TWI744195B - 熱高峰抑制裝置 - Google Patents

Abstract

一種熱高峰抑制裝置包括一散熱鰭片組、一散熱器、一鰭片陣列架、一填充氣體、一熱相變材料及一毛細導管。散熱器熱耦接散熱鰭片組，其內具有一封閉腔室。封閉腔室內區分為熱區與冷區。鰭片陣列架位於冷區內，且固定地連接導熱塊。填充氣體位於冷區內，其比熱容量為2000~6000 焦耳/仟克·開耳文。熱相變材料位於熱區內。毛細導管之二端分別位於封閉腔室之冷區及熱區，用以將液態之熱相變材料送至封閉腔室之冷區。

Description

熱高峰抑制裝置

本發明有關於一種散熱裝置，尤指一種熱高峰抑制裝置。

隨著雲端服務越甚普及，電子行業中出現了高效能的半導體晶片，這些半導體晶片也伴隨著越來越高的發熱量，如此，需要合適的散熱手段才能有效地將熱能散去。

一般而言，在半導體晶片(後稱受驗元件，DUT)進行程式偵錯時，會對受驗元件進行電氣導通，藉此執行偵錯作業。然而，在偵錯過程時，高效能之半導體晶片會快速產出許多熱能，加上所述散熱手段之散熱效率有限，使得受驗元件可能過熱而毀壞，甚至導致影響偵錯結果。

由此可見，上述作法仍存在不便與缺陷，而有待加以進一步改良。因此，如何能有效地解決上述不便與缺陷，實屬當前重要研發課題之一，亦成爲當前相關領域亟需改進的目標。

為此，本發明提出一種熱高峰抑制裝置，用以解決以上先前技術所提到的困難。

本發明之一實施例為提供一種熱高峰抑制裝置。熱高峰抑制裝置包括一散熱鰭片組、一散熱器、一鰭片陣列架、一填充氣體、一熱相變材料及一毛細導管。散熱器具有一導熱塊與一封閉腔室。導熱塊熱耦接散熱鰭片組。封閉腔室氣密地形成於導熱塊內，且區分為一熱區與一冷區。熱相變材料位於封閉腔室之熱區內，用以透過吸放熱能以進行液態和固態之間的相態轉換。填充氣體位於封閉腔室之冷區內，且填充氣體之比熱容量為2000~6000 焦耳/仟克·開耳文(J/(kg·K)。鰭片陣列架位於封閉腔室之冷區，且固定地連接導熱塊。毛細導管具有彼此相對之第一端與第二端。第一端與第二端分別位於封閉腔室之冷區及熱區。如此，當熱相變材料轉換為液態時，毛細導管將熱相變材料送至封閉腔室之冷區。

依據本發明一或複數個實施例，在上述之熱高峰抑制裝置中，毛細導管內具有多個彼此並列之毛細管道。每個毛細管道之二相對端分別面向鰭片陣列架及熱相變材料。

依據本發明一或複數個實施例，在上述之熱高峰抑制裝置中，毛細導管之第一端與鰭片陣列架之間具有一間隙。當熱相變材料於封閉腔室之冷區轉換為固態時，熱相變材料從毛細導管之第一端經過間隙落下至封閉腔室之熱區。

依據本發明一或複數個實施例，在上述之熱高峰抑制裝置中，散熱器具有一引導斜面。引導斜面用以將熱相變材料引導至毛細導管之第二端。

依據本發明一或複數個實施例，在上述之熱高峰抑制裝置中，毛細導管之橫截面為一蜂巢式多孔截面。

依據本發明一或複數個實施例，上述之熱高峰抑制裝置更包含一震動器。震動器連接散熱器，用以產生振動至散熱器及毛細導管，其中毛細導管固定地連接於封閉腔室之內壁。

依據本發明一或複數個實施例，在上述之熱高峰抑制裝置中，震動器包含一超聲波壓電陶瓷片及一驅動器。超聲波壓電陶瓷片直接連接於導熱塊之表面，用以產生超聲波至毛細導管。驅動器電連接超聲波壓電陶瓷片，用以驅動超聲波壓電陶瓷片工作。

