CN117355085A - 散热构造以及电子设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及散热构造以及电子设备。本发明的目的在于提供一种散热构造以及电子设备，该散热构造能够防止发热的电气部件与散热体之间的传热性能降低，还能够进一步防止多孔质材料的位置偏移。散热构造(10)具有：网状物(30)，与GPU(14)的裸片(24)的表面抵接；和铜板(21)，具备供网状物(30)嵌入的凹陷部，并与裸片的表面一起夹持网状物。网状物具备：发热体抵接范围部(30a)，浸渍有液体金属(32)，与裸片的表面抵接并接收热量；和发热体非抵接范围部(30b)，与发热体抵接范围部连续地形成，不与裸片的表面抵接。发热体非抵接范围部通过海绵胶带(36)固定于铜板。发热体非抵接范围部为从发热体抵接范围部突出的形状。

Description

散热构造以及电子设备
技术领域
本发明涉及发热的电气部件的散热构造以及具备该散热构造的电子设备。
背景技术
在笔记本型PC等便携式信息设备设置有GPU、CPU等半导体芯片。GPU、CPU成为具有作为安装于基板的部分的衬底和设置在该衬底的表面的矩形的裸片的形状。另外，有时在衬底的表面，在裸片的周围设置有小的电容器。
GPU、CPU等半导体芯片是发热体，根据其功率消耗(特别是高负载时)，需要散热。作为使GPU、CPU散热的单元，使用均热板、散热片或散热器等散热体，使GPU、CPU隔着这样的散热体与裸片的表面抵接而使热量扩散。为了有效地传递热量，有时在裸片与散热体之间夹设液体金属、传热性润滑脂等流体(例如，专利文献1)。
专利文献1：日本特开2004-146819号公报
液体金属的传热性比传热性润滑脂高，能够从裸片向散热体有效地传递热量。另一方面，液体金属具有流动性比传热性润滑脂高的特征。电子设备在携带并移动时容易受到振动、冲击。于是，具有流动性的液体金属有可能由于从裸片及散热体受到的反复的力而从裸片与散热体之间的间隙泄露。
液体金属有时以稼为主成分，可能会与铜、焊料发生化学反应。另外，由于液体金属具有导电性，所以若其泄露并与周边的电容器等电气元件接触则会导致短路，因此需要某些对策。作为该对策，例如考虑在设置于衬底的电气元件与裸片之间设置绝缘壁。但是，若电气元件与裸片接近，则无法确保设置绝缘壁的空间。另外，由于泄露，设置在裸片与散热体之间的液体金属的量减少，传热性能有可能降低。
因此，本申请发明人正在研究在半导体芯片等发热体与均热板等散热体之间设置并夹持浸渍有液体金属的网状物等多孔质材料的技术。浸渍于网状物的液体金属被维持为几乎不会泄露。另一方面，多孔质材料只要被发热体和散热体以适当的按压力夹持，则几乎不会发生位置偏移，但优选更可靠地被固定。
发明内容
本发明是鉴于上述课题而完成的，其目的在于提供一种散热构造以及电子设备，上述散热构造能够防止发热的电气部件与散热体之间的传热性能降低，还能够进一步防止多孔质材料的位置偏移。
为了解决上述课题并实现目的，本发明的第一方式所涉及的散热构造是发热的电气部件的散热构造，该散热构造具有：多孔质材料，与上述电气部件的表面抵接；和散热体，具备供上述多孔质材料嵌入的凹陷部，并在与上述电气部件的表面之间夹持上述多孔质材料，上述多孔质材料具备：发热体抵接范围部，浸渍有传热性流体，与上述电气部件的表面抵接并接收热量；和发热体非抵接范围部，与上述发热体抵接范围部连续地形成，不与上述电气部件的表面抵接，上述发热体非抵接范围部通过带状粘接材料固定于上述散热体。
本发明的第二方式所涉及的电子设备是具备散热构造的电子设备，该电子设备具有：发热的电气部件；多孔质材料，与上述电气部件的表面抵接；以及散热体，具备供上述多孔质材料嵌入的凹陷部，并在与上述电气部件的表面之间夹持上述多孔质材料，上述多孔质材料具备：发热体抵接范围部，浸渍有传热性流体，与上述电气部件的表面抵接并接收热量；和发热体非抵接范围部，与上述发热体抵接范围部连续地形成，不与上述电气部件的表面抵接，上述发热体非抵接范围部通过带状粘接材料固定于上述散热体。
