專利名稱：一種熱管式電子芯片散熱器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及電子器件的散熱技術(shù)，尤其是采用熱管原理、主要由吸熱塊、空氣換熱 器和風(fēng)扇組成的、用于冷卻半導(dǎo)體集成芯片的散熱器。
技術(shù)背景隨著半導(dǎo)體集成電路晶體管數(shù)量的增加，器件的發(fā)熱量也隨著增加。當(dāng)前計(jì)算機(jī)芯片CPU發(fā)熱和散熱問(wèn)題已經(jīng)成了計(jì)算機(jī)發(fā)展過(guò)程中的障礙，單純的翅片加風(fēng)扇結(jié)構(gòu)的散熱器己經(jīng)滿足不了要求，目前普遍采用熱管式散熱器。目前用于CPU散熱器中的熱管的基本結(jié)構(gòu)是兩端封死，內(nèi)有毛細(xì)管結(jié)構(gòu)的銅制管。臺(tái)式計(jì)算機(jī)中CPU全是垂直放置，熱管式散熱器中的熱管放置， 一是水平，二是u形，熱管中的工質(zhì)完全靠管內(nèi)的毛細(xì)管結(jié)構(gòu)，如多孔結(jié)構(gòu)、絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)、溝槽結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生的虹吸原理， 使凝成液態(tài)的工質(zhì)回流到蒸發(fā)段，實(shí)現(xiàn)工質(zhì)在熱管內(nèi)循環(huán)流動(dòng)。如果冷凝的工質(zhì)不能回流到蒸發(fā)段(倒u型放置的熱管就有這樣的問(wèn)題)，或回流量減小，則散熱器完全不能工作，或散熱量減小。由于虹吸力量非常有限，因而這種熱管傳輸?shù)臒崃坎桓?，和依靠重力回流?熱 虹吸原理)相比，熱量傳輸相差非常大?，F(xiàn)一般都采用銅管內(nèi)燒結(jié)成的多孔結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)虹吸，由于工藝要求，熱管必須完成抽真空、 灌入工質(zhì)、封焊成品后才能進(jìn)行后續(xù)工序，因而設(shè)置擴(kuò)展換熱肋片的套片工藝，不能采用現(xiàn) 有的高效脹管工藝來(lái)保證肋片與熱管有效接觸，即解決接觸熱阻問(wèn)題。采用錫焊，生產(chǎn)效率不高，焊接時(shí)的高溫可能導(dǎo)致熱管爆炸的危險(xiǎn)。 一片一片地緊配合套入，問(wèn)題有對(duì)熱管外 徑精度要求高，接觸不可靠，生產(chǎn)效率太低。為保證熱管內(nèi)的毛細(xì)管結(jié)構(gòu)不被破壞，熱管的最小彎曲半徑受限制， 一般要3倍的熱管直徑，因而散熱器的尺寸不易實(shí)現(xiàn)緊湊化設(shè)計(jì)(尺 寸小、重量輕在CPU散熱器中非常重要)。另外，現(xiàn)熱管本身的生產(chǎn)工藝非常復(fù)雜，要求非常高，無(wú)氧銅管多次在還原性氣體(氫氣)中高溫(上千度)燒結(jié)，有燒結(jié)成品率的問(wèn)題，因而熱管本身成本價(jià)格非常高。發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型提供一種散熱器，采用熱虹吸原理，提高了熱管輸送熱量的能力，可采用高 效、低價(jià)的脹管工藝套片，或安全簡(jiǎn)易的焊接工藝，大大提高生產(chǎn)效率，并顯著地降低成本 造價(jià)。引入強(qiáng)化傳熱結(jié)構(gòu)，使散熱器尺寸更緊湊。采用高風(fēng)壓的風(fēng)扇，有效提高散熱量。