依據本發明一或複數個實施例，上述之熱高峰抑制裝置更包含一溫度偵測單元及一溫度開關。溫度偵測單元位於導熱塊相對散熱鰭片組之一側，用以偵測導熱塊之溫度。溫度開關電連接震動器與溫度偵測單元，用以啟動震動器。當溫度偵測單元偵測出導熱塊之溫度到達一門檻值時，溫度開關因應溫度偵測單元之偵測結果啟動震動器。

依據本發明一或複數個實施例，上述之熱高峰抑制裝置更包含一散熱風扇。散熱風扇連接散熱鰭片組，用以引導氣流至散熱鰭片組。

依據本發明一或複數個實施例，在上述之熱高峰抑制裝置中，填充氣體為氨氣與氦氣其中之一。

依據本發明一或複數個實施例，在上述之熱高峰抑制裝置中，熱相變材料為石蠟與脂肪酸其中之一。

如此，透過以上各實施例之所述架構，本發明能夠在半導體晶片發出高熱能時，提供熱緩衝功能，進而有效抑制半導體晶片的高熱能，以提高散熱效能，降低半導體晶片因過熱而受損的機會。

以上所述僅為用以闡述本發明所欲解決的問題、解決問題的技術手段、及其產生的功效等等，本發明之具體細節將在下文的實施方式及相關圖式中詳細介紹。

以下將以圖式揭露本發明之複數實施方式，為明確說明起見，許多實務上的細節將在以下敘述中一併說明。然而，熟悉本領域之技術人員應當瞭解到，在本發明部分實施方式中，這些實務上的細節並非必要的，因此不應用以限制本發明。此外，為簡化圖式起見，一些習知慣用的結構與元件在圖式中將以簡單示意的方式繪示之。另外，為了便於讀者觀看，圖式中各元件的尺寸並非依實際比例繪示。

第1圖為本發明一實施例之一熱高峰抑制裝置10的示意圖。如第1圖所示，熱高峰抑制裝置10包括一散熱鰭片組100、一散熱器200、一鰭片陣列架300、一填充氣體400、一熱相變材料500及一毛細導管600。散熱器200具有一導熱塊210與一封閉腔室220。導熱塊210熱耦接散熱鰭片組100。更具體地，導熱塊210具有彼此相對之第一側壁211與第二側壁212，導熱塊210之第一側壁211直接連接散熱鰭片組100，導熱塊210之第二側壁212直接連接一熱源900(例如為半導體元件)。封閉腔室220位於導熱塊210之內部，且封閉腔室220沿一重力方向(如Z軸)區分為一冷區222與一熱區221，冷區222與熱區221彼此接通，且冷區222與熱區221之間並無明顯區分界線。須了解到，熱區221較冷區222接近熱源900，且冷區222較接近散熱鰭片組100，因此冷區222的溫度小於熱區221的溫度。熱相變材料500位於封閉腔室220之熱區221內，用以透過吸放熱能以進行液態和固態之間的相態轉換。固態之熱相變材料500大部分位於封閉腔室220之熱區221內。填充氣體400大部分位於封閉腔室220之冷區222內，且鰭片陣列架300位於封閉腔室220之冷區222，且固定地連接導熱塊210之內壁。毛細導管600放置於封閉腔室220內，且沿重力方向(如Z軸)配置於封閉腔室220內。封閉腔室220氣密地形成於導熱塊210內，換句話說，封閉腔室220內之填充氣體400無法從封閉腔室220溢出至導熱塊210之外。

此實施例中，導熱塊210之材質為金屬或合金，例如銅或鋁。然而，本發明不限於此，其他實施方式中，導熱塊210之材質亦可能為具有高導熱材質之非金屬。如此，導熱塊210能夠快速地將半導體元件之熱能傳導至散熱鰭片組100，進而將熱能快速帶離半導體元件。封閉腔室220內接近熱源900之內壁具有一凸塊230。凸塊230與導熱塊210為一體成形，且與導熱塊210具有相同之材質。熱相變材料500直接放置於凸塊230之頂面，以致熱相變材料500能夠直接從凸塊230吸收熱源900之熱能。

