CN118215274A - 一种铝基石墨复合型均温冷板及电子设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电子设备散热技术领域，尤其是一种铝基石墨复合型均温冷板，包括层叠设置的第一基体、第二基体以及夹设在所述第一基体、第二基体之间的石墨复合层；其中，所述第一基体用于与热源接触，所述石墨复合层用于将所述第一基体上的热量水平传递，本发明的温冷板结构，冷板中石墨复合材料与铝合金本体经冶金结合形成一体，具备高强度、低密度、导热系数高、可加工性好的特点，冷板石墨复合材质层均匀布置在冷板有效导热、均热平面内，同时冷板与热源接触部位经焊接方式设置了导热的铜块，保证了冷板与热源之间高效导热效率，在冷板正面设置冷板散热翅片，两端设计了导热交换结构特征，实现冷板对外的导热、散热作用。

Description

一种铝基石墨复合型均温冷板及电子设备

技术领域

本发明涉及电子设备散热技术领域，尤其涉及一种铝基石墨复合型均温冷板及电子设备。

背景技术

随着计算机、半导体和电子电路技术的快速发展，芯片的体积越来越小，功能越来越强，但其供电功率也随之增长，导致对外产生的热功率越来越高，热流密度也越来越大，给芯片的散热设计带来了更高的挑战。

为了解决这一问题，出现了多种新材料在电子设备芯片散热领域的应用。例如，石蜡与发泡金属的复合材料可充当瞬变热量的热沉，吸收芯片短时间散发出的热量，但无法解决长时间高热量的散热需求。另外，基于镓及其合金材料制成的散热器已经应用在芯片散热设计中，相比传统散热器的散热效率有了显著提升，但其与传统散热材料，如铝合金的相容性还未解决。同时，像陶瓷、石墨、石墨烯等新兴非金属材料也在散热领域得到应用，但对于高热功率芯片的散热设计，它们可能不够适用。

针对上述问题，为了进一步优化现有电子设备中的散热性能，以保证各热源处的功率元件能够正常工作，我们提出一种铝基石墨复合型均温冷板及电子设备。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在对于高热功率芯片的散热设计，目前的散热结构可能不够适用等缺点，而提出的一种铝基石墨复合型均温冷板及电子设备。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

设计一种铝基石墨复合型均温冷板，包括层叠设置的第一基体、第二基体以及夹设在所述第一基体、第二基体之间的石墨复合层；

其中，所述第一基体用于与热源接触，所述石墨复合层用于将所述第一基体上的热量水平传递，并经由所述第二基体向外扩散，在所述第二基体的表面还设有多个散热件；

所述石墨复合层冶金结合在所述第一基体与第二基体之间以形成一个整体。

进一步的，在所述第一基体与所述热源的接触面上还设置有安装结构，所述安装结构用于与电子设备内的板卡相连接。

进一步的，所述安装结构为一字槽、矩形槽或圆孔中的一种或多种组合。

进一步的，还包括导热结构，所述导热结构连接在所述第一基体与所述热源的接触面上，并用于与核心发热件相接触。

进一步的，所述导热结构为铜块，所述铜块与所述第一基体固定连接，所述铜块的导热横截面积不低于热源发热面的1.2倍。

进一步的，在所述第一基体的两侧还均设置有外导热端，所述外导热端位于所述第一基体的固定面，且用于与板卡上的热沉实现接触导热。

进一步的，所述外导热端为与所述第一基体一体成型的板件，所述外导热端上开设有若干安装孔。

进一步的，所述石墨复合层为石墨粉和铝粉颗粒的混合体，其中，所述石墨粉的含量在30%-35%，所述石墨复合层厚度为3mm。

进一步的，所述散热件为间隔排布在所述第二基体上的翅片。

此外，本发明中还公开了一种电子设备，该电子设备包括上述的铝基石墨复合型均温冷板。

本发明提出的一种铝基石墨复合型均温冷板及电子设备，有益效果在于：

本发明给出了一种可应用于特种计算机、军用电子设备内芯片冷板结构，其采用了新兴的铝基石墨复合材料，充分利用了石墨材料优良的导热性能和铝合金、铜材料的刚性、强度和可加工性，研制了一种铝基石墨复合材质均温冷板，解决目前高热量、多芯片、高热流密度的导热、均热问题，极大提高了冷板散热效率；

