CN1980564A - 用于冷却电子部件的混合散热器和方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种方法和结合该方法的混合空气和液体冷却的散热器，用于冷却电子部件。该散热器包括具有散热片的散热片结构，其中散热片定位成使空气容易地通过它们。散热片结构在一侧上(靠近来自电子部件的热流的方向)与热源板相接，而在其相对侧上与第二板相接，使得两个板与散热片结构的散热片末端和散热片基体进行热交换。热源板本身包括两个互补部分，这两个互补部分每一个上都具有散热片。当这两个部分结合在一起时，形成一个一体式的流体密封板，同时通过使得各部分上的散热片建立交错的结构而使流体通过。还至少部分地在板中布置流体再循环器，用于使流体通过该板并且围绕散热片结构进行循环，以冷却散热片末端和散热片基体。

Description

用于冷却电子部件的混合散热器和方法

技术领域

本发明涉及对计算***环境中使用的电子封装的冷却，并且更特别地涉及对服务器或其他这样的大型计算机中使用的电子部件的冷却。

背景技术

近来计算***环境内电子部件的数目不断增加的产业趋势，给这些***的设计者带来了许多挑战。一个这样的挑战在于散热问题。在诸如包括一个或几个个人计算机的那些较小的计算***环境中，热产生部件的数目是有限的。然而在诸如包括一个或多个在进行处理时彼此间通信的计算机网络的那些较大环境中，找到针对散热问题的解决方案更具有挑战性。

不管环境的大小如何，如果散热不能得到解决，则会导致电子和机械故障，这将影响整个***性能。然而正如可以容易理解的那样，散热随着封装密度的增加而增加。因此，在较大的计算***环境中，散热问题变得更为这些***的设计者所关注。另外，在较大环境中，必须提供总体上将***环境的其他需要考虑在内的热管理解决方案。在较大环境中，不适当的散热会导致大量其他似乎无关的问题，所述问题的范围从影响计算***环境的结构刚性的动态加载问题，到为存储这样的计算***环境的客户端提供适当的空气调节的成本抑制的解决方案。

当前实施的现有技术将散热片式散热器引入到它们的设计中以便于冷却电子部件。随着电子部件数目的增加，这种***的设计者已使用大量技术来改进这种散热片式散热器改进热管理的能力。

近年来，已在努力改变散热片材料、散热片厚度、散热片高度和散热片间距等，以便于改进现有技术的散热器的冷却能力。遗憾的是，尽管大部分的这些努力有助于改进加热散热片的转移，但这对于增加热容量还不是非常有效。作为例子，当使散热片高度加倍时，仅实现一个相对小的改进。此外，在该场景下，最后的散热片的末端保持明显冷于散热片基体，表明散热的不适当处理。

在其他方法中，已试图在散热片的顶部和底部放置散热板(spreader plate)，并且然后使用导管(pipe)，特别是热导管，将这些板彼此连接。在该方法中，目的在于调整散热片基体和末端的温度，使得将它们保持在相对类似的温度下。遗憾的是，在该方法中使用的热导管的热限制以及与热导管的接触电阻相关联的温度下降对与该方法相关联的成功产生了限制。

这里并入的相关申请POU9-2005-0149引入了一种新的且改进的冷却配置，其使用设计为满足当前热管理增长的需要的空气和液体冷却的混合散热器。在该申请中，特别地使用传导来保持散热片末端和散热片基体二者的热管理。本发明通过进一步提供一种在其中最需要热管理的区域中直接冷却电子部件的片上解决方案，从而提供对该申请引入的该概念的进一步的热管理性能增强。另外，本申请使用对流传送来提供对包括散热片末端和散热片基体的结构的热管理。

发明内容

通过提供一种利用交错散热片设计来提供增强的热管理解决方案的方法和结合该方法的混合散热器，克服现有技术的缺点以及提供附加的优势。该散热器包括散热片结构，该结构具有散热片，该散热片定位成使空气可以容易地从它们中间穿过。该散热片结构在一侧上(靠近来自电子部件热流的方向)与热源板相接并且在其相对侧上与第二板相接，从而两个板与该散热片结构的散热片末端和散热片基体进行热交换。热源板本身包括在各自半边上具有散热片的两个互补的部分。当集合在一起时，这两个部分形成一个一体式的流体密封的板，同时通过允许各自半边上的散热片建立交错结构而使流体通过。还至少部分地在用于使流体循环通过板和散热片结构的板中布置流体再循环器，从而冷却散热片末端和散热片基体。

