CN112042063A - 具有超材料的连接器 - Google Patents

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Abstract

一种连接器包括热超材料。该热超材料提供从连接器内部到连接器外部的热流路径。此外，电连接器包括：电绝缘壳体，包括在该电绝缘壳体中的导电接触件，以及热连接到电绝缘壳体或导电接触件之一的超材料。超材料热冷却电连接器。

Description

具有超材料的连接器
相关申请
本申请要求于2018年5月8日提交的美国临时专利申请62/668,663和于2018年5月10日提交的美国临时专利申请62/669,832的权益；其中每个申请的全部内容在此通过援引并入。
发明背景
1.发明领域
本发明涉及热管理。更具体地，本发明涉及连接器的热管理，包括例如使用超材料的电连接器和模块化光学连接器，诸如光学耦合器和光学收发器。
2.相关技术的描述
必须控制连接器的温度以确保连接器正常工作。如果连接器是例如电连接器或光学模块，诸如光学耦合器或光学收发器，必须控制连接器的温度以确保连接器正常工作，并且可以使用适当的热管理来实现。例如，在一些没有强制通风的应用中，功率连接器的温度应被控制为比环境温度以上约30℃低的温度。
功率连接器的端子和插座可用于传输功率。端子位于第一基板上，并且插座位于第二基板上。功率连接器的端子和插座可以对接在一起以在第一基板和第二基板之间传输功率。插座包括在绝缘壳体内的插座接触件，并且端子包括具有绝缘壳体的端子接触件。当插座和端子对接时，对应的插座接触件和端子接触件彼此接合，以允许功率在第一基板与第二基板之间传输。
当通过连接器系统的端子和插座传输电功率时，产生电阻热量。该热量可以导致温度升高。如果连接器的温度升高超过极限，则连接器系统可能会发生故障或性能下降。
发明内容
为了克服上述问题，本发明的优选实施例使用超材料来提供连接器中更好的热管理，其中连接器包括例如电连接器或光学模块，诸如光学耦合器和光学收发器。
根据本发明的优选实施例，电连接器可以包括：电绝缘壳体；包括在电绝缘壳体中的导电接触件；以及热连接到电绝缘壳体或导电接触件之一的超材料。超材料热冷却电连接器或接触件。
根据本发明的优选实施例，电连接器可以包括电绝缘壳体、由电绝缘壳体承载的导电接触件、导电屏蔽，以及热连接到电绝缘壳体或导电接触件或导电屏蔽之一的超材料。超材料热冷却电连接器或接触件。
超材料优选地将不想要的热量减少大约5℃至10℃。当电连接器暴露于200至800英尺/分钟的气流速度时，超材料优选地减少大约5℃至10℃的不想要的热量。优选地，超材料在3.5瓦特时将不想要的热量减少约5℃至15℃，在7瓦特时减少约5℃至15℃，并且在12瓦特时减少约7℃至15℃。
优选地，当在相同的电流和/或功率以及环境温度下运行时，该电连接器相比没有超材料的相同电连接器较冷。热界面材料优选地与超材料的至少一个表面直接相邻。超材料优选地包括表面孔的阵列。
根据本发明的优选实施例，连接器可以包括热超材料。热超材料提供从连接器内部到连接器外部的热流路径，或者将热量转换为辐射。
优选地，连接器是电连接器、功率连接器或光学模块。热超材料优选地包括各向异性复合材料，其中在低热导率基体中包括高热导率纤维或不对称颗粒以提供热流路径。热超材料优选地将热量转换成树脂透明(resin-transparent)的辐射，即不被树脂吸收并且不加热树脂的辐射。热界面材料优选地与热超材料的至少一个表面直接相邻。热超材料优选地包括表面孔的阵列。
根据本发明的优选实施例，笼罩组件可包括容纳收发器的笼罩，连接到笼罩的散热器以及热连接到笼罩或散热器之一的超材料。当收发器插入笼罩时，超材料热冷却收发器。
热界面材料优选地与超材料的至少一个表面直接相邻。超材料优选地包括表面孔的阵列。
根据本发明的优选实施例，收发器组件可以包括笼罩组件和插入笼罩的收发器。
优选地，收发器包括垂直腔表面发射激光器(VCSEL)，并且超材料将VCSEL的温度保持在大约-40℃至125℃之间。超材料优选地包括表面孔的阵列。
