消费者电子产品中的射频滤波器散热片组设计

摘要

一种具有电磁(EM)屏蔽的热管理设备包括具有多个通道的散热片组。该散热片组具有上表面和下表面。该散热片组具有组长度、组高度和组宽度。该散热片组具有被取向成将上表面连接到下表面的散热片。该多个通道从第一端朝向第二端延伸。多个通道中的第一通道毗邻上表面，并且多个通道中的第二通道毗邻下表面。

说明书

发明背景

现代计算设备正变得越来越强大和紧凑。计算设备的外壳或壳体体积内的空间被更多组件和更强大的组件所需要。更强大的组件通常会在使用过程中消耗更多的电能并产生更多的热量。同样，更强大的组件也需要更高的数据速率，这会产生更大量的电磁(EM)辐射。

紧凑和便携式计算设备依靠无线通信来访问网站、远程服务器和其他启用互联网的功能。计算设备中包括无线通信的天线特别容易受到来自计算设备的其他组件的EM干扰。传统上，解决电磁干扰和日益强大的组件所产生的热能的方法是使用更大的壳体或外壳来将组件移动得更加分开、提供空气流、并保护天线免受电磁干扰。现代便携式设备的用户对轻薄式设备表现出强烈的偏好。需要更小的、更有效的热管理和EM衰减的设备。

概述

在一些实现中，计算设备包括天线、热源和散热片组(fin pack)。散热片组与热源热连通以耗散来自热源的热量。散热片组与天线毗邻，但散热片组和天线之间没有任何附加的电磁屏蔽。

在一些实现中，具有电磁(EM)屏蔽的热管理设备包括具有多个通道的散热片组。散热片组具有上表面和下表面。散热片组具有组长度、组高度和组宽度。散热片组具有被取向成将上表面连接到下表面的散热片。多个通道从第一端朝向第二端延伸。多个通道中的第一通道毗邻上表面，并且多个通道中的第二通道毗邻下表面。

在一些实现中，一种设计具有EM屏蔽的热管理设备的方法包括：确定EM屏蔽要求；确定热管理要求，以及设计散热片组以同时满足EM屏蔽要求和热管理要求两者。

提供本概述以便介绍将在以下的详细描述中进一步描述的一些概念。本概述不旨在标识所要求保护的主题的关键或必要特征，也不旨在用于帮助限制所要求保护的主题的范围。

本公开的各实现的附加特征和优点将在以下描述中叙述，并且其一部分根据本描述将是显而易见的，或者可通过对此类实现的实践来获知。此类实现的特征和优点可通过在所附权利要求书中特别指出的工具和组合来实现和获得。这些和其他特征将从以下描述和所附权利要求书中变得更完全的显见，或者可以通过如下文所阐述的此类实现的实践来习得。

附图简述

为了描述可以获得本公开的上文所列举的及其他特征的方式，将通过参考附图中所例示的其特定实现来呈现更具体的描述。为了更好地理解，贯穿各个附图，相同的元素已由相同的附图标记来指定。尽管一些附图可以是概念的示意性或夸大的表示，但至少一些附图可按比例绘制。可以理解附图描绘了一些示例实现，将通过使用附图以附加特征和细节来描述和解释这些实现，在附图中：

图1是根据本公开的至少一个实现的具有输入设备的计算设备的透视图；

图2是根据本公开的至少一个实现的图1的计算设备的冷却系统的示意图；

图3是例示根据本公开的至少一个实现的设计集成式电磁(EM)屏蔽散热片组的方法的流程图；

图4是根据本公开的至少一个实现的集成式EM屏蔽散热片组的透视图；

图5是根据本公开的至少一个实现的另一集成式EM屏蔽散热片组的横截面图；以及

图6是例示根据本公开的至少一个实现的集成式EM屏蔽散热片组的EM衰减的图表。

详细描述

本公开一般涉及用于提供集成式热管理设备和电磁(EM)屏蔽设备的设备、系统和方法。更具体地，本公开涉及提供散热片组以用于耗散由计算设备的电子组件产生的热量。根据本公开的散热片组还在衰减范围内衰减由计算设备的电子组件产生的EM辐射。该衰减范围是基于计算设备的天线来选择的。例如，计算设备的电子组件在使用期间产生热量和EM辐射两者。热量可通过包括散热片组的冷却系统从电子组件耗散，该散热片组提供了更大的表面积以与空气流交换热量。散热片组可被调整大小并被布置成用作类似于法拉第笼或其他射频(RF)缓冲器的EM衰减器以衰减会干扰天线性能的EM辐射并执行其散热的目的。

