CN108700282B - 用于便携式应用的高性能两相冷却设备 - Google Patents

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Abstract

本申请公开两相冷却装置，其可包括至少三个基底：具有芯吸结构的金属、中间基底和背板。流体可被容纳在芯吸结构和蒸汽腔内，用于将热能从热接地平面的一个区域传输到热接地平面的另一个区域，其中流体可由芯吸结构内的毛细力驱动。钛热接地平面可适于在移动装置中使用，比如便携式装置或智能电话，其中钛热接地平面可提供引人注目的性能优点。

Description

用于便携式应用的高性能两相冷却设备
相关申请的交叉引用
本非临时专利申请要求于2016年5月23日提交的美国临时专利申请序列号62/340308的优先权，并且其全部内容通过引用的方式被并入以用于所有目的。
关于联邦政府资助的研究的声明
不适用。
关于微缩胶片附录的声明
不适用。
技术领域
本发明涉及半导体装置的冷却，且更具体地，涉及用以冷却半导体及其它装置的冷却系统。
背景技术
采用各种半导体装置和集成电路的电子设备通常受到各种环境应力。这类电子设备的应用极其广泛，并且利用了不同的半导体材料。
许多电子环境，比如移动装置或膝上型计算机，具有薄的/平面的构造，其中许多部件被有效包装在非常有限的空间中。因此，冷却解决方案还必须适应于薄的/平面的构造。对于许多电子冷却应用，采用薄的热接地平面（TGPs）形式的散热器会是期望的。
发明内容
本申请公开了两相冷却装置。两相冷却装置是可以以非常高的效率传递热的一类装置，并且可包括：热管、热接地平面、蒸汽室和热虹吸管等。
在一些实施例中，本申请提供了包括至少三个基底的两相冷却装置。在一些实施例中，基底中的一个或更多个由微制造的金属形成，比如但不限于钛、铝、铜、或不锈钢。在一些实施例中，基底可形成为适合于在电子装置中使用的热接地平面结构。在一些实施例中，两相装置可包含预定量的至少一种适合的工作流体，其中工作流体通过在液体与蒸汽之间改变相来吸收或排出热。
在一些实施例中，本申请可提供两相冷却装置，其包括：金属，比如但不限于钛、铝、铜或不锈钢；基底，其包含多个蚀刻的微结构，形成芯吸结构（wicking structure），其中微结构中的一个或更多个具有在约1-1000微米之间的高度、在约1-1000微米之间的宽度、和在约1-1000微米之间的间距。在一些实施例中，蒸汽腔可以与多个金属微结构连通。在一些实施例中，至少一个中间基底可以与芯吸结构和蒸汽区域连通。在一些实施例中，流体可容纳在芯吸结构和蒸汽腔内，用于将热能从热接地平面的一个区域传输到热接地平面的另一个区域，其中流体可由芯吸结构内的毛细力驱动。
在一些实施例中，冷却装置可被构造用于芯吸结构中的高的毛细力，以支撑液相与汽相之间的大的压力差，同时最小化在芯吸结构中流动的液体的粘性损失。在一些实施例中，冷却装置可以是热接地平面，其可被做得非常薄，并且可能能够传递比早期TGP’s能够实现的更多的热能。在一些实施例中，不同的结构部件可定位在蒸发器区域、绝热区域和冷凝器区域中。在一些实施例中，蒸发器区域可容纳中间基底，该中间基底包含当与芯吸结构配合时形成高高宽比结构的多个微结构。在一些实施例中，中间基底特征与芯吸结构特征交织以增加芯吸结构的有效高宽比。在一些实施例中，绝热区域可容纳紧邻芯吸结构定位以将蒸汽室中蒸汽从芯吸结构中液体分离的中间基底。在一些实施例中，冷凝器区域可容纳具有大的开口（与微结构相比）的中间基底，使得芯吸结构与蒸汽室直接连通。在一些实施例中，冷凝器区域可能没有容纳中间基底，使得芯吸结构与蒸汽室直接连通。
便携式装置在尺寸、功率消耗和电池寿命上具有严格的要求。这些性能属性通常是相互关联的，从而更小、更轻的封装件可能会变得更热，这可能会使电池性能劣化。因此，钛热接地平面可适于在便携式装置中使用，其中其改进的热性能、小的尺寸和机械强度相比于其它热管技术来说是显著的优点。
附图说明
参考下列附图描述不同的示例性细节，其中：
图1是早期钛基热接地平面的示例性实施例，包含具有芯吸结构的钛基底、背板（backplane）、和蒸汽室；
图2是带有芯吸结构的早期钛基底的示例性实施例：（A）芯吸结构包含柱（pillar）；（B）芯吸结构包含通道或槽；
图3是具有与芯吸结构和蒸汽室连通的中间基底的金属基热接地平面的示例性实施例。中间层可包含微结构。（A）示出绘出实施例的部件的剖面图，（B）示出实施例的结构部件的分解图；
图4绘出根据示例性实施例的结构部件，其中不同的结构部件被定位在蒸发器区域、绝热区域和冷凝器区域中：（A）示出实施例的蒸发器区域，其中中间基底包含与芯吸结构交织的多个微结构，（B）示出实施例的绝热区域，其中中间基底紧邻芯吸部定位，（C）示出实施例的冷凝器区域，其中芯吸结构与蒸汽室直接连通，以及（D）示出中间基底的实施例的细节；
图5是实施例的结构部件的剖面图的示例性实施例，其中结构是没有被液体润湿的（即，干的）和被液体润湿的：（A）在蒸发器区域中的没有被润湿的结构部件，示出了液体在哪里聚集，（B）在绝热区域中的没有被润湿的结构部件，（C）在绝热区域中的被润湿的结构部件，（D）在冷凝器区域中的没有被润湿的结构部件，示出了液体在哪里聚集；
图6示出热接地平面的示例性实施例的随轴向位置变化的压力分布。曲线示出了蒸汽室中汽相的压力和芯吸结构中液相的压力。在这种情况下，液相与汽相之间的最大压力差发生在蒸发器区域中。汽相与液相之间的最小压力差发生在冷凝器区域中；
图7是根据一个或更多个实施例的目前的Ti基TGP（金属基热接地平面）的一个或更多个实施例的形成的流程图的示例性实施例；
图8是目前的Ti基TGP的一个或更多个实施例的形成的流程图的示例性实施例；
图9示出与中间基底连通的芯吸结构的示例性实施例。有效高宽比定义为有效通道高度h与有效通道宽度w的比：（A）示出中间基底中的微结构与芯吸结构交织的示例性实施例，（B）示出中间基底中的微结构定位在芯吸结构之上的替代实施例；
图10是用于便携式装置的TiTGP的简化横截面图；
图11是在其上安装有常规热管的便携式装置的简化横截面图；
图12是在其中安装有钛基热接地平面的便携式装置的简化横截面图；
图13是在其中安装有钛基热接地平面和集成电路芯片的便携式装置的简化横截面图；
图14是适于在便携式装置中使用的热接地平面的第一实施例的简化横截面图；
图15是适于在便携式装置中使用的热接地平面的第二实施例的简化横截面图；
图16是适于在便携式装置中使用的热接地平面的具有多个热接地平面的第一实施例的简化横截面图；
图17是适于在便携式装置中使用的热接地平面的具有多个热接地平面的第二实施例的简化横截面图；和
图18是适于在便携式装置中使用的热接地平面的具有多个热接地平面的第三实施例的简化横截面图。
应理解的是，附图不必要地按照比例绘制，并且相似的附图标记可以指的是相似的特征。
具体实施方式
该描述的第一部分涉及新颖的钛热接地平面的细节。后面的部分描述了其对于便携式装置的应用。
在优选实施例的以下描述中，对形成本文一部分的附图作出参考，并且附图中以图示的方式示出了实践本发明的特定实施例。将理解的是，在不偏离本发明的范围的情况下，可利用其它实施例并可作出结构变化。以下附图标记用于指示以下特征：
21 钛基底
22 芯吸结构
24 柱
28 槽
120 背板
110 中间基底
