CN118158968A - 石墨烯高导热模块及使用该模块的电子设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种石墨烯高导热模块及使用该模块的电子设备，其中，石墨烯高导热模块包括冷板、设置在冷板内腔的PCB板，PCB板上分布多个芯片，所述冷板朝向芯片的内壁分布多个与芯片一一对应的导热凸台，导热凸台的端面设有与对应芯片接触的导热垫；导热凸台所在的内壁表面设有石墨烯导热板。芯片散发的热量通过导热垫、导热凸台传递给冷板，冷板上设置石墨烯导热板，石墨烯密度小、导热率高，在几乎不增加模块重量的同时，可以将热量快速导出到机箱上，解决了冷板热传导温升过大的问题；同时石墨烯导热板布满冷板内壁，散热均匀，并且石墨烯高导热模块容易加工，成本低。

Description

石墨烯高导热模块及使用该模块的电子设备

技术领域

本发明涉及电子设备散热技术领域，具体涉及石墨烯高导热模块及使用该模块的电子设备。

背景技术

电子设备通过内部模块与背板的互连可以实现信号传输与数据处理，典型结构如图1所示，电子设备通常包含机箱1和模块2，多个模块2插装在机箱1中，机箱1中分布多对导轨，对模块2的插装进行引导、限位。其中模块2对其内部的板卡起到防护、散热、定位作用，模块2具体包含冷板3、盖板4、PCB板5(即板卡)、锁紧条6、起拔器7、连接器8、导热垫9、导热凸台10等，如图2所示。连接器8固定在PCB板5的尾部，导热凸台10与PCB板5上的芯片12一一对应，导热凸台10设置在冷板3的内壁上，并与冷板3一体加工制成，导热凸台10的端面上设置导热垫9，将PCB板5安装在冷板3的内腔中，芯片12与对应的导热垫9接触，使用盖板4将冷板3封闭，并使用螺钉将盖板4固定在冷板3上。

模块2插装到机箱1中后，芯片到机箱1的散热路径为：首先，PCB板5上的芯片12通过导热垫9与冷板3内壁上的导热凸台10接触，从而将芯片12散发的热量传至冷板3上；再通过冷板3将热量传导至冷板3的两侧，冷板3两侧的锁紧条6将模块2锁紧在机箱1内的导轨11上后，可以保证冷板3与导轨11的完好贴合，从而将芯片12的热量传至机箱1；最后通过机箱1表面的散热齿与外界进行自然对流，将热量带走。如图3所示，箭头所指示的方向为热量传导路径。

常规电子设备中，从芯片12到机箱的热传导路径中主要包含如图4所示所示的几种温升，各种温升的总和是芯片12与环境温度之间的总温度变化量。其中，从冷板3上的导热凸台10到冷板3两侧的温升Δt₃可以通过式(1)计算得到，式(1)中，Q为模块总热耗，D为从导热凸台10到冷板3两侧的距离，λ为冷板的导热率，A为冷板的截面积。通常模块2的外形尺寸是一定的，符合VITA标准，冷板3的厚度考虑到整体重量要求以及芯片12的高度与冷板3的不干涉原则，一般为2mm。因此导热率λ直接决定了Δt₃的结果。

电子设备中常用的冷板材料为铝合金，但其导热率较低，尤其对于6U模块，冷板3的热传导路径较长，导致冷板3的热阻较大，温升较高。以单板50W的6U模块为例，冷板材料采用导热率相对较高的铝合金6063(导热率λ＝205W/m·K)，可以计算出冷板上的热传导温升Δt₃为45℃，考虑到环境温度最高为55℃，以及其余各部分温升，芯片的温度已经远超过允许的最高工作温度。

为解决上述模块中冷板热传导温升过大的问题，工程中通过在冷板中埋热管或直接用均温板来改善整体的导热率。热管和均温板的工作原理都是通过介质在真空腔内的气液相变来实现热量的快速传导。但埋热管和均温板也存在一定弊端：例如热管的壳体材料一般为铜，铜密度高于铝合金，无疑增加了整体的重量，并且对于热点分布复杂且热量不集中的板卡，热管只对其敷设经过的芯片具有较好的导热效果，对于未经过热管的芯片起不到导热作用，面内均温性较差；均温板具有较好的面内均温性和较高的导热率，但常用的铜真空腔均温板质量比普通铝板质量高500g左右，且价格较高，制造周期也较长。此外对于某些机载、弹载设备，工作中存在瞬时加速度过大的情况，也会影响热管和均温板介质的正常流向，难以达到导热效果。

