本說明書總的來說涉及熱交換器和熱交換器的制造方法。更具體而言，本說明書涉及用于冷卻發(fā)熱裝置的熱管和具有蒸發(fā)腔和內(nèi)部工質(zhì)的其它熱交換器，以及制造這種熱管和熱交換器的方法，其中發(fā)熱裝置例如是集成電路芯片和其它電氣設(shè)備。

背景技術(shù)：

隨著集成電路芯片的尺寸和功率增加，在某些情形下，所需要的散熱器已經(jīng)發(fā)展至比芯片大。當(dāng)施加至整個熱輸入面的熱通量是均勻的時候，散熱器是最高效的。當(dāng)具有大的熱輸入面的散熱器安裝至熱源的小很多的接觸區(qū)時，經(jīng)常會對熱量沿散熱器的熱輸入面?zhèn)鬟f至散熱器未與集成電路芯片的接觸區(qū)直接接觸的其它表面部位造成嚴(yán)重阻力。較高功率和較小尺寸的熱源，或者偏離散熱器中心的熱源，通常會增加這種熱流阻力。這種現(xiàn)象會造成散熱器各部分的熱傳遞效能的顯著差異。這種不平衡的熱傳遞造成的后果就是，由于高運(yùn)行溫度，其降低了集成電路芯片的性能和可靠性。

克服散熱器(例如尺寸大于待冷卻裝置的散熱器)內(nèi)的這種熱流阻力的蠻力方式包括增加散熱器的尺寸，增加與待冷卻裝置接觸的散熱器表面的厚度，增加冷卻散熱器的冷卻氣流，以及降低冷卻氣流的溫度。然而，這些方式通常會增加重量、噪音、系統(tǒng)復(fù)雜度和成本。

如果設(shè)計出相對簡單、重量輕的熱交換器，且該散熱器可高效地擴(kuò)散或以其它方式從發(fā)熱設(shè)備或元件將熱量傳走、重量較輕、容易制造且非常適合于確保與待冷卻設(shè)備和元件緊密接觸，這種熱交換器將會具有顯著的優(yōu)勢。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

公開的是一種低成本、簡單、重量輕的用于冷卻集成電路芯片和其它電子元件的熱管散熱器。在此和在所附的權(quán)利要求中使用的術(shù)語“熱管散熱器”(或類似術(shù)語)包括任何具有蒸發(fā)腔的傳熱裝置，其中工質(zhì)從熱管的第一部分(例如蒸發(fā)部)接收熱量，傳輸該熱量至熱管的第二部分(例如冷凝部)，在這里該熱量被傳遞至環(huán)境中或另一個裝置，然后工質(zhì)返回至熱管的第一部分以重復(fù)上述過程，而不管熱管具有何種形狀、尺寸和構(gòu)造。在一些實(shí)施例中，工質(zhì)在熱管的第一部分蒸發(fā)，然后在熱管的第二部分冷凝。在此公開的熱管散熱器的制造幾乎不需要額外的空間，可提供額外的表面積用于冷卻集成電路芯片，且非常適合用于建立和維持與發(fā)熱元件和裝置和/或其它傳熱元件進(jìn)行熱溝通以將熱量從該集成電路芯片移至熱量可被更容易處理的位置。而且，在此公開的熱管散熱器可被構(gòu)造成用以保證精確的平整度和最大化地將熱源的熱量傳遞至一散熱器。為此目的，在此公開的熱管散熱器具有貫穿其本體(例如，穿入和穿透熱管散熱器的蒸發(fā)腔)的通孔以利于安裝。

在此公開的熱管散熱器不需要對電路板或插槽進(jìn)行重大更改，因?yàn)樗鰺峁苌崞骺衫冒惭b至集成電路安裝板或類似的相鄰結(jié)構(gòu)的常規(guī)螺絲或其它緊固件保持與集成電路芯片緊密接觸。這意味著所公開的熱管散熱器可使用數(shù)量相對少的簡單零件。而且，用于將熱管散熱器保持在集成電路芯片上的相同螺絲或其它緊固件也可以用于將散熱器(例如，散熱翅片、冷卻板或類似裝置)固定在熱管散熱器的另一表面上。

