专利名称：一种铝制半导体器件散热器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及半导体器件的散热技术领域，特别是有由导热块、铝挤出成形的肋片和 风扇组成的散热器。
技术背景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，其间发热量也随着增加，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。现有一种CPU芯片铝材散热器圆柱的一端面为吸热面，它紧贴在芯片的散热面上，圆柱的侧面四周伸出许多肋片，也称之为太阳花，风扇在圆柱的另一端，吸热面背对的一侧，风扇和圆柱同轴；芯片产生的热量通过芯片的散热面与圆柱上的吸热面接触导热，传到圆柱， 热量在圆柱内以导热的方式传到圆柱侧面，再传到肋片上，风扇驱动空气，流经肋片，以对 流传热方式将热量传到空气中，散出，圆柱在此仅起导热作用，因而就称之为导热块。这种 结构优点有由于风扇和圆柱(导热块)同轴，风扇驱动空气，顺着圆柱侧面、以及肋片流 动，有效地减小风扇电机引起的肋片中空气流动死区的存在；由于肋片和圆柱(导热块)是 采用铝挤出工艺成形，肋片和导热块是一体，保证了肋片和圆柱之间的热传导。但现产品设计时没有深入地分析该散热器中的传热过程和空气流动过程，都是采用现市 场上的单级轴流式风扇，没有考虑到不同的风扇其风压与流量的特性关系，并不清楚现市场 上普遍采用的单级轴流式风扇，其叶片设计是以通风为目的，以风量最大为目标，不考虑风 压，因而在用于散热器时，如果肋片密集，流动阻力大时，其风量迅速下降，噪音也大。面 对不断增加的CPU发热量，加密肋片，仅仅从提高转速来提高风量风压，带来震动、噪音、 轴承寿命问题的同时，风量风压并没有得到有效提高，因为，轴流式风扇中的叶片相对空气 流的冲角有适合的范围，超过该范围，性能则迅速下降。也就是说，现单级轴流式风扇不适 用于肋片高度密集的散热器。现产品为了提高散热量， 一味地加大、加高肋片尺寸。肋长(肋片根处，靠导热块处， 到肋片尖处的长度)达到30mm，肋长加长了，为不降低肋效率，增加肋片厚度，根处肋厚 达到2mm，肋片之间的间隙为2 3mm，这样稀的肋片密度，散热面积不足时，只好增加肋 片肋宽(导热块高度方向的距离)达到30mm,这就导致整个散热器尺寸非常之大，是计算 机主板上占主要空间尺寸的器件，已经是减小计算机尺寸、紧凑化设计中的障碍。这些不合 理设计还造成散热器的铝材用量大，成本高。 发明内容本实用新型是针对上述散热器进行改进，采用离心式风扇或多级轴流式风扇，提高风压， 进而可增加肋片密度，优化尺寸，减小肋片厚度，减小散热尺寸，降低材料成本，又进一歩 提高散热量。本实用新型的技术方案是散热器主要部件包括有导热块、肋片和风扇，导热块上有一平整的吸热面，在导热块侧面四周设置有肋片，肋片顺着周向朝一个方向弯曲，肋片为铝材，采用挤出工艺，整体挤出成形；风扇设置在和吸热面背对的一侧，这些结构与现被称为太阳花式的CPU散热器类似。本实用新型的特征在于风扇为离心式风扇，或多级轴流式 风扇。在同样的转速和扇叶直径的情况下，离心式风扇的风压高于单级轴流式风扇，并且风压 和流量特性也更好；多级轴流式风扇，则通过增加扇叶级数来提高风压，而转速不必增加。 因而风扇的转速、振动、噪音降低，电机轴承寿命增加。风压的提高，尤其是采用多级轴流 式风扇，可以通过增加扇叶级数得到更高的风压，就可以减小肋片之间的间隙，将带来显著 的效果。根据传热学和空气动力学，可得知本实用新型中肋片内的空气对流传热属于窄缝内对 流传热，空气对流传热系数和肋片之间的间隙尺寸成反比，也就是说间隙越小，即肋片越密 (散热器越紧凑)，空气对流传热系数越高。因而减小肋片间隙，不仅增大了传热面积，而 且还提高空气对流传热系数，效应是双倍地提高。最佳间隙是lmm以下，但考虑到运行时的尘埃污染问题， 一般不把间隙设计到lmm以 下， 一般取1.2 1.5mm的间隙，空调里空气换热器中的肋片之间的间隙在1.5mm左右。本 实用新型认为，肋片间隙选取2.0mm以下为合理值，由于肋片间隙不一定是均匀的， 一是 从肋根到肋尖的肋片间隙不一定均匀，二是每个肋片的间隙不一定均匀，此处所述的肋片间 隙是平均间隙。
