一种集成液流电池自供能与协同散热芯片组件

1.本发明属于电子器件散热技术和芯片组件技术领域，具体地说涉及一种集成液流电池自供能与协同散热芯片组件。


背景技术：

2.目前的超级计算机体积与能耗都十分巨大，其中核心运行部件为电子芯片；大功率、高性能、高集成度已成为现代电子芯片的发展趋势，同时也给热管理带来了严峻的挑战。未来高性能计算系统和gan芯片热流密度将达到1000w/cm2，局部热点的热流密度甚至可达数十kw/cm2，已远远超过传统热管理技术数百w/cm2的冷却极限。在高运行温度下，芯片内各种轻微物理缺陷造成的故障更容易显现出来。高温会使芯片内导线电阻增大、延时增加，降低cpu的工作效率。同时，随着芯片温度的升高，芯片漏电流增大，工作电压降低。因此，随着电子设备温度升高，将会出现可靠性降低甚至失效的问题。
3.在电化学储能装置中，使用流动液体电解质的氧化还原液流电池因其能量容量(与电解质罐体积成正比)和功率(与电池面积成正比)可以解耦设计、能量转换效率高、启动速度快等特点而受到技术人员的关注，可以广泛用于从微电子系统至大型应急电源系统多尺度的供能。
4.考虑电子芯片制程发展的困难，近年来针对芯片集成化的研究和开发越来越广泛。目前，尚未有将芯片元件与液流电池模块集成的设计结构，能够同时实现芯片的供能与散热，因此，如何耦合不同部件的设计构建和协同运行，提高芯片的系统能效是本领域技术人员迫切需要解决的技术难题。


技术实现要素：

5.为解决现有技术种存在的不足，本发明提出了一种集成液流电池自供能与协同散热芯片组件，通过对作为供能单元和吸热单元的液流电池的极板微流道结构优化，以及对作为用能单元与散热单元的芯片集成构造设计，能够保证微通道热沉内单相流动换热性能的同时又能够提高液流电池功率密度，协同实现对芯片组件的供能与散热，同时提高了液流电池的工作效率。
6.本发明所采用的技术方案如下：一种集成液流电池自供能与协同散热芯片组件，包括同时用以液流电池电解质流动和芯片散热的热沉双极板单元、液流电池电化学能量供应的终端和需要被热沉冷却的芯片单元以及提供电解质发生氧化还原反应发生的膜电极组件；
7.所述膜电极组件包括阳极多孔电极层、离子交换膜和阴极多孔电极层，阳极多孔电极层和阴极多孔电极层通过电流传导单元与芯片单元实现电气互连；所述热沉双极板单元包括分别刻蚀有微通道结构的热沉正极板和热沉负极板；
8.集成n组热沉双极板单元，n≥1；当n＝1时，同一块热沉极板外侧与芯片单元接触，内侧与膜电极组件接触，微流道的电解液进液管与电解液出液管设置于热沉双极板单元的
任意实体面的对角上；当n》1时，每两个相邻热沉极板依次堆叠装配，相邻热沉极板的电解液出液管与电解液进液管逐层相连，最首块热沉极板外侧与芯片单元接触，最末块热沉极板内侧与膜电极组件接触，形成逐层的三维堆叠结构。
9.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明通过集成液流电池自供能与协同散热芯片组件，充分利用了芯片封装的内部垂直空间，实现整个系统的集成式生产、安装和维护。本发明中所述的底部带微通道的热沉双极板，可通过刻蚀工艺得到，最后再与芯片通过键合工艺为一体，不仅是液流电池微反应器，还是芯片散热的热沉部件，可大幅节约生产成本。通过液流电池的流动工质的微流道液冷，保证了散热面积，有效解决了传统芯片热管理效能不足，同时，通过液流电池工作产生的电能给芯片供能，解决了传统芯片及其供能模块耦合性低的问题。另一方面，利用芯片产生的热量提高了液流电池运行温度，从而提高电池功率密度，部分回收利用了芯片余热，协同运行获得系统收益。使用的氧化还原电解质可循环使用，通过外部电源对电解质进行充电完成储能。预计该技术可将器件体积压缩百万倍，能效提高数千倍，从而使计算机体积与能耗发生根本性的变化，实现对未来亿次级数据的计算和实时分析能力。
