Устройство пассивного теплоотвода процессора мобильного устройства либо переносного компьютера на основе алмаз-медного композиционного материала

Полезная модель относится к области электроники, в частности к охлаждению теплонапряженных компонентов электронных приборов, включая гаджеты (айфон, айпэд, планшет и т.п. мобильные устройства), и компьютеры и может быть использовано для обеспечения эффективного отвода тепла от теплонапряженной интегральной микросхемы процессора, установленного на материнской печатной плате мобильного устройства либо переносного компьютера.
Известно, что самый эффективный способ отвода тепла от теплонапряженных интегральных микросхем, устанавливаемых на материнскую плату переносного персонального компьютера, к которым относится центральный процессор-кондуктивный, определяется качеством теплового контакта, выполненного между микросхемой и теплоотводящими элементами конструкции, а также требуемой теплопроводностью материалов элементов этой конструкции.
2
Современные гаджеты и переносные персональные компьютеры содержат элементы, рассеивающие при работе большое количество тепла, прежде всего это некоторые интегральные микросхемы,. Для обеспечения рабочих тепловых режимов таких элементов необходимы специальные меры по их охлаждению. Наиболее актуально проблема охлаждения стоит для таких интегральных микросхем как - центральный процессор, который имеет сравнительно небольшую контактную поверхность 1-3 см, видеокарта, графический адаптер и сетевая карта, где плотности теплового потока, рассеиваемые с поверхности, могут достигать 70-100 Вт/см. Обычно центральный процессор (источник тепла) находится близко к геометрическому центру материнской платы, для упрощения разводки электрических соединений, при этом излишнее тепло желательно эффективно вывести за пределы корпуса компьютера.
В настоящий момент эта проблема имеет два пути решения.
Первый - применение комбинации активных и пассивных элементов, к которым относятся различные комбинации вентиляторов и воздушных турбин; тепловые трубы, из меди или алюминия, с зонами испарения и конденсации хладагента; медные или алюминиевые радиаторы, с различными конфигурациями ребер.
Основными недостатками такого охлаждения является повышенный шум и низкая надежность, связанная с ограниченным сроком службы вентиляторов. Кроме того, интенсивный обмен и перемешивание воздуха ведут к сильному запылению внутренности блока, осложняющему условия работы остальных элементов. Массивные радиаторы значительно ухудшают масса-габаритные показатели компьютера и частично ограничивают возможности конструирования переносных персональных компьютеров с потенциально достижимыми тактовыми частотами.
2
Второе решение проблемы - это применение пассивных элементов: металлических радиаторов; тепловых труб с зонами испарения и конденсации хладагента, которые часто используются совместно с первыми, а также радиаторов из композитных материалов с высокой теплопроводностью от 600 Вт/(м⋅К).
2
2
И металлические радиаторы и тепловые трубы изготавливаются из материалов с относительно низкой теплопроводностью (Al - 280 Вт/(м⋅К), Cu - 380 Вт/(м⋅К), вода обычно применяемая как хладагент, при 20°C - 4,18 кДж/(кг °C), поэтому основной недостаток таких систем охлаждения существенные массогабаритные показатели, которые не позволяют применять их в современных «тонких» персональных компьютерах.
2
Современные радиаторы (обычно выполняемые в виде пластин) из композитных материалов с высокой теплопроводностью от 600 Вт/(м⋅К) также имеют ряд недостатков, которые рассмотрены ниже.
На современном этапе в области теплоотводящих конструкций основной тенденцией является переход от материалов на основе сплавов WCu, MoCu ((например, патент РФ №2519925, МПК H05K 7/20, H01L 23/36, опубл. 20.06.2014) к композиционным материалам, что позволяет существенно улучшить тепловые свойства (коэффициенты теплопроводности и термического расширения) и уменьшить удельную массу теплоотводов, однако этим материалам еще предстоит пройти путь адаптации к массовому промышленному применению, включая оптимизацию технологий, обеспечение полной воспроизводимости параметров, а главное приемлемой цены для рынка.
