專利名稱：熱沉、冷卻模塊和可冷卻電子板的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及冷卻半導體集成電路、LED器件、功率器件和其它發(fā)熱體的熱沉、 冷卻模塊和可冷卻電子板。
背景技術(shù)：
在電子設(shè)備、工業(yè)設(shè)備和汽車等中使用了產(chǎn)生大量熱的很多半導體集成電路、 LED器件、功率器件和各種其它器件以及電子部件。這是因為流經(jīng)這些器件和電子部件 內(nèi)部的電流在這些器件和電子部件中產(chǎn)生熱。因為一旦器件和電子部件所產(chǎn)生的熱使其溫度升高到某個水平之上，其正確的 操作就不能被保證，且熱可能影響其它部件和外殼，導致電子部件或工業(yè)設(shè)備的性能的 劣化的可能性，因而存在問題。為了冷卻這樣的發(fā)熱體，按照慣例使用具有多個散熱片的熱沉，所以提出了各 種形狀和具有各種更改的熱沉。在這里，應理解，熱沉吸收從發(fā)熱體散發(fā)的熱，且此外熱從散熱片散發(fā)到空氣 中，因而使發(fā)熱體冷卻。根據(jù)這個觀點提出了各種熱沉(例如，見專利文件1-6)。專利文件1公開了一種熱沉，其中最下面的部分越過包括軸流式風機(axial fan) 的旋轉(zhuǎn)軸的垂直于側(cè)板的平面(權(quán)力要求4，段0014、0019、0023、0025等)?？蛇x地， 專利文件1還公開了一種熱沉，其中相應的散熱片的高度變得越高，它們就越遠離越過 包括軸流式風機的旋轉(zhuǎn)軸的垂直于側(cè)板的平面的部分(段0021、0027、0032等)。專利文件2公開了一種熱沉，其通過設(shè)置在與發(fā)熱體接觸的中心附近的散熱片 的集中冷卻來在整體上增加冷卻效應。也就是說，它公開了一種利用發(fā)熱體容易被安裝 在基底的后表面的中心區(qū)域中的事實的熱沉，所以當熱從基底傳導到散熱片時，這增加 了在中心區(qū)域附近的相應散熱片的熱分布比率。專利文件3公開了一種散熱板，在該散熱板上，以規(guī)定的間隔以徑向方式從基 底的中心布置散熱片。此外，專利文件3公開了在每個散熱片之間有高度差的散熱板。專利文件4公開了一種散熱器，其中構(gòu)成熱沉的基底被形成朝著中心變得較低 的凹面形狀。由于凹面，從基底突出的散熱片在基底中心附近較高，因此與外圍上的散 熱片比較壓力損失的差別升高了。由于壓力損失的這個差別，從冷卻風機產(chǎn)生的冷卻空 氣集中在熱沉的中心區(qū)域中，所以產(chǎn)生大量熱的中心區(qū)域被有效地冷卻。專利文件5公開了在基底上設(shè)置有狹縫的熱沉。特別是，它公開了一種熱沉， 其中第一狹縫被設(shè)置成沿著在與受熱面相對的面上突出的傳熱板上的受熱面前進，而第 二狹縫在垂直于受熱面的方向上被設(shè)置在傳熱板的側(cè)面上。此外，專利文件5還公開了 一種熱沉，由此通過改變第一狹縫和第二狹縫的深度增加了冷卻效應。專利文件6公開了一種熱沉，其中核心部分布置成沿著軸流式風機的中心線， 且薄的板形散熱片在徑向方向上布置在核心部分周圍。專利文件1:日本未經(jīng)審查專利申請公開NO.JP 2006-237366A日本未經(jīng)審查專利申請公開No JP 2005-251892A 日本未經(jīng)審查專利申請公開No.JP H8-195453A 日本專利(Japanese Patent) No.2,744,566 日本未經(jīng)審查專利申請公開No.JP 2003-086984A 日本未經(jīng)審查專利申請公開No JP 2005-277193A專利文件2專利文件3專利文件4專利文件5專利文件6本發(fā)明的公開本發(fā)明打算解決的問題然而，現(xiàn)有技術(shù)的這些例子中的每個著重于通過將發(fā)熱體的熱從熱沉的基底有 效地傳送到散熱片來增加冷卻效率。