热管散热器的制作方法

本说明书总的来说涉及热交换器和热交换器的制造方法。更具体而言，本说明书涉及用于冷却发热装置的热管和具有蒸发腔和内部工质的其它热交换器，以及制造这种热管和热交换器的方法，其中发热装置例如是集成电路芯片和其它电气设备。

背景技术：

随着集成电路芯片的尺寸和功率增加，在某些情形下，所需要的散热器已经发展至比芯片大。当施加至整个热输入面的热通量是均匀的时候，散热器是最高效的。当具有大的热输入面的散热器安装至热源的小很多的接触区时，经常会对热量沿散热器的热输入面传递至散热器未与集成电路芯片的接触区直接接触的其它表面部位造成严重阻力。较高功率和较小尺寸的热源，或者偏离散热器中心的热源，通常会增加这种热流阻力。这种现象会造成散热器各部分的热传递效能的显著差异。这种不平衡的热传递造成的后果就是，由于高运行温度，其降低了集成电路芯片的性能和可靠性。

克服散热器(例如尺寸大于待冷却装置的散热器)内的这种热流阻力的蛮力方式包括增加散热器的尺寸，增加与待冷却装置接触的散热器表面的厚度，增加冷却散热器的冷却气流，以及降低冷却气流的温度。然而，这些方式通常会增加重量、噪音、系统复杂度和成本。

如果设计出相对简单、重量轻的热交换器，且该散热器可高效地扩散或以其它方式从发热设备或元件将热量传走、重量较轻、容易制造且非常适合于确保与待冷却设备和元件紧密接触，这种热交换器将会具有显著的优势。

技术实现要素：

公开的是一种低成本、简单、重量轻的用于冷却集成电路芯片和其它电子元件的热管散热器。在此和在所附的权利要求中使用的术语“热管散热器”(或类似术语)包括任何具有蒸发腔的传热装置，其中工质从热管的第一部分(例如蒸发部)接收热量，传输该热量至热管的第二部分(例如冷凝部)，在这里该热量被传递至环境中或另一个装置，然后工质返回至热管的第一部分以重复上述过程，而不管热管具有何种形状、尺寸和构造。在一些实施例中，工质在热管的第一部分蒸发，然后在热管的第二部分冷凝。在此公开的热管散热器的制造几乎不需要额外的空间，可提供额外的表面积用于冷却集成电路芯片，且非常适合用于建立和维持与发热元件和装置和/或其它传热元件进行热沟通以将热量从该集成电路芯片移至热量可被更容易处理的位置。而且，在此公开的热管散热器可被构造成用以保证精确的平整度和最大化地将热源的热量传递至一散热器。为此目的，在此公开的热管散热器具有贯穿其本体(例如，穿入和穿透热管散热器的蒸发腔)的通孔以利于安装。

在此公开的热管散热器不需要对电路板或插槽进行重大更改，因为所述热管散热器可利用安装至集成电路安装板或类似的相邻结构的常规螺丝或其它紧固件保持与集成电路芯片紧密接触。这意味着所公开的热管散热器可使用数量相对少的简单零件。而且，用于将热管散热器保持在集成电路芯片上的相同螺丝或其它紧固件也可以用于将散热器(例如，散热翅片、冷却板或类似装置)固定在热管散热器的另一表面上。

