TWI303306B - - Google Patents

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1303306 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是關於一種散熱上蓋，尤其是一種供形成紊流 之散熱上蓋。 ' 5【先前技術】

隨半導體元件之曰趨集積化，單一半導體元件内所整 合之電路日益複雜，耗電量與發熱量都大幅攀升。另方 面，一旦操作環境之溫度超過約攝氏一百廿度以上，不僅 矽晶片本身之材質可能受損，負責將半導體元件電性連結 至電路板之焊錫也將因到達融點而熔融，從而造成半導體 元件與電路板間導通問題及電路板污染等麻煩。 一 因此，無論在主機板、影像顯示卡、或其他需採用高 效能半導體元件之處所，多如圖1所示，在發熱半導體元 件10頂面塗佈一層導熱膠14，供黏貼設置一散熱鰭片 I6’甚至更進-步於散熱鰭片16上增設-散熱風扇18, 藉以將電路板12上之半導體元件10所產生的熱能，經散 熱韓片16傳導及空氣對流而導出，以免熱能持續累積於 半導體元件1 〇上而導致損壞。 此外，如圖2美國第6,603,658號發明專利所示，該 :明揭露有一風管26,以導引來自風扇28之供氣，使氣 *以一穩定的層流模式指向電路板22上之發熱件2〇，藉 以導出發熱件20所發熱能，從而降低例如筆記型電腦中 元件之操作環境溫度。 其風管26如圖3所示，並未真正接觸發熱件2〇，且 5 1303306 風管26之出口與發熱件2〇間距為風管％開口尺寸數 倍，亦因此，來自風管26之氣流28〇，將以層即_雨 jet air f1〇W)的穩定流動方式，緩慢經過發熱件2〇，甚至 在發熱件20表面鱼褒户拔p丄、 一孔爪接觸區域形成一凝滯區域 5⑼—region)，進行熱交換，為保持穩定的層流效 果’該案中定義流入氣體之雷諾數Re，、·]，。； 其中，P為氣流密度、為風道中氣流速度^為風道尺 寸，K為氣流黏度。 ^ $而，對於例如工業電腦等發熱量大之電子設備而 單心藉如上述層流氣體散熱效果顯然不足；尤其當採 用更高度集積化電路元件、電路板上佈局之半導體元件密 度提高、或使用更多電路元件時，局部區域的發熱量巨幅 提升，電子設備之散熱能力將成為性能提升的最大瓶頸。 +因此，許多電子設備依靠設置管道通入水流或其他流 15體’猎由液態流體的高比熱與高熱容量特性，攜走更大量 熱能；但是，在電路間佈設管路，不僅需導入流體，也要 將机體几整導出，必須在有限空間中，額外提供設置流體 、路的封閉工間，並且時刻小心、，避免任何些微漏液而造 成短路、衫響整體安全，使得此解決方案附帶有相當潛在 20 危險。 λ、相t形之T，另一種較安全之解決方案，是通入液態氮 :液怨乳體或低溫空氣，藉由擴大氣體與發熱件間之溫 、攜走杈大量熱能。然而，此種方式花費於降低氣體溫 成本甚咼，且低溫氣體需先排除其中水份，以免降通 6 1303306 過程中氣體相對濕度提咼’導致水滴凝結於電路元件上。 若能在不需降低通入氣體溫度條件下，提升散熱效 能，不僅可確保電路運作順利、避免不必要的耗能及溼度 問題、更可提向選擇電路元件之彈性，有效提升產品性 5能’是值得投入深究的課題。 【發明内容】 口此，本發明之一目的，在提供一種可大幅提升降溫 > 效力的散熱上蓋。 本發明另一目的是提供一種結構簡單的散熱上蓋。 1〇 本發明再一目的是提供一種操作條件單純的散埶上 蓋。 本發明又-目的是提供—種製造成本低廉的散敎上 蓋。 本么月又另目的是提供一種使選用電路元件彈性 15 大增的散熱總成。 因此，本發明之奈流散熱上蓋，供籠罩一發熱件，並 連接-以一預定量供氣之供氣裝置，用以接受來自該供氣 裝置之氣流’導出該發熱件所發之熱能，該散熱上蓋包 含：-頂壁及-間隔裝置，與發熱件共同界定出一風道， 20且該風道係使得來自該供氣裝置之該氣流雷諾數

