一种M2固态硬盘散热贴

一种m2固态硬盘散热贴
技术领域
1.本发明涉及计算机组件和移动存储技术领域，特别涉及尺寸为22
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80mm的m2接口的固态硬盘。


背景技术：

2.随着信息技术的飞速发展和大数据的应用普及，人们对存储产品的存储容量、存储速度以及存储数据的完整性与灵活性也提出了更高要求。m2型固态硬盘是一种以半导体芯片作为存储介质的存储器，其主要包含nvme和sata两种协议。由于该类型固态硬盘不包含机械部件，它的存取速度较传统机械硬盘有了数倍乃至数十倍的提高。固态硬盘具有读写速度快、功耗小、体积小、工作范围宽等优点，当前个人计算机以笔记本电脑最为突出，已多数采用单m2固态硬盘的方案，m2固态硬盘也逐渐成为了存储市场的主流。
3.然而，固态硬盘因为其读写性能更强，在连续数据传输的过程中会释放出大量的热，目前很多用户的m2型固态硬盘都未进行散热设计，往往硬盘温度会急剧升高。固态硬盘正常的工作温度一般为40℃至50℃，极限工作温度也应当保持小于70℃。当固态硬盘温度高于80℃时会队硬盘的读写性能和稳定性产生影响，当固态硬盘温度高于100℃时则会导致硬盘tlc或qlc颗粒造成损伤，引起数据丢失，严重可能直接损坏硬盘。这在笔记本电脑中尤为突出，因为笔记本电脑内空间狭小，电脑内自带风扇所产生的强制对流条件往往只发生于cpu和显卡区域，而到达硬盘区的流速则很小，对流换热相变之会弱很多，而因为空间和功耗等限制，又不可能在笔记本电脑内安装更多的风扇或将风扇功率增大很多，因此需要改善固态硬盘的散热还需从与硬盘接触的位置着手更为直接，散热效果更为明显。
4.目前存在的针对硬盘散热方案主要分为两种，一种为带散热马甲的散热方案(cn212061878u和cn210348399u)，该散热马甲体积相对较大无法应用于笔记本电脑之类的小空间，并且不易于携带；另一种为单个金属片覆盖的散热方案(cn206162309u)，对固态硬盘散热性能的提升十分有限。另外，现有技术中从应用于其他电子元件的散热结构中发现，现有相关技术多采用单片金属薄层或组合层，如矩形金属箔层(cn211763944u)、蜂窝板层(cn207766651u)、波浪状鳍片(cn204314814u)或弹簧结构(cn108834385a)。然而已有的技术方案若应用于m2固态硬盘的散热存在以下问题：从散热组件间的连接和方案实施层面，上述多采用对铜板表面进行点焊以完成固定，不能实现散热结构层与绝缘层的有效绝缘，且由于结构狭小加工难度较高。而实际应用中，例如笔记本电脑的固态硬盘槽位一般空间狭小，稍有不慎可能使上述金属基覆铜板散热结构与主板或其他部件接触造成短路，对电脑形成难以挽回的损失；从尺寸大小层面，其散热组件受组合配置结构的体积限制，也难以做成满足散热贴的轻薄尺寸，难以在固态硬盘上使用且不易于用户安装和携带，不具有轻量化特点；从散热贴核心结构的设计层面，现有技术不能有效地减小接触热阻和减薄温度边界层或者强化换热程度不够明显，在狭小空间下换热系数较小等，未采用或对六边形散热结构采用程度不足，使得上述散热方案的设计无法将m2固态硬盘工作时产生的热量高效地传出。
5.因此迫切需要开发一种适用于多种应用场合且易于安装的m2型固态硬盘的新型散热方案，以克服上述问题。


技术实现要素：

6.本发明要解决的技术问题是提供一种能够对m2固态硬盘进行高效散热、结构简单、易于携带和安装、轻量化设计的m2固态硬盘的散热贴。
7.为克服上述现有技术存在的不足，本发明采用的技术方案为：
8.一种用于m2型固态硬盘的散热贴，其主要特点为轻量化和高效散热，包括薄型多孔泡沫金属铜层(1)、双向正六边形阵列散热层(2)、固定铜片(3)、硅胶绝缘垫(4)四个主要结构层。
9.所述薄型多孔泡沫金属铜层(1)经过针对性优化和设计，结构中金属泡沫孔径为0.08mm，孔隙率为98％，通孔率为99％，单位英寸的孔数为125
