專利名稱：熱沉裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的技術(shù)領(lǐng)域大體涉及用于電子器件的冷卻系統(tǒng)，以及更具體地涉及具有蒸 汽腔(vapor chamber)和散熱片的熱沉(heat sink)。
背景技術(shù)：
來自諸如集成電路和存儲器的電子裝置的日益增加的部件功率水平和功率密度 水平對熱管理解決方案提出了增加的需求。例如，近年來，高密度刀片服務(wù)器由于它們杰出 的性能而需求廣泛。但是，該高密度計算功率伴隨著服務(wù)器外殼中非常有限的空間。因此， 需要高性能熱沉來進(jìn)行高效冷卻。目前使用的熱沉在耗散由功率芯片生成的熱量方面已經(jīng) 達(dá)到了它們的極限。存在對于更高效的冷卻的需求，以擴(kuò)展散熱性能范圍(envelope)。

發(fā)明內(nèi)容
公開了一種熱沉。該熱沉包括具有上表面和下表面的第一蒸汽腔部；從所述第 一蒸汽腔部的所述上表面垂直延伸的第二蒸汽腔部；以及從所述第二蒸汽腔部水平延伸的 散熱片，其中，所述下表面與熱源進(jìn)行熱接觸，以及其中，所述第一和第二蒸汽部連接到彼 此，從而形成連續(xù)的蒸汽腔空間。還公開了一種熱沉，包括具有頂表面和底表面的中央空心的基座，其中所述底表 面與熱源進(jìn)行熱接觸；兩個中央空心的側(cè)壁，所述側(cè)壁位于基座的兩個相對側(cè)上，并且從基 座的頂表面向上延伸；以及一個或多個中央空心的中央柱，所述中央柱位于所述兩個側(cè)壁 之間，并且從基座的頂表面向上延伸，其中，所述基座、所述側(cè)壁以及所述一個或多個中央 柱的空心中央連接到彼此，形成連續(xù)的蒸汽腔空間，以及其中，所述側(cè)壁和所述中央柱包括 用于散熱的片(fin)。還公開了一種熱沉，包括具有第一表面和第二表面的平面形狀的第一蒸汽腔，其 中所述第一表面與所述第二表面相對且與熱源接觸；在所述第二表面上形成的第二蒸汽 腔，所述第二蒸汽腔連接到所述第一蒸汽腔從而形成連續(xù)的蒸汽腔空間；以及從所述第二 蒸汽腔延伸的多個平面形狀的散熱片。


結(jié)合附圖通過以下的詳細(xì)說明，本發(fā)明的實施例將容易理解。為了促進(jìn)此說明，相 同的參考數(shù)字表示相同的結(jié)構(gòu)元件。在附圖的各個圖中，作為示例而非限制對本發(fā)明的實 施例進(jìn)行說明。圖1是現(xiàn)有技術(shù)的熱沉的截面圖；圖2A和2B是具有新的蒸汽腔構(gòu)造的熱沉的兩個實施例的示意性表示；圖3是帶有(上面板)片或不帶有(下面板)片的具有獨立式中央柱構(gòu)造的熱沉 的示意性表示的合成；圖4A-4C是圖3中所示的熱沉構(gòu)造的計算流體動力學(xué)(CFD)分析的結(jié)果；
圖5A和5B是圖3中所示的熱沉構(gòu)造中的氣流的CFD分析的結(jié)果；圖6是具有壁狀中央柱構(gòu)造的熱沉的示意性表示；圖7A和7B是圖6所示的熱沉構(gòu)造的CFD分析的結(jié)果；圖8A和8B是圖6所示的熱沉構(gòu)造中的氣流的CFD分析的結(jié)果。
具體實施方式
在以下的詳細(xì)描述中，對附圖進(jìn)行參考，附圖形成該描述的一部分，其中，在各處 相同數(shù)字表示相同部件，以及其中作為例證示出其中可實施本發(fā)明的實施例。要理解，可以 使用其他實施例，以及可以在可替換實施例中進(jìn)行結(jié)構(gòu)或邏輯的改變。因此，以下詳細(xì)說明 不應(yīng)在限制意義上進(jìn)行理解，且根據(jù)本發(fā)明的實施例的范圍由所附權(quán)利要求及它們的等效 物來限定。此說明意在結(jié)合附圖進(jìn)行閱讀，附圖被認(rèn)為是本發(fā)明的整個書面說明的一部分。 附圖不一定按照比例繪制，并且本發(fā)明的某些特征可能在尺度上夸張示出，或者以稍微示 意性的形式示出以便為了清楚和簡潔。在說明中，相對術(shù)語，諸如“水平”、“垂直”、“上”、 “下”、“頂”和“底”以及其衍生術(shù)語(例如“水平地”、“向下地”、“向上地”等)應(yīng)該解釋為表 示如那時描述的或如所討論的附圖各圖中所示的取向。這些相對術(shù)語是為了描述方便，而 通常不意圖要求特定的取向。包括“向內(nèi)地”對比“向外地”、“向上地”對比“向下地”、“縱 向的”對比“橫向的”等的術(shù)語應(yīng)視情況相對于彼此、或者相對于延伸軸或旋轉(zhuǎn)軸或中心來 進(jìn)行解釋。