在可选择的实施例中，可以使用具有安装的电子部件的衬底作为热源板的一个互补部分，在本发明的一个实施例中，衬底上的散热片可以各自成型，但当两个部分集合到一起时，散热片将与互补部分上的散热片交错。另外，可以在热源板的两个互补部分之间提供流体密封，以确保最小的流体泄露。

通过本发明的技术，可以实现附加的特征和优势。在此详细描述本发明的其他实施例和方面，并将其看作是所要求保护的发明的一部分。为了更好地理解本发明的优势和特征，可以参考描述和附图。

附图说明

在本说明书所附权利要求书中特别地指出并明确地请求保护被视为本发明的主题。从以下结合附图给出的详细描述中，本发明的前述和其他目的、特征和优势将显而易见。

图1是本发明的一个实施例的整体视图的横截面图示；

图2是表示交错散热片的进一步细节的图1中提供的实施例的横截面图示；以及

图3是具有芯片安装衬底的图2的实施例的横截面视图。

具体实施方式

图1是根据本发明的一个实施例的散热器组件的横截面图示。图1描绘了混合散热器100，其利用空气和流体二者来冷却电子部件。散热器100设计为提供将结合图3进一步讨论的片上冷却解决方案。然而，可以单独地使用图1中提供的实施例的配置来以类似的方式冷却电子部件。

散热器100包括散热片结构105，其具有一个或多个散热片110。散热片结构105定位在热源板120与第二板130之间，该热源板120放置在靠近于热产生部件的位置。该热源板具有交错的流体冷却散热片125设计，并且定位在第二板130的相对侧上。热源板120的交错散热片125设计仍允许流体通过，如间隔170所示。此外，在该实施例中，第二板130还具有穿孔结构，这将在下面更详细地进行讨论。

在一个实施例中，将散热片结构的散热片110嵌入到板120和/或板130中，并且使用本领域技术人员公知的手段，将散热片结构105在两侧上固定到板120和130。在图3中示出了优选的实施例，并且在后面的讨论中将结合图3更详细地研究散热片110和散热片结构105的确切配置。

板120和130都包括热传导材料。在本发明的优选实施例中，板120和130由相同或不同材料的金属或金属化合物形成。这包括将结合图2更详细地讨论的交错散热片部分125。类似地，包括各个散热片110的散热片结构125还由诸如金属和金属化合物之类的热传导材料制造，这些材料可以类似于或不同于板120和/或130的材料。

借助于该图中所示的流体再循环器140，对散热器100进行冷却。在图1中提供的实施例中，流体再循环器140形成闭环并且包括交错散热片125、一个或多个环路145和146和循环器单元150，在本例中该一个或多个环路145和146连接到交错散热片125。在优选实施例中，循环器单元是一个泵，但可以使用其他类似的设备。在优选实施例中，环路145和146包括管道(piping)。管道环路145和146通过泵150提供冷却剂流体并将该冷却剂流体收集到交错散热片125。泵150、管道环路145和146以及交错散热片125以此方式自己形成一个闭环，冷却剂流体在此闭环中进行循环。然后将相应地通过环路(管道)145-146，从板120的交错结构泵送或可选择地收集冷却剂流体，并将其循环到诸如散热片结构105和第二板130之类的其他区域。

应注意的是，在可选实施例中，还可以提供多个循环器单元150，其根据冷却需要而容纳在一起或分开容纳。还可以是其他配置，其中附加地提供流体供给或阀，或这种性质的其他部件。然而，在任何这样的配置中，最终的结构应当仍会产生基本闭合的流体环路。

在环路的闭合之前或在连续的基础上，通过使用阀或帮助维持基本闭合的环境的其他手段，可以在环路中供给冷却剂。可以预供给冷却剂。正如本领域技术人员所公知的，结合本发明可以使用包括水的各种冷却剂。

在图1中，还描绘了热源180和气流190的方向。正如箭头180所提供的热源的方向代表散热器100关于在电路板上存在的电子热产生部件的放置，该电子热产生部件在图1的描绘中未示出，但后面将结合图3的优选实施例来讨论。正如所讨论的那样，布置具有交错板120的热源板，使得它最接近于热流的方向。

