CN201364897Y - 一种半导体电子器件散热器 - Google Patents

Abstract

本实用新型是对计算机显卡芯片那样的电子器件散热器的改进，风扇(1)采用离心式，空气流形更符合该种散热器中的空气轴向进、径向出的流形，并且风压高，更有效地克服高密度肋片以及强化换热结构所致的高流动阻力。空气对流扩展换热面(2)(肋片或肋柱)直接焊接或粘结在导热板(4)上，则可有效减小肋片厚度、提高肋片密度、采用短肋形强化空气对流换热结构，使散热器更紧凑，并且省去了切削加工，降低加工成本，以及废料产生。

Description

一种半导体电子器件散热器

所属技术领域

本实用新型涉及半导体电子器件的散热技术领域，特别是有由导热板、肋片和风扇组成的散热器。

背景技术

随着半导体功率器件、半导体发光器件的功率提高，特别是半导体集成电路晶体管数量的增加，以及工作频率的增加，其发热量也随着增加，当前计算机CPU以及GPU芯片散热问题已经成了计算机发展过程中的障碍。长期以来，电子器件的散热不被重视，技术一直处于原始的传热概念阶段，上世纪六十至七十年代，传热技术的研究已经非常完善了，只要将其中的研究成果，采用正确的方法，引入电子器件的散热技术，就可以得到显著的结果。

现台式计算机的显卡芯片(GPU芯片)的散热器中有两种类似CPU芯片散热器。第一种是类似被称为太阳花式结构，空气对流扩展换热面(即散热肋片)呈辐射状；第二种结构最普遍，散热肋片成排平行从一平板(导热板)伸出。由于显卡整体厚度有限制，为了减小显卡芯片散热器厚度，散热器中间被掏挖，将风扇嵌在中间，这也就是与CPU芯片散热器结构的不同之处。

这两种GPU芯片散热器的问题有：一、由于散热肋片是采用铝挤压工艺成形，虽然肋片和导热板是一体，保证了肋片和导热板之间的热传导。但是，由于肋片是挤制出来的，受这种制造工艺的限制，肋片的厚度一般要0.5mm以上，虽然片厚，有利于肋效率提高，但问题有：铝材料用量多，成本增加，重要的是，肋片厚度占有过多的空气流通面积，不利于高度紧凑化，比如片距1.0mm，片厚为0.5mm，这样紧凑化设计，肋片的厚度就占三分之一，即空气流通面积只有三分之二，这样，流经肋片的空气速度增加，空气流动阻力大，导致空气流量减小，引起散热量得不到有效提高，可能还降低。

二、采用轴流式风扇，轴流式风扇中空气流动是轴向进、轴向出，而空气在散热器中的流动是轴向进、径向出，因而从空气流动方向来说，不适合，空气流动损失大。

三、上述第二种散热器的肋片结构是成排平行，而风扇驱动空气呈辐射状流动，因而只有部分肋片顺着空气流动方向排列，空气在肋片中流动不均匀，空气流动阻力大，存在流动死区，这都不利于空气对流换热；上述第一种类似太阳花的散热器，虽然肋片呈辐射状，空气在肋片中流动均匀，阻力小，但肋片根处(与导热板连接处)的导热截面积小(由于挤制工艺和风扇必须嵌入安装所致)，并且肋片内热传导距离长，这都不利于散热。另外还有，这两种散热器机械加工切削量大，不仅加工成本高，且产生废材料多，即材料成本高。

对于电子设备，特别是计算机上的显卡，器件散热器不仅要不断提高散热量，满足芯片性能不断提高而产生更高的热量，而且还要求体积小巧、扁平(厚度有限制)，成本造价也要低，以上两种结构的现有散热器，满足不了这些需求。

发明内容

本实用新型是针对上述散热器进行改进，采用另外的肋片成形工艺，实现减小肋片厚度，增加肋片密度，达到增加散热面积的目的。采用离心式风扇，肋片顺着空气流动方向排列，消除空气流动死区，减小流动阻力，提高空气流量，并且省去了机械切削加工，降低废材量。引入强化传热结构，优化尺寸，进一步减小散热尺寸。

