CN101594768B - 热控装置和制造该装置的方法 - Google Patents

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Abstract

适合作为电子底盘使用的热控装置包括具有整体成形通道的单片的、单壳式主体，所述通道用于将热量从诸如电子元件的热源带走。所述装置可使用诸如超声波固结的添加/减去制造工艺来制造。

Description

热控装置和制造该装置的方法
技术领域
本公开一般地涉及控制由诸如电子组件的热产生源产生的热能，并且具体地涉及将热能从热产生源引导走的装置，以及制造该装置的方法。
背景技术
人们已经开发出许多装置以用于将热量从诸如印刷电路板(PCB)的热能源带走，从而避免对热敏组件的不利影响。在这些装置的一种形式中，离散的热导管被组装在单独金属片之间。由电子元件产生的热量通过所述金属片被传导到热导管，在热导管里，热量被热传递流体的流带走。另一种已知装置采用一层导热固体材料，如放置在两片离散材料之间的导热石墨。元件热量通过导热固体层从元件传递到固体层的任意一面或该层的边缘，在该处热量会散逸。
已有的热控装置可能需要复合材料和多重接口的集成，并且在其间经常具有粘合剂，该粘合剂具有更高的热阻并且可能导致不良的导热性能。而且，因为需要使用多于一道工序来组装和制造多个单独的部分，已知热控装置的制造可能相对比较昂贵。这些设计和被已有制造技术施加的约束可能会限制设计的灵活性并且导致某些应用不能达到最佳性能。此外，对更高回路密度以及更小元件尺寸的不断追逐可能会使设计更高效热控装置的难度加剧。
因此，存在对热控装置和制造该装置方法的需求，其中所述装置和方法高效且具有适应广泛应用的灵活性。
发明内容
本公开的实施例提供一种热控装置，该装置包括单片的热导体，该热导体具有整体成形的、嵌入的通道以将热量从诸如PCB的热源带走。所述装置的单片构造能减少材料和组装劳动力的开支。本公开的热控装置的进一步优势在于能被定制用于需要特殊几何形状和构造的广泛的个性化应用。
由于本公开的热控装置的单片构造，热阻被降低，从而使热性能被改善，同时显著地减少了制造成本和时间。另外，用于制造热控装置的方法允许可被用于大范围热交换技术(包括脉冲和常规毛细管技术)的更复杂的热通道构造。最后，本公开的方法实施例允许装置的制造采用单一工艺。
根据一个公开实施例，用于将热量从热源带走的装置包括单片主体，并且该单片主体适于被设置成与热源接触并且包括将热量从所述热源引导开的至少一个嵌入通道。在一种形式中，主体可包括第一和第二边缘，其中所述通道包括分别沿所述第一和第二边缘延伸从而将热量从主体引导到边缘的第一和第二部分。所述通道可包括与主体集成到一起以便增强主体到通道的热传递的一个或多个散热片。可以提供多通道以便提高装置的可靠性并优化传热能力。
根据另一个公开的实施例，具有热控功能的电子底盘/机架(chassis)包括：单壳式主体，该单壳式主体适于具有被安装在其上的电子组件并且其中包括至少一个整体成形通道，所述通道用于将热量从电子组件带走。单壳式主体可包括整体成形的入口和出口，所述入口和出口与通道耦连从而引导热交换流体流流入和流出所述主体。所述底盘可进一步包括安装容器，该安装容器用于容纳和安装所述单壳式主体的边缘。
根据公开的方法实施例，制造热控装置包括：固结多层热导材料以形成具有嵌入通道的单片主体，所述通道用于引导热能流。固结多层可包括将连续的金属箔层冶金结合在一起。所述冶金结合可通过对金属箔层施加超声波能量来实现。
根据另外一个方法实施例，生产具有热控功能的电子组件包括：通过固结多层材料来形成内部载热通道的单片的热导体；以及，将生热电子电路安装到导体上。冶金结合可通过使用超声波或其它形式的能量将多层金属箔层压在一起来实现。
公开的实施例提供一种具有热控功能的电子底盘，其包括：
