專(zhuān)利名稱(chēng)：使用多個(gè)風(fēng)扇和熱沉的冷卻裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及提高半導(dǎo)體芯片的冷卻裝置的性能和可靠性。本發(fā)明屬于用于計(jì)算機(jī)和通信設(shè)備的半導(dǎo)體芯片的熱傳遞和冷卻領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
本發(fā)明所要解決的問(wèn)題是使用多個(gè)風(fēng)扇和熱沉(散熱器)為半導(dǎo)體芯片提供一種改進(jìn)的冷卻裝置。該冷卻裝置具有多個(gè)以冗余模式連接的風(fēng)扇，從而如果一個(gè)風(fēng)扇發(fā)生故障，剩余的風(fēng)扇將加速旋轉(zhuǎn)，以補(bǔ)償流向熱沉的氣流損失。當(dāng)前的風(fēng)扇-熱沉僅使用一個(gè)風(fēng)扇，從而不具有冗余特征。
(1)US5,309,983-“Low Profile Integrated Heat Sink and FanAssembly”描述了具有直翅片(散熱片)的熱沉和裝在該翅片區(qū)域的空腔內(nèi)的風(fēng)扇。該熱沉的基座是平的實(shí)心板，并且該翅片是直翅片。該風(fēng)扇在其頂面上具有空氣入口?？諝庋貎蓚€(gè)相反的方向穿過(guò)該風(fēng)扇和翅片之間的間隔。該實(shí)心的熱沉基座不能為下面的熱表面提供適當(dāng)界面，并且氣流被限制在兩個(gè)方向上，這自然效率低。此外，空氣入口僅在一個(gè)表面上。
(2)US5,502,619-“Heat Sink Assembly for Computer Chips”提出了另一種類(lèi)型的風(fēng)扇-熱沉組件，該組件具有由多個(gè)具有開(kāi)口的板片堆疊起來(lái)的翅片和放置在該堆疊板片的頂部上的風(fēng)扇。這種形成熱沉的翅片的堆疊方法將阻礙來(lái)自熱沉下面的熱源的熱流，從而使熱傳遞效率低。這種熱沉具有實(shí)心基座，并且風(fēng)扇僅在頂面上具有入口。
(3)US5,584,339-“Heat Sink Assembly for the Central Processor ofComputer”描述了另一種類(lèi)型的風(fēng)扇-熱沉組件，該組件具有一個(gè)風(fēng)扇，并且熱沉中部設(shè)置有蓋罩，該熱沉具有柱狀翅片。該柱狀翅片將為熱沉向空氣提供多條氣流通路，但該風(fēng)扇仍然僅在一個(gè)表面上具有一個(gè)入口。該熱沉的基座也是實(shí)心板。
(4)US5,785,116-“Fan Assisted Heat Sink Device”提出了一種熱沉組件，該組件具有圍繞風(fēng)扇的熱沉殼體。冷空氣在該熱沉殼體的頂部附近進(jìn)入該殼體，而熱空氣從其底端沿所有方向離開(kāi)該殼體。由于沒(méi)有隔離冷空氣和熱空氣的措施，所以可能發(fā)生空氣混合，從而會(huì)降低該冷卻裝置的效率。此外，該熱沉的基座是實(shí)心板，其不能為下面的熱表面提供適當(dāng)界面。從該熱沉裝置排出的熱空氣將增加對(duì)周?chē)酒募訜嵝?yīng)。這是不希望的。

發(fā)明內(nèi)容
冷卻裝置包括多層風(fēng)扇-熱沉組，這些組中的每一組均具有一個(gè)被熱沉翅片圍繞的離心式風(fēng)扇，以及多個(gè)將該熱沉翅片連接到一個(gè)配熱塊的熱管。該配熱塊將被放置在半導(dǎo)體芯片的頂部上。配熱塊中插有幾根熱管，以提高塊內(nèi)的熱傳遞。此外，該塊可以是蒸汽室類(lèi)型，其中，該室內(nèi)的液體蒸發(fā)和冷凝用于將熱量從該塊的一個(gè)表面?zhèn)鬟f到插入該室內(nèi)的熱管上。


圖1是具有熱管和風(fēng)扇的多風(fēng)扇熱沉的三維視圖；圖2是該多風(fēng)扇熱沉的分解視圖；圖3是該多風(fēng)扇熱沉的翅片的結(jié)構(gòu)；圖4是該翅片結(jié)構(gòu)的另一實(shí)施例；圖5是配熱塊和熱管組件；圖6是插有多個(gè)熱管的蒸汽室；圖7是用于控制多個(gè)風(fēng)扇的示例性框圖。
