薄型平面散熱器的製作方法
2023-10-07 01:47:59 6
專利名稱：薄型平面散熱器的製作方法
發明簡述本發明總體上涉及一種熱分布裝置，例如與微處理器或其它微電子裝置結合使用的裝置。更具體地，本發明涉及一種通過採用平面毛細管流體通道分布熱量的薄型平面散熱器。
背景技術：
半導體元件的尺寸不斷減小。與這種尺寸減小相對應的是半導體元件功率密度的提高。這隨之造成了所必須解決的熱量激增問題，因為過熱將使半導體元件的性能降低。
熱管和熱虹吸管已經用於冷卻半導體元件。熱管和熱虹吸管的操作均在閉合的兩相循環下進行，利用蒸發潛熱傳遞熱量。
熱虹吸管一般是一根包容有某種流體的管子。當與某種半導體元件，例如微處理器結合使用時，稱為蒸發器或汽化器的熱虹吸管的第一端聯接到半導體元件的發熱表面。稱作冷凝器的熱虹吸管的第二端自該半導體元件垂直延伸，在該處由環境空氣冷卻。
在一第一循環中，來自半導體元件的熱量使熱虹吸管內的流體蒸發。在蒸發過程中，該流體蒸氣吸收了一定量的所謂蒸發潛熱的熱量。在蒸發器內形成的蒸氣溫度高且因此比冷凝器內的蒸氣的壓力高。因此，該蒸氣自蒸發器流向冷凝器。
在一第二循環中，蒸氣在熱虹吸管的冷凝器壁上冷凝。該冷凝操作導致熱量的釋放。結果，熱量從蒸發器轉移到冷凝器。重力隨後使冷凝器內的冷凝液流回到蒸發器。此兩相循環過程而後重複進行。
儘管熱虹吸管的內表面有時可襯有槽或微孔結構，以促進冷凝液返回蒸發器或提高熱傳遞係數，但是熱虹吸管原則上是依靠局部的重力使流體返回蒸發器的。因此明確地講，為了正常操作，熱虹吸管的蒸發器必須處於冷凝器之下。
熱管按照與熱虹吸管相同的原理操作。熱管的一項特殊性能是它採用了某種不連續的虹吸結構來促進流體自冷凝器向蒸發器的流動。該虹吸結構使熱管能在相對於重力呈水平取向的狀態下使用，或者甚至使蒸發器的取向與重力相反，儘管該裝置的效率根據不同的物理取向會有很大的改變。例如，如果該裝置的取向與重力相反，其性能要降低大約一半。因此，要依賴局部重力場來促進流體自冷凝器向蒸發器的流動，這是熱虹吸管與熱管有區別之處。
熱虹吸管與微處理器結合使用的問題是熱虹吸管相對於重力要求垂直取向。這使裝置的外輪廓增高。結果，熱虹吸管難於用在緊湊的電子設備中，例如掌中電腦、筆記本電腦、膝上電腦、桌面電腦和供電裝置。
使用熱虹吸管的另一個問題是它們對方向敏感。即，它們的取向必須是使重力能迫使冷凝流體流回蒸發器。微處理器的經銷商並不知道計算機的使用者如何放置計算機。例如，某些計算機水平放置在桌面上，而另一些則垂直安裝在地板上。熱虹吸管只能以一種預定的相對於重力的物理取向操作。
儘管熱管不象熱虹吸管那樣對方向敏感，但它仍存在需要有不連續虹吸結構的缺點。該不連續虹吸結構一般由網膜、燒結金屬或一組軸向槽構成。不連續虹吸結構增加了製造方面的支出，而且使熱管不能大量生產。另外，諸如網膜的不連續虹吸結構產生相對較高的流體阻力。因此，提供一種對方向不敏感和不需要流體阻力大的虹吸結構的熱傳遞裝置將是十分需要的。這種裝置的垂直方向外輪廓較低，以保證它能容易地結合進各種緊湊式電子設備。
另一類常用來減弱與半導體元件相關聯的熱量問題的裝置是翅片散熱器。翅片散熱器有一個與半導體元件發熱表面相聯結的水平表面和一組自該水平表面垂直延伸的翅片。該翅片由環境空氣冷卻。這樣，水平表面的熱量傳導到翅片上。典型情況下，熱只產生在翅片散熱器的水平表面的幾個區域內。因此，與這幾個區域相對應的翅片完成的冷卻最多。為了減輕這種熱量局部化的問題，可以採用較厚的熱塊來改善熱量分布。這個方法所帶來的問題是它大大增加了裝置垂直方向的外輪廓。另外，熱塊重量大且比較昂貴。結果，人們強烈需要提供一種裝置，它能沿翅片散熱器的水平表面均勻分布熱量，而又不顯著增大半導體元件外殼的垂直外輪廓。這種裝置能使散熱器的所有翅片均進行散熱。因此，可以提高翅片散熱器的效率。
風扇也已經用來減輕與諸如半導體元件的發熱表面有關的熱問題。在用風扇來排除熱量的表面上，各表面上的熱分布一般是不均勻的。風扇在這種條件下操作，其效率不如從熱量均勻分布的表面上排除熱量的風扇高。再者，當風扇用於發熱表面時，熱動力學研究表明，由風扇所產生的空氣運動，大部分是作用在風扇的周邊。這樣，將熱量傳遞到發熱表面的周邊就極其重要。根據上述觀點，非常需要提供一種裝置，能使熱量在暴露於風扇的一個表面或多個表面上均勻分布。這種裝置最好具有低的垂直外輪廓，以保證它與緊湊式電子設備的兼容性。