石墨烯作为一种新型高导热材料，具有高导热、低密度、稳定性强等特点，石墨烯的导热率是铝合金的6倍(通常为1300W/m·K)，密度只有铝合金的70％，并且石墨烯具备较高的耐热温度，可靠性强，具有较高应用价值。

石墨烯根据其厚度可分为石墨烯导热膜和石墨烯导热板。石墨烯导热膜厚度为20～150μm，可用于手机或PC端芯片热耗集中的情况。石墨烯导热板厚度范围在0.4～10mm，面内导热率1300W/m·K，具备一定的刚度和强度。

发明内容

为解决上述模块中冷板热传导温升过大的技术问题，本发明提供石墨烯高导热模块及使用该模块的电子设备。

本发明的目的是采用以下技术方案来实现。依据本发明提出的石墨烯高导热模块，包括冷板、设置在冷板内腔种的PCB板，PCB板上分布多个芯片，所述冷板朝向芯片的内壁分布有与芯片对应的导热凸台，导热凸台面向芯片的端面上设有与对应芯片接触的导热垫；导热凸台所在的内壁表面上设有石墨烯导热板。芯片散发的热量通过导热垫、导热凸台传递给冷板，冷板上设置石墨烯导热板，在几乎不增加模块重量的同时，可以将热量快速导出到机箱上，解决了冷板热传导温升过大的问题。

进一步的，所述导热凸台一体设置在冷板上。导热凸台与冷板一体加工制成，便于快速将热量导出。

进一步的，所述冷板的内腔开口处罩设盖板，冷板的四周分布螺纹孔凸台，将盖板罩盖在冷板上后，使用螺钉穿过盖板上的通孔并拧入螺纹孔凸台上的螺纹孔，将盖板固定在冷板上；所述石墨烯导热板上开设避开螺纹孔凸台的缺口。

进一步的，所述石墨烯导热板上设置供导热凸台穿出的窗口。

通过在石墨烯导热板上设置缺口、窗口，可以适配冷板的内壁，使石墨烯导热板布满冷板内壁，将热量快速导出。

进一步的，所述冷板的四周为围绕冷板内腔的侧壁，石墨烯导热板同时与侧壁、导热凸台接触。导热凸台上的热量可以直接通过石墨烯导热板导出到冷板两侧，缩短散热路径，导热效率高。

进一步的，所述石墨烯导热板焊接在冷板的内壁上，所述石墨烯导热板上与冷板内壁匹配的焊接面设有沉积金属层。焊接可以有效减子石墨烯导热板与冷板之间的空隙率，更有利于热传导。

进一步的，所述冷板内部设有多个高低不同的导热面，以匹配不同高度的芯片，各个导热面上均设有导热凸台，每个导热面上均设置匹配的子石墨烯导热板，子石墨烯导热板上设有供导热凸台穿过的窗口。将子石墨烯导热板与冷板上对应的导热面焊接，可分别提高冷板不同位置的导热能力，更具灵活性。

使用石墨烯高导热模块的电子设备，包括机箱，所述机箱内插装石墨烯高导热模块，石墨烯高导热模块为上述的石墨烯高导热模块。

进一步的，所述机箱内设置用于插装石墨烯高导热模块的导轨，冷板与导轨匹配的两侧设置锁紧条。锁紧条使冷板与机箱导轨紧密接触，加快散热。

进一步的，所述机箱为全密闭的自然机箱或半密闭的导冷风冷机箱。

与现有技术相比，本发明的有益之处在于：

芯片散发的热量通过导热垫、导热凸台传递给冷板，冷板上设置石墨烯导热板，石墨烯密度小、导热率高，在几乎不增加模块重量的同时，可以将热量快速导出到机箱上，解决了冷板热传导温升过大的问题；同时石墨烯导热板布满冷板内壁，散热均匀，并且该模块容易加工，成本低。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1为现有电子设备的典型结构示意图；

