CN101796365B - 利用沸腾的薄型热分散液体室 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了用于冷却设备的热分散器的系统和制造方法。该热分散器具有：相互接近的对置的第一表面和第二表面，该相互接近的对置的第一表面和第二表面界定其中具有液体的室；以及一个或多个结构件，该一个或多个结构件安装在室中，以便在液体沸腾的过程中引起液体流动模式以分配热。

Description

利用沸腾的薄型热分散液体室
背景
本发明涉及利用液体沸腾来提供热传递的热分散器(heat spreader)。
半导体技术的连续进步已经驱动了处理器和其它电子元件可以工作的密度以及速度的显著增加。这些技术进步的副作用是，在正常工作中，目前工艺水平的处理器和其它集成电路与它们的前代产品(predecessor)相比产生明显更多的热。
高热通量和高功率微电子设备要求发展创新的且有效的热分散器，这些创新的且有效的热分散器可以在较宽的平坦表面上提供均匀的温度分布。常规地，热分散器被用于有效地耗散由半导体设备产生的热。常规的热分散器一般使用高热传导性的实心块(比如铜、铝以及石墨)。热分散器热连接到起到热释放构件(heat-releasing member)作用的散热装置。
一种冷却技术是热管。热管包括密封壳层(sealed envelope)，该壳层界定包含毛细芯(capillary wick)和工作流体的内部室，工作流体能够在想要的工作温度范围内既具有液相又具有蒸汽相。当室的一部分被暴露于相对较高的温度时，其起到蒸发器段(evaporator section)的作用。工作流体在该蒸发器段中被汽化，引起轻微的压力增加，将蒸汽推动到室的温度相对较低的段，该温度相对较低的段起到冷凝器段(condenser section)的作用。热管被设计成蒸发而不沸腾，因为沸腾作为用于大多数热管的限制因素是众所周知的。蒸汽在冷凝器段中被冷凝，并且通过毛细泵吸作用(capillary pumping action)穿过毛细芯返回到蒸发器段。因为热管基于相变的原理工作而不是基于传导或对流的原理工作，所以热管理论上能够使用和传导式传热系统(conduction heat transfer system)相比较低的热阻传输热。因此，热管已经被用于冷却各种类型的高发热装置(heat-producingapparatus)，比如电子设备(例如，参见美国专利No.3,613,778；4,046,190；4,058,299；4,109,709；4,116,266；4,118,756；4,186,796；4,231,423；4,274,479；4,366,526；4,503,483；4,697,205；4,777,561；4,880,052；4,912,548；4,921,041；4,931,905；4,982,274；5,219,020；5,253,702；5,268,812；5,283,729；5,331,510；5,333,470；5,349,237；5,409,055；5,880,524；5,884,693；5,890,371；6,055,297；6,076,595；以及6,148,906和7,124,809)。
热管内的蒸汽流动和液体的毛细流动都通过压力梯度产生，这些压力梯度通过热管内自然地发生的压力差之间的相互作用产生。这些压力梯度消除了对于系统流体的外部泵吸的需要。另外，在不带有不可冷凝的气体时，处于平衡的液体和蒸汽的存在引起较高的热效率。为了增加热管的效率，现有技术已经发展了各种芯结构(wicking structure)以提高冷凝器段和蒸发器段之间的液体传输以及提高芯及其周围环境之间的传热性能。它们已经包括了管道内表面的纵向布置的平行沟槽以及随机划痕。另外，现有技术还公开了固定地连接到管内壁的芯结构的使用。这些芯的组成和几何形状已经包括了均匀的细丝网以及烧结金属。烧结金属芯一般包括金属颗粒的混合物，这些金属颗粒已经被加热到足以在它们各自的接触点引起邻近颗粒熔化或焊接的温度。烧结金属粉随后形成带有毛细管特征的多孔结构。虽然现有技术中烧结芯已经展示了充分的传热特性，但颗粒之间细小的金属到金属的融合界面倾向于限制穿过芯的热能传导。这已经限制了本领域中烧结芯的有用性。