具體實(shí)施例方式
圖中示出這種使用多個(gè)風(fēng)扇和熱沉的冷卻裝置的詳細(xì)結(jié)構(gòu)。圖1示出風(fēng)扇41位于中心并被熱沉翅片31圍繞。翅片31可成直列或交錯(cuò)設(shè)置，后者圖中未示出。翅片31分別熱連接到四個(gè)熱管51、52、53和54上。然后，所有這四個(gè)熱管都連接到配熱塊21上。圖2是該多風(fēng)扇熱沉的分解視圖。該圖中有三組風(fēng)扇和翅片。但是，風(fēng)扇-翅片組的數(shù)目可以是任意的，并不僅局限于三個(gè)。每個(gè)風(fēng)扇都具有自己的電機(jī)和葉片?？瑟?dú)立地驅(qū)動(dòng)和控制每個(gè)風(fēng)扇。圖中的風(fēng)扇41、44和47具有各自的葉片43、46和49。為了使該圖清晰，僅示出風(fēng)扇41具有電機(jī)42。風(fēng)扇41、44和47分別被翅片組31、33和35圍繞。四個(gè)熱管51、52、53和54用于將熱量從配熱塊21傳遞到它們的各個(gè)翅片組31、33和35。配熱塊與產(chǎn)生熱的半導(dǎo)體芯片具有良好的熱接觸。因此，該半導(dǎo)體芯片的熱量將傳遞到配熱塊、多個(gè)熱管、翅片組和通過(guò)翅片的流動(dòng)空氣?？諝鈱⒃陲L(fēng)扇電機(jī)附近的入口處被吸入風(fēng)扇，例如，空氣從風(fēng)扇41的入口40進(jìn)入。類(lèi)似地，空氣將從底部風(fēng)扇47的入口進(jìn)入。從風(fēng)扇41和47進(jìn)入的空氣的一部分將通過(guò)該風(fēng)扇并流向風(fēng)扇44的入口。然后，所有進(jìn)入的空氣都被旋轉(zhuǎn)葉片43、46和49的離心力推出翅片組。每個(gè)風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn)葉片的方向可相同或不同。
圖3示出翅片組的一個(gè)部分的結(jié)構(gòu)。圖3a示出一個(gè)裝配好的翅片組，該翅片組包括多個(gè)插入并釬焊到翅片基座311和312內(nèi)的翅片317和318。翅片和翅片基座均由導(dǎo)熱材料例如鋁或銅制成。
圖3b示出在安裝翅片之前的翅片基座311和312的細(xì)部。每個(gè)翅片基座具有翅片將插入和釬焊在其內(nèi)的槽縫313。在翅片基座上具有螺孔314a和314b。這兩個(gè)翅片基座將背靠背地螺紋聯(lián)接在一起，并且孔315內(nèi)有一熱管?？?15內(nèi)的熱管被輕微壓縮，以在熱管和翅片基座之間形成良好的熱接觸?；蛘撸蓪⒊崞苯逾F焊到熱管上。圖4示出翅片組的另一實(shí)施例。在這種情況下，翅片基座321的外觀類(lèi)似表面上具有水平槽縫323的半圓柱體。翅片327在邊緣上具有槽口329，并且將被插入到槽縫323內(nèi)。一旦所有翅片都插入并釬焊到該翅片基座321上，則將熱管放入翅片基座321的背面上的凹部325內(nèi)。將圖中未示出的蓋罩放置在該熱管上，以將其固定在翅片基座321上?；蛘撸w罩和熱管可直接釬焊在凹部325上。
圖5示出其中插有多個(gè)熱管的配熱塊。參照?qǐng)D5a，四個(gè)熱管51、52、53和54的一端插入并釬焊在配熱塊21內(nèi)。四個(gè)熱管51、52、53和54可如圖所示向上彎曲或彎曲成不同構(gòu)型，以接納翅片組，該翅片組與這四個(gè)熱管的另一端保持良好的熱接觸。圖5b示出配熱塊的另一種設(shè)置，其中，一對(duì)較小的熱管22和23嵌在該配熱塊內(nèi)。這些較小的熱管都彎曲成“U”形，以便該熱管的兩端都釬焊在該塊內(nèi)。這種設(shè)置的目的是減小配熱塊21內(nèi)的溫度梯度。如圖所示，該“U”形熱管22的一端靠近配熱塊21的底部，而另一端靠近頂面。這種熱管有助于將配熱塊底部的部分熱量傳遞到頂部，因此可減小該塊內(nèi)的垂直溫度梯度。圖6示出配熱塊221的另一種結(jié)構(gòu)，其中，該配熱塊是蒸汽室，熱管的一端插入到該蒸汽室內(nèi)。如圖6所示，熱管251、252和254插入到蒸汽室226內(nèi)。為了使圖清晰，圖中未示出前面的熱管。實(shí)際上，熱管的數(shù)目可以是任意的，并不限于四個(gè)。在蒸汽室226的內(nèi)表面——包括熱管在蒸汽室內(nèi)的部分的外表面——覆蓋有一層吸液芯(wick)。