图2为图1中模块的结构分解示意图；

图3为模块插装在机箱内后的散热路径示意图；

图4为芯片至机箱的热传导路径上各部分温升的框图；

图5为本发明实施例中石墨烯高导热模块的结构分解示意图；

图6为图5中石墨烯导热板的示意图；

图7a为石墨烯高导热模块散热路径的示意图；

图7b为图7a中A处的放大示意图；

图8为具有不同高度的导热面的冷板示意图；

图9为具有不同高度导热面的冷板与石墨烯导热板的结构分解示意图；

图10为普通铝合金模块截面温度仿真示意图；

图11为普通铝合金模块冷板及热源温度仿真示意图；

图12为石墨烯高导热模块截面温度仿真示意图；

图13为石墨烯高导热模块冷板及热源温度仿真示意图；

图14为石墨烯高导热模块安装在导冷风冷机箱中的示意图。

【附图标记】

1-机箱，2-模块，3-冷板，31-螺纹孔凸台，32-第一导热面，33-第二导热面，34-第三导热面，35-第四导热面，36-内壁，37-侧壁，4-盖板，5-PCB板，6-锁紧条，7-起拔器，8-连接器，9-导热垫，10-导热凸台，11-导轨，12-芯片，13-石墨烯导热板，131-窗口，132-第一石墨烯板，133-第二石墨烯板，134-第三石墨烯板，135-第四石墨烯板，136-缺口，14-导热烯高导热模块，15-机箱，16-导冷风冷机箱。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

石墨烯高导热模块的实施例，如图5至图9所示。石墨烯高导热模块为板卡模块部件，石墨烯高导热模块的结构分解如图5所示，包括冷板3、石墨烯导热板13、PCB板5、盖板4、导热垫9、导热凸台10、连接器8、锁紧条6、起拔器7。冷板3整体为长方体形状的盒体，使用盖板4对冷板3进行封闭。冷板3的四周设置螺纹孔凸台31，螺纹孔凸台31上设置螺纹孔，将盖板4罩盖在冷板3上后，使用螺钉穿过盖板4上的通孔并拧入螺纹孔，从而将盖板4固定在冷板3上。冷板3内腔底部的内壁36上分布多个导热凸台10，冷板3与导热凸台10为整体加工制成。PCB板5安装在冷板3的内腔中，PCB板5朝向冷板的内壁一侧设置多个芯片12，导热凸台10与芯片12位置、数量对应。导热凸台10的端面上设置导热垫9，将PCB板5安装在冷板3内后，PCB板5上的芯片抵在导热垫9上。冷板3的四周为围绕冷板3内腔的侧壁37，冷板两侧分别设置锁紧条6，其前侧设置起拔器7。PCB板5的后端设置连接器8。

石墨烯导热板13与冷板3的内壁36相匹配，由于冷板3的内壁设置多个导热凸台10，并且冷板3内腔的四周分布多个螺纹孔凸台31，因此，将石墨烯导热板13与导热凸台10、螺纹孔凸台31对应的区域去除(如图6所示)，分别形成多个窗口131、缺口136，从而可以将石墨烯导热板13与内壁36匹配，然后再将石墨烯导热板焊接在冷板3的内壁上。石墨烯导热板13焊接在冷板3内壁上后，将PCB板5及连接器8安装在冷板3的内腔中，最后将盖板4与冷板3通过螺钉连接固定，将PCB板5封闭在冷板3内。

由于石墨烯的熔点较高，超过4000℃，并且具有很高的界面化学稳定性，表面润湿性差，难以直接钎焊以实现金属材料制成的冷板3与石墨烯导热板13之间高质量互连。因此先对石墨烯导热板13的表面进行金属化处理，采用沉积法对石墨烯导热板13与冷板3内壁匹配的焊接面进行金属化处理，在焊接面上形成沉积金属层，随后再进行钎焊连接，使石墨烯导热板13固定在冷板3的内壁上。在石墨烯导热板13上设置沉积金属层能改善钎料合金与石墨烯导热板13之间的冶金结合性能。

