CN108140627B - 各向异性热导管 - Google Patents

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Abstract

一种具有外部圆筒管以及与该外部圆筒管一起布置的各向异性热材料的各向异性热导管。

Description

各向异性热导管
技术领域
本公开总体上涉及热导管，尤其涉及各向异性热导管。
背景技术
如本领域已知的，热导管被用于许多应用。一种应用是在散热器中，散热器有时也被称为传热界面，其用于从热源提取热量并将排出的热量传递至冷源。此外，为了制造稳健、高可靠性的散热器，散热器和热源之间的热膨胀系数(CTE)应当紧密匹配，并且散热器和冷源之间的CTE也应当紧密匹配。例如，在电气应用中，这些额外的界面会使热性能下降并且使电寄生增加，从而增加电损耗、降低效率和/或增加系统设计的成本及复杂性。
由于在许多应用中，高导热金属与低导热材料半导体之间的CTE失配界面太大以致不能可靠地建立直接过渡，因此散热器设计的现有方法已经在低CTE且热导率通常较低的导热材料和诸如铜的高热导性且通常高热膨胀材料之间添加中间散热器过渡部(heatspreader transition)。由于增加了热和电气界面，这种方法增加了设计的复杂性、成本和性能损失。
如本领域已知的，热解石墨(TPG)材料表现出非常各向异性的热导性，使得热导率在基面内可以是～1600W/m-°K(铜的四倍)，而垂直于基面是～10W/m-°K(铜的四十分之一)。具体而言，石墨具有各向异性结构，并因此表现出或者具有许多高度定向的性质，例如，导热性和导电性以及流体扩散。更具体而言，石墨由碳原子的六角形阵列或网络的层平面构成。这些由六角形排布的碳原子构成的层平面是大致平坦的，并且被定向或排列成彼此大致平行且等距。由碳原子构成的大致平坦且平行等距的片或层(通常被称为石墨烯层或基面)被连接或结合在一起，并且其基团呈微晶排列。一片热解石墨可以被描述为具有三个定向轴线；平行于包括基面的沉积表面且彼此垂直的a轴和b轴，以及垂直于a轴和b轴并且垂直于基面的c轴。热解石墨的热学性质受其结构各向异性的强烈影响。热解石墨在c轴方向(沿着石墨的沉积方向；垂直于石墨沉积在其上的表面的平面)上作为优异的热绝缘体起作用；而在包括a轴和b轴的平面上作为相对良好的热导体起作用。
应理解到，术语“热解石墨”(“TPG”)可以与“高定向热解石墨”(“HOPG”)或压应力热处理热解石墨(“CAPG”)互换使用。
本领域还已知TPG材料已被用作如图1所示的平面散热器中的各向异性热导管；基面由虚线表示。
发明内容
根据本公开，提供了一种热导管，其包括：外部圆筒管；以及与外部圆筒管一起布置的各向异性热材料。
在一个实施例中，各向异性热材料是热解石墨(TPG)。
在一个实施例中，各向异性热材料沿着管的纵向轴线的热导率大于各向异性热材料沿着垂直于管的纵向轴线的方向的热导率。
在一个实施例中，各向异性热材料沿着管的纵向轴线的热导率小于各向异性热材料沿着垂直于管的纵向轴线的方向的热导率。
在一个实施例中，各向异性热材料的热导性使得能相对于管的纵向轴线径向向外地传导热量。
在一个实施例中，各向异性热材料具有垂直于管的纵向轴线的基面。
在一个实施例中，各向异性热材料具有平行于管的纵向轴线的基面。
在一个实施例中，各向异性热材料具有相对于管的纵向轴线径向向外地垂直延伸的基面。
在一个实施例中，各向异性热材料沿着管内的周向方向的热导率小于各向异性热材料沿着管的纵向轴线方向的热导率。
在一个实施例中，各向异性热材料被与管嵌在一起。
在一个实施例中，管是导热金属。
在一个实施例中，内管或杆被包括，并且各向异性热材料被布置在内管或杆与外管之间。