简言之，芯为产生毛细管压力的构件，并且因此，优选地，其对于工作流体具有优秀的亲合性，并且优选地，其毛细管的有效半径在形成在液相工作流体的液体表面上的弯液面处尽可能小。因此，多孔烧结化合物(porous sintered compound)或一束极端细的丝一般地被应用为芯。在那些依据现有技术的芯构件中，多孔烧结化合物可以产生大的毛细管压力(即，对于液相工作流体的泵吸力)，因为其腔的开口尺度小于其它芯的开口尺度。同样，多孔烧结化合物可以被形成板形状，使得其可以被容易地应用在平坦的板型热管或类似物上，这被称为蒸汽室(vapor chamber)，其在近些日子已经引起注意。因此，从那些观点看来，多孔烧结化合物为优选的芯材料。
如美国专利No.7,137,442(‘442专利)中讨论的，如果多孔主体作为芯被应用为热管的一部分，则有可能增加毛细管压力以便回流液相工作流体。这对于缩减尺寸的蒸汽室是有优势的。但是，流动路径通过在作为多孔主体的材料的细粉末中形成的腔而形成，使得流动路径的流动截面面积是小的且像迷宫一样错综复杂。因此，有可能提高起到泵吸力的作用以将液相工作流体回流到其蒸发的一部分的毛细管压力。然而，另一方面，其有缺陷，因为抵抗液相工作流体的流动阻力相对较高。为此，例如，如果来自外部的热的输入量突然急剧增加，那么芯可能由于缺少补给到工作流体发生蒸发的那部分的液相工作流体而变干。‘442专利公开了一种蒸汽室，其中依据热的输入和辐射状态而蒸发和冷凝的可冷凝的流体作为液相工作流体被封装在中空并且平坦的密封容器中；并且其中，用于通过工作流体的润湿来产生毛细管压力的芯被布置在所述密封容器中，所述密封容器包括：用于通过被所述工作流体润湿而产生大的毛细管压力的芯，该芯被布置在蒸发部分侧上，其中热从外部输入该蒸发部分侧；以及具有抵抗润湿的工作流体的小流动阻力的芯，该芯被布置在冷凝部分侧上，其中热从该冷凝部分侧面辐射到外部。
附图简述
图1示出了示例性热分散器。
图2A和图2B示出了用于引导液体在热分散器的室内流动运动的示例性结构。
图3为示出了图1热分散器对相对于重力的不同定向的接近均匀性能的图表。
图4A-4B描绘了热分散器对相对于重力的定向的独立性。
图5A-5C示出了另一种示例性热分散器。
图6为示出了在各种工作温度时热分散器的性能的图表。
图7为示出了带有和不带有热传导微孔涂层(thermally-conductivemicro-porous coating)(TCMC)涂层的热分散器的示例性性能的图表。
图8为示出了其室中带有不同高度的液体的热分散器的示例性性能的图表。
图9A、图9B和图9C示出了其中结构件可以被放置在第一板、第二板上或分别悬挂在两个板之间的各种实施方式。
图10示出了其中第一板用热源表面本身代替的另一方面。
概述
一方面，提供了一种用于冷却设备的热分散器。该热分散器具有：相互接近的对置的第一表面和第二表面，该相互接近的对置的第一表面和第二表面界定其中装有液体的外壳、室、容器或器皿；以及一个或多个结构件，该一个或多个结构件安装在室内，以在液体沸腾以分配热的过程中引起液体流动模式(liquid flow pattern)。
