CN101090097A - 热管式cpu散热器及制造工艺 - Google Patents

Abstract

本发明属于传热、电子器件散热技术领域。本发明是一种采用重力回流(热虹吸原理)的热管式散热器。热管(2)成L形，肋片(3)采用了对流强化传热结构，有效地减小散热器的尺寸，便于在电脑主板上安装。采用高风压的离心式风扇，或高效结构的多级轴流式风扇(6)，提高风量，有效地提高散热量。改变生产工序，实现采用胀管工艺解决肋片和热管之间的接触热阻问题。对吸热块(1)和蒸发段(7)的配合进行了改进，降低了材料和制造成本。

Description

热管式CPU散热器及制造工艺

所属技术领域

本发明涉及电子器件散热技术，尤其是采用热管原理、主要由吸热块、热管加肋片和风扇组成的、用于冷却半导体集成芯片的散热器。

背景技术

随着半导体集成电路晶体管数量的增加，器件的发热量也随着增加。当前电脑CPU芯片的发热和散热问题已经成了计算机发展过程中的障碍，单纯的铝基翅片加风扇结构的散热器已经满足不了要求，热管式散热器都普遍被台式电脑CPU散热器采用了。

目前台式电脑CPU散热器的基本问题有：尺寸庞大，笨重，散热量不高，价格高。这些问题阻碍了热管式散热器在台式电脑中更广泛的应用。这些问题的产生，是由于设计不合理，表现出传热原理不清晰，制造加工工艺、工序不合理，低效，成本高。

现CPU散热器中的热管，一般都是管内壁有烧结成型的、厚厚的多孔结构层的铜制管，管内液态工质从冷凝段回流到蒸发段，就是依靠该多孔结构层的毛细管虹吸原理。这种热管制造工艺复杂，效率低，要求非常高，必须采用无氧铜管，低效率地灌加内壁铜粉层，多次在还原性气体中高温烧结，有烧结成品率的问题，因而热管本身***格非常高。

由于工艺要求，热管必须完成抽真空、灌入工质、封焊成品后才能进行后续工序，这给后续工艺带来了致命的问题，主要有：冷凝段上设置肋片，解决肋片和热管外壁之间的接触热阻问题。套片式肋片简单，因而被普遍采用，但是，在其他行业(如空调行业)中，普遍采用的高效、可靠、低价的胀管工艺，在此却完全不能被采用；采用整体锡焊工艺，面临着焊接时的高温引起热管中高压，可能导致热管***的危险；一片一片地紧配合套入方法，对热管外径精度要求高，接触不可靠，生产效率太低。

电脑主板尺寸有限，不宜承担重物。减小散热器尺寸，减小其占主板的面积，减轻重量，对整体性能有益，这是非常重要的。但现热管，为保证热管内的毛细管结构不被破坏，热管的弯曲半径受限制，一般最小弯曲半径为三倍的热管直径，因而散热器的尺寸不易实现紧凑化设计。蒸发段和冷凝段之间的距离也长，对热管传输热量不利。另外，空气换热器部分(主要是肋片)的设计，没有深入运用传热学知识进行优化设计，对蒸发段与吸热块之间的接触热阻问题也不够重视。

发明内容

本发明利用重力回流(热虹吸原理)，省去高成本的在整个管内壁烧结一层厚厚的毛细管结构，改变制造工序和工艺，采用整体套片胀管等简单、高效的生产工艺，大大地降低制造成本；引入强化传热结构，优化设计，使散热器不仅散热量得到提高，散热器的尺寸也小巧紧凑，重量减轻，材料成本显著下降。

本发明所采用的技术方案是：散热器主要部件有：吸热块、热管、肋片和风扇。热管的冷凝段上设置有套片式肋片，热管的蒸发段紧固在吸热块上，这和现热管式散热器类似，本发明的特征在于：热管被折弯，一侧为冷凝段，另一侧为蒸发段，冷凝段和蒸发段之间成95°～140°角；吸热块采用铝或铝合金制成，有嵌孔，热管的蒸发段嵌在嵌孔吸内；肋片采用了短肋形或波形强化传热结构，或片距为0.7至1.5mm的平板肋；冷凝段上设置肋片的工序在充液管封口工序之前，并采用了胀管工艺或整体锡焊工艺；

