专利名称：用于碳纳米管芯结构的方法、设备和系统的制作方法
技术领域：
本发明的一些实施例总体涉及冷却系统。更具体而言， 一些实施例涉
及碳纳米管芯(nanotube wick)结构在冷却系统中的应用。
背景技术：
热管和其他部件一起被用来除去来自诸如集成电路(IC)的结构的热。 常把IC管芯制造成诸如处理器的微电子器件。处理器不断升高的功耗造成 在现场使用处理器时针对热方案设计的热预算更加严格。因此，常常需要
热方案或冷却方案来使热管更高效地传导来自ic的热量。
已经采用各种技术来从ic移除热量。这些技术包括无源和有源构造。
一种无源构造涉及与ic热接触的传导材料。
通过阅读如下说明书和所附权利要求并参考以下附图，本领域的普通
技术人员将明了本发明实施例的各种优点，在附图中
图1为根据系统的一些实施例的热管的截面； 图2为根据本发明的一些实施例的热管的截面； 图3为根据本发明的一些实施例的碳纳米管形成工艺的示意图； 图4为根据本发明的一些实施例的设备的示意图； 图5包括根据本发明的一些实施例的计算机系统的示意图； 图6包括根据本发明的一些实施例的计算机系统的示意图；以及 图7包括根据本发明的一些实施例的用于在热管或蒸汽室中形成碳纳 米管芯结构的工艺的流程图。
具体实施例方式
参考本发明的一些实施例，附图中示出了其范例。尽管将结合实施例描述本发明，但要理解的是它们不是意图将本发明限制到这些实施例。相 反，本发明旨在涵盖可以包括在如所附权利要求所限定的发明精神和范围 之内的替换、修改和等价物。此外，在本发明以下的详细描述中，给出了 很多具体细节，以便提供对本发明的透彻理解。然而，可以不用这些特定 细节实施本发明。在其他情况下，没有详细描述公知的方法、流程、部件 和电路，以免不必要地使本发明的各方面变得模糊不清。
在本发明的说明书中提到"一个实施例"或"一些实施例"表示结合 该实施例描述的特定特征、结构或特点被包括在本发明的至少一些实施例 中。于是，在整个说明书的各处出现的短语"在一些实施例中"或"根据 一些实施例"未必全指相同的实施例。
在一些实施例中，热管或蒸汽室包括碳纳米管芯结构以辅助传导热能。
可以将该热管实现在具有热交换器的设备和具有冷板内体积(volume)的 冷板中。在一些实施例中，该热管可以位于冷板内体积之内。在一些实施 例中，热管包括形成热管的内尺度的导热壁材料、沉积在壁材料上的催化 剂层、形成于催化剂层上的碳纳米管阵列和一定体积的工作流体。
根据一些实施例，可以将该设备实施于计算系统之内。该系统可以包 括框架、 一个或多个电子部件和该设备，可以将该设备实现为冷却一个或 多个电子部件。
图1为根据该系统的一些实施例的热管的截面。该热管100可以将单 个或多个壁碳原子的纳米管用作热管中的芯材料。在一些实施例中，可以 将热管视为蒸汽室。热管100可以包括壁材料102/108,以包含热管的部件。 在一些实施例中，壁材料102/108可以包括例如但不限于铜的金属或硅。 在一些实施例中，壁材料102/108的厚度可以大于或小于一毫米。
热管100还可以包括芯结构106，在一些实施例中该芯结构可以大约为 一毫米厚。在一些实施例中，该芯结构可以由碳纳米管形成。由于纳米管 的热学性质，它们是有用的，本领域的普通技术人员至少基于本文提供的 教导可以理解这一点。这样一来，纳米管可以具有每米开尔文大约3000瓦 范围的热导率。本领域的普通技术人员将认识到，基于纳米管的成分、布 置和应用可以实现其他热导率。
热管100还可以包括蒸汽空间104，在一些实施例中该蒸汽空间可以大约为一毫米厚。在一些实施例中，该蒸汽空间可以部分填充有工作流体， 例如但不限于水或乙醇。
在一些实施例中，可以将壁材料102/108设置成与热界面材料(TIM) 112以及管芯或IC114热接触。在一些实施例中，该热管可以包括顶部(A) 或底部(B)上的一个或多个导热翼片110。
