CN101960938A - 热沉装置 - Google Patents

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Abstract

提供一种热沉。该热沉包括：具有顶表面和底表面的第一蒸汽腔部，该底表面与热源进行热接触；从所述第一蒸汽腔部的所述顶表面垂直延伸的第二蒸汽腔部；以及附接到所述第二蒸汽腔部的散热片。所述第一和第二蒸汽部连接到彼此，形成连续的蒸汽腔空间。

Description

热沉装置
技术领域
本发明的技术领域大体涉及用于电子器件的冷却系统，以及更具体地涉及具有蒸汽腔(vapor chamber)和散热片的热沉(heat sink)。
背景技术
来自诸如集成电路和存储器的电子装置的日益增加的部件功率水平和功率密度水平对热管理解决方案提出了增加的需求。例如，近年来，高密度刀片服务器由于它们杰出的性能而需求广泛。但是，该高密度计算功率伴随着服务器外壳中非常有限的空间。因此，需要高性能热沉来进行高效冷却。目前使用的热沉在耗散由功率芯片生成的热量方面已经达到了它们的极限。存在对于更高效的冷却的需求，以扩展散热性能范围(envelope)。
发明内容
公开了一种热沉。该热沉包括：具有上表面和下表面的第一蒸汽腔部；从所述第一蒸汽腔部的所述上表面垂直延伸的第二蒸汽腔部；以及从所述第二蒸汽腔部水平延伸的散热片，其中，所述下表面与热源进行热接触，以及其中，所述第一和第二蒸汽部连接到彼此，从而形成连续的蒸汽腔空间。
还公开了一种热沉，包括：具有顶表面和底表面的中央空心的基座，其中所述底表面与热源进行热接触；两个中央空心的侧壁，所述侧壁位于基座的两个相对侧上，并且从基座的顶表面向上延伸；以及一个或多个中央空心的中央柱，所述中央柱位于所述两个侧壁之间，并且从基座的顶表面向上延伸，其中，所述基座、所述侧壁以及所述一个或多个中央柱的空心中央连接到彼此，形成连续的蒸汽腔空间，以及其中，所述侧壁和所述中央柱包括用于散热的片(fin)。
还公开了一种热沉，包括：具有第一表面和第二表面的平面形状的第一蒸汽腔，其中所述第一表面与所述第二表面相对且与热源接触；在所述第二表面上形成的第二蒸汽腔，所述第二蒸汽腔连接到所述第一蒸汽腔从而形成连续的蒸汽腔空间；以及从所述第二蒸汽腔延伸的多个平面形状的散热片。
附图说明
结合附图通过以下的详细说明，本发明的实施例将容易理解。为了促进此说明，相同的参考数字表示相同的结构元件。在附图的各个图中，作为示例而非限制对本发明的实施例进行说明。
图1是现有技术的热沉的截面图；
图2A和2B是具有新的蒸汽腔构造的热沉的两个实施例的示意性表示；
图3是带有(上面板)片或不带有(下面板)片的具有独立式中央柱构造的热沉的示意性表示的合成；
图4A-4C是图3中所示的热沉构造的计算流体动力学(CFD)分析的结果；
图5A和5B是图3中所示的热沉构造中的气流的CFD分析的结果；
图6是具有壁状中央柱构造的热沉的示意性表示；
图7A和7B是图6所示的热沉构造的CFD分析的结果；
图8A和8B是图6所示的热沉构造中的气流的CFD分析的结果。
具体实施方式
在以下的详细描述中，对附图进行参考，附图形成该描述的一部分，其中，在各处相同数字表示相同部件，以及其中作为例证示出其中可实施本发明的实施例。要理解，可以使用其他实施例，以及可以在可替换实施例中进行结构或逻辑的改变。因此，以下详细说明不应在限制意义上进行理解，且根据本发明的实施例的范围由所附权利要求及它们的等效物来限定。