發明概要一種散熱設備，它包括一第一平面主體，用於聯接到在第一平面主體上形成一個熱區和一個冷區的發熱表面上。一個與第一平面主體相連的第二平面主體，用來在第一平面主體和第二平面主體之間構成一個空隙。該空隙包括一平面毛細管通道和一無毛細管區。一種處於上述空隙中的流體藉助該流體在熱區的平面毛細管通道內蒸發、在冷區的無毛細管區內冷凝，自無毛細管區通過毛細管運動到熱區的平面毛細管通道來分布熱量。
該主體極薄，一般小於2.0毫米。但是，它的熱分布特性要比垂直外輪廓尺寸大得多的現有金屬熱塊好得多。因此，該裝置非常適用於緊湊式電子設備和與諸如翅片散熱器或風扇的其它冷卻裝置結合使用。
儘管該裝置同熱虹吸管或熱管一樣也是兩相循環，但它並沒有這些裝置的某些關鍵特性。與熱虹吸管不同，本發明的裝置對取向不敏感。與熱管不同，它有諸如網膜或軸向槽的不連續的虹吸器具，本發明依靠在裝置的主體內形成的平面毛細管流體通道。該平面毛細管流體通道的幾何形狀避免了存在於熱管中的流體動力學阻力較高的虹吸器具。另外，在具體實施例中，毛細管流體通道的結構消除了冷凝器中的流體流和蒸發器中的蒸氣流之間的逆流粘滯剪切力，即一個與現有熱管和熱虹吸管相關聯的問題。最後，該裝置的結構便於低成本大量製造。
附圖的簡要說明為了較好地理解本發明的本質和目的，應參考下面結合附圖所做的詳細說明，其中
圖1是根據本發明的一個實施例所構成的散熱器的橫截面圖2是圖1所示散熱器一部分的透視圖；圖3是根據本發明的一個實施例的散熱器的部分的頂視圖；圖4是沿圖3中4-4線所截取的橫剖面圖，表示散熱器內的流體；圖4A是圖4所示設備的零件分解圖；圖5是根據本發明的一個實施例的散熱器的一部分的另一種結構；圖6是是根據本發明的一個實施例，帶擴展表面平面毛細管流體通道的散熱器的頂視圖；圖7是沿圖6中7-7線所截取的橫剖面圖；圖8是根據本發明的另一個實施例的雙熱源散熱器主體的頂視圖；圖9是沿圖8中9-9線所截取的橫剖面圖；圖10是根據本發明的另一個實施例的四熱源散熱器的頂視圖；圖11是沿圖10中11-11線所截取的橫剖面圖；圖12是根據本發明的另一種散熱器主體結構的橫剖面圖；圖13表示當其相對於重力垂直取向時，圖12所示散熱器主體內的流體形式；圖14是根據本發明的另一種散熱器主體結構的橫剖面圖；圖15是根據本發明的另一種雙熱源散熱器主體的橫剖面圖；圖16表示當其相對於重力垂直取向時，圖15散熱器主體內的流體形式；圖17是根據本發明的一個實施例的「徑向」散熱器結構的主體底部的頂視圖；圖18是沿圖16中18-18線所截取的橫剖面圖；圖19是圖18所示設備的一部分的放大圖；圖20是圖19所示散熱器所用的主體頂部的側視圖；圖21是根據本發明的一個實施例的「圓圈排列」散熱器結構的主體底部的頂視圖；圖22是沿圖21中22-22線所截取的橫剖面圖；圖23是圖22所示設備的一部分的放大圖；圖24是圖21所示散熱器所用主體頂部的側視圖；圖25是根據本發明的一個實施例的「方矩陣」散熱器結構的主體底部的頂視圖；圖26是沿圖25中26-26線所截取的橫剖面圖27圖26所示設備的一部分的放大圖；圖28是圖24所示散熱器所用主體頂部的側視圖；圖29是根據本發明的一個實施例的「變尺寸方矩陣」散熱器結構的主體底部的頂視圖；圖30是沿圖29中30-30線所截取的橫剖面圖；圖31是圖30所示設備的一部分的放大圖；圖33是沿圖29中32-32線所截取的橫剖面圖；圖33是圖32所示設備的一部分的放大圖；圖34是本發明的另一個實施例，它包括在其中構成有三角形冷凝器的蒸發平臺；圖35是本發明的一個實施例的平面圖，它在毛細管流體通道的所選區域中包括周邊成核區表面；圖36是本發明的一個實施例的平面圖，它包括貫穿毛細管流體通道的周邊成核區表面；圖37是本發明的一個實施例的平面圖，它包括在毛細管流體通道和無毛細管區上的周邊成核區表面；圖38是本發明的一個實施例的透視圖，帶有支腳件，用於在形成於半導體元件外殼的頂面上的電容器上方提供間隙；圖39是本發明的一個實施例的透視圖，帶有孔，用於在形成於半導體元件外殼的頂面上的電容器上方提供間隙；圖40是本發明的一個實施例的透視圖，其中該設備包括一擴展表面區和在該設備所確定的平面內整體構成的平面散熱翅片；圖41是本發明的一個實施例的透視圖，其中該設備包括一彎曲主體和在該設備所確定的平面內整體構成的平面散熱翅片。
在附圖中的各個圖中，相同的零件參考標號相同。
發明的詳細說明圖1是散熱器主體20的橫剖面圖，其由呈半導體元件外殼形式的一第一平面主體22和呈上蓋形式的一第二平面主體21構成。半導體外殼22是一個標準管腳網格排列的外殼，帶有包括粘接架26的半導體元件空隙24。處於半導體元件空隙24的底部的是半導體元件28。粘接導線(未示出)將半導體元件28電聯接到包括與一組外殼管腳30電聯接的內軌道(未示出)的半導體元件外殼22上。
