專利名稱：利用沸騰的薄型熱分散液體室的制作方法
利用沸騰的薄型熱分散液體室 背景 本發(fā)明涉及利用液體沸騰來提供熱傳遞的熱分散器(heat spreader)。
半導(dǎo)體技術(shù)的連續(xù)進(jìn)步已經(jīng)驅(qū)動(dòng)了處理器和其它電子元件可以工作的密度以及 速度的顯著增加。這些技術(shù)進(jìn)步的副作用是，在正常工作中，目前工藝水平的處理器和其它 集成電路與它們的前代產(chǎn)品(predecessor)相比產(chǎn)生明顯更多的熱。 高熱通量和高功率微電子設(shè)備要求發(fā)展創(chuàng)新的且有效的熱分散器，這些創(chuàng)新的且 有效的熱分散器可以在較寬的平坦表面上提供均勻的溫度分布。常規(guī)地，熱分散器被用于 有效地耗散由半導(dǎo)體設(shè)備產(chǎn)生的熱。常規(guī)的熱分散器一般使用高熱傳導(dǎo)性的實(shí)心塊(比如 銅、鋁以及石墨)。熱分散器熱連接到起到熱釋放構(gòu)件(heat-releasing member)作用的散 熱裝置。 —種冷卻技術(shù)是熱管。熱管包括密封殼層(sealed envelope)，該殼層界定包 含毛細(xì)芯(capillary wick)和工作流體的內(nèi)部室，工作流體能夠在想要的工作溫度范圍 內(nèi)既具有液相又具有蒸汽相。當(dāng)室的一部分被暴露于相對(duì)較高的溫度時(shí)，其起到蒸發(fā)器 段(evaporator section)的作用。工作流體在該蒸發(fā)器段中被汽化，引起輕微的壓力增 加，將蒸汽推動(dòng)到室的溫度相對(duì)較低的段，該溫度相對(duì)較低的段起到冷凝器段(condenser section)的作用。熱管被設(shè)計(jì)成蒸發(fā)而不沸騰，因?yàn)榉序v作為用于大多數(shù)熱管的限制因素 是眾所周知的。蒸汽在冷凝器段中被冷凝，并且通過毛細(xì)泵吸作用(capillary pumping action)穿過毛細(xì)芯返回到蒸發(fā)器段。因?yàn)闊峁芑谙嘧兊脑砉ぷ鞫皇腔趥鲗?dǎo) 或?qū)α鞯脑砉ぷ?，所以熱管理論上能夠使用和傳?dǎo)式傳熱系統(tǒng)(conduction heat transfer system)相比較低的熱阻傳輸熱。因此，熱管已經(jīng)被用于冷卻各種類型的高發(fā) 熱裝置(heat-producinga卯a(chǎn)ratus)，比如電子設(shè)備(例如，參見美國(guó)專利No. 3， 613， 778 ; 4， 046， 190 ;4， 058， 299 ;4， 109， 709 ;4， 116， 266 ;4， 118， 756 ;4， 186， 796 ;4， 231， 423 ; 4， 274， 479 ;4， 366， 526 ;4， 503， 483 ;4， 697， 205 ;4， 777， 561 ;4， 880， 052 ;4， 912， 548 ; 4， 921， 041 ;4， 931， 905 ;4， 982， 274 ;5， 219， 020 ;5， 253， 702 ;5， 268， 812 ;5， 283， 729 ; 5， 331， 510 ;5， 333， 470 ;5， 349， 237 ;5， 409， 055 ;5， 880， 524 ;5， 884， 693 ;5， 890， 371 ; 6， 055， 297 ;6， 076， 595 ;以及6， 148， 906和7， 124， 809)。 熱管內(nèi)的蒸汽流動(dòng)和液體的毛細(xì)流動(dòng)都通過壓力梯度產(chǎn)生，這些壓力梯度通過熱 管內(nèi)自然地發(fā)生的壓力差之間的相互作用產(chǎn)生。這些壓力梯度消除了對(duì)于系統(tǒng)流體的外部 泵吸的需要。另外，在不帶有不可冷凝的氣體時(shí)，處于平衡的液體和蒸汽的存在引起較高的 熱效率。為了增加熱管的效率，現(xiàn)有技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了各種芯結(jié)構(gòu)(wicking structure)以提 高冷凝器段和蒸發(fā)器段之間的液體傳輸以及提高芯及其周圍環(huán)境之間的傳熱性能。它們已 經(jīng)包括了管道內(nèi)表面的縱向布置的平行溝槽以及隨機(jī)劃痕。另外，現(xiàn)有技術(shù)還公開了固定 地連接到管內(nèi)壁的芯結(jié)構(gòu)的使用。這些芯的組成和幾何形狀已經(jīng)包括了均勻的細(xì)絲網(wǎng)以及 燒結(jié)金屬。燒結(jié)金屬芯一般包括金屬顆粒的混合物，這些金屬顆粒已經(jīng)被加熱到足以在它 們各自的接觸點(diǎn)引起鄰近顆粒熔化或焊接的溫度。燒結(jié)金屬粉隨后形成帶有毛細(xì)管特征的 多孔結(jié)構(gòu)。雖然現(xiàn)有技術(shù)中燒結(jié)芯已經(jīng)展示了充分的傳熱特性，但顆粒之間細(xì)小的金屬到金屬的融合界面傾向于限制穿過芯的熱能傳導(dǎo)。這已經(jīng)限制了本領(lǐng)域中燒結(jié)芯的有用性。