10、210 芯吸结构
205 金属基底
140 液体
212 金属基底
122 支撑柱
130 弯月面（meniscus）
250 热源
260 热沉
122 支撑柱
112 微结构
300 蒸汽室
170、270 激光焊接
400、480、1000 便携式装置
410 前表面
420 中间框架
430 背表面
440 热管
450、452 芯片
460 便携式装置盖框架
510 芯吸结构511、512
220、120、520 Ti背板
525 Ti中间框架
530、531、532 蒸汽腔
555 共同的构件
500、600、700、800、900 TiTGPs。
在一些实施例中，本文公开的热接地平面可用来提供有效的空间利用，用于冷却大范围的应用中的半导体装置，包括但不限于飞行器、卫星、膝上型计算机、台式计算机、移动装置、汽车、机动车辆、暖通空调与通风系统、和数据中心。
微制造的基底可用来制作可采用热接地平面（TGPs）形式的更加坚固、抗冲击的两相冷却装置。尽管对于这些基底可采用多种材料，如在并入的参考文献中描述的，已发现，金属，比如但不限于钛、铝、铜、或不锈钢的基底适用于TGPs。
金属的选择可取决于各种应用和成本的考量。各种金属都有优点。比如，铜在所有金属中提供最高的导热性。铝对于这样的应用是有利的，即其中高导热性是重要的并且重量可能会是重要的。不锈钢在某些恶劣环境中会具有优势。
钛具有许多优点。例如，钛具有高的断裂韧度、能够被微制造和微加工、能够抵抗高温、能够抵抗恶劣环境、能够是生物相容的。此外，钛基热接地平面能够被做成轻重量、相对薄，并且具有高的热传递性能。钛能够被脉冲激光焊接。由于钛具有高的断裂韧度，因此它可被形成为抗开裂且抗缺陷传播的薄的基底。钛具有约8.6×10-6/K的相对低的热膨胀系数。低的热膨胀系数与薄的基底结合可帮助大幅降低由热失配引起的应力。钛可氧化形成纳米结构二氧化钛（NST），其形成稳定且超亲水性的表面。在一些实施例中，已发现，具有整体形成的纳米结构二氧化钛（NST）的钛（Ti）基底适用于TGP’s。
金属，比如但不限于钛、铝、铜、或不锈钢，能够以从约1-1000微米范围内变化的受控的特征尺寸（深度、宽度、和间距）被微制造，以设计最优性能的和定制用于特定应用的芯吸结构和中间基底。在一些实施例中，受控的特征尺寸（深度、宽度、和间距）可在从10-500微米的范围内变化，以设计最佳性能的和定制用于特定应用的芯吸结构。
在一些实施例中，钛可氧化形成纳米结构二氧化钛（NST），其可提供超亲水性表面并从而增加毛细力，并且增强热传递。在一些实施例中，NST可由具有200纳米（nm）的名义粗糙度的毛发状样式组成。在一些实施例中，NST可具有1-1000nm的名义粗糙度。
在一些实施例中，铝可氧化形成亲水性的纳米结构，以提供超亲水性涂层。在一些实施例中，烧结的纳米颗粒和/或微米颗粒可用于提供超亲水性表面并从而增加毛细力，并且增强热传递。
在一些实施例中，钛可涂覆在另一种类型的基底上形成钛膜。钛膜可氧化形成纳米结构二氧化钛（NST），并从而提供超亲水性表面。
钛是可利用洁净室加工技术微制造、在机械车间中宏观加工（macro-machine）、并且利用脉冲激光微焊接技术密封包装的材料。当热接地平面仅由钛或二氧化钛作为结构材料组成时，各种部件可被激光焊接在合适的位置，而不引入污染物，该污染物可能会产生不可凝气体，带来差的性能，并可能导致失效。此外，钛和二氧化钛已经表现出与水相容，这能够有助于长的寿命和最小化的不可凝气体的生成。因此，钛基底可通过激光焊接连接到钛背板120，以形成密闭密封的蒸汽腔。
金属可被结合，以形成密闭密封。在一些实施例中，钛基底可被脉冲激光微焊接在一起，以形成密闭密封。在其它实施例中，铜、铝、和不锈钢的基底可利用多种技术焊接，比如但不限于软钎焊（soldering）、硬钎焊（brazing）、真空硬钎焊、TIG、MIG、和许多其它熟知的焊接技术。
本申请描述了金属基热接地平面（TGP）的制造。在不失一般性的情况下，本申请公开了可由三个或更多个金属基底组成的热接地平面实施例。
实施例可包含三个基底（其中的一个或更多个可利用金属构造，比如但不限于钛、铝、铜、或不锈钢）以形成热接地平面。在一些实施例中，钛基底可用于形成热接地平面。在一些实施例中，一个基底支撑整体形成的超亲水性的芯吸结构210，第二基底由深度蚀刻（或宏观加工）的蒸汽腔构成，第三中间基底110可由微结构112构成且与芯吸结构210和蒸汽室300连通。基底可被激光微焊接在一起，以形成热接地平面。
工作流体可基于期望的性能特征、操作温度、材料相容性、或其它期望特征选择。在一些实施例中，在不失一般性的情况下，可使用水作为工作流体。在一些实施例中，在不失一般性的情况下，可使用氦、氮、氨、高温有机物、水银、丙酮、甲醇、Flutec PP2、乙醇、庚烷、Flutec PP9、戊烷、铯、钾、钠、锂、或其它材料作为工作流体。
目前的TGP可提供相比于早期钛基热接地平面的显著改进。例如，本发明可提供显著更高的热传递、更薄的热接地平面、更不易受重力影响的热接地平面、和许多其它优势。
以下共同未决和共同受让的美国专利申请涉及当前申请，并且其全部内容通过引用的方式被并入：于2010年5月18日公布的由Samah等人所作的题为“NANOSTRUCTUREDTITANIA”的美国专利号7,718,552 B2，该申请通过引用的方式被并入本文中；于2008年7月21日提交的由Noel C. MacDonald等人所作的题为“TITANIUM-BASED THERMAL GROUNDPLANE”的美国专利申请序列号61/082,437，该申请通过引用的方式被并入本文中；于2012年11月26日提交的由Payam Bozorgi等人所作的题为“TITANIUM-BASED THERMAL GROUNDPLANE”的美国专利申请序列号13/685,579，该申请通过引用的方式被并入本文中；于2012年1月31日提交的由Payam Bozorgi和Noel C. MacDonald所作的题为“USING MILLISECONDPULSED LASER WELDING IN MEMS PACKAGING”的PCT申请号PCT/US2012/023303，该申请通过引用的方式被并入本文中；于2014年6月26日提交的由Payam Bozorgi和Carl Meinhart所作的题为“TWO-PHASE COOLING DEVICES WITH LOW-PROFILE CHARGING PORTS”的美国专利临时申请序列号62017455，该申请通过引用的方式被并入本文中。
图1图示了热接地平面，在一些实施例中其可以是钛基热接地平面，包含在并入的参考文献中描述的具有芯吸结构的钛基底、背板、和蒸汽室。装置可被脉冲微焊接以形成密闭密封。热接地平面可充入有工作流体，比如处在热力学饱和状态的水，其中液相主要存在于芯吸结构中，汽相主要存在于蒸汽室中。
如在并入的参考文献中描述的，芯吸结构可由多个柱、通道、槽、沟、或其它几何结构形成。例如，图2（A）图示了早期的TGP，其中钛芯吸结构22由柱24组成。图2（B）图示了早期的TGP，其中钛芯吸结构22'由基底21上的通道或槽28组成。
