专利名称：对应发热件顶面的紊流散热上盖及具有该上盖的散热总成的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种散热上盖，尤其涉及一种用于形成紊流的散热上盖， 及具有该上盖的散热总成。
技术背景-随着半导体组件的日趋高度集成化，单一半导体组件内所整合的电 路日益复杂，耗电量与发热量都大幅攀升。另一方面， 一旦操作环境的 温度超过约摄氏120度以上，不仅硅芯片本身的材质可能受损，而且负责 将半导体组件电性连结至电路板的焊锡也将因达到融点而熔融，从而给 半导体组件与电路板间的导通带来问题，还造成电路板被污染等麻烦。因此，无论在主机板、影像显示卡、或其它需采用高效能半导体组 件的场合，多如图1所示，在发热半导体组件10顶面涂布一层导热胶14， 供黏贴设置一散热鳍片16，甚至更进一步于散热鳍片16上增设一散热风 扇18，藉以将电路板12上的半导体组件10所产生的热能，经散热鳍片16 传导及空气对流而导出，以免热能持续累积于半导体组件10上而导致损 坏。此外，如图2美国第6，603,658号发明专利所示，该发明公开了有一风 管26,以导引来自风扇28的供气，使气流以一稳定的层流模式指向电路 板22上的发热件20，藉以导出发热件20所发热能，从而降低例如笔记本 电脑中组件的操作环境温度。其风管26如图3所示，并未真正接触发热件20,且风管26的出口与发 热件20的间距为风管26开口尺寸的数倍，因此，来自风管26的气流280, 将以层流(laminarjetairflow)的稳定流动方式，缓慢经过发热件20，甚歪 在发热件20表面与气流接触区域形成一凝滞区域(stagnation region),进行 热交换，为保持稳定的层流效果，该方案中流入气体的雷诺数 Re=(pumd)/n￡2，000;其中，p为气流密度；um为风道中气流速度；d为风道尺寸；p为气流黏度。然而，对于例如工业计算机等发热量大的电子设备而言，单凭借如 上述层流气体散热效果显然不足；尤其当采用更高度集成化的电路组件、 电路板上布局的半导体组件密度提高、或使用更多的电路组件时，局部 区域的发热量大幅提升，电子设备的散热能力将成为性能提升的最大瓶 颈。因此，许多电子殺备依靠设置管道通入水流或其它流体，藉由液态 流体的高比热与高热容量特性，带走更大量的热能；但是，在电路间布 设管路，不仅需导入流体，也要将流体完整导出，必须在有限空间内， 额外提供设置流体回路的封闭空间；并且时刻小心，避免任何微小漏液 而造成短路、影响整体安全，使得此解决方案具有相当的潜在危险。相比之下，另一种较安全的解决方案，是通入液态氮等液态气体或 低温空气，藉由扩大气体与发热件间的温差，携走较大量热能。然而， 此种方式花费于降低气体温度的成本甚高，且低温气体需先排除其中水 分，以免降温过程中气体相对湿度提高，导致水滴凝结于电路组件上。若能在不需降低通入气体温度条件下，提升散热效能，不仅可确保 电路运行顺利、避免不必要的耗能及湿度问题、更可提高选择电路组件 的弹性，有效提升产品性能，因此这是值得深入研究的课题。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题之一是，提供一种可大幅提升降温 效力的散热上盖。本发明要解决的另一技术问题是，提供一种结构简单的散热上盖。 本发明要解决的再一技术问题是，提供一种操作条件单一的散热上本发明要解决的又一技术问题是，提供一种制造成本低廉的散热上生 皿o本发明要解决的还一技术问题是，提供一种使选用电路组件的弹性 大增的散热总成。因此，本发明的紊流散热上盖，用于连接一以一预定量供气的供气 装置，并接受来自该供气装置的气流，导出该发热件所发的热能，且该 发热件设置于一电路板it，该散热上盖包括一散热上盖本体,'该糸体包括 一顶壁；及一自该顶壁延伸，用于保持该顶壁与所述发热件顶面维持一预定距离，并与该顶壁及所述发热件顶面共同界定出一风道的间隔 装置，且所述风道使得来自所述供气装置的所述气流雷诺数Re气pumd)/化2，500;其中，p为气流密度；um为风道中气流速度；d为风道尺寸；^为气流黏度。