其次本发明的温冷板结构，冷板中石墨复合材料与铝合金本体经冶金结合形成一体，具备高强度、低密度、导热系数高、可加工性好的特点，冷板石墨复合材质层均匀布置在冷板有效导热、均热平面内，同时冷板与热源接触部位经焊接方式设置了导热的铜块，保证了冷板与热源之间高效导热效率，在冷板正面设置冷板散热翅片，两端设计了导热交换结构特征，实现冷板对外的导热、散热作用，在冷板背面设置了冷板安装结构特征，实现冷板与被散热件的可靠连接，从而实现冷板对热源及其板卡的有效加固措施及散热作用。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明安装结构的结构示意图；

图3为本发明的石墨复合层结构示意图；

图4为本发明导热结构的结构示意图。

图中：1、第一基体；11、安装结构；12、导热结构；13、外导热端；2、第二基体；21、散热件；3、石墨复合层。

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。

参照图1-4为本发明的一个实施例，其公开了一种铝基石墨复合型均温冷板，其用于对电子设备内部的热源进行导热，具体的，该温冷板包括层叠设置的第一基体1、第二基体2以及夹设在所述第一基体1、第二基体2之间的石墨复合层3；石墨作为一种新的非金属材料，依靠其自身水平面内优异的热传导能力，其薄片产品在某些散热领域发挥了重要作用，然而，受限于厚度尺寸，石墨导热片产品总的导热功率不超过10W，因此，如何发挥石墨在水平面优异的导热性能，同时结合传统散热金属，如铝合金、铜等材质，形成铝基、铜基石墨复合材料，应用于芯片的冷板结构中，成为了特种计算机、军用电子设备散热设计的热点问题，即在本发明中该铝基石墨复合材质均温冷板初始形态为三明治式结构，中间层为石墨复合层3，上下层为第一基体1与第二基体2，第一基体1与第二基体2为铝合金材质；

当然在其他的实施例中所述第一基体1与第二基体2也可以是铜材质，考虑到目前产品中冷板主体结构为铝合金材质，所以，本发明涉及的均温冷板主体结构优选采用铝合金材质，所述石墨复合层3冶金结合在所述第一基体1与第二基体2之间以形成一个整体，铝合金和石墨复合材质层之间为冶金结合，经真空热压/热等静压后再挤压锻造，形成冷板毛坯件，此种工艺不同于传统焊接工艺，冶金结合使得成型后的板材无焊料、无空洞和裂纹，此种板材零件经各类型环境试验后界面不发生开裂、鼓包等现象，材质一体化程度高，具备高强度、高塑性、延伸性低以及热膨胀系数可调的特点。

其中，所述第一基体1用于与热源接触，所述石墨复合层3用于将所述第一基体1上的热量水平传递，并经由所述第二基体2向外扩散，在所述第二基体2的表面还设有多个散热件21，优选的，本发明实施例的均温冷板外形尺寸为236mm×157.5mm×23mm，冷板内部结构构成如图1所示，从横断面看，石墨复合层3的颜色较铝基体颜色稍深一点，呈发黑状。均温冷板上表面设置了散热件21，本实施例中所述散热件21为翅片结构。

在一些实施例中，本发明中在所述第一基体1与所述热源的接触面上还设置有安装结构11，所述安装结构11用于与电子设备内的板卡相连接，具体的，本发明实施例中背面设置了与板卡的配合安装结构特征和CPU导热结构，具体结构如图1、如图2所示，依据不同结构板卡与热源结构特征，均温冷板相关结构特征会有不同，具体依据实际热设计结构而定。

在上述实施例的基础上，本发明中所述安装结构11为一字槽、矩形槽或圆孔中的一种或多种组合。

此外，在本发明实施例中还包括导热结构12，所述导热结构12连接在所述第一基体1与所述热源的接触面上，并用于与核心发热件相接触。

进一步的，本实施例中所述导热结构12为铜块，所述铜块与所述第一基体1固定连接，所述铜块的导热横截面积不低于热源发热面的1.2倍，本发明实施例的均温冷板与热源CPU芯片的导热结构12采用铜材质，具体可以为紫铜（T2）或黄铜（H62），也可以是其它导热性能较好的其它材质，本发明实施例着重考虑了铜材质的导热性能远高于铝合金材质；具体的铜材质通常导热系数为394W/mk,铝合金材质通常导热系数为216W/mk，本发明实施例中的石墨复合材质在垂直方向导热系数约为20W/mk，在水平方向上的导热系数可达到600W/mk，所以，为了弥补石墨复合材料在垂直方向上导热系数低的问题，在热源的垂直方向上单独设置了导热铜块，如图2中的铜块，充分利用纯金属材质在各向导热性能一致性高的特点，并且导热块材质为铜，应用铜导热块第一时间将热源热量及时传导出来，弥补冷板中铝基板和石墨复合材质在冷板垂直方向上导热性能不足的问题。