簡(jiǎn)言之，芯為產(chǎn)生毛細(xì)管壓力的構(gòu)件，并且因此，優(yōu)選地，其對(duì)于工作流體具有優(yōu) 秀的親合性，并且優(yōu)選地，其毛細(xì)管的有效半徑在形成在液相工作流體的液體表面上的彎 液面處盡可能小。因此，多孔燒結(jié)化合物(porous sintered compound)或一束極端細(xì)的絲 一般地被應(yīng)用為芯。在那些依據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的芯構(gòu)件中，多孔燒結(jié)化合物可以產(chǎn)生大的毛細(xì) 管壓力(即，對(duì)于液相工作流體的泵吸力)，因?yàn)槠淝坏拈_口尺度小于其它芯的開口尺度。 同樣，多孔燒結(jié)化合物可以被形成板形狀，使得其可以被容易地應(yīng)用在平坦的板型熱管或 類似物上，這被稱為蒸汽室(vapor chamber)，其在近些日子已經(jīng)引起注意。因此，從那些觀 點(diǎn)看來，多孔燒結(jié)化合物為優(yōu)選的芯材料。 如美國(guó)專利No. 7， 137， 442 ( '442專利)中討論的，如果多孔主體作為芯被應(yīng)用為 熱管的一部分，則有可能增加毛細(xì)管壓力以便回流液相工作流體。這對(duì)于縮減尺寸的蒸汽 室是有優(yōu)勢(shì)的。但是，流動(dòng)路徑通過在作為多孔主體的材料的細(xì)粉末中形成的腔而形成， 使得流動(dòng)路徑的流動(dòng)截面面積是小的且像迷宮一樣錯(cuò)綜復(fù)雜。因此，有可能提高起到泵吸 力的作用以將液相工作流體回流到其蒸發(fā)的一部分的毛細(xì)管壓力。然而，另一方面，其有缺 陷，因?yàn)榈挚挂合喙ぷ髁黧w的流動(dòng)阻力相對(duì)較高。為此，例如，如果來自外部的熱的輸入量 突然急劇增加，那么芯可能由于缺少補(bǔ)給到工作流體發(fā)生蒸發(fā)的那部分的液相工作流體而 變干。'442專利公開了一種蒸汽室，其中依據(jù)熱的輸入和輻射狀態(tài)而蒸發(fā)和冷凝的可冷凝 的流體作為液相工作流體被封裝在中空并且平坦的密封容器中；并且其中，用于通過工作 流體的潤(rùn)濕來產(chǎn)生毛細(xì)管壓力的芯被布置在所述密封容器中，所述密封容器包括用于通 過被所述工作流體潤(rùn)濕而產(chǎn)生大的毛細(xì)管壓力的芯，該芯被布置在蒸發(fā)部分側(cè)上，其中熱 從外部輸入該蒸發(fā)部分側(cè)；以及具有抵抗?jié)櫇竦墓ぷ髁黧w的小流動(dòng)阻力的芯，該芯被布置 在冷凝部分側(cè)上，其中熱從該冷凝部分側(cè)面輻射到外部。
附圖簡(jiǎn)述

圖1示出了示例性熱分散器。 圖2A和圖2B示出了用于引導(dǎo)液體在熱分散器的室內(nèi)流動(dòng)運(yùn)動(dòng)的示例性結(jié)構(gòu)。 圖3為示出了圖1熱分散器對(duì)相對(duì)于重力的不同定向的接近均勻性能的圖表。 圖4A-4B描繪了熱分散器對(duì)相對(duì)于重力的定向的獨(dú)立性。 圖5A-5C示出了另一種示例性熱分散器。 圖6為示出了在各種工作溫度時(shí)熱分散器的性能的圖表。 圖7為示出了帶有和不帶有熱傳導(dǎo)微孔涂層(thermally-conductivemicro-poro us coating) (TCMC)涂層的熱分散器的示例性性能的圖表。 圖8為示出了其室中帶有不同高度的液體的熱分散器的示例性性能的圖表。
圖9A、圖9B和圖9C示出了其中結(jié)構(gòu)件可以被放置在第一板、第二板上或分別懸掛 在兩個(gè)板之間的各種實(shí)施方式。 圖10示出了其中第一板用熱源表面本身代替的另一方面。
概述 —方面，提供了一種用于冷卻設(shè)備的熱分散器。該熱分散器具有相互接近的對(duì)置 的第一表面和第二表面，該相互接近的對(duì)置的第一表面和第二表面界定其中裝有液體的外 殼、室、容器或器皿；以及一個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)件，該一個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)件安裝在室內(nèi)，以在液體沸騰以分配熱的過程中引起液體流動(dòng)模式(liquid flow pattern)。 上面的方面的實(shí)施可以包括下列中的一個(gè)或多個(gè)。相互接近的對(duì)置的表面具有位 于第一表面和第二表面之間的0. 1毫米和3. 5毫米之間的間隙。每個(gè)表面可以為板的一個(gè) 表面或側(cè)面。該板可以為剛性的。 一個(gè)表面可以為板的一個(gè)側(cè)面，并且另一表面可以與各種 熱發(fā)生設(shè)備熱接觸。該設(shè)備可以為倒裝芯片(flip-chip die)，其中，板定位成與該倒裝芯 片對(duì)置，并且其中，該倒裝芯片和板界定室。該設(shè)備還可以為帶有周邊板(circumferential plate)的倒裝芯片，該周邊板延伸芯片的平面，且第二板定位成與倒裝芯片和周邊板對(duì)置。 該一個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)件可安裝在對(duì)置的表面中的至少一個(gè)上，或者可安裝在對(duì)置的表面之 間。該第一表面與設(shè)備熱接觸，且一個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)件在室內(nèi)部安裝在第一表面上。可選擇 地，該一個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)件可以安裝在不與設(shè)備直接接觸的第二表面上。該對(duì)置的第一表面 和第二表面被分開一小間隙。該對(duì)置的第一表面和第二表面具有位于設(shè)備上的預(yù)定區(qū)域上 方的第一分離距離以及圍繞該預(yù)定區(qū)域的第二分離距離，并且其中，第二分離距離大于第 一分離距離?？蛇x擇地，該對(duì)置的第一表面和第二表面可以具有均勻的分離距離。液體流動(dòng)
