CN113301780B - 一种半导体设备的板卡箱及其的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半导体设备的板卡箱及其的设计方法，板卡箱包括：至少一个板卡本体、送风装置、围绕每个板卡本体四周设置的壳体和位于壳体内部的隔板，壳体与板卡本体之间设置有间隙，间隙的间距为第一预设距离；送风装置自间隙向板卡本体送风；隔板至少遍历每个板卡本体中的关键芯片；隔板邻近关键芯片表面的一侧与所述关键芯片表面形成狭缝；狭缝的间距与送风装置的送风速度满足狭缝强迫对流换热模型；其中，第一预设距离大于多个狭缝的间距中的最大距离，以实现在保证冷却效果的前提下，可以降低送风装置的送风量，进而降低送风装置的体积、重量、功耗和噪声。

Description

一种半导体设备的板卡箱及其的设计方法

技术领域

本发明实施例涉及板卡箱散热技术领域，尤其涉及一种半导体设备的板卡箱及其的设计方法。

背景技术

现有技术中为了对电子元器件进行冷却，板卡箱中一般通过送风装置对所有电子元器件进行送风。由于现有技术中板卡箱的结构设计，所有电子元器件上方的空气流速接近，并且为了保证关键芯片的冷却效果，板卡间气隙较大，这样，使得低功耗电子元器件上方的空气流量严重过剩，也导致送风装置需要的送风量很大，相应地，送风装置的体积、重量、功耗、噪声都偏高。

为了解决上述问题，大部分计算机中，对主要芯片配备独立的冷却风扇或者平板热管均热器。但这一方法不适用于半导体设备板卡箱，因为半导体设备板卡箱板卡厚度有限、关键芯片数量多，布置独立的风扇或平板热管均热器非常困难。或者通过复杂流道对关键芯片进行精准冷却，但往往结构复杂，设计难度较大。

发明内容

本发明提供一种半导体设备的板卡箱及其的设计方法，以实现在保证冷却效果的前提下，可以降低送风装置的送风量，进而降低送风装置的体积、重量、功耗和噪声。

为实现上述目的，本发明一方面实施例提出了一种半导体设备的板卡箱，包括：至少一个板卡本体和送风装置；

围绕所述板卡本体四周设置的壳体，所述壳体与所述板卡本体之间设置有间隙，所述间隙的间距为第一预设距离；所述送风装置自所述间隙向所述板卡本体送风；

位于所述壳体内部的隔板，所述隔板至少遍历每个所述板卡本体中的关键芯片；所述隔板邻近所述关键芯片表面的一侧与所述关键芯片表面形成狭缝；

所述狭缝的间距与所述送风装置的送风速度满足狭缝强迫对流换热模型，其中，所述第一预设距离大于多个所述狭缝的间距中的最大距离。

根据本发明的一个实施例，所述狭缝的间距H与所述送风装置的送风速度V满足以下公式：

V＝c₁U^c2L^c3ν^c4H^c5；其中，c₁、c₂、c₃、c₄、c₅为系数，U为传统板卡外掠平板强迫对流换热模型的来流速度，L为所述关键芯片的邻近所述隔板一侧的表面沿所述送风速度方向的宽度，ν为运动粘性系数；

所述送风装置的送风功率P满足如下公式：

P＝VHWρkRT_air{[(ρV²/2+P_air)/P_air]^(k-1)/k-1}/(k-1)/η_motor/η_imp；其中，W为所述关键芯片的邻近所述隔板一侧的表面沿垂直于所述送风速度方向的宽度，k为大气绝热指数，R为大气的气体常数，η_motor为电机效率，T_air为大气温度，ρ为大气密度，P_air为大气压力，η_imp为叶轮效率；