在本发明的一个优选实施例中，连接器包括壳体、在壳体中的电接触件和热连接到电接触件的超材料。
连接器优选地包括位于电接触件和超材料之间的热界面材料，位于壳体和超材料之间的热界面材料，或位于电接触件和超材料之间的第一热界面材料和位于壳体和超材料之间的第二热界面材料两者。超材料优选地包括表面孔的阵列。
通过以下参考附图对本发明的优选实施例的详细描述，本发明以上的和其他的特征、要素、特性、步骤和优点将变得更加明白易懂。
附图的简要说明
图1至3示出应用于端子接触件的超材料。
图4至6示出应用于插座接触件的超材料。
图7至9示出与插座接触件对接的端子接触件。
图10示出壳体中的端子。
图11示出壳体中的插座。
图12和13示出连接到印刷电路板的光学收发器。
图14示出光学收发器，其中一部分壳体被移除。
图15示出光学收发器的壳体。
图16示出在加热风洞中具有超材料和不具有超材料的光学收发器的测试结果。
图17和18示出超材料相对于产热元件的可能布置。
图19示出超材料的横截面。
图20示出图19中的超材料的俯视图。
详细描述
超材料包括处理后具有非天然存在性质的任何材料。在美国专利申请公开号2017/0237300；2018年3月的《电子封装杂志》第140卷，第010904-1页至第010904-10页，Dede等人的“用于电子设备中热流控制的热超材料(Thermal Metamaterials for HeatFlow Control in Electronics)”；以及在2012年2月10日InTech出版的《红外辐射》中Biehs等人的27页的“纳米辐射热传输及其应用(Nanoscale radiative heat transferand its applications)”中讨论了超材料。出于所有目的，这三篇参考文献的全部内容在此通过援引并入，如同在此全部阐述。超材料可以由来自诸如金属或塑料的复合物材料制成的多元素组合制造，并且超材料的性质可以不源于其基材的性质，而是源于其结构。超材料可以包括具有纳米级特性、图案或元素的复合介质。
一些热超材料包括可以操控热通量的结构。例如，热超材料可以包括各向异性复合材料(composite)，各向异性复合材料通过使高热导率的纤维或不对称颗粒在低热传导率基体(matrix)中沿优选方向取向把导热路径包括在异质材料中，从而提供热流控制。在这样的热超材料中，热量趋于平行于纤维或颗粒的轴线流动，而垂直于纤维或颗粒的轴线的热流则实质形地减少。例如，可以将铝基热超材料用作超材料。
一些热超材料使用三维结构将热能转换成辐射。这样的热超材料不依赖对流和传导来提供热管理。例如，超材料中的纳米级钨和二氧化铪层可以抑制一部分电磁波谱的发射，同时增强另一部分电磁波谱的发射。但是，也可以使用其他材料和结构。例如，也可以使用具有表面孔的阵列的超材料。表面孔的尺寸和布置可以用来调整哪些电磁发射被抑制以及哪些电磁发射被增强。表面孔可以充当谐振器，使得改变表面孔的尺寸和布置会改变孔的谐振。转换后的辐射可以是受控光谱中的红外辐射，并且对于大多数树脂可以是透明的。例如，超材料可以发射红外辐射，该红外辐射发射通过超材料附连的结构并且未被超材料附连的结构吸收。因此，相比于使用传导和/或对流以供热管理的不具有超材料的相同的连接器，此连接器的壳体或其他含树脂或含玻璃的部件不被辐射加热或基本上不被辐射加热。
热超材料可用于引导连接器的热通量来改进连接器的热性能。在现有的连接器上添加热超材料可以帮助冷却连接器，以便在达到有害热量之前，可以通过连接器传输更多的电流和/或功率。下面讨论的是包括如图10和图11所示的端子和插座的功率连接器的示例，但是类似的技术也可以应用于其他连接器，包括例如除功率连接器之外的电连接器和诸如光学耦合器或光学收发器的光学模块。超材料可以与功率接触件、端子接触件、芯片封装、电转光(electrical-to-optical)部件、光转电(optical-to-electrical)部件，任何需要散热器的部件等热接触。