上面的方面的实施可以包括下列中的一个或多个。相互接近的对置的表面具有位于第一表面和第二表面之间的0.1毫米和3.5毫米之间的间隙。每个表面可以为板的一个表面或侧面。该板可以为刚性的。一个表面可以为板的一个侧面，并且另一表面可以与各种热发生设备热接触。该设备可以为倒装芯片(flip-chip die)，其中，板定位成与该倒装芯片对置，并且其中，该倒装芯片和板界定室。该设备还可以为带有周边板(circumferential plate)的倒装芯片，该周边板延伸芯片的平面，且第二板定位成与倒装芯片和周边板对置。该一个或多个结构件可安装在对置的表面中的至少一个上，或者可安装在对置的表面之间。该第一表面与设备热接触，且一个或多个结构件在室内部安装在第一表面上。可选择地，该一个或多个结构件可以安装在不与设备直接接触的第二表面上。该对置的第一表面和第二表面被分开一小间隙。该对置的第一表面和第二表面具有位于设备上的预定区域上方的第一分离距离以及围绕该预定区域的第二分离距离，并且其中，第二分离距离大于第一分离距离。可选择地，该对置的第一表面和第二表面可以具有均匀的分离距离。液体流动模式由气泡泵吸(bubble pumping)引起。在一个实施方式中，当水平放置成使表面处于预定位置以便加热的表面面向室内部的蒸汽空间时，可以通过冷凝物的泰勒不稳定性形成气泡泵吸。在其它实施方式中，起泡不是通过泰勒不稳定性的帮助开始的，而是更相关于全方位操作能力。包括由内部结构件引导的气泡的液体流动模式改进了泡核沸腾传热效率，并且还通过供给液体并从加热区域移除蒸汽来减小了局部化变干情况。一个表面可以从设备传输热以使液体沸腾。液体可以是水、丙酮、乙醇、甲醇、制冷剂以及其混合物，或者带有合适的性质比如沸点和蒸发热的任何其它工作流体。液体可以包含纳米颗粒。液体可以被选定为在预定的压力和温度下沸腾，以匹配设备预定的热要求。该结构件可以为翅结构(fin structure)或肋结构(rib structure)，以及其它结构。每个结构件可以为细长杆，并且一个或多个结构件邻近局部加热区域放置。每个结构件可以为细长杆，并且一个或多个结构件可以间隔开，以便围绕局部加热区域。局部加热区域被定位在一个或多个结构件的中心，或者局部加热区域被定位成距离一个结构件比距离另一个结构件近。涂层可以形成在表面上。该表面可以为烧结表面、机加工表面、蚀刻表面、微孔涂层或热传导微孔涂层(TCMC)。可以在涂层和对置的表面之间提供0.1mm和3.5mm之间的间隙。该涂层可以形成在下列中的一个中：凹下区域、平坦区域、挤出区域。该表面可以使用冲压形成。该一个或多个结构件可以使用下列中的一个形成：放置丝、放置肋、成形肋、蚀刻肋、冲压肋或机加工肋。第一表面和第二表面之间的间隙可以小于3.5毫米。第一表面和第二表面之间的间隙也可以在0.1毫米到3.5毫米之间。第一表面和第二表面之间的间隙可以为大约0.1mm、1mm、1.5mm、2mm、3mm以及3.5mm。散热装置或冷板可以连接到这些表面中的一个。可选择地，热分散器可以连接到散热装置单元的底部或者被埋置在散热装置单元的底部中。在此情形中，散热装置的底部表面可起到一个表面的作用。
在第二方面，公开了用于冷却设备的热分散器的系统和制造方法。该热分散器具有热耦合到设备的第一板；以及耦合到第一板以便形成用于盛装液体的室、容器或器皿的第二板，该第二板具有安装在其上的一个或多个结构件以便引起液体流动模式。
第二方面的实施可包括下列中的一个或多个。该一个或多个结构件可以连接到第一板、第二板或者可以悬挂在第一板和第二板之间。液体流动模式通过气泡泵吸引起。气泡泵吸通过气泡形成，而气泡由于位于底部板处的泡核沸腾而产生，热在底部板处从热发生设备传输。该气泡泵吸的液体流动提供了强循环流动运动，该强循环流动运动促进了泡核沸腾传热，并且还防止了在沸腾表面形成局部化蒸汽变干区域(vapor dryout zone)。该第一板提供热以使液体沸腾。该液体可以依据具体要求选择，并且可以为水、乙醇、液态碳氟化物、甲醇、丙酮、制冷剂或带有合适的性质比如例如沸点和蒸发热的任何其它工作流体。还可以使用两种或多种液体的混合物。该结构件可以为翅结构或肋结构。每个结构件可以为细长杆，并且这些结构件可以邻近局部加热区域布置(位于中心或偏离于中心)。该结构件可以间隔开，以便围绕(位于中心或偏离于中心)局部加热区域。