根据本发明的上述方式，由于传热性流体浸渍并保持于多孔质材料，因此能够防止传热性流体泄露，从而能够防止发热的电气部件与散热体之间的传热性能降低。另外，多孔质材料嵌入凹陷部，并且发热体非抵接范围部由带状粘接材料固定，因此能够进一步防止位置偏移。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式所涉及的散热构造以及便携式信息设备的一部分的分解立体图。
图2是GPU的立体图。
图3是本发明的实施方式所涉及的散热构造的示意侧剖视图。
图4是组装后的铜板、网状物以及海绵胶带的示意立体图。
图5是铜板、网状物以及海绵胶带的示意分解立体图。
图6是表示第一变形例所涉及的散热构造的示意立体图。
图7是表示第二变形例所涉及的散热构造的示意立体图。
图8是表示第三变形例所涉及的散热构造的示意立体图。
图9是表示第四变形例所涉及的散热构造的示意立体图。
附图标记说明
10、10A、10B、10C、10D...散热构造；12...便携式信息设备(电子设备)；14...GPU(电气部件)；16...均热板(散热体)；21、40、44...铜板(散热体)；21a、40a、44a...凹陷部；22...衬底；24...裸片；28...电容器；30、42、46...网状物(多孔质材料)；30a、42a、46a...发热体抵接范围部；30b、42b、46b...发热体非抵接范围部；32...液体金属；34...绝缘材料；36...海绵胶带(带状粘接材料)；38、48...粘性胶带(带状粘接材料)。
具体实施方式
以下，基于附图，对本发明所涉及的散热构造以及电子设备的实施方式详细地进行说明。此外，本发明不被本实施方式限定。
图1是表示本发明的实施方式所涉及的散热构造10以及便携式信息设备12的一部分的分解立体图。
便携式信息设备(电子设备)12例如是笔记本型PC、平板终端或智能手机等，具备GPU(Graphics Processing Unit：图像处理器)14。散热构造10适用于便携式信息设备12，但也能够应用于固定型的台式计算机等电子设备。GPU14是能够进行实时图像处理的半导体芯片。GPU14进行高速运算而产生相应的发热，因此需要散热。在便携式信息设备12中，具备均热板(散热体)16作为GPU14的散热单元。
均热板16是将两张金属板(例如铜板)的周缘部接合而在内侧形成密闭空间的板状的部件，通过封入密闭空间中的工作流体的相变，能够使热量高效地扩散。在均热板16的密闭空间内配设有利用毛细现象输送已冷凝的工作流体的芯体。
在均热板16设置有两根大致平行的热管18，另外，该热管18的端部连接于风扇20。热管18通过在形成于薄且扁平的金属管内的密闭空间中封入工作流体而形成，且与均热板16同样地设置有芯体。另外，在均热板16与GPU14之间设置有作为热接收板的铜板21。能够将铜板21视为实质上与均热板16一体的散热体。
作为GPU14等发热体的散热单元，除均热板16以外，还能够应用各种散热体。作为散热体，例如可列举铜、铝等导热系数高的金属板、石墨板、散热通道(Heatlane)、散热器等。
图2是GPU14的立体图。在图2中省略了散热构造10的构成要素。GPU14具有衬底22和裸片(电气部件)24。衬底22是安装于基板26的薄的板状部，在俯视时为矩形。裸片24是包含运算电路的部分，设置为从衬底22的上表面稍突出。裸片24在俯视时是比衬底22小的矩形，设置在该衬底22的上表面大致中央。GPU14是便携式信息设备12中最发热的部件之一，其中裸片24特别发热。换言之，裸片24是便携式信息设备12中最发热的电气部件之一。此外，便携式信息设备12具备CPU(Central Processing Unit：中央处理器)。CPU与GPU同样地具备衬底及裸片，能够应用散热构造10。另外，散热构造10也能够应用于GPU14、CPU以外的半导体芯片，或者其他发热的电气部件的散热。
