液冷相变矢量热移散热系统.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910902071.3 (22)申请日 2019.09.17 (71)申请人 深圳市科太科技有限公司 地址 518067 广东省深圳市南山区蛇口招 商街道工业七路华彩花园南海阁13D (72)发明人 吴鸿平 (51)Int.Cl. H01L 23/367(2006.01) H01L 23/427(2006.01) H01L 33/64(2010.01) (54)发明名称 液冷相变矢量热移散热系统 (57)摘要 一种散发高集成度大功率半导体芯片工作 热量的装置， 尤其是去掉热。

2、沉散热器底板， 换成 在芯片界面热量被循环管路系统内液态工质吸 收， 相变成气态， 以近即时速度， 按照管路结构轴 向指定的方向进行矢量热移， 比紫铜传导扩散快 百倍的速度， 直接将界面热量引至最容易散发的 部位， 其中结构系统匹配公式及其设计总成中的 工质腔积比例与功率工质校正、 单向循环提速措 施为特征， 保障液冷相变矢量热移的进行， 应用 在大功率LED路灯中的散热、 5G服务器大功率CPU 与GPU或射频芯片中的散热、 微距LED显示屏中的 散热以及无风扇汽车通用LED前灯或射灯中散热 的不同而构成各种形态一体化的液冷相变矢量 热移散热系统， 达到在高温环境中正常工作的目 的。 权利要。

3、求书6页 说明书10页 附图6页 CN 110634816 A 2019.12.31 CN 110634816 A 1.一种摈弃散热器热沉底板， 采用密闭的循环管路系统代替之， 即将半导体芯片(1)界 面(2)焊接或粘结在循环管路的管平面上， 或者将半导体芯片界面全面焊接或粘结在循环 管路并列成管筏的平面上， 或者将半导体集成电路即IC界面粘结在循环管路侧翼平面上， 循环管平面或管筏平面或管侧翼平面吸收半导体芯片或IC界面热量使其内液态工质发生 相变成气态， 产生起始气压， 该循环管路内称为气相区(4)， 含有热量的气相工质小部分透 过管壁传导其周围翅翼片直接散热， 绝大部分即刻进入无缝连接的。

4、蒸发区(5)管路， 蒸发区 为每根蒸发管路排布的导向区并散热， 导向后随即每根蒸发管路按散热间隔插入散热翅片 (6)中至冷凝区(7)， 在冷凝区各管路内工质虽然热量还是进行径向换热， 但在起始压力下， 气态冷凝成液气混流的工质不再贴敷管壁上， 仍进行管路的轴向循环， 经回流管(8)进入汇 流管(9)并聚集到足够的量， 在其内分配剩余的循环压力， 并各自以相同余压进入导流管 区， 在每根导流管(10)末端内轴向安装同心或偏心单向阀(11)， 由每根导流管末端(12)与 所对应的每根气相区管路首端(13)相连接并密封， 或多根导流管末端与一公共蒸发管路首 端相连接并密封， 由此构成首末端工质通过单。

5、向阀相通的轴向循环管路系统， 导流管内液 气混态工质经单向阀归流后， 再射入气相区， 再吸热相变气化， 保持起始气压， 不断循环， 由 结构到循环系统， 设半导体芯片输入额定功率， 工作到基础温度平衡时， 便发现结构系统匹 配公式： R气/C气M(R总-R气)S凝/S气(C总-C气)， 式中： S凝为冷凝时间， S气为气化时间， MS凝/S气V AC(T2-T1)， M为匹配因数， 由S凝/S气、 V矢量热移度、 温差数值、 AC气冷方式即平行风或对流四 因数决定， R气为气相区工质液态剂量， C气为气相区管路腔积， R总为系统工质液态总剂量， R总- R气R凝为冷凝区工质液态剂量， C总为系。

6、统管路总腔积， C总-C气C凝为冷凝区腔积， 且R总/C总比 T120时不大于3/5， 保障不工作静态时液态工质浸没气相区， T2110时不小于1/5， 保 障工作动态温度平衡时气相区有充裕的液态工质供应， 匹配公式表答的是匹配因数在理想 状态下， 液冷相变吸收的热量与矢量热移散出的热量相等， 由此可得到理论的管径、 长度、 并列的数量及间距的设计数据， 同时依实际芯片热源界面形态与工作功率所产生的工质相 变热流强度， 在各自给定的散热空间内， 最大限度地排列气相区与蒸发区管路并在其引导 下按冷凝区管路排列间距插入到散热翅片中设计成相匹配的结构系统形态， 再依经验公 式： 1W热 功 率0.5。

7、00.25毫升液态工质剂量内， 对匹配公式计算的数值与设计成实际结构系 统所形成的数值进行校正， 使气相区与冷凝区通过结构设计将其内工质相变循环， 达到液 冷相变产生的热流量与矢量热移散出的热流量温度平衡在芯片界面标定的安全值中， 达到 结构系统的匹配， 缩小体积， 降低成本， 实现液冷相变吸热与矢量热移散热两种优势的一体 化， 为保证循环速度与矢量性， 在导流管末端内轴向安装的单向阀， 同心单向阀呈漏斗状， 大小管内径比为1 0.30.2， 大径端外径与导流管内径保持过盈配合， 变径过渡段长度为2 8mm， 大小端长度比1 36， 小径端冲向气相区， 具体位置达到气相区边线至其中心线的 中点。

