CN101202255A - 半导体器件散热器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种半导体器件用的散热器，是针对现有的被称为太阳花式CPU散热器改进，采用焊接、镶嵌、粘结以及紧箍环方式将肋片(2)设置在导热块(3)上，因而可有效减小肋片(2)的厚度，到0.1mm，带来的优点是：减少材料用量，降低成本，增加肋片数量。引入强化传热结构，优化尺寸设计，采用高风压的离心式风扇和多级轴流式风扇，进一步加密肋片，使散热器尺寸更小，更紧凑，成本更低，而散热量更高。

Description

半导体器件散热器

所属技术领域

本发明涉及半导体器件的散热技术领域，特别是有由导热块、肋片和风扇组成的散热器。

背景技术

随着半导体功率器件、半导体发光器件的功率提高，特别是半导体集成电路晶体管数量的增加，以及工作频率的增加，其间发热量也随着增加，当前计算机CPU以及GPU芯片散热问题已经成了计算机发展过程中的障碍。长期以来，电子器件的散热不被重视，技术一直处于原始的传热概念阶段，上世纪六十至七十年代，传热技术的研究已经非常完善了，只要将其中的研究成果，采用正确的方法，引入电子器件的散热技术，就可以得到显著的结果。

现有一种CPU芯片铝材散热器：圆柱的一端面为吸热面，它紧贴在芯片的散热面上，圆柱的侧面四周伸出许多肋片，也称之为太阳花，风扇在圆柱的另一端，吸热面背对的一侧，风扇和圆柱同轴；芯片产生的热量通过芯片的散热面与圆柱上的吸热面接触导热，传到圆柱，热量在圆柱内以导热的方式传到圆柱侧面，再传到肋片上，风扇驱动空气，流经肋片，以对流传热方式将热量传到空气中，散出，圆柱在此仅起导热作用，因而就称之为导热块。这种结构优点有：由于风扇和圆柱(导热块)同轴，风扇驱动空气，顺着圆柱侧面、以及肋片流动，有效地减小风扇电机引起的肋片中空气流动死区的存在，而严重影响肋片内空气对流传热；由于肋片和圆柱(导热块)是采用铝挤制工艺成形，肋片和导热块是一体，保证了肋片和圆柱之间的热传导。但是，由于肋片是挤制出来的，受这种制造工艺的限制，肋片的厚度一般要0.5mm以上，虽然片厚，有利于肋效率提高，但问题有：铝材料用量多，成本增加，重要的是，肋片厚度占有过多的空气流通面积，不利于高度紧凑化，比如片距1.5mm，片厚为0.5mm，这样紧凑化设计，肋片的厚度就占三分之一，即空气流通面积只有三分之二，这样，流经肋片的空气速度增加，空气流动阻力大，导致空气流量减小，引起散热量得不到有效提高，可能还降低。

现用于台式计算机中的这种CPU散热器，为了提高散热量，只好增加整体尺寸，散热器外径达到90mm，肋片片距2mm之多，肋片肋长(从导热块到肋片尖长度)和肋片肋宽(导热块轴向方向距离)达到30mm，目的是增加肋片总面积(散热面积)，达到提高散热量。肋长增加，肋效率降低，肋片肋宽增加，导热块的高度增加，则导热块中的导热热阻增加，这些都不利于提高散热量，另外铝材用量增加，即成本增加。这样大的散热器，是计算机主板上占主要空间尺寸的器件。

另外现散热器没有从空气动力学方面考虑优化、强化提高散热量，仅仅从增加风扇直径、厚度、扇叶转速等手段来提高风量风压，提高散热量，因而又带来了震动、噪音、轴承寿命、占空间尺寸大等问题，散热器所占的空间尺寸，已经是减小计算机尺寸、紧凑设计中的障碍。

发明内容

本发明是针对上述散热器进行改进，采用另外的肋片成形工艺，实现减小肋片厚度，增加肋片密度，达到增加散热面积的目的。引入强化传热结构，优化尺寸，进一步减小散热尺寸。通过采用高风压的离心式风扇或多级轴流式风扇，进一步提高散热量。

本发明的技术方案是：散热器主要部件包括有：导热块、肋片和风扇，导热块上有一平整的吸热面，在导热块侧面四周设置有肋片，风扇设置在和吸热面背对的一侧，这些结构与现被称为太阳花式的CPU散热器类似。本发明的特征在于：肋片是焊在导热块上，或镶嵌在导热块，或采用胶粘结在导热块上，或采用了紧箍环压靠在导热块上；肋片的厚度不大于0.4mm，肋片的肋长(肋片根处，即靠导热块处，到肋片尖处的长度)不大于25mm，肋片的肋宽(肋片在导热块轴向方向上的长度)；肋片的平均片距不大于2.0mm。

