一种散热用复合材料及基于热磁材料的相变冷却芯片装置

1.本发明涉及芯片散热领域，尤其是高热流密度的芯片散热，具体涉及一种散热用复合材料及基于热磁材料的相变冷却芯片装置。


背景技术：

2.近年来，随着微纳电子技术的飞速发展，芯片晶体管集成度迅速提高，当前，单位面积上集成的晶体管数目逐年增加，而芯片尺寸却逐渐减小，这导致芯片热流密度极大提高，且芯片中不同功能模块的晶体管的活动会造成高度不均匀的热量产生，进而导致芯片中出现随时间和空间而变化的热点区域。热点处的热流密度可高达500～1000w/cm2，热点区域的出现会在芯片中产生局部高温和热应力，而芯片温度和温度梯度的增加将以指数倍的速度加速缩短产品的平均无故障时间，同时缩短电子设备的生命周期。相关研究表明：芯片温度每升高10℃，mos电流驱动能力将下降约4％，互连延迟将会增加约5％，芯片在80℃时的失效率是40℃时的7.5～32倍，超过55％的电子器件失效问题与芯片热管理相关。因此，芯片的热管理系统不仅要应对背景热量，同时还要能够快速地带走热点区域的热量，在维持芯片整体温度的同时降低其热点区域的温度。当前，随着芯片功率与功率密度急剧增加，芯片耗能和散热问题快速凸显，由此带来的“热障”问题日益严峻，市场对高性能芯片冷却技术的需求提到了前所未有的层面，因此，研制新型芯片散热方法及装置对于解决芯片散热问题具有重大意义。
3.针对上述问题，现今最广泛应用的是风扇+散热片的芯片散热方式，当前此方式已经较为成熟、但散热能力也十分有限，无法满足快速增长的高热流密度的芯片散热需求。目前还有液冷散热、微通道热沉、热电致冷、热电离子致冷等芯片冷却技术，但这些技术大多仍在研究试用阶段，并未完全成熟。同时我们发现固液相变材料在冷却芯片时，由于在固体相变材料液化后液态材料无法及时移走的问题，芯片与固态相变材料接触不够完全，散热效率较低，因此，人们尝试加入像变形金属一样受温控的材料来提高其传热效率。如现有的有关外加磁场的芯片散热冷却装置，例如公开(公告)号为cn114928982a的专利公开了一种微重力环境下磁场调控相变冷却体系耦合微通道冷却系统，其包括磁场发生器、壳体、微通道管网和磁性相变材料；所述壳体用于与热控的目标电子器件贴合，所述微通道管网设为蜂窝状结构，所述磁性相变材料填充于蜂窝状结构形成的容置空腔内；所述微通道管网的入口和出口用于与磁性纳米流体连接，形成磁性纳米流体循环散热回路；所述磁场发生器控制磁性相变材料的熔化速度而控制相变材料的导热速度，从而磁场发生器控制相变材料熔化后磁性纳米流体的流动速度而控制将相变材料的热量带出外界的速度。这种冷却系统通过结构优化，虽然一定程度上实现了可调节散热效率和稳定可靠的目的，但其需通过控制磁场发生器改变磁场以调节冷却速度，操作方式较为繁杂，且需要人为操控；此外，公开(公告)号为cn115360156a的专利公开了一种基于磁流体力学效应的芯片散热方法及其装置，其利用液态金属高导热能力的同时，通过优化流动边界层的流型结构，显著提升了壁面对流换热效率，使其能够用于高性能计算机、激光泵浦源等高热流密度的电子散热领域，但
这种基于磁流体力学效应的芯片散热方法及其装置存在结构复杂，材料使用条件苛刻的缺陷。此外，更为重要的是，上述专利所公开的技术均属于被动的芯片散热方式，无法自发式地调控冷却效果使得芯片稳定地处于正常工作温度。
4.综上，现有相变冷却芯片技术不但缺少简便可靠的调节冷却芯片温度的方式，还缺少自发式地强化材料接触传热能力，不能适应在各类情况下快速冷却芯片的需求，限制了相变冷却芯片方式的应用场景和冷却效果。