本实用新型的技术方案是：散热器主要部件包括有：导热板、风扇、空气对流扩展换热面，风扇和空气对流扩展换热面设置在导热板的同一面，被冷却的电子器件在另一面，本实用新型的特征在于：风扇为离心式风扇；空气对流扩展换热面组成圆弧形，围着风扇的叶轮，正对着叶轮出风口；空气对流扩展换热面采用了波纹式结构或叠片式结构肋片、或针柱式结构肋柱，并且是焊接或粘结在导热板上。

离心式风扇的进风为轴向，出风为径向，和本实用新型中所述的散热器中空气流动过程一致，因而采用离心式风扇，空气的流动损失减小。还有，离心式风扇的风压高，对于将提高空气对流换热面(肋片)密度，增加换热面积，以及将采用强化换热结构所致的空气流动阻力增加，离心式风扇则就能满足其要求。而轴流式风扇不仅风压低，而且在此种空气流动形式下流动损失大，因而进一步减小风压，其结果就是风量减小，散热量低。

肋片式结构的空气对流扩展换热面应用最广泛，是一种最有效增大换热面，减小空气换热器尺寸，使之紧凑的结构，如空调中的空气换热器(冷凝器和蒸发器)，现CPU散热器中也采用这种结构。针柱式结构，由于制造工艺成本问题，应用不广。但是针柱式空气对流扩展换热面，在流动空气中不存在有像肋片式那样，有相对空气流动的冲角，冲角过大，流动损失阻力大的问题；还有针柱式结构本身具有强化传热特点，其空气对流换热系数是连续面肋片的二倍还多。

依据传热学，肋效率是mL的函数，随着mL的增大而下降，为曲线下降的函数关系，mL为1.0时，肋效率下降速度最快，对于直肋(本实用新型所涉及的)，此时肋效率大致为76％。其中L为肋长，m和肋片的厚度的平方根成反比。如果肋片厚度减小4倍，肋长L减小2倍，则肋效率不变。说明减小肋片厚度，能有效地减小肋片材料用量，现空调里的空气换热器中的肋片(铝材)厚度减小到0.1mm以下。现产品采用铝挤制工艺，肋厚最小也有0.5mm，减小肋厚度非常有意义：减少材料，即降低成本，减小肋厚所占的流通面积，空出的空间可增加肋片数，即增加了散热面积。

本实用新型采用焊接或粘结方式将空气对流扩展换热面设置在导热板上，一、则可实现采用细线材截成一段段，设置在导热板上，构成针柱式空气对流扩展换热面；二、肋片则可实现采用薄板型材加工后设置在导热板上，因而肋片的厚度可以减薄，不受工艺限制。本实用新型中肋片的厚度选取不大于0.4mm，最好选取0.2mm以下。肋片厚取0.2mm，片距还是1.0mm，肋片厚所占空间下降了一半，同等的空间下，本发明的散热面积可提高四分之一。肋片的厚度减小了，为了保证肋效率不低，肋片的肋高不能太长，本实用新型中选取肋高(从与导热板焊接或粘结处到肋片尖处)不大于20mm为合理。

采用焊接或粘结方式设置肋片和针柱换热面，并围绕风扇，导热板就是一块结构简单的板，将省去了为嵌装风扇采用切削掏挖工艺，减少(消除)废料产生。

虽然纯铜的导热系数是纯铝的近两倍，但是铜的比重是铝的近三倍，铜的价格也高，近三倍于铝的价格，按体积计算，铜比铝贵近9倍，而制作散热器用材是按体积计算的。本实用新型所涉及到的器件发热密度还没有达到非得采用铜做导热板不可的程度，因而完全可以选用铝材做导热板，如果导热热阻较大，可以通过加厚材料。肋片(空气对流扩展换热面)由铜材改为铝材，可以通过增加肋厚度(增加一倍)则可不降低肋效率。因而空气对流扩展换热面(肋片和肋柱)和导热板都采用铝材，重量更轻，更经济。

