ЭЛЕКТРОННОЕ УСТРОЙСТВО С ОХЛАЖДЕНИЕМ ЧЕРЕЗ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬ С ЖИДКИМ МЕТАЛЛОМ
ELECTRONIC DEVICE WITH COOLING VIA DISTRIBUTOR WITH LIQUID METAL

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к электронному устройству, например к полупроводниковому электронному устройству с охлаждением через распределитель с жидким металлом.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
-1
-1
Изобретение относится к области термического контроля электронных компонентов, например полупроводниковых компонентов. Как показано на фиг. 1, электронный компонент может быть расположен на устройстве охлаждения через посредство металлической пластины толщиной в несколько миллиметров. Эта пластина предназначена для расширения излучаемого теплового потока и для увеличения проходного сечения этого теплового потока с точки зрения устройства охлаждения. Поскольку температурные градиенты обратно пропорциональны площади теплообмена, за счет этого существенно улучшается термический контроль. В дальнейшем для обозначения такой пластины будет использован термин «распределитель». На фиг. 1 показан источник 10 рассеяния тепла, например, электронный компонент или совокупность компонентов в корпусе, расположенный на распределителе 11, который обеспечивает расширение потока до его попадания на устройство 12 охлаждения (стрелками показано направление плотности теплового потока ϕ). Такой распределитель имеет оптимальную толщину: ниже этого значения расширение оказывается недостаточным, что снижает характеристики устройства охлаждения. Выше этого значения его термическое сопротивление становится слишком большим. Для обеспечения своей эффективности распределитель должен быть хорошим проводником тепла, например, из меди. Однако медь является тяжелой, поэтому часто используют алюминий. Кроме того, теплопроводность меди является ограниченной (400 Вт·м·К). Таким образом, значительное увеличение площади распределителя не приводит к уменьшению общего термического сопротивления, так как тепловой поток не доходит до краев распределителя.
Следовательно, для улучшения общего термического контроля следует применять материалы, имеющие более значительную эквивалентную теплопроводность. Одним из решений является использование материалов с очень хорошей теплопроводностью, таких как материалы с наполнителем из частиц с высокой теплопроводностью (алмаз, углерод, …). Однако в настоящее время такие материалы не освоены в достаточной степени, чтобы их можно было внедрять в оборудование при стоимости и характеристиках (надежность, способность к механической обработке, проводимость, масса), совместимых с промышленными масштабами. Другим известным решением является использование теплопроводов. Как показано на фиг. 2, теплопровод 15 содержит замкнутую камеру 16, внутренние стенки которой покрыты капиллярной сетью 17, насыщенной жидкостью 18. Как правило, он состоит из трех частей, называемых испарителем 20, конденсатором 21 и адиабатической зоной 22. На уровне испарителя 20 жидкость 18 превращается в пар 23 и проходит в конденсатор 21. После конденсации жидкость возвращается в испаритель через капиллярную сеть 17, которая в теплопроводе играет роль двигателя. При соответствующей капиллярной сети теплопровод 15 может работать во всех положениях и, следовательно, без учета гравитации. Принцип теплопровода представляет интерес, поскольку он обеспечивает очень низкую разность температуры между зоной испарения 20 (горячий источник) и зоной конденсации 21 (холодный источник). Теплопровод выполняет функцию «термического короткого замыкания». Поскольку паровая зона теплопроводов является зоной с очень высокой эквивалентной теплопроводностью, их можно использовать в качестве распределителей. На фиг. 3 представлена работа такого теплопровода 27, применяемого в качестве расширителя тепла. При этом говорят о расширителе тепла или о “vapour chamber”. Принцип работы является таким же, как и у классических теплопроводов, но пути текучей среды отличаются, так как горячий источник 25 (испаритель) находится на первой стороне теплопровода, а холодный источник 26 (конденсатор) использует всю площадь второй стороны.
