對應發熱件頂面的紊流散熱上蓋及具有該上蓋的散熱總成的製作方法

2023-05-21 07:11:46

專利名稱：對應發熱件頂面的紊流散熱上蓋及具有該上蓋的散熱總成的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種散熱上蓋，尤其涉及一種用於形成紊流的散熱上蓋， 及具有該上蓋的散熱總成。
技術背景-隨著半導體組件的日趨高度集成化，單一半導體組件內所整合的電 路日益複雜，耗電量與發熱量都大幅攀升。另一方面， 一旦操作環境的 溫度超過約攝氏120度以上，不僅矽晶片本身的材質可能受損，而且負責 將半導體組件電性連結至電路板的焊錫也將因達到融點而熔融，從而給 半導體組件與電路板間的導通帶來問題，還造成電路板被汙染等麻煩。因此，無論在主機板、影像顯示卡、或其它需採用高效能半導體組 件的場合，多如圖1所示，在發熱半導體組件10頂面塗布一層導熱膠14， 供黏貼設置一散熱鰭片16，甚至更進一步於散熱鰭片16上增設一散熱風 扇18，藉以將電路板12上的半導體組件10所產生的熱能，經散熱鰭片16 傳導及空氣對流而導出，以免熱能持續累積於半導體組件10上而導致損 壞。此外，如圖2美國第6，603,658號發明專利所示，該發明公開了有一風 管26,以導引來自風扇28的供氣，使氣流以一穩定的層流模式指向電路 板22上的發熱件20，藉以導出發熱件20所發熱能，從而降低例如筆記本 電腦中組件的操作環境溫度。其風管26如圖3所示，並未真正接觸發熱件20,且風管26的出口與發 熱件20的間距為風管26開口尺寸的數倍，因此，來自風管26的氣流280, 將以層流(laminarjetairflow)的穩定流動方式，緩慢經過發熱件20，甚歪 在發熱件20表面與氣流接觸區域形成一凝滯區域(stagnation region),進行 熱交換，為保持穩定的層流效果，該方案中流入氣體的雷諾數 Re=(pumd)/n￡2，000;其中，p為氣流密度；um為風道中氣流速度；d為風道尺寸；p為氣流黏度。然而，對於例如工業計算機等發熱量大的電子設備而言，單憑藉如 上述層流氣體散熱效果顯然不足；尤其當採用更高度集成化的電路組件、 電路板上布局的半導體組件密度提高、或使用更多的電路組件時，局部 區域的發熱量大幅提升，電子設備的散熱能力將成為性能提升的最大瓶 頸。因此，許多電子殺備依靠設置管道通入水流或其它流體，藉由液態 流體的高比熱與高熱容量特性，帶走更大量的熱能；但是，在電路間布 設管路，不僅需導入流體，也要將流體完整導出，必須在有限空間內， 額外提供設置流體迴路的封閉空間；並且時刻小心，避免任何微小漏液 而造成短路、影響整體安全，使得此解決方案具有相當的潛在危險。相比之下，另一種較安全的解決方案，是通入液態氮等液態氣體或 低溫空氣，藉由擴大氣體與發熱件間的溫差，攜走較大量熱能。然而， 此種方式花費於降低氣體溫度的成本甚高，且低溫氣體需先排除其中水 分，以免降溫過程中氣體相對溼度提高，導致水滴凝結於電路組件上。若能在不需降低通入氣體溫度條件下，提升散熱效能，不僅可確保 電路運行順利、避免不必要的耗能及溼度問題、更可提高選擇電路組件 的彈性，有效提升產品性能，因此這是值得深入研究的課題。

發明內容
