CN114126368B - 一种定向高导热电子模块盒体及导热设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种定向高导热电子模块盒体及导热设计方法，属于电子设备散热技术领域，包括金属基体、高导热板和金属盖板；所述金属基体为两面开槽的结构件，一侧用于安装高导热板，另一侧用于安装印制板或电子组件。本发明通过将非金属的轻质高导热材料封装入内部分腔的金属结构体中，通过布局设计，以实现结构盒体的定向高导热功能，具有可靠性高、导热性能佳、结构简单、密度低、经济可行等优点。

Description

一种定向高导热电子模块盒体及导热设计方法

技术领域

本发明涉及电子设备散热技术领域，更为具体的，涉及一种定向高导热电子模块盒体及导热设计方法。

背景技术

随着电子设备高度集成化的发展，单模块的热耗日益增加。在散热资源不变的情况下，电子模块结构的导热率大小将直接影响芯片结温的高低，故提高模块结构的导热率至关重要。传统电子模块盒体通常采用铝合金材料，导热系数约为120～170W/(m·K)。目前，常用的导热增强技术主要包括相变均热板和高导热复合金属材料。其中，前者通过内部相变过程及毛细作用，将热量从热端运输到冷端，大大减小了热端与冷端之间的热阻，可将结构等效导热系数提高至约500W/(m·K)。该技术方法效果明显，然而工艺复杂，且存在泄露、低温无法启动等风险。后者则通过在金属粉末中融入高导热颗粒，利用改变材料组成来提高原材料的导热率，如碳化硅铝、金刚石铝等。该类材料的加工性差，尺寸受限，且部分材料的导热增强效果一般，导热系数低于300W/(m·K)。针对该现状，非金属的轻质高导热材料与金属的复合高导热结构体，成为一种可能的解决方法。

现有复合高导热结构的专利，主要围绕用于电子模块内部器件散热的小薄层结构展开，如CN108823615 A，CN210406047 U等。同时，部分专利提出了石墨与金属结合的结构方案，如专利CN 106328614 A提出了石墨片与铝合金结合的导热片；专利CN 109548379 A提出了将石墨嵌入两个铝合金框架之中形成导热块的结构。然而，均没有提出石墨板与电子模块盒体有效结合的装置。

另一方面，对于电子模块的热设计而言，除了高导热问题外，如何高效利用热沉，重点保护热敏感器件，实现定向导热，也同样重要。然而，现有专利中，均没有解决定向导热的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种定向高导热电子模块盒体及导热设计方法，通过将非金属的轻质高导热材料封装入内部分腔的金属结构体中，通过布局设计，以实现结构盒体的定向高导热功能，具有可靠性高、导热性能佳、结构简单、密度低、经济可行等优点。

本发明的目的是通过以下方案实现的：

一种定向高导热电子模块盒体，包括金属基体、高导热板和金属盖板；所述金属基体为两面开槽的结构件，一侧用于安装高导热板，另一侧用于安装印制板或电子组件。

进一步地，所述金属基体安装高导热板的一侧定义为背面腔体，在背面腔体内设有隔筋，用于实现针对性的热量隔断和热量定向传递；并且，所述高导热板安装于金属基体的背面腔体内，用金属盖板将其密封。

进一步地，所述金属基体安装印制板或电子组件的一侧定义为正面腔体，正面腔体的具体结构特征能够根据内部电子器件的布局而设定。

进一步地，所述高导热板包括热解石墨板、石墨烯板中任一种。

进一步地，所述金属盖板包括金属平板结构件。

进一步地，所述高导热板与隔筋之间设有间隙，用于中断热通路。

进一步地，所述金属基体的材料包括铝合金、硅铝和铜中任一种；所述金属盖板的材料包括铝合金、硅铝和铜中任一种。

进一步地，所述金属基体、高导热板和金属盖板通过焊接或螺接或粘接的机械形式结合为一体；所述高导热板与金属基体接触面之间接触紧密，无缝隙；且在螺接中，在高导热板和金属盖板之间，增加导热弹性体，用于保证高导热板与金属基体的紧密结合，同时用于热膨胀补偿，以解决两种材料热膨胀系数不匹配的问题。

一种基于如上任一所述定向高导热电子模块盒体的导热设计方法，包括步骤：

步骤一，采用两面开槽的结构件作为金属基体，且在金属基体的一侧安装高导热板，另一侧安装印制板或电子组件；

步骤二，将安装有高导热板的一侧定义为背面腔体，根据电子单元的热源分布、器件特性和热沉位置进行分腔设计，且在背面腔体内设置隔筋，用于实现针对性的热量隔断和热量定向传递；在安装有印制板或电子组件的另一侧定义为正面腔体，正面腔体的具体结构特征根据内部电子器件的布局而设定；

步骤三，将所述高导热板安装于金属基体的背面腔体内，然后用金属盖板将其密封。

进一步地，所述高导热板采用轻质高导热材料制作；并且，在高导热板和金属盖板之间增加导热弹性体，用于保证高导热板与金属基体的紧密结合，同时可用于热膨胀补偿，以解决两种材料热膨胀系数不匹配的问题。