上蓋21具有這樣的物理形狀，當聯接到半導體外殼22上時，它構成一個帶有無毛細管區32的空隙。該無毛細管區32包括絕熱區44和冷凝器46。該空隙還包括一平面毛細管流體通道50，它包括蒸發器51。
由半導體元件28所產生的熱量傳遞到半導體元件外殼22的頂部。所產生的熱大量地施加到散熱器主體20的蒸發器51上。大部分的熱施加到蒸發器51的底表面55，一些熱經傳導通過傳熱柱53，加熱蒸發器51的頂表面57，蒸發器51內的流體吸收熱量並蒸發。所生成的蒸氣通過絕熱區44轉移，在該處熱量不損失也不增加。它繼續運動到冷凝器區46，在此蒸氣在該裝置的內壁上冷卻和凝聚。冷凝的流體隨後通過流體的毛細管作用被抽入平面毛細管流體通道50。即，該裝置的下面詳細討論的細小尺寸使得流體從無毛細管區32，特別是冷凝器46，藉助毛細管作用抽入平面毛細管流體通道50。該平面毛細管流體通道50返回引導至蒸發器51。這樣，兩相蒸發-冷凝循環自動重複進行。這種循環使得由半導體元件28產生的熱量分布在一較大的區域上，而不是集中在靠近半導體元件28的局部區域。
請注意，蒸發器51的規格與半導體元件28的大體一致。同樣，上蓋21的規格與半導體元件外殼22的大體一致。
本發明的操作最好參見圖2，那是散熱器上蓋21的透視圖。圖中給出了傳熱柱53，它在蒸發器平臺60的蒸發表面57上形成。該蒸發器平臺60自無毛細管區的表面62升高。平面毛細管流體通道50也構成於無毛細管區的表面62之上。流體通道橋63將平面毛細管流體通道50與蒸發器平臺60相連接。因此，平面毛細管流體通道50實際上也包括流體通道橋63和蒸發平臺60的蒸發表面57。
本技術領域的專業人士可以看出，本發明有多項獨特的貢獻。如上所述，裝置的尺寸導致自無毛細管區32至平面毛細管流體通道50的虹吸作用。這種虹吸作用與裝置相對於重力的物理取向無關。因此，不象相對於重力只能在一個取向下使用的熱虹吸管，本發明的裝置不局限於這種方式。
平面毛細管流體通道50執行與熱管相關聯的虹吸操作。但是，與現有的熱管不同，這種虹吸操作不依賴於諸如網膜的分立結構。而是將平面毛細管流體通道50構成於裝置主體的外面。因此避免了與先有熱管技術中的一些花費。另外，也避免了不連續虹吸結構的流體動力學阻力較高的問題。
所公開的設備的另一個優點是流體在流體通道50內的圓周運動決不會被蒸氣在蒸發器51內的運動直接抵消。在大多數熱管和熱虹吸管中，蒸發向一個方向運動而流體向相反方向運動。結果，這些先有技術的裝置中，在流體流和蒸氣流之間存在逆流粘滯剪切力，圖1所示的實施例避免了這樣一個問題。
如圖1所示，當散熱器20聯接到半導體外殼22上時，其規格與半導體外殼22的規格大致吻合。這個特點，再結合裝置的垂直輪廓低的特點，使其適於應用在緊湊式電子設備中。垂直輪廓低還使該裝置適於與其它冷卻裝置，例如風扇和翅片式散熱器結合使用。如下所示，本發明的裝置在散熱方面效率比尺寸相當的固體金屬塊高得多。
散熱器蓋21最好用金屬製成，例如鋁。散熱器蓋21可以錫焊或銅焊在半導體元件22上。散熱器的垂直總間距最好在2.0毫米左右，儘管該裝置已經實現1.0毫米的垂直間距，且所實現的垂直間距可以大到10.0毫米，而後關於尺寸和重量的考慮對實際裝置的制約減弱了。
構成冷凝器46及絕熱區44的區域的垂直間距希望少於2.5mm，更好是在2.0和0.5mm之間，且最好在1.25mm左右。構成蒸發器和平面毛細管流體通道50的區域的垂直間距希望小於0.5mm，在0.325和0.025mm之間更佳，最好約0.125mm。
構成蒸發器和平面毛細管流體通道50的區域的垂直間距是相對固定的，而構成絕熱區44和冷凝器46的區域的垂直間距變化很大。絕熱區44的垂直間距是所需熱性能(允許壓降)的函數。
毛細管流體通道50的幾何形狀決定了向蒸發器區域供給流體的能力。任何特定幾何形狀的毛細管所能提供的流體量均存在一個限制，因此超過該限制將發生「幹出」。一旦超過幹出的界限，一般可以觀察到直接和過度的熱性能降低。另一方面，絕熱區44的幾何形狀控制蒸氣自蒸發器區向冷凝器區傳輸的效率。絕熱區的幾何形狀不受什麼「陡變函數」的限制，象在毛細管流體通道的情況下那樣。小絕熱區仍將允許蒸氣流動，儘管阻力較大。由於熱效率(假設流體供給充足)是蒸發器區和冷凝器區之間壓力差的函數，且該壓力差是速度平方的函數，而速度又直接與絕熱區垂直間距成比例，所以可以通過調節垂直間距來提供所需的熱效率。這樣，垂直間距達9.0mm的絕熱區的效率足夠，但是這樣的結構要求散熱器的總垂直間距在10.0mm左右。如上所討論的，等於或大於此數值的尺寸將不能實際應用。