模式由氣泡泵吸(bubble pumping)引起。在一個(gè)實(shí)施方式中，當(dāng)水平放置成使表面處于預(yù) 定位置以便加熱的表面面向室內(nèi)部的蒸汽空間時(shí)，可以通過冷凝物的泰勒不穩(wěn)定性形成氣 泡泵吸。在其它實(shí)施方式中，起泡不是通過泰勒不穩(wěn)定性的幫助開始的，而是更相關(guān)于全方 位操作能力。包括由內(nèi)部結(jié)構(gòu)件引導(dǎo)的氣泡的液體流動(dòng)模式改進(jìn)了泡核沸騰傳熱效率，并 且還通過供給液體并從加熱區(qū)域移除蒸汽來減小了局部化變干情況。 一個(gè)表面可以從設(shè)備 傳輸熱以使液體沸騰。液體可以是水、丙酮、乙醇、甲醇、制冷劑以及其混合物，或者帶有合 適的性質(zhì)比如沸點(diǎn)和蒸發(fā)熱的任何其它工作流體。液體可以包含納米顆粒。液體可以被選 定為在預(yù)定的壓力和溫度下沸騰，以匹配設(shè)備預(yù)定的熱要求。該結(jié)構(gòu)件可以為翅結(jié)構(gòu)(fin structure)或肋結(jié)構(gòu)(rib structure)，以及其它結(jié)構(gòu)。每個(gè)結(jié)構(gòu)件可以為細(xì)長(zhǎng)桿，并且一 個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)件鄰近局部加熱區(qū)域放置。每個(gè)結(jié)構(gòu)件可以為細(xì)長(zhǎng)桿，并且一個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu) 件可以間隔開，以便圍繞局部加熱區(qū)域。局部加熱區(qū)域被定位在一個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)件的中心， 或者局部加熱區(qū)域被定位成距離一個(gè)結(jié)構(gòu)件比距離另一個(gè)結(jié)構(gòu)件近。涂層可以形成在表面 上。該表面可以為燒結(jié)表面、機(jī)加工表面、蝕刻表面、微孔涂層或熱傳導(dǎo)微孔涂層(TCMC)。 可以在涂層和對(duì)置的表面之間提供O. lmm和3. 5mm之間的間隙。該涂層可以形成在下列中 的一個(gè)中凹下區(qū)域、平坦區(qū)域、擠出區(qū)域。該表面可以使用沖壓形成。該一個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)
件可以使用下列中的一個(gè)形成放置絲、放置肋、成形肋、蝕刻肋、沖壓肋或機(jī)加工肋。第一 表面和第二表面之間的間隙可以小于3. 5毫米。第一表面和第二表面之間的間隙也可以在 0. 1毫米到3. 5毫米之間。第一表面和第二表面之間的間隙可以為大約0. lmm、lmm、1. 5mm、 2mm、3mm以及3.5mm。散熱裝置或冷板可以連接到這些表面中的一個(gè)。可選擇地，熱分散器 可以連接到散熱裝置單元的底部或者被埋置在散熱裝置單元的底部中。在此情形中，散熱 裝置的底部表面可起到一個(gè)表面的作用。 在第二方面，公開了用于冷卻設(shè)備的熱分散器的系統(tǒng)和制造方法。該熱分散器具
有熱耦合到設(shè)備的第一板；以及耦合到第一板以便形成用于盛裝液體的室、容器或器皿的
第二板，該第二板具有安裝在其上的一個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)件以便引起液體流動(dòng)模式。 第二方面的實(shí)施可包括下列中的一個(gè)或多個(gè)。該一個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)件可以連接到第
一板、第二板或者可以懸掛在第一板和第二板之間。液體流動(dòng)模式通過氣泡泵吸引起。氣
6泡泵吸通過氣泡形成，而氣泡由于位于底部板處的泡核沸騰而產(chǎn)生，熱在底部板處從熱發(fā) 生設(shè)備傳輸。該氣泡泵吸的液體流動(dòng)提供了強(qiáng)循環(huán)流動(dòng)運(yùn)動(dòng)，該強(qiáng)循環(huán)流動(dòng)運(yùn)動(dòng)促進(jìn)了泡 核沸騰傳熱，并且還防止了在沸騰表面形成局部化蒸汽變干區(qū)域(vapor dryout zone)。 該第一板提供熱以使液體沸騰。該液體可以依據(jù)具體要求選擇，并且可以為水、乙醇、液態(tài) 碳氟化物、甲醇、丙酮、制冷劑或帶有合適的性質(zhì)比如例如沸點(diǎn)和蒸發(fā)熱的任何其它工作流 體。還可以使用兩種或多種液體的混合物。該結(jié)構(gòu)件可以為翅結(jié)構(gòu)或肋結(jié)構(gòu)。每個(gè)結(jié)構(gòu) 件可以為細(xì)長(zhǎng)桿，并且這些結(jié)構(gòu)件可以鄰近局部加熱區(qū)域布置(位于中心或偏離于中心)。 該結(jié)構(gòu)件可以間隔開，以便圍繞(位于中心或偏離于中心)局部加熱區(qū)域。局部加熱區(qū)域 可以被定位在一個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)件的中心，或者被定位成距離一個(gè)結(jié)構(gòu)件比距離另一個(gè)結(jié)構(gòu) 件近?？梢栽诘谝话迳闲纬赏繉?，并且該涂層可以為微孔涂層，或可以為TCMC或其它沸騰 增強(qiáng)表面。可以在第一板和第二板之間形成0. 1毫米到3. 5毫米之間的間隙。第一板可以 具有凹下區(qū)域或平坦區(qū)域。第一板可以使用沖壓形成，而第一板或第二板上的結(jié)構(gòu)件可以 使用沖壓或機(jī)加工形成。結(jié)構(gòu)件也可以從兩板分離，并且簡(jiǎn)單地插入并固定在兩板的中間。 可以使用任何形狀(線、矩形、I形梁、U形梁等等)，只要能夠通過他們形成間隙即可?？?以在第一板和第二板之間形成大約0. 1毫米到大約3. 5毫米的間隙?？梢园l(fā)展除薄平板以 外的成形因素，包括3D形狀和體積。另外，該板可以為組件比如例如翅的一部分。
