CN103151319A - 分形鳍片散热器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种冷却装置，尤其涉及一种用于方形电子设备冷却系统的高效且温度均匀的鳍片散热器设计。使用时，将鳍片散热器设计成“H”型分形分叉网络结构，然后将分形鳍片散热器和绝热垫片以及电子芯片整体封装，矩形截面的鳍片易于加工和安装，适合批量生成。该分形鳍片散热器可以充分利用电子芯片的表面空间，增加鳍片换热表面面积，减少了鳍片间气流旁通量，提高散热效率，尤其适用于方形芯片散热系统的设计；同时，分形鳍片网络具有良好的空间分布均匀特性，可以有效降低芯片温度分布的不均匀性，消除芯片表面的局域热点，防止芯片损坏，有效延长芯片使用寿命。

Description

分形鳍片散热器

技术领域

本发明属于微电子技术领域，涉及一种冷却装置，尤其涉及一种用于电子设备冷却系统的高效且温度均匀的鳍片散热器设计。

背景技术

近年来，随着电子器件的集成化和微型化不断升级，其功率和集成度大幅度提高，功率器件的热流密度不断上升，散热成为微电子产业进一步发展的一个主要障碍，只有对电子设备的耗热元件以及整机或系统采用合适的冷却技术和结构设计，对它们的温升进行控制，才能保证电子设备或系统正常、可靠地工作。

对于三种基本传热方式，任何一种方式的传热热量都与传热面积成正比，所以，增加传热面积是提高传热量的一种有效途径。在电子设备热设计中，为了强化电子元件的散热能力，采用了各种形式的散热器以增大元件的散热面积。最简单的散热器是平板散热器，其结构简单，容易自制，但散热效果较差，且所占面积较大。当平板散热器散热速率不能满足要求时，通常要扩展传热面积，即采用鳍片散热器。

在电子设备的总尺寸、质量、所耗金属材料和流阻性能增加不多的前提下，采用鳍片散热器的散热量最大可增加一个数量级。型材散热器、叉指散热器和圆柱针肋散热器是常用的几种鳍片散热器。但是大多数鳍片散热器由于鳍片排列的结构和空间分布局限，致使电子芯片上的温度分布不均匀。中国发明专利CN101394730A公布了一种放射状鳍片散热器，其中鳍片设计成分叉结构，这种散热器能充分利用鳍片沿径向的空间，提高换热面积。但是该专利对于柱状电子设备散热效果较好，不适合在方形电子芯片散热系统的设计中推广，而且该专利没有解决温度分布不均匀的问题。中国实用新型专利CN2552167Y公布了一种直线状竖立分布的散热鳍片，解决了鳍片通风问题，加强了鳍片强度。但是，这种散热器仍然不能解决温度分布不均的问题。而局部区域的温度分布是影响被冷却期间工作特性的关键，也是评价微电子散热系统的重要指标。电子芯片温度分布的不均匀性(特别是最高温度)，严重时可以导致芯片损坏，影响电子设备的使用寿命。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种鳍片散热器，充分利用方形电子芯片的平面空间，通过增加传热表面面积提高散热效率，该鳍片散热器具有良好的空间分布均匀特征，可以克服散热器温度分布不均匀的缺点，延长电子芯片的使用寿命。

为解决上述技术问题，本发明将鳍片散热器设计成“H”型分形分叉网络结构。本发明由电子芯片，绝热垫片和鳍片散热器组成。其工作原理为：电子芯片所产生的热量通过绝热垫片主要以导热方式传递给鳍片散热器，鳍片散热器通过鳍片网络传输到周围环境。鳍片散热器是由矩形鳍片按照“H”型分形分叉网络的方式进行组合和连接，矩形鳍片具有相同的高度，然后将分形鳍片网络加工在同种材料的基片上。分形鳍片网络为对称二分叉网络，每一级母分支分叉出两个相同的子分支，即同一级分支具有相同的宽度和长度；分叉角度为90度；相邻两级鳍片的长度比以及宽度比保持常数，即第k+1级鳍片的长度与k级鳍片的长度比值α＝l_k+1/l_k和宽度比β＝d_k+1/d_k与分叉级数无关，保持不变；选取宽度比和长度比α＝β＝2-1/D，其中分形维数D＝2，此时分形鳍片网络具有良好的空间分布均匀特性和平面空间填充能力；分形鳍片网络的初级(0级)分支尺寸和总分叉级数n的选取需要根据具体的芯片尺寸和总体封装需求确定和设计，同时遵循避免网络自重叠的原则。