本發明的裝置可以通過機加工、衝壓、化學蝕刻、化學沉積或其它任何本技術內眾所周知的技術製成。為了保證在散熱器20內充分潤溼，主體內的表面應徹底清理。兩部分最好是銅焊在一起。而後，採用標準的充填技術將流體注入主體內。典型情況下，使用真空泵從空隙中去除無法冷凝的氣體。在此之後，存在於空隙中的只有流體。在這一點，空隙中的壓力與流體在當前溫度下流體的蒸氣壓力是成正比的。隨後將主體密封，保持空隙中的狀態。
圖3是散熱器主體部分21A的項視圖。圖3的裝置與散熱器底部相對應，構成根據本發明的散熱器。在這種結構中，裝置的兩部分構成外形，這與圖1中的實施例不同，它只是裝置的一個主體部分構成外形。
圖4給出了用圖3所示散熱器的主體部分21A構成的裝置64。裝置64包括一相應的散熱器底部21B。因此，圖4可以理解為沿圖3的4-4線所截取的橫剖面圖。
圖4還給出了處於蒸發器51和流體通道50內的流體66。該圖進一步給出了流體66正在虹吸進入流體通道50。該圖表明，在絕熱區44的壁上幾乎沒有流體，而在冷凝器46的壁上有少量流體。
圖4A是圖4所示裝置的零件分解圖。該圖給出了散熱器頂部21A和散熱器底部21B。該圖還示出了流體66充滿毛細管流體通道50。因此，流體66的形狀與毛細管流體通道50的形狀一樣。圖4A還給出一特殊區域67。該特殊區域67的形狀與無毛細管區32的形狀相符合。這樣，該特殊區域67可以認為是蒸氣存在的區域。如圖4所示和下面所討論的，除了蒸氣之外，一些流體也確實存在於特殊區域67中。
圖5是散熱器蓋68的頂視圖。圖5的散熱器蓋68包括蒸發器表面57，帶有擴展的邊緣表面元件72。由於典型情況下蒸氣是在邊緣離開蒸發器表面57的，所以圖5的結構提供了伸入無毛細管區32的擴展表面，以便於蒸氣進入。圖5還給出了帶有擴展邊緣表面元件76的毛細管流體通道50。該擴展邊緣表面元件76方便了流體自無毛細管區域32向流體通道50的虹吸運動。在擴展邊緣表面元件76和冷凝器無毛細管區32之間最好有一傾斜表面，方便流體的虹吸運動。本發明的所有實施例最好都避免有突然的表面過度。
圖6給出了根據本發明構成的另一種散熱器主體80。主體80包括一蒸發器平臺表面57，它與導引至毛細管流體通道50的流體通道橋63相聯接。毛細管流體通道50包括呈半島84形式的擴展表面元件。半島84比圖5的擴展表面元件76大，但是它們的目的是相同的，都是方便流體自無毛細管區32向毛細管流體通道50的運動。
圖7是裝置80沿圖6中7-7線所截取的橫剖面圖。在圖的各端均可看到毛細管50。在無毛細管區32之間還可看到半島84。
與圖1的散熱器蓋21不同，那是以半導體元件外殼構成一個主體，而圖6和圖7的裝置是不連續的部件。圖7所示裝置的總垂直高度較好是小於3.0mm，最好約2.0mm。無毛細管區32的垂直高度與前述實施例一致。同樣，與通道50相關聯的垂直高度也與前述實施例一致。
圖8是雙熱源散熱器主體90的頂視圖。裝置90包括一第一蒸發器表面57A和一第二蒸發器表面57B。第一蒸發器表面57A位於一第一熱源，例如半導體元件(未示出)之上，而第二蒸發器表面57B位於第二半導體元件(未示出)之上。一第一流體通道橋63A使第一蒸發器表面57A聯接到平面毛細管流體通道50，而一第二流體通道橋63B使第一蒸發器表面57A聯接到第二蒸發器表面57B。最好是一個單獨的無毛細管區32為由蒸發器表面57A、57B構成的兩個蒸發器區域服務。換言之，無毛細管區32在蒸發器表面57A、57B的兩側之間有一條開放的通道。
圖9是沿圖8中9-9線所截取的橫剖面圖。圖9給出了處於主體90的各端的平面毛細管流體通道50。該圖還給出了位於無毛細管區32之間的第一蒸發器表面57A和位於無毛細管區32之間的第二蒸發器表面57B。
圖10給出了一四熱源散熱器主體100。該主體100與容納四個半導體元件的半導體元件外殼結合使用。主體100包括一第一蒸發器表面57A、一第二蒸發器表面57B、一第三蒸發器表面57C和一第四蒸發器表面57D。第一、第二、第三和第四流體通道橋63A、63B、63C和63D用來聯接蒸發器平臺和平面毛細管流體通道50。無毛細管區32包括支撐柱102。支撐柱102起到傳熱柱的作用。要防止無毛細管區32在真空條件下崩塌，柱102的支撐作用是很重要的。