当关键芯片的温度达到目标温度时，所述狭缝的间距H与所述送风装置的送风速度V需使得P最小。

根据本发明的一个实施例，所述送风装置的转速大于或等于20000rpm。

根据本发明的一个实施例，所述壳体与所述隔板之间可拆卸连接，所述壳体与所述板卡本体之间可拆卸连接。

根据本发明的一个实施例，每个所述关键芯片上方设置有导流板。

根据本发明的一个实施例，所述导流板与所述隔板之间可拆卸连接。

根据本发明的一个实施例，所述关键芯片为具有逻辑计算能力，温度易升高的芯片。

为实现上述目的，本发明另一方面实施例提出了一种半导体设备的板卡箱的设计方法，应用于如前所述的半导体设备的板卡箱，包括以下步骤：

围绕所述板卡本体四周设置的壳体；其中，所述壳体与所述板卡本体之间设置有间隙，所述间隙的间距为第一预设距离；所述送风装置自所述间隙向所述板卡本体送风；

所述壳体内部设置隔板；其中，所述隔板至少遍历每个所述板卡本体中的关键芯片；所述隔板邻近所述关键芯片表面的一侧与所述关键芯片表面形成狭缝；

所述狭缝的间距与所述送风装置的送风速度满足狭缝强迫对流换热模型，所述第一预设距离大于多个所述狭缝的间距中的最大距离。

根据本发明的一个实施例，其中，所述壳体内部设置隔板包括：

根据公式V＝c₁U^c2L^c3ν^c4H^c5，

和P＝VHWρkRT_air{[(ρV²/2+P_air)/P_air]^(k-1)/k-1}/(k-1)/η_motor/η_imp，确定所述狭缝的间距和所述送风装置的送风速度；

其中，c₁、c₂、c₃、c₄、c₅为系数，U为外掠平板强迫对流换热模型的来流速度，L为所述关键芯片的邻近所述隔板一侧的表面沿所述送风速度方向的宽度，ν为运动粘性系数；P为所述送风装置的功率，W为所述关键芯片的邻近所述隔板一侧的表面沿垂直于所述送风速度方向的宽度，k为大气绝热指数，R为大气的气体常数，η_motor为电机效率，T_air为大气温度，ρ为大气密度，P_air为大气压力，η_imp为叶轮效率；

其中，当关键芯片的温度达到目标温度时，所述狭缝的间距H与所述送风装置的送风速度V需使得P最小。

根据本发明的一个实施例，还包括：当对所述板卡本体进行送风，其中一个所述关键芯片的温度高于目标温度时，增大所述狭缝的间距；

当对所述板卡本体进行送风，其中一个所述关键芯片的温度低于目标温度时，降低所述狭缝的间距。

根据本发明实施例提出的半导体设备的板卡箱及其的设计方法，其中，板卡箱包括：至少一个板卡本体、送风装置、围绕板卡本体四周设置的壳体和位于壳体内部的隔板，壳体与板卡本体之间设置有间隙，间隙的间距为第一预设距离；送风装置自间隙向板卡本体送风；隔板至少遍历每个板卡本体中的关键芯片；隔板邻近关键芯片表面的一侧与所述关键芯片表面形成狭缝；狭缝的间距与送风装置的送风速度满足狭缝强迫对流换热模型，其中，第一预设距离大于多个狭缝的间距中的最大距离。从而，在板卡本体四周设置壳体，并在壳体内部设置隔板，可以让大比例的冷却气流集中流过关键芯片上方，保证局部冷却效果，同时可以降低其他部分的空气流量；并且采用狭缝强迫对流换热模型，可以进一步提高冷却效率；由此，在保证冷却效果的前提下，降低了送风装置的送风量，进而降低了送风装置的体积、重量、功耗和噪声。

