半導體元器件的致冷冷卻裝置的製作方法
2023-05-01 06:55:21 2
專利名稱：半導體元器件的致冷冷卻裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種半導體元器件的冷卻裝置，特別是半導體元器件的致冷冷卻裝置，其能夠採用在蒸發器中進行空氣熱傳遞來冷卻半導體元器件的熱量，並能夠應用於其它各種半導體元器件。
背景技術：
在包括晶體二極體整流器(SCR)、TRIAC等的常見半導體元器件中，集成度的增加和高速處理數據的性能的改善都使得發熱密度增大。
半導體元器件溫度的升高是導致出現以下問題的原因在半導體元器件的結合部分由於熱應力產生的熱膨脹不同而發生接口剝落；信號處理速度降低；或如元器件失靈等其它問題。
為了解決上述問題，半導體元器件帶有冷卻裝置來控制半導體元器件運行的臨界溫度(結合部分的溫度)。
現有的半導體元器件的冷卻裝置1採用強制空氣冷卻方法，如圖1所示，其中空氣強制圍繞半導體元器件10循環，以發散從半導體元器件產生的熱量。
這種強制空氣冷卻裝置包括多個散熱翅片11，設置在安裝於PCB 20上的半導體元器件10上，用於通過熱傳遞而方便地發散熱量；以及散熱風扇12，其在散熱翅片11上轉動，用於通過對流強制循環空氣。
在採用散熱風扇12來降低半導體元器件10的溫度的情況下，由於散熱風扇的旋轉而產生低頻噪音，半導體元器件熱輻射量的增大不能夠有效地通過散熱翅片11發散內部產生的熱量。
由於個人計算機機箱帶有另外的換氣風扇(未示出)，以向半導體元器件供應外部空氣並排出被加熱的空氣，所供應的空氣含有灰塵和水分，使得半導體元器件出現故障。
如圖2所示，致冷冷卻裝置2安裝在半導體元器件10上，以通過降低半導體元器件10的溫度而增加運行速度，或克服對由強制空氣冷卻裝置所獲得的冷卻效果的限制。
致冷冷卻裝置2包括蒸發器21和壓縮機22，蒸發器21連接在半導體10的上表面上，低溫低壓的致冷劑流過蒸發器21，在蒸發器21、冷凝器23和膨脹閥24中進行熱交換的致冷劑供給壓縮機22。
由於蒸發器21的溫度在-20℃到-40℃之間，如果要冷卻半導體元器件之外的個人計算機中的空氣與蒸發器接觸，會在蒸發器的表面出現結霜現象，從而引起其它元件運行方面的嚴重問題。因此，蒸發器21和半導體裝置10在完成隔熱處理後被封裝起來。
蒸發器利用致冷劑的蒸發潛熱吸收個人計算機CPU產生的熱量。然而，如果溫度為40-50℃的個人計算機內的空氣與低於露點的-20--40℃的蒸發器21表面接觸，空氣中所含的水分冷凝並結霜。
致冷冷卻裝置2由於半導體裝置和蒸發器之間的溫度差而利用熱交換來控制半導體裝置的溫度。
由於半導體元器件與蒸發器21封裝在一起，其結構複雜且不易裝配。
此外，為了在母板(未示出)上安裝冷卻裝置，必須適當地設置連接冷卻裝置和致冷器的機構。
由於蒸發器21直接連接到半導體元器件上，在半導體元器件升級時，無法重新利用現有的冷卻裝置，從而使其兼容性變差。
發明內容
因此，本發明的目的在於提供一種致冷冷卻裝置，能夠有效地發散半導體元器件產生的熱量，從而改善半導體元器件的運行性能。
本發明的另一個目的在於提供一種致冷冷卻裝置，能夠改善兼容性和使用性，從而，無論半導體元器件或半導體封裝件的形狀如何都可以安裝該致冷冷卻裝置。
本發明的再一目的是提供一種致冷冷卻裝置，通過一體地形成蒸發器和殼體而改進其性能。
實現上述目的，提供了一種致冷冷卻裝置，包括壓縮機，用於在高壓下壓縮致冷劑；冷凝器，與壓縮機相連，用於冷凝致冷劑；膨脹閥，與冷凝器相連；蒸發器，與膨脹閥和壓縮機相連，用於蒸發致冷劑；以及換氣風扇，安裝在蒸發器上，其中，蒸發器一體地安裝在形成半導體元器件冷卻空間的殼體上，並且通過連接管與設置在殼體外部的壓縮機和膨脹閥相連；換氣風扇安裝在蒸發器上而與半導體元器件分開；在殼體中形成循環路徑，從而使低溫的熱傳遞空氣吸收由半導體元器件產生的熱量，並流向蒸發器。
