CN117650114A - 一种散热结构及芯片散热装置 - Google Patents

Abstract

本发明适用于特种电子技术领域，提供了一种散热结构及芯片散热装置，所述散热结构包括：数量为多个的铜丝骨架，所述铜丝骨架的中心处设有中心圆孔，铜丝骨架上在所述中心圆孔的外侧位置处还设有多个次中心圆孔，所述中心圆孔与多个所述次中心圆孔均保持连通，至少一个所述次中心圆孔通过开设在铜丝骨架上的通道与外部空间连通，所述铜丝骨架的外缘位置处设有多个缺口；封装结构，用于将所述铜丝骨架与镓液封装在内部，本发明的有益效果为，结构设计合理，能够在长时间的使用中保持稳定的渗透性能和散热效果，具有较高的可靠性，适用于需要长时间持续散热的应用场景，如电子设备和工业领域。

Description

一种散热结构及芯片散热装置

技术领域

本发明属于特种电子技术领域，尤其涉及一种散热结构及芯片散热装置。

背景技术

风冷技术和水冷技术是目前常见的散热技术，它通过风扇将空气吹拂到散热器上，利用空气的对流效应将热量带走。风冷技术简单、便宜且易于实现，被广泛应用于CPU和GPU散热。功率芯片散热技术是针对高功率芯片的特殊散热要求而设计的。它通常采用更先进的散热材料、散热片和散热系统，以提供更高效的散热性能和更低的温度。这些技术可能包括增加散热片的数量和面积、使用高导热材料(如铜或铝)以及采用更先进的散热风扇等。

目前已有的技术中，通过在发热芯片和铝散热片中间加入碳纤维垫片，在垫片两边涂上镓膏涂层来散热，这种方案采用了碳纤维垫片与铟膏涂层来实现散热，相比传统的热导胶或热导膏，可提供相对较好的散热效果。

随着技术的发展，研发出更高效的更高效的散热系统对提升设备的新能很有必要。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种散热结构及芯片散热装置，旨在解决背景技术中所提及的现有技术所存在的技术问题。

本发明实施例是这样实现的，一种散热结构，所述散热结构包括：

数量为多个的铜丝骨架，所述铜丝骨架的中心处设有中心圆孔，铜丝骨架上在所述中心圆孔的外侧位置处还设有多个次中心圆孔，所述中心圆孔与多个所述次中心圆孔均保持连通，至少一个所述次中心圆孔通过开设在铜丝骨架上的通道与外部空间连通，所述铜丝骨架的外缘位置处设有多个缺口；

封装结构，用于将所述铜丝骨架与镓液封装在内部。

优选的，所述封装结构内的铜丝骨架通过杂乱无章的缠绕形成紧密的若干渗透铜丝层，每层渗透铜丝层内均包含有若干个铜丝骨架。

优选的，所述次中心圆孔的数量为六个，铜丝骨架外缘位置的缺口为十一个，使得所述镓液通过毛细现象渗透在铜丝骨架的表面和相邻铜丝骨架之间的间隙内。

优选的，所述封装结构由镓液保护下盖、主框体以及镓液保护上盖组成，将镓液和多个所述渗透铜丝层封装在内。

本发明实施例的另一目的在于提供一种芯片散热装置，包括用于封装芯片的铜质芯片壳，还包括所述的散热结构。

优选的，所述铜质芯片壳固定在PCB主板上，PCB主板上连接有左主控芯片、左主控闪存DDR、左存储单元、基板、右主控芯片、右主控闪存DDR和右存储单元。

优选的，所述散热结构上还固定有若干个铝散热片。

本发明的有益效果为，散热结构中可以大量渗透镓液，其具有以下优点：通过内部的孔，可以增加毛细现象的产生，利用它可以实现液体的自动输送和分配，使液体更加均匀地渗透到整个渗透到散热结构中，从而提高散热效果和热量分散性。通过缺口的设置可以进一步增强毛细现象的产生，缺口的设计使得液体可以更容易地进入散热结构内部，并通过毛细现象在散热结构中快速传导和渗透，提高散热效果。散热结构的结构设计在散热领域具有更好的应用潜力，而且结构设计合理，能够在长时间的使用中保持稳定的渗透性能和散热效果，具有较高的可靠性，适用于需要长时间持续散热的应用场景，如电子设备和工业领域。同时其制造过程相对简单且成本较低，可以通过常规的工业制造方法进行批量生产，其安装也相对便捷，可以根据具体需求进行裁剪和调整，降低了使用成本并提高了应用的灵活性。

