CN110870059A - 用于冷却电子装置的系统和方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于冷却电子装置的设备。在一个方面，所述设备包含与所述电子装置的发热部件耦合的蒸汽室。在一个方面，所述蒸汽室与所述电子装置的外盖的内表面耦合，并且与所述外盖的所述内表面的形状共形。在另一方面，所述蒸汽室形成所述电子装置的所述外盖。所述蒸汽室包括密封容器、安置在所述密封容器的内表面上的芯结构，以及容纳在所述密封容器中的流体，其中，当热量被施加到与所述发热部件耦合的所述密封容器的蒸发器侧时，所述流体在所述密封容器的与所述蒸发器侧相对的冷凝器侧汽化，并通过所述芯结构返回到所述蒸发器侧。

Description

用于冷却电子装置的系统和方法

技术领域

本公开的各个方面涉及用于冷却电子装置的系统和方法。

背景技术

由于电路系统密度的增加，微处理器的性能随着时间推移有了显著提高。具体地，可以在更小的芯片尺寸上制造越来越多的晶体管。这进而导致了芯片封装功率密度的指数级上升，并且预计这一趋势将持续到可预见的未来。

芯片封装所消耗的电能几乎全部以热量形式释放到周围环境中，这对冷却装置和冷却封装造成很大负担。现有的冷却装置通常利用空气或水将热量从芯片封装中带走。散热器和/或热管是常用的空气冷却装置，而冷板在水冷却中是最主要的。这些冷却装置通过导热界面附接到芯片封装上。“冷却封装”可包含冷却装置、位于冷却封装和芯片封装之间的导热界面以及芯片封装。应当注意，“芯片封装”在本文中也可以称为集成电路、处理器、微处理器、微芯片，或在诸如硅的半导体材料的片(“芯片”)上制造的任何其它组的电子电路。

发明内容

以下呈现涉及本文所公开的一或多个方面的简要概述。因此，不应将以下概述视为与所有预期方面相关的广泛综述，且不应将以下概述视为识别与所有预期方面相关的关键或重要元件或描述与任何特定方面相关联的范围。因此，以下概述的唯一目的是在下文详细描述之前，以简化的形式呈现与涉及本文所公开的机制的一或多个方面相关的某些概念。

在一个方面，一种用于冷却电子装置的设备包含与所述电子装置的发热部件耦合的蒸汽室，所述蒸汽室包括具有蒸发器侧和与所述蒸发器侧相对的冷凝器侧的密封容器、安置在所述密封容器的内表面上的芯结构，以及容纳在所述密封容器中的流体，其中：所述密封容器的蒸发器侧与所述发热部件耦合，所述密封容器的冷凝器侧与所述电子装置的外盖的内表面耦合，所述密封容器的冷凝器侧与所述电子装置的外盖的内表面的形状共形，且当所述发热部件产生热量时，所述流体在所述密封容器的冷凝器侧汽化并且通过所述芯结构返回到所述密封容器的所述蒸发器侧。

在一个方面，一种用于冷却电子装置的设备包含与所述电子装置的发热部件耦合的蒸汽室，所述蒸汽室包括具有蒸发器侧和与所述蒸发器侧相对的冷凝器侧的密封容器、安置在所述密封容器的内表面上的芯结构，以及容纳在所述密封容器中的流体，其中：所述蒸汽室形成所述电子装置的外盖，所述密封容器的所述蒸发器侧与所述发热部件耦合，当所述发热部件产生热量时，所述流体在所述密封容器的所述冷凝器侧汽化，并通过所述芯结构返回到所述密封容器的所述蒸发器侧。

在一个方面，一种用于冷却电子装置的设备包含与所述电子装置的发热装置耦合的冷却装置，其中，所述冷却装置包括具有蒸发器侧和与所述蒸发器侧相对的冷凝器侧的密封容器、安置在所述密封容器的内表面上的芯吸装置，以及容纳在所述密封容器中的流体，其中：所述密封容器的蒸发器侧与所述发热装置耦合，所述密封容器的所述冷凝器侧与所述电子装置的外盖的内表面耦合，所述密封容器的所述冷凝器侧与所述电子装置的所述外盖的所述内表面的形状共形，且当所述发热装置产生热量时，所述流体在所述密封容器的冷凝器侧汽化并且通过所述芯吸装置返回到所述密封容器的所述蒸发器侧。