吸液芯可由泡沫銅、燒結(jié)銅或纖維束制成，該纖維束由導(dǎo)熱材料例如銅和石墨構(gòu)成。蒸汽室226是真空密封環(huán)境，其局部充滿(mǎn)工作流體，例如水、乙醇、florinert、丙酮等。當(dāng)從半導(dǎo)體芯片向塊221的底部提供熱量時(shí)，工作流體吸收熱量并蒸發(fā)。然后，蒸汽穿流過(guò)該室并在吸液芯和熱管的表面上冷凝。當(dāng)蒸汽再次變?yōu)榱黧w時(shí)，熱量釋放到吸液芯和熱管上。流體的毛細(xì)作用力將使流體回到該室的加熱側(cè)。只要該室的熱側(cè)和熱管的表面之間存在溫差，該循環(huán)就一直進(jìn)行。
圖7示出用于控制風(fēng)扇的示例性框圖。風(fēng)扇控制器具有連接在其上或安裝在其內(nèi)的處理單元和存儲(chǔ)器，該風(fēng)扇控制器從系統(tǒng)主機(jī)獲得控制數(shù)據(jù)和指令，并通過(guò)風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)器以預(yù)定的速度驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇。每個(gè)風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn)速度都將反饋到風(fēng)扇控制器。如果風(fēng)扇速度偏離預(yù)定值，則風(fēng)扇控制器將通過(guò)風(fēng)扇速度控制領(lǐng)域內(nèi)常用的脈沖寬度調(diào)制(PWM)來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)扇速度。如果一個(gè)風(fēng)扇的速度不能通過(guò)該調(diào)節(jié)恢復(fù)，則控制器會(huì)標(biāo)記該風(fēng)扇，并增大其它風(fēng)扇的速度。風(fēng)扇速度增加的百分比根據(jù)風(fēng)扇控制器內(nèi)的風(fēng)扇熱沉冷卻性能的預(yù)存儲(chǔ)表通過(guò)插值得到。目標(biāo)是保持與所有風(fēng)扇都以預(yù)定速度轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的冷卻性能相同。
為了清晰起見(jiàn)，這些圖中僅示出主要部件，并且這些部件并不是按比例繪制的。
權(quán)利要求
1.一種風(fēng)扇-熱沉組件，包括多個(gè)風(fēng)扇；多個(gè)熱沉；多個(gè)熱管；以及一個(gè)配熱塊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的風(fēng)扇-熱沉組件，其特征在于，所述組件具有多組風(fēng)扇和熱沉。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的風(fēng)扇-熱沉組件，其特征在于，所述風(fēng)扇和熱沉組具有圍繞風(fēng)扇從而使所述風(fēng)扇位于所述組的中心的熱沉翅片。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的風(fēng)扇-熱沉組件，其特征在于，所述風(fēng)扇是離心式風(fēng)扇，該風(fēng)扇從頂部和底部在圍繞風(fēng)扇電機(jī)軸的入口處吸入空氣。
5.根據(jù)權(quán)利要求3的風(fēng)扇-熱沉組件，其特征在于，所述熱沉翅片垂直于風(fēng)扇電機(jī)軸定向并成直列或交錯(cuò)設(shè)置。