關(guān)于附接、耦合等的術(shù)語(諸如“連接”和“互連”)表示其中將結(jié)構(gòu)直接地或經(jīng) 由中間結(jié)構(gòu)間接地固定到或附接到彼此的關(guān)系，以及可移動或剛性附接或關(guān)系兩者，除非 另有明確說明。術(shù)語“操作地連接”是這樣的附接、耦合或連接，該附接、耦合或連接允許相 關(guān)結(jié)構(gòu)如根據(jù)該關(guān)系所預(yù)期的那樣進(jìn)行操作。圖1是具有蒸汽腔的現(xiàn)有技術(shù)熱沉的概念圖示。蒸汽腔限定在基板中，所述基板 具有下表面和上表面。該下表面與熱源進(jìn)行熱接觸，并且上表面包括從該上表面垂直延伸 的用于散熱的平面片。圖2A示出具有新的蒸汽腔構(gòu)造的熱沉的實施例。熱沉10包括蒸汽腔基座20、蒸 汽腔側(cè)壁30以及可選的一個或多個蒸汽腔中央柱40。蒸汽腔基座20、蒸汽腔側(cè)壁30以及 蒸汽腔中央柱40的每一個是中央空心的結(jié)構(gòu)，該中央空心的結(jié)構(gòu)包括由周圍壁所包圍的 蒸汽腔空間。在一個實施例中，蒸汽腔基座20、側(cè)壁30以及中央柱40被操作地連接到彼 此，以形成連續(xù)的蒸汽腔空間?；?0包含底表面22和頂表面24，該底表面22與熱源進(jìn)行熱接觸，頂表面24上 形成有側(cè)壁30和/或中央柱40?；?0由具有高導(dǎo)熱率的材料制成，該材料諸如金屬或 合金。在一個實施例中，基座20由銅或鋁制成?；?0被填充有或部分地填充有可蒸發(fā) 的工作流體，諸如水。僅僅在基座20的選擇的側(cè)上形成側(cè)壁30，以便維持側(cè)壁30之間的不受阻的氣流。 在圖2A中所示的實施例中，在基座20的相對側(cè)上形成兩個側(cè)壁30。應(yīng)該注意到，無需在基 座20的邊緣上形成側(cè)壁30。如圖2B中所示，在基座20的邊緣附近的位置處形成兩個側(cè)壁 30。在側(cè)壁30之間形成中央柱40，以進(jìn)一步促進(jìn)從基座20進(jìn)行散熱。在一個實施例中，中央柱40采用用作熱管的獨立式柱的形式?？梢允褂枚鄠€獨立式中央柱40來促進(jìn)從 基座20到片60的熱傳遞。在另一實施例中，中央柱40采用平行于側(cè)壁30且從基座20的 一側(cè)延伸到基座20的另一側(cè)的中央壁的形式?？梢栽趥?cè)壁30之間形成多個中央壁，以促 進(jìn)從基座20到片60的熱傳遞。本領(lǐng)域技術(shù)人員也會理解，可以單獨利用側(cè)壁30、單獨利用 中央柱40、或利用側(cè)壁30和中央柱40的組合來獲得高效的散熱。側(cè)壁30和中央柱40由 具有高導(dǎo)熱率的材料制成，該材料諸如金屬或合金。在一個實施例中，側(cè)壁30和中央柱40 由銅或鋁制成。 在一個實施例中，蒸汽腔基座20、側(cè)壁30和中央柱40被填充有多孔材料50。該 多孔材料50具有允許從發(fā)生蒸發(fā)的基座20到側(cè)壁30和中央柱40的蒸汽傳送的孔隙率， 在側(cè)壁30和中央柱40處發(fā)生蒸汽的冷凝。由多孔材料產(chǎn)生的毛細(xì)作用力還促進(jìn)冷凝的工 作流體返回到基座20。多孔材料50的示例包括但不局限于通過焊接(solder)可以附著到 蒸汽腔基座20、側(cè)壁30和/或中央柱40的燒結(jié)粉末毛細(xì)結(jié)構(gòu)(wick)?？梢詮木哂懈邔?dǎo)熱率且適于制造成多孔結(jié)構(gòu)的任何材料中選擇燒結(jié)粉末，所述材 料例如碳、鎢、銅、鋁、鎂、鎳、金、銀、氧化鋁、氧化鈹?shù)?，且燒結(jié)粉末可以包括基本球形的、 任意的或規(guī)則的多邊形的顆粒、或具有變化的截面形狀的絲狀顆粒。在一個實施例中， 多孔材料50包括燒結(jié)的銅毛細(xì)結(jié)構(gòu)?？梢缘刃У厥褂闷渌?xì)結(jié)構(gòu)材料，諸如碳化硅鋁 (aluminum-silicon-carbide)或碳化Sif同(copper—silicon—carbide)。側(cè)壁30和/或中央柱40進(jìn)一步包括多個層疊片60用于高效的散熱。片60以水 平布置附接到側(cè)壁30和中央柱40。每個片60具有平面形狀的主體，該主體具有頂表面62 以及與該頂表面62相對的底表面64。一個片的頂表面62與相鄰片的底表面64彼此平行。 在兩個相鄰片60之間的距離(d)可以根據(jù)經(jīng)驗確定，以允許氣流對片60的高效冷卻。