CN207284015U - 一种散热结构及散热装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种散热结构及一种散热装置。所述散热结构包括：金属层和设置在所述金属层的一侧的超导热薄层，其中，所述超导热薄层的导热系数高于所述金属层的导热系数。本实用新型的散热结构包括：金属层和设置在所述金属层的一侧的超导热薄层，且所述超导热薄层的导热系数高于所述金属层的导热系数，从而，能够大大提高表面散热性能，最终提高整个散热结构的散热性能。

Description

一种散热结构及散热装置

技术领域

本实用新型涉及热交换技术领域，特别是涉及一种散热结构及散热装置。

背景技术

如今的电子产品，其发展趋势已经是高性能、轻量化、小型化。电子芯片的线宽已经是在纳米这个度量单位了。芯片的封装密度和功率也越来越大，性能和运算速度也已经得到更大幅度的提升。由于功率的增加，其发热量也显著提高，而由于其尺寸的缩小，因此芯片表面的热流密度也大幅度地增大了。有研究报道，芯片级的热流密度有的高达1OOW/cm²。在更加微小的电子系统内的热流密度甚至高达1OOOW/cm²。而据统计，大约55％的电子元器件的损坏或缺陷是源自于温度过高。

当电子元器件进入工作状态时，其加载的部分功率必然被其内含的电阻损耗并转化为热能，造成器件本身温升。如果热量无法及时通过传导或对流、辐射散出的话，必然导致器件内部温度逐渐上升，进而影响其电性能，造成其工作稳定性和可靠性的大幅下降。

因此，电子芯片尤其是大功率电子芯片的散热问题，相对大地制约了电子芯片和由其组成的元器件的微型化发展。

所以，希望有一种技术方案来进一步提高散热性能。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种散热结构来来进一步提高散热性能，尤其是提高具有电子芯片的电子器件的散热性能。

为实现上述目的，本实用新型提供一种散热结构，所述散热结构包括：金属层和设置在所述金属层的一侧的超导热薄层，其中，所述超导热薄层的导热系数高于所述金属层的导热系数。

优选地，所述超导热薄层通过烧结、胶接、反应气相沉积、真空镀膜或超声波焊接方式复合至所述金属层。

优选地，所述散热结构进一步包括热辐射层，所述热辐射层设置在所述金属层的另一侧。

优选地，所述超导热薄层为碳基材料、碳纳米管、石墨烯、天然石墨或类金刚石薄膜。

优选地，所述超导热薄层的厚度小于等于10微米。

本实用新型还提供一种散热装置，所述散热装置包括热接触板和多个如上所述的散热结构，所述散热结构包括相互连接且相互成角度设置的主体部分和叠置部分，其中，相邻散热结构的主体部分之间设置对流间隙，多个散热结构的叠置部分相互叠置固定在一起并固定连接至所述热接触板。

优选地，所述散热装置进一步包括热源，所述热接触板包括金属层和设置在所述金属层的一侧的超导热薄层，所述热源与所述热接触板的超导热薄层直接接触，所述多个散热结构的叠置部分胶接或焊接至所述热接触板的金属层的另一侧，且在所述热接触板的金属层的所述另一侧的连接区域之外设置有热辐射层。

优选地，相邻散热结构的主体部分之间相互平行，且相邻散热结构的叠置部分之间相互平行，且所述主体部分和所述叠置部分相互垂直。

优选地，在散热结构的主体部分处设置有凹凸条纹。

优选地，在散热结构的主体部分的中部处设置有空气流通裂槽，所述空气流通裂槽将所述对流间隙相互连通。

本实用新型的散热结构包括：金属层和设置在所述金属层的一侧的超导热薄层，且所述超导热薄层的导热系数高于所述金属层的导热系数，从而，能够大大提高表面散热性能，最终提高整个散热结构的散热性能。

附图说明

图1-3是根据本实用新型的散热结构的示意图。

图4-14是根据本实用新型的各种散热装置的示意图。

附图标记：

具体实施方式

在附图中，使用相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面结合附图对本实用新型的实施例进行详细说明。

在本实用新型的描述中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型保护范围的限制。

由于芯片等电子器件的尺寸微小，散热的热流密度相对高，因此，要维持芯片在一个合适的温度，需要将辐射、传导、对流散热的方法进行综合运用，并考虑运行的安全性、可靠性，以及制作工艺和制造成本的合理性。

本实用新型的发明人在分析了微型热管散热，微流道液冷散热，强制气体对流散热，自然对流散热等多种散热方式后，发现：结合微型电子器件的结构特点，尽可能地以自然对流为主地设计芯片的散热器件，并且对整个电子系统的器件码放结构进行以流体力学为基础的气体流道优化，可以保证芯片的热量散得出，还可以保证热量从整个器件的集合系统中排得掉。