可能期望生产尽可能薄和轻的计算设备。在一些实现中，根据本公开的集成式散热片组通过将具有不同目的的两个组件组合成单个组件而节省了空间和重量。如将示出的，测试已表明与传统的两组件配置相比，集成式散热片组可以提供经改善的热管理性能和经改善的EM衰减性能两者。

图1是计算设备100的实现的透视图。计算设备100可包括通过铰链106可移动地彼此连接的第一部分102和第二部分104。在一些实现中，计算设备100的第一部分102可包括向用户呈现视觉信息的显示器108，而计算设备100的第二部分104可包括一个或多个输入设备110(诸如触控板、键盘等)以允许用户与计算设备100进行交互。在计算设备是混合计算机的实现中，第一部分102可包括显示器108和至少一个处理器112。第一部分102可进一步包括附加的计算机组件，诸如存储设备、系统存储器、图形处理单元、图形存储器、一个或多个通信设备(诸如WIFI、蓝牙、近场通信)、外围连接点等。在一些实现中，第一部分102可以从铰链106和/或第二部分104移除。

图2是参照图1描述的计算设备100的冷却系统114的详细视图。计算设备100包括产生热量的各种组件。热源116可以是计算设备中产生热量的任何组件，但可特别地包括处理器112(诸如中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)、物理处理单元或其他处理器)、系统存储器、视频存储器、存储设备、网络设备、显示设备、输入设备、光驱、外围连接端口或计算设备100的任何其他组件。

在一些实现中，来自热源116的热量通过散热器118从热源116跨表面分布。在其他实现中，热量通过热传递元件120从热源116朝向计算设备100的较冷区域和/或朝向排气口(exhaust)传导。在其他实现中，热量从热源116通过冷板118传导到热传递元件120。

热传递元件120可以是将热量从较高热能的区域传导至较低热能的区域的热传导材料(诸如铜、银或铝)。例如，热传递元件120将热量从毗邻热源116的热传递元件120的第一端122朝向邻近热沉的热传递元件120的较冷的第二端124传导，以降低沿热传递元件120的温度梯度。在其他示例中，热传递元件120可以是可进一步帮助将热能从热源116转移走的热管。

在热管的较高温度(“热”)界面处，与热传导固体表面接触的液体通过吸收来自该表面的热量而变成蒸气。然后，蒸气沿着热管行进至较低温度(“冷”)界面并凝结变回液体从而释放潜在的热量。然后，液体通过例如毛细作用、离心力或重力等返回到热界面，并重复该循环。由于沸腾和冷凝的高热传递系数，因此蒸气冷却系统的热管是有效的热导体。有效导热系数随热管长度而变化，长热管的有效导热系数可达100kW/(m·K)，而铜约为400W/(m·K)。

在一些实现中，热传递元件120的第二端124与诸如散热片组126之类的热沉接触、邻近诸如散热片组126之类的热沉，或附接到诸如散热片组126之类的热沉。散热片组126包括热传导材料或由热传导材料制成以将热能从热传递元件120的第二端124传导到散热片组126中。散热片组126具有增加散热片组126的表面积以耗散热能的多个散热片、通道、轨道或其他结构。

在一些实现中，热传导材料有在具有上限值、下限值、或上限值与下限值的范围内的导热系数，该上限值或下限值包括100瓦特每米-开尔文(W/m·K)、125W/m·K、150W/m·K、175W/m·K、200W/m·K、250W/m·K、300W/m·K、400W/m·K、450W/m·K中的任一者或其间的任何值。例如，导热系数可以大于100W/m·K。在其他示例中，导热系数可以小于450W/m·K。在又一示例中，导热系数可以在100W/m·K和450W/m·K之间。在进一步的示例中，导热系数可以大于150W/m·K。在至少一个示例中，导热系数可以大于250W/m·K。