技术实现要素：

5.本发明设计出一种散热用复合材料及基于热磁材料的相变冷却芯片装置，以克服当前相变冷却芯片技术存在的芯片无法与相变材料充分接触、无法自发式地调控冷却效果、以及相变冷却芯片系统结构复杂、难以实现和控制的技术问题。
6.为解决上述问题，本发明公开了一种散热用复合材料，所述复合材料由热敏磁性材料和相变材料复合而成，所述复合材料通过磁力的作用产生流动，与需要进行控温的目标器件动态接触、对其进行强化散热冷却。
7.进一步的，所述热敏磁性材料的居里点温度比需要进行控温的目标器件正常工作过程中的最高温度低5～15℃。
8.进一步的，所述热敏磁性材料的居里点温度小于等于所述相变材料的相变温度。
9.进一步的，所述相变材料为固液相变材料。
10.进一步的，通过调节各原料组分的体积占比，使所述复合材料在需要进行控温的目标器件启动初始所受磁力大于等所述复合材料总重力的两倍、小于等于所述复合材料总重力的五倍。
11.进一步的，所述复合材料的制备过程如下：
12.先将固态相变材料加热至完全融化为液态，然后在搅拌下将热敏磁性材料粉末加入液态相变材料中，并搅拌至混合物呈现出均一的颜色，停止加热，继续搅拌，待其冷却至开始凝固时，停止搅拌，最后自然冷却，得到复合材料。
13.一种基于热磁材料的相变冷却芯片装置，包括：
14.上述的复合材料；
15.容器，其用来盛装所述复合材料；
16.磁力产生单元，其用于为所述复合材料提供一个恒定的磁场；
17.所述复合材料填充在所述容器中，所述容器与需要进行控温的目标器件接触连接。
18.进一步的，当所述复合材料通过磁力的吸引力作用产生流动时，将所述复合材料和磁力产生单元相对设置在需要进行控温的目标器件两侧。
19.进一步的，所述复合材料通过磁力的吸引力作用产生流动，所述容器设置在需要进行控温的目标器件的上侧，所述容器的底面接触需要进行控温的目标器件，所述磁力产生单元设置在需要进行控温的目标器件下侧。
20.进一步的，所述容器采用非磁性金属导热材料制备。
21.进一步的，所述相变冷却芯片装置还包括：
22.导热硅脂层，其设置在所述容器和需要进行控温的目标器件之间，用于填充所述
容器和需要进行控温的目标器件之间的间隙。
23.进一步的，所述磁力产生单元为厚度充磁的片状磁铁。
24.本技术所述的散热用复合材料及基于热磁材料的相变冷却芯片装置具有如下优点：
25.第一、本技术通过利用热敏磁性材料随温度上升磁性降低直至消失的特性，通过磁力作用，促进相变材料与发热芯片的动态充分接触，实现了自发式的强化相变冷却芯片过程；
26.第二、本技术所述的基于热磁材料的相变冷却芯片装置可以独立地靠固液相变流动实现循环传热，具有很高的导热性、优良的等温性、热流密度可变性；
27.第三、本技术所述的基于热磁材料的相变冷却芯片装置避免了内部的复杂回路，具有结构设计简单、易于实现的优点。
28.总之，本技术所述的散热用复合材料及基于热磁材料的相变冷却芯片装置不仅满足了不开放系统循环利用的需要，而且使发热芯片能够更加充分地与相变材料相接触，同时避免了内部的复杂回路，具有结构简单、自发式循环控制和冷却效果稳定可靠的优点，能够实现高集成度芯片更为简单、高效的冷却。
附图说明
29.图1为本发明所述基于热磁材料的相变冷却芯片装置的立体结构示意图；
30.图2为本发明所述基于热磁材料的相变冷却芯片装置的平面结构示意图；
31.图3为本发明所述基于热磁材料的相变冷却芯片装置的工作原理示意图；