图3图示了具有与芯吸结构210和蒸汽室300连通的中间基底110的新颖的金属基热接地平面的实施例。中间层可包含微结构112。图3（A）示出剖面图，绘出了实施例的部件，而图3（B）示出了实施例的结构部件的分解图。金属基底212可结合到金属背板120以形成密闭密封的蒸汽腔300。因此，蒸汽腔300可由金属基底212和金属背板120围成。例如，在实施例中，钛基底可被激光脉冲微焊接到钛背板120以形成密闭密封的蒸汽腔。
在一些实施例中，可使用多个中间基底110，其中对于热接地平面的每个不同区域可使用至少一个不同的中间基底110。多个中间基底110可彼此紧邻定位以共同对热接地平面的功能提供综合益处。
在一些实施例中，中间基底110可含有由具有从1-1000微米范围内变化的特征尺寸（深度、宽度、和间距）的多个微结构112组成的区域。在一些实施例中，中间基底110可含有由具有从10-500微米范围内变化的尺寸（深度、宽度、和间距）的多个微结构112组成的区域。
至少一个中间基底110可含有由多个微结构112组成的区域、由固体基底组成的区域、和由至少一个中间基底110中的至少一个开口（其相比微结构112大，并且例如开口可在1毫米-100毫米、或1毫米-1000毫米的尺寸范围内变化）组成的区域。
在一些实施例中，对于热接地平面的所选区域的中间基底110中的开口可通过简单地不在这些区域中提供中间基底110来实现。热能可由热源250提供并由热沉（heatsink）260移除。热能可从金属基底212的一个区域（蒸发器区域）传递至金属基底212的另一个区域（冷凝器区域）。在蒸发器区域中，局部温度高于液/汽混合物的饱和温度，导致液体140蒸发成蒸汽，从而吸收由于汽化的潜热产生的热能。
存在于蒸汽室300中的蒸汽可从蒸发器区域通过绝热区域流至冷凝器区域。热沉260可从冷凝器区域吸收热，导致局部温度低于液/汽混合物的饱和温度，导致蒸汽冷凝成液相，并因此释放由于汽化的潜热产生的热能。
冷凝液体140可主要存在于芯吸结构210中，并可因为毛细力而从冷凝器区域通过绝热区域流至蒸发器区域。
因此，对于高性能热管以下会是有利的：（1）对于流动通过芯吸结构210的液体140表现出最小的粘性损失；以及（2）在蒸发器区域中表现出最大的毛细力。在许多实际的热接地平面实施例中，最小粘性损失和最大毛细力难以同时实现。与在内部大部分上具有或多或少相同结构的早期TGP’s相比，引入在三个区域的每个中合适地构造的具有多个微结构112的中间基底110可提供一装置，其中热接地平面可在一些区域中具有减小的粘性损失，同时在其它区域中表现出增大的毛细力。
在一些实施例中，支撑柱（支架（standoff））122用于机械支撑背板120与芯吸结构210和/或中间基底110之间的间距。在一些实施例中，支撑柱（支架）为蒸汽室300提供受控的间距。支撑柱（支架）可利用（如以上描述的）化学湿法蚀刻技术或其它制造技术微制造。因此，背板120可包括与中间基底和/或金属基底连通的支架，用于结构地支撑热接地平面。
图4绘出了实施例的结构部件，其中不同的结构部件定位在蒸发器区域、绝热区域和冷凝器区域中：（A）示出实施例的蒸发器区域，其中中间基底110包括定位成增加芯吸结构210的有效高宽比的多个微结构112。来自中间基底110的指状物（微结构112）与芯吸结构210中的通道交织，从而产生与不具有中间基底110的芯吸结构210的较低高宽比的特征相比的双倍数目的较高高宽比的特征。图4（B）示出实施例的绝热区域，其中中间基底110紧邻芯吸结构210定位，以及（C）示出实施例的冷凝器区域，其中芯吸结构210与蒸汽室300直接连通。（D）示出整个中间基底110。
因此，热接地平面可具有蒸发器区域、绝热区域、和冷凝器区域。中间基底继而可在不同区域中，尤其相对于绝热区域在蒸发器区域中具有不同的形貌。
图4（A）绘出如下实施例，其中中间基底110包含与金属基底212的芯吸结构210交织的多个微结构112。通过使中间区域的微结构112与金属基底212的芯吸结构210交织，可大幅增加固体与液体之间的界面。这可增加施加于液体的毛细力，并可增加从金属固体传递至液体的热量。
图4（B）示出实施例的绝热区域，其中中间基底110紧邻芯吸结构210定位。固体中间基底110可用于将蒸汽室300从芯吸结构210隔离。与芯吸结构210中的液体会直接暴露于蒸汽室300中的蒸汽、在液/汽界面处存在弯月面的早期TGP’s相比，通过将蒸汽室300从芯吸结构210隔离，可增加固-液界面面积，并且液体可基本上填充芯吸结构210，而无弯月面占据通道，并且这可在较小的粘性压降的情况下为液体提供较高的质量流率。
图4（C）示出实施例的冷凝器区域，其中芯吸结构210与蒸汽室300直接连通。当芯吸结构210与蒸汽室300直接连通时，蒸汽会更加容易冷凝到芯吸结构210上。另外，在比如冷凝器的区域中，在液相与汽相之间压力上可能没有显著差异，中间基底110可能不能提供显著的好处。
然而，在其它实施例中，如果冷凝器区域相对大并且在液相与汽相之间存在显著的压力差，那么中间基底110也可在冷凝器区域中提供好处。
图4（D）示出如上所述的中间基底110的实施方式的示例性实施例。中间基底110的蒸发器区域包括跨越每个端部支撑的楔形指状物的排，使得当组装TGP时，如图4（A）所示，指状物与基底芯吸微结构112交织，其中交织的结构暴露于蒸汽室300中。中间基底110的绝热区域是叠覆部分芯吸微结构112的盖，如图4（B）中所示。在一些实施例中，如图4（C）中所示，冷凝器区域可能不要求中间基底110部件。
高宽比通常定义为结构的一个主要尺寸对结构的另一个主要尺寸的比。对于热管应用中使用的柱、通道、沟、槽或其它特征，有效高宽比可指的是由流体，比如流动通过芯吸结构210的液体140，占据的区域的高度与宽度之间的比。在一些实施例中，中间基底110可包括如下的一个部段（如图4（A）中通过示例示出的），其与芯吸结构210结合，提供比仅由芯吸结构210提供的高宽比显著更高的有效高宽比。换句话说，中间基底110可具有带多个突起的区域，所述多个突起保形地配合到芯吸结构210中，以形成窄的流体通道，流体由毛细力驱动通过该流体通道。突起可被成形为配合到在芯吸结构210中的特征中，如图4（A）中所示。
对于一些期望的微加工过程，比如湿法化学蚀刻，可能难以在芯吸结构210中实现高的高宽比。使两个结构交织可在芯吸结构中实现比利用单个湿法蚀刻结构可另外实现的更高的高宽比。中间基底110可包括另一个部段（如图4（B）中通过示例示出的），其基本上是芯吸结构210上的盖，用以最小化粘性损失、将液体从上方紧邻的蒸汽隔离、并改善流量。第三部段（如图4（C）中通过示例示出的），其中中间基底110由比所述微结构112更加敞开的开口组成，以有助于芯吸结构210与蒸汽区域之间的直接连通，并促进冷凝。因此，中间基底的开口可比所述微结构基本上更加敞开，因此芯吸结构和蒸汽室可在热接地平面的至少一个区域中直接连通。
因此，中间基底110的添加允许在冷却装置的三个操作区域的每个中的芯吸结构210的优化，并且采用可与比如湿法蚀刻技术的微加工工艺和组装技术相容的方式。
在不失一般性的情况下，芯吸结构210可通过干法蚀刻、湿法化学蚀刻、其它形式的微加工、宏观加工、利用切割锯锯、和许多其它类型的工艺形成。在一些实施例中，干法蚀刻可提供高高宽比的通道，其中深度与通道的宽度相当或可能甚至更大。然而，与湿法蚀刻工艺相比，干法蚀刻可能限于较小区域并且对于大规模制造可能不是期望的。基于掩模（mask-based）的湿法蚀刻可能是期望的，因为其可适用于相对大的蚀刻区域、会是划算的、并且可与大量制造相容。在一些实施例中，基于光刻的方法可用于干法蚀刻或湿法蚀刻。