因此，本發明要解決的技術問題之一是，提供一種可大幅提升降溫 效力的散熱上蓋。本發明要解決的另一技術問題是，提供一種結構簡單的散熱上蓋。 本發明要解決的再一技術問題是，提供一種操作條件單一的散熱上本發明要解決的又一技術問題是，提供一種製造成本低廉的散熱上生 皿o本發明要解決的還一技術問題是，提供一種使選用電路組件的彈性 大增的散熱總成。因此，本發明的紊流散熱上蓋，用於連接一以一預定量供氣的供氣 裝置，並接受來自該供氣裝置的氣流，導出該發熱件所發的熱能，且該 發熱件設置於一電路板it，該散熱上蓋包括一散熱上蓋本體,'該糸體包括 一頂壁；及一自該頂壁延伸，用於保持該頂壁與所述發熱件頂面維持一預定距離，並與該頂壁及所述發熱件頂面共同界定出一風道的間隔 裝置，且所述風道使得來自所述供氣裝置的所述氣流雷諾數Re氣pumd)/化2，500;其中，p為氣流密度；um為風道中氣流速度；d為風道尺寸；^為氣流黏度。按照本發明提供的紊流散熱上蓋還具有如下附屬技術特徵 所述間隔裝置包括自所述頂壁延伸的兩側壁、及一與所述頂壁相對的底壁，且所述底壁形成有一對應所述發熱件頂面尺寸的開口。該紊流散熱上蓋還包括一將所述散熱上蓋本體固定至所述電路板的在本發明給出的一種優選實施例中，所述電路板上形成有多個卡制 槽孔，且所述固定裝置包括 一大致包覆所述固定上蓋本體的環繞件； 及一 自該環繞件底部延伸、並分別對應所述卡制槽孔的卡製件。在本發明給出的另一種優選實施例中，所述固定裝置包括 一大致 包覆所述固定上蓋本體的環繞件；多個以一角度自該環繞件底部彎折延 伸的翹曲部；及固定於該電路板上、並對應所述翹曲部的卡扣件。在本發明給出的還一種優選實施例中，所述電路板上形成有多個固 定孔，且所述紊流散熱上蓋本體還延伸有多個形成有通孔的側翼，所述 固定裝置為多個穿過所述側翼通孔及所述固定孔的螺栓。按照本發明提供的散熱總成，用於導出一設置於一電路板的發熱件 所發的熱能，所述散熱總成包括 一對應所述發熱件頂面的紊流散熱上 蓋，所述散熱上蓋包括一散熱上蓋本體，該本體包括 一頂壁；及一自 該頂壁延伸，用於保持該頂壁與所述發熱件頂面維持一預定距離，並為 該頂壁及所述發熱件頂面共同界定出一風道的間隔裝置；及一連接所述 風道，並以使所述風道內氣流雷諾數ReKpumd)/化2,500供氣予該風道的 供氣裝置；其中，p為氣流密度；um為風道中氣流速度；d為風道尺寸；n 為氣流黏度。所述散熱上蓋還包括一將所述散熱上蓋本體固定至所述電路板的固 定裝置。所述供氣裝置為一鼓風扇。本發明通過大量灌入氣體，強制通入氣體產生紊亂流，增加氣體在 層與層間的對流，加快達到熱平衡的速度，不僅結構簡單、造價低廉、 且操作過程不需降低通入氣體溫度、不需降低灌入氣體溼度、更消除了 引進流體的風險，在確保原有的簡單操作環境條件下，以簡便的結構，同時實現提升降溫效率，避免不必要的能源消耗，使得選用電路組件的 彈性大大增加，且電路的可靠性與穩定性大大提升等目的，從而解決本 發明所欲解決的全都技術問題。