32.图4为本发明实施例1所述复合材料中磁力和重力之比随铁氧体占比的变化图。
33.附图标记说明：
34.1、容器；2、复合材料；2’、液态复合材料；3、导热硅脂层；4、发热芯片；5、永磁铁。
具体实施方式
35.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
36.如图1～3所示，一种基于热磁材料的相变冷却芯片装置，包括：
37.复合材料2，其由热敏磁性材料和相变材料复合而成，所述复合材料2通过磁力的作用产生流动，与需要进行控温的目标器件，如发热芯片4动态接触、对其进行强化散热冷却；
38.容器1，其用来盛装所述复合材料2；
39.磁力产生单元，如永磁铁5，其用于为所述复合材料2提供一个恒定的磁场；
40.所述复合材料2填充的所述容器1中，所述容器1与发热芯片4接触连接。
41.作为本技术的一些实施例，所述复合材料2可以通过磁力的吸引力作用产生流动，与需要进行控温的目标器件动态接触、对其进行强化散热冷却。需要说明的是，所述复合材料2与需要进行控温的目标器件的动态接触是指复合材料2不断地流过容器1与目标器件的接触面，相对于传统静态接触的方式而言，对其进行动态强化散热冷却。
42.具体的，当所述复合材料2通过磁力的吸引力作用产生流动时，可将所述复合材料
2和磁力产生单元，如永磁铁5相对设置在需要进行控温的目标器件两侧，以使永磁铁5能够吸引远处的复合材料2向靠近需要进行控温的目标器件的方向运动。
43.需要注意的是，本技术中，所述发热芯片4不仅仅可以为承载集成电路的半导体元件产品，还可以为其他需要进行控温的目标电子器件。
44.作为本技术的一些实施例，所述容器1和永磁铁5沿水平或竖直相对设置在所述发热芯片4的两侧，如前后两侧、左右两侧或上下两侧，具体以使得永磁铁5能够吸引复合材料2向靠近发热芯片4的一侧运动即可。
45.优选的，所述容器1设置在所述发热芯片4的上侧，所述容器1的底面接触所述发热芯片4，所述永磁铁5设置在所述发热芯片4的下侧。
46.进一步的，所述容器1采用导热性能较好，且无磁性的高导热材料制备。
47.优选的，所述容器1可采用非磁性高导热金属材料制备。
48.作为本技术的一些实施例，所述容器1可采用纯铜或无磁合金制备。
49.作为本技术的一些实施例，所述容器1可以为全封闭式的容器，也可以为半封闭，如上部敞口的容器。优选的，所述容器1为全封闭式的容器。
50.进一步的，所述容器1的形状和尺寸可根据所述发热芯片4进行设置，以使得所述发热芯片4能够与所述容器1充分接触、散热为宜。如，所述容器1可以为底面与发热芯片4一致的长方体中空结构。
51.优选的，所述容器1与所述发热芯片4的接触面与所述发热芯片4的大小和形状一致。
52.进一步的，所述相变冷却芯片装置还包括：
53.导热硅脂层3，其设置在所述容器1和发热芯片4之间，用于填充所述容器1和发热芯片4之间的间隙，促进所述容器1和发热芯片4之间的热传递效果。
54.优选的，所述导热硅脂层3为热导率≥3w/(m.k)的导热膏。
55.进一步的，所述永磁铁5为厚度充磁的立方体状磁铁薄片。所述永磁铁5的正常使用温度需要明显高于所述相变冷却芯片装置的工作温度，优选的，所述永磁铁5可以为钕铁硼磁铁或钐钴磁铁。
56.进一步的，所述热敏磁性材料的居里点温度比所述发热芯片4正常工作过程中的最高温度低5～15℃，且与所述相变材料的相变温度接近。如此，可实现对发热芯片4的良好冷却散热和控温。