对散热片结构105进行定向，使得在散热片的进一步冷却中还可以利用气流190的方向，因此建立混合的空气和液体冷却组件。所描绘的气流190的方向使得它可以越过和通过散热片结构105，诸如通过各个散热片110以及在它们之上和之下，从而气流本身可以独立地冷却散热片。

回到图1，在优选实施例中，闭合的流体环路包括用于使水在环路内部进行循环的管道和流体再循环泵。然而，如上所讨论的本发明可以结合其他类似的组合来使用。所使用的冷却剂可以为任何非导电流体。

使来自热源的热(在本情况中由电子部件产生)全部通过对流传送给在交错结构125中之间流动的流体。由于该结构的材料是热传导的，所以该热转移到冷却剂流体。热源板120的交错结构提供更多表面面积和更好的热转移。转移到再循环流体的热，将热从它们经常停留的散热片(散热片基体)的一个区域中移除，并且还将热转移给散热片的末端，得到在散热片结构105中散热片部分之间更均匀的温度梯度。这是因为冷却剂被置为与散热片结构105和具有板120的交错散热片的热源板进行热交换，从而散热片结构105的散热片基体和散热片顶部与板120和130进行热交换。因此该热的重新分布使得散热器100以更有效的方式利用散热片结构105。一旦建立均匀温度，就通过如由190所指示的气流将散热片110(均匀地)进一步冷却。

还应注意的是，在本实施例中的管道145至少部分地嵌入在板120和130中。这部分地归因于所示的冷却板130的结构和设计。在这方面，应注意的是，尽管图1提供了本发明的优选实施例，但在本发明的指导下，其他类似的实施例也是可以的。

在图1的实施例中，为了增强冷却板130的热传导性，如前面所指出的，对第二冷却板130实现穿孔设计。提供穿孔160，使得多个再循环流体环路可以通过这些穿孔。穿孔的其中一个目的在于，增加表面面积，使得热可以从金属更好地通过对流传送到冷却剂流体。这将带来更好的温度控制和在散热片基体与散热片末端之间的最小温度差异。

尽管在图1的图示中，在散热器100的顶部和底部提供管道环路145和146，但在可选实施例中，可以提供多个环路。在这样的情况下，甚至可以具有每个由不同材料制造的或者具有不同结构的这样的环路。

在不同的实施例中，可以制作穿孔160，使得它们整齐排列并等距离地安排成一行，如图1的图示所提供的那样，或者随机地安排。因此在一些实施例中，如果使用多个管道环路，则可以根据穿孔的方式将管道环路布置在平行或相交的平面上，使得一个或多个环路通过穿孔160和交错间隔170。

另外，不管是在相同平面中的管道环路还是定位在相交平面中的管道环路都可以连接到一个循环单元150或者连接到多个这样的单元。从而，可以选择性地提供各自具有专用冷却剂单元的闭合流体环路，或者提供其中两个或多个这样的闭合环路共享同一循环单元的配置。在这样的情况下，冷却单元的数目还依赖于定位在相交平面上的环路是否内部地连接使得它们提供一个单一的流体循环单元。可选方案是每个独立的闭合流体(管道)环路定位在相交平面上并在彼此的顶部上进行布置的结构。另外，由于选择地期望使冷却需要和存储管理最大化，可以将循环器单元容纳在一起或者分开容纳。

图2提供对图1的优选实施例的详细图示。图2的横截面图示将热源板120描绘为包括两个组合的部分，当把它们结合起来时形成图1的一体式热源板120。每个互补的部分220和225将在下文中作为散热器互补部分220和第二互补部分225相应地提及。

每个互补部分包括散热片221和226，定位成当两个部分220和225结合在一起时，散热片221和222形成交错结构。然而如前面讨论的，交错结构允许流体冷却剂通过以及***诸如管道环路145/146之类的环路。

为了提供热源板120的交错结构，将形成散热片221和226并将其互补地定位成也提供一个牢固的流体密封单元。因此，在其中将在多个环路中提供多个冷却剂的情况下，必须进行其他配置使得交错结构不允许冷却剂流体的混合。

应注意的是，在图1和图2的实施例中，散热片221和226设计为至少基本上沿每个部分220和225的宽度延伸。这并不是一个必要条件，稍后将结合图3对此进行讨论。另外，在每个板220和225上的散热片221和226在彼此平行的平面中设置，这也不是一个用于所有实施例的必要条件。