在一些实施例中，热管散热器的内部结构是一个具有有限数量的流体的真空蒸发腔。该热管散热器的内部结构可包括一个或多个间隔件，间隔件在这两个板或形成该蒸发腔的任何其他边界结构之间延伸并与这两个板或边界结构接触。这些间隔件防止这些板向内弯曲，因此可维持热管散热器的接触面平坦以与集成电路芯片和其他设备和元件接触。这些间隔件可由初始时与两个板都分离，然后与两块板接合或以其它方式固定的元件形成，可由任何一个或两个板的部分形成，其中这些板已从初始的平坦状态变形(例如，冲压、压印、穿孔(pierced)、挤压或拉伸)，甚至可以由两个板的部分整体成型，例如通过加工、增量制造和铸造操作。这些间隔件可采用多种不同的形状，例如中空或实心柱、棒、杆、壁、或其他元件，可具有任何期望的横截面形状，但仍然如上所述横穿蒸发腔，且可以沿间隔件的长度具有不变或变化的横截面形状和/或尺寸(即，从蒸发腔的其中一板到另一板进行变化，例如圆锥形、圆台形、沙漏状、或其它形状)。至少部分取决于间隔件的成型方式，这些间隔件也可以通过任何一个或两个蒸发腔板上的凹陷形成。

多孔毛细芯材料可覆盖热管散热器的内表面。而且，多孔毛细芯材料可至少部分围绕间隔件位于热管散热器内的表面，或者甚至可以形成至少部分间隔件。以这种方式，多孔毛细芯材料可形成多孔吸液芯柱，该多孔吸液芯柱在蒸发腔内的一个或多个位置跨过两个板之间的空间。

这些间隔件可支撑热管散热器的板，可防止它们向内变形，防止板扭曲，破坏其所需要的用于与相邻元件和装置紧密传热接触的形状(例如，平坦、储液槽等)。这些间隔件也可用于支撑跨过两个板之间的内部蒸发腔空间的部分毛细芯。在一些实施例中，跨过板之间的空间的毛细芯柱可为热管散热器提供与重力无关(gravity-independent)的特征，允许工质通过吸液芯或沿吸液芯的不需要重力的流动。

这些间隔件也使得形成穿入和穿透蒸发腔的孔成为可能-按照热管散热器是真空不透气的事实，这明显是与该事实不一致的。这是通过确保中空间隔件(如上所述)与板整体成型和/或以一种真空不透气的方式与板接合而实现的。间隔件与板整体成型或密封至板后，间隔件内可形成密封通道，该密封通道不会对热管散热器的真空完整性造成任何影响，该孔与热管散热器内部之间完全隔离。

本说明书因此提供了具有优异传热性能的热管散热器，同时具有相对简单的方式以使用标准螺丝或其他可穿过蒸发腔的紧固件有效和稳固地安装热管散热器。

虽然在此描述的热流、传热和热管理方面的挑战是关于冷却集成电路芯片来描述的，其它电子装置(例如，放大器、电压调节器、三极管等)或甚至其他设备和装置(例如，马达、电池、轴承等)的冷却也存在类似挑战。在此公开的改进同样适用于所有这些发热元件。

附图说明

图1是热管散热器根据本说明书一实施例的立体分解图，如图所示，热管散热器具有穿过蒸发腔的通孔并与翅片板散热器接触。

图2是图1的热管散热器的平面图。

图3是图1的热管散热器的侧视图。

图4是图1的热管散热器的平面图。

图5是热管散热器根据本说明书另一实施例的横截面示意图。

图6是热管散热器根据本说明书另一实施例的横截面示意图。

图7是热管散热器根据本说明书另一实施例的横截面示意图。

图8是热管散热器根据本说明书另一实施例的横截面示意图。

具体实施方式

在详细描述实施例之前，应该理解的是，本发明不限于本申请中下文或附图中所描述的详细结构或元件排布。本发明可为其它方式实现的实施例。

图1是根据本发明一实施例的热管散热器10的立体分解图。该热管散热器10包括形成在接触板18和盖板20之间的蒸发腔(vapor chamber)。该热管散热器10也可以包括翅片板16，该翅片板16可与盖板20接触。视情况，也可以设置安装件(仅作为一些例子，例如所示实施例中的块或垫28、30、34、36；板32)以利于热管散热器10相对于周围环境(例如，电路板，框等)的安装和/或对齐。