在一些实施例中，芯吸结构210可通过标准的湿法化学蚀刻技术形成。在一些实施例中，湿法化学蚀刻可限制高宽比，即芯吸通道深度对芯吸通道宽度的比。在使用湿法蚀刻的一些实施例中，芯吸通道宽度可以是芯吸通道蚀刻深度的至少2到2.5倍宽。在芯吸通道宽度是芯吸通道蚀刻深度的至少2到2.5倍宽的一些实施例中，对于低高宽比的芯吸通道可能有显著的不利。
汽相与液相之间的压力可由拉普拉斯压力ΔP = P v - P l = 2γ/R描述，其中P v 是蒸汽压力，P l 是液体压力，γ是表面张力，R是表面的曲率半径。液相与汽相之间的高压力差可通过减小曲率半径R获得。
一般来说，较小的曲率半径可通过具有呈现低接触角的材料表面实现，以及通过形成具有相对小的几何尺寸的几何结构实现。在许多实施例中，可期望具有流动通过芯吸结构210的液体的低的粘性损失。芯吸结构210中的小的几何尺寸可显著增加流动通过芯吸结构210的液体的粘性损失。因此，在一些实施例中，可能难以实现低粘性损失和具有可支撑汽相与液相之间的高压力差的小曲率半径的弯月面。本申请公开一装置，其中一些实施例可构造用于最大毛细力、用于支撑例如在蒸发器区域中液相与汽相之间的大的压力差。本申请公开一装置，其中一些实施例可构造成通过在不同区域中利用不同结构来最小化芯吸结构210中流动的液体的粘性损失。
图5示出了示例性实施例的结构部件的剖面图，其中结构是没有被液体润湿（即，干的）和被液体润湿的：（A）在蒸发器区域中的没有被润湿的结构部件，（B）在蒸发器区域中的被润湿的结构部件，（C）在绝热区域中的没有被润湿的结构部件，（D）在绝热区域中的被润湿的结构部件，（E）在冷凝器区域中的没有被润湿的结构部件，（F）在冷凝器区域中的被润湿的结构部件。
图5（A）示出了示例性实施例的剖面图，其中中间基底110包含与金属基底212的芯吸结构210交织的多个微结构112。
多个微结构112与金属基底212的芯吸结构210交织，并且其中微结构112和芯吸结构210被液体140润湿。图5（B）中的箭头示出了在窄的空间中液体在哪里聚集。
通过使中间基底110的微结构112与金属基底212的芯吸结构210交织，可大幅增加固体与液体140之间的界面面积。这可增加施加于液体140的毛细力，并可增加从金属固体传递至液体140的热量。
图5（B）示出在液-汽界面处的弯月面180。在一些实施例中，容纳在中间基底110中的多个微结构112与芯吸结构210之间的间隙可被形成为使得它们大体上小于芯吸结构210的深度。与通过湿法蚀刻单个金属基底212（如常见且在图4（C）中绘出的）来形成芯吸结构210的一些实施例相比，在一些实施例中，容纳在中间基底110中的多个微结构112与芯吸结构210之间的相对小的间隙可提供有效更高的高宽比的芯吸通道。
在一些实施例中，钛可用作基底材料。钛的导热系数是大约k Ti = 20W/(m K)，液态水是大约k W = 0.6W/(m K)。由于钛的导热系数是液态水的大约30倍高，因此中间基底110可提供额外的导热路径，这可减小热接地平面的外表面与定位在芯吸结构210中的液体140之间的热阻。此外，容纳在中间基底110内的微结构112可增加固-液界面面积，这可减小热阻，并增加可在钛固体与液体140之间发生的关键性的热通量。
在一些实施例中，芯吸结构210与中间基底110的结合可有效增加芯吸结构210中通道的高宽比。在液相与汽相之间的非常大的压力差下，弯月面180可下推并且不润湿芯吸结构210的顶部。然而，在一些实施例中，通过交织中间基底110的微结构112与芯吸结构210形成的复合芯吸结构210的形状可选择为使得在跨越弯月面180的大的压力差下，芯吸结构210仅部分变干（或者至少变干可被大幅延迟）（使得TGP继续运作），并且热接地平面不遭受灾难性的变干。
在前述的两相热传递装置中，当液相转变为汽相时，由于蒸发和/或沸腾，可发生不稳定。这些不稳定可导致芯吸结构210局部变干并且可使热接地平面的性能劣化。在当前实施例的一些中，这些不稳定可大幅减小。例如，在一些实施例中，通过交织中间基底110的微结构112与芯吸结构210形成的芯吸结构210的形状可选择成使得可存在对芯吸结构210中的液体流动的显著的粘性阻力。该粘性阻力会是有利的，因为它可以增加在蒸发器中可能发生的蒸发和/或沸腾过程的稳定性。
图5（B）示出示例性实施例的绝热区域的剖面图，其中中间基底110紧邻芯吸结构210定位。在一些实施例中，中间基底110可直接放置在芯吸结构210的上方。在一些实施例中，中间基底110可由微结构112组成。在一些实施例中，固体中间基底110可用于将蒸汽室300从芯吸结构210隔离。与早期的芯吸结构210相比，通过将蒸汽室300从芯吸结构210隔离，可增加固-液界面面积，并且液体140可基本上填充芯吸结构210，这可在较小的粘性压降的情况下提供更高的液体质量流率。
图5（C）示出示例性实施例的绝热区域的剖面图，其中中间基底110紧邻芯吸部定位，并且其中在芯吸结构210中液体140被润湿。固体中间基底110可用于将蒸汽室300从芯吸结构210隔离。比早期的芯吸结构210相比，通过将蒸汽室300从芯吸结构210隔离，可增加固-液界面面积，并且液体140可基本上填充芯吸结构210，这可在较小的粘性压降的情况下提供更高的液体质量流率。
在期望高性能的热能传递的一些实施例中，减小绝热区域中的液体粘性损失会是重要的。在一些实施例中，中间基底110可用于将蒸汽室300从芯吸结构210中的液体140隔离。在芯吸结构210中的液体与蒸汽之间压力上存在大的差异的一些实施例中，蒸汽室300可通过固体中间基底110从芯吸结构210中的液体隔离，这可防止高压力差对芯吸结构210中流动液体的不利影响。
在早期的TGPs中，湿法蚀刻的芯吸通道可具有低的高宽比（即，通道高度对通道宽度之间的低的比）。在一些实施例中，如果汽相与液相之间存在大的压力差，液相可能不完全填充芯吸通道，并且会对流动通过芯吸结构210的液体140产生不利影响，并且可导致芯吸通道变干。在本公开的一些实施例中，中间基底110可用于将蒸汽室300从容纳在芯吸结构210中的液体140隔离，并可延迟或甚至防止芯吸结构210变干。液体140可聚集在窄的区域中，如图5（D）中所示，并且弯月面（未示出）可以形成在底部处并邻近芯吸结构210的侧部。
在图5（D）中，芯吸结构210可以与蒸汽室300直接连通。当芯吸结构210与蒸汽室300直接连通时，蒸汽可更加容易冷凝到芯吸结构210上。此外，在比如冷凝器的区域中，液相与汽相之间在压力上可能不存在显著差异，中间基底110可能不能提供显著好处。然而，对于大冷凝器区域的情况，液相与汽相之间压力上可能存在显著差异，因此可想象到冷凝器区域可从具有微结构112的至少一个中间基底110获益，其效果是增加芯吸结构210的高宽比，从而缩短弯月面180长度并因此增加弯月面180可支撑的压力量，如对于蒸发器区域在以上描述的。如图5（D）中所示，液体140可聚集在芯吸结构210的沟中。