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2(123～127ppi)，体积密度为0.15～0.92g/cm3，尺寸为22
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80mm。
10.所述双向正六边形阵列散热层(2)为本发明的核心结构，如图4、图5、图6、图7、图8和图9所示，该结构主要由一个中空的六棱柱结构(5),一个中空六边形片(6)或加厚的中空六边形片(7)和连接部件组成。所述中空的六棱柱(5)是以两个同心无偏转角的正六边形环状面为底面经过轴向拉伸形成一个中间挖空的六棱柱结构，所述中空六边形片(6)和加厚的中空六边形片(7)为两个同心无偏转角的正六边形环状结构，区别在于厚度不同。所述中空六棱柱结构(5)在空间上位于两种中空六边形的外部，所述的中空六边形片(6)或加厚的中空六边形片(7)的两个角的顶点与中空六棱柱(5)的两个面相重合，中空六边形片(6)或加厚的中空六边形片(7)与中空六棱柱结构(5)互相垂直且中空六边形片(6)或加厚的中空六边形片(7)沿散热贴长度方向，中空六棱柱结构(5)的顶面和底面涂覆导热胶水分别与薄型多孔泡沫金属铜层(1)和固定铜片(3)粘连，并且打有向内拔模小孔以固定有上粗下细的倒圆台形状铜钉用以固定垂面的所述中空六边形片(6)或加厚的中空六边形片(7)。沿长度方向中轴线上由“四钉加厚六边形”结构的散热单元构成，可以提高散热贴的结构强度，提高抗压能力，其余位置的散热单元由“双钉六边形”散热单元构成。所述双向正六边形阵列散热层(2)由360(40
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9)个散热结构单元构成，采用沿散热贴的长和宽方向的正交排布，散热结构单元由所述“四钉加厚六边形”结构和“双钉六边形”组合构成，“四钉加厚六边形”对内部沿长方向垂直中空六边形片(6)进行加厚至“双钉六边形”的2～2.5倍，从而形成加厚的中空六边形片(7)。相邻散热单元之间均以边接触的形式彼此联系、紧密相连，即沿散热贴长边方向依靠所述中空六棱柱结构(5)的外侧棱进行接触连接，接口处均无缝隙。
11.所述硅胶导热绝缘垫(4)采用导热系数为13.2(w/m
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k)、密度为3.2
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0.1(g/cc)、硬度为36～48(邵氏硬度c，shore c)的绝缘软性材料构成，硅胶导热绝缘垫(4)下表面覆有可撕双面胶，上表面为经过空气压力(0.1～0.12mpa)喷砂工艺处理后的固定铜片。
12.本发明具有下述优点：
13.本发明用于m2型固态硬盘的散热，因其采用经过为m2固态硬盘专门设计的双向正六边形阵列散热层(2)和薄型多孔泡沫金属铜层(1)，所以散热贴的质量很轻，体积很小，散热性能很强，具有轻量化、高效散热和易携带的特点，并且可以降低噪音、增强固态硬盘的抗弯抗压能力，实现对m2固态硬盘的保护。
14.所述薄型多孔泡沫金属铜层(1)在强迫对流下是优良的传热介质并拥有高效的导热性能，在相同质量下的散热性能远远强于纯金属片，其密度远远也低于传统的固体材料，并且具有高韧性和耐撞击的特点。经过测试，此专门设计的薄型多孔泡沫金属铜层(1)可以极大的提高铜金属与空气的接触面积a，减薄边界层并增大气流扰动，根据牛顿冷却公式φ＝haδt，减薄边界层和增大气流扰动可以使对流换热系数h增大，在温差一定时，由公式可知采用多孔泡沫金属会使得热通量φ大大提高，因此必然拥有比传统散热板更强的传热性能，通过结合m2固态硬盘的尺寸以及考虑到散热贴的厚度必须要控制在很薄的范围内，经过研究和测试发现本发明所采用设计的薄型多孔泡沫金属铜层(1)可以在满足固态硬盘贴尺寸和重量要求的同时实现更佳的综合换热效果，并且在该结构尺寸下，当受到压力发生形变时大量的能量可以更有效的被转变为塑性能，并以热量形式耗散。因此采用所述薄型多孔泡沫金属铜层(1)可以有效减小外界因素对m2固态硬盘内tlc等颗粒和电路的损害，有效提高本实例的散热贴对m2固态硬盘的保护。
