TWI593342B - Cooling device - Google Patents

Description

散熱裝置

本發明係有關一種散熱裝置，尤指一種具半導體封裝結構之散熱裝置。

如主機板(Main Board或Mother Board)之電路板上設有多數之如中央處理單元或繪圖卡之電子元件(Electronic Components)及用以電性連接該電子元件之電性電路(Conductive Circuits)，該些電子元件在作用時會產生熱量，若未將所產生之熱量自裝設有電路板之電子產品內排除，則電子元件會因過熱而失效；此種問題在功能需求日增及處理速度越快之電子產品更形重要，因功能與處理速度之提升意味電路板上整合之電子元件或電子裝置須更多或更高階，更多或更高階之電子元件或電子裝置即會產生越多之熱量。故，將電路板所產生之熱量有效散除係一必要之設計。

一般業界所採用之逸散熱量方式之一，係在主機板或母板上加設散熱風扇以逸散電子元件及/或電子裝置所產生之熱量，此種散熱風扇已見於如第6,799,282、7,215,548、7,286,357及7,568,517號等美國專利中。

舉例而言，如第1A圖所示之習知散熱裝置1，係裝設 於電路板之預設位置上，主要由印刷電路板11、殼體12及扇輪組13所構成。該殼體12具有底座120、軸套管122及環設於該軸套管122上之定子組121。該扇輪組13則具有輪轂130、設於該輪轂130內側上之磁鐵131、環設於該輪轂130外側之複數葉片132、以及軸接至該輪轂130以軸設於該軸套管122中之軸柱133。該印刷電路板11上則設有至少一控制晶片110及複數被動元件112，該印刷電路板11係設置於該殼體12之底座120上，以藉由該控制晶片110控制扇輪組13之轉動，以由該扇輪組13之轉動驅動氣流。

第1A圖所示之習知散熱裝置1所使用之控制晶片110係一發熱源，產生之熱量若無法逸散，亦會導致其本身之過熱而失效，一旦該控制晶片110失效，則無法作動該扇輪組13；如此，會使電子產品之主機板上之電子元件所產生熱量無從有效逸散，從而導致電子產品當機，甚而損壞。而該控制晶片110恰係位於該殼體12之底座120及該扇輪組13之輪轂130之間的間隙，該間隙之狹小往往使該控制晶片110所產生之熱量無法有效逸除，致而會因過熱而導致該控制晶片110之損壞。散熱裝置1為電子產品之零組件中相對價廉之一者，唯其無法運作時，即會損及電子產品價昂之核心組件之主機板，故其重要性非從其價格所能衡量。

此外，控制晶片110之設置會影響到扇輪組13之輪轂130與殼體12之底座120間之間隙大小，往往會因控制晶 片110之厚度而須增加該間隙之高度，而不利是種散熱裝置1之整體高度之降低。且控制晶片110之設置會使該印刷電路板11需使用之面積增加，若印刷電路板11面積之增加係在不增大習知散熱裝置1之截面積的情況下，則需縮減葉片132之面積，但葉片132之面積的縮減會影響到風量的產出，而風量的產出若不足則會影響到所欲之散熱功效。

為解決上述問題，第7,345,884號美國專利即提出一種改良之散熱風扇。如第1B圖所示，該第7,345,884號美國專利之散熱風扇1’之結構大致同於前揭習知技術，不同處於在於其印刷電路板11’形成有一向外延伸之延伸部11a，供控制晶片110’設置其上，以使該控制晶片110’位於殼體12’之底座120’及扇輪組13’之輪轂130’之間的間隙外或部分外露出該間隙，俾令該扇輪組13’所驅動之氣流得以將該控制晶片110’所產生之熱量逸除。

