CN1379465A - 叶片式散热器 - Google Patents

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Abstract

一种叶片式散热器包括:一组散热片,它包括由至少两种具有不同导热率的金属制成的散热片的组合;以及一个金属底板,所述一组散热片密集地连接在该金属底板表面上。

Description

叶片式散热器
技术领域
本发明涉及用于冷却电子装置的叶片式散热器，具体涉及散热片连接在金属底板上的叶片式散热器。
背景技术
为了对逐年增加的半导体芯片所产生的热量进行散发，一种熟知的方法是将散热器紧贴着半导体芯片，以便把热量从半导体芯片传递到散热器，再进行散热。传统的散热器具有金属平面底板使半导体芯片可紧贴在上面，其结构是：有多个金属薄板散热片连接在底板表面，而底板的背面贴靠着半导体芯片。
在具有上述结构的叶片式散热器中，半导体芯片产生的热量从半导体芯片传递到紧贴着的金属底板上，并在底板上扩散，固定在金属底板表面的金属散热片将扩散的热量散发到空气中或指定的地方。此外，传统的一种散热器是整块的锻铝散热器。但问题是整块锻铝散热器达不到足够的散热效果，因为没有锻出所需要的散热片数量，这是由于要达到所需要的叶片密度、缩短散热片之间的间距存在着锻造的技术困难。
为了解决上述问题并获得更好的散热效果，提出了一种替代整块散热器的方法，其中底板和散热片分开制造，用铜焊或机械连接的方法将散热片连接到底板表面上。
将散热片机械地连接到底板表面的机械连接法比铜焊要好，因为铜焊的制造费用高于机械连接的费用。
如图4所示，半导体芯片30和底板22的尺寸相比，半导体芯片30比底板22小得多。因此为了将小的半导体芯片30产生的热量扩散到整个大的底板22上，需要用像铜、铝等具有高导热率的材料制作底板。特别是，由于铜的导热率非常好，因此铜可作为叶片式散热器底板的材料。但是由于铜很重，并且铜底板必须直接与半导体芯片接触，因此需要一些增强构件(例如：利用一个连接装置来保护电路板等装置)以减少铜底板的重量对半导体芯片的损害。
此外，电子装置已经变得更轻更小，使得它很难再使用铜底板，因为使用这么重的铜底板的机会正在减少，并且很难找到安放铜底板的空间。另一方面，当半导体芯片变得更加集成化、并且处理能力变得更高时，半导体芯片产生的热量就更大。因此就需要更高的散热效果来稳定半导体芯片等的工作状态。
如上所述，尽管铜底板有良好的导热率，但是由于它太重，很难再使用它。因此，当用铝做底板材料时，需要进一步增加散热器的散热效果。
在散热片通过机械方式固定在底板表面的散热器中，当散热处于稳定状态时，底板具有下列温度分布。更具体地说，半导体芯片紧贴着的底板中心区的温度最高，离半导体芯片越远的底板区的温度越低。
此外，被固定和热连接到底板表面的散热片具有下列温度分布。具体地说，半导体芯片紧贴着的底板中心区上的散热片温度最高，远离中心区的底板边缘区上的散热片温度最低。
进一步讲，散热片本身随着其高度具有下列温度分布。具体地说，被固定和热连接在底板上的叶片的底部温度最高，离底部越远的地方温度越低。
这就证明散热片中热量是通过热传导传递的。
但是，从散热效率的观点来看，最好使叶片式散热器整个区域的温度差最小化。如上所述，近年来半导体芯片产生的热量正在增加，同时半导体芯片变得更小，这就使其热密度迅速增加。因此迫切需要改进叶片式散热器的散热效率(例如：增加固定在底板上的散热片的密度，或在底板中使用热管，等等)。特别是，强烈要求通过减小上述叶片式散热器各区域的温度差来提高散热效率。