8、或其内， 偏心单向阀出口截面呈笑嘴状， 口腔与笑嘴截面比为1 0.40.2， 口腔部外径 与导流管内径保持过盈配合， 腔变嘴过渡段长度为36mm， 口腔与嘴长度比1 24， 嘴端面 冲向气相区， 具体位置达到过气相区边线处， 当两个单向阀同时指向气相区时则采用偏心 漏斗状单向阀， 以保障工质启动与循环的单向性， 工质喷入气相区时， 小径端或嘴可挡住相 变气回流， 并在变径或变嘴段反导下， 使气相工质沿中心轴冲向宽敞的蒸发区管路， 并由蒸 发管或分支或穿冷凝管导向最容易实现散热的部位， 而这种相变推动的循环不再是扩散性 的， 而是按管路各环节精细排布无循环阻力形成的矢量性循环， 矢量热移度达96。

9、以上， 并 权利要求书 1/6 页 2 CN 110634816 A 2 通过气相区与蒸发区的温差小于15得以验证， 总之， 循环系统各区连接关系、 结构系统 匹配公式及其设计总成中的工质腔积比例与功率工质校正、 单向循环提速措施为主要特 征， 根据应用在大功率LED路灯中的散热、 5G服务器大功率CPU与GPU或射频芯片中的散热、 微距LED显示屏中的散热、 5G移动智能终端中的散热以及无风扇汽车通用LED前大灯或射灯 散热中的不同而构成各种形态一体化的液冷相变矢量热移散热系统。 2.根据权利要求1所述的散热系统， 其特征是： 根据路灯大功率LED芯片型号及其排热 面的面积与芯片输入额定功率。

10、基础温度平衡时所测得数据， 再根据结构系统匹配公式： R气/ C气M(R总-R气)S凝/S气(C总-C气)， 与R总/C总比T120时不大于3/5， 保障不工作静态时液态工 质浸没气相区， T2110时不小于1/5， 保障工作动态温度平衡时气相区有充裕的液态工 质供应， 得到理论上的管径、 长度、 并列的数量及间距的设计数据， 结合实际所给定的散热 空间内， 在对流空气散热条件下， 因其相变吸热是快过程， 散热冷凝是慢过程， 两者差异很 大， 除气相区占据很小空间外， 其它所有空间均为散热空间， 最大限度地排列蒸发区管路并 在其引导下按冷凝区管路排列间距插入到散热翅片中设计成相匹配的结构系统形。

11、态， 再依 经验公式： 1W热 功 率0.50+0.25毫升液态工质剂量内， 对匹配公式计算的数值与设计成实际 结构系统所形成的数值进行校正， 使气相区与冷凝区通过结构设计将其内工质相变循环， 达到液冷相变产生的热流量与矢量热移散出的热流量温度平衡在芯片界面标定的安全值 中， 达到结构系统的匹配， 缩小体积， 降低成本， 实现液冷相变吸热与矢量热移散热两种优 势的一体化， 如此设计验证后便可确定循环管路的规格并由此决定管平面(3)， 并将LED芯 片(14)通过全面焊接在管平面上， 通电发光时管平面内工质吸收界面热量， 液态工质发生 相变成气态， 产生起始气压， 按照发光强度要求形成一定的间隔。

12、， 并列而构成气相区(4)， 含 有热量的气相工质小部分透过管壁传导其周围翅片直接散热， 绝大部分即刻进入无缝连接 的蒸发区(5)管路， 蒸发区为每根蒸发管路排布的导向区并散热， 导向后随即每根蒸发管路 插入散热翅片(6)中至冷凝区(7)， 在冷凝区各管路内工质虽然热量还是进行径向换热， 但 在起始压力下， 气态冷凝成液气混流的工质不再贴敷管壁上， 仍进行管路的轴向快速循环， 经回流管(8)进入汇流管(9)并聚集到足够的量， 在其内分配剩余的循环压力， 并各自以相 同余压进入导流管区， 在每根导流管(10)末端内轴向安装同心单向阀(11)， 由每根导流管 末端与所对应的每根气相区管路首端相连接。

13、并密封， 由此构成首末端工质通过单向阀相通 的轴向循环管路系统， 导流管内液气混态工质经单向阀归流后， 再射入气相区， 再吸热相变 气化， 保持起始蒸气压， 不断循环， 为保证循环速度与矢量性， 在导流管内轴向安装同心单 向阀， 同心单向阀呈漏斗状， 大小管内径比为1 0.2， 大径端外径与导流管内径保持过盈配 合， 变径过渡段长度为8mm， 大小端长度比1 6， 小径端冲向气相区， 具体位置达到气相区边 线至其中心线的中点， 以保障工质启动与循环的单向性， 工质喷入气相区时， 小径端可挡住 相变气回流， 并在变径段反导下， 使气相工质沿中心轴冲向宽敞的蒸发区管路， 并由蒸发管 导向最容易实现。