在一些实现中，冷却系统114是无源系统，其将热能从热源116汲取到散热片组126，并且散热片组126通过自然对流来耗散热能。在其他实现中，冷却系统114是有源冷却系统，其将热能从热源116汲取到散热片组126，并且散热片组126通过因风扇128而流过散热片组126或流经散热片组126上方的空气来耗散热能。风扇128可使空气流移动通过散热片组126的一个或多个通道，使得空气从散热片组126的表面吸收热能。来自散热片组126的热耗散降低了散热片组126的温度，以允许热传递元件120将更多的热量从热源116传递到散热片组126。

在传统的计算设备100中，EM屏蔽130可被定位在电子组件的至少一部分的周围或上方。例如，处理器112或计算设备100的其他电子组件在操作期间产生EM辐射。由处理器112或其他电子组件发射的EM辐射可能会干扰天线132的操作。计算设备100的EM屏蔽130可在天线意图接收的频率范围内衰减由处理器112或其他电子组件发射的EM辐射。

EM屏蔽130限定了屏蔽侧(EM屏蔽130外部)和EM辐射源所在的非屏蔽侧(EM屏蔽130内部)。EM屏蔽可以是法拉第笼式EM屏蔽130，其包括用于在内部抑制来自处理器112或其他电子组件的EM辐射的导电材料。沿着法拉第笼的EM辐射的内部传导屏蔽了可能会干扰天线132的操作的EM辐射。

然而，传统的法拉第笼式EM屏蔽130在通过EM屏蔽130传递热能方面效率低下，并且可能通过限制通过EM屏蔽130的通风而导致热源116温度升高。在EM屏蔽130中提供了一个孔洞134以允许空气流过该孔洞以便从热源116和计算设备100排放热能(经由温暖的空气)。在一些实现中，孔洞134可具有取决于特定设计要求(诸如，热或RF要求)的面积。

孔洞134在允许更有效的空气流从EM屏蔽130内的热源116排出的同时，可允许EM辐射泄漏出EM屏蔽130。在天线邻近孔洞134的实现中，EM辐射泄漏会干扰要由天线132接收的信号。传统计算设备100可包括被定位成邻近或毗邻散热片组126和/或孔洞134的射频(RF)缓冲器以限制EM辐射通过散热片组126从孔洞泄漏。然而，RF缓冲器减少了通过孔洞134的空气流，从而降低了低冷却系统114的热管理效率和能力。

根据本公开的散热片组126具有由散热片和轨道限定的多个通道。散热片组126通过热传递元件120或其他机构与热源116热连通以传递来自热源116的热能。通道允许空气从风扇128流经散热片组126，同时基于要衰减的EM辐射的频率来选择通道、轨道和散热片的尺寸。因此，散热片组126使由处理器112或其他电子组件产生的EM辐射衰减。在一些实现中，散热片组126可以与EM屏蔽130电接触。

图3是例示设计EM衰减热管理设备(诸如参考图2描述的散热片组)的方法236的流程图。方法236包括在242处集成已知展现出期望的热特性的独立散热片组设计238和已知展现出期望的EM屏蔽特性的独立RF缓冲器设计240。集成包括在单个整体件中形成散热片组和RF缓冲器。例如，散热片组可由具有至少部分地基于独立RF缓冲器的网孔尺寸或网眼尺寸的通道尺寸的热传导材料和导电材料的单个连续件来机加工或铸造。

方法236包括执行仿真(诸如有限元分析、热仿真、原型设计或其组合)来验证集成式设计不会降低独立散热片组设计238下方244-1处的热性能，并验证集成式设计不会降低独立RF缓冲器设计240下方244-2处的RF性能。如果集成式设计在244-1处的热性能验证或244-2处的RF性能验证中失败，则在246处优化该集成式设计。优化可包括改变散热片高度、散热片深度、散热片厚度、散热片间隙、散热片材料或其组合。