圖1是現有散熱器與半導體組件組設於電路板的狀態示意圖；圖2是美國第6，603，658號發明專利散熱器應用狀態側視示意圖； 圖3是圖2所示散熱器產生的氣流示意圖；圖4是本發明第一優選實施例的散熱上蓋立體透視示意圖； 圖5是圖4所示優選實施例風道內氣流示意圖；圖6是圖5所示風道內各層對流及熱流狀態示意圖及溫度分布狀態示圖7是本發明第二優選實施例的側視結構示意圖; 圖8是本發明第三優選實施例的側視結構示意圖;圖9是本發明第四優選實施例的側視結構示意圖。主要組件符號說明3、 3，、 3"…散熱上蓋3"'...散熱上蓋本體4...供氣裝置IO...發熱半導體組件12、 22...電路板14..導熱膠16...散熱鰭片18、 28...風扇20...發熱件26…風管 30...風道 32…頂壁 34…間隔裝置 280...氣流 300...導接部 302...最下層 304、 306...較上層 308...上層380...平面 802...翹曲部 381...弧面 804...卡扣件 382...紊亂流 902...固定孔 70、 80…環繞件 904…側翼 700...卡制槽孔 906...螺栓702...卡製件
具體實施例方式有關本發明的前述及其它技術內容、特點與功效，在以下配合附圖 給出的優選實施例的詳細說明中，將可清楚地呈現。本發明第一優選實施例的紊流散熱上蓋3，如圖4所示，具有一頂壁 32、 一間隔裝置34，該間隔裝置34包括自該頂壁延伸的兩側壁、及一與 該頂壁相對的底壁，且所述底壁形成有一對應該發熱件20頂面尺寸的開 口，供籠罩發熱件20且使紊流散熱上蓋3穩固地設置在電路板22上。頂壁 32、間隔裝置34與發熱件20共同界定出一風道30，且風道30具有一導接 部300，供連接至一作為供氣裝置4的鼓風扇。來自供氣裝置4的氣流，將經由導接部300而進入風道30內，且風道 30具有一預定截面尺寸，使得流入風道30內的氣流的雷諾數 Re氣pumd)/化2，500，從而形成一紊亂流；其中，p為氣流密度；um為風 道30中的氣流速度；d為風道30的尺寸；p為氣流黏度。由此，發熱件20 所發熱能，經氣流而傳導進入散熱上蓋3，並因氣流與風道30的氣體進行 熱交換，將發熱件20所發的熱量以氣流攜出。如圖5所示， 一般流體以一預定速度進入一流道中，剛開始流速分布 會如圖式右側所示以一平面380齊頭並進，隨後因風道30壁面與流體分 子的摩擦、以及流體分子本身的黏滯性作用，使得越靠近風道30壁面的流體流速逐漸減慢，終至停止；相反，風道30中央附近的流體則較不受 影響，從而使流速分布形成如圖中中央部分的弧面381狀層流。另一方面， 若流速過快、或流體黏滯性過低，則因各流體分子的實際行進方向還有 各不相同的垂直方向分量，導致層與層間的交互流動，而形成如圖中左 側的紊亂流382。進一步考慮風道內外的溫度分布，如圖6左側所示，當發熱件20位於 圖中的風道30下方時，藉由氣流的傳導，將發熱件20所發熱能逐漸傳入 風道30中。另將室溫氣體強制通入風道30內，使其自右向左流動，若在 風道30內的氣體保持如虛線所示良好層流結構，則僅有最下層302的氣體 與風道30壁面會進行熱交換，且當該層302的氣體分子逐漸吸收熱能而升 溫後，氣體與風道30間的溫差減少，熱交換速率漸減；且最下層302氣體 與較上層304、 306氣體間的對流貧乏，加之傳導不易，使得上層308氣體 仍處於室溫，卻對於最下層302氣體的溫度升高無所裨益。相反地，若流體趨向紊亂流型態，則層與層間氣體對流旺盛，最下 層302氣體吸收部分來風道30間氣體的熱能後，隨即流動至較上層304、 306，較上層304、 306的室溫氣體亦隨機向下流動，因此可將最下層302 氣體與風道30的氣體間的溫差保持在較顯著溫差狀態，從而使熱交換效 率提升。