在一个实施例中，外管具有圆形横截面。
在一个实施例中，内杆或管具有圆形横截面。
在一个实施例中，外管可以是金属、陶瓷或塑料。
在一个实施例中，外管例如可以是MoCu、WCu、W、Mo、Cu。
在一个实施例中，热导管是可弯曲的。
对于这种热导管，将各向异性热材料嵌入金属管壁内在期望的构型中同时实现高导热性和低导热性。这种热导管提供了从热源到冷源的紧密过渡。低热膨胀材料可以用作外部配合材料，同时各向异性热材料允许在两个方向上的高热传导。这种管状结构允许导向热量的新型封装概念，并且有机会集成液体冷却，同时在外部保持低CTE金属，以消除由于CTE控制而导致的包括微电子封装的冷却系统或子系统内的过渡部。
此外，对于这种各向异性热导管，由于TPG具有2.25g/cm3的密度(其是铜重量的1/4)，因此结合TPG的散热器还可以显著地减小散热器的重量。TPG提供定向的导热性，内管或杆和外管给散热器提供保护和机械强度。内管可以额外地用作流体冷却系统的一部分。
在附图和下面的描述中阐述了本公开的一个或多个实施例的细节。根据说明书和附图以及权利要求，本公开的其它特征、目的和优点将显而易见。
附图说明
图1是根据现有技术的各向异性热材料散热器的透视图；
图2A至图2D是示出了用于制造根据本公开的各向异性热导管的方法在制造该热导管过程中的各个步骤的一系列示意图；图2D示出了根据本公开的完整各向异性热导管的透视图；
图3A至图3F是示出了根据本公开的可选实施例的用于制造应用于图2D的各向异性热导管的各向异性热构件的方法的一系列示意图；
图4A和图4B示出了图2D所示的各向异性热导管的一对示例性应用；图4A示出了热源和冷源之间的导管，这些热导管的纵向轴线垂直于热源和冷源的表面；图4B示出了热源和冷源之间的导管，这些热导管的纵向轴线平行于热源和冷源的表面；
图5A至图5F是示出了根据本公开的用于制造各向异性热导管的方法的一系列示意图；图5B至图5E是导管的端视图；图5F示出了根据本公开的完整各向异性热导管的透视图；
图6A至图6I是示出了根据本公开的另一个可选实施例的用于制造各向异性热导管的方法的一系列示意图；图6D至图6H是端视图；图6I示出了根据本公开的完整各向异性热导管的透视图；以及
图7A至图7D是示出了根据本公开的用于制造各向异性热导管的方法的一系列示意图；图7A至图7C是导管的端视图；图7D示出了根据本公开的完整各向异性热导管的透视图；以及
图8是在用于计算图2D、图5F、图6I以及图7D所示的实施例的热导率的模型中使用的导热导管的端视图。
在各个附图中，相同的附图标记指示相同的元件。
具体实施方式
现在参考图2A至图2D，如图所示，提供了外部圆筒管10，在此例如为MoCu、WCu、W、Mo、Cu。应注意到，如图所示，管10沿着中心纵向轴线(在此为Z轴)延伸；应理解到，管10的长度可以大于、等于或小于其直径。
接着，如图2B所示，管10被沿着Z轴切成两个半部10a及10b，每个半部具有半圆形横截面。
接着，如图2C所示，管10的每个半部10a及10b的内表面11a及11b分别被涂覆有活性金属钎焊合金12a及12b，在此例如使用传统钎焊或真空钎焊工艺中的诸如铟-铜-银的活性金属钎焊合金。诸如钛或钒的活性金属也可用作钎焊填料或者被沉积在待钎焊的表面上。
接着，如图2C所示，各向异性热材料(在此为TPG构件14a及14b)被分别设置在活性金属钎焊合金12a及12b上。应注意到，在一种构型中，基面(由虚线15表示)平行于纵向轴线Z。
