一种具有梯度复合结构的多孔合金热管散热器

摘要

本发明提供了一种具有梯度复合结构的多孔合金热管散热器，包括壳体，壳体上设置有工质充填口和排气口，壳体的底部设有工质充填口，上端面设有排气口，壳体内自下至上分为蒸发区、绝热区和冷凝区三个区域，三个区域内均填充满多孔合金，蒸发区内多孔合金的平均孔径最小，冷凝区内多孔合金的平均孔径最大，绝热区内多孔合金的平均孔径介于蒸发区内多孔合金平均孔径和冷凝区内多孔合金平均孔径之间。本发明散热器内部的多孔合金蒸发区、绝热区和冷凝区具有不同的孔径和孔隙率，具有散热能力强、渗透性好、热导率高的特点，可以有效的提高散热效果。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于电子器件散热的多孔合金热管散热器，属于电子器件散热技术领域。

背景技术

随着数字化及网络资讯化的发展，对微电子器件性能和速度的需求越来越高，目前，半导体技术已进入纳米量级，可在IC芯片上制造更多的晶体管，基于轻便而需整合功能的需求，目前也朝着系统单芯片方向发展。IC中晶体管等有源器件运算时，产生大量的热量，随着芯片中晶体管的数目越来越多，发热量也越来越大，在芯片面积不随之大幅增加的情况下，器件发热密度越来越高，过热问题已成为目前制约电子器件技术发展的瓶颈，以CPU为例，其发热量随着速度的提高而逐渐增加，目前已达115W以上，相对应的热流密度也大幅度增加。散热问题已成为制约微电子器件发展的最大障碍，并引起了广泛的关注。

微电子器件发热量不断提高，而与之相匹配的散热技术却未及时赶上，使得CPU的发展逐渐面临重大的瓶颈。根据ITRS预估，2006年每只DRAM(动态随机存取存储器)的发热量将从1W左右增加到2W。为了扩大存储模块容量，目前许多公司开始采用3D堆叠形式的封装，虽然提高了芯片的应用效率，但也使散热问题显得越来越重要，据统计，由热所引起的失效约占电子器件失效的一半以上。温度过高除了会造成半导体器件的损毁，也会造成电子器件可靠性降低及性能下降，对于散热问题的解决，必须寻求综合解决技术方案。此外，散热问题也是影响LED寿命的关键技术难题之一。

普通的多孔芯换热器一般包括蒸发区、绝热区和冷凝区，各区域是采用压实密度、孔径和孔隙率相同的多孔合金热管，在微型结构内，当工质发生相变时，其内部压力会急剧增大，导致渗透性差，热导率降低，影响散热效果。

发明内容

本发明针对现有电子器件散热技术存在的问题，依据金属多孔合金所具有的散热能力强、渗透性好、热导率高的特点，提供一种散热效果好、能满足电子产品微型化发展对散热技术需求的具有梯度复合结构的多孔合金热管散热器。

本发明的具有梯度复合结构的多孔合金热管散热器采用以下技术方案：

该多孔合金热管散热器，包括壳体，壳体上设置有工质充填口和排气口，壳体的底部设有工质充填口，上端面设有排气口，壳体内自下至上分为蒸发区、绝热区和冷凝区三个区域，三个区域内均填充满多孔合金，蒸发区内多孔合金的平均孔径最小，冷凝区内多孔合金的平均孔径最大，绝热区内多孔合金的平均孔径介于蒸发区内多孔合金平均孔径和冷凝区内多孔合金平均孔径之间。多孔合金可以为现有各种结构类型的多孔合金。

蒸发区高度H₁、冷凝区高度H₃和绝热区高度H₂的分布是：和其中H₁为蒸发区7的高度，H₂为绝热区5的高度，H₃为冷凝区的高度，H为三个区域高度之和；V_l为液相充液体积，φ₁为蒸发区多孔合金的孔隙率，V_g为气相体积，φ₃为冷凝区多孔合金的孔隙率，L为任一区域的长度，W为任一区域的宽度。