在一个方面，一种用于冷却电子装置的设备包含与所述电子装置的发热装置耦合的冷却装置，其中，所述冷却装置包括具有蒸发器侧和与所述蒸发器侧相对的冷凝器侧的密封容器、安置在所述密封容器的内表面上的芯吸装置，以及容纳在所述密封容器中的流体，其中：所述冷却装置形成所述电子装置的外盖，所述密封容器的所述蒸发器侧与所述发热装置耦合，当所述发热装置产生热量时，所述流体在所述密封容器的所述冷凝器侧汽化，并通过所述芯结构返回到所述密封容器的所述蒸发器侧。

基于附图和详细描述，与本文所公开的各个方面相关联的其它目的和优点对于本领域技术人员而言是显而易见的。

附图说明

当结合仅用于说明而非限制本公开的附图考虑时，通过参考以下详细说明将容易获得对本公开的各个方面的更完整理解，同时变得更好理解，其中：

图1是根据本公开的一个方面的示范性蒸汽室的横截面侧视图。

图2A是根据本公开的一个方面的包含蒸汽室的示范性电子装置的横截面侧视图。

图2B是根据本发明的一个方面的图2A的电子装置的底视图。

图3是根据本公开的一个方面的包含蒸汽室的示范性电子装置的横截面侧视图。

图4是根据本公开的一个方面的包含蒸汽室的示范性电子装置的横截面侧视图。

具体实施方式

公开了一种用于冷却电子装置的设备。在一个方面，所述设备包含与所述电子装置的发热部件耦合的蒸汽室。在一个方面，所述蒸汽室与所述电子装置的外盖的内表面耦合，并且与所述电子装置的外盖的内表面的形状共形。在另一方面，所述蒸汽室形成所述电子装置的外盖。所述蒸汽室包括密封容器、安置在所述密封容器的内表面上的芯结构，以及容纳在所述密封容器中的流体，其中，当热量被施加到与所述电子装置的所述发热部件耦合的所述密封容器的蒸发器侧时，所述流体在所述密封容器的与所述蒸发器侧相对的冷凝器侧汽化，并且通过所述芯结构返回到所述密封容器的所述蒸发器侧。

在针对本公开的特定方面的以下描述和相关附图中公开了本公开的这些和其它方面。可在不脱离本公开的范围的情况下设计替代方面。另外，将不详细描述或将省略本公开的公知要素，以免混淆本公开的相关细节。

本文中使用词语“示范性”和/或“实例”来表示“作为实例、例子或说明”。本文描述为“示范性”和/或“实例”的任何方面不必被解释为比其它方面优选或有利。同样，术语“本公开的各个方面”不要求本公开的所有方面包含所论述的特征、优点或操作模式。

如上所述，由于电路系统密度的增加，微处理器的性能随着时间推移有了显著提高。具体地，可以在更小的芯片尺寸上制造越来越多的晶体管。这进而导致了芯片封装功率密度的指数级上升，并且预计这一趋势将持续到可预见的未来。

芯片封装所消耗的电能几乎全部以热量形式释放到周围环境中，这对冷却装置和冷却封装造成很大负担。例如，预期现代的安全摄像机以很高的分辨率持续运行，从而产生大量的热量。冷却安全摄像机和类似的小型装置(例如可佩戴式摄像机、智能电话、平板电脑等)的挑战在于通常只有非常小的表面积用于热冷却。如果此类装置“过热”，那么它可以被编程以关闭或降低功能性。

例如，再次参考安全摄像机的实例，安全摄像机的设计可能仅允许摄像机外壳的温度和芯片封装的温度之间存在10℃的差异。此外，裸片上结温可以比芯片封装的温度高10°。因此，如果最大可允许的外壳温度为52℃，那么芯片封装将只允许达到62℃的温度，并且裸片上结的温度将被限制为72℃。然后，当芯片封装的温度接近62℃时，摄像机可以降低记录时的分辨率和/或帧速率，以减少由芯片封装产生的热量，并且当达到62℃时，摄像机可能会关闭。

