拓扑散热器的制作方法

1.本公开大体上涉及用于电子设备的散热器。


背景技术：

2.响应于消费者对尖端能力的需求，电子设备的制造商正在增加复杂性和功能性，同时减小设备的尺寸。诸如计算机、移动设备和娱乐系统的电子设备通常具有带有产生热量的各种部件的电路板。为了保护设备免受与热相关的损坏或故障，电路板可以安装有散热器或被动热交换器来散热。适当的热管理有助于有效降低这些设备中的热量集中。
3.有效的散热器促进电子部件和冷却空气之间的热传递，通常通过从电路板到散热器的传导以及通过从散热器到冷却空气的对流。散热器包括传热界面，该传热界面在一侧与发热的电子部件热耦合。散热器的另一侧具有固定并远离界面延伸到周围空气中的翅片或其他特征。热管理依赖于从电子部件、通过传热界面、沿着翅片并且到周围空气的有效热传递以实现冷却。
4.电子部件在电路板上的布置可以呈现高度复杂的图景，在电路板的拓扑结构中有很多变化。因此，可能难以在电子部件和散热器之间建立传导热传递，这导致依赖电子部件和散热器之间的对流和/或在电子部件和散热器之间添加传导填充材料。与传导相比，对流是一种不太理想的热传递模式，因为传导会产生更高的热传递速率。填充材料的使用增加了额外的成本和复杂性，这是不可取的。


技术实现要素：

5.在一个方面，本公开总体上涉及一种用于具有多个发热部件的电子设备的散热器，多个发热部件共同限定具有多个峰部和谷部的第一拓扑表面，散热器包括：主干面板，主干面板具有相对的上表面和下表面，其中上表面和下表面中的至少一个限定峰部和谷部的包络轮廓；多个结构，多个结构中的至少一些是导热的，多个结构从下表面向下延伸并终止于末端，末端限定与第一拓扑表面互补的第二拓扑表面；和多个冷却元件，多个冷却元件远离上表面向上延伸并终止于上端。
6.在另一方面，本公开大体上涉及一种散热器，包括：主干面板，主干面板具有相对的上表面和下表面，并且在上表面和下表面之间具有大致恒定的厚度；多个间隔开的导热结构，多个间隔开的导热结构从下表面向下延伸并终止于末端，末端限定具有峰部和谷部的拓扑表面；多个冷却元件，多个冷却元件远离上表面向上延伸并终止于上端；并且其中下表面限定峰部和谷部的包络轮廓，并且上表面限定平滑轮廓。
附图说明
7.在附图中：
8.图1是电子部件和散热器的分解底部立体图，电子部件具有具有齿形(castellated)表面形式的拓扑的表面，散热器具有具有互补齿形表面形式的拓扑的表面，
以及限定电子部件的齿形表面的包络的轮廓上表面。
9.图2是图1的散热器与图1的电子部件组装在一起使得互补的齿形表面彼此面对的侧视图，并且示出了电子部件的包络和齿形表面之间的关系。
10.图3是散热器的顶部立体图。
11.图4是散热器的底部立体图，示出了限定散热器的齿形表面的翅片形式的冷却和导热结构。
12.图5是具有柱形式的导热结构的散热器的局部底部立体图。
13.图6是具有从面板表面向上延伸的恒定高度翅片的轮廓散热器的顶部立体图。
具体实施方式
14.在此描述的本公开的方面涉及散热器。出于说明的目的，将关于电子电路板来描述本公开。例如，本公开可适用于其他电子设备并可用于在工业、商业和住宅应用中提供益处。
15.如本文所用，术语“上游”是指与流体流动方向相反的方向，而术语“下游”是指与流体流动方向相同的方向。术语“前”或“前方”是指在某物前面，“后”或“后方”是指在某物后面。例如，当用于流体流动时，前/前方可表示上游，而后/后方可表示下游。
16.此外，如本文所用，术语“径向”或“径向地”是指远离限定或公共中心的方向。例如，径向是指沿着在物体的中心纵向轴线和外圆周之间延伸的射线的方向。此外，如本文所用，术语“组”或“一组”元件可以是任何数量的元件，包括仅一个。
17.所有方向参考(例如，径向、轴向、近端、远端、上、下、向上、向下、左、右、横向、前、后、顶部、底部、上方、下方、竖直、水平、顺时针、逆时针、上游、下游、前方、后方等)仅用于识别目的，以帮助读者理解本公开，并不构成限制，特别是关于本文所描述的本公开的方面的位置、取向或使用的限制。连接参考(例如，附接、联接、固定、紧固、连接和接合)应被广义地解释并且可以包括元件集合之间的中间构件以及元件之间的相对运动，除非另有说明。因此，连接参考不一定推断两个元件是直接连接的并且彼此具有固定关系。示例性附图仅用于说明的目的，并且所附附图中反映的尺寸、位置、顺序和相对大小可以变化。
