基于热电制冷耦合导热柱和微通道的LTCC器件散热结构

基于热电制冷耦合导热柱和微通道的ltcc器件散热结构
技术领域
1.本发明属于电子设备领域，具体涉及一种基于热电制冷耦合导热柱和微通道的ltcc器件散热结构。本发明可用于指导具有高功率电子设备的散热设计。


背景技术：

2.现如今，随着电子通讯设备及信息产业的飞速发展，电子元器件的轻量化、小体积、高功耗和高集成特性成为产品发展的主要趋势。对高性能芯片而言，表面热流密度约为20～50w/cm
2 ，局部最高处热流密度甚至可达100w/cm
2 ，对特定用途的半导体芯片甚至高达1000w/cm
2 。电子元器件这种发展趋势必将导致散热更困难。设备大量的热积聚不但会造成产品性能大幅度降低，产品体验感差，更严重时，甚至会造成设备无法工作、烧毁和爆炸等，给用户带来严重的财产损失和人生安全问题。因此，对高热流密度电子设备进行高效的散热，是保证电子设备正常工作的基础，也是提高其可靠性的重要途径。常见的散热方式是自然风冷与强迫风冷，但当温升为50℃时，自然风冷与强迫风冷适用的热流密度仅有0.05w/cm
2 和0.5w/cm
2 ，散热强度远远达不到如今的散热要求。而微通道液冷散热、喷雾和射流冷却等新型液冷技术，一方面，加工工艺要求高，成本无法控制。另一方面，与传统方式相比，理论不成熟，技术可靠性差。液冷散热技术所适用温度范围有限，必须与其他散热方式结合以散出热量，多用于功率不高的电子元器件散热。其他，诸如离子风、磁致冷、热声制冷和相变材料(pcm)散热等新式散热技术因技术发展不成熟、成本高、制冷效率低和会产生具有污染的废液等因素不能得到广泛应用。而热电制冷因具有绿色清洁、无噪声，能够通过控制工作电流或电压较精确的控制制冷温度等优势引起重视。但tec的制冷量和制冷效率低成为该技术发展的最大瓶颈。


技术实现要素：

3.针对现有技术所存在的不足，本发明提出一种基于热电制冷耦合导热柱和微通道的ltcc器件散热结构，通过将导热柱，液冷微通道以及半导体热电制冷技术结合起来，将其一体化封装在ltcc中，达到更好的主动散热目的。
4.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：基于热电制冷耦合导热柱和微通道的ltcc器件散热结构，包括ltcc基板、ltcc器件、导热柱、热电制冷器、液冷微通道，所述ltcc器件与所述热电制冷器的冷端连接，所述热电制冷器的热端与所述导热柱连接，所述导热柱均匀分布在所述液冷微通道之间。
5.所述基板的热端与所述热电制冷器的冷端连接，所述热电制冷器的热端与所述导热柱和微通道换热器连接。所述微通道换热器的出口和进口分别与流体散热循环的进口和出口连接。所述流体散热循环包括流体泵和流体散热器，所述流体泵和流体换热器串联，与所述微通道换热器的出口和进口连接形成封闭的流体散热循环。所述流体散热循环内的工质为纳米流体工质。所述液冷微通道若干条通道当量直径在10～1000μm的栅形流道，并在基板上上设置进口和出口。所述基板为ltcc基板。所述热电制冷器的热端与所述导热柱间
用焊接方式连接，以便于导热。所述ltcc器件的散热端与热电制冷器之间的界面处通过导热胶进行固定。
6.本发明由于采取以上技术方案，其具有以下有益效果：1.热电制冷片(tec)热端散热效果间接决定了tec的制冷性能，本发明通过将热电制冷热端与导热柱以及液冷散热相结合，增强了tec热端散热效果，提高了tec的制冷量与制冷效率；2.将tec与液冷散热相结合用于高功率电子设备散热，通过组合型散热装置通过改变冷板入口流速增强tec热端散热效果，极大的提高了tec的制冷性能；3.通过将热源与tec冷端相连，大大降低了热源表面温度，提高了电子设备工作的可靠性；4.通过协调控制tec工作电流与冷板流体流速，在热源功率增大时，依然能够保证热源表面温度在许可范围内，增强了热源温度的可调控性。使得热源温度能够准确保持在安全范围，增强了温度调控的灵敏性。
附图说明
7.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本技术的一部分，并不构成对本发明的不当限定，下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，其中：图1为本发明基于热电制冷耦合导热柱和微通道的ltcc器件散热结构的实施例示意图；图2为本发明基于热电制冷耦合导热柱和微通道的ltcc器件散热结构的热电制冷结构示意图；图3为本发明基于热电制冷耦合导热柱和微通道的ltcc器件散热结构的基板结构示意图；图4为本发明基于热电制冷耦合导热柱和微通道的ltcc器件散热结构的液冷微通道的结构示意图。
具体实施方式
8.以下结合附图和具体实施例对本发明做详细的描述。附图显示出了本发明之较佳实施例的具体结构。其中各元件的结构特点，而如果有描述到方向(上、下、左、右、前及后)时，是以图1所示的结构为参考描述，但本发明的实际使用方向并不局限于此。
9.基于热电制冷耦合导热柱和微通道的ltcc器件散热结构，如图1所示，包括ltcc基板3、ltcc器件1、热电制冷器2和液冷微通道4，所述ltcc器件1贴装于ltcc基板。所述ltcc器件1的下端与所述热电制冷器2的冷端2-1连接，所述热电制冷器2的热端2-2与所述液冷微通道4和导热柱5连接。所述ltcc器件1放热端直接与所述热电制冷器冷端2-1接触，以提高散热效率。所述ltcc基板底面3-3上端与热电制冷器热端2-2贴合，所述ltcc基板底面3-3下端与导热柱5贴合。所述热电制冷器2为半导体制冷片(热电制冷片)，其没有滑动部件，可靠性要求高，无制冷剂污染的场合。利用半导体材料的peltier效应，当直流电通过两种不同半导体材料串联成的电偶时，在电偶的两端即可分别吸收热量和放出热量，可以实现制冷的目的。所述液冷微通道5的出口3-2和进口3-1分别与流体散热循环的进口和出口连接。所
述流体散热循环内的工质为纳米流体工质。所述纳米流体工质是将1-100nm的固体颗粒与液体换热介质混合形成的悬浮液，其具有比普通工质(如水和乙二醇)更大的导热系数和对流换热系数，可有效提高微通道换热器5的传热效率。纳米流体工质将ltcc器件1和热电制冷器2的热量导出之后，再通过液冷或风冷的方法进行循环冷却。所述纳米流体工质优选为粒径为40nm的al2o3纳米粒子分散到导热油基液中形成的悬浮液。
10.如图2所示，所述ltcc器件1放热端直接与所述热电制冷器冷端2-1接触，以提高散热效率。所述热电制冷器2的热端2-2与所述ltcc基板3-3上底面贴合。
11.如图4所示，所述导热柱5与所述ltcc基板3-3下底面贴合，所述液冷微通道4的设有数十条通道当量直径在10～1000μm的细微流道，并设有进口3-1和出口3-2。所述液冷微通道4采用纳米流体工质(制冷剂)。优选的，所述液冷微通道4内设有数十条通道当量直径在100～800μm的细微流道，所述进口3-1和出口3-2连接分别与有工质循环通道的流体散热循环连接。纳米流体工质将ltcc器件1和热电制冷器的热量导出之后，再通过液冷或风冷的方法进行循环冷却与现有技术相比较，本发明可以显著地降低ltcc器件和热电制冷器的封装热阻，使得ltcc器件直接通过热电散热主动降温，效果良好，可提高ltcc器件的工作性能、可靠性和使用寿命。
12.以上所述者，仅为本新型的较佳实施例而已，当不能以此限定本新型实施的范围，即大凡依本新型申请专利范围及新型说明内容所作的简单的等效变化与修饰，皆仍属本新型专利涵盖的范围内。

