与所述热管的冷凝端接触。
2.根据权利要求1所述的散热系统,其特征在于,还包括吸气装置、与所述吸气装置连通的存储装置以及设置在所述吸气装置和所述存储装置之间的冷却装置,所述吸气装置的吸气口与所述散热装置的出口连通,所述吸气装置将所述冷却液体从所述空腔内吸出后经由所述冷却装置导入所述存储装置。
3.一种散热方法,其特征在于,所述方法包括:在散热系统的雾化装置中存储冷却液体,通过所述雾化装置将所述冷却液体雾化,通过加压装置利用冷却气体将雾化后的所述冷却液体由散热装置的入口喷入所述散热装置的空腔内,所述冷却气体和雾化后的所述冷却液体与所述空腔内的热管接触,并开始记录所述雾化装置的雾化时间;
当所述雾化时间大于第一预设时间时,所述雾化装置停止对所述冷却液体的雾化,所述加压装置通过所述入口向所述空腔内喷入所述冷却气体,并开始记录所述雾化装置雾化停止时间;
当所述雾化停止时间大于第二预设时间时,启动所述雾化装置将所述冷却液体雾化,并开始记录所述雾化时间。
4.根据权利要求3所述的散热方法,其特征在于,所述通过所述雾化装置将所述冷却液体雾化,通过加压装置利用冷却气体将雾化后的所述冷却液体由散热装置的入口喷入所述散热装置的空腔内包括:
将所述雾化装置的喷射管与所述散热装置的入口和所述加压装置连通;
采用所述雾化装置将所述冷却液体雾化并送入所述喷射管内;
采用所述加压装置将所述冷却气体喷入所述喷射管内以对所述喷射管内雾化后的所述冷却液体加压,雾化后的所述冷却液体和所述冷却气体通过所述入口进入所述空腔内。
5.根据权利要求4所述的散热方法,其特征在于,所述散热装置的入口包括多个;
所述将所述雾化装置的喷射管与所述散热装置的入口和所述加压装置连通包括:所述喷射管的喷射口同时与多个所述散热装置的入口连通,所述喷射管的进气口与所述加压装置连通。
6.根据权利要求3所述的散热方法,其特征在于,所述在散热系统的雾化装置中存储冷却液体,通过所述雾化装置将所述冷却液体雾化,通过加压装置利用冷却气体将雾化后的所述冷却液体由散热装置的入口喷入所述散热装置的空腔内,所述冷却气体和雾化后的所述冷却液体与所述空腔内的热管接触,并开始记录所述雾化装置的雾化时间之后,所述方法还包括:
采用所述散热系统中的吸气装置通过所述散热装置的出口将所述冷却液体和所述冷却气体吸出。
7.根据权利要求6所述的散热方法,其特征在于,所述采用所述散热系统中的吸气装置通过所述散热装置的出口将所述冷却液体和所述冷却气体吸出之后,所述方法还包括:采用所述吸气装置将吸出后的所述冷却液体和所述冷却气体导入所述散热系统的存储装置内。
8.根据权利要求6所述的散热方法,其特征在于,所述采用散热系统中的吸气装置通过所述散热装置的出口将所述冷却液体和所述冷却气体吸出之后,所述方法还包括:采用所述吸气装置将吸出后的所述冷却液体和所述冷却气体通入冷却装置后,再导入所述散热系统的存储装置内。
9.根据权利要求6所述的散热方法,其特征在于,所述散热装置的出口包括至少两个,至少两个所述出口分别位于所述空腔的至少两个侧壁上,其中,至少两个所述侧壁分别与所述空腔的上壁连接,所述吸气装置包括至少两个吸气口,将至少两个所述吸气口分别与至少两个所述出口连通;
所述采用所述散热系统中的吸气装置通过所述散热装置的出口将所述冷却液体和所述冷却气体吸出包括:
采用至少两个所述吸气口通过至少两个所述出口将所述冷却液体和所述冷却气体吸出。
说明书 :
散热系统及散热方法
技术领域
背景技术
着半导体器件尺寸的不断减小,同时半导体器件的工作温度随着功率的增加而呈线性趋势
增长,半导体器件在工作过程中会持续产生大量热量并存在表面温度分布不均的现象。
效,严重影响半导体器件的高效、稳定、安全运行和使用寿命。
发明内容
由吸热材料层、过渡材料层和散热材料层依次叠置形成的一体结构,过渡材料层是由吸热
材料层和散热材料层的原子相互扩散形成的,在吸热材料层的表面开设有器件安装部,器
件安装部用于承载半导体器件,在散热材料层内形成有用于流通冷却介质的空腔,热管设
置于器件安装部的底面并且朝向空腔内延伸,空腔上设有多个入口和出口,冷却介质通过
入口进入空腔并通过出口排出,雾化装置的喷射口与散热装置的入口连通,雾化装置可对
