專利名稱：具有可插入式毛細結構系統(tǒng)的鼓形均熱板的制作方法
具有可插入式毛細結構系統(tǒng)的鼓形均熱板相關申請的交叉引證本申請要求于2007年10月10日申請的美國專利申請第60/978，763號的優(yōu)先權， 并且將該申請的內容作為參考并入。
技術領域：
本申請有關冷卻裝置，尤其是有關均熱板(vapor chambers)。技術背景隨著電子元件性能的不斷增強，電子工業(yè)對更高性能冷卻裝置的需求更大。利用 熱管(heat-pipe)原理的均熱板越來越被認為是傳統(tǒng)散熱器(heatsinks)的有前景的替代 者。然而，有幾個問題阻礙了均熱板的廣泛應用。其中之一是為潛在客戶定制開發(fā)解決方 案所需的時間和精力。通常，均熱板供應商采用一種終端用戶產品與均熱板同時設計完成的 (design-in)方法為潛在終端用戶定制產品。除了耗時及昂貴，這種同時設計完成 (design-in)方法的主要問題是，在電子元件/系統(tǒng)設計周期和開發(fā)相關均熱板樣品的時 間之間的時間滯后。減小該時間滯后對一電子系統(tǒng)/元件的成功設計非常關鍵，但現(xiàn)在的 均熱板通常采用毛細結構(wicking structure)，這要求對每一設計進行大量的耗時的再 加工。因此，該成本構成無法有效放大。而在用戶的角度，對電子元件/系統(tǒng)，通常要求被 設計成無需特定的冷卻方案?？偟貋碚f，現(xiàn)有均熱板的缺點可被歸納成以下幾點1.架橋毛細結構(bridging wick)形成過程蒸發(fā)區(qū)和冷凝區(qū)的毛細結構必 須是腔表面的一部分(例如，把所述毛細結構直接蝕刻在所述表面上，或采用冶金焊 接(metallurgicalbonding)工藝把所述毛細結構附著在所述表面)，以減小接觸阻力 (contact resistances)并保證操作一貫性/可靠性?！凹軜颉泵毥Y構通常被用于把冷凝 液從冷凝區(qū)帶至蒸發(fā)區(qū)。在熱管中，該“架橋”路徑通常沿著該管表面(即絕熱區(qū))的軸 向延伸。但在均熱板設置中，該架橋路徑是更復雜的三維路徑，并與冷凝區(qū)和蒸發(fā)區(qū)的毛 細結構一起形成。由于這些架橋毛細結構通常通過定制的工藝，比如擴散焊接(diffusion bonding)或燒結，沿著側壁形成。這造成對各尺寸和形狀的腔的特定加工的需求。2.材料選擇毛細結構形成工藝通常要求燒結和擴散焊接，這些工藝很難在鋁上 實施?？捎糜阡X的槽狀毛細結構(groove wicks)通常無法產生均熱板正常工作所需的毛 細管壓力。因此，大部分均熱板采用銅，其價格在過去5年上漲了很多倍。3.腔的形式為增加材料利用率，現(xiàn)有的腔通常是通過把一塊板放置于已被沖壓 形成凹處(cavity)的另一塊板上而形成。然而，其結果是每一腔的尺寸或厚度都要求再加 工，這意味著該腔需要被“定制”。也就是說，腔的生產成了一個定制過程，結果，很難獲得必 要的成本降低以進入大眾市場。而且，沖壓形成的腔的轉角處的抗彎性能較弱，為防止腔在 真空條件下坍塌，需要較厚的材料和較大數(shù)量的內部支撐欄。因此，看似有效的形式(從充分利用材料的角度來說)實際上可能是低效的。本發(fā)明的實施例克服了均熱板的這些或其它限制。發(fā)明內容概述通過以下手段，本發(fā)明的實施例克服了現(xiàn)有均熱板的限制1.提供鼓形，使得能夠有更高效的材料利用率并降低對特定形式加工 (format-specifictoolings)的需求。2.提供可插入式“架橋”毛細結構系統(tǒng)，使得無需特定形式加工就能使冷凝液沿著 側壁回流。3.應用以上技術中的任一項可以利用替代材料來制造均熱板。特別的，相比于銅， 這使得能夠利用鋁和/或聚合物以獲得顯著的材料成本降低。