惟，上述印刷電路板11’向外延伸之延伸部11a之形成會使扇輪組13’在轉動時所驅動之氣流受到干擾，氣流受擾即會產生噪音，進而影響至裝設有是種散熱風扇1’之電子產品的使用品質。同時，因該延伸部11a係向外延伸，使葉片132’與控制晶片110’間需保持一預定之間隔，此亦不利於是種習知散熱風扇1’之整體高度的降低，而無法滿足電子產品薄化的需求。

再而，前揭之習知散熱風扇1’仍需將印刷電路板11’設置於扇輪組13’之輪轂130’及殼體12’之底座120’間，導 致印刷電路板11’之厚度仍會影響散熱風扇1’之整體高度，而無法進一步地薄化散熱風扇1’。

因此，如何避免上述習知技術之種種問題，實為當前所要解決的目標。

為克服習知技術之種種問題，本發明提供一種散熱裝置，係包括：半導體封裝結構，係具有相對之第一表面與第二表面、鄰接該第一與第二表面之側面、及位於其內之定子組與半導體元件；扇輪組，係軸接至該半導體封裝結構，且具有位於該半導體封裝結構之第一表面上並延伸凸出該半導體封裝結構之側面的複數第一葉片，又該定子組與該半導體元件係控制該第一葉片之作動；以及導流結構，係具有相連通之第一容置空間與第二容置空間、及連通該第一與第二容置空間之至少一導流道，該半導體封裝結構係設於該第一容置空間，且該些第一葉片係收納於該第二容置空間。

前述之散熱裝置中，該導流道具有位於該第一葉片之片面上的導流口，以形成軸流式氣流道。或者，具有位於該第一葉片之側緣外的導流口，以形成徑流式氣流道。

本發明之散熱裝置中，當運作時，由於該第一葉片延伸凸出該半導體封裝結構之側面，亦即增大該第一葉片之尺寸，故能增加所產生的風量，且利用該導流結構收納該半導體封裝結構與第一葉片，以強化氣流流動，並減少噪音。因此，本發明之散熱裝置中，其葉片尺寸不受該半導 體封裝結構的尺寸限制，可在不改變該半導體封裝結構之尺寸的情況下，設置更大尺寸的葉片及該導流結構，以增加所產生的風量。

再者，藉由該定子組埋設於該半導體封裝結構中，故可降低該散熱裝置之整體厚度。

又，本發明之散熱裝置無需使用具有底部之殼體，且該半導體元件係設於該半導體封裝結構中，故該半導體元件毋須設於習知殼體之底座與扇輪組之輪轂之間，以避免該半導體元件產生之熱量無法有效逸除。

另外，前述之散熱裝置中，復包括另一扇輪組，係具有位於該半導體封裝結構之第二表面上的複數第二葉片。例如，該第二葉片係延伸凸出該半導體封裝結構之側面，且該第一葉片之旋轉方向與該第二葉片之旋轉方向係為相同或相反，當該旋轉方向相同時，第一與第二葉片所產生的氣流方向為一致，藉此可在不增加半導體封裝結構之情況下，僅增設第二葉片，即可增加所產生的風量及風壓，而當旋轉方向相反時，更可抵消該扇輪組旋轉所產生的振動。