图1至图3示出端子接触件100，图4至图6示出插座接触件400，图7至图9示出对接在一起的端子接触件600和插座接触件700。
图1是示例性连接器端子接触件100的透视图。图2是端子接触件100的透视剖视图，图3是端子接触件100的侧视图。如图1至图3所示，端子接触件100可以包括本体110，本体110具有从本体110延伸的腿部120和臂部130，以及附连到本体110的超材料190。如图所示，图1至图3的端子接触件100包括多个腿部120和臂部130。
腿部120可以与基板(未示出)中的通孔接合，基板通常是印刷电路板(PCB)，但可以是任何合适的基板。图1和图2示出具有八个腿部120的端子连接器100，但是可以使用任何数量的腿部。腿部120可以被固定到基板，使得端子接触件100在不损坏基板和/或端子接触件100的情况下不能与基板断开连接。通常地，腿部120被焊接到基板，但可以使用任何可熔材料或任何其它合适的技术。
图1至图3示出从本体100延伸的两个相对的臂部130。端子接触件100的臂部130可以是悬臂式的，以在端子接触件100与插座接触件的对应臂部接合时提供弹簧力，如图7至9所示。可以使用任何数量的臂部130。例如，如图1至图3中所示的每个臂部130都可以被分开以界定两个臂部从而创建总共四个臂部130。在图1至图3中，臂部130和腿部120从本体110的相对端延伸，但是其他布置也是可行的。例如，臂部130和腿部120可以以直角或在制造公差内近似直角的角度从本体110延伸。如图1至图3所示，可以通过折叠以在两个相对臂部130之间创建空间来界定端子接触件100。
图4是示例性连接器插座接触件400的透视图。图5是插座接触件400的不同的透视图。图6是插座接触件400的侧视图。如图4至图6所示，插座接触件400可以包括本体410，本体具有从本体410延伸的腿部420和臂部430，以及附连到本体410的超材料490。如图所示，图4至图6中的插座接触件400包括多个腿部420和臂部430。
腿部420可以与基板(未示出)中的通孔接合，基板通常是印刷电路板(PCB)，但可以是任何合适的基板。图4和图5示出八个腿部420，但是可以使用任何数量的腿部420。腿部420可以被固定到基板，使得插座接触件400在不损坏基板和/或插座接触件400的情况下不能与基板断开连接。通常地，腿部420被焊接到基板上，但可以使用任何可熔材料或任何其它合适的技术。
图4至图6示出从本体410延伸的两个相对的臂部430。插座接触件400的臂部430不是悬臂式的，但在插座接触件400与端子接触件的对应的臂部接合时，插座接触件400的臂部430提供可以与端子接触件的臂部接合的表面，如图7至图9所示。可以使用任何数量的臂部430。例如，如图4至图6中所示的每个臂部430都可以被分开以界定两个臂部从而创建总共四个臂部430。在图4至图6中，臂部430和腿部420从本体410的相对端延伸，但是其他布置也是可行的。例如，臂部430和腿部420可以以直角或在制造公差内近似直角的角度从本体410延伸。如图4至图6所示，可以通过折叠以在两个相对臂部430之间创建空间来界定插座接触件400。
图7至图9示出类似于图1至图6描述的端子接触件600和插座接触件700对接在一起。图7是与示例性的插座接触件700对接的示例性的连接器端子接触件600的透视图。图8是对接的接触件600、700的不同的透视图，且图9是对接的接触件600、700的侧视图。如图7至图9所示，端子接触件600和插座接触件700两者均可包括本体，本体具有从本体延伸的腿部和臂部以及分别附连到本体的超材料690和790。如图所示，图7至图9中的端子接触件600和插座接触件700包括多个腿部和臂部。
