CN115088400A - 增材制造的散热装置 - Google Patents

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Abstract

一种散热装置，该散热装置包括由导热材料形成的基板和用于将热转移至散热器周围的大气的散热器。基板构造成与诸如集成电路或功率电子设备的热源热连通。散热器布置在基板上并且包括由熔融材料形成的表层，该表层通过增材制造形成，该表层封围室。在室内布置有由多孔材料形成的外芯，该外芯覆包表层的内表面。在室内布置有制冷剂。制冷剂在液相与汽相之间变化以将热从基板传递至表层，并且制冷剂借助于毛细作用通过芯以液相传递回去。散热器还包括多个翅片，其从覆盖件延伸以促进热转移至大气。

Description

增材制造的散热装置
相关申请的交叉引用
本PCT国际专利申请要求于2020年2月12日提交的序列号为62/975,549并且题为“Additive Manufactured Heat Sink”的美国临时专利申请的权益，该美国临时专利申请的全部公开内容通过引用并入本文中。
技术领域
本公开内容总体上涉及用于将热从基板传递至覆盖件的散热装置。更具体地，本公开内容涉及通过增材制造生产的散热装置。
背景技术
散热装置用于将热传递远离诸如电子设备的热源，以防止热源和/或其他部件由于温度过高而被损坏。常规已知的一种类型的散热装置是热导管，热导管使用制冷剂流体，制冷剂流体在蒸发器处从液体变为气体，以将热从热源传送至冷凝器，在冷凝器处，热随着制冷剂流体冷凝回液体而离开。常规的热导管采用芯将冷凝的制冷剂从冷凝器转移回到蒸发器。
增材制造用于在一系列步骤中通过向正在制造的零件逐步添加材料来制造零件。一种常规类型的增材制造使用诸如激光的热源来熔融诸如金属粉末的源材料。通常，源材料从其未被熔融的区域移除。这允许零件被制成各种复杂的形状。
发明内容
提供了一种散热装置，其包括由导热材料形成的基板，基板限定用于从热源传导热的下表面。散热装置还包括远离下表面布置在基板上的散热器。散热器包括由熔融材料形成的表层，该表层通过增材制造形成并且封围室。在室内布置有由多孔材料形成的外芯，该外芯覆包表层的内表面。外芯具有随着距基板的距离变化的物理属性。
还提供了一种形成散热装置的方法。形成散热装置的该方法包括：使源材料选择性地熔融以形成限定散热器的室的表层；使源材料成形以在室内限定覆包表层的内表面的由多孔材料形成的外芯；以及将由导热材料形成的基板附接至散热器以封围室，其中，基板构造成与热源热连通。由多孔材料形成的外芯限定根据距基板的距离而变化的物理属性。
附图说明
根据以下参照相关附图对实施方式示例的描述得出本发明的设计的其他细节、特征以及优点。
图1是根据本公开的一些实施方式的散热装置的侧视剖视图；
图2是根据本公开的一些实施方式的散热装置的侧视剖视图；
图3是根据本公开的一些实施方式的散热装置的侧视剖视图；
图4A是根据本公开的一些实施方式的散热装置的侧视剖视图；
图4B是图4A的一部分的放大视图；
图5A是根据本公开的一些实施方式的散热装置的侧视图；
图5B是图5A的散热装置的穿过截面A-A的横截面图；
图5C是图5A的散热装置的穿过截面B-B的横截面图；
图6A是根据本公开的一些实施方式的散热装置的俯视图；
图6B是图6A的散热装置的穿过截面A-A的横截面图；
图6C是图6A的散热装置的穿过截面B-B的横截面图；
图7是根据本公开的一些实施方式的散热装置的剖视立体图；
图8是根据本公开的一些实施方式的散热装置的立体图；
图9是列出了形成散热装置的方法中的步骤的流程图；以及
图10是列出了通过散热装置散热的方法中的步骤的流程图。
具体实施方式
