TW530148B - Counter flow two pass active heat sink with heat spreader - Google Patents

Description

530148 A7 ______B7 _ 五、發明説明（1 ) 袓關申請案 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 此申睛案與名為、、以風扇協助之散熱器”於1996年2 月1日由Wagner提申且於1998年7月28日核准的美國專利 苐5,785，116號有關。该專利揭露一特別形式的用於微處 理器之内風扇散熱器，大電力的VLSI裝置等，其散發出 大罝的需要使用散熱器之電力。本發明係有關於製造該種 内風扇政熱器的改良形式，而該改良的散熱器具有數種獨 特的特性，其非為以一風扇植入其上的花園用散熱器。因 此，美國專利第5,785，116號案加入本文中作為參考資料， 使得所有主動散熱器的獨特特性，包括其操作方法及最終 的運送均可完全地由本說明書之揭露而瞭解。 發明之背景 積體電路的力量已越來越強大。不僅它們可完成越來 越多的工作，且越來越快（譬如在微處理器及fpga—場可 程式閘Η排列領域中），但這些較新的元件散發出幾年前 上無法想像的電力量。譬如，正在發展中的元件會散發出 一百三十瓦的電，其需要通過大約1/4英吋的表面區散熱。 、引有成種政熱方法，包括熱管，冷水冷卻，以及實際的 冷凍但這些技術十分複雜且昂貴，且不適於平價零售設 備的大量商業應用，如個人電腦及工作站。 上述Wagner中所揭露的主動式（即以風扇協助）散熱器 已發展成可處理此狀況。其為具有繞著一風扇週邊且在排 出路徑中的螺旋形散熱片的散熱器。(在其它設計中散熱 #非為螺旋形，但為上下直線㈣。我們可以說它們是以 本紙張尺度_巾關緖準規格(210X297公釐) 4 五、發明説明（2 ) 平直排列的散熱片形成一環。然而 佔據大體上同m ^ n螺方疋形放熱片 為-雙通道裝置，因為二的主動式散熱器^ 通道），然後通過較部份空氣（單 H番 的政熱片排出(第二通道)。此為一 置’因為熱流料徑大體上與氣流㈣徑相反，如 =二散㈣之㈣而加熱並沿著其路徑繼續前 及釋放較熱的散熱片。如此藉由維持冷卻空氣 :釋放熱至空氣中的散熱片之溫差確保較大的熱轉換。 Wagner的主動式散熱器具有數種其他優良的特性，壁如 低噪音及無干擾熱流的額外配合表面。 岫述為Wagner活動式散熱器的概略說明，但除非讀 者確實看見+匕’無法完全瞭解到其正的精巧主動式散熱器 之外觀。藉由加入Wagner專利的某些圖式以上問題可作 一些補救。然而，雖然、、加有散熱片之逆流雙通道主動散 熱裔疋不錯的精簡描述方式，我們仍認為它有一些累贅。

Agilent Technologies, Ιηο.,Χ ^ArctiCooler^ 商軚販售之不同政熱器已上市，4旦完全依賴它仍有商業上 的危險，因為我們無法確信該詞為恰當的描述。因此，我 們在此說明書中提到Wagner專利的以風扇協助之散熱器 為、、Wagner主動散熱器"，或依據文法需要而稱之為 Wagner主動政熱器。我們使用此創造的詞是為避免許 多不便。在較短句子為較好句子的原則下，在稱為Wagna 主動散熱器的同時，我們亦稱之為、、主動散熱器，，，或更 簡稱為 >散熱器〃。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公茇） 530148 A7 B7 五、發明説明（ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 當然，需瞭解的是在Wagner主動散熱器得到較多接 文度且其需要及應用逐漸發展的同時，其實際尺寸，形狀 等仍在演進。因此，需瞭解的是美國專利第 5,785,116(Wagner)中顯示的特定實施例僅為說明一般較大 種類的主動散熱器（Wagner主動散熱器），且如散熱片之數 目，散熱片為平直或螺旋形，厚度與高度之比例，風扇的 葉片數，其高矮等細節均不包括在我們所謂的、、Wagna 主動散熱器/7意義之中。 訂— 雖然Wagner主動散熱器已十分良好，其效率仍有改 善的空間，因為散出之電力瓦數已大範圍地增加。一種使 散熱器處理較多熱的方法是製造較大的散熱器，但若能維 持目前的尺寸及重量而可處理較多的熱不是更好嗎？ 發明之摘尊 解決增加Wagner主動散熱器之散熱力的方法為置放 具有較形成主動散熱器之其餘部份之材料低熱阻的一散熱 材料層（一熱分散器）於進入散熱器之熱流的位置。如此允 許進入主動散熱器之橫戴面的熱氣較均勻的分佈，因而增 加熱轉換成器流的能力。銅是作為熱分散器材料的良好‘ 擇，因為其具有低熱阻，十分便宜，且可緊密地接合至主 動散熱器本體之材料（鋁為一良好的選擇）。緊密接合是確 保熱自分散器傳送至散熱器之平衡底中的良好保證。熱分 散器可以熱輾慶至銘條±，然後切成工作件並塑形成如 Wagner中所接露的。鋁製圓盤可不旋轉地以摩擦力熔接 至鋁杯塊上，然後塑形成如Wagner所揭露的。或一銅製