局部加热区域可以被定位在一个或多个结构件的中心，或者被定位成距离一个结构件比距离另一个结构件近。可以在第一板上形成涂层，并且该涂层可以为微孔涂层，或可以为TCMC或其它沸腾增强表面。可以在第一板和第二板之间形成0.1毫米到3.5毫米之间的间隙。第一板可以具有凹下区域或平坦区域。第一板可以使用冲压形成，而第一板或第二板上的结构件可以使用冲压或机加工形成。结构件也可以从两板分离，并且简单地插入并固定在两板的中间。可以使用任何形状(线、矩形、I形梁、U形梁等等)，只要能够通过他们形成间隙即可。可以在第一板和第二板之间形成大约0.1毫米到大约3.5毫米的间隙。可以发展除薄平板以外的成形因素，包括3D形状和体积。另外，该板可以为组件比如例如翅的一部分。
本发明的优势可包括下列中的一个或多个。该系统用含有液体的薄型室(low-profile chamber)代替常规的实心块热分散单元。在工作过程中，被冷却的设备使液体沸腾，并且沸腾的液体与薄的室或间隙组合以产生气泡泵吸作用，以便引起增强冷却效果的流线型流动模式。另外，该薄的间隙允许相对于重力进行自由的定向。为了分散热，该系统使用薄圆形、正方形或矩形形式的泡核沸腾和冷凝。这些内部结构件能促进由泡核沸腾引起的流线型流动模式。这些结构件也提供防止板以及建造在其上的任何组件或部分弯曲的机械强度。对于沸腾传热，热分散器性能的进一步增强可以通过采用不同的表面处理来达到。中空的热分散器的总厚度可以小至约0.1毫米，和常规的实心热分散器相比，提供了重量的减小。该热分散器通过液体的沸腾并通过所引起的液体流动模式来冷却设备，并且不需要外部泵就能实现冷却。泵吸动力来自气泡由于浮力而从沸腾表面离开后的运动，该运动提供强的液体泵吸动力以及热分散能力，并因此提供对热分散器的方向和定位相对不敏感的优秀的全方位性能。
描述
现参照图1，示出了依据本发明一个方面的热分散器。该热分散器具有底部或第一板10，该底部或第一板10与顶部或第二板20接合。例如，该第一板10适合于与热发生设备比如处理器或图形设备热接触。在一个实施方式中，该第一板为带有与热发生设备热接触的局部加热区域的薄板。该第一板可以具有凹下部分或者可以是完全平坦的。
在组合中，第一板10和第二板20形成储存液体的外壳或室。在第一板10被热发生设备加热时，液体可能会沸腾，并且沸腾作用使热发生设备在其工作期间冷却。
第二板20具有朝向第一板10伸出的多个结构件24。这些结构件24可以为能引导液体在室内流动运动的一系列障碍物、肋或翅。液体流动通过气泡泵吸作用而被增强，这样的气泡泵吸作用将在下文关于图3A和图3B更详细地描述。
为了提高也被用于当前的热分散器的沸腾传热性能，研究者已经对表面增强技术进行了调研，以增加核沸腾传热系数并延长临界热通量(CHF，或可以被移除而不使表面暴露于膜沸腾的最高热通量)，并且这些技术已经被商业化以最大化沸腾传热性能。用于增强沸腾的商业化表面包括不同类型的腔或沟槽，比如Furukawa的ECR-40、Wieland的GEWA、Union Carbide的High-Flux、Hitachi的Thermoexcel以及Wolverine的Turbo-B。这些表面增强技术是为了增加蒸汽/气体积留体积(entrapmentvolume)，并因此增加有效泡核部位的密度。
在一个实现中，第一板具有增强的沸腾表面微结构，比如微孔表面结构。微孔涂层(MC)提供了泡核沸腾传热以及CHF的显著增强，同时减小了初始的壁过热延滞(incipient wall superheat hysteresis)。微孔涂层的一个选择是由You和O′Connor(1998)(美国专利5814392)发展的ABM涂层技术。该涂层由它们的三种成分的初始字母而得名(Aluminum/Devcon Brushable Ceramic/Methyl-Ethyl-Keytone)。在载体(M.E.K)蒸发后，所产生的涂层组成带有铝颗粒(1到20μm)以及具有约50μm厚度的胶(Omegabond 101或者Devcon Brushable Ceramic)的微孔结构，该厚度已显示为是对于FC-72的最佳厚度。非传导微孔涂层方法的沸腾传热的优势可以通过将不导热的胶用导热的结合剂代替来改进。MC的更多细节公开于美国专利No.5,814,392中，该专利的内容通过引用并入。