3
В настоящее время материалы и теплоотводы высокой теплопроводности производятся только небольшим количеством компаний. Можно выделить несколько американских компаний «Sumitomo Electric»], «Advanced Diamond Solutions)), которые занимаются разработкой и выпуском композиционных теплопроводных материалов на основе алмаза. Другая группа компаний, например, фирма Element Six и компания sp3 Diamond Technologies производят теплопроводные пленки из поликристаллического CVD-алмаза. К недостаткам этих продуктов можно отнести чрезвычайно высокую стоимость (более 1000 USD/см) и большую длительность процесса получения (десятки-сотни часов).
Массовое промышленное применение этих композитных материалов пока сдерживается технологическими сложностями процессов и их высокой стоимостью, соизмеримой со стоимостью самого компьютера.
Известен алмазный теплоотвод, использующий CVD - алмазную пластину толщиной 0,3-0,5 мм (Куликов Е.Н., Духновский М.П., Ратникова А.К., Федоров Ю.Ю. Исследование влияния свойств теплоотводов из поликристаллического алмаза на тепловые характеристики карбид-кремниевых диодов Шотки. Микроэлектроника 2014, №5, Патент РФ №2285977, МПК H01L 23/36, опубл. 20.10.2006).
Недостатком этого теплоотвода является ограничение отводимой мощности от полупроводникового прибора при увеличении его размеров, так как рассеяние тепла в алмазной пластине, которая ограничена в размере, протекает эффективно, когда ее толщина становится соизмеримой с размерами источника и превышает их.
Получение CVD - алмазных пластин больших размеров решенная задача, но увеличение толщины пластин при сохранении скорости роста приводит к ухудшению теплопроводности. Снижение скорости роста приводит к резкому увеличению цены CVD - алмазной пластины.
Известно техническое решение, использующее алмазный теплоотвод для охлаждения теплонапряженного элемента, включающий алмазную пластину, расположенную на медном хладапроводе и нанесенном на ее поверхность токопроводящим слоем, на котором размещен локальный источник тепла (Панин В., Телеш Е. «Алмазные теплоотводы для изделий электроники повышенной мощности». Силовая электроника, 2008, №3).
Недостатком этого технического решения является сохраняющееся ограничение по отводимой мощности при увеличении размеров источника тепла, поскольку толщина алмазной пластины обычно не превышает 0,5 мм. Ограничение толщины применяемых в теплоотводах алмазных пластин связано с тем, что изготовление алмазных пластин толщиной 1 мм и более сопряжено с определенными трудностями. Пластины из монокристаллического алмаза ограничены по размерам и дороги.
2
Эффективный пассивный теплоотвод центрального процессора переносного персонального компьютера, даже при использовании композитных материалов на основе алмаза (теплопроводность 900-2300 Вт/(м⋅К)), можно реализовать только доставив тепло от радиаторов в окружающую среду свободной конвекцией, т.е. радиатор или его часть должны быть конструктивно совмещены с корпусом компьютера.
Известна пассивная система охлаждения, в которой охлаждение таких тепловыделяющих компонентов компьютера, как центральный процессор, процессор графической карты, осуществляется посредством передачи тепла от них теплопередающими устройствами к внутренней поверхности корпуса компьютера, выполненного в виде оребренных наружу радиационных алюминиевых панелей, и последующим рассеянием тепла свободной конвекцией воздуха в окружающую среду. Пассивная система охлаждения настольного компьютера, включает тепловые трубы с зонами испарения и конденсации и расположенной между ними транспортной зоной, тепловые интерфейсы, соединяющие противоположные концы тепловых труб с плоскостями тепловыделяющих компонентов, и радиатор с вертикальным оребрением, выполненный в виде стенки системного блока компьютера, к которому присоединены тепловые интерфейсы зон конденсации. (Патент США №7177154, МПК G06F 1/18; G06F 1/20; H05K 7/20, опубл. 13.02.2007)
Существенным недостатком такой системы охлаждения является ее низкая эффективность, выражаемая большим термическим сопротивлением системы в целом, что приводит к значительному увеличению ее массы и габаритов.