6 530148 A7 " -------- ---B7 五、發明說明（4 ) 圓盤可锻造溶接在一鋁桿塊上，此操作包括部份地鍛造鋁 至一接近最終的形狀。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 簡要說明 第1圖為Wagner主動散熱器的頂視立體圖； 第2圖為製造具有一熱分散器的一 Wagner主動散熱器 的方法中的熱輾壓步驟； 第3A及3B圖顯示有關於第2圖之製造方法的分開步 驟； 第4圖顯示製造具有一熱分散器的一 Wagner主動散熱 器的一方法中的鍛造步驟； 第5圖顯示製造一 Wagner主動散熱器之方法中的一以 機器製造步驟； 第6圖顯示製造一 Wagner主動散熱器之方法中的一摩 擦熔接步驟； 第7圖顯示製造一 Wagner主動散熱器之方法中的一熱 锻造步驟。 輕佳實施例之說明 現在參看第1圖，其中顯示一 Wagner主動散熱器6的 頂視立體圖1。有最好以鋁製的螺旋形冷卻散熱片形成的 一環3，其中心架設一風扇4。未顯示於圖中的是1C(積體 電路）或擬冷卻的其他裝置。它與直接定位風扇輪軸下的 一熱入口底座5之下表面接觸。熱入口底座5實際上是形成 沿著主動散熱器總成6之底部的一熱分散器之一層銅2的一 下方部份。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公釐） 530148 A7

經濟部智慧財產局員工消費合作社印製

”、、刀政⑨、實際上是-項妥協—我們通f想要以全銅製 的散熱器之功能。在技術上無無法達成的原因，且銅的價 格亦不貴（如某些奇特材料），不，此只為重量的問題。銅 車乂铭重很夕1重里十分重要。我們不想要創造一重的散 熱為，其在-商業產品的一輕塑膠殼體内為五百碎重的大 猩獲…因A，即使大部份的銅具有銘的一半熱阻，我們並 不對減理功能如此期望殷切到被迫接受全銅構造體之附 加重置。因此，若銅製熱分散器厚度足夠，並使用銘製主要主動散熱器，重量上僅增加少許，我們即可在熱處理上 得到1 %至15%的增加效能。熟習銅之特性的人們瞭解到在市場上有不同種類的銅 及銅合金"。某些的熱傳導性較高，且所有銅或銅合金傳 導性相同，最好的選擇是具有較高熱傳導性者。 如第1圖中所示，散熱片之間的距離為朝向熱分散器 之頂向下延伸，直到它們實際抵達該頂。此為有關於銅及 銘之間的三種可能的邊界位置之一。第一為低於散熱片之 間的空間之底部的下面。第二為邊界在空間之底部上。第 二為空間的底部向下延伸至銅熱分散器2中。選擇哪一個 位置主要依據與所須熱傳導性以及機器製造所須考慮的因 素有關的因素決定。在第一及第二種狀況中，主要是不相 似金屬之間的熔接之接合力並非考慮因素，因為熔接只要 無缺點（方法之控制問題）強度是十分強的。在第三種狀況 下’與其下銅製部份分開的鋁製部份散熱片亦不會有問 題0 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) .¾裝 • ·1 ϋ Mmme ----訂-----