现有的冷却装置通常利用空气或水将热量从芯片封装中带走。散热器和/或热管是常用的空气冷却装置，而冷板在水冷却中是最主要的。这些冷却装置通过导热界面附接到芯片封装上。然而，在诸如安全摄像机、可佩戴摄像机等小型装置的情况下，仅有少量表面积可用于冷却芯片封装，且因此，典型的冷却装置可能不足以将芯片封装的温度维持在正常操作范围内。

因此，本文公开了一种蒸汽室，所述蒸汽室可以并入到电子装置的主体中，以更有效地冷却系统，从而使系统具有更高的性能。所公开的蒸汽室将热量从集中的热源(例如芯片封装)散发到大面积(例如电子装置的后盖)，其有效热导率大大超过铜。所述蒸汽室允许所述电子装置的外壳与芯片封装之间有更大的温度差，这意味着芯片封装的裸片上结温度的温度阈值更高，同时保持相同的外壳温度阈值。

例如，再次参考安全摄像机的实例，通过将所公开的蒸汽室并入到安全摄像机中，热效益可以是芯片封装的温度与安全摄像机的外壳的温度之间的例如10℃的改进，这取决于安全摄像机的设计。更具体地，如果最大可允许的外壳温度仍然是52℃，那么由所公开的蒸汽室提供的热效益的10°的增加将允许芯片封装达到72℃的温度(比没有蒸汽室时高10°)，这意味着在安全摄像机必须降低性能或关闭之前，裸片上结的温度可以达到82℃。因此，通过使用所公开的蒸汽室，从芯片封装传输到所述电子装置外壳的热量将更少，因此，所述电子装置可以在不降低功能性(例如，不降低分辨率或帧速率)的情况下运行更长时间。实际上，电子装置可能不会超过其设计用来降低功能性的温度阈值。降低热结的温度也可以提高电子装置的功率效率。在测试特定的安全摄像机实例时，这转化为大约3瓦功率的效率提高。

图1是根据本公开的一个方面的示范性蒸汽室100的横截面侧视图。蒸汽室100包含密封容器102、在密封容器102的内表面上形成的芯结构104，以及由密封容器102和芯结构104形成的空腔106，空腔106容纳少量与其自身的蒸汽(例如水)平衡的流体。如图1所示，当热量被施加到密封容器102的一侧(称为蒸汽室100的“蒸发器侧”并且用参考编号110标记)时，密封容器102的那一侧变热，这继而加热了芯结构104的相应侧，从而导致空腔106内的工作流体(例如水)汽化。由于蒸汽压降，蒸汽在空腔106内扩散到蒸汽腔100的“冷凝器侧”(用参考编号112标记)，冷凝回液体，并释放出潜热。冷凝物通过芯结构104中产生的毛细力返回到蒸汽室100的蒸发器侧110，并且循环往复。

在一个方面，密封容器102可以由导电金属形成，如铜或铝、聚合物或任何可与芯结构104相连并能将热源的热量传导到芯结构104的材料。另外，整个密封容器102不需要由相同的材料形成。例如，蒸发器侧110和密封容器102的壁面可由导电金属形成，而密封容器102的冷凝器侧112可由聚合物形成。应当理解的是，所选材料的导热效率越高，密封容器102将热量从热源传递到芯结构104的效率就越高。

在一个方面，芯结构104可以是铜粉、铜或铝网、纤维材料、碳纤维、密封容器102的内表面上的凹槽，或者可以将流体从蒸汽室100的较冷的冷凝液侧芯吸到蒸汽室100的较暖的蒸发器侧110的任何材料或结构。如果使用铜粉作为芯结构104，那么铜粉可以烧结到密封容器102的内表面，这在本领域是公知的。

在一个方面，空腔106内的工作流体可以是水。如在本领域中已知的，为了使水在低于100℃(水在一(1)大气压下沸腾的温度)的温度下汽化，蒸汽室100中的压力可以降低到一(1)大气压以下。尽管给出了水的实例作为工作流体的物质，但是也可使用其它流体，例如氨、乙醇、甲醇或氨、乙醇或甲醇基流体。