在本實施例中，舉例來說但不以此為限，填充氣體400之導熱係數為0.11~0. 998 瓦/（米·度）(w/（m·°C)）之間，意即，此填充氣體400與一大氣空氣之導熱係數比值為5~7之間。舉例來說但不以此為限，填充氣體400為氨氣或氦氣。氦氣之導熱係數為0.11680瓦/(米·度)(w/( m·°C))，意即，此氦氣與一大氣空氣之導熱係數比值為6.18。此外，填充氣體400之比熱容量為2000~6000 焦耳/仟克·開耳文(J/(kg·K)，舉例來說，氦氣之比熱容量為5190 焦耳/仟克·開耳文(J/( kg · K)。氨氣之比熱容量為2055 焦耳/仟克·開耳文(J/( kg · K)。須了解到，本發明技術領域具有通常知識者可以考量選擇採用氨氣或氦氣作為上述填充氣體400。

熱相變材料500(Phase Change Material，PCM)在相態改變時，對其潛熱進行儲能。故，熱相變材料500的相態改變可以是固相-液相、液相-氣相或是固相-液相。舉例來說，熱相變材料500為石蠟或脂肪酸。然而，本發明不限於此。熱相變材料500以石蠟為例，石蠟為高比熱物質，比熱為 2200(J/Kg．K)。石蠟為固態時，需吸收大量熱能才可轉換為液態，以做為一熱高原期的緩衝吸熱池。因為石蠟熔點為 64°C，當熱源900的熱能尚未到達 64°C時，熱源900的熱能能夠透過導熱塊210直接傳至散熱鰭片組100，反之，當熱源900的熱能到達 64°C時，石蠟開始吸收熱能，以便逐漸轉換為液態來處理熱高原期的熱能。

毛細導管600跨越封閉腔室220之冷區222及熱區221。更具體地，毛細導管600具有彼此相對之第一端610與第二端620。毛細導管600之第一端610與第二端620分別位於封閉腔室220之冷區222及熱區221。更進一步地，但本發明不限於此，毛細導管600呈彎折狀，使得毛細導管600之第一端610沿水平方向(如X軸)延伸並且面向鰭片陣列架300，且與鰭片陣列架300之間相隔一特定間隙240，且毛細導管600之第二端620沿水平方向(如X軸)延伸並且面向熱相變材料500。此實施例中，由於毛細導管600之內壁設有毛細(圖中未示)，毛細導管600能夠將液態之熱相變材料500加以輸送。舉例來說，毛細導管600為鋁管或銅管。然而，本發明不限於此。

更具體地，散熱鰭片組100包含複數個鰭片件110與熱管120。然而，本發明不限於此。這些鰭片件110沿重力方向(如Z軸)互相平行且間隔設置，且這些熱管120沿水平方向(如X軸)互相平行且間隔設置。每個熱管120之長軸方向平行重力方向(如Z軸)，且每個熱管120穿過所有之鰭片件110且熱連接導熱塊210。此外，導熱塊210更具有多個支架260，這些支架260分別位於導熱塊210之外側壁213，且傾斜地連接其中一熱管120，以增加傳遞熱能之途徑。

鰭片陣列架300為多個金屬片310依據一陣列方式所組成，任二相鄰之金屬片310之間具有一空隙320。鰭片陣列架300之這些空隙320容置部分之填充氣體400，故，熱能能夠透過填充氣體400與這些金屬片310而傳遞至散熱鰭片組100上。

再者，熱高峰抑制裝置10更包含一散熱風扇700。散熱風扇700連接散熱鰭片組100，用以引導氣流至散熱鰭片組100。更具體地，在本實施例中，散熱風扇700放置於散熱鰭片組100之同側，能夠產生或引導氣流進入鰭片件110與熱管120之間的氣隙130，藉此將熱能帶離散熱鰭片組100。

第2圖為第1圖之熱高峰抑制裝置10之操作示意圖。如第2圖所示，當熱源900開始產出熱能，且熱源900之熱能尚未到達一門檻值(例如64°C)時，熱源900的熱能能夠透過導熱塊210而直接傳遞至散熱鰭片組100，進而被帶離散熱鰭片組100，此時，熱相變材料500仍處於固態。