附图说明
10.下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
11.图1为本发明实施例1的集成单层热沉双极板全钒液流电池的自供能与散热芯片组件的结构示意图。
12.图2为本发明实施例2的集成多层热沉双极板多金属氧酸盐(pom)液流电池的自供能与散热芯片组件的结构示意图。
13.附图标记说明：1.电解液进液管、2.电解液出液管、3.芯片单元、4.刻蚀有微通道结构的热沉正极板、5.刻蚀有微通道结构的热沉负极板、6.电极、7.质子交换膜、8.硅通孔、9.飞线、10.板间电解液进/出液口、11.刻蚀有微通道结构的近芯片侧热沉正极板、12.刻蚀有微通道结构的近电极侧热沉正极板、13.刻蚀有微通道结构的近芯片侧热沉负极板、14.刻蚀有微通道结构的近电极侧热沉负极板。
具体实施方式
14.如图1所示，本发明提出一种集成液流电池自供能与协同散热芯片组件，包括：热沉双极板单元、芯片单元3、膜电极组件。
15.所述热沉双极板单元提供电解液流动的路径，热沉双极板单元包括热沉正极板4和热沉负极板5，设置在所述双极板上通过刻蚀工艺制得微通道结构。
16.进一步地，所述微通道为蛇形流道、叉指流道、平行流道、平行蛇流道或以上形式的复合型流道。所述流道的电解液进液管1与电解液出液管2设置于双极板的任意实体面的对角上，利于电解液均匀流经全部液冷区域，通过流动工质对芯片散热。
17.更进一步地，所述微通道的深度取数值范围为100μm-600μm。所述微通道外围轮廓
尺寸与膜电极尺寸相同。
18.更进一步地，电解质通过电解液进液管1流经双极板上微通道，通过电解液出液管2流出。
19.更进一步地，根据实际功率与散热需求，流动工质选用可循环使用的氧化还原电解液、金属氢化物电解液、金属配合物有机电解液，气液混合型液流电池体系的电解液，悬浮粒子半固态电解液泥浆等。
20.更进一步地，所述电解质流量为0.05l/min-0.2l/min。流速大小会直接影响电解液的流动，从而影响液流电池的电化学工作性能和芯片的液流散热性能。
21.更进一步地，所述热沉双极板单元可使用多层复合材料以制作基板层与流道层，或采用一体化集成材料。
22.更进一步地，所述热沉双极板单元两侧集成电流传导单元，实现液流电池与芯片的电气互连。所述电流传导单元可选用集流板，集流导线或贯穿硅通孔(through silicon vias,tsv)。
23.更进一步地，热沉双极板单元作为芯片热沉，与芯片通过低界面热阻的热界面材料直接接触散热。其正负极热沉极板外侧，即非微流道面，可分别装配两组芯片或芯片阵列，形成三维堆叠芯片组件，芯片集成度进一步增强，满足轻便、紧凑、集成的芯片先进热管理要求。
24.更进一步地，热沉双极板单元作为液流电池电解液流动路径，与膜电极组件直接装配形成液流电池。其正负极热沉极板内侧，即微流道面，与膜电极组件接触。
25.更进一步地，根据需要集成n组(n≥1)热沉双极板单元。当n＝1时，同一块热沉极板外侧与芯片接触，内侧与膜电极接触，正负极热沉极板类此镜像装配。当n》1时，每两个相邻热沉极板依次堆叠装配，相邻热沉极板电解液进出液管逐层相连形成完整流体路径通道，最首块热沉极板外侧与芯片接触，最末块热沉极板内侧与膜电极接触，正负极热沉极板类此镜像装配，形成逐层的三维堆叠结构。
26.所述膜电极组件单元提供电解液发生氧化还原反应及内部电子/离子输运通道，包括阳极多孔电极层、离子交换膜和阴极多孔电极层。所述液流电池的多孔电极层通过电流传导单元与芯片实现电气互连。
27.进一步地，所述液流电池中电解质发生完全氧化还原反应后，反应产物可通过外部电源充电以循环利用。
