用于电子部件的包含流体的冷却板的制作方法

专利名称：用于电子部件的包含流体的冷却板的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种冷却组件，所述冷却组件可具体化为具有包含液相和 气相的流体的密封室的两相蒸发器型冷却板，或者可具体化为具有室的单 相冷却板，其中液相的流体通过所述室循环，所述冷却组件或者可具体化 为具有接收液体的入口和用于气体的出口的泵式冷却板。本发明还涉及用 于制造这些类型的冷却板的方法。
背景技术：
作为此处所使用的术语，冷却板指长度和宽度明显大于其厚度的部 件，并且所述部件用于冷却贴在其一个主要表面上的热源。己熟知一种具 有室的冷却板，其中所述室包含参与传热的工作流体。流体即可以液相和 气相存在，或者仅以液相存在。重要的是，室被密封以便液体和气体都不 被转移到周围环境中，以便环境大气不被导入室中，否则将导致传热性能 的损失。
现有技术的冷却板典型地具有顶部和底部，所述顶部和底部固定在一 起以形成包含液体和/或气体的室。典型地，顶部和底部之一是深拉拔冲
压件(de印drawn stamping),平板被硬钎焊到所述深拉拔冲压件上或者 以其它方式密封地固定到所述深拉拔冲压件上以形成室。然而用于拉拔部 分的加工成本是高的，并且对于小批量生产或者原型(prototype)是不 合理的。可选择地，顶部和/或底部可以机械加工有腔，其它部分固定到 所述腔以形成室。这是劳动密集型的并且导致大量的废料，并且仅对于原 型是合理的。

发明内容
本发明的目的是提供一种含有流体的冷却板，所述冷却板即适合于单 相又适合于两相的实施例，并具有低加工成本。
根据本发明，此目的由一种冷却组件实现，所述冷却组件包括具有 平面表面和相对表面的第一金属板；具有平面表面和相对表面的第二金属 板，其中第二板的平面表面面对第一板的平面表面，并且所述第二板的平 面表面平行于所述第一板的平面表面；和细长材料，所述细长材料包括线 材和管之一，所述线材和管之一形成为夹在平面表面之间的周线并且结合 到所述平面表面上以形成室。入口被设置以用于将工作流体引入室，并且 入口还可用于在引入流体之后在室内抽成真空。
根据优选实施例，细长材料是镀敷有可硬钎焊或可软钎焊合金的线 材，所述线材通过硬钎焊或软钎焊结合到底板和顶板上。在制造期间，线 材形成为曲折的壁，所述壁靠近底板的外周并靠着所述底板的平面表面或 内侧表面被定位，顶板靠着所述壁被定位并且各板被加热直到可硬钎焊的 合金熔化并形成结合。
可选择地，细长材料可以通过焊接、扩散结合或者感应加热结合到板 上。如果将使用感应加热，部件中的至少一个选择为电损耗(electrically dissipative)的或磁损耗(magnetically dissipative)的，以便当其 暴露于振荡磁场时产生热量。 一种合适的布置采用具有例如钢的铁基芯的 细长材料，所述芯首先包覆有铜并随后镀敷有硬钎焊合金。暴露于振荡磁 场会产生电流，所述电流将钢加热到硬钎焊合金的熔点。此提供的优点是， 加热被限定在其所需要的区域。
为了提供两相的封闭冷却板，在添加流体之后在室内产生真空，并且 入口被密封。为了板之间的附加的结构支撑，直径与形成壁的线材相同的 镀线材棒被布置在室内，并与油折壁同时地硬钎焊或软钎焊到平面表面 上。这些棒用作支撑所述板的基座或间隔装置，以防止所述板在真空条件 下朝彼此塌縮，并且同样地防止所述板在高压下远离彼此膨胀。为促进两 相冷却板的室中的蒸发，在室中优选地设置毛细结构。毛细结构可固定到 底板的内表面上、并离开外壁，并且所述毛细结构设置有孔以使其远离棒。 这防止棒上的可硬钎焊合金渗入毛细结构中。这也确保棒直接地结合到板 上。
为了提供一种单相冷却板，液相的工作流体通过所述单相冷却板循 环，确定流体通过室的线路的线材分隔物设置在入口和出口之间。与线材
棒相同，分隔物线材的横向尺寸与形成室的周壁的线材的横向尺寸大致相 同，并且所述分隔物线材镀敷有可硬钎焊或可软钎焊的合金，以便它在加 热期间可与线材壁同时地结合到板上。