Re、md)㈣，500;其中，p為氣流密度、為風道中氣 流速度；d為風道尺寸；μ為氣絲度。 本^明精由大董灌入氣體’強制通入氣體產生紊亂 流’增加氣體在層與層間之對流，促進達成熱平衡之速 7 1303306 度，不僅結構簡單、造價低廉、且操作過程不需降低通入 氣體溫度、不需降低灌入氣體濕度、更排除引進流體之風 險，在確保原有之簡單操作環境條件下，以簡便之結構， 同時達成提升降溫效率，避免不必要的能源消耗，使得選 5用電路元件之彈性大增，且電路之可靠性與穩定性提升， 確實解決前述問題，達成本案之所有上述目的。 【實施方式】 有關本發明之前述及其他技術内容、特點與功效，在 以下配合參考圖式之較佳實施例的詳細說明中，將可清楚 ίο 的呈現。 /疋 本發明第一較佳實施例之紊流散熱上蓋3，如圖4所 示，具有-頂壁32、一間隔裝置34,該間隔裝置34包括 延伸自該頂壁之兩側壁、及一與該頂壁相對之底壁，且該 底壁形成有一對應該發熱件2〇頂面尺寸之開口，供籠罩 15發熱件20且使紊流散熱上蓋3穩固地設置在電路板、2 上。頂壁32、間隔裝置34與發熱件2〇共同界定出一風 道30，且風道30具有一導接部3〇〇，供連接至一作為供 氣裝置4之鼓風扇。 來自供氣裝置4之氣流，將經由導接部則而進入風 20道30内，且風道30具有—預定截面尺寸，使得流入風道 30内之氣流的雷諾數Re=(pUmd)/^2,5〇〇，從而形成一奮 亂流；其中’ p為氣流密度；Um為風道3〇中氣流速度；d 為風道30尺寸；μ為氣流黏度。由此，發熱件2〇所發埶 能，經氣流而傳導進入散熱上蓋3,並因氣流與風道％ 8 1303306 之氣體進行熱交換，將發熱件20所發之熱以氣流攜出。 如圖5所示，一般流體以一預定速度進入一流道中， 剛開始流速分佈會如圖式右側以一平面38〇齊頭並進，隨 後因風道30壁面與流體分子之交互作用、以及流體分子 5本身之黏滯性作用，使得越靠近風道30壁面的流體流速 逐漸減慢，終至停止；相反地，風道3()中央附近的流體 則較不受影響，從而使流速分佈形成如圖式中央部分的弧 面381狀層流。另方面，若流速過快、或流體黏滯性過低， 則因各流體分子之實際行進方向尚有各自相異之鉛直方 10向分量，導致層與層間之交互流動，而形成如圖式左側的 紊亂流382。 進一步考量風道内外之溫度分佈，如圖6左側所示， 當發熱件20位於圖式之風道3〇下方，藉由氣流之傳導， 將lx熱件2 0所發熱能逐漸傳入風道3 〇中。另將室溫氣體 15強制通入風道3〇内，使其自右向左流動，若在風道30内 之氣體保持如虛線所示良好層流結構，則僅有最下層3〇2 之氣體與風道30壁面會進行熱交換，且當該層3〇2之氣 體分子逐漸吸收熱能而升溫後，氣體與風道3〇間之溫差 減少，熱交換速率漸減；且最下層302氣體與較上層3〇4、 20川6氣體間之對流貧乏，加之傳導不易，使得上層3⑽氣 體仍處於室溫，卻對於最下層3〇2氣體之溫度升高無所裨 益。 相反地’右流體趨向紊I流型態’則層與層間氣體對 流旺盛，最下層302氣體吸收部分來風道30間氣體之熱 1303306 能後，隨即流動至較上層304、3〇6，較上層3〇4、3〇6之 室溫氣體亦隨機向下流動，因此可將最下層3〇2氣體與風 道30之氣體間之溫差保持在較顯$溫差片大態，從而使熱 交換效率提升。藉此，如圖6右側所示，當通入氣體約為 5攝氏25度時，風道氣體溫度可被保持在約攝氏70度，使 風道30中氣體所吸收熱能被上層3〇8、3〇6、3〇4下層3犯 中之氣體分子共同攜帶搬移。 為。且月上述推娜，發明人以兩顆各4 〇瓦之電阻作為 發熱件，在全無任何散熱器輔助條件下，該等電阻之核心 溫度可以升高至約攝氏17G纟；當然如前所述，若以半導 體元件作為對照，此種溫度下’半導體晶片已經受熱損 10 15