例如，法拉第笼式缓冲器的EM屏蔽基于波长和在该波长下所需的衰减。例如，频率越高，EM辐射的波长越短。波长越短，衰减EM辐射所需的网孔或通道开口越小。

法拉第笼通过平衡笼任一侧的电场来工作。基本连续的法拉第屏蔽允许电荷通过法拉第屏蔽的壁自由传导并成为空心导体。在法拉第屏蔽中引入孔洞可使EM辐射通过该孔洞泄漏。为了使法拉第笼如此工作，该孔洞大小必须比感兴趣的波长小很多倍。通过将导电散热片组置于孔洞中，该散热片组根据散热片组的通道大小将孔洞划分成较小的开口的集合。但是，随着散热片组通道被延长，散热片组会为小于通道大小的EM辐射波长提供附加的衰减，因为EM辐射必须通过通道长度才能从散热片组泄漏。例如，可通过散热片组的接地、天线相对于法拉第笼的距离和/或位置、散热片组配置、散热片间距、频率、其他因素或其组合来控制衰减。

在一些实现中，散热片间距可能是最重要的因素。例如，在设计散热片组时，散热片间距可能比其他设计变量更高地加权。在进一步的实现中，散热片高度可能是最重要的因素。例如，散热片高度可能比其他设计变量更高地加权。在甚至进一步的实现中，散热片间距可能比散热片高度更高地加权，而散热片高度可能比其他设计变量更高地加权。

虽然减小通道横截面面积可以增加EM辐射的衰减，但是经减小的通道横截面面积也将减少通过通道的空气流，从而不利地影响热管理性能。方法236包括迭代散热片组设计的变型以在248产生满足244-1处的热性能验证和244-2处的RF性能验证的最终组合RF-散热片组设计。

图4是EM屏蔽散热片组326的实现的透视图。散热片组326具有组宽度350、组长度352和组高度354。组宽度350和组高度354的大小被调整成使得散热片组的横截面面积适合散热片组326可被定位在其中的孔洞。散热片组长度352可变化以改变热管理特性(例如，改变散热片组326的总表面积)和/或改变EM衰减特性(例如，改变通道长度以增加衰减)。散热片组326包括取向成在散热片组326的上表面355和下表面357之间的多个散热片356。散热片356辐射和/或传导热能。散热片356是导电的，当与导电的轨道358一起布置时提供EM衰减，并且在各散热片356之间提供电连续性。

在一些实现中，轨道358被定位在散热片356的一端以在散热片组326的该端提供电连续性和EM屏蔽。例如，轨道358可被定位在散热片组326的端部，该散热片组326配置成被定位在计算设备的孔洞中。在其他实现中，轨道358可以是连续的片，其沿着组长度352的一部分或全部与散热片356形成接合。例如，轨道358和散热片356可通过至少组长度的25％、组长度352的50％、组长度的75％或组长度的100％来彼此接触。在此类实现中，轨道348和散热片356形成取向成从散热片组326的第一端到散热片组326的第二端平行于上表面355和下表面357的通道。这些通道提供了通过其的流体连通以引导空气流通过散热片组326。

较长的轨道358可增加可用于热辐射和/或导热系数的表面积。较长的轨道358还可增加由电子组件产生的EM辐射的EM衰减。但是，较短的轨道358可增加通过散热片组326的空气流，从而增加散热片组326的整体热管理能力。

图5是EM屏蔽散热片组426的另一实现的横截面图。在所例示的实现中，轨道458在散热片组426的组长度上是连续的。散热片组426包括彼此电连通的多个散热片456和多个轨道458。散热片456具有散热片厚度460，并且轨道458具有轨道厚度462。增加散热片厚度460和/或轨道厚度462可减少通过由散热片456和轨道458限定的通道464的空气流，同时增加散热片456和轨道458的电导率。

散热片456和轨道458之间的通道464具有通道宽度466和通道高度468。通道宽度466和通道高度468限定了类似于法拉第笼的网眼大小或网孔大小之类的通道面积。增加通道面积会增加空气流和热量管理能力。减小通道面积会增加EM衰减和EM屏蔽能力。