Решения типа двухфазной текучей среды (теплопровод, “vapour chamber”) имеют ограничения. Например, в авиации среди наиболее строгих ограничений можно указать выбор текучей среды, стойкость при ускорениях, эффективность при очень высоких значениях плотности. Используемая текучая среда должна быть совместимой с требованиями в области авиации (пожаробезопасность, европейский регламент REACH, …). Кроме того, эффективность этих решений во многом зависит от характеристик холодного источника и используемой двухфазной текучей среды.
-1
-2
В настоящее время существуют примеры контуров охлаждения для электронных систем, в которых применяют проводящие текучие среды (расплавленные соли или жидкие металлы), приводимые в движение электромагнитными насосами типа магнитогидродинамических насосов постоянного тока (DC). Так, в контуре охлаждения, описанном в документе, указанном в конце описания под ссылкой [1], для охлаждения электронного компонента используют кондукционный магнитогидродинамический насос (MHD DC) для проводящей текучей среды типа GaIn (галлий-индий). Насос создает давление порядка 25 кПа при расходе 0,14 л/мин, тогда как магнитное поле, применяемое в насосе, имеет значение 0,9 Тл. Эта система может охлаждать тепловой поток плотностью более 200 Вт·см. В таком контуре:
- Точка плавления галлия-индия превышает 0°С, что создает проблему работы при окружающей температуре ниже температуры плавления. Поскольку холодный источник находится далеко от электронного компонента, может оказаться невозможным запустить устройство до перегрева компонента.
- Питание электромагнитного насоса (сильный ток/низкое напряжение) является сложным и отличается низким КПД.
- Такой контур, работающий на расплавленной соли или на жидком металле, имеет хорошие термические характеристики. Однако он имеет очень ограниченную область применения, так как проводящие текучие среды являются очень дорогими (1000 евро за кг), а некоторые из жидких металлов, такие как галлий или сплавы галлия, имеют плотность, в шесть раз превышающую плотность воды.
В ссылочном документе [2] описан распределитель, в котором жидкий металл, например галлий или сплав галлия, такой как галлий-индий-олово, циркулирует в выполненных в нем каналах под одним или несколькими полупроводниковыми компонентами. Этот жидкий металл поглощает тепло под полупроводниковым(и) компонентом(ами) и распределяет это тепло по всей остальной площади. Этот жидкий металл приводится в движение при помощи кондукционного магнитогидродинамического насоса, встроенного в распределитель. Покрытие из защитного материала обеспечивает изоляцию между стенками канала и жидким металлом, чтобы избегать между ними химического взаимодействия. Такой распределитель имеет следующие недостатки: он требует наличия химического покрытия (“coating”) для изоляции стенок канала от жидкого металла. Кроме того, не предусмотрено никакого средства против расширения галлия при его затвердевании; такое расширение может привести к повреждению распределителя.
Изобретение призвано устранить эти недостатки и предложить циркуляцию жидкого металла в распределителе, выполненном в виде набора из нескольких пластин, химически совместимых с галлием, при этом жидкий металл поглощает тепло под источником тепла при небольших повышениях температуры и распределяет это тепло по всей остальной площади распределителя, при этом выполненный на нижней стороне распределителя теплоотвод позволяет удалять тепло из жидкого металла.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Объектом изобретения является электронное устройство с охлаждением источника рассеяния тепла посредством распределителя с жидким металлом, причем это устройство, содержащее, по меньшей мере, один источник рассеяния тепла, содержащий, по меньшей мере, один электронный компонент, по меньшей мере, один распределитель, в котором выполнен, по меньшей мере, один канал циркуляции жидкого металла, образующий контур, проходящий под источником рассеяния тепла, по меньшей мере, один теплоотвод и, по меньшей мере, один электромагнитный насос для приведения в движение жидкого металла в упомянутом, по меньшей мере, одном канале таким образом, чтобы жидкий металл поглощал тепло, рассеиваемое источником рассеяния тепла и переносил это тепло для его удаления через теплоотвод, отличается тем, что каждый распределитель содержит, по меньшей мере, две пластины из электроизоляционного материала, расположенные с двух сторон от, по меньшей мере, одной планки из деформирующегося материала, вокруг которой выполнен канал циркуляции жидкого металла.
