專利名稱：一種鋁制半導(dǎo)體器件散熱器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及半導(dǎo)體器件的散熱技術(shù)領(lǐng)域，特別是有由導(dǎo)熱塊、鋁擠出成形的肋片和 風(fēng)扇組成的散熱器。
技術(shù)背景隨著半導(dǎo)體功率器件、半導(dǎo)體發(fā)光器件的功率提高，特別是半導(dǎo)體集成電路晶體管數(shù)量 的增加，以及工作頻率的增加，其間發(fā)熱量也隨著增加，當(dāng)前計(jì)算機(jī)CPU以及GPU芯片散 熱問題已經(jīng)成了計(jì)算機(jī)發(fā)展過程中的障礙。長(zhǎng)期以來，電子器件的散熱不被重視，技術(shù)一直 處于原始的傳熱概念階段，上世紀(jì)六十至七十年代，傳熱技術(shù)的研究已經(jīng)非常完善了，只要 將其中的研究成果，采用正確的方法，引入電子器件的散熱技術(shù)，就可以得到顯著的結(jié)果?，F(xiàn)有一種CPU芯片鋁材散熱器圓柱的一端面為吸熱面，它緊貼在芯片的散熱面上，圓柱的側(cè)面四周伸出許多肋片，也稱之為太陽(yáng)花，風(fēng)扇在圓柱的另一端，吸熱面背對(duì)的一側(cè)，風(fēng)扇和圓柱同軸；芯片產(chǎn)生的熱量通過芯片的散熱面與圓柱上的吸熱面接觸導(dǎo)熱，傳到圓柱， 熱量在圓柱內(nèi)以導(dǎo)熱的方式傳到圓柱側(cè)面，再傳到肋片上，風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)空氣，流經(jīng)肋片，以對(duì) 流傳熱方式將熱量傳到空氣中，散出，圓柱在此僅起導(dǎo)熱作用，因而就稱之為導(dǎo)熱塊。這種 結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)有由于風(fēng)扇和圓柱(導(dǎo)熱塊)同軸，風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)空氣，順著圓柱側(cè)面、以及肋片流 動(dòng)，有效地減小風(fēng)扇電機(jī)引起的肋片中空氣流動(dòng)死區(qū)的存在；由于肋片和圓柱(導(dǎo)熱塊)是 采用鋁擠出工藝成形，肋片和導(dǎo)熱塊是一體，保證了肋片和圓柱之間的熱傳導(dǎo)。但現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)沒有深入地分析該散熱器中的傳熱過程和空氣流動(dòng)過程，都是采用現(xiàn)市 場(chǎng)上的單級(jí)軸流式風(fēng)扇，沒有考慮到不同的風(fēng)扇其風(fēng)壓與流量的特性關(guān)系，并不清楚現(xiàn)市場(chǎng) 上普遍采用的單級(jí)軸流式風(fēng)扇，其葉片設(shè)計(jì)是以通風(fēng)為目的，以風(fēng)量最大為目標(biāo)，不考慮風(fēng) 壓，因而在用于散熱器時(shí)，如果肋片密集，流動(dòng)阻力大時(shí)，其風(fēng)量迅速下降，噪音也大。面 對(duì)不斷增加的CPU發(fā)熱量，加密肋片，僅僅從提高轉(zhuǎn)速來提高風(fēng)量風(fēng)壓，帶來震動(dòng)、噪音、 軸承壽命問題的同時(shí)，風(fēng)量風(fēng)壓并沒有得到有效提高，因?yàn)?，軸流式風(fēng)扇中的葉片相對(duì)空氣 流的沖角有適合的范圍，超過該范圍，性能則迅速下降。也就是說，現(xiàn)單級(jí)軸流式風(fēng)扇不適 用于肋片高度密集的散熱器?，F(xiàn)產(chǎn)品為了提高散熱量， 一味地加大、加高肋片尺寸。