-I I I

— II 本紙張尺㈣用悄國家標準（CNS)A4規_格⑽χ挪公幻 8 530148

經濟部智慧財產局員工消費合作社印製

由於我們有一個適當地塑形之鋁塊，以及緊密地與其 接合的一銅片’我們可依據Wagner專利之教示以機器製 造一成品部份。有關於此，請參看第2，3 a及3B圖。第2 圖顯示一鋁片7及一銅片8可接合在一起，以作緊密的熱接 觸面形成一層狀工作件9。鋁的厚度可高達譬如2英吋，而 銅的厚度可在1/18至1/2英吋範圍内。用來執行接合的方 法為稱為熱輾壓的習知技藝。鋁及銅被清潔及加熱（基本 上至其熔點的2/3)，然後在一輾壓機中輾壓。在市面上有 此類產品販售，如位於5635 s〇 pine Rd，Cc)1()rad〇 8〇3()ι 之Boulder的錢金屬產品， 現在參看第3 A及3B圖，纟中顯示銅|呂層塊9的分開步 驟。在第2A圖的實施例中，若塊9不太厚，則圓形塊啊 由其上穿孔而成。若實務上不可行，可使用—孔鋸而形成 芯體，或使用-適當的制创器切開。第3圖顯示一類似的 分開步驟，以獲得-非圓形塊u，其形狀如在板9上的一 錦紋。此想法是為減少碎片的形成。雖,然未顯示，在第π 圖之板9上的鑲箝物的—有用形狀為方形，或矩形。這些 形狀均可簡的方式分開。若塊車床上轉動以形成 會浪廢方形太多廢料，則制方形亦可。誰說不能製 造一方形的Wagner散熱器呢？ 備置具有適當厚度及形狀的銅銘層塊之後，我們開始 形成貫際的最終形狀。現在參看第4圖銅塊叫或⑴以 冷鍛造成接近其網的形狀。亦藉由一習知方法處理。譬如， 大约-英吁厚的一塊可使用適當的在四百健機内之模子 本紙張尺度·巾_家標準（CI^7A4規格（210 χ 297公爱

• ϋ n t— MMmw I t^T· (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -I I I - π裝 9 530148 五、發明説明（7 鍛造。結果為在第4圖的右手部所顯示的壓製物丨2。 壓製物12具有某些特殊的特性。首先，它的高度^大 於原來塊U)/⑴）的高度13。大部份較高的高度是銘其在 锻造時流動。它自孔穴15中流出，其留下任何需要支持其 他元件的肩部或備置在散熱器本體内的該位置下之一特別 的熱阻。亦可對於為熱分散器的銅層之形狀作一些改變。 若需要，一環形肩部16可繞著一熱人口底座17(如第i圖中 標號5所示）而製造。新的術㈣散熱器發現此底座對於重 量的減少以及製造架設間隙等十分有用。然而，未來，可 能希望不使用底座，且僅具有亦為有足夠厚度之一執分散 器層的-扁平底部。（此處有關於氣流進人散熱器的孔徑 之尺寸牵涉到某些流動動能。若在中間處足夠的厚，氣流 之路徑可在繞著週邊處製造成較薄。獲得此結果的一種方 式是備置-外底座。此為一理想化的狀況。我們建議的是 在某些應用下某些理想化是不需要的，亦即、、在各處均製 造成厚的"是較佳的。另一方面，，此一熱入口底座允許相 對的厚度減少，此點是重要的。） 見在多看第5圖，其中顯示接下來的機器成形步驟， 其將壓製物12形成-成品部份6,其為一主動散孰 器’其在底部上備置具有—銅熱分散器2的—加散執片: 逆流雙通道主動散熱器3。（加馬達之風扇未顯示。碡 說明如何完成此機器成形步驟的專利之揭露。 我們現在考慮另-種製造銅銘層塊1〇的方法。現在未 看第6圖’其中顯示可用來緊密地接合一鋼圓盤19至二 本紙張尺度翻中國國家標準（⑽A4規格