2
3
3
4
Предпочтительно упомянутый, по меньшей мере, один электронный компонент может быть полупроводниковым компонентом. Жидкий металл можно выбирать из: галлий, индий, висмут, олово, сплавы, содержащие галлий, и/или индий, и/или олово, сплав натрий-калий. Предпочтительно каждую планку из деформирующегося материала выполняют из пеноматериала с закрытыми ячейками, из пеноматериала с открытыми ячейками с герметичным покрытием или из массивного или полого деформирующегося пластика. Электроды выполнены из молибдена, из вольфрама, из нержавеющей стали или из меди с защитным покрытием (“coating”). Это последнее решение позволяет уменьшить общее падение напряжения, то есть снижение КПД электромагнитного насоса. Теплоотвод является ребристым теплоотводом, связанным или нет с вентилятором или охладителем с принудительной жидкостной конвекцией. Каждый электромагнитный насос может быть кондукционным магнитогидродинамическим насосом (MHD DC). Он может быть встроен между двумя пластинами из электроизоляционного материала распределителя. Эти пластины из электроизоляционного материала могут быть выполнены из керамики, из AIN, из AlO, из SiN или из SiC.
Предпочтительно распределитель содержит ребра внутри упомянутого, по меньшей мере, одного канала циркуляции жидкого металла для увеличения площади теплообмена с жидким металлом.
Предпочтительно устройство в соответствии с изобретением содержит узел «электромагнитный насос + набор из нескольких полупроводниковых компонентов/распределитель с жидким металлом/теплоотвод».
Предпочтительно между распределителем с жидким металлом и теплоотводом расположен теплопровод.
Предпочтительно в первом варианте выполнения устройство в соответствии с изобретением содержит:
- первую магнитную цепь, содержащую, по меньшей мере, одну планку из магнитного материала и постоянный магнит,
- первую рамку из полимера,
- первую пластину из электроизоляционного материала, на которой расположены полупроводниковые компоненты,
- планку из деформирующегося материала,
- три электрода, один из которых расположен на деформирующемся материале,
- прокладку из полимера со средствами крепления,
- вторую пластину из электроизоляционного материала,
- вторую рамку из полимера,
- вторую магнитную цепь,
- теплоотвод,
при этом вокруг планки из деформирующегося материала выполнен канал циркуляции жидкого металла.
Предпочтительно во втором варианте выполнения устройство в соответствии с изобретением содержит:
- две первые магнитные цепи,
- рамку из полимера,
- первую пластину из керамики, на которой расположены полупроводниковые компоненты,
- планку из деформирующегося материала,
- электроды, один из которых расположен на деформирующемся материале,
- прокладку из полимера со средствами крепления,
- вторую пластину из керамики,
- две вторые магнитные цепи,
- ребристый теплоотвод,
при этом вокруг планки из деформирующегося материала выполнен канал циркуляции жидкого металла.
Предпочтительно в третьем варианте выполнения устройство в соответствии с изобретением содержит:
- первый ребристый теплоотвод,
- первую рамку из полимера,
- первые магнитные цепи,
- первую пластину из керамики, на которой расположены полупроводниковые компоненты,
- первые электроды,
- три первые планки из деформирующегося материала,
- первую прокладку из полимера со средствами крепления,
- вторую пластину из керамики,
- вторую прокладку из полимера со средствами крепления,
- вторые электроды,
- три вторые планки из деформирующегося материала,
- третью пластину из керамики,
- вторые магнитные цепи,
- вторую рамку из полимера,
- второй ребристый теплоотвод,
при этом вокруг первых планок из деформирующегося материала выполнен первый канал циркуляции жидкого металла, и вокруг вторых планок из деформирующегося материала выполнен второй канал циркуляции жидкого металла.
Устройство в соответствии с изобретением имеет следующие преимущества:
2
- Высокая проводимость распределителя позволяет удалять тепловой поток гораздо большей плотности, чем при применении теплопроводов. Значения плотности могут достигать кВт/см.
- Компактность распределителя позволяет использовать очень малый объем жидкого металла (несколько миллилитров). Она позволяет также удерживать источник рассеяния тепла близко ко всему объему жидкости и обеспечивает ее полное расплавление. При этом после затвердевания возможен повторный запуск.