在一些實(shí)施例中，熱管散熱器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是一個具有有限數(shù)量的流體的真空蒸發(fā)腔。該熱管散熱器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可包括一個或多個間隔件，間隔件在這兩個板或形成該蒸發(fā)腔的任何其他邊界結(jié)構(gòu)之間延伸并與這兩個板或邊界結(jié)構(gòu)接觸。這些間隔件防止這些板向內(nèi)彎曲，因此可維持熱管散熱器的接觸面平坦以與集成電路芯片和其他設(shè)備和元件接觸。這些間隔件可由初始時與兩個板都分離，然后與兩塊板接合或以其它方式固定的元件形成，可由任何一個或兩個板的部分形成，其中這些板已從初始的平坦?fàn)顟B(tài)變形(例如，沖壓、壓印、穿孔(pierced)、擠壓或拉伸)，甚至可以由兩個板的部分整體成型，例如通過加工、增量制造和鑄造操作。這些間隔件可采用多種不同的形狀，例如中空或?qū)嵭闹?、棒、桿、壁、或其他元件，可具有任何期望的橫截面形狀，但仍然如上所述橫穿蒸發(fā)腔，且可以沿間隔件的長度具有不變或變化的橫截面形狀和/或尺寸(即，從蒸發(fā)腔的其中一板到另一板進(jìn)行變化，例如圓錐形、圓臺形、沙漏狀、或其它形狀)。至少部分取決于間隔件的成型方式，這些間隔件也可以通過任何一個或兩個蒸發(fā)腔板上的凹陷形成。

多孔毛細(xì)芯材料可覆蓋熱管散熱器的內(nèi)表面。而且，多孔毛細(xì)芯材料可至少部分圍繞間隔件位于熱管散熱器內(nèi)的表面，或者甚至可以形成至少部分間隔件。以這種方式，多孔毛細(xì)芯材料可形成多孔吸液芯柱，該多孔吸液芯柱在蒸發(fā)腔內(nèi)的一個或多個位置跨過兩個板之間的空間。

這些間隔件可支撐熱管散熱器的板，可防止它們向內(nèi)變形，防止板扭曲，破壞其所需要的用于與相鄰元件和裝置緊密傳熱接觸的形狀(例如，平坦、儲液槽等)。這些間隔件也可用于支撐跨過兩個板之間的內(nèi)部蒸發(fā)腔空間的部分毛細(xì)芯。在一些實(shí)施例中，跨過板之間的空間的毛細(xì)芯柱可為熱管散熱器提供與重力無關(guān)(gravity-independent)的特征，允許工質(zhì)通過吸液芯或沿吸液芯的不需要重力的流動。

這些間隔件也使得形成穿入和穿透蒸發(fā)腔的孔成為可能-按照熱管散熱器是真空不透氣的事實(shí)，這明顯是與該事實(shí)不一致的。這是通過確保中空間隔件(如上所述)與板整體成型和/或以一種真空不透氣的方式與板接合而實(shí)現(xiàn)的。間隔件與板整體成型或密封至板后，間隔件內(nèi)可形成密封通道，該密封通道不會對熱管散熱器的真空完整性造成任何影響，該孔與熱管散熱器內(nèi)部之間完全隔離。

本說明書因此提供了具有優(yōu)異傳熱性能的熱管散熱器，同時具有相對簡單的方式以使用標(biāo)準(zhǔn)螺絲或其他可穿過蒸發(fā)腔的緊固件有效和穩(wěn)固地安裝熱管散熱器。

雖然在此描述的熱流、傳熱和熱管理方面的挑戰(zhàn)是關(guān)于冷卻集成電路芯片來描述的，其它電子裝置(例如，放大器、電壓調(diào)節(jié)器、三極管等)或甚至其他設(shè)備和裝置(例如，馬達(dá)、電池、軸承等)的冷卻也存在類似挑戰(zhàn)。在此公開的改進(jìn)同樣適用于所有這些發(fā)熱元件。