如上所述，本公开的蒸汽室可以并入到电子装置的主体中。在一个方面，所述蒸汽室可形成所述电子装置的盖，例如后盖。因此，参考上述安全摄像机的实例，蒸汽室可以是安全摄像机的后盖。

图2A是根据本公开的一个方面的包含蒸汽室210的示范性电子装置200的横截面侧视图。电子装置200可以是将受益于具有冷却封装的任何小型电子装置，诸如手机、安全摄像机、可穿戴装置、物联网(IoT)装置等。蒸汽室210是图1中的蒸汽室100的实例配置。与以上参照图1论述的蒸汽室100类似，蒸汽室210包含密封容器212、芯结构214和空腔216。如图2A所示，电子装置200还包含芯片封装202和位于芯片封装202与蒸汽室210的密封容器212之间的导热界面204。

芯片封装202可以是集成电路、处理器、微处理器、微芯片或在诸如硅的半导体材料的片(“芯片”)上制造的任何其它组的电子电路。可选地，尽管图2A中示出了芯片封装202，但芯片封装202可替代为图像传感器，功率放大器或将受益于冷却封装的任何其它发热电路系统。导热界面204可以是油脂、环氧树脂、焊料或允许由芯片封装202产生的热量传递到密封容器212的任何材料。参照图1，在图1的描述中提及的“热源”可为导热界面204，与导热界面204耦合的密封容器212的一侧是密封容器212的蒸发器侧，与导热界面204相对的密封容器212的一侧是密封容器212的冷凝器侧。

如图2A所示，电子装置200的第一外盖206沿着密封容器212的外边缘耦合到密封容器212。因此，密封容器212的暴露表面(即，密封容器的未被第一外盖206覆盖的那些表面)形成电子装置200的第二外盖。作为实例，第一外盖206可以是电子装置200的前盖，密封容器212可以是电子装置200的后盖。第一外盖206和密封容器212可以通过本领域已知的用于耦合电子装置的外盖的任何方式彼此耦合。

图2B示出了根据本发明的一个方面的示范性电子装置200的底视图。在图2B的实例中，第一外盖206已被移除，从而暴露经由导热界面204安装到密封容器212的芯片封装202。如图2B所示，电子装置200为圆形。密封容器212内的芯结构214和空腔216的边界用虚线表示。如图2A和2B所示，密封容器212形成电子装置200的整个后盖。

如上所述，本公开的蒸汽室可以与所述电子装置的外盖的内表面耦合，并且与所述电子装置的外盖的内表面的形状共形。因此，参考上述安全摄像机的实例，蒸汽室可以耦合到安全摄像机的后盖的内表面并与其共形。

图3是根据本公开的一个方面的包含蒸汽室310的示范性电子装置300的横截面侧视图。蒸汽室310是图1中的蒸汽室100的实例配置。与以上参照图1论述的蒸汽室100类似，蒸汽室310包括密封容器312、芯结构314和空腔316。如图3所示，电子装置300还包含芯片封装302(类似于芯片封装202)和位于芯片封装302与蒸汽室310的密封容器312之间的导热界面304(类似于导热界面204)。如图2A和2B所示，尽管在图3中示出了芯片封装302，但芯片封装302也可替代为图像传感器、功率放大器或将受益于冷却封装的任何其它发热电路系统。

如图3所示，电子装置300具有第一外盖306和第二外盖308。作为实例，第一外盖306可以是电子装置300的后盖，而第二外盖308可以是电子装置300的前盖。外盖306和308可以是金属或聚合物，并且可以通过本领域已知的用于耦合电子装置的外盖的任何方式彼此耦合。在图3的实例中，密封容器312通过导热界面318与电子装置300的第一外盖306热耦合。导热界面318可以是油脂、环氧树脂、焊料或允许热量从密封容器312传递到第一外盖306的任何材料。导热界面318可围绕整个蒸汽室310，或少于整个蒸汽室310(如图3所示)。如图3所示，密封容器312与第一外盖306的整个内背面共形。第一外盖306的壁面可以(如图3所示)但不必延伸超过密封容器312的厚度。

