一种全金属电磁屏蔽散热器及其制作方法与流程

本发明涉及一种散热器，尤其是一种全金属电磁屏蔽散热器及其制作方法。

背景技术：

随着电子设备的工作频率越来越高，电路板上许多元件的尺寸与工作波长可以比拟，成为天线产生有害电磁辐射。广泛用于电路系统中的散热片其尺寸较大，成为电路板上主要的噪声天线。电路系统的集成度越来越高，散热片对周围元器件的电磁干扰越来越严重。为保证人体安全，同时保障设备电磁兼容，国际电子产品的辐射量指定了严格的标准(iec、fcc系列等)。如何降低散热片的电磁辐射是工业界一直需要解决的难题。

在典型的电路板应用中，最下方是电路板及其地平面，芯片焊接于地平面上方。由于芯片尺寸小而消耗功率较高，为了加强其散热在芯片上方放置散热片。散热片通常由金属构成，芯片工作时极容易在其上感应电流。由此芯片产生的电磁噪声经由散热片辐射到空间，干扰密集电路板上周围元器件的工作，并产生有害电磁辐射。

降低散热片电磁辐射的传统方法是在其下表面贴吸波材料，吸收其上的感应电流从而降少其辐射。长时间高温工作后，吸波材料会产生老化、脱落等问题。同时，传统吸波材料多为非良好导热材料，会降低原有散热片的散热性能。近年来，石墨烯等具有良好导热的二维材料应用在吸波结构上，其在散热片上的应用还在探索中。

同时，在学术界，针对封装内部的串扰，有一些方案是利用印刷电路板制备电磁带隙结构，然后贴在封装金属层上，用以抑制不同电路或器件间的串扰，此种方法虽然已被验证具有电磁辐射抑制效果，然而，它同样也对产品散热造成了较大的恶化。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提供以下方案：

一种全金属电磁屏蔽散热器，包括底座，底座中心位置与芯片贴合固定，其特征在于：底座下表面除与芯片贴合部分及底座上表面排列有金属柱，金属柱之间具有空隙。

进一步的，所述金属柱横截面为正方形的长方体。

进一步的，底座下表面与芯片贴合部分为平整的金属平面，且厚度与底座下表面金属柱高度相同。

一种电磁屏蔽散热器的制作方法，包括以下步骤：

(1)采用以下两种方式在散热器下表面加工金属柱；

1)在原有的散热器的平整的底座上，通过铣床在底座上将多余的金属刻蚀掉，从而使底座顶面及底面形成金属柱；

2)制作好模具，直接生产出底座上下面均排列有金属柱散热器。

(2).将制作完毕的散热器进行实际应用。

本发明的有益效果为：

1.通过改变金属柱的尺寸使散热器表面产生谐振点，从而增强电磁辐射的屏蔽效果。

2.金属柱的增加使散热器的散热面积增大，增强散热效果。

附图说明

图1是本发明结构示意图。

图2是本发明应用场景示意图。

图3是本发明抑制电磁辐射的原理示意图。

图4是本发明通过不同高度金属柱实现宽频带或多频带的原理示意图。

图5是普通散热器散热器示例尺寸。

图6为本发明散热器示例尺寸。

图7是本发明的屏蔽效能。

图8是普通散热器与芯片接触面上的温度分布示意图。

图9是本发明与芯片接触面上的温度分布示意图。

图中：1.金属柱；2.底座；3.芯片；4.电路板；α散热器边长；w.金属柱宽度；p.金属柱排列周期长度；d.普通散热器金属柱高度；d1.本发明底座上表面金属柱高度；d2.本发明底座下表面金属柱高度；h.散热器高度。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

实施例1：如图1-图2所示，

一种全金属电磁屏蔽散热器，包括底座2，底座2中心位置与芯片3贴合固定，底座2下表面除与芯片3贴合部分及底座2上表面排列有金属柱1，金属柱1之间具有空隙，金属柱1为横截面为正方形的长方体。

一种全金属电磁屏蔽散热器的制作方法，包括以下步骤：

(1)采用以下两种方式在散热器下表面加工金属柱；

1)在原有的散热器的平整的底座2上，通过铣床在底座2上将多余的金属刻蚀掉，从而使底座顶面及底面形成金属柱1；

2)制作好模具，直接生产出底座2上下面均排列有金属柱1的散热器。

(2).将制作完毕的散热器进行实际应用。

本发明公开的散热器结构如图1所示，同普通的同尺寸的金属鳍片散热器相比，本散热器结构不仅在底座2上表面有金属柱1，在同热源同侧的平面上，即底座2下表面，除了与热源接触部分保持为完整金属平面以外，其他区域也加入了金属柱1。这样的散热器依然与现有的应用兼容，比如图2展示的场景，将散热器放置于芯片3上方，可以用于芯片3的散热。