毀。相對地，在不強制通人氣體，讓本案之散熱上蓋單獨 作為導熱裝置’則電阻在操作時之核^溫度仍可達攝氏 度，但备強通入氣流，使其達本案所揭露之條件後， 電阻核心之溫度驟降至攝氏70《。相對地，目前單顆積 體電路元件之功率不過4、5瓦，亦即，以本案實驗用之 散熱上蓋’可以順利保障至少20顆積體電路元件，於安 全的操作環境下順暢運作。 尤其，分居於風道上下游之上游發熱件與下游發熱 :心溫度差尚不及攝氏2度，意味散熱器中之氣流攜 帶熱量脫離之能力’距離飽和尚有極大距離。何況，所通 t氣體均為室溫空氣，不僅沒有濕度問題，更可以將散熱 Γ出處開放，任由稍被加熱之氣流在電子設備内部四 散，絲毫沒有液冷裝置之安全顧慮。 1303306 另方面，以熱阻略有不同之導熱材質，如銅與鋁進疒 相同實驗，發現降低溫度之效果並無顯著差異，換令之仃 本案所揭露之散熱上蓋結構，可採用低價且易於加工二 熱金屬製造，而無須受限於材質。 — 5 10 15 當然，如熟於此技者所能輕易理解，前一實施例所形 成之紊亂流空間得以不同形式發揮功能，如圖7本案第二 較佳實施例所示，紊流散熱上蓋3,與電路板U、發 2〇之相互位置關係為電路板22形成有複數卡^槽孔 700,環繞件70大致包覆固定上蓋3,本體；I繞件^底 部有延伸之卡制件702,卡制件7〇2則分別對應前述之卡 制槽孔700，藉由卡制件7〇2與卡制槽孔7〇〇 — 一相# 使得散熱上蓋3,與電路板22固定，只要風道中之雷諾口數 在2500以上，氣流成為紊亂流，即可達成相同功效。 另如圖8所示，所揭示為本發明案之第 二’環繞件8〇大致包覆固定上蓋本體3”，環繞件二 =τ 一角度自該環繞件8°底部彎折延㈣ ，電路板22上則有固定於電路板22且對應仙 :部術之卡扣件8。4,有別於前述第二較佳實施；：； =式為另_種創作，只要所界定之氣流空間得以形成紊 亂&，仍可達成預期散熱需求。 另:圖9所示，固定散熱上蓋之方式再以不同可能之 蓋^體3 =伸’為本發明案第四較佳實施例，奮流散熱上 形成^查延伸有複數形成有穿孔之側翼9〇4,電路板上 /硬文固定孔902 ’兩者孔位相互對應；該固定裝置 20 1303306 係複數穿過該等側翼穿孔及該等固定孔之螺栓906’藉由 螺栓_之鎖固，緊密結合電路版22與棄流散熱上蓋本 " 日定方法雖以不同形式展現，均為4保紊IL流空 、:之形成’使發熱件所產生之熱能得藉由最佳效率之紊亂 5流攜除’具相當溫差之較低溫空氣則源源不絕的供應替換 來冷卻發熱件。 ，案藉由在風道中形成紊流，確保被通入氣體分子間 7 ^對·與熱父換’使最下層氣體與風道間溫差梯度被 ㈣提升，通入氣體之散熱效率4足而大增；纟且結構簡 0單紅作日守不必擔心漏液等短路風險、製造與操作成本相 、皆低廉，尤其當散熱效率提升後，電路設計者可自由選擇 力率更回之電路元件，無須憂慮散熱不足而導致電路不穩 疋之問題，更是提升整體電子裝置性能之重要基礎建設， 從而達成本案所有目的。 15 惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不 月b以此限疋本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利 範圍及發明說明書内容所作之簡單的等效變化與修飾，皆 應仍屬本發明專利涵蓋之範圍内。 【圖式簡單說明】 20 圖1疋習用散熱器與半導體元件組設於電路板狀態 示意圖； ® 2是美國第6,603,658號發明專利散熱器應用狀態 側視示意圖； 圖3是圖2散熱器所造成氣流示意圖； 12 1303306 圖4是本發明第一較佳實施例之散熱上蓋立體透視 不意圖， 圖5是圖4實施例風道内氣流示意圖； 圖6是圖5風道内各層對流及熱流狀態示意圖及溫度 5 分佈狀悲不意圖， 圖7是本案第二較佳實施例之側視結構示意圖； 圖8是本案第三較佳實施例之側視結構示意圖；及 圖9是本案第四較佳實施例之側視結構示意圖。 10