如图5（D）中所示，芯吸结构210可以与蒸汽室300直接连通，使得芯吸结构210被液体140润湿。在一些实施例中，蒸汽室300与芯吸结构210中的液体140之间压力上可能不存在显著差异，中间基底110可能不能提供显著好处。然而，对于大冷凝器区域的情况，液相与汽相之间的显著压力差可能存在，因此可想象到冷凝器区域可从微结构112获益，其效果是增加芯吸结构210的高宽比并增加弯月面可支撑的压力量，如对于蒸发器区域在以上描述的。
图6示出热接地平面的示例性实施例的随轴向位置变化的压力分布。曲线示出了蒸汽室300中汽相的压力和芯吸结构210中液相的压力。在示例性实施例中，液相与汽相之间的最大压力差会发生在蒸发器区域中。在示例性实施例中，汽相与液相之间的最小压力差会发生在冷凝器区域中。
芯吸结构210可由通道、柱、或其它结构组成。如果这些结构通过湿法蚀刻或其它制造工艺形成，其可能由具有低高宽比的特征组成。早期的芯吸结构210可由低高宽比的通道或柱组成，并且不包括中间结构。在这些早期的低高宽比芯吸结构210中，液相与汽相之间的大的压力差可导致两相之间的弯月面180朝通道底部延伸，从而减小占据通道的液体140的量并显著减小液体的质量流。这继而可导致差的热传递性能和可能的芯吸结构210的变干。
如图6中所示，最高的蒸汽压力通常发生在蒸发器区域中，并且由于粘性损失，蒸汽压力随TGP传递的热量增加。另外，可能期望的是，将热接地平面的整个厚度做成尽实际可能地薄，这可通过将蒸汽室300做得相对薄来实现。相对薄的蒸汽室300可导致在蒸汽室300中从蒸发器通过绝热区域流至冷凝器的蒸汽的粘性损失。在蒸汽室300中流动的蒸汽的高的粘性损失还可引起在蒸发器中的液相与汽相之间的大的压力差。如以上描述的增加芯吸结构210的高宽比的中间基底110结构具有如下效果：在芯吸结构210的该部分中减小液/汽界面的弯月面180长度，使曲率半径更小，从而使弯月面180更能抵抗高的弯月面180压力（图5（B））并使TGP能够支撑比先前实施方式更高许多的压力。因此，在热接地平面的至少一个区域中，至少一个中间基底的至少一个区域可具有多个微结构，该多个微结构与芯吸结构的至少一个区域交织以形成高高宽比的芯吸结构。另外，在热接地平面的至少一个区域中，至少一个中间基底可紧邻芯吸结构以隔离液相与汽相。
支撑液相与汽相之间的较高的压力差允许传递更多的热，却不使芯吸结构210变干并且使TGP更能抵抗由较薄设计引起的粘性损失。因此，中间基底110的添加可同时实现更高的热传递和更薄的接地平面两者。
在一些实施例中，热接地平面可填充有指定质量的饱和液/汽混合物，使得在冷凝器中汽相与液相之间在压力上的差异可很好地被控制。在一些实施例中，液/汽混合物的质量可选择成使得部分冷凝器区域可容纳处在比相邻蒸汽更高压力下的液体。
在芯吸结构210在30℃的操作蒸汽温度下表现出变干之前，早期钛热接地平面可能仅能够传递约10W的热能，与之相比，利用中间基底110的目前的热接地平面的示例性实施例是30W。相似地，随着蒸汽温度增加，对于50℃和70℃的操作蒸汽温度，目前的热接地平面的示例性实施例传递的最大热能分别增加到35W和40W。在所有情况中，目前的热接地平面的示例性实施例传递的最大热能比从早期热接地平面观察到的多15-20W。
图7图示了根据本发明的一个或更多个实施例的目前的Ti基TGP的一个或更多个实施例的形成的流程图。在一些实施例中，热能可通过（1）步骤S100中的在热接地平面的金属基底中形成多个金属微结构以形成芯吸结构被传输。在步骤S110中，可形成蒸汽腔。在步骤S120中，在与芯吸结构和蒸汽室连通的中间基底中形成至少一个结构和/或至少一个微结构，其中中间基底成形且定位成增加在芯吸结构的至少一个区域中的芯吸结构的有效高宽比。在步骤S130中，可将流体容纳在热接地平面内。在步骤S140中，热能可通过由毛细力驱动的流体运动从金属基底的至少一个区域传输到金属基底的至少一个其它区域，所述毛细力由多个微结构引起。
图8图示了根据本发明的一个或更多个实施例的目前的Ti基TGP的一个或更多个实施例的形成的流程图。在一些实施例中，金属基热接地平面可通过以下过程形成。在步骤S200中，形成第一基底。在步骤S210中，形成第二基底。在步骤S220中，形成至少一个中间基底。在步骤S230中，附接基底。在步骤S240中，形成热接地平面。
图9示出了与中间基底110连通的芯吸结构210的示例性实施例。有效高宽比定义为有效通道高度h与有效通道宽度w的比：（A）示出示例性实施例，其中中间基底110的微结构112与芯吸结构210交织，（B）示出替代实施例，其中中间基底110的微结构112定位在芯吸结构210之上。
图9中所示的示例性实施例可提供与不包括中间基底110的芯吸结构210可能获得的相比更高的有效高宽比。例如，如果芯吸结构210通过湿法蚀刻或其它各向同性蚀刻过程形成，则高宽比h/w可能小于一、或大幅小于一。利用中间基底110，可实现芯吸结构210与中间基底110之间流体通道的更高的有效高宽比。例如，在一些实施例中，h/w＞1，其中h是流体通道的有效高度（或深度），w是宽度。
图9（B）示出替代实施例，当期望相对低的粘性损失时，该替代实施例可具有优势。
由于其是坚固的、有效的、小的和抗冲击的，两相冷却装置，例如热接地平面（TGPs）可特别适合于移动或便携式应用。例如，以上所述的钛基热接地平面（TiTGP）可适于在便携式装置中使用，以便增加坚固性和有效性，并降低尺寸和成本。一种这样的通常使用的装置已知为智能手机。然而，这里描述的结构也可应用于其它移动计算和/或通信装置，例如膝上型计算机、电路板卡（card）和平板电脑，智能电话和头戴式装置。
图10中示出了如适用于便携式应用的钛基热接地平面的简化的横截面图。钛基热接地平面可以通常是如关于图1、图3和图5在之前所示的相同的结构。然而，一个重要的区别在于，替代图3中所示的蒸发器区域、绝热区域和冷凝器区域，冷凝器区域（和热沉）可能不存在。替代地，热通过在蒸汽中的对流来传递。因此，用于便携式装置的TiTGP可完全在蒸汽模式中操作，使得由于涉及的温度和空间限制，蒸汽实际上在特定区域中从不冷凝成液体。因此，仅存在热源250，其是集成电路450，其将热施加到芯吸结构210。热使得液体在蒸汽室300中蒸发。蒸汽最终在图10中所示的热接地平面的远的右侧区域中重新形成为液体。液体然后通过芯吸结构返回到热源。这样的TiTGP当在该模式中操作时能够至少耗散大约5W，并因此能够耗散由IC450产生的2-3W。
应该理解的是，术语“两相冷却装置”和“热接地平面”在本文中可互换地使用。任一个术语可指示关于图1-10在以上描述的钛基热接地平面（TiTGP）。
图10中所示的芯吸结构210可以例如是图1-4中较早描述的芯吸结构。芯吸结构210可以包含关于例如图1、图3、图4和图5中的芯吸结构10和210的以上描述的选项中的任一个。尤其，芯吸结构210可包括具有多个微结构112的至少一个区域，所述多个微结构112具有1-1000微米的特征尺寸。芯吸结构210可进一步包括与芯吸结构的至少一个区域交织的多个微结构，以便在热接地平面的至少一个区域中形成高效的高宽比芯吸结构。在芯吸结构210内，液相与汽相可各自存在于热接地平面内的单独的区域内。热接地平面可具有带有如先前描述的突起的中间基底。已经在先前描述了可能的形状、尺寸和高宽比，其可形成窄的通道。为了简单和清晰地说明，这些细节未在图13-18中示出，且替代地，TiTGP通常示出为包括芯吸结构210或510和背板220或520。