在本發(fā)明中，蒸汽鼓包括兩蓋層(coverskin)及一框架，其可以由金屬(包括鋁， 其可以是未經處理的，經陽極氧化的，鍍層的，和/或層合的)、彈性體、聚合物、復合材料、 陶瓷和/或他們的一些組合制成，并且其可被組裝形成不同尺寸的腔。所述蓋層被連接(通 過軟釬焊(soldering)、硬釬焊(brazing)、焊接(welding)、擴散焊接或其他業(yè)界已知的類 似方法)至所述框架以形成一“鼓形”封閉腔。類似于鼓上的膜，所述蓋層主要靠沿其平面 的張力防止變形，因此，更薄的材料，如銅箔，可被采用。為實現(xiàn)這個條件，在提供必要的抗 彎性時，所述框架應與鼓的柱形體產生相似的作用，以在所述蓋層受到外力時將其保持在 一個相對緊繃的狀態(tài)。這種設置的最終結果是每一組件將主要負責僅一種力(如張力或彎 折)，如此可獲得一種最高效的狀態(tài)。最終，蓋層的強度(抵抗塌陷)更少地依賴其厚度，從 而可獲得一個最小厚度的狀態(tài)。所述框架可包括一個或更多由批量生產工藝獲得的支架，比如軋制、拉拔、鍛造、 成型、擠壓或業(yè)界已知的其他類似方法。這些支架可以通過擴散焊接、軟釬焊、硬釬焊、焊接 或業(yè)界已知的其他方法被連接在一起。頂蓋層(冷凝側)可以具有一體成型的鰭片結構 (通過成型、擠壓、切削、刮削、旋鍛或其他業(yè)界已知的方法形成)，或具有分布于其上的鰭 片結構。由于蓋層和支架可以從更大的工件切割而獲得，這使得各種腔(具有不同尺寸和 長寬比)的生產沒有再加工延遲。為進一步增加蒸汽鼓承受由真空或內部蒸汽壓力所產生的較大的力的能力，所 述蓋層與框架之間的接觸面可以部分延伸進內腔(通過支撐條)，以增加接觸面積并減 小所述蓋層支撐結構之間的間隔距離。再者，由于所述支撐條可以是所述框架整體的一 部分，其可以通過磨削、拋光、切削或業(yè)界已知的其他方法被平整化，以保證恰當?shù)墓裁嫘?(co-planarity)0為將所述蒸汽腔用作均熱板，至少一個抽真空/充液管需要被連接于所述蓋層和 /或框架。先抽真空，接著注入恰當?shù)墓ぷ饕?如水、丙酮、氨或業(yè)界所知的其他工作液)。 毛細結構分布于所述腔的內表面，以使冷凝液從冷凝區(qū)恰當?shù)亓鲃又琳舭l(fā)區(qū)。在頂蓋層(冷凝側)，所述毛細結構可包括燒結的粉末、槽(通過鋸切、機械加工、 化學蝕刻或業(yè)界已知的其他方法形成)和/或通過焊接、軟釬焊、燒結、擴散焊接或其他業(yè) 界已知的方法連接的絲網(wire mesh)。為實現(xiàn)快速周轉，這些毛細結構可在裝配時形成 (比如通過鋸切或機械加工)或可被預先形成于一個大的工件(比如通過化學蝕刻或燒 結)，而所述蓋層是從該工件切割獲得。類似地，在裝配過程或在更大工件的制作過程，至少底蓋層的一部分(比如在蒸發(fā)區(qū))上可以形成毛細結構(燒結粉末、槽和/或網)。對于側壁，分布有可插入式毛細結構系統(tǒng)，包括“保持器”和可選的“填 充”(fill-in)毛細結構，該“保持器”實質上是類似機械彈簧的結構，比如夾子、粗絲網、形 成有槽的折疊板或業(yè)界已知的其他類似結構。除了提供毛細結構的目的，該“保持器”還可 以將所述可選的“填充”毛細結構保持在位，所述可選的“填充”毛細結構可包括絲網、泡沫 材料(foams)、未燒結的粉末或業(yè)界已知的其他類似的毛細結構。由于所述“保持器”與所 述頂蓋層和底蓋層接觸(所述可選的“填充”毛細結構與側壁接觸)，所述可插入式毛細結 構系統(tǒng)實現(xiàn)了提供從頂蓋層經側壁并最終到達底蓋層的蒸發(fā)區(qū)的冷凝液流道的關鍵功能。 此處的關鍵點是所述“架橋”功能可以由可插入式毛細結構系統(tǒng)實現(xiàn)，其可適用于任何腔厚 和尺寸而不會涉及再加工延遲。