蒸发区、绝热区和冷凝区内多孔合金的平均孔径大小按下式得到：ln(p/p₀)＝-(2γV_m/rRT)cosθ，式中，式中，p₀为工作介质液面为平面时的饱和蒸气压，p为多孔合金内液体工作介质的饱和蒸气压，V_m为对应相的摩尔体积，γ为各区内对应相的表面张力，R为常数，T为绝对温度，θ为液体工作介质与多孔合金金属层壁的接触角；对应相是指实际工作时，散热器蒸发区、绝热区以及冷凝区内工作介质的状况，蒸发区工作介质是液相，绝热区工作介质是汽液两相，冷凝区工作介质是汽相。

本发明散热器内部的多孔合金蒸发区、绝热区和冷凝区具有不同的孔径和孔隙率，具有散热能力强、渗透性好、热导率高的特点，可以有效的提高散热效果。

附图说明

附图是本发明的结构示意图。

其中，1、壳体，2、排气口，3、冷凝区，4、绝热区与冷凝区临界面，5、绝热区；6、蒸发区与绝热区临界面，7、蒸发区，8、工质充填口。

具体实施方式

如附图所示，本发明的具有梯度复合结构的多孔合金热管散热器，包括壳体1，壳体1的底部设有工质充填口8，上端面设有排气口2。壳体1内自下至上分为蒸发区7、绝热区5和冷凝区3三个区域，相邻区域之间分别为蒸发区与绝热区临界面6和绝热区与冷凝区临界面4。三个区域内均填充满多孔合金蒸。发区7内多孔合金的平均孔径最小，冷凝区3内多孔合金的孔径平均最大，绝热区5内多孔合金的平均孔径介于蒸发区7内多孔合金平均孔径和冷凝区3内多孔合金平均孔径之间。

通过壳体1底部的工质充填口8向蒸发区7内填充液相工质(液相工质主要是在蒸发区7内)。散热器在实际工作时，蒸发区7内工质主要是液相，绝热区5内工质是汽液两相，冷凝区3内工质主要是汽相。

根据散热器吸热量(Q₁)和散热量(Q₂)，确定本发明散热器的结构尺寸以及合理划分蒸发区7、绝热区5和冷凝区3的尺寸。根据工质在蒸发区7、绝热区5和冷凝区3的相态区别，各区域的多孔合金设计成复合梯度结构，即：蒸发区7内多孔合金的孔径最小，冷凝区3内多孔合金的孔径最大，绝热区5内多孔合金的孔径介于蒸发区7内多孔合金孔径和冷凝区3内多孔合金孔径之间。

冷凝区3的散热环境一般相对稳定，那么，在冷凝区释放的热量也会保持相对稳定。在设计过程中要考虑：

1.Q₁、P、v₁之间的逻辑关系；

当蒸发区7吸收的热量等于冷凝区3释放的热量时，其内部压力P变化不大；而当蒸发区7吸收的热量大于冷凝区3释放的热量时时，其内部压力P必然增大，而导致介质沸点升高，相变减缓，传热速度v₁下降，散热件温度上升，直至影响其正常工作。

2.孔径、孔隙率和压力P的影响；

由于没有考虑工质相变引起的体积变化，其结果是随着蒸发区7吸收的热量的增加，其内部汽相与液相的比例发生变化，为维持P的相对稳定，就要合理设计蒸发区7、绝热区5和冷凝区3的高度H₁、H₂和H₃的相对尺寸。具体过程容如下：

利用饱和多孔合金的连续性方程、考虑重力效应的达西定律、能量方程对三个区域的工质输运过程进行数学建模：

$\frac{\partial \left(\mathrm{\phi \rho }\right)}{\partial \tau }+▿·\left(\mathrm{\rho v}\right)=0---\left(1\right)$

式中，φ为多孔合金的孔隙率，ρ为流体的密度，v为流体的表观速度。

$q_V=-\frac{\mathrm{kA}}{\mathrm{\mu L}}[(p_1-p_2)+\mathrm{\rho gL}]---\left(2\right)$

式中，q_V为容积流量，k为多孔合金的渗透率，μ为流体的动力粘度；A为单元横截面积，L为单元体长度。

${\left(\mathrm{\rho c}\right)}_m\frac{\partial T}{\partial \tau }+{\left(\rho c_P\right)}_{f}V·▿T=▿·({\lambda }_m▿T)+\phi q_m^{\prime \prime \prime }---\left(3\right)$