如上所述，整块锻铝散热器达不到足够的散热效果，因为没有形成所需要的散热片数量，这是由于要达到所需要的叶片密度、缩短散热片之间的间距存在着锻造的技术困难的缘故。另一个问题是使用很重的铜底板变得困难起来，尽管它的导热率好但是它太重了。因此强烈要求提高具有其散热片以机械方式固定在铝底板表面上的结构的叶片式散热器的散热效率。
但是，由于底板和散热片两者中都存在温度差，因此，具有其散热片以机械方式固定在铝底板表面上的结构的散热器存在着散热效率的问题。
发明内容
依据本发明，提供一种叶片式散热器，它包括：
一组散热片，它包括由至少两种具有不同导热率的金属制成的散热片的组合；以及
一个金属底板，所述一组散热片密集地连接在其表面上。
附图说明
图1示出本发明的叶片式散热器的一个实施例。
图2示出本发明的叶片式散热器的另一个实施例。
图3是说明铜叶片比率(铜散热片的个数占散热片总数的比率)和热阻之间的关系的曲线图。
图4示出半导体芯片等紧贴其上的散热器。
具体实施方式
下面参考附图详细说明本发明的叶片式散热器。
为了解决先有技术中的问题，本发明者进行了深入细致的研究。结果发现用下列方法可减小底板中的温度差：用两种具有不同导热率的金属制造散热片，由具有较高导热率的金属制造的散热片设置在底板的靠近诸如半导体芯片这样的发热元件的部分上，而由具有相对低导热率的金属制造的散热片设置在所述底板的其它区域上。
同时还发现使用具有高导热率的金属可减小设置在底板的靠近发热元件的部分上的散热片的温度差。
更具体地说，可通过下列减小底板和散热片两者中的温度差的方法来改进散热器的散热效率：用铝做底板，用铜制造设置在靠近诸如半导体芯片等发热元件的散热片，而用铝制造设置在底板的其余区域的散热片。
本发明的目的之一是解决先有技术中存在的问题并提出一种具有高散热效率的叶片式散热器，其中，许多散热片密集地固定在铝底板的一面上，特别是提供一种底板和散热片都具有很小温度差的轻型叶片式散热器。此外，本发明的另一个目的是提供一种设计灵活、可加工性良好和造价低廉的叶片式散热器。
本发明的叶片式散热器的一个实施例是包括以下部分的叶片式散热器：一组散热片，它包括由至少两种具有不同导热率的金属制造的散热片的组合；以及一个金属底板，所述一组散热片密集地连接在其表面部分上。
在本发明的叶片式散热器的另一个实施例中，组成所述一组散热片的每一片所述散热片的位置这样设置、以便所述金属底板和所述一组散热片两者中的温度差都能减小。
在本发明的叶片式散热器的另一个实施例中，至少所述一组散热片中设置在靠近发热元件固定其上的金属底板部分上的那一部分散热片是用铜制造的。
本发明的叶片式散热器的另一个实施例包括：金属底板，发热元件紧贴在其一侧表面；以及一组散热片，后者包括许多金属薄板散热片，所述金属薄板散热片由至少两种具有不同导热率的材料制成、插入在所述金属底板的另一侧表面上形成的许多沟槽中的每一个沟槽中、然后通过加压力使所述各沟槽之间的金属底板部分变形而将所述散热片从沟槽的两个方向夹紧、从而将所述散热片固定在所述金属底板上。
在本发明的叶片式散热器的另一个实施例中，所述一组散热片包括由两种具有不同导热率的金属制成的散热片，并且所述一组散热片中设置在靠近发热元件固定其上的金属底板部分上的那一部分散热片是用由具有较高导热率的材料制造的，而设置在金属底板的其余部分上的散热片是由具有较低导热率的材料制造的。