肋長(zhǎng)(肋片根處，靠導(dǎo)熱塊處， 到肋片尖處的長(zhǎng)度)達(dá)到30mm，肋長(zhǎng)加長(zhǎng)了，為不降低肋效率，增加肋片厚度，根處肋厚 達(dá)到2mm，肋片之間的間隙為2 3mm，這樣稀的肋片密度，散熱面積不足時(shí)，只好增加肋 片肋寬(導(dǎo)熱塊高度方向的距離)達(dá)到30mm,這就導(dǎo)致整個(gè)散熱器尺寸非常之大，是計(jì)算 機(jī)主板上占主要空間尺寸的器件，已經(jīng)是減小計(jì)算機(jī)尺寸、緊湊化設(shè)計(jì)中的障礙。這些不合 理設(shè)計(jì)還造成散熱器的鋁材用量大，成本高。 發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型是針對(duì)上述散熱器進(jìn)行改進(jìn)，采用離心式風(fēng)扇或多級(jí)軸流式風(fēng)扇，提高風(fēng)壓， 進(jìn)而可增加肋片密度，優(yōu)化尺寸，減小肋片厚度，減小散熱尺寸，降低材料成本，又進(jìn)一歩 提高散熱量。本實(shí)用新型的技術(shù)方案是散熱器主要部件包括有導(dǎo)熱塊、肋片和風(fēng)扇，導(dǎo)熱塊上有一平整的吸熱面，在導(dǎo)熱塊側(cè)面四周設(shè)置有肋片，肋片順著周向朝一個(gè)方向彎曲，肋片為鋁材，采用擠出工藝，整體擠出成形；風(fēng)扇設(shè)置在和吸熱面背對(duì)的一側(cè)，這些結(jié)構(gòu)與現(xiàn)被稱為太陽(yáng)花式的CPU散熱器類似。本實(shí)用新型的特征在于風(fēng)扇為離心式風(fēng)扇，或多級(jí)軸流式 風(fēng)扇。在同樣的轉(zhuǎn)速和扇葉直徑的情況下，離心式風(fēng)扇的風(fēng)壓高于單級(jí)軸流式風(fēng)扇，并且風(fēng)壓 和流量特性也更好；多級(jí)軸流式風(fēng)扇，則通過增加扇葉級(jí)數(shù)來提高風(fēng)壓，而轉(zhuǎn)速不必增加。 因而風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速、振動(dòng)、噪音降低，電機(jī)軸承壽命增加。風(fēng)壓的提高，尤其是采用多級(jí)軸流 式風(fēng)扇，可以通過增加扇葉級(jí)數(shù)得到更高的風(fēng)壓，就可以減小肋片之間的間隙，將帶來顯著 的效果。根據(jù)傳熱學(xué)和空氣動(dòng)力學(xué)，可得知本實(shí)用新型中肋片內(nèi)的空氣對(duì)流傳熱屬于窄縫內(nèi)對(duì) 流傳熱，空氣對(duì)流傳熱系數(shù)和肋片之間的間隙尺寸成反比，也就是說間隙越小，即肋片越密 (散熱器越緊湊)，空氣對(duì)流傳熱系數(shù)越高。因而減小肋片間隙，不僅增大了傳熱面積，而 且還提高空氣對(duì)流傳熱系數(shù)，效應(yīng)是雙倍地提高。最佳間隙是lmm以下，但考慮到運(yùn)行時(shí)的塵埃污染問題， 一般不把間隙設(shè)計(jì)到lmm以 下， 一般取1.2 1.5mm的間隙，空調(diào)里空氣換熱器中的肋片之間的間隙在1.5mm左右。本 實(shí)用新型認(rèn)為，肋片間隙選取2.0mm以下為合理值，由于肋片間隙不一定是均勻的， 一是 從肋根到肋尖的肋片間隙不一定均勻，二是每個(gè)肋片的間隙不一定均勻，此處所述的肋片間 隙是平均間隙。


以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)一步說明。圖1是采用離心式風(fēng)扇的本實(shí)用新型散熱器的基本結(jié)構(gòu)示意圖。圖2、 3是采用多級(jí)軸流式風(fēng)扇的本實(shí)用新型散熱器的基本結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是肋片和導(dǎo)熱塊的特征結(jié)構(gòu)示意圖。圖中，1、風(fēng)扇，2、肋片，3、導(dǎo)熱塊。