图1-4所示的该热管散热器10是通过将两块板密封在一起形成一个边界结构而形成的。这两块板包括上述接触板18和盖板20。该边界结构可由每块板18、20的外缘部相互接触而形成。在所示的实施例中，接触板18和盖板20在其周向边缘密封(例如通过焊接或铜焊)在一起以形成该热管均热板10的内部蒸发腔。该热管散热器10然后被抽真空以移除所有不凝气体，然后将适量传热流体充入蒸发腔。抽真空可以使用管38采用已知的方法进行。

图2显示该热管散热器10的平面图。如图2和图3所示，接触板18可包括凸出的热输入面22。另外，接触板18包括间隔件26，该间隔件26横穿该蒸发腔并与相对的盖板20接触。在图1-4所示的实施例中，间隔件26是由接触板18的材料变形而形成的拉伸环(drawn collar)，因此与接触板18是一体的。，该盖板20包括与拉伸环间隔件26相对的孔56，在拉伸环间隔件26和盖板20之间沿孔56的周界形成密封连接。板18、20之间的不透气接合可使用已有的工艺来实现，例如通过焊接或铜焊。拉伸环间隔件26可确保，即使热管散热器10的内部空间与周围环境之间的压差可能导致板18、20相向变形，接触板18和盖板20之间的间隔也将被维持。

拉伸环间隔件26和孔56形成穿过蒸发腔的密封通道，该密封通道可容纳螺丝或其它紧固件40。由于拉伸环间隔件26与盖板20之间的不透气接合，该密封通道穿过热管散热器10的蒸发腔但不会破坏其真空完整性。该螺丝40可包括螺丝头42和螺纹部44。在一些实施例中，该螺丝40用于紧固翅片板16使之与盖板20接触，螺纹部可用于紧固热管散热器10的接触板18使之与热源接触，例如与集成电路芯片(图未示)接触。可设置额外的紧固附件，例如弹簧46和垫片48。

虽然在图1-4所示的实施例中，拉伸环间隔件26被例示为由接触板18的材料形成，应当理解的是，在一些实施例中，该拉伸环间隔件26可形成在盖板20中或由盖板20形成，而相应的孔可形成在接触板18中以形成穿过蒸发腔的密封通道。

热管散热器10也可包括至少一层吸液芯(wick)材料(图未示)，该吸液芯材料覆盖接触板18的部分或全部内表面，包括拉伸环间隔件26的面对蒸发腔的内表面。在一些实施例中，至少一层吸液芯材料也可以覆盖盖板20的部分或全部内表面。根据需求可采用任何合适的吸液芯材料，例如烧结金属毛细芯(capillary wick)。如业界熟知的，毛细芯提供了将在热管温度较低的冷凝部冷凝的液体回输至温度较高的蒸发端的机制，该液体在蒸发端被蒸发。在蒸发部产生的蒸气然后流动至冷凝部，再次冷凝。这两次状态改变(高温区的蒸发和低温区的冷凝)将蒸发部的热量传输至冷凝部。

在一个优选的实施例中，蒸发腔10的尺寸近似为5.709英寸×5.906英寸(不包括图1-3所示的安装板32)，总厚度为0.217英寸(不包括图1-3所示的翅片板16及其翅片)。另外，在一个优选的实施例中，盖板20和接触板18由无氧铜(OFHC)构成，拉伸间隔件26跨越蒸发腔14的高度。在本实施例中，拉伸间隔件26的平面部的直径为0.472英寸，毛细芯由烧结铜粉末构成。另外，在本实施例中，拉伸间隔件26的外径为0.472英寸，孔26的直径为0.244英寸。