特別是，發(fā)熱體常常與熱沉的后表面的中心區(qū)域接 觸。由于這個原因，大多數(shù)常規(guī)技術(shù)從冷卻這個中心區(qū)域的中心的技術(shù)觀點建立，因而 增加了在整體上的冷卻效應。隨后接下來是由發(fā)熱體產(chǎn)生的溫度的詳細描述。當討論發(fā)熱體的冷卻時，往往考慮從發(fā)熱體的發(fā)熱產(chǎn)生的溫度的降低程度。然 而，發(fā)熱體發(fā)熱的問題不是測量溫度降低的問題的解決程度，而是測量發(fā)熱體的溫度超 過基準值的問題是否作為結(jié)果而出現(xiàn)。也就是說，不是在發(fā)熱體所產(chǎn)生的溫度的基礎(chǔ)上 討論冷卻，而是應當使用室溫作為基準來討論發(fā)熱體的溫度。換句話說，不是討論發(fā)熱 體的溫度可被冷卻多少，而是應當從累積的觀點討論熱沉的性能，或發(fā)熱體的溫度增加 可被抑制到什么程度。圖20是示出熱沉和發(fā)熱體的溫度的變化的示意圖。熱沉設(shè)置有基底201和散熱片202。發(fā)熱體200與基底201的后表面(受熱面) 的中心區(qū)域接觸。在這里，發(fā)熱體200的溫度可如下使用室溫作為基準來計算。如圖 20所示，散熱片202的外邊緣處于與室溫相同的溫度。來自發(fā)熱體200的熱傳導到基底 201。來自基底201的熱傳導到散熱片202。以及來自散熱片202的熱散發(fā)到外部環(huán)境。在這里，在室溫的基礎(chǔ)上考慮發(fā)熱體200的溫度，在外部環(huán)境和散熱片202之 間出現(xiàn)的溫度梯度(因為熱從發(fā)熱體200散發(fā)，這意味著可能甚至通過考慮外部環(huán)境和 散熱片202的底部之間的溫度差來測量發(fā)熱體200的溫度)被定義為A^。類似地，從 散熱片202的底部到基底201的受熱面的溫度梯度是A T2。而且，從基底201的受熱面 到發(fā)熱體200的溫度梯度是A T3。也就是說，當使用室溫作為基準時發(fā)熱體的溫度由 ATi+AT2+AT3給出。如果由八乃到A T3的和所確定的散熱體的這個溫度超過規(guī)定值， 則這引起發(fā)熱體即電子部件或器件等中的故障。由專利文件1-6代表的現(xiàn)有技術(shù)被認為強調(diào)策略(1)增加來自發(fā)熱體的熱傳導 到散熱片的傳導率，或策略(2)增加在發(fā)熱體所接觸的基底的中心區(qū)域附近冷卻的效率。然而，如果策略(1)被強調(diào)，傳導只在基底的厚度方向上容易出現(xiàn)，所以問題 出現(xiàn)了，其中減小在基底的厚度方向上的熱通量的效應變?nèi)趿恕Ｈ绻麥p小在基底的厚度 方向上的熱通量的這個效應變?nèi)?，則存在問題，因為減小在基底中的溫度梯度的效應也 變?nèi)趿?。這是因為基底中的溫度梯度由基底的熱阻和指示熱傳導的容易性的熱通量的乘 積確定。使用現(xiàn)有技術(shù)，為了降低熱阻，專利文件2關(guān)注于基底的形狀，而專利文件1和3關(guān)注于散熱片的高度。作為結(jié)果，雖然熱阻在基底的厚度方向上變得更小，但熱通量在 熱阻變得更小時變得更大，且作為結(jié)果溫度梯度變得更大。另一方面，策略(2)與在專利文件4中一樣，被表達為用于集中在中心區(qū)域附近 的冷卻的技術(shù)。在這種情況下，也集中于只在基底的厚度方向上的傳熱，所以在厚度方 向上的熱阻變小。然而，熱通量變大，且作為結(jié)果，溫度梯度變得更大。正如從圖20 中很清楚的，為了抑制發(fā)熱體的溫度的增加，必須考慮基底和散熱片兩者，但使用現(xiàn)有 技術(shù)，認為對基底中的溫度梯度有很少的考慮。而且，在專利文件4中，例如，出現(xiàn)了由于使基底凹陷而持久性變壞的問題。也就是說，現(xiàn)有技術(shù)有雙重問題，因為降低基底的厚度方向上的熱通量被阻 止，且同時熱沉本身的持久性和可靠性喪失。