18.如本文所用，术语“增材制造”通常是指制造处理，其中连续的材料层被提供在彼此之上以逐层“构建”三维部件。连续的层通常熔合在一起以形成整体式单一部件，其可以具有多个一体子部件。
19.根据本公开的合适的增材制造技术包括例如定向能量沉积(ded)、熔融沉积建模(fdm)、选择性激光烧结(sls)、例如通过喷墨和激光喷射的3d打印，c),直接选择性激光烧结(dsls),电子束烧结(ebs),电子束熔化(ebm),激光工程净成形(lens)激光净成形制造(lnsm),直接金属沉积(dmd),数字光处理(dlp)、直接选择性激光熔化(dslm)、选择性激光熔化(slm)、直接金属激光熔化(dmlm)和其他已知处理。
20.除了使用直接金属激光烧结(dmls)或直接金属激光熔化(dmlm)处理，其中能量源用于选择性地烧结或熔化粉末层的部分，应当理解，根据本公开的替代方面，增材制造处理可以是“粘合剂喷射”处理。在这方面，粘合剂喷射包括以与上述类似的方式连续沉积增材粉末层。然而，粘合剂喷射不是使用能量源来产生能量束以选择性地熔化或熔合增材粉末，而是涉及将液体粘合剂选择性地沉积到每一层粉末上。液体粘合剂可以是例如光固化聚合
物或另一种液体结合剂。其他合适的增材制造方法和变体旨在在本主题的范围内。
21.此外，应当理解，可以使用多种材料和用于结合这些材料的方法，并且这些材料和方法被预期在本公开的范围内。如本文所用，对“熔合”的提及可指用于产生任何上述材料的结合层的任何合适的处理。例如，如果物体是由聚合物制成的，熔合可以指在聚合物材料之间产生热固性结合。如果物体是环氧树脂，则可以通过交联过程形成结合。如果材料是陶瓷，则可以通过烧结处理形成结合。如果材料是粉末金属，则可以通过熔化或烧结处理形成结合。本领域技术人员将理解，通过增材制造来熔合材料以制造部件的其他方法也是可能的，并且当前公开的主题可以用这些方法来实践。
22.此外，本文公开的增材制造处理允许由多种材料形成单个部件。因此，本文所述的部件可由上述材料的任何合适的混合物形成。例如，部件可以包括使用不同材料、处理或在不同增材制造机器上形成的多个层、段或零件。以这种方式，可以构造具有不同材料和材料特性的部件以满足任何特定应用的需求。此外，尽管本文所述的部件完全由增材制造处理构造，但应当理解，在本公开的附加方面，这些部件的全部或一部分可以经由铸造、机加工或任何其他合适的制造处理形成。实际上，可以使用任何合适的材料和制造方法的组合来形成这些部件。
23.现在将描述示例性增材制造处理。增材制造处理使用部件的三维(3d)信息，例如三维计算机模型来制造部件。因此，可以在制造之前定义部件的三维设计模型。对此，可以扫描部件的模型或原型来确定部件的三维信息。作为另一个示例，可以使用合适的计算机辅助设计(cad)程序来构造部件的模型以定义部件的三维设计模型。
24.设计模型可以包括部件的整个构造(包括部件的外表面和内表面)的3d数字坐标。例如，设计模型可以定义主体、表面和/或内部通道，例如通道、空隙、支撑结构等。在一个示例性非限制性示例中，三维设计模型被转换成一组切片或段，例如，沿着部件的中心(例如，竖直)轴线或任何其他合适的轴线。每个切片可以针对切片的预定高度限定部件的薄横截面。一组连续的横截面切片一起形成3d部件。然后将部件逐个切片或逐层“构建”，直到完成。
25.以这种方式，本文所述的部件可以使用增材处理制造，或更具体地，例如通过使用激光能量或热熔合或聚合塑料或者通过烧结或熔化金属粉末，连续形成每一层。例如，特定类型的增材制造处理可以使用能量束，例如电子束或电磁辐射(例如激光束)，来烧结或熔化粉末材料。可以使用任何合适的激光器和激光器参数，包括对功率、激光束光斑尺寸和扫描速度的考虑。构建材料可以由被选择用于特别是在高温下增强强度、耐用性和使用寿命的任何合适的粉末或材料形成。