依据传热学，肋效率是mL的函数，随着mL的增大而下降，为曲线下降的函数关系，mL为1.0时，肋效率下降速度最快，对于直肋(本发明所涉及的)，此时肋效率大致为76％，一般设计时取mL的值不大于1.0，其中L为肋长，m和肋片的厚度的平方根成反比。如果肋片厚度减小4倍，肋长L减小2倍，则肋效率不变。说明减小肋片厚度，能有效地减小肋片材料用量，现空调里的空气换热器中的肋片(铝材)厚度减小到0.1mm以下。现产品采用铝挤制工艺，肋厚最小也有0.5mm，减小肋厚度非常有意义：减少材料，即降低成本，减小肋厚所占的流通面积，空出的空间可增加肋片数，即增加了散热面积。

本发明采用焊接、粘结、镶嵌以及紧箍环的方式将肋片设置在导热块上，肋片是采用薄板型材加工后设置在导热块上，因而肋片的厚度可以减薄，不受工艺限制。本发明中肋片的厚度选取不大于0.4mm，最好选取0.2mm以下。肋片的厚度减小了，为了保证肋效率不低，肋片的肋长不能太长，本发明中选取肋长不大于25mm为合理。如果肋长减短导致对流传热面积减小，补偿措施可采用加密肋片密度，和加大导热块直径来增加肋片数。

本发明中肋片内的空气对流传热属于窄缝内对流传热，根据传热学和空气动力学，可得知：空气对流传热系数和肋片之间的间隙尺寸成反比，也就是说间隙越小，即肋片越密(散热器越紧凑)，空气对流传热系数越高。因而减小片距，不仅增大了传热面积，而且还提高空气对流传热系数，效应是双倍地提高，最佳间隙是1mm以下，但考虑到运行时的尘埃污染问题，一般不把间隙设计到1mm以下，一般取1.5mm的间隙，空调里换热器中的肋片之间的间隙在1.5mm左右。如果肋片厚0.4mm，肋片之间的间隙为1.5mm，则片距为1.9mm。本发明认为，肋片片距选取2.0mm以下为合理值。由于片距不一定是均匀的，一是从肋根到肋尖的片距不一定均匀，二是每个肋片的片距不一定均匀，此处所述的片距是平均片距。

本发明限定肋宽不大于25mm，是从两个方面考虑，一、肋宽过大，空气流经肋片的距离长，流动阻力大，流经的空气量减小，不利于提高对流散热；二、肋宽加大，则导热块的高度增加，导热块内的导热距离加大，导热热阻增加，不利于散热提高。对CPU散热器，若肋宽为25mm，导热块就应该有30mm高，这已经是非常高的值。如果对流传热面不够，最好不要选择提高肋宽，应选择减小片距和增大导热块直径，来增加肋片数。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的基本结构示意图。

图2、3、5至8是本发明中的肋片和导热块的特征结构剖面示意图。

图4是图3的局部放大示意图。

图9是叉列式短肋形强化传热结构特征示意图。

图10是百叶窗式短肋形强化传热结构特征示意图。

图中，1、风扇，2、肋片，3、导热块，4、定位折边，5、紧箍环。

图1示出了本发明的基本结构组成，吸热面就在导热块(3)的下面，风扇(1)设置在导热块(3)的上侧，吸热面背对的一侧，肋片(2)围着导热块(3)，设置在导热块(3)的侧面上，导热块(3)高出(轴向)肋片(2)，是便于空气流通，均匀地流经肋片(2)，因为常常被冷却的电子器件大都是扁平的，或散热面大于导热块的吸热面(横截面)，导热块高出肋片所形成的空间，就成了空气流动通道，这样可消除肋片内的空气流动死区，这些和现太阳花式CPU散热器基本结构类似。

图2中所示的肋片(2)，被称为波纹型结构肋片，其特征结构是：带状肋片材料(一般采用铝带和铜带)被加工成连续的波纹形，围绕着导热块(3)可以是一整条波纹形肋片，波纹形可采用两齿轮碾压成形，加工成形简单，效率高。图中的肋片(2)是焊接或粘结在导热块(3)上的。

图3所示的肋片(2)被称为叠片式结构肋片，其特征结构是：肋片(2)由一片片单独的散片累叠起来，肋片根处折边，该折边紧靠导热块(3)，导热块上的热量就是通过该折边与导热块接触传到肋片上，肋片(2)是焊接或粘结在导热块(3)上的。图中示出在肋片根处还有一折边——定位折边(4)，如图4所示，肋片根处片与片之间的片距就是靠定位折边(4)确定，在肋片(2)的尖处也有定位折边(4)。有了肋片根处和尖处的定位折边(4)，就容易保证肋片根处和尖处的片距一致，重要的优点是：组装肋片的效率高。图中还示出了一特征，肋片(2)顺着周向朝一个方向弯曲，这样的弯曲肋片和图2中所示的直肋片相比，优点是：肋片根处和尖处的片距之差减小，可以设计制造出，从根处到尖处的片距一致。无论是每个肋片之间的片距，还是从根处到尖处的片距，片距尽可能要均匀一致，这非常重要，这样能保证空气流经肋片均匀，有利于整体散热面得到充分发挥。如果根处片距小、尖处片距大，则流经靠尖处的的空气量大，但由于肋片内的导热热阻，肋片尖处的温度低于根处的温度，因而根处散热优势得不到有效利用。片距均匀还有一优点是：相同的肋长，相同的肋片数，即总肋片面积相同，在导热块外径相同的情况下，散热器外径小，更紧凑。因而本发明选取肋片尖处片距和根处片距之比不得大于1.5。