石墨烯制成的石墨烯导热板13厚度范围可以在0.4～10mm，面内导热率1300W/m·K，具备一定的刚度和强度，可与冷板3相结合，提高模块的整体导热率。

由于电子设备使用时需要满足一定抗振动、冲击能力，因此选用1mm厚的石墨烯导热板作为热扩散材料，石墨烯导热板13与铝合金制成的冷板3焊接为一体式的石墨烯高导热冷板。相比常规技术中石墨烯导热板13与冷板的连接方式(例如螺接或粘接)，本实施例采用焊接可以有效减子石墨烯导热板13与冷板3之间的空隙率，保证石墨烯导热板13与冷板3具有足够大的接触面积，更有利于热传导。此外，若采用粘接方式将石墨烯导热板13贴合于铝合金冷板表面，在振动环境下和高温环境下长时间使用该石墨烯高导热模块，粘接剂老化速度较快，使得石墨烯导热板与铝合金冷板的结合稳定性随着时间增长而逐渐降低；而采用螺钉固定石墨烯导热板的方式，在振动环境下易导致石墨烯导热板损伤。

在冷板内壁上焊接石墨烯导热板13后，石墨烯高导热模块工作时的主要散热路径为：热源(芯片12)→导热垫9→导热凸台10→石墨烯导热板13→冷板3→导轨11，如图7a至图7b所示。导热凸台10传递给冷板3的热量既沿着原方向(即沿着冷板3)进行传导(图7a至图7b虚线所示)，同时也将冷板3上的热量纵向传至石墨烯导热板13上，然后石墨烯导热板13将热量快速扩散至冷板3的两侧(图7中实线所示)，并将热量传递给导轨11，然后通过机箱1上的散热齿散热，实现模块双通道高效率导热。石墨烯导热板13焊接在冷板3的内壁上，与导热凸台10的侧壁、冷板3四周的侧壁直接接触，可快速将导热凸台10的热量传至冷板两侧，导热路径短，导热效率高。芯片12散发的热量使PCB板5与石墨烯导热板13之间的空气加热，加热后的空气与石墨烯导热板13接触，使得空气中的热量被石墨烯导热板13传递至冷板的两侧，并传递至导轨11，从而使冷板内部的空气温度降低，加快芯片12的散热。进一步的，由于本实施例中，PCB板5直接面向石墨烯导热板13设置，PCB板5发出的热量也可以通过PCB板5与石墨烯导热板13之间形成的空气腔传导至石墨烯导热板13的表面，更加充分地利用石墨烯导热板13的导热性能，并起到辅助高效散热的效果。

此外，在实际应用时，通常PCB板5上的芯片12在模块厚度方向上的高度尺寸不一致且相差较大，根据芯片12的高度在冷板内部加工出高低不同的导热面，因此冷板3的内壁在实际应用时不是一个完整的平面，以便于与芯片12的高度匹配，导热面上设置导热凸台10，在本实施例中，导热面包括如图8所示的第一导热面32、第二导热面33、第三导热面34、第四导热面35，每个导热面上均设置导热凸台10。如图9所示，此时可将石墨烯导热板13裁剪为多个不同形状、尺寸且与各个导热面一一对应匹配的子石墨烯导热板，子石墨烯导热板上分布多个供对应导热面上的导热凸台10穿过的窗口，子石墨烯导热板包括如图8所示的第一石墨烯板132、第二石墨烯板133、第三石墨烯板134、第四石墨烯板135。将子石墨烯导热板与冷板3上对应的导热面焊接，可分别提高冷板3不同位置的导热能力，更具灵活性。

