专利名称：可变密度石墨发泡体散热器的制作方法
背景信息微处理器和其他电子电路组件随着不断提高的性能，正变得越来越功能强大，导致从这些组件生成不断增多的热量。这些组件的封装单元和集成电路管芯尺寸正在减小或者保持不变，对于给定单位的表面积而言，这种情况增加了所述组件散发的热能。此外，当计算机相关设备变得更快，越来越多的组件被放置在尺寸同样在减小的设备里面时，导致在更小体积的空间内的额外的热生成。增加的温度可能潜在地损害设备的组件，或者使单个组件和设备的寿命缩短。因此，许多这样的集成电路所产生的大量的热必须被散逸，并且因此必须在设计集成电路时给予考虑。
对于本领域技术人员而言，一旦阅读和理解本说明书，上面所述的原因，以及下面所述的其他原因将变得清楚，从现有的(existing)散热器来讲，存在对更好的热导率(thermalconductivity)的需求。
附图简要说明从附图中所示的优选实施方案的以下描述中，本发明的各种特征将是清楚的，在附图中，同样的参考标号一般是指所有附图中的相同部分。这些附图不一定是按比例绘制的，而是将重点放在示出本发明的原理上。
图1是石墨发泡体散热器装置(assembly)的透视图。
图2是沿图1中的线4-4得到的剖视图，示出了铜散发器(copper spreader)。
图3是石墨发泡体散热器的剖视图，示出了铜套管(sleeve)。
图4是具有蒸发腔的石墨发泡体散热器的透视图，所述蒸发腔具有铜腔装置。
图5A是蒸发腔的顶部腔和底部腔的示意图。
图5B是图5A的剖视图。
详细说明在下面的描述中，出于解释而不是限制的目的，阐述了具体的细节，例如特定的结构、体系结构、界面、技术等，以便提供对本发明各个方面的全面理解。然而，对于那些得益于本公开的本领域技术人员而言，显然，也可以在偏离这些具体细节的其他实施例中实施本发明的各个方面。在某些实例中，省略了对公知设备、电路和方法的描述，以免用不必要的细节模糊了对本发明的描述。
石墨发泡体(graphite foam)是由橡树岭国家实验室(Oak-Ridge National Lab))的科学家们开发的一种新材料。90％的石墨发泡体的热导率已显示大约等于铜的热导率，但是它的密度是铜的1/6，使得它在相同体积下比铜轻得多，并且因此具有更好的热散逸。然而，石墨发泡体散热器，在比最好的HVM散热器(铜芯，铝翅)轻得多的重量下，在相同体积下具有更高的冷却能力。对于大功率组件的散热器来说，散热器装置可以由使用两种不同密度的石墨发泡体材料来形成。从而生产可以使用石墨发泡体材料来制成的非常高性能的散热器。
应该注意的是，出于说明的目的，示出了25％和90％的石墨发泡体密度。然而，应该知道，可以应用任何密度。此外，目前的说明包含两种密度类型，25％和90％，然而，可以使用任何密度量来获得类似的结果。
图1示出了石墨发泡体散热器装置25的示意视图。石墨发泡体散热器装置25可以由热传导的中央芯(center core)或者基体30构成。所述中央芯30可以由90％致密的(dense)石墨发泡体制成。90％致密的石墨发泡体的热导率是380瓦特/米*开尔文，这比铜的热导率350W/M*K高。90％致密的石墨发泡体芯30的密度(density)是1.4gms/cc，这是铜密度的1/6，并且因此使得石墨发泡体散热器装置25在相同体积下比铜轻得多。
90％致密的石墨发泡体芯30的标称尺寸可以是1.331″× 1.091″和1.43″高，其中圆角半径是0.151″。外壳35可以由25％致密的石墨发泡体制成，所述25％致密的石墨发泡体具有200W/M*K的热导率。外壳35可以由中央孔构成，所述中央孔与90％致密的石墨发泡体芯30具有过盈配合。所述中央孔的标称尺寸可以是1.330×1.090×1.437。应该注意的是，这些尺寸可以基于石墨发泡体的可变密度来改变。
外壳35可以具有切入其中的翅45。翅45可以是.040″宽，具有.040″的间隙。翅45是沿石墨发泡体散热器装置25的四个角被放射状地切割的。具有上面图1中所述尺寸的石墨发泡体散热器装置25将提供78个全长(full length)的翅45。然而，应该注意的是，可能具有许多种翅的数量。例如，如果翅45被制成.050″宽和.050″的间隙，这将供给石墨发泡体散热器装置25总数60个翅45。