现台式电脑，主板都是垂直放置，芯片的散热面也就垂直，散热器的吸热块也就垂直放置。本发明的散热器，安装要求热管的蒸发段垂直，冷凝段在上，这样在热管弯曲段和蒸发段，热管内液态工质回流最大利用重力作用。由于蒸发段和冷凝段的夹角不小于95°，冷凝段向蒸发段下倾就有5°以上，冷凝段内液态工质就可依靠重力作用回流。蒸发段和冷凝段两者之间夹角越大，重力作用回流力也越大，热管内热传输也就越高；但夹角太大，整体尺寸加大，结构不紧凑，倾斜的空气换热器可能与主板上的其它元件或部件产生干涉，一般取115°～125°为佳。如果芯片水平放置，则热管蒸发段水平，冷凝段向蒸发段下倾有40°以上，热管完全处于重力回流状态。

由于完全靠重力回流(热虹吸原理)，降低了热管内毛细管的虹吸作用，冷凝段内可以不需要毛细管结构，因而就可以省去在整个管内壁需要烧结一层厚厚的毛细管结构，一、降低了热管成本，二、可以改变散热器的制造工序和工艺，进一步提高生产效率和降低成本。制造工序上的改变：将热管充液、抽真空、封焊充液管(充液管封口)的工序排在热管的冷凝段上设置肋片的工序之后，因而可以采用胀管工艺。

肋片上的套管孔比热管冷凝段直径稍大一点，使得所有的肋片可以一次套入热管，再采用胀管工艺，胀大冷凝段的管径，使肋片上的套管孔翻边与管外壁紧密接触，这样就有效可靠地解决了接触热阻问题，该工艺简单、高效，不限制材料，肋片可以采用铝材，不仅制造成本降低了，材料成本也降低了。

肋片和热管之间还可采用整体锡焊工艺：肋片整体套入热管，***锡焊料，一起整体加热，使焊锡溶化，由于没有封口，不会出现高温导致热管内产生高压，从而引起***的危险，加热温度不受限制，因而可以采用高温回流焊，连续高效地生产。

虽然纯铜比纯铝导热系数高近1.7倍，但对于吸热块中的导热，铜材和铝材制成的吸热块没有明显的区别。但是，铜的重量是铝的3.2倍，单位重量铜的价格是铝的2倍多，因而铜制的吸热块比铝制的材料成本要多近6倍。另外，铝加工成型要容易得多，采用挤制工艺，挤制成横截面与吸热块一致的长条型材(嵌孔也就是挤制成型)，再裁切成一块块的，稍作加工则成了吸热块，这样的制造效率高，因而采用铝材制造吸热块，不仅原料成本低，而且加工费用也低。

空气换热器占整个散热器的主要体积，为了减小空气换热器的体积尺寸，即主要是肋片所占的空间，可采用强化空气对流传热结构的肋片。短肋形强化传热结构，是肋片式空气对流强化传热最有效的结构，分有叉列短肋形和百叶窗短肋形，其基本特征是：空气流经的表面被冲切成一段段不连续的表面，空气每流经一段(短肋)，其上的边界层都处在边界层的起始段，使整个对流换热表面充分利用了边界层起始段较薄、热阻小、换热系数高的有利特点。

波形结构，其强化传热原理是：在空气流动方向上，肋片被加工成波形，空气流经波形表面的凹面时会形成旋涡，在下游的凸面处会形成局部地区的流体脱离现象，这些现象都能使传热得到强化提高。