1、9、9’、9”‧‧‧散熱裝置

1’‧‧‧散熱風扇

11、11’‧‧‧印刷電路板

11a‧‧‧延伸部

110、110’、21a‧‧‧控制晶片

112、21b‧‧‧被動元件

12、12’‧‧‧殼體

120、120’‧‧‧底座

121、202‧‧‧定子組

122、30‧‧‧軸套管

13、13’、3、3’‧‧‧扇輪組

130、130’、31‧‧‧輪轂

131、32‧‧‧磁鐵

132、132’‧‧‧葉片

133、34、34’‧‧‧軸柱

2、2’‧‧‧半導體封裝結構

2a、2a’‧‧‧第一表面

2b、2b’‧‧‧第二表面

2c、2c’‧‧‧側面

20‧‧‧基板

200‧‧‧本體層

201‧‧‧線路層

2021、2021’‧‧‧第一螺狀線路

2022、2022’‧‧‧第二螺狀線路

203‧‧‧保護層

204‧‧‧導電線路

205‧‧‧導電穿孔

21‧‧‧半導體元件

21c‧‧‧功能晶片

22‧‧‧封裝膠體

300‧‧‧插口

301‧‧‧凸出端

33‧‧‧第一葉片

33a‧‧‧片面

33’‧‧‧第二葉片

4a,4b‧‧‧半導體封裝件

5、5’‧‧‧導流結構

50、50’‧‧‧導流道

500、500’‧‧‧導流口

501、501’‧‧‧進口

51‧‧‧第一容置空間

52‧‧‧第二容置空間

A、B‧‧‧寬度

S、S’、S”‧‧‧氣流

第1A圖係顯示習知散熱風扇之剖視圖；第1B圖係顯示第7,345,884號美國專利之散熱風扇剖視圖；第2圖係為本發明散熱裝置之第一實施例之剖面示意圖；其中，第2’圖係為第2圖之上視圖； 第2A至2E圖係為第2圖之半導體封裝結構之製法之剖面示意圖；其中，第2B’及2B”圖係為第2B圖之上視圖及下視圖；第3圖係為本發明散熱裝置之第二實施例之剖面示意圖；其中，第3’圖係為第3圖之上視圖；以及第4圖係為本發明散熱裝置之第三實施例之剖面示意圖；其中，第4’圖係為第4圖之上視圖。

以下藉由特定的具體實施例說明本發明之實施方式，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本發明之其他優點及功效。

須知，本說明書所附圖式所繪示之結構、比例、大小等，均僅用以配合說明書所揭示之內容，以供熟悉此技藝之人士之瞭解與閱讀，並非用以限定本發明可實施之限定條件，故不具技術上之實質意義，任何結構之修飾、比例關係之改變或大小之調整，在不影響本發明所能產生之功效及所能達成之目的下，均應仍落在本發明所揭示之技術內容得能涵蓋之範圍內。同時，本說明書中所引用之如“上”、“下”、“左”、“右”、“頂”、“底”、“兩”、“第一”、“第二”及“一”等之用語，亦僅為便於敘述之明瞭，而非用以限定本發明可實施之範圍，其相對關係之改變或調整，在無實質變更技術內容下，當亦視為本發明可實施之範疇。

第2圖係為本發明散熱裝置9之第一實施例之剖面示意圖。如第2及2’圖所示，所述之散熱裝置9係包括：一 半導體封裝結構2、一扇輪組3、以及一導流結構5。

所述之半導體封裝結構2係具有相對之第一表面2a與第二表面2b、鄰接該第一與第二表面2a,2b之側面2c、及位於其內之一定子組202與複數半導體元件21。

於本實施例中，該半導體封裝結構2係為單一半導體封裝件，其復具有一基板20及形成於該基板20上之封裝膠體22，該些半導體元件21係設於該基板20上，且該封裝膠體22係包覆該些半導體元件21，而該定子組202係電性連接該基板20。

所述之扇輪組3係可轉動自如地軸接至該半導體封裝結構2之第一表面2a。

於本實施例中，該扇輪組3具有位於該半導體封裝結構2之第一表面2a上的複數第一葉片33、設置該些第一葉片33之一輪轂31、設於該輪轂31上之至少一片狀磁鐵32、及軸接該輪轂31與該半導體封裝結構2之一軸柱34。

再者，該些第一葉片33係延伸凸出該半導體封裝結構2之側面2c，使該些第一葉片33之整體佔用寬度A大於該第一表面2a之整體寬度B。

又，該定子組202與該半導體元件21係控制該第一葉片33之作動，且該軸柱34可利用一設於該半導體封裝結構2中之軸套管30軸接至該半導體封裝結構2，以利於該軸柱34之旋轉。