在图2所示的场景中，芯片3不仅是热源，同时也是电磁辐射源，本发明所公开的散热器一方面，由于加入了额外的金属柱1，散热器的总面积增大，因而对热源的散热不会产生不利的影响；另一方面，这些额外的金属柱1能抑制电磁辐射源产生的电磁辐射，形成较好的屏蔽效果。

从电路的角度来看，其屏蔽原理如下。

如图3所示，金属柱1本身可以等效为一电感l，而金属柱1之间具有电容耦合，其等效电容值为c，该并联lc电路在谐振频率处的阻抗无穷大，可以抑制电流的传播，由于电流无法扩散到散热器边缘并向自由空间辐射，因而该结构能起到很好的屏蔽效果。该结构在谐振频率附近屏蔽效果较好，其谐振频率f0计算如下：

本专利公开的散热器的最佳屏蔽频率，可以用多种方式来进行调节。由于其工作频率由该结构中的金属柱1电感和金属柱耦合电容来确定，因而只需改变电感值或电容值，便能实现不同频率的屏蔽效果。主要的方法有以下几种：

1.通过控制金属柱1的长短和粗细，可以控制金属柱1的电感值；金属柱1的长度越大，电感值越大；金属柱的直径越大，电感值越小；

2.通过控制金属柱1之间的间距，可以控制金属柱1耦合电容；金属柱1之间的间距越大，耦合电容越小；

3.使金属柱1的高度、直径、间距在阵列内不均匀，可以产生多个谐振点，从而形成多频带或者宽频带的屏蔽结构。如图4所示，利用不同高度的金属柱1的方案形成多频带或宽频带的屏蔽结构，当金属柱1的长度的两种尺寸相差较大，那么将引入两个分隔较远分立的谐振频率点，从而形成双频带的结构。宽频带的结构为多频带结构的特例，当图4中金属柱1的两个长度尺寸相差不大时，两个谐振频率点由于相隔较近，会使得两个谐振频率附近的工作频段合并为一个频段，形成宽频带的结构。

用上述的方法，可以形成单频段、多频带结构或宽频带结构，其具体效果受到金属柱的各个参数的影响，利用三维全波仿真，对具体结构进行计算和优化，得到满足指标的产品。

如图5、图6所示，在三维全波仿真中设置了芯片的等效模型，之后分别将普通散热器和同样轮廓大小本发明公开的散热器置于芯片上方，通过仿真得到两种情形下，不同频率下芯片辐射的总功率，分别记为p0(f)和ps(f)，f为频率。两种散热器的尺寸信息如图5、图6所示，图中α＝48mm，w＝3mm，p＝5mm；h＝15mm；d＝10mm；d1＝10mm；d2＝2.5mm。

底座上有金属柱的散热器的屏蔽效能(se)计算如下：

se(f)＝10lg[p0(f)/ps(f)]。(2)

在本实施例中，本发明公开的散热器的屏蔽效能，按公式(2)计算的结果如图7所示。从该结果中，我们可以看到，本设计实现了中心频率为25.5ghz(屏蔽效果大于10db的频带中心)，带宽7ghz范围内大于10db的屏蔽效能。对于该设计的屏蔽效能，其具体实现数值与散热器的尺寸有关。在本算例中，我们在芯片周围刻蚀了两圈金属柱，在算例的尺寸下，屏蔽效能在22-29ghz范围内能达到10db以上。当散热器整体尺寸变大，即我们可以加入更多圈金属柱时，屏蔽效能更大。在实际工程应用中，一般以5db或10db对产品性能进行标定。若有特殊需求，可以结合产品尺寸，通过三维全波仿真来进行定制。

此外，对两种散热器的散热能力，通过仿真进行对比。假设芯片3与散热器的底座2接触部分为热源，其功率为10w。在普通散热器和我们设计散热器的各个面上，分别画出温度的分布图，如图8所示。图中可见，本发明公开的散热器的温度峰值为80℃，而普通金属散热器的温度峰值为88℃。这说明本发明公开的散热器的散热能力并未降低，甚至有一定提升。

综上所述，本发明所公开的全金属散热器实现了电磁屏蔽能力以及散热能力的提升。

最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。