其内存储的冷却液体进行雾化处理,加压装置利用冷却气体将雾化后的冷却液体喷入散热
装置的空腔内并且雾化后的冷却液体与热管的冷凝端接触。
置将冷却液体从空腔内吸出后经由冷却装置导入存储装置。
冷却液体由散热装置的入口喷入散热装置的空腔内,冷却气体和雾化后的冷却液体与空腔
内的热管接触,并开始记录雾化装置的雾化时间;当雾化时间大于第一预设时间时,雾化装
置停止对冷却液体的雾化,加压装置通过入口向空腔内喷入冷却气体,并开始记录雾化装
置雾化停止时间;当雾化停止时间大于第二预设时间时,启动雾化装置将冷却液体雾化,并
开始记录雾化时间。
装置的入口和加压装置连通;采用雾化装置将冷却液体雾化并送入喷射管内;采用加压装
置将冷却气体喷入喷射管内以对喷射管内雾化后的冷却液体加压,雾化后的冷却液体和冷
却气体通过入口进入空腔内。
气口与加压装置连通。
空腔内,冷却气体和雾化后的冷却液体与空腔内的热管接触,并开始记录雾化装置的雾化
时间之后,方法还包括:采用散热系统中的吸气装置通过散热装置的出口将冷却液体和冷
却气体吸出。
的存储装置内。
后,再导入散热系统的存储装置内。
将至少两个吸气口分别与至少两个出口连通;上述采用散热系统中的吸气装置通过散热装
置的出口将冷却液体和冷却气体吸出包括:采用至少两个吸气口通过至少两个出口将冷却
液体和冷却气体吸出。
吸热材料层、过渡材料层和散热材料层依次叠置形成的一体结构,过渡材料层是由吸热材
料层和散热材料层的原子相互扩散形成的,在吸热材料层的表面开设有器件安装部,器件
安装部用于承载半导体器件,在散热材料层内形成有用于流通冷却介质的空腔,热管设置
于器件安装部的底面并且朝向空腔内延伸,空腔上设有多个入口和出口,冷却介质通过入
口进入空腔并通过出口排出,雾化装置的喷射口与散热装置的入口连通,雾化装置可对其
内存储的冷却液体进行雾化处理,加压装置利用冷却气体将雾化后的冷却液体喷入散热装
置的空腔内并且雾化后的冷却液体与热管的冷凝端接触。上述散热装置呈一体结构,在热
量的传递路径上无接触界面,不存在界面之间的热阻,不会阻碍热量的传导,同时,散热装
置用于接触在工作中产生热量的半导体器件的区域为高吸热材料,能够快速的将半导体器
件产生的热量吸走,而另一侧使用的是高散热的材料,能够将吸来的热量快速散发,并且还
使用热管进行散热,能够快速的将热量传导到热管的冷凝端,冷凝端使用冷却介质进行散
热,使半导体器件产生的热量快速散出,并且没有增加散热装置的体积,能够实现小型化器
件的需求。上述散热系统可以将冷却液体雾化并利用冷却气体将雾化后的冷却液体加压后
与冷却气体一同喷入散热装置中对半导体器件进行散热,也可以仅将冷却气体喷入散热装
置中对半导体器件进行散热,两种散热方式交替进行,散热效率高且散热效果好。
却液体由散热装置的入口喷入散热装置的空腔内,冷却气体和雾化后的冷却液体与空腔内
的热管接触,并开始记录雾化装置的雾化时间;当雾化时间大于第一预设时间时,雾化装置
停止对冷却液体的雾化,加压装置通过入口向空腔内喷入冷却气体,并开始记录雾化装置
雾化停止时间;当雾化停止时间大于第二预设时间时,启动雾化装置将冷却液体雾化,并开
始记录雾化时间。上述散热方法采用冷却气体和雾化后的冷却液体共同散热或仅使用冷却
气体进行散热,两种散热方式交替进行,通过控制雾化装置间歇性喷雾,而冷却气体作为加
压气体一直通入,在雾化装置停止喷雾时,仅使用冷却气体进行散热,能够防止雾化装置一
直喷雾,会在空腔内囤积大量的雾化气体,汽化后的冷却液体长时间在空腔内会重新液化
而放热,对散热产生不利的影响。同时,利用冷却气体对雾化后的冷却液体进行加压以提高
喷射口喷出的散热介质的速度以及空腔内散热介质的流动速度,散热效率高且散热效果
好。
附图说明
范围的限定,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这
些附图获得其他相关的附图。
统;210‑雾化装置;211‑喷射口;220‑加压装置;230‑吸气装置;231‑吸气口;240‑存储装置;
250‑冷却装置。
具体实施方式