14、散热的顶层部位， 而这种相变推动的循环不再是扩散性的， 而是按管路排 布形成的矢量性循环， 矢量热移度达96以上， 并通过气相区与蒸发区的温差小于1得以 验证， 由此构成液冷相变矢量热移LED路灯散热系统。 3.根据权利要求1所述的散热系统， 其特征是： 根据服务器CPU或GPU芯片排热界面的面 积与输入额定功率基础温度平衡时所测得数据， 再根据结构系统匹配公式： R气/C气M(R总- R气)S凝/S气(C总-C气)， 与R总/C总比T120时不大于3/5， 保障不工作静态时液态工质浸没气相 权利要求书 2/6 页 3 CN 110634816 A 3 区， T280时不小于1/5， 保障工作。

15、动态温度平衡时气相区有充裕的液态工质供应， 得到 理论上的管径、 长度、 并列的数量及间距的设计数据， 结合实际所给定的散热空间内， 在风 扇平行风吹拂散热条件下， 因其相变吸热是快过程， 散热冷凝是慢过程， 两者差异很大， 除 气相区占据很小空间外， 其它所有空间均为散热空间， 最大限度地排列蒸发区管路并在其 引导下按冷凝区管路排列间距插入到散热翅片中设计成相匹配的结构系统形态， 再依经验 公式： 1W热 功 率0.50-0.25毫升液态工质剂量内， 对匹配公式计算的数值与设计成实际结构 系统所形成的数值进行校正， 使气相区与冷凝区通过结构设计将其内工质相变循环， 达到 液冷相变产生的热流量。

16、与矢量热移散出的热流量温度平衡在芯片界面标定的安全值中， 达 到结构系统的匹配， 缩小体积， 降低成本， 实现液冷相变吸热与矢量热移散热两种优势的一 体化， 如此设计验证后便可确定循环管路的规格并将其管平面(3)并列成管筏平面(15)， 该 管筏平面比服务器CPU或GPU芯片散热界面大， 并将CPU或GPU芯片界面通过导热脂粘结在管 筏平面上， 工作时管筏平面内工质吸收界面热量， 液态工质发生相变成气态， 产生起始气 压， 由此构成气相区(4)， 含有热量的气相工质小部分透过管壁传导其周围翅片直接散热， 大部分即刻进入无缝连接的管路蒸发区(5)管路， 蒸发区为各管路的导向区并散热， 导向后 即。

17、各管路插入散热翅片(6)中至冷凝区(7)， 在冷凝区各管路内工质虽然热量还是进行径向 换热， 但在起始压力下， 气态冷凝成液气混流不再贴敷管壁上， 仍进行管路的轴向快速循 环， 经回流管(8)进入汇流管(9)并聚集到足够的量， 在其内分配循环压力， 并各自以相同压 力进入导流管区， 在每根导流管(10)末端内轴向安装偏心单向阀(11)， 由每根导流管末端 与所对应的每根气相区管路首端相连接并密封， 由此构成首末端工质通过单向阀相通的轴 向循环管路系统， 导流管内液气混态工质经单向阀归流后， 再射入气相区， 再吸热相变气 化， 保持起始蒸气压， 不断循环， 为保证循环速度与矢量性， 在导流管内轴。

18、向安装偏心单向 阀， 偏心单向阀出口截面呈笑嘴状， 口腔与笑嘴截面比为1 0.2， 口腔部外径与导流管内径 保持过盈配合， 腔变嘴过渡段长度为3mm， 口腔与嘴长度比1 2， 嘴端面冲向气相区， 具体位 置达到过气相区边线处， 以保障工质启动与循环的单向性， 工质喷入气相区时， 小口嘴可挡 住相变气回流， 并在变嘴段反导下， 使气相工质沿中心轴冲向宽敞的蒸发区管路， 并由蒸发 管导向至与风扇距离最近， 直接可以吹到的最容易实现散热的部位， 而这种相变推动的循 环不再是扩散性的， 而是按管路排布形成的矢量性循环， 矢量热移度达93以上， 并通过气 相区与蒸发区的温差小于5得以验证， 由此构成液冷。

19、相变矢量热移服务器CPU或GPU散热 系统。 4.根据权利要求1所述的散热系统， 其特征是： 根据微距LED显示屏模组驱动器IC面 (17)排布所形成的面积与输入额定功率基础温度平衡时所测得数据， 再根据结构系统匹配 公式： R气/C气M(R总-R气)S凝/S气(C总-C气)， 与R总/C总比T120时不大于3/5， 保障不工作静态 时液态工质浸没气相区， T260时不小于1/5， 保障工作动态温度平衡时气相区有充裕的 液态工质供应， 得到理论上的管径、 长度、 并列的数量及间距的设计数据， 结合实际所在狭 窄的对流与辐射散热条件下， 因其相变吸热过程与散热冷凝过程两者速度差异很小， 在显 示。