图10示出端子1000，端子1000具有包括在绝缘壳体1050中的端子接触件和超材料1090，并且图11示出插座1100，插座1100具有包括在绝缘壳体1150中的有超材料1190的插座接触件。图10和图11示出端子和插座各自的八个接触件，但是可以使用任意数量的接触件。如图10和图11所示，端子接触件的数量通常与插座接触件的数量匹配。任何合适的绝缘材料都可以用作绝缘壳体1050、1150。如图10和图11所示，功率连接器可用于仅传输功率，但使用电连接器来传输功率和信号也是可行的，该电连接器除了信号接触件之外还包括电源接触件)。如果电连接器包括信号接触件，那么电连接器还可以包括屏蔽信号接触件的导电屏蔽。
可以将超材料添加到功率连接器的接触件以改善功率连接器的热性能。可以将超材料应用于接触件的任何表面。如图1至图3所示，超材料190可以被应用于端子接触件100的外部和内部。如图4至6所示，超材料490可以仅被应用于插座接触件400的外侧。如果超材料容易损坏，则如图7至图9所示，超材料690、790可以被应用于在端子接触件600的臂部630与插座接触件700的臂部730接合的区域之外的接触件。替代于将超材料应用于接触件，将超材料应用于绝缘壳体是可行的。如果功率连接器包括信号接触件，那么超材料也可以应用于信号接触件。如果功率连接器包括导电屏蔽，那么超材料也可以应用于导电屏蔽。
可以使用任何超材料的布置，并且可以在端子接触件、插座接触件和绝缘壳体的不同位置使用不同的超材料。当确定超材料的位置和选择时，可以考虑由超材料提供的热流路径。如果超材料将热量转换为辐射，那么可以放置超材料以使发射的辐射不会被附近的超材料或其他连接器结构重新吸收。例如，超材料490可以放置在接触件的外表面上，如图4至图6所示。因为辐射是从超材料的表面发射的，所以具有更大表面积的超材料的布置提供更好的热管理。
超材料可以以任何适当的方式被应用。例如，一些超材料具有涂敷粘合剂的背面，该粘合剂包括例如压敏粘合剂，粘合剂允许将超材料直接应用于接触件。超材料可以被放置成提供热传导路径，使得热量可以更容易地从绝缘壳体内流到绝缘壳体外，这会改善功率连接器的热性能。超材料在功率连接器的接触件上的这种布置使得在达到高于环境温度水平30℃之前传输更多的电流和/或功率。
相比于没有超材料的相同连接器，超材料可以减少电连接器中不想要的热量，在3.5瓦特时减少约5℃至15℃，在7瓦特时减少约5℃至15℃，在12瓦特时减少约7℃至15℃，或5℃至10℃，诸如在30℃的温度上升时间。如图16所示，相比于没有超材料的相同的有屏蔽的收发器，当电连接器被暴露于200至800英尺/分钟的风洞气流速度时，超材料将有屏蔽的收发器中不想要的热量减少了大约3℃至8℃。具有超材料的不同类型、尺寸、配置的电连接器或有屏蔽的光学连接器可以实现类似的或更好的结果。类似地，当以相同的电流和/或功率运行时，包括超材料的电连接器相对于没有超材料的相同电连接器较冷。
如上所述，光学模块还生成能用超材料管理的热量。图12至图15示出光学模块或光学模块的一部分。超材料可以位于热源和热界面材料(TIM)之间，以改善热管理。热源的示例包括光学模块的光部件和电部件，例如包括电转光部件(包括垂直腔表面发射激光器(VCSEL))，以及光转电部件(包括跨阻抗放大器(TIA))。冷却光收发器部件或电收发器部件，例如如图12至图14所示，这样可以将相邻的VCSEL的温度保持在大约-40℃至125℃之间，从而改善VCSEL的性能、增加可靠性，并延长使用寿命。
例如，可以将超材料应用于光学模块的金属壳体或屏蔽，以将热量引导离开VCSEL和/或其他温度敏感设备。光学模块或收发器的金属壳体或屏蔽可包括一体成型的散热器，该散热器界定散热片。在一些应用中，将光学收发器插入基板上的金属笼罩中。在这种情况下，可以将超材料应用于金属笼罩。一些金属笼罩可以包括与光学收发器接触的散热器。可以将超材料应用于散热器，使得超材料位于散热器和光学收发器之间，以辅助热传输。也可以将超材料应用于笼罩中的洞，或用超材料制作笼罩，使得笼罩起散热器的作用。也可以用超材料制作散热器。以此方式，可以减小散热器的尺寸或可以去除对散热器的需求。