本發(fā)明的優(yōu)勢(shì)可包括下列中的一個(gè)或多個(gè)。該系統(tǒng)用含有液體的薄型室 (low-profile chamber)代替常規(guī)的實(shí)心塊熱分散單元。在工作過程中，被冷卻的設(shè)備使液 體沸騰，并且沸騰的液體與薄的室或間隙組合以產(chǎn)生氣泡泵吸作用，以便引起增強(qiáng)冷卻效 果的流線型流動(dòng)模式。另外，該薄的間隙允許相對(duì)于重力進(jìn)行自由的定向。為了分散熱，該 系統(tǒng)使用薄圓形、正方形或矩形形式的泡核沸騰和冷凝。這些內(nèi)部結(jié)構(gòu)件能促進(jìn)由泡核沸 騰引起的流線型流動(dòng)模式。這些結(jié)構(gòu)件也提供防止板以及建造在其上的任何組件或部分彎 曲的機(jī)械強(qiáng)度。對(duì)于沸騰傳熱，熱分散器性能的進(jìn)一步增強(qiáng)可以通過采用不同的表面處理 來達(dá)到。中空的熱分散器的總厚度可以小至約O. l毫米，和常規(guī)的實(shí)心熱分散器相比，提供 了重量的減小。該熱分散器通過液體的沸騰并通過所引起的液體流動(dòng)模式來冷卻設(shè)備，并 且不需要外部泵就能實(shí)現(xiàn)冷卻。泵吸動(dòng)力來自氣泡由于浮力而從沸騰表面離開后的運(yùn)動(dòng)， 該運(yùn)動(dòng)提供強(qiáng)的液體泵吸動(dòng)力以及熱分散能力，并因此提供對(duì)熱分散器的方向和定位相對(duì) 不敏感的優(yōu)秀的全方位性能。
描述 現(xiàn)參照?qǐng)D1，示出了依據(jù)本發(fā)明一個(gè)方面的熱分散器。該熱分散器具有底部或第一
板10，該底部或第一板10與頂部或第二板20接合。例如，該第一板10適合于與熱發(fā)生設(shè)
備比如處理器或圖形設(shè)備熱接觸。在一個(gè)實(shí)施方式中，該第一板為帶有與熱發(fā)生設(shè)備熱接
觸的局部加熱區(qū)域的薄板。該第一板可以具有凹下部分或者可以是完全平坦的。 在組合中，第一板10和第二板20形成儲(chǔ)存液體的外殼或室。在第一板10被熱發(fā)
生設(shè)備加熱時(shí)，液體可能會(huì)沸騰，并且沸騰作用使熱發(fā)生設(shè)備在其工作期間冷卻。 第二板20具有朝向第一板10伸出的多個(gè)結(jié)構(gòu)件24。這些結(jié)構(gòu)件24可以為能引
導(dǎo)液體在室內(nèi)流動(dòng)運(yùn)動(dòng)的一系列障礙物、肋或翅。液體流動(dòng)通過氣泡泵吸作用而被增強(qiáng)，這
樣的氣泡泵吸作用將在下文關(guān)于圖3A和圖3B更詳細(xì)地描述。 為了提高也被用于當(dāng)前的熱分散器的沸騰傳熱性能，研究者已經(jīng)對(duì)表面增強(qiáng)技術(shù)進(jìn)行了調(diào)研，以增加核沸騰傳熱系數(shù)并延長(zhǎng)臨界熱通量(CHF，或可以被移除而不使表面暴 露于膜沸騰的最高熱通量)，并且這些技術(shù)已經(jīng)被商業(yè)化以最大化沸騰傳熱性能。用于增強(qiáng) 沸騰的商業(yè)化表面包括不同類型的腔或溝槽，比如Furukawa的ECR_40、 Wieland的GEWA、 Union Carbide的High-Flux、 Hitachi的Thermoexcel以及Wolverine的Turbo-B。這些 表面增強(qiáng)技術(shù)是為了增加蒸汽/氣體積留體積(entr即mentvolume)，并因此增加有效泡核 部位的密度。 在一個(gè)實(shí)現(xiàn)中，第一板具有增強(qiáng)的沸騰表面微結(jié)構(gòu)，比如微孔表面結(jié)構(gòu)。微孔涂層 (MC)提供了泡核沸騰傳熱以及CHF的顯著增強(qiáng)，同時(shí)減小了初始的壁過熱延滯(incipient wall superheat hysteresis)。微孔涂層的一個(gè)選擇是由You和0' Connor (1998)(美國(guó)專 利5814392)發(fā)展的ABM涂層技術(shù)。該涂層由它們的三種成分的初始字母而得名(Aluminum/ Devcon Brushable Ceramic/Methyl-Ethyl-Keytone)。在載體(M. E. K)蒸發(fā)后，所產(chǎn)生的涂 層組成帶有鋁顆粒(1到20 ii m)以及具有約50 ii m厚度的膠(Omegabond 101或者Devcon Brushable Ceramic)的微孔結(jié)構(gòu)，該厚度已顯示為是對(duì)于FC-72的最佳厚度。非傳導(dǎo)微孔 涂層方法的沸騰傳熱的優(yōu)勢(shì)可以通過將不導(dǎo)熱的膠用導(dǎo)熱的結(jié)合劑代替來改進(jìn)。MC的更多 細(xì)節(jié)公開于美國(guó)專利No. 5， 814， 392中，該專利的內(nèi)容通過引用并入。 在另一個(gè)實(shí)現(xiàn)中，第一板具有熱傳導(dǎo)微孔涂層(TCMC) 。 TCMC或任何合適的涂層被 用于增強(qiáng)成核沸騰傳熱性能并延長(zhǎng)泡核沸騰能力的熱通量限制(臨界熱通量)。微孔涂層 的增強(qiáng)的性能由有效泡核部位的數(shù)量的增加產(chǎn)生。