具体而言，图3A至图3F示出了用于形成TPG构件14a及14b的步骤。因此，参考图3A，利用例如任何传统沉积工艺形成一块热各向异性材料17(在此例如为TPG)，应理解到，可以使用其它热各向异性材料。包括TPG块体17的a轴和b轴的基面15垂直于沉积方向(沿着TPG块体17的c轴)形成；沉积方向由图3A中的箭头表示。如上所述，基面由虚线15表示。
接着，如图3B所示，块体17被沿着包括TPG材料17的a轴和c轴的切割平面CP切割，由此将块体17分成两个部分19a及19b；部分19a及19b的其中一个示例性部分(在此为部分19a)被在图3C中示出并且被定位成使基面15如图所示地定向。接着，如图3C和图3D所示，部分19a被沿着弯曲的切割表面CS1切成TPG部件21，以形成图3D所示的TPG构件21，该TPG构件21具有被成形为配合在具有涂覆在管10上的活性金属钎焊合金的部分10a及10b的其中相应一个的内表面13a及13b(图2B)内的横截面。因此，在此与管10(图2A)相比，TPG构件14a及14b(图2C)在c轴,b轴平面上具有圆形横截面，并且TPG构件21如图3C和图3D所示地沿着a轴延伸。因此，如图3C和图3D所示，TPG材料的a轴和b轴(基面15)位于空间X-Y平面上。应理解到，虽然管10的内表面11a及11b(图2B)在此被示出为具有圆形横截面，但是管10也可以具有椭圆形横截面、方形横截面、矩形横截面或任何规则或不规则的多边形横截面，或者可以具有沿着任何优选连续闭合环路的横截面，在这种情况下，构件21被沿着该闭合环路切割。
接着，如图3F所示，构件21的内部区域被沿着弯曲表面CS2切割，以形成具有半圆孔25的TPG构件14b(图2C)，该半圆孔25沿着平行于a轴的方向穿过构件21的中心。应理解到，如针对TPG部分14a描述的那样对TPG的第二部分19b(图3B)进行加工，以形成一对成形TPG构件14a及14b(图2C)。
接着，再次参考图2C，如图2C所示，活性金属钎焊合金16a及16b分别被如图所示地施加至成形TPG构件14a及14b中的每一个的暴露表面上，以提供如图2C所示的上部结构29a和下部结构29b。
如图2C所示，上部结构29a的底部表面30a和/或下部结构29b的上部表面30b(在此例如仅上部结构29a的底部表面30a)涂覆有诸如铟-铜-银的活性金属钎焊合金32。
接着，如图2C所示，内杆或管20(在此为杆)沿着纵向轴线Z定位在TPG构件14a及14b的一对半圆孔25内；纵向轴线Z平行于图3F所示的a轴。内管或杆20可以是实心或中空的，可以是金属或陶瓷的，例如可以是BeO的，或者其可以是热量需要被移除的惰性玻璃陶瓷。应注意到，尽管内管或杆20在此被示出为具有与管10相同的圆形横截面，但是内管或杆20的横截面也可以不同于管10的横截面，并且可具有椭圆形横截面、方形横截面、矩形横截面或任何规则或不规则多边形横截面、或者沿着任何优选连续闭合环路的横截面。
接着，上部结构29a和下部结构29b被钎焊在一起，使内杆或管20在上部结构29a和下部结构29b之间居中地定位在焊接结构内，以形成如图2D所示的完整各向异性热导管24。应注意到，活性金属钎焊合金可以在每次应用钎焊之后依序施加，或者可以被组合成更少的钎焊步骤。例如，可以对外管10的每个半部10a及10b进行钎焊，并随后进行又一次钎焊以附接内管或杆20并组合半部10a及10b，或者可以在一次钎焊操作中完成全部钎焊。
现在参考图4A和图4B，示出了各向异性热导管24的许多应用中的一对示例性应用。在此，各向异性热导管24的阵列被用作散热器，以将热量从热源33传递至冷源34。图4A示出了热源33和冷源34之间的导管24，其中这些导管24的纵向轴线垂直于热源33和冷源34的表面，图4B示出了热源33和冷源34之间的导管24，其中这些导管24的纵向轴线平行于热源33和冷源34的表面。应理解到，导管可以相对于热源和冷源以与图4A和图4B所示的构型不同的构型定向。