通過下面參照附圖的詳細描述，本發明的上述目的、特點、優點將變得更將清楚，其中圖1為示出現有技術用於冷卻半導體元器件的強制空氣冷卻裝置的運轉的剖視圖；圖2為示出現有技術用於冷卻半導體元器件的致冷冷卻裝置的剖視圖；圖3為示出本發明一優選實施例的致冷冷卻裝置的透視圖；圖4為示出圖3中致冷冷卻裝置的蒸發單元的剖視圖；圖5為示出本發明另一優選實施例的致冷冷卻裝置的透視圖，該致冷冷卻裝置設置於個人計算機上；圖6為示出圖5中致冷冷卻裝置的蒸發單元的剖視圖。
具體實施例方式
下面結合附圖描述本發明的優選實施例。在下面的說明中，同樣的附圖標記用來標識不同圖面中相同的元件。在本發明中限定的內容(如裝置的詳細結構和元件)只是用來幫助綜合理解本發明。因此，很顯然本發明可以在脫離這些限定內容的情況下實施。此外，一公知的功能或結構由於會在一些不必要的細節上使本發明不清楚，故不再詳細描述。
本發明一優選實施例致冷冷卻裝置3，如圖3所示包括蒸發器31、壓縮機32、冷凝器33、膨脹閥34、封閉半導體元器件10和蒸發器31的殼體35，半導體元器件10和蒸發器31安裝在印刷電路板(PCB)20的上表面。
殼體35中設置有連接蒸發器31和半導體元器件10的雙管36。具體地說，蒸發器31位於內管361的一端，半導體元器件10的上表面位於另一端。
同時，外管362的直徑大於內管361的直徑，並且外管362繞內管361的外周定位。外管的一端焊接到殼體35上，以使蒸發器一側上的換氣風扇與半導體相通，而其另一端用於密封PCB 20的上表面而封閉半導體元器件。
另一種方案是，多個散熱翅片38安裝在半導體元器件10的上表面上。
如圖4所示，通過採用如上的結構，在蒸發器31和半導體元器件10之間通過內管361限定了第一流動路徑，在設置有蒸發器31的殼體35內表面和半導體元器件10之間通過外管362限定了第二流動路徑。
內管361位於半導體元器件上表面上的另一端具有表面積增大的底部，以增加冷卻空氣的流速，從而使冷卻空氣均勻地流入半導體元器件。
雙管36由長度可以調整的波紋管制成，從而使蒸發器很容易設置在位於PCB的預定部分的半導體元器件上。為了改善熱傳遞，隔熱材料施加到外管362或內管361上。
此外，外管362和PCB 20與所安裝的半導體元器件10的接觸部分被隔熱材料包圍和密封。
如果1-10°的冷卻空氣與殼體內的內部空氣接觸，在殼體內會發生結霜的現象，從而對其它元件產生嚴重的運行問題。因此，接觸部分必須被隔絕，而使得冷卻空氣只供給蒸發器31和半導體元器件10。
將殼體內的空氣強制供給蒸發器31的換氣風扇37可以定位在蒸發器31的後端或下遊端、內管361的入口處、或外管362的出口處。
從蒸發器31排出的冷凝水被導向冷卻裝置，以供應到冷凝水排放管311。
如果本發明一優選實施例的致冷冷卻裝置3工作而進行半導體元器件10的冷卻，致冷劑被壓縮機32在高溫高壓下壓縮，並由通過冷凝器33的熱傳遞而冷凝。隨後，冷凝的致冷劑在低溫低壓下通過膨脹閥34膨脹，並流入蒸發器31。
設置在蒸發器31一側的換氣風扇37的轉動使殼體內的空氣強制流入蒸發器。穿過蒸發器的冷卻空氣沿著內管361的流動路徑導入半導體元器件10。
在低溫空氣在半導體元器件10上擴散而吸收由半導體元器件10產生的熱量後，空氣沿外管362通過由於換氣風扇37轉動進行的強制對流而流回蒸發器31。
此時，如果蒸發器的溫度在-20℃--40℃的範圍內，在冷卻裝置最初的運轉階段空氣中所含的水分在蒸發器的表面結霜。為了避免上述現象，蒸發器31設定為具有能夠有效地進行熱傳遞的合適範圍溫度，並優選地設定為溫度在0℃之上。
此外，可以通過將隔熱材料施加到外管362和內管361的外周上來防止在流動路徑和個人計算機中發生結霜現象。
