連續(xù)相變熱沉熱控制單元的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種利用相變傳熱原理對電子設(shè)備進(jìn)行傳熱的相變熱沉。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著電子器件的高頻、高速以及集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，電子元器件的總功率密度大幅度增長而物理尺寸卻越來越小，熱流密度也隨之增加，所以高溫的溫度環(huán)境勢必會影響電子元器件的性能，這就要求對其進(jìn)行更加高效的熱控制。因此，有效解決電子元器件的散熱問題已成為當(dāng)前電子元器件和電子設(shè)備制造的關(guān)鍵技術(shù)。隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，電子器件的微型化已經(jīng)成為現(xiàn)代電子設(shè)備發(fā)展的主流趨勢。電子器件特征尺寸不斷減小，芯片的集成度、封裝密度以及工作頻率卻不斷提高，這就使得單位容積電子器件的總功率密度和發(fā)熱量大幅度地增長，從而使電子器件的冷卻問題變得越來越突出。統(tǒng)計表明，超過55%的電子設(shè)備的失效形式是由溫度過高引起的。另一方面，電子器件工作的可靠性對溫度卻十分敏感，器件溫度在70-80水平上每增加I，可靠性就會下降5%。較高的溫度水平已日益成為制約電子器件性能的瓶頸，而高效電子器件的溫度控制目前已經(jīng)漸漸成為一個研究熱點。隨著電子元器件功率的增大，冷卻設(shè)計對保證電子元器件正常工作起著非常重要的作用。固液相變熱能存儲系統(tǒng)作為熱控制單元(TCU)已經(jīng)運用于電子器件在脈沖熱負(fù)荷條件下的高溫保護(hù)和冷卻。相變材料(Phase Change Material)通常是一些常壓下在某些電子器件工作溫度區(qū)段進(jìn)行固液相變的材料，可利用相變材料在相變潛熱吸收一定時段內(nèi)運行的電子器件(如移動電話、便攜式電腦)產(chǎn)生的熱量，從而對電子器件進(jìn)行保護(hù)。當(dāng)PCM吸收熱量后，其狀態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，當(dāng)環(huán)境溫度降低后，經(jīng)過向環(huán)境的散熱，就可以恢復(fù)固態(tài)。高溫環(huán)境下工作的封裝有相變材料的熱沉，一方面利用固液相變潛熱存儲系統(tǒng)吸收電子器件散發(fā)的熱量，另一方面還要吸收從高溫環(huán)境傳遞過來的熱量。熱沉結(jié)構(gòu)的幾何外形是影響上述兩個熱量傳遞的關(guān)鍵因素。相變蓄熱材料分石蠟類、非石蠟類、無機鹽水合物、金屬等。相變熱沉是利用相變材料:如石蠟、無機鹽類、脂肪酸類物質(zhì)在發(fā)生相變時的潛熱大，同時在相變過程中溫度基本保持不變的特性。相變熱沉將電子設(shè)備、器件等發(fā)出的熱量吸收，同時相變熱沉可保持溫度在一定時間內(nèi)幾乎不發(fā)生變化，特別適用某些瞬態(tài)使用的大功率的電子設(shè)備熱管理。由于系統(tǒng)內(nèi)部存在溫度變化，分裝于系統(tǒng)內(nèi)的石蠟密度會隨著溫度變化而變化，溫度的差異會導(dǎo)致密度差，自然對流由此產(chǎn)生，相變材料體積會隨著密度的變化而膨脹或收縮，頂端空氣也會隨著溫度差異產(chǎn)生自然對流。對于頂端暴露于空氣中的相變材料，相界面與空氣互相接觸而不互相融合。相變材料沿橫向的凝固速度比縱向要快得多，這是因為，熔融態(tài)相變材料主要是對流傳熱為主;凝固態(tài)相變材料主要是熱傳導(dǎo)為主，相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)比較低，隨著相變材料凝固厚度的增加，熱阻會越來越來大。目前國內(nèi)外主要使用兩種形式的相變熱沉結(jié)構(gòu):一是使用普通純相變物質(zhì)，機械封裝在一個封閉腔體內(nèi)形成的熱沉，二是采用某些高導(dǎo)熱填料、結(jié)構(gòu)及改性的相變材料，機械封裝在封閉腔體內(nèi)形成熱沉。