- Можно добиваться плавления, чтобы использовать изменение фазы с целью замедления повышения температуры электронного(ых) компонента(ов). Можно предусмотреть использование сплавов с более высокой температурой плавления, не содержащих галлия.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 иллюстрирует принцип работы устройства охлаждения типа распределителя.
Фиг. 2 иллюстрирует принцип работы теплопровода.
Фиг. 3 иллюстрирует принцип работы теплопровода, используемого в качестве расширителя тепла.
Фиг. 4 - устройство в соответствии с изобретением.
Фиг. 5 иллюстрирует принцип работы электромагнитного насоса, применяемого в устройстве, показанном на фиг. 4.
Фиг. 6А и 6В - первый вариант выполнения устройства в соответствии с изобретением, соответственно вид в разборе и вид в перспективе.
Фиг. 7 схематично иллюстрирует работу электромагнитного насоса, применяемого в заявленном устройстве, показанном на фиг. 6А и 6В.
Фиг. 8А и 8В - второй вариант выполнения устройства в соответствии с изобретением, соответственно вид в разборе и вид в перспективе.
Фиг. 9А и 9В - третий вариант выполнения устройства в соответствии с изобретением, соответственно вид в разборе и вид в перспективе.
Фиг. 11 - сравнительные характеристики распределителя с жидким металлом в соответствии с изобретением, показанного на фиг. 10А, и распределителя из меди, показанного на фиг. 10В.
Фиг. 12А-12В - версия выполнения устройства в соответствии с изобретением.
Фиг. 13 - другая версия выполнения устройства в соответствии с изобретением.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ЧАСТНЫХ ВАРИАНТОВ ВЫПОЛНЕНИЯ
Как показано на фиг. 4, устройство в соответствии с изобретением содержит следующие элементы:
- источник рассеяния тепла 32, который содержит, по меньшей мере, один электронный компонент, например полупроводниковый компонент,
- распределитель 30 с жидким металлом, представляющий собой гидравлическую часть, предназначенную для удаления тепла под источником рассеяния тепла, и выполненный в виде двух пластин из электроизоляционного материала, например из керамики, расположенных с двух сторон от деформирующегося материала, вокруг которого выполнен канал циркуляции жидкого металла,
- электромагнитный насос 31, приводящий в движение жидкий металл,
- теплоотвод 33.
Источник рассеяния тепла 32 расположен на верхней стороне распределителя 30. Теплоотвод 33 расположен на нижней стороне распределителя 30. Стрелкой 34 показана циркуляция жидкого металла, по меньшей мере, в одном канале, в котором можно добавить ребра для увеличения площади теплообмена. Позицией 35 показан вход жидкого металла, а позицией 36 - выход жидкого металла.
-1
-1
Устройство в соответствии с изобретением приводит в движение жидкий металл, который является текучей средой-теплоносителем, в теплопроводящей подложке. Этот жидкий металл поглощает тепло под электронными компонентами 32 с небольшим повышением температуры и распределяет это тепло по всей остальной площади подложки. Жидкие металлы, такие как сплавы галлия, или расплавленные соли, такие как натрий-калий, имеют отличные физические свойства. Так, галлий, который обладает теплопроводностью, близкой к 28 Вт·м·К, то есть со значением, в сорок раз превышающим теплопроводность воды, позволяет получать очень большие значения коэффициентов конвекционного теплообмена и, следовательно, обеспечивает очень сильное рассеяние с точки зрения плотности теплового потока. Кроме больших значений теплопроводности, жидкие металлы являются хорошими электрическими проводниками, что делает возможным использование электромагнитных или магнитогидродинамических насосов 31, как показано на фиг. 5 и 7, в которых комбинированное применение магнитного поля (магнитная индукция В) и электрического тока I приводит к появлению силы Лапласа F, приводящей в движение жидкий металл.