其中分形鳍片网络和基片可以选取铝和铜等导热性能良好的材料制成，其中分形鳍片网络是由矩形鳍片按照分形分叉网络连接而成，矩形截面的鳍片易于加工和安装，适合批量生成。

本发明能够产生的有益效果：

1.按照“H”型分形分叉网络进行设计的分形鳍片散热器，可以充分利用电子芯片的表面空间，增加鳍片换热表面面积，提高散热效率，适用于方形芯片散热系统的设计。

2.由于鳍片间隙变小，具有屏蔽效应，减少了鳍片间气流旁通量。

3.分形鳍片网络具有良好的空间分布均匀特性，因此可以有效提高芯片温度分布的均匀性，消除芯片表面的局域热点，防止芯片损坏，有效延长芯片使用寿命。

附图说明

图1是本发明的结构示意图

图2是鳍片散热器的结构图

图3显示了根据本发明的一个实施例的分形鳍片网络，其具有5级的2分叉结构

图4显示了分形鳍片网络的基本单元

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，采用分形鳍片散热器冷却尺寸为100×72×20mm³的电子芯片1。电子芯片1所产生的热量通过绝热垫片2主要以导热方式传递给鳍片散热器3，鳍片散热器通过鳍片网络传输到周围环境。“H”型分形分叉网络具有良好的空间均匀分布特征。

从图4可知，选取长度比(α＝l_k+1/l_k)和宽度比(β＝d_k+1/d_k)都为2^-1/2，每一级母分支分叉出两个相同的子分支。将图4所示的“H”型分叉基本单元按照上述分叉比迭代5次，生成如图3所示的5级分叉网络，根据电子芯片尺寸可以确定初级(0级)鳍片的尺寸为26.5×5.2×10mm³，矩形鳍片高度为10mm，基片厚度为5mm。此时，分形鳍片网络具有良好的平面填充能力，即具有很高的传热表面面积，同时具有最高的热传导效率。

从图2可知，首先成型出由铝制挤压型材制作的散热器坯件，并将分形鳍片网络4加工在同种材质的基片5上。然后将分形鳍片网络3和绝热垫片2以及电子芯片1按照从上至下的顺序整体封装。

Claims (3)

1.分形鳍片散热器，包括有依次封装在一起的电子芯片(1)，绝热垫片(2)和鳍片散热器(3)，其特征在于：所述鳍片散热器设计成分形分叉网络结构，具有相同高度的矩形鳍片按照“H”型分形分叉结构进行组合连接，并将分形鳍片网络(4)加工在基片(5)上，所述分形鳍片网络的每一级母鳍片分叉出两个对称的子鳍片，分叉角度为90度，相邻两级鳍片的长度比以及宽度比保持常数，即后一级鳍片的长度与前一级鳍片的长度比值为2^-1/2，宽度比也等于2^-1/2。

2.根据权利要求1所述的分形鳍片散热器，鳍片散热器(3)的分叉比保持常数，初级(0级)鳍片的尺寸和总分叉级数n按照芯片尺寸和总体封装需求确定，同时遵循避免网络自重叠的原则。

3.根据权利要求1或2所述的分形鳍片散热器，分形鳍片网络(4)和基片(5)可以选取铝和铜等导热性能良好的材料制成。

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