此说明意在结合附图进行阅读，附图被认为是本发明的整个书面说明的一部分。附图不一定按照比例绘制，并且本发明的某些特征可能在尺度上夸张示出，或者以稍微示意性的形式示出以便为了清楚和简洁。在说明中，相对术语，诸如“水平”、“垂直”、“上”、“下”、“顶”和“底”以及其衍生术语(例如“水平地”、“向下地”、“向上地”等)应该解释为表示如那时描述的或如所讨论的附图各图中所示的取向。这些相对术语是为了描述方便，而通常不意图要求特定的取向。包括“向内地”对比“向外地”、“向上地”对比“向下地”、“纵向的”对比“横向的”等的术语应视情况相对于彼此、或者相对于延伸轴或旋转轴或中心来进行解释。关于附接、耦合等的术语(诸如“连接”和“互连”)表示其中将结构直接地或经由中间结构间接地固定到或附接到彼此的关系，以及可移动或刚性附接或关系两者，除非另有明确说明。术语“操作地连接”是这样的附接、耦合或连接，该附接、耦合或连接允许相关结构如根据该关系所预期的那样进行操作。
图1是具有蒸汽腔的现有技术热沉的概念图示。蒸汽腔限定在基板中，所述基板具有下表面和上表面。该下表面与热源进行热接触，并且上表面包括从该上表面垂直延伸的用于散热的平面片。
图2A示出具有新的蒸汽腔构造的热沉的实施例。热沉10包括蒸汽腔基座20、蒸汽腔侧壁30以及可选的一个或多个蒸汽腔中央柱40。蒸汽腔基座20、蒸汽腔侧壁30以及蒸汽腔中央柱40的每一个是中央空心的结构，该中央空心的结构包括由周围壁所包围的蒸汽腔空间。在一个实施例中，蒸汽腔基座20、侧壁30以及中央柱40被操作地连接到彼此，以形成连续的蒸汽腔空间。
基座20包含底表面22和顶表面24，该底表面22与热源进行热接触，顶表面24上形成有侧壁30和/或中央柱40。基座20由具有高导热率的材料制成，该材料诸如金属或合金。在一个实施例中，基座20由铜或铝制成。基座20被填充有或部分地填充有可蒸发的工作流体，诸如水。
仅仅在基座20的选择的侧上形成侧壁30，以便维持侧壁30之间的不受阻的气流。在图2A中所示的实施例中，在基座20的相对侧上形成两个侧壁30。应该注意到，无需在基座20的边缘上形成侧壁30。如图2B中所示，在基座20的边缘附近的位置处形成两个侧壁30。
在侧壁30之间形成中央柱40，以进一步促进从基座20进行散热。在一个实施例中，中央柱40采用用作热管的独立式柱的形式。可以使用多个独立式中央柱40来促进从基座20到片60的热传递。在另一实施例中，中央柱40采用平行于侧壁30且从基座20的一侧延伸到基座20的另一侧的中央壁的形式。可以在侧壁30之间形成多个中央壁，以促进从基座20到片60的热传递。本领域技术人员也会理解，可以单独利用侧壁30、单独利用中央柱40、或利用侧壁30和中央柱40的组合来获得高效的散热。侧壁30和中央柱40由具有高导热率的材料制成，该材料诸如金属或合金。在一个实施例中，侧壁30和中央柱40由铜或铝制成。
在一个实施例中，蒸汽腔基座20、侧壁30和中央柱40被填充有多孔材料50。该多孔材料50具有允许从发生蒸发的基座20到侧壁30和中央柱40的蒸汽传送的孔隙率，在侧壁30和中央柱40处发生蒸汽的冷凝。由多孔材料产生的毛细作用力还促进冷凝的工作流体返回到基座20。多孔材料50的示例包括但不局限于通过焊接(solder)可以附着到蒸汽腔基座20、侧壁30和/或中央柱40的烧结粉末毛细结构(wick)。
