CN212810290U - 一种高热耗模块导热结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高热耗模块导热结构，所述模块的两侧分别设置有与系统接触的导冷面，所述模块一侧的导冷面沿长度方向嵌入式设置有接触导热管；所述模块的顶部导热面设置有散热齿区，且顶部散热齿区内嵌入式设置有若干个导热铜管，且导热铜管的一端与接触导热管连接，所述导热铜管对应模块内部热源器件设置。本实用新型在热源集中部位的外表面增加散热齿，增大了传热面积；通过增加导热铜管，来提高总传热系数K；通过安装接触导热管与模块导冷面紧挨安装，实现自身的快速冷凝，提高自身导热能力，又能较快导出导热铜管传过来的热量，增大总导热系数K的同时，也增大核心热源与导热体之间的温度差△t，实现双重快速导热，具有较好的实用性。

Description

一种高热耗模块导热结构

技术领域

本实用新型属于集成电路模块散热结构的技术领域，具体涉及一种高热耗模块导热结构。

背景技术

随着电子技术的迅速发展，电子技术在我国军用和民用模块中都得到了广泛应用。且电子模块逐步在向小型化、微型化和集成化发展，元器件的组装密度随之也变得越来越高，组件和设备的热流密度也迅速增加。这就一方面要求芯片自身要有较好的导热系数，能承受较高的结温温度，另一方面也要求模块结构能实现良好的导热和辅助散热。

目前，为了满足模块结构具有较好的可加工性、重量轻型化、防腐性、一定的散热特性等指标，市场上大部分的模块都采用5系或6系铝合金材料，在热流密度较高的情况下，部分产品使用纯铜材料，并辅助采用散热齿，强制风冷等措施，来实现模块的导热、散热。但针对模块集成度高，热流密度大且空间、重量和环境条件限制严格的产品，模块无法使用强制风冷，受重量限制，也无法采用纯铜材料或者含有大量散热齿的结构，这就容易导致产品在高温条件，甚至常温环境下，因为器件温度过高而无法正常工作。这就亟需有一种结构方案，在满足空间、重量和环境限制的条件下，实现产品的快速导热。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种高热耗模块导热结构，旨在实现对模块进行快速散热。

本实用新型主要通过以下技术方案实现：一种高热耗模块导热结构，所述模块的两侧分别设置有与系统接触的导冷面，所述模块一侧的导冷面沿长度方向嵌入式设置有接触导热管；所述模块的顶部导热面设置有散热齿区，且顶部散热齿区内嵌入式设置有若干个导热铜管，且导热铜管的一端与接触导热管连接，所述导热铜管对应模块内部热源器件设置。

本模块在空间允许的前提下，主要通过在热源集中部位的外表面增加散热齿，以增大传热面积。在空间和重量允许的情况下，散热齿可以满布于整个模块顶面，则散热效果更佳，在模块设计空间的限制下优先增大热源器件集中局域的散热面积。

模块顶部增加导热铜管来提高总传热系数K，热管是具有毛细液芯的真空容器，可受外部热源作用实现自行蒸发和冷凝的一种高效率真空传热器件，其导热效率根据做工不同，略有不同，但总体都是纯铜导热效率的50-100倍左右，而铜的导热系数约为386-400W/(m·K)。

模块的左侧和右侧各有1个与系统接触的安装面，系统无法直接对模块进行强制散热，但可以对模块与系统的安装部件进行散热处理，所以，对模块而言，这两个安装面即为导冷面。根据公式

和R＝L/(λA)，热管的安装位置，一方面要尽量缩短与热源之间的距离L，减小热阻；另一方面要尽量与系统导冷面接触，这样既能增大温度差Δt，又能提高总散热系数K，起到协同散热的作用。

为了缩短热管与主要热源器件的传热路径L，将热管长度和宽度尽量覆盖主要热源器件的散热面，若空间允许，导热铜管长度可以延伸至右侧冷板接触面，一方面加速发热器件的热耗，另一方面，携带部分主要热源发出的热量。