本发明的有益效果是：

本发明实施例可靠性高。相对于相变均热板盒体，减少了内部介质，无漏液等风险。

本发明实施例可实现热量隔断和定向导热。通过内部隔腔，将热源和热沉分区，一来将热敏感器件与大热耗器件的热通路阻断，二来将热源定向引导至对应热沉区域。

本发明实施例导热性能佳。在保证强度的基础上，通过内部高导热材料，将结构件的等效导热系数明显提高至约450W/mK。

本发明实施例密度低。相比于导热能力相当的金属盒体，密度大大降低。

本发明实施例结构简单，经济可行。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例定向高导热电子模块盒体组成图；

图2为本发明实施例焊接版定向高导热电子模块盒体截面图；

图3为本发明实施例螺接版定向高导热电子模块盒体截面图；

图4为本发明实施例金属基体示意图(背面)；

图5为本发明实施例金属基体示意图(正面)；

图6为本发明金属部分材料采用铝合金6061，高导热板材料采用热解石墨板的实施例结构示意图；

图7为本发明金属部分材料采用硅铝，高导热板材料采用石墨烯板的实施例结构示意图；

图中，1-金属基体，2-高导热板，3-金属盖板，4-导热弹性体，101-隔筋，102-导热材料安装腔，103-金属盖板安装面，104-热沉面，105-器件散热凸台，106-印制板安装面，107-盒体盖板安装面。

具体实施方式

本说明书中所有实施例公开的所有特征，或隐含公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合和/或扩展、替换。

本发明实施例的附图包括图1、图2、图3、图4、图5、图6和图7。下面根据附图1～图7，对本发明的技术构思、工作原理、功效和工作过程作进一步详细说明。

本发明要解决的技术问题：电子模块盒体的定向高导热问题。在具体技术方案中，该定向高导热电子模块盒体设计有：金属基体、高导热板及金属盖板。其中，金属基体为两面开槽的结构件，一侧(定义为背面腔体)用于安装高导热板，一侧(定义为正面腔体)用于安装印制板或电子组件。金属基体的背面腔体，根据电子单元的热源分布、器件特性和热沉位置进行分腔设计，即可在腔体内设置隔筋，从而实现针对性的热量隔断和热量定向传递。金属基体的正面腔体，其具体结构特征根据内部电子器件的布局而定。高导热板要采用一种轻质高导热材料制作的平板件，包括但不限于热解石墨板、石墨烯板。金属盖板为一块金属平板结构件。高导热板安装于金属基体的背面腔体内，然后用金属盖板将其密封。高导热板与金属隔筋之间需设置间隙，目的是中断热通路。金属基体和金属盖板的材料包括但不限于铝合金、硅铝和铜。金属基体、高导热板和金属盖板通过焊接或螺接或粘接等机械形式结合为一体。高导热板与金属基体接触面之间需保证接触紧密，无缝隙。在螺接方案中，在高导热板和金属盖板之间，需增加导热弹性体，既能保证高导热板与金属基体的紧密结合，同时可用于热膨胀补偿，以解决两种材料热膨胀系数不匹配的问题。

实施例1：如图1，图2，图3所示，一种定向高导热电子模块盒体，包括金属基体1、高导热板2和金属盖板3；金属基体1为两面开槽的结构件，一侧用于安装高导热板2，另一侧用于安装印制板或电子组件。

实施例2：在实施例1的基础上，如图4所示，金属基体1安装高导热板2的一侧定义为背面腔体，在背面腔体内设有隔筋101，用于实现针对性的热量隔断和热量定向传递；并且，高导热板2安装于金属基体1的背面腔体内，用金属盖板3将其密封。在该实施例中，在具体实施时，背面腔体还设有导热材料安装腔102、金属盖板安装面103和热沉面104。

实施例3：在实施例1的基础上，如图5所示，金属基体1安装印制板或电子组件的一侧定义为正面腔体，正面腔体的具体结构特征能够根据内部电子器件的布局而设定。在该实施例中，在具体实施时，正面腔体还设有器件散热凸台105、印制板安装面106、盒体盖板安装面107。

实施例4：在实施例1的基础上，高导热板2包括热解石墨板、石墨烯板中任一种。

实施例5：在实施例1的基础上，金属盖板3包括金属平板结构件。

实施例6：在实施例1的基础上，高导热板2与隔筋101之间设有间隙，用于中断热通路。

实施例7：在实施例1的基础上，金属基体1的材料包括铝合金、硅铝和铜中任一种；金属盖板3的材料包括铝合金、硅铝和铜中任一种。

实施例8：在实施例1的基础上，金属基体1、高导热板2和金属盖板3通过焊接或螺接或粘接的机械形式结合为一体；高导热板2与金属基体1接触面之间接触紧密，无缝隙；且在螺接中，在高导热板2和金属盖板1之间，增加导热弹性体4，用于保证高导热板与金属基体的紧密结合，同时用于热膨胀补偿，以解决两种材料热膨胀系数不匹配的问题。

