CN100388472C - 使用多个风扇和热沉的冷却装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种构造半导体芯片的冷却装置的方法,该冷却装置包括多个风扇和热沉,以提供冗余冷却能力。使用多个热管将来自半导体芯片的热量首先分配给多个热沉。热沉围绕风扇出口设置,以便在风扇的中心附近吸入空气,然后推动空气穿过该热沉。多个风扇和热沉堆叠在一起,从而形成完整的冷却装置。使用外部控制电路来监控和控制风扇。如果一个风扇发生故障,则其它风扇将被加速以补偿气流损失。

Description

使用多个风扇和热沉的冷却装置
技术领域
本发明涉及提高半导体芯片的冷却装置的性能和可靠性。本发明属于用于计算机和通信设备的半导体芯片的热传递和冷却领域。
背景技术
本发明所要解决的问题是使用多个风扇和热沉(散热器)为半导体芯片提供一种改进的冷却装置。该冷却装置具有多个以冗余模式连接的风扇,从而如果一个风扇发生故障,剩余的风扇将加速旋转,以补偿流向热沉的气流损失。当前的风扇-热沉仅使用一个风扇,从而不具有冗余特征。
(1)US5,309,983-“Low Profile Integrated Heat Sink and FanAssembly”描述了具有直翅片(散热片)的热沉和装在该翅片区域的空腔内的风扇。该热沉的基座是平的实心板,并且该翅片是直翅片。该风扇在其顶面上具有空气入口。空气沿两个相反的方向穿过该风扇和翅片之间的间隔。该实心的热沉基座不能为下面的热表面提供适当界面,并且气流被限制在两个方向上,这自然效率低。此外,空气入口仅在一个表面上。
(2)US5,502,619-“Heat Sink Assembly for Computer Chips”提出了另一种类型的风扇-热沉组件,该组件具有由多个具有开口的板片堆叠起来的翅片和放置在该堆叠板片的顶部上的风扇。这种形成热沉的翅片的堆叠方法将阻碍来自热沉下面的热源的热流,从而使热传递效率低。这种热沉具有实心基座,并且风扇仅在顶面上具有入口。
(3)US5,584,339-“Heat Sink Assembly for the Central Processor ofComputer”描述了另一种类型的风扇-热沉组件,该组件具有一个风扇,并且热沉中部设置有盖罩,该热沉具有柱状翅片。该柱状翅片将为热沉向空气提供多条气流通路,但该风扇仍然仅在一个表面上具有一个入口。该热沉的基座也是实心板。
(4)US5,785,116-“Fan Assisted Heat Sink Device”提出了一种热沉组件,该组件具有围绕风扇的热沉壳体。冷空气在该热沉壳体的顶部附近进入该壳体,而热空气从其底端沿所有方向离开该壳体。由于没有隔离冷空气和热空气的措施,所以可能发生空气混合,从而会降低该冷却装置的效率。此外,该热沉的基座是实心板,其不能为下面的热表面提供适当界面。从该热沉装置排出的热空气将增加对周围芯片的加热效应。这是不希望的。
发明内容
冷却装置包括多层风扇-热沉组,这些组中的每一组均具有一个被热沉翅片围绕的离心式风扇,以及多个将该热沉翅片连接到一个配热块的热管。该配热块将被放置在半导体芯片的顶部上。配热块中插有几根热管,以提高块内的热传递。此外,该块可以是蒸汽室类型,其中,该室内的液体蒸发和冷凝用于将热量从该块的一个表面传递到插入该室内的热管上。
具体地,本发明提供一种风扇-热沉组件,包括:多个由风扇和热沉组成的风扇-热沉组;多个热管;以及一个配热块,所述多个风扇-热沉组均具有围绕风扇从而使所述风扇位于所述风扇-热沉组的中心的热沉翅片,并且所述多个风扇-热沉组以堆叠的形式顺次穿过所述多个热管并与所述多个热管保持良好的热接触。
本发明还提供另一种风扇-热沉组件,包括:多个由风扇和热沉组成的风扇-热沉组;多个热管;以及一个蒸汽室,所述多个风扇-热沉组均具有围绕风扇从而使所述风扇位于所述风扇-热沉组的中心的热沉翅片,并且所述多个风扇-热沉组以堆叠的形式顺次穿过所述多个热管并与所述多个热管保持良好的热接触。