圖11是沿圖10中11-11線所截取的橫剖面圖。該圖給出了平面毛細管通道50、蒸發器表面57C和57D、無毛細管區32和支撐柱102。
圖12是根據本發明所構成另一實施例的散熱器主體110。散熱器主體110位於半導體元件111之上。翅片散熱器114位於主體110之上。該翅片散熱器114包括支撐垂直翅片118的水平表面116。
散熱器主體110包括一自蒸發器51延伸到無毛細管區32的冷凝器46的傾斜平表面112。該傾斜平表面112呈截頭圓錐的結構。冷凝器46中的流體通過傾斜平表面112的毛細管作用抽回到蒸發器51。即，毛細管作用將流體從垂直間距較大的冷凝器46抽入垂直間距較小的蒸發器51。這樣，本發明的實施例沒有周邊平面毛細管流體通道。代替它的是，流體在無毛細管區32內冷凝，而後藉助毛細管作用抽入蒸發器57，不使用流體毛細管通道橋。此實施例的優點是流體將通過在表面112上自然形成的多條流體毛細管通道抽入蒸發器51。
圖13表示圖12所示散熱器主體110相對於重力處於垂直位置的情況。該圖還給出了該主體內的流體的毛細管作用。毛細管作用使流體120環繞傳熱柱53。另外，毛細管作用使流體121沿主體110的壁向上延伸，造成中凹的流體形狀122。圖13表示出了本發明的裝置的方向不敏感性，這個特性是本發明的一項重要有益之處。
圖14是根據本發明的另一種散熱器主體130的橫剖面圖。在此實施例中，傾斜平表面112導致靠近蒸發器51的無毛細管區32處的垂直間距較大。無毛細管區32的垂直間距大造成靠近蒸發器51處的蒸發壓力較低，便於蒸發器51內流體的蒸發。傾斜平表面112延伸到主體130的周邊處的平面毛細管流體通道50。平面毛細管流體通道50的形狀示於圖3。但是，與圖3中的實施例不同，在圖13的實施例中，在通道50和無毛細管區32之間有一平緩斜坡存在。
圖15是整體採用散熱翅片152的散熱器主體150的橫剖面圖。散熱器主體150與多晶片半導體元件外殼140結合使用，該外殼內容納有一第一半導體元件28A和一第二半導體元件28B。主體150包括為蒸發器51和無毛細管區32所環繞的一第一傳熱柱53A。另外，該主體包括由蒸發器51和無毛細管區32所環繞的一第二傳熱柱53B。在蒸發器51和無毛細管區32之間再次採用了傾斜表面，因此也具有上述優點。
圖15還示出了位於散熱翅片152的頂部，包括扇葉156的風扇154。風扇154的位置處在散熱翅片152之上或之內，這在本技術領域內是眾所周知的。通過提供一種垂直輪廓低的機構，將熱量從半導體元件外殼的中心分布到風扇能進行最有效冷卻的邊緣，本發明為這種實際操作提供了便利。
圖16給出處於垂直位置的圖15所示主體150。該圖還給出了主體150中的流體。主體150的空隙中的毛細管作用使流體環繞兩傳熱柱53A和53B。如上所述，當相對於重力水平取向時，朝向傳熱柱53A和53B的毛細管作用將構成多條自然形成的進入蒸發器51的毛細管通道。
圖17給出了本發明的「徑向」散熱器實施例。「徑向」一詞指的是無毛細管區32的輪廓形狀，該區處於裝置的中心，並從中心以16個不同的方向徑向延伸。流體毛細管通道50存在於裝置的周邊，並以16條不同的腿162延伸到裝置的中心。此實施例的優點是流體毛細管通道50和無毛細管區32的邊緣極多，以及實際上蒸氣可以容易地轉移到徑向無毛細區32的任何穩定的區域。同樣，有許多條流體毛細管通道腿返回裝置的中心。
圖18是沿圖17中18-18線所截取的橫剖面圖。該圖給出了處於結構中心的無毛細管區32。同樣，該圖給出了伸展於無毛細管區32內的兩條流體毛細管通道50。流體在這些流體毛細管通道50的端頭蒸發並進入無毛細管區32。然後在大多數情況下，蒸氣轉移到無毛細管區32的周邊區域之外。圖18還給出了傳熱柱53。如同前述實施例，這些柱子53也起到支撐結構的作用。
圖19是圖18所示中心區164的放大圖。圖19示出無毛細管區32、流體毛細管通道50的端頭和位於流體毛細管通道50上的傳熱柱53。
圖20是用於聯接到圖16所示主體底部的主體頂部的側視圖。圖20示出了構成無毛細管區32的內凹區。另外，該圖示出了流體毛細管通道50的頂層部分和傳熱柱53，後者與圖18所示的傳熱柱53相匹配。
圖21是根據本發明一個實施例的「圓圈排列」散熱器設備170的主體底部的頂視圖。在本發明的這種結構中，無毛細管區32呈大量不連續圓圈井164的形式。流體毛細管通道50環繞各個無毛細管區164。圖21還形成有大量的傳熱柱53。本發明的這種實施例是有優點的，因為它能使流體容易地遷移到結構的幾乎任何區域。另外，此實施例為流體自流體毛細管通道50內蒸發和返回流體毛細管通道50提供了大量的邊緣表面。再進一步，此構造是一種「通用」結構，適用於單晶片外殼、雙晶片外殼或其它任何型式的多晶片模塊。