为了更好地实现本实用新型，进一步地，所述模块内部热源器件与导热铜管之间的高度差小于等于4mm。

导热铜管分别安置于器件的垂直正上方，各器件到热管的路径因器件高度差异各不同，但整体均不大于4mm。为了增大温度差Δt，本方案安装了接触导热管，该热管与模块导冷面紧挨安装，实现自身的快速冷凝，提高自身导热能力，又能较快导出导热铜管传过来的热量，增大总导热系数K的同时，也增大核心热源与导热体之间的温度差Δt，实现双重快速导热。

为了更好地实现本实用新型，进一步地，所述散热齿区内嵌入式设置有第一导热铜管和第二导热铜管，所述第一导热铜管的尺寸为长*宽*厚＝110*12mm*3.5mm，所述第二导热铜管的尺寸为长*宽*厚＝215*8mm*3.5mm。

为了更好地实现本实用新型，进一步地，所述模块一侧的导冷面沿长度方向设置有嵌入安装槽，所述接触导热管设置在安装槽内。

为了更好地实现本实用新型，进一步地，所述模块另一侧的导冷面对称设置有辅助接触散热铜管，所述导热铜管的另一端与辅助接触散热铜管连接。

为了更好地实现本实用新型，进一步地，所述模块的内部设置有凸台，所述凸台通过导热垫与热源器件连接。

为了更好地实现本实用新型，进一步地，所述导热垫的导热系数为11W/m.K，且导热垫厚度为1mm。

模块的内部根据各发热器件的不同高度设置有若干个凸台，凸台的表面粗糙度不大于1.6，平面度不大于0.05，且凸台和器件传热表面，选用导热系数更高的导热垫，常规导热垫导热系数为5～6W/(m.K)，本次选用导热垫系数为11W/(m.K)。导热垫厚度以1mm最佳，太厚导热垫自身导热系数低，增长其导热路径L，会减小传导热量的能力，太薄压缩率不够，容易夹杂空气。

为了更好地实现本实用新型，进一步地，所述模块内部的印制板上设置有若干个镀铜散热区，且镀铜散热区与壳体紧密接触。

在电性能和印制板空间允许的部位，局部进行表面镀铜，并通过导热垫和壳体加工凸台的方法，使这些镀铜的部位能与壳体紧密接触，该处理措施旨在增加内部热源与外部环境进行热量交换的面积，提高传导热量的能力。

为了更好地实现本实用新型，进一步地，相邻热源器件之间的距离大于等于25.3mm。

理论上，应该将所有的发热器件，尽量均匀的分布于整个模块内，这样会避免在金属传热能力特定的情况下，单位面积内的热量集中，器件发出的热不能及时导出而导致温度过高，也可以避免发热器件的热量相互辐射，导致彼此温度进一步升高。但是，受电性能布局的要求、以及内部其他模块空间的占用，发热器件无法完全均匀分布，这就要求，在设计前期，设计者要具备增大热源器件布局空间的意识，在条件允许的情况下，尽可能的让各热源器件，尤其是热耗较高的器件之间相互远离，以降低单位空间的热流密度，避免热量堆积，温度骤升。改进后整个热源的布局空间被加大，主要热源器件间的相对距离也增大，既降低了单位空间的热流密度，也避免了器件之间的相互热辐射。

本实用新型，在模块结构设计时，合理选用高导热系数导热垫、铜管等导热材料，同时在限定的空间内，在不影响电器件合理布局的前提下，尽可能的增大散热面积、减小传热热阻、分散热源分布；并在设计前期，充分结合三维设计软件UG NX，热仿真软件ANSYS等计算机辅助软件，经过多次热仿真及设计优化，最终实现模块在体积、重量满足指标，热耗为30W，外部无强制风冷的环境下，通过自然散热方式，快速散热并且在75℃高温下正常工作。

根据传热的基本计算公式：

其中

—热流量，W；K—总传热系数，W/(m²·K)；A—传热面积，m²；Δt—热流体与冷流体之间的温差，℃。从公式可得，传递热量的多少，与上述三种因素成正比，因此，为了加快热量的传递，可采取提高总传递系数，增大传热面积和增大流体之间温差的方法。而总传热系数，一方面取决于传热材料自身的导热系数，另一方面取决于传热路径上的热阻。

由介质导热热阻的计算公式如下：R＝L/(λA) (公式2)

