專(zhuān)利名稱：葉片式散熱器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于冷卻電子裝置的葉片式散熱器，具體涉及散熱片連接在金屬底板上的葉片式散熱器。
在具有上述結(jié)構(gòu)的葉片式散熱器中，半導(dǎo)體芯片產(chǎn)生的熱量從半導(dǎo)體芯片傳遞到緊貼著的金屬底板上，并在底板上擴(kuò)散，固定在金屬底板表面的金屬散熱片將擴(kuò)散的熱量散發(fā)到空氣中或指定的地方。此外，傳統(tǒng)的一種散熱器是整塊的鍛鋁散熱器。但問(wèn)題是整塊鍛鋁散熱器達(dá)不到足夠的散熱效果，因?yàn)闆](méi)有鍛出所需要的散熱片數(shù)量，這是由于要達(dá)到所需要的葉片密度、縮短散熱片之間的間距存在著鍛造的技術(shù)困難。
為了解決上述問(wèn)題并獲得更好的散熱效果，提出了一種替代整塊散熱器的方法，其中底板和散熱片分開(kāi)制造，用銅焊或機(jī)械連接的方法將散熱片連接到底板表面上。
將散熱片機(jī)械地連接到底板表面的機(jī)械連接法比銅焊要好，因?yàn)殂~焊的制造費(fèi)用高于機(jī)械連接的費(fèi)用。
如圖4所示，半導(dǎo)體芯片30和底板22的尺寸相比，半導(dǎo)體芯片30比底板22小得多。因此為了將小的半導(dǎo)體芯片30產(chǎn)生的熱量擴(kuò)散到整個(gè)大的底板22上，需要用像銅、鋁等具有高導(dǎo)熱率的材料制作底板。特別是，由于銅的導(dǎo)熱率非常好，因此銅可作為葉片式散熱器底板的材料。但是由于銅很重，并且銅底板必須直接與半導(dǎo)體芯片接觸，因此需要一些增強(qiáng)構(gòu)件(例如利用一個(gè)連接裝置來(lái)保護(hù)電路板等裝置)以減少銅底板的重量對(duì)半導(dǎo)體芯片的損害。
此外，電子裝置已經(jīng)變得更輕更小，使得它很難再使用銅底板，因?yàn)槭褂眠@么重的銅底板的機(jī)會(huì)正在減少，并且很難找到安放銅底板的空間。另一方面，當(dāng)半導(dǎo)體芯片變得更加集成化、并且處理能力變得更高時(shí)，半導(dǎo)體芯片產(chǎn)生的熱量就更大。因此就需要更高的散熱效果來(lái)穩(wěn)定半導(dǎo)體芯片等的工作狀態(tài)。
如上所述，盡管銅底板有良好的導(dǎo)熱率，但是由于它太重，很難再使用它。因此，當(dāng)用鋁做底板材料時(shí)，需要進(jìn)一步增加散熱器的散熱效果。
在散熱片通過(guò)機(jī)械方式固定在底板表面的散熱器中，當(dāng)散熱處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，底板具有下列溫度分布。更具體地說(shuō)，半導(dǎo)體芯片緊貼著的底板中心區(qū)的溫度最高，離半導(dǎo)體芯片越遠(yuǎn)的底板區(qū)的溫度越低。
此外，被固定和熱連接到底板表面的散熱片具有下列溫度分布。具體地說(shuō)，半導(dǎo)體芯片緊貼著的底板中心區(qū)上的散熱片溫度最高，遠(yuǎn)離中心區(qū)的底板邊緣區(qū)上的散熱片溫度最低。
進(jìn)一步講，散熱片本身隨著其高度具有下列溫度分布。具體地說(shuō)，被固定和熱連接在底板上的葉片的底部溫度最高，離底部越遠(yuǎn)的地方溫度越低。
這就證明散熱片中熱量是通過(guò)熱傳導(dǎo)傳遞的。