单壳式主体，其适于具有在其上安装的电子组件并且其中具有至少一个整体成形的通道，所述通道用于将热量从所述电子组件带走。
根据一种实施例，其中：
所述单壳式主体包括一个边缘，并且
所述通道包括沿所述单壳式主体的所述边缘延伸以便将热量从所述电子组件引导到所述单壳式主体的所述边缘的部分。
根据另一种实施例，其中所述单壳式主体包括整体成形的入口和出口，所述入口和所述出口与所述通道连接在一起以便引导热交换流体流动流入和流出所述单壳式主体。
根据又一种实施例，其中所述单壳式主体包括在所述通道内的整体成形散热片，所述散热片用于增强从所述主体到所述通道的热传递。
根据又一种实施例，其中所述单壳式主体包括由至少一种下述材料组成的固结层：
铝，
铜，
锰，
镍，
金，
银，和
钛。
根据又一种实施例，所述电子组件底盘进一步包括：
安装容器，以及
其中所述单壳式主体包括适于具有在其上安装的电子组件的一个表面，和大体横于所述表面延伸并且被容纳在所述安装容器内的一个边缘。
公开的实施例提供了具有热控功能的电子组件，其包括：
单片底盘；和
被安装在所述底盘上并且产生热的至少一个电路板
其中所述单片底盘包括整体成形的通道，所述通道用于将热量从所述电路板带走。
公开的实施例提供了一种生产具有热控功能的电子组件的方法，其包括：
通过固结多层材料来形成具有内部载热通道的单片热导体；以及
在所述导体上安装生热电子电路。
根据一种实施例，其中固结所述多层包括将连续的金属箔层冶金结合起来。
根据又一种实施例，其中所述冶金结合是通过使用超声波能量层压多层金属箔来实现。
根据又一种实施例，其中所述通道是通过在所述层被冶金结合起来的过程中修剪所述层的部分来形成的。
公开的实施例提供了根据上述方法制造的具有热控功能的电子组件。
公开的实施例提供了一种制造用于电子组件的热控装置的方法，其包括：
将连续层的导热片材料放置在基层上；
用超声波换能器接触每一个所述层；
使得所述换能器在所述层上移动；
在所述超声波换能器在所述层上移动过程中，通过使用所述超声波换能器对所述层施加超声波波能量，从而将所述层冶金结合在一起以形成一个单片主体；以及
在所述层被结合在一起过程中，通过选择性地修剪所述层的区域从而在所述单片主体内形成流体通道。
公开的实施例提供了用于将热量从电子组件上的热源带走的热控装置，其包括：
一个大体平坦的单片主体，该单片主体包括冶金结合的金属箔层和一对表面，每一个表面都适于接触热源；
在所述主体内整体成形的流体通道，其包括在所述通道内用于加强从所述主体到所述通道内的热传递的散热片，所述通道包括沿所述平坦的单片主体的边缘延伸从而限定了除热区的对齐的伸展部分，在所述除热区处热量可被散发离开所述主体；以及
所述主体内的入口和出口，所述入口和所述出口适于使所述通道与热交换流体源连接。
本公开实施例的其它特点、优势和好处将会在下面对实施例的描述中变得清晰，对实施例的描述与附图和附加权利要求一起考虑。
附图说明
图1是热控装置的透视图。
图2是图1所示热控装置的侧视图。
图3是图2中“B”所示区域的放大视图。
图4是图1中“A”所示区域的放大视图，其更好地描述了散热片。
图5是图1所示装置的侧视图，其中两个相反边缘被突出显示来指定主要的传热区域。
图6是图5所示装置的端视图。
图7是通道的横截面视图，显示了散热片的一种形式。
图8是与图6类似的视图，显示了散热片的可替换形式。
图9是形成一个可替换实施例的热控装置的一部分的横截面视图。
图10是热控装置的另一个实施例的侧视图。
图11是电子组件单元的等轴视图，其中移除了顶端以及印刷线路板(PWB)切片以便更好描述安装容器。
图12是使用热控装置的PWB切片的透视图。
图13是被放置在图11所示安装容器内的图12所示的PWB切片的横截面视图。
图14是描述一种制造热控装置的方法的步骤的简化流程图。
图15是用超声波固结来制造热控装置的一种设备的透视图。
图16是被图15所示机器放置和固结在基层上的箔层的透视图。