图2为根据本发明一些实施例的热管200的截面。该热管可以包括一 个或多个与壁材料102热接触的翼片110。催化剂层202可以形成于上壁材 料102上。在一些实施例中，可以通过金属将碳纳米管阵列的芯结构(单 壁或多壁的)固定到催化剂层202上。在一些实施例中，该金属可以是铜 或硅。于是，在一些实施例中，由于可以在催化剂层202上直接生长纳米 管204，且纳米管204可以不附着于任何其他衬底，因此可以减少接触热阻 (contact resistance)的问题。
图3为根据本发明的一些实施例的碳纳米管形成工艺的示意图。在300 处，根据一些实施例，可以将热管壁302置于等离子体或热碳气相沉积(CVD) 室中。在320处，根据本发明的一些实施例，可以将多个碳纳米管324生 长到壁材料302上。在一些实施例中，可以沿相对竖直的取向，或沿较自 由的取向从壁材料302生长纳米管。在340处，可以添加壁材料346以形 成包封纳米管324的用于热管的腔室。在一些实施例中，当在真空下引入 工作流体并密封热管时，纳米管324可以形成芯结构。
此外，本领域的普通技术人员至少基于本文提供的教导可以认识到， 可以将纳米管形成为利用等离子体CVD、光刻图案或金属化壁生长的直纳米 管的阵列。
例如，在一些实施例中，可以利用等离子体CVD工艺或热CVD来生长 纳米管。也可以通过选择性地沉积一层或多层诸如但不限于镍、铁或钴的 催化剂而将它们生长成阵列或束。
图4为根据本发明的一些实施例的设备400的示意图。该设备400可 以包括热交换器406、具有冷板内体积的冷板404和冷板内体积中的热管 402。在一些实施例中，热管包括形成热管的内尺度的导热壁材料、沉积在 壁材料上的催化剂层、形成于催化剂层上的碳纳米管芯和一定体积的工作 流体。在一些实施例中，可以将管道导管(图5所示)耦合到冷板和热交换 器。此外，可以将泵(图5所示)耦合到导管，其中泵可以使冷却流体通 过管道在冷板和热交换器之间循环。
在一些实施例中，冷板404可以包括歧管板(manifold plate)，其中 该歧管板含有热管402。
图5包括根据本发明的一些实施例的计算机系统500的示意图。计算 机系统500可以包括框架501。在一些实施例中，框架501可以是移动计算 机、台式计算机、服务器计算机或手持计算机的框架。在一些实施例中， 框架501可以与电子部件504热接触。根据一些实施例，电子部件504可 以包括中央处理单元、存储控制器、图形控制器、芯片组、存储器、电源、 电源适配器、显示器或显示器图形加速器。
该设备400可以整体集成到框架501中，于是，框架501可以包括热 交换器510、具有冷板内体积的冷板(或歧管板)502和冷板内体积中的热 管516。在一些实施例中，热管516可以包括形成热管的内尺度的导热壁材 料、沉积在壁材料上的催化剂层、形成于催化剂层上的碳纳米管芯和一定 体积的工作流体。
在一些实施例中，可以将管道导管506耦合到冷板502和热交换器510。 在一些实施例中，可以将泵508耦合到导管506，其中泵508可以使冷却流 体通过导管506在冷板502和热交换器510之间循环。
在本发明的一些实施例中，框架部件512可以包括在计算机系统500 中。框架部件512可以从热交换器510接收热能。该系统500还可以包括 吹风器514，例如但不限于风扇或其他送风机。
图6包括根据本发明的一些实施例的计算机系统的示意图。计算机系 统600包括框架602和电源适配器604 (例如，为计算装置602供应电力)。 计算装置602可以是任何适当的计算装置，例如膝上(或笔记本)计算机、 个人数字助理、桌面计算装置(例如工作站或台式计算机)、机架安装的计 算装置等。
可以从如下源中的一个或多个(例如通过计算装置电源606)向计算装 置602的各部件提供电力 一个或多个电池组、交流(AC)插座(例如通 过变压器和/或诸如电源适配器604的适配器)、自动电源、飞机电源等。在一些实施例中，电源适配器604可以将电源输出(例如大约110VAC到 240VAC的AC输出电压)变换成在大约7VDC到12. 6VDC之间的范围内的直 流(DC)电压。因此，电源适配器604可以是AC/DC适配器。