來自沸騰部位的較高的氣泡偏離頻率 (bubble d印arturefrequency)降低了過熱的液體層的厚度，引起微對(duì)流傳熱的增加。TCMC 更詳細(xì)地描述在序列號(hào)為11/272， 332的共同轉(zhuǎn)讓的、共同待決的專利申請(qǐng)中，其內(nèi)容通過 引用并入。 現(xiàn)轉(zhuǎn)到圖2A和圖2B，詳細(xì)示出了用于引導(dǎo)熱分散器的室內(nèi)的液體流動(dòng)運(yùn)動(dòng)的示 例性結(jié)構(gòu)。圖2A示出了帶有鐘形布置的第二板40，其中，構(gòu)件42圍繞局部加熱區(qū)域44中 心地定位。由于受到氣泡泵吸作用的引發(fā)，構(gòu)件42以模式46A-46D引導(dǎo)液體流動(dòng)。對(duì)應(yīng)地， 圖2B示出了帶有翅布置的第二板50，其中，翅52圍繞局部加熱區(qū)域54中心地定位。由于 受到氣泡泵吸作用的引發(fā)，構(gòu)件52以模式56A-56D和56E-56F引導(dǎo)液體流動(dòng)。在通過液體 流動(dòng)來使熱量排除最大化時(shí)，液體流動(dòng)的方向是重要的，并且圖2A-2B示出了，液體運(yùn)動(dòng)被 引導(dǎo)成確保能以最大的效率來分別從局部加熱區(qū)域44和54排除熱量。
圖3為一圖表，其示出，圖1熱分散器的性能與相對(duì)于重力來說的定向無關(guān)。該熱 分散器可以垂直地、水平地或面向下(倒置)放置，在面朝下放置的情況下，液體位于局部
加熱區(qū)域下方。如其中所示的，無論定向如何，該熱分散器通過整個(gè)表面上均勻的溫度(rc
左右的差值)而提供了優(yōu)秀的熱量排除能力。因此，熱分散器的性能與定向無關(guān)。當(dāng)水平 地放置時(shí)，面向上的(液體在涂層上方)和面向下的(液體在涂層下方)構(gòu)造顯示出一樣 的性能。水平構(gòu)造顯示了高達(dá)約180W的較好的性能，而由于重力引起的快速再潤(rùn)濕的輔助 作用，垂直構(gòu)造的工作性能比大約180W要好。 圖4A-4B描繪了熱分散器在兩種水平測(cè)試構(gòu)造中的與定向無關(guān)的性能 (orientation ind印endent performance)。在圖4A中，涂層水平地面向上，而在圖4B中， 涂層水平地面向下。在任一情形中，在熱被施加之前，液體柱82存在相同的模式。因?yàn)槭?被保持在熱力學(xué)飽和狀態(tài)，所以蒸發(fā)和冷凝繼續(xù)在室的內(nèi)部發(fā)生。冷凝物在形成液體滴之后由于重力而不得不返回到較低位置。由于冷凝液體的表面張力和泰勒不穩(wěn)定性，形成了 水液體柱。此效應(yīng)在兩板之間的間距在0. 1毫米到3. 5毫米之間時(shí)特別明顯。 一旦在水平 向下構(gòu)造中通過加熱而發(fā)生沸騰，就在施加了熱的微孔結(jié)構(gòu)中的液體柱中或吸收的液體中 發(fā)生初始泡核，隨后是氣泡泵吸。此獨(dú)特的泡核沸騰初始化使得液體不分方向地大量沸騰。 連續(xù)且穩(wěn)定的大量流體泡核沸騰引起更強(qiáng)的且已確立的氣泡泵吸流動(dòng)循環(huán)模式，其提高了 熱分散效率。因此，在不考慮面向上或面向下的水平情形中，無論涂層被定位成面向上還是 面向下，氣泡泵吸泡核沸騰傳熱占傳熱的首要位置。 圖5A-5B和圖5C顯示了另外的示例性熱分散器實(shí)施方式。在圖5A中，底部板100 在102的另一個(gè)平坦側(cè)面上具有涂層，比如在局部加熱區(qū)域上方的TCMC涂層。底部102可 設(shè)置為一塊金屬(或在相同板上較厚的金屬)，該金屬有助于從熱源將熱分散到涂層。這 在熱源小時(shí)是特別有用的，因?yàn)檫@可將熱從熱源"分散"到由熱分散器界定的更寬的區(qū)域， 以提供較寬的有效涂層區(qū)域，而該有效涂層區(qū)域?qū)⒆鳛榕莺瞬课还ぷ鞑⒂兄跉馀荼梦?用。 四個(gè)洞被定位在底部板100上，以將底部板固定到散熱裝置(未示出)。圖5B顯 示了對(duì)應(yīng)的頂部板110，該頂部板110具有正好位于涂層102A上方的區(qū)域112。同樣，翅 114圍繞區(qū)域112定位，以促進(jìn)氣泡泵吸作用，在當(dāng)?shù)撞堪?00接合頂部板110時(shí)形成的室 內(nèi)，氣泡泵吸作用在一個(gè)或多個(gè)預(yù)定的方向驅(qū)動(dòng)液體。在此實(shí)施方式中，翅114與加熱區(qū)域 112不是等距離的，因?yàn)槌岵皇枪残牡?或中心地)放置在區(qū)域112周圍的。然而，在其它 實(shí)施方式比如圖2A-2B的那些實(shí)施方式中，翅42和52對(duì)稱地形成，并且在中心具有加熱區(qū) 域44和54。 圖5C顯示了通過連接定位在頂部板110上方的翅140而構(gòu)造的示例性散熱裝置。 翅140通過不同的方法，包括但不限于軟焊、銅焊、機(jī)械壓縮和化學(xué)結(jié)合而固定到頂部板 110的組件。翅140使得由圖5A-5B的熱分散器俘獲的熱量能夠被耗散到周圍空氣中。