15.双向正六边形阵列散热层(2)采用以六边形为基本图形延展出的特殊设计，相比普通矩形或柱状支撑，在研究和测试后发现此组合结构和排布方法可以使m2固态硬盘达到十分优秀的散热效果，同时此阵列排布设计可以有效降低金属使用率，减少资源的消耗并且能大大减轻散热贴的质量。相比于弹簧、矩形阵列和柱状阵列支撑结构，经过测试和研究发现，当控制其他条件(如固态硬盘热流密度、表明温度、室温等)一致时，对22
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80mm的m2固态硬盘而言，该双向正六边形阵列散热层(2)设计的综合换热指标性能更好(如更小的接触热阻，更大的综合换热系数等)，说明该型阵列的设计结构和排布方法可以有效减小温度边界层，有利于增强局部传热系数，也可以增大换热面积，同时也有利于热传导，因此在相同温差的工作条件下单位时间内可以疏导出更多的热量，从而在保证该型硬盘散热性能增强的同时还可以做到重量的减小。另外，双向正六边形阵列散热层(2)采用纯铜作为材料，相邻散热单元之间以边接触的方式紧密相连，不留空隙，可以将接触热阻降为0。同时根据傅里叶导热定律φ＝
‑
λa(dt/dx)可知：边接触相比于点接触可以增大接触面积a，在温度梯度dt/dx以及导热系数λ一定时，单位时间可以导出更多的热量。通过推导两种不同换热边界条件下散热层的散热指标，分析了在确定的相对厚度下，不同构型的散热结构中相对密度和散热指标的关系。两种边界条件考虑到了固态硬盘散热时最直接且影响最大的两种情况，第一种为单面恒温加热，另一面对流换热；第二种为两面均进行对流换热。研究结果发现当相对厚度大于20时，最大散热指标和最优相对密度变化较小并最终趋于定值，得出正六边形构型的散热指数最大。根据数据可知，在散热指标趋于定值的最小质量取相对值为22时，正六边形的最大散热指数为3.48
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10
‑
6，矩形的最大散热指数的范围为1.96
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10
‑
6～2.21
×
10
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6(随长宽比变化)，三角形的最大散热指数为0.71
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10
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6～1.12
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10
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6(随三角形偏斜系数变化)，可见六边形结构在固态硬盘散热所牵扯到的两种边界条件中具有明显的综合性能优势，因此本发明选用六边形散热结构。之所以将六边形散热阵列设计为双向结构是因为在狭小的换热环境中空气分子的流线受到空间限制较大，采用双向设计可以使更多来流方向的空气发生局部扰动，进一步减薄边界层，并且可以增大对流换热面积，此为本发明优于当前现有技术的单向蜂窝板层设计之所在。通过此双向正六边形阵列散热层(2)设计，固态硬盘在连续读写工作使释放出的热流密度可以通过此设计结构以高效的金属导热、热辐射和热对流将热量快速传给冷却介质空气，可以使固态硬盘的工作温度显著
降低，当固态硬盘释放的热流密度越大，此结构高效的散热特性便愈发突出。