圖l、 2、 3示出了本實(shí)用新型散熱器的基本結(jié)構(gòu)組成，吸熱面就在導(dǎo)熱塊(3)的下面， 風(fēng)扇(1)設(shè)置在導(dǎo)熱塊(3)的上側(cè)，吸熱面背對(duì)的一側(cè)，肋片(2)圍著導(dǎo)熱塊(3)，在 導(dǎo)熱塊(3)的側(cè)面上，導(dǎo)熱塊(3)高出(軸向)肋片(2)，是便于空氣流通，均勻地流經(jīng) 肋片(2)，因?yàn)槌３１焕鋮s的電子器件大都是扁平的，或散熱面大于導(dǎo)熱塊的吸熱面(橫截 面)，導(dǎo)熱塊高出肋片所形成的空間，就成了空氣流動(dòng)通道，這樣可消除肋片內(nèi)的空氣流動(dòng) 死區(qū)，這些和現(xiàn)太陽(yáng)花式CPU散熱器基本結(jié)構(gòu)類似。圖1為采用離心式風(fēng)扇的本實(shí)用新型散熱器的示意圖，風(fēng)扇(1)的進(jìn)風(fēng)口對(duì)著肋片(2)， 空氣被風(fēng)扇(1)抽吸，流經(jīng)肋片(2)。圖2、 3為采用多級(jí)(兩級(jí))軸流式風(fēng)扇的本實(shí)用新型散熱器的示意圖。多級(jí)軸流式風(fēng) 扇不是簡(jiǎn)單地將兩個(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-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)置向?qū)~，如圖2所示，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)。還可采用 另一種結(jié)構(gòu)，兩相鄰級(jí)動(dòng)葉轉(zhuǎn)向相反，如圖3所示，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。圖4是肋片和導(dǎo)熱塊的特征俯視圖，示出了一特征，肋片(2)順著周向朝一個(gè)方向彎 曲，這樣的彎曲肋片使得肋片根處和尖處的間隙之差減小，可以設(shè)計(jì)制造出，從根處到尖處 的間隙一致。無(wú)論是每個(gè)肋片之間的間隙，還是從根處到尖處的間隙，間隙盡可能要均勻一 致，這非常重要，這樣能保證空氣流經(jīng)肋片均勻，有利于整體散熱面得到充分發(fā)揮。如果根 處間隙小、尖處間隙大，則流經(jīng)靠尖處的的空氣量大，但由于肋片內(nèi)的導(dǎo)熱熱阻，肋片尖處 的溫度低于根處的溫度，因而根處散熱優(yōu)勢(shì)得不到有效利用。間隙均勻還有一優(yōu)點(diǎn)是相同 的肋長(zhǎng)，相同的肋片數(shù)，即總肋片面積相同，在導(dǎo)熱塊外徑相同的情況下，散熱器外徑小， 更緊湊。因而本實(shí)用新型選取肋片尖處間隙和根處間隙之比不得大于1.5。軸流式風(fēng)扇中葉片驅(qū)動(dòng)空氣運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生有周向分速度，離心向外。將風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)方向與肋 片彎曲方向相反，則空氣的周向分速度也就反著肋片的彎曲方向，經(jīng)風(fēng)扇的空氣直接吹在肋 片彎曲內(nèi)側(cè)(向心側(cè))，空氣的周向分速度與肋片彎曲的內(nèi)側(cè)小于9(T ，因而肋片對(duì)空氣有著向心推力，這樣有利于增加靠肋片根處的空氣流量，有利于散熱提高。肋寬過大，空氣流經(jīng)肋片的距離長(zhǎng)，流動(dòng)阻力大，流經(jīng)的空氣量減小，不利于提高對(duì)流散熱；又肋寬加大，則導(dǎo)熱塊的高度增加，導(dǎo)熱塊內(nèi)的導(dǎo)熱距離加大，導(dǎo)熱熱阻增加，不利 于散熱提高。