20、屏模组驱动器IC面与HUB板之间躲开电器件， 最大限度地排列气相区管路， 并由蒸发区汇 合形成冷凝区管路贴后壳散热相匹配的结构系统形态， 再依经验公式： 1W热 功 率0.50+0.25 毫升液态工质剂量内， 对匹配公式计算的数值与设计成实际结构系统所形成的数值进行校 正， 使气相区与冷凝区通过结构设计将其内工质相变循环， 达到液冷相变产生的热流量与 权利要求书 3/6 页 4 CN 110634816 A 4 矢量热移散出的热流量温度平衡在显示屏面标定的安全值中， 形成一体化热桥式散热标准 插件， 降低成本， 如此设计验证后便可确定选用相应规格带侧翼的循环管路并由此形成管 翼平面(18)， 。

21、并按照显示屏单元固屏框架(19)的形状， 将管侧翼平面镶嵌在显示屏单元固 屏框架之中， 其内表面通过导热脂粘结显示屏所有驱动器IC外表面并形成界面， 该界面吸 收显示屏驱动器IC与LED共用基板中的工作热量， 使管路内液态工质发生相变成气态， 产生 起始气压， 侧翼管之间依侧翼宽度形成一定的间隔， 并列而构成气相区(4)， 含有热量的气 相工质小部分透过管壁传导其侧翼辐射散热外， 大部分热量汇合到蒸发区(5)总管路中， 在 HUB板(20)的上方， 并从显示屏后壳(21)内由蛇形管(22)导出， 与装卡在最容易实现散热的 后壳外壁散热翅片(6)中的冷凝区(7)管路连接， 构成直接向空气散热的外。

22、在型， 或蒸发区 总管路不导出， 与紧贴后壳内壁的散热翅片上的冷凝区管路(7)连接， 形成热桥， 仅向后壳 内表面传导和微距辐射热量， 经其传导到外表面向空气散热， 向内被HUB板挡住辐射， 构成 内在型， 在冷凝区管路内工质虽然热量还是进行径向换热， 但在起始压力下， 气态冷凝成液 气混流的工质不再贴敷管壁上， 仍进行管路的轴向循环， 并由蛇形管由外连接到显示屏后 壳内， 或由在后壳内的蛇形管从HUB板的下方直接进入汇流管(9)， 在其内分配剩余的循环 压力， 并各自以相同余压进入导流管区， 在每根导流管(10)末端内轴向安装同心单向阀 (11)， 由每根导流管末端与所对应的每根气相区管路首。

23、端相连接并密封， 由此构成首末端 工质通过单向阀相通的轴向循环管路系统， 导流管内液气混态工质经单向阀归流后， 再射 入气相区， 再吸热相变气化， 保持起始气压， 不断循环， 为保证循环速度与矢量性， 在导流管 内轴向安装同心单向阀， 同心单向阀呈漏斗状， 大小管内径比为1 0.3， 大径端外径与导流 管内径保持过盈配合， 变径过渡段长度为4mm， 大小端长度比1 3， 小径端冲向气相区， 具体 位置达到气相区边线， 以保障工质启动与循环的单向性， 工质喷入气相区时， 小径端可挡住 相变气回流， 并在变径段反导下， 使气相工质沿中心轴冲向宽敞的蒸发区管路， 并由蒸发管 导向最容易实现散热的后壳。

24、部位， 而这种相变推动的循环不再是扩散性的， 而是按管路排 布形成的矢量性循环， 矢量热移度达96以上， 并通过气相区与蒸发区的温差小于3得以 验证， 由此构成液冷相变矢量热移LED显示屏散热系统， 同类， 只是规格尺寸不同， 将内在型 液冷相变矢量热移LED显示屏散热系统压扁， 紧凑装配在后壳与主板连同电池之间的腔中， 构成液冷相变矢量热移5G移动终端散热系统。 5.根据权利要求1所述的散热系统， 其特征是： 根据汽车前灯或射灯LED芯片(14)型号 及其排热面的面积， 选择与氙气灯芯通用尺寸的循环管路及其管平面(3)， 以前灯装卡口 (23)为界分为前段为气相区(4)管， 后段为蒸发区(5。

25、)管， 前段循环管路具有将LED芯片焊接 在其左右两侧管平面上或底侧管平面上形成的吸热界面， 后段蒸发区管直接穿插到排列的 散热翅片(6)中进行散热， 形成前段为盲管气相区， 后段蒸发区管直通冷凝区(7)简化的结 构系统， 后段蒸发区管末端由分支管(24)进行分流， 分支管再次插入散热翅片中成为冷凝 管， 再次冷凝后进入导流管(10)， 导流管内末端液气混态工质经单向阀(11)归流后， 再射入 气相区， 再吸热相变气化， 保持起始气压， 不断循环， 初形建立后再根据结构系统匹配公式： R气/C气M(R总-R气)S凝/S气(C总-C气)， 与R总/C总比T120时不大于3/5， 保障不工作静态时。