26.每个连续的层可以在例如约10μm和200μm之间，但是可以基于任意数量的参数来选择厚度并且根据本公开的替代方面，厚度可以是任意合适的尺寸。因此，利用上述增材形成方法，本文所述的部件可以具有与在增材形成处理期间使用的相关粉末层的一个厚度(例如10μm)一样薄的横截面。
27.此外，利用增材处理，部件的表面光洁度和特征可以取决于应用根据需要而变化。例如，可以通过在增材处理期间，特别是在对应于零件表面的横截面层的外围选择合适的激光扫描参数(例如，激光功率、扫描速度、激光焦点尺寸等)来调整表面光洁度(例如，使更光滑或更粗糙)。例如，可以通过增加激光扫描速度或减小形成的熔池的尺寸来获得更粗糙
的光洁度，而通过降低激光扫描速度或增加形成的熔池的尺寸可以获得更光滑的光洁度。也可以改变扫描模式和/或激光功率以改变选定区域的表面光洁度。
28.参考图1，示出了电子设备10与对应散热器100的组件，其中电子设备10可以具有多个发热部件20(例如，集成电路、晶体管、电阻器、电池、熔断器、二极管、继电器、变压器、电感器、开关、晶体振荡器、led和电容器)，其安装在机械支撑和电连接部件20的电路板或其他基板30上。基板30上的部件20的布置可以根据电子设备10的尺寸和功能而广泛变化。部件20的尺寸和形状也可以广泛变化(例如，大圆柱形电容器、小矩形集成电路)。
29.共同地，当固定到基板30时，部件20限定了虚拟或有效上表面，其被描述为具有多个峰部和谷部的第一拓扑表面60，其中第一拓扑表面60的峰部由部件20的最上面限定，并且谷部被限定为部件20之间的空间或具有相对低的轮廓的部件20的最上表面。以一种方式，第一拓扑表面60可以被认为是虚拟的或有效的上表面，就像表面上的包络(envelope)。这种包络可以被认为是覆盖在部件20顶部上的布，并且布的表面形成第一拓扑表面60。
30.散热器100包括具有相对的上表面和下表面(120、130)的主干面板110。主干面板110可以是任何厚度，恒定的或变化的，并且被图示为具有恒定的厚度，其中，恒定的厚度意味着厚度的变化不超过15％。
31.多个结构140从主干面板110的下表面130向下延伸，而多个冷却元件180从上表面120向上延伸。结构140通过根部142联接到主干面板110并终止于下端或末端144。末端144限定了第二拓扑表面160，其可以具有阶梯的、倾斜的或弯曲的特征，包括峰部和谷部。
32.现在参考图2，第二拓扑表面160至少部分地与第一拓扑表面60互补。第二拓扑表面160是具有峰部和谷部的齿形轮廓。“峰部”和“谷部”在图2中显示为具有不同高度的直线区域，较低的高度代表谷部，较高的高度代表峰部。第二拓扑表面160的峰部和谷部与第一拓扑表面60的峰部和谷部至少部分匹配。例如，部件20的尺寸和形状限定了第一拓扑表面60中的峰部，并且该峰部对应于第二拓扑表面160中的尺寸和形状大致相同的谷部。即，第二拓扑表面160的特征对应于第一拓扑表面60的至少部分地由部件20确定的特征。
33.主干面板110的上表面或下表面(120、130)可以限定包络轮廓150，该包络轮廓150具有勾勒出第二拓扑表面160的峰部和谷部的极值的扫掠曲面。包络轮廓150勾勒出第二拓扑表面160的峰部和谷部，因此也勾勒出部件20的第一拓扑表面60和齿形轮廓。峰部和谷部的包络轮廓150限定了平滑的轮廓，或没有覆盖第二拓扑表面160的峰部和谷部的任何台阶的形状。换句话说，包络轮廓150是弯曲的表面，它划分了描述部件20的图景的齿形轮廓的峰部和谷部的上限和下限。
34.现在转向图3，多个冷却元件180远离主干面板110的上表面120向上延伸。冷却元件180在基部182处联接到主干面板110并终止于上端184。冷却元件180可以是线性的并且平行布置，但是也可以考虑其他形状，例如曲线的，以及其他间隔，例如非平行的。冷却元件180可以被构造为翅片，并且可以彼此间隔开。如图3所示，冷却元件180的上端184可以终止于共同的高度。在这种非限制性的情况下，即使冷却元件180的高度由于包络轮廓150的形状而沿它们的长度变化，上端184也限定了平坦的平面。
35.参照图4，从主干面板110向下延伸的结构140可以彼此间隔开。结构140可以布置成线，其可以与冷却元件180的布置线正交。结构140的其他示例性形式包括具有重复规则或随机形状的格子，例如蜂窝构造。结构140的示例性形式在图4中被图示为肋结构140a并