因此，热接地平面500被描绘成具有两个基本部件，钛背板520和钛基芯吸板510。通常的芯吸结构510应该被理解为包括先前描述的特征中的任何或所有，比如关于图1-9所描述的中间基底、微结构、支架和金属基底。背板520和芯吸结构510可如先前描述地由激光焊接连结。这些区域的总厚度大约是0.5mm。
便携式装置的部件在图11中示出，并且可包括包括前屏幕的塑料或金属前表面410、中间托架或框架420和塑料或金属背表面430。
前表面410可包括LED玻璃屏幕表面。中间框架420和背表面通常是铝合金430。尤其，中间框架420和背表面430两者可以由铝或铝镁合金制成，为了轻的重量和强度。中间框架420提供机械刚度，并且和背表面一起可以限定便携式装置的骨架，并提供机械强度和坚固性。
中间框架420通常为便携式装置400提供结构支撑和刚度。中间框架通常跨越封装件的内部区域。控制便携式装置的电路可以包含在集成电路芯片450上，被包围在外壳体内并且可附接到中间框架。风扇也可设置在外壳体的内侧，以便使得由操作便携式装置的电路通常产生的热散布开。中间框架420通常是大约0.2到0.8mm，并经常是大约0.5mm厚，如图11中所示。
前表面410和金属或塑料背表面430可形成便携式装置的外壳体，与中间框架420相对，所示中间框架420通常布置在外壳体的内部中并经常是金属的。大多数智能电话例如具有形成外壳和内部骨架的多个层。图11因此是便携式装置400（比如智能电话）的简化的通常的横截面图。
为了耗散由IC产生的热，热管440经常包括在封装件中。图12示出了使用热管440的便携式装置400的实施例。目前存在的热管技术440是相对厚的，并且是低效的。存在的热管技术的大多数实施例大约是0.4mm厚，并且显著地有助于智能电话的整体厚度和重量。由于在这些小装置中，空间和重量是非常珍贵的，因此公司会急切地寻找用于这些便携式装置的更薄且更有效的热解决方案。更冷的温度使装置的可靠性和寿命得到增强，降低或完全消除了便携式装置的风扇噪音并且还延长了电池的寿命。
当使用热管时耗散更多热的一个途径是将薄的石墨片布置在内部中，布置在芯片和前框架表面410、金属框架420或后背表面430之间。然而，石墨是昂贵的，层是厚的（大约0.3mm），并且由于其机械脆性和断裂的趋势，因而不能被制成更薄。作为热解决方案，这不是非常有效的，并且作为传导元件，其具有使IC芯片450缩短的可能性。因此，制造商急切需要一种新的解决方案，以便将热传导远离芯片，使得便携式装置是有效且可靠的，并且使用舒适，并使得电池充电之间的时间最大化。注意到，具有热管的便携式装置中间框架的总厚度接近1mm。
相对于常规的热管440，TiTGP可用于耗散由热源（尤其是便携式装置封装件400内的IC芯片450）产生的热。
由于芯吸结构210的总厚度可以大约在约0.1和0.15mm之间，所以热接地平面加上钛基金属框架的整体厚度可以大约是0.6到0.65mm厚。因此，便携式装置的中间框架（包括TiTGP）的总厚度可以大约是0.6到0.65mm。这允许将总厚度减小接近半毫米，如将在以下进一步描述的。这代表了如图12中所示的先前描述的常规热管技术的厚度上的巨大改进。用于先前所述的集成电路或芯片可以直接布置在芯吸结构210的表面上。任何热传导粘合剂（比如导热油脂或导热环氧树脂或密封胶）可用于将芯片450附接到芯吸结构210。
图13-18中其余内容示出了将图10的TiTGP实施到便携式装置400中的各种方式。如将在以下的描述中可见的，TiTGP被用作热结构（以便耗散热）和机械结构（用于强度和刚度）两者。将钛用于TiTGP在此方面是一个重要的性能优点，并且尽管通常钛的成本较高，仍促进了其使用。因此，TiTGP可以不仅是用于构建移动应用的结构材料，而且还是热模块。因此，TiTGP500具有结构以及热优点。
这里公开并在图13-18中示出的是基于钛热管或钛热接地平面（TiTGP）的改进的便携式装置。TiTGP500可以如以上在图1-10中所描述的，但适用于便携式装置应用。通常，便携式装置可包括热接地平面，具有布置在便携式装置内部中的蒸汽腔，热接地平面包括钛背板120和在金属基底上的芯吸结构、与热接地平面热连通的集成电路和包围热接地平面与集成电路的外壳体。
在一个实施例中，便携式装置可包括中间框架构件，其具有容纳热接地平面500的间隙，热接地平面500具有芯吸结构510和背板520。该实施例首先在图13中示出。在另一实施例中，TiTGP500被嵌入或附接到已有的中间框架结构420，其可以是钛、铝或铝镁合金。在任一种情况下，中间框架提供机械功能（强度和刚度）和热功能（热耗散）两者，同时仍保持相当薄。该设计其次在图14中示出。
使用TiTGP的便携式装置400’的第一示例性实施例在图13的简化横截面中示出。在图13中示出的是包括屏幕410的前表面、背表面430和中间框架420。中间框架420可以是铝或铝基合金或钛构件，具有形成或嵌入在其中的TiTGP500。因此，在一个实施例中，便携式装置可包括热接地平面，其中热接地平面是插入到便携式装置的中间框架构件中的模块。
在该实施例中，中间框架420可具有形成在其中的腔，以便容纳插入的TiTGP500。在这种情况下，大约在约100和约1000微米之间深的腔可被蚀刻到钛基中间框架420中。TiTGP然后可以例如通过焊接或结合、胶粘被附接在那里。因此，便携式装置可具有设置在形成在中间框架构件420中的腔中的热接地平面，其中中间框架构件420包括钛。形成在中间框架构件中的腔可以是约400微米深，留下大约100微米的钛跨越中间框架构件。
使用TiTGP的便携式装置400’’的第二示例性实施例在图14中示出。便携式装置400’’可包括中间框架构件420和热接地平面，热接地平面500具有芯吸结构510和背板520，其中中间框架构件420还形成热接地平面500的背板520。装置400’’还可包括集成电路，其中集成电路附连到热接地平面500的芯吸结构510并与热接地平面500的芯吸结构510热连通。热接地平面500的蒸汽腔530可以形成在钛背板520之间，并通过焊接到芯吸结构510来密封，形成热接地平面500。
因此，在该实施例中，TiTGP形成集成部件，使得中间结构被包括到TiTGP的设计中，充当背板120。在这种情况下，中间框架420可包括钛。0.4mm的腔可形成在中间钛构件420中，其将是用于TiTGP500的蒸汽腔530。因此，在该实施例中，便携式装置可包括热接地平面500，其继而包括蒸汽腔530，其中蒸汽腔530由芯吸结构510和钛背板520围成。在该实施例中，芯吸结构510结合到金属背板，以形成密闭密封的蒸汽腔。腔可通过激光焊接来密封，以便形成密闭密封的蒸汽腔，如先前描述的。蒸汽腔可构造有一个或更多个凹陷区域，以提供变化的蒸汽室高度，如先前描述的。
在该实施例中，TiTGP500直接形成在中间框架420中并由中间框架420的材料形成，并且中间框架的金属形成TiTGP的背板120。TiTGP的其余部分，即芯吸结构210和金属背板120可由如所示的其它表面形成。在该实施例中，芯吸结构540可以是芯片450附接到的表面。在该实施例中，TiTGP500包括作为单元完全替换中间框架的钛中间框架520。
TiTGP在该实施例中可使用钛中间框架520作为其背板120。因此，形成的腔可以是大约3cm的跨度，尽管钛中间框架将会显著更宽。由于中间框架520延伸跨越便携式装置400的整个宽度，所以腔宽度仅是钛中间框架的宽度的部分，其在每侧上延伸至少a cm超越蒸汽腔。钛中间框架的可延伸宽度给予便携式装置400其结构刚度并有助于从IC耗散热。因此，热接地平面可形成便携式装置的结构元件。