图17是图16中“C”所指区域的放大视图。
图18是可与图15所示机器一起使用的一个换能器的透视图。
图19是可与图15所示机器一起使用的另一个换能器头部的透视图。
图20是热控装置的一个可替换实施例的侧视图。
图21是沿图20中线21-21截取的剖视图。
图22是图20和21所示装置中所述多层中的一层的平面图。
图23是图20和21所示装置中另一层的平面图。
图24在图21中“C”所指区域的放大图。
图25是飞行器生产和服役(service)方法的流程图。
图26是飞行器的框图。
具体实施方式
首先参考图1-8，公开的实施例一般涉及热控装置30，该热控装置30包括单片的单壳式主体(monolithic，monocoque body)32，该主体32具有内部的嵌入通道34。在图1-8描述的实施例中，单片主体32包括大体矩形板，如将在下面讨论的，该板可被用作底盘32c(见图13)，该底盘32c具有宽阔表面32d、32e，在所述表面32d、32e上可以安装生热元件(未显示)。可使用后面要讨论的固结或类似工艺由导热材料来形成单片主体32，在所述工艺中材料的连续层被融合而形成单片的单件主体32，其中通道34与所述主体32整体成形。通过举例并非限制的方式，主体32可包括由铝、铜、锰、镍、金、银和钛的一种或多种组成的合金。
在图1-8所示的实施例中，嵌入通道34形成跨越主体32的重复的Z字形图案，其中通道34的直线伸展部分(straight stretch)40沿主体32的相对边缘32a、32b轴向对齐。如图2、5和6所示，轴向对齐的通道34的伸展部分40提供分别沿着边缘32a、32b的线性区42、44，在所述线性区42、44处热能可从所述主体32被有效地散发出去。
所述通道34可包括入口36和出口38，入口36和出口38与热交换流体源和/或热交换流体的排放件耦连在一起，此热交换流体可流过通道34。热控装置30可与脉冲类型或毛细作用类型的热交换流体系统(未示出)结合起来使用。在描述的实施例中，通道34包括一对稍微间隔开的通道34a、34b，通道34a、34b具有基本上一样的大体布局几何外形，然而单通道34也可满足各种应用。提供具有基本匹配的几何外形的一对通道34a、34b提供了冗余能力，这不仅会提高装置30的散热能力，而且也可提高当通道34a、34b中的一个被阻塞或出现泄漏情况时的可靠性。
具体参考图4、7和8，按照公开的实施例，所述主体32的单片特性和制造所述主体32的相关方法允许在所述通道34内形成可增加装置30的热耗散能力的特征。例如，散热片46可与延伸到所述通道34内的所述主体32整体成形，从而增加了主体32环绕通道34的表面积。在所述实施例中，所述散热片46被显示为具有大体矩形横截面的简单突脊，然而各种其它的几何形状也是可能的。类似地，如图7所示，散热片48可被形成为在所述通道34的壁33内的凹槽，散热片48如同散热片46，增加了所述主体32暴露于流过所述通道34的所述热交换流体的表面积。
现在参考图9，一种热控装置的可替代实施例30a可包括一种单片主体32c，该主体32c包括由熔融但不同的材料构成的两层或更多层。例如，通道34可被形成在第一材料层35中，其中第一材料层35被插入两个材料外层37之间，所述外层37由相同或不同材料构成。应该指出层35、37被显示为具有分离的分界边界，实际上这些边界并不那么明显因为使用下面将讨论的固结工艺将层35、37熔融成了一个单片结构。
图10描述了热控装置的另一个实施例30b，其中单片主体32d有一个不规则形状的外边界43和位于其中的一对圆形开口41。本示例中，通道34有不规则形状的布局几何形状并且包括基本沿洞41边界的拱形部分39。所述通道34可包括入口36和出口38以便允许热流体流到泵或热交换器(未示出)。