Общее термическое сопротивление складывается из цепочки сопротивлений на пути прохождения тепла от охлаждаемого объекта до стока тепла - окружающей среды и включает в себя все контактные сопротивления, сопротивления переходных интерфейсов, теплопередающих устройств и радиатора. Данная система содержит большое число разъемных соединений, обладающих существенным контактным сопротивлением.
Использование множества тепловых труб и множества переходных контактных блоков (интерфейсов) увеличивает массу системы. Кроме того, площадь контакта интерфейсов, соединяющих конденсаторы тепловых труб с радиатором, сравнительно мала. С одной стороны, это увеличивает термическое сопротивление перехода, с другой - вынуждает делать основание радиатора толщиной 5-7 мм, поскольку дальнейшее распространение тепла по радиатору осуществляется только за счет теплопроводности. В итоге, общая масса системы охлаждения получается весьма значительной. В данном случае она достигает 25 кг, что совершенно неприемлемо для переносного персонального компьютера. Различные модификации этого патента (например, патент РФ №2297661, МПК G06F 1/20, F28D 15/02, опубл. 20.04.2004; патент РФ №2588584, МПК Н05К 7/20, G06F 1/20, опубл. 10.07.2016), принципиально от этих недостатков несвободны.
Известно техническое решение, являющееся устройством телескопического типа, способным передавать тепло от теплонагруженного электронного модуля к внешней панели корпуса. Оно состоит из размещенного в корпусе теплоотвода, упругого элемента, теплопроводящих прокладок и основания с полостью в форме глухого отверстия, куда устанавливается теплоотвод, состоящий из поршневой и теплопередающей частей, имеющий возможность перемещаться в полости в вертикальном направлении, при этом боковая поверхность является направляющей поверхностью. (Патент США №7277291, МПК H05K 7/20, опубл. 02.10.2007)
Тепловой контакт между теплоотводом и внутренней поверхностью полости обеспечивает переход тепла от теплонагруженного электронного модуля в теплоотвод. Внутри теплоотвода установлен упругий элемент - пружина, обеспечивающий прижатие теплоотвода к внешней панели корпуса, отодвигающий теплоотвод отоснование для постоянного теплового контакта теплоотвода с внешней панелью корпуса и основания с теплонагруженным электронным модулем
Недостатком устройства является наличие одной поверхности теплового контакта между теплонагруженным электронным модулем и основанием, где устанавливается теплопроводящая прокладка, что не позволяет использовать полный ресурс устройства. Необходимость обеспечения теплового контакта через боковые поверхности телескопических систем требует высокой точности и качества обработки боковых поверхностей основания и теплоотвода, чем вызвано возникновение поршневого эффекта при работе устройства. Дренажное отверстие, выполненное в полости основания, является источником попадания пыли и всевозможного другого загрязнения.
Известна пассивная система охлаждения настольного компьютера, содержащая тепловые трубы с зонами испарения и конденсации с расположенной между ними транспортной зоной, тепловые интерфейсы, сопряженные с зонами испарения и конденсации, и радиатор с вертикальным оребрением, выполненный в виде стенки системного бока компьютера, к которому присоединены тепловые интерфейсы зон конденсации. (Патент РФ №2297661, МПК G06F 1/20, F28D 15/02, опубл. 20.04.2007 г.)
Недостатком системы является жесткость конструкции, которая рассчитана на отвод тепла от конкретной платы с определенным расположением тепловыделяющих элементов. Прогрессивное развитие вычислительной техники приводит к быстрой смене плат на более современные и отсутствие универсальности систем охлаждения требует также частого их перепроектирования и нового изготовления. Система имеет неудовлетворительные массогабаритные показатели.
Данное решение можно принять за прототип.
Технической задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является повышение эффективности системы охлаждения.