图4是根据本公开的一个方面的包含蒸汽室410的示范性电子装置400的横截面侧视图。蒸汽室410是图1中的蒸汽室100的实例配置。与以上参照图1论述的蒸汽室100类似，蒸汽室410包含密封容器412、芯结构414和空腔416。如图4所示，电子装置400还包含芯片封装402(类似于芯片封装202)和位于芯片封装402与蒸汽室410的密封容器412之间的导热界面404(类似于导热界面204)。如图2A和2B所示，尽管在图4中示出了芯片封装402，但是芯片封装402也可替代为图像传感器、功率放大器或将受益于冷却封装的任何其它发热电路系统。

如图4所示，电子装置400具有第一外盖406和第二外盖408。作为实例，第一外盖406可以是电子装置400的后盖，而第二外盖408可以是电子装置400的前盖。外盖406和408可以是金属或聚合物，并且可以通过本领域已知的用于耦合电子装置的外盖的任何方式彼此耦合。在图4的实例中，密封容器412通过导热界面418与电子装置400的第一外盖406热耦合。导热界面418可以是油脂、环氧树脂、焊料或允许热量从密封容器412传递到第一外盖406的任何材料。导热界面418可以延伸超过蒸汽室410的外边缘(如图4所示)，或者可以与蒸汽室410的边缘齐平。如图4所示，密封容器412与第一外盖406的内背面的一部分而不是全部共形。

如图4所示，蒸汽室410的与芯片封装402耦合的表面的面积(即，蒸汽室410的蒸发器侧)和蒸汽室410的与第一外盖406耦合的表面的面积(即，蒸汽室410的冷凝器侧)大于芯片封装402的与蒸汽室410耦合的表面的面积。然而，这不是必需的，并且蒸汽室410的表面积可以更大或更小，这取决于电子装置400和/或第一外盖406的设计。然而，应当理解的是，蒸汽室(例如，蒸汽室100、210、310、410)越大，对热源(例如，芯片封装202、302、402)的冷却效益就越大。通常，即使蒸汽室没有形成为电子装置的盖(如图2A和2B所示)，或者与电子装置的外盖的整个内背面不共形(如图3所示)，有益的是，与芯片封装和导热界面耦合的蒸汽室的表面积至少与芯片封装的表面积一样大(如图4所示)。另外，虽然没有必要将蒸汽室形成为电子装置的盖(如图2A和2B所示)，但如果反而将蒸汽室与电子装置的后盖耦合(如图3和4所示)，从蒸汽室的冷凝器侧散发出来的热量将需要穿过电子装置的外盖，这可能对蒸汽室的效率影响极小。

此外，尽管诸如手机、安全摄像机、可穿戴装置、IoT装置等之类的小型电子装置由于其通常不具有除了通过装置外盖的热传导以外的任何冷却机制的事实而可能从利用本公开的蒸汽室中受益最大，大型装置也将受益。例如，本发明的蒸汽室可以代替通常安装在较大的芯片封装上的典型的散热器和风扇冷却封装，尤其是在台式计算机或服务器计算机中。用本公开的蒸汽室代替散热器和风扇冷却封装将消除此类冷却封装所需的空间、噪音和维护。在另一方面，为了提高冷却效率，可以将风扇添加到蒸汽室的冷凝器侧，使得蒸汽室将仅代替散热器和风扇冷却封装的散热器。

此外，蒸汽室的厚度(即，蒸汽室从蒸发器侧的外表面到冷凝器侧的外表面的尺寸)可由具体应用决定。例如，对于较大的热源，较厚的蒸汽室将是有益的，而对于较小的热源，较薄的蒸汽室可能就足够了。例如，蒸汽室的厚度可薄至0.6毫米。然而，应当理解的是，更薄或更厚的蒸汽室是可能的。

虽然前述所公开内容展示本公开的说明性方面，但应注意，在不脱离由所附权利要求书界定的本公开的范围的情况下，可在本文中进行各种改变和修改。根据本文所描述的本公开的各个方面的方法权利要求书的功能、步骤和/或动作不需要以任何特定次序执行。此外，尽管可以单数形式描述或主张本公开的元件，但也涵盖复数形式，除非明确规定了限于单数形式。

Claims (20)