26、液态 工质浸没气相区， T2110时不小于1/5， 保障工作动态温度平衡时气相区有充裕的液态 工质供应， 得到理论上的管径、 长度设计数据， 结合给定的实际散热空间内， 在对流空气散 热条件下， 因其相变吸热是快过程， 散热冷凝是慢过程， 两者差异很大， 除气相区占据很小 权利要求书 4/6 页 5 CN 110634816 A 5 空间外， 其它所有空间均为散热空间， 再依经验公式： 1W热 功 率0.50+0.25毫升液态工质剂量 内， 对匹配公式计算的数值与设计成实际结构系统所形成的数值进行校正， 使气相区与冷 凝区通过结构设计将其内工质相变循环， 达到液冷相变产生的热流量与矢量热移散出。

27、的热 流量温度平衡在芯片界面标定的安全值中， 达到结构系统的匹配， 缩小体积， 降低成本， 实 现液冷相变吸热与矢量热移散热两种优势的一体化， 为保证循环速度与矢量性， 在两根或 三根导流管末端分别安装偏心漏斗状单向阀， 在装卡口后段蒸发管首端处插入并焊接密封 成循环管路系统， 其两或三个小径端偏心贴壁同时指向气相区， 具体位置达到气相区边线 至其中心线的中点， 单向阀大小管内径比为1 0.2， 变径过渡段长度为3mm， 以保障工质启动 与循环的单向性， 工质喷入气相区时， 偏心小径端不与相变气流冲突， 使气相工质沿中心轴 一方面冲向前盲管曲面(25)全部被反向回流， 另一方面直接冲向后段宽敞。

28、的蒸发区管内， 并在分支管分导下， 使散热翅片全部表面都成为容易实现散热的部位， 而这种相变推动的 循环不再是扩散性的， 而是按管路排布形成的矢量性循环， 矢量热移度达96以上， 并通过 气相区与冷凝区的温差小于3得以验证， 因此可以去掉风扇， 亦可称为最小型化半通体液 冷散热器， 由此构成液冷相变矢量热移LED汽车前灯或射灯分支冷凝管型散热系统。 6.根据权利要求1所述的散热系统， 其特征是： 根据汽车前灯或射灯LED芯片(14)型号 及其排热面的面积， 选择与氙气灯芯通用尺寸的循环管路及其管平面(3)， 以灯装卡口(23) 为界分为前段为气相区(4)管， 后段为蒸发区(5)管， 前段循环管。

29、路具有将LED芯片焊接在其 左右两侧管平面上或底侧管平面上形成的吸热界面， 形成前段为盲管气相区， 后段蒸发区 管直接穿入到大口径(26)外排列散热翅片(6)的冷凝区(7)管中， 形成大口径冷凝管内套小 口径蒸发管简化的结构系统， 在蒸发管路末端口形成齿边(27)紧贴大口径冷凝管顶壁， 大 口径冷凝管后端为盲管， 迫使蒸发管气流喷射冷凝管壁利于散热， 冷凝工质并顺齿边口流 入到大口径冷凝管腔中， 在其腔中液气混态工质逐渐归流， 在后段蒸发管前端处两侧或底 侧接近气相区处插入偏心单向阀(11)并焊接密封成循环管路系统， 经变径过渡再次归流 后， 射入气相区， 再吸热相变气化， 保持起始蒸气压， 。

30、不断循环， 初形建立后再根据结构系统 匹配公式： R气/C气M(R总-R气)S凝/S气(C总-C气)， 与R总/C总比T120时不大于3/5， 保障不工作 静态时液态工质浸没气相区， T2110时不小于1/5， 保障工作动态温度平衡时气相区有 充裕的液态工质供应， 得到理论上的管径、 长度设计数据， 结合给定的实际散热空间内， 在 对流空气散热条件下， 因其相变吸热是快过程， 散热冷凝是慢过程， 两者差异很大， 除气相 区占据很小空间外， 其它所有空间均为散热空间， 再依经验公式： 1W热 功 率0.50+0.25毫升液 态工质剂量内， 对匹配公式计算的数值与设计成实际结构系统所形成的数值进行。

31、校正， 使 气相区与冷凝区通过结构设计将其内工质相变循环， 达到液冷相变产生的热流量与矢量热 移散出的热流量温度平衡在芯片界面标定的安全值中， 达到结构系统的匹配， 缩小体积， 降 低成本， 实现液冷相变吸热与矢量热移散热两种优势的一体化， 为保证循环速度与矢量性， 在大口径腔中安装的偏心漏斗状单向阀， 其两或三个小径端偏心贴壁同时指向气相区， 具 体位置达到气相区边线至其中心线的中点， 单向阀大小管内径比为1 0.2， 变径过渡段长度 为3mm， 以保障工质启动与循环的单向性， 工质喷入气相区时， 偏心小径端不与相变气流冲 突， 使气相工质沿中心轴一方面冲向前盲管曲面(25)被反向回流， 另。