现在参考图11-13，其描述了上述热控装置30的一个应用。在该应用中，图1-8描述的热控装置30可被作为单壳式底盘32c使用，印刷线路板(PWB)68可以被安装在底盘32c的相反表面32d、32e上。PWB68可包括被安装在它的外表面32d、32e上的电子装置或芯片54。可以借助导热的连接粘合剂层70将所述PWB68固定在底盘32c上。或者，电子装置54可被直接粘结在底盘32c的表面32d、32e上。
所述底盘32c和所述PWB68的组装可形成一个子组件“切片”52。大量切片52可被容纳在电子单元50内。每一个切片52可包括连接器插头56，所述连接器插头56可被容纳在单元50上的相应插座62内以便将所述PWB68与外部电路(未示出)电连接起来。借助顶部和底部容器58、60以边缘层叠且平行的关系将所述切片52安装到所述单元50内，所述顶部和底部容器58、60包括通道61，所述底盘32c的边缘42、44被容纳在所述通道61内。所述容器58、60由导热材料形成并且可包括可释放的楔形锁63，楔形锁63将边缘42、44保持并锁定在所述通道61内。虽然没有在附图中描述，不过电子单元50可包括外部散热片、热沉或其他散热装置，这些散热装置可将所述PWB68产生并通过所述容器58、60传导的热量散发出去。
在图13可以最清晰地看到，由装置54产生的热量在虚线72、74的方向内流动经过导热的粘合剂层70，并且从那里进入底盘32c的主体内，在所述主体内通过流体通道34(见图1和2)被带到容器58、60。虽然没在图中显示，不过所述容器58、60可包括将底盘32c的入口和出口36、38连接于热交换器(未示出)的导管，热交换流体可在其中循环流动。使用的热交换流体的类型取决于具体的应用和制造底盘32c所选择使用的材料，然而适合的流体可包括(例如但不限于)甲醇、乙醇、丙酮、煤油、甲苯、1，2-亚乙基二醇、水和其它。
注意力现在转向图14，图14以简明的形式示出了一种制作上述热控装置30的方法。从76开始，选择所述装置30的大小和形状，随后在步骤78产生热通道34的布局。下一步，在80，根据选定的装置大小/形状和通道布局来编程一种合适的、随后讨论的固结机。然后在82，适宜材料层，例如但不限于金属箔层，被连续固结以形成包括整体成形的热通道34的装置主体32。如前所述，所述通道34可包括整体成形的散热片46、48以便增强装置30的热耗散能力。最后，对于装置30被用作电子底盘的那些应用，使用热粘结或允许从电子元件到底盘32c的热传递的其他方式，将PCB、PWB或其它电子装置或芯片直接安装到底盘32c上。
可通过使用本领域公知的几种工艺的任意一种来固结连续的导热材料层从而制造热控装置30，所述工艺有时指添加/减去(additive/substractive)制造工艺。一种这样的合适的工艺被称为超声波固结(UC)，其使用超声波声能来层压或熔融从金属箔原料中拉拔出的金属层。如超声波固结的添加/减去制造工艺允许形成深槽、中空、网格或内部蜂窝结构以及使用传统的减去加工方法难以实现的其它的复杂几何形状。
图15描述了一种典型的超声波固结机(consolidation machine)86。超声波固结的沉积模块88被NC或CNC控制器(未示出)安装到头部89，头部89沿着多个轴线相对于基座92可动。其上制造有装置30的基层90被支撑在基座92上。从例如供应辊96的源拉拔出的金属箔94被提供给沉积模块88。
如图16和17所示，薄金属箔层100被沉积到下面的基层104上，基层104可包括一系列之前固结的层100。如图15所示的沉积模块88包括一个超声波头部98，超声波头部98使新层100的区域压到基层104上。头部98的快速激励产生瞬时变形区120，瞬时变形区120在基层104和新层100之间创建了冶金结合。连续的金属箔层94被彼此冶金结合以形成单片的、层压的固体主体，如图1和2所示。可通过界定某些区域来形成图1和2所示的通道34，其中超声波头部98经过这些区域之上并且然后如果需要的话则在固结连续层100的过程中修剪或修整每一层100。