附图说明

图1是现有技术中的半导体设备的板卡箱的正视图；

图2是本发明实施例提出的半导体设备的板卡箱的正视图；

图3是本发明实施例提出的半导体设备的板卡箱中板卡本体的入风口或出风口的结构示意图；

图4是本发明一个实施例提出的半导体设备的板卡箱中隔板的俯视图；

图5是图4中沿AA’方向的剖面图；

图6是本发明实施例提出的半导体设备的板卡箱中送风功率和隔板下边缘与关键芯片上表面间距之间的关系图；

图7是本发明实施例提出的半导体设备的板卡箱的设计方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

图1是现有技术中的半导体设备的板卡箱的正视图。如图1所示，该半导体设备的板卡箱包括四个板卡本体10，分别为第一板卡本体、第二板卡本体、第三板卡本体和第四板卡本体，以及送风装置20，以图1中的方位来说，沿板卡箱的第一方向(即图中的x方向)，四个板卡本体依次排列，送风装置20位于四个板卡本体的入风口处，沿第二方向(即图中的y方向)送风，送风装置20送风之后，对四个板卡本体进行冷却。其中，第一板卡本体可以为主控板，第二板卡本体和第四板卡本体可以为运动控制板，第三板卡本体可以为交换板，图1中每个板卡本体上的方框或圆圈代表该板卡本体的外设接口。可知的，当前的送风装置20一般是低速电机和低速风扇的组合，风扇则口径较大，为所有板卡本体进行送风，每个板卡本体的大部分元器件上方的空气流速相近，风量基本相同，而对于不易发热的元器件来说，送风流量严重超过实际需求，因此，这样需要送风装置20的送风量较大。

为了解决上述问题，本发明实施例提出了一种半导体设备的板卡箱。图2是本发明实施例提出的半导体设备的板卡箱的正视图。如图2-图4所示，该半导体设备的板卡箱包括：至少一个板卡本体30和送风装置31；

围绕板卡本体30四周设置的壳体32，壳体32与板卡本体30之间设置有间隙33，间隙33的间距为第一预设距离H1；送风装置31自间隙33向板卡本体30送风；

位于壳体32内部的隔板34，隔板34至少遍历每个板卡本体30中的关键芯片35；隔板34邻近关键芯片35表面的一侧与关键芯片35表面形成狭缝；

狭缝的间距H与送风装置31的送风速度满足狭缝强迫对流换热模型，其中，第一预设距离H1大于多个狭缝的间距H中的最大距离。

需要说明的是，围绕在板卡本体30四周的壳体32，可以通过支柱支撑在半导体设备的板卡箱的底面上，使得壳体32的下边缘与板卡本体30之间设置有间隙33，如图3所示，送风装置31自间隙33向板卡本体30送风，其中，图3中的结构示意图是图2中任意板卡本体30的壳体32与板卡本体30的俯视图或者仰视图。第一预设距离H1大于多个狭缝的间距H中的最大距离，以保证送风顺利。

另外，壳体32内部设置有隔板34，如图4所示，隔板34的两端可以与壳体32连接，狭缝的间距H与送风装置31的送风速度满足狭缝强迫对流换热模型。

其中，关键芯片35为具有逻辑计算能力，温度易升高的芯片。举例来说，主控板和交换板中的关键芯片35一般为32位PowerPC芯片和FPGA芯片，运动控制板中的关键芯片35一般为DSP芯片和FPGA芯片。隔板34需要遍历每个板卡本体30中的关键芯片35的上方。如图4中所示，仅示例出了运动控制板卡本体30中的隔板34，其他三块板卡本体30中也设置类似的隔板(图中未示出)，以运动控制板卡本体30为例来说，隔板34需遍历运动控制板中的关键芯片(DSP芯片(图4中左上)和FPGA芯片(图4中右下))的上方，并且隔板34的下边缘与关键芯片35的上表面之间的间距与送风装置31的送风速度需满足狭缝强迫对流换热模型。可以理解的是，由于每个关键芯片35的厚度可能不同，并且对于每个关键芯片35的送风量可能不同，进而，隔板34的下边缘可能凹凸不平。隔板34需要绕开所有非关键的大体积的大电子元器件，并且在关键芯片35之外的部分尽量保持相同的高度，从而降低隔板形状的复杂度。关键芯片35之外的部分是指小电阻36、小电容37等小体积小面积的小电子元器件，隔板34遇到这类电子元器件可以直接跨过，无需绕开，仅需保持隔板34的下边缘与这些小电子元器件的上表面的间距一致即可。图4中仅示意出了一种隔板34的形状，实际情况中可以根据板卡本体30上的关键芯片35的布置位置进行调整(以最短距离以及最简单绕法为准)。具体的，如图4所示(图4可以是图2或图3的侧视图)，送风装置31的冷风38从入风口进入，经过关键芯片35之后，变为热风39，从出风口散出。

