專利名稱：可變密度石墨發(fā)泡體散熱器的制作方法
背景信息微處理器和其他電子電路組件隨著不斷提高的性能，正變得越來越功能強大，導致從這些組件生成不斷增多的熱量。這些組件的封裝單元和集成電路管芯尺寸正在減小或者保持不變，對于給定單位的表面積而言，這種情況增加了所述組件散發(fā)的熱能。此外，當計算機相關設備變得更快，越來越多的組件被放置在尺寸同樣在減小的設備里面時，導致在更小體積的空間內的額外的熱生成。增加的溫度可能潛在地損害設備的組件，或者使單個組件和設備的壽命縮短。因此，許多這樣的集成電路所產(chǎn)生的大量的熱必須被散逸，并且因此必須在設計集成電路時給予考慮。
對于本領域技術人員而言，一旦閱讀和理解本說明書，上面所述的原因，以及下面所述的其他原因將變得清楚，從現(xiàn)有的(existing)散熱器來講，存在對更好的熱導率(thermalconductivity)的需求。
附圖簡要說明從附圖中所示的優(yōu)選實施方案的以下描述中，本發(fā)明的各種特征將是清楚的，在附圖中，同樣的參考標號一般是指所有附圖中的相同部分。這些附圖不一定是按比例繪制的，而是將重點放在示出本發(fā)明的原理上。


圖1是石墨發(fā)泡體散熱器裝置(assembly)的透視圖。
圖2是沿圖1中的線4-4得到的剖視圖，示出了銅散發(fā)器(copper spreader)。
圖3是石墨發(fā)泡體散熱器的剖視圖，示出了銅套管(sleeve)。
圖4是具有蒸發(fā)腔的石墨發(fā)泡體散熱器的透視圖，所述蒸發(fā)腔具有銅腔裝置。
圖5A是蒸發(fā)腔的頂部腔和底部腔的示意圖。
圖5B是圖5A的剖視圖。
詳細說明在下面的描述中，出于解釋而不是限制的目的，闡述了具體的細節(jié)，例如特定的結構、體系結構、界面、技術等，以便提供對本發(fā)明各個方面的全面理解。然而，對于那些得益于本公開的本領域技術人員而言，顯然，也可以在偏離這些具體細節(jié)的其他實施例中實施本發(fā)明的各個方面。在某些實例中，省略了對公知設備、電路和方法的描述，以免用不必要的細節(jié)模糊了對本發(fā)明的描述。
石墨發(fā)泡體(graphite foam)是由橡樹嶺國家實驗室(Oak-Ridge National Lab))的科學家們開發(fā)的一種新材料。90％的石墨發(fā)泡體的熱導率已顯示大約等于銅的熱導率，但是它的密度是銅的1/6，使得它在相同體積下比銅輕得多，并且因此具有更好的熱散逸。然而，石墨發(fā)泡體散熱器，在比最好的HVM散熱器(銅芯，鋁翅)輕得多的重量下，在相同體積下具有更高的冷卻能力。對于大功率組件的散熱器來說，散熱器裝置可以由使用兩種不同密度的石墨發(fā)泡體材料來形成。從而生產(chǎn)可以使用石墨發(fā)泡體材料來制成的非常高性能的散熱器。
應該注意的是，出于說明的目的，示出了25％和90％的石墨發(fā)泡體密度。然而，應該知道，可以應用任何密度。此外，目前的說明包含兩種密度類型，25％和90％，然而，可以使用任何密度量來獲得類似的結果。
圖1示出了石墨發(fā)泡體散熱器裝置25的示意視圖。石墨發(fā)泡體散熱器裝置25可以由熱傳導的中央芯(center core)或者基體30構成。所述中央芯30可以由90％致密的(dense)石墨發(fā)泡體制成。90％致密的石墨發(fā)泡體的熱導率是380瓦特/米*開爾文，這比銅的熱導率350W/M*K高。90％致密的石墨發(fā)泡體芯30的密度(density)是1.4gms/cc，這是銅密度的1/6，并且因此使得石墨發(fā)泡體散熱器裝置25在相同體積下比銅輕得多。