且在图5中被图示为柱结构140b。在任何形式中，结构140的末端144共同描绘第二拓扑表面160。
36.至少一些结构140是导热的。结构140的形状和布置增加了传导热传递并且可以不同于冷却元件180的形状和布置。虽然结构140通过传导加速热传递，但冷却元件180的形状和布置防止气流停滞并促进通过对流冷却。
37.转向图6，示出了另一种示例性形式的散热器100，其中冷却元件180的上端184都在上表面120上方大约相同的高度。即，冷却元件180的高度使得由冷却元件180的上端184限定的表面平行于并且遵循由包络轮廓150限定的弯曲表面的至少一部分。主干面板110、结构140和冷却元件180可以是整体式主体，其中在不从整体式主体移除材料的情况下形成结构140和冷却元件180。
38.冷却元件180之间的空间具有足够的宽度以允许诸如空气、气体、水或其他流体的冷却介质流动以改善对流冷却。主干面板110的上表面120与相邻的冷却元件翅片180所限定的空间形成气流通道，该气流通道具有平滑的弯曲表面，以使冷却空气通过而不会滞留在壁、台阶或表面凹痕处。包络轮廓150通过提供具有逐渐倾斜或下降的表面来促进冷却介质的流动，在该表面上冷却介质可以平滑地移动。包络轮廓150消除了可能使冷却介质的流动停滞、阻碍或妨碍冷却介质的流动的台阶和其他尖锐角度。
39.导热结构140形成与部件20的形状紧密匹配的齿形轮廓。位于部件20和散热器100之间的导热填料可以在形成为肋104a或柱140b的结构140之间膨胀，以减少或消除阻碍通过传导进行热传递的气隙。肋104a或柱140b可以布置成彼此分开的行或线或以其他间隔构造布置。导热填料还可以增加接触表面积以改善热量从部件20传导出去。此外，考虑到包络轮廓150可能会潜在地增加散热器100的质量，结构140的肋可以减轻散热器100的总质量。
40.在第二示例性情况下，散热器可具有主干面板110，其具有相对的上表面和下表面(120、130)并且在上表面和下表面(120、130)之间具有大致恒定的厚度。散热器100还可具有多个间隔开的导热结构140以及多个冷却元件180，导热结构140从下表面130向下延伸并终止于末端144，末端144限定具有峰部和谷部的拓扑表面，冷却元件180远离上表面120向上延伸并终止于上端184。下表面130限定了峰部和谷部的包络轮廓150并且上表面120限定了平滑的轮廓。第二拓扑表面160可以被描述为具有峰部和谷部的齿形轮廓。此外，在该示例性情况下，主干面板110、多个结构140和多个冷却元件180是整体式主体，其中在不从整体式主体中去除材料的情况下形成结构140和冷却元件180。
41.本公开的优点包括与传统散热器设计相比更有效的热传递。例如，用于电气部件封装的传统散热器可包括导致对流空气流动的停滞区的外表面特征。在这些传统散热器中，通过对流的热传递效率低下，因为表面特征会形成空气无法有效循环的区。然而，如本文所述的冷却元件之间的散热器的倾斜的、雕刻的(sculpted)表面被构造为引导和促进平稳的气流并消除或减少停滞区。因此，当与传统散热器相比时，通过本文所述散热器上的空气运动的热传递效率增加。雕刻的轮廓增加了传热能力，直至优化给定拓扑的传热率的点，从而进一步扩展和提高散热器的兼容性。
42.本公开的其他益处包括减少散热器的质量以提高传热效率。例如，传统的散热器可以构造有靠近停滞点的坚固的、相对较重的部分，使得这些区域关于重量效率低下，因为不良的气流不会从这些区域带走热量。如本文所述的部件表面和散热器的主干之间的间隔
结构有效地减少了总质量并确保热传递是有效的。使用翅片、销和其他结构来完全桥接散热器的不同内部和外部轮廓之间的体积提高了本文所述的散热器的重量效率。
43.进一步预期的是，间隔结构允许改进的热导率。在使用传统散热器的电子产品中，热界面材料被压缩在部件表面和散热器之间。当散热器和部件的表面均匀坚固且平坦时，压缩会导致材料从边缘周围溢出，从而导致系统受到污染或其他风险。在此描述的散热器的间隔结构提供了材料在压缩时占据的逃逸通道。在这些通道中，材料可以向上和向外膨胀，接触散热器结构的表面。反过来，部件和材料之间以及材料和散热器之间增加的接触表面积允许通过传导改善热传递并降低与压缩相关的风险。在使用电子系统的环境中，散热器效率的提高和风险的降低可以延长部件的使用寿命。