本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案是散熱器主要部件有吸熱塊、空氣換熱器和風(fēng)扇?？?氣換熱器中有多根冷凝管，冷凝管上設(shè)置有肋片，肋片為套片式，這和現(xiàn)CPU熱管式散熱器類似。本實(shí)用新型的特征在于吸熱塊中有蒸發(fā)水道，蒸發(fā)水道之間有相互貫通的通孔；冷 凝管的一頭封堵，另一頭在吸熱塊的一端，或靠近一端，與蒸發(fā)水道連通；冷凝管與吸熱塊 之間成95° 140°角；風(fēng)扇采用了離心式風(fēng)扇，或相鄰兩級(jí)的動(dòng)葉轉(zhuǎn)向相反或之間設(shè)置有導(dǎo) 向葉的多級(jí)軸流式風(fēng)扇其工作過(guò)程是散熱器的吸熱塊緊貼在發(fā)熱器件的散熱面上，當(dāng)器件的散熱面為水平放 置時(shí)，吸熱塊水平放置，空氣換熱器在上方，由于冷凝管與吸熱塊之間的夾角不大于140"， 冷凝管向著蒸發(fā)水道方向下傾40°以上；當(dāng)器件的散熱面垂直放置'即吸熱塊垂直放置'安 裝散熱器時(shí)要求冷凝管在上方'由于冷凝管與吸熱塊之間的夾角不小于95°，則冷凝管向著
與蒸發(fā)水道連通的那頭下傾5°以上，因而在蒸發(fā)水道吸熱蒸發(fā)成汽態(tài)的工質(zhì)進(jìn)入冷凝管， 放熱凝結(jié)成液態(tài)工質(zhì)，液態(tài)工質(zhì)在重力作用下，順著冷凝管壁向下流動(dòng)，回到蒸發(fā)水道，實(shí) 現(xiàn)工質(zhì)循環(huán)。重力回流比虹吸作用回流量大、距離遠(yuǎn)，則熱管內(nèi)熱量傳輸量高、距離遠(yuǎn)，有利于減小 冷凝段和蒸發(fā)段之間的溫差，提高散熱量。在冷凝管內(nèi)壁面設(shè)置有毛細(xì)管結(jié)構(gòu)，使得冷凝管 內(nèi)壁形成厚厚的液膜，蒸汽凝結(jié)放出的熱量必須通過(guò)液膜，因而不利于凝結(jié)傳熱。當(dāng)為了減 小空氣換熱器的尺寸，冷凝管外高度肋化時(shí)，冷凝管內(nèi)的凝結(jié)傳熱的熱阻將高于外部空氣對(duì) 流熱阻，這不利于縮小空氣換熱器尺寸。本實(shí)用新型由于靠重力回流，冷凝管內(nèi)壁不需設(shè)置 毛細(xì)管結(jié)構(gòu)，有效的減少液膜傳熱過(guò)程，并且還可以采用強(qiáng)化凝結(jié)傳熱結(jié)構(gòu)，如采用螺旋內(nèi) 肋管，提高凝結(jié)傳熱，有效的提高散熱量，減小散熱器尺寸，冷凝管的成本也降低。吸熱塊中的蒸發(fā)水道之間相互貫通有非常重要的作用 一、平衡各蒸發(fā)水道的吸熱蒸發(fā) 量，和各冷凝管的放熱凝結(jié)量。如果蒸發(fā)水道液態(tài)工質(zhì)不足，但吸熱蒸發(fā)量大，液態(tài)工質(zhì)則 通過(guò)通孔，從液態(tài)工質(zhì)多的蒸發(fā)水道補(bǔ)充到少的地方，如果在蒸發(fā)水道內(nèi)表面設(shè)置毛細(xì)管結(jié) 構(gòu)，則更能充分發(fā)揮所有蒸發(fā)水道的吸熱蒸發(fā)能力；通過(guò)通孔，汽態(tài)工質(zhì)根據(jù)各冷凝管放熱 凝結(jié)速度，平衡進(jìn)入各冷凝管，如放熱凝結(jié)速度高的冷凝管，則管內(nèi)氣壓低，進(jìn)入該冷凝管 的汽態(tài)工質(zhì)就多，反之亦反。二、只需一個(gè)充液管， 一次充液、抽真空， 一個(gè)封焊頭，這樣工藝簡(jiǎn)單，密封可靠，而 現(xiàn)熱管式散熱器，每根都需充液、抽真空、封焊。