由冷凝段和肋片构成的空气换热器设计中还必须认真考虑肋片之间的片距这一参数，依据实验研究，空气对流换热系数与片距的大致-0.7次方成正比，也就是说减小片距不仅可以增加肋片数量，即换热面积，还可以极大地提高空气对流换热系数。最佳片距应低于1毫米，但在实际设计中还要考虑其它因素。对于平板肋片，片距应该不大于1.5毫米，考虑到生产工艺，以及尘埃聚集污染的危险因素，片距不应小于0.7毫米。对于采用了波形和短肋形强化传热结构的肋片，片距应该不小于0.7，不大于2.0毫米，短肋的宽度在2.0毫米左右。

综上所述，本发明将使散热器结构紧凑，体积小巧，安装面积减小，材料成本和制造成本下降，散热量得到有效提高。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

附图说明

图1、3、5是本发明的特征剖面示意图。

图2、4、6、7是吸热块横截面特征剖面示意图。

图8是蒸发段横截面特征剖面示意图。

图9是波纹管特征剖面示意图。

图10是套片式结构特征剖面示意图。

图11是叉列短肋形强化传热结构肋片的特征示意图。

图12是图11中A-A剖视图。

图13是百叶窗短肋形强化传热结构肋片的特征示意图。

图14是图13中B-B剖视图。

图15是波形强化传热结构肋片的特征剖面示意图。

图中，1、吸热块，2、热管，3、肋片，4、冷凝段，5、充液管，6、风扇，7、蒸发段，8、嵌孔，9、动叶，10、导向叶，11、侧风口，12、底块，13、压块，14、内肋，15、定位扩边，16、套管孔翻边。

具体实施方式

图1、3、5示出了三种散热器，图1中风扇(6)为单级；图3中风扇(6)为两动叶(9)之间设置有导向叶(10)的多级(两级)轴流式风扇，在第一级风扇靠吸热块(1)处开有侧风口(11)；图3中风扇(6)为离心式风扇。图1、3中，热管(2)上的充液管(5)在冷凝段(4)上，图5中的充液管(5)在蒸发段(7)上。

肋片加密，采用强化换热结构，减小空气换热器尺寸，大大地提高了空气流动阻力。单级轴流式风扇风压不足，克服不了肋片的空气流动阻力，导致风量急剧下降，流经空气换热器的空气温度迅速上升，空气换热器的换热温差下降，则散热量下降。单级轴流式风扇已经满足不了要求。离心式风扇，风压高，能满足以上要求。

单级轴流式风扇不行，可采用多级，但是不能简单地将现两个或多个轴流式风扇叠加在一起，这样效果非常低。因为空气经过一级风扇，被风扇扇叶(此称为动叶)驱动，有轴向速度，还有周向速度，成螺旋流动，如果后一级风扇动叶转向相同，则进一步增大周向速度，即增大了螺旋流动，螺旋流动不利于提高风压、风量。如果在两级动叶之间设置导向叶，空气流经导向叶，周向速度被消除，空气的部分速度动能转换成压力势能，空气流动方向更适合后一级动叶相对空气的冲角，这种两相邻动叶之间设置导向叶的结构，是多级轴流式风机、空压机的标准结构。还可采用另一种结构，两相邻级动叶转向相反，后一级动叶不仅起着进一步驱动空气、向空气提供动能的作用，还起着导向叶的作用，扩压，将动能转换成压力势能，消除周向速度和螺旋流动增长，有效提高风扇的风压、风量，有利于提高散热量。

图2所示的吸热块和图4所示的区别有：图4所示的吸热块的嵌孔(8)有一缺口，开在吸热块的背面，嵌孔像有两唇，缺口像唇口，将热管蒸发段包嵌在里面。此结构方便了热管蒸发段与吸热块的快速装配，前工序(挤制工艺)制造的嵌孔(8)比蒸发段的直径稍大，便于热管蒸发段***吸热块嵌孔，采用一契形工件压在嵌孔的两唇上，施加压力，使嵌孔两唇变形，缺口缝间距减小，缺口的作用就在此，嵌孔缩小，热管蒸发段受径向挤压，这样能使蒸发段周圈与吸热块接触配合均匀，有效地解决它们之间的接触热阻问题。如果插装时涂有导热膏，则接触导热更可靠。蒸发段尽可能大的面积被吸热块包嵌住，有利于吸热块与蒸发段之间的传热，有效地发挥蒸发段内的所有蒸发传热面。