采用普通相變材料封裝的熱沉其導(dǎo)熱系數(shù)低，相變界面移動緩慢，相變材料發(fā)生相變后由于其導(dǎo)熱系數(shù)低，將形成加熱面與剩余未相變部分相變材料的熱阻，造成較大溫差，從而導(dǎo)致需要進(jìn)行熱控制的電子器件的溫升高，進(jìn)而導(dǎo)致器件的失效，相變熱沉沒有充分發(fā)揮作用。采用高導(dǎo)熱相變材料有很多技術(shù)途徑，主要有在傳統(tǒng)相變材料中增加銅粉、鋁粉以至納米材料;在蜂窩結(jié)構(gòu)的或周期性金屬結(jié)構(gòu)中填入普通相變材料;使用復(fù)雜的物理、化學(xué)合成方法將石墨形成微膠囊，而普通相變材料包裹在微膠囊中。對于這些技術(shù)途徑，主要目的均是為了提高相變材料導(dǎo)熱系數(shù)，提高相變界面移動速度，從而降低加熱面與未相變材料之間的溫差，促進(jìn)相變材料的充分利用，增加熱沉工作時間，同時降低熱沉溫度。目前已有的改型相變材料主要采用泡沫金屬填充、石墨類材料組成包覆體、添加金屬或其它高導(dǎo)熱粒子;增加輕質(zhì)高導(dǎo)熱骨架，如翅片或周期性金屬網(wǎng)格材料等四種基本技術(shù)提高其導(dǎo)熱系數(shù)。所有的現(xiàn)有技術(shù)均是基于提高導(dǎo)熱系數(shù)對相變材料進(jìn)行改進(jìn)的。國內(nèi)外主要的專利也朝是在這個方向集中的。無論采用何種提高導(dǎo)熱系數(shù)手段，都涉及到諸如新材料的制造合成、新結(jié)構(gòu)的制造合成，新工藝手段的開發(fā)等。復(fù)合相變材料等所采用的技術(shù)手段復(fù)雜；如為生產(chǎn)高導(dǎo)熱多孔介質(zhì)材料。復(fù)合相變材料的等效的比熱較之純相變材料物質(zhì)下降幅度較大;無論采用何種技術(shù)手段，復(fù)合之后的等效比熱較之純相變物質(zhì)來說都會變小，以膨脹石墨相變材料來說，復(fù)合后的材料潛熱從純石蠟的230Kj/Kg變化到復(fù)合材料的161.2Kj/Kg。在相同重量的情況下，蓄熱能力下降30?40%，對于重量敏感的設(shè)備和項目來說是不合適的。復(fù)合相變材料與結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)工藝性難以大規(guī)模生產(chǎn);復(fù)合相變材料或結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)工藝性差，例如采用金屬多孔介質(zhì)必須解決多孔介質(zhì)與相變材料容器之間的焊接問題，采用復(fù)合相變材料又涉及到材料如何封裝入封閉容器中的問題，目前的工藝方法均不十分成熟，采用的如真空加注等方法，技術(shù)實施復(fù)雜，工藝過程有大量工藝參數(shù)需要確定，因此能夠掌握的生產(chǎn)單位不多，生產(chǎn)規(guī)模不大。復(fù)合相變材料與結(jié)構(gòu)的成本較普通相變材料高得多。基于以上原因，所有的技術(shù)手段都導(dǎo)致成本的提高，其技術(shù)經(jīng)濟性普遍較差，因此在通常的應(yīng)用中很難大規(guī)模推廣使用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足之處，提供一種原理簡單，實現(xiàn)成本低，相變材料的連續(xù)相變熱沉熱控制單元，以克服傳統(tǒng)改性相變材料成本高，技術(shù)實施困難，技術(shù)經(jīng)濟性差的問題。
[0004]本發(fā)明的上述目的可以通過以下措施來達(dá)到，一種連續(xù)相變熱沉熱控制單元，包括封裝在封裝殼體5封閉腔體中的相變材料2，其特征在于:在封裝殼體5封閉腔體的底端設(shè)有支撐預(yù)緊壓板3的錐形彈簧4，相變材料2設(shè)置在熱擴散板I與預(yù)緊壓板3之間，錐形彈簧4彈簧預(yù)緊力將相變材料2貼緊壓在熱擴散板I上，在相變過程中，熱源通過熱擴散板I傳遞到相變材料2發(fā)生相變，使相變材料2與熱擴散板I界面處相變材料軟化，錐形彈簧4通過