附圖說明

圖1是熱管散熱器根據(jù)本說明書一實(shí)施例的立體分解圖，如圖所示，熱管散熱器具有穿過蒸發(fā)腔的通孔并與翅片板散熱器接觸。

圖2是圖1的熱管散熱器的平面圖。

圖3是圖1的熱管散熱器的側(cè)視圖。

圖4是圖1的熱管散熱器的平面圖。

圖5是熱管散熱器根據(jù)本說明書另一實(shí)施例的橫截面示意圖。

圖6是熱管散熱器根據(jù)本說明書另一實(shí)施例的橫截面示意圖。

圖7是熱管散熱器根據(jù)本說明書另一實(shí)施例的橫截面示意圖。

圖8是熱管散熱器根據(jù)本說明書另一實(shí)施例的橫截面示意圖。

具體實(shí)施方式

在詳細(xì)描述實(shí)施例之前，應(yīng)該理解的是，本發(fā)明不限于本申請中下文或附圖中所描述的詳細(xì)結(jié)構(gòu)或元件排布。本發(fā)明可為其它方式實(shí)現(xiàn)的實(shí)施例。

圖1是根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的熱管散熱器10的立體分解圖。該熱管散熱器10包括形成在接觸板18和蓋板20之間的蒸發(fā)腔(vapor chamber)。該熱管散熱器10也可以包括翅片板16，該翅片板16可與蓋板20接觸。視情況，也可以設(shè)置安裝件(僅作為一些例子，例如所示實(shí)施例中的塊或墊28、30、34、36；板32)以利于熱管散熱器10相對于周圍環(huán)境(例如，電路板，框等)的安裝和/或?qū)R。

圖1-4所示的該熱管散熱器10是通過將兩塊板密封在一起形成一個邊界結(jié)構(gòu)而形成的。這兩塊板包括上述接觸板18和蓋板20。該邊界結(jié)構(gòu)可由每塊板18、20的外緣部相互接觸而形成。在所示的實(shí)施例中，接觸板18和蓋板20在其周向邊緣密封(例如通過焊接或銅焊)在一起以形成該熱管均熱板10的內(nèi)部蒸發(fā)腔。該熱管散熱器10然后被抽真空以移除所有不凝氣體，然后將適量傳熱流體充入蒸發(fā)腔。抽真空可以使用管38采用已知的方法進(jìn)行。

圖2顯示該熱管散熱器10的平面圖。如圖2和圖3所示，接觸板18可包括凸出的熱輸入面22。另外，接觸板18包括間隔件26，該間隔件26橫穿該蒸發(fā)腔并與相對的蓋板20接觸。在圖1-4所示的實(shí)施例中，間隔件26是由接觸板18的材料變形而形成的拉伸環(huán)(drawn collar)，因此與接觸板18是一體的。，該蓋板20包括與拉伸環(huán)間隔件26相對的孔56，在拉伸環(huán)間隔件26和蓋板20之間沿孔56的周界形成密封連接。板18、20之間的不透氣接合可使用已有的工藝來實(shí)現(xiàn)，例如通過焊接或銅焊。拉伸環(huán)間隔件26可確保，即使熱管散熱器10的內(nèi)部空間與周圍環(huán)境之間的壓差可能導(dǎo)致板18、20相向變形，接觸板18和蓋板20之間的間隔也將被維持。

拉伸環(huán)間隔件26和孔56形成穿過蒸發(fā)腔的密封通道，該密封通道可容納螺絲或其它緊固件40。由于拉伸環(huán)間隔件26與蓋板20之間的不透氣接合，該密封通道穿過熱管散熱器10的蒸發(fā)腔但不會破壞其真空完整性。該螺絲40可包括螺絲頭42和螺紋部44。在一些實(shí)施例中，該螺絲40用于緊固翅片板16使之與蓋板20接觸，螺紋部可用于緊固熱管散熱器10的接觸板18使之與熱源接觸，例如與集成電路芯片(圖未示)接觸。可設(shè)置額外的緊固附件，例如彈簧46和墊片48。

雖然在圖1-4所示的實(shí)施例中，拉伸環(huán)間隔件26被例示為由接觸板18的材料形成，應(yīng)當(dāng)理解的是，在一些實(shí)施例中，該拉伸環(huán)間隔件26可形成在蓋板20中或由蓋板20形成，而相應(yīng)的孔可形成在接觸板18中以形成穿過蒸發(fā)腔的密封通道。