虽然示为彼此正交地取向，但是散热片456和轨道458可相对于彼此以任何角度取向。附加地，轨道458和/或散热片456可以是非平面的。例如，通道464可具有非矩形的横截面形状。在一些实现中，通道464可以具有包括矩形、三角形、平行四边形、六边形、五边形、八边形、其他正多边形、不规则多边形、镶嵌多边形的组合、弯曲形状、不规则形状、或其组合中的任何一种截面形状。例如，一些通道464可以是八边形的，其中菱形通道464被定位在它们之间。

在一些实现中，所有通道464均具有相同的形状和相等的横截面积。例如，散热片组426的通道464的横截面可以是均匀的。在其他实现中，所有通道464均具有相同的形状，而一些通道具有不同的横截面积。例如，通道464可以全部具有正方形的横截面，但是正方形可具有不同的面积。在又一实现中，通道464具有不同的形状但是具有相同的横截面积。例如，多边形的半规则镶嵌图案可能具有相等的面积，尽管形状不同。

在至少一个实现中，已经对集成式EM屏蔽散热片组进行了测试，以证明热管理性能以及EM衰减性能都得到了提高。比较是在基准的传统堆叠组合和外形尺寸相似以适应同一应用的集成式EM屏蔽散热片组之间进行的。例如，在测试中，电子设备的EM屏蔽封装为215mm乘126mm乘8.6mm(分别在x，y和z方向上)，并且EM屏蔽封装由铝制成。尺寸为109mm乘90.5mm乘0.85mm的八层印刷电路板(PCB)位于封装的内部。在平面中的PCB的导热系数为40.1W/mK，而穿过平面的PCB的导热系数为0.46W/mK。尺寸为15mm乘12.4mm乘2.17mm的处理器(热源)被安装在PCB的顶部。此处理器生成20W的连续功率。尺寸为127.4mm乘12.4mm乘1mm的热管将芯片连接到散热片组。毗邻于散热片组安装了一台67mm乘64mm乘3.8mm的鼓风机以提供35dBA的空气流。

首先测试了散热片组和RF缓冲器的基准传统组合。RF缓冲器具有2mm直径的孔以允许空气从中流过，同时使得由处理器产生的EM干扰衰减。2mm直径的孔提供了通过RF缓冲器的60％的开口面积。传统的散热片组的尺寸为63.7mm乘14.4mm乘2.7mm，且散热片厚度和散热片间隔分别为0.1mm和1.0mm。

集成式EM屏蔽散热片组的实现使深度从传统散热片组的14.4mm增加到16.5mm，这可以通过移除单独的RF缓冲区并将其集成到单个集成式EM屏蔽散热片组中来实现。散热片间隔也从1.0毫米减小到0.9毫米。在没有RF缓冲器的情况下，通过集成式EM屏蔽散热片组的空气流比通过传统组合的空气流更大，从而允许间距变窄，这减少了气流，但改善了RF衰减。

将测试的实现与传统的独立RF缓冲器和传统的独立散热片组的组合进行了比较。集成式散热片组增加了以立方英尺每分钟(CFM)来测量的空气流的流速，从而降低了处理芯片的温度，并降低了周围电磁屏蔽内的温度，也称为“桶温度(bucket temperature)”。比较结果如下表1所示。集成式散热片组允许移除独立的RF缓冲器，从而增加通过散热片组的空气流和从热管传递的热能，以将处理器温度降低约5％。类似地，计算设备的EM屏蔽(诸如图2的EM屏蔽130)内的环境温度降低达1.4°摄氏度。

表1

图6例示了图表570，其例示了集成式散热片组的EM衰减与传统的RF缓冲器和传统的散热片组的组合的EM衰减相比的变化。图表570示出了在比较的衰减范围572中的EM辐射的衰减。上部曲线是传统的RF缓冲器和传统的散热片组的堆叠组合的传统衰减曲线574。传统系统在5.2千兆赫(GHz)至5.6GHz的衰减范围内显示30分贝(dB)的平均衰减。

下部曲线是集成式EM屏蔽散热片组的集成式衰减曲线576。集成式衰减曲线576在衰减范围572内具有约55dB的平均衰减。因此，相对于基准传统组合，衰减通过集成式散热片组得到了改善(较低的噪声水平与较大的衰减相关联)。