90％致密的石墨發(fā)泡體芯30的標稱尺寸可以是1.331″× 1.091″和1.43″高，其中圓角半徑是0.151″。外殼35可以由25％致密的石墨發(fā)泡體制成，所述25％致密的石墨發(fā)泡體具有200W/M*K的熱導率。外殼35可以由中央孔構成，所述中央孔與90％致密的石墨發(fā)泡體芯30具有過盈配合。所述中央孔的標稱尺寸可以是1.330×1.090×1.437。應該注意的是，這些尺寸可以基于石墨發(fā)泡體的可變密度來改變。
外殼35可以具有切入其中的翅45。翅45可以是.040″寬，具有.040″的間隙。翅45是沿石墨發(fā)泡體散熱器裝置25的四個角被放射狀地切割的。具有上面圖1中所述尺寸的石墨發(fā)泡體散熱器裝置25將提供78個全長(full length)的翅45。然而，應該注意的是，可能具有許多種翅的數(shù)量。例如，如果翅45被制成.050″寬和.050″的間隙，這將供給石墨發(fā)泡體散熱器裝置25總數(shù)60個翅45。
通過將石墨發(fā)泡體用于中央芯30和翅45二者，散熱器裝置25具有比現(xiàn)有材料(例如銅和鋁)高得多的冷卻能力。這是因為90％致密的石墨發(fā)泡體和25％致密的石墨發(fā)泡體分別具有比銅和鋁更高的熱導率。90％致密的石墨芯30具有380W/M*K的熱導率，而25％的石墨發(fā)泡體芯35的熱導率是200W/M*K。此外，由于石墨發(fā)泡體材料的密度比銅和鋁都低得多，與現(xiàn)有散熱器的270克相比，石墨發(fā)泡體散熱器裝置25的估計重量是100克。另外，不同于單向的固體石墨塊，本發(fā)明的石墨發(fā)泡體由于其系帶結構(ligamentstructure)，在所有的方向上傳導熱。通過所述石墨發(fā)泡體系帶的熱導率被測量為1700W/M*K。下面的表1對銅、鋁以及25％和90％致密的石墨發(fā)泡體的熱導率和密度進行比較。
石墨發(fā)泡體散熱器裝置25在低得多的重量下具有更高的冷卻能力(從散熱器到空氣的更低的θ℃/瓦特)?，F(xiàn)有散熱器可以冷卻高達50瓦特/cm2的功率密度。然而，石墨發(fā)泡體散熱器裝置25具有超過60瓦特/cm2功率密度的冷卻能力。而且，對于與目前的散熱器相同的散熱器性能而言，石墨發(fā)泡體散熱器裝置25更小，允許使用母板上更多的空間來將去耦電容器放置得更靠近電子組件，例如微處理器。當微處理器的功率消耗超過85瓦特時，目前的材料(例如銅和鋁)使用常規(guī)的空氣冷卻技術將不能滿足冷卻需要。石墨發(fā)泡體散熱器裝置使得微處理器能夠使用空氣冷卻技術冷卻超過100瓦特的功率消耗。
現(xiàn)有散熱器具有銅芯，所述銅芯被壓入具有放射狀翅的鋁外殼中。銅具有350瓦特/M*K的熱導率，而鋁的是180瓦特/M*K。使用銅和鋁的散熱器的重量是270克，所述270克的重量是通過系統(tǒng)級的沖擊和振動測試的上限。為了改善石墨發(fā)泡體散熱器裝置25和電子組件(例如微處理器)之間的熱界面，薄平的銅熱散發(fā)器(copper heat spreader)50可以被加到石墨發(fā)泡體散熱器芯30的底部。這導致石墨發(fā)泡體散熱器裝置25具有比現(xiàn)有技術高得多的冷卻能力。
如圖2所示，.125″厚的薄銅散發(fā)器50被焊接到石墨發(fā)泡體散熱器裝置25的90％的石墨發(fā)泡體芯30。然而，基于應用，可能具有不同厚度的銅散發(fā)器(copper spreader)。通過使用焊料50/50(Sn/Pb)或者63/37(Sn/Pb)來焊接兩個表面，使銅和石墨之間的熱阻保持最小。銅散發(fā)器50與電子組件的熱散發(fā)器接觸。銅散發(fā)器50在平面度和表面光潔度方面的機械公差可以被保持在比機加工的石墨的公差嚴格得多的范圍內。由于平面度和表面光潔度在與電子組件上的散發(fā)器接觸的區(qū)域中是關鍵的，因此示出了最好的銅散發(fā)器50，C10100，然而，可以使用各種銅散發(fā)器。此外，銅具有高熱導率(350瓦特/M*K)，并且因為厚度被保持在它的最小值.125″，所以對總的重量來講，沒有增加多少重量。