图5是图4中沿AA’方向的剖面图。从图5中可以看出，关键芯片35上表面与隔板34的下边缘的间距H与隔板34的下边缘遍历的其他小的电子元器件之间的间隙是不同的，并且隔板34的下边缘遍历的其他小的电子元器件之间的间隙均小于H，以保证关键芯片35上方的流量。另外，图2中所示的各壳体32之间的间距δ1，壳体32与板卡箱外壳之间的间距δ2，都小于壳体32入风口的厚度δ3，以保证大部分冷却空气流经板卡本体30。其中，隔板34，壳体32的材料可以为透明塑料等非金属材料，也可以为金属材料，但是须进行绝缘处理。在半导体设备的板卡箱中的板卡槽上未安装板卡本体30的情况下，可以通过密封件对相应的槽位进行简单密封，避免送风量经过该槽位，造成风量浪费。由此，通过在板卡本体30四周设置壳体32，并在壳体32内部设置隔板34，可以让大比例的冷却气流集中流过关键芯片35上方，保证局部冷却效果，同时可以降低其他部分的空气流量，可以降低送风装置31的送风量，进而以降低送风装置31的体积、重量、功耗和噪声。

根据本发明的一个实施例，壳体32与隔板34之间可拆卸连接，壳体32与板卡本体30之间可拆卸连接。

根据本发明的一个实施例，每个关键芯片35上方设置有导流板。

根据本发明的一个实施例，导流板与隔板34之间可拆卸连接。

需要说明的是，壳体32与隔板34之间可拆卸连接，隔板34的连接端可以直接跨在壳体32边缘上，壳体32除了可以设置在板卡箱上，还可以直接与板卡本体30之间可以通过螺栓或者卡扣或者合页等方式可拆卸连接(如图3所示)，并且在每个关键芯片35的上方设置导流板，使得间隙33构成收缩-扩张孔，降低流动阻力。

下面来详细说明狭缝的间距H，与送风装置31的送风速度V的设计过程。

根据本发明的一个实施例，狭缝的间距H与送风装置31的送风速度V满足以下公式：

V＝c₁U^c2L^c3ν^c4H^c5；其中，c₁、c₂、c₃、c₄、c₅为系数，U为传统板卡外掠平板强迫对流换热模型的来流速度，L为关键芯片的上表面沿送风速度方向的宽度，ν为运动粘性系数；

送风装置的送风功率P满足如下公式：

P＝VHWρkRT_air{[(ρV²/2+P_air)/P_air]^(k-1)/k-1}/(k-1)/η_motor/η_imp；其中，W为关键芯片的上表面沿垂直于送风速度方向的宽度，k为大气绝热指数，R为大气的气体常数，η_motor为电机效率，T_air为大气温度，ρ为大气密度，P_air为大气压力，η_imp为叶轮效率；

当关键芯片的温度达到目标温度时，狭缝的间距H与送风装置的送风速度V需使得P最小。

V＝c₁U^c2L^c3ν^c4H^c5式中，c₁、c₂、c₃、c₄、c₅为系数，可供参考的数值范围依次分别为20～25、0.6～0.7、-0.2～-0.1、0.3～0.4、-0.2～-0.1。需要说明的是，V＝c₁U^c2L^c3ν^c4H^c5该式是基于同一关键芯片相同的散热效率，在外掠平板强迫对流换热模型和狭缝强迫对流换热模型两种不同模型下获取的。从公式上看，V与H呈负相关。也就是说，当狭缝强迫对流换热模型中关键芯片的冷却温度与外掠平板强迫对流换热模型中关键芯片的冷却温度相同时，H越小，V越大，H越大，V越小。由此，仅需要增大送风速度以及减小间隙间距即可达到与外掠平板强迫对流换热模型相同的冷却效果。