本实用新型的重点，是提出一种针对微小电子系统中微型芯片的对流散热和辐射散热而设计的微型散热装置。

在选择了自然对流换热的情况下，增大翅片的面积和通过结构优化而使气体顺畅地流过翅片并带走热量，是设计对流散热器件的关键。

在传统的选材条件下，当热流密度高于0.078W/cm²时，自然对流散热很难达到散热要求，从而采用强制对流的散热方式。但出于对通风设备的尺寸、噪音和可靠性等方面的考虑，强制对流散热方式的散热能力一般不会超过1.0W/cm²。在使用强制对流方式进行散热设计时，一般都在不增加风扇体积和流量的情况下，考虑从改变散热器结构和形状，优化气体通道型式等方面入手，增强系统的散热性能。这其中，材料的导热系数和辐射能力是一定的，也就是说，在选择了一定导热系数的材料之后，为了提高对流散热器件的换热能力，只有增大换热面积和优化流道的方式这两方面的途径了。因此，为了获取更大的换热能力，还应该不懈地想方设法增大材料和材料表面的导热系数。

科技的进步，使得我们有机会通过选取高导热系数的材料与传统材料进行复合，得到更高导热系数(x000w/K.M)的复合材料并使得进一步地优化换热流道成为可能。

基于这个设想和设计理念，本专利的申请人发现，对流换热中的一个关键因素是换热面积，即换热器件中参与热交换的材料的表面积。因此，本申请在考量了换热片的机械强度后，将现有技术金属换热板的厚度尽可能地缩小，以便在单位体积内获得足够的空间，同时并减少换热片彼此之间的间隙尺寸，以此来获得在单位体积内更大的换热表面积。当然，换热片的彼此间隙尺寸必须经过流体力学的优化设计来确定。同时，我们在换热片上设置具有很高的导热系数的膜层(后面的文字中，我们称这膜层为超导热薄层)，大幅度地提高换热片表面的导热系数。在一般情况下，我们可以获得表面层导热系数高于基材(铜材)导热系数一倍的复合材料导热片。

如图1-3所示，作为散热结构的散热板1包括：金属层12和设置在金属层12的一侧的超导热薄层11。超导热薄层11的导热系数高于金属层12的导热系数，超导热薄层11的厚度小于等于0.1毫米。可以理解的是，散热结构不限于图1-3所示的散热板形状。例如，散热结构的基体可以为弯折板或弯曲板，超导热薄层11敷设在所述弯折板或弯曲板上。

导热系数是指在稳定传热条件下，1m厚的材料，两侧表面的温差为1度(K，℃),在1秒内，通过1平方米面积传递的热量，通常用λ表示，单位为瓦/米·度，w/m·k(W/m·K,此处的K可用℃代替)。

为了提高整体的散热性能，金属层12可以采用导热系数较高的金属材料。例如采用铜来制造金属层12。铜的导热系数常温下400W/m·K左右。

所述超导热薄层11可以采用任何适当的材料，例如可以采用碳基材料、碳纳米管、石墨烯、天然石墨或类金刚石薄膜中的一种或多种。

金刚石薄膜的导热系数(热导率)可以达到2000W/m·K。石墨烯的热导率实验值约为5000W/m·K。理论上，室温下单根单壁碳纳米管沿着轴向的热导率高达6000W/m·K。目前，可以实际实现的碳纳米管的热导率可以达到2000W/m·K。例如，碳纳米管的直径减少时，其导热系数增加，在碳纳米管的直径为9.8nm时，导热系数可以超过2000W/m·K。

在超导热薄层的材料在导热上具有方向性的情况下，例如，在采用碳纳米管作为超导热薄层的材料的情况下，使得超导热薄层在垂直于膜层的导热方向(也就是z轴)上的导热系数相对很低，例如，导热系数的数值只有两位数的范围，而膜层在平面方向(x,y轴向)上的导热系数较高，例如可达四位数W/m.k。这样，热量可以在换热结构或散热板的表面迅速传递。

进一步地，超导热薄层的厚度设置在10微米级以下，也使得超导热薄层与金属层之间的接触传热的速度得到极大提高。

超导热薄层11可以采用任何适当的方式复合至金属层12。优选地，所述超导热薄层11通过烧结、胶接、反应气相沉积、真空镀膜或超声波焊接方式复合至所述金属层12。

如图3所示，优选地，所述散热结构或散热板1进一步包括热辐射层13。所述热辐射层13设置在所述金属层12的另一侧。也就是说，热辐射层13设置在与超导热薄层11相背的一侧。热辐射层13与超导热薄层11将金属层12夹在中间。这样可以强化金属片的辐射换热，将金属片中含有的热量通过辐射与其外部的气体，比如空气，进行辐射换热。

所述热辐射层13可以采用任何适当的材料，例如采用碳纤维、纳米碳材料、稀土纳米材料，或者纳米级氧化铝、氧化锆、氧化钛。

如图1-2所示，本实用新型的散热结构或表面复合材料，具有了将热量在平面或二维平面空间内任意方向上迅速传递的功能，使得热量可以沿着平面方向进行快速输送，以此获得了更加均匀的温区和更快的热传导。

