KR20000053344A - 박막, 평면 열 스프레더 - Google Patents

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Abstract

열 스프레더(spreader) 장치(20)는 열 발생 표면에 연결하기 위한 제 1 평면체(22)와 사이에 틈을 가지면서 제 1 평면체(22)에 연결된 제 2 평면체(21)를 포함한다. 이 틈에 기화한 액체가 수용되고 평면 모세관 경로(50)와 비모세관 경로(32)가 배치된다.

Description

박막, 평면 열 스프레더{THIN, PLANAR HEAT SPREADER}
반도체의 크기는 계속 작아지고 있다. 이 크기 감소와 대응해 반도체의 전력 밀도를 높이고 있다. 이것은 다량의 열을 방열하는데 이는 해결되어야 할 과제이다. 왜냐하면 과다한 열은 반도체 성능을 저하시키기 때문이다.
열 파이프와 열사이펀(thermosiphon)은 반도체를 냉각시키기 위해서 사용되어 왔다. 이 열 파이프와 열사이펀은 열을 전달하기 위해서 기화 잠열을 이용하는 폐쇄 2주기로 작동한다.
열사이펀은 액체를 담고 있는 관으로서 사용된다. 반도체, 예를 들어 마이크로프로세서에 대해 사용될 때 기화기 또는 증발기로 불려지는 열사이펀의 제 1 단부는 반도체의 열 발생 표면에 부착된다. 응축장치로 불려지는 열사이펀의 제 2 단부는 반도체로부터 수직으로 뻗어있는데 여기에서 대기에 의해 냉각된다.
제 1 사이클에서, 반도체로부터 발생한 열은 열사이펀 내에서 액체를 기화시킨다. 이 기화 작용 중에, 액체 증기는 기화 잠열로 불려지는 다량의 열을 흡수한다. 기화기에 형성된 증기는 응축장치에서 증기보다 고온, 고압 하에 있다. 그러므로 증기는 증발기로부터 응축장치까지 이동한다.
제 2 사이클에서, 증기는 열사이펀의 응축장치 벽에서 응축한다. 이 응축 작용에 의해 발열한다. 결과적으로, 증발기에서 응축기로 열은 이동한다. 그 후에 중력에 의해 응축기 내 응축물을 증발기로 역류시킨다. 상기 2주기 공정은 그 후에도 반복된다.
비록 열사이펀의 안쪽 면이 요홈 또는 다공 부분과 정렬되어서 증발기로 응축물이 되돌아가도록 하고 열 전달 계수를 증가시킬지라도, 열사이펀은 원칙적으로 증발기로 액체가 되돌아가도록 작용하는 중력에 의존한다. 적절한 작동을 위해, 열사이펀의 증발기는 응축기 아래에 배치되어야 한다.
열 파이프는 열 사이펀과 동일한 원리로 작용한다. 열 파이프의 특징은 응축기에서 증발기로 액체의 흐름을 향상시키기 위해서 분리된 심지 구조를 이용한다는 것이다. 비록 장치의 효율성이 다른 물리적 배향으로 크게 바뀔 수 있을지라도, 상기 심지 구조는 중력에 반작용하도록 배향된 증발기와 더불어, 중력에 대해 수평 방향으로 열 파이프를 사용할 수 있도록 한다. 예를 들어, 만일 장치가 중력에 반작용하도록 배치된다면, 그것의 성능은 약 1/2로 저하된다. 그러므로 응축기에서 열 파이프와 열사이펀을 구분하는 증발기까지 액체의 흐름을 향상시키도록 로컬 중력장에 의존한다.
마이크로프로세서를 가지는 열사이펀을 사용할 때 발생하는 문제점은, 열사이펀이 중력에 대해 수직으로 배향할 필요가 있다는 것이다. 이것은 높은 프로우필 장치를 필요로 한다. 결과적으로 열사이펀은 노트북, 탁상용 컴퓨터 및 전력 공급부와 같은 소형 전자 장비와 사용하기에 어렵다.
열사이펀을 사용할 때 발생할 수 있는 또다른 문제점은, 그것이 방향에 아주 민감하다는 것이다. 즉, 이것은 증발기로 응축액이 되돌아가도록 중력이 작용하게 배향되어야 한다는 것이다. 마이크로프로세서 판매업자는, 컴퓨터 사용자가 컴퓨터를 어떻게 배치할 것인지 모른다. 예를 들어, 어떤 컴퓨터는 탁상에 수평으로 배치되어야 하는 반면에, 또다른 컴퓨터는 바닥에서 수직으로 장착되어야 한다. 열사이펀은 중력에 대해 단일 기설정된 물리적 배향으로 작동할 수 있다.
열 파이프는 열사이펀만큼 방향에 민감하지는 않지만, 분리된 심지구조를 사용해야 하는 단점이 있다. 분리된 심지 구조는 스크린, 소결된 금속으로 형성되거나 일련의 축방향 요홈으로서 형성된다. 분리된 심지 구조는 제작 비용을 높이고 열 파이프를 대량 생산할 수 없다. 또, 스크린과 같은 분리된 심지 구조는 비교적 높은 유체역학 저항을 발생시킨다. 따라서, 방향에 민감하지 않고 높은 유체역학적 저항을 가지는 심지 구조를 필요로 하지 않는 열 전달 장치를 제공하는 것이 바람직하다. 이 장치는, 다양한 소형 전자 장비에 쉽게 끼울 수 있도록 낮은 종방향 프로우필을 가져야 한다.
반도체와 관련된 열 문제를 없애는데 보통 사용되는 또다른 유형의 장치는 핀(fin)이 있는 히트 싱크이다. 핀이 있는 히트 싱크는 열 생성 반도체 표면에 부착된 수평면과 수평면에서 수직으로 뻗어있는 일련의 핀을 포함한다. 이 핀은 대기에 의해 냉각된다. 따라서, 수평면에서 열은 핀으로 전도, 이동한다. 일반적으로, 열은 핀이 있는 히트 싱크의 수평면의 소수 영역에서만 발생된다. 따라서, 소수 영역에 대응하는 핀은 대부분 냉각 기능을 가진다. 국소 열의 문제점을 완화하기 위해서, 비교적 두꺼운 열 슬러그가 열 분배 성능을 향상시키는데 사용될 수 있다. 이런 접근 방식이 안고 있는 문제점은 장치의 종방향 프로파일을 증가시키는 것이다. 또, 열 슬러그는 중량이 많이 나가고 비교적 비싸다. 반도체 패키지의 종방향 프로파일을 증가시키지 않으면서, 핀이 있는 히트 싱크의 수평면을 따라 균일하게 열을 분배하는 장치를 제공하는 것이 바람직하다. 이 장치는 히트 싱크의 모든 핀이 열을 방산시키도록 허용한다. 따라서 핀이 있는 히트 싱크의 효율성은 향상된다.
팬은 반도체와 같은 열 생성 표면이 안고 있는 열 문제점을 줄이는데 사용되어 왔다. 일반적으로 팬이 열을 제거하는 표면상의 열 분배는 불균일하다. 이 조건하에서 작동하는 팬은 균일한 열 분배를 하는 표면으로부터 열을 제거하는 팬만큼 효율적이지 못하다. 그리고 팬이 열 생성 표면에서 사용될 때, 유체역학 조사에 따르면 팬에 의해 발생된 대부분의 공기 운동은 팬의 둘레에 적용된다는 것을 알 수 있다. 따라서, 열 생성 표면의 둘레에 열을 전달하는 것은 중요하다. 전술한 대로, 팬으로 노출된 표면에 열을 균일하게 분배하는 장치를 제공하는 것은 바람직하다. 이 장치는 소형 전자 장비와 함께 사용할 수 있도록 낮은 종방향 프로파일을 가진다.