按照本发明提供的紊流散热上盖还具有如下附属技术特征 所述间隔装置包括自所述顶壁延伸的两侧壁、及一与所述顶壁相对的底壁，且所述底壁形成有一对应所述发热件顶面尺寸的开口。该紊流散热上盖还包括一将所述散热上盖本体固定至所述电路板的在本发明给出的一种优选实施例中，所述电路板上形成有多个卡制 槽孔，且所述固定装置包括 一大致包覆所述固定上盖本体的环绕件； 及一 自该环绕件底部延伸、并分别对应所述卡制槽孔的卡制件。在本发明给出的另一种优选实施例中，所述固定装置包括 一大致 包覆所述固定上盖本体的环绕件；多个以一角度自该环绕件底部弯折延 伸的翘曲部；及固定于该电路板上、并对应所述翘曲部的卡扣件。在本发明给出的还一种优选实施例中，所述电路板上形成有多个固 定孔，且所述紊流散热上盖本体还延伸有多个形成有通孔的侧翼，所述 固定装置为多个穿过所述侧翼通孔及所述固定孔的螺栓。按照本发明提供的散热总成，用于导出一设置于一电路板的发热件 所发的热能，所述散热总成包括 一对应所述发热件顶面的紊流散热上 盖，所述散热上盖包括一散热上盖本体，该本体包括 一顶壁；及一自 该顶壁延伸，用于保持该顶壁与所述发热件顶面维持一预定距离，并為 该顶壁及所述发热件顶面共同界定出一风道的间隔装置；及一连接所述 风道，并以使所述风道内气流雷诺数ReKpumd)/化2,500供气予该风道的 供气装置；其中，p为气流密度；um为风道中气流速度；d为风道尺寸；n 为气流黏度。所述散热上盖还包括一将所述散热上盖本体固定至所述电路板的固 定装置。所述供气装置为一鼓风扇。本发明通过大量灌入气体，强制通入气体产生紊乱流，增加气体在 层与层间的对流，加快达到热平衡的速度，不仅结构简单、造价低廉、 且操作过程不需降低通入气体温度、不需降低灌入气体湿度、更消除了 引进流体的风险，在确保原有的简单操作环境条件下，以简便的结构，同时实现提升降温效率，避免不必要的能源消耗，使得选用电路组件的 弹性大大增加，且电路的可靠性与稳定性大大提升等目的，从而解决本 发明所欲解决的全都技术问题。
图1是现有散热器与半导体组件组设于电路板的状态示意图；图2是美国第6，603，658号发明专利散热器应用状态侧视示意图； 图3是图2所示散热器产生的气流示意图；图4是本发明第一优选实施例的散热上盖立体透视示意图； 图5是图4所示优选实施例风道内气流示意图；图6是图5所示风道内各层对流及热流状态示意图及温度分布状态示图7是本发明第二优选实施例的侧视结构示意图; 图8是本发明第三优选实施例的侧视结构示意图;图9是本发明第四优选实施例的侧视结构示意图。主要组件符号说明3、 3，、 3"…散热上盖3"'...散热上盖本体4...供气装置IO...发热半导体组件12、 22...电路板14..导热胶16...散热鳍片18、 28...风扇20...发热件26…风管 30...风道 32…顶壁 34…间隔装置 280...气流 300...导接部 302...最下层 304、 306...较上层 308...上层380...平面 802...翘曲部 381...弧面 804...卡扣件 382...紊乱流 902...固定孔 70、 80…环绕件 904…侧翼 700...卡制槽孔 906...螺栓702...卡制件
具体实施例方式有关本发明的前述及其它技术内容、特点与功效，在以下配合附图 给出的优选实施例的详细说明中，将可清楚地呈现。本发明第一优选实施例的紊流散热上盖3，如图4所示，具有一顶壁 32、 一间隔装置34，该间隔装置34包括自该顶壁延伸的两侧壁、及一与 该顶壁相对的底壁，且所述底壁形成有一对应该发热件20顶面尺寸的开 口，供笼罩发热件20且使紊流散热上盖3稳固地设置在电路板22上。顶壁 32、间隔装置34与发热件20共同界定出一风道30，且风道30具有一导接 部300，供连接至一作为供气装置4的鼓风扇。来自供气装置4的气流，将经由导接部300而进入风道30内，且风道 30具有一预定截面尺寸，使得流入风道30内的气流的雷诺数 Re气pumd)/化2，500，从而形成一紊乱流；其中，p为气流密度；um为风 道30中的气流速度；d为风道30的尺寸；p为气流黏度。由此，发热件20 所发热能，经气流而传导进入散热上盖3，并因气流与风道30的气体进行 热交换，将发热件20所发的热量以气流携出。