因為石墨發(fā)泡體材料的密度比銅和鋁都低得多，與現(xiàn)有散熱器的270克相比，具有薄銅散發(fā)器50的石墨發(fā)泡體散熱器裝置25的估計重量為170克。因此，對于相同體積的目前的散熱器而言，使用銅熱散發(fā)器50的石墨發(fā)泡體散熱器裝置25以目前散熱器重量的1/3，具有目前技術至少125％的冷卻能力(從散熱器到空氣更低的θ℃/瓦特)?？商鎿Q地，對于與現(xiàn)有散熱器相同的散熱器性能而言，石墨發(fā)泡體散熱器裝置25小得多，允許使用母板上更多的空間來將去耦電容器放置得更靠近電子組件。當現(xiàn)有散熱器的功率消耗超過85瓦特時，目前的材料(例如銅和鋁)使用常規(guī)的空氣冷卻技術不能冷卻微處理器。具有銅散發(fā)器50的石墨發(fā)泡體散熱器裝置25將允許電子組件使用空氣冷卻技術冷卻超過100瓦特的功率消耗。
圖3示出了銅套管52。為了進一步改善石墨發(fā)泡體散熱器裝置25和電子組件(例如微處理器)之間的熱界面，可以增加平薄的銅套管52。石墨發(fā)泡體芯30，由90％致密的石墨發(fā)泡體制成，可以被壓入銅套管52中。一旦被壓，銅套管52現(xiàn)在可以與25％的石墨發(fā)泡體的外殼35一起壓。
圖4示出了具有蒸發(fā)腔55的石墨發(fā)泡體散熱器的透視圖。具有蒸發(fā)腔55的石墨發(fā)泡體散熱器可以由中央銅腔裝置60構成，所述中央銅腔裝置被壓入具有放射狀翅65的90％致密的石墨發(fā)泡體外殼中。90％致密的石墨發(fā)泡體具有380瓦特/米*開爾文的熱導率，所述380瓦特/米*開爾文的熱導率比一般用于所述翅的鋁的導熱率高得多。
銅腔裝置60可以由如圖5A和5B所示的底部70和頂部75銅腔構成。25％致密的石墨發(fā)泡體80可以使用低溫焊料(50/50，Sn/Pb或者63/37，Sn/Pb)來焊接到底部腔70的基體里面。一般，可以在腔60里面使用銅網(wǎng)。然而，如果用25％致密的石墨發(fā)泡體80作為毛細材料來取代所述銅網(wǎng)，以傳遞來自電子組件的熱量，則熱性能顯著更好。
25％致密的石墨發(fā)泡體80可以在銅腔裝置60里面用作水的毛細材料。水作為流體使用并且被放置在腔裝置60里面，以將熱從腔的底部70傳遞到腔的頂部75。25％致密的石墨發(fā)泡體80充當水的毛細物，并且將熱散發(fā)通過底部腔70。頂部75和底部70腔使用類似Indalloy#1＝＝50％銦，50％Sn，在125℃下為液體的低溫焊料來焊接。
頂部蒸發(fā)腔75具有幾個盲內螺紋(tapped)孔，以為蒸汽提供大的表面積來冷卻并凝結成水滴，并且排回到底部腔70中。頂部腔75還具有1/4-20內螺紋的通孔，所述內螺紋通孔用來抽真空并且密封頂部75和底部70腔。水在真空中加熱并且變成蒸汽，所述蒸汽進入頂部腔75中的內螺紋孔中，并且所述水凝結并返回到底部腔70。由于所述25％的石墨發(fā)泡體80非常高的特有熱導率和它的毛細特性，熱幾乎立即被散發(fā)通過底部70和頂部75腔，使得銅腔裝置60成為高效熱散發(fā)器。所述熱通過由90％致密的石墨發(fā)泡體翅65組成的殼散逸到空氣中，所述翅65可以是.040″寬和.040″的間隙?？商鎿Q地，可以使用不同的翅寬度和間距。用25％的石墨發(fā)泡體80作為毛細材料和90％致密的發(fā)泡體作為翅65，具有蒸發(fā)腔55的石墨發(fā)泡體散熱器將具有超過200瓦特/cm2的冷卻能力，并且因此將能夠冷卻消耗超過150瓦特功率的微處理器。
雖然上述的實施例描述了在散熱器中使用石墨發(fā)泡體的特殊應用，但是，在其他電子或機械系統(tǒng)中，本發(fā)明的一些實施方案還可以發(fā)現(xiàn)石墨發(fā)泡體更普遍的應用。