在公开了散热装置20、120、220的示例实施方式的附图中，重复的特征用相同的附图标记来标示。图1示出了第一示例散热装置20，其包括用于从热源传导热的由导热材料形成的基板22。基板22定形状为在下表面24与上表面25之间延伸的扁平的板。基板22的下表面24构造成与诸如集成电路或功率电子设备的热源热连通。散热装置20、120、220还包括散热器26，散热器26远离下表面24布置在基板22的上表面25上，以用于将热转移至围绕散热器26的大气(例如空气)或液体。散热器26可以通过诸如辐射、传导和/或对流的任何方式将热转移至大气。散热器26包括由熔融材料形成的表层32，表层32通过增材制造形成，并且表层32封围室36。例如，表层32可以通过利用诸如激光的集中热源使诸如松散粉末的源材料选择性地熔融而形成。
散热装置20、120、220还包括由多孔材料形成的外芯38，外芯38布置在室36内并且覆包表层32的内表面34。外芯38对液体是可渗透的，允许液体和/或气体以相对较低的流动限制流过外芯38。在一些实施方式中以及如图1至图2中示出的，外芯38包括可渗透填充物，该可渗透填充物包括布置在室36内的松散颗粒40。如图1至图2中示出的，可渗透填充物可以完全填充室36。替代性地，可渗透填充物可以仅部分地填充室36。松散颗粒40在其间限定了空隙空间42。可渗透填充物例如可以是松散粉末或多孔固体。在一些实施方式中，可渗透填充物包括处于未熔融状态的源材料。例如，源材料的最外部区域可以被熔融以形成表层32，并且位于其中的源材料可以处于未熔融状态或半熔融状态以形成可渗透填充物。
在一些实施方式中，可渗透填充物可以完全由源材料构成。在其他实施方式中，可渗透填充物可以包括源材料与一种或更多种其他成分，其可以在通过增材制造工艺形成表层32之后添加。在其他实施方式中，可渗透填充物可以不包括源材料。例如，可渗透填充物可以完全由在通过增材制造工艺形成表层32之后添加的材料制成。可渗透填充物对液体流是可渗透的，允许液体或气体通过可渗透填充物。可渗透填充物可以包括诸如以下的其他结构部件，例如其间具有空隙空间42的晶格或泡沫或压实的颗粒固体。例如，可渗透填充物可以包括松散颗粒和另一液体可渗透材料(例如晶格或泡沫或压实固体)的组合。可渗透填充物优选地用作多孔芯，从而促进毛细作用以通过多孔芯传递液体。在一些实施方式中，可渗透填充物向散热装置20、120、220提供结构刚度，其可以抵消基板22、覆盖件30和/或表层32上的空气压力。这在其中室36处于真空下的实施方式中可能特别有用。
在一些实施方式中，并且如图1至图2中示出的，散热器26包括在基板22与覆盖件30之间延伸的基部28，覆盖件30与基板22间隔开。基板22和/或覆盖件30中的一者或二者可以借助于增材制造通过对源材料进行熔融而制成。替代性地或附加地，基板22和/或覆盖件30可以独立地制成和/或通过不同的工艺例如通过冲压、铸造、机加工等制成。在一些实施方式中，表层32的全部或一部分形成覆盖件30。在一些实施方式中，覆盖件30是大致平坦的，并且覆盖件30与基板22平行且间隔开。然而，根据包装要求和/或散热要求，覆盖件30可以具有不同的形状或取向。基部28可以是中空的，从而在基部28中限定室36。在一些实施方式中，基部28可以部分或完全地填充有材料。
在一些实施方式中，并且如图1至图2中示出的，在室36内布置有制冷剂50。制冷剂50可以自由地流动通过外芯38。外芯38可以将制冷剂50保持在表层32附近，从而提高散热装置20、120、220散热的能力。制冷剂50可以汽化，或者在液相52与汽相54之间转变，以将热从基板22传递至覆盖件30。例如，制冷剂50可以从靠近基板22的第一区域56汽化并且以汽相54行进至靠近覆盖件30的第二区域58。在第二区域58处，制冷剂50可以冷凝回液相52。处于液相52的制冷剂50可以通过松散颗粒40内的空隙空间42传递并且通过毛细作用返回至靠近基板22的第一区域56。