通过将石墨发泡体用于中央芯30和翅45二者，散热器装置25具有比现有材料(例如铜和铝)高得多的冷却能力。这是因为90％致密的石墨发泡体和25％致密的石墨发泡体分别具有比铜和铝更高的热导率。90％致密的石墨芯30具有380W/M*K的热导率，而25％的石墨发泡体芯35的热导率是200W/M*K。此外，由于石墨发泡体材料的密度比铜和铝都低得多，与现有散热器的270克相比，石墨发泡体散热器装置25的估计重量是100克。另外，不同于单向的固体石墨块，本发明的石墨发泡体由于其系带结构(ligamentstructure)，在所有的方向上传导热。通过所述石墨发泡体系带的热导率被测量为1700W/M*K。下面的表1对铜、铝以及25％和90％致密的石墨发泡体的热导率和密度进行比较。
石墨发泡体散热器装置25在低得多的重量下具有更高的冷却能力(从散热器到空气的更低的θ℃/瓦特)。现有散热器可以冷却高达50瓦特/cm2的功率密度。然而，石墨发泡体散热器装置25具有超过60瓦特/cm2功率密度的冷却能力。而且，对于与目前的散热器相同的散热器性能而言，石墨发泡体散热器装置25更小，允许使用母板上更多的空间来将去耦电容器放置得更靠近电子组件，例如微处理器。当微处理器的功率消耗超过85瓦特时，目前的材料(例如铜和铝)使用常规的空气冷却技术将不能满足冷却需要。石墨发泡体散热器装置使得微处理器能够使用空气冷却技术冷却超过100瓦特的功率消耗。
现有散热器具有铜芯，所述铜芯被压入具有放射状翅的铝外壳中。铜具有350瓦特/M*K的热导率，而铝的是180瓦特/M*K。使用铜和铝的散热器的重量是270克，所述270克的重量是通过系统级的冲击和振动测试的上限。为了改善石墨发泡体散热器装置25和电子组件(例如微处理器)之间的热界面，薄平的铜热散发器(copper heat spreader)50可以被加到石墨发泡体散热器芯30的底部。这导致石墨发泡体散热器装置25具有比现有技术高得多的冷却能力。
如图2所示，.125″厚的薄铜散发器50被焊接到石墨发泡体散热器装置25的90％的石墨发泡体芯30。然而，基于应用，可能具有不同厚度的铜散发器(copper spreader)。通过使用焊料50/50(Sn/Pb)或者63/37(Sn/Pb)来焊接两个表面，使铜和石墨之间的热阻保持最小。铜散发器50与电子组件的热散发器接触。铜散发器50在平面度和表面光洁度方面的机械公差可以被保持在比机加工的石墨的公差严格得多的范围内。由于平面度和表面光洁度在与电子组件上的散发器接触的区域中是关键的，因此示出了最好的铜散发器50，C10100，然而，可以使用各种铜散发器。此外，铜具有高热导率(350瓦特/M*K)，并且因为厚度被保持在它的最小值.125″，所以对总的重量来讲，没有增加多少重量。
因为石墨发泡体材料的密度比铜和铝都低得多，与现有散热器的270克相比，具有薄铜散发器50的石墨发泡体散热器装置25的估计重量为170克。因此，对于相同体积的目前的散热器而言，使用铜热散发器50的石墨发泡体散热器装置25以目前散热器重量的1/3，具有目前技术至少125％的冷却能力(从散热器到空气更低的θ℃/瓦特)。可替换地，对于与现有散热器相同的散热器性能而言，石墨发泡体散热器装置25小得多，允许使用母板上更多的空间来将去耦电容器放置得更靠近电子组件。当现有散热器的功率消耗超过85瓦特时，目前的材料(例如铜和铝)使用常规的空气冷却技术不能冷却微处理器。具有铜散发器50的石墨发泡体散热器装置25将允许电子组件使用空气冷却技术冷却超过100瓦特的功率消耗。
图3示出了铜套管52。为了进一步改善石墨发泡体散热器装置25和电子组件(例如微处理器)之间的热界面，可以增加平薄的铜套管52。石墨发泡体芯30，由90％致密的石墨发泡体制成，可以被压入铜套管52中。一旦被压，铜套管52现在可以与25％的石墨发泡体的外壳35一起压。
图4示出了具有蒸发腔55的石墨发泡体散热器的透视图。具有蒸发腔55的石墨发泡体散热器可以由中央铜腔装置60构成，所述中央铜腔装置被压入具有放射状翅65的90％致密的石墨发泡体外壳中。90％致密的石墨发泡体具有380瓦特/米*开尔文的热导率，所述380瓦特/米*开尔文的热导率比一般用于所述翅的铝的导热率高得多。
铜腔装置60可以由如图5A和5B所示的底部70和顶部75铜腔构成。25％致密的石墨发泡体80可以使用低温焊料(50/50，Sn/Pb或者63/37，Sn/Pb)来焊接到底部腔70的基体里面。一般，可以在腔60里面使用铜网。然而，如果用25％致密的石墨发泡体80作为毛细材料来取代所述铜网，以传递来自电子组件的热量，则热性能显著更好。
25％致密的石墨发泡体80可以在铜腔装置60里面用作水的毛细材料。水作为流体使用并且被放置在腔装置60里面，以将热从腔的底部70传递到腔的顶部75。25％致密的石墨发泡体80充当水的毛细物，并且将热散发通过底部腔70。顶部75和底部70腔使用类似Indalloy#1＝＝50％铟，50％Sn，在125℃下为液体的低温焊料来焊接。