另外，本實(shí)用新型的散熱器，如果封焊頭 漏氣失效，還可以修補(bǔ)，成品率高，而現(xiàn)產(chǎn)品則不能這樣， 一旦有一根熱管漏氣失效，則除 風(fēng)扇外，整個(gè)散熱器不可修補(bǔ)，成為廢品。本實(shí)用新型的散熱器制造工藝主要流程是 一、在冷凝管上設(shè)置肋片，二、焊接蒸發(fā)水 道與冷凝管，三、灌加工質(zhì)，抽真空，封焊充液管，四、安裝風(fēng)扇。由于冷凝管上設(shè)置肋片 工序在前，就可以采用套片式肋片脹管工藝，肋片上的套管孔比冷凝管大一點(diǎn)，則可以一次 將所有的肋片套入冷凝管中，再脹管，將冷凝管直徑脹大，就可以保證肋片與冷凝管緊密接 觸，解決了接觸熱阻的問(wèn)題，該工藝簡(jiǎn)單且效率高；采用焊接工藝，由于不存在高溫膨脹爆 炸的危險(xiǎn)(不受溫度限制)，因而可以采用各種方便的焊接方法，如高溫回流焊。空氣散熱器緊湊化設(shè)計(jì)，肋片加密，采用強(qiáng)化換熱結(jié)構(gòu)，大大地提高了空氣流動(dòng)阻力。 單級(jí)軸流式風(fēng)扇風(fēng)壓不足，克服不了肋片的空氣流動(dòng)阻力，導(dǎo)致風(fēng)量急劇下降，流經(jīng)空氣換 熱器的空氣溫度迅速上升，空氣換熱器的換熱溫差下降，則散熱量下降，單級(jí)軸流式風(fēng)扇已 經(jīng)滿足不了要求。離心式風(fēng)扇，風(fēng)壓高，能滿足以上要求。單級(jí)軸流式風(fēng)扇不行，可采用多級(jí)，但是不能簡(jiǎn)單地將現(xiàn)兩個(gè)或多個(gè)軸流式風(fēng)扇疊加在 一起，這樣效果非常低。因?yàn)榭諝饨?jīng)過(guò)一級(jí)風(fēng)扇，被風(fēng)扇扇葉(此稱為動(dòng)葉)驅(qū)動(dòng)，有軸向 速度，還有周向速度，成螺旋流動(dòng)，如果后一級(jí)風(fēng)扇動(dòng)葉轉(zhuǎn)向相同，則進(jìn)一步增大周向速度， 即增大了螺旋流動(dòng)，螺旋流動(dòng)不利于提高風(fēng)壓、風(fēng)量。如果在兩級(jí)動(dòng)葉之間設(shè)置導(dǎo)向葉，空 氣流經(jīng)導(dǎo)向葉，周向速度被消除，空氣的部分速度動(dòng)能轉(zhuǎn)換成壓力勢(shì)能，空氣流動(dòng)方向更適 合后一級(jí)動(dòng)葉相對(duì)空氣的沖角，這種兩相鄰動(dòng)葉之間設(shè)置導(dǎo)向葉的結(jié)構(gòu)，是多級(jí)軸流式風(fēng)機(jī)、 空壓機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)。采用另一種結(jié)構(gòu)，兩相鄰級(jí)動(dòng)葉轉(zhuǎn)向相反，后一級(jí)動(dòng)葉不僅起著進(jìn)一步 驅(qū)動(dòng)空氣、向空氣提供動(dòng)能的作用，還起著導(dǎo)向葉的作用，擴(kuò)壓，將動(dòng)能轉(zhuǎn)換成壓力勢(shì)能' 消除周向速度和螺旋流動(dòng)增長(zhǎng)，有效提高風(fēng)扇的風(fēng)壓、風(fēng)量，有利于提高散熱量。綜上所述，本實(shí)用新型和現(xiàn)產(chǎn)品相比，原材料成本降低，制造工藝簡(jiǎn)單'效率高'降低
制造成本，結(jié)構(gòu)緊湊，尺寸小巧，散熱量得到有效提高。
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)一步說(shuō)明。