本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施
例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此,以下对在附图中提供的本发明的实
施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围,而是仅仅表示本发明的选定实施
例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的
所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理
解为对本发明的限制。术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固
定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直
接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技
术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
层113依次叠置形成的一体结构,过渡材料层112是由吸热材料层111和散热材料层113的原
子相互扩散形成的,在吸热材料层111的表面开设有器件安装部114,器件安装部114用于承
载半导体器件,在散热材料层113内形成有用于流通冷却介质的空腔115,热管120设置于器
件安装部114的底面并且朝向空腔115内延伸,空腔115上设有多个入口117和出口118,冷却
介质通过入口117进入空腔115并通过出口118排出。
子相互扩散形成的,吸热材料层111与过渡材料层112之间、过渡材料层112与散热材料层
113之间均无接触界面(即分界面),不存在界面之间的热阻,能够更快地导热,不会因为界
面接触而阻碍热量的传导。吸热材料层111和散热材料层113均为可以传递热量的金属层,
能够实现高吸热或高散热,示例地,吸热材料层111为铜层,散热材料层113为铝层,中间的
过渡材料层112则为铜铝混合层。本实施例中,对形成过渡材料层112的方法不做限定,只要
保证过渡材料层112与吸热材料层111和散热材料层113之间无接触界面即可,例如,将吸热
材料层111和散热材料层113层叠设置,在高温高压的环境下使吸热材料层111和散热材料
层113之间的原子相互扩散,进而形成过渡材料层112。
传导至复合壳体110的内部。复合壳体110内部设有热管120和空腔115,其中,空腔115位于
复合壳体110的散热材料层113,热管120的蒸发端朝向器件安装部114的底面,位于复合壳
体110的吸热材料层111、冷凝端一直延伸至空腔115的内部。热管120可以为一排、两排或多
排,可根据器件安装部114上半导体器件的安装排数确定。示例地,若器件安装部114上安装
有两排半导体器件,则热管120也为两排,两排热管120分别对应两排半导体器件设置。
例地,入口117设置在空腔115内与上壁116相对的下壁上,出口118设置在空腔115内与上壁
116连接的侧壁上,入口117包括多个,多个入口117均匀分布在下壁上,出口118包括至少两
个,至少两个出口118分别设置在不同的侧壁上。冷却介质进入空腔115后直接与热管120的
冷凝端接触,在空腔115内流动一段时间后由出口118排出。其中,冷却介质可以为冷却液
体、冷却气体或者两者的混合物。
115内,空腔115内流通冷却介质,冷却介质与热管120的冷凝端接触,将热量吸收并带出空
腔115。
结构,过渡材料层112是由吸热材料层111和散热材料层113的原子相互扩散形成的,在吸热
材料层111的表面开设有器件安装部114,器件安装部114用于承载半导体器件,在散热材料
层113内形成有用于流通冷却介质的空腔115,热管120设置于器件安装部114的底面并且朝
向空腔115内延伸,空腔115上设有多个入口117和出口118,冷却介质通过入口117进入空腔
115并通过出口118排出。上述散热装置100呈一体结构,在热量的传递路径上无接触界面,