附图说明

图1为本发明实施例提供了一种散热结构的示意图；

图2为本发明实施例提供的镓液生成的液柱的示意图；

图3为本发明实施例提供的渗透铜丝层的示意图；

图4为本发明实施例提供的封装结构的示意图；

图5为本发明实施例提供的另一视角封装结构的示意图；

图6为本发明实施例提供的一种芯片散热装置的示意图。

附图中：

001-铜丝骨架、002-中心圆孔、003-次中心圆孔、004-缺口。

101-表面镓液、102-次中心镓液、103-中心镓液、104-夹心镓液。

120-渗透铜丝层、140-封装结构。

160-镓液保护下盖、162-散热方向、164-镓液保护上盖、166-渗透铜丝层。

210-铝散热片、220-散热结构、230-铜质芯片壳、231-左主控芯片、232-左主控闪存DDR、233-左存储单元、234-基板、235-右主控芯片、236-右主控闪存DDR、237-右存储单元、250-PCB主板。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

可以理解，本申请所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但除非特别说明，这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。

如图1和2所示，在一个实施例中，提出了一种散热结构，所述散热结构包括：

数量为多个的铜丝骨架001，所述铜丝骨架001的中心处设有中心圆孔002，铜丝骨架001上在所述中心圆孔002的外侧位置处还设有多个次中心圆孔003，所述中心圆孔002与多个所述次中心圆孔003均通过通道保持连通，至少一个所述次中心圆孔003通过开设在铜丝骨架001上的通道与外部空间连通，当然，这些通道的直径是明显小于中心圆孔002或次中心圆孔003的直径的，所述铜丝骨架001的外缘位置处设有多个缺口004；

封装结构140，用于将所述铜丝骨架001与镓液封装在内部。

本发明实施例中，铜具有良好的导热性，能够迅速传导热量，有效提高散热效果，并且具有优良的耐腐蚀性和可塑性。铜丝骨架001具有开放性，能够促进气流的流动，增强散热效果。液态镓具有相对较高的热导率和热容量，能够快速吸收和传导热量。此外，液态镓具有较低的表面张力，可以优化与散热器之间的接触，提高散热效果。

本发明实施例中，铜丝骨架001的成型方式可以为将高温液态合金铜液经过精密模具抽拉成型出很细的铜丝，然后冷却成型即可得到铜丝骨架001。

本发明实施例在实际应用时，加入液态镓后，液体分子内部的吸引力使液体表面层分子聚集，形成称为表面张力的现象，毛细现象发生时，液体从宽直管道流向细管道时，由于细管直径小于宽管，液体在细管内分子间的相互引力会使液体表面层产生拉力，导致液体在细管内上升，直到液柱受到重力或其他阻力平衡。此时，如图2所示，中心镓液103会在中心圆孔002会形成第一种渗透，次中心镓液102会在次中心圆孔003处形成第二种渗透，表面镓液101会在缺口004处形成第三种渗透，而相邻铜丝骨架001之间的间隙处的夹心镓液104会形成第四种渗透，从而可以有效吸收热量和释放热量。以上所述中心镓液103、次中心镓液102、表面镓液101和夹心镓液104是液态镓在对应位置处因毛细现场渗透而成。

如图3所示，作为本发明一个优选的实施例，所述封装结构140内的铜丝骨架001通过杂乱无章的缠绕形成紧密的若干渗透铜丝层120，每层渗透铜丝层120内均包含有若干个铜丝骨架001。