计算装置602还可以包括耦合到总线610的一个或多个中央处理单元 (CPU) 608。在一些实施例中，CPU608可以是可从加利福尼亚州圣克拉拉 的Intel Corporation买到的Pentiun^系列处理器中的一个或多个处理 器，包括Pentium II处理器系列、Pentium III处理器、Pentium IV 处理器。或者，可以使用其他CPU，例如Intel的ltaniun^、XEONTM和Celeron 处理器。也可以使用来自其他制造商的一个或多个处理器。此外，处理器 可以具有单核或多核设计。
可以将芯片组612耦合到总线610。芯片组612可以包括存储器控制集 线器(MCH) 614。 MCH614可以包括耦合到主系统存储器618的存储控制器 616。主系统存储器618存储数据和由CPU 608或系统600中包括的任何其 他装置执行的指令序列。在一些实施例中，主系统存储器618包括随机存 取存储器(RAM);然而，可以利用其他存储器类型，例如动态RAM (DRAM)、 同步DRAM (SDRAM)等来实现主系统存储器618。还可以将其他装置耦合到
总线610，例如多个era和/或多个系统存储器。
MCH 614还可以包括耦合到图形加速器622的图形接口 620。在一些实 施例中，经由加速图形端口 (AGP)将图形接口 620耦合到图形加速器622。 在实施例中，可以通过例如信号转换器将显示器(例如平板显示器)640耦 合到图形接口 620，信号转换器将诸如视频存储器或系统存储器的存储装置 中存储的图像的数字表示转换成显示信号，由显示器对显示信号进行编译 (interprete)并显示。由显示装置产生的显示信号640在被显示器编译 并随后显示于显示器之前可以通过各种控制装置。
集线器接口 624将MCH 614耦合到输入/输出控制集线器(ICH) 626。 ICH626提供了通向耦合到计算机系统600的输入/输出(1/0)装置的接口。 ICH 626可以耦合到外围部件互连(PCI)总线。因此，ICH 626包括PCI 桥628，其提供通向PCI总线630的接口。 PCI桥628提供CPU 608和外围 装置之间的数据路径。此外，可以使用其他类型的I/O互连拓扑，例如可 通过加利福尼亚州圣克拉拉的Intel Corporation买到的PCI Express 体系。
PCI总线630可以耦合到音频装置632以及一个或多个磁盘驱动器634。 其他装置可以耦合到PCI总线630。此外，可以组合CPU 608和MCH 614以 形成单个芯片。此外，在其他实施例中，图形加速器622可以包括在MCH 614 中。作为另一选择，可以将MCH 614和ICH 626与图形接口 620 —起集成 到单个部件中。
此外，在各种实施例中，耦合到ICH 626的其他外围设备可以包括集 成驱动器电子设备(IDE)或小型计算机系统接口 (SCSI)硬盘驱动器、通 用串行总线(USB)端口、键盘、鼠标、并行端口、串行端口、软盘驱动器、 数字输出支持(例如数字视频接口 (DVI))等。因此，计算装置602可以 包括易失性和/或非易失性存储器。
图7包括根据本发明的一些实施例的用于在热管或蒸汽室中形成碳纳 米管芯结构的工艺的流程图。在一些实施例中，该工艺可以开始于700并 紧接着进行到702，在该步骤中可以在壁材料上沉积催化剂层。该工艺随后 可以进行到704，在该步骤中可以将壁材料和催化剂层加热到一定温度范 围。在一些实施例中，对于热CVD而言，该温度范围可以为大约500-1000 摄氏度，而对于等离子体CVD而言，该温度范围可以为大约2500-4000摄 氏度。然后该工艺可以进行到706，在该步骤中可以在催化剂层上通过一种 或多种载气，其中在催化剂层上通过一种或多种载体可以导致碳纳米管的 生长。
在一些实施例中，该工艺然后可以进行到708，在该步骤中该工艺可以 将壁材料、催化剂层和碳纳米管密封在热管中。该工艺然后可以进行到710， 在该步骤中可以用工作流体填充热管。然后该工艺可以进行到712，在此该 工艺结束，并且可以在700-710中的任一点再次开始，本领域的普通技术 人员至少基于本文所提供的教导将认识到这一点。