Изобретение обеспечивает циркуляцию жидкого металла внутри распределителя, выполненного в виде набора, по меньшей мере, из двух пластин из электроизоляционного материала, химически совместимого с галлием, и планки из деформирующегося материала, которая служит для поглощения расширения галлия во время его работы. Электромагнитный насос, который служит для приведения в движение жидкого металла, можно встроить между двумя пластинами. Этот жидкий металл поглощает тепло под источником тепла с небольшим повышением температуры и распределяет это тепло по всей остальной площади распределителя. Теплоотвод, который служит для удаления тепла в жидком металле, расположен на поверхности распределителя.
На фиг. 6А и 6В представлен первый вариант выполнения заявленного устройства, содержащий два электромагнитных насоса, каждый из которых содержит первую и вторую электромагнитные цепи, генерирующие магнитное поле, и электроды, по которым проходит электрический ток.
На фиг. 6А показаны:
- первая магнитная цепь 40, содержащая по меньшей мере, одну планку 41 из магнитного материала и постоянный магнит 42,
- первая рамка 43 из полимера,
- первая пластина 44 из электроизоляционного материала, на которой находятся полупроводниковые компоненты 52,
- планка 47 из деформирующего материала,
- три электрода 45, один из которых находится на деформирующемся материале,
- прокладка 46 из полимера со средствами крепления 46',
- вторая пластина 48 из электроизоляционного материала,
- вторая рамка 49 из полимера,
- вторая магнитная цепь 50,
- теплоотвод 51,
при этом вокруг планки 52 из деформирующегося материала выполнен канал циркуляции жидкого металла.
В предпочтительном примере выполнения устройство в соответствии с изобретением имеет следующие характеристики.
Жидкий металл можно выбирать из: галлий, индий, висмут, олово, сплавы, содержащие галлий, и/или индий, и/или олово, сплав натрий-калий.
В рамках изобретения полимер предназначен для обеспечения герметичности распределителя, а также механической прочности набора, при этом рамки выполняют роль корпуса для заявленного устройства. Этот полимер может быть смолой. Во время соединения различных элементов, показанных на фиг. 6А, полимер полимерных рамок 43, 46 и 49 является мягким. Затем он затвердевает по время высыхания.
Планки из деформирующегося материала можно выполнять из вспененного тефлона, из пеноматериала с закрытыми ячейками, из пеноматериала с открытыми ячейками с герметичным покрытием или из массивного или полого деформирующегося пластика.
2
3
3
4
Предпочтительно обе пластины из электроизоляционного материала можно выполнить из керамики, из AIN, из AlO, из SiN или из SiC, то есть из материалов, соответствующих трем следующим требованиям: химической совместимости с галлием, электрической изоляции и хорошей теплопроводности.
Материалом электродов, который должен быть электропроводящим и совместимым с галлием, может быть молибден, вольфрам, нержавеющая сталь или медь с защитным покрытием.
Постоянные магниты, которые служат для создания магнитного поля в канале, можно выполнить из NdFeB.
Теплоотвод может быть ребристым теплоотводом, связанным или нет с вентилятором, охладителем с принудительной жидкостной конвекцией.
На фиг. 7 представлена работа электромагнитного насоса. Он содержит первую магнитную цепь 40, вторую магнитную цепь 50 и два электрода 45, при этом вокруг планки 52 из деформирующегося материала выполнен канал циркуляции жидкого металла. Стрелкой 58 показано направление электрического тока, проходящего через электроды. Стрелками 56 и 57 показано направление магнитной индукции В между двумя магнитными цепями 40 и 50. Стрелки 55 показывают направление получаемого перемещения жидкого металла, согласно принципу, который был описан выше со ссылками на фиг. 5.
На фиг. 8А и 8В представлен второй вариант выполнения заявленного устройства, который соответствует силовой модели с четырьмя электромагнитными насосами.
На фиг. 8А показаны:
- две первые магнитные цепи 60 и 61,
- рамка 62 из полимера,
- первая пластина 63 из керамики, на которой расположены электронные схемы 64 или несколько электронных компонентов 65,
- планка 68 из деформирующегося материала,
- электроды 66, 66', 69, 69' и электроды 67, расположенные на деформирующемся материале 68,
- прокладка 70 из полимера со средствами крепления 70',
- вторая пластина 71 из керамики,
- две вторые магнитные цепи 72 и 73,
- ребристый теплоотвод 74,
при этом вокруг планки 68 из деформирующегося материала выполнен канал циркуляции жидкого металла.