但是，從散熱效率的觀點(diǎn)來(lái)看，最好使葉片式散熱器整個(gè)區(qū)域的溫度差最小化。如上所述，近年來(lái)半導(dǎo)體芯片產(chǎn)生的熱量正在增加，同時(shí)半導(dǎo)體芯片變得更小，這就使其熱密度迅速增加。因此迫切需要改進(jìn)葉片式散熱器的散熱效率(例如增加固定在底板上的散熱片的密度，或在底板中使用熱管，等等)。特別是，強(qiáng)烈要求通過(guò)減小上述葉片式散熱器各區(qū)域的溫度差來(lái)提高散熱效率。
如上所述，整塊鍛鋁散熱器達(dá)不到足夠的散熱效果，因?yàn)闆](méi)有形成所需要的散熱片數(shù)量，這是由于要達(dá)到所需要的葉片密度、縮短散熱片之間的間距存在著鍛造的技術(shù)困難的緣故。另一個(gè)問(wèn)題是使用很重的銅底板變得困難起來(lái)，盡管它的導(dǎo)熱率好但是它太重了。因此強(qiáng)烈要求提高具有其散熱片以機(jī)械方式固定在鋁底板表面上的結(jié)構(gòu)的葉片式散熱器的散熱效率。
但是，由于底板和散熱片兩者中都存在溫度差，因此，具有其散熱片以機(jī)械方式固定在鋁底板表面上的結(jié)構(gòu)的散熱器存在著散熱效率的問(wèn)題。
圖2示出本發(fā)明的葉片式散熱器的另一個(gè)實(shí)施例。
圖3是說(shuō)明銅葉片比率(銅散熱片的個(gè)數(shù)占散熱片總數(shù)的比率)和熱阻之間的關(guān)系的曲線圖。
圖4示出半導(dǎo)體芯片等緊貼其上的散熱器。
為了解決先有技術(shù)中的問(wèn)題，本發(fā)明者進(jìn)行了深入細(xì)致的研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)用下列方法可減小底板中的溫度差用兩種具有不同導(dǎo)熱率的金屬制造散熱片，由具有較高導(dǎo)熱率的金屬制造的散熱片設(shè)置在底板的靠近諸如半導(dǎo)體芯片這樣的發(fā)熱元件的部分上，而由具有相對(duì)低導(dǎo)熱率的金屬制造的散熱片設(shè)置在所述底板的其它區(qū)域上。
同時(shí)還發(fā)現(xiàn)使用具有高導(dǎo)熱率的金屬可減小設(shè)置在底板的靠近發(fā)熱元件的部分上的散熱片的溫度差。
更具體地說(shuō)，可通過(guò)下列減小底板和散熱片兩者中的溫度差的方法來(lái)改進(jìn)散熱器的散熱效率用鋁做底板，用銅制造設(shè)置在靠近諸如半導(dǎo)體芯片等發(fā)熱元件的散熱片，而用鋁制造設(shè)置在底板的其余區(qū)域的散熱片。
本發(fā)明的目的之一是解決先有技術(shù)中存在的問(wèn)題并提出一種具有高散熱效率的葉片式散熱器，其中，許多散熱片密集地固定在鋁底板的一面上，特別是提供一種底板和散熱片都具有很小溫度差的輕型葉片式散熱器。此外，本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種設(shè)計(jì)靈活、可加工性良好和造價(jià)低廉的葉片式散熱器。
本發(fā)明的葉片式散熱器的一個(gè)實(shí)施例是包括以下部分的葉片式散熱器一組散熱片，它包括由至少兩種具有不同導(dǎo)熱率的金屬制造的散熱片的組合；以及一個(gè)金屬底板，所述一組散熱片密集地連接在其表面部分上。
在本發(fā)明的葉片式散熱器的另一個(gè)實(shí)施例中，組成所述一組散熱片的每一片所述散熱片的位置這樣設(shè)置、以便所述金屬底板和所述一組散熱片兩者中的溫度差都能減小。