图5、6所示的肋片(2)是镶嵌在导热块(3)上的，但两图中的镶嵌方式不同。图5中，肋片(2)呈直线辐射，图6中肋片(2)顺着周向朝一个方向弯曲，因而肋片根处到尖处的片距更均匀。图7、8所示的肋片(2)采用紧箍环(5)压靠在导热块(3)上，图中所示的紧箍环(5)为弹性箍环，也可采用螺栓加力的箍环。

采用焊接(通常采用钎焊)，将肋片设置固定在导热块，可有效解决肋片和导热块之间的接触热阻，采用镶嵌、粘结以及紧箍环工艺，必须保证肋片和导热块之间有足够的接触面积，接触要紧密，粘胶的导热系数要高。

为了进一步提高肋片的空气对流换热量，减小散热器尺寸，在肋片上采用强化对流传热结构。图9、10示出了短肋形强化传热结构，图9为叉列式短肋形，图10为百叶窗式短肋形，它们的基本特征是：空气流经的表面被冲切成一段段不连续的表面，空气每流经一段(短肋)，其上的边界层都处在边界层的起始段，使整个对流换热表面充分利用了边界层起始段较薄、热阻小、换热系数高的有利特点。短肋的宽度在2.0毫米左右为好。

肋片加密，采用强化换热结构，将大大地提高了空气流动阻力。单级轴流式风扇风压不足，克服不了肋片的空气流动阻力，导致风量急剧下降，流经肋片内的空气温度迅速上升，空气对流换热的换热温差下降，则散热量下降。单级轴流式风扇满足不了要求，可采用多级轴流式风扇和离心式风扇，风压高，能满足以上要求。

纯铜的导热系数是纯铝的近两倍，但是铜的比重是铝的近三倍，铜的价格也高，近三倍于铝的价格，本发明所涉及到的器件发热密度还没有达到非得采用铜做导热块不可的程度，因而完全可以选用铝材做导热块，如果导热热阻较大，可以通过加厚材料，以及改变导热块外形尺寸(高或直径)，减小导热块内的导热距离。肋片由铜材改为铝材，可以通过增加肋厚度(增加一倍)则可不降低肋效率。因而肋片和导热块采用铝材，重量更轻，更经济。

轴流式风扇中叶片驱动空气运动，产生有周向分速度，离心向外。将风扇转动方向与肋片弯曲方向相反，则空气的周向分速度也就反着肋片的弯曲方向，经风扇的空气直接吹在肋片弯曲内侧(向心侧)，空气的周向分速度与肋片弯曲的内侧小于90°，因而肋片对空气有着向心推力，这样有利于增加靠肋片根处的空气流量，有利于散热提高。

Claims (10)

1.一种用于冷却半导体器件的散热器，包括有：导热块(3)、肋片(2)和风扇(1)，导热块(3)上有一平整的吸热面，在导热块(3)侧面四周设置有肋片(2)，风扇(1)设置在吸热面背对的一侧，其特征在于：肋片(2)是焊在导热块(3)上，或镶嵌在导热块(3)上，或采用胶粘结在导热块(3)上，或采用了紧箍环(5)压靠在导热块(3)上；肋片的肋长不大于25mm，肋片的肋宽不大于25mm，肋片的厚度不大于0.4mm，肋片的平均片距不大于2.0mm。

2.根据权利要求1所述的散热器，其特征在于：风扇(1)为离心式风扇，或多级轴流式风扇。

3.根据权利要求1所述的散热器，其特征在于：肋片(2)采用了波纹形结构。

4.根据权利要求1所述的散热器，其特征在于：肋片(2)采用了叠片式结构。

5.根据权利要求4所述的散热器，其特征在于：在肋片(2)根处和尖处有定位折边(4)。

6.根据权利要求1所述的散热器，其特征在于：肋片(2)尖处片距和根处片距之比不大于1.5。

7.根据权利要求1所述的散热器，其特征在于：肋片(2)采用了短肋形强化传热结构。

8.根据权利要求1所述的散热器，其特征在于：肋片(2)和导热块(3)采用铝材制成。

9.根据权利要求1、4所述的散热器，其特征在于：肋片(2)顺着周向朝一个方向弯曲。

10.根据权利要求9所述的散热器，其特征在于：风扇(1)转动方向和肋片(2)的弯曲方向相反。

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