本发明实施例中，铜丝骨架001通过杂乱无章的缠绕形成紧密的若干渗透铜丝层120，此处，对于铜丝骨架001来说，其没有水平与垂直的固定轨迹，但是仍然可以了解到铜丝骨架001形成了多少层。

在实际应用时，以铜丝骨架001和镓液为主体的散热结构，可以根据实际需求，制成圆形、方形或者其他不规则的形状。

如图1所示，作为本发明一个优选的实施例，所述次中心圆孔003的数量为六个，铜丝骨架001外缘位置的缺口004为十一个，使得所述镓液通过毛细现象渗透在铜丝骨架001的表面和相邻铜丝骨架001之间的间隙内。

本发明实施例中，缺口004为方形结构，中心圆孔002的体积可以用圆柱体的体积公式进行计算：V1＝πr1^2h1，其中，r1是中心圆孔002的半径，h1是中心圆孔002的高度。六个次中心圆孔003的体积可以用圆柱体的体积公式进行计算：V2＝6*(πr2^2h2)，其中，r2是次中心圆孔003的半径，h2是次中心圆孔003的高度。最外层的十一个缺口004的体积可以用长方体的体积公式进行计算：V3＝11*(a3*b3*c3)其中，a3、b3和c3分别是方形缺口的三个边长。

因此，圆孔以及缺口的总体积为：V_total＝V1+V2+V3。由于液态镓的形状是一个圆柱体，其体积可以用圆柱体的体积公式进行计算：V_gallium＝πr_gallium^2h_gallium，其中，r_gallium是液态镓的半径，h_gallium是液态镓的高度。最后，计算空间占有率：空间占有率＝V_gallium/V_total*100％。

通过计算，镓的立体空间占有率超过80％。

这种现象可以由毛细管方程描述，即液体在细管中上升高度与细管半径和表面张力有关。毛细管现象是指液体在细小管道内表现出的上升或降低的现象。在铜质材料中，毛细管现象的直径可以通过洛伦兹方程表示为：d＝(4γcosθ)/πρgh其中，d是毛细管的直径，γ是液体-气体界面的表面张力(对于镓来说，大约为0.658N/m)，θ是接触角(取镓在铜材料上的接触角为0°)，ρ是液体的密度(对于镓来说，大约为5906kg/m^3)，g是重力加速度，取值约为9.8m/s^2，h是液体的柱高(指液体在毛细管内上升或下降的高度，以米为单位)。

根据上述等式，当液体镓在铜质材料中产生毛细现象时，根据具体的条件和参数值，可以计算出相应的最小镓液直径d＝10微米(可以理解为中心镓液103的直径)。经过图1的几何计算，容纳镓液的铜丝骨架001的理论直径约为：D＝50um。

本发明实施例在实际应用时，若渗透铜丝层120的厚度是0.1-1.0mm，渗透铜丝层120的层数可以为20层，渗透铜丝层120与渗透铜丝层120之间可形成3-4种毛细管，用以最大限度地将镓液作为散热源传导到散热结构220表面，通过实验确认，其散热性能明显优于现有的散热装置。

如图5所示，作为本发明一个优选的实施例，所述封装结构140由镓液保护下盖160、主框体以及镓液保护上盖166组成，将镓液和多个所述渗透铜丝层120封装在内。其中，所述镓液保护下盖160用于与铜质芯片壳230接触固定，图中所示箭头为散热方向162。

请参阅图6，本发明实施例还提供了一种芯片散热装置，包括用于封装芯片的铜质芯片壳230，还包括所述的散热结构220。

具体的，本发明实施例的一种情况中，所述铜质芯片壳230固定在PCB主板250上，PCB主板250上连接有左主控芯片231、左主控闪存DDR232、左存储单元233、基板234、右主控芯片235、右主控闪存DDR236和右存储单元237。