现在参考图5A至图5F，示出了形成各向异性热导管(在此为各向异性热导管24')的另一个实施例。在此，如图5A所示，提供了TPG材料的薄的柔性片材40，该柔性片材40在此具有例如0.015英寸的厚度。上表面42a和下表面42b分别位于仍由虚线15表示的基面(a轴,b轴平面)上。如图5B所示，一层活性金属钎焊合金43a被沉积在内管或杆20的外壁上。如图5B所示，TPG材料的薄的柔性片材40绕着该层活性金属钎焊合金43a缠绕。如图5C所示，第二层活性金属钎焊合金43b被沉积在TPG层40的外壁上。重复该工艺使第二层TPG材料的薄的柔性片材40(在此被表示围40a)绕着第二活性金属钎焊合金43b缠绕。重复该工艺，直到形成具有预定厚度的TPG材料的结构45。如图5D所示，诸如上文结合图2C描述的活性金属钎焊合金12a及12b被设置在圆筒管10(图2A)的两个半部10a及10b中的每一个(在此为半部10a)上。接着，如图5D所示，具有预定厚度的TPG材料的结构45被设置在金属钎焊合金12a上。接着，诸如上文结合图2C描述的活性金属钎焊合金32被设置在圆筒管10(图2A)的两个半部10a及10b的其中一个(在此为半部10a)上，并且另一个半部10b被设置在具有预定厚度的TPG材料的结构45上，以形成图5E和图5F所示的组件。接着，如上文结合图2C和图2D描述的那样，通过钎焊对该组件进行加工处理，以形成如图5E和图5F所示的热各向异性导管24'。应注意到，各向异性热导管24'具有由虚线15表示的同心基面，这些同心基面周向地绕着导管24'的纵向Z轴或TPG的a轴成同心圆布置。
现在参考图6A至图6I，示出了用于制造各向异性热导管24”的另一个实施例。因此，参考图6A，提供了一块TPG材料17。接着，沿着空间Z轴加工出孔60以形成如图6B所示的结构62，该Z轴对应于TPG材料的c轴(垂直于块体17的上表面和下表面，即垂直于由虚线15表示的基面(基面在对应于由TPG材料的a轴和b轴组成的平面的空间X-Y平面上))。接着，如图6C和图6D所示,对图6B所示的结构62的外表面进行加工，以形成倒圆环形(rounded,donut shaped)结构64。接着，如图6E所示，结构64被切成两半，以形成上部部分64a和下部部分64b。活性钎焊材料16被施加至内管或杆20，随后被设置在形成于上部部分和下部部分之间的孔60中，以提供结构66(图6F)。如图6G所示，诸如上文结合图2C描述的活性金属钎焊合金12b被设置在圆筒管10(图2A)的两个半部10a及10b的其中一个(在此为半部10b)上。接着，如图6G所示，具有内管或杆20和环形TPG的结构66被设置在活性钎焊合金12b上。接着，诸如上文结合图2C描述的活性金属钎焊合金12a被设置在圆筒管10(图2A)的两个半部10a及10b的另一个(在此为半部10a)上。另一个半部10a被设置在具有涂覆有活性金属钎焊合金的环形TPG的结构66上，以形成图6H和图6I所示的组件。接着，如上文结合图2C和图2D描述的那样，通过钎焊对图6H所示的组件进行加工处理，以形成热各向异性导管24”。应注意到，各向异性热导管66具有垂直于导管24”的纵向Z轴的基面。
现在参考图7A至图7D，多个各向异性导热片材40(在此例如为如上文结合图5A描述的TPG材料)被沿边缘(edgewise)布置成如图所示的规则间隔的截头半圆形排布，并且用活性金属钎焊合金12a焊接在一起，以提供结构70a。因此，如图所示，多个片材40的基面15相对于空间Z轴径向向外地延伸。示出了片材40中的一个示例性片材的a轴、b轴和c轴；其中a轴进入到纸面中。如图所示，片材40的内边缘73形成半圆形区域72a。