顶部蒸发腔75具有几个盲内螺纹(tapped)孔，以为蒸汽提供大的表面积来冷却并凝结成水滴，并且排回到底部腔70中。顶部腔75还具有1/4-20内螺纹的通孔，所述内螺纹通孔用来抽真空并且密封顶部75和底部70腔。水在真空中加热并且变成蒸汽，所述蒸汽进入顶部腔75中的内螺纹孔中，并且所述水凝结并返回到底部腔70。由于所述25％的石墨发泡体80非常高的特有热导率和它的毛细特性，热几乎立即被散发通过底部70和顶部75腔，使得铜腔装置60成为高效热散发器。所述热通过由90％致密的石墨发泡体翅65组成的壳散逸到空气中，所述翅65可以是.040″宽和.040″的间隙。可替换地，可以使用不同的翅宽度和间距。用25％的石墨发泡体80作为毛细材料和90％致密的发泡体作为翅65，具有蒸发腔55的石墨发泡体散热器将具有超过200瓦特/cm2的冷却能力，并且因此将能够冷却消耗超过150瓦特功率的微处理器。
虽然上述的实施例描述了在散热器中使用石墨发泡体的特殊应用，但是，在其他电子或机械系统中，本发明的一些实施方案还可以发现石墨发泡体更普遍的应用。
本发明上述的和其他的方面被单独地和组合地获得。本发明不应该被解释为需要两个或者多个这样的方面，除非被具体的权利要求清楚地要求。此外，尽管本发明已结合当前被认为是优选的实施例来描述，但应该理解，本发明不受限于所公开的实施例，而是正相反，本发明意欲覆盖包括在本发明的精神和范围内的各种修改和等同结构。
权利要求
1.一种散热器，包括热传导基体，所述热传导基体由可变密度的石墨发泡体制品构成，所述可变密度石墨发泡体制品具有第一和相反的第二表面；以及电子组件，所述电子组件被热耦合到所述热传导基体的所述第二表面。
2.如权利要求1所述的散热器，还包括从所述热传导基体向上延伸的多个翅结构。
3.如权利要求1所述的散热器，其中所述热传导基体的密度由约90％的石墨发泡体构成。
4.如权利要求2所述的散热器，其中所述多个翅结构由约25％的石墨发泡体构成。
5.如权利要求2所述的散热器，其中所述多个翅结构在所述热传导基体的所述第一表面形成。
6.如权利要求1所述的散热器，还包括布置在所述热传导基体的所述第二表面上的铜制品。
7.如权利要求6所述的散热器，其中所述铜制品与所述电子组件接触。
8.如权利要求6所述的散热器，其中所述铜制品约0.125″厚。
9.如权利要求1所述的散热器，还包括布置在所述第一和第二表面之间的铜套管。
10.如权利要求3所述的散热器，其中所述90％致密的石墨发泡体基体的标称尺寸约为1.331″×1.091″和1.43″高，具有0.151″的圆角半径。
11.一种包括可变密度石墨发泡体制品的散热器，所述可变密度石墨发泡体制品被成形，以便提供第一和第二表面，其中安排所述石墨发泡体制品的第二表面与电子组件以可操作的方式连接导致通过所述石墨发泡体制品的所述第二表面来散逸来自所述电子组件的热。
12.如权利要求11所述的散热器，还包括布置在所述石墨发泡体制品的所述第二表面上的铜制品。
13.如权利要求11所述的散热器，其中所述石墨发泡体制品的所述第一表面由约25％的石墨发泡体构成。
14.如权利要求11所述的散热器，其中所述石墨发泡体制品的所述第二表面由约90％的石墨发泡体构成。
15.如权利要求11所述的散热器，还包括布置在所述第一和第二表面之间的铜套管。
16.一种蒸发腔，包括铜腔装置，所述铜腔装置具有第一和相反的第二表面；电子组件，所述电子组件与所述铜腔装置的所述第二表面是热传导的。
17.如权利要求16所述的蒸发腔，其中所述第二表面的基体内部由25％的石墨发泡体构成。
18.如权利要求17所述的蒸发腔，其中所述25％的石墨发泡体是用于从所述电子组件采集热的液体管道。
19.如权利要求16所述的蒸发腔，其中所述第一表面包括用于热散逸的孔。
20.如权利要求16所述的蒸发腔，其中所述铜腔装置的所述外表面由约90％的石墨发泡形成。
21.如权利要求16所述的蒸发腔，其中所述第一表面由多个翅构成。
全文摘要
公开了一种用于将热从散逸热的电子组件导走的散热器。所述散热器包括由可变密度石墨发泡体制品形成的热传导基体。这种具有可变的发泡体密度的石墨发泡体散热器提供了比现有散热器更高的冷却能力。
文档编号C04B38/00GK1902752SQ200480036426
公开日2007年1月24日 申请日期2004年10月15日 优先权日2003年10月22日
发明者阿舒克·卡巴迪, 加里·布雷迪, 弗兰克·德威斯, 哈里·汉普顿三世 申请人:英特尔公司