分形鰭片散熱器的製作方法

2023-11-12 05:29:32

專利名稱：分形鰭片散熱器的製作方法
技術領域：
本發明屬於微電子技術領域，涉及一種冷卻裝置，尤其涉及一種用於電子設備冷卻系統的高效且溫度均勻的鰭片散熱器設計。
背景技術：
近年來，隨著電子器件的集成化和微型化不斷升級，其功率和集成度大幅度提高，功率器件的熱流密度不斷上升，散熱成為微電子產業進一步發展的一個主要障礙，只有對電子設備的耗熱元件以及整機或系統採用合適的冷卻技術和結構設計，對它們的溫升進行控制，才能保證電子設備或系統正常、可靠地工作。對於三種基本傳熱方式，任何一種方式的傳熱熱量都與傳熱面積成正比，所以，增加傳熱面積是提高傳熱量的一種有效途徑。在電子設備熱設計中，為了強化電子元件的散熱能力，採用了各種形式的散熱器以增大元件的散熱面積。最簡單的散熱器是平板散熱器，其結構簡單，容易自製，但散熱效果較差，且所佔面積較大。當平板散熱器散熱速率不能滿足要求時，通常要擴展傳熱面積，即採用鰭片散熱器。在電子設備的總尺寸、質量、所耗金屬材料和流阻性能增加不多的前提下，採用鰭片散熱器的散熱量最大可增加一個數量級。型材散熱器、叉指散熱器和圓柱針肋散熱器是常用的幾種鰭片散熱器。但是大多數鰭片散熱器由於鰭片排列的結構和空間分布局限，致使電子晶片上的溫度分布不均勻。中國發明專利CN101394730A公布了一种放射狀鰭片散熱器，其中鰭片設計成分叉結構，這種散熱器能充分利用鰭片沿徑向的空間，提高換熱面積。但是該專利對於柱狀電子設備散熱效果較好，不適合在方形電子晶片散熱系統的設計中推廣，而且該專利沒有解決溫度分布不均勻的問題。中國實用新型專利CN2552167Y公布了一種直線狀豎立分布的散熱鰭片，解決了鰭片通風問題，加強了鰭片強度。但是，這種散熱器仍然不能解決溫度分布不均的問題。而局部區域的溫度分布是影響被冷卻期間工作特性的關鍵，也是評價微電子散熱系統的重要指標。電子晶片溫度分布的不均勻性(特別是最高溫度)，嚴重時可以導致晶片損壞，影響電子設備的使用壽命。
發明內容本發明要解決的技術問題是提供一種鰭片散熱器，充分利用方形電子晶片的平面空間，通過增加傳熱表面面積提高散熱效率，該鰭片散熱器具有良好的空間分布均勻特徵，可以克服散熱器溫度分布不均勻的缺點，延長電子晶片的使用壽命。為解決上述技術問題，本發明將鰭片散熱器設計成「H」型分形分叉網絡結構。本發明由電子晶片，絕熱墊片和鰭片散熱器組成。其工作原理為:電子晶片所產生的熱量通過絕熱墊片主要以導熱方式傳遞給鰭片散熱器，鰭片散熱器通過鰭片網絡傳輸到周圍環境。鰭片散熱器是由矩形鰭片按照「H」型分形分叉網絡的方式進行組合和連接，矩形鰭片具有相同的高度，然後將分形鰭片網絡加工在同種材料的基片上。分形鰭片網絡為對稱二分叉網絡，每一級母分支分叉出兩個相同的子分支，即同一級分支具有相同的寬度和長度；分叉角度為90度；相鄰兩級鰭片的長度比以及寬度比保持常數，即第k+1級鰭片的長度與k級鰭片的長度比值a = lk+1/lk和寬度比@ =dk+1/dk與分叉級數無關，保持不變；選取寬度比和長度比a = ^ =2_1/D，其中分形維數D = 2，此時分形鰭片網絡具有良好的空間分布均勻特性和平面空間填充能力；分形鰭片網絡的0級分支尺寸和總分叉級數n的選取需要根據具體的晶片尺寸和總體封裝需求確定和設計，同時遵循避免網絡自重疊的原則。分形鰭片網絡是由矩形鰭片按照分形分叉網絡連接而成，矩形截面的鰭片易於加工和安裝，適合批量生成。本發明能夠產生的有益效果:1.按照「H」型分形分叉網絡進行設計的分形鰭片散熱器，可以充分利用電子晶片的表面空間，增加鰭片換熱表面面積，提高散熱效率，適用於方形晶片散熱系統的設計。2.由於鰭片間隙變小，具有屏蔽效應，減少了鰭片間氣流旁通量。3.分形鰭片網絡具有良好的空間分布均勻特性，因此可以有效提高晶片溫度分布的均勻性，消除晶片表面的局域熱點，防止晶片損壞，有效延長晶片使用壽命。