本发明的结构和加工方法提供了许多优于现有技术的优点。首先，用 于形成壁的诸如线材或管的细长材料可通过能够迅速实现的低成本加工 被弯曲以大致沿板的周边而延伸。其次，镀线材的使用提供控制量的硬钎 焊合金到焊缝。这以刚好足够最佳焊缝的体积的硬钎焊合金产生稳定的硬
钎焊焊缝，同时产生极少的渗出或不产生渗出到毛细结构(wick)。使用
金属棒作为支撑基座的优点是，底板和/或顶板可以非常薄。相反地，如 果板做得更厚，那么可以在数量上减少金属棒或者取消金属棒。
从以下结合附图考虑的详细说明中，本发明的其它目的和特征将变得 清楚明白。然而应当理解为，附图仅为了图示说明的目的而设计，而并非 是对本发明的范围的限定，本发明的范围应当参考权利要求。应当进一步 理解为，附图并不必然地按比例画出，并且除非相反说明，附图仅旨在概 念性地说明此处所描述的结构和过程。


图l是根据本发明的两相冷却板的分解透视图2A是夹在一对金属板之间并硬钎焊到一对金属板上的线材(wire) 的横截面；
图2B显示了可选择的实施例，其中板形成有槽；
图3是装配到印刷电路板上的CPU上的冷却板的正视图4是根据本发明的单相冷却板的分解透视图5A和5B是可选择的入口的透视图6A到6E是可选择的板配置的分解透视图7A和7B是形成迂回曲折线路的壁的细长材料的可选择实施例的透 视图。
具体实施例方式
图1显示了底板10，所述底板10具有内表面12，开气孔铜泡沫(open
pore copper foam)的毛细结构.(wicking structure) 16扩散结合到所 述内表面12上；相对表面13;和外周中的一对侧向相对的凹口14。线材20 形成为周线(circuit),所述周线被布置为靠着最靠近底板10外周的内表 面12，所述结构16与线材壁20隔开以形成间隙，以便硬钎焊合金不渗入毛 细结构。线材可具有任意外部横截面，例如圆形、椭圆形、正方形、矩形、 三角形、梯形或菱形，只要它相对于内表面12的横向具有一致的尺寸。从 作为线材的商业可获得的观点看，圆形横截面是优选的，圆形横截面的线 材易于弯曲为任意需要的形状，并保持板的间隔。具有多种外部横截面中 的一种的管状材料也可被使用以代替实芯线材。线材棒(wire slug) 22 被布置为靠着内表面12以形成支撑顶板30的基座，毛细结构16设置有孔 18，所述孔18提供围绕每一个棒22的间隙以防止硬钎焊合金渗入毛细结构 中。尽管棒优选地也具有圆形横截面，但其它横截面也可使用。有利的方 式是，棒22可形成为具有防止在硬钎焊到板上前滚动的L形状或其它轮廓。 线材20和棒22都镀有可硬钎焊合金。典型地，板10、 30由铜制成，而线材 20和棒22由镀有银的铜芯构成。顶板30具有内表面32，所述内表面32 面对底板10的内表面12;相对表面33，入口管36在孔口上硬钎焊到所述相 对表面33上；和孔34，所述孔34与底板中的凹口14对齐以容纳安装螺钉。 为实现组件，顶板30被布置为靠着线材壁20和棒22，并且组件被加热 直到可硬钎焊合金熔化以形成线材壁20和每一板10、 30之间的硬钎焊焊 缝，以及每一棒22和每一板10、 30之间的硬钎焊焊缝。如图2A中所示，银 合金40形成线材芯21和各个板10、 30的每一内表面12、 32之间的角焊缝
(filleted joint)。棒22和表面12、 32之间的硬钎焊焊缝具有相似的外 观，用于壁20的鍍线材(plated wire)与用于棒22的镀线材大致相同。 线材壁20和棒22都从切割之前被镀的线材上切割下。这是可行的，因为棒 22的端表面不形成任何焊缝。然而，线材壁20可以需要少量的可硬钎焊合 金以设置在未镀的切割端的区域内。线材也可镀有诸如PbSn的易熔质悍料
(eutectic solder)以使软钎焊(soldering)能够代替硬钎焊。线材20 的端部也可被焊接、型锻、重叠、机械地连接或利用熔点比硬钎焊/软钎 焊合金更高的金属而冶金地连接。
图2B显示了可选择的实施例，其中板IO、 30被模压或以其它方式设置
有槽，所述槽被加工轮廓以容纳线材壁20。尽管这需要额外的加工步骤、
即形成槽，但它增加了线材和板之间的表面接触，并且在部件结合在一起 时增强了密封。