所述之導流結構5係具有連通之第一容置空間51與第二容置空間52、及連通該第一與第二容置空間51,52之一 導流道50，該半導體封裝結構2係設於該第一容置空間51，且扇輪組3(特別是該些第一葉片33)係收納於該第二容置空間52。

於本實施例中，該第一容置空間51之容積係小於該第二容置空間52之容積，該導流道50係位於該第一容置空間51旁，並直通該第二容置空間52，且該導流道50之進口501係由該導流結構5底側向上延伸，使該導流道50之導流口500位於該第一葉片33之片面33a上方，以形成軸流式氣流道，亦即該導流道50平行該軸柱34(或軸套管30)之軸向且上、下貫穿該導流結構5，以導引氣流S之流動方向。

再者，該導流結構5可為框架構造，且該導流道50之導流口500係完全外露該些第一葉片33。

又，該半導體封裝結構2係以黏結方式(如膠材)或機械方式(如嵌卡、鎖固、卡制等)固定於該導流結構5之第一容置空間51，並使該半導體封裝結構2之第二表面2b外露於該導流結構5底側。

另外，本發明之散熱裝置9無需使用具有底部之殼體，且該半導體元件21係設於該半導體封裝結構2中，故該半導體元件21毋須設於習知殼體之底座與扇輪組之輪轂之間，以避免該半導體元件21產生之熱量無法有效逸除。

當運作該散熱裝置9時，藉由大尺寸第一葉片33，以增加所產生的風量，且利用該導流結構5收納該半導體封 裝結構2與第一葉片33，以強化氣流流動，並減少噪音，故本發明之散熱裝置9中，可在不改變該半導體封裝結構2之尺寸的情況下，依需求設置任何尺寸的第一葉片33及該導流結構5，以增加所產生的風量。

以下藉由第2A至2E圖詳述第2圖之半導體封裝結構2之製法。

如第2A圖所示，提供一基板20，該基板20具有一本體層200、形成於該本體層200上、下側之線路層201與覆蓋該線路層201之保護層203。於本實施例中，該線路層201具有導電線路204與該定子組202，且該導電線路204係可與該定子組202一同形成或分次形成，而該保護層203可為阻焊層態樣。

於本實施例中，該定子組202復包括貫穿該本體層200之導電穿孔205，且該導電線路204及定子組202之製法可為通常之圖案化佈線製程，但無特別限制。因該定子組202以線路型式形成於該基板20上，故能降低該半導體封裝結構2之整體厚度。

如第2B圖所示，形成貫穿該基板20之複數通孔，以於各該通孔中分別穿設一軸套管30，俾供後續插設該扇輪組3之軸柱34。

於本實施例中，該軸套管30之位置可依需求作設計，使該扇輪組3以同軸方式或偏心方式軸接至該半導體封裝結構2。例如，若該軸套管30以偏心方式插設於該基板20中，可使該基板20表面具有更多空間，以設置更多之半導 體元件21(如功能晶片)或其它電子元件。

再者，該軸套管30之一凸出端301係凸出該基板20並卡制於該基板20之上表面，而該軸套管30之插口300係外露於該基板20之下表面。

又，如第2B’及2B”圖所示，該定子組202係環設該軸套管30之外側，且該軸套管30係設於該定子組202之中心位置。

另外，該定子組202可包含設於該基板20之上表面之兩組第一螺狀線路2021,2021’(如第2B’圖所示)、及設於該基板20之下表面之兩組第二螺狀線路2022,2022’(如第2B”圖所示)，且藉由該導電穿孔205電性導通第一螺狀線路2021,2021’及第二螺狀線路2022,2022’。運作時，相鄰之螺狀線路通電後會帶有相異之極性磁場(例如，相鄰之第一螺狀線路2021,2021’帶有相異之極性磁場)，而上、下相對之第一螺狀線路2021與第二螺狀線路2022通電後會帶有相同磁場(例如，相對之第一螺狀線路2021’與第二螺狀線路2022’帶有相同之極性磁場)。