可以从具有高导热率且适于制造成多孔结构的任何材料中选择烧结粉末，所述材料例如碳、钨、铜、铝、镁、镍、金、银、氧化铝、氧化铍等，且烧结粉末可以包括基本球形的、任意的或规则的多边形的颗粒、或具有变化的截面形状的丝状颗粒。在一个实施例中，多孔材料50包括烧结的铜毛细结构。可以等效地使用其他毛细结构材料，诸如碳化硅铝(aluminum-silicon-carbide)或碳化硅铜(copper-silicon-carbide)。
侧壁30和/或中央柱40进一步包括多个层叠片60用于高效的散热。片60以水平布置附接到侧壁30和中央柱40。每个片60具有平面形状的主体，该主体具有顶表面62以及与该顶表面62相对的底表面64。一个片的顶表面62与相邻片的底表面64彼此平行。在两个相邻片60之间的距离(d)可以根据经验确定，以允许气流对片60的高效冷却。在一个实施例中，距离(d)在0.5-5mm的范围内。片60通常由具有高导热率的材料制成，该材料诸如金属或合金。在一个实施例中，片60由铝制成。
热沉10可以用于冷却生热装置，该生热装置可以是电子部件，诸如但不局限于集成电路、存储器模块、微机电系统(MEMS)、传感器、电阻器或电容器。热沉10可以直接定位在电子部件上，或定位在热解决装置(thermal solution)上，该热解决装置包括但不局限于热管、热扩散器、加热器部件以及热传递板。可以补充地定位风扇来加速片60之间的气流以及增加散热的速率。确切的补充定位依赖于应用，且可受到许多因素的影响，这些因素包括但不局限于要移除的热的量、气流的体积和速度等。可以根据经验确定用于流提供者(flow provider)和调流剂(flow modifier)的特定应用的最佳补偿定位。
在操作期间，热沉10的基座20吸收由生热装置生成的热。包含在基座20的内侧中的工作流体吸收该热，并且充分蒸发并移动到侧壁30和/或中央柱40。在侧壁30和中央柱40中蒸发的工作流体被冷却并冷凝。该热通过片60释放。最终，冷凝的工作流体回流到基座20以开始另一循环。以这种方式，工作流体能够吸收/释放各种量的热。由生热电子装置生成的热由此从基座20几乎立即地传递到片60。
示例
示例1：具有独立式中央柱构造的热沉的CFD分析
图3-5B示出了具有独立式中央柱构造的热沉的CFD分析的结果。如图3中所示，热沉装置包括附接到蒸汽腔基座20的6个独立式中央柱40。独立式中央柱40用作热管以将来自基座20的热传递到片60。通过附接到中央柱40的18个铝板片60实现散热。在此实施例中，所述片具有0.5mm的厚度、80×85mm的表面积、以及1.1mm的片到片间隙。图4A-4C示出在中央柱40上的热分布(图4A)、片60上的热分布(图4B)、以及基座板20上的热分布(图4C)。图5A和5B示出由片60生成的气流。
示例2：具有壁状中央柱构造的热沉的CFD分析
图6A-8B示出了具有壁状中央柱构造的热沉的CFD分析的结果。如图6A-6C中所示，热沉装置包括基座蒸汽腔、两个侧壁以及壁状中央柱。侧壁30和中央柱40操作地连接到基座20，并形成连续的蒸汽腔空间。通过附接到中央柱的18个铝板片实现散热。所述片具有0.5mm的厚度、80×85mm的表面积、以及1.1mm的片到片间隙。图7A-7B示出在基座板20上的热分布(图7A)以及片60上的热分布(图7B)。图8A和图8B示出由片60生成的气流。