2
2
Поставленная техническая задача решается том, что в устройстве пассивного теплоотвода процессора мобильного устройства либо переносного компьютера на основе алмаз-медного композиционного материала, содержащем на материнской плате процессор, который установлен на плате посредством разъема через контактную текстолитовую подложку процессора, контакты разъема закреплены на плате припоем, процессорный разъем может иметь элементы фиксации процессора, согласно заявляемой полезной модели, в корпусе процессора мобильного устройства либо переносного компьютера выполнено вентиляционное отверстие, устройство снабжено пластиной теплоотвода из алмаз-медного композиционного материала, выполненной с шириной, равно или большей, чем ширина верхней части процессора, с длиной, равной расстоянию от дальнего края верхней части процессора до вентиляционного отверстия в корпусе процессора плюс половина ширины корпуса процессора мобильного устройства либо переносного компьютера, при этом алмаз-медный композиционный материал выбирается с коэффициентом теплопроводности от 600 Вт/(м⋅К) до 900 Вт/(м⋅К), на материнской плате и на пластине теплоотвода из алмаз-медного композиционного материала выполнены соосные технологические отверстия для крепления, пластина теплоотвода из алмаз-медного композиционного материала закреплена таким образом, что один конец пластины плотно прижат к верхней части процессора, а второй конец пластины входит в вентиляционное отверстие в корпусе процессора мобильного устройства либо переносного компьютера на половину ширины корпуса для предотвращения контакта пользователя с нагретым торцом пластины теплоотвода, на место контакта корпуса с пластиной теплоотвода нанесен эпоксидный или кремнийорганический компаунд для обеспечения герметизации корпуса процессора мобильного устройства либо переносного компьютера.
Кроме того, тепловой контакт пластины теплоотвода и верхней части процессора обеспечивается полировкой контактирующей поверхности пластины теплоотвода с последующим их механическим прижатием, либо применением в зоне теплового контакта теплопроводящей пасты.
2
Технический результат, достижение которого обеспечивается реализацией заявляемой совокупности существенных признаков полезной модели, состоит в повышении эффективности системы охлаждения за счет конструктивного решения с использованием нового алмаз-медного композиционного материала с коэффициентом теплопроводности более 600 Вт/(м⋅К), при одновременном уменьшении ее массогабаритных показателей, упрощении монтажа в корпусе мобильного устройства либо компьютера, обеспечении герметической изоляции корпуса.
Сущность технического решения поясняется чертежами, на которых показано:
на фиг. 1 - упрощенный вид сбоку части материнской платы, на которой установлен процессор, пластина теплоотвода из алмаз-медного композиционного материала и участок корпуса мобильного устройства либо переносного компьютера (далее возможно использовать также термин «переносной персональный компьютер»);
на фиг. 2 - вид сверху на фиг. 1;
на фиг. 3 - пластина теплоотвода из алмаз-медного композиционного материала, местный разрез в масштабе 4:1.
На чертежах показаны следующие позиции:
1 - материнская плата переносного персонального компьютера;
2 - процессорный разъем;
3 - контактная текстолитовая подложка центрального процессора;
4 - центральный процессор;
5 - пластина теплоотвода из алмаз-медного композиционного материала;
6 - отверстие для крепления в пластине теплоотвода из алмаз-медного композиционного материала;
7 - корпус переносного персонального компьютера;
8 - прямоугольное вентиляционное отверстие в корпусе мобильного устройства либо переносного компьютера;
9 - отверстие для крепления в материнской плате;
10 - алмазный наполнитель композиционного материала;
11 - медная матрица композиционного материала.
Устройство пассивного теплоотвода центрального процессора переносного персонального компьютера на основе алмаз-медного композиционного материала выполняется следующим образом.
На материнской плате 1 мобильного устройства либо переносного компьютера, в том числе, находится центральный процессор 4, который установлен на плате посредством процессорного разъема 2, через контактную текстолитовую подложку 3 центрального процессора, контакты процессорного разъема 2 закреплены на плате 1 припоем, (Такая установка процессора на плату является типовой для большинства компьютеров. Процессором может быть, например, CPU Intel Core i7-3960X или любая разработка РФ в корпусе типа PGA, 6 тип по ГОСТ 17467-88). Процессорный разъем 2 может иметь конструктивные элементы фиксации процессора, которые на фиг. 1, для упрощения, не показаны. Корпус переносного персонального компьютера 7 имеет прямоугольное вентиляционное отверстие 8. Пластина теплоотвода из алмаз-медного композиционного материала 5 имеет геометрические размеры, которые обусловлены по ширине - более или равно чем ширина верхней части центрального процессора 4, по длине - расстоянию от дальнего края верхней части центрального процессора 4 до прямоугольного вентиляционного отверстия 8 в корпусе переносного персонального компьютера 7, плюс половина ширины корпуса переносного персонального компьютера 7 и по высоте суммой высот алмазного наполнителя композиционного материала 10 и медной матрицей композиционного материала 11.