圖l、 2是本實(shí)用新型的特征剖面示意圖。圖3是套片式結(jié)構(gòu)空氣換熱器特征剖面示意圖。圖4是叉列短肋形強(qiáng)化傳熱結(jié)構(gòu)肋片的特征示意圖。圖5是圖4中A-A剖視圖。圖6是百葉窗短肋形強(qiáng)化傳熱結(jié)構(gòu)肋片的特征示意圖。 圖7是圖6中B-B剖視圖。圖8是波形強(qiáng)化傳熱結(jié)構(gòu)肋片的特征剖面示意圖。圖中，1、吸熱塊，2、蒸發(fā)水道，3、通孔，4、冷凝管，5、空氣換熱器，6、肋片，7、 導(dǎo)向葉，8、動(dòng)葉，9、風(fēng)扇，10、側(cè)風(fēng)口， 11、毛細(xì)管結(jié)構(gòu)，12、定位擴(kuò)邊，13、套管孔翻 邊。
具體實(shí)施方式
計(jì)算機(jī)中的CPU通常都是垂直放置，圖1、 2所示的散熱器的放置都是配合發(fā)熱器件散熱 面為垂直放置的。圖l所示的散熱器，風(fēng)扇(9)為兩級(jí)動(dòng)葉(8)之間設(shè)置有導(dǎo)向葉(7)的 多級(jí)(兩級(jí))軸流式風(fēng)扇；第一級(jí)風(fēng)扇靠吸熱塊(1)處開(kāi)有側(cè)風(fēng)口 (10)，其作用是冷卻 CPU芯片周圍的器件，如果在吸熱塊(1)的背面設(shè)置散熱肋片，側(cè)風(fēng)口 (U))出來(lái)的風(fēng)直接 吹在背面的肋片上；冷凝管(4)的接頭被彎曲，在吸熱塊(1)的一端(上端)，從蒸發(fā)水道 (2)的軸上方向與其接通。蒸發(fā)水道(2)中工質(zhì)液面可以非常高，蒸發(fā)水道(2)被液態(tài)丁質(zhì) 浸沒(méi)的面積也就高，因而可以不設(shè)置毛細(xì)管結(jié)構(gòu)。冷凝管(4)與吸熱塊(1)的連接，p]'采 用釬焊方法焊接，必須牢固，不允許慢性漏氣。圖2所示的散熱器，風(fēng)扇(9)為離心式風(fēng)扇，冷凝管(4)從吸熱塊(1)的背面，直接 插入蒸發(fā)水道(2),與其接通。為了充分發(fā)揮整個(gè)蒸發(fā)水道內(nèi)表面的吸熱蒸發(fā)傳熱作用，蒸 發(fā)水道(2)增設(shè)了毛細(xì)管結(jié)構(gòu)(11)，如溝槽結(jié)構(gòu)、燒結(jié)成的多孔結(jié)構(gòu)、絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)，就可依 靠虹吸力，盡可能使整個(gè)蒸發(fā)水道(2)內(nèi)表面被液態(tài)工質(zhì)濕潤(rùn)；蒸發(fā)表面設(shè)置有毛細(xì)管結(jié)構(gòu)， 還能強(qiáng)化蒸發(fā)傳熱，這都有利于蒸發(fā)傳熱，降低蒸發(fā)段的熱阻。圖1、 2所示的散熱器中， 一根冷凝管對(duì)應(yīng)一蒸發(fā)水道，為了增大蒸發(fā)面積，降低蒸發(fā)熱 阻,可通過(guò)增加吸熱塊(1)中蒸發(fā)水道(2)的數(shù)量來(lái)實(shí)現(xiàn)，蒸發(fā)水道(2)的數(shù)量將多于冷 凝管(4)的數(shù)量。蒸發(fā)水道(2)之間相互貫通的通孔(3)，最好在蒸發(fā)水道(2)上端設(shè)置一個(gè)，平衡通 入各冷凝管內(nèi)的汽態(tài)工質(zhì)流量；在蒸發(fā)水道(2)中部再設(shè)置一個(gè)通孔，保證在各種情況下， 所有的蒸發(fā)水道內(nèi)至少保持有一定量的液態(tài)工質(zhì)，如圖2所示。圖l、 2所示的散熱器，冷凝管與吸熱塊之間的夾角大致為120° ,針對(duì)現(xiàn)應(yīng)用最廣泛的 臺(tái)式計(jì)算機(jī)，冷凝管與吸熱塊之間的夾角的合理選取值應(yīng)該是U()。 