在一些实施方式中，并且如图1至图2中示出的，散热器26包括远离基板22延伸的多个翅片60。更具体地，覆盖件30可以在大致平坦的平面中延伸，其中，所述多个翅片60大致横向于大致平坦的平面延伸。覆盖件30可以限定一个或更多个弯曲表面，所述一个或更多个弯曲表面可以包括或可以不包括从所述一个或更多个弯曲表面延伸的翅片60。翅片60可以形成为支柱或柱。替代性地或附加地，翅片60可以形成为沿着覆盖件30延伸相当长的长度的肋。翅片60可以用于增加表层32的表面积，以促进诸如气体或液体的流体的热转移，接触表层32的与室36相对的外表面。
在一些实施方式中，并且如图1中示出的，翅片60是固体。在一些其他实施方式中，并且如图2中示出的，外芯38延伸到翅片60中。在一些实施方式中，并且例如如图2中示出的，翅片60填充有可渗透材料，该可渗透材料可以与基部28内的可渗透材料流体连通。以这种方式，处于汽相54的制冷剂50可以行进到翅片60中以到达第二区域58，第二区域58足够冷以致使蒸汽54冷凝回液相52。
图3至图4、图5A至图5C、图6A至图6C和图7示出了第二示例散热装置120。第二示例散热装置120类似于第一示例散热装置20，其中具有一些附加的设计特征。在一些实施方式中，散热器26通过增材制造形成为整体件。类似于第一示例散热装置20，第二示例散热装置120包括由多孔材料形成的外芯38，外芯38布置在室内并且覆包表层32的内表面34。在一些实施方式中，外芯38包括通过增材制造形成的熔融的材料或部分熔融的材料。
图3至图7中示出的第二示例散热装置120包括远离基板22延伸的多个翅片60。在一些实施方式中，翅片60中的至少一个翅片60包括本体62，本体62定形状为远离基板22延伸至封闭顶部64的杆状件或锥形件。例如，翅片60中的一个翅片60的本体62可以定形状为延伸了覆盖件30与封闭顶部64之间的整个长度的筒形件。在另一示例中，翅片60中的一个翅片60的本体62可以从覆盖件30处的第一横截面区域渐缩至封闭顶部64处的第二较小的横截面区域。
在一些实施方式中，并且如图3至图4中示出的，散热装置20、120、220包括由多孔材料形成的内芯66，内芯66布置在室36内并且覆包基板22的上表面25。在一些实施方式中，内芯66可以与基板22一体地形成，例如形成为整体件。替代性地，内芯66可以与基板22分开形成。在一些实施方式中，并且如图3至图4中示出的，散热装置20、120、220包括由多孔材料形成的中间芯68，中间芯68在室36内布置在外芯38与内芯66之间以用于在外芯38与内芯66之间传递液体。在一些实施方式中，并且同样如图3至图4中示出的，散热器26限定腔70，腔70在邻近基板22的内芯66之间延伸到翅片60中。腔70可以向上延伸到翅片60的封闭顶部64内。汽相54的制冷剂50可以从内芯66行进穿过腔70并且进入到翅片60中，在翅片60处，汽相54的制冷剂50冷凝成液相52。液相52的制冷剂可以在外芯38内冷凝并且通过重力和/或通过毛细作用经由中间芯68返回至内芯66。
芯38、66、68中的任一者或全部可以通过增材制造(AM)形成。在一些实施实施方式中，芯38、66、68中的每一者可以与表层32一起由共享的源材料形成。例如，可以使用第一熔融功率和/或速度来产生不可渗透的表层32，并且可以使用第二较低的熔融功率和/或较高的速度来产生对液体流可渗透的芯38、66、68中的任一者或全部。在一些实施方式中，在相邻层之间在AM工艺中使用的路径可以被旋转以在芯38、66、68中的一者或更多者内形成开放的晶格型结构。
在一些实施方式中，并且如图3中示出的，基板22可以包括由诸如金属之类的材料形成的固体件。替代性地，基板可以包括绝缘金属基板(IMS)印刷电路板，例如Henkel的ThermalClad。