圖22是沿圖21中22-22線所截取的側剖視圖。該圖給出了不同的為流體毛細管通道50的部段所環繞的無毛細管區164。該圖還給出了位於流體毛細管通道50內的傳熱柱53。
圖23是圖22所示區域172的放大圖。圖23給出了由包括傳熱柱53的流體毛細管通道50所環繞的無毛細管區164。
圖24是對應於圖21所示主體底部170的主體頂部174。主體頂部174的結構是與主體底部170相配合的。因此，主體頂部174包括流體毛細管通道頂50，帶有用於與主體底部上的相同元件對正的傳熱柱53。
圖25是根據本發明一個實施例的「方矩陣」散熱器裝置180的主體底部的頂視圖。在此實施例中，流體毛細管通道50的形狀如格柵，且方形的不連續無毛細管區166穿插該格柵。此實施例也包括傳熱柱53。
圖26是沿圖25的26-26線所截取的設備180的側視圖。該圖給出了環繞不同的無毛細管區166的流體毛細管通道50。圖27是圖26所示區域182的放大圖。圖27給出了環繞無毛細管區166的流體毛細管通道50。該圖也示出了傳熱柱53。圖中還表示出用於聯接上蓋的周邊平臺184。
圖28給出與圖25所示裝置18相聯接的上蓋185。上蓋185包括流體毛細管通道的上蓋部分50，帶有與圖15所示傳熱柱53相配合的傳熱柱53。
本發明示於圖25-28中的實施例的優點是流體能夠沿直線路徑橫跨裝置的整個表面區運動。另外，方型結構為蒸發後的流體逸出流體通道50和冷凝後的流體返回流體通道50提供了大量的邊緣區。再進一步，如同圖21-24的「圓周排列」結構的情況，圖25-28的裝置具有通用的結構，能夠有效地與各種熱源分布方案配合使用。
圖29給出根據本發明的另一種散熱器200。散熱器200包括各種規格的無毛細管區。特別是，該圖給出小圖案的無毛細管區202、大圖案無毛細管區204和更大的無毛細管區206。圖29中各種圖案的無毛細管區一般是方的，但也可採用其它型式，如圓形和三角形。
圖30是沿圖29中30-30線所截取的橫剖面圖。該圖給出了各種規格的無毛細管區202-206。傳熱柱使不同的無毛細管區中斷，所以不同的無毛細管區多少有些難於區別，這種效果參見圖31可更完全地欣賞。
圖31是圖30所示區域208的放大圖。圖31給出了從主體的兩側相遇以構成一連續柱結構的相對應的傳熱柱53。另外為了給裝置提供支撐和自裝置的一側向另一側傳導熱，這些柱子可作為冷凝表面用。換言之，對於蒸發後流體它們可用來構成額外的冷凝區域。無毛細管區的外形表面也可用作為蒸發後流體提供額外的冷凝區域。
圖32是沿圖29中32-32線所截取的橫剖面圖。該圖給出了各種規格的無毛細管區202-206，請注意，在此圖中不同的無毛細管區未被傳熱柱53分隔開。
圖33是圖32所示區域210的放大圖。圖33給出了在無毛細管區202之間構成的蒸發器區51。再次看出，此圖是沿一條不包括傳熱柱53的線截取的。
圖34給出了根據本發明的另一個散熱器220。散熱器220包括由毛細管流體通道50所環繞的無毛細管區32。該毛細管流體通道50包括擴展表面元件222。毛細管流體通道50聯接至終止於蒸發器平臺224的毛細管流體通道橋223。蒸發器平臺224有一組無毛細管區226。在此實施例中，各個無毛細管區226呈三角形。圖34給出了所公開的本發明可以結合採用，為特定應用場合構成最佳裝置的不同實施情況，圖35是本發明另一實施例的平面圖。圖35所示裝置240總體上與圖17所示裝置相似。但是，在圖35中，發熱區242中的毛細管流體通道50的邊緣244是處理後的表面。此處所用的處理後的表面是其特性經過改良的表面。例如，包括促進沸騰的成核區，包括強化流體潤溼性的塗層，包括表面純化塗層(使潤溼表面時來自流體的氧化和化學作用純化)，或包括強化毛細管流動的微細表面裂紋。微細表面裂紋使毛細管流體通道和無毛細管區(絕熱區和冷凝區)之間的不連續邊界變小。在靠近蒸發器區的絕熱表面上的微細裂紋將使流體藉助前述毛細管物理現象自流體毛細管通道轉移到該微細裂紋。這些流體將蒸發，從而擴大了蒸發(冷卻)區。在靠近冷凝區的絕熱表面上的微細裂紋有助於冷凝流體返回到毛細管流體通道。這使得絕熱表面上的流體層較薄，減少了通過該流體層的熱阻力。
成核表面一般是一粗化表面。該表面可通過噴丸、雷射蝕刻或其它能在其上留下粗糙表面或帶小凹坑表面的技術形成。