而且，密封劑和隔熱材料施加到外管362和PCB 20的接觸部分，以防止冷卻空氣的排放和結霜。並且，隔熱材料還附著到PCB下。
當本發明的致冷冷卻裝置3連續運轉時，由於空氣在與外界空氣隔絕的殼體內循環，連續的運轉會使空氣中所含的水分在蒸發器31的表面結霜並轉化為冷凝水。因此，蒸發器設置在其中的殼體內的空氣的溼度明顯降低，從而消除在內管內結霜的可能性。
同時，在本發明另一優選實施例的致冷冷卻裝置4施加到個人計算機的內部以冷卻CPU或其它卡產生的熱量的情況下，致冷冷卻裝置4如下地構成。
如圖5所示，致冷冷卻裝置4包括蒸發器41、壓縮機42、冷凝器43、膨脹閥44和殼體45。換氣風扇47設置在蒸發器的一側，並且蒸發器位於殼體45中，從而使蒸發器與其它冷卻裝置分開而形成冷卻空間。
如圖6所示，殼體45中設置有CPU100、CPU安裝於其上的主板200、和卡300。殼體4中的換氣風扇47通過隔板451與上述隔室分開，蒸發器41與殼體一體地形成而使CPU的空間與換氣風扇的空間連通。
通氣孔452形成在隔板451的底部，以連通安裝在主板200上的卡300和設置於殼體45外的周邊。
為了防止在殼體中循環的空氣向外洩漏，將安裝到主板200上的卡300與周邊連接的連接管線301固定在殼體的內部空間中，並使CPU100或通氣風扇與個人計算機的外部相通。
容納輸入/輸出設備(如軟盤驅動器501，CD-ROM 502、硬碟驅動器503，電源504等)的空間50位於主板200下，並通過由隔熱材料和密封劑製成的殼體45與主板200分開。
CPU100和軟盤驅動器通過動力線與數據總線相連。
冷凝器43、壓縮機42和膨脹閥44設置在個人計算機中，它們都與蒸發器41分開。蒸發器41、被冷卻的CPU100或主板200、卡300安裝在殼體45內，以便與個人計算機的其它空間隔離。
數據總線，連接主板200的動力線和容納輸入/輸出設備的空間50被隔離和密封，以防止空氣在其間流動，從而使殼體45內的空氣不會向外排放而只在殼體45中循環。
為了使空氣在本發明冷卻裝置的殼體45中更平順地循環，散熱風扇3a安裝到個人計算機的CPU上，多個散熱翅片可以安裝到CPU的上表面以輻射熱量。
如果安裝在蒸發器41一側的換氣風扇轉動，在換氣風扇處的空氣通過熱傳遞而冷卻，隨後流入CPU100。
冷卻的空氣在發熱的元件(如CPU100)上擴散，在這些元件和冷卻空間之間發生熱傳遞而冷卻各元件。隨後，吸熱的空氣再次通過在殼體45的隔板451上形成的換氣孔452而流入換氣風扇。
同時，當殼體45中的蒸發器41開始運轉時，與致冷劑熱交換產生的冷凝水通過蒸發器41下的冷凝水排放管411排放到壓縮機42，並隨後在發熱的壓縮機42上或蒸發器41的整個表面上擴散而有效地進行熱傳遞。
與蒸發器相連的冷凝水排放管411和致冷劑管412被隔開並密封，以防止冷凝水落到殼體45外的個人計算機的其它元件上。
採用本發明的致冷冷卻裝置的結構，蒸發器一體地設置在由隔熱材料或密封劑製成的殼體上，CPU、主板、卡都安裝在殼體上，從而使數個元件可以被有效地同時冷卻。殼體內的空氣連續循環，從而有效地進行各元件的冷卻，減少能量的消耗，並改善個人計算機的性能。
將殼體與外部相連的管子被隔絕並密封，從而防止元件由於冷凝水而出現故障。
此外，由於冷卻裝置與個人計算機的元件分開，很容易安裝該冷卻裝置。而且在更換元件時，無需更換冷卻裝置。
儘管已經參照某些優選實施例示出和描述了本發明，本領域的普通技術人員應該理解在不脫離所附權利要求書限定的精神和範圍的前提下，可以對形式和細節進行各種變化。
權利要求