熱管散熱器10也可包括至少一層吸液芯(wick)材料(圖未示)，該吸液芯材料覆蓋接觸板18的部分或全部內(nèi)表面，包括拉伸環(huán)間隔件26的面對蒸發(fā)腔的內(nèi)表面。在一些實(shí)施例中，至少一層吸液芯材料也可以覆蓋蓋板20的部分或全部內(nèi)表面。根據(jù)需求可采用任何合適的吸液芯材料，例如燒結(jié)金屬毛細(xì)芯(capillary wick)。如業(yè)界熟知的，毛細(xì)芯提供了將在熱管溫度較低的冷凝部冷凝的液體回輸至溫度較高的蒸發(fā)端的機(jī)制，該液體在蒸發(fā)端被蒸發(fā)。在蒸發(fā)部產(chǎn)生的蒸氣然后流動至冷凝部，再次冷凝。這兩次狀態(tài)改變(高溫區(qū)的蒸發(fā)和低溫區(qū)的冷凝)將蒸發(fā)部的熱量傳輸至冷凝部。

在一個優(yōu)選的實(shí)施例中，蒸發(fā)腔10的尺寸近似為5.709英寸×5.906英寸(不包括圖1-3所示的安裝板32)，總厚度為0.217英寸(不包括圖1-3所示的翅片板16及其翅片)。另外，在一個優(yōu)選的實(shí)施例中，蓋板20和接觸板18由無氧銅(OFHC)構(gòu)成，拉伸間隔件26跨越蒸發(fā)腔14的高度。在本實(shí)施例中，拉伸間隔件26的平面部的直徑為0.472英寸，毛細(xì)芯由燒結(jié)銅粉末構(gòu)成。另外，在本實(shí)施例中，拉伸間隔件26的外徑為0.472英寸，孔26的直徑為0.244英寸。

圖5是間隔件126和相鄰的熱管散熱器結(jié)構(gòu)的橫截面示意圖，其可以代替圖1-4的實(shí)施例中任何或所有的間隔件26。在本說明書中，凡適當(dāng)時，相同元件標(biāo)號代表相同的元件，加上100的元件標(biāo)號代表更改的元件。如果沒有說明實(shí)施例之間不一致，結(jié)合圖1-4的實(shí)施例描述的各種特征和元件可同樣適用于圖5的實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)理解的是，更改的元件除了在此描述的以外，含有對應(yīng)元件的相同特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)。在圖5的實(shí)施例中，蓋板120包括拉伸環(huán)間隔件126，該拉伸環(huán)間隔件126設(shè)置成與接觸板118中的孔156相對。拉伸環(huán)間隔件126橫穿蒸發(fā)腔114并穿過孔156。該拉伸環(huán)間隔件126可由一個或一系列尺寸漸變的模具的一個或多個成型操作來形成。在一些實(shí)施例中，形成間隔件126的拉伸深度(即，為了橫穿蒸發(fā)腔114)大于間隔件126的直徑，從而為較厚的熱管散熱器和/或更多蒸發(fā)腔形狀提供了重要的設(shè)計選擇。在拉伸環(huán)間隔件126和接觸板118之間的接合位置形成不透氣密封。拉伸環(huán)間隔件126和孔156一起形成穿透蒸發(fā)腔114的密封通道。如圖所示，吸液芯材料150安裝至接觸板118的內(nèi)表面，包括對應(yīng)凸起的熱輸入面122位置的內(nèi)表面。

圖5的熱管散熱器110的另一優(yōu)勢是配合形成在接觸板118中的底座(pedestal)124使用至少部分由蓋板120(其作為熱管散熱器110的冷凝部)形成的間隔件126。該底座可以任何適當(dāng)?shù)姆绞叫纬?，例如沖壓、壓印等，其不僅提供了用于與待冷卻設(shè)備或元件緊密熱接觸的凸起的熱交換表面，還有利地在蒸發(fā)腔114內(nèi)形成可收集工質(zhì)的儲液槽。成型熱管散熱器110的板118、120以形成間隔件126和熱輸入和輸出特征(例如，底座，安裝凸臺等)的工藝(例如，沖壓、拉伸、壓印等)為熱管散熱器提供了顯著增加的設(shè)計彈性和選擇。在這點(diǎn)上，在一些實(shí)施例中，間隔件126可形成在板118、120的任何一個或兩者上，而不是如圖5所示僅形成在蓋板120上。