附图说明
图1是具有热管和风扇的多风扇热沉的三维视图;
图2是该多风扇热沉的分解视图;
图3是该多风扇热沉的翅片的结构;
图4是该翅片结构的另一实施例;
图5是配热块和热管组件;
图6是插有多个热管的蒸汽室;
图7是用于控制多个风扇的示例性框图。
具体实施方式
图中示出这种使用多个风扇和热沉的冷却装置的详细结构。图1示出风扇41位于中心并被热沉翅片31围绕。翅片31可成直列或交错设置,后者图中未示出。翅片31分别热连接到四个热管51、52、53和54上。然后,所有这四个热管都连接到配热块21上。图2是该多风扇热沉的分解视图。该图中有三组风扇和翅片。但是,风扇-翅片组的数目可以是任意的,并不仅局限于三个。每个风扇都具有自己的电机和叶片。可独立地驱动和控制每个风扇。图中的风扇41、44和47具有各自的叶片43、46和49。为了使该图清晰,仅示出风扇41具有电机42。风扇41、44和47分别被翅片组31、33和35围绕。四个热管51、52、53和54用于将热量从配热块21传递到它们的各个翅片组31、33和35。配热块与产生热的半导体芯片具有良好的热接触。因此,该半导体芯片的热量将传递到配热块、多个热管、翅片组和通过翅片的流动空气。空气将在风扇电机附近的入口处被吸入风扇,例如,空气从风扇41的入口40进入。类似地,空气将从底部风扇47的入口进入。从风扇41和47进入的空气的一部分将通过该风扇并流向风扇44的入口。然后,所有进入的空气都被旋转叶片43、46和49的离心力推出翅片组。每个风扇的旋转叶片的方向可相同或不同。
图3示出翅片组的一个部分的结构。图3a示出一个装配好的翅片组,该翅片组包括多个插入并钎焊到翅片基座311和312内的翅片317和318。翅片和翅片基座均由导热材料例如铝或铜制成。
图3b示出在安装翅片之前的翅片基座311和312的细部。每个翅片基座具有翅片将插入和钎焊在其内的槽缝313。在翅片基座上具有螺孔314a和314b。这两个翅片基座将背靠背地螺纹联接在一起,并且孔315内有一热管。孔315内的热管被轻微压缩,以在热管和翅片基座之间形成良好的热接触。或者,可将翅片基座直接钎焊到热管上。图4示出翅片组的另一实施例。在这种情况下,翅片基座321的外观类似表面上具有水平槽缝323的半圆柱体。翅片327在边缘上具有槽口329,并且将被插入到槽缝323内。一旦所有翅片都插入并钎焊到该翅片基座321上,则将热管放入翅片基座321的背面上的凹部325内。将图中未示出的盖罩放置在该热管上,以将其固定在翅片基座321上。或者,盖罩和热管可直接钎焊在凹部325上。
图5示出其中插有多个热管的配热块。参照图5a,四个热管51、52、53和54的一端插入并钎焊在配热块21内。四个热管51、52、53和54可如图所示向上弯曲或弯曲成不同构型,以接纳翅片组,该翅片组与这四个热管的另一端保持良好的热接触。图5b示出配热块的另一种设置,其中,一对较小的热管22和23嵌在该配热块内。这些较小的热管都弯曲成“U”形,以便该热管的两端都钎焊在该块内。这种设置的目的是减小配热块21内的温度梯度。如图所示,该“U”形热管22的一端靠近配热块21的底部,而另一端靠近顶面。这种热管有助于将配热块底部的部分热量传递到顶部,因此可减小该块内的垂直温度梯度。图6示出配热块221的另一种结构,其中,该配热块是蒸汽室,热管的一端插入到该蒸汽室内。如图6所示,热管251、252和254插入到蒸汽室226内。为了使图清晰,图中未示出前面的热管。实际上,热管的数目可以是任意的,并不限于四个。在蒸汽室226的内表面——包括热管在蒸汽室内的部分的外表面——覆盖有一层吸液芯(wick)。