在本發(fā)明的葉片式散熱器的另一個(gè)實(shí)施例中，至少所述一組散熱片中設(shè)置在靠近發(fā)熱元件固定其上的金屬底板部分上的那一部分散熱片是用銅制造的。
本發(fā)明的葉片式散熱器的另一個(gè)實(shí)施例包括金屬底板，發(fā)熱元件緊貼在其一側(cè)表面；以及一組散熱片，后者包括許多金屬薄板散熱片，所述金屬薄板散熱片由至少兩種具有不同導(dǎo)熱率的材料制成、插入在所述金屬底板的另一側(cè)表面上形成的許多溝槽中的每一個(gè)溝槽中、然后通過(guò)加壓力使所述各溝槽之間的金屬底板部分變形而將所述散熱片從溝槽的兩個(gè)方向夾緊、從而將所述散熱片固定在所述金屬底板上。
在本發(fā)明的葉片式散熱器的另一個(gè)實(shí)施例中，所述一組散熱片包括由兩種具有不同導(dǎo)熱率的金屬制成的散熱片，并且所述一組散熱片中設(shè)置在靠近發(fā)熱元件固定其上的金屬底板部分上的那一部分散熱片是用由具有較高導(dǎo)熱率的材料制造的，而設(shè)置在金屬底板的其余部分上的散熱片是由具有較低導(dǎo)熱率的材料制造的。
在本發(fā)明的葉片式散熱器的另一個(gè)實(shí)施例中，所述兩種金屬是銅和鋁，所述一組散熱片中設(shè)置在靠近發(fā)熱元件固定其上的金屬底板部分上的那一部分散熱片是用銅制造的，而設(shè)置在所述其余部分的散熱片是用鋁制造的。
在本發(fā)明的葉片式散熱器的另一個(gè)實(shí)施例中，所述金屬底板是用鋁制造的。
在本發(fā)明的葉片式散熱器的另一個(gè)實(shí)施例中，所述銅散熱片的個(gè)數(shù)占所述散熱片總數(shù)的25％到75％。


圖1表示本發(fā)明的葉片式散熱器的一個(gè)實(shí)施例。如圖1所示，本發(fā)明的葉片式散熱器1包括鋁底板2和一組散熱片，散熱片插入在鋁底板的一側(cè)形成的許多溝槽的每一個(gè)溝槽中并且通過(guò)加壓力使所述各溝槽之間的金屬底板變形而從溝槽的兩側(cè)將其夾緊、從而以機(jī)械方式將其連接在底板上。所述一組散熱片包括設(shè)置在底板中心部分的銅散熱片4和設(shè)置在銅散熱片4兩側(cè)的鋁散熱片3。
圖2表示本發(fā)明的葉片式散熱器的另一個(gè)實(shí)施例。如圖2所示，與圖1一樣，本發(fā)明的葉片式散熱器1包括鋁底板2和一組散熱片，散熱片插入在鋁底板的一側(cè)形成的許多溝槽的每一個(gè)溝槽中并且通過(guò)加壓力使所述各溝槽之間的金屬底板變形而從溝槽的兩側(cè)將其夾緊、從而以機(jī)械方式將其連接在底板上。所述一組散熱片包括設(shè)置在底板中心部分的銅散熱片4和設(shè)置在銅散熱片4兩側(cè)的鋁散熱片3。圖1和圖2所示實(shí)施例的差別是銅葉片的個(gè)數(shù)不同。更準(zhǔn)確地說(shuō)，圖2中銅葉片的個(gè)數(shù)比圖1中的多。
在上述實(shí)施例中，所述一組散熱片是以機(jī)械方式連接在底板上的。但是，也可以用錫焊、銀焊、熔焊等方法將所述一組散熱片連接到底板上。
圖3是說(shuō)明銅葉片比率(更準(zhǔn)確地說(shuō)，就是銅散熱片的個(gè)數(shù)占散熱片總數(shù)的比率)和熱阻之間的關(guān)系的曲線圖。圖3中，垂直方向表示熱阻，而水平方向表示銅葉片比率(％)。從圖3中可清楚的看出，當(dāng)銅葉片比率為0％時(shí)熱阻最高，而當(dāng)銅葉片比率為100％時(shí)熱阻最低。更準(zhǔn)確地說(shuō)，銅葉片比率在0％到100％的范圍內(nèi)，銅葉片比率越高時(shí)熱阻就越低。