圖6是間隔件226和相鄰的熱管散熱器結(jié)構(gòu)的橫截面示意圖，其可以代替圖1-4的實(shí)施例中任何或所有的間隔件26。在本說明書中，凡適當(dāng)時，相同元件標(biāo)號代表相同的元件，加上200的元件標(biāo)號代表相對于圖1-4的實(shí)施例做出更改的元件。如果沒有說明實(shí)施例之間不一致，結(jié)合圖1-4的實(shí)施例描述的各種特征和元件可同樣適用于圖6的實(shí)施例。在圖6的實(shí)施例中，蓋板120包括多級拉伸環(huán)間隔件226，該多級拉伸環(huán)間隔件226橫穿蒸發(fā)腔214。接觸板218包括孔256，孔256設(shè)置成與多級拉伸環(huán)間隔件226相對。該多級拉伸環(huán)間隔件226在其軸向長度上具有兩個不同直徑，該兩個不同直徑由徑向延伸的架狀物區(qū)域(shelf region)260(例如，在所示的實(shí)施例中與蓋板20實(shí)質(zhì)上平行)隔開。通過使用具有這種結(jié)構(gòu)的多級拉伸環(huán)間隔件226，可以實(shí)現(xiàn)顯著增大的孔和顯著增高的拉伸環(huán)間隔件226。這有利于更多的熱管散熱器設(shè)計選擇，例如更厚的熱管散熱器或具有受益于這種間隔件226的蒸發(fā)腔形狀的熱管散熱器。該拉伸環(huán)間隔件226沿孔256的周界與接觸板218接觸，密封連接形成在拉伸環(huán)間隔件226和接觸板218之間，從而形成穿透蒸發(fā)腔216的密封通道212。在圖6所示的實(shí)施例中，該拉伸環(huán)間隔件226穿過孔256，但在其他實(shí)施例中，該拉伸環(huán)間隔件226沿孔256的周界抵接接觸板218的內(nèi)表面。另外，類似的拉伸環(huán)間隔件可形成在接觸板218上，其與蓋板220上的一個類似的孔相對，從而形成類似的密封通道。

圖7是間隔件326和相鄰的熱管散熱器結(jié)構(gòu)的橫截面示意圖，其可以代替圖1-4的實(shí)施例中任何或所有的間隔件26。在本說明書中，凡適當(dāng)時，相同元件標(biāo)號代表相同的元件，加上300的元件標(biāo)號代表相對于圖1-4的實(shí)施例做出更改的元件。如果沒有說明實(shí)施例之間不一致，結(jié)合圖1-4的實(shí)施例描述的各種特征和元件可同樣適用于圖7的實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)理解的是，在圖7的實(shí)施例中，孔368形成在接觸板318中，一個對應(yīng)的軸向孔366形成在相對的蓋板320中。呈環(huán)或管形的間隔件326設(shè)置在蒸發(fā)腔314內(nèi)，且延伸于接觸板318和蓋板320之間。間隔件326在孔368的周界與接觸板318接觸，并在孔366的周界與蓋板320接觸。密封連接形成于間隔件326與蓋板和接觸板320、318的孔366、368之間。因此，間隔件326和每個板318、320的環(huán)繞孔366、368的周界部位形成穿過蒸發(fā)腔314的密封通道312。圖7所示的這種熱管散熱器310可顯著降低制造成本，且在某些情形下，可降低對昂貴金屬成型設(shè)備的需求，而這些昂貴金屬成型設(shè)備對于拉伸、沖壓、壓印或者在任何一個或兩個板318、320上執(zhí)行金屬成型操作而言是必需的。在一些實(shí)施例中，組裝該熱管散熱器310時，先將間隔件326分別定位在蓋板320或接觸板318的每個孔366、368位置，然后將另一個板318、320定位在這些間隔件326上以進(jìn)行該組件后續(xù)的銅焊、焊接、擴(kuò)散焊接或其它接合操作(根據(jù)需要，使用適當(dāng)夾具)。應(yīng)當(dāng)指出的是，在一些實(shí)施例中，并非所有使用在熱管散熱器310中的間隔件都是以上述方式組裝的環(huán)形間隔件。在同一個熱管散熱器中，這些間隔件可與在此公開的其它類型的間隔件配合使用。