要实现图2所示的吸热块嵌孔(8)与热管蒸发段(7)均匀紧密配合，就要困难一些。如直接过盈紧配合***嵌孔(8)，或胀管工艺。图6和图4所示的吸热块同类，区别在于图6所示的吸热块嵌孔(8)缺口上有连桥。

图7示出了另一种吸热块结构，吸热块由两种部件构成，底块(12)和压块(13)，两者之间的结合面采用了凹凸相配的结构，底块(12)和压块(13)配合后构成的嵌孔(8)比热管蒸发段要小，压装压块(13)前，蒸发段可以很容易地***，压装压块(13)后，蒸发段周圈被紧密地包嵌在吸热块中，可靠地解决了其间的接触热阻问题。凹凸结合面的作用，是解决底块(12)和压块(13)之间的接触热阻问题，由于制造加工有公差，不可能保证热管蒸发段与底块(12)和压块(13)紧密配合的同时，又保证底块(12)和压块(13)之间上下面的紧密接触，存在接触热阻问题。采用凹凸结构结合面，凹凸为紧配合，就保证凹凸侧面紧密接触，底块(12)的热量通过凹凸侧面传到压块(13)上，这样就解决了其间的接触热阻问题。

为了强化蒸发段(7)内的蒸发传热，可以采用扩大蒸发传热面积，如在蒸发段(7)内设置内肋(14)，如图8所示，蒸发段内肋(14)可以是针柱形，如图8(a)所示；也可以是肋片状；可以是以蒸发段管壁为基材，拉挤形成的内肋，也可以是另一部件，采用焊接或紧配合方法设置在蒸发段管内壁上，如图8(b)所示。

为了充分发挥整个蒸发段内表面的吸热蒸发传热作用，可以在蒸发段(7)内增设毛细管结构，如沟槽结构、烧结成的多孔结构、丝网结构，就可依靠虹吸力，尽可能使整个蒸发段(7)内表面被液态工质湿润；蒸发表面设置有毛细管结构，还能强化蒸发传热，这都有利于蒸发传热，降低蒸发段的热阻。

图1、3、5所示的散热器，冷凝段与蒸发段之间的夹角大致为110°，针对现应用最广泛的台式计算机，冷凝段与蒸发段之间的夹角的合理选取值应该是110°～130°。夹角太大，冷凝段太斜，散热器不紧凑，对安装不利；夹角太小，当计算机主机倾斜时，可能会出现冷凝段中的液态工质靠重力不能回流到蒸发段内。

为了减小冷凝段和蒸发段之间弯管的弯曲半径，使散热器结构更紧凑，且便于弯折加工，冷凝段和蒸发段之间的弯管采用波纹管结构，如图9所示，图9(c)为直管时波纹管特征剖面示意图，图9(d)为折弯后的示意图。

图10示出了套片式结构，肋片(3)通过肋片的套管孔翻边(16)与冷凝段(4)接触传热，这里有接触热阻的问题，解决该问题有两种工艺：一、焊接，二、胀管。只有肋片和冷凝管都为铜材时，才适合采用锡焊。胀管工艺是一种简单、效率高、成本低的工艺，在许多其它产品生产中普遍采用，如空调中的空气换热器(冷凝器、蒸发器)，并且不受材料限制，因而降低了制造工艺成本和原材料成本。

图10还示出了在套管孔翻边(16)上有定位扩边(15)，其作用有：肋片之间的片距定位，对采用胀管工艺，定位扩边(15)非常重要，它保证胀管前套管孔翻边(16)不会***相邻肋片的套管孔里，否则不能保证相邻肋片的套管孔翻边(16)与冷凝管壁之间的有效接触，将导致接触热阻问题。