波纹式结构肋片是采用连续薄带材(一般为铝带)加工成类似波纹形，在采用钎焊工艺，这种波纹肋片设置在导热板上，采用滚压工艺加工成波纹形肋片，生产效率非常高，波纹形肋片广泛应用于空气换热产品，如汽车上的水箱。叠片式结构也是采用薄带材，冲切成一片片肋片，两端带折边和定位折边，这些肋片一片片地叠成圆弧，再采用焊接或粘结工艺，设置在导热板上。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1是一种本实用新型散热器的正面特征结构示意图，空气对流扩展换热面为针柱式结构肋柱。

图2是图1的侧视剖面特征结构示意图。

图3是一种本实用新型散热器的正面特征结构示意图，空气对流扩展换热面为肋片。

图4是图3的侧视剖面特征结构示意图。

图5是波纹式肋片特征结构示意图。

图6是叠片式肋片特征结构示意图。

图7是叉列短肋形强化换热结构的特征剖面示意图。

图8是百叶窗短肋形强化换热结构的特征剖面示意图。

图9是一种本实用新型散热器的正面特征结构示意图，空气对流扩展换热面为肋片式，并分成两层。

图10是图9的侧视剖面特征结构示意图。

图11、12、13是本实用新型散热器中的叶轮和肋片局部特征结构示意图。

图14是一种本实用新型散热器的侧视剖面特征结构示意图。

图中：1、风扇，2、空气对流扩展换热面，3、叶轮，4、导热板，5、表示空气流动方向的箭头，6、肋片，7、表示叶轮转动方向的箭头，8、电子器件。

具体实施方式

图1、2所示的散热器，空气对流扩展换热面(2)采用的是针柱式结构肋柱。导热板(4)为一圆板，离心式风扇(1)在中间，风扇叶轮(3)的出风口(即叶轮的外圆周)被许多根树立的肋柱围绕着，空气经叶轮(3)驱动，轴向吸入，径向吹出，如箭头(5)所示，整个散热器呈扁平形，整体结构非常紧凑。图3、4所示的散热器，采用的是肋片式空气对流扩展换热面，肋片(6)呈辐射状排列，整圈地将风扇围住，这样保证空气在整个肋片(6)内流动均匀。

图5所示的肋片(6)就是波纹式肋片，肋片(6)采用连续的带状材料加工成类似波纹形，一般采用焊接工艺，将波纹式肋片固定在导热板(4)上，这是因为肋片(6)和导热板(4)接触面积小，采用粘接工艺不能保证解决肋片(6)和导热板(4)之间的接触热阻问题。

图6示出了一种叠片式肋片，在肋片(6)的根部是折边，该折边紧贴导热板(4)，导热板(4)的热量就是通过该折边与导热板(4)之间接触传热，传到肋片(6)上。由于这种结构的肋片的折边与导热板的接触面积大，并且容易保证折边被压紧贴在导热板(4)上，因而除焊接工艺外，还可以采用粘接工艺，解决肋片(6)和导热板(4)之间的接触热阻问题。为了保证肋片之间片距均匀，生产效率高，在叠片式肋片的根部折边上以及顶部折边上加工有定位折边，如图6中所示。

为了减小肋片的体积尺寸，在肋片(6)上采用强化空气对流换热结构，图7、8示出了短肋形强化传热结构，图7为叉列短肋形，图8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，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。

依据传热学，空气对流换热系数大致与片距成反比，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。对于连续面形肋片，片距应该不大于1.6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，片距最好取1.2mm左右。对于采用了短肋形强化传热结构的肋片，片距应该不小于0.7毫米，不大于2.0毫米，最好取1.5mm左右，短肋的宽度在2.0毫米左右。在本实用新型中，肋片成圆弧形设置在导热板上，肋片之间的片距进口处小，出口处大，因而上述的片距应该是平均片距，片距定义为肋片之间的距离，不含肋片厚度。