图5是间隔件126和相邻的热管散热器结构的横截面示意图，其可以代替图1-4的实施例中任何或所有的间隔件26。在本说明书中，凡适当时，相同元件标号代表相同的元件，加上100的元件标号代表更改的元件。如果没有说明实施例之间不一致，结合图1-4的实施例描述的各种特征和元件可同样适用于图5的实施例。应当理解的是，更改的元件除了在此描述的以外，含有对应元件的相同特点和优点。在图5的实施例中，盖板120包括拉伸环间隔件126，该拉伸环间隔件126设置成与接触板118中的孔156相对。拉伸环间隔件126横穿蒸发腔114并穿过孔156。该拉伸环间隔件126可由一个或一系列尺寸渐变的模具的一个或多个成型操作来形成。在一些实施例中，形成间隔件126的拉伸深度(即，为了横穿蒸发腔114)大于间隔件126的直径，从而为较厚的热管散热器和/或更多蒸发腔形状提供了重要的设计选择。在拉伸环间隔件126和接触板118之间的接合位置形成不透气密封。拉伸环间隔件126和孔156一起形成穿透蒸发腔114的密封通道。如图所示，吸液芯材料150安装至接触板118的内表面，包括对应凸起的热输入面122位置的内表面。

图5的热管散热器110的另一优势是配合形成在接触板118中的底座(pedestal)124使用至少部分由盖板120(其作为热管散热器110的冷凝部)形成的间隔件126。该底座可以任何适当的方式形成，例如冲压、压印等，其不仅提供了用于与待冷却设备或元件紧密热接触的凸起的热交换表面，还有利地在蒸发腔114内形成可收集工质的储液槽。成型热管散热器110的板118、120以形成间隔件126和热输入和输出特征(例如，底座，安装凸台等)的工艺(例如，冲压、拉伸、压印等)为热管散热器提供了显著增加的设计弹性和选择。在这点上，在一些实施例中，间隔件126可形成在板118、120的任何一个或两者上，而不是如图5所示仅形成在盖板120上。

图6是间隔件226和相邻的热管散热器结构的横截面示意图，其可以代替图1-4的实施例中任何或所有的间隔件26。在本说明书中，凡适当时，相同元件标号代表相同的元件，加上200的元件标号代表相对于图1-4的实施例做出更改的元件。如果没有说明实施例之间不一致，结合图1-4的实施例描述的各种特征和元件可同样适用于图6的实施例。在图6的实施例中，盖板120包括多级拉伸环间隔件226，该多级拉伸环间隔件226横穿蒸发腔214。接触板218包括孔256，孔256设置成与多级拉伸环间隔件226相对。该多级拉伸环间隔件226在其轴向长度上具有两个不同直径，该两个不同直径由径向延伸的架状物区域(shelf region)260(例如，在所示的实施例中与盖板20实质上平行)隔开。通过使用具有这种结构的多级拉伸环间隔件226，可以实现显著增大的孔和显著增高的拉伸环间隔件226。这有利于更多的热管散热器设计选择，例如更厚的热管散热器或具有受益于这种间隔件226的蒸发腔形状的热管散热器。该拉伸环间隔件226沿孔256的周界与接触板218接触，密封连接形成在拉伸环间隔件226和接触板218之间，从而形成穿透蒸发腔216的密封通道212。在图6所示的实施例中，该拉伸环间隔件226穿过孔256，但在其他实施例中，该拉伸环间隔件226沿孔256的周界抵接接触板218的内表面。另外，类似的拉伸环间隔件可形成在接触板218上，其与盖板220上的一个类似的孔相对，从而形成类似的密封通道。