技术特征：
1.一种基于热电制冷耦合导热柱和微通道的ltcc器件散热结构，包括ltcc基板、ltcc器件、导热柱、热电制冷器、液冷微通道，所述ltcc器件与所述热电制冷器的冷端连接，所述热电制冷器的热端与所述导热柱连接，所述导热柱均匀分布在所述液冷微通道之间。本发明涉及一种基于热电制冷耦合导热柱和微通道的ltcc器件散热结构，包括：ltcc基板（3），ltcc基板内设置有液冷流道（4）和导热柱（5），ltcc基板上设置有与液冷流道连接的冷却液进口（3-1）和冷却液出口（3-2），冷却液进口与冷却泵连接。2.根据权利要求1所述的热电制冷耦合导热柱微通道的ltcc器件散热结构，其特征在于：tec热电制冷模块的冷端（2-1）与ltcc器件（1）的下端接触，tec热电制冷模块的热端（2-2）与导热柱（5）接触。3.根据权利要求1所述的热电制冷耦合导热柱微通道的ltcc器件散热结构 ，其特征在于：ltcc基板内热电制冷器的热端的导热柱（5）与液冷微通道（4）贴合。4.根据权利要求1所述的热电制冷耦合导热柱微通道的ltcc器件散热结构，其特征在于：冷却工质为纳米流体或去离子水。5.根据权利要求1所述的基于热电制冷及微通道传热的大功率led散热结构，其特征在于，所述液冷微通道当量直径是在10～1000μm的栅形流道。

技术总结
本发明公开一种基于热电制冷耦合导热柱和微通道的LTCC器件散热结构，包括LTCC基板、LTCC器件、导热柱、热电制冷器、液冷微通道，所述LTCC器件与所述热电制冷器的冷端连接，所述热电制冷器的热端与所述导热柱连接，所述导热柱均匀分布在所述液冷微通道的肋上。本发明的有益效果是：可以显著地降低热电制冷器的热端温度，增强热电制冷器的性能，使得LTCC器件直接通过热电制冷器主动降温，效果良好，可提高LTCC器件的工作性能、可靠性和使用寿命。可靠性和使用寿命。可靠性和使用寿命。


技术研发人员：李春泉 成鹏琳 阎德劲 邹杰慧 尚玉玲 黄红艳 郑渊皓 张彪 熊文宇
受保护的技术使用者：桂林电子科技大学
技术研发日：2023.07.05
技术公布日：2023/8/13