本发明实施例中，散热结构220吸收铜质芯片壳230产生的动态热量，芯片发挥计算功能也是按不同场景的需要，有的时候发热量大，有的时候发热量小，无论发热量的多少，额定功率下的热量都要从芯片表面快速的而且均匀的传导出去，这里的均匀非常重要。结构来看，芯片从上到下是铜质芯片壳230、双核主控CPU(左主控芯片231&右主控芯片235)或GPU、DDR堆叠(左主控闪存DDR232&右主控闪存DDR236)、倒装(Flip chip)到基板234上的存储晶粒(die)(左存储单元233&右存储单元237)，它们可以通过TSV全部做在一起。这里DDR和存储左右都有，主要是起备份作用。

散热结构220通过采用具有较高的热扩散性能的材料，以便更好地散发热量，以便将热量迅速传递给周围环境。在散热装置的设计中，还需要考虑风扇或其他辅助散热设备的使用，例如，本发明实施例中，所述散热结构220上还固定有若干个铝散热片210。在实际应用时，这些设备通常会产生一定的噪音和振动。镓在常温下表现为液体和减震性能，可以减少由散热装置振动引起的噪音和损坏。

本发明实施例散热结构220中可以大量渗透镓液，其具有以下优点：通过内部的孔，可以增加毛细现象的产生，利用它可以实现液体的自动输送和分配，使液体更加均匀地渗透到整个渗透到散热结构220中，从而提高散热效果和热量分散性。通过缺口004的设置可以进一步增强毛细现象的产生，缺口004的设计使得液体可以更容易地进入散热结构220内部，并通过毛细现象在散热结构220中快速传导和渗透，提高散热效果。散热结构220的结构设计在散热领域具有更好的应用潜力，而且结构设计合理，能够在长时间的使用中保持稳定的渗透性能和散热效果，具有较高的可靠性，适用于需要长时间持续散热的应用场景，如电子设备和工业领域。同时其制造过程相对简单且成本较低，可以通过常规的工业制造方法进行批量生产，其安装也相对便捷，可以根据具体需求进行裁剪和调整，降低了使用成本并提高了应用的灵活性。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种散热结构，其特征在于，所述散热结构包括：

数量为多个的铜丝骨架(001)，所述铜丝骨架(001)的中心处设有中心圆孔(002)，铜丝骨架(001)上在所述中心圆孔(002)的外侧位置处还设有多个次中心圆孔(003)，所述中心圆孔(002)与多个所述次中心圆孔(003)均保持连通，至少一个所述次中心圆孔(003)通过开设在铜丝骨架(001)上的通道与外部空间连通，所述铜丝骨架(001)的外缘位置处设有多个缺口(004)；

封装结构(140)，用于将所述铜丝骨架(001)与镓液封装在内部。

2.根据权利要求1所述的一种散热结构，其特征在于，所述封装结构(140)内的铜丝骨架(001)通过杂乱无章的缠绕形成紧密的若干渗透铜丝层(120)，每层渗透铜丝层(120)内均包含有若干个铜丝骨架(001)。

3.根据权利要求1所述的一种散热结构，其特征在于，所述次中心圆孔(003)的数量为六个，铜丝骨架(001)外缘位置的缺口(004)为十一个，使得所述镓液通过毛细现象渗透在铜丝骨架(001)的表面和相邻铜丝骨架(001)之间的间隙内。

4.根据权利要求2所述的一种散热结构，其特征在于，所述封装结构(140)由镓液保护下盖(160)、主框体以及镓液保护上盖(166)组成，将镓液和多个所述渗透铜丝层(120)封装在内。

5.一种芯片散热装置，包括用于封装芯片的铜质芯片壳(230)，其特征在于，还包括如权利要求1-4任一项所述的散热结构(220)。

6.根据权利要求5所述的一种芯片散热装置，其特征在于，所述铜质芯片壳(230)固定在PCB主板(250)上，PCB主板(250)上连接有左主控芯片(231)、左主控闪存DDR(232)、左存储单元(233)、基板(234)、右主控芯片(235)、右主控闪存DDR(236)和右存储单元(237)。

7.根据权利要求5所述的一种芯片散热装置，其特征在于，所述散热结构(220)上还固定有若干个铝散热片(210)。