На плате 1 и на пластине теплоотвода из алмаз-медного композиционного материала 5 имеются соосные технологические отверстия для крепления 9 и 6 соответственно. Крепление происходит посредством болта и гайки, которые для упрощения не показаны, таким образом, чтобы один конец пластина теплоотвода из алмаз-медного композиционного материала 5 оказался плотно прижатым к верхней части центрального процессора 4, а второй вошел в прямоугольное вентиляционное отверстие в корпусе переносного персонального компьютера 8 наполовину ширины корпуса переносного персонального компьютера. Надежный тепловой контакт пластины теплоотвода и верхней части центрального процессора обеспечивается, например, полировкой контактирующей поверхности пластины теплопровода с последующим их механическим прижатием, также применением, в зоне теплового контакта теплопроводящей пасты, например Coollaboratory Liquid PRO.
Пластина теплоотвода входит в прямоугольное вентиляционное отверстие в корпусе компьютера наполовину его ширины, для предотвращения контакта пользователя с нагретым торцом пластины теплоотвода. Для обеспечения герметизации корпуса компьютера на место его контакта с пластиной теплоотвода наносился эпоксидный или кремнийорганический компаунд. Таким образом осуществляется теплообмен между теплонагруженным центральным процессором и внешней средой без нарушения герметизации корпуса компьютера.
2
2
Если возникает необходимость отвода большего количества тепловой энергии от центрального процессора, то эта задача решается выбором алмаз-медного композиционного материала, с необходимым коэффициентом теплопроводности от 600 Вт/(м⋅К) до 900 Вт/(м⋅К) и варьированием ширины и длины пластины теплоотводаразличных изделий.
2
Основной мировой тенденцией при создании современных персональных компьютеров является увеличение тактовых частот центральных процессоров, что приводит к увеличению плотности выделяемой тепловой мощности, достигающей десятков кВт/см, и повышению их рабочей температуры. Высокая температура может стать одной из основных причин отказа этих интегральных микросхем. При экстремальных температурах отвод тепла от поверхности центральных процессоров является первоочередной проблемой, требующей решения. Увеличивающаяся плотность энергии в электронных приборах становится большой проблемой для терморегулирования в электрических системах. При этом применение воздушно-жидкостных систем охлаждения современных персональных компьютеров, которые имеют постоянную тенденцию к уменьшению высоты корпуса, зачастую невозможно из-за жестких массогабаритных требований к ней.
Применение новых материалов с улучшенными теплопроводящими свойствами часто остается единственным приемлемым способом отвода тепла от поверхности изделий.
2
3
В заявляемом устройстве применяется алмаз-медный композиционный материал (выпускаемый ООО «Тепроком», Евразийский патент №014582, МПК B22F 3/26, B24D 3/10, С22С 1/05, С22С 26/00, опубл. 30.12.2010), обеспечивающий высокие регулируемые в диапазоне 500-900 Вт/(м⋅К) коэффициенты теплопроводности с относительно низкими значениями коэффициентов термического расширения 5-6 ppm/К и удельным весом 5,5 г/см. Одним из главных достоинств данного композиционного материала является низкая себестоимость, более чем на порядок, по сравнению с аналогами, приведенными в таблице 1, что позволяет широко использовать его в промышленности.
Алмазно-металлические композиты (АМК) являются изотропными материалами, свойства которых одинаковы во всех направлениях, что отличает их от широко используемых слоистых композиционных материалов и упрощает конструирование из них.
Предлагаемое техническое решение, кроме всего, выводит тепло из герметического корпуса наружу, во внешнюю среду, не нарушая герметизации устройства, что является преимуществом перед аналогами.
*физические свойства при комнатной температуре 20-25°C