圖8是另一個間隔件426和相鄰的熱管散熱器結(jié)構(gòu)的橫截面示意圖，其可以代替圖1-4的實(shí)施例中任何或所有的間隔件26。在本說明書中，凡適當(dāng)時，相同元件標(biāo)號代表相同的元件，加上400的元件標(biāo)號代表相對于圖1-4的實(shí)施例做出更改的元件。如果沒有說明實(shí)施例之間不一致，結(jié)合圖1-4的實(shí)施例描述的各種特征和元件可同樣適用于圖8的實(shí)施例。在圖8所示的實(shí)施例中，熱管散熱器410包括一個或多個金屬柱470，金屬柱470在蒸發(fā)腔414內(nèi)橋接于接觸板418和蓋板420之間。金屬柱470上可覆蓋有吸液芯材料450。另外，熱管散熱器410可包括一個或多個粉末柱472，粉末柱472在蒸發(fā)腔414內(nèi)橋接于接觸板418和蓋板420之間。每個粉末柱472由吸液芯材料450構(gòu)成。雖然金屬柱470和/或粉末柱472可位于蒸發(fā)腔414內(nèi)與蒸發(fā)腔414的外圍壁隔開(例如，與板418、420的相互正對的邊緣位置處的邊界結(jié)構(gòu)隔開)的任何位置，在一些實(shí)施例中，一個或多個金屬柱和/或一個或多個粉末柱472的位置設(shè)置成使之與接觸板418的相反于熱輸入面422的部位接觸。例如，在圖8所示的實(shí)施例中，覆蓋有吸液芯的金屬柱470從接觸板418的相反于熱輸入面422的位置延伸，并橫穿蒸發(fā)腔414以與蓋板420的內(nèi)側(cè)接觸。金屬柱470和/或粉末柱472可為接觸板418和蓋板420提供結(jié)構(gòu)支撐。另外，覆蓋吸液芯的金屬柱470和粉末柱472可利用連續(xù)的毛細(xì)芯連接蓋板420與接觸板418，以促進(jìn)冷凝的工質(zhì)從蓋板420返回至接觸板428的熱輸入面422。在此描述的該吸液芯材料和吸液芯位置可確保，即使熱管散熱器410的朝向設(shè)置成蓋板420相對于接觸板418顛倒，或者即使熱管散熱器410運(yùn)行于低重力或無重力環(huán)境中，已經(jīng)在蓋板420的內(nèi)表面冷凝的工質(zhì)將仍然可以與吸液芯材料接觸，因此將可以返回至作為蒸發(fā)部的接觸板428的內(nèi)表面。

應(yīng)當(dāng)理解的是，任何數(shù)量的金屬柱470和粉末柱472可被使用于圖1-7所示的任何一個熱管散熱器實(shí)施例中。

在此描述的各種熱管散熱器提供了用于冷卻集成電路或其它發(fā)熱元件的高效手段，且無需使用較大的散熱器就可以達(dá)到上述目的。較大的散熱器不僅增加重量，而且傳熱效率也不像在此描述的散熱器的傳熱效率那樣高。

應(yīng)當(dāng)理解的是，所示的本發(fā)明的形式只是優(yōu)選的實(shí)施例。各元件的功能或構(gòu)造可進(jìn)行各種更改。等同的元件和結(jié)構(gòu)可代替在此例示和描述的元件和結(jié)構(gòu)。一些特征可獨(dú)立于其它特征而單獨(dú)使用，而不會偏離前述權(quán)利要求界定的本發(fā)明的精神和范圍。例如，通孔也可穿過具有曲表面的熱管邊界結(jié)構(gòu)或具有多個偏移平面(offset planes)的熱管邊界結(jié)構(gòu)，其形成多個不同的高度以與多個熱源或散熱器接觸。

本發(fā)明的各種特征和優(yōu)點(diǎn)闡述于前述權(quán)利要求中。