對于本發(fā)明的目的，可插入式毛細結構是一個能夠將冷凝 液引向均熱板外緣的組件，并且至少一個組件與腔的表面有操作上的接觸而不與所述腔表 面形成冶金連接(metallurgicalbond)。為進一步改良所述蒸汽鼓的功能，上述毛細結構可進一步實現(xiàn)為具備或不具備沸 騰強化的多毛細結構(multi-wick structure)的一部分，如我們更早的美國專利申請第 11/272，145號以及第11/164，429號所披露的，這些專利在此被作為參考并入。本發(fā)明一個 或更多實施例的細節(jié)將被呈現(xiàn)于以下附圖和詳細描述。從以下詳細描述、附圖以及權利要 求，本發(fā)明的其他特征和優(yōu)勢盡顯無遺。發(fā)明內容附圖描述圖Ia- —蒸汽鼓的截面等距圖，展示了主要組件。圖Ib-簡單展示了只包括一個支架的框架。圖Ic-簡單展示了與底蓋層一體化的框架。圖2-頂蓋層的平面視圖，展示了毛細結構。圖3a_保持器的等距圖。圖3b_保持器的截面圖。圖3c-簡單展示了包括一線框的保持器。圖4a_ —復合蒸汽鼓的截面等距圖。圖4b_ —復合蒸汽鼓的側視圖，其與一熱源和鰭片有效接觸。詳細描述圖Ia展示了一個實施例中的蒸汽鼓100的截面圖。蒸汽鼓100包括頂蓋層110、 框架120、充液管130、底蓋層140、可插入式毛細結構系統(tǒng)150以及沸騰強化結構160。所 述沸騰強化結構160與一發(fā)熱裝置170熱接觸。所述框架120可包括一個或更多支架 (bracket) 121，其可以是由122連接形成。每一支架121可以包括一個額外的支撐條123， 其可被連接于蓋層以提供額外的加強。圖Ib展示了僅包括一個支架的框架120，而圖Ic則 展示了與底蓋層140成一體的框架120。所述充液管130用于連接一真空泵和液體源，在抽 真空和工作液注入完成后，通過壓接、軟釬焊、焊接或業(yè)界已知的其他方法進行密封。鰭片111可以一體成型于頂蓋層110(冷凝側)。圖2展示了形成于表面的包括 槽212和/或絲網213的毛細結構150。這些毛細結構(212和213)將與可插入式毛細結 構系統(tǒng)150的保持器151接觸(如圖Ia所示)。如圖3a和圖3b所示，該保持器350可以 由金屬制成，并且可以是包括槽結構351 (通過切削、蝕刻或業(yè)界已知的其他方法形成)的折疊板。如圖Ia所示，這些槽結構351將冷凝液從冷凝表面110引向可插入式毛細結構系 統(tǒng)150的絲網毛細結構152或未燒結粉末組件153，并最終將冷凝液引至位于蒸發(fā)區(qū)的沸 騰強化結構160。作為選擇之一，如圖3c所示，保持器350也可以包括一折疊的線框(wire frame)0以上所披露的毛細結構還可以是如美國專利申請第11/272，145號所披露的多毛 細結構。其中，冷凝表面毛細結構(213和212)的芯吸力(wicking power)小于側壁毛細 結構(比如可插入式毛細結構系統(tǒng)150)和/或蒸發(fā)區(qū)160毛細結構的芯吸力。另外，沸騰 加強結構可有選擇的被應用于蒸發(fā)區(qū)160，從而產生沸騰強化多毛細結構，如美國專利申請 第11/164，429號所披露的，其可采用鰭片、釘、槽、發(fā)泡、孔結構(包括絲網)，或它們的任意 組合。

圖1展示了鰭片結構形式的沸騰加強結構160，其可通過選擇性機械加工(或其他業(yè) 界已知的方法)底蓋層140而獲得。為降低重量，所述蒸汽鼓可以復合材料制作。圖4a展示了一個復合蒸汽鼓400的 切開截面圖。其包括復合蓋層410和設有充液管430的復合框架420?？蚣?20具有以聚 合物或金屬(比如鋁)制成的內芯421，其與非聚合物422結合，該非聚合物可以是陶瓷或 金屬(鍍、層壓或沉積于上)。框架420與復合蓋層410結合，蓋層410包括外層(以金屬， 比如鋁，或聚合物制成)411和非聚合物的內層412。圖4b展示了蓋層上不被覆蓋的選中位 置，以與熱產生表面436和/或金屬鰭片437接觸。