吸液芯可由泡沫铜、烧结铜或纤维束制成,该纤维束由导热材料例如铜和石墨构成。蒸汽室226是真空密封环境,其局部充满工作流体,例如水、乙醇、florinert、丙酮等。当从半导体芯片向块221的底部提供热量时,工作流体吸收热量并蒸发。然后,蒸汽穿流过该室并在吸液芯和热管的表面上冷凝。当蒸汽再次变为流体时,热量释放到吸液芯和热管上。流体的毛细作用力将使流体回到该室的加热侧。只要该室的热侧和热管的表面之间存在温差,该循环就一直进行。
图7示出用于控制风扇的示例性框图。风扇控制器具有连接在其上或安装在其内的处理单元和存储器,该风扇控制器从系统主机获得控制数据和指令,并通过风扇驱动器以预定的速度驱动风扇。每个风扇的旋转速度都将反馈到风扇控制器。如果风扇速度偏离预定值,则风扇控制器将通过风扇速度控制领域内常用的脉冲宽度调制(PWM)来调节风扇速度。如果一个风扇的速度不能通过该调节恢复,则控制器会标记该风扇,并增大其它风扇的速度。风扇速度增加的百分比根据风扇控制器内的风扇热沉冷却性能的预存储表通过插值得到。目标是保持与所有风扇都以预定速度转动时的冷却性能相同。
为了清晰起见,这些图中仅示出主要部件,并且这些部件并不是按比例绘制的。

Claims (20)

1.一种风扇-热沉组件,包括:
多个由风扇和热沉组成的风扇-热沉组;
多个热管;以及
一个配热块,
所述多个风扇-热沉组均具有围绕风扇从而使所述风扇位于所述风扇-热沉组的中心的热沉翅片,并且
所述多个风扇-热沉组以堆叠的形式顺次穿过所述多个热管并与所述多个热管保持良好的热接触。
2.根据权利要求1的风扇-热沉组件,其特征在于,所述风扇是离心式风扇,该风扇从顶部和底部在围绕风扇电机轴的入口处吸入空气。
3.根据权利要求1的风扇-热沉组件,其特征在于,所述热沉翅片表面垂直于风扇电机轴定向,并且所述热沉翅片沿风扇电机轴方向成直列或交错设置。
4.根据权利要求1的风扇-热沉组件,其特征在于,所述热沉翅片可被分成多个部分或者成一个连续的环。
5.根据权利要求1的风扇-热沉组件,其特征在于,所述热沉翅片是由导热材料制成。
6.根据权利要求1的风扇-热沉组件,其特征在于,所述热沉翅片软钎焊或硬钎焊在所述热管上。
7.根据权利要求1的风扇-热沉组件,其特征在于,所述多个热管的一端插入到所述配热块内。
8.根据权利要求1的风扇-热沉组件,其特征在于,所述配热块由导热材料制成。
9.根据权利要求1的风扇-热沉组件,其特征在于,所述配热块具有弯曲成“U”形并嵌在配热块内的附加热管。
10.根据权利要求1的风扇-热沉组件,其特征在于,所述多个风扇-热沉组位于所述配热块的顶部上,或位于所述配热块的侧面上。
11.根据权利要求5的风扇-热沉组件,其特征在于,所述热沉翅片是由铜或铝制成。
12.根据权利要求8的风扇-热沉组件,其特征在于,所述配热块由铜、铝或金刚石制成。
13.一种风扇-热沉组件,包括:
多个由风扇和热沉组成的风扇-热沉组;
多个热管;以及
一个蒸汽室,
所述多个风扇-热沉组均具有围绕风扇从而使所述风扇位于所述风扇-热沉组的中心的热沉翅片,并且
所述多个风扇-热沉组以堆叠的形式顺次穿过所述多个热管并与所述多个热管保持良好的热接触。
14.根据权利要求13的风扇-热沉组件,其特征在于,所述热管的一端插入到所述蒸汽室内,并且所述蒸汽室具有覆盖整个内表面的吸液芯。
15.根据权利要求13的风扇-热沉组件,其特征在于,位于所述蒸汽室内的所述热管的部分的外表面覆盖有吸液芯。
16.根据权利要求14或15的风扇-热沉组件,其特征在于,所述吸液芯由烧结铜、铜纤维、铜丝网、泡沫铜或石墨泡沫制成。
17.根据权利要求13的风扇-热沉组件,其特征在于,所述蒸汽室局部充满工作流体。
18.根据权利要求13的风扇-热沉组件,其特征在于,所述蒸汽室由与权利要求17的工作流体相容的导热材料制成。
19.根据权利要求17的风扇-热沉组件,其特征在于,所述工作流体为水、乙醇、florinert或丙酮。
20.根据权利要求18的风扇-热沉组件,其特征在于,所述蒸汽室由铜制成。
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