板IO、 30通过硬钎焊或软钎焊的连接产生室，所述室通过入口管36 可进入但在另外的情况下是密封的。为实现根据本发明的冷却板，室部分 地充入诸如水的可蒸发性流体，通过入口管抽真空，并且管被夹紧并密封 以便流体以两相(液体和气体)存在。如果使用水之外的沸腾一冷凝介质、 例如丙酮、丁烷、甲醇或者氨，那么为了化学相容性的原因，可选择其它 材料以用于室和毛细结构，其中所述其它材料例如是不锈钢、铝或者诸如 蒙耐合金(Monel)的镍基合金。入口管36可以从板30向远处延伸，以便 远处可以被冷却从而收集非可冷凝性气体(NCG)，因此管可更靠近板30 被夹紧并密封，由此从最终组件消除NCG。棒22用作支撑基座，所述支撑 基座防止板IO、 30由于室内的低压而朝彼此塌縮。同样地，硬钎焊焊缝防
止如果使用期间正压力在室内产生的话板远离彼此膨胀。
如图3中所示，在使用中，底板10的相对表面13靠着诸如中央处理器 (CPU)的待冷却的电子或电气部件42固定。此固定可由穿过孔34和凹口 14而被容纳的螺钉(screw) 35实现。部件所产生的热量通过部件的"着 陆区域"传递到底板IO，这使邻近着陆区域的工作流体蒸发。毛细结构16 有利于蒸发，所述毛细结构16可以是泡沫结构、金属丝网、多股绞合线、 带槽表面、带纹路表面(texturized surface)、烧结粉末金属或任意提 供毛细管作用的材料，只要其与流体以及组件的其它材料相容。它不必提 供毛细结构，但它确实促进蒸发、并提供用于冷凝流体的毛细作用辅助返 回路径。产生的蒸汽在暴露于较冷表面的地方在该室的其它地方冷凝。在 顶板30上设置散热片44可促进冷凝，所述散热片44在入口管36靠着表面33 折叠处中断。也可在邻近待冷却的部件42的着陆区域的底板10的表面13 上设置散热片46。
图4显示了根据本发明的冷却组件的可选择实施例，其中流体保持为 液相并且经由入口管26和出口管27穿过组件循环，所述入口管26和出口管 27穿过壁20并被硬钎焊或焊接在合适位置。不需要毛细结构，然而，诸如 凹槽和/或纹路(textures)的结构可用于增强传热性能。设置分隔物
(partition) 28以代替仅支撑顶板30的棒。这些分隔物不仅支撑顶板30， 而且引导液体以曲折路线通过室以最大化传热。防止死区(dead zone) 并最大化传热的其它路线也是可以的。被加热的液体然后在远处的诸如片 状结构(未显示)的散热片(heat sink)处被冷却，并被泵送回冷却组 件。与壁20相同，分隔物28可以是线材(实心的)，或者是管(空心的)。 入口管26和出口管27必须是中空的，并且与壁20和分隔物28的直径相同。 可选择地，如果两个板中的一个板局部地变形以与更大的直径配合，那么 入口管26和出口管27可具有比壁20更大的直径。当然，与图l中所示的入 口36相似，入口管和出口管可穿过任一板进入。所有的线材和/或管都镀 有可硬钎焊或可软钎焊合金，所述合金用于在加热到合金的熔化温度时结 合和密封，并产生如图2A中所示的密封焊缝。尽管镀敷是敷设可硬钎焊或 可软钎焊金属的优选方法，但诸如包覆(cladding)的其它涂覆方法也可 被预见到。
请注意，没有必要涂覆线材的整个外周。如果线材具有例如正方形轮 廓，可以仅涂覆线材的相对表面。这些表面或者可以是接触各个板的表面， 或者是相对的表面。由于可硬钎焊或可软钎焊材料趋向于流入接触面，这 是可以的。
在使用中，图4的冷却板也靠着诸如CPU的部件被固定，但对于远处冷 却以及用于循环液体的装置的需要使得整个系统比图l中的蒸发冷却板更 复杂。然而，只要冷却组件包括由两个板形成的室以及夹在两块板之间并 结合到两块板上的细长条状的线材或管，那么冷却组件的结构就大致相 同。
除图1和图4的实施例之外，冷却板也可大致构造如图l中所示，但还 设置有用于蒸汽的出口。蒸汽在远处被冷却并冷凝，并通过入口36作为液 体被用泵抽回室。在任意实施例中，入口36可以设置为或者穿过壁20，或 者穿过板IO、 30之一。
图5A显示了可选择的入口37，所述入口37直接地形成在板10、 30中并 与壁20中的中断(interruption)(不可见)连通。填充和抽空之后，板 的角部可以被切断、巻曲并焊接以提供封口 (seal),壁同时被巻曲以封 闭所述中断。