1.一种用于冷却电子装置的设备，其包括：

与所述电子装置的发热部件耦合的蒸汽室，所述蒸汽室包括：

具有蒸发器侧和与所述蒸发器侧相对的冷凝器侧的密封容器；

安置在所述密封容器的内表面上的芯结构；以及

容纳在所述密封容器中的流体，其中：

所述密封容器的所述蒸发器侧与所述发热部件耦合；

所述密封容器的所述冷凝器侧与所述电子装置的外盖的内表面耦合；

所述密封容器的所述冷凝器侧与所述电子装置的所述外盖的所述内表面的形状共形；且

当所述发热部件产生热量时，所述流体在所述密封容器的所述冷凝器侧汽化，并且通过所述芯结构返回到所述密封容器的所述蒸发器侧。

2.根据权利要求1所述的设备，其中所述蒸汽室与所述电子装置的所述外盖的所述内表面热耦合。

3.根据权利要求1所述的设备，其中所述蒸汽室与所述电子装置的所述外盖的少于整个所述内表面耦合。

4.根据权利要求1所述的设备，其中所述蒸汽室与所述电子装置的所述外盖的整个所述内表面耦合。

5.根据权利要求1所述的设备，其中所述密封容器的所述冷凝器侧是所述蒸汽室与所述电子装置的所述外盖的所述内表面耦合的侧。

6.根据权利要求1所述的设备，其中所述密封容器为铝或铜，且所述电子装置的所述外盖为聚合物。

7.根据权利要求1所述的设备，其中所述发热部件包括芯片封装、成像传感器或功率放大器。

8.根据权利要求1所述的设备，其中所述流体包括水、乙醇或甲醇。

9.根据权利要求1所述的设备，其中所述电子装置包括摄像机、手机、可穿戴装置或物联网IoT装置。

10.根据权利要求1所述的设备，其中所述芯结构包括烧结铜粉、纤维材料、碳纤维、铜或铝网，或者在所述密封容器的所述内表面上的凹槽。

11.根据权利要求1所述的设备，其中所述发热部件与所述蒸汽室热耦合。

12.根据权利要求1所述的设备，其中所述蒸汽室的所述蒸发器侧的表面积大于或等于所述发热部件的表面积。

13.一种用于冷却电子装置的设备，其包括：

与所述电子装置的发热部件耦合的蒸汽室，所述蒸汽室包括：

具有蒸发器侧和与所述蒸发器侧相对的冷凝器侧的密封容器；

安置在所述密封容器的内表面上的芯结构；以及

容纳在所述密封容器中的流体，其中：

所述蒸汽室形成所述电子装置的外盖；

所述密封容器的所述蒸发器侧与所述发热部件耦合；且

当所述发热部件产生热量时，所述流体在所述密封容器的所述冷凝器侧汽化，并且通过所述芯结构返回到所述密封容器的所述蒸发器侧。

14.根据权利要求13所述的设备，其中所述密封容器的所述冷凝器侧形成所述电子装置的所述外盖的外表面。

15.根据权利要求13所述的设备，其中所述密封容器为铝、铜或聚合物。

16.根据权利要求13所述的设备，其中所述发热部件包括芯片封装、成像传感器或功率放大器。

17.根据权利要求13所述的设备，其中所述流体包括水、乙醇或甲醇。

18.根据权利要求13所述的设备，其中所述电子装置包括摄像机、手机、可穿戴装置或物联网IoT装置。

19.根据权利要求13所述的设备，其中所述芯结构包括烧结铜粉、纤维材料、碳纤维、铜或铝网，或在所述密封容器的所述内表面上的凹槽。

20.一种用于冷却电子装置的设备，其包括：

与所述电子装置的发热装置耦合的冷却装置，其中所述冷却装置包括：

具有蒸发器侧和与所述蒸发器侧相对的冷凝器侧的密封容器；

安置在所述密封容器的内表面上的芯吸装置；以及

容纳在所述密封容器中的流体，其中：

所述密封容器的所述蒸发器侧与所述发热装置耦合；

所述密封容器的所述冷凝器侧与所述电子装置的外盖的内表面耦合；

所述密封容器的所述冷凝器侧与所述电子装置的所述外盖的所述内表面的形状共形；且

当所述发热装置产生热量时，所述流体在所述密封容器的所述冷凝器侧汽化，并通过所述芯吸装置返回到所述密封容器的所述蒸发器侧。

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