图7是间隔件326和相邻的热管散热器结构的横截面示意图，其可以代替图1-4的实施例中任何或所有的间隔件26。在本说明书中，凡适当时，相同元件标号代表相同的元件，加上300的元件标号代表相对于图1-4的实施例做出更改的元件。如果没有说明实施例之间不一致，结合图1-4的实施例描述的各种特征和元件可同样适用于图7的实施例。应当理解的是，在图7的实施例中，孔368形成在接触板318中，一个对应的轴向孔366形成在相对的盖板320中。呈环或管形的间隔件326设置在蒸发腔314内，且延伸于接触板318和盖板320之间。间隔件326在孔368的周界与接触板318接触，并在孔366的周界与盖板320接触。密封连接形成于间隔件326与盖板和接触板320、318的孔366、368之间。因此，间隔件326和每个板318、320的环绕孔366、368的周界部位形成穿过蒸发腔314的密封通道312。图7所示的这种热管散热器310可显著降低制造成本，且在某些情形下，可降低对昂贵金属成型设备的需求，而这些昂贵金属成型设备对于拉伸、冲压、压印或者在任何一个或两个板318、320上执行金属成型操作而言是必需的。在一些实施例中，组装该热管散热器310时，先将间隔件326分别定位在盖板320或接触板318的每个孔366、368位置，然后将另一个板318、320定位在这些间隔件326上以进行该组件后续的铜焊、焊接、扩散焊接或其它接合操作(根据需要，使用适当夹具)。应当指出的是，在一些实施例中，并非所有使用在热管散热器310中的间隔件都是以上述方式组装的环形间隔件。在同一个热管散热器中，这些间隔件可与在此公开的其它类型的间隔件配合使用。

图8是另一个间隔件426和相邻的热管散热器结构的横截面示意图，其可以代替图1-4的实施例中任何或所有的间隔件26。在本说明书中，凡适当时，相同元件标号代表相同的元件，加上400的元件标号代表相对于图1-4的实施例做出更改的元件。如果没有说明实施例之间不一致，结合图1-4的实施例描述的各种特征和元件可同样适用于图8的实施例。在图8所示的实施例中，热管散热器410包括一个或多个金属柱470，金属柱470在蒸发腔414内桥接于接触板418和盖板420之间。金属柱470上可覆盖有吸液芯材料450。另外，热管散热器410可包括一个或多个粉末柱472，粉末柱472在蒸发腔414内桥接于接触板418和盖板420之间。每个粉末柱472由吸液芯材料450构成。虽然金属柱470和/或粉末柱472可位于蒸发腔414内与蒸发腔414的外围壁隔开(例如，与板418、420的相互正对的边缘位置处的边界结构隔开)的任何位置，在一些实施例中，一个或多个金属柱和/或一个或多个粉末柱472的位置设置成使之与接触板418的相反于热输入面422的部位接触。例如，在图8所示的实施例中，覆盖有吸液芯的金属柱470从接触板418的相反于热输入面422的位置延伸，并横穿蒸发腔414以与盖板420的内侧接触。金属柱470和/或粉末柱472可为接触板418和盖板420提供结构支撑。另外，覆盖吸液芯的金属柱470和粉末柱472可利用连续的毛细芯连接盖板420与接触板418，以促进冷凝的工质从盖板420返回至接触板428的热输入面422。在此描述的该吸液芯材料和吸液芯位置可确保，即使热管散热器410的朝向设置成盖板420相对于接触板418颠倒，或者即使热管散热器410运行于低重力或无重力环境中，已经在盖板420的内表面冷凝的工质将仍然可以与吸液芯材料接触，因此将可以返回至作为蒸发部的接触板428的内表面。

应当理解的是，任何数量的金属柱470和粉末柱472可被使用于图1-7所示的任何一个热管散热器实施例中。

在此描述的各种热管散热器提供了用于冷却集成电路或其它发热元件的高效手段，且无需使用较大的散热器就可以达到上述目的。较大的散热器不仅增加重量，而且传热效率也不像在此描述的散热器的传热效率那样高。

应当理解的是，所示的本发明的形式只是优选的实施例。各元件的功能或构造可进行各种更改。等同的元件和结构可代替在此例示和描述的元件和结构。一些特征可独立于其它特征而单独使用，而不会偏离前述权利要求界定的本发明的精神和范围。例如，通孔也可穿过具有曲表面的热管边界结构或具有多个偏移平面(offset planes)的热管边界结构，其形成多个不同的高度以与多个热源或散热器接触。

本发明的各种特征和优点阐述于前述权利要求中。