图5B显示了入口39，所述入口39与板30整体地形成以形成管接头 (nipple)，在添加工作流体并抽真空后所述管接头可被切断并密封。
图6A到6E显示了可选择的冷却板结构。更具体地，图6A显示了可选择 的冷却板，所述冷却板由两个L形部件50、平面部件51、和弯曲成所示几 何形状的线材或数根线材52构成。图6B显示了由两个L形部件53和线材54 制成的冷却板。图6C显示了两个C形部件55和线材56，所述线材56形成为 夹在部件55之间。图6D显示了两个U形部件57和线材58，所述线材58被弯 曲以形成夹在板57之间的周线。图6E显示了单一板部件59和线材60，其中 所述部件59被形成为具有狭窄的U形横截面，所形成的线材60靠着U形的底 部而被容纳从而形成包围平行边之间的室的周线。在这些实施例的每一个 中，入口可根据前面所披露的一个实施例而设置。
图7A显示了具有端部23、 25的线材20的实施例，所述端部23、 25被弯 曲以平行地向内延伸。图7B显示了具有端部23、 25的管20，所述端部23、 25被弯曲以平行地相对延伸，由此形成用于室的入口。这提供的优点是， 细长材料自身可通过流经其的流体被冷却。
因此，尽管已显示、描述并指明了如应用到优选实施例的本发明的基 本的新颖特征，但应当理解，所示装置及其操作的形成和细节上的各种省 略、替换和改变可以由本领域普通技术人员在不背离本发明的实质的前提 下做出。例如，可明显地预期到，那些以大致相同的方式执行大致相同的 功能从而实现相同结果的部件和/或方法步骤的所有结合都在本发明的范 围以内。另外，应当理解，与本发明的任何披露的形式或实施例有关的所 示和/或所描述的结构和/或部件和/或方法步骤可以作为设计选择的一般 性内容而并入任何其它所披露的或描述的或建议的形式或实施例中。因此 本发明仅限制为如随后的权利要求的范围所说明的。
权利要求
1. 一种冷却组件，包括第一金属板，所述第一金属板具有内表面和相对表面；第二金属板，所述第二金属板具有内表面和相对表面，所述第二板的所述内表面面对所述第一板的所述内表面并与所述第一板的所述内表面平行；细长材料，所述细长材料由至少部分地形成周线的线材或管之一构成，所述细长材料夹在所述内表面之间并结合到所述内表面上以形成室；和入口，所述入口用于将流体引入所述室内。
2. 根据权利要求l所述的冷却组件，其中 所述细长材料具有圆形横截面。
3. 根据权利要求2所述的冷却组件，其中至少一个所述板具有形成在所述内表面中的槽，所述槽具有容纳所述 细长材料的弓形轮廓。
4. 根据权利要求l所述的冷却组件，其中所述细长材料具有涂有可硬钎焊金属的芯，所述细长材料通过硬钎焊 结合到所述内表面上。
5. 根据权利要求4所述的冷却组件，其中所述芯包括比板的材料的电损耗性或磁损耗性更强的材料，由此所述 芯可通过暴露在振荡电场或振荡磁场上而被加热。
6. 根据权利要求5所述的冷却组件，其中所述金属芯是涂有铜的铁基芯，由此所述可硬钎焊金属可被所述芯的 感应热量所熔化。
7. 根据权利要求4所述的冷却组件，其中所述芯被包覆或镀敷有所述可硬钎焊金属。
8. 根据权利要求l所述的冷却组件，其中 所述入口由穿过所述板之一而被容纳的管形成。
9. 根据权利要求l所述的冷却组件，其中所述入口形成为穿过细长材料中的中断而被容纳的管。
10. 根据权利要求l所述的冷却组件，其中所述细长材料为具有相对端部的管，所述端部之一延伸出所述室，另 一所述端部延伸入所述室，由此所述端部形成所述入口。
11. 根据权利要求l所述的冷却组件，其中 所述入口形成为板之一 中的管接头。
12. 根据权利要求l所述的冷却组件，其中 所述入口与板整体地形成并与周线中的中断连通。
13. 根据权利要求l所述的冷却组件，所述冷却组件进一步包括用于从所述室抽出流体的出口 ，由此流体可以经由所述入口和所述出 口穿过所述室循环。
14. 根据权利要求13所述的冷却组件，所述冷却组件进一步包括 分隔物，所述分隔物在所述室内以在所述入口和所述出口之间引导流体流动。