訂— (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

530148 A7 '' B7 __ 五、發明說明（8 ) ------------*裳— - . (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 圓盤18的一摩擦熔接方法（旋轉）。此處大的厚度較與第2 及3圖之熱輾壓及分開步驟有關的問題相較較不重要。事 實上，在第6圖中，圓盤必須足夠的厚，以及具有足夠的 圓周（即二至四英吋），使其可穩固地握住。 在此習知熔接方法中，圓盤之一相對於另一圓盤繞著 一共同軸，即470RPM轉動。該轉動牽涉到可產生3,〇〇〇英 呎2磅的一加速重型飛輪。此時，圓盤尚未接觸。在所有 能量儲存在飛輪/圓盤組合中之後，一離合器使其與主要 移動器分開，且兩圓盤以15〇,〇〇〇磅的力量帶在一起。在 小於一秒中内轉動停止，而熔接完成，並製造出一銅鋁層 塊20(此方法之參數為三英吋直徑塊所設的參數）。看起來 的確十分令人驚訝。熟習旋轉熔接方法的人稱其為不牽涉 到改變至熔化（液體）材料相位的一固狀方法。 此方法具有一些優點，其一為銅鋁圓盤可容易地藉由 自圓形塊狀物之端上切下而獲得。 一旦銅鋁層塊20製造完成後，它可用來取代第4圖之 塊13，而接下來的製造方法則如前述。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 有另一種可用來製造用以取代第3A及4圖之熱輾壓及 分開的塊13之銅鋁層塊的方法。現在參看第7圖，其中顯 示一熱鍛造方法，其如第6圖所示的一鋁圓盤18及一銅圓 盤19開始，其可以在圓形塊狀物上切割而獲得。圓盤18， 19被清潔且配置成具有平滑表面。然後，它們被加熱及置 於塊22a ’ 22b之間。置於一鐵石占柱23上的銅圓盤具有稍許 球形的頂。其次，一衝壓件24被壓下至鋁中。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 11 530148 五、 發明說明（9) 此夺舍生兩件事。首先，兩個圓盤相互接觸。由於鐵 占柱23之球形頂，衝壓件以所施加的力量主要會在圓盤的 中心上。此時中心被熔接，就如同以熱輾壓，係在一點或 小區上，非沿著一厚線。銅及鋁會彎曲及變形，允許一圍 、％區（知脹圓）接著感覺到衝壓件24的力量。此可稱為、、徑 向熱振壓〃，第二件事是所欲的孔穴15形成在鋁上，而鍛 造熔接塊25的鋁部份高度會增高。在塊乃被移開並冷卻 後，其彎曲的底部可變成扁平狀，且可替代第5圖中的壓 製物5，而其餘製造步驟如前述。 11 — 11!裝· I I * (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂： 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） 12 530148 A7 B7 五、發明說明（1G) 元件標號對照 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 1 頂視立體圖 2 層銅 3 環 4 風扇 5 熱入口底座 6 主動散熱器 7 1呂條 8 銅片 9 塊 10 工作件 11 工作件 12 壓製物 13 高度 14 兩度 15 孔六 16 肩部 17 熱入口底座 18 銘桿 19 銅圓盤 20 銅鋁層塊 22a 塊 22b 塊 23 鐵石占柱 24 衝壓件 25 塊 ------------^裝--- * * (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 13

Claims (1)

1. 530148 A8 B8 C8 _______ D8 六、申請專利範園 1·一種加散熱片的雙通道逆流主動散熱器（6)，其係以銅 宜壓銘製成’以備置作為熱入口部份的一銅熱分散器。 2.如申請專利範圍第1項的雙通道逆流主動散熱器，其中 鋁與銅係以熱輾壓操作（9)鍍在一起。 3 ·如申请專利範圍第1項的雙通道逆流主動散熱器，其中 紹與銅係以摩擦熔接操作（2〇)鍍在一起。 4·如申請專利範圍第1項的雙通道逆流主動散熱器，其中 鋁與銅以熱鍛造操作（25)鍍在一面上，而該操作亦鍛造 鋁在另一相對面上形成備置架設一馬達風扇的位置之〆 内孔穴。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本貰) fr-

   本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公I) 14