图11、12、13、14示出了短肋形强化传热结构，图11、12为叉列短肋形，图13、14为百叶窗短肋形，它们的基本特征是：空气流经的表面被冲切成一段段不连续的表面。如图8所示的波形结构，在空气流动方向上，肋片被加工成波形。

现有散热器仅仅考虑将发热器件(如CPU)产生的热量传到其附近周围的空气中，如果没有足量的空气对流，周围的空气将上升，像计算机这样的电子设备，机箱尺寸紧凑小巧，内部空间小，为了降低机箱内部空气温度，有效降低CPU以及其它器件的工作温度，在机箱上增设风扇，增加机箱内外的空气对流。这样的设计不仅增加了成本、体积，还增加了噪音、以及设备的不可靠性。

为了克服以上问题，可以采用以下方案：风扇采用离心式(多级轴流式也可以)，在风扇的出风口设置有与机箱外相通的排风管，这样可以将发热器件产生的热量直接排放到机箱外，有效地降低机箱内部空气温度，提高了总散热效果。

为了能适合现各种电脑主板，便于安装，并满足冷凝段和肋片在上方的要求，散热器安装尺寸最大不要大于80×80mm，最好取70×70mm，这样肋片的长度不要超过70mm，冷凝段外径为5至15mm。如果冷凝段口径太小，容易出现液态工质吸附在冷凝段内，不能回流到蒸发段内；如果冷凝段口径太大，不易折弯。热管之间的中心距离应该在18～24mm，因而热管数量应该为2至4根。热管应选用单排，双排不易加工。

热管选用直径为8mm，取中心距为23mm，则用三根管，肋片长为69mm，肋片宽取16mm，片距1.0mm。空气换热器高70mm，则空气对流换热面积为0.16m²，采用叉列短肋形肋片，风速达到2m/s，空气对流换热系数可达100W/m²·℃，空气换热器的温差只要10℃，散热量就达到160W。

Claims (10)

1、一种用于冷却半导体集成芯片的散热器，包括有：吸热块(1)、热管(2)、肋片(3)和风扇(6)，肋片(3)为套片式，肋片(3)设置在热管(2)的冷凝段(4)上，热管(2)的蒸发段(7)上有吸热块(1)，其特征在于：冷凝段(4)和蒸发段(7)之间的夹角为95°至140°；吸热块(1)采用铝或铝合金制成，吸热块(1)上有嵌孔(8)；肋片(2)采用了短肋形或波形强化传热结构，或片距为0.7mm至1.5mm的平板肋；冷凝段(4)上设置肋片的工序在充液管(5)封口工序之前，并采用了胀管工艺，或整体锡焊工艺。

2、根据权利要求1所述的散热器，其特征在于：风扇(6)采用了离心式风扇，或相邻两级的动叶(9)转向相反或之间有导向叶(10)的多级轴流式风扇。

3、、根据权利要求1所述的散热器，其特征在于：热管(2)数量为2至4根，单排，冷凝段(4)外径为5mm至15mm；

4、根据权利要求1所述的散热器，其特征在于：肋片(6)上的套管孔翻边(16)上有定位扩边(15)。

5、根据权利要求1所述的散热器，其特征在于：蒸发段(7)内壁设置有毛细管结构，或内肋(14)。

6、根据权利要求1所述的散热器，其特征在于：嵌孔(8)带缺口，并在吸热块(1)背面，蒸发段(7)与吸热块(1)之间的装配采用了挤压径向变形缩孔工艺。

7、根据权利要求1所述的散热器，其特征在于：吸热块(1)由一个底块(12)和一个或多个压块(13)构成，底块(12)和压块(13)之间的结合面采用了凹凸相配的结构。

8、根据权利要求1所述的散热器，其特征在于：吸热块(1)的制造采用了挤制工艺，嵌孔(8)由挤制工艺成形。

9、根据权利要求1所述的散热器，其特征在于：冷凝段(4)和蒸发段(7)之间的弯管采用了波纹管结构。

10、根据权利要求1所述的散热器，其特征在于：风扇(6)在靠吸热块(1)处开有侧风口(11)。

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