现在参考图7B，形成与结构70a相同的第二结构70b；以相同的方式形成半圆形区域72b。如图所示，内管或杆20被与由半圆形区域72a及72b形成的孔对准，并且如图所示利用活性金属钎焊合金32以一定方式将被对准的内管或杆20以及结构70a及70b焊接在一起并将结构70a及70b焊接至内管或杆20，以形成如图7D所示的结构74。
现在参考图7C，被形成的结构74被以结合图5D和图5E描述的方式分别焊接至管部分10a及10b的内壁11a及11b(图2B)，以形成如图7D所示的各向异性热导管24”'。在此，各向异性热材料的热导性使得能相对于管的纵向轴线径向向外地传导热量。
计算了四种热各向异性管道24、24'，24”和24”'的热导率，并且结果被提供在下面的表格中，其中热导率以瓦特每米每开氏度(W/m-°K)计量。应理解到，X轴、Y轴和Z轴是互相垂直的轴线，并且以管10为基准，Z轴被与管的纵向轴线Z对齐；而a轴、b轴和c轴以上文结合图3A描述的各向异性材料17为基准。图8示出了用于热导率计算的模型，该模型例示了四种构型(即，管24、管24'、管24”和管24”')。假设内管或杆20在此为管20'，并且：管20'和外管10由铜制成；如图所示，管20'的内径为5mm；外管10的外径为10mm；如图8中的图解所示，内管20'和外管10各自的厚度为0.5mm，并且在整个完整的管(24、24'、24”或24”')中使用的TPG层17的径向厚度为1.5mm。内管20'和外管10的铜的热导率为400W/m-°K。TPG在基面上的热导率为1500W/m-°K，垂直于基面的热导率为10W/m-°K。计算的热导率值忽略了薄的活性金属钎焊合金层。
表格
Figure BDA0001620980790000091
通过形成热各向异性管状导管(anisotropic thermal tubular conduit)24(图2D)，由于有机会减少从热源到冷源(图4)的过渡部的数量，因此可以提高性能。由于TPG的各向异性性质，能够以上文示例所示的多种方式控制热流。如在导管24”和24”'中那样，热量可以沿垂直于纵向轴线(Z轴)的平面径向地定向，或者如在导管24和24'中那样，主要沿着与Z轴平行的平面定向，以提供设计灵活性并且有机会获得额外的系统优势。
现在应认识到，根据本公开的各向异性热导管包括外部圆筒管以及与外部圆筒管一起布置的各向异性热材料。各向异性热导管可以独立地包括以下特征中的一个或多个，或者与另一个特征组合，这些特征包括：各向异性热材料沿着管的纵向轴线的热导率大于各向异性热材料沿着垂直于管的纵向轴线的方向的热导率；各向异性热材料沿着管的纵向轴线的热导率小于各向异性热材料沿着垂直于管的纵向轴线的方向的热导率；各向异性热材料沿着管内的周向方向的热导率小于各向异性热材料沿着管的纵向轴线方向的热导率；各向异性热材料被与管嵌在一起；外部圆筒管是导热金属；包括内管或杆，其中各向异性热材料被布置在内管或杆与外管之间；外管具有圆形横截面；内杆或管具有圆形横截面；外管可以是金属、陶瓷或塑料；外管是MoCu、WCu、W、Mo、Cu；内管或杆是金属、陶瓷、玻璃或塑料；各向异性热材料的热导性使得能相对于管的纵向轴线径向向外地传导热量；各向异性热材料具有垂直于管的纵向轴线的基面；各向异性热材料具有平行于管的纵向轴线的基面；或者，各向异性热材料具有相对于管的纵向轴线径向向外地垂直延伸的基面。