본 발명은 마이크로프로세서 및 다른 마이크로전자 장치와 함께 사용하기 위한, 열 분산 장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 평면 모세관 액체 경로를 사용하여 열을 분배하는 얇은, 평면 열 스프레더에 관련된다.
본 발명의 성질과 목적을 더욱 더 잘 이해할 수 있도록, 첨부 도면과 더불어 하기 상세한 설명을 참고하자:
도 1 은 본 발명의 실시예에 따라 형성된 열 스프레더의 횡단면도.
도 2 는 도 1에 나타낸 열 스프레더 일부분의 투시도 .
도 3 은 본 발명의 실시예에 따른 열 스프레더 부분의 상측면도.
도 4 는 열 스프레더 내의 유체를 보여주는, 도 3의 4-4선을 따라서 본 횡단면도.
도 4a 는 도 4에 도시된 장치의 분해도.
도 5 는 본 발명의 실시예에 따른 열 스프레더 부분의 다른 구조를 도시한 도면.
도 6 은 본 발명의 실시예에 따른, 확장된 평면 모세관 유체 경로를 가지는 열 스프레더의 상측면도.
도 7 은 도 6의 7-7선을 따라서 본 횡단면도.
도 8 은 본 발명의 다른 실시예에 따른 두 개의 열원을 가지고 있는 열 스프레더 몸체의 상측면도.
도 9 는 도 8의 9-9선을 따라서 본 횡단면도.
도 10 은 본 발명의 다른 실시예에 따른 4개의 열원을 가지고 있는 열 스프레더 몸체의 상측면도.
도 11 은 도 10의 11-11선을 따라서 본 횡단면도.
도 12 는 본 발명에 따른 또다른 열 스프레더 몸체의 횡단면도.
도 13 은 중력에 대해 수직으로 배치될 때 도 12의 열 스프레더 몸체 내의 유체 패턴을 나타낸 도면.
도 14 는 본 발명에 따른 또다른 열 스프레더 몸체 구조를 나타낸 횡단면도.
도 15 는 본 발명에 따른 두 개의 열원을 가지고 있는 다른 열 스프레더 몸체의 횡단면도.
도 16 은 중력에 대해 수직으로 배치될 때 도 15의 열 스프레더 몸체 내의 유체 패턴을 도시한 도면.
도 17 은 본 발명의 실시예에 따른 ″방사상″ 열 스프레더 구조의 하부 몸체 부분의 상측면도.
도 18 은 도 16의 18-18선을 따라서 본 횡단면도.
도 19 는 도 18에 도시한 장치 일부분의 확대도.
도 20 은 도 19의 열 스프레더와 함께 사용되는 상부 몸체 부분의 측면도.
도 21 은 본 발명의 실시예에 따른 ″원 배열″인 열 스프레더 구조의 하부 바닥부분의 상측면도.
도 22 는 도 21의 22-22 선을 따라서 본 횡단면도.
도 23 은 도 22의 장치 일부분의 확대도.
도 24 는 도 21의 히트 스프레더와 함께 사용되는 상부 몸체 부분의 측면도.
도 25 는 본 발명의 실시예에 따른 ″사각형 매트릭스″ 구조의 열 스프레더의 바닥 몸체 부분의 상측면도.
도 26 은 도 25의 26-26선을 따라서 본 횡단면도.
도 27 은 도 26에 도시한 장치 일부분의 확대도.
도 28 은 도 24의 열 스프레더와 함께 사용되는 상부 몸체 부분의 측면도.
도 29 는 본 발명의 실시예에 따른 ″가변 크기 사각형 매트릭스″구조의 열 스프레더의 바닥 몸체 부분의 상측면도.
도 30 은 도 29의 30-30선을 따라서 본 횡단면도.
도 31 은 도 30의 장치 일부분의 확대도.
도 32 는 도 29의 32-32선을 따라서 본 횡단면도.
도 33 은 도 32에 도시한 장치 일부분의 확대도.
도 34 는 내부에 삼각형 응축 영역이 형성된 증발판을 포함하는 본 발명의 다른 실시예를 나타낸 도면.
도 35 는 모세관 유체 경로의 선택된 영역에 주변 응집 부위 표면을 포함하는 본 발명의 실시예를 나타낸 평면도.
도 36 은 모세관 유체 경로 전체에 대해 주변 응집 부위 표면을 가지는 본 발명의 실시예를 나타낸 평면도.
도 37 은 모세관 영역과 비모세관 영역에 대해 응집 부위 표면을 포함하는 본 발명의 실시예를 나타낸 평면도.
도 38 은 반도체 패키지의 상부에 형성된 커패시터에 대해 틈을 제공하기 위해서 사용되는 받침대 부재를 가지는 본 발명의 실시예를 나타낸 투시도.
도 39 는 반도체 패키지의 상부에 형성된 커패시터에 대해 틈을 제공하기 위해서 개구를 구비한 본 발명의 실시예를 나타낸 투시도.
도 40 은 장치가 확장된 표면적과 장치에 의해 한정된 평면 내에 일체 구성된 평면 열 싱크 핀을 포함하는 본 발명의 실시예를 도시한 투시도.
도 41 은 장치가 곡선형 몸체와 장치에 의해 한정된 평면 내에 일체 구성된 평면 열 싱크 핀을 포함하는 본 발명의 실시예를 도시한 투시도.
동일한 부호 번호는 여러 도면에 대해 대응하는 부분을 나타낸다.
열 스프레더 장치는 제 1 평면체에 고온 영역과 저온 영역을 형성하도록 열 생성 표면에 부착하기 위한 제 1 평면체를 포함한다. 제 1 평면체에 연결된 제 2 평면체는 제 1 평면체와 제 2 평면체 사이에 틈을 주는데 사용된다. 이 틈은 평면 모세관 경로와 비모세관 영역을 포함한다. 공극 내에 수용된 액체는 고온 영역에서 평면 모세관 경로로부터 액체를 기화하고, 저온 영역에서 비모세관 영역에서 액체를 응축시키며, 모세관을 통하여 고온 영역에서 비모세관 영역으로부터 평면 모세관 경로까지 움직임으로써 열을 분산한다.
이 평면체는 아주 얇고, 일반적으로 2.0mm 이하이다. 그럼에도 불구하고 열 분배 특성은 큰 종방향 프로파일을 가지는 기존의 금속 히트 슬러그보다 우수하다. 따라서, 이 장치는 소형 전자 장비에 적합하고 핀이 있는 히트 싱크나 팬과 같은 다른 냉각 장치와 함께 사용하기에 알맞다.
이 장치는 열사이펀 또는 열 파이프처럼 2위상 주기로 작동하지만, 이 장치의 중요한 일부 특성을 가지지 않는다. 열사이펀과는 달리, 본 발명에 따른 장치는 방향에 민감하지 않다. 스크린 또는 축 방향 요홈과 같은, 분리된 심지 구조를 가지는 열 파이프와 달리, 본 발명은 장치의 바디에 형성된 평면 모세관 유체 경로에 의존한다. 평면 모세관 유체 경로 구조는 기존 열 파이프의 비교적 높은 유체역학적 저항을 가지는 심지 구조를 필요로 하지 않는다. 또, 일부 실시예에서 모세관 유체 경로의 구조는 응축기에서 유체 흐름과 증발기에서 증기 흐름 사이의 역류하는 비스코스 전단력과, 기존의 열 파이프와 열사이펀이 안고 있는 문제점을 제거한다. 끝으로, 본 발명에 따른 장치의 구조는 비용을 줄일 수 있고, 대량생산이 가능하다.