如图5所示， 一般流体以一预定速度进入一流道中，刚开始流速分布 会如图式右侧所示以一平面380齐头并进，随后因风道30壁面与流体分 子的摩擦、以及流体分子本身的黏滞性作用，使得越靠近风道30壁面的流体流速逐渐减慢，终至停止；相反，风道30中央附近的流体则较不受 影响，从而使流速分布形成如图中中央部分的弧面381状层流。另一方面， 若流速过快、或流体黏滞性过低，则因各流体分子的实际行进方向还有 各不相同的垂直方向分量，导致层与层间的交互流动，而形成如图中左 侧的紊乱流382。进一步考虑风道内外的温度分布，如图6左侧所示，当发热件20位于 图中的风道30下方时，藉由气流的传导，将发热件20所发热能逐渐传入 风道30中。另将室温气体强制通入风道30内，使其自右向左流动，若在 风道30内的气体保持如虚线所示良好层流结构，则仅有最下层302的气体 与风道30壁面会进行热交换，且当该层302的气体分子逐渐吸收热能而升 温后，气体与风道30间的温差减少，热交换速率渐减；且最下层302气体 与较上层304、 306气体间的对流贫乏，加之传导不易，使得上层308气体 仍处于室温，却对于最下层302气体的温度升高无所裨益。相反地，若流体趋向紊乱流型态，则层与层间气体对流旺盛，最下 层302气体吸收部分来风道30间气体的热能后，随即流动至较上层304、 306，较上层304、 306的室温气体亦随机向下流动，因此可将最下层302 气体与风道30的气体间的温差保持在较显著温差状态，从而使热交换效 率提升。藉此，如图6右侧所示，当通入气体约为摄氏25度时，风道气体 温度可被保持在约摄氏70度，使风道30中气体所吸收热能被上层308、 306、 304和下层302中的气体分子共同携带搬移。为证明上述结论，发明人以两颗各40瓦的电阻作为发热件，在没有 任何散热器辅助条件下，所述电阻的核心温度可以升高至约摄氏170度； 当然如前所述，若以半导体组件作为对照，此种温度下，半导体芯片已 经受热损毁。在不强制通入气体，让本发明的散热上盖单独作为导热装置，则电阻在操作时的核心温度仍可达摄氏110度；但当强制通入气流，并使其达到本发明所披露的条件后，电阻核心的温度骤降至摄氏70度。 而目前单颗集成电路组件的功率不过4、 5瓦，亦即，以本发明实验用的 散热上盖，可以顺利保障至少20颗集成电路组件，在安全的操作环境下 顺畅运行。尤其，分居于风道上下游的上游发热件与下游发热件，核心温度差 尚不及摄氏2度，意味散热器中的气流携带热量脱离的能力距离饱和尚有 极大距离。何况，所通入气体均为室温空气，不仅没有湿度问题，更可 以将散热器出口处开放，任由稍被加热的气流在电子设备内部四散，丝 亳没有液冷装置的安全顾虑。另一方面，以热阻略有不同的导热材质，如铜与铝进行相同实验，发现降低温度的效果并无显著差异，因^:，本发明所提供的散热上盖结 构，可采用低价且易于加工的导热金属菊j造，而无须受限于材质。 当然，本领域的普通技术人员很容易理解，前一实施例所形成的紊乱流空间可以以不同形式发挥功能，如图7本发明第二优选实施例所示， 紊流散热上盖3，与电路板22、发热件20的相互位置关系为电路板22形成有 多个卡制槽孔700，环绕件70大致包覆固定上盖3，本体；环绕件70底部有 延伸的卡制件702，卡制件702则分别对应前述的卡制槽孔700,藉由卡制 件702与卡制槽孔700—一相扣，使得散热上盖3'与电路板22固定，只要风 道中的雷诺数在2500以上，气流成为紊乱流，即可达到相同功效。再参见图8，按照本发明所提供的第三优选实施例，环绕件80大致包 覆固定上盖本体3",环绕件80的底部具有多个以一角度自该环绕件80底 部弯折延伸的翘曲部802;电路板22上则有固定于电路板22且对应该翘曲部802的卡扣件804,其固定方式与前述第二优选实施例不同。但只要所 界定的气流空间得以形成紊乱流，仍可达成预期散热需求。另如图9所示，固定散热上盖的方式再以不同可能的安装条件延伸， 为本发明的第四优选实施例，紊流散热上盖本体3，，'延伸有多个形成有通 孔的侧翼904，电路板上形成有多个固定孔902,两者孔位相互对应；该 固定装置为多个穿过所述侧翼通孔及所述固定孔的螺栓906，藉由螺栓 906的锁固，使电路板22与紊流散热上盖本体3"'紧密结合。