已经描述了本公开的多个实施例。然而，应理解到，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以进行各种修改。例如，在杆20为中空管的情况下，可以使冷却剂通过这种中空管。此外，虽然管10和杆20在此具有共同的中心轴线(在此被指定为Z轴线)，但是杆20的中心轴线可以相对于管20的中心轴线侧向偏移。此外，用于形成导管的各种实施例的材料可以是柔性的，以提供可弯曲的导管。并且，管10可以具有弯曲的纵向轴线Z。此外，应注意到，诸如钛或钒的活性金属可以作为活性钎焊填料混入或沉积在待钎焊的表面上。也可以使用可选的焊接材料。因此，其它实施例也在以下权利要求的范围内。

Claims (21)

1.一种各向异性热导管，包括：
圆筒形的外管；
被布置在所述外管内且被热耦合到所述外管的各向异性热材料；以及
内杆；
其中，所述各向异性热材料被布置在所述内杆与所述外管之间；
其中，所述各向异性热材料沿着所述外管的纵向轴线的热导率大于所述各向异性热材料沿着垂直于所述外管的所述纵向轴线的方向的热导率。
2.根据权利要求1所述的各向异性热导管，其特征在于，所述各向异性热材料沿着所述外管内的周向方向的热导率小于所述各向异性热材料沿着所述外管的所述纵向轴线方向的热导率。
3.根据权利要求1所述的各向异性热导管，其特征在于，所述各向异性热材料被与所述外管嵌在一起。
4.根据权利要求1所述的各向异性热导管，其特征在于，所述外管具有圆形横截面。
5.根据权利要求1所述的各向异性热导管，其特征在于，所述内杆具有圆形横截面。
6.根据权利要求1所述的各向异性热导管，其特征在于，所述外管是金属。
7.根据权利要求1所述的各向异性热导管，其特征在于，所述外管是MoCu、WCu、W、Mo或Cu。
8.根据权利要求1所述的各向异性热导管，其特征在于，所述内杆是金属、陶瓷、玻璃或塑料。
9.根据权利要求1所述的各向异性热导管，其特征在于，所述各向异性热材料的热导性使得能相对于所述外管的所述纵向轴线径向向外地传导热量。
10.根据权利要求1所述的各向异性热导管，其特征在于，所述各向异性热材料具有平行于所述外管的所述纵向轴线的基面。
11.根据权利要求1所述的各向异性热导管，其特征在于，所述各向异性热材料具有相对于所述外管的所述纵向轴线径向向外地垂直延伸的基面。
12.一种各向异性热导管，包括：
圆筒形的外管；
被布置在所述外管内且被热耦合到所述外管的各向异性热材料；以及
内杆；
其中，所述各向异性热材料被布置在所述内杆与所述外管之间；
其中，所述各向异性热材料沿着所述外管内的周向方向的热导率小于所述各向异性热材料沿着所述外管的纵向轴线方向的热导率。
13.根据权利要求12所述的各向异性热导管，其特征在于，所述各向异性热材料被与所述外管嵌在一起。
14.根据权利要求12所述的各向异性热导管，其特征在于，所述外管具有圆形横截面。
15.根据权利要求12所述的各向异性热导管，其特征在于，所述内杆具有圆形横截面。
16.根据权利要求12所述的各向异性热导管，其特征在于，所述外管是金属。
17.根据权利要求12所述的各向异性热导管，其特征在于，所述外管是MoCu、WCu、W、Mo或Cu。
18.根据权利要求12所述的各向异性热导管，其特征在于，所述内杆是金属、陶瓷、玻璃或塑料。
19.根据权利要求12所述的各向异性热导管，其特征在于，所述各向异性热材料的热导性使得能相对于所述外管的所述纵向轴线径向向外地传导热量。
20.根据权利要求12所述的各向异性热导管，其特征在于，所述各向异性热材料具有平行于所述外管的所述纵向轴线的基面。
21.根据权利要求12所述的各向异性热导管，其特征在于，所述各向异性热材料具有相对于所述外管的所述纵向轴线径向向外地垂直延伸的基面。
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