도 1은 반도체 패키지 형태인 제 1 평면체(22)와, 뚜껑 형태인 제 2 평면체(21)로 형성된 열 스프레더 몸체(20)의 횡단면도이다. 반도체 패키지(22)는 결합단(26)을 포함하는, 반도체 공극(24)을 가지는 표준 핀 그리드 배열의 패키지이다. 반도체 공극(24)의 기저부에 반도체(28)가 있다. 결합 와이어(도시되지 않음)는 반도체(28)를 반도체 패키지(22)와 전기 연결하는데, 이것은 일련의 패키지 핀(30)과 전기 연결되는 내부 줄을 포함하다.
뚜껑(21)은, 반도체 패키지(22)에 부착될 때 비모세관 영역(32)을 가지는 공간을 한정하는 물리적 형태를 가진다. 비모세관 영역(32)은 단열 영역(44)과 응축기(46)를 포함한다. 이 공간은 증발기(51)를 포함하는, 평면 모세관 유체 경로(50)도 포함한다.
반도체(28)에 의해 발생된 열은 반도체 패키지(22)의 상부로 이동한다. 이 발생된 열은 대개 열 스프레더(20)의 증발기(51)에 적용된다. 대부분의 열은 증발기(51)의 바닥 표면(55)에 가해지고, 일부 열은 열 전달 필라(53)를 통하여 증발기(51)의 상부 표면(57)을 가열하기 위해서 전달된다. 증발기(51) 내의 유체는 열을 흡수하고 기화한다. 결과적으로 형성된 증기는 열을 잃거나 얻는 단열 영역(44)을 통하여 이동한다. 이것은 냉각하여 장치의 내벽에서 응축하는 응축 영역(46)으로 계속 이동한다. 그 후에 응축된 액체는 모세관 유체 작용을 통하여 평면인 모세관 유체 경로(50)로 흡입된다. 즉, 이하 기술되는 소형 장치는 비응축 영역(32), 특히 응축기(46)에서 평면 모세관 유체 경로(50)로 모세관 작용에 의해 액체를 흡입한다. 평면 모세관 유체 경로(50)는 증발기(51)로 다시 이어진다. 따라서, 두 가지 상을 가지는 기화-응축 과정은 그 자체가 반복된다. 이 주기는 반도체(28)와 이웃하여 집중되는 대신에, 반도체(28)에 의해 발생되는 열을 비교적 넓은 면적에 대해 분산한다.
증발기(51)는 반도체(28)의 크기와 일반적으로 일치한다는 것을 알 수 있다. 또 뚜껑(21)은 반도체 패키지(22)의 크기와 일치한다.
본 발명의 조작은 도 2를 참고로 보다 잘 이해할 수 있는데, 도 2는 열 스프레더 뚜껑(21)을 나타낸 투시도이다. 이 도면은 증발판(60)의 증발 표면(57)에 형성된, 열 전달 필라(53)를 보여준다. 증발판(60)은 비모세관 영역 표면(62)에서 상승되어 있다. 평면 모세관 유체 경로(50)도 비모세관 영역 표면(62) 위에 형성된다. 유체 경로 가교 부분(63)은 평면 모세관 유체 경로(50)를 증발판(60)과 연결한다. 따라서, 평면 모세관 유체 경로(50)는 유체 경로 가교부분(63)과 증발판(60)의 증발 표면(57)을 포함한다.
당해분야에 숙련된 사람은 본 발명의 여러 가지 독특한 장점들을 알 수 있을 것이다. 전술한 대로, 본 발명에 따른 장치의 주요 특징은 비모세관 영역(32)으로부터 평면 모세관 유체 경로(50)까지 모세관 작용을 일으킨다는 것이다. 이 모세관 작용은 중력에 대한 장치의 물리적 배향에 무관하다. 그러므로, 중력에 대해 단일 방향으로 사용되어야 하는 열사이펀과는 달리 본 발명에 따른 장치는 이런 식으로 한정되지 않는다.
평면인 모세관 유체 경로(50)는 열 파이프와 관련된 위크(wick) 작용을 실시한다. 그러나, 기존의 열파이프와는 달리, 이 위크 작용은 스크린과 같은 분리된 구조물에 의존하지 않는다. 그 대신에, 평면 모세관 유체 경로(50)는 장치의 몸체 밖에서 형성된다. 그러므로, 선행 기술에 따른 열 파이프에 소요되는 비용은 줄일 수 있다. 또, 분리된 위크 구조체의 비교적 높은 유체역학적 저항을 피할 수 잇다.
본 발명에 따른 장치의 또다른 장점은, 유체 경로(50)에서 유체의 원주 운동이 증발기(51)에서 증기의 운동과 반작용하여 상쇄하지 않는다는 것이다. 대부분의 열파이프와 열사이펀에서, 증기는 한 방향으로 움직이고 액체는 반대 방향으로 움직인다. 결과적으로, 선행 기술에 따른 장치에서 액체 흐름과 증기 흐름 사이에 존재하는 역류하는 비스코스 전단력은, 도 1에 도시한 실시예로 극복된다.
도 1에 나타낸 것처럼, 열 스프레더(20)의 크기는 그것이 부착되는 반도체 패키지(22)의 크기와 일치한다. 본 발명에 따른 장치의 낮은 종방향 프로우필과 관련된 장점은 소형 전자 장비와 함께 사용하기에 이상적이다는 것이다. 낮은 종방향 프로우필은 팬이나 핀이 있는 히트 싱크와 같은 다른 냉각 장치와 함께 사용하기에 이상적으로 만들어준다. 아래에서 설명되는 것처럼, 본 발명에 따른 장치는 동일한 크기를 가지는 고체 금속 슬러그에 비해 보다 효율적으로 열을 분산시킬 수 있다.
열 스프레더 뚜껑(21)은 금속, 예를 들어 알루미늄으로 만들어진다. 열 스프레더 뚜껑(21)은 반도체 패키지(22)에 납땜될 것이다. 비록 장치는 1.0mm의 수직 틈을 가지고 작동되어 왔고, 10.0mm의 종방향 틈을 가지고 작동될 수 있을지라도, 열 스프레더의 전체 종방향 틈은 약 2.0mm가 선호되고, 그 후에 크기와 중량을 고려해야 한다.
응축기(46)(단열 영역44)를 한정하는 영역의 종방향 틈은 2.5mm 이하이고, 2.0mm 내지 0.5mm가 선호되며, 1.25mm가 가장 유리하다. 증발기와 평면 모세관 유체 경로(50)를 가지고 있는 영역의 종방향 간격은 0.5mm 이하가 유리하고, 0.325 내지 0.025mm 범위 내에 있을 수 있으며, 0.125mm가 가장 선호된다.
증발기와 평면 모세관 유체 경로(50)를 포함하는 영역의 종방향 유극은 비교적 고정되어 있고, 단열 영역(44)과 응축기(46)를 포함하는 영역의 종방향 유극은 다양하게 바뀔 수 있다. 단열 영역(44)의 종방향 유극은 요구되는 열 작업(허용 압력 강하) 기능을 한다.