另外，公式P＝VHWρkRT_air{[(ρV²/2+P_air)/P_air]^(k-1)/k-1}/(k-1)/η_motor/η_imp，在狭缝强迫对流换热模型中，推导过程如下：

P＝Q*Wair/η_motor/η_imp，Q为所需空气质量流量，W_air为单位质量大气增压所需要的功，η_imp为叶轮效率，η_motor为电机效率；

Q＝VHWρ，W为关键芯片的上表面沿垂直于送风速度方向的宽度，ρ为大气密度；

W_air＝kRT_air(π^(k-1)/k-1)/(k-1)，k为大气绝热指数，π为增压比，R为大气的气体常数，T_air为大气温度；

π＝P_up/P_air＝(ρV²/2+P_air)/P_air，P_up为入风口压力，P_air为大气压力；

最终，P＝VHWρkRT_air{[(ρV²/2+P_air)/P_air]^(k-1)/k-1}/(k-1)/η_motor/η_imp，

可以通过matlab数值计算(如图6所示)，发现P跟H呈正相关。

由此，为了降低相同冷却温度下的送风功率，提高冷却效率(降低相同的温度，送风装置所输出的功率越小，冷却效率越高)，进而需要减小H。

当需要P较小的时候，就需要H尽量小，那相应的V就需要很大。如果H过大，P就会过大，冷却效率低下；如果H过小，外壳和隔板的精度要求较高，设计、加工和装配难度大。

进而，先根据工艺需求设定一个H初始范围(优选为0.5mm-1cm)，使用插值法，选取该范围内的多个H值(一般为万个以上)，根据V＝c₁U^c2L^c3ν^c4H^c5计算出多个H值对应的V，根据工艺精度要求以及送风装置可达到的送风速度，最终选取合理的H(优选为2mm-3mm)和V(优选为20-30mps)。其中，V＝c₁U^c2L^c3ν^c4H^c5式中的U一般取值10mps，L取值1cm，ν取值1.87*10^{- 5}Pa*s。式P＝VHWρkRT_air{[(ρV²/2+P_air)/P_air]^(k-1)/k-1}/(k-1)/η_motor/η_imp中，η_motor、η_imp根据实际送风装置的电机情况而定，W一般取1cm，ρ、R、T_air、k、P_air均为与大气相关的常数。

由此，通过V与H以及P与V、H的公式，可以找到合理的H与V，不但可以满足工艺精度要求，而且还可以使得送风装置31的送风功率变小，从而提高冷却效率。

根据本发明的一个实施例，送风装置31的转速大于或等于20000rpm。

在保证增压比π相同的前提下，送风装置31的体积、重量、噪声均与转速呈负相关，也就是说，送风装置31的转速越高，则送风装置31的体积、重量和噪声就越小，进而设置送风装置31的转速大于或等于20000rpm，人耳能够听到的噪声会明显降低。

可知的，对于同一关键芯片35，相同的H下，降低不同的温度所需的送风装置31的风速不同，不同的风速对应不同的电机转速。在实际操作过程中，可以根据前述的合理H值的范围选定一个H值进行隔板34的设计，并且实时测量关键芯片35的温度，根据关键芯片35的实际温度与目标温度计算相应的目标电机转速，并根据目标电机转速与实际电机转速和转角对电机转速进行调整。当关键芯片35的实际温度高于目标温度时，增大电机转速，当关键芯片35的实际温度低于目标温度时，减小电机转速。

在满足半导体设备的板卡箱关键芯片温度控制的前提下，相对于传统水平向吹风冷却系统，本发明的冷却系统体积降低2/3，重量在增加了隔板34和壳体32的基础上还降低了1/2，功耗降低了2/3，噪声降低20dB。