在衬底22的上表面以包围裸片24的方式排列有多个小的电容器28。电容器28在裸片24的四方根据场所排列为1列或2列。电容器28设置在裸片24的相对附近。电容器28的高度比裸片24低。电容器28被绝缘材料34(参照图3)覆盖。绝缘材料34例如是粘接剂、紫外线固化型的涂覆材料且形成为薄膜状。
图3是本发明的实施方式所涉及的散热构造10的示意侧剖视图。图4是组装后的铜板21、网状物30以及海绵胶带(带状粘接材料)36的示意立体图。图5是铜板21、网状物30以及海绵胶带36的示意分解立体图。散热构造10具有上述均热板16、和在该均热板16与裸片24的表面之间隔着铜板21被夹持的网状物(多孔质材料)30。
网状物30具备中央矩形的发热体抵接范围部30a、和从该发热体抵接范围部30a呈十字状向四方突出的形状的发热体非抵接范围部30b。发热体抵接范围部30a是与裸片24的表面抵接的部分。网状物30至少在发热体抵接范围部30a的大致整个面浸渍有液体金属(传热性流体)32。在发热体非抵接范围部30b也可以不浸渍液体金属32。
液体金属32基本上是在常温下成为液体的金属，但也可以是至少在便携式信息设备12的基板26被通电，GPU14运转的通常的使用状态的温度下成为液体的相变材料等。由于液体金属32是金属，因此导热性、导电性优异。另外，由于液体金属32是液体，因此具有流动性。
液体金属32基本上遍及发热体抵接范围部30a的大致整个面地浸渍，与裸片24的表面和铜板21接触，将两者良好地热连接。液体金属32基本上遍及发热体抵接范围部30a的大致整个面地浸渍，但根据条件，也可以在发热体抵接范围部30a的端部等存在未被浸渍的部位作为多余量的吸收余地。
对于浸渍的手段而言，例如优选使网状物30浸渍在液体金属32的槽内，或者在网状物30涂敷液体金属32。液体金属32有时也难以相对于网状物30浸渍，但此时网状物30成为安装于散热构造10的前一阶段的单体，容易处理，并且上下前后左右的6个面被敞开，容易浸渍液体金属32。另外，由于此时网状物30为单体，因此能够通过目视或规定的手段检查是否适当地浸渍有液体金属32。另外，在散热构造10的组装工序中，若预先在裸片24的表面及凹陷部21a的底部涂敷液体金属32，则与浸渍于网状物30的液体金属32混合，可靠地热接触。
发热体抵接范围部30a成为与裸片24的表面相同或者比其稍大的矩形，覆盖裸片24的表面。也可以在发热体抵接范围部30a根据裸片24中的发热分布等设置稍小的孔，将该孔作为液体金属32的积液部。
发热体非抵接范围部30b从发热体抵接范围部30a连续地形成，与后述的海绵胶带36的宽度相同或者在比其稍宽的宽度上突出。发热体非抵接范围部30b不与裸片24的表面抵接。
作为网状物30，能够应用编织丝线而成的部件，或者相对于板材通过蚀刻等设置多个孔而成的部件等。网状物30可以是树脂材料等，但若为金属材料，则能够获得适当的传热性能。在使网状物30为铜材料、铝材料等金属材料的情况下，优选使用镀覆有镍材料(包括以镍为主成分的合金)的材料。即，网状物30通过至少使表面为镍材料，能够防止因液体金属32而变质。通过由镍材料构成网状物30，能够省略镀覆处理。另外，通过对铜材料、铝材料进行镀镍，能够获得适当的导热性。
网状物30也可以被能够浸渍液体金属32的其他多孔质材料，例如海绵等发泡体替换。本申请中的多孔质材料是指能够浸渍液体金属32等传热性流体的材质而不限定树脂、金属等。作为多孔质材料的海绵可以是树脂及金属(金属刷这样的)中的任一种。另外，本申请中的多孔质材料可以是弹性体、刚体中的任一种。
铜板21的纵横尺寸都比网状物30大，在中央部形成有供网状物30嵌入的凹陷部21a。凹陷部21a成为与该网状物30大致相同的形状，以便供网状物30正好嵌入。但是，由于网状物30的嵌入作业方便等理由，凹陷部21a和网状物30的大小、形状也可以略有不同。凹陷部21a的深度与网状物30的厚度大致相等。铜板21优选预先至少对凹陷部21a的部分进行镀镍。