图12是光学模块的示例的剖视图。如图所示，光学模块是光学收发器，例如印第安纳州新奥尔巴尼的申泰公司的FireFlyTM光学收发器。图12示出光学收发器，该光学收发器具有收发器PCB 1205和散热器1207，收发器PCB 1205和散热器1207连接到位于PCB 1230上的第一连接器1210和第二连接器1220。超材料1290可位于收发器的PCB上的电部件上或收发器的PCB上的电部件附近，电部件例如包括诸如TIA的电转光部件和/或诸如VCSEL的光转电部件。
图13示出光学收发器的另一示例。图13示出光学收发器，该光学收发器具有收发器PCB 1305和散热器1307，收发器PCB 1305和散热器1307连接到位于PCB 1330上的第一连接器1310和第二连接器1320。类似于如图12中所示，超材料1390可以被添加到如图13所示的光学收发器的电部件或靠近如图13所示的光学收发器的电部件。
图14示出四方小尺寸可插拔双密度(QSFP-DD)收发器的示例。可以将超材料1490放置在任何内部热源和附连到QSFP-DD收发器的壳体的TIM模块之间。如果使用将热量转换成辐射的超材料1490，则超材料1490可以被选择使得转换后的辐射不被树脂部分吸收，包括例如PCB、模制光学结构(MOS)等。这样的超材料1490可以被放置在接收器集成电路、光转电部件、TIA、限幅放大器等上。
图15示出光学收发器的壳体1500的示例。在这种结构中，在壳体1500的内表面上添加散热涂料1580是可行的，例如日本的奥绮斯摩公司(Okitsumo,Inc.)生产的CooltechTM。虽然散热涂料1580被示为涂在光学收发器的壳体1500的内表面上，但是涂在电连接器和光学模块的任何表面上是可行的。散热涂料1580可以单独使用或与以上讨论的任何超材料一起使用。
图17和图18示出关于产热元件10的超材料12的可能布置。在图17中，超材料12位于产热元件10上，并且热界面材料(TIM)13位于超材料12和基板14之间。产热元件10可以是任何产热元件，包括例如连接器中的接触件；处理器、VCSEL、光收发器中的TIA等。超材料12可以是上面讨论的任何超材料。TIM 13可以是任何热界面材料，包括例如金属TIM、导热膏、导热胶、导热胶带、导热垫等。基板14可以是任何基板。例如，基板14可以是产热元件10的壳体的一部分，或者基板14可以是与产热元件10相邻的散热器。如果产热元件10是连接器中的接触件，那么基板10可以是连接器壳体的一部分，包括例如液晶聚合物壳体的一部分。除了热界面材料(TIM)11位于超材料12和产热元件10之间以外，图18类似于图17。
减少发热元件10中的热量的方法可以包括将超材料12置于发热元件10创建的热路径上、热路径附近或热路径中的步骤。该方法还可以包括将超材料12置于发热元件创建的热路径上、热路径附件或热路径中以使得超材料12不暴露于外部环境(诸如运动的气体或空气)的步骤。超材料可以是只有单一二维形状的(planar-shaped)面板、任何没有散热片或散热螺栓(stud)的面板，或任何不含有热塑性塑料的超材料。
图19和图20示出具有表面孔18的阵列的超材料17的示例。表面孔18可具有尺寸a、b、c，并可以具有间距的x、y。在图19和图20中，尺寸a是表面孔18的长度，尺寸b是表面孔18的宽度，且尺寸c是表面孔18的高度。另外，间距x是在宽度方向上的间距，间距y是在长度方向上的间距。作为示例，超材料17可以是铝箔，尺寸a和b可以是约3微米，尺寸c可以是约10微米，间距x、y可以是约5微米。可以使用其它材料、尺寸和间距。可以调整尺寸a、b、c以改变表面孔18的谐振。超材料可以是铝、铜等。可以选择表面孔18的尺寸a、b、c以发射红外辐射。如果超材料将要发射红外辐射，则超材料可以是被加热时会辐射红外辐射的材料，包括例如铝、铜等。
表面孔可以通过使用任何合适的方法制成，方法包括反应离子蚀刻(RIE)、光刻、聚焦离子束(FIB)处理、使用模具的纳米压印处理、各向异性阳极蚀刻等。
应该理解，以上描述仅是本发明的解说。在不脱离本发明的情况下，本领域技术人员可以设想出各种替代和修改而不脱离本发明。因此，本发明旨在涵盖落入所附权利要求的范围内的所有这样的替代、修改和变体。