15. 根据权利要求l所述的冷却组件，其中所述室包括流体，所述流体在将被所述组件冷却的部件的操作温度下 易于蒸发。
16. 根据权利要求l所述的冷却组件，所述冷却组件进一步包括毛细 结构，所述毛细结构与内表面中的至少一个接触以促进所述室中的所述流 体的蒸发。
17. 根据权利要求l所述的冷却组件，所述冷却组件进一步包括 与所述内表面中的至少一个整体形成的毛细结构。
18. 根据权利要求l所述的冷却组件，所述冷却组件进一步包括 多个间隔装置，所述间隔装置在所述室内夹在所述内表面之间并结合到所述内表面上，以防止所述板在正压力或负压力下变形。
19. 根据权利要求18所述的冷却组件，其中所述间隔装置是实心线材的棒，所述线材在切割之前涂有可硬钎焊金属。
20. 根据权利要求19所述的冷却组件，其中所述间隔装置形成为当所述间隔装置被布置在板上时防止间隔装置在结合前滚动的形状。
21. 根据权利要求l所述的冷却组件，所述冷却组件进一步包括 散热片，所述散热片固定到所述相对表面之一上。
22. 根据权利要求l所述的冷却组件，其中所述第一金属板和第二金属板形成单一U形板部件的平行部分，所述 U形板部件具有连接所述板的底部，所述细长材料形成部分周线，所述周 线靠着所述底部被容纳以形成所述室。
23. —种制造冷却组件的方法，所述方法包括以下步骤 提供具有各自的内表面的一对金属板；将细长材料形成为至少部分周线，其中所述细长材料由实心线材和管中的一种构成；将所述细长材料夹在所述内表面之间以形成室； 将所述细长材料结合到所述内表面以密封所述室；和 设置用于将流体弓I入所述室的入口 。
24. 根据权利要求23所述的方法，其中所述细长材料涂有可硬钎焊金属，所述结合通过加热所述细长材料到 可硬钎焊金属的熔化温度而被执行。
25. 根据权利要求23所述的方法，进一步包括以下步骤 在至少一个内表面上提供槽，所述槽用于容纳细长材料。
26. 根据权利要求23所述的方法，其中所述细长材料具有涂有铜的铁基芯，所述铜涂有可硬钎焊金属，加热 通过将细长材料暴露于磁场直到细长材料达到可硬钎焊金属的熔化温度 而被执行。
27. 根据权利要求26所述的方法，其中 所述芯包覆有铜，而铜镀敷有可硬钎焊金属。
28. 根据权利要求23所述的方法，所述方法进一步包括以下步骤 通过所述入口添加流体到所述室。
29. 根据权利要求28所述的方法，进一步包括以下步骤 在所述室内产生真空并密封所述室，以便所述流体以两相存在。
30. 根据权利要求29所述的方法，其中所述两相是液相和气相。
31. 根据权利要求29所述的方法，其中 所述真空利用真空泵产生。
32. 根据权利要求29所述的方法，其中 所述室通过封闭所述入口而密封。
33. 根据权利要求28所述的方法，所述方法进一步包括以下骤-加热流体以在大气压力下沸腾并密封所述室，以便当所述流体冷却时所述真空产生。
34. 根据权利要求23所述的方法，所述方法进一步包括以下步骤 在室内设置毛细结构，所述毛细结构与内表面中的至少一个接触。
35. 根据权利要求34所述的方法，其中所述毛细结构为铜泡沫，所述铜泡沫扩散结合到内表面中的至少一个上。
36. 根据权利要求23所述的方法，其中 所述细长材料扩散结合到所述内表面上。
全文摘要
一种冷却组件，包括底板；顶板；和形成为周线并夹在板之间以形成室的线材。线材镀敷有或以其它方式涂有可硬钎焊或可软钎焊合金，所述合金在组件被加热时将所述线材结合到板上。为制造两相冷却板，镀层金属的棒被布置在室内并结合到板上以防止塌缩。室设置有毛细结构，并且所述室通过入口部分地充入可蒸发流体。然后被抽成局部真空，并且入口被封闭。为制造单相冷却板，用作折流板的线材分隔物被设置以代替棒。这些分隔物被布置以在入口和出口之间提供曲折的流动路径，并且所述分隔物相似地镀覆有合金，所述合金熔化以将所述分隔物结合到板上。
文档编号F28F7/00GK101208576SQ200580026909
公开日2008年6月25日 申请日期2005年6月28日 优先权日2004年7月1日
发明者伦道夫·H·库克, 布拉德利·R·惠特尼, 约翰·R·善那莫, 苏克维恩德·S·康 申请人:阿威德热合金有限公司