在 一個實施例中，距離(d)在0.5-5mm的范圍內(nèi)。片60通常由具有高導(dǎo)熱率的材料制成，該 材料諸如金屬或合金。在一個實施例中，片60由鋁制成。熱沉10可以用于冷卻生熱裝置，該生熱裝置可以是電子部件，諸如但不局限于集 成電路、存儲器模塊、微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)、傳感器、電阻器或電容器。熱沉10可以直接定位 在電子部件上，或定位在熱解決裝置(thermal solution)上，該熱解決裝置包括但不局限 于熱管、熱擴(kuò)散器、加熱器部件以及熱傳遞板。可以補(bǔ)充地定位風(fēng)扇來加速片60之間的氣 流以及增加散熱的速率。確切的補(bǔ)充定位依賴于應(yīng)用，且可受到許多因素的影響，這些因素 包括但不局限于要移除的熱的量、氣流的體積和速度等?？梢愿鶕?jù)經(jīng)驗確定用于流提供者 (flow provider)和調(diào)流劑(flow modifier)的特定應(yīng)用的最佳補(bǔ)償定位。在操作期間，熱沉10的基座20吸收由生熱裝置生成的熱。包含在基座20的內(nèi)側(cè) 中的工作流體吸收該熱，并且充分蒸發(fā)并移動到側(cè)壁30和/或中央柱40。在側(cè)壁30和中 央柱40中蒸發(fā)的工作流體被冷卻并冷凝。該熱通過片60釋放。最終，冷凝的工作流體回 流到基座20以開始另一循環(huán)。以這種方式，工作流體能夠吸收/釋放各種量的熱。由生熱 電子裝置生成的熱由此從基座20幾乎立即地傳遞到片60。示例示例1 具有獨立式中央柱構(gòu)造的熱沉的CFD分析圖3-5B示出了具有獨立式中央柱構(gòu)造的熱沉的CFD分析的結(jié)果。如圖3中所示， 熱沉裝置包括附接到蒸汽腔基座20的6個獨立式中央柱40。獨立式中央柱40用作熱管以將來自基座20的熱傳遞到片60。通過附接到中央柱40的18個鋁板片60實現(xiàn)散熱。在 此實施例中，所述片具有0. 5mm的厚度、80X85mm的表面積、以及1. Imm的片到片間隙。圖 4A-4C示出在中央柱40上的熱分布(圖4A)、片60上的熱分布(圖4B)、以及基座板20上 的熱分布(圖4C)。圖5A和5B示出由片60生成的氣流。示例2 具有壁 狀中央柱構(gòu)造的熱沉的CFD分析圖6A-8B示出了具有壁狀中央柱構(gòu)造的熱沉的CFD分析的結(jié)果。如圖6A-6C中所 示，熱沉裝置包括基座蒸汽腔、兩個側(cè)壁以及壁狀中央柱。側(cè)壁30和中央柱40操作地連接 到基座20，并形成連續(xù)的蒸汽腔空間。通過附接到中央柱的18個鋁板片實現(xiàn)散熱。所述片 具有0.5mm的厚度、80X85mm的表面積、以及1. Imm的片到片間隙。圖7A-7B示出在基座板 20上的熱分布(圖7A)以及片60上的熱分布(圖7B)。圖8A和圖8B示出由片60生成的 氣流。在相同的熱生成和空氣流速設(shè)置下，具有壁狀中央柱構(gòu)造的熱沉能夠相較具有獨 立式中央柱構(gòu)造的熱沉實現(xiàn)ll°c的改進(jìn)，也就是說，具有45°C (圖7B)對比56°C (圖4C) 的源溫度。雖然已經(jīng)結(jié)合目前認(rèn)為最實際和優(yōu)選的實施例對本發(fā)明進(jìn)行了說明，要理解本發(fā) 明不局限于所公開的實施例，而是相反，意圖涵蓋多種修改和等效布置。本領(lǐng)域普通技術(shù)人 員將理解，計劃實現(xiàn)相同目的的多種可替換和/或等效的實施例或?qū)崿F(xiàn)方式可以替代所示 和說明的實施例。本申請意圖覆蓋這里討論的實施例的任何適配或變化。因此，明確打算 僅由權(quán)利要求及其等效物來限定根據(jù)本發(fā)明的實施例。
權(quán)利要求
一種熱沉，包括具有上表面和下表面的第一蒸汽腔部；從所述第一蒸汽腔部的所述上表面垂直延伸的第二蒸汽腔部；以及從所述第二蒸汽腔部水平延伸的散熱片，其中，所述下表面與熱源進(jìn)行熱接觸，以及其中，所述第一和第二蒸汽部連接到彼此，形成連續(xù)的蒸汽腔空間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱沉，其中，所述第二蒸汽腔部采用中央空心的側(cè)壁的形式。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱沉，其中，所述第二蒸汽腔部采用中央空心的中央柱的形式。