实施例9：在如上任一实施例的基础上，提供一种定向高导热电子模块盒体的导热设计方法，包括步骤：

步骤一，采用两面开槽的结构件作为金属基体1，且在金属基体1的一侧安装高导热板2，另一侧安装印制板或电子组件；

步骤二，将安装有高导热板2的一侧定义为背面腔体，根据电子单元的热源分布、器件特性和热沉位置进行分腔设计，且在背面腔体内设置隔筋101，用于实现针对性的热量隔断和热量定向传递；在安装有印制板或电子组件的另一侧定义为正面腔体，正面腔体的具体结构特征根据内部电子器件的布局而设定；

步骤三，将高导热板2安装于金属基体1的背面腔体内，然后用金属盖板3将其密封。

实施例10：在实施例9的基础上，高导热板2采用轻质高导热材料制作；并且，在高导热板2和金属盖板1之间增加导热弹性体4，用于保证高导热板与金属基体的紧密结合，同时可用于热膨胀补偿，以解决两种材料热膨胀系数不匹配的问题。

基于本发明，实现了多种结构形式的定向高导热电子模块盒体，达到了良好的散热效果，具体实施实例如下。

实施例11：在实施例1的基础上，如图6所示，定向高导热的电子模块盒体金属部分材料为铝合金6061，高导热板材料为热解石墨板。高导热板横向导热系数1200W/m·K，纵向导热系数30W/m·K，厚度为2mm。金属基体尺寸为220mm×160mm×25mm，背部开槽深度为4mm，内部分为3个腔。盖板厚度为2mm。热解石墨板通过双面电镀后，与金属基体和盖板通过焊接方式结合为整体，形成完整的电子模块盒体。

实施例12：在实施例1的基础上，如图7所示，定向高导热电子模块盒体金属部分材料为硅铝，高导热板材料为石墨烯板。高导热板横向导热系数1600W/m·K，纵向导热系数15W/m·K，厚度为1.5mm。金属基体尺寸为233.4mm×200mm×25mm，背部开槽深度为3.5mm，内部分为2个腔。盖板厚度为2mm。在盖板和导热板之间设置导热弹性垫，然后通过螺接形成完整的电子模块盒体。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。

除以上实例以外，本领域技术人员根据上述公开内容获得启示或利用相关领域的知识或技术进行改动获得其他实施例，各个实施例的特征可以互换或替换，本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种定向高导热电子模块盒体，其特征在于，包括金属基体(1)、高导热板(2)和金属盖板(3)；所述金属基体(1)为两面开槽的结构件，一侧用于安装高导热板(2)，另一侧用于安装印制板或电子组件；所述金属基体(1)安装高导热板(2)的一侧定义为背面腔体，在背面腔体内设有隔筋(101)，用于实现针对性的热量隔断和热量定向传递；所述高导热板(2)与隔筋(101)之间设有间隙，用于中断热通路；并且，所述高导热板(2)安装于金属基体(1)的背面腔体内，用金属盖板(3)将其密封。

2.根据权利要求1所述的定向高导热电子模块盒体，其特征在于，所述金属基体(1)安装印制板或电子组件的一侧定义为正面腔体，正面腔体的具体结构特征能够根据内部电子器件的布局而设定。

3.根据权利要求1所述的定向高导热电子模块盒体，其特征在于，所述高导热板(2)包括热解石墨板、石墨烯板中任一种。

4.根据权利要求1所述的定向高导热电子模块盒体，其特征在于，所述金属盖板(3)包括金属平板结构件。

5.根据权利要求1所述的定向高导热电子模块盒体，其特征在于，所述金属基体(1)的材料包括铝合金、硅铝和铜中任一种；所述金属盖板(3)的材料包括铝合金、硅铝和铜中任一种。

6.根据权利要求1所述的定向高导热电子模块盒体，其特征在于，所述金属基体(1)、高导热板(2)和金属盖板(3)通过焊接或螺接或粘接的机械形式结合为一体；所述高导热板(2)与金属基体(1)接触面之间接触紧密，无缝隙；且在螺接中，在高导热板(2)和金属基体(1)之间，增加导热弹性体(4)。

7.一种基于权利要求1～6任一所述定向高导热电子模块盒体的导热设计方法，其特征在于，包括步骤：

步骤一，采用两面开槽的结构件作为金属基体(1)，且在金属基体(1)的一侧安装高导热板(2)，另一侧安装印制板或电子组件；

步骤二，将安装有高导热板(2)的一侧定义为背面腔体，根据电子单元的热源分布、器件特性和热沉位置进行分腔设计，且在背面腔体内设置隔筋(101)，用于实现针对性的热量隔断和热量定向传递；所述高导热板(2)与隔筋(101)之间设有间隙，用于中断热通路；在安装有印制板或电子组件的另一侧定义为正面腔体，正面腔体的具体结构特征根据内部电子器件的布局而设定；

步骤三，将所述高导热板(2)安装于金属基体(1)的背面腔体内，然后用金属盖板(3)将其密封。

8.根据权利要求7所述的定向高导热电子模块盒体的导热设计方法，其特征在于，所述高导热板(2)采用轻质高导热材料制作；并且，在高导热板(2)和金属基体(1)之间增加导热弹性体(4)。