Claims (25)

1.一种电连接器，其特征在于，包括：
电绝缘壳体；
包括在所述电绝缘壳体中的导电接触件；以及
与所述绝缘壳体或所述导电接触件之一热连接的超材料；
其中所述超材料热冷却所述电连接器或所述接触件。
2.一种电连接器，其特征在于，包括：
电绝缘壳体；
由所述电绝缘壳体承载的导电接触件；
导电屏蔽；以及
与所述绝缘壳体或所述导电接触件或所述导电屏蔽之一热连接的超材料；其中所述超材料热冷却所述电连接器或所述导电接触件。
3.根据权利要求1或2所述的电连接器，其特征在于，所述超材料减少大约3℃至15℃的不想要的热量。
4.根据权利要求1或2所述的电连接器，其特征在于，当电连接器被暴露于200至800英尺/分钟的气流速度时，所述超材料减少收发器中大约3℃至8℃的不想要的热量。
5.根据权利要求1或2所述的电连接器，其特征在于，所述超材料在3.5瓦时减少电连接器中大约5℃至15℃的不想要的热量，在7瓦时减少大约5℃至15℃的不想要的热量，或者在12瓦时减少大约7℃至15℃的不想要的热量。
6.根据权利要求1或2所述的电连接器，其特征在于，当在相同的电流和/或功率下运行时，所述电连接器相比没有所述超材料的相同电连接器较冷。
7.根据权利要求1或2所述的电连接器，其特征在于，还包括与所述超材料的至少一个表面直接相邻的热界面材料。
8.根据权利要求1或2所述的电连接器，其特征在于，所述超材料包括表面孔的阵列。
9.一种包括热超材料的连接器，其特征在于，所述热超材料提供从所述连接器内部到所述连接器外部的热流路径，或者将热量转换成辐射。
10.根据权利要求9所述的连接器，其特征在于，所述连接器是电连接器、功率连接器或光学模块。
11.根据权利要求9或10所述的连接器，其特征在于，所述热超材料包括各向异性复合材料，其中热导率高的纤维或不对称颗粒被包括在热导率低的基体中以提供热流路径。
12.根据权利要求9或10所述的连接器，其特征在于，所述热超材料将热量转换成未被树脂吸收的辐射。
13.根据权利要求9或10所述的连接器，其特征在于，还包括与所述热超材料的至少一个表面直接相邻的热界面材料。
14.根据权利要求9或10所述的连接器，其特征在于，所述热超材料包括表面孔的阵列。
15.一种笼罩组件，其特征在于，包括：
容纳收发器的笼罩；
连接到所述笼罩的散热器；以及
与所述笼罩或所述散热器之一热连接的超材料；其中
当所述收发器插入所述笼罩时，所述超材料热冷却所述收发器。
16.根据权利要求15所述的笼罩组件，其特征在于，还包括与所述超材料的至少一个表面直接相邻的热界面材料。
17.根据权利要求15或16所述的笼罩组件，其特征在于，所述超材料包括表面孔的阵列。
18.一种收发器组件，其特征在于，包括：
根据权利要求15或16所述的笼罩组件，以及
插入所述笼罩中的收发器。
19.根据权利要求18所述的收发器组件，其特征在于，
所述收发器包括垂直腔表面发射激光器(VCSEL)；以及
所述超材料将所述VCSEL的温度保持在大约-40℃至125℃之间。
20.根据权利要求18所述的收发器组件，其特征在于，所述超材料包括表面孔的阵列。
21.一种连接器，其特征在于，包括：
壳体；
在所述壳体中的电接触件；以及
与所述电接触件热连接的超材料。
22.根据权利要求21所述的连接器，其特征在于，还包括位于所述电接触件和所述超材料之间的热界面材料。
23.根据权利要求21所述的连接器，其特征在于，还包括位于所述壳体与所述超材料之间的热界面材料。
24.根据权利要求21所述的连接器，其特征在于，还包括：
位于所述电接触件和所述超材料之间的第一热界面材料；以及
位于所述壳体和所述超材料之间的第二热界面材料。
25.根据权利要求21至24中任一项所述的连接器，其特征在于，所述超材料包括表面孔的阵列。
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