13(T 。夾角太火，冷 凝管太斜，散熱器不緊湊，對(duì)安裝不利；夾角太小，當(dāng)計(jì)算機(jī)主機(jī)傾斜時(shí)'可能會(huì)出現(xiàn)冷凝 管中的液態(tài)工質(zhì)靠重力不能回流到蒸發(fā)水道內(nèi)。圖3示出了套片式結(jié)構(gòu)，肋片(6)通過(guò)肋片的套管孔翻邊"3)與冷凝管U)接觸傳 熱，這里有接觸熱阻的問(wèn)題，解決該問(wèn)題有兩種工藝 一、焊接'二、脹管。只有肋片和冷 凝管都為銅材時(shí)，才適合采用錫焊。脹管工藝是一種簡(jiǎn)單、效率高、成本低的工藝，在許多 其它產(chǎn)品生產(chǎn)中普遍采用，如空調(diào)中的空氣換熱器(冷凝器、蒸發(fā)器)，并且不受材料限制， 因而降低了制造工藝成本和原材料成本。圖3示出了在套管孔翻邊(13)上有定位擴(kuò)邊(12)，其作用有肋片之間的片距定位， 對(duì)采用脹管工藝，定位擴(kuò)邊(12)非常重要，它保證脹管前套管孔翻邊(13)不會(huì)插入相鄰 肋片的套管孔里，否則不能保證相鄰肋片的套管孔翻邊(13)與冷凝管壁之間的有效接觸， 將導(dǎo)致接觸熱阻問(wèn)題。空氣換熱器占整個(gè)散熱器的主要體積，為了減小空氣換熱器的體積尺寸，即主要是肋片 所占的空間，可采用強(qiáng)化空氣對(duì)流傳熱結(jié)構(gòu)的肋片。圖4、 5、 6、 7示出了短肋形強(qiáng)化傳熱結(jié) 構(gòu)，圖4、 5為叉列短肋形，圖6、 7為百葉窗短肋形，它們的基本特征是空氣流經(jīng)的表面 被沖切成一段段不連續(xù)的表面，空氣每流經(jīng)一段(短肋)，其上的邊界層都處在邊界層的起始 段，使整個(gè)對(duì)流換熱表面充分利用了邊界層起始段較薄、熱阻小、換熱系數(shù)高的有利特點(diǎn)。如圖8所示的波形結(jié)構(gòu)，其強(qiáng)化傳熱原理是在空氣流動(dòng)方向上，肋片被加工成波形， 空氣流經(jīng)波形表面的凹面時(shí)會(huì)形成旋渦，在下游的凸面處會(huì)形成局部地區(qū)的流體脫離現(xiàn)象， 這些現(xiàn)象都能使傳熱得到強(qiáng)化提高。空氣換熱器設(shè)計(jì)中還必須認(rèn)真考慮肋片之間的片距這一參數(shù)，依據(jù)實(shí)驗(yàn)研究，空氣對(duì)流 換熱系數(shù)與片距的大致-0.7次方成正比，也就是說(shuō)減小片距不僅可以增加肋片數(shù)量，即換熱 面積，還可以極大地提高空氣對(duì)流換熱系數(shù)。最佳片距應(yīng)低于l毫米，但在實(shí)際設(shè)計(jì)中還要 考慮其它因素。對(duì)于平板肋片，片距應(yīng)該不大于1.5毫米，考慮到生產(chǎn)工藝，以及塵埃聚集 污染的危險(xiǎn)因素，片距不應(yīng)小于0.7毫米。對(duì)于采用了波形和短肋形強(qiáng)化傳熱結(jié)構(gòu)的肋片， 片距應(yīng)該不小于0.7，不大于2.0毫米，短肋的寬度在2.0毫米左右?，F(xiàn)有散熱器僅僅考慮將發(fā)熱器件(如CPU)產(chǎn)生的熱量傳到其附近周圍的空氣中，如果 沒(méi)有足量的空氣對(duì)流，周圍的空氣將上升，像計(jì)算機(jī)這樣的電子設(shè)備，機(jī)箱尺寸緊湊小巧， 內(nèi)部空間小，為了降低機(jī)箱內(nèi)部空氣溫度，有效降低CPU以及其它器件的工作溫度，在機(jī)箱 上增設(shè)風(fēng)扇，增加機(jī)箱內(nèi)外的空氣對(duì)流。這樣的設(shè)計(jì)不僅增加了成本、體積，還增加了噪音、 以及設(shè)備的不可靠性。為了克服以上問(wèn)題，可以采用以下方案風(fēng)扇采用離心式(多級(jí)軸流式也可以)，在風(fēng)扇 的出風(fēng)口設(shè)置有與機(jī)箱外相通的排風(fēng)管，這樣可以將發(fā)熱器件產(chǎn)生的熱量直接排放到機(jī)箱外， 有效地降低機(jī)箱內(nèi)部空氣溫度，提高了總散熱效果。