從另一方面來(lái)看(圖中沒(méi)畫(huà)出)，銅葉片比率越高，散熱片越重，制造費(fèi)用也相應(yīng)增加。當(dāng)銅葉片比率低于25％時(shí)熱阻很高，就會(huì)降低散熱器的散熱效率。另外，當(dāng)銅葉片比率高于75％時(shí)，熱阻不再有明顯的減小。因此，由于重量和造價(jià)都增加了，降低熱阻的的效果變得很小。
所以銅葉片比率最好選擇在25％到75％的范圍內(nèi)。
如上所述，在本發(fā)明的散熱器中，最好是設(shè)置在底板上靠近半導(dǎo)體芯片等固定其上的部分的散熱片的材料的導(dǎo)熱率高于設(shè)置在底板上其余部分的散熱片的材料的導(dǎo)熱率。更準(zhǔn)確的說(shuō)，設(shè)置在底板上靠近半導(dǎo)體芯片等固定其上的部分的散熱片的材料是銅，而設(shè)置在底板上其余部分的散熱片的材料是鋁的。
本發(fā)明的葉片式散熱器底板可采用A1050、A6063、A5055型號(hào)的鋁材。最好用純鋁(A1050)。
散熱片的銅材可采用C1020和C1100，最好用C1020。散熱片的鋁材可與底板相同。實(shí)例下面通過(guò)實(shí)例更詳細(xì)地說(shuō)明本發(fā)明。
如圖1所示，制作一塊長(zhǎng)80mm、寬65mm、厚5mm的鋁底板。在鋁底板的一側(cè)加工許多溝槽，可供散熱片插入。銅散熱片和鋁散熱片的尺寸都是0.6mm厚、30mm高，以2mm的間距插入溝槽，然后通過(guò)加壓力使所述各溝槽之間的金屬底板部分變形而將所述散熱片從溝槽的兩側(cè)夾緊、從而將所述散熱片以機(jī)械方式連接在所述金屬底板上。所述一組散熱片包括30片散熱片，其中16片銅散熱片設(shè)置在底板的中心部分，而在銅散熱片兩側(cè)各設(shè)置7片鋁散熱片。
20mm×20mm的半導(dǎo)體芯片緊貼在底板的散熱片的另一側(cè)，即沒(méi)有連接散熱片的那一側(cè)，并對(duì)按上述要求制作的葉片式散熱器的散熱狀態(tài)進(jìn)行檢查。
為了比較，同樣如圖1所示，制作一塊長(zhǎng)80mm、寬65mm、厚5mm的鋁底板。在鋁底板的一側(cè)加工許多溝槽，可供散熱片插入。把0.6mm厚、40mm高的鋁散熱片以2mm的間距插入所述許多溝槽中，然后通過(guò)加壓力使所述各溝槽之間的金屬底板部分變形而將所述散熱片從溝槽的兩側(cè)夾緊、從而將所述散熱片以機(jī)械方式連接在所述金屬底板上。用力將溝槽的兩邊向下卷，使溝槽間的金屬底板變形，散熱片就可機(jī)械地連接在底板上。所述一組散熱片包括30片鋁散熱片。
20mm×20mm的半導(dǎo)體芯片緊貼在底板的散熱片的另一側(cè)，即沒(méi)有連接散熱片的那一側(cè)，并對(duì)按上述要求制作的葉片式散熱器的散熱狀態(tài)進(jìn)行檢查。
結(jié)果，與用于比較的、其中30片鋁散熱片固定在底板的表面部分的葉片式散熱器相比較，其中在底板中心部分固定16片銅散熱片并且在銅散熱片兩側(cè)各固定7片鋁散熱片的本發(fā)明的葉片式散熱器的冷卻風(fēng)溫度和半導(dǎo)體芯片表面溫度之間的熱阻減小了0.03℃/W。