其中R—导热热阻，℃/W；L—导热通路长度，m；λ—材料导热系数，W/(m²·K)；A—导热面面积，m²。

由公式(1)、(2)可得，缩短导热通路长度，选择高导热系数材料，增大导热面面积，也可以降低热阻，进而提高传热性能，即提高传热系数K，最终提升传导的总热量

本实用新型的有益效果：

(1)本实用新型在热源集中部位的外表面增加散热齿，增大了传热面积；通过增加导热铜管，来提高总传热系数K，从而加速模块的散热，具有较好的实用性。

(2)本实用新型通过安装接触导热管与模块导冷面紧挨安装，实现自身的快速冷凝，提高自身导热能力，又能较快导出导热铜管传过来的热量，增大总导热系数K的同时，也增大核心热源与导热体之间的温度差Δt，实现双重快速导热，具有较好的实用性。

(3)本实用新型通过增大热源器件间的相对距离，既降低了单位空间的热流密度，也避免了器件之间的相互热辐射，具有较好的实用性。

(4)本实用新型通过印制板的镀铜散热区与壳体紧密接触，增加内部热源与外部环境进行热量交换的面积，从而提高传导热量的能力，具有较好的实用性。

附图说明

图1为现有模块的结构示意图；

图2为本实用新型的结构示意图；

图3为本实用新型的透视结构示意图；

图4为凸台与热源器件的连接结构示意图；

图5现有热源器件布局结构示意图；

图6为改进后热源器件布局结构示意图；

图7为现有模块模型网格划分图；

图8为本实用新型模型网格划分图；

图9为现有模块热仿真云图；

图10为现有模块器件热仿真云图；

图11为本实用新型热仿真云图；

图12为本实用新型器件热仿真云图。

其中：1-散热齿区、2-接触导热管、3-导热铜管、4-热源器件、5-凸台、6-导热垫、7-镀铜散热区。

具体实施方式

实施例1：

一种高热耗模块导热结构，如图2所示，所述模块的两侧分别设置有与系统接触的导冷面，所述模块一侧的导冷面沿长度方向嵌入式设置有接触导热管2；所述模块的顶部导热面设置有散热齿区1，且顶部散热齿区1内嵌入式设置有若干个导热铜管3，且导热铜管3的一端与接触导热管2连接，所述导热铜管3对应模块内部热源器件4设置。

对比图1和图2得到：本实用新型在热源集中部位的外表面增加散热齿，增大了传热面积；通过增加导热铜管3，来提高总传热系数K；通过安装接触导热管2与模块导冷面紧挨安装，实现自身的快速冷凝，提高自身导热能力，又能较快导出导热铜管3传过来的热量，增大总导热系数K的同时，也增大核心热源与导热体之间的温度差Δt，实现双重快速导热，具有较好的实用性。

实施例2：

本实施例是在实施例1的基础上进行优化，所述模块内部热源器件4与导热铜管3之间的高度差小于等于4mm。

进一步地，如图4所示，所述模块的内部设置有凸台5，所述凸台5通过导热垫6与热源器件4连接。

进一步地，所述导热垫6的导热系数为11W/m.K，且导热垫6厚度为1mm。

模块的内部根据各发热器件的不同高度设置有若干个凸台5，凸台5的表面粗糙度不大于1.6，平面度不大于0.05，且凸台5和器件传热表面，选用导热系数更高的导热垫6，常规导热垫6导热系数为5～6W/(m.K)，本次选用导热垫6系数为11W/(m.K)。导热垫6厚度以1mm最佳，太厚导热垫6自身导热系数低，增长其导热路径L，会减小传导热量的能力，太薄压缩率不够，容易夹杂空气。

本实施例的其他部分与实施例1相同，故不再赘述。

实施例3：

本实施例是在实施例1或2的基础上进行优化，如图6所示，所述模块内部的印制板上设置有若干个镀铜散热区7，且镀铜散热区7与壳体紧密接触。所示镀铜散热区7通过导热垫6和壳体加工凸台5的方法，与壳体紧密接触，旨在增加内部热源与外部环境进行热量交换的面积，提高传导热量的能力，具有较好的实用性。