上述固定方 法虽各不相同，但均为确保紊乱流空间的形成，使发热件所产生的热能 可以藉由最佳效率的紊乱流带出，具有相当温差的较低温空气则源源不 绝的供应替换来冷却发热件。本发明藉由在风道中形成紊流，确保被通入气体分子间的大量对流 与热交换，使最下层气体与风道间温差梯度被显著提升，因此通入气体 的散热效率大大提高；并且结构简单、操作时不必担心漏液等短路风险、 制造与操作成本相对低廉；尤其当散热效率提高后，电路设计者可自由 选择功率更高的电路组件，无须忧虑散热不足而导致电路不稳定的问题，更是提升整体电子装置性能的重要基础建设，从而解决本发明所欲解决 的所有技术问题。上述优选实施例仅供说明本发明的用，而并非对本发明的限制。本 领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内指引下，还可做 出各种变形和变换，因此所有等同技术方案皆属于本发明的保护范围。
权利要求
1. 一种对应发热件顶面的紊流散热上盖，用于连接一以一预定量供气的供气装置，并接受来自该供气装置的气流，导出该发热件所发的热能，且该发热件设置于一电路板上，该散热上盖包括一散热上盖本体，该本体包括一顶壁；及一自该顶壁延伸，用于保持该顶壁与所述发热件顶面维持一预定距离，并与该顶壁及所述发热件顶面共同界定出一风道的间隔装置，且所述风道使得来自所述供气装置的所述气流雷诺数Re＝(ρumd)/μ≥2,500；其中，ρ为气流密度；um为风道中气流速度；d为风道尺寸；μ为气流黏度。
2. 根据权利要求l所述的紊流散热上盖，其特征在于所述间隔装置包括 自所述顶壁延伸的两侧壁、及一与所述顶壁相对的底壁，且所述底壁形 成有一对应所述发热件顶面尺寸的开口 。
3. 根据权利要求l所述的紊流散热上盖，其特征在于还包括一将所述散 热上盖本体固定至所述电路板的固定装置。
4. 根据权利要求3所述的紊流散热上盖，其特征在于所述电路板上形成 有多个卡制槽孔，且所述固定装置包括一大致包覆所述固定上盖本体的环绕件；及 一自该环绕件底部延伸、并分别对应所述卡制槽孔的卡制件。
5. 根据权利要求3所述的紊流散热上盖，其特征在于，所述固定装置包括:一大致包覆所述固定上盖本体的环绕件； 多个以一角度自该环绕件底部弯折延伸的翘曲部；及 固走于该电路板上、并对应所述翘曲部的卡扣件。
6. 根据权利要求3所述的紊流散热上盖，其特征在于所述电路板上形成 有多个固定孔，且所述紊流散热上盖本体还延伸有多个形成有通孔的侧 翼，所述固定装置为多个穿过所述侧翼通孔及所述固定孔的螺栓。
7. —种散热总成，用于导出一设置于一电路板的发热件所发的热能，所 述散热总成包括一对应所述发热件顶面的紊流散热上盖，所述散热上盖包括一散热上 盖本体，该本体包括一顶壁；及一自该顶壁延4，用于保持该顶壁与所述发热件顶面维持一预定距 离，并与该顶壁及所述发热件顶面共同界定出一风道的间隔装 置；及一连接所述风道，并以使所述风道内气流雷诺数Re:(pumd)/化2， 500供气予该风道的供气装置； 其中，p为气流密度；um为风道中气流速度；d为风道尺寸；p为气流黏度。
8. 根据权利要求7所述的散热总成，其特征在于所述散热上盖还包括一 将所述散热上盖本体固定至所述电路板的固定装置。
9. 根据权利要求7所述的散热总成，其特征在于所述供气装置为一鼓风扇。
全文摘要
一种紊流散热上盖及具有该上盖的散热总成，该散热上盖藉由一顶壁及一间隔装置，共同与发热件顶面界定出一风道，结构相当简单、制造成本低廉，且使风道中的气流符合雷诺数Re＝(ρumd)/μ≥2,500；其中，ρ为气流密度；um为风道中气流速度；d为风道尺寸；μ为气流黏度。由于风道中形成有紊流，使得风道中的气体热交换频繁，且使得气体层与层间温差梯度明显，由此大幅提升降温效率，何况仅需通入气体，操作条件相当单一，更容许采用效率更高的发热件，从而提升采用此散热上盖的电子设备的组件选择弹性。
文档编号H05K7/20GK101237755SQ20071000305
公开日2008年8月6日 申请日期2007年2月1日 优先权日2007年2月1日
发明者曾一士 申请人:致茂电子股份有限公司