圖1是本發明的結構示意圖圖2是鰭片散熱器的結構圖圖3顯示了根據本發明的一個實施例的分形鰭片網絡，其具有5級的2分叉結構圖4顯示了分形鰭片網絡的基本單元
具體實施方式
以下結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步詳細說明。如圖1所示，採用分形鰭片散熱器冷卻尺寸為100X72X20mm3的電子晶片I。電子晶片I所產生的熱量通過絕熱墊片2主要以導熱方式傳遞給鰭片散熱器3，鰭片散熱器通過鰭片網絡傳輸到周圍環境。「H」型分形分叉網絡具有良好的空間均勻分布特徵。從圖4可知，選取長度比(a = IkVlk)和寬度比= dk+1/dk)都為2_1/2，每一級母分支分叉出兩個相同的子分支。將圖4所示的「H」型分叉基本單元按照上述分叉比迭代5次，生成如圖3所示的5級分叉網絡，根據電子晶片尺寸可以確定0級鰭片的尺寸為26.5X5.2 X 10mm3，矩形鰭片高度為10mm，基片厚度為5mm。此時，分形鰭片網絡具有良好的平面填充能力，即具有很高的傳熱表面面積，同時具有最高的熱傳導效率。從圖2可知，首先成型出由鋁製擠壓型材製作的散熱器坯件，並將分形鰭片網絡4加工在同種材質的基片5上。 然後將分形鰭片網絡3和絕熱墊片2以及電子晶片I按照從上至下的順序整體封裝。
權利要求1.分形鰭片散熱器，包括有依次封裝在一起的電子晶片(I)，絕熱墊片(2)和鰭片散熱器(3)，其特徵在於:所述鰭片散熱器設計成分形分叉網絡結構，具有相同高度的矩形鰭片按照「H」型分形分叉結構進行組合連接，並將分形鰭片網絡(4)加工在基片(5)上，所述分形鰭片網絡的每一級母鰭片分叉出兩個對稱的子鰭片，分叉角度為90度，相鄰兩級鰭片的長度比以及寬度比保持常數，即後一級鰭片的長度與前一級鰭片的長度比值為2_1/2，寬度比也等於2_1/2。
2.根據權利要求1所述的分形鰭片散熱器，鰭片散熱器(3)的分叉比保持常數，O級鰭片的尺寸和總分叉級數η按照晶片尺寸和總體封裝需求確定，同時遵循避免網絡自重疊的原則。
專利摘要本實用新型涉及一種冷卻裝置，尤其涉及一種用於方形電子設備冷卻系統的高效且溫度均勻的鰭片散熱器設計。使用時，將鰭片散熱器設計成「H」型分形分叉網絡結構，然後將分形鰭片散熱器和絕熱墊片以及電子晶片整體封裝，矩形截面的鰭片易於加工和安裝，適合批量生成。該分形鰭片散熱器可以充分利用電子晶片的表面空間，增加鰭片換熱表面面積，減少了鰭片間氣流旁通量，提高散熱效率，尤其適用於方形晶片散熱系統的設計；同時，分形鰭片網絡具有良好的空間分布均勻特性，可以有效降低晶片溫度分布的不均勻性，消除晶片表面的局域熱點，防止晶片損壞，有效延長晶片使用壽命。
文檔編號H05K7/20GK202957232SQ20122054460
公開日2013年5月29日 申請日期2012年10月14日 優先權日2012年10月14日
發明者徐鵬, 邱淑霞, 喬憲武 申請人:中國計量學院