1.一種致冷冷卻裝置，包括壓縮機，用於在高壓下壓縮致冷劑；冷凝器，與壓縮機相連，用於冷凝致冷劑；膨脹閥，與冷凝器相連；蒸發器，與膨脹閥和壓縮機相連，用於蒸發致冷劑；以及換氣風扇，安裝在蒸發器上，其中，蒸發器一體地安裝在形成半導體元器件冷卻空間的殼體上，並且通過連接管與設置在殼體外部的壓縮機和膨脹閥相連；換氣風扇安裝在蒸發器上而與半導體元器件分開；在殼體中形成循環路徑，從而使低溫的熱傳遞空氣吸收由半導體元器件產生的熱量，並流向蒸發器。
2.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，包括內管和外管的雙管設置在蒸發器和半導體元器件之間，而形成循環流動路徑，內管連接蒸發器和半導體而形成第一流動路徑，低溫空氣通過該第一流動路徑而流入半導體元器件，外管連接半導體元器件和容納換氣風扇的空間而形成第二流動路徑，吸收來自半導體元器件的熱量的空氣由換氣風扇通過該第二流動路徑而強制供給蒸發器。
3.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，隔板安裝在殼體中而形成循環流動路徑，在蒸發器中進行熱傳遞的低溫空氣通過該循環流動路徑流向半導體元器件，而吸收了來自半導體的熱量的空氣也通過該循環流動路徑而流向蒸發器；並且，在隔板的上、下部分別形成通孔，蒸發器安裝在上通孔上。
4.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，殼體由隔熱材料和密封劑製成。
5.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，蒸發器的蒸發溫度設定為0°以上。
6.如權利要求1或2所述的裝置，其特徵在於，換氣扇安裝在蒸發器的後部或下遊部。
7.如權利要求2所述的裝置，其特徵在於，雙管為波紋管結構。
8.如權利要求2所述的裝置，其特徵在於，內管上施加有隔熱材料。
9.如權利要求2所述的裝置，其特徵在於，外管和其上安裝有半導體元器件的固定板的接觸表面被隔熱材料圍繞和密封。
10.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，為了防止在殼體中循環的空氣向外洩漏，連接半導體元器件和周邊的連接管線緊固在殼體的內部空間中，並與個人計算機的外部空間相連通。
11.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，容納如軟盤驅動器、硬碟驅動器、電源等輸入/輸出設備的空間位於PCB下，並通過與絕緣材料和密封劑製成的殼體與PCB分開。
12.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，連接蒸發器、壓縮機和膨脹閥的連接管被隔絕和密封。
13.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，由蒸發器排出的冷凝水在壓縮機或冷凝器上擴散。
全文摘要
本發明涉及一種致冷冷卻裝置,用於通過在安裝有蒸發器和半導體元器件的殼體中形成空氣的循環流動路徑而冷卻由半導體元器件產生的熱量。該致冷冷卻裝置包括:壓縮機,用於在高壓下壓縮致冷劑;冷凝器,與壓縮機相連,用於冷凝致冷劑;膨脹閥,與冷凝器相連;蒸發器,與膨脹閥和壓縮機相連,用於蒸發致冷劑;換氣風扇,安裝在蒸發器上,其中,蒸發器一體地安裝在形成半導體元器件冷卻空間的殼體上,並且通過連接管與設置在殼體外部的壓縮機和膨脹閥相連;換氣風扇安裝在蒸發器上而與半導體元器件分開;在殼體中形成循環路徑,從而使低溫的熱傳遞空氣吸收由半導體元器件產生的熱量,並流向蒸發器。
文檔編號F24F13/22GK1356724SQ01142440
公開日2002年7月3日 申請日期2001年11月28日 優先權日2000年12月1日
發明者吳世基, 長東延, 吳世允, 李旭鏞 申請人:Lg電子株式會社