6.根據(jù)權(quán)利要求3的風(fēng)扇-熱沉組件，其特征在于，所述熱沉翅片可被分成多個(gè)部分或者成一個(gè)連續(xù)的環(huán)。
7.根據(jù)權(quán)利要求3的風(fēng)扇-熱沉組件，其特征在于，所述熱沉翅片是由導(dǎo)熱材料例如銅或鋁制成。
8.根據(jù)權(quán)利要求2的風(fēng)扇-熱沉組件，其特征在于，所述風(fēng)扇和熱沉組順次與多個(gè)熱管的一端保持良好的熱接觸。
9.根據(jù)權(quán)利要求3的風(fēng)扇-熱沉組件，其特征在于，所述熱沉翅片軟釬焊或硬釬焊在所述熱管的一端上。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的風(fēng)扇-熱沉組件，其特征在于，所述多個(gè)熱管的一端插入到所述配熱塊內(nèi)。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的風(fēng)扇-熱沉組件，其特征在于，所述配熱塊由導(dǎo)熱材料例如銅、鋁或金剛石制成。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的風(fēng)扇-熱沉組件，其特征在于，所述配熱塊具有彎曲成“U”形并嵌在配熱塊內(nèi)的附加熱管。
13.根據(jù)權(quán)利要求2的風(fēng)扇-熱沉組件，其特征在于，所述風(fēng)扇和熱沉組位于并堆疊在所述配熱塊的頂部上，或位于所述配熱塊的側(cè)面上。
14.一種風(fēng)扇-熱沉組件，包括多個(gè)風(fēng)扇；多個(gè)熱沉；多個(gè)熱管；以及一個(gè)蒸汽室。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的風(fēng)扇-熱沉組件，其特征在于，所述熱管的一端插入到所述蒸汽室內(nèi)，并且所述蒸汽室具有覆蓋整個(gè)內(nèi)表面的吸液芯。
16.根據(jù)權(quán)利要求14的風(fēng)扇-熱沉組件，其特征在于，所述熱管的位于所述蒸汽室內(nèi)的部分的外表面覆蓋有吸液芯。
17.根據(jù)權(quán)利要求15或16的風(fēng)扇-熱沉組件，其特征在于，所述吸液芯由燒結(jié)銅、銅纖維、銅絲網(wǎng)、泡沫銅或石墨泡沫制成。
18.根據(jù)權(quán)利要求14的風(fēng)扇-熱沉組件，其特征在于，所述蒸汽室局部充滿(mǎn)工作流體，例如水、乙醇、florinert或丙酮。
19.根據(jù)權(quán)利要求14的風(fēng)扇-熱沉組件，其特征在于，所述蒸汽室由與權(quán)利要求18的工作流體相容的導(dǎo)熱材料例如銅制成。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種構(gòu)造半導(dǎo)體芯片的冷卻裝置的方法，該冷卻裝置包括多個(gè)風(fēng)扇和熱沉，以提供冗余冷卻能力。使用多個(gè)熱管將來(lái)自半導(dǎo)體芯片的熱量首先分配給多個(gè)熱沉。熱沉圍繞風(fēng)扇出口設(shè)置，以便在風(fēng)扇的中心附近吸入空氣，然后推動(dòng)空氣穿過(guò)該熱沉。多個(gè)風(fēng)扇和熱沉堆疊在一起，從而形成完整的冷卻裝置。使用外部控制電路來(lái)監(jiān)控和控制風(fēng)扇。如果一個(gè)風(fēng)扇發(fā)生故障，則其它風(fēng)扇將被加速以補(bǔ)償氣流損失。
文檔編號(hào)H01L23/427GK1790688SQ20051011490
公開(kāi)日2006年6月21日 申請(qǐng)日期2005年11月11日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月12日
發(fā)明者L·S·莫克, P·D·基尼奧內(nèi)斯 申請(qǐng)人:國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司