權(quán)利要求1、一種用于冷卻半導(dǎo)體集成芯片的散熱器，包括有吸熱塊(1)、空氣換熱器(5)和風(fēng)扇(9)，空氣換熱器(5)中有冷凝管(4)，冷凝管(4)上設(shè)置有肋片(6)，肋片(6)為套片式，其特征在于吸熱塊(1)中有蒸發(fā)水道(2)，蒸發(fā)水道(2)之間有相互貫通的通孔(3)；冷凝管(4)的一頭封堵，另一頭在吸熱塊(1)的一端，或靠近一端，與蒸發(fā)水道(2)連通；冷凝管(4)與吸熱塊(1)之間的夾角為95°～140°；風(fēng)扇采用了離心式風(fēng)扇，或相鄰兩級(jí)的動(dòng)葉(8)轉(zhuǎn)向相反或之間設(shè)置有導(dǎo)向葉(7)的多級(jí)軸流式風(fēng)扇。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的散熱器，其特征在于在蒸發(fā)水道(2)內(nèi)設(shè)置有毛細(xì)管結(jié)構(gòu)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的散熱器，其特征在于蒸發(fā)水道(2)的數(shù)量多于冷凝管(4) 的數(shù)量。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的散熱器，其特征在于肋片(6)采用了短肋形或波形強(qiáng)化傳 熱結(jié)構(gòu)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的散熱器，其特征在于肋片(6)為平板式，片距不大于1.5 毫米，不小于0.7毫米。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的散熱器，其特征在于風(fēng)扇(9)在靠吸熱塊(1)處開(kāi)有側(cè) 風(fēng)口 (10)。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的散熱器，其特征在于肋片(6)上的套管孔翻邊(13)上有 定位擴(kuò)邊(12)。
專利摘要本實(shí)用新型屬于傳熱、電子器件散熱技術(shù)領(lǐng)域。本實(shí)用新型是一種采用熱虹吸原理的熱管式散熱器。吸熱塊(1)內(nèi)有蒸發(fā)水道(2)，蒸發(fā)水道(2)之間有通孔(3)，冷凝段(4)放熱凝結(jié)成液態(tài)的工質(zhì)靠重力回流到蒸發(fā)水道(2)內(nèi)?？刹捎酶咝У土拿浌芄に嚕鉀Q接觸熱阻問(wèn)題，引入強(qiáng)化空氣對(duì)流傳熱結(jié)構(gòu)，降低了原材料和制造工藝成本，使散熱器尺寸更緊湊。采用高風(fēng)壓的多級(jí)軸流式風(fēng)扇或離心式風(fēng)扇，提高風(fēng)量，進(jìn)而有效地提高散熱量。
文檔編號(hào)H01L23/34GK201054349SQ200720120378
公開(kāi)日2008年4月30日 申請(qǐng)日期2007年5月30日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月30日
發(fā)明者彪 秦 申請(qǐng)人:彪 秦