在相同的热生成和空气流速设置下，具有壁状中央柱构造的热沉能够相较具有独立式中央柱构造的热沉实现11℃的改进，也就是说，具有45℃(图7B)对比56℃(图4C)的源温度。
虽然已经结合目前认为最实际和优选的实施例对本发明进行了说明，要理解本发明不局限于所公开的实施例，而是相反，意图涵盖多种修改和等效布置。本领域普通技术人员将理解，计划实现相同目的的多种可替换和/或等效的实施例或实现方式可以替代所示和说明的实施例。本申请意图覆盖这里讨论的实施例的任何适配或变化。因此，明确打算仅由权利要求及其等效物来限定根据本发明的实施例。

Claims (20)

1.一种热沉，包括：
具有上表面和下表面的第一蒸汽腔部；
从所述第一蒸汽腔部的所述上表面垂直延伸的第二蒸汽腔部；以及
从所述第二蒸汽腔部水平延伸的散热片，
其中，所述下表面与热源进行热接触，以及其中，所述第一和第二蒸汽部连接到彼此，形成连续的蒸汽腔空间。
2.根据权利要求1所述的热沉，其中，所述第二蒸汽腔部采用中央空心的侧壁的形式。
3.根据权利要求1所述的热沉，其中，所述第二蒸汽腔部采用中央空心的中央柱的形式。
4.根据权利要求3所述的热沉，其中，所述中央空心的中央柱采用独立式柱的形式。
5.根据权利要求3所述的热沉，其中，所述中央空心的中央柱采用中央壁的形式。
6.根据权利要求1所述的热沉，其中，所述第一和第二蒸汽腔包括多孔材料。
7.根据权利要求6所述的热沉，其中，所述多孔材料包括烧结粉末毛细结构。
8.根据权利要求7所述的热沉，其中，所述烧结粉末毛细结构包括从由以下材料组成的组中选择的材料：碳、钨、铜、铝、镁、镍、金、银、氧化铝以及氧化铍。
9.根据权利要求8所述的热沉，其中，所述烧结粉末毛细结构是烧结的铜毛细结构。
10.根据权利要求1所述的热沉，其中，所述第一和第二蒸汽腔包括高导热率的材料。
11.根据权利要求10所述的热沉，其中，所述高导热率的材料包括铜或铝。
12.根据权利要求1所述的热沉，其中，所述散热片是平面形状的，且以水平布置附接到所述第二蒸汽腔部。
13.根据权利要求12所述的热沉，其中，所述散热片包括高导热率的材料。
14.根据权利要求13所述的热沉，其中，所述高导热率的材料包括铜或铝。
15.根据权利要求1所述的热沉，其中，所述第一蒸汽腔部包含工作流体。
16.根据权利要求15所述的热沉，其中，所述工作流体是水。
17.一种热沉，包括：
具有顶表面和底表面的中央空心的基座，其中所述底表面与热源进行热接触；
两个中央空心的侧壁，所述侧壁位于所述基座的两个相对侧上，并且从所述基座的顶表面向上延伸；以及
一个或多个中央空心的中央柱，所述中央柱位于这两个侧壁之间，并且从所述基座的顶表面向上延伸，
其中，所述基座、所述侧壁以及所述一个或多个中央柱的空心中央连接到彼此，形成连续的蒸汽腔空间，以及其中，所述侧壁和所述中央柱包括用于散热的片。
18.根据权利要求16所述的热沉，其中，所述片具有平面形状，且在平行于所述中央空心的基座的所述顶表面的方向上延伸。
19.一种热沉，包括：
具有第一表面和第二表面的平面形状的第一蒸汽腔，其中所述第一表面与所述第二表面相对且与热源接触；
在所述第二表面上形成的第二蒸汽腔，所述第二蒸汽腔连接到所述第一蒸汽腔从而形成连续的蒸汽腔空间；以及
从所述第二蒸汽腔延伸的多个平面形状的散热片。
20.根据权利要求19所述的热沉，其中，所述第二蒸汽腔是壁状蒸汽腔。
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