權利要求
一種均熱板包括兩個蓋層和一個框架；其中，所述框架包括至少一個支架；以及，所述蓋層和框架中的至少一個是由金屬、層壓金屬、金屬 聚合物復合材料或它們的一種組合制成。
2.如權利要求1所述的均熱板，其中，所述蓋層的至少一個包括至少一個一體的鰭片 或釘。
3.一種均熱板包括一個框架、至少一個蓋層以及一可插入式毛細結構系統(tǒng)，該毛細結 構系統(tǒng)提供了至少一部分自一冷凝表面至一蒸發(fā)區(qū)的冷凝液流道。
4.如權利要求3所述的均熱板，其中，所述毛細結構系統(tǒng)包括一保持器和一填充毛細 結構；其中，所述保持器包括一線框或一折疊板，所述填充毛細結構包括多層絲網、未燒結 金屬粉末或其組合。
5.如權利要求4所述的均熱板，其中，所述折疊板上至少設有一槽。
6.如權利要求1所述的均熱板，其中，所述毛細結構進一步構成多毛細結構，其中，蒸 發(fā)區(qū)的芯吸力高于冷凝區(qū)的芯吸力。
7.如權利要求6所述的均熱板，其中，所述多毛細結構進一步構成一沸騰加強多毛細 結構。
8.如權利要求7所述的均熱板，其中，所述冷凝表面分布有槽、網或其組合；鰭片、釘、 鰭片-釘、燒結粉末、網狀結構或其組合被用作沸騰加強結構；包括以下至少之一的層疊結 構板、網及槽表面被用于和沸騰加強結構接觸的區(qū)域。
9.一導熱裝置，包括一框架；一頂蓋層和一底蓋層分別與所述框架的頂部和底部連接，從而形成一接收一毛細結構 的區(qū)域。
10.如權利要求9所述的導熱裝置，其中，所述底蓋層包括一區(qū)域供所述毛細結構與一 發(fā)熱裝置接觸。
11.如權利要求9所述的導熱裝置，其還包括與所述頂蓋層連接的鰭片。
12.如權利要求11所述的導熱裝置，其中，所述鰭片設置于與被插入的所述可插入式 毛細結構接觸的位置。
13.如權利要求9所述的導熱裝置，其中，所述毛細結構包括槽或網。
14.如權利要求9所述的導熱裝置，其中，所述框架包括一個或更多支架以加強所述框^K O
15.如權利要求9所述的導熱裝置，其中，所述框架還包括一充液管，其可與真空泵及 液體源連接。
16.如權利要求9所述的導熱裝置，其中，所述框架包括一保持器以保持所述可插入式 毛細結構，所述保持器具有一設有槽結構的折疊板以將冷凝液自所述頂蓋層引流至所述可 插入式毛細結構的一蒸發(fā)區(qū)。
17.如權利要求9所述的導熱裝置，其中，所述可插入式毛細結構包括一多毛細結構， 其中，所述多毛細結構上的冷凝表面的芯吸力小于所述可插入式毛細結構側壁的芯吸力。
18.—種構造一均熱板的方法，其中，一可插入式毛細結構被用于橋接位于冷凝表面和 蒸發(fā)表面的毛細結構；其中，所述冷凝表面或蒸發(fā)表面的毛細結構包括網、槽、鰭片、釘、鰭片-釘、燒結粉末或其一種組合；其中，所述可插入式毛細結構的至少一個組件與所述均熱 板的至少一個表面只有機械接觸；其中，所述均熱板包括毛細結構和揮發(fā)性液體。
全文摘要
一種設有可插入式毛細結構系統(tǒng)的均熱板，包括兩個蓋層和一個框架。所述蓋層和框架結合以形成一鼓狀封閉腔。類似于鼓上的膜，所述蓋層主要通過沿著蓋層平面的張力抵抗變形，這樣可以采用更薄的材料。所述框架與鼓的柱狀體類似，提供必要的抗彎性，在蓋層受到外力時，以將其保持在一個相對緊繃的狀態(tài)。這種設置的最終結果是每一組件將主要負責僅一種力(如張力或彎折)，如此可獲得一種最高效的狀態(tài)。最終，蓋層的強度(抵抗塌陷)更少地依賴其厚度，從而可獲得一個最小厚度的狀態(tài)。
文檔編號F28D15/00GK101970967SQ200880117071
公開日2011年2月9日 申請日期2008年10月7日 優(yōu)先權日2007年10月10日
發(fā)明者李漢強, 樊俊豪, 蔡志全 申請人:嘉合科技有限公司