在一些实施方式中，基板22可以在散热器26形成之后附接至散热器26。在一些实施方式中，在将基板22附接至散热器26之前，可以将未熔融的源材料从散热器26移除，由此在散热器26内形成腔70。基板22可以被焊接至散热器26以气密地密封室36。替代性地或附加地，基板22可以通过例如使用粘合剂和/或使用一个或更多个紧固件的其他方式而附接至散热器26。
图4A至图4B示出了具有外芯38的散热装置120的侧视剖视图，外芯38具有随着距基板22的距离而变化的一个或更多个物理属性。在一些实施方式中，并且如图4A所示，散热装置120可以部分或完全地填充有处于部分熔融和/或未熔融状态的源材料33。这样的未熔融的源材料可以称为“绿色”粉末。未熔融的源材料33可以进一步增强从基板22到表层32的热转移。
图4B是图4A的一部分的放大截面图。在一些实施方式中，各个物理属性中的一个或更多个可以以离散步长变化。替代性地或附加地，各个物理属性中的一个或更多个可以随着距基板22的距离而连续地变化。例如，外芯38的厚度t可以以离散的步长、线性地、指数地或以一些其他距离函数变化。在一些实施方式中，并且如图4B所示，一个或更多个物理属性包括随距离变化的孔隙率p。具体地，图4B示出了一种实施方式，该实施方式在第一区域中具有第一孔隙率p1，在位于第一区域与基板22之间的第二区域中具有第二孔隙率p2，并且在位于第二区域与基板22之间的第三区域中具有第三孔隙率p2。
在一些实施方式中，并且也如图4B所示，一个或更多个物理属性包括随距离变化的厚度t。例如，外芯38可以在与基板22间隔远离的第一位置处的第一厚度t1和在第一位置与基板22之间的第二位置处的第二厚度t2以及在第二位置与基板22之间的第三位置处的第三厚度t3之间变化。换句话说，外芯38的厚度t可以在更靠近基板22的较大值与更远离热源10的较小值之间变化。
外芯38的一个或更多个变化的物理属性可以包括其他属性，例如构成外芯38的材料颗粒的成分、尺寸和/或形状，或者构成外芯38的结构中的结构特征(例如单元)的尺寸和/或形状，或者外芯38的任何其他物理属性。
图5A至图5C、图6A至图6C和图7示出了第二示例散热装置120的各种视图。在一些实施方式中，基板22具有100mm×100mm的方形覆盖区。基板22可以具有其他形状，这可以取决于应用要求。基板22可以小于或大于100mm×100mm。在一些实施方式中，各个翅片60中的每个翅片60均可以具有直径为15mm的圆形横截面。然而，翅片60可以具有不同的形状和/或尺寸，其可以是规则的或不规则的。换句话说，一个散热装置20、120、220上的不同的翅片60可以具有不同的形状或尺寸。散热装置20、120、220可以具有75mm的总高度，然而，散热装置20、120、220在高度方面可以小于或大于75mm。基部28在基板22的下表面24与覆盖件30之间可以具有25mm的高度。然而，基部28可以具有小于或大于25mm的高度。
图8示出了类似于第二示例散热装置120的第三示例散热装置220。第三示例散热装置220包括以8×8模式布置的六十四个翅片60。第三示例散热装置220的翅片60中的每个翅片60均具有锥形形状，其中，本体62从基部28处的第一横截面区域渐缩至封闭顶部64处的第二较小的横截面区域。
如图9的流程图中所描述的，还提供了形成散热装置20、120、220的方法100。方法100包括102使源材料选择性地熔融以形成对散热器26的室36进行限定的表层32。在一些实施方式中，可以利用激光使源材料选择性地熔融。
方法100还包括104使源材料成形以在室内限定覆包表层32的内表面34的由多孔材料形成的外芯38。使外芯38成形可以包括使源材料熔融，其可以作为用于形成表层32的同一增材制造工艺的一部分来执行。在一些实施方式中，使源材料熔融以限定外芯38的该步骤104利用具有与用于使源材料选择性地熔融以形成表层32的强度相比更低的强度的能量源来执行。