反之，當熱源900之熱能上升到此門檻值(例如64°C)時，熱相變材料500因為開始吸收熱能而逐漸轉換為液態，使得熱相變材料500於熱區221內累積成吸熱池。接著，因為毛細現象，熱相變材料500之液體501開始從毛細導管600之第二端620滲入毛細導管600內，從而於毛細導管600內被引導至毛細導管600之第一端610。

如此，透過填充氣體400及鰭片陣列架300在冷區222內之散熱作用，熱相變材料500開始放熱及冷卻而轉換為固態之熱相變材料500，接著，熱相變材料500被推出毛細導管600之第一端610之部分開始從間隙240落下至封閉腔室220之熱區221，從而回到熱區221內之熱相變材料500上。

第3圖為本發明一實施例之熱高峰抑制裝置11的示意圖。如第3圖所示，第3圖之熱高峰抑制裝置11與第1圖之熱高峰抑制裝置10大致相同，其差異在於，熱高峰抑制裝置11更包含一震動器800。震動器800連接散熱器200，用以產生振動至散熱器200及毛細導管600，其中毛細導管600固定地連接於封閉腔室220之內壁。如此，在熱相變材料500於毛細導管600內輸送的同時，震動器800對毛細導管600之振動能夠加速毛細現象的速率，從而提升散熱效率。

舉例來說，但不以此為限，震動器800包含一超聲波壓電陶瓷片810及一驅動器820。超聲波壓電陶瓷片810直接連接於導熱塊210之表面，用以產生超聲波至毛細導管600。驅動器820電連接超聲波壓電陶瓷片810，用以驅動超聲波壓電陶瓷片810工作。如此，由於超聲波對液態之熱相變材料500施以振盪會生成無數的微小真空氣泡，且不斷的生成及破滅，其破滅所產生的衝擊波將推動液體向外擴散，從而加速上述之散熱循環。

在本實施例中，上述之熱高峰抑制裝置11更包含一溫度偵測單元830及一溫度開關840。溫度偵測單元830位於導熱塊210相對散熱鰭片組100之一側(即第二側壁212)，用以偵測導熱塊210(即熱源900)之溫度。溫度開關840電連接震動器800與溫度偵測單元830，用以啟動震動器800。如此，當溫度偵測單元830偵測出導熱塊210(即熱源900)之溫度尚未到達一門檻值(例如64°C)時，溫度開關840因應溫度偵測單元830之偵測結果不啟動或將震動器800關閉；反之，當封閉腔室220內之溫度到達一門檻值(例如64°C)時，溫度開關840因應溫度偵測單元830之偵測結果啟動震動器800。

更進一步地，在本實施例中，散熱器200更具有一引導斜面250。用以將熱相變材料500引導至毛細導管600之第二端620。更具體地，引導斜面250位於凸塊230相對第二側壁212上。然而，本發明不限於此，只要能將熱相變材料500引導至毛細導管600之第二端620，本發明不限引導斜面250位於封閉腔室220對應熱區221之內壁。

第4圖為本發明一實施例之毛細導管600的橫截面示意圖。如第4圖所示，毛細導管600之橫截面為一蜂巢式多孔截面630。更具體地，毛細導管600內具有多個彼此並列之毛細管道640。每個毛細管道640之二相對端分別面向熱區221內的熱相變材料500以及冷區222內的鰭片陣列架300(第1圖)，且每個毛細管道640之橫截面呈六邊形。然而，本發明不限其橫截面之外型。

如此，透過以上各實施例之所述架構，本發明能夠在半導體晶片發出高熱能時，提供熱緩衝功能，進而有效抑制半導體晶片的高熱能，以提高散熱效能，降低半導體晶片因過熱而受損的機會。

最後，上述所揭露之各實施例中，並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，皆可被保護於本發明中。因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

10、11:熱高峰抑制裝置 100:散熱鰭片組 110:鰭片件 120:熱管 130:氣隙 200:散熱器 210:導熱塊 211:第一側壁 212:第二側壁 213:外側壁 220:封閉腔室 221:熱區 222:冷區 230:凸塊 240:間隙 250:引導斜面 260:支架 300:鰭片陣列架 310:金屬片 320:空隙 400:填充氣體 500:熱相變材料 600:毛細導管 610:第一端 620:第二端 630:蜂巢式多孔截面 640:毛細管道 700:散熱風扇 800:震動器 810:超聲波壓電陶瓷片 820:驅動器 830:溫度偵測單元 840:溫度開關 900:熱源 X、Z:軸