圖6為示出了熱分散器在不同的工作溫度時(shí)的性能的圖表。如其中示出的，帶有 TCMC的熱分散器的性能隨著工作溫度的增加而輕微地增強(qiáng)。這是由于泡核沸騰傳熱的壓力 效應(yīng)。如圖6中示出的，在較高溫度時(shí)促進(jìn)了有效沸騰。 圖7為示出了帶有和不帶有TCMC涂層的熱分散器的性能的圖表。如其中示出的， 微孔涂層因?yàn)榕莺朔序v增強(qiáng)效果(nucleate boilingenhancement effect)而顯著地提高 了薄分散器的熱性能(提高到大約三倍)。 圖8為示出了在其室內(nèi)裝有不同量的液體的熱分散器的性能的圖表。圖8示出 了，使用水作為填充液體且在9cmX9cm的給定幾何形狀以及1.5mm的內(nèi)部室間隙時(shí)的最佳 液體填充比率為大約65%。該比率可以隨著不同的定向、幾何形狀以及加熱元件尺寸而變 化，并因此可在使用迭代法時(shí)達(dá)到優(yōu)化。 圖9A、9B和9C展示了其中結(jié)構(gòu)可以被分別地放置在第一板、第二板上或放置在二 者之間的各種實(shí)施方式?，F(xiàn)轉(zhuǎn)到圖9A，示出了結(jié)構(gòu)件924形成在第一板910上的熱分散器。 第一板910通過涂層區(qū)域912熱耦合到熱發(fā)生設(shè)備。第二板920隨后固定到第一板910，并 且液體被引入由板910和920形成的室內(nèi)。 圖9B示出了結(jié)構(gòu)件被定位在第二板934上同時(shí)結(jié)構(gòu)件936(比如肋或桿)圍繞加 熱區(qū)域938的實(shí)施方式。對(duì)應(yīng)地，第一板930通過涂層區(qū)域932與設(shè)備熱接觸。
9
圖9C展示了結(jié)構(gòu)件954分別懸掛在第一板950和第二板960之間的實(shí)施方式。第 一板950通過涂層區(qū)域952熱耦合到設(shè)備，該涂層區(qū)域952可以為TCMC，以及其它涂層。
該一個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)件可以連接到第一板、第二板或可以懸掛在第一板和第二板之 間。液體流動(dòng)模式由氣泡泵吸引起。氣泡泵吸通過氣泡形成，而氣泡則由于位于底部板處的 泡核沸騰產(chǎn)生，熱在該底部板處從熱發(fā)生設(shè)備傳輸。氣泡泵吸的液體流動(dòng)提供強(qiáng)循環(huán)流動(dòng) 運(yùn)動(dòng)，該強(qiáng)循環(huán)流動(dòng)運(yùn)動(dòng)促進(jìn)了泡核沸騰傳熱，并且還防止了在沸騰表面形成局部蒸汽變 干區(qū)域。第一板提供熱以使液體沸騰。液體可根據(jù)具體要求來選擇，并且可以為水、乙醇、液 態(tài)碳氟化物、甲醇、丙酮、制冷劑或具有合適的性質(zhì)比如例如沸點(diǎn)和蒸發(fā)熱的任何其它工作 流體。還可以使用兩種或多種液體的混合物。該結(jié)構(gòu)件可以為翅結(jié)構(gòu)或肋結(jié)構(gòu)。每個(gè)結(jié)構(gòu) 件可以為細(xì)長(zhǎng)桿，并且結(jié)構(gòu)件可以鄰近局部加熱區(qū)域布置(中心地或偏離于中心)。該結(jié)構(gòu) 件可以間隔開，以便圍繞(中心地或偏離于中心)局部加熱區(qū)域。局部加熱區(qū)域可以定位 在一個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)件的中心，或者可以定位成距離一個(gè)結(jié)構(gòu)件比距離另一個(gè)結(jié)構(gòu)件近?？?以在第一板上形成涂層，并且該涂層可以為微孔涂層或可以為TCMC或其它沸騰增強(qiáng)表面。 可以在第一板和第二板之間形成O. l毫米到3.5毫米之間的間隙。第一板可以具有凹下區(qū) 域、擠出區(qū)域或平坦區(qū)域。第一板可以使用沖壓形成，而第一板或第二板上的結(jié)構(gòu)件可以使 用沖壓或機(jī)加工形成。這些結(jié)構(gòu)件也可以從兩板分離，并且簡(jiǎn)單地插入并固定在兩板的中 間。可以使用任何形狀(線、矩形、I形梁、U形梁，等等)，只要能夠通過它們形成間隙即可。 可以在第一板和第二板之間形成大約0. 1毫米到大約3. 5毫米的間隙?？梢园l(fā)展除薄平板 以外的成形因素，包括3D形狀和體積。另外，例如，板可以為組件比如翅的一部分。
圖9A-9C的系統(tǒng)使用包含液體的薄型室代替常規(guī)的實(shí)心塊熱分散單元。在工作過 程中，被冷卻的設(shè)備使液體沸騰，并且沸騰的液體與薄的室或間隙組合以產(chǎn)生氣泡泵吸作 用，以便引起增強(qiáng)冷卻效果的再循環(huán)流動(dòng)模式。另外，該薄的間隙允許相對(duì)于重力進(jìn)行自由 的定向操作。為了分散熱，該系使用薄圓形、正方形或矩形形式的泡核沸騰以及冷凝。內(nèi)部 結(jié)構(gòu)件能促進(jìn)由泡核沸騰引起的流線型流動(dòng)模式。這些結(jié)構(gòu)件也能提供防止板以及建造在 其上的任何組件或部分彎曲的機(jī)械強(qiáng)度。對(duì)于沸騰傳熱，熱分散器性能的進(jìn)一步增強(qiáng)可以 通過采用不同的表面處理來達(dá)到。中空的熱分散器的總厚度可以小至約0. 1毫米，和常規(guī) 的實(shí)心熱分散器相比，提供了重量的減小。該熱分散器通過液體的沸騰并通過所引起的液 體流動(dòng)模式來冷卻設(shè)備，并且不需要外部泵就能實(shí)現(xiàn)冷卻。由于沸騰表面上的氣泡形成以 及氣泡離開和浮力而產(chǎn)生的強(qiáng)泵吸動(dòng)力提供了對(duì)熱分散器的方向和定位相對(duì)不敏感的優(yōu) 秀的全方位性能。 圖10顯示了本發(fā)明的另一方面，其中第一板1000或第一板1000的一部分用熱 源設(shè)備本身代替。這在室變成半導(dǎo)體封裝的一部分時(shí)是特別適當(dāng)?shù)?，其中沸騰增強(qiáng)裝置 (boiling enhancement)直接放置在IC芯片1012的背面上，并且由芯片1012和第二板 1020與其上形成的結(jié)構(gòu)件1024形成的腔界定室本身。該第二板具有加熱區(qū)域1022，以便 使移除熱的液體流動(dòng)模式最優(yōu)化。 