本实施例的其他部分与上述实施例1或2相同，故不再赘述。

实施例4：

一种高热耗模块导热结构，如图2所示，模块的左侧和右侧各有1个与系统接触的安装面，分别为安装面L和安装面R。系统无法直接对模块进行强制散热，但可以对模块与系统的安装部件进行散热处理，所以，对模块而言，这两个安装面即为导冷面。

根据公式

和R＝L/(λA)，热管的安装位置，一方面要尽量缩短与热源之间的距离L，减小热阻；另一方面要尽量与系统导冷面接触，这样既能增大温度差Δt，又能提高总散热系数K，起到协同散热的作用。

如图2、图3所示，为了缩短热管与主要热源器件4A、B和E的传热路径L，将第一导热铜管和第二导热铜管分别安置于器件的垂直正上方，各器件到热管的路径因器件高度差异各不同，但整体均不大于4mm。在热源器件4C、D正上方增加一组热管散热最佳，本模块受空间限制，容纳不了热管，且器件C和D热耗相对较小，故未在这两个器件的垂直上方安装热管。

为了增大温度差Δt，本方案安装了接触导热管2，该热管与模块冷板L面紧挨安装，实现自身的快速冷凝，提高自身导热能力，又能较快导出热管1和热管2传过来的热量，增大总导热系数K的同时，也增大核心热源与导热体之间的温度差Δt，实现双重快速导热。

如图3所示，所述第一导热铜管的尺寸为长*宽*厚＝110*12mm*3.5mm，长度和宽度尽量覆盖两个主要热源器件4A和B的散热面，受空间和重量限制，长度未延伸至右侧冷板接触面R；所述第二导热铜管的尺寸为长*宽*厚＝215*8mm*3.5mm，宽度尽量覆盖4组热源器件4E，且该处空间允许，热管长度延伸至右侧冷板接触面R，一方面加速发热器件E的热耗，另一方面，携带部分主要热源A、B发出的热量。

实施例5：

本实施例是在实施例4的基础上进行优化，如图4所示，模块内部根据各发热器件的不同高度腔体加工凸台5，凸台5的表面粗糙度不大于1.6，平面度不大于0.05，且凸台5和器件传热表面，选用导热系数更高的导热垫6，常规导热垫6导热系数为5～6W/(m.K)，本实施例选用导热垫6系数为11W/(m.K)。导热垫6厚度以1mm最佳，太厚导热垫6自身导热系数低，增长其导热路径L，会减小传导热量的能力，太薄压缩率不够，容易夹杂空气。

本实施例的其他部分与实施例4相同，故不再赘述。

实施例6：

本实施例是在实施例4或5的基础上进行优化，如图5、图6所示，理论上，应该将所有的发热器件，尽量均匀的分布于整个模块内，这样会避免在金属传热能力特定的情况下，单位面积内的热量集中，器件发出的热不能及时导出而导致温度过高，也可以避免发热器件的热量相互辐射，导致彼此温度进一步升高。

但是，受电性能布局的要求、以及内部其他模块空间的占用，发热器件无法完全均匀分布，这就要求，在设计前期，设计者要具备增大热源器件4布局空间的意识，在条件允许的情况下，尽可能的让各热源器件4，尤其是热耗较高的器件之间相互远离，以降低单位空间的热流密度，避免热量堆积，温度骤升。例如该模块在最早设计时，未充分意识到分散热源的重要性，设计时，整个热源布局空间较小，主要热源A和B的距离过近。为此，对结构进行了改进，改进后整个热源的布局空间被加大，主要热源器件4间的相对距离也增大，既降低了单位空间的热流密度，也避免了器件之间的相互热辐射。

本实施例的其他部分与实施例4或5相同，故不再赘述。

实施例7：

本实施例是在实施例4-6任一个的基础上进行优化，如图6所示，在电性能和印制板空间允许的部位，局部进行表面镀铜，并通过导热垫6和壳体加工凸台5的方法，使这些镀铜的部位能与壳体紧密接触，该处理措施旨在增加内部热源与外部环境进行热量交换的面积，提高传导热量的能力。