모세관 유체 경로(50)의 기하학적 구조는 증발 영역으로 유체를 공급할 수 있는 능력을 나타낸다. 특정 모세관 구조가 공급하는 유체의 양을 제한할 수 있으므로, 제한 범위 너머로 ″건조″시킬 수 있다. 일단 건조 제한 범위를 초과하고 나면, 즉각적으로 극단적인 열 하락이 일어나는 것을 알 수 잇다. 한편, 단열 영역(44)의 기하학적 구조는 증발 영역에서 응축 영역까지 증기를 옮기는 효율성을 제어한다. 단열 구조는 모세관 유체 경로인 경우에서처럼, ″클리프 기능(cliff function)″에 의해 제한되지 않는다. 작은 단열 영역은 저항이 크기는 하지만, 증기 흐름을 허용한다. 알맞게 유체가 공급된다고 가정할 때 열 효율도는 증발 영역과 응축 영역 사이의 압력을 차등화시키고 압력 차이는 속도의 제곱과 일치하며, 속도는 단열 영역 종방향 틈에 정비례하므로, 종방향 틈은 필요한 열 효율성을 부여하기 위해서 조절된다. 따라서 9.0mm까지의 종방향 틈을 가지는 단열 영역은 아주 효율적이지만, 이 구조는 열 스프레더의 전체 종방향 유극을 약 10.0mm가 되도록 할 필요가 있다. 전술한 대로, 이 값 이상의 크기는 비실용적이다.
본 발명에 따른 장치는 머시닝(machining), 스탬핑(stammping), 화학적 에칭, 화학적 용착 및 그 밖의 공지된 다른 기술에 의해 형성될 수 있다. 열 스프레더(20) 내에 적절한 습도를 보장하도록 몸체 안쪽의 표면은 철저히 세척되어야 한다. 반쪽씩 나누어진 두 부분은 납땜된다. 그 후에, 몸체 내에 유체를 제공하기 위해서 표준 충전 기술이 이용된다. 일반적으로, 진공 펌프는 공극으로부터 비응축 기체를 제거하는데 사용된다. 그 후에, 유체만 공간 내에 존재한다. 여기에서 공간 내의 압력은 실재 온도에서 유체의 증기압과 비례한다. 몸체는 공간 내 조건을 유지하도록 밀봉된다.
도 3은 열 스프레더 몸체 부분(21A)의 상측면도이다. 도 3에 도시한 장치는 본 발명에 따른 열 스프레더를 형성하기 위해서 대응하는 열 스프레더 바닥부와 함께 사용된다. 이 구조에서, 반쪽씩 나누어진 장치는 몸체의 단 한 부분만 나타낸 도 1과 반대로 나타내었다.
도 4는 도 3의 열 스프레더 몸체 부분(21A)과 함께 구조된 장치(64)를 나타내었다. 이 장치(64)는 대응하는 열 스프레더 바닥부(21B)를 포함한다. 따라서, 도 4는 도 3의 4-4선을 따라서 본 횡단면도로서 이해할 수 있다.
도 4는 증발기(51)와 유체 경로(50) 내의 유체(66)를 나타내었다. 또, 이 도면은 유체 경로(50)로 위킹(wicking)하는 유체(66)를 도시한다. 첨부 도면에 나타난 것처럼 단열 영역(44)의 벽에 극소량의 유체가 있고 응축기(46)의 벽에 소량의 유체가 있다.
도 4A는 도 4에 도시한 장치의 분해도이다. 이 도면은 열 스프레더 상부(21A)와 열 스프레더 바닥부(21B)를 나타낸다. 도 4A에 도시된 바에 따르면 유체(66)는 모세관 유체 경로(50)를 채운다. 그러므로, 유체(66) 형태는 모세관 유체 경로(50)의 형태와 동일하다. 도 4A는 공간 영역(67)을 나타낸다. 이 공간 영역(67)은 비모세관 영역(32)의 형태와 일치한다. 따라서, 공간 영역(67)은 증기가 존재하는 영역으로서 간주될 수 있다. 도 4에 도시되고 이하 설명되는 것처럼, 증기 이외에, 소량의 유체가 공간 영역(67) 내에 존재한다.
도 5는 열 스프레더 뚜껑(68)의 상측면도이다. 도 5에 나타낸 열 스프레더 뚜껑(68)은 확장된 가장자리 표면 요소(72)를 가지는 증발 표면(57)을 포함한다. 증기는 가장자리에서 증발면(57)을 떠나기 때문에, 도 5에 나타낸 구조에 따르면 증기의 유입을 용이하게 하도록 비모세관 영역(32) 안으로 확장된 면을 가진다. 도 5는 확장된 가장자리 표면 요소(76)를 가지는 모세관 유체 경로(50)를 보여준다. 이 확장된 표면 요소(76)는 비모세관 영역(32)으로부터 유체 경로(50)까지 유체의 모세관 운동을 용이하게 해 준다. 확장된 가장자리 표면 요소(76)와 응축기 비모세관 영역(32) 사이에서 점점 가늘어지는 표면은 모세관 유체 운동을 일으키기에 용이하므로 선호된다. 유리하게도 본 발명의 모든 실시예는 급격한 표면 변이를 막는다.
도 6은 본 발명에 따라 형성된 다른 열 스프레더 몸체(80)를 도시한다. 몸체(80)는 모세관 유체 경로(50)로 통하는, 유체 경로 가교부분(63)과 연결된 증발판 표면(57)을 포함한다. 모세관 유체 경로(50)는 섬(84) 형태인 확장된 표면 요소를 포함한다. 이 섬 부분(84)은 도 5의 확장된 표면 요소(76)에 비해 크지만, 비모세관 영역(32)으로부터 모세관 유체 경로(50)까지 유체의 모세관 운동을 용이하게 하는 동일한 목적을 가진다.
도 7은 도 6의 7-7선을 따라서 본 장치(80)의 횡단면도이다. 모세관 경로(50)는 도면의 각 끝부분에서 볼 수 있다. 섬 모양의 부분(84)은 비모세관 영역(32) 사이에 형성된다.
반도체 패키지를 가지는 몸체를 형성하는, 도 1의 열 스프레더 뚜껑(21)과는 달리, 도 6과 7에 도시한 장치는 분리된 구성성분이다. 유리하게도 도 7에 도시한 장치의 전체 수직 높이는 3.0mm 이하이고 약 2.0mm가 선호된다. 비모세관 영역(32)의 수직 높이는 전술한 실시예와 일치한다. 이처럼, 경로(50)의 수직 높이는 전술한 실시예와 동일하다.
도 8은 두 개의 열원을 가지는 열 스프레더 몸체(90)의 상측면도이다. 이 장치(90)는 제 1 증발면(57A)과 제 2 증발면(57B)을 가진다. 제 1 증발면(57A)은 반도체(도시되지 않음)와 같은 제 1 열원 위에 배치되는 반면에, 제 2 증발면(57B)은 제 2 반도체 (도시되지 않음) 위에 배치된다. 제 1 유체 경로 가교 부분(63A)은 제 1 증발 표면(57A)을 평면 모세관 유체 경로(50)에 부착시키는 반면에, 제 2 유체 가교 부분(63B)은 제 1 증발 표면(57A)을 제 2 증발 표면(57B)에 부착시킨다. 유리하게도, 단일 비모세관 영역(32)은 증발 표면(57A,57B)에 의해 부여된 증발 영역으로서 사용된다. 즉, 비모세관 영역(32)은 증발 표면(57A,57B)의 두 측면 사이에 열린 경로를 가진다.