在图2中提供的实施例中，类似于结合图1所讨论的那样，一旦交错的部分彼此牢固固定用于循环，管道环路145或146就选择性地将冷却剂流体提供到交错部分中。根据优选的结构方法，冷却剂流体被泵送或由于重力(管道146)恰好流到交错结构中，并且将由其它管道环路(145)收集用于通过泵150引导的循环。

应注意的是，尽管图1和图2的优选实施例提供交错设计，但可以实现与交错设计类似的其它这样的类似设计。一个例子是迂回设计，其也可以按与上面结合图2所讨论的那些类似的互补组合方式来容易地实现。

图3提供本发明的优选实施例。在图3中，提供优选实施例的横截面配置的透视图示。图3的实施例提供直接的片上冷却，这大大解决了在最需要散热的位置中的散热需要。

在图3中，尽管利用了图1和图2的交错设计概念，但为了解决片上冷却，进一步增强该概念以实现更好的性能。热源板320仍包括如图1和图2中所讨论的组合部件。在本实施例中，热源板320包括将直接安装电子部件的衬底321本身，以及互补部分325。优选地，还可以提供流体密封结构329，以避免流体渗出。

如图所示，在相对侧上提供用于衬底321的散热片部分322。尽管散热片322仍提供交错设计，但散热片322现在独立地分散在衬底321的相对侧上并且具有半圆或“c”形结构。这是与图2中散热片在热源散热器板320的基本宽度上延伸的设计有些不同。在本设计中，独立的上散热片部分323和下散热片部分324通过部分327连接。上散热片部分323和下散热片部分324放置成使得它们与空气散热器散热板部分325上的散热片326交错。上散热片部分323和下散热片部分324处于彼此平行并与空气散热器散热板部分325的散热片326平行的平面上。然而，这不是一个必要条件，可以选择性地实现其它设计。

每个独立的散热片322可以关于其它散热片322放置在同一平行平面上，或者可以改变散热片322关于彼此的放置，只要当与互补部分板325的散热片326组装时它们能提供交错结构。另外，尽管在图3的图示中似乎彼此等距离地设置各个散热片322，但在可选实施例中，也可以选择性地改变该具体特征。

应注意的是，尽管在图3的图示中，将半圆或C形结构用于散热片322，但可以使用其它形状，包括类似于上散热片部分323和下散热片部分324的多层散热片部分。安装到芯片上的散热器也可以大于芯片本身。因此，图3的例子仅提供用于容易地理解并且作为本发明的可能实施例之一。

如前，两个互补板部分(或者在本例中的衬底)320和325的交错必须如前按为流体的流动以及***管道环路346-347提供充分的空间的方式来执行。

另外，尽管互补板325的散热片327仍从结构上设计成类似于图1和图2的散热片，但这也可以选择性地进行改变，并且如果希望的话，也可以制造诸如在衬底320上提供的那些散热片的各个散热片。

如前面提及的，在图3的优选实施例中，为了提供紧密密封的流体，还提供用于散热器密封329的衬底。在某些情况下，基于所使用的非导电冷却剂，还需要提供某些形式的密封或类似的配置，以避免任何无意识的泄漏。提供一个这样的密封并标记为329。可以按本领域技术人员公知的各种方式来设计该密封329。例如，该密封329可以部分地覆盖散热板351和352的垂直部分的厚度并且甚至在某些位置中包括弹性垫圈，以进一步避免任何潜在的泄漏。

图3的其余结构和功能的设计类似于结合图1和图2已讨论的那些设计，并且无需再另外讨论。

然而，应注意的是，尽管提供图1至图3的实施例来反映垂直放置的散热器100和300，但散热器100和300的定向不影响本发明的功能。对散热器100和300的定向的唯一要求是使得空气容易通过散热片结构105和305的散热片310和110而流动。

尽管已描述本发明的优选实施例，但应明白的是，目前以及将来，本领域技术人员可以做出各种落入所附权利要求范围内的改进和增强。可以将这些权利要求解释为提供对首次描述的本发明的适当保护。

Claims (20)

1.一种用于冷却相邻电子部件的液体和空气冷却的散热器，包括：

散热片结构，其定位成使得空气可以容易地流过其散热片，并且其布置在热源板和第二板之间，所述热源板靠近来自电子部件的热流方向而放置，所述第二板在所述热源板的相对侧，使得所述两个板与散热片末端和基体进行热交换；