藉此，如圖6右側所示，當通入氣體約為攝氏25度時，風道氣體 溫度可被保持在約攝氏70度，使風道30中氣體所吸收熱能被上層308、 306、 304和下層302中的氣體分子共同攜帶搬移。為證明上述結論，發明人以兩顆各40瓦的電阻作為發熱件，在沒有 任何散熱器輔助條件下，所述電阻的核心溫度可以升高至約攝氏170度； 當然如前所述，若以半導體組件作為對照，此種溫度下，半導體晶片已 經受熱損毀。在不強制通入氣體，讓本發明的散熱上蓋單獨作為導熱裝置，則電阻在操作時的核心溫度仍可達攝氏110度；但當強制通入氣流，並使其達到本發明所披露的條件後，電阻核心的溫度驟降至攝氏70度。 而目前單顆集成電路組件的功率不過4、 5瓦，亦即，以本發明實驗用的 散熱上蓋，可以順利保障至少20顆集成電路組件，在安全的操作環境下 順暢運行。尤其，分居於風道上下遊的上遊發熱件與下遊發熱件，核心溫度差 尚不及攝氏2度，意味散熱器中的氣流攜帶熱量脫離的能力距離飽和尚有 極大距離。何況，所通入氣體均為室溫空氣，不僅沒有溼度問題，更可 以將散熱器出口處開放，任由稍被加熱的氣流在電子設備內部四散，絲 亳沒有液冷裝置的安全顧慮。另一方面，以熱阻略有不同的導熱材質，如銅與鋁進行相同實驗，發現降低溫度的效果並無顯著差異，因^:，本發明所提供的散熱上蓋結 構，可採用低價且易於加工的導熱金屬菊j造，而無須受限於材質。 當然，本領域的普通技術人員很容易理解，前一實施例所形成的紊亂流空間可以以不同形式發揮功能，如圖7本發明第二優選實施例所示， 紊流散熱上蓋3，與電路板22、發熱件20的相互位置關係為電路板22形成有 多個卡制槽孔700，環繞件70大致包覆固定上蓋3，本體；環繞件70底部有 延伸的卡製件702，卡製件702則分別對應前述的卡制槽孔700,藉由卡制 件702與卡制槽孔700—一相扣，使得散熱上蓋3'與電路板22固定，只要風 道中的雷諾數在2500以上，氣流成為紊亂流，即可達到相同功效。再參見圖8，按照本發明所提供的第三優選實施例，環繞件80大致包 覆固定上蓋本體3",環繞件80的底部具有多個以一角度自該環繞件80底 部彎折延伸的翹曲部802;電路板22上則有固定於電路板22且對應該翹曲部802的卡扣件804,其固定方式與前述第二優選實施例不同。但只要所 界定的氣流空間得以形成紊亂流，仍可達成預期散熱需求。另如圖9所示，固定散熱上蓋的方式再以不同可能的安裝條件延伸， 為本發明的第四優選實施例，紊流散熱上蓋本體3，，'延伸有多個形成有通 孔的側翼904，電路板上形成有多個固定孔902,兩者孔位相互對應；該 固定裝置為多個穿過所述側翼通孔及所述固定孔的螺栓906，藉由螺栓 906的鎖固，使電路板22與紊流散熱上蓋本體3"'緊密結合。上述固定方 法雖各不相同，但均為確保紊亂流空間的形成，使發熱件所產生的熱能 可以藉由最佳效率的紊亂流帶出，具有相當溫差的較低溫空氣則源源不 絕的供應替換來冷卻發熱件。本發明藉由在風道中形成紊流，確保被通入氣體分子間的大量對流 與熱交換，使最下層氣體與風道間溫差梯度被顯著提升，因此通入氣體 的散熱效率大大提高；並且結構簡單、操作時不必擔心漏液等短路風險、 製造與操作成本相對低廉；尤其當散熱效率提高後，電路設計者可自由 選擇功率更高的電路組件，無須憂慮散熱不足而導致電路不穩定的問題，更是提升整體電子裝置性能的重要基礎建設，從而解決本發明所欲解決 的所有技術問題。上述優選實施例僅供說明本發明的用，而並非對本發明的限制。本 領域的普通技術人員，在不脫離本發明的精神和範圍內指引下，還可做 出各種變形和變換，因此所有等同技術方案皆屬於本發明的保護範圍。