海绵胶带36与后述的片状的粘性胶带38、48不同，具有一定程度的厚度，但能够视为带状粘接材料。即，海绵胶带36是海绵状的带状粘接材料。海绵胶带36为框形状，四边横跨四个发热体非抵接范围部30b的部位并粘贴于铜板21，由此将网状物30固定于铜板21。海绵胶带36相对于铜板21及发热体非抵接范围部30b粘接，但只要至少粘接于铜板21即可。海绵胶带36在裸片24的周围堵塞铜板21与衬底22之间。
均热板16基本上沿着裸片24的表面平行地设置，但只要设置为与铜板21的整个面抵接即可，也可以根据网状物30及铜板21的微小的弹性变形、厚度的不均匀性而稍微不平行(大致平行)。另外，由于液体金属32浸渍于网状物30，因此在图3中未示出液体金属32单体的层，但在微观上也可以在裸片24与网状物30之间或者裸片24与均热板16之间存在液体金属32的层。
在这样的散热构造10及便携式信息设备12中，由于裸片24和均热板16隔着铜板21通过浸渍于网状物30的液体金属32热连接，因此能够获得适当的传热性能。另外，当便携式信息设备12在被携带并移动时受到振动、冲击时，液体金属32从裸片24及铜板21反复被施加压力，但是该液体金属32尽管具有流动性，但由于浸渍于网状物30，因此通过液体金属32相对于该网状物30的润湿性等的作用而浸渍的状态得以维持，不会泄露到周围。
因此，在裸片24与铜板21之间保持适量的液体金属32，从而能够防止传热性能降低。另外，能够防止液体金属32与电容器28、安装于基板26的其他电气部件接触。
液体金属32基本上不与电容器28接触，但当该电容器28被绝缘材料34覆盖时，可靠性进一步提高。另外，液体金属32基本上不与安装于基板26的电气部件接触，但通过用海绵胶带36将衬底22的四周隔开，可靠性进一步提高。
另外，网状物30在裸片24与铜板21之间以适当的压力被夹持，基本上不会发生位置偏移，但由于网状物30嵌入凹陷部21a，并且海绵胶带36横跨发热体非抵接范围部30b并固定，因此能够进一步防止位置偏移。另外，网状物30大致正好嵌入凹陷部21a，所浸渍的液体金属32不会扩散到凹陷部21a以外的范围。
液体金属32以浸渍于网状物30的状态嵌入凹陷部21a，并且该网状物30由海绵胶带36固定。因此，液体金属32包含在铜板21中，在便携式信息设备12的组装工序、维护作业中，作业者将铜板21作为单一部件处理即可，不需要液体金属32的涂敷作业等处理，作业变得容易。
接下来，对散热构造10的变形例进行说明。图6是表示第一变形例所涉及的散热构造10A的示意立体图。图7是表示第二变形例所涉及的散热构造10B的示意立体图。图8是表示第三变形例所涉及的散热构造10C的示意立体图。图9是表示第四变形例所涉及的散热构造10D的示意立体图。
如图6所示，第一变形例所涉及的散热构造10A用四个短的粘性胶带(带状粘接材料)38替换上述散热构造10中的海绵胶带36。四个粘性胶带38分别横跨突出的发热体非抵接范围部30b的部位并粘贴于铜板21，由此将网状物30固定于铜板21。即使在应用这样的粘性胶带38的情况下，也能够适当防止网状物30的位置偏移。
如图7所示，在第二变形例所涉及的散热构造10B中，网状物42嵌入于在铜板40的中央形成的凹陷部40a。网状物42具备发热体抵接范围部42a、和从该发热体抵接范围部42a呈一字状向相反的两个方向突出的形状的发热体非抵接范围部42b。凹陷部40a成为与该网状物42大致相同的形状，以便供网状物42嵌入。发热体抵接范围部42a相当于上述发热体抵接范围部30a。发热体非抵接范围部42b相当于上述发热体非抵接范围部30b，但数量不同。发热体非抵接范围部42b的部分以被粘性胶带38横跨的方式设置并固定。这样，即使发热体非抵接范围部42b为两个，网状物42也相应稳定地被固定。即，对于突出形状的发热体非抵接范围部30b、42b而言，只要多个设置于对称位置，则能够稳定地固定网状物30、42。