44.除了以上图中所示的那些构造之外，本公开还设想了许多其他可能的构造。在尚未描述的范围内，各个方面的不同特征和结构可以根据需要与其他特征和结构结合使用。不能在所有方面都说明的一个特征并不意味着将其解释为不能有，而是为了描述的简洁而这样做。因此，不同方面的各种特征可以根据需要混合和匹配以形成新方面，无论新方面是否被明确描述。在此描述的特征的组合或排列由本公开涵盖。
45.该书面描述使用示例来公开本发明的方面，包括最佳模式，并且还使本领域技术人员能够实践本发明的方面，包括制造和使用任何设备或系统以及执行任何合并的方法。本发明的可专利范围由权利要求限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这些其他示例具有与权利要求的字面语言没有区别的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言没有实质性差异的等效结构元件，则这些其他示例意图落入权利要求的范围内。
46.本公开的进一步方面由以下条项的主题提供：
47.一种用于电子设备的散热器，所述电子设备具有多个发热部件，所述多个发热部件共同限定具有多个峰部和谷部的第一拓扑表面，所述散热器包括：主干面板，所述主干面板具有相对的上表面和下表面，其中所述上表面和所述下表面中的至少一个限定所述峰部和所述谷部的包络轮廓；多个结构，所述多个结构中的至少一些是导热的，所述多个结构从所述下表面向下延伸并终止于末端，所述末端限定与所述第一拓扑表面互补的第二拓扑表面；和多个冷却元件，所述多个冷却元件远离所述上表面向上延伸并终止于上端。
48.根据任何在前条项所述的散热器，其中所述主干面板具有大致恒定的厚度。
49.根据任何在前条项所述的散热器，其中所述恒定的厚度的变化小于15％。
50.根据任何在前条项所述的散热器，其中所述第二拓扑表面限定具有峰部和谷部的齿形轮廓。
51.根据任何在前条项所述的散热器，其中所述包络轮廓限定所述齿形轮廓的所述峰部和所述谷部的包络。
52.根据任何在前条项所述的散热器，其中所述包络轮廓限定没有任何台阶的平滑轮廓。
53.根据任何在前条项所述的散热器，其中所述多个结构彼此间隔开。
54.根据任何在前条项所述的散热器，其中所述多个结构是肋或柱中的至少一种。
55.根据任何在前条项所述的散热器，其中所述肋或所述柱布置成线。
56.根据任何在前条项所述的散热器，其中所述冷却元件布置成线，所述线与所述肋
或所述柱的布置线正交。
57.根据任何在前条项所述的散热器，其中所述结构限定格子。
58.根据任何在前条项所述的散热器，其中所述格子是蜂窝状的。
59.根据任何在前条项所述的散热器，其中所述冷却元件是翅片。
60.根据任何在前条项所述的散热器，其中所述翅片彼此间隔开。
61.根据任何在前条项所述的散热器，其中所述上端终止于共同的高度。
62.根据任何在前条项所述的散热器，其中所述上端在所述上表面上方的高度相同。
63.根据任何在前条项所述的散热器，其中所述主干面板、所述多个结构和所述多个冷却元件是整体式主体，其中在不从所述整体式主体移除材料的情况下形成所述结构和所述元件。
64.一种散热器，包括：主干面板，所述主干面板具有相对的上表面和下表面，并且在所述上表面和所述下表面之间具有大致恒定的厚度；多个间隔开的导热结构，所述多个间隔开的导热结构从所述下表面向下延伸并终止于末端，所述末端限定具有峰部和谷部的拓扑表面；多个冷却元件，所述多个冷却元件远离所述上表面向上延伸并终止于上端；并且其中所述下表面限定所述峰部和所述谷部的包络轮廓，并且所述上表面限定平滑轮廓。
65.根据任何在前条项所述的散热器，其中所述第二拓扑表面限定具有峰部和谷部的齿形轮廓。
66.根据任何在前条项所述的散热器，其中所述主干面板、所述多个结构和所述多个冷却元件是整体式主体，并且在不从所述整体式主体移除材料的情况下形成所述结构和所述元件。