本实施例的其他部分与实施例4-6任一个的相同，故不再赘述。

实施例8：

一种高热耗模块导热结构，如图7-图12所示，为了验证该实用新型的效果，在研发前提，结合使用UG NX三维软件和ANSYS仿真软件，分别对改进前后的模块建立了三维模型，并用ANSYS仿真软件，对主要热源器件4进行了热仿真，验证改进方案的效果。

首先，如图7、图8所示，分别建立改进前后模块的三维模型，然后各自去除尖角、毛刺，简化模型，使热仿真模型更加可靠，然后将简化后的模型分别导入ANSYS仿真软件，并对有限元模型进行精细网格划分。

然后，如图9、图10所示，根据模块的材料组成、各种材料和器件的导热系数和热阻大小、模块发热器件的热耗大小以及系统给定的模块的热仿真边界条件等，在仿真时根据仿真输入需求，分别输入各个参数的对应值，改进前，设置导热垫6导热系数设为5.5W/(m.K)，铝的导热系数设置为185W/(m.K)，环境温度为70摄氏度，各热源器件4的具体布局位置同图5所示，得到模块整体和各发热器件的热仿真云图。

如图11、图12所示，改进后的具体结构外形图及透视图分别见图2和图3，铜管尺寸及位置如前述所示，散热齿深度为3.5mm，散热齿布局区域同前述所示。设置导热垫6导热系数设为11W/(m.K)，铝的导热系数设置为185W/(m.K)，设置三个热管的导热系数为24000W/(m.K)，环境温度为70摄氏度，各热源器件4的具体布局位置同图7所示，得到模块整体和各发热器件的热仿真云图。

由仿真结果可知，结构改进前后，热耗最高的器件，也是温升最高的器件，但是改进后，该器件的最高温度，由115.38℃降低为98.88℃，同比降低16.5℃。下面以表格的形式，分别对热耗相比较高的5个器件的热耗、两种情况下热仿真温度，正常工作允许温度等参数做一比较，结果如表1所示。对比可得，结构改进前，所有器件温升均大于110℃，且由于器件相互间布局比较集中，导致较低热耗的器件的温升也很高，且均超出各自所允许的正常工作温度。而改进后的结构，器件的热量较快的导给系统冷端，各器件布局相对分散，仿真的稳态温度均不超过100℃，满足各器件正常工作。

表1结构改进前后发热器件热仿真结果

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型做任何形式上的限制，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种高热耗模块导热结构，其特征在于，所述模块的两侧分别设置有与系统接触的导冷面，所述模块一侧的导冷面沿长度方向嵌入式设置有接触导热管（2）；所述模块的顶部导热面设置有散热齿区（1），且顶部散热齿区（1）内嵌入式设置有若干个导热铜管（3），且导热铜管（3）的一端与接触导热管（2）连接，所述导热铜管（3）对应模块内部热源器件（4）设置。

2.根据权利要求1所述的一种高热耗模块导热结构，其特征在于，所述模块内部热源器件（4）与导热铜管（3）之间的高度差小于等于4mm。

3.根据权利要求2所述的一种高热耗模块导热结构，其特征在于，所述散热齿区（1）内嵌入式设置有第一导热铜管和第二导热铜管，所述第一导热铜管的尺寸为长*宽*厚=110*12mm*3.5mm，所述第二导热铜管的尺寸为长*宽*厚=215*8mm*3.5mm。

4.根据权利要求1所述的一种高热耗模块导热结构，其特征在于，所述模块内部的印制板上设置有若干个镀铜散热区（7），且镀铜散热区（7）与壳体紧密接触。

5.根据权利要求1-4任一项所述的一种高热耗模块导热结构，其特征在于，所述模块另一侧的导冷面对称设置有辅助接触散热铜管，所述导热铜管（3）的另一端与辅助接触散热铜管连接。

6.根据权利要求1所述的一种高热耗模块导热结构，其特征在于，所述模块的内部设置有凸台（5），所述凸台（5）通过导热垫（6）与热源器件（4）连接。

7.根据权利要求6所述的一种高热耗模块导热结构，其特征在于，所述导热垫（6）的导热系数为11W/m.K，且导热垫（6）厚度为1mm。

8.根据权利要求1所述的一种高热耗模块导热结构，其特征在于，相邻热源器件（4）之间的距离大于等于25.3mm。

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