32、一方面直接冲向后段 蒸发区管形成喷射冷凝管顶壁的气流， 促使散热， 使散热翅片全部表面都成为容易实现散 热的部位， 而这种相变推动的循环不再是扩散性的， 而是按管路排布形成的矢量性循环， 矢 权利要求书 5/6 页 6 CN 110634816 A 6 量热移度达96以上， 并通过气相区与散热翅片温差小于2得以验证， 亦可称为最小型通 体液冷散热器， 因此可以去掉风扇， 由此构成液冷相变矢量热移LED汽车前灯或射灯穿冷凝 管型散热系统。 权利要求书 6/6 页 7 CN 110634816 A 7 液冷相变矢量热移散热系统 所属技术领域 0001 本发明涉及一种散发高集成度大功率半导体芯片工作。

33、热量的装置， 尤其是去掉热 沉散热器底板， 换成在半导体芯片界面的热量被循环管路系统内液态工质吸收， 相变成气 态， 以近即时速度， 按照管路结构轴向指定的方向进行矢量热移， 比紫铜传导扩散快百倍的 速度， 直接将界面热量引至最容易散发的部位， 由此构成有效管控高集成度大功率半导体 芯片结热的液冷相变矢量热移散热系统。 背景技术 0002 目前， 商品化用于散发高集成度大功率半导体芯片工作热量的散热器， 因为半导 体芯片大都是在热沉基板上集成的， 所以半导体工作时结点产生的热量先传导到基板内表 面， 基板由金银铜铝等良导热材料制成， 当工作热量进入基板后， 通过传导扩散了热流强度 与降低了温度。

34、并沉降至外表面， 以这个结热传导扩散过程的特征而论称为热沉， 基板便称 为热沉基板， 其外表面为排热面， 因其面积小， 热流强度大， 自身完不成热量的排放， 故与之 相配合的小功率者直接贴到良导体外壳内侧面， 通过外壳表面空气对流与辐射排放到外 界， 大功率者则与芯片热沉同理， 热量通过排热面贴到良导体制成的散热器底板面， 进一步 通过传导扩散再次降低热流强度， 并传导到底板上排列的散热翅片表面， 由空气对流或定 向风排放到外界， 两者界面由导热脂填充并紧密接触， 界面本身几无热阻， 但往外排放时， 热量全部散出， 界面无温升， 即无热阻， 若不能完全散出， 就产生温升， 因此界面温升便成为 。

35、外壳或散热器热阻的量化值， 热阻越小散热器功效越高， 由于热沉散热器原理最简单， 商品 化高导铝合金热导率可达280W/mk， 模具挤出成形， 紫铜热导率为393W/mk， 一般焊接成形， 做成相同规格的散热器， 实测热阻值铜比铝仅低10， 由于在重量上铝是紫铜的1/3， 造成 当前服务器大都采用高导铝型材散热器， 因其工作热量是靠传导扩散到散热器的外表面， 不具矢量性， 热阻大小完全取决于材料的导热性和散热表面积以及风力， 故往往跟不上芯 片发展造成的散热需求， 首先发现热沉散热器从界面到散热翅片都要经过1.57.5毫米厚 度的底板的传导过程， 这个过程很慢， 为加快底板的热传导， 开始引入。

36、液体相变的热管传 热， 即24根热管首段卧在底板上成为蒸发管， 其余段水平字或垂直 “U” 字形插入散热 翅片中成为冷凝管， 并在内壁上附着微型孔道层， 利用虹吸与重力回流， 构成铝质焊接热管 散热器， 随科技发展， 半导体芯片集成度、 频率、 功率越来越高， 包括集成电路即IC众多结点 产生的热量、 热流强度也越来越大， 单靠插热管与风扇吹进行排放远远不够， 于是出现空调 冷风置换， 后又发现空调耗电量巨大， 散热仍不够， 于是又产生了水或冷却液穿入底板用液 体循环与界面换热， 又有压缩机蒸发管穿入底板主动冷却界面， 以至将承载高集成度大功 率半导体芯片的主板由冷却液或液态制冷剂浸没在容器中。

37、， 工作热量基本不经传导， 界面 热量直接被工质吸收相变蒸发到上部空间被冷凝器交换， 或者内部空间由耐压壳体封闭， 由壳体外散热翅片散出， 称为液浸散热容器， 以上所有散热器分为热沉散热器、 热管散热 器、 水泵循环散热器， 压缩机制冷散热器， 液浸散热容器共五种， 按是否利用液态工质， 除第 一种外余四种均用， 按热交换介质， 第一、 二种热量直接排放到空气中为气冷， 余三种大部 说明书 1/10 页 8 CN 110634816 A 8 分热量首先排放到液体中统称为液冷， 其中第三、 四种又称为冷板间接液冷式， 第五种称为 浸入直接液冷式， 按功效分析， 第一种完全取决于材料导热性与翅片面。

38、积， 热量不具矢量 性， 热阻大， 第二种是在第一种基础上穿插了热管， 穿插的目的是提高热沉底板扩散性传导 的速度， 开始产生热量进行矢量化有利于散热的结构， 但热管为轴径相变循环， 液态工质剂 量与管腔容积比在20时为1/7， 随温度提高饱和蒸气压提高， 因其是在密闭管腔内， 液相 降低， 该比值降低， 在此比值内， 其内工质相变蒸发速度较快， 冷凝后顺原管路内壁靠虹吸 与重力回流到蒸发处的速度也较快， 若大于这个比例， 蒸发冷凝两者速度都会放慢， 另外从 结构上讲， 工质轴向蒸发， 与管壁径向进行热交换， 冷凝后顺管路内壁回流到原蒸发处， 属 于 “哪去哪回” 直通往返式， 工质走到一半就。