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下： 第1圖為本發明一實施例之一熱高峰抑制裝置的示意圖； 第2圖為第1圖之熱高峰抑制裝置之操作示意圖； 第3圖為本發明一實施例之一熱高峰抑制裝置的示意圖；以及 第4圖為本發明一實施例之毛細導管的橫截面示意圖。

10:熱高峰抑制裝置

100:散熱鰭片組

110:鰭片件

120:熱管

130:氣隙

200:散熱器

210:導熱塊

211:第一側壁

212:第二側壁

213:外側壁

220:封閉腔室

221:熱區

222:冷區

230:凸塊

240:間隙

260:支架

300:鰭片陣列架

310:金屬片

320:空隙

400:填充氣體

500:熱相變材料

600:毛細導管

610:第一端

620:第二端

700:散熱風扇

900:熱源

X、Z:軸

Claims (11)

1. 一種熱高峰抑制裝置，包括： 一散熱鰭片組； 一散熱器，具有一導熱塊與一封閉腔室，該導熱塊熱耦接該散熱鰭片組，該封閉腔室形成於該導熱塊內，且區分為一熱區與一冷區； 一熱相變材料，位於該封閉腔室之該熱區內，用以透過吸放熱能以進行液態和固態之間的相態轉換； 一填充氣體，位於該封閉腔室之該冷區內，其中該填充氣體之比熱容量為2000~6000 焦耳/仟克·開耳文(J/(kg·K)； 一鰭片陣列架，位於該封閉腔室之該冷區內，且固定地連接該導熱塊；以及 一毛細導管，具有彼此相對之一第一端與一第二端，該第一端與該第二端分別位於該封閉腔室之該冷區及該熱區， 其中當該熱相變材料轉換為液態時，該毛細導管將該熱相變材料送至該封閉腔室之該冷區。
2. 如請求項1所述之熱高峰抑制裝置，其中該毛細導管內具有複數個彼此並列之毛細管道，每一該些毛細管道之二相對端分別面向該鰭片陣列架及該熱相變材料。
3. 如請求項1所述之熱高峰抑制裝置，其中該毛細導管之該第一端與該鰭片陣列架之間具有一間隙， 其中當該熱相變材料於該封閉腔室之該冷區轉換為固態時，該熱相變材料從該毛細導管之該第一端經過該間隙落下至該封閉腔室之該熱區。
4. 如請求項1所述之熱高峰抑制裝置，其中該散熱器具有一引導斜面，該引導斜面用以將該熱相變材料引導至該毛細導管之該第二端。
5. 如請求項1所述之熱高峰抑制裝置，其中該毛細導管之橫截面為一蜂巢式多孔截面。
6. 如請求項1所述之熱高峰抑制裝置，更包含： 一震動器，連接該散熱器，用以產生振動至該散熱器及該毛細導管，其中該毛細導管固定地連接於該封閉腔室之內壁。
7. 如請求項6所述之熱高峰抑制裝置，其中該震動器包含： 一超聲波壓電陶瓷片，直接連接於該導熱塊之表面，用以產生超聲波至該毛細導管；以及 一驅動器，電連接該超聲波壓電陶瓷片，用以驅動該超聲波壓電陶瓷片工作。
8. 如請求項6所述之熱高峰抑制裝置，更包含： 一溫度偵測單元，位於該導熱塊相對該散熱鰭片組之一側，用以偵測該導熱塊之溫度；以及 一溫度開關，電連接該震動器與該溫度偵測單元，用以啟動該震動器， 其中當該溫度偵測單元偵測出該導熱塊之溫度到達一門檻值時，該溫度開關因應該溫度偵測單元之偵測結果啟動該震動器。
9. 如請求項1所述之熱高峰抑制裝置，更包含： 一散熱風扇，連接該散熱鰭片組，用以引導氣流至該散熱鰭片組。
10. 如請求項1所述之熱高峰抑制裝置，其中該填充氣體為氨氣與氦氣其中之一。
11. 如請求項1所述之熱高峰抑制裝置，其中該熱相變材料為石蠟與脂肪酸其中之一。

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