在图1中，中部的A区为高温区(例如与热源接触)，外周的B区的低温区。在图2中，左侧的A区为高温区(例如与热源接触)，右侧的B区的低温区。

使用这种一侧表面复合了具有超导热薄层和另一侧表面复合了红外热辐射层的金属片，可设计各种型式的微型对流换热器。具体请参见图4-14。

图4-14示出了多种散热装置。所述散热装置包括热接触板2和多个如上所述的散热结构(具体形式为散热板1)。所述散热结构包括相互连接且相互成角度设置的主体部分14和叠置部分15。相邻散热结构的主体部分14之间设置对流间隙4，多个散热结构的叠置部分15相互叠置固定在一起并固定连接至所述热接触板2。通常，对流间隙4的厚度较小，以尽可能地减小散热装置的体积。例如，对流间隙4可以设置为2mm、1mm或1mm以下。

热接触板2以导热材料制成，并用于与热源3连接。在一个可选实施例中，热接触板2直接是芯片的基板。

热接触板2可以包括金属层和设置在所述金属层的一侧的超导热薄层。热源3与所述热接触板2的超导热薄层直接接触。多个散热结构的叠置部分15胶接或焊接至所述热接触板2的金属层的另一侧，且在所述热接触板2的金属层的所述另一侧的连接区域之外设置有热辐射层。有利的是，多个散热结构的叠置部分15相互胶接或焊接在一起，然后再胶接或焊接热接触板2的金属层的另一侧。

热源与热接触板2的超导热薄层直接接触；或者与散热板1的超导热薄层直接接触。具体接触或连接方式可以为胶接、压固接触、超声波焊接等。

如图所示，相邻散热结构的主体部分14之间相互平行，且相邻散热结构的叠置部分15之间相互平行，且所述主体部分14和所述叠置部分15相互垂直。

有利的是，如图10-12与图14所示，在散热结构的主体部分处设置有凹凸条纹142。凹凸条纹142一方面有利于提高散热结构的强度，另一方面有利于促进空气或其他散热介质的流动。

优选地，如图6-7与图13所示，在散热结构的主体部分14的中部处设置有空气流通裂槽141，所述空气流通裂槽141将所述对流间隙4相互连通。这有利于促进空气的流通与散热。空气流通裂槽141在厚度方向上贯穿散热板1，其长度和宽度可以根据需要设置。

本实用新型的散热结构包括：金属层12和设置在所述金属层12的一侧的超导热薄层11，且所述超导热薄层11的导热系数高于所述金属层12的导热系数，从而，能够大大提高表面散热性能，最终提高整个散热结构的散热性能。

最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制。本领域的普通技术人员应当理解：可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种散热结构，其特征在于，包括：金属层(12)和设置在所述金属层(12)的一侧的超导热薄层(11)，其中，所述超导热薄层(11)的导热系数高于所述金属层(12)的导热系数，所述超导热薄层(11)的厚度小于等于0.1毫米。

2.如权利要求1所述的散热结构，其特征在于，所述超导热薄层(11)通过烧结、胶接、反应气相沉积、真空镀膜或超声波焊接方式复合至所述金属层(12)。

3.如权利要求1所述的散热结构，其特征在于，进一步包括热辐射层(13)，所述热辐射层(13)设置在所述金属层(12)的另一侧。

4.如权利要求1所述的散热结构，其特征在于，所述超导热薄层(11)为碳基材料、碳纳米管、石墨烯、天然石墨或类金刚石薄膜。

5.如权利要求1所述的散热结构，其特征在于，所述超导热薄层(11)的厚度小于等于10微米。

6.一种散热装置，其特征在于，包括热接触板(2)和多个如权利要求1-5中任一项所述的散热结构，所述散热结构包括相互连接且相互成角度设置的主体部分(14)和叠置部分(15)，其中，相邻散热结构的主体部分(14)之间设置对流间隙(4)，多个散热结构的叠置部分(15)相互叠置固定在一起并固定连接至所述热接触板(2)。

7.如权利要求6所述的散热装置，其特征在于，进一步包括热源(3)，所述热接触板(2)包括金属层和设置在所述金属层的一侧的超导热薄层，所述热源(3)与所述热接触板(2)的超导热薄层直接接触，所述多个散热结构的叠置部分(15)胶接或焊接至所述热接触板(2)的金属层的另一侧，且在所述热接触板(2)的金属层的所述另一侧的连接区域之外设置有热辐射层。

8.如权利要求6所述的散热装置，其特征在于，相邻散热结构的主体部分(14)之间相互平行，且相邻散热结构的叠置部分(15)之间相互平行，且所述主体部分(14)和所述叠置部分(15)相互垂直。

9.如权利要求6所述的散热装置，其特征在于，在散热结构的主体部分处设置有凹凸条纹(142)。

10.如权利要求6所述的散热装置，其特征在于，在散热结构的主体部分(14)的中部处设置有空气流通裂槽(141)，所述空气流通裂槽(141)将所述对流间隙(4)相互连通。