在本发明的叶片式散热器的另一个实施例中，所述两种金属是铜和铝，所述一组散热片中设置在靠近发热元件固定其上的金属底板部分上的那一部分散热片是用铜制造的，而设置在所述其余部分的散热片是用铝制造的。
在本发明的叶片式散热器的另一个实施例中，所述金属底板是用铝制造的。
在本发明的叶片式散热器的另一个实施例中，所述铜散热片的个数占所述散热片总数的25％到75％。
图1表示本发明的叶片式散热器的一个实施例。如图1所示，本发明的叶片式散热器1包括铝底板2和一组散热片，散热片插入在铝底板的一侧形成的许多沟槽的每一个沟槽中并且通过加压力使所述各沟槽之间的金属底板变形而从沟槽的两侧将其夹紧、从而以机械方式将其连接在底板上。所述一组散热片包括设置在底板中心部分的铜散热片4和设置在铜散热片4两侧的铝散热片3。
图2表示本发明的叶片式散热器的另一个实施例。如图2所示，与图1一样，本发明的叶片式散热器1包括铝底板2和一组散热片，散热片插入在铝底板的一侧形成的许多沟槽的每一个沟槽中并且通过加压力使所述各沟槽之间的金属底板变形而从沟槽的两侧将其夹紧、从而以机械方式将其连接在底板上。所述一组散热片包括设置在底板中心部分的铜散热片4和设置在铜散热片4两侧的铝散热片3。图1和图2所示实施例的差别是铜叶片的个数不同。更准确地说，图2中铜叶片的个数比图1中的多。
在上述实施例中，所述一组散热片是以机械方式连接在底板上的。但是，也可以用锡焊、银焊、熔焊等方法将所述一组散热片连接到底板上。
图3是说明铜叶片比率(更准确地说，就是铜散热片的个数占散热片总数的比率)和热阻之间的关系的曲线图。图3中，垂直方向表示热阻，而水平方向表示铜叶片比率(％)。从图3中可清楚的看出，当铜叶片比率为0％时热阻最高，而当铜叶片比率为100％时热阻最低。更准确地说，铜叶片比率在0％到100％的范围内，铜叶片比率越高时热阻就越低。
从另一方面来看(图中没画出)，铜叶片比率越高，散热片越重，制造费用也相应增加。当铜叶片比率低于25％时热阻很高，就会降低散热器的散热效率。另外，当铜叶片比率高于75％时，热阻不再有明显的减小。因此，由于重量和造价都增加了，降低热阻的的效果变得很小。
所以铜叶片比率最好选择在25％到75％的范围内。
如上所述，在本发明的散热器中，最好是设置在底板上靠近半导体芯片等固定其上的部分的散热片的材料的导热率高于设置在底板上其余部分的散热片的材料的导热率。更准确的说，设置在底板上靠近半导体芯片等固定其上的部分的散热片的材料是铜，而设置在底板上其余部分的散热片的材料是铝的。
本发明的叶片式散热器底板可采用A1050、A6063、A5055型号的铝材。最好用纯铝(A1050)。
散热片的铜材可采用C1020和C1100，最好用C1020。散热片的铝材可与底板相同。实例
下面通过实例更详细地说明本发明。
如图1所示，制作一块长80mm、宽65mm、厚5mm的铝底板。在铝底板的一侧加工许多沟槽，可供散热片插入。铜散热片和铝散热片的尺寸都是0.6mm厚、30mm高，以2mm的间距插入沟槽，然后通过加压力使所述各沟槽之间的金属底板部分变形而将所述散热片从沟槽的两侧夹紧、从而将所述散热片以机械方式连接在所述金属底板上。所述一组散热片包括30片散热片，其中16片铜散热片设置在底板的中心部分，而在铜散热片两侧各设置7片铝散热片。
20mm×20mm的半导体芯片紧贴在底板的散热片的另一侧，即没有连接散热片的那一侧，并对按上述要求制作的叶片式散热器的散热状态进行检查。