도 9는 도 8의 9-9선을 따라서 본 횡단면도이다. 도 9는 몸체(90)의 각 단부에서 평면 모세관 유체 경로(50)를 나타낸다. 이 도면은 비모세관 영역(32) 사이에 배치된 제 1 증발 표면(57A)과 비모세관 영역(32) 사이에 배치된 제 2 증발 표면(57B)을 도시한다.
도 10은 4개의 열원을 가지고 있는 열 스프레더 몸체(100)를 나타낸다. 이 몸체(100)는 4개의 반도체를 수용하는 반도체 패키지와 함께 사용된다. 몸체(100)는 제 1 증발 표면(57A), 제 2 증발 표면(57B), 제 3 증발 표면(57C) 및 제 4 증발 표면(57D)을 포함한다. 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 유체 경로 가교 부분(63A,63B,63C,63D)은 평면 모세관 유체 경로(50)와 증발판을 연결하는데 사용된다. 비모세관 영역(32)은 지지필라(102)를 포함한다. 이 지지필라(102)는 열 전달 필라로서 사용된다. 필라(102)의 지지기능은 진공 상태에서 비모세관 영역(32)의 파괴를 방지하기 때문에 중요하다.
도 11은 도 10의 11-11선을 따라서 본 횡단면도이다. 도 11은 평면 모세관 유체 경로(50), 증발 표면(57C, 57D), 비모세관 영역(32) 및 지지필라(102)를 나타낸다.
도 12는 본 발명에 따라 형성된 열 스프레더 몸체(110)의 다른 실시예를 나타낸다. 이 열 스프레더 몸체(110)는 반도체 패키지 위에 배치된다. 핀이 있는 히트 싱크(114)는 몸체(110) 위에 배치된다. 이 핀이 있는 히트 싱크(114)는 수직 핀(118)을 유지하는 수평 평면(116)을 포함한다.
히트 스프레더 몸체(110)는 증발기(51)로부터 비모세관 영역(32)의 응축기(46)까지 뻗어있는 경사진 평면(112)을 포함한다. 이 경사 평면(112)은 원추대로서 형성된다. 응축기(46) 내의 액체는 경사 평면(112)의 모세관 작용에 의해 증발기(51)로 다시 흡입된다. 즉, 모세관 작용에 의해 비교적 넓은 응축기(46)의 수직 틈으로부터 증발기(51)의 비교적 작은 수직 틈까지 유체를 흡입한다. 따라서 본 발명의 실시예는 주변 평면 모세관 유체 경로를 포함하지 않는다. 그 대신에, 유체는 비모세관 영역(32) 내에서 응축되고 모세관 작용에 의해 유체 모세관 경로 가교 부분을 사용하지 않고서도, 증발기(57) 안으로 흡입된다. 본 발명에 따른 실시예의 장점은 표면(112) 상에 자연적으로 형성된 다수의 유체 모세관 경로를 통하여 증발기(51) 안으로 흡입된다는 것이다.
도 13은 중력에 대해 수직 방향으로 배치된 도 12의 열 스프레더 몸체(110)를 도시한다. 도 13은 몸체 내부의 유체의 모세관 작용을 나타낸다. 모세관 작용에 의해 유체(120)는 열 전달 필라(53) 둘레를 에워싼다. 또, 모세관 작용은 몸체(110)의 벽을 따라 유체(121)를 위로 상승시키고, 유체 형태(122)를 오목하게 한다. 도 13은 본 발명에 따른 장치가 방향에 민감하지 않다는 것을 보여준다. 이 특징은 본 발명의 중요한 장점이다.
도 14는 본 발명에 따른 또다른 열 스프레더 몸체(130)의 횡단면도이다. 이 실시예에서, 경사진 평면(112)은 증발기(51)에 인접하여 배치된, 비모세관 영역(32)에서 큰 수직 방향 틈을 형성한다. 비모세관 영역(32)에서 큰 수직 방향 틈은 증발기(51) 내 유체의 기화를 용이하게 하기 위해서 증발기(51)와 인접하여 증기압을 비교적 낮게 만든다. 경사진 평면(112)은 몸체(130)의 주변에서 평면 모세관 유체 경로(50)까지 뻗어있다. 평면 모세관 유체 경로(50)의 형태는 도 3에 나타나 있다. 그러나, 도 3에 도시된 실시예와 달리 도 13에 나타낸 실시예에서, 경로(50)와 비모세관 영역(32) 사이의 경사는 완만하다.
도 15는 히트 싱크 핀(152)과 일체 구성된 열 스프레더 몸체(150)의 횡단면도이다. 히트 싱크 몸체(150)는 제 1 반도체(28A)와 제 2 반도체(28B)를 수용하는, 멀티칩 반도체 패키지(140)와 함께 사용한다. 이 몸체(150)는 증발기(51)에 의해 에워싸인 제 1 열 전달 필라(53A)와 비모세관 영역(32)을 포함한다. 또, 몸체는 증발기(51)에 의해 둘러싸인 제 2 열 전달 필라(53B)와 비모세관 영역(32)을 포함한다. 다시 한번, 증발기(51)와 비모세관 영역(32) 사이에 경사면이 사용되므로 전술한 장점을 이용할 수 있다.
도 15는 히트 싱크 핀(152)의 상부에 배치된, 팬 블레이드(156)를 포함하는 팬(154)을 도시한다. 히트 싱크 핀(152)이나 히트 싱크 핀 안쪽에 팬(154)을 배치하는 것은 공지되어 있다. 본 발명은 반도체의 중심으로부터, 팬이 최대 활성 냉각을 일으키는 반도체 패키지의 가장자리까지 열을 분배하기 위해서 낮은 종방향 프로우필을 제공함으로써 보다 용이해진다.
도 16은 수직 위치에서 도 15에 도시한 몸체(150)를 나타낸다. 도 16은 몸체(150) 내부의 유체를 나타낸다. 몸체(150)의 공극 안쪽에서 이루어진 모세관 작용에 의해 유체는 두 개의 열 전달 필라(53A,53B)를 둘러싼다. 전술한 대로, 중력의 작용방향과 수평으로 배치될 때, 열 전달 필라(53A,53B)를 향한 모세관 작용은 다수의 자연 모세관 경로가 증발기(51) 안쪽으로 이어지도록 한다.
도 17은 본 발명에 따른 ″방사상″ 열 스프레더를 도시한다. 본원에서 ″방사상″이라는 용어는, 방사상으로 16가지 다른 방향에서 중심으로부터 뻗어있고 장치의 중심에 존재하는, 비모세관 영역(32)의 형태를 나타내는 것이다. 유체 모세관 경로(50)는 장치의 주변에 배치되고 16가지 다른 레그(162)를 가지는 장치의 중심까지 뻗어있다. 본 발명에 따른 실시예의 장점은, 다양한 유체 모세관 경로(50)와 비모세관 영역(32) 가장자리가 있고 증기는 방사상 비모세관 영역(32)의 모든 영역으로 쉽게 이동할 수 있다는 것이다. 이와 유사하게, 장치의 중심으로 되돌아가는 많은 유체 모세관 경로 레그가 있다.