以下结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。图1是采用离心式风扇的本实用新型散热器的基本结构示意图。图2、 3是采用多级轴流式风扇的本实用新型散热器的基本结构示意图。图4是肋片和导热块的特征结构示意图。图中，1、风扇，2、肋片，3、导热块。图l、 2、 3示出了本实用新型散热器的基本结构组成，吸热面就在导热块(3)的下面， 风扇(1)设置在导热块(3)的上侧，吸热面背对的一侧，肋片(2)围着导热块(3)，在 导热块(3)的侧面上，导热块(3)高出(轴向)肋片(2)，是便于空气流通，均匀地流经 肋片(2)，因为常常被冷却的电子器件大都是扁平的，或散热面大于导热块的吸热面(横截 面)，导热块高出肋片所形成的空间，就成了空气流动通道，这样可消除肋片内的空气流动 死区，这些和现太阳花式CPU散热器基本结构类似。图1为采用离心式风扇的本实用新型散热器的示意图，风扇(1)的进风口对着肋片(2)， 空气被风扇(1)抽吸，流经肋片(2)。图2、 3为采用多级(两级)轴流式风扇的本实用新型散热器的示意图。多级轴流式风 扇不是简单地将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向导叶，如图2所示，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，如图3所示，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。图4是肋片和导热块的特征俯视图，示出了一特征，肋片(2)顺着周向朝一个方向弯 曲，这样的弯曲肋片使得肋片根处和尖处的间隙之差减小，可以设计制造出，从根处到尖处 的间隙一致。无论是每个肋片之间的间隙，还是从根处到尖处的间隙，间隙尽可能要均匀一 致，这非常重要，这样能保证空气流经肋片均匀，有利于整体散热面得到充分发挥。如果根 处间隙小、尖处间隙大，则流经靠尖处的的空气量大，但由于肋片内的导热热阻，肋片尖处 的温度低于根处的温度，因而根处散热优势得不到有效利用。间隙均匀还有一优点是相同 的肋长，相同的肋片数，即总肋片面积相同，在导热块外径相同的情况下，散热器外径小， 更紧凑。因而本实用新型选取肋片尖处间隙和根处间隙之比不得大于1.5。轴流式风扇中叶片驱动空气运动，产生有周向分速度，离心向外。将风扇转动方向与肋 片弯曲方向相反，则空气的周向分速度也就反着肋片的弯曲方向，经风扇的空气直接吹在肋 片弯曲内侧(向心侧)，空气的周向分速度与肋片弯曲的内侧小于9(T ，因而肋片对空气有着向心推力，这样有利于增加靠肋片根处的空气流量，有利于散热提高。肋宽过大，空气流经肋片的距离长，流动阻力大，流经的空气量减小，不利于提高对流散热；又肋宽加大，则导热块的高度增加，导热块内的导热距离加大，导热热阻增加，不利 于散热提高。对CPU散热器，若肋宽为25mm，导热块就应该有30mm高，这已经是非常 高的值，肋宽选取不大于25mm为合理值。如果对流传热面不够，最好不要选择提高肋宽， 应选择减小肋片间隙(加密肋片)和增大导热块直径，来增加肋片数。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l.O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%， 一般设计时取mL的值不大于l.O，其中L为肋长(肋根到肋尖的长度)，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(蒸发器和冷凝器)中的肋 片(铝材)厚度减小到0.1mm以下。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。受铝挤出工艺的限制，不可能制造出O.lmm厚的肋 片，但2.0mm厚的肋片是非常不合理的。本实用新型提出，取肋片厚度不大于0.8mm为合 理，依据传热原理，肋片制造成根处厚、尖处薄更为理想，而挤出工艺就能制造出这种肋片， 以上提出的肋片厚度不大于0.8mm，应该是平均肋片厚度不大于0.8mm。肋片厚度减小，为 保证肋效率不低，肋长不能太长，本实用新型认为肋长不大于25mm为宜。
权利要求1、一种用于冷却半导体器件的散热器，包括有导热块(3)、肋片(2)和风扇(1)，导热块(3)上有一平整的吸热面，肋片(2)在导热块(3)侧面四周，顺着周向朝一个方向弯曲，肋片(2)为铝材，采用挤出工艺，整体挤出成形，风扇(1)设置在吸热面背对的一侧，其特征在于风扇(1)为离心式风扇，或多级轴流式风扇。
2、 根据权利要求1所述的散热器，其特征在于肋片的肋长不大于25mm，肋片的肋 宽不大于25mm，肋片的平均厚度不大于0.8mm，肋片之间的平均间隙为2.0mm以下。
3、 根据权利要求2所述的散热器，其特征在于肋片(2)尖处间隙和根处间隙之比 不大于1.5。
4、 根据权利要求l、或2、或3所述的散热器，其特征在于风扇(1)转动方向和肋 片(2)的弯曲方向相反。
专利摘要本实用新型提供一种半导体器件用的散热器，是针对现有的被称为太阳花式CPU散热器改进。采用离心式风扇或多级轴流式风扇，提高风扇风压，增加流经肋片的空气流量，因而可减小肋片(2)之间的间隙，肋片散热面积有效提高，对流传热系数也同步增长。优化肋片尺寸，使散热器尺寸更小，更紧凑，成本更低，而散热量更高。
文档编号H01L23/34GK201119227SQ20072017058
公开日2008年9月17日 申请日期2007年11月7日 优先权日2007年11月7日
发明者彪 秦 申请人:彪 秦