图7是本发明实施例提出的半导体设备的板卡箱的设计方法的流程图。如图7所示，该方法应用于如前的半导体设备的板卡箱，包括以下步骤：

S101，围绕板卡本体四周设置的壳体；其中，壳体与板卡本体之间设置有间隙，间隙的间距为第一预设距离；送风装置自间隙向板卡本体送风；

S102，壳体内部设置隔板；其中，隔板至少遍历每个板卡本体中的关键芯片的上方；隔板邻近关键芯片表面的一侧与所述关键芯片表面形成狭缝；

狭缝的间距与送风装置的送风速度满足狭缝强迫对流换热模型，第一预设距离大于多个狭缝的间距中的最大距离。

由此，通过在板卡本体四周设置壳体，并在壳体内部设置隔板，可以让大比例的冷却气流集中流过关键芯片上方，保证局部冷却效果，同时可以降低其他部分的空气流量，可以降低送风装置的送风量，进而以降低送风装置的体积、重量、功耗和噪声。

根据本发明的一个实施例，其中，S102壳体内部设置隔板包括：

根据公式V＝c₁U^c2L^c3ν^c4H^c5，

和P＝P＝VHWρkRT_air{[(ρV²/2+P_air)/P_air]^(k-1)/k-1}/(k-1)/η_motor/η_imp，确定狭缝的间距H，和送风装置的送风速度V；

其中，c₁、c₂、c₃、c₄、c₅为系数，U为外掠平板强迫对流换热模型的来流速度，L为关键芯片的邻近隔板一侧的表面沿送风速度方向的宽度，ν为运动粘性系数；P为送风装置的功率，W为关键芯片的邻近隔板一侧的表面沿垂直于送风速度方向的宽度，k为大气绝热指数，R为大气的气体常数，η_motor为电机效率，T_air为大气温度，ρ为大气密度，P_air为大气压力，η_imp为叶轮效率；

其中，当关键芯片的温度达到目标温度时，狭缝的间距H与送风装置的送风速度V需使得P最小。

V＝c₁U^c2L^c3ν^c4H^c5式中，c₁、c₂、c₃、c₄、c₅为系数，可供参考的数值范围依次分别为20～25、0.6～0.7、-0.2～-0.1、0.3～0.4、-0.2～-0.1。需要说明的是，V＝c₁U^c2L^c3ν^c4H^c5该式是基于同一关键芯片相同的散热效率，在外掠平板强迫对流换热模型和狭缝强迫对流换热模型两种不同模型下获取的。从公式上看，V与H呈负相关。也就是说，当狭缝强迫对流换热模型中关键芯片的冷却温度与外掠平板强迫对流换热模型中关键芯片的冷却效果相同时，H越小，V越大，H越大，V越小。由此，仅需要在减小间隙间距的同时增大送风速度即可达到与外掠平板强迫对流换热模型相同的冷却效果。

另外，公式P＝VHWρkRT_air{[(ρV²/2+P_air)/P_air]^(k-1)/k-1}/(k-1)/η_motor/η_imp，在狭缝强迫对流换热模型中，推导过程如下：

P＝Q*Wair/η_motor/η_imp，Q为所需空气质量流量，W_air为单位质量大气增压所需要的功，η_imp为叶轮效率，η_motor为电机效率；

Q＝VHWρ，W为关键芯片的上表面沿垂直于送风速度方向的宽度，ρ为大气密度；

W_air＝kRT_air(π^(k-1)/k-1)/(k-1)，k为大气绝热指数，π为增压比，R为大气的气体常数，T_air为大气温度；

π＝P_up/P_air＝(ρV²/2+P_air)/P_air，P_up为入风口压力，P_air为大气压力；

最终，P＝VHWρkRT_air{[(ρV²/2+P_air)/P_air]^(k-1)/k-1}/(k-1)/η_motor/η_imp，可以通过matalb数值计算(如图6所示)，发现P跟H呈正相关。