不存在界面之间的热阻,不会阻碍热量的传导,同时,散热装置100用于接触在工作中产生
热量的半导体器件的区域为高吸热材料,能够快速的将半导体器件产生的热量吸走,而另
一侧使用的是高散热的材料,能够将吸来的热量快速散发,并且还使用热管120进行散热,
能够快速的将热量传导到热管120的冷凝端,冷凝端使用冷却介质进行散热,使导体器件产
生的热量快速散出,并且没有增加散热装置100的体积,能够实现小型化器件的需求。
热,不会因为界面接触而阻碍热量的传导,进一步提高了散热装置100的散热效率和散热效
果。
的入口117连通,雾化装置210可对其内存储的冷却液体进行雾化处理,加压装置220利用冷
却气体将雾化后的冷却液体喷入散热装置100的空腔115内并且雾化后的冷却液体与热管
120的冷凝端接触。
加压,被加压后的冷却液体和冷却气体通过雾化装置210的喷射口211一同进入散热装置
100的空腔115内,并与空腔115内的热管120接触,雾化后的冷却液体在吸收了热管120冷凝
端的热量后迅速汽化,与冷却气体一同将热量吸收并带出空腔115。将冷却液体雾化后喷入
空腔115内可以使冷却液体与空腔115内的热管120有更大的接触面积,也有利于冷却液体
的汽化吸热,而利用冷却气体对雾化后的冷却液体加压则可以提高喷射口211喷出的雾化
后的冷却液体的速度以及空腔115内冷却液体的流动速度,两者配合以提高散热系统200的
散热效率。
此,雾化装置210在工作第一预设时间后,可以停止工作,仅采用加压装置220通过喷射口
211向空腔115内持续喷射冷却气体,对热管120进行吹风散热。第一预设时间可以根据半导
体器件产生的热量和冷却液体在空腔115内的流动速度等参数确定,当雾化装置210的工作
时间达到第一预设时间,即意味着空腔115内吸热汽化后的冷却液体已经无法被及时排出,
为了避免对散热产生不利影响,需要雾化装置210停止工作。
连通的喷射管,冷却液体存放在容纳腔内,雾化机构将冷却液体雾化成微小雾粒,雾化后的
冷却液体进入喷射管内,喷射管上设有喷射口211,喷射口211与散热装置100的入口117连
通。加压装置220也与喷射管连通,待雾化后的冷却液体进入喷射管后,加压装置220向喷射
管喷射冷却气体,对雾化后的冷却液体加压,并与雾化后的冷却液体一起通过喷射口211进
入空腔115内。示例地,雾化装置210为超声雾化器,超声雾化器内的超声结构利用超声波定
向压强将冷却液体雾化成微小雾粒。
口117一一对应连通,或者,一个喷射口211与多个入口117同时连通。示例地,喷射口211的
数量为1个,入口117的数量为多个,喷射口211的面积大于空腔115上设置多个入口117的预
设区域的面积,喷射口211与空腔115的预设区域密封连接,使得喷射口211同时与多个入口
117连通,由喷射口211喷出的冷却液体和冷却气体可以经由多个入口117同时进入空腔115
的内部(沿图4中的箭头A方向)。
可对其内存储的冷却液体进行雾化处理,加压装置220利用冷却气体将雾化后的冷却液体
喷入散热装置100的空腔115内。上述散热系统200可以将冷却液体雾化并利用冷却气体将
雾化后的冷却液体加压后与冷却气体一同喷入散热装置100中对半导体器件进行散热,也
可以仅将冷却气体喷入散热装置100中对半导体器件进行散热,两种散热方式交替进行,散
热效率高且散热效果好。
吸气口231与散热装置100的出口118连通,吸气装置230将冷却液体从空腔115内吸出后经
由冷却装置250导入存储装置240。
吸出空腔115(沿图4中的方向B),也能够促进空腔115内冷却液体和冷却气体的流通,将热
量及时带出壳体。同时,吸气装置230在喷雾装置停止工作后还可以继续工作,将加压装置
220喷入空腔115内部的冷却气体吸出,在空腔115内形成气体流动通路,快速将热管120冷
凝端的热量带走。吸气装置230的设置有效提高了散热系统200的散热效率和散热效果。
路,抽吸管路的吸气口231与散热装置100出口118连通。抽吸机构工作,在抽吸管路内部形
成负压,进而将空腔115内部的冷却液体和冷却气体吸出。应理解,抽吸管路可以包括多个,