16.双向正六边形阵列散热层(2)中轴线上的“四钉加厚六边形”结构可以对整个散热贴结构起到更强的支撑作用，提高散热贴的抗压抗弯性能，以增强本实例的散热贴对固态硬盘的保护。在众多“双钉六边形”结构中于中轴线仅仅加一排“四钉加厚六边形”结构是考虑到：一方面经过研究和测试发现“双钉六边形”结构的“散热效能质量比”的数值高于“四钉加厚六边形”结构。因此为了高效传热和轻量化设计广泛采用“双钉六边形”结构。另一方面通过强度和抗弯测试模拟发现采用此方案于中轴线处增加一排“四钉加厚六边形”结构便可以使得散热贴的抗压抗弯性能较大幅度提高，因此综合两方面因素考虑后的组合结构可以实现高“散热效能质量比”的同时又可以较大程度的提升散热贴的抗压抗弯性能。
17.双向正六边形阵列散热层(2)中两个方向的中空六边形片(6)或加厚中空六边形片(7)和中空六棱柱结构(5)的固定方法采用了拔模铜钉(8)与两个拔模铜钉(8)方案，此方案采用向内的拔模小孔的设计并利用上宽下细的倒圆台形状的铜钉将两个不同方向、不同大小的结构固定连接，此结构相比于传统圆柱紧固件，更易于脱模更换并且拥有相近强度，还可以节约材料减小重量。该散热贴之所以不用传统尖头铆钉，是因为在此微小结构中尖头铆钉难于加工，相比之下先开凿向内拔模小孔再打入上宽下细的倒圆台形状的铜钉更加方面且效果更佳，并且铆钉尖头处的结构过于细小可能导致结构强度不足。此外考虑到现有工业加工技术在此微小部件的加工中综合考虑成本不适宜采用高精度加工方法，因此该特殊设计的拔模孔使得当散热贴的阵列散热结构当受到外部因素发生损坏内部结构时，可以方便快捷地将两个分体结构分离，可以实现后期对散热阵列的维护和部件更换，节省后期维修成本。
18.所述固定铜板(3)经过空气压力(0.1～0.12mpa)喷砂工艺处理后的固定铜片(3)，与不经过处理的铜片相比，经过空气压力(0.1～0.12mpa)喷砂工艺处理的固定(3)铜片的表面可获得适合散热贴尺寸和规格下的清洁度和粗糙度，使固定铜片(3)表面的机械性能得到改善，也提高了其抗疲劳性，增加了和导热胶之间的附着力，延长了胶层的耐久性，也有利于导热胶涂抹后的流平。另一方面，粗糙表面与光滑表面相比可以一定程度上增大换热面积，也有利于减薄边界层，强化换热。
19.所述导热系数为13.2(w/m
·
k)、密度为3.2
±
0.1(g/cc)、硬度为36～48(邵氏硬度c，shore c)的绝缘软性材料构成的硅胶导热绝缘垫(4)既可以满足散热贴轻薄的尺寸需求，使本实例的散热贴与用户需要提高散热性能的m2硬盘进行贴合，另外硅胶材料本身的柔软性可以起到缓冲的效果，同时可以绝缘静电，避免上部的金属材料产生的静电对固态硬盘的存储颗粒造成损坏。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通的技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的图形。
21.图1为本发明实施例的前视图。
22.图2为本发明实施例的俯视图。
23.图3为本发明实施例的左视图。
24.图4为本发明实施例的双向正六边形阵列散热层及其下部结构的三维示意图。
25.图5为本发明实施例“双钉六边形”或“四钉加厚六边形”结构的前视图。
26.图6为本发明实施例“双钉六边形”结构的左视图。
27.图7为本发明实施例“双钉六边形”结构的俯视图。
28.图8为本发明实施例“四钉加厚六边形”结构的左视图。
29.图9为本发明实施例“四钉加厚六边形”结构的俯视图。
30.图10为本发明实施例的三维示意图。
31.附图中的编号：
32.1、薄型多孔泡沫金属铜层；2、双向正六边形阵列散热层；3、固定铜片；4、硅胶导热绝缘垫；5、中空六棱柱结构；6、中空六边形片；7、加厚的中空六边形片；8、拔模铜钉。
具体实施方式
33.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、完整的描述，以使本发明的优点和特征能够更容易被本领域的技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为明晰的界定。需要说明的是，基于本发明中的实施例，普通技术人员在未做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