為了解決這個問題，本發(fā)明目的是提供熱沉、冷卻模塊和可冷卻電路板，通過 在不損失持久性或可靠性的情況下有效降低基底中的溫度梯度，減小了發(fā)熱體中的溫度 增加(也就是說，增加了發(fā)熱體的冷卻效率)。解決問題的方式根據(jù)本發(fā)明的熱沉設(shè)置有面向發(fā)熱體并從發(fā)熱體吸收熱的基底，并且特征在 于，面向發(fā)熱體的對向部分(facing portion)的熱阻高于圍繞對向部分的周圍部分的熱 阻。本發(fā)明的有價值的效果使用本發(fā)明，基底內(nèi)的溫度梯度減小了，因而抑制了以室溫作為基準的發(fā)熱體 的溫度的增加。而且，使用根據(jù)本發(fā)明的熱沉，在結(jié)構(gòu)持久性或可靠性方面有很小的損失。此外，可以是發(fā)熱體的電子部件或器件中的溫度增加的抑制也抑制了對它們可 被安裝在里面的電子板、電子設(shè)備、工業(yè)設(shè)備或汽車等的有害影響。作為結(jié)果，這增加 了該電子設(shè)備、工業(yè)設(shè)備等的性能和可靠性。
圖1是示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)和本發(fā)明的熱傳導概念的示意圖。圖2(a)是本發(fā)明的實施方式1中的熱沉的側(cè)視圖；圖2(b)是當從上面看時在圖 2(a)中示出的熱沉的頂視圖。圖3是本發(fā)明的實施方式1中的熱沉的側(cè)視圖。圖4是本發(fā)明的實施方式1中的熱沉的側(cè)視圖。圖5是本發(fā)明的實施方式2中的熱沉的側(cè)視圖。圖6是當從上面看時在圖5中示出的熱沉的頂視圖。圖7是本發(fā)明的實施方式2中的熱沉的側(cè)視圖。圖8是本發(fā)明的實施方式3中的熱沉的側(cè)視圖。圖9是本發(fā)明的實施方式4中的冷卻模塊的側(cè)視圖。圖10是本發(fā)明的實施方式4中的冷卻模塊的側(cè)視圖。圖11(a)是本發(fā)明的實施方式5中的可冷卻電子板的側(cè)視圖；圖11(b)是本發(fā)明 的實施方式5中的可冷卻電子板的頂視圖。
圖12是本發(fā)明的工作實例1中的熱沉的斜視圖。圖13是本發(fā)明的工作實例1中的熱沉的斜視圖。圖14是本發(fā)明的比較實例1中的熱沉的斜視圖。圖15是本發(fā)明的比較實例1中的熱沉的斜視圖。圖16是將本發(fā)明的工作實例1中的模擬的結(jié)果反映在熱沉的表面溫度上的斜視 圖。圖17是將本發(fā)明的工作實例1中的模擬的結(jié)果反映在熱沉的表面溫度上的斜視 圖。圖18是示出關(guān)于減小本發(fā)明的工作實例1和比較實例1中的溫度梯度的效應的 實驗的示意圖。圖19(a)是示出在工作實例1的情況中在沿線A-A’的垂直橫截面中的溫度分 布的解釋性圖示；圖19(b)是示出在比較實例1的情況中在沿線A-A’的垂直橫截面中 的溫度分布的解釋性圖示。圖20是示出在熱沉和發(fā)熱體中的溫度變化的示意圖。附圖標記說明1 發(fā)熱體2 基底3 散熱片4、5熱傳導路徑10熱沉
11基底
12對向部分
13周圍部分
14發(fā)熱體
31散熱片
32第一區(qū)域
33第二區(qū)域
具體實施例方式根據(jù)本發(fā)明的方式1的熱沉設(shè)置有面向發(fā)熱體并從發(fā)熱體吸收熱的基底，且在 基底中，面向發(fā)熱體的對向部分的熱阻高于圍繞對向部分的周圍部分的熱阻。使用該結(jié)構(gòu)，熱傳導路徑被并列地構(gòu)造，所以基底內(nèi)部中的熱通量qx減小了， 因此基底中的溫度梯度可減小。通過減小溫度梯度，發(fā)熱體的溫度超過室溫的任何增加 被抑制。根據(jù)本發(fā)明的方式2的熱沉是根據(jù)方式1的熱沉，其中，另外地，對向部分由具 有比周圍部分的熱阻高的熱阻的材料制成。根據(jù)本發(fā)明的方式3的熱沉是根據(jù)方式1或方式2的熱沉，其中對向部分設(shè)置有 多個孔。使用這種配置，基底的對向部分的熱阻變得比周圍部分的熱阻高。