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【主要元件符號說明】 3、3’、3”…散熱上蓋 3’’’…散熱上蓋本體 4…供氣裝置 5 10...發熱半導體元件 12、22...電路板 14..導熱膠 16…散熱鰭片 18、28...風扇 26…風管 20...發熱件 3 0...風道 32…頂壁 10 34...間隔裝置 2 8 0…氣流 300...導接部 302...最下層 304、306·"較上層 308...上層 380...平面 3 81...弧面 382...紊亂流 15 70、80...環繞件 700…卡制槽孔 702...卡制件 802...翹曲部 804...卡扣件 902…固定孔 906…螺栓 904...側翼 20 14

Claims (1)

1. l3〇33〇6 十、申請專利範圍·· L種對應發熱件頂面之紊流散熱上蓋，供連接一以一預 、畺i、氣之供氣裝置，並接受來自該供氣裝置之氣流， 5 ^ ^發熱件所發之熱能，且該發熱件係設置於-電路 ϋ亥政熱上蓋包含一散熱上蓋本體，該本體包括·· 一頂壁；及 L伸自4頂壁，供保持該頂壁與該發熱件頂面維持 預疋距離，並與該頂壁及該發熱件頂面共同界定 1〇 出風道之間隔裝置，且該風道係使得來自該供氣 叙置之該氣流雷諾數Re = (pUmd)/|L^2,5⑼； 其中，p為氣流密度；Um為風道中氣流速度；d為風 道尺寸；μ為氣流黏度。 2·依申請專利範圍第丨項所述之紊流散熱上蓋，其中該間 15隔裝置包括延伸自該頂壁之兩側壁、及一與該頂壁相對 之底壁，且該底壁形成有一對應該發熱件頂面尺寸之開 〇 〇 3·依申請專利範圍第i項所述之紊流散熱上蓋，更包括一 將該散熱上蓋本體固定至該電路板之固定裝置。 4·依申請專利範圍第3項所述之紊流散熱上蓋，其中該電 20 路板上形成有複數卡制槽孔，且該固定裝置包括： 一大致包覆該固定上蓋本體之環繞件；及 一延伸自該環繞件底部、並分別對應該等卡制槽孔之 卡制件。 5.依申請專㈣圍第3項所述之|流散熱上蓋，其中該固 15 1303306 疋裝置包括： :大致包覆該固定上蓋本體之環繞件； 複數以一角唐自$ ρ M /zL 固定;Μ折㈣Μ曲部；及 板上、並對應該等翹曲部之卡扣件。 6·依申請專利範圍第3項所述之蒼流散熱上蓋，其中該電 路板上形成有複數固定孔， 札且该紊流散熱上蓋本體更延 伸有複數形成有穿孔之側翼，

   10 、巧固疋茗置係禝數穿過該 專側翼穿孔及該等固定孔之螺 7 · 一種散熱總成，係供導出一訊 ▲ δ又置於—電路板之發熱件所 舍之熱月b ’该散熱總成包含·· 一對應該發熱件頂面之紊流散熱上蓋，該散熱上蓋包 含一散熱上蓋本體，該本體包括： 一頂壁；及 一延伸自該頂壁，供保持該頂壁與該發熱件頂面維 15 持一預定距離，並與該頂壁及該發熱件頂面共同 界定出一風道之間隔裝置；及 一連接該風道，並以使該風道内氣流雷諾數 Re=(pumd)^^2,500供氣予該風道之供氣裝置； 其中，P為氣流密度；um為風道中氣流速度；^為風 20 道尺寸；μ為氣流黏度。 8 ·依申清專利範圍第7項所述之散熱總成，該散熱上蓋更 包括一將該散熱上蓋本體固定至該電路板之固定裝置。 9·依申請專利範圍第7項所述之散熱總成，其中該供氣裝 置係一鼓風扇。 16