34.如图1、图2和图3所示，本发明一种轻量化的高效m2固态硬盘散热贴顶层为薄型多孔泡沫金属铜层(1)，薄型多孔泡沫金属铜层(1)下表面与双向正六边形阵列散热层(2)的上表面接触面涂覆有导热胶将两面相互紧密胶合，此方法可有效降低导热热阻和接触热阻，特殊设计的适用于本散热贴的散热阵列可以增大气流流过时的局部扰动，使得对流换热显著增强，相比单铜板设计及弹簧支撑、矩形支撑、圆柱支撑等设计，该双向正六边形阵列设计的散热效果更为优秀，单位重量换热能力更强。
35.薄型多孔泡沫金属铜层(1)在具体实施时，加工要求如下：金属泡沫孔径控制为0.08mm，孔隙率为98％，通孔率为99％，单位英寸的孔数为125
±
2，即123～127ppi，经过加工后的泡沫金属的体积密度要控制在0.15～0.92g/cm3，薄型多孔泡沫金属铜层(1)尺寸为22
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80mm
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0.4mm，该材料在强迫对流下是优良的传热介质，具有高效散热、高比强、高比刚度、高强韧、耐撞击和轻量化等特点。
36.双向正六边形阵列散热层(2)在具体实施时，如图5、图6和图7所示，采用纯铜材料，沿散热贴长度方向中轴线(第五行)的散热单元由：一个中空六棱柱结构(5)、加厚的中空六边形片(7)和上下底面各两个拔模铜钉(8)构成。如图5、图8和图9所示，其余行的散热单元由：一个中空六棱柱结构(5)、中空六边形片(6)和上下面各一个拔模铜钉(8)构成。双向正六边形阵列散热层(2)中的360个散热单元采用正交排列(沿散热贴长度方向每行排列40个，沿宽度方向每行排列9个)。相邻的散热单元之间相互接触，不留空隙，能够有效减小导热面的接触热阻。
37.如图1、图3和图4所示，双向正六边形阵列散热层(2)的每个散热单元下底面均涂覆导热胶以粘连固定铜片(3)。另外固定铜片(3)上表面需要采用空气压力为0.1～0.12mpa的喷砂工艺处理。此规格的空气喷砂处理可以使得固定铜片(3)获得足够细微的喷砂表面，拥有适合此规格设计下更强的导热胶粘合能力，同时经过该条件形成的细小颗粒喷砂表面
有利于散热贴强化传热。
38.如图1、图3和图4所示，固定铜片(3)下表面涂覆导热胶与硅胶导热绝缘片(4)相互粘连，硅胶导热绝缘片(4)采用导热系数为13.2(w/m
·
k)、密度为3.2
±
0.1(g/cc)、硬度为36～48(shore c)的绝缘软性材料构成，经研究发现此材料相比普通垫片可以使散热贴更好的发挥散热性能，提升m2固态硬盘的抗压能力、缓冲保护能力和静电阻断保护能力。此外硅胶导热绝缘片(4)下方贴有一层双面胶用于与用户的m2型固态硬盘相粘连。在安装时，只需将双面胶撕下，将散热贴紧贴在m2固态硬盘表面即可。
39.在具体实施双向正六边形阵列散热层(2)的散热单元时，位于中空六棱柱结构(5)和中空六边形片(6)或加厚的中空六边形片(7)连接处的位置开设有拔模铜钉(8)或两个模铜钉(8),具体结构及规格可参考前述内容。如图5、图6、图7、图8和图9所示，可先加工向内的拔模小孔，再利用上宽下细的倒圆台形状的铜钉将此结构固定连接，该结构相比于传统圆柱紧固件或棱柱紧固件的优势也可参考前述内容。在此需要说明的是除了使用上述拔模铜钉固定阵列的方案，还可以在实际生产中根据生产条件选用铸造工艺来实现，该方法前期需要设计模具并且对铸造水平要求较高，但可以免去固定钉的安装，后期成本低且利于快速生产。
40.以上所述仅为本技术的实施方式，并非因此限制本技术的专利范围，凡是利用本技术说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接的在不脱离本发明的原理的前提下进行的若干非创造性的延伸和加工，这些等效变换、延伸和加工也应视为本发明的保护范围。