抽吸管路的数量与散热装置100上出口118的数量相同并一一对应连通。多个抽吸管路可以
在空腔115内形成多个流通通路,有利于将热量的快速导出。
以便冷却液体和冷却气体的回收再利用。
冷却气体和雾化后的冷却液体与空腔内的热管接触,并开始记录雾化装置的雾化时间。
半导体器件,半导体器件产生的热量经由热管120进入空腔115内。雾化装置210将内部存储
的冷却液体雾化,加压装置220利用冷却气体将雾化后的冷却液体加压后与其一同喷入空
腔115。冷却气体和雾化后的冷却液体与空腔115内的热管120接触,将空腔115内热管120冷
凝端的热量吸收。在向空腔115内喷入冷却气体和雾化后的冷却液体的同时,记录雾化装置
210的雾化时间,以控制雾化装置210的启闭以及进入空腔115内的冷却液体的量。
法被及时排出,若继续向空腔115内通入雾化后的冷却液体会导致热管120的冷凝端聚集大
量的雾状液滴和蒸汽,汽化后的冷却液体在空腔115内液化放热会将吸收的热量再次释放,
从而影响散热效果。故当雾化时间大于第一预设时间时,雾化装置210停止工作,仅由加压
装置220继续向空腔115内喷入冷却气体,对空腔115内的热管120进行吹风散热。在雾化装
置210停止工作的同时,记录雾化装置210的雾化停止时间,以确定何时重新开启雾化装置
210。
冷却液体已经被完全排出,且仅采用冷却气体无法达到良好的散热效果。故当雾化停止时
间大于第二预设时间时,雾化装置210再次开启,同时向空腔115内喷入冷却气体和雾化后
的冷却液体。
置100的入口117喷入散热装置100的空腔115内,冷却气体和雾化后的冷却液体与空腔115
内的热管120接触,并开始记录雾化装置210的雾化时间;当雾化时间大于第一预设时间时,
雾化装置210停止对冷却液体的雾化,加压装置220通过入口117向空腔115内喷入冷却气
体,并开始记录雾化装置210雾化停止时间;当雾化停止时间大于第二预设时间时,启动雾
化装置210将冷却液体雾化,并开始记录雾化时间。上述散热方法采用冷却气体和雾化后的
冷却液体共同散热或仅使用冷却气体进行散热,两种散热方式交替进行,通过控制雾化装
置210间歇性喷雾,而冷却气体作为加压气体一直通入,在雾化装置210停止喷雾时,仅使用
冷却气体进行散热,能够防止雾化装置210一直喷雾,会在空腔115内囤积大量的雾化气体,
汽化后的冷却液体长时间在空腔115内会重新液化而放热,对散热产生不利的影响。同时,
利用冷却气体对雾化后的冷却液体进行加压以提高喷射口211喷出的冷却液体和冷却气体
的速度以及空腔115内冷却液体和冷却气体的流动速度,散热效率高且散热效果好。可以根
据腔体的大小、用于散热的半导体器件的多少、吸气装置的吸气功率、雾化产生的冷却液滴
的多少等因素来设定雾化时间对应的第一预设时间,和停止雾化对应的第二预设时间,综
合对比散热性能,本发明中优选的第一预设时间:第二预设时间的比值范围为1:(0.8‑
2.5)。
冷却液体的机构连接,以使雾化后的冷却液体进入喷射管内。待雾化后的冷却液体进入喷
射管后,加压装置220将冷却气体也喷入喷射管内,使冷却气体对雾化后的冷却液体加压,
然后,冷却气体和加压后的冷却液体通过空腔115上的入口117一同进入空腔115内对热管
120进行降温。
对雾化后的冷却液体进行加压。喷射口211喷出的冷却气体和雾化后的冷却液体由多个入
口117同时进入空腔115内并迅速扩散,与多个热管120同时接触,以提高散热效率。
装置的空腔内,冷却气体和雾化后的冷却液体与空腔内的热管接触,并开始记录雾化装置
的雾化时间之后,方法还包括:
腔115内的冷却液体和冷却气体吸出。
变回吸热前的初始状态,可以直接被重新利用。
少两个吸气口分别与至少两个出口连通。
应地,吸气装置230的吸气口231也包括两个,两个吸气口231分别与两个出口118连通,同时
对空腔115内的冷却液体和冷却气体进行抽吸。
别与四个出口118连通,同时对空腔115内的冷却液体和冷却气体进行抽吸。
改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。