57.更进一步的，所述热敏磁性材料的居里点温度小于等于所述相变材料的相变温度。
58.优选的，所述热敏磁性材料的居里点温度小于所述相变材料的相变温度。
59.更加优选的，所述相变材料的相变温度与所述热敏磁性材料的居里点温度之差小于等于0.1～8℃。
60.优选的，所述热敏磁性材料为低居里点材料，如低居里点cuznti铁氧体、低居里点fecrb非晶合金和低居里点mn—zn铁氧体等。本技术选用的铁氧体热敏磁性材料一般不溶于有机物中，也不会产生化学反应，和绝大多数相变材料都可以混合，适用范围广。
61.优选的，所述相变材料为导热性能好，相变焓大，相变后液态的流动性良好的固液相变材料，如石蜡、脂肪酸和脂肪醇等有机相变材料。
62.作为本技术的一些实施例，下表1给出了组成所述复合材料2的几种热敏磁性材料和相变材料的示例：
63.表1复合材料2的组成示例
[0064][0065]
其中，表1所述(fe
70
ni
30
)
98
cr2可以为通过球磨法制备的纳米颗粒，所述(fe
70
ni
30
)
89
zr7b4可以为通过球磨法制备的合金粉末，并进行水冷。在表1中，当同一热敏磁性材料对应多种相变材料时，可选取其中的一种或多种制备所述复合材料2。
[0066]
进一步的，在所述复合材料2中，热敏磁性材料和相变材料的混合比例应依据具体情况确定，不同的永磁铁5、热敏磁性材料、相变材料以及不同应用情况都会有所不同。
[0067]
优选的，在构成所述复合材料2的多种组合中，应通过调节其中各原料组分的体积占比，使所述复合材料2在发热芯片4启动工作初始所受永磁铁5的磁力大于等所述复合材料2总重力的两倍、小于等于所述复合材料2总重力的五倍，以保证所述相变冷却芯片装置在正常运行的过程中，能够有足够的磁场驱动力，也同时有足够的相变潜热以保证冷却的持续性。
[0068]
进一步的，所述复合材料2的制备过程如下：
[0069]
先将固态相变材料加热至完全融化为液态，然后在搅拌下将热敏磁性材料粉末加入液态相变材料中，并搅拌至混合物呈现出均一的颜色，停止加热，继续搅拌，待其冷却至开始凝固时，停止搅拌，最后自然冷却，得到复合材料。
[0070]
作为本技术的一些实施例，所述复合材料2可直接在所述容器1中进行制备；也可在其他器皿中进行制备，之后在凝固前倒入所述容器1中。
[0071]
优选的，选用微米级或纳米级热敏磁性材料粉末制备所述复合材料2。
[0072]
以下对本技术所述基于热磁材料的相变冷却芯片装置的工作原理进行说明：
[0073]
在所述发热芯片4的工作过程中，由于发热芯片4工作升温，靠近发热芯片4的固态相变材料可首先通过导热硅脂层3吸收发热芯片4的热量、升温熔化成液态，同时复合材料2中热敏磁性材料的温度达到居里点，热敏磁性材料完全失去磁性，即使在永磁铁5提供的恒定磁场中，也不会有一直向下的引力作用，而是悬浮在液态相变材料中，因此，此时，靠近发热芯片4的复合材料2可变为具有较好流动性的液态复合材料2’；而距离发热芯片4较远的
相变材料因为吸热不充分，仍未开始产生相变、保持固体形态，同时，固态相变材料中的热敏磁性材料温度还没有达到其居里温度，所以仍有磁性，在磁场的作用下，远端的固态复合材料2向发热芯片4运动、靠近；并把近端的液态复合材料2’挤压至容器1内部空间的外侧，并沿容器1的内壁上升，此时，由于容器1具备一定的传热能力，容器1的外壳会随着其底部一起升温，因此，可形成从底部向顶部递减的温度梯度分布，被挤压上去的液态复合材料2’在上升过程中可以经历该逐步递减的温度梯度，缓慢被冷却，但无法完全凝固，直至被挤压至容器1的顶部，最后通过容器1的顶部与外界传热、冷却再次相变为固态复合材料2、同时恢复磁性，加入下一轮冷却的队列，之后不断重复上述步骤，在所述容器1内形成循环。