圖10的裝置薄并且可用于冷卻倒裝芯片。倒裝片被發(fā)展來滿足電子行業(yè)的持續(xù) 驅(qū)動(dòng)，以便降低成本、增加封裝密度并改進(jìn)性能，同時(shí)仍然保持或甚至提高電路的可靠度。 在倒裝制造工藝中，半導(dǎo)體芯片被面向下組裝到電路板上。這對(duì)于尺寸的考慮是理想的，因 為不需要額外的面積來接觸元件(這對(duì)于TAB同樣成立)的側(cè)面。高頻率應(yīng)用中的性能優(yōu)于其它相互連接方法，因?yàn)檫B接路徑的長(zhǎng)度被最小化。倒裝技術(shù)比線結(jié)合便宜(這對(duì)TAB 也成立)，因?yàn)樗羞B接的結(jié)合同步發(fā)生，而使用線結(jié)合則每次只進(jìn)行一個(gè)連接。有很多不 同的可選擇的工藝被用于倒裝連接。連接結(jié)構(gòu)的共同特征是芯片面向下對(duì)著基片放置，并 且芯片和基片之間的連接使用導(dǎo)電材料的凸出部分完成。 雖然倒裝片具有某些尺寸和成本優(yōu)勢(shì)，但由于它們緊湊的尺寸，它們具有有限的 熱耗散能力。集成電路比如微處理器(CPU)以及圖形處理單元(GPU)在它們工作時(shí)產(chǎn)生熱， 并且通常此熱必須被耗散或從集成電路芯片移除以防過熱。圖10的系統(tǒng)能確保吸熱表面 或涂層與液體冷卻劑接觸，以確保熱從熱源到液體以及到模塊的其余部分的有效傳遞。該 系統(tǒng)允許集成電路以最高性能運(yùn)行，同時(shí)最小化由于過熱引起故障的風(fēng)險(xiǎn)。該系統(tǒng)提供了 沸騰冷卻器(boiling cooler)，該沸騰冷卻器帶有使用廉價(jià)非金屬材料或低成本液體冷卻 劑與沸騰增強(qiáng)表面或涂層組合簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)的器皿。 雖然已經(jīng)參照具體附圖和實(shí)施方式描述了本發(fā)明，但應(yīng)理解，描述只是為了說明 并且不應(yīng)被理解為限制了本發(fā)明的范圍。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明做出很多改變和更 改，而不背離于本發(fā)明的精神和范圍。例如，可以添加另外的散熱裝置或翅或者其它耗散 層，以改進(jìn)集成電路設(shè)備的熱耗散。另外，可以使用各種封裝類型和IC安裝構(gòu)造，例如，球 柵陣列(ballgrid array)、針柵陣列(pin grid array)等等。而且，雖然已經(jīng)以具體構(gòu)造 和定向描述了本發(fā)明，但是類似于"在上面"、"在下面"、"重疊"、"在下方"、"上"、"下"、"高 度"等的詞匯不應(yīng)被理解為要求任何絕對(duì)構(gòu)造或定向。根據(jù)上面的示教，其它的變化形式和 實(shí)施方式是可能的，并且因此預(yù)期本發(fā)明的范圍不被描述限制，而是被接下來的權(quán)利要求 限制。
權(quán)利要求
一種用于冷卻設(shè)備的熱分散器，其包括相互接近的對(duì)置的第一表面和第二表面，所述相互接近的對(duì)置的第一表面和第二表面界定其中包含有液體的室；以及一個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)件，所述一個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)件安裝在所述室中，以在液體沸騰過程中引起液體流動(dòng)模式以便冷卻設(shè)備。
2. 如權(quán)利要求1所述的熱分散器，其中，每個(gè)表面包括板。
3. 如權(quán)利要求2所述的熱分散器，其中，所述板是剛性的。
4. 如權(quán)利要求1所述的熱分散器，其中，一個(gè)表面包括板的一個(gè)側(cè)面，而另一個(gè)表面與 設(shè)備接觸。
5. 如權(quán)利要求1所述的熱分散器，其中，所述設(shè)備包括倒裝芯片，其包括定位成與倒裝 芯片對(duì)置的板，其中，所述倒裝芯片和所述板界定所述室。
6. 如權(quán)利要求5所述的熱分散器，其中，所述設(shè)備包括帶有周邊板的倒裝芯片，其包括 定位成與帶有周邊板的倒裝芯片對(duì)置的板，其中，所述帶有周邊板的倒裝芯片和所述對(duì)置 的板界定所述室。
7. 如權(quán)利要求5所述的熱分散器，其中，所述設(shè)備包括帶有鄰接的板的倒裝芯片，其包 括定位成與帶有鄰接的板的倒裝芯片對(duì)置的板，其中，所述帶有鄰接的板的倒裝芯片和所 述對(duì)置的板界定所述室。
8. 如權(quán)利要求1所述的熱分散器，其中，所述一個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)件安裝在對(duì)置的表面中 的至少一個(gè)上。
9. 如權(quán)利要求1所述的熱分散器，其中，所述一個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)件安裝在對(duì)置的表面之間。
10. 權(quán)利要求1所述的熱分散器，其中，所述第一表面與設(shè)備熱接觸，并且其中，所述一 個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)件安裝在所述第一表面上。
11. 如權(quán)利要求1所述的熱分散器，其中，所述第一表面與設(shè)備熱接觸，并且其中，所述 一個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)件安裝在所述第二表面上。