도 18은 도 17의 18-18선을 따라서 본 장치의 횡단면도이다. 도 18은 구조체의 중심에서 비모세관 영역(32)을 나타낸다. 도면은 비모세관 영역(32)으로 뻗어있는 두 개의 유체 모세관 경로(50)를 보여준다. 액체는 유체 모세관 경로(50)의 단부에서 증발하고 비모세관 영역(32)으로 유입된다. 그 후에 대부분의 경우에, 증기는 비모세관 영역(32)의 주변 영역 밖으로 이동한다. 도 18은 열 전달 필라(53)를 보여준다. 선행 실시예에서처럼, 상기 필라(53)는 지지구조물로서 작용한다.
도 19는 도 18에 나타낸 중심 영역(164)의 확대도이다. 도 19는 비모세관 영역(32), 유체 모세관 경로(50)의 단부 및 유체 모세관 경로(50) 상에 배치된 열 전달 필라(53)를 나타낸다.
도 20은 도 16에 나타낸 하부 몸체 부분과 연결하는데 사용되는 상부 몸체 부분의 측면도이다. 도 20은 비모세관 영역(32)을 형성하기 위해 오목부가 있는 영역을 나타낸다. 또, 도면은 도 18에 나타낸 열 전달 필라(53)와 결합되는, 열 전달 필라(53)와 유체 모세관 경로(50)의 천장 부분을 나타낸다.
도 21은 본 발명의 실시예에 따른 ″원 배열″된 열 스프레더 기구(170)의 바닥 몸체 부분의 상측면도이다. 본 발명에 따른 이 구조에서, 비모세관 영역(32)은 다수의 분리된 원형의 움푹 패인 우물(164) 형태이다. 유체 모세관 경로(50)는 각각의 비모세관 영역(164)을 둘러싼다. 도 21은 다수의 열 전달 필라(53)를 보여준다. 본 발명의 실시예는, 유체가 구조물의 모든 영역으로 쉽게 이동할 수 있도록 하기 때문에 유리하다. 또, 본 발명에 따른 실시예는 유체 모세관 경로(50)로부터 증발하고 유체 모세관 경로(50)로 되돌아가도록 유체를 위한 다수의 가장자리 표면을 제공한다. 또, 이 구조물은 단일 칩 패키지, 이중 칩 패키지 또는 그 밖의 모든 유형의 멀티-칩 모듈을 가지는 보편적인 구조를 취한다.
도 22는 도 21의 22-22선을 따라서 본 측면도이다. 이 도면은 유체 모세관 경로(50) 세그먼트에 의해 둘러싸인 상이한 비모세관 영역(164)을 나타낸다. 또 도 22는 유체 모세관 경로(50)에 배치된 열 전달 필라(53)를 보여준다.
도 23은 도 22의 영역(172)을 확대한 도면이다. 도 23은 열 전달 필라(53)를 포함하는, 유체 모세관 경로(50)에 의해 둘러싸인 비모세관 영역(164)을 나타낸다.
도 24는 도 21에 도시한 바닥 몸체 부분(170)과 대응하는 상부 몸체 부분(174)을 나타낸다. 상부 몸체 부분(174)은 바닥 몸체 부분(170)과 결합하도록 형성된다. 따라서, 상부 몸체 부분(174)은 바닥 몸체 부분 상의 동일 요소와 정렬하도록 열 전달 필라(53)를 가지는 유체 모세관 경로 천장 부분(50)을 포함한다.
도 25는 본 발명의 실시예에 따른 ″사각형 매트릭스″ 구조의 열 스프레더 장치(180)의 바닥 몸체 부분의 상측면도이다. 이 실시예에서, 유체 모세관 경로(50)는 격자형으로 만들어지고 분리된 사각형 비모세관 영역(166)은 격자 부분에 형성된다. 이 실시예는 또한 열 전달 필라(53)를 포함한다.
도 26은 도 25의 26-26선을 따라서 본 장치(180)의 측면도이다. 이 도면은 상이한 비모세관 영역(166)을 둘러싸는 유체 모세관 경로(50)를 나타낸다. 도 27은 도 26에 나타낸 영역(182)의 확대된 도면이다. 도 27은 비모세관 영역(166)을 둘러싸는 유체 모세관 경로(50)를 나타낸다. 이 도면은 또한 열 전달 필라(53)도 나타낸다. 뚜껑과 연결하기 위한 주변 평평부(184)도 도시되어 있다.
도 28은 도 25의 장치(180)에 부착하기 위한 뚜껑(185)을 나타낸다. 이 뚜껑(185)은, 도 25의 열 전달 필라(53)와 결합하는, 열 전달 필라(53)를 가지는 유체 모세관 경로 뚜껑 부분(50)을 포함한다.
도 25 내지 28에 도시된 본 발명의 실시예의 장점은, 유체가 장치의 전체 표면적을 가로질러 움직일 수 있다는 것이다. 또, 사각형 구조는 증발된 유체가 유체 모세관 경로(50)를 빠져나갈 수 있고 응축된 유체가 유체 모세관 경로(50)로 되돌아올 수 있도록 비교적 큰 가장자리 영역을 제공한다. 또, 도 21 내지 24의 ″원배열″ 구조에서처럼, 도 25-28에 도시한 장치는 다양한 열원 분배 기구와 함께 효과적으로 사용될 수 있는 구조를 가진다.
도 29는 본 발명에 따른 다른 열 스프레더(200)를 나타낸다. 열 스프레더(200)는 다양한 크기의 비모세관 영역을 포함한다. 특히, 도면은 작은 무늬의 비모세관 영역(202), 보다 큰 무늬의 비모세관 영역(204) 및, 더 큰 무늬의 비모세관 영역(206)을 나타낸다. 이런 형태의 비모세관 영역은 도 29에서는 사각형으로 나타내었지만, 원형 또는 삼각형과 같은 다른 모양도 사용될 수 있다.
도 30은 도 29의 30-30선을 따라서 본 횡단면도이다. 이 도면은 다양한 크기의 비모세관 영역(202-206)을 나타낸다. 열 전달 필라는 다른 비모세관 영역을 가로막고 있으므로 다른 비모세관 영역은 확인하기에 다소 어렵다. 이것은 도 31에 잘 나타나 있다.
도 31은 도 30의 영역(208)을 확대한 도면이다. 도 31에 따르면 몸체의 두 측면으로부터 뻗어있는 대응하는 열 전달 필라(53)는 연속 필라 구조를 형성할 수 있다. 장치에 물리적 지지부를 제공하는 것 이외에 전도 작용에 의해 장치의 한쪽 측면으로부터 다른 측면까지 열을 전달할 수 있고, 이 필라는 응축 표면으로서 유용하게 사용된다. 즉, 이것은 기화된 액체를 위한 부가 응축 영역을 형성하는데 유용하다. 비모세관 영역에서 표면 형태는 기화된 액체에 대해 부가 응축영역을 제공하기 위해서 사용될 수도 있다.
도 32는 도 29의 32-32선을 따라서 본 횡단면도이다. 이 도면은 다양한 크기의 비모세관 영역(202-206)을 나타낸다. 이 도면에서 상이한 비모세관 영역은 열 전달 필라(53)에 의해 나누어지지 않는다는 것을 알아야 한다.
도 33 은 도 32의 영역(210)을 확대한 도면이다. 도 33은 비모세관 영역(202) 사이에 형성된 기화 영역(51)을 나타낸다. 이 도면은 열 전달 필라(53)를 포함하지 않는 선을 따라 나타낸 것이라는 것을 알아야 한다.