[0074]
综上所述，可得：本技术所述的散热用复合材料及基于热磁材料的相变冷却芯片装置具有如下优点：
[0075]
第一、本技术通过利用热敏磁性材料随温度上升磁性降低直至消失的特性，通过磁力作用，促进相变材料与发热芯片的动态充分接触，实现了自发式的强化相变冷却芯片过程；
[0076]
第二、本技术所述的基于热磁材料的相变冷却芯片装置可以独立地靠固液相变流动实现循环传热，具有很高的导热性、优良的等温性、热流密度可变性；
[0077]
第三、本技术所述的基于热磁材料的相变冷却芯片装置避免了内部的复杂回路，具有结构设计简单、易于实现的优点。
[0078]
总之，本技术所述的散热用复合材料及基于热磁材料的相变冷却芯片装置不仅满足了不开放系统循环利用的需要，而且使发热芯片能够更加充分地与相变材料相接触，同时避免了内部的复杂回路，具有结构简单、自发式循环控制和冷却效果稳定可靠的优点，能够实现高集成度芯片更为简单、高效的冷却。
[0079]
以下通过具体的实施例对本技术所述的散热用复合材料及基于热磁材料的相变冷却芯片装置进行举例说明：
[0080]
实施例1
[0081]
如图1～3所示，一种基于热磁材料的相变冷却芯片装置，包括纯铜制的容器1、填充在容器1中的复合材料2、与容器1底部相接的发热芯片4、容器1与发热芯片4之间的导热硅脂层3以及在发热芯片4下的片状永磁铁5。其中，容器1为30mm*30mm*40mm的长方体空腔结构，壁厚为1mm；发热芯片4为30mm*30mm*2mm的片状长方体；永磁铁5为n35型的30mm*30mm*5mm的钕磁铁长方体块。
[0082]
复合材料2由cuznti磁热铁氧体粉末和62号石蜡均匀混合而制成。cuznti磁热铁氧体粉末和62号石蜡的体积比为1：24。如图4的理论计算：得到的复合材料的初始磁力与重力比为2.75，以保证其能够正常工作。制备复合材料2的具体操作步骤为，先将石蜡融化后，倒入容器1中，继续加热石蜡，边搅拌边慢慢倒入cuznti磁热铁氧体粉末，直到混合物呈现出均一的颜色，停止加热，继续搅拌，待其冷却开始凝固时，停止搅拌，这样得到较为均匀的复合材料。所述cuznti磁热铁氧体的居里点温度为62℃或稍低一点，62号石蜡相变温度为62℃，以保证在石蜡相变后，cuznti磁热铁氧体能够完全失去磁性，使得装置在合适的温度准确运行。
[0083]
如图3所示，当发热芯片工作时，温度不断升高，热量通过高导热硅脂传导至容器底部，由于组成容器的铜具有高导热性，容器的外壳会随着底部一起升温，且其温度随着离
容器底部距离的增加不断降低，即形成的温度梯度是从容器的底部向顶部逐渐递减的，同时，容器壁的热量传导至与容器相接触的复合材料开始吸热升温，使得与容器壁接触的复合材料率先达到相变温度62℃，并进行相变吸热熔化为液态同时其中的热敏磁性材料完全失去磁性，形成在容器壁表面可以流动的液态薄膜；而离容器壁较远的地方，即在容器内部的复合材料因为吸热不充分，并未达到62℃，所以仍具有磁性。在外置永磁体的吸引下，底部已相变的复合材料被上方未相变的复合材料向下挤压，离容器壁较近的一层液态复合材料会被挤压着向上流动至顶端，混合在石蜡里的cuznti磁热铁氧体纳米粉末由于其颗粒很细小，也会随着较为粘稠的石蜡一起流动，使得仍未相变的复合材料下移，能够更好地接触容器底部，同时更好地冷却发热芯片、保证发热芯片的温度能够稳定在62℃。由于铜的高导热性质，容器的外壳会随着底部一起升温，形成的温度梯度是从底部向顶部递减的，被挤压上去的液态复合材料能够经历温度梯度，缓慢被冷却，但无法完全凝固，直至被挤压至顶部，通过高导热的容器顶壁与外界传热冷却再次相变为固态复合材料同时恢复磁性，加入下一轮冷却的队列。如此循环往复，使得装置在提高冷却芯片速率的同时，也能够满足封闭系统循环使用的需求。