從前面的描述可清楚的看到，依據(jù)本發(fā)明的葉片式散熱器不僅具有良好的散熱效率同時(shí)可減小重量和制造成本。
雖然上述實(shí)施例說(shuō)明了散熱片以2mm間距均勻排列在底版上，但是，為了減小底板和散熱片兩者中的溫度差，也可以改變散熱片之間的間距。
如上所述，依據(jù)本發(fā)明可提供下列葉片式散熱器更準(zhǔn)確的說(shuō)，一種這樣的葉片式散熱器，其中，一組散熱片包括由至少兩種具有不同導(dǎo)熱率的金屬制成的散熱片的組合，所述一組散熱片密集地連接在底板的表面部分上，而具體地說(shuō)，提供一種底板和散熱片兩者中都具有很小溫度差的輕型葉片式散熱器。
此外，通過(guò)適當(dāng)選擇用于底板和所述一組散熱片的金屬材料，可以提供具有設(shè)計(jì)靈活、可加工性良好以及造價(jià)低廉的散熱器。
權(quán)利要求
1.一種葉片式散熱器，它包括一組散熱片，它包括由至少兩種具有不同導(dǎo)熱率的金屬制成的散熱片的組合；以及一個(gè)金屬底板，所述一組散熱片密集地連接在該金屬底板表面上。
2.如權(quán)利要求1所述的葉片式散熱器，其特征在于形成所述一組散熱片的各散熱片中每一片散熱片的位置是這樣安排的、以便減小所述金屬底板和所述一組散熱片兩者中的溫度差。
3.如權(quán)利要求2所述的葉片式散熱器，其特征在于至少所述一組散熱片中設(shè)置在靠近發(fā)熱元件固定其上的金屬底板部分上的那一部分散熱片是用銅制造的。
4.一種葉片式散熱器，它包括一個(gè)金屬底板，發(fā)熱元件以緊貼的方式固定在其一側(cè)的表面上；以及一組散熱片，它包括許多金屬薄板散熱片，所述金屬薄板散熱片由至少兩種具有不同導(dǎo)熱率的材料制成、插入在所述金屬底板的另一側(cè)表面上形成的許多溝槽中的每一個(gè)溝槽中、然后通過(guò)加壓力使所述各溝槽之間的金屬底板部分變形而將所述散熱片從溝槽的兩個(gè)方向夾緊、從而將所述散熱片固定在所述金屬底板上。
5.如權(quán)利要求4所述的葉片式散熱器，其特征在于所述一組散熱片包括由兩種具有不同導(dǎo)熱率的金屬制成的散熱片，并且所述一組散熱片中設(shè)置在靠近發(fā)熱元件固定其上的金屬底板部分上的那一部分散熱片是用由具有較高導(dǎo)熱率的材料制造的，而設(shè)置在金屬底板的其余部分上的散熱片是由具有較低導(dǎo)熱率的材料制造的。
6.如權(quán)利要求5所述的散熱器，其特征在于所述兩種金屬是銅和鋁，所述一組散熱片中設(shè)置在靠近發(fā)熱元件固定其上的金屬底板部分上的那一部分散熱片是用銅制造的，而設(shè)置在所述其余部分的散熱片是用鋁制造的。
7.如權(quán)利要求1到6中的任一項(xiàng)所述的葉片式散熱器，其特征在于所述金屬底板是由鋁制成的。
8.如權(quán)利要求3或6所述的葉片式散熱器，其特征在于所述銅散熱片的個(gè)數(shù)占所述散熱片總數(shù)的25％到75％之間。
全文摘要
一種葉片式散熱器包括:一組散熱片,它包括由至少兩種具有不同導(dǎo)熱率的金屬制成的散熱片的組合;以及一個(gè)金屬底板,所述一組散熱片密集地連接在該金屬底板表面上。
文檔編號(hào)H01L23/367GK1379465SQ02103100
公開(kāi)日2002年11月13日 申請(qǐng)日期2002年2月7日 優(yōu)先權(quán)日2001年2月7日
發(fā)明者野田一, 川畑賢也 申請(qǐng)人:古河電氣工業(yè)株式會(huì)社