權利要求
1. 一種對應發熱件頂面的紊流散熱上蓋，用於連接一以一預定量供氣的供氣裝置，並接受來自該供氣裝置的氣流，導出該發熱件所發的熱能，且該發熱件設置於一電路板上，該散熱上蓋包括一散熱上蓋本體，該本體包括一頂壁；及一自該頂壁延伸，用於保持該頂壁與所述發熱件頂面維持一預定距離，並與該頂壁及所述發熱件頂面共同界定出一風道的間隔裝置，且所述風道使得來自所述供氣裝置的所述氣流雷諾數Re＝(ρumd)/μ≥2,500；其中，ρ為氣流密度；um為風道中氣流速度；d為風道尺寸；μ為氣流黏度。
2. 根據權利要求l所述的紊流散熱上蓋，其特徵在於所述間隔裝置包括 自所述頂壁延伸的兩側壁、及一與所述頂壁相對的底壁，且所述底壁形 成有一對應所述發熱件頂面尺寸的開口 。
3. 根據權利要求l所述的紊流散熱上蓋，其特徵在於還包括一將所述散 熱上蓋本體固定至所述電路板的固定裝置。
4. 根據權利要求3所述的紊流散熱上蓋，其特徵在於所述電路板上形成 有多個卡制槽孔，且所述固定裝置包括一大致包覆所述固定上蓋本體的環繞件；及 一自該環繞件底部延伸、並分別對應所述卡制槽孔的卡製件。
5. 根據權利要求3所述的紊流散熱上蓋，其特徵在於，所述固定裝置包括:一大致包覆所述固定上蓋本體的環繞件； 多個以一角度自該環繞件底部彎折延伸的翹曲部；及 固走於該電路板上、並對應所述翹曲部的卡扣件。
6. 根據權利要求3所述的紊流散熱上蓋，其特徵在於所述電路板上形成 有多個固定孔，且所述紊流散熱上蓋本體還延伸有多個形成有通孔的側 翼，所述固定裝置為多個穿過所述側翼通孔及所述固定孔的螺栓。
7. —種散熱總成，用於導出一設置於一電路板的發熱件所發的熱能，所 述散熱總成包括一對應所述發熱件頂面的紊流散熱上蓋，所述散熱上蓋包括一散熱上 蓋本體，該本體包括一頂壁；及一自該頂壁延4，用於保持該頂壁與所述發熱件頂面維持一預定距 離，並與該頂壁及所述發熱件頂面共同界定出一風道的間隔裝 置；及一連接所述風道，並以使所述風道內氣流雷諾數Re:(pumd)/化2， 500供氣予該風道的供氣裝置； 其中，p為氣流密度；um為風道中氣流速度；d為風道尺寸；p為氣流黏度。
8. 根據權利要求7所述的散熱總成，其特徵在於所述散熱上蓋還包括一 將所述散熱上蓋本體固定至所述電路板的固定裝置。
9. 根據權利要求7所述的散熱總成，其特徵在於所述供氣裝置為一鼓風扇。
全文摘要
一種紊流散熱上蓋及具有該上蓋的散熱總成，該散熱上蓋藉由一頂壁及一間隔裝置，共同與發熱件頂面界定出一風道，結構相當簡單、製造成本低廉，且使風道中的氣流符合雷諾數Re＝(ρumd)/μ≥2,500；其中，ρ為氣流密度；um為風道中氣流速度；d為風道尺寸；μ為氣流黏度。由於風道中形成有紊流，使得風道中的氣體熱交換頻繁，且使得氣體層與層間溫差梯度明顯，由此大幅提升降溫效率，何況僅需通入氣體，操作條件相當單一，更容許採用效率更高的發熱件，從而提升採用此散熱上蓋的電子設備的組件選擇彈性。
文檔編號H05K7/20GK101237755SQ20071000305
公開日2008年8月6日 申請日期2007年2月1日 優先權日2007年2月1日
發明者曾一士 申請人:致茂電子股份有限公司