其中(ρc)_m＝(1-φ)(ρc)_s+φ(ρc_p)_f；λ_m＝(1-φ)λ_s+φλ_f；q′″_m＝(1-φ)q′″_s+φq′″_f；

式中，下标s和f分别表示固相和流体相；c为固体的比热；c_p为流体的定压比热；λ为导热系数；q′″为内热源所产生的单位体积的热量。

然后应用分形理论，建立多孔合金孔隙率和渗透率的表达式：

$\phi =\frac{V_p}{V_b}=\frac{\mathrm{AD\pi }}{4A_0(3-D-D_T)}{L}_0^{D_T-1}{\lambda }_{\max }^{3-D-D_T}(1-{\tau }^{3-D-D_T})---\left(4\right)$

$k=\frac{\mu L_{0}Q}{\mathrm{\Delta p}{A}_0}=\frac{\pi }{128}\frac{A}{A_0}\frac{D}{3+D_T-D}{L}_0^{1-D_T}{\lambda }_{\max }^{3+D_T-D}---\left(5\right)$

式中，D为多孔合金孔隙分布分形维数，D_T为多孔合金孔隙迂曲分形维数，Q则为通过单元截面A的总流量。

根据以上获得的参数表达式得到蒸发区、绝热区和冷凝区内所对应的多孔合金的平均孔径大小为：

ln(p/p₀)＝-(2γV_m/rRT)cosθ                         (6)

式中，p₀为工作介质液面为平面时的饱和蒸气压，p为多孔合金内液体工作介质的饱和蒸气压，V_m为对应相的摩尔体积，γ为各区内对应相的表面张力，R为常数，T为绝对温度，θ为液体工作介质与多孔合金金属层壁的接触角；对应相是指实际工作时，散热器蒸发区、绝热区以及冷凝区内工作介质的状况，蒸发区工作介质是液相，绝热区工作介质是汽液两相，冷凝区工作介质是汽相。

根据获得的孔隙率，得到蒸发区7、冷凝区3和绝热区5高度分布：和

其中H₁为蒸发区7的高度，H₂为绝热区5的高度，H₃为冷凝区的高度，H为三个区域高度之和；V_l为液相充液体积，φ₁为蒸发区多孔合金的孔隙率，V_g为气相体积，φ₃为冷凝区多孔合金的孔隙率，L为任一区域的长度，W为任一区域的宽度。

壳体内填充的工质选择的首要条件是工作温度应在工质的凝固点和临界点之间。根据一般经验，对中、低温热管，筛选工质的一般法则是在最低工作温度下，内压应大于0.1大气压；在最高工作温度下，内压应小于10～20大气压。工作温度最好选在正常沸点附近，即内压在一个大气压左右。工质物性对热管传热能力的影响归纳为一个数群，可以有以下形式：

$N=\frac{\sigma ·{\rho }_l·h_{\mathrm{fg}}}{{\mu }_l}---\left(7\right)$

式中，N为传输因素；σ为液体的表面张力系数；ρ_l为液体密度；h_fg为液体的汽化潜热；μ_l为液体的动力黏度。工质的传输因素越高，则传热能力越强，从公式可以看出这样的工质应具有高的表面张力，高的汽化潜热，润湿性好，粘度小等特点。

工质充装量M应为：

M＝ρ_lV_l+ρ_vV_v                   (8)

式中V_l——蒸发区(V_l)容纳液体的体积V₁＝εA_wl

V_v——蒸汽空间体积V_v＝A_vl

故

$\frac{M}{V_v}=(\frac{V_l}{V_v}{\rho }_l+{\rho }_v)=(\frac{ϵA_w}{A_v}{\rho }_l+{\rho }_v)---\left(9\right)$

全充满工质充装量仅与热管的结构参数及工质物性有关。

本发明具有以下技术效果和优点：

1、用于对IC、LED等微电子器件的有效散热，其内部多孔合金蒸发区、绝热区和冷凝区内的多孔合金具有不同的孔径和孔隙率，可以有效的提高散热效果。

2、利用梯度复合结构多孔合金临界面的概念，并引入分形和数值计算获得临界面两侧孔径和孔隙率的解析解。

3、依据不同区域内工质的相态差异和物性参数区别，明确散热器总高度H和各区域高度H₁、H₂、H₃之间的逻辑关系，计算孔径和孔隙率尺寸，并能够应用指导该类型散热器的设计。