根據(jù)本發(fā)明的方式4的熱沉是根據(jù)方式1-3中的任一個的熱沉，其中基底具有面 向發(fā)熱體的受熱面和與受熱面相對的散熱面，且設(shè)置在第一區(qū)域上的散熱片的熱阻比設(shè) 置在第二區(qū)域上的散熱片的熱阻高，第一區(qū)域是相應于對向部分的散熱面的區(qū)域，而第 二區(qū)域是相應于周圍部分的散熱面的區(qū)域。使用這種配置，散熱片和基底的對向部分的熱阻變得比周圍部分的熱阻高。作 為結(jié)果，熱傳導路徑在基底和散熱片中被并列地構(gòu)造。因為熱傳導路徑被并列地構(gòu)造， 所以基底內(nèi)部中的熱通量qx減小了，因此基底和散熱片中的溫度梯度可減小。根據(jù)本發(fā)明的方式5的熱沉是根據(jù)方式1-4中的任一個的熱沉，其中設(shè)置在第一 區(qū)域中的每單位表面積的散熱片的數(shù)量少于設(shè)置在第二區(qū)域中的每單位表面積的散熱片 的數(shù)量。根據(jù)本發(fā)明的方式6的熱沉是根據(jù)方式1-4中的任一個的熱沉，其中設(shè)置在第一 區(qū)域中的散熱片的總體積小于設(shè)置在第二區(qū)域中的散熱片的總體積。使用這種配置，散熱片和基底的對向部分的熱阻變得比周圍部分的熱阻高。作 為結(jié)果，熱傳導路徑在基底和散熱片中被并列地構(gòu)造。因為熱傳導路徑被并列地構(gòu)造， 所以基底內(nèi)部中的熱通量qx減小了，因此基底和散熱片中的溫度梯度可減小。根據(jù)本發(fā)明的方式7的熱沉是根據(jù)方式1-4中的任一個的熱沉，其中設(shè)置在第一 區(qū)域中的散熱片的數(shù)量為零。使用這種配置，對向部分的熱阻變得比周圍部分的熱阻高。此外，熱沉可被容 易地構(gòu)造。在根據(jù)本發(fā)明的方式8的熱沉中，散熱片進一步設(shè)置在基底的側(cè)表面上，該側(cè) 表面與基底上的散熱面相交。使用這種配置，對向部分的熱阻變得比周圍部分的熱阻高。此外，在側(cè)表面上 的散熱片在平面方向上從發(fā)熱體有效地擴散熱。作為結(jié)果，熱傳導路徑在基底和散熱片 中被并列地構(gòu)造，所以熱通量可減小。因為熱通量可減小，所以基底和散熱片中的溫度 梯度可減小。因為溫度梯度可減小，發(fā)熱體的溫度相對于室溫的增加被抑制。根據(jù)本發(fā)明的方式9的冷卻模塊包括具有受熱面和散熱面的平板形基底以及面 向所述受熱面而布置的平板形熱管，其中在基底中，面向平板形熱管的對向部分的熱 阻比圍繞對向部分的周圍部分的熱阻高，且平板形熱管借助于內(nèi)部密封的冷卻劑的蒸發(fā) 和冷凝來冷卻發(fā)熱體。使用這種配置，發(fā)熱體以及平板形熱管的溫度的增加可被進一步抑制。特別 是，熱傳導路徑在基底內(nèi)部中被并列地構(gòu)造。因為熱傳導路徑被并列地構(gòu)造，基底內(nèi)部 中的熱通量1減小了，因此基底和散熱片中的溫度梯度可減小，所以發(fā)熱體的溫度相對 于室溫的增加被抑制。隨后接下來是參考附圖進行的本發(fā)明的實施方式的描述。注意，在本發(fā)明的單獨的實施方式的描述之前，我們將描述與現(xiàn)有技術(shù)比較的 由本發(fā)明人發(fā)明的本發(fā)明的概念。(本發(fā)明的概念)隨后接下來是指示發(fā)熱體如何變得比室溫熱的計算的描述，室溫是周圍環(huán)境的 溫度。如圖20所述的，發(fā)熱體和室溫之間的溫度差被確定為室溫和散熱片之間出現(xiàn)的溫度梯度ΔΤρ散熱片和基底之間出現(xiàn)的溫度梯度Δ Τ2、以及基底和發(fā)熱體之間出現(xiàn)的溫 度梯度Δ T3的和。隨后接下來是這些溫度梯度的計算的描述。外部環(huán)境和散熱片之間的溫度梯度由對流傳熱確定，所以來自散熱片Q的熱的 散發(fā)率根據(jù)牛頓冷卻定律來計算(方程1)。[方程1]