도 34는 본 발명에 따른 다른 열 스프레더(220)를 나타낸 도면이다. 이 열 스프레더(220)는 모세관 유체 경로(50)에 의해 둘러싸인 비모세관 영역(32)을 포함한다. 모세관 유체 경로(50)는 연장된 표면 요소(222)를 포함한다. 이 모세관 유체 경로(50)는 모세관 유체 경로 가교 부분(223)까지 이어지는데, 이것은 증발대(224)에서 끝난다. 이 증발대(224)는 일련의 비모세관 영역(226)을 포함한다. 이 실시예에서, 각각의 비모세관 영역(226)은 삼각형 구조이다. 도 34에 나타낸 바에 따르면 상세한 설명에 따른 상이한 실시 방법은 특정 용도에 맞게 최적 장치를 만들기 위해서 결합될 것이다.
도 35는 본 발명의 또다른 실시예를 나타낸 평면도이다. 도 35에 나타낸 장치(240)는 도 17에 나타낸 장치(160)와 대응한다. 그러나, 도 35에서 열 발생 영역(242)에서 모세관 유체 경로(50)의 가장자리(244)는 표면처리된다. 본원에서 사용되는 것처럼, 처리된 표면이라는 것은 예를 들어 끓는점을 높이기 위한 응집 부위를 포함하고, 유체 습성을 향상시키기 위한 코팅을 포함하며, 표면 패시베이션(passivation)을 위한 코팅을 포함하거나, 향상된 모세관 흐름을 위한 마이크로 표면 틈을 포함하도록 수정된 특징을 가지는 표면이다. 미세 표면 틈은 모세관 유체 경로와 비모세관 영역(단열 및 응축 영역) 사이에서 급격한 경계를 없앤다. 증발 영역 가까이의 단열 표면에서 미세 틈은 전술한 모세관 현상에 의해 유체 모세관 경로로부터 미세 틈까지 유체를 이동시킬 수 있다. 유체는 증발하여서, 증발(냉각) 영역을 확장시킨다. 응축 영역과 인접한 단열 표면에서 미세 틈은 응축액을 모세관 유체 경로로 되돌아가게 한다. 이것은 단열 표면 상에 보다 얇은 액체 층을 형성하고, 액체 층을 통하여 열 저항을 떨어뜨린다.
응집 표면은 일반적으로 표면이 거칠다. 이 표면은 모래 분사, 레이저 에칭 또는 거친 표면이나 내부에 작은 포켓을 가지는 표면을 없애는 다른 기술에 의해 형성될 수 있다.
도 36은 모든 모세관 유체 경로 표면(50)를 따라 처리된 표면을 가지는 장치(250)를 도시한다. 도 37에 도시된 장치(260)를 보면 비모세관 영역(32)과 완전 유체 모세관 경로(50)는 처리된 표면(262)으로 형성될 수 있다.
도 38은 본 발명의 다른 실시예를 나타낸 투시도이다. 도 38에 나타낸 장치(270)는 받침대(272)를 가지므로 열 스프레더(270)의 나머지 부분은 열 생성 표면과 인접한 모든 대상물을 필요로 하지 않는다. 예를 들어, 반도체 패키지(274)는 일련의 내장 커패시터(276)를 포함한다. 그러므로, 받침대(272)는 내장된 커패시터(276)를 제거하는데 이용된다. 유리하게도, 받침대(272)는 장치(270)의 나머지 부분과 일체 구성된다. 이 받침대(272)는 고체 금속이다.
도 39는 본 발명의 다른 실시예를 나타낸 투시도이다. 이 실시예에서, 열 스프레더(280)는 개구(282)를 가진다. 이 개구부(282)는 반도체 패키지(274)의 내장 커패시터(276)와 같은 돌출한 장치가 열 스프레더(280)를 통하여 연장되도록 허용한다.
도 40은 본 발명의 다른 실시예에 따라 형성된 열 스프레더(290)의 투시도이다. 열 스프레더(290)는 내장 커패시터(294)를 포함하는 반도체 패키지(292) 위에 배치된다. 열 스프레더(290)는 반도체 패키지(292)의 표면으로부터 냉각 영역까지 뻗어있다. 예를 들어, 만일 반도체 패키지(292)가 무릎에 올려놓을 수 있을 정도의 크기인 휴대용 컴퓨터에 배치된다면, 열 스프레더(290)는 컴퓨터의 키보드 아래에서 반도체 패키지(292) 너머로 연장 구성된다. 열 스프레더(290)의 내부는 전술한 대로 모세관 유체 경로와 비모세관 영역을 포함한다. 열 스프레더(290)는 열 핀(296)을 포함한다. 유리하게도, 열 핀은 열 스프레더(290)의 내부를 구성하지 않는다. 즉 이것은 내부에서 순환하는 유체를 포함하지 않는다. 열 핀(296)은 열 스프레더(290)와 동일한 평면에 형성된다는 것을 알아야 한다. 이 구조는, 열 핀이 열 스프레더 표면과 직교하는 선행 기술에 따른 장치와 다르다.
도 41은 본 발명의 다른 실시예에 따라 형성된 열 스프레더(300)의 투시도이다. 전술한 실시예에서처럼, 열 스프레더(300)는 내장 커패시터(294)를 포함하는, 반도체 패키지(292)에 배치된다. 열 스프레더(300)는 구부려진 영역(302)을 포함하는데, 이것은 직교하는 표면(304)까지 뻗어있다. 유체는 장치(300)의 모세관 유체 경로 및 비모세관 영역에서 순환한다. 특히, 유체는 장치(300)의 수평 영역으로부터 구부려진 부분(302) 및, 직교하는 표면(304)을 통해 계속 순환한다. 이 장치(300)는 열 핀(306)을 포함한다. 선택된 열 핀(306)은 직교 표면(304)에 팬을 부착하는데 사용되는 개구(308)를 포함한다.
본 발명의 각 실시예에서, 평면 모세관 유체 경로는 연속 평면이다. 즉, 유체가 전체 표면에 대해 이동할 수 있다는 점에서 연속적이다. 즉, 유체는 표면상의 모든 영역으로부터 표면상의 다른 모든 영역까지 움직일 수 있다.
본 발명에서 주목해야 할 또다른 점은, 대부분의 실시예가 사각형 기구를 가진다는 것이다. 본원에서 사용되는 것처럼, 이 사각형이라는 용어는 길이 대 너비의 비율이 20:1이고 2:1이 선호되며 1:1이 가장 유리하다. 대부분의 선행 기술에 따른 열 파이프와 열사이펀은 관으로서 만들어진다.
본 발명의 장점은, 모세관 유체 운동이 인접한 두 수평면에 부여된 평면 모세관에 의해 이루어진다는 것이다. 선행 기술에서 열 파이프와 모세관 유체 운동은 표면 내에 형성된 요홈을 통하여 이루어진다. 즉, 작은 수직 벽은 모세관 유체 운동을 일으키기 위해서 수평면에 형성된다. 수직 표면은 모세관 유체 운동을 일으키기 위해서 본 발명에서 사용되지 않는다. 그 대신에, 모세관 유체 운동은 평면 모세관 경로의 상부 표면(천장부)과 하부 표면(바닥부)에 의해 이루어진다.
표 1은 여러 가지 고체 물질의 열 분산 능력과 도 17에 나타낸 본 발명의 실시예의 열 분산 능력을 비교한 것이다.