圖36給出了沿全部毛細管流體通道表面50帶有處理後表面的裝置250。圖37的裝置260給出了可用處理後的表面262製成的無毛細管區32和整個流體毛細管通道50。
圖38是本發明另一實施例的透視圖。圖38所示裝置270有支腳272，所以散熱器270的剩餘部分不與靠近發熱表面的任何物體接觸。例如，半導體外殼274包括一組安裝在板上的電容器276。這樣，支腳272用於脫離開該板上電容器276。支腳272最好在裝置270的剩餘部分上整體構成。該支腳272可以是實心金屬。
圖39是本發明另一個實施例的透視圖。在此實施例中，散熱器280上穿有孔282。孔282使凸起的裝置，例如半導體外殼274的板上電容器276延伸穿過散熱器280。
圖40是根據本發明另一實施例構成的散熱器290的透視圖。散熱器290位於包括板上電容器294的半導體元件外殼292之上。散熱器290自半導體元件外殼292的表面延伸進入冷卻區。例如，如果半導體外殼292位於膝上電腦內，然而散熱器290可延伸超出半導體元件外殼292，處於膝上電腦的鍵盤之下。散熱器290的內部包括如上所述的毛細管流體通道和無毛細管區。散熱器290還包括散熱翅片296。散熱翅片最好不是散熱器290的內部的一部分；即，在其中沒有流體循環。請注意，散熱翅片同散熱器290構成在同一平面上。這種結構與先有技術的裝置不同，它們的散熱翅片是與熱傳播表面正交的。
圖42是根據本發明另一實施例構成的散熱器300的透視圖。與前述實施例相同，散熱器300位於包括板上電容器294的半導體元件外殼292之上。散熱器300包括一終止於正交表面304的弧形或彎曲區域302。流體在裝置300的毛細管流體通道和無毛細管區內循環。具體地講，流體自裝置300的水平區通過彎曲區302，並通過正交表面304連續循環。裝置300還包括散熱翅片306。所選擇的散熱翅片306包括孔308，它可用來將風扇(未示出)聯接到正交表面304。
可以看出，在本發明的各實施例中，平面毛細管流體通道是連續的表面。即，認為它是連續的是指流體可以流過整個表面。換言之，流體可以從表面的任何區域移動到表面的任何其它區域。
本發明另一個值得注意的方面是大多數實施例構成一大致方形的設備。此處所用的大體方形一詞指的是長寬比約為20∶1，更好的是約2∶1，最好為約1∶1。大多數先有技術的熱管和熱虹吸管的結構是管狀的。
本發明的獨特之處在於毛細管流體運動是由兩個相鄰水平平面構成的平面毛細管所建立的。在先有技術的熱管中，毛細管運動一般是通過在表面上形成的槽建立的。換言之，在水平表面上形成有垂直壁以建立毛細管流體運動。在本發明中不採用垂直壁來建立毛細管流體運動。代替它的是，毛細管流體運動由平面毛細管通道的頂(天花板)和底(地板)表面建立的。
下表比較了圖17所示本發明實施例所用多種固體材料的散熱能力。
表1材料性能 重量熱導率熱阻 參數(克)(W/m/K) (℃/W)銅/鎢(13/87)合金 81.0 210 0.8821.0鉬(99.9％)50.5 146 1.2680.70鋁606113.4 180 1.0280.86金(99.9％)95.2 317 0.5841.51銅(OFHC) 44.1 391 0.4731.86銀(99.9％)51.8 429 0.4322.04鑽石(I.a.)17.4 1850 0.1008.82本發明39.8 4512 0.04121.51性能參數以銅/鎢合金為標準。所有散熱器的尺寸均為71.0mm×71.0mm×1.0mm。所有散熱器均有一個19.0mm×19.0mm的方形熱源集中於其一側，並繞另一側的周邊有翅片散熱器。本發明的實施採用鉬，並包括深1.0mm的無毛細管區和深0.125mm的毛細管通道。裝置內充注0.329cc的水。一般而言，本發明設備的充注應達到約20％的過充滿狀態。即，當充注流體毛細管通道時與流體毛細管通道不相符合的流體應為裝置內流體總量的約20％。一般而言，實施本發明是每平方釐米裝置的表面積用0.007cc流體。
本發明設備突出的熱傳導特性使本發明可以用多種材料實現。換言之，由於熱傳導性能的百分比大是由熱的蒸發引起的，所以從熱傳導的觀點看，用來實施本發明的具體材料不是關鍵。而代之以的是，材料可以根據成本、熱膨脹係數或其它參數進行選擇。本發明的一種低成本實施例是塑料的，前提是提供真空密封。
在穩定態操作過程中，平面毛細管流體通道內流體的運動非常快。流體的運動速度一般在25-200mm/s之間。此速度明顯快於任何使用虹吸器具的裝置。本發明的這個特點部分是由於其突出的熱分布性能。