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的熱沉，其中，所述中央空心的中央柱采用獨立式柱的形式。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的熱沉，其中，所述中央空心的中央柱采用中央壁的形式。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱沉，其中，所述第一和第二蒸汽腔包括多孔材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的熱沉，其中，所述多孔材料包括燒結(jié)粉末毛細(xì)結(jié)構(gòu)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的熱沉，其中，所述燒結(jié)粉末毛細(xì)結(jié)構(gòu)包括從由以下材料組成 的組中選擇的材料碳、鎢、銅、鋁、鎂、鎳、金、銀、氧化鋁以及氧化鈹。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的熱沉，其中，所述燒結(jié)粉末毛細(xì)結(jié)構(gòu)是燒結(jié)的銅毛細(xì)結(jié)構(gòu)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱沉，其中，所述第一和第二蒸汽腔包括高導(dǎo)熱率的材料。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的熱沉，其中，所述高導(dǎo)熱率的材料包括銅或鋁。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱沉，其中，所述散熱片是平面形狀的，且以水平布置附接 到所述第二蒸汽腔部。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的熱沉，其中，所述散熱片包括高導(dǎo)熱率的材料。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的熱沉，其中，所述高導(dǎo)熱率的材料包括銅或鋁。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱沉，其中，所述第一蒸汽腔部包含工作流體。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的熱沉，其中，所述工作流體是水。
17.一種熱沉，包括具有頂表面和底表面的中央空心的基座，其中所述底表面與熱源進(jìn)行熱接觸； 兩個中央空心的側(cè)壁，所述側(cè)壁位于所述基座的兩個相對側(cè)上，并且從所述基座的頂 表面向上延伸；以及一個或多個中央空心的中央柱，所述中央柱位于這兩個側(cè)壁之間，并且從所述基座的 頂表面向上延伸，其中，所述基座、所述側(cè)壁以及所述一個或多個中央柱的空心中央連接到彼此，形成連 續(xù)的蒸汽腔空間，以及其中，所述側(cè)壁和所述中央柱包括用于散熱的片。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的熱沉，其中，所述片具有平面形狀，且在平行于所述中央空 心的基座的所述頂表面的方向上延伸。
19.一種熱沉，包括具有第一表面和第二表面的平面形狀的第一蒸汽腔，其中所述第一表面與所述第二表 面相對且與熱源接觸；在所述第二表面上形成的第二蒸汽腔，所述第二蒸汽腔連接到所述第一蒸汽腔從而形 成連續(xù)的蒸汽腔空間；以及從所述第二蒸汽腔延伸的多個平面形狀的散熱片。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的熱沉，其中，所述第二蒸汽腔是壁狀蒸汽腔。
全文摘要
提供一種熱沉。該熱沉包括具有頂表面和底表面的第一蒸汽腔部，該底表面與熱源進(jìn)行熱接觸；從所述第一蒸汽腔部的所述頂表面垂直延伸的第二蒸汽腔部；以及附接到所述第二蒸汽腔部的散熱片。所述第一和第二蒸汽部連接到彼此，形成連續(xù)的蒸汽腔空間。
文檔編號H05K7/20GK101960938SQ200880127575
公開日2011年1月26日 申請日期2008年2月27日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月27日
發(fā)明者A·K·法恩斯沃思, S·N·喬施 申請人:惠普開發(fā)有限公司