對(duì)CPU散熱器，若肋寬為25mm，導(dǎo)熱塊就應(yīng)該有30mm高，這已經(jīng)是非常 高的值，肋寬選取不大于25mm為合理值。如果對(duì)流傳熱面不夠，最好不要選擇提高肋寬， 應(yīng)選擇減小肋片間隙(加密肋片)和增大導(dǎo)熱塊直徑，來增加肋片數(shù)。依據(jù)傳熱學(xué)，肋效率是mL的函數(shù)，隨著mL的增大而下降，為曲線下降的函數(shù)關(guān)系， mL為l.O時(shí)，肋效率下降速度最快，對(duì)于直肋(本實(shí)用新型所涉及的)，此時(shí)肋效率大致為 76%， 一般設(shè)計(jì)時(shí)取mL的值不大于l.O，其中L為肋長(zhǎng)(肋根到肋尖的長(zhǎng)度)，m和肋片的 厚度的平方根成反比。如果肋片厚度減小4倍，肋長(zhǎng)L減小2倍，則肋效率不變。說明減小 肋片厚度，能有效地減小肋片材料用量，現(xiàn)空調(diào)里的空氣換熱器(蒸發(fā)器和冷凝器)中的肋 片(鋁材)厚度減小到0.1mm以下。減小肋厚度非常有意義減少材料，即降低成本，減小肋厚所占的流通面積，空出的空 間可增加肋片數(shù)，即增加了散熱面積。受鋁擠出工藝的限制，不可能制造出O.lmm厚的肋 片，但2.0mm厚的肋片是非常不合理的。本實(shí)用新型提出，取肋片厚度不大于0.8mm為合 理，依據(jù)傳熱原理，肋片制造成根處厚、尖處薄更為理想，而擠出工藝就能制造出這種肋片， 以上提出的肋片厚度不大于0.8mm，應(yīng)該是平均肋片厚度不大于0.8mm。肋片厚度減小，為 保證肋效率不低，肋長(zhǎng)不能太長(zhǎng)，本實(shí)用新型認(rèn)為肋長(zhǎng)不大于25mm為宜。
權(quán)利要求1、一種用于冷卻半導(dǎo)體器件的散熱器，包括有導(dǎo)熱塊(3)、肋片(2)和風(fēng)扇(1)，導(dǎo)熱塊(3)上有一平整的吸熱面，肋片(2)在導(dǎo)熱塊(3)側(cè)面四周，順著周向朝一個(gè)方向彎曲，肋片(2)為鋁材，采用擠出工藝，整體擠出成形，風(fēng)扇(1)設(shè)置在吸熱面背對(duì)的一側(cè)，其特征在于風(fēng)扇(1)為離心式風(fēng)扇，或多級(jí)軸流式風(fēng)扇。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的散熱器，其特征在于肋片的肋長(zhǎng)不大于25mm，肋片的肋 寬不大于25mm，肋片的平均厚度不大于0.8mm，肋片之間的平均間隙為2.0mm以下。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的散熱器，其特征在于肋片(2)尖處間隙和根處間隙之比 不大于1.5。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l、或2、或3所述的散熱器，其特征在于風(fēng)扇(1)轉(zhuǎn)動(dòng)方向和肋 片(2)的彎曲方向相反。
專利摘要本實(shí)用新型提供一種半導(dǎo)體器件用的散熱器，是針對(duì)現(xiàn)有的被稱為太陽(yáng)花式CPU散熱器改進(jìn)。采用離心式風(fēng)扇或多級(jí)軸流式風(fēng)扇，提高風(fēng)扇風(fēng)壓，增加流經(jīng)肋片的空氣流量，因而可減小肋片(2)之間的間隙，肋片散熱面積有效提高，對(duì)流傳熱系數(shù)也同步增長(zhǎng)。優(yōu)化肋片尺寸，使散熱器尺寸更小，更緊湊，成本更低，而散熱量更高。
文檔編號(hào)H01L23/34GK201119227SQ20072017058
公開日2008年9月17日 申請(qǐng)日期2007年11月7日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月7日
發(fā)明者彪 秦 申請(qǐng)人:彪 秦