图18示出了一个典型的超声波头部98a，超声波头部98a包括被增压器108连接到超声波发生器(sonotrode)110上的压电装置(pizo device)106。超声波发生器110在箭头112的方向内快速横向振荡。一种可替代形式的超声波头部98b在图19中示出，其中压电装置106驱动增压器和超声波发生器的组合体114，组合体114包括倚靠在新的箔层100上的顶端114。在头部98b的情况中，尖端114在箭头116的方向内上下振荡。
这里应该再次强调上面描述的超声波固结工艺仅仅是各种添加/减去制造工艺的例证性说明，这些添加/减去制造工艺可被用于制造单片式热控装置30，例如但不限于在美国专利6,143,378中被一般性描述的高能线沉积类型。
现在把注意力转向图20-23，这些图描述了包括多个相对较薄的金属箔(例如但不限于铜箔)层130、132、134的一种可替换形式的热控装置。层130-134足够薄以至于装置128稍易弯曲。例如，在一个实际应用中，每个层130-134均近似为3到5密耳(mil)厚。
在图22和23可以最清晰地看到，可使用几种通用技术(包括超声波焊接)中的任一种来固结装置128的整个边界136。另外，层130-134在多个点138被焊接到一起从而在层130-134之间留下小的缝隙148(如图21)，如图21-23所示，缝隙148限定了毛细作用区域144。在层130-134的成形过程中，如图21所示的蒸汽管146可以被整体成形在层130-134的至少某个层中。在如图23和24所示的一个实施例中，一个层130内的蒸汽管146a可大体正交于另一个层134内的蒸汽管146b延伸。在箔层130-134被焊接在一起之前，也可以通过预成形箔层130-134来制作蒸汽管146。
如图21和22所示的毛细作用区域144用于保证工作流体可在层130-134之间通过毛细作用自由地流动。毛细作用力推动流体沿着并通过所述毛细作用区域144流动。所述装置128内的热量使工作流体蒸发，蒸汽可通过蒸汽管146从毛细作用区域逃逸出。之后，所述蒸汽沿蒸汽管146内的冷却器位置凝结，从而回到它的液体状态。虽然蒸汽管146被显示为排列在两个正交方向内，不过也可能被排列在多于两个的方向内。在装置128中使用的工作热流体相对于用来形成层130-134的箔的强度应该具有较低的压力。
如图24所示，通过流体145在层130-132的表面149上的表面张力147，在毛细作用区域144中形成毛细作用。可通过纹理化(texture)层130-132的表面149来加强这种表面张力147和毛细作用，例如但不限于通过砂磨。层130-134的柔性提供了有利的压力对温度特性，因为在传统的导热管中容积并不是固定的。
在某些应用中热控装置的柔性可被有利地用来缓解由公差、材料的有差别的膨胀和其它变数带来的装配困难，其中这些困难不能被刚性的热控装置30所适应。热控装置128可使用柔性热粘合剂粘结到PCB组件(未示出)或电子元件(未示出)的局部区域。装置128也可被安装到(例如且不限于)高动力电子元件(未示出)的顶部区域上，以便将热量从装置128传到附加的电路板(未示出)。柔性热控装置128也可被结合起来形成更大的、高传导性表面，以便用于需要缓解大温度梯度的各种应用中。
本公开的实施例也可以被用于各种潜在的应用尤其是用于包括例如航空、航海和汽车工业的运输工业。因此，现在参考图25和26，本公开实施例也可用在如图25所示的飞机制造和服役方法150中以及图26所示的飞机152中。在预制阶段，示范方法150可包括飞机152的详细说明书和设计154以及材料采购156。在生产过程中，进行元件和子组件的生产158以及飞行器152的系统集成160。之后，飞行器152通过检验并交货162以便进入服役阶段164。一旦进入用户服役阶段，则为飞行器152安排日常维护和保养166(也包括改造、结构变形、整修等等)。