權(quán)利要求
1.一種熱沉，包括面向發(fā)熱體并從所述發(fā)熱體吸收熱的基底，其中在所述基底中，面向所述發(fā)熱體的對向部分的熱阻高于圍繞所述對向部分的周圍部 分的熱阻。
2.如權(quán)利要求1所述的熱沉，其中所述對向部分由具有比所述周圍部分的熱阻高的熱 阻的材料制成。
3.如權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的熱沉，其中所述對向部分設(shè)置有多個孔。
4.如權(quán)利要求1-3中任一項所述的熱沉，其中所述基底具有面向所述發(fā)熱體的受熱面 和與所述受熱面相對的散熱面，以及所述散熱面設(shè)置有多個散熱片，以及設(shè)置在第一區(qū)域上的所述散熱片的熱阻高于設(shè)置在第二區(qū)域上的所述散熱片的熱 阻，所述第一區(qū)域是相應于所述對向部分的所述散熱面的區(qū)域，而所述第二區(qū)域是相應 于所述周圍部分的所述散熱面的區(qū)域。
5.如權(quán)利要求1-4中任一項所述的熱沉，其中設(shè)置在所述第一區(qū)域中的每單位表面積 的散熱片的數(shù)量少于設(shè)置在所述第二區(qū)域中的每單位表面積的散熱片的數(shù)量。
6.如權(quán)利要求1-4中任一項所述的熱沉，其中設(shè)置在所述第一區(qū)域中的所述散熱片的 總體積小于設(shè)置在所述第二區(qū)域中的所述散熱片的總體積。
7.如權(quán)利要求1-4中任一項所述的熱沉，其中設(shè)置在所述第一區(qū)域中的散熱片的數(shù)量 為零。
8.如權(quán)利要求4-7中任一項所述的熱沉，其中散熱片還設(shè)置在所述基底的側(cè)表面上， 所述側(cè)表面與所述基底中的所述散熱面相交。
9.一種冷卻模塊，包括具有受熱面和散熱面的平板形基底，以及平板形熱管，其面向所述受熱面而被布置，其中在所述基底中，面向所述平板形熱管的對向部分的熱阻高于圍繞所述對向部分的周 圍部分的熱阻，以及所述平板形熱管借助于內(nèi)部密封的冷卻劑的蒸發(fā)和冷凝來冷卻發(fā)熱體。
10.如權(quán)利要求9所述的冷卻模塊，其中多個散熱片設(shè)置在第二區(qū)域上，而零個散熱 片設(shè)置在第一區(qū)域上，所述第一區(qū)域是相應于所述對向部分的所述散熱面的區(qū)域，而所 述第二區(qū)域是相應于所述周圍部分的所述散熱面的區(qū)域。
11.如權(quán)利要求9或權(quán)利要求10所述的熱沉，其中散熱片還設(shè)置在所述基底的側(cè)表面 上，所述側(cè)表面與所述基底中的所述散熱面相交。
12.—種可冷卻電子板，包括電子板，具有發(fā)熱的特性的電子部件，所述電子部件安裝在所述電子板上，以及根據(jù)權(quán)利要求9-11中任一項的冷卻模塊，所述冷卻模塊面向所述電子部件被布置。
全文摘要
根據(jù)本發(fā)明的熱沉(10)設(shè)置有面向發(fā)熱體(14)并從發(fā)熱體(14)吸收熱的基底(11)。在基底(11)內(nèi)，面向發(fā)熱體(14)的對向部分(12)的熱阻高于圍繞對向部分(12)的周圍部分(13)的熱阻。
文檔編號H01L23/427GK102017134SQ20098011287
公開日2011年4月13日 申請日期2009年2月2日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月8日
發(fā)明者大沢健治, 小谷俊明, 水田敬, 鶴田克也 申請人:株式會社淵上微, 鹿兒島大學