以上提供的對本發明特點實施例的說明，其目的在於圖示和說明。並未打算使其完美無缺或將本發明精確限制在所公開的形式中。很明顯，根據以上說明，進行多種改進和變化是可能的。所選擇和說明的實施例是為了最好地解釋本發明的原理及其實際應用，從而使本技術領域的其它專業人士最好地利用本發明和利用為適合於具體應用場合而做了各種改進的多種實施例。本發明的範圍旨在由下述權利要求及其等效條款所限定。
權利要求
1.一種散熱設備，其包括一第一平面主體，用於連接到在上述第一平面主體上造成一個熱區和一個冷區的發熱表面上；一個與上述第一平面主體相連的第二平面主體，在上述第一平面主體和上述第二平面主體之間構成一個空隙，上述空隙包括一平面毛細管通道和一無毛細管區；以及一種處於上述空隙中的流體，用於藉助上述流體在上述熱區的上述平面毛細管通道內蒸發、在上述冷區的上述無毛細管區內冷凝，自上述無毛細管區通過毛細管運動到上述熱區的上述平面毛細管通道，並通過毛細管運動到達上述熱區來分布熱量。
2.如權利要求1所述的設備，其中，上述平面毛細管通道包括一底部的平面毛細管表面和一與其對應的頂部的平面毛細管表面，上述底部平面毛細管表面相對於上述頂部平面毛細管表面是在垂直方向上定位，以產生上述毛細管。
3.如權利要求2所述的設備，其中，上述底部平面毛細管表面和上述頂部平面毛細管表面的垂直距離小於0.5mm。
4.如權利要求2所述的設備，其中，上述底部平面毛細管表面是一個連續表面，而上述頂平面表面是一個與其對正的連續表面。
5.如權利要求1所述的設備，其中，上述第一平面主體和上述第二平面主體各自呈大致方形的結構。
6.如權利要求1所述的設備，其還包括一個聯接到上述第二平面主體的排熱設備，上述排熱設備從包括翅片散熱器和風扇在內的一組設備中選擇。
7.如權利要求1所述的設備，其中，上述第一平面主體和上述第二平面主體的合併垂直高度小於10mm。
8.如權利要求1所述的設備，其中，上述第一平面主體構成上述空隙的底面，而上述第二平面主體構成上述空隙的頂面，在上述無毛細管區上述頂面和上述底面之間的垂直距離小於9.0mm。
9.如權利要求1所述的設備，其中，上述空隙中的流體量是每平方釐米的上述設備的表面約0.010立方釐米。
10.如權利要求1所述的設備，其中，上述無毛細管區的結構包括一個中心區，帶有自其呈徑向結構延伸的構件。
11.如權利要求1所述的設備，其中，上述無毛細管區包括多個無毛細管區，各自呈預定的形狀，並為上述平面毛細管通道所圍繞。
12.如權利要求11所述的設備，其中，上述多個無毛細管區具有不同的大小。
13.如權利要求11所述的設備，其中，上述預定形狀為方形。
14.如權利要求11所述的設備，其中，上述預定形狀為圓形。
15.如權利要求11所述的設備，其中，上述預定形狀為三角形。
16.如權利要求1所述的設備，其中，上述平面毛細管通道包括一周邊表面、一流體通道橋和一個蒸發平臺。
17.如權利要求16所述的設備，其中，上述蒸發平臺包括多個各自呈預定形狀的無毛細管區。
18.如權利要求1所述的設備，其中，上述平面毛細管通道包括擴展表面元件。
19.如權利要求1所述的設備，其中，上述空隙的上述表面包括成核區。
20.如權利要求19所述的設備，其中，上述成核區只位於上述平面毛細管通道的周邊。
21.如權利要求20所述的設備，其中，上述成核區只位於上述平面毛細管通道的周邊，其位置與上述發熱表面相對應。
22.如權利要求1所述的設備，其中，上述第一平面主體包括一個支腳，將上述第一平面主體的一部分垂直升高到上述發熱表面上方。
23.如權利要求1所述的設備，上述第一平面主體和第二平面主體包括容納上述發熱表面上的表面凸起的孔。
24.如權利要求1所述的設備，其還包括在由上述第一平面主體和上述第二平面主體所確定的平面上構成的散熱翅片。
25.如權利要求1所述的設備，其中，上述第一平面主體和上述第二平面主體包括一彎曲區域。
26.如權利要求25的設備，其中，上述彎曲區域使上述第一平面主體和上述第二平面主體存在於水平平面和垂直平面兩者之內。
全文摘要
一種散熱設備(20),其包括一個用於聯接到一發熱表面的第一平面主體(22)和一個與第一平面主體(22)相連接的第二平面主體(21),在其間有空隙構成。該空隙含有蒸發流體並包括一平面毛細管通道(50)和一無毛細管通道(32)。
文檔編號H01L23/427GK1244914SQ97181438
公開日2000年2月16日 申請日期1997年11月17日 優先權日1996年11月18日
發明者D·L·託馬斯 申請人:新穎概念有限公司