如第2C圖所示，於該基板20之上表面上設置複數半導體元件21及電子元件(圖略)。於本實施例中，該些半導體元件21可包含控制晶片21a、被動元件21b、或如繪圖晶片、顯示晶片等之功能晶片21c，該控制晶片21a係傳送控制信號至該定子組202，以驅動該扇輪組3。

如第2D圖所示，形成封裝膠體22於該基板20之上表面上，以包覆該些半導體元件21、電子元件及該軸套管 30之凸出端301，且該軸套管30之插口300仍外露於該基板20之下表面。

本發明可藉由控制該封裝膠體22之厚度，以降低架設該扇輪組3後的整體裝置之厚度，而能符合電子產品之薄化需求。

如第2E圖所示，沿第2D圖中之虛線進行切割，以獲得複數該半導體封裝結構2(第2D圖之圖面需翻轉以呈現第2E圖之圖面)，再於後續裝配中，將其與該扇輪組3與該導流結構5進行組裝。

第3圖係為本發明散熱裝置9’之第二實施例之剖面示意圖。本實施例與第一實施例之差異在於導流結構之設計，其它結構大致相同，故以下不再贅述相同處。

如第3及3’圖所示，所述之導流道50’之進口501’係由該導流結構5’頂側向下連通該第一與第二容置空間51,52，該導流道50’再於第二容置空間52向右方延伸而使該二容置空間52與外界連通，使該導流口500’位於該第一葉片33之側緣外，俾形成徑流式氣流道，亦即部分該導流道50’係平行該第一葉片33徑向(即垂直該軸柱34之軸向)，以導引氣流S’沿上進側排之方向流動。

再者，該導流道50’之進口501’係外露該些第一葉片33之部分。

第4圖係為本發明散熱裝置9”之第三實施例之剖面示意圖。本實施例與第一實施例之差異在於半導體封裝結構與扇輪組之設計，其它結構大致相同，故以下不再贅述相 同處。

如第4及4’圖所示，該半導體封裝結構2’係包含兩個半導體封裝件4a,4b，且該兩半導體封裝件4a,4b之構造係相同於第2E圖所示之半導體封裝結構2’，故該兩半導體封裝件4a,4b係以其封裝膠體22之側相堆疊。

再者，於本實施例中，係具有二個扇輪組，該扇輪組3係於半導體封裝結構2’之第一表面2a’上方架設有該些第一葉片33，而另一扇輪組3’於該第二表面2b’上方架設有複數第二葉片33’，且該第二葉片33’係延伸凸出該半導體封裝結構2之側面2c’。具體地，各該半導體封裝件4a,4b上分別軸接一軸柱34,34’，以於各該半導體封裝件4a,4b上分別架設該第一葉片33與第二葉片33’。

又，由該第一表面2a’向該第二表面2b’俯視，如第4’圖所示，當該第一葉片33之旋轉方向與該第二葉片33’之旋轉方向係為相同(均為順時鐘方向)時，該第一葉片33與該第二葉片33’所產生之氣流S”的方向相同，得以在不改變半導體封裝結構之尺寸的情況下，增加所產生的風量。當該第一葉片33之旋轉方向與該第二葉片33’之旋轉方向係為相反(一者為順時鐘方向，另一者為逆時鐘方向)時，藉由扇輪組3,3’之兩軸柱34,34’機械旋轉方向相反，以抵消於上方軸柱34(或下方軸柱34’)旋轉時所產生的轉矩，藉此降低本發明之散熱裝置9”於運作時所產生的震動。

另外，於其它實施例中，該兩半導體封裝件4a,4b之 構造可不相同，且亦可採用左、右並列方式相鄰排列，而該第一葉片33與該第二葉片33’亦可位於同側(如均位於第一表面2a上方)。

於另一實施例中，於本發明之散熱裝置中，亦可於第2圖所示之半導體封裝結構2之第二表面2b上軸設另一扇輪組，即該軸柱需穿設該封裝膠體22，使另一葉片位於該封裝膠體22上方。