可以充分详细地描述本发明的实施例以使本领域的技术人员能够实践 本发明。可以利用其他实施例，且可以做出结构、逻辑和智力方面的改变 而不会脱离本发明的范围。此外，要理解的是，尽管本发明的各实施例是 不同的，但它们未必是相互排斥的。例如，在一些实施例中描述的特定特 征、结构或特点可以包括在其他实施例中。本领域的技术人员从以上描述可以认识到，可以以各种形式实施本发明实施例的技术。
因此，尽管已经结合其特定范例描述了本发明的实施例，但不应这样 来限制本发明实施例的真实范围，因为本领域的技术人员在研究附图、说 明书和所附权利要求之后很容易想到其他修改。
权利要求
1、一种具有碳纳米管芯结构的热管，包括形成所述热管的内尺度的导热壁材料；沉积到所述壁材料上的催化剂层；形成于所述催化剂层上的碳纳米管芯；以及一定体积的工作流体。
2、 根据权利要求l所述的热管，其中所述壁材料包括铜或硅。
3、 根据权利要求l所述的热管，其中所述催化剂层包括金属。
4、 根据权利要求l所述的热管，其中所述碳纳米管是利用构图技术或 蒸发技术形成的。
5、 根据权利要求1所述的热管，其中所述工作流体为水或乙醇。
6、 根据权利要求1所述的热管，其中使用一种或多种载气来辅助形成 所述碳纳米管。
7、 根据权利要求6所述的热管，其中所述一种或多种载气为甲烷或乙烯。
8、 一种具有碳纳米管芯结构的设备，包括 热交换器；具有冷板内体积的冷板；以及所述冷板内体积中的热管，其中所述热管包括形成所述热管的内尺度 的导热壁材料、沉积在所述壁材料上的催化剂层、形成于所述催化剂层上 的碳纳米管芯和一定体积的工作流体。
9、 根据权利要求8所述的设备，还包括 耦合到所述冷板和所述热交换器的管道导管；耦合到所述导管的泵，其中所述泵使冷却流体通过所述管道在所述冷 板和所述热交换器之间循环。
10、 根据权利要求8所述的设备，其中所述碳纳米管是利用构图技术 或蒸发技术形成的。
11、 根据权利要求8所述的设备，其中使用一种或多种载气来辅助形 成所述碳纳米管。
12、 根据权利要求8所述的设备，其中所述冷板包括歧管板，其中所 述歧管板包含所述热管。
13、 一种具有碳纳米管芯结构的系统，包括 包括电子部件的框架；热交换器；具有冷板内体积的冷板；以及所述冷板内体积中的热管，其中所述热管包括形成所述热管的内尺度 的导热壁材料、沉积在所述壁材料上的催化剂层、形成于所述催化剂层上 的碳纳米管芯和一定体积的工作流体。
14、 根据权利要求13所述的系统，还包括 耦合到所述冷板和所述热交换器的管道导管；耦合到所述导管的泵，其中所述泵使冷却流体通过所述管道在所述冷 板和所述热交换器之间循环。
15、 根据权利要求13所述的系统，其中所述碳纳米管是利用构图技术 或蒸发技术形成的。
16、 根据权利要求13所述的系统，其中使用一种或多种载气来辅助形 成所述碳纳米管。
17、 根据权利要求13所述的系统，其中所述冷板包括歧管板，其中所 述歧管板包含所述热管。
18、 一种用于碳纳米管芯结构的方法，包括 在壁材料上沉积催化剂层；将所述壁材料和所述催化剂层加热到一定温度范围；以及 在所述催化剂层上通过一种或多种载气，其中在所述催化剂层上通过 所述一种或多种载气导致碳纳米管的生长。
19、 根据权利要求18所述的方法，还包括 将所述壁材料、催化剂层和碳纳米管密封在热管中；以及 利用工作流体填充所述热管。
20、 根据权利要求18所述的方法，其中利用构图技术或蒸发技术执行 所述沉积步骤。
全文摘要
描述了一种用于碳纳米管芯结构的方法、设备和系统。该系统可以包括框架和设备。该设备可以包括热交换器、具有冷板内体积的冷板和冷板内体积中的热管。在一些实施例中，热管包括形成热管的内尺度的导热壁材料、沉积在壁材料上的催化剂层、形成于催化剂层上的碳纳米管阵列和一定体积的工作流体。可以介绍其他实施例。
文档编号H01L23/34GK101438402SQ200780015623
公开日2009年5月20日 申请日期2007年5月29日 优先权日2006年5月31日
发明者G·克莱斯勒, H·波哈尔纳, R·普拉舍, U·瓦达坎马鲁韦杜 申请人:英特尔公司