[0084]
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

技术特征：
1.一种散热用复合材料，其特征在于，所述复合材料由热敏磁性材料和相变材料复合而成，所述复合材料通过磁力的作用产生流动，与需要进行控温的目标器件动态接触、对其进行强化散热冷却。2.根据权利要求1所述的散热用复合材料，其特征在于，所述热敏磁性材料的居里点温度比需要进行控温的目标器件正常工作过程中的最高温度低5～15℃。3.根据权利要求1或2所述的散热用复合材料，其特征在于，所述热敏磁性材料的居里点温度小于等于所述相变材料的相变温度。4.根据权利要求1所述的散热用复合材料，其特征在于，所述相变材料为固液相变材料。5.根据权利要求1所述的散热用复合材料，其特征在于，通过调节各原料组分的体积占比，使所述复合材料在需要进行控温的目标器件启动初始所受磁力大于等所述复合材料总重力的两倍、小于等于所述复合材料总重力的五倍。6.一种基于热磁材料的相变冷却芯片装置，其特征在于，包括：上述权利要求1～5任一项所述的复合材料(2)；容器(1)，其用来盛装所述复合材料(2)；磁力产生单元，其用于为所述复合材料(2)提供一个恒定的磁场；所述复合材料(2)填充在所述容器(1)中，所述容器(1)与需要进行控温的目标器件接触连接。7.根据权利要求6所述的基于热磁材料的相变冷却芯片装置，其特征在于，当所述复合材料(2)通过磁力的吸引力作用产生流动时，所述复合材料(2)和磁力产生单元相对设置在需要进行控温的目标器件两侧。8.根据权利要求7所述的基于热磁材料的相变冷却芯片装置，其特征在于，所述复合材料(2)通过磁力的吸引力作用产生流动，所述容器(1)设置在需要进行控温的目标器件的上侧，所述容器(1)的底面接触需要进行控温的目标器件，所述磁力产生单元设置在需要进行控温的目标器件下侧。9.根据权利要求6所述的基于热磁材料的相变冷却芯片装置，其特征在于，所述相变冷却芯片装置还包括：导热硅脂层(3)，其设置在所述容器(1)和需要进行控温的目标器件之间，用于填充所述容器(1)和需要进行控温的目标器件之间的间隙。10.根据权利要求6所述的基于热磁材料的相变冷却芯片装置，其特征在于，所述容器(1)采用非磁性金属导热材料制备，所述磁力产生单元为厚度充磁的片状磁铁。

技术总结
本发明涉及高热流密度的芯片散热领域，具体涉及一种散热用复合材料及基于热磁材料的相变冷却芯片装置，所述复合材料由热敏磁性材料和相变材料复合而成，所述复合材料通过磁力的作用产生流动，与需要进行控温的目标器件动态接触、对其进行强化散热冷却，本发明所述的散热用复合材料及基于热磁材料的相变冷却芯片装置具有结构简单、自发式循环控制和冷却效果稳定可靠的优点，能够实现高集成度芯片更为简单、高效的冷却。高效的冷却。高效的冷却。


技术研发人员：廖志荣 朱毅 于愉 薛东鑫 高子瑜 徐超
受保护的技术使用者：华北电力大学
技术研发日：2023.05.17
技术公布日：2023/8/14