由此，为了降低相同冷却温度下的送风功率，提高冷却效率(降低相同的温度，送风装置所输出的功率越小，冷却效率越高)，进而需要减小H。

当需要P较小的时候，就需要H尽量小，那相应的V就需要很大。如果H过大，P就会过大，冷却效率低下；如果H过小，外壳和隔板的精度要求较高，设计、加工和装配难度大。

进而，先根据工艺需求设定一个H初始范围(优选为0.5mm-1cm)，使用插值法，选取该范围内的多个H值(一般为万个以上)，根据V＝c₁U^c2L^c3ν^c4H^c5计算出多个H值对应的V，根据工艺精度要求以及送风装置可达到的送风速度，最终选取合理的H(优选为2mm-3mm)和V(优选为20-30mps)。其中，V＝c₁U^c2L^c3ν^c4H^c5式中的U一般取值10mps，L取值1cm，ν取值1.87*10^{- 5}Pa*s。式P＝VHWρkRT_air{[(ρV²/2+P_air)/P_air]^(k-1)/k-1}/(k-1)/η_motor/η_imp中，η_motor、η_imp根据实际送风装置的电机情况而定，W一般取1cm，ρ、R、T_air、k、P_air均为与大气相关的常数。

由此，通过V与H以及P与V、H的公式，可以找到合理的H与V，不但可以满足工艺精度要求，而且还可以使得送风装置的送风功率变小，从而提高冷却效率。

根据本发明的一个实施例，还包括：当对板卡本体进行送风，其中一个关键芯片的温度高于目标温度时，增大狭缝的间距；

当对板卡本体进行送风，其中一个关键芯片的温度低于目标温度时，降低狭缝的间距。

需要说明的是，在实验设计阶段，同时对整个板卡本体进行送风时，由于各个关键芯片之间的相互影响，需要修正每个关键芯片的上表面与隔板下边缘之间的距离，当该关键芯片的温度高于目标温度时，需要增大关键芯片的上表面与隔板下边缘之间的距离；当该关键芯片的温度小于目标温度时，需要减小关键芯片的上表面与隔板下边缘之间的距离；从而实现以相同的送风总压，可以使得每个关键芯片的温度均可以达到目标温度，避免了个别关键芯片的上表面与隔板下边缘之间的距离过大，浪费送风量，也避免了个别关键芯片的上表面与隔板下边缘之间的距离过小，造成降温不足的情况发生。

其中半导体设备可以为光刻机。

综上所述，根据本发明实施例提出的半导体设备的板卡箱及其的设计方法，其中，板卡箱包括：至少一个板卡本体、送风装置、围绕板卡本体四周设置的壳体和位于壳体内部的隔板，壳体与板卡本体之间设置有间隙，间隙的间距为第一预设距离；送风装置自间隙向板卡本体送风；隔板至少遍历每个板卡本体中的关键芯片；隔板邻近关键芯片表面的一侧与所述关键芯片表面形成狭缝；狭缝的间距与送风装置的送风速度满足狭缝强迫对流换热模型，其中，第一预设距离大于多个狭缝的间距中的最大距离；从而，在板卡本体四周设置壳体，并在壳体内部设置隔板，可以让大比例的冷却气流集中流过特定电子元器件上方，保证局部冷却效果，同时可以降低其他部分的空气流量；并且采用狭缝强迫对流换热模型，可以进一步提高冷却效率；由此，在保证冷却效果的前提下，降低了送风装置的送风量，进而降低了送风装置的体积、重量、功耗和噪声。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种半导体设备的板卡箱，其特征在于，包括：至少一个板卡本体和送风装置；

围绕所述板卡本体四周设置的壳体，所述壳体与所述板卡本体之间设置有间隙，所述间隙的间距为第一预设距离；所述送风装置自所述间隙向所述板卡本体送风；

位于所述壳体内部的隔板，所述隔板至少遍历每个所述板卡本体中的关键芯片；所述隔板邻近所述关键芯片表面的一侧与所述关键芯片表面形成狭缝；

所述狭缝的间距与所述送风装置的送风速度满足狭缝强迫对流换热模型，其中，所述第一预设距离大于多个所述狭缝的间距中的最大距离；

所述狭缝的间距H与所述送风装置的送风速度V满足以下公式：

V＝c1Uc2Lc3νc4Hc5；其中，c1、c2、c3、c4、c5为系数，U为传统板卡外掠平板强迫对流换热模型的来流速度，L为所述关键芯片的邻近所述隔板一侧的表面沿所述送风速度方向的宽度，ν为运动粘性系数。