在其他实现中，集成式散热片组在2.2GHz至2.6GHz的衰减范围内衰减EM辐射。在又一实现中，集成式散热片组在800MHz至900MHz的衰减范围内衰减EM辐射。在进一步的实现中，集成式散热片组在1.8GHz至2.0GHz的衰减范围内衰减EM辐射。

在一些实现中，集成式散热片组在整个衰减范围内将衰减范围内的EM辐射衰减至少20dB。在其他实现中，集成式散热片组在整个衰减范围内将衰减范围内的EM辐射衰减至少30dB。在又一实现中，集成式散热片组在整个衰减范围内将衰减范围内的EM辐射衰减至少40dB。

在一些实现中，集成式散热片组跨整个衰减范围将衰减范围内的EM辐射衰减平均至少20dB。在其他实现中，集成式散热片组跨整个衰减范围将衰减范围内的EM辐射衰减平均至少30dB。在又一实现中，集成式散热片组跨整个衰减范围将衰减范围内的EM辐射衰减平均至少40dB。

本公开的一个或多个具体实现将在本文中被描述。这些所描述的实现是本公开技术的示例。附加地，为了提供这些实现的简明描述，并未在说明书中描述实际实现的所有特征。将理解，在任何此类实际实现的开发中，如在任何工程或设计项目中，将做出许多因实现而异的决策以实现开发者的特定目标，诸如符合可能因实现而异的与系统相关的和与业务相关的约束。此外，将理解，此类开发工作可能是复杂且耗时的，但对那些受益于本公开的普通技术人员而言却将是设计、制造和加工的例行工作。

冠词“一”、“一个”和“该”旨在表示在前面的描述中存在各元素中的一个或多个。术语“包括”、“包含”、以及“具有”旨在是包含性的，并表示除所列出的元素以外可以有附加的元素。附加地，将理解，对本公开的“一种实施方式”或“一实施方式”的引用不旨在被解释为排除也纳入所述特征的附加实施方式的存在。例如，关于本文的实施方式描述的任何元素可与本文描述的任何其他实施方式的任何元素相组合。本文中所阐述的数字、百分比、比率或其他值旨在包括该值，以及还有“约”或“近似”所阐述的值的其他值，如由本公开的实施方式所涵盖的将由本领域普通技术人员所领会的那样。因此，所阐述的值应当被足够宽泛地解释以涵盖至少足够接近用来执行期望的功能或实现期望的结果的所阐述的值的值。所阐述的值至少包括将在合适的加工或生产过程中预期到的变化，并且可包括在所阐述的值的5％内、1％内、0.1％内或0.01％内的值。

鉴于本公开，本领域普通技术人员将认识到，等同构造不脱离本公开的精神和范围，并且，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可对本文公开的各实现进行各种改变、替换和变更。包括功能“装置加功能”款项的等效构造旨在覆盖本文描述为执行所述功能的结构，包括以相同方式操作的结构等同物以及提供相同功能的等效结构两者。申请人的明确意图是，除非在“用于...装置”一词与相关联的功能一起出现的情况下，否则不对任何权利要求援引装置加功能或其他功能声明。对权利要求的含义和范围内的各实施方式的每个添加、删除和修改都将被权利要求所接受。

如本文中所使用的术语“大约”、“约”和“基本上”表示接近仍执行期望的功能或实现期望的结果的所阐述的量的量。例如，术语“大约”、“约”和“基本上”可以指在小于所阐述的量的5％内、小于所阐述的量的1％内、小于所阐述的量的0.1％内、和小于所阐述的量的0.01％内的量。此外，将理解，前面描述中的任何方向或参考系仅仅是相对的方向或移动。例如，对“向上”和“向下”或者“之上”或“之下”的任何引用仅仅描述了相关元素的相对位置或移动。

本公开可以以其他具体形式来体现，而不背离其精神或特性。所描述的实施方式被认为是说明性的而非限制性的。从而，本发明的范围由所附权利要求书而非前述描述指示。落入权利要求书的等效方案的含义和范围内的改变应被权利要求书的范围所涵盖。