图9、图10所示的散热器中，围着叶轮(3)的肋片(6)有两层，采用这种结构的目的是：减小相同两肋片之间片距不均匀，因为肋片呈辐射状，围着叶轮，肋片外圆处的片距大于内圆处的片距，内外圆直径差别越大，两处片距的差别也就越大，这不利于散热量的提高，如果把围着叶轮的肋片分成两层或更多层，则可减小片距的差别，另外，还有着叉列短肋形强化换热的效果。

在叶轮(3)的出风口，即叶轮的外圆周，空气流出叶轮有周向速度和径向速度。叶轮的叶型不同，周向速度和径向速度分布也就不一样，前向型叶轮，周向速度高，后向型的周向速度低，径向型的居中。无论哪种叶型，都存有周向速度，方向和叶轮的转向一致。如果叶轮出风口处设置的肋片，径向辐射排列，肋片进风前缘和流出叶轮的空气方向有一夹角，空气动力学中通常称之为冲角。冲角越大，空气流经肋片的流动损失(阻力)也就越大，这将减小空气流量，不利于散热。为了减小冲角，可以将围着叶轮(3)的肋片(6)顺着叶轮(3)转动方向倾倒，如图11所示，这样就可减小冲角。还可以采用如下方法：将围着叶轮(3)的肋片(6)的进风前缘反着叶轮(3)转动方向弯曲或弯折，如图12所示。肋片(6)被弯曲，肋片(6)之间组成的流动通道就是一个扩压导流通道，此时肋片(6)不仅起着空气对流换热的作用，还是导流器，起着导流扩压的作用。图13中肋片(6)采用了百叶窗短肋形肋片，百叶窗短肋折弯的方向(在进风前缘)应该反着叶轮转动的方向折弯。针柱式结构在气流中没有方向、冲角。

图14所示的散热器中，导热板(4)中间开口，空气从导热板的一侧轴向穿过开口进入风扇，被冷却的多个电子器件(8)分散设置在靠肋片根处的导热板(4)上，这样的散热器不适合于计算机中CPU或GPU芯片的散热，但非常适合于像照明用的LED的散热，因为LED可以分散，均匀分散地设置在靠肋片根处，则减小了导热板(4)内的热传导距离，这非常有利于传热，并且可以减小导热板的厚度，即省材料。

Claims (8)

1、一种半导体电子器件散热器，包括有：导热板(4)、空气对流扩展换热面(2)、风扇(1)，空气对流扩展换热面(2)和风扇(1)设置在导热板(4)的同一面，被冷却的电子器件在另一面，其特征在于：风扇(1)为离心式风扇；空气对流扩展换热面(2)组成圆弧形，围着风扇的叶轮(3)，正对着叶轮(3)出风口；空气对流扩展换热面(2)采用了波纹式结构或叠片式结构肋片、或针柱式结构肋柱，并且是焊接或粘结在导热板(4)上。

2、根据权利要求1所述的半导体电子器件散热器，其特征在于：围着叶轮(3)的肋片(6)顺着叶轮(3)的转动方向倾倒，或围着叶轮(3)的肋片(6)的进风前缘反着叶轮(3)的转动方向弯曲或折弯。

3、根据权利要求1所述的半导体电子器件散热器，其特征在于：肋片(6)采用了叉列短肋形或百叶窗短肋形强化换热结构。

4根据权利要求1、或2、或3所述的半导体电子器件散热器，其特征在于：肋片(6)的厚度不超过0.4mm，肋高不超过20mm。

5、根据权利要求1、或2、或3所述的半导体电子器件散热器，其特征在于：肋片(6)围着风扇(1)在径向方向有两层或两层以上。

6、根据权利要求1、或2所述的半导体电子器件散热器，其特征在于：肋片(6)的平均片距不大于1.6mm。

7、根据权利要求3所述的半导体电子器件散热器，其特征在于：肋片(6)的平均片距不大于2.0mm。

8、根据权利要求1、或2、或3所述的半导体电子器件散热器，其特征在于：导热板(4)和空气对流扩展换热面(2)都采用铝材。

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