2.根据权利要求1所述的半导体设备的板卡箱，其特征在于，所述送风装置的送风功率P满足如下公式：

P＝VHWρkRT_air{[(ρV²/2+P_air)/P_air]^(k-1)/k-1}/(k-1)/η_motor/η_imp；其中，W为所述关键芯片的邻近所述隔板一侧的表面沿垂直于所述送风速度方向的宽度，k为大气绝热指数，R为大气的气体常数，η_motor为电机效率，T_air为大气温度，ρ为大气密度，P_air为大气压力，η_imp为叶轮效率；

当关键芯片的温度达到目标温度时，所述狭缝的间距H与所述送风装置的送风速度V需使得P最小。

3.根据权利要求2所述的半导体设备的板卡箱，其特征在于，所述送风装置的转速大于或等于20000rpm。

4.根据权利要求1所述的半导体设备的板卡箱，其特征在于，所述壳体与所述隔板之间可拆卸连接，所述壳体与所述板卡本体之间可拆卸连接。

5.根据权利要求1所述的半导体设备的板卡箱，其特征在于，每个所述关键芯片上方设置有导流板。

6.根据权利要求5所述的半导体设备的板卡箱，其特征在于，所述导流板与所述隔板之间可拆卸连接。

7.根据权利要求1或5所述的半导体设备的板卡箱，其特征在于，所述关键芯片为具有逻辑计算能力，温度易升高的芯片。

8.一种半导体设备的板卡箱的设计方法，其特征在于，应用于如权利要求1-7任一项所述的半导体设备的板卡箱，包括以下步骤：

围绕所述板卡本体四周设置壳体；其中，所述壳体与所述板卡本体之间设置有间隙，所述间隙的间距为第一预设距离；所述送风装置自所述间隙向所述板卡本体送风；

在所述壳体内部设置隔板；其中，所述隔板至少遍历每个所述板卡本体中的关键芯片；所述隔板邻近所述关键芯片表面的一侧与所述关键芯片表面形成狭缝；

所述狭缝的间距与所述送风装置的送风速度满足狭缝强迫对流换热模型，所述第一预设距离大于多个所述狭缝的间距中的最大距离；

所述狭缝的间距H与所述送风装置的送风速度V满足以下公式：

V＝c1Uc2Lc3νc4Hc5；其中，c1、c2、c3、c4、c5为系数，U为传统板卡外掠平板强迫对流换热模型的来流速度，L为所述关键芯片的邻近所述隔板一侧的表面沿所述送风速度方向的宽度，ν为运动粘性系数。

9.根据权利要求8所述的半导体设备的板卡箱的设计方法，其特征在于，其中，所述壳体内部设置隔板包括：

根据公式V＝c₁U^c2L^c3ν^c4H^c5，

和P＝VHWρkRT_air{[(ρV²/2+P_air)/P_air]^(k-1)/k-1}/(k-1)/η_motor/η_imp，确定所述狭缝的间距和所述送风装置的送风速度；

其中，c₁、c₂、c₃、c₄、c₅为系数，U为外掠平板强迫对流换热模型的来流速度，L为所述关键芯片的邻近所述隔板一侧的表面沿所述送风速度方向的宽度，ν为运动粘性系数；P为所述送风装置的功率，W为所述关键芯片的邻近所述隔板一侧的表面沿垂直于所述送风速度方向的宽度，k为大气绝热指数，R为大气的气体常数，η_motor为电机效率，T_air为大气温度，ρ为大气密度，P_air为大气压力，η_imp为叶轮效率；

其中，当关键芯片的温度达到目标温度时，所述狭缝的间距H与所述送风装置的送风速度V需使得P最小。

10.根据权利要求9所述的半导体设备的板卡箱的设计方法，其特征在于，还包括：当对所述板卡本体进行送风，其中一个所述关键芯片的温度高于目标温度时，增大所述狭缝的间距；

当对所述板卡本体进行送风，其中一个所述关键芯片的温度低于目标温度时，降低所述狭缝的间距。

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