在一些实施方式中，使源材料成形以限定由多孔材料形成的外芯38的步骤104包括改变由多孔材料形成的外芯38的一个或更多个物理属性。在该步骤104中改变一个或更多个物理属性例如可以包括例如使用不同的能量级和/或不同的模式改变使源材料成形以限定外芯38的工艺。替代性地或附加地，改变一个或更多个物理属性可以包括改变源材料。例如，可以使用具有不同成分和/或不同物理属性(例如颗粒尺寸)的源材料，来形成不同级别的外芯38。一个或更多个物理属性可以根据距给定位置的距离而变化，给定位置例如是接收基板22的外芯38的表面。一个或更多个物理属性可以包括例如外芯38的厚度和/或孔隙率。替代性地或附加地，一个或更多个物理属性可以包括多孔材料的颗粒尺寸和/或另一物理属性，例如多孔材料的单元尺寸或形状。在一些实施方式中，一个或更多个物理属性可以以两个或更多个离散步长变化。替代性地或附加地，一个或更多个物理属性可以根据距离而连续地变化。例如，厚度可以随着距离在第一厚度与不同的第二厚度之间以恒定速率或者以改变速率而变化。
方法100还包括106将由导热材料形成的基板22附接至散热器26以封围室36，其中，基板22构造成与热源10热连通。附接基板22可以包括形成对室36进行封围的气密密封件。基板22可以焊接至散热器26。替代性地或附加地，基板22可以通过例如使用粘合剂和/或使用一个或更多个紧固件的其他方式而附接至散热器26。
方法100还包括108从室36移除过量的源材料以限定腔70。过量的源材料例如可以是未被增材制造工艺固化的“绿色”粉末。在一些实施方式中，可以在附接基板22之前从室36移除过量的源材料。例如，可以从散热器26的底表面移除过量的源材料，随后用基板22覆盖散热器的底表面以封围室36。在其他实施方式中，过量的源材料可以从穿过散热器26的表层32的孔被移除。例如，孔可以被钻削穿过表层32，以用于从散热器26的室36排出过量的源材料。这样的孔可以在过量的材料被移除之后被堵塞或填充。来自增材制造工艺的源材料可以从室36中被移除，例如通过抽吸或通过将其从基板22和/或表层32中的一个或更多个孔摇出而从室36中被移除。可以将附加材料添加到室36中以构成可渗透填充物。室36内的可渗透填充物的量和/或组成可以被选择成优化制冷剂50的芯吸。替代性地或附加地，室36内的可渗透填充物的量和/或组成可以被选择成向散热装置20、120、220提供结构刚度，并且特别地被选择成在室36包含真空的情况下抵消空气压力。
在一些实施方式中，形成散热装置20、120、220的方法100还可以包括110从室36中排出空气。例如，如果室36在真空中形成使得室36一开始就几乎不含空气，则该步骤可能是不必要的。
在一些实施方式中，形成散热装置20、120、220的方法100还可以包括112将制冷剂50添加到室36中以及114在将制冷剂50添加到室36中之后密封室36。密封室36可以通过将基板22附接至散热器26和/或通过固定盖或塞以覆盖进入室36的通道来执行，其中，通道在早期阶段用于将制冷剂50添加到室36中、和/或用于从室36排出空气。这样的通道可以形成为增材制造工艺的一部分。替代性地，通道可以在室36形成之后例如通过钻削或穿孔来形成。替代性地，通道可以在表层32形成之前一体地形成在基板22中。
在一些实施方式中，形成散热装置20的方法100还可以包括116形成覆包基板22的上表面25的由多孔材料形成的内芯66。在一些实施方式中，形成散热装置20的方法100还可以包括118形成由多孔材料形成的中间芯68，中间芯在室36内布置在外芯38与内芯66之间以用于在外芯38与内芯66之间传递液体。