方法150的每一个工序过程可由系统集成者、第三方和/或操作员(如一个客户)来实现或执行。为了描述的目的，系统集成者可包括但不限于任何数量的飞行器制造商和主要系统转包商；第三方可包括但不限于任何数量的销售商、转包商和供应商；并且操作员可以是航空公司、租赁公司、军队部门、服务机构等等。
如图26所示，由示范方法150制造的飞行器152可包括带有多个系统170的机身168和内部172。高水平系统170的示例包括一个或多个推进系统174、一个电子系统176、一个液压系统178和一个环境系统180。也可包括许多其它的系统。虽然显示了一个航空方面的例子，不过本公开的原理也可以用于其它工业，如航海和汽车工业。
这里体现的系统和方法可在生产和服役方法150的任意一个或多个阶段中被采用。例如，可以以类似于飞机152服役时元件或子组件的方式来制造或生产对应生产工序过程158的元件和子组件。并且一个或多个的设备实施例、方法实施例或它们的结合可在生产阶段158和160中被使用，如可被用于大大加快飞行器152的装配或者削减飞行器152的费用。类似地，一个或多个的设备实施例、方法实施例或它们的结合可在飞行器152服役时被使用，例如但不限制于维护和保养166。
虽然本公开的实施例是参考某些示范性的实施例来描述的，不过可以理解这些特定的实施例是为了描述而不是限制的目的，本领域的技术人员可以想到其它的变形。

Claims (9)

1.一种用于将热量从热源带走的热控装置(30)，其包括：
单片主体(32)，该单片主体适于被放置成与所述热源接触并且包括用于将热量从所述热源引导走的至少一个嵌入通道(34)，所述单片主体(32)由多层热导材料固结形成且具有与其整体成型的至少一个嵌入通道(34)；
其中：
所述主体包括第一和第二相对边缘(32a，32b)；并且特征在于所述通道包括分别沿所述第一和第二相对边缘笔直延伸且轴向对齐以便将热量从所述主体引导到所述第一和第二相对边缘的多个离散第一部分和多个离散第二部分(40)。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述通道(34)包括内壁和与所述内壁整体成型的散热片(46，48)，这些散热片用于增强从所述主体(32)到所述通道的热传递。
3.根据权利要求1所述的装置，其中所述主体是具有相反表面(32d，32e)的板，其中所述热源可被安装在所述相反表面上。
4.根据权利要求1所述的装置，其中所述至少一个嵌入通道(34)包括第一嵌入通道和用于将热量从所述热源引导走的第二嵌入通道，稍微间隔开的所述第一和第二嵌入通道具有Z字形图案的一样的大体布局几何外形。
5.制造热控装置的方法，其包括：
固结多层导热材料以形成具有整体成型的至少一个嵌入通道(34)以便将热能的流动从热源引导走的一个单片主体(32)，所述主体包括第一和第二相反边缘(32a，32b)，并且特征在于
将所述通道形成为包括分别沿所述第一和第二相反边缘笔直延伸且轴向对齐以便将热量从所述主体引导到所述第一和第二相反边缘的多个离散第一部分和多个离散第二部分(40)。
6.根据权利要求5所述的方法，其中固结所述多层包括将连续的金属箔层冶金结合在一起。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述冶金结合是通过向所述金属箔层施加超声波能量来实现的。
8.根据权利要求7所述的方法，其中向所述金属箔层施加超声波能量是通过如下步骤来进行的：
使用超声波头部来接触所述金属箔层，以及
移动所述头部跨越所述金属箔层。
9.根据权利要求5所述的方法，其中固结所述多层包括在所述嵌入通道内且与所述主体(32)一体形成散热片(46，48)。
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