39、开始回头， 其携带的热量矢量度仅达50， 起主 导作用的仍属扩散性气冷散热， 必须借助风扇， 加之每根工质剂量都很少， 造成热管传热功 率不大， 仅适用于PC台式电脑、 笔记本电脑与智能手机CPU散热， 第三、 四种散热器是因热管 携带热功率小， 不能直接全部吸收大功率芯片界面热量与空调耗电大而产生的， 水或冷却 液循环不发生或部分发生相变， 压缩蒸发制冷发生完整的相变， 两者工质循环量都大， 流速 高， 热量矢量度达93以上， 虽适用于高热流强度大功率芯片或器件界面的散热， 例如半导 体致冷、 射频、 红外、 激光等散热， 但必须由脱离界面或者说由体外的表冷器或冷凝器将工 质携带的热量散发出。

40、去， 都需要增加散热器体外机械电力泵与相互连接的循环管路， 第五 种液浸散热容器， 集上述散热器之长， 弃其之短， 芯片界面无热阻， 并具空前大的热容空间， 热量无须矢量化， 适应高温环境， 可谓颠覆目前商业化数据中心一切设施及工况， 但一体化 成本非常高， 若采用高挥发性绝缘冷却液， 其所有的线束、 接口必须密封， 维护难度极大， 平 常避免不了缓慢泄露， 机房必须具备换气系统， 开盖维护更避免不了人体伤害， 若采用粘滞 性小的硅油类液体， 非常昂贵， 若采用制冷剂则必须在承压36Mpa容器内， 线束、 接口不可 能常年密封， 开盖维护制冷剂将会秒逝， 补充也难， 人无法操作， 仅适用于一次。

41、性导弹与运 载火箭主板中， 总之， 无论哪一种液冷与气冷相比， 因能量守恒， 液冷必须经过体外有源泵 力与相应表冷器形成的循环管路系统， 所有的接口与泵均不能泄露， 工作热量置换到最后 还是散发到大气中， 与之直接气冷相比则仅需基建空调、 风道、 风扇而已， 建设与运营成本 及其可靠性， 业内明眼人已十分清楚， 因此， 在密闭的机房中的换热， 任何人工合成的化工 冷媒均不如直接用空气， 除非没有体外机械电力泵、 表冷器及其循环管路， 否则， 液冷机房 不具商用性， 如何保持大功率半导体芯片界面之低温升， 大幅度降低散热器热阻， 如何降低 对风冷温度及强度的依赖性， 仅利用空气对流， 如何再缩小。

42、散热器占主板面积及空间， 如何 实现无外在动力源， 低成本的界面热移循环一体化结构， 才是研发方向， 当然更应包括芯片 内部利用石墨烯或拓扑绝缘体材料， 将超导材料与技术应用在高集成度大功率半导体芯片 中， 然而至今， 尚未有突破性进展。 发明内容 0003 本发明分析现有各种散热器功效之优劣时发现： 1、 任何良导固体传导扩散热量速 度均不如工质相变热移速度， 2、 工质液态剂量与热量成正比， 3、 工质相变循环速度及其矢 量度， 即将工质相变循环这三要素最大限度地体现在吸热界面上的循环管路与穿插在散热 翅片中的循环管路在各自给定的空间内所形成液冷相变吸热与矢量热移散热相互匹配的 结构系统中。

43、， 就能制造出一种力图最大限度地降低散热器自身的热阻， 尽量精密小巧标准 说明书 2/10 页 9 CN 110634816 A 9 一体化结构摆脱强力冷风吹拂的， 克服工质循环阻力的， 无外动力源散热的液冷相变矢量 热移散热系统， 也就是将液冷与气冷两者优势结合起来， 即以芯片工作内源热量为动力， 通 过循环管路内液态工质吸收界面热量， 利用相变产生的气压推动结构内工质沿管路轴向进 行单向循环， 同等单元环轴路循环比热管往返轴径循环的功效至少提高1倍， 以近即时比紫 铜传导速度快百倍的相变蒸发速度将热量矢量热移至最容易与空气交换的部位， 并由散热 翅片全表面散出， 从中定量地得到结构系统匹配。

44、公式， 作为一体化结构设计与计算工质剂 量的标准， 从而实现液冷界面热阻低， 直接气冷， 成本低之所长， 方能最大限度地发挥出散 热系统的功效， 使高集成度大功率半导体芯片在高温环境中也能达到正常工作的目的。 0004 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是： 一种摈弃散热器热沉底板， 采用密 闭的循环管路系统代替之， 即将半导体芯片界面焊接或粘结在循环管路的管平面上， 或者 将半导体芯片界面全面焊接或粘结在循环管路并列成管筏的平面上， 或者将半导体集成电 路即IC界面粘结在循环管路侧翼平面上， 循环管平面或管筏平面或管侧翼平面吸收半导体 芯片或IC界面热量使其内液态工质发生相变成气态， 产生。