替代地，TiTGP可用作便携式装置的背盖430的部分。该实施例中，便携式装置480在图15中示出。图15示出了芯吸结构510和安装在便携式装置的背表面430上的蒸汽腔。在该实施例中，背表面430是相对于屏幕侧410的便携式装置400的观察侧。TiTGP的芯吸结构510与芯片450热连通。TiTGP可要么安装在背表面430中的间隙中，与图13中所示的中间框架安装相似，要么便携式装置的背表面430还可充当TiTGP的背板520，与图14中所示的系统相似。通过延伸，TiTGP还可安装在前表面上，如果所述表面是金属的。
由于TiTGP的非常薄的形状，还可能的是将两个热接地平面联接在一起，使得TiTGP包括多个蒸汽腔和芯吸结构。在小的、封装的便携式装置中，热模块必须排斥来自芯片的热并跨越装置将其均匀地散布出去（等温条件）。多个TiTGPs600、700构思可提供用于该热耗散的优异的等温表面。
多个TiTGP600、700、800具有比单个TiTGP高得多的热性能。图16（A）中示出的是双TiTGP600，包括两个蒸汽腔531和532，一个定位在另一个上方并通过共同的构件555热连通。两个蒸汽腔531和532还具有两个对应的芯吸结构511和512。
TiTGP#1具有蒸汽腔531并可布置在TiTGP#2下方，并可热联接到热产生芯片450。在多个TiTGP600中，热源芯片450可联接到TiTGP#1的底侧并与TiTGP#1的芯吸结构511热连通。TiTGP#1然后通过共同的构件555将其热传递给TiTGP#2。共同的构件555可提供传导路径用以将热从TiTGP#1传递到TiTGP#2，更具体地，传递到其芯吸结构512。使用共同的构件555允许该有效的热传递。其避免使用任何其它的热界面膜/材料，否则其将使温度降低并因此使热接地平面500的热性能降低。因此，TiTGP#2经由图16（A）中显示的共同的构件耗散来自TiTGP#1的热。这是极为有效的热传递结构。该结构的显著特征在于，一个TiTGP的背板可充当另一个TiTGP的芯吸结构。
图16（B）示出了多个TiTGP700的另一实施例。类似于TiTGP600，TiTGP700具有多个TiTGPs，例如，TiTGP#1和TiTGP#2。TiTGP#1具有蒸汽腔531并可布置在TiTGP#2下方。TiTGP#2可热联接到热产生芯片450。尤其，热源芯片450可联接到TiTGP#2的顶侧并与TiTGP#2的芯吸结构512热连通。TiTGP#2然后通过共同的构件555将其热传递给TiTGP#1。共同的构件555可提供传导路径用以将热从TiTGP#2传递到TiTGP#1，更具体地，传递到其芯吸结构511。使用共同的构件555允许该有效的热传递。其避免使用任何其它的热界面膜/材料，否则其将使温度降低并因此使热接地平面500的热性能降低。因此，TiTGP#1经由图16（B）中显示的共同的构件耗散来自TiTGP#2的热。这也是极为有效的热传递结构。
图16（C）示出了多个TiTGP800的仍另一实施例，其耗散来自两个集成电路芯片450和452的热。类似于TiTGP600和700，TiTGP800具有多个TiTGPs，例如，TiTGP#1和TiTGP#2。TiTGP#1具有蒸汽腔531并可布置在TiTGP#2下方。TiTGP#1可热联接到在其底侧上的热产生芯片450并且TiTGP#2可热联接到在其顶侧上的第二热产生芯片452。尤其，热源芯片450可联接到TiTGP#2的顶侧并与TiTGP#2的芯吸结构512热连通。TiTGP#2然后通过共同的构件555将其热传递给TiTGP#1。共同的构件555可提供传导路径用以将热从TiTGP#2传递到TiTGP#1，更具体地，传递到其芯吸结构511。使用共同的构件555允许该有效的热传递。其避免使用任何其它的热界面膜/材料，否则其将使温度降低并因此使热接地平面500的热性能降低。因此，TiTGP#1经由图16（B）中显示的共同的构件耗散来自TiTGP#2的热。这也是极为有效的热传递结构。
图17示出了多个TiTGP900的另一实施例，其通过使一个蒸汽腔531比覆盖在上面的蒸汽腔532更小而具有非均匀的厚度。非均匀厚度的热模块对于便携式应用极有吸引力，因为热产生芯片450能够以该结构被紧凑布置，如所示，而没有热性能的损失。便携式装置中的其它部件可被布置在可用的空间中。尤其，相对庞大的电池可被放置在TiTGP#2（厚度#2）之间，而TiTGP#1保持相对薄（厚度#1）。
尽管图16和图17示出多个TiTGPs600和700包括双蒸汽腔和芯吸结构，然而应该理解的是，这仅是示例性的，并且多个TiTGP可包括任意数目的蒸汽腔和芯吸结构。
图18示出了安装在便携式装置1000中的多个TiTGP的另一实施例。在该实施例中，类似于TiTGP600的TiTGP被安装在便携式装置中，如之前所述地具有包括前屏幕的塑料或金属前片410，以及塑料或金属背表面430。前屏幕410和金属或塑料背表面430可形成便携式装置外壳体。然而，在这种情况下，TiTGP#2的芯吸结构512可形成在便携式装置1000内的等温内壳体。因此，芯吸结构512可以是钛基构件，提供结构以及热支持。至少部分地由于图18中所示的TiTGP的使用，外壳体也可以是大体等温的。“大体等温”应该被理解为意味着，由于TiTGP的使用，跨越结构构件，存在小于约10C的温度梯度，且更优选地，存在小于约1C的温度梯度。由于热的非常有效的分布，在便携式装置1000的外壳体内侧，风扇可能不是必需的。这可允许减小的重量、成本和能量要求，其中每个都是便携式装置中的关键的品质因素。
更普遍地，图13-18中所示的TiTGPs可以与便携式装置的至少一个结构元件热连通。这些结构元件是给予便携式装置其强度和刚度的大部分的部件，并可形成装置的骨架，并可至少包括中间框架420和背表面430。TiTGP的表面也可以是结构元件520和560。这些结构构件通常是金属的，并且可包括例如前表面410、中间框架420和背表面430。更优选地，TiTGP包括通过激光焊接密封背部的钛。因此，该结构构件的联接到TiTGP的表面可以是大体等温的，具有小于约10C的温度梯度。
现在讨论转向用于便携式应用的TiTGPs的制造。热模块500、600和700的芯吸结构和外壳可以通过由金属材料冲压出形状而制成。更小的微结构可以由微冲压制成。替代地，轮廓和腔可以使用例如氢氟酸（HF）和硝酸（HNO3）通过化学蚀刻制成。如本领域中已知的，可以通过涂覆层或遮盖层保护钛材料的部分免受蚀刻剂的损害。所有暴露的表面然后可以被蚀刻以便形成槽、腔和更小的结构。
TiTGP可以使用例如14/749439中描述的方法被提供一定量的工作流体。工作流体可以例如是水，并且用于围住蒸汽腔中的工作流体的密封技术可以是激光焊接。
因此，这里公开包括热接地平面的便携式装置，所述热接地平面包含蒸汽区域和用于工作流体的液体区域，布置在便携式装置的外壳体内，其中热接地平面包括：钛背板；蒸汽腔；和形成在金属基底上的芯吸结构；集成电路芯片，与热接地平面热连通，使得由芯片产生的热通过热接地平面被分布遍及便携式装置；并且其中，热接地平面与便携式装置的至少一个结构元件热连通，并且至少一个结构元件是大体等温的，其中跨越结构元件的温度梯度小于10℃。