本發(fā)明上述的和其他的方面被單獨地和組合地獲得。本發(fā)明不應該被解釋為需要兩個或者多個這樣的方面，除非被具體的權利要求清楚地要求。此外，盡管本發(fā)明已結合當前被認為是優(yōu)選的實施例來描述，但應該理解，本發(fā)明不受限于所公開的實施例，而是正相反，本發(fā)明意欲覆蓋包括在本發(fā)明的精神和范圍內的各種修改和等同結構。
權利要求
1.一種散熱器，包括熱傳導基體，所述熱傳導基體由可變密度的石墨發(fā)泡體制品構成，所述可變密度石墨發(fā)泡體制品具有第一和相反的第二表面；以及電子組件，所述電子組件被熱耦合到所述熱傳導基體的所述第二表面。
2.如權利要求1所述的散熱器，還包括從所述熱傳導基體向上延伸的多個翅結構。
3.如權利要求1所述的散熱器，其中所述熱傳導基體的密度由約90％的石墨發(fā)泡體構成。
4.如權利要求2所述的散熱器，其中所述多個翅結構由約25％的石墨發(fā)泡體構成。
5.如權利要求2所述的散熱器，其中所述多個翅結構在所述熱傳導基體的所述第一表面形成。
6.如權利要求1所述的散熱器，還包括布置在所述熱傳導基體的所述第二表面上的銅制品。
7.如權利要求6所述的散熱器，其中所述銅制品與所述電子組件接觸。
8.如權利要求6所述的散熱器，其中所述銅制品約0.125″厚。
9.如權利要求1所述的散熱器，還包括布置在所述第一和第二表面之間的銅套管。
10.如權利要求3所述的散熱器，其中所述90％致密的石墨發(fā)泡體基體的標稱尺寸約為1.331″×1.091″和1.43″高，具有0.151″的圓角半徑。
11.一種包括可變密度石墨發(fā)泡體制品的散熱器，所述可變密度石墨發(fā)泡體制品被成形，以便提供第一和第二表面，其中安排所述石墨發(fā)泡體制品的第二表面與電子組件以可操作的方式連接導致通過所述石墨發(fā)泡體制品的所述第二表面來散逸來自所述電子組件的熱。
12.如權利要求11所述的散熱器，還包括布置在所述石墨發(fā)泡體制品的所述第二表面上的銅制品。
13.如權利要求11所述的散熱器，其中所述石墨發(fā)泡體制品的所述第一表面由約25％的石墨發(fā)泡體構成。
14.如權利要求11所述的散熱器，其中所述石墨發(fā)泡體制品的所述第二表面由約90％的石墨發(fā)泡體構成。
15.如權利要求11所述的散熱器，還包括布置在所述第一和第二表面之間的銅套管。
16.一種蒸發(fā)腔，包括銅腔裝置，所述銅腔裝置具有第一和相反的第二表面；電子組件，所述電子組件與所述銅腔裝置的所述第二表面是熱傳導的。
17.如權利要求16所述的蒸發(fā)腔，其中所述第二表面的基體內部由25％的石墨發(fā)泡體構成。
18.如權利要求17所述的蒸發(fā)腔，其中所述25％的石墨發(fā)泡體是用于從所述電子組件采集熱的液體管道。
19.如權利要求16所述的蒸發(fā)腔，其中所述第一表面包括用于熱散逸的孔。
20.如權利要求16所述的蒸發(fā)腔，其中所述銅腔裝置的所述外表面由約90％的石墨發(fā)泡形成。
21.如權利要求16所述的蒸發(fā)腔，其中所述第一表面由多個翅構成。
全文摘要
公開了一種用于將熱從散逸熱的電子組件導走的散熱器。所述散熱器包括由可變密度石墨發(fā)泡體制品形成的熱傳導基體。這種具有可變的發(fā)泡體密度的石墨發(fā)泡體散熱器提供了比現(xiàn)有散熱器更高的冷卻能力。
文檔編號C04B38/00GK1902752SQ200480036426
公開日2007年1月24日 申請日期2004年10月15日 優(yōu)先權日2003年10月22日
發(fā)明者阿舒克·卡巴迪, 加里·布雷迪, 弗蘭克·德威斯, 哈里·漢普頓三世 申請人:英特爾公司