在另一个实现中，第一板具有热传导微孔涂层(TCMC)。TCMC或任何合适的涂层被用于增强成核沸腾传热性能并延长泡核沸腾能力的热通量限制(临界热通量)。微孔涂层的增强的性能由有效泡核部位的数量的增加产生。来自沸腾部位的较高的气泡偏离频率(bubble departurefrequency)降低了过热的液体层的厚度，引起微对流传热的增加。TCMC更详细地描述在序列号为11/272,332的共同转让的、共同待决的专利申请中，其内容通过引用并入。
现转到图2A和图2B，详细示出了用于引导热分散器的室内的液体流动运动的示例性结构。图2A示出了带有钟形布置的第二板40，其中，构件42围绕局部加热区域44中心地定位。由于受到气泡泵吸作用的引发，构件42以模式46A-46D引导液体流动。对应地，图2B示出了带有翅布置的第二板50，其中，翅52围绕局部加热区域54中心地定位。由于受到气泡泵吸作用的引发，构件52以模式56A-56D和56E-56F引导液体流动。在通过液体流动来使热量排除最大化时，液体流动的方向是重要的，并且图2A-2B示出了，液体运动被引导成确保能以最大的效率来分别从局部加热区域44和54排除热量。
图3为一图表，其示出，图1热分散器的性能与相对于重力来说的定向无关。该热分散器可以垂直地、水平地或面向下(倒置)放置，在面朝下放置的情况下，液体位于局部加热区域下方。如其中所示的，无论定向如何，该热分散器通过整个表面上均匀的温度(1℃左右的差值)而提供了优秀的热量排除能力。因此，热分散器的性能与定向无关。当水平地放置时，面向上的(液体在涂层上方)和面向下的(液体在涂层下方)构造显示出一样的性能。水平构造显示了高达约180W的较好的性能，而由于重力引起的快速再润湿的辅助作用，垂直构造的工作性能比大约180W要好。
图4A-4B描绘了热分散器在两种水平测试构造中的与定向无关的性能(orientation independent performance)。在图4A中，涂层水平地面向上，而在图4B中，涂层水平地面向下。在任一情形中，在热被施加之前，液体柱82存在相同的模式。因为室被保持在热力学饱和状态，所以蒸发和冷凝继续在室的内部发生。冷凝物在形成液体滴之后由于重力而不得不返回到较低位置。由于冷凝液体的表面张力和泰勒不稳定性，形成了水液体柱。此效应在两板之间的间距在0.1毫米到3.5毫米之间时特别明显。一旦在水平向下构造中通过加热而发生沸腾，就在施加了热的微孔结构中的液体柱中或吸收的液体中发生初始泡核，随后是气泡泵吸。此独特的泡核沸腾初始化使得液体不分方向地大量沸腾。连续且稳定的大量流体泡核沸腾引起更强的且已确立的气泡泵吸流动循环模式，其提高了热分散效率。因此，在不考虑面向上或面向下的水平情形中，无论涂层被定位成面向上还是面向下，气泡泵吸泡核沸腾传热占传热的首要位置。
图5A-5B和图5C显示了另外的示例性热分散器实施方式。在图5A中，底部板100在102的另一个平坦侧面上具有涂层，比如在局部加热区域上方的TCMC涂层。底部102可设置为一块金属(或在相同板上较厚的金属)，该金属有助于从热源将热分散到涂层。这在热源小时是特别有用的，因为这可将热从热源“分散”到由热分散器界定的更宽的区域，以提供较宽的有效涂层区域，而该有效涂层区域将作为泡核部位工作并有助于气泡泵吸作用。