12. 如權(quán)利要求1所述的熱分散器，其中，對(duì)置的所述第一表面和所述第二表面被分開 一小間隙。
13. 如權(quán)利要求1所述的熱分散器，其中，對(duì)置的所述第一表面和所述第二表面具有在 設(shè)備上的預(yù)定區(qū)域上方的第一分離距離以及圍繞該預(yù)定區(qū)域的第二分離距離，并且其中， 第二分離距離大于第一分離距離。
14. 如權(quán)利要求1所述的熱分散器，其中，對(duì)置的所述第一表面和所述第二表面具有一 致的分離距離。
15. 如權(quán)利要求1所述的熱分散器，其中，所述液體流動(dòng)模式由氣泡泵吸引起。
16. 如權(quán)利要求15所述的熱分散器，其中，當(dāng)被水平地放置成使所述表面位于預(yù)定的 位置以便加熱的表面面向所述室的內(nèi)部的蒸汽空間時(shí)，所述氣泡泵吸通過冷凝物的泰勒不 穩(wěn)定性形成。
17. 如權(quán)利要求1所述的熱分散器，其中，所述液體流動(dòng)模式增強(qiáng)了泡核沸騰傳熱，并 且還移除了在加熱區(qū)域局部產(chǎn)生的蒸汽變干區(qū)域。
18. 如權(quán)利要求1所述的熱分散器，其中，一個(gè)表面?zhèn)鬏敓嵋允挂后w沸騰。
19. 如權(quán)利要求l所述的熱分散器，其中，所述液體包括以下之一 水、丙酮、乙醇、甲 醇、制冷劑以及其混合物。
20. 如權(quán)利要求1所述的熱分散器，其中，所述液體包含納米顆粒。
21. 如權(quán)利要求1所述的熱分散器，其中，所述液體選擇成在預(yù)定的溫度下沸騰，以匹 配設(shè)備的預(yù)定的熱要求。
22. 如權(quán)利要求1所述的熱分散器，其中，所述結(jié)構(gòu)件包括以下之一 翅結(jié)構(gòu)、肋結(jié)構(gòu)。
23. 如權(quán)利要求1所述的熱分散器，其中，每個(gè)結(jié)構(gòu)件包括細(xì)長(zhǎng)桿，并且所述一個(gè)或多 個(gè)結(jié)構(gòu)件鄰近局部加熱區(qū)域放置。
24. 如權(quán)利要求1所述的熱分散器，其中，每個(gè)結(jié)構(gòu)件包括細(xì)長(zhǎng)桿，并且所述一個(gè)或多 個(gè)結(jié)構(gòu)件間隔開，以便圍繞局部加熱區(qū)域。
25. 如權(quán)利要求24所述的熱分散器，其中，所述局部加熱區(qū)域被定位在所述一個(gè)或多 個(gè)結(jié)構(gòu)件的中心。
26. 如權(quán)利要求24所述的熱分散器，其中，所述局部加熱區(qū)域被定位成距離一個(gè)結(jié)構(gòu) 件比距離另一個(gè)結(jié)構(gòu)件近。
27. 如權(quán)利要求1所述的熱分散器，其包括形成在所述表面上的涂層。
28. 如權(quán)利要求1所述的熱分散器，其中，所述表面包括以下之一 燒結(jié)表面、機(jī)加工表 面、微孔涂層、熱傳導(dǎo)微孔涂層(TCMC)。
29. 如權(quán)利要求36所述的熱分散器，其包括位于涂層和面向涂層的表面之間的0. 1毫 米到3毫米之間的間隙。
30. 如權(quán)利要求l所述的熱分散器，其中，所述表面包括形成在以下之一中的涂層凹 下區(qū)域、平坦區(qū)域、擠出區(qū)域。
31. 如權(quán)利要求1所述的熱分散器，其中，所述表面使用沖壓形成。
32. 如權(quán)利要求1所述的熱分散器，其中，所述一個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)件使用以下之一形成 放置絲、放置肋、成形肋、沖壓肋、機(jī)加工肋。
33. 如權(quán)利要求1所述的熱分散器，其包括位于所述第一表面和所述第二表面之間的 小于3.5毫米的間隙。
34. 如權(quán)利要求1所述的熱分散器，其包括位于所述第一表面和所述第二表面之間的 0. 1毫米到3. 5毫米之間的間隙。
35. 如權(quán)利要求1所述的熱分散器，其包括選自由位于所述第一表面和所述第二表面 之間的大約0. lmm、lmm、1. 5mm、2mm、3mm以及3. 5mm組成的組的間隙。
36. 如權(quán)利要求1所述的熱分散器，其包括耦合到所述表面之一的散熱裝置或冷板。
37. 如權(quán)利要求1所述的熱分散器，其包括耦合到所述表面之一的一個(gè)或多個(gè)翅。
38. 如權(quán)利要求1所述的熱分散器，其中，所述一個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)件為所述室提供機(jī)械支撐。
39. 如權(quán)利要求1所述的熱分散器，其中，所述表面包括3D形狀或體積。
全文摘要
公開了用于冷卻設(shè)備的熱分散器的系統(tǒng)和制造方法。該熱分散器具有相互接近的對(duì)置的第一表面和第二表面，該相互接近的對(duì)置的第一表面和第二表面界定其中具有液體的室；以及一個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)件，該一個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)件安裝在室中，以便在液體沸騰的過程中引起液體流動(dòng)模式以分配熱。
文檔編號(hào)F28D15/04GK101796365SQ200880017572
公開日2010年8月4日 申請(qǐng)日期2008年3月14日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月26日
發(fā)明者杰西·杰基恩·金, 柳承文, ?！·夸克, 金珠韓 申請(qǐng)人:維普羅有限公司;德克薩斯州立大學(xué)董事會(huì)