綜上所述，本發明之散熱裝置中，藉由增大葉片尺寸之設計，即令葉片凸出該半導體封裝結構之側面，以增加風量，且藉由該導流結構之設計，以強化氣流流動及減少噪音。

再者，藉由該第一容置空間之容積係小於該第二容置空間之容積，使扇輪組的葉片尺寸不受半導體封裝結構的尺寸限制。

上述實施例係用以例示性說明本發明之原理及其功效，而非用於限制本發明。任何熟習此項技藝之人士均可在不違背本發明之精神及範疇下，對上述實施例進行修改。因此本發明之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。

2‧‧‧半導體封裝結構

2a‧‧‧第一表面

2b‧‧‧第二表面

2c‧‧‧側面

20‧‧‧基板

202‧‧‧定子組

21‧‧‧半導體元件

22‧‧‧封裝膠體

3‧‧‧扇輪組

30‧‧‧軸套管

31‧‧‧輪轂

32‧‧‧磁鐵

33‧‧‧第一葉片

33a‧‧‧片面

34‧‧‧軸柱

5‧‧‧導流結構

50‧‧‧導流道

500‧‧‧導流口

501‧‧‧進口

51‧‧‧第一容置空間

52‧‧‧第二容置空間

9‧‧‧散熱裝置

A、B‧‧‧寬度

S‧‧‧氣流

Claims (10)

1. 一種散熱裝置，係包括：半導體封裝結構，係具有相對之第一表面與第二表面、鄰接該第一與第二表面之側面、及位於其內之定子組與半導體元件；扇輪組，係軸接至該半導體封裝結構，且具有位於該半導體封裝結構之第一表面上並延伸凸出該半導體封裝結構之側面的複數第一葉片，又該定子組與該半導體元件係控制該第一葉片之作動；以及單一導流結構，係具有相連通之第一容置空間與第二容置空間、及連通該第一與第二容置空間之至少一導流道，該半導體封裝結構係設於該第一容置空間內，且該些第一葉片係收納於該第二容置空間，而該第一容置空間之底面積係小於該第二容置空間之底面積，使該第一容置空間之容積小於該第二容置空間之容積。
2. 如申請專利範圍第1項所述之散熱裝置，其中，該半導體封裝結構復具有基板及形成於該基板上之封裝膠體，該半導體元件係設於該基板上，且該封裝膠體係包覆該半導體元件，而該定子組係電性連接該基板。
3. 如申請專利範圍第1項所述之散熱裝置，其中，該半導體封裝結構係以黏結方式或機械方式固定於該單一導流結構之第一容置空間，並使該半導體封裝結構之第二表面外露於該單一導流結構之底側。
4. 如申請專利範圍第1項所述之散熱裝置，其中，該導流道具有位於該第一葉片之片面上的導流口，以形成軸流式氣流道。
5. 如申請專利範圍第1項所述之散熱裝置，其中，該導流道具有位於該第一葉片之側緣外的導流口，以形成徑流式氣流道。
6. 如申請專利範圍第1項所述之散熱裝置，其中，該扇輪組復具有設置該些第一葉片之輪轂、設於該輪轂上之磁鐵、及軸接該輪轂與該半導體封裝結構之軸柱。
7. 如申請專利範圍第1項所述之散熱裝置，復包括另一扇輪組，係具有位於該半導體封裝結構之第二表面上的複數第二葉片。
8. 如申請專利範圍第7項所述之散熱裝置，其中，該第二葉片係延伸凸出該半導體封裝結構之側面。
9. 如申請專利範圍第7項所述之散熱裝置，其中，該第一葉片之旋轉方向與該第二葉片之旋轉方向係為相同。
10. 如申請專利範圍第7項所述之散熱裝置，其中，該第一葉片之旋轉方向與該第二葉片之旋轉方向係為相反。