为了比较，同样如图1所示，制作一块长80mm、宽65mm、厚5mm的铝底板。在铝底板的一侧加工许多沟槽，可供散热片插入。把0.6mm厚、40mm高的铝散热片以2mm的间距插入所述许多沟槽中，然后通过加压力使所述各沟槽之间的金属底板部分变形而将所述散热片从沟槽的两侧夹紧、从而将所述散热片以机械方式连接在所述金属底板上。用力将沟槽的两边向下卷，使沟槽间的金属底板变形，散热片就可机械地连接在底板上。所述一组散热片包括30片铝散热片。
20mm×20mm的半导体芯片紧贴在底板的散热片的另一侧，即没有连接散热片的那一侧，并对按上述要求制作的叶片式散热器的散热状态进行检查。
结果，与用于比较的、其中30片铝散热片固定在底板的表面部分的叶片式散热器相比较，其中在底板中心部分固定16片铜散热片并且在铜散热片两侧各固定7片铝散热片的本发明的叶片式散热器的冷却风温度和半导体芯片表面温度之间的热阻减小了0.03℃/W。
从前面的描述可清楚的看到，依据本发明的叶片式散热器不仅具有良好的散热效率同时可减小重量和制造成本。
虽然上述实施例说明了散热片以2mm间距均匀排列在底版上，但是，为了减小底板和散热片两者中的温度差，也可以改变散热片之间的间距。
如上所述，依据本发明可提供下列叶片式散热器：更准确的说，一种这样的叶片式散热器，其中，一组散热片包括由至少两种具有不同导热率的金属制成的散热片的组合，所述一组散热片密集地连接在底板的表面部分上，而具体地说，提供一种底板和散热片两者中都具有很小温度差的轻型叶片式散热器。
此外，通过适当选择用于底板和所述一组散热片的金属材料，可以提供具有设计灵活、可加工性良好以及造价低廉的散热器。

Claims (8)

1.一种叶片式散热器，它包括：
一组散热片，它包括由至少两种具有不同导热率的金属制成的散热片的组合；以及
一个金属底板，所述一组散热片密集地连接在该金属底板表面上。
2.如权利要求1所述的叶片式散热器，其特征在于：形成所述一组散热片的各散热片中每一片散热片的位置是这样安排的、以便减小所述金属底板和所述一组散热片两者中的温度差。
3.如权利要求2所述的叶片式散热器，其特征在于：至少所述一组散热片中设置在靠近发热元件固定其上的金属底板部分上的那一部分散热片是用铜制造的。
4.一种叶片式散热器，它包括：
一个金属底板，发热元件以紧贴的方式固定在其一侧的表面上；以及
一组散热片，它包括许多金属薄板散热片，所述金属薄板散热片由至少两种具有不同导热率的材料制成、插入在所述金属底板的另一侧表面上形成的许多沟槽中的每一个沟槽中、然后通过加压力使所述各沟槽之间的金属底板部分变形而将所述散热片从沟槽的两个方向夹紧、从而将所述散热片固定在所述金属底板上。
5.如权利要求4所述的叶片式散热器，其特征在于：所述一组散热片包括由两种具有不同导热率的金属制成的散热片，并且所述一组散热片中设置在靠近发热元件固定其上的金属底板部分上的那一部分散热片是用由具有较高导热率的材料制造的，而设置在金属底板的其余部分上的散热片是由具有较低导热率的材料制造的。
6.如权利要求5所述的散热器，其特征在于：所述两种金属是铜和铝，所述一组散热片中设置在靠近发热元件固定其上的金属底板部分上的那一部分散热片是用铜制造的，而设置在所述其余部分的散热片是用铝制造的。
7.如权利要求1到6中的任一项所述的叶片式散热器，其特征在于：所述金属底板是由铝制成的。
8.如权利要求3或6所述的叶片式散热器，其特征在于：所述铜散热片的个数占所述散热片总数的25％到75％之间。
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