На фиг. 9А и 9В представлен третий вариант выполнения заявленного устройства, который соответствует модели с двумя расположенными друг над другом каналами циркуляции жидкого металла.
На фиг. 9А показаны:
- первый ребристый теплоотвод 80,
- первая рамка 81 из полимера,
- первые магнитные цепи 82,
- первая пластина 83 из керамики, на которой расположены полупроводниковые компоненты 84,
- первые электроды 85,
- три первые планки 94 из деформирующегося материала,
- первая прокладка 86 из полимера со средствами крепления 87,
- вторая пластина 88 из керамики,
- вторая прокладка 90 из полимера со средствами крепления 91,
- вторые электроды 92,
- три вторые планки 93 из деформирующегося материала,
- третья пластина 95 из керамики,
- вторые магнитные цепи 96,
- вторая рамка 97 из полимера,
- второй ребристый теплоотвод 98,
при этом вокруг первых планок 92 из деформирующегося материала выполнен первый канал циркуляции жидкого металла, и вокруг вторых планок 93 из деформирующегося материала выполнен второй канал циркуляции жидкого металла.
-2
-1
-1
-1
Чтобы показать преимущество описанного выше распределителя, можно сравнить его характеристики с характеристиками массивного медного блока такого же объема. Значение коэффициента теплообмена на поверхности, противоположной электронному компоненту, является одинаковым в обоих типах распределителей: h=20000 Вт·м·К. На фиг. 10А показан распределитель 30 с жидким металлом в соответствии с изобретением (см. фиг. 4), а на фиг. 10В - распределитель в виде медного блока. В этом последнем случае источник рассеяния тепла 105 находится в центре распределителя 106, так как эта конфигурация позволяет добиться наименьшего термического сопротивления. На фиг. 11 показано изменение термического сопротивления Rth этих двух типов распределителей в зависимости от расхода жидкого металла. Термическое сопротивление массивного распределителя из меди является постоянным и имеет значение 0,16 К·Вт, тогда как термическое сопротивление распределителя с жидким металлом при расходе 1,5 л/мин равно 0,09 К·Вт, что соответствует уменьшению на 45%.
ВЕРСИИ ВЫПОЛНЕНИЯ
Изобретение можно применять в различных областях, таких как микроэлектроника, в частности для охлаждения микропроцессоров, в силовой электронике для охлаждения полупроводниковых компонентом, в оптоэлектронике для охлаждения электролюминесцентных диодов или при производстве солнечной энергии для концентрированных фотогальванических элементов.
На фиг. 12А и 12В представлена версия выполнения устройства в соответствии с изобретением с использованием наборов из нескольких смонтированных вертикально узлов «полупроводниковые компоненты (силовой модуль 3D) 101/распределитель 102 с жидким металлом/теплоотвод 103», каждый из которых связан с электромагнитным насосом 100.
В другой версии выполнения, показанной на фиг. 13, между распределителем 111 с жидким металлом и теплоотводом 112 можно добавить теплопровод 110 для гомогенизации температуры распределителя и для повышения его производительности. В этом случае изменение фазы жидкого металла внутри распределителя происходит гораздо лучше. Кроме того, расположение распределителя 111 с жидким металлом между источником 113 рассеяния, который является полупроводниковым компонентом, и теплопроводом позволяет уменьшить плотность тепла со стороны теплопровода и раздвинуть рабочие пределы (в частности, предел капиллярности и предел кипения).
В версии выполнения распределитель содержит ребра внутри канала циркуляции жидкого металла для увеличения площади теплообмена с жидким металлом, как показано, например, на фиг. 10А и 10В.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Miner, A. & Ghoshal, U., 2004. Cooling of high-power-density microdevices using liquid metal coolants. Applied Physic Letters, 85(3), 506.
2. US 2009/0279257.