四个洞被定位在底部板100上，以将底部板固定到散热装置(未示出)。图5B显示了对应的顶部板110，该顶部板110具有正好位于涂层102A上方的区域112。同样，翅114围绕区域112定位，以促进气泡泵吸作用，在当底部板100接合顶部板110时形成的室内，气泡泵吸作用在一个或多个预定的方向驱动液体。在此实施方式中，翅114与加热区域112不是等距离的，因为翅不是共心地(或中心地)放置在区域112周围的。然而，在其它实施方式比如图2A-2B的那些实施方式中，翅42和52对称地形成，并且在中心具有加热区域44和54。
图5C显示了通过连接定位在顶部板110上方的翅140而构造的示例性散热装置。翅140通过不同的方法，包括但不限于软焊、铜焊、机械压缩和化学结合而固定到顶部板110的组件。翅140使得由图5A-5B的热分散器俘获的热量能够被耗散到周围空气中。
图6为示出了热分散器在不同的工作温度时的性能的图表。如其中示出的，带有TCMC的热分散器的性能随着工作温度的增加而轻微地增强。这是由于泡核沸腾传热的压力效应。如图6中示出的，在较高温度时促进了有效沸腾。
图7为示出了带有和不带有TCMC涂层的热分散器的性能的图表。如其中示出的，微孔涂层因为泡核沸腾增强效果(nucleate boilingenhancement effect)而显著地提高了薄分散器的热性能(提高到大约三倍)。
图8为示出了在其室内装有不同量的液体的热分散器的性能的图表。图8示出了，使用水作为填充液体且在9cm×9cm的给定几何形状以及1.5mm的内部室间隙时的最佳液体填充比率为大约65％。该比率可以随着不同的定向、几何形状以及加热元件尺寸而变化，并因此可在使用迭代法时达到优化。
图9A、9B和9C展示了其中结构可以被分别地放置在第一板、第二板上或放置在二者之间的各种实施方式。现转到图9A，示出了结构件924形成在第一板910上的热分散器。第一板910通过涂层区域912热耦合到热发生设备。第二板920随后固定到第一板910，并且液体被引入由板910和920形成的室内。
图9B示出了结构件被定位在第二板934上同时结构件936(比如肋或杆)围绕加热区域938的实施方式。对应地，第一板930通过涂层区域932与设备热接触。
图9C展示了结构件954分别悬挂在第一板950和第二板960之间的实施方式。第一板950通过涂层区域952热耦合到设备，该涂层区域952可以为TCMC，以及其它涂层。
该一个或多个结构件可以连接到第一板、第二板或可以悬挂在第一板和第二板之间。液体流动模式由气泡泵吸引起。气泡泵吸通过气泡形成，而气泡则由于位于底部板处的泡核沸腾产生，热在该底部板处从热发生设备传输。气泡泵吸的液体流动提供强循环流动运动，该强循环流动运动促进了泡核沸腾传热，并且还防止了在沸腾表面形成局部蒸汽变干区域。第一板提供热以使液体沸腾。液体可根据具体要求来选择，并且可以为水、乙醇、液态碳氟化物、甲醇、丙酮、制冷剂或具有合适的性质比如例如沸点和蒸发热的任何其它工作流体。还可以使用两种或多种液体的混合物。该结构件可以为翅结构或肋结构。每个结构件可以为细长杆，并且结构件可以邻近局部加热区域布置(中心地或偏离于中心)。该结构件可以间隔开，以便围绕(中心地或偏离于中心)局部加热区域。局部加热区域可以定位在一个或多个结构件的中心，或者可以定位成距离一个结构件比距离另一个结构件近。可以在第一板上形成涂层，并且该涂层可以为微孔涂层或可以为TCMC或其它沸腾增强表面。可以在第一板和第二板之间形成0.1毫米到3.5毫米之间的间隙。第一板可以具有凹下区域、挤出区域或平坦区域。第一板可以使用冲压形成，而第一板或第二板上的结构件可以使用冲压或机加工形成。这些结构件也可以从两板分离，并且简单地插入并固定在两板的中间。可以使用任何形状(线、矩形、I形梁、U形梁，等等)，只要能够通过它们形成间隙即可。可以在第一板和第二板之间形成大约0.1毫米到大约3.5毫米的间隙。可以发展除薄平板以外的成形因素，包括3D形状和体积。另外，例如，板可以为组件比如翅的一部分。