28.更进一步地，所述膜电极厚度为400μm-1000mm。根据实际功率需求，膜电极长度和宽度范围为10mm-50mm。
29.更进一步地，所述多孔电极层表面可通过预制微通道或增加催化剂层等表面修饰工艺提高传质及电化学效率。
30.所述芯片单元运行供电来自液流电池的电化学反应产生，芯片运行产热由热沉双极板单元传导至其中流动的电解质。其特征在于：通过飞线与电流传导单元连接传输电流，通过直接与热沉双极板接触散热。
31.更进一步地，在无尘环境中，对集成液流电池自供能与协同散热芯片组件进行封装及键合。
32.更进一步地，在温度为26℃的环境下，对集成有液流电池的芯片集成供能与散热
协同组件进行测试。其特征是：电解质进液温度为-20℃-26℃，流经微流道内温度升高至26℃-48℃，在该温升条件下液流电池电化学反应活性提高，过电势损失降低，离子扩散速率增大。同时，芯片产热通过热沉双极板传递至流动电解液，最后直接排至系统外部，得以有效冷却。
33.所述的集成液流电池自供能与协同散热芯片组件，还可以在水平方向上，每层双极板热沉根据需要集成m(m≥1)个芯片单元；
34.可以在垂直方向，根据需要堆叠k(k≥1)个集成有液流电池的芯片集成供能与散热协同组件，其特征是：在芯片外部集成芯片壳罩，实现对k个组件的连接。
35.进一步地，根据芯片的数量和功率密度，匹配设置相应供能与散热能力的热沉双极板和膜电极的规模，结构及其电解质性质。
36.下面结合附图和具体实施例来进一步说明本发明。
37.实施例1
38.本实施例中所设计的底部带微通道的热沉双极板(包括底部带微通道的热沉正极板4和底部带微通道的热沉负极板5)，是通过刻蚀工艺得到的，最后在无尘环境中再与芯片3通过键合工艺为一体，从而形成完整的芯片液冷散热用微通道。根据不同的芯片散热应用场景，合理调节微流道刻蚀结构以调节对流换热，选用蛇形流道、叉指流道、平行流道、平行蛇流道或以上形式的复合型流道；合理选用热沉双极板材料和不同表面处理工艺。
39.质子交换膜7和电极6尺寸相同，根据实际功率需求，长度和宽度范围为10mm-50mm；相应地，热沉正极板4和热沉负极板5上流道外轮廓尺寸的长度和宽度与膜电极(质子交换膜7和电极6)尺寸一致，组合成紧密的整体，热沉双极板尺寸为流道外轮廓尺寸在长度和宽度方向各增加30mm，便于在流道外侧加工制造电解液进液管1、电解液出液管2和硅通孔8。
40.在温度为26℃的环境下，如图1所示，依次逐层安装集成有芯片3的底部带微通道的热沉正极板4、膜电极、集成有芯片3的底部带微通道的热沉负极板5。其中，热沉正极板4与电极6和热沉负极板5与电极6之间分别放置正极密封垫片和负极密封垫片以提高密封性。并接入电解液进液管1和电解液出液管2，正负极板上进出液口两两相对设置。通过紧固件固定硅通孔8，通过飞线9对芯片3供电。同时为了防止液流电池中电解液发生泄漏，会对对集成有全钒液流电池的芯片供能与散热协同组件进行适当机械应力下的压缩，膜电极将产生一定程度的形变。安装完成后进行测试。
41.本芯片供能与散热协同装置工作时，通过外接泵把电解液泵入液流电池的双极板4和5内，在本实例中，电解质进液温度为26℃，电解质流量为0.05l/min，在半电池的闭合回路中流动，电解质溶液经过微通道平行流过电极6表面，流体吸收芯片3通过热沉双极板4和5传导的热量，发生电化学反应并将芯片3的热量带走，通过双极板4和5收集并传输电流至硅通孔8，最后通过飞线9供电至芯片3。阴阳极发生以下反应：
42.阳极：
43.阴极：
44.反应离子以质子形式扩散通过质子交换膜7，维持电解质平衡。电子通过电极6传导至硅通孔8至芯片3。根据实际运行情况，电解液流经微流道内温度升高至26℃-48℃，在