如图8所示，在第三变形例所涉及的散热构造10C中，网状物46嵌入于在铜板44的中央形成的凹陷部44a。网状物46具备发热体抵接范围部46a和发热体非抵接范围部46b。凹陷部44a成为与该网状物46大致相同的矩形，以便供网状物46嵌入。发热体抵接范围部46a相当于上述发热体抵接范围部30a。在图8中用点阵表示发热体抵接范围部46a。发热体非抵接范围部46b设置为包围发热体抵接范围部46a的周围，网状物46为矩形。发热体非抵接范围部46b的部分设置为四周被框状的粘性胶带(带状粘接材料)48包围。这样，发热体非抵接范围部46b及粘性胶带48可以为框状。另外，在散热构造10C中，能够使网状物46为简单的矩形，构造变得简单。
如图9所示，在第四变形例所涉及的散热构造10D中，与上述散热构造10C同样地应用铜板44和网状物46，但使用四个短的粘性胶带38来代替框状的粘性胶带48。四个粘性胶带38横跨发热体非抵接范围部46b的四个角并粘贴于铜板44。对于散热构造10D而言，网状物46的固定能够使用条状且短的粘性胶带38，构造变得简单。此外，在各变形例10A～10D中，也可以应用框状或带状的海绵胶带来代替粘性胶带38、48。
根据本申请发明人的实验结果，可知在现有构造中，由于振动而从裸片24与散热板之间稍微泄露的现象并不仅是液体金属32特有的现象，而是传热性流体共通的现象。因此，通过使本实施方式所涉及的散热构造10、10A～10D的浸渍于多孔质材料的传热性流体为包含传热性润滑脂的传热性流体，能够获得防止泄露的作用。此外，在本申请中所说的传热性流体不限于仅是指液体，还指半固体、粘性体等具有流动性的传热性流体，包含润滑脂、油混合物等。多孔质材料优选基于所浸渍的传热性流体的粘性、流动性以及润湿性等，选择材料、厚度以及微孔的直径等。根据设计条件，也可以省略铜板21、40、44，将凹陷部21a、40a、44a设置于均热板16。将网状物保持于凹陷部的单元也可以是海绵胶带36、粘性胶带38、48以外的带状粘接材料。
本发明不限定于上述实施方式，当然能够在不脱离本发明的主旨的范围内自由地变更。

Claims (8)

1.一种散热构造，是发热的电气部件的散热构造，其特征在于，具有：
多孔质材料，与所述电气部件的表面抵接；和
散热体，具备供所述多孔质材料嵌入的凹陷部，并在该散热体与所述电气部件的表面之间夹持所述多孔质材料，
所述多孔质材料具备：
发热体抵接范围部，浸渍有传热性流体，与所述电气部件的表面抵接并接收热量；和
发热体非抵接范围部，与所述发热体抵接范围部连续地形成，不与所述电气部件的表面抵接，
所述发热体非抵接范围部通过带状粘接材料固定于所述散热体。
2.根据权利要求1所述的散热构造，其特征在于，
所述发热体非抵接范围部为从所述发热体抵接范围部突出的形状，且在对称位置设置有多个，
所述带状粘接材料设置为横跨所述发热体非抵接范围部。
3.根据权利要求1所述的散热构造，其特征在于，
所述散热构造具备基板以及安装于该基板的半导体芯片，
所述半导体芯片具备衬底及裸片，
所述电气部件是所述裸片。
4.根据权利要求3所述的散热构造，其特征在于，
所述带状粘接材料为海绵状，并在所述裸片的周围将所述散热体与所述衬底之间堵塞。
5.根据权利要求1所述的散热构造，其特征在于，
所述传热性流体是液体金属。
6.根据权利要求1所述的散热构造，其特征在于，
所述多孔质材料是网状物。
7.根据权利要求1所述的散热构造，其特征在于，
所述多孔质材料是金属材料，至少表面是镍。
8.一种电子设备，是具备散热构造的电子设备，其特征在于，具有：
发热的电气部件；
多孔质材料，与所述电气部件的表面抵接；以及
散热体，具备供所述多孔质材料嵌入的凹陷部，并在该散热体与所述电气部件的表面之间夹持所述多孔质材料，
所述多孔质材料具备：
发热体抵接范围部，浸渍有传热性流体，与所述电气部件的表面抵接并接收热量；和
发热体非抵接范围部，与所述发热体抵接范围部连续地形成，不与所述电气部件的表面抵接，
所述非抵接范围部通过带状粘接材料固定于所述散热体。
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