图9A-9C的系统使用包含液体的薄型室代替常规的实心块热分散单元。在工作过程中，被冷却的设备使液体沸腾，并且沸腾的液体与薄的室或间隙组合以产生气泡泵吸作用，以便引起增强冷却效果的再循环流动模式。另外，该薄的间隙允许相对于重力进行自由的定向操作。为了分散热，该系使用薄圆形、正方形或矩形形式的泡核沸腾以及冷凝。内部结构件能促进由泡核沸腾引起的流线型流动模式。这些结构件也能提供防止板以及建造在其上的任何组件或部分弯曲的机械强度。对于沸腾传热，热分散器性能的进一步增强可以通过采用不同的表面处理来达到。中空的热分散器的总厚度可以小至约0.1毫米，和常规的实心热分散器相比，提供了重量的减小。该热分散器通过液体的沸腾并通过所引起的液体流动模式来冷却设备，并且不需要外部泵就能实现冷却。由于沸腾表面上的气泡形成以及气泡离开和浮力而产生的强泵吸动力提供了对热分散器的方向和定位相对不敏感的优秀的全方位性能。
图10显示了本发明的另一方面，其中第一板1000或第一板1000的一部分用热源设备本身代替。这在室变成半导体封装的一部分时是特别适当的，其中沸腾增强装置(boiling enhancement)直接放置在IC芯片1012的背面上，并且由芯片1012和第二板1020与其上形成的结构件1024形成的腔界定室本身。该第二板具有加热区域1022，以便使移除热的液体流动模式最优化。
图10的装置薄并且可用于冷却倒装芯片。倒装片被发展来满足电子行业的持续驱动，以便降低成本、增加封装密度并改进性能，同时仍然保持或甚至提高电路的可靠度。在倒装制造工艺中，半导体芯片被面向下组装到电路板上。这对于尺寸的考虑是理想的，因为不需要额外的面积来接触元件(这对于TAB同样成立)的侧面。高频率应用中的性能优于其它相互连接方法，因为连接路径的长度被最小化。倒装技术比线结合便宜(这对TAB也成立)，因为所有连接的结合同步发生，而使用线结合则每次只进行一个连接。有很多不同的可选择的工艺被用于倒装连接。连接结构的共同特征是芯片面向下对着基片放置，并且芯片和基片之间的连接使用导电材料的凸出部分完成。
虽然倒装片具有某些尺寸和成本优势，但由于它们紧凑的尺寸，它们具有有限的热耗散能力。集成电路比如微处理器(CPU)以及图形处理单元(GPU)在它们工作时产生热，并且通常此热必须被耗散或从集成电路芯片移除以防过热。图10的系统能确保吸热表面或涂层与液体冷却剂接触，以确保热从热源到液体以及到模块的其余部分的有效传递。该系统允许集成电路以最高性能运行，同时最小化由于过热引起故障的风险。该系统提供了沸腾冷却器(boiling cooler)，该沸腾冷却器带有使用廉价非金属材料或低成本液体冷却剂与沸腾增强表面或涂层组合简化设计的器皿。
虽然已经参照具体附图和实施方式描述了本发明，但应理解，描述只是为了说明并且不应被理解为限制了本发明的范围。本领域技术人员可以对本发明做出很多改变和更改，而不背离于本发明的精神和范围。例如，可以添加另外的散热装置或翅或者其它耗散层，以改进集成电路设备的热耗散。另外，可以使用各种封装类型和IC安装构造，例如，球栅阵列(ballgrid array)、针栅阵列(pin grid array)等等。而且，虽然已经以具体构造和定向描述了本发明，但是类似于“在上面”、“在下面”、“重叠”、“在下方”、“上”、“下”、“高度”等的词汇不应被理解为要求任何绝对构造或定向。根据上面的示教，其它的变化形式和实施方式是可能的，并且因此预期本发明的范围不被描述限制，而是被接下来的权利要求限制。

Claims (34)

1.一种用于冷却设备的热分散器，其包括：
相互接近的对置的第一表面和第二表面，所述相互接近的对置的第一表面和第二表面界定包含有液体的室以在所述液体沸腾过程中在所述室内产生气泡泵吸作用；以及
结构件，所述结构件安装在所述室中，以在所述液体沸腾过程中由所述室中产生的气泡泵吸作用来引导液体流动以便冷却设备，其中每个结构件为细长杆并且所述结构件平行地间隔开，以便围绕局部加热区域。