该温升条件下全钒液流电池反应活性提高，过电势损失降低，离子扩散速率增大，全钒液流电池库伦效率提升。集成在不同热沉双极板上的芯片通过各自对应微流道极板内的电解质冷却，均为并联，保证了冷却效果。充分利用芯片的垂直空间，可实现整个系统的集成式安装，运行和维护。最后通过电解液出液管2收集发生过电化学反应后的电解质溶液，通过外部电源装置对电解质进行充电，可循环使用。
45.实施例2
46.本实施例中所设计的底部带微通道的热沉双极板(包括底部带微通道的热沉正极板11-12和底部带微通道的热沉负极板13-14)，是通过刻蚀工艺得到的，最后在无尘环境中再与芯片3通过键合工艺为一体，从而形成完整的芯片液冷散热用微通道。根据不同的芯片散热应用场景，合理调节微流道刻蚀结构以调节对流换热，选用蛇形流道、叉指流道、平行流道、平行蛇流道或以上形式的复合型流道；合理选用热沉双极板材料和不同表面处理工艺。
47.质子交换膜7和电极6尺寸相同，根据实际功率需求，长度和宽度范围为10mm-50mm；相应地，双层热沉正极板11-12上流道外轮廓尺寸的长度和宽度与膜电极(质子交换膜7和电极6)尺寸一致，组合成紧密的整体，热沉双极板尺寸为流道外轮廓尺寸在长度和宽度方向各增加30mm，便于在双极板外侧加工制造电解液进液管1、电解液出液管2和硅通孔8。
48.在温度为26℃的环境下，如图2所示，依次逐层安装集成芯片单元3、刻蚀有微通道结构的近芯片侧热沉正极板11、刻蚀有微通道结构的近电极侧热沉正极板12、膜电极、负极密封垫片、刻蚀有微通道结构的近电极侧热沉正极板14和刻蚀有微通道结构的近芯片侧热沉负极板13。其中，刻蚀有微通道结构的近电极侧热沉正极板12与电极6和刻蚀有微通道结构的近电极侧热沉正极板14与电极6之间分别放置正极密封垫片和负极密封垫片以提高密封性。并接入电解液进液管1和电解液出液管2，其中电解液进液管1设置在近芯片侧热沉正极板11和近芯片侧热沉负极板13，电解液出液管2设置在近电极侧热沉正极板12和近电极侧热沉负极板14。各极板上进出液口两两相对设置。近芯片侧热沉正极板11的电解液出液口设置在微流道面内，近电极侧热沉正极板12的电解液进液口设置在微流道面内，双层正极板通过板间电解液进/出液口10相通；双层负极板同理设置板间电解液进/出液口10。
49.通过紧固件固定硅通孔8，通过飞线9对芯片3供电。同时为了防止液流电池中电解液发生泄漏，会对对集成有多金属氧酸盐液流电池的芯片供能与散热协同组件进行适当机械应力下的压缩，膜电极将产生一定程度的形变。安装完成后进行测试。
50.本芯片供能与散热协同装置工作时，通过外接泵把电解液泵入液流电池的近芯片侧热沉正极板11和近芯片侧热沉负极板13内，在本实例中，电解质进液温度为-20℃，电解质流量为0.05l/min，首先在双层双极板近芯片3的热沉正极板11和热沉负极板13内流动，将热量吸收至电解质流体，继而流入近电极6侧的第二层极板，即热沉正极板12和热沉负极板14，在该层流道内电解质溶液经过微通道平行流过电极6表面，流体吸收芯片3通过双层热沉双极板11-14传导的热量，发生电化学反应并将芯片3的热量带走，通过双极板11-14收集并传输电流至贯穿硅通孔8，最后通过飞线9供电至芯片3。选用合适的pom多金属氧酸盐及正极电解质在阴阳极发生氧化还原反应。
51.反应离子以质子形式扩散通过质子交换膜7，维持电解质平衡。电子通过电极6传
导至硅通孔8至芯片3。根据实际运行情况，电解液流经微流道内温度升高至26℃-48℃，多金属氧酸盐液流电池从进液温度到反应温度的温差极大，可对集成在多层热沉双极板上的芯片实现充分冷却。最后通过电解液出液管2收集发生过电化学反应后的电解质溶液，通过外部电源装置对电解质进行充电，可循环使用。
52.上述实施例仅是本发明的较佳实施方式，应当指出：对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。