从散热性能方面对石墨烯高导热模块14和普通铝合金模块进行对比，以6U模块为例，仿真条件设置如下：环境温度设置为20℃，模块两端的导轨11温度恒定，即热源(芯片12)的温升只包括冷板3和导热垫9两部分的热传导温升。普通铝合金模块中冷板的材料为铝合金6063，导热率为205W/m·K。石墨烯导热板的平面内导热率为1300W/m·K，纵向导热率为5W/m·K。导热垫的导热率为5W/m·K。模块内有5个热源用于模拟发热的芯片，单个热源15W，共计75W。采用ANSYS Icepak对两种模块进行热仿真，普通铝合金模块的截面温度仿真结果如图10所示，冷板及热源温度仿真结果如图11所示。石墨烯高导热模块的截面温度仿真结果如图12所示，冷板及热源温度仿真结果如图13所示。

由上述结果可以看出，石墨烯高导热模块14的热源温度比普通铝合金模块的热源温度低接近23℃，由于导热垫9的导热率及厚度均相同，因此导热垫9上的热传导温升是一样的，因此两种仿真结果的差异就只是冷板导热能力变化而产生的温差。该种结构也适用于3U及其它非标尺寸模块的设计，可有效解决冷板上的热传导温升。

本发明中的石墨烯高导热模块既可安装在全密闭的自然机箱中，如图1所示。石墨烯高导热模块也可安装在半密闭的导冷风冷机箱16，如图14所示，此时石墨烯高导热模块工作时的主要散热路径为：芯片12→导热垫9→导热凸台10→石墨烯导热板13→冷板3→机箱两侧相对设置的导轨11→机箱相对两侧外表面设置的散热翅片。

尽管已经展示和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.石墨烯高导热模块，包括冷板(3)、设置在冷板(3)内腔中的PCB板(5)，PCB板上分布多个芯片(12)，其特征在于：所述冷板(3)朝向芯片(12)的内壁(36)分布有与芯片(12)对应的导热凸台(10)，导热凸台(10)面向芯片的端面上设有与对应芯片(12)接触的导热垫(9)；导热凸台(10)所在的内壁(36)表面上设有石墨烯导热板(13)。

2.根据权利要求1所述的石墨烯高导热模块，其特征在于：所述导热凸台(10)一体设置在冷板(3)上。

3.根据权利要求1所述的石墨烯高导热模块，其特征在于：所述冷板(3)的内腔开口处罩设盖板(4)，冷板(3)的四周分布螺纹孔凸台(31)，将盖板(4)罩盖在冷板(3)上后，使用螺钉穿过盖板(4)上的通孔并拧入螺纹孔凸台(31)上的螺纹孔，将盖板(4)固定在冷板(3)上；所述石墨烯导热板(13)上开设避开螺纹孔凸台(31)的缺口(136)。

4.根据权利要求1所述的石墨烯高导热模块，其特征在于：所述石墨烯导热板(13)上设置供导热凸台(10)穿出的窗口(131)。

5.根据权利要求1所述的石墨烯高导热模块，其特征在于：所述冷板(3)的四周为围绕冷板(3)内腔的侧壁(37)，石墨烯导热板(13)同时与侧壁(37)、导热凸台(13)接触。

6.根据权利要求1所述的石墨烯高导热模块，其特征在于：所述石墨烯导热板(13)焊接在冷板(3)的内壁(36)上，所述石墨烯导热板(13)上与冷板(3)内壁匹配的焊接面设有沉积金属层。

7.根据权利要求1所述的石墨烯高导热模块，其特征在于：所述冷板内部设有多个高低不同的导热面，以匹配不同高度的芯片(12)，各个导热面上均设有导热凸台(10)，每个导热面上均设置匹配的子石墨烯导热板，子石墨烯导热板上设有供导热凸台(10)穿过的窗口。

8.使用石墨烯高导热模块的电子设备，包括机箱(1)，其特征在于：所述机箱(1)内插装石墨烯高导热模块(14)，石墨烯高导热模块(14)为权利要求1至7中任一项所述的石墨烯高导热模块。

9.根据权利要求8所述的使用石墨烯高导热模块的电子设备，其特征在于：所述机箱(1)内设置用于插装石墨烯高导热模块(14)的导轨(11)，冷板(3)与导轨(11)匹配的两侧设置锁紧条(6)。

10.根据权利要求8所述的使用石墨烯高导热模块的电子设备，其特征在于：所述机箱(1)为全密闭的自然机箱或半密闭的导冷风冷机箱(16)。