此外本发明实施例中的导热结构12与第一基体1之间采用焊接方式合为一体，具体可采用扩散焊、钎焊或低温焊；低温焊是指在常温环境下应用冷焊膏进行焊接，本发明实施例的均温冷板采用扩散焊工艺，保证导热铜块与第一基体1之间的热接触面无间隙，有效减小热接触面的接触热阻，从而提高均温冷板与热源之间的导热效率。

即本发明提供了一种铝基石墨复合材质均温冷板结构，其中石墨复合层3与第一基体1与第二基体2经冶金结合形成一体，与传统拼接、焊接方式不同，可视为一种金属坯料，不再需要后续拼接、焊接，可直接在其上进行铣加工处理，此种材料具备高强度、低密度、导热系数高、可加工性好的特点，石墨复合层3均匀布置在冷板的有效导热、均热平面内，同时冷板与热源接触部位经焊接方式设置了铜质导热结构12，保证了冷板与热源之间高效导热效率，在冷板正面设置冷板翅片，两端设计了导热交换结构特征，实现冷板对外的导热、散热作用，在冷板背面设置了冷板安装结构11特征，实现冷板与被散热件的可靠连接，从而实现冷板对热源及其板卡的有效加固措施及散热作用。

综上，在本发明实施例均温冷板的导热路径为：铜块——第一基体1——石墨复合层3——第二基体2——散热件21，均温冷板具体导热路径结构如图3和图4所示。

进一步说明，均温冷板热流路径是先垂直后水平，在垂直方向，冷板吸收的热量首先从导热块传至铝基体，经铝基体后传至石墨复合层3，由于石墨复合层3在水平方面具有极高的导热性能，所以，在短时间内会将热量均匀传递至复合层覆盖的导热区域，同时石墨复合层3还将热量传递至其上面的铝基体，再经铝基体传递至散热翅片，经翅片与外界热沉进行热交换，最终实现冷板的散热作用。

进一步说明，本发明实施例均温冷板的垂直导热主要依靠铜块实现，及时将热源热量传导出来，水平方面主要依靠石墨复合层3将热量传导至冷板的均热区域，为了实现冷板的高导热效率，导热块的横截面积为36mm×36mm，确保其导热横截面积不低于热源发热面的1.2倍；石墨复合层3的厚度决定了在水平方面的导热效率，厚度越大导热率越高，所以本发明实施例的石墨复合层3厚度为3mm，可满足80W的导热性能，远高于本发明实施例中热源CPU的热量（40W）。

进一步说明，本发明实施例中均温冷板的石墨复合层3的平面尺寸为236mm×150.5mm，覆盖了冷板所有可以进行导热散热的区域，实现了冷板最大均热化。

进一步来说，在本发明实施例中在所述第一基体1的两侧还均设置有外导热端13，所述外导热端13用于所述第一基体1的固定面，且用于与板卡上的热沉实现接触导热。

示例性的是，上述外导热端13为与所述第一基体1一体成型的板件，所述板件上开设有若干安装孔，依靠石墨复合层3，均温冷板可将热源温度快速传递至冷板四周，其中冷板左右两端为冷板下一级装配安装面，同时也是冷板与外界热沉（板卡相关结构）的导热交换位置，如图2中外导热端13基于石墨复合层3的高导热性，使得外导热端13与热源之间形成低温差，冷板导热端与板卡（或机箱）相关结构之间形成高温差，从而提高了热源与热沉结构（板卡或机箱相关结构）的导热效率，增强了均温冷板的散热效果。