2.如权利要求1所述的热分散器，其中，每个表面包括板。
3.如权利要求2所述的热分散器，其中，所述板是刚性的。
4.如权利要求1所述的热分散器，其中，一个表面包括板的一个侧面，而另一个表面与设备接触。
5.如权利要求1所述的热分散器，其中，所述设备包括倒装芯片，所述第一表面用所述倒装芯片代替，所述第二表面定位成与倒装芯片对置，其中，所述倒装芯片和所述第二表面界定所述室。
6.如权利要求1所述的热分散器，其中，所述结构件安装在对置的表面中的至少一个上。
7.如权利要求1所述的热分散器，其中，所述结构件安装在对置的表面之间。
8.如权利要求1所述的热分散器，其中，所述第一表面与设备热接触，并且其中，所述结构件安装在所述第一表面上。
9.如权利要求1所述的热分散器，其中，所述第一表面与所述设备热接触，并且其中，所述结构件安装在所述第二表面上。
10.如权利要求1所述的热分散器，其中，对置的所述第一表面和所述第二表面被分开一小间隙。
11.如权利要求1所述的热分散器，其中，对置的所述第一表面和所述第二表面具有在设备上的预定区域上方的第一分离距离以及围绕该预定区域的第二分离距离，并且其中，第二分离距离大于第一分离距离。
12.如权利要求1所述的热分散器，其中，对置的所述第一表面和所述第二表面具有一致的分离距离。
13.如权利要求1所述的热分散器，其中，液体流动模式由气泡泵吸引起。
14.如权利要求13所述的热分散器，其中，当被水平地放置成使所述表面位于预定的位置以便加热的表面面向所述室的内部的蒸汽空间时，所述气泡泵吸通过冷凝物的泰勒不稳定性形成。
15.如权利要求1所述的热分散器，其中，液体流动模式增强了泡核沸腾传热，并且还防止了在加热区域局部形成蒸汽变干区域。
16.如权利要求1所述的热分散器，其中，一个表面传输热以使液体沸腾。
17.如权利要求1所述的热分散器，其中，所述液体包括以下之一：水、丙酮、乙醇、甲醇、制冷剂以及其混合物。
18.如权利要求1所述的热分散器，其中，所述液体包含纳米颗粒。
19.如权利要求1所述的热分散器，其中，所述液体选择成在预定的温度下沸腾，以匹配设备的预定的热要求。
20.如权利要求1所述的热分散器，其中，所述结构件邻近局部加热区域放置。
21.如权利要求1所述的热分散器，其中，所述局部加热区域被定位在所述结构件的中心。
22.如权利要求1所述的热分散器，其包括形成在所述表面上的涂层。
23.如权利要求1所述的热分散器，其中，所述表面包括以下之一：烧结表面、机加工表面、微孔涂层。
24.如权利要求22所述的热分散器，其包括在所述涂层和面向所述涂层的表面之间的0.1毫米到3毫米之间的间隙。
25.如权利要求1所述的热分散器，其中，所述表面包括形成在以下之一中的涂层：凹下区域、平坦区域、挤出区域。
26.如权利要求1所述的热分散器，其中，所述表面使用冲压形成。
27.如权利要求1所述的热分散器，其中，所述结构件使用以下之一形成：放置丝、放置肋、成形肋、冲压肋、机加工肋。
28.如权利要求1所述的热分散器，其包括位于所述第一表面和所述第二表面之间的小于3.5毫米的间隙。
29.如权利要求1所述的热分散器，其包括位于所述第一表面和所述第二表面之间的0.1毫米到3.5毫米之间的间隙。
30.如权利要求1所述的热分散器，其包括选自由位于所述第一表面和所述第二表面之间的大约0.1mm、1mm、1.5mm、2mm、3mm以及3.5mm组成的组的间隙。
31.如权利要求1所述的热分散器，其包括耦合到所述表面之一的散热装置或冷板。
32.如权利要求1所述的热分散器，其中，所述结构件为所述室提供机械支撑。
33.如权利要求1所述的热分散器，其中，所述表面包括3D形状或体积。
34.如权利要求23所述的热分散器，其中，所述微孔涂层是热传导微孔涂层TCMC。
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