所述热源板，其具有交错散热片设计，使得冷却剂流体可以通过它；以及

流体再循环器，其至少部分地布置在所述板中，用于使流体通过所述板并且围绕所述散热片结构进行循环，从而冷却散热片末端和散热片基体。

2.根据权利要求1所述的散热器，其中所述热源板进一步包括两个互补部分，其均具有散热片，所述散热片定位成使得当所述两个互补部分结合在一起时，所述散热片形成交错结构，以允许流体冷却剂通过所述散热片，同时形成一体式流体密封板。

3.根据权利要求2所述的散热器，其中所述第二板具有穿孔，以允许所述流体循环器至少部分地嵌入所述第二板。

4.根据权利要求3所述的散热器，其中所述再循环器通过所述热源板的所述交错散热片。

5.根据权利要求4所述的散热器，其中所述流体再循环器包括至少一个流体环路和至少一个循环流体泵。

6.根据权利要求5所述的散热器，其中所述流体环路包括管道。

7.根据权利要求6所述的散热器，其中所述管道可以部分地通过一个或多个所述穿孔。

8.根据权利要求7所述的散热器，其中提供多个流体环路，每个环路至少部分地嵌入在所述板中。

9.根据权利要求8所述的散热器，其中所述冷却剂流体是非导电流体。

10.根据权利要求9所述的散热器，其中在所述热源板部分上的所述交错散热片基本上在所述板的宽度上延伸。

11.根据权利要求2所述的散热器，其中所述热源板的所述互补部分的一个是容纳电子器件的衬底。

12.根据权利要求11所述的散热器，其中所述衬底在其相对侧上提供交错散热片部分。

13.根据权利要求12所述的散热器，其中在所述衬底的所述相对侧上设置多个单独结构的散热片，使得当所述衬底与所述热源板的所述第二互补部分结合在一起时，所述散热片形成交错结构。

14.根据权利要求13所述的散热器，其中提供流体密封的结构布置在所述衬底和所述第二互补板之间。

15.根据权利要求14所述的散热器，其中所述单独成型的散热片为半圆结构。

16.根据权利要求15所述的散热器，其中所述单独成型的散热片在平行的平面上并且彼此等间距地布置。

17.根据权利要求16所述的散热器，其中至少一些所述单独成型的散热片设置在同一平行的平面上。

18.一种靠近电子部件布置且用于冷却这种部件的液体和空气冷却散热器，包括：

散热片结构，其具有散热片，所述散热片定位成使空气容易通过它们，所述散热片结构具有热源板和第二板，所述热源板布置在所述散热片结构靠近来自电子部件的热流方向的一侧上，所述第二板在所述热源板的相对侧上，使得所述两个板与散热片末端和基体进行热交换；

所述热源板具有一个衬底以及一个第二散热片板，所述衬底具有单独成型的散热片，并且所述第二散热片板相对于所述衬底具有互补散热片，使得当所述衬底和所述散热片板结合在一起时，所述衬底和散热片板交错形成流体密封的单一的一体式热源板，所述交错的散热片充分地间隔开以允许冷却剂流体的通过；

流体再循环器，其至少部分地布置在所述板中，用于使流体通过所述板和围绕所述散热片结构进行循环，以冷却散热片末端和散热片基体。

19.根据权利要求13所述的散热器，其中

提供流体密封的结构布置在所述衬底和所述第二互补板之间。

20.一种使用靠近电子部件布置的液体和空气冷却的散热器来冷却电子部件的方法，包括：

定位具有散热片的散热片结构，使得空气可以容易地通过所述散热片；

由第一互补部分和第二互补部分形成热源板，所述第一互补部分和所述第二互补部分均具有散热片，使得当所述第一互补部分和所述第二部分布置在一起时，来自所述第一部分的所述散热片与来自所述第二部分的所述散热片交错，以形成流体密封的一体式板，所述交错的散热片充分地间隔开以允许冷却剂流体的通过；

将所述热源板布置在所述散热片结构的靠近来自电子部件的热流方向的一侧上，并将第二板布置在所述热源板的相对侧上，使得所述两个板与散热片末端和基体进行热交换；以及

将流体再循环器至少部分地布置在所述板中，用于使流体通过所述板并且围绕所述散热片结构进行循环，以冷却散热片末端和散热片基体。

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