便携式装置可具有由金属基底和钛背板围成的蒸汽腔，其中金属基底由激光焊接密封到金属背板，以便形成密闭密封的蒸汽腔。结构元件可以是如下中的至少一个：便携式装置的中间框架构件、前面和背表面，其中前面和背表面限定便携式装置的外壳体，并且中间框架构件是外壳体内的结构构件。
热接地平面可进一步包括芯吸部，其中芯吸结构可包括与芯吸结构的至少一个区域交织的多个微结构，以便在热接地平面的至少一个区域中形成高效的高宽比芯吸结构，并且其中，微结构中的一个或更多个具有在大约1-1000微米之间的高度、在大约1-1000微米之间的宽度和在大约1-1000微米之间的间距，并且其中，微结构包括如下中的至少一个：通道、柱、槽和沟。热接地平面可以是便携式装置的结构元件，并且机械联接到便携式装置的外壳体或内壳体或中间壳体，但通过附接到中间框架构件悬挂在外壳体的内侧。热接地平面可以布置在形成在中间框架构件中的腔中，其中中间框架构件包括钛。腔的深度可以在约100和约1000微米之间，留下大约100到200微米的钛横跨腔跨越中间框架构件。
热接地平面可进一步包括钛封装件和钛芯吸板，其中钛封装件和钛芯吸板一起的厚度在约0.3mm和约1.5mm之间。热接地平面可进一步包括至少一个中间基底，具有带有多个突起的区域，所述多个突起保形地配合到芯吸结构中，以形成窄的流体通道，流体由毛细力驱动通过该流体通道，其中突起成形为配合到芯吸结构中的特征中。在芯吸通道和中间基底之间的流体通道的有效高宽比h/w大于1，其中h是流体通道的有效高度并且w是流体通道的宽度。热接地平面的至少一个区域的表面可以包括纳米结构二氧化钛（NST）。
热接地平面可布置在便携式装置的背表面上，并且其中，背表面还充当热接地平面的芯吸结构。芯片可大体布置在热接地平面的侧向范围的中间。热接地平面可包括插入到便携式装置的中间框架构件中的模块。
便携式装置可具有布置在外壳体内的钛中间框架构件，其中中间框架构件形成热接地平面的背板，以及集成电路芯片，其中集成电路附连到热接地平面并与热接地平面热连通。替代地，蒸汽腔可形成在钛中间和外部框架构件中，并由芯吸结构密封以形成热接地平面。
在其它实施例中，热接地平面包括多个蒸汽室和多个芯吸结构。第一蒸汽室可通过共同的金属构件与至少一个其它的蒸汽室热连通，其中共同的金属构件在多个蒸汽室之间结构和热共享，使得由芯片产生的热被分布遍及便携式装置，并且外壳体是大体等温的。具有多个蒸汽室的热接地平面可具有非均匀的横截面。在多个热接地平面中，蒸汽室各自包含芯吸结构，并且多个蒸汽室的芯吸结构一个布置在另一个上。
尽管已结合以上概述的示例性实施方式描述了各种细节，然而在回顾上述公开时，各种替代方案、修改、变形、改进、和/或实质等同方案，不管是已知的或目前无法预见或可能是目前无法预见的，会变得显见。因此，以上陈述的示例性实施方式旨在是示例性的，而非限制。

Claims (16)

1.一种便携式装置，包括：
热接地平面，所述热接地平面布置在形成在中间框架构件中的腔中，其中，所述中间框架构件包括钛，形成到所述中间框架构件中的所述腔的深度在100和1000微米之间，留下100到200微米的钛横跨所述腔跨越所述中间框架构件，所述热接地平面包含蒸汽区域和用于工作流体的液体区域，所述热接地平面布置在所述便携式装置的外壳体内，其中，所述热接地平面包括：钛背板、蒸汽腔、和形成在金属基底上的芯吸结构；
在所述热接地平面内的芯吸结构，其中，所述芯吸结构包括与所述芯吸结构的至少一个区域交织的多个微结构，以便在所述热接地平面的至少一个区域中形成高效的高宽比芯吸结构，并且其中，所述微结构中的一个或更多个具有在1-1000微米之间的高度、在1-1000微米之间的宽度和在1-1000微米之间的间距，并且其中，所述微结构包括如下中的至少一个：通道、柱、槽和沟；
其中，所述热接地平面进一步包括至少一个中间基底，所述至少一个中间基底具有带有多个突起的区域，所述多个突起保形地配合到所述芯吸结构中，以形成窄的流体通道，流体由毛细力驱动通过所述窄的流体通道，其中，所述突起成形为配合到所述芯吸结构中的特征中；
其中，所述钛背板包括支撑柱，所述支撑柱机械地支撑所述钛背板、所述芯吸结构和所述中间基底之间的间距，并且所述支撑柱结构地支撑所述热接地平面；
集成电路芯片，所述集成电路芯片与所述热接地平面热连通，使得由所述芯片产生的热通过所述热接地平面被分布遍及所述便携式装置；并且
其中，所述热接地平面与所述便携式装置的至少一个结构元件热连通，并且所述至少一个结构元件是等温的，其中，跨越所述结构元件的温度梯度小于10℃。
2.如权利要求1所述的便携式装置，其中，所述蒸汽腔由所述金属基底和所述钛背板围成，其中，所述金属基底由激光焊接密封到金属背板，以便形成密闭密封的蒸汽腔。
3.如权利要求1所述的便携式装置，其中，所述结构元件是如下中的至少一个：所述便携式装置的中间框架构件、前面和背表面，其中，所述前面和所述背表面限定所述便携式装置的所述外壳体，并且所述中间框架构件是所述外壳体内的结构构件。
4.如权利要求1所述的便携式装置，其中，所述热接地平面是所述便携式装置的结构元件，并且机械联接到所述便携式装置的所述外壳体或内壳体或中间壳体，但通过附接到所述中间框架构件悬挂在所述外壳体的内侧。
5.如权利要求1所述的便携式装置，其中，所述热接地平面进一步包括钛封装件和钛芯吸板，其中，所述钛封装件和所述钛芯吸板一起的厚度在0.3mm和1.5mm之间。
6.如权利要求1所述的便携式装置，其中，在芯吸通道和所述中间基底之间的所述流体通道的有效高宽比h/w大于1，其中，h是所述流体通道的有效高度并且w是所述流体通道的宽度。
7.如权利要求1所述的便携式装置，其中，所述热接地平面的至少一个区域的表面包括纳米结构二氧化钛（NST）。
8.如权利要求3所述的便携式装置，其中，热接地平面布置在所述便携式装置的所述背表面上，并且其中，所述背表面还充当所述热接地平面的所述芯吸结构。
9.如权利要求1所述的便携式装置，其中，所述集成电路芯片布置在所述热接地平面的侧向范围的中间。
10.如权利要求1所述的便携式装置，其中，所述热接地平面包括插入到所述便携式装置的中间框架构件中的热模块。
11.如权利要求1所述的便携式装置，进一步包括：
布置在所述外壳体内的钛中间框架构件，其中，所述中间框架构件形成所述热接地平面的背板；以及
集成电路，其中，所述集成电路附连到所述热接地平面并与所述热接地平面热连通。
12.如权利要求11所述的便携式装置，其中，蒸汽腔形成在所述钛中间和外部框架构件中，并由芯吸结构密封以形成热接地平面。
13.如权利要求1所述的便携式装置，其中，所述热接地平面包括多个蒸汽室和多个芯吸结构。
14.如权利要求13所述的便携式装置，其中，第一蒸汽室通过共同的金属构件与至少一个其它的蒸汽室热连通，其中，所述共同的金属构件在所述多个蒸汽室之间结构和热共享，使得由所述芯片产生的热被分布遍及所述便携式装置，并且所述外壳体是等温的。
15.如权利要求14所述的便携式装置，其中，具有多个蒸汽室的所述热接地平面具有非均匀的横截面。
16.如权利要求14所述的便携式装置，其中，所述蒸汽室各自包含芯吸结构，并且所述多个蒸汽室的所述芯吸结构一个布置在另一个上。
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