45、起始气压， 该循环管路区内称为 气相区， 含有热量的气相工质小部分透过管壁传导其周围翅翼片直接散热， 绝大部分即刻 进入无缝连接的蒸发区管路， 蒸发区为每根蒸发管路的导向区并散热， 导向后随即每根蒸 发管路按散热间隔插入散热翅片中至冷凝区， 在冷凝区各管路内工质虽然热量还是进行径 向换热， 但在起始压力下， 气态冷凝成液气混流的工质不再贴敷管壁上， 仍进行管路的轴向 循环， 经回流管进入汇流管并聚集到足够的量， 在其内分配剩余的循环压力， 并各自以相同 余压进入导流管区， 在每根导流管末端内轴向安装同心或偏心单向阀， 由每根导流管末端 与所对应的每根气相区管路首端相连接并密封， 或多根导流管末。

46、端与一公共蒸发管路首端 相连接并密封， 由此构成首末端工质通过单向阀相通的轴向循环管路系统， 导流管内液气 混态工质经单向阀归流后， 再射入气相区， 再吸热相变气化， 保持起始气压， 不断循环， 由结 构到循环系统， 设半导体芯片输入额定功率， 工作到基础温度平衡时， 便发现结构系统匹配 公式： R气/C气M(R总-R气)S凝/S气(C总-C气)， 式中： S凝为冷凝时间， S气为气化时间， MS凝/S气V Ac (T2-T1)， M为匹配因数， 由S凝/S气、 V矢量热移度、 温差数值、 Ac气冷方式即平行风或对流四因 数决定， R气为气相区工质液态剂量， C气为气相区管路腔积， R总为系统。

47、工质液态总剂量， R总-R气 R凝为冷凝区工质液态剂量， C总为系统管路总腔积， C总-C气C凝为冷凝区腔积， 且R总/C总比T1 20时不大于3/5， 保障不工作静态时液态工质浸没气相区， T2110时不小于1/5， 保 障工作动态温度平衡时气相区有充裕的液态工质供应， 匹配公式表答的是匹配因数在理想 状态下， 液冷相变吸收的热量与矢量热移散出的热量相等， 由此可得到理论的管径、 长度、 并列的数量及间距的设计数据， 同时依实际芯片热源界面形态与工作功率所产生的工质相 变热流的强度， 在各自给定的散热空间内， 最大限度地排列气相区与蒸发区管路并在其引 导下按冷凝区管路排列间距插入到散热翅片中。

48、设计成相匹配的结构系统形态， 再根据经验 公式： 1W热 功 率0.500.25毫升液态工质剂量内， 对匹配公式计算的数值与设计成实际结构 系统所形成的数值进行校正， 使气相区与冷凝区通过结构设计将其内工质相变循环， 达到 液冷相变产生的热流量与矢量热移散出的热流量温度平衡在芯片界面标定的安全值中， 达 到结构系统的匹配， 缩小体积， 降低成本， 实现液冷相变吸热与矢量热移散热两种优势的一 体化， 为保持循环速度与矢量性， 在导流管内轴向安装的单向阀， 同心单向阀呈漏斗状， 大 小管内径比为1 0.30.2， 大径端外径与导流管内径保持过盈配合， 变径过渡段长度为2 说明书 3/10 页 10。

49、 CN 110634816 A 10 8mm， 大小端长度比1 36， 小径端冲向气相区， 具体位置达到气相区边线至其中心线的中 点或之内， 偏心单向阀出口截面呈笑嘴状， 口腔与笑嘴截面比为1 0.40.2， 口腔部外径与 导流管内径保持过盈配合， 腔变嘴过渡段长度为36mm， 口腔与嘴长度比1 24， 嘴端面冲 向气相区， 具体位置达到过气相区边线处， 当两个单向阀同时指向气相区时则采用偏心漏 斗状单向阀， 以保障工质启动与循环的单向性， 工质喷入气相区时， 小径端或嘴可挡住相变 气回流， 并在变径或变嘴段反导下， 使气相工质沿中心轴冲向宽敞的蒸发区管路， 并由蒸发 管或分支或穿冷凝管导向最。

50、容易实现散热的部位， 而这种相变推动的循环不再是扩散性 的， 而是按管路各环节精细排布无阻力形成的矢量性循环， 矢量热移度高达96， 并通过气 相区与蒸发区的温差测试小于15得以验证， 总之， 循环系统各区连接关系、 结构系统匹 配公式及其设计总成中的工质腔积比例与功率工质校正、 单向循环提速措施为主要特征， 根据应用在大功率LED路灯中的散热、 5G服务器大功率CPU与GPU或射频芯片中的散热、 微距 LED显示屏中的散热、 5G移动智能终端中的散热以及无风扇汽车通用LED前灯或射灯中散热 的不同而构成各种形态一体化的液冷相变矢量热移散热系统。 0005 本发明的有益效果是： 保证大功率半导。