如图10的流程图所描述的，还提供了通过散热装置20、120、220散热的方法200。通过散热装置20散热的方法200包括202将制冷剂50从靠近基板22的第一区域56蒸发成气态，气态也被称为汽相54。通过散热装置20、120、220散热的方法200还包括204在靠近散热器26的表层32的第二区域58处将制冷剂50从气态冷凝至液态，液态也称为液相52。
通过散热装置20、120、220散热的方法200以步骤206继续进行，步骤206将处于液相52的制冷剂50从第二区域58传递至第一区域56。在一些实施方式中，传递处于液相52的制冷剂50的步骤206至少部分地通过一个或更多个芯38、66、68经由毛细作用来执行。替代性地或附加地，传递处于液相52的制冷剂50的步骤206可以至少部分地通过重力来执行。在这种情况下，散热装置20、120、220可以具有优选的取向，在该取向中，从基板22移除热是最有效的。
已经出于说明和描述的目的提供了实施方式的前述描述。这些描述并不意在穷举或限制本公开。特定实施方式的各个元件或特征通常并不限于该特定实施方式，而是在适用的情况下，也能够相互交换并且能够用于所选的实施方式，即使未具体地示出或描述也是如此。特定实施方式的各个元件或特征还可以以许多方式进行变型。这样的变型并不被认为偏离本公开内容，并且所有这样的修改旨在包括在本公开内容的范围内。

Claims (15)

1.一种散热装置，包括：
由导热材料形成的基板，所述基板限定用于从热源传导热的下表面；
散热器，所述散热器远离所述下表面布置在所述基板上，所述散热器包括由熔融材料形成的表层，所述表层通过增材制造形成并且封围室；以及
由多孔材料形成的外芯，所述外芯布置在所述室内并且覆包所述表层的内表面，所述外芯具有随着距所述基板的距离变化的物理属性。
2.根据权利要求1所述的散热装置，其中，所述外芯包括通过增材制造形成的熔融的材料或部分熔融的材料。
3.根据权利要求1所述的散热装置，还包括：
制冷剂，所述制冷剂布置在所述室内并且能够流动通过所述外芯。
4.根据权利要求3所述的散热装置，其中，所述制冷剂能够在液相与汽相之间变化，以将热从所述基板传递至所述散热器的所述表层。
5.根据权利要求1所述的散热装置，其中，所述散热器包括延伸远离所述基板的多个翅片。
6.根据权利要求1所述的散热装置，其中，所述多个翅片中的至少一个翅片包括本体，所述本体定形状为延伸远离所述基板而至封闭顶部的杆状件或锥形件。
7.根据权利要求1所述的散热装置，还包括由多孔材料形成的内芯，所述内芯布置在所述室内并且覆包所述基板的上表面。
8.根据权利要求7所述的散热装置，还包括由多孔材料形成的中间芯，所述中间芯在所述室内布置在所述外芯与所述内芯之间以用于在所述外芯与所述内芯之间传递液体。
9.根据权利要求1所述的散热装置，其中，所述外芯的物理属性为厚度。
10.根据权利要求1所述的散热装置，其中，所述外芯的物理属性为孔隙率。
11.根据权利要求1所述的散热装置，其中，所述物理属性随着距所述基板的距离连续变化。
12.根据权利要求1所述的散热装置，其中，所述物理属性随着距所述基板的距离以多个离散步长变化。
13.一种形成散热装置的方法，所述方法包括：
使源材料选择性地熔融以形成对散热器的室进行限定的表层；
使所述源材料成形以在所述室内限定覆包所述表层的内表面的由多孔材料形成的外芯；
将由导热材料形成的基板附接至所述散热器以封围所述室，其中，所述基板构造成与热源热连通；以及
其中，由多孔材料形成的所述外芯限定根据距所述基板的距离而变化的物理属性。
14.根据权利要求13所述的方法，还包括从所述室移除过量的源材料以限定腔。
15.根据权利要求13所述的方法，还包括：
将制冷剂添加到所述室中；以及
在将所述制冷剂添加到所述室中之后密封所述室。
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