再者，在本发明实施例中所述石墨复合层3为石墨粉和铝粉颗粒的混合体，其中，所述石墨粉的含量在30%-35%，所述石墨复合层3厚度为3mm，本发明实施例中均温冷板内的石墨复合材料采用石墨和铝粉颗粒的混合体，石墨粉的含量在30%-35%之间，也可根据具体冶金结合要求和散热需求，对此比例进行适当调整，铝基体材质可以是特种计算机普遍采用的2A12、5A06、6061、6063等规格牌号，也可依据实际冷板需要调整为其它铝合金材质。

即本发明实施例中一体化的冷板材质是由铝粉、石墨粉经冶金结合后的新型材料，与传统冷板结构不同，没有后续拼接、焊接等生产工序，可直接经铣加工成所需冷板结构。

所述散热件21为间隔排布在所述第二基体2上的翅片，本发明实施例中的均温冷板结构主要依靠冷板上表面的翅片结构进行热交换，最终达到冷板散热作用，但此种结构的均温冷板不局限于此种散热结构。也可应用在纯导冷、液冷等相关类似板卡的冷板结构中，解决热源的导热、均热和散热作用。

进一步的，在本发明中还提出一种电子设备，该设备包括上述的铝基石墨复合型均温冷板。

综上，本发明中实施例中的均温冷板结构，该冷板结构的明显特征是在金属冷板材料中嵌入了石墨复合材料，经冶金结合后形成一体，经二次加工后形成可实现板卡热源散热功能的冷板产品。此种均温冷板可极大提高金属冷板的散热效率，简化结构设计要求，相比热管冷板、均温板、液冷冷板，在提高散热效率的同时，可简化设计量，易于加工。本发明实施例的均温冷板应用于风冷散热结构中，也可根据机箱、产品的整体散热方式，应用在导冷、液冷散热结构中，本发明实施例均温冷板具备较高环境适应性能力，可应用在车载、舰载、机载、星载等环境的的特种计算机中，解决热源的高效散热问题。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种铝基石墨复合型均温冷板，其特征在于，包括层叠设置的第一基体（1）、第二基体（2）以及夹设在所述第一基体（1）、第二基体（2）之间的石墨复合层（3）；

其中，所述第一基体（1）用于与热源接触，所述石墨复合层（3）用于将所述第一基体（1）上的热量水平传递，并经由所述第二基体（2）向外扩散，在所述第二基体（2）的表面还设有多个散热件（21）；

所述石墨复合层（3）冶金结合在所述第一基体（1）与第二基体（2）之间以形成一个整体。

2.根据权利要求1所述的一种铝基石墨复合型均温冷板，其特征在于：在所述第一基体（1）与所述热源的接触面上还设置有安装结构（11），所述安装结构（11）用于与电子设备内的板卡相连接。

3.根据权利要求2所述的一种铝基石墨复合型均温冷板，其特征在于：所述安装结构（11）为一字槽、矩形槽或圆孔中的一种或多种组合。

4.根据权利要求1所述的一种铝基石墨复合型均温冷板，其特征在于：还包括导热结构（12），所述导热结构（12）连接在所述第一基体（1）与所述热源的接触面上，并用于与核心发热件相接触。

5.根据权利要求4所述的一种铝基石墨复合型均温冷板，其特征在于：所述导热结构（12）为铜块，所述铜块与所述第一基体（1）固定连接，所述铜块的导热横截面积不低于热源发热面的1.2倍。

6.根据权利要求1所述的一种铝基石墨复合型均温冷板，其特征在于：在所述第一基体（1）的两侧还均设置有外导热端（13），所述外导热端（13）位于所述第一基体（1）的固定面，且用于与板卡上的热沉实现接触导热。

7.根据权利要求6所述的一种铝基石墨复合型均温冷板，其特征在于：所述外导热端（13）为与所述第一基体（1）一体成型的板件，所述外导热端（13）上开设有若干安装孔。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的一种铝基石墨复合型均温冷板，其特征在于：所述石墨复合层（3）为石墨粉和铝粉颗粒的混合体，其中，所述石墨粉的含量在30%-35%，所述石墨复合层（3）厚度为3mm。

9.根据权利要求1所述的一种铝基石墨复合型均温冷板，其特征在于：所述散热件（21）为间隔排布在所述第二基体（2）上的翅片。

10.一种电子设备，其特征在于，包括如权利要求1-9中任一项所述的铝基石墨复合型均温冷板。