재료성능 중량(g) 열전도율(W/m/K) 열저항(℃/W) 계수
구리/텅스텐4 (13/87) 81.0 210 0.882 1.0
몰리브덴(99.9%) 50.5 146 1.268 0.70
알루미늄 6061 13.4 180 1.028 0.86
금(99.9%) 95.2 317 0.584 1.51
구리(OFHC) 44.1 391 0.473 1.86
은(99.9%) 51.8 429 0.432 2.04
다이아몬드(I.a.) 17.4 1,850 0.100 8.82
본발명 39.8 4,512 0.041 21.51
성능 계수는 구리/텅스텐을 기준으로 표준화한다. 모든 열 스프레더는 71.0mm*71.0mm*1.0mm의 크기를 가진다. 모든 열 스프레더는 한쪽 면에 중심이 있는 19.0mm*19.0mm의 사각형 열원 및, 대향한 측면의 둘레에 7.0mm의 너비를 가지는 핀이 있는 열 싱크를 포함한다. 본 발명은 몰리브덴으로 실시되고 1.0mm의 깊이를 가지는 비모세관 영역과 0.125mm의 깊이를 가지는 모세관 경로를 가진다. 본 발명에 따른 장치는 0.329cc의 물로 채워진다. 대개, 본 발명에 따른 장치는 약 20% 정도 많이 채워져야 한다. 즉, 유체 모세관 경로가 채워질 때 유체 모세관 경로에 적합하지 않은 액체는 장치 내부에서 전체 액체의 약 20%를 구성해야 한다. 대개, 본 발명은 장치 표면적의 cm2당 0.007cc의 유체를 사용함으로써 작동된다.
본 발명에 따른 장치의 우수한 열 전도성 때문에 본 발명은 다양한 재료로 실시될 수 있다. 즉 기화열 때문에 보다 높은 열 전도율을 달성할 수 있으므로, 본 발명을 실시하는데 사용되는 특정 물질은 열 전도성이라는 관점에서 그다지 중요하지 않다. 대신에, 이 물질은 비용, 열 팽창 계수 및 그 밖의 다른 계수를 기초로 선택될 수 있다. 비용을 절감하는 한 가지 방법은 용접 밀폐가 제공된다면 플라스틱을 이용하는 것이다.
평면 모세관 유체 경로 내부의 유체는 안정된 상태에서 작동하는 동안 아주 빠르게 움직인다. 일반적으로, 이 유체는 25 내지 200mm/s의 속도로 움직인다. 이 속도는 위크(wick)를 사용하는 모든 장치에 비해 아주 빠른 것이다. 본 발명의 특징은 열전도 성능이 우수하다는 것이다.
본 발명의 실시예에 대한 상세한 설명은 예를 들기 위해 기술한 것이다. 이것은 설명한 형태에만 국한되지 않고, 다양하게 수정하고 바꿀 수 있다. 본 발명의 원리와 실제 용도를 가장 잘 설명하여서, 특정 용도에 적합하게 다양하게 수정한 다양한 실시예와 본 발명을 당해업자들이 가장 잘 적용할 수 있도록 본 발명의 실시예는 선택되고 기술된다. 본 발명의 범위는 하기 청구 범위에 의해 한정된다는 것을 이해해야 한다.

Claims (26)

  1. 제 1 평면체 상에 고온 영역과 저온 영역을 만드는 열 생성 표면에 부착하기 위한 제 1 평면체;
    제 1 평면체와 제 2 평면체 사이에 공극을 부여하기 위해서 제 1 평면체에 연결된 제 2 평면체로 구성되는데, 이 공극은 평면 모세관 경로 및 비모세관 영역을 포함하고;
    고온 영역에서 평면 모세관 경로로부터 유체를 기화하고, 저온 영역에서 비모세관 영역 내의 유체를 응축시키며, 비모세관 영역으로부터 모세관을 통해 고온 영역 내 평면 모세관 경로까지 움직이고, 모세관을 통해 상기 고온 영역으로 움직임으로써 열을 분배하기 위해 공극 내에 놓인 유체로 구성되는, 열 스프레더 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 평면 모세관 경로는 바닥 모세관 표면과 대응하는 상부 평면 모세관 표면을 포함하고, 상기 바닥 모세관 표면은 모세관 작용을 일으키기 위해서 상부 평면 모세관 표면에 대해 수직으로 배치되는 것을 특징으로 하는 열 스프레더 장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 바닥의 평평한 모세관 표면과 상부 평평한 모세관 표면 사이의 수직 거리는 0.5mm 이하인 것을 특징으로 하는 열 스프레더 장치.
  4. 제 2 항에 있어서, 바닥의 평평한 모세관 표면은 연속 표면이고 상부 평평한 모세관 표면은 정렬된 연속 표면인 것을 특징으로 하는 열 스프레더 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 제 1 평면체와 제 2 평면체 각각은 사각형 구조를 이루는 것을 특징으로 하는 열 스프레더 장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 제 2 평면체에 부착된 열 제거 장치를 포함하고, 이 열 제거 장치는 핀이 있는 열 싱크 및 팬으로 이루어진 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는 열 스프레더 장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 제 1 평면체와 제 2 평면체는 10mm 이하의 결합 수직 높이를 가지는 것을 특징으로 하는 열 스프레더 장치.
  8. 제 1 항에 있어서, 제 1 평면체는 공극의 바닥을 형성하고 제 2 평면체는 공극의 천장 부분을 형성하며, 비모세관 영역에서 천장 부분과 바닥 부분 사이의 수직 거리는 9.0mm 이하인 것을 특징으로 하는 열 스프레더 장치.
  9. 제 1 항에 있어서, 공극 내부의 유량은 장치 표면적 cm2당 약 0.010cm3인 것을 특징으로 하는 열 스프레더 장치.
  10. 제 1 항에 있어서, 비모세관 영역은 방사상 구조로 뻗어있는 부재를 가지는 중심 영역을 포함하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 열 스프레더 장치.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 비모세관 영역은 평면 모세관 경로에 의해 둘러싸인 기설정된 형태로 각각 형성된 다수의 비모세관 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 열 스프레더 장치.
  12. 제 11 항에 있어서, 다수의 비모세관 영역은 가변 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 열 스프레더 장치.
  13. 제 11 항에 있어서, 기설정된 형태는 사각형인 것을 특징으로 하는 열 스프레더 장치.
  14. 제 11 항에 있어서, 기설정된 형태는 원형인 것을 특징으로 하는 열 스프레더 장치.
  15. 제 11 항에 있어서, 설정된 형태는 삼각형인 것을 특징으로 하는 열 스프레더 장치.
  16. 제 1 항에 있어서, 평면 모세관 경로는 둘레 표면, 유체 경로 가교 부분 및 증발대를 포함하는 것을 특징으로 하는 열 스프레더 장치.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 증발대는 기설정된 형태로 각각 만들어진 다수의 비모세관 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 열 스프레더 장치.
  18. 제 1 항에 있어서, 평면 모세관 경로는 연장 구성된 표면 요소를 포함하는 것을 특징으로 하는 열 스프레더 장치.
  19. 제 1 항에 있어서, 공극의 표면은 응집 부위를 포함하는 것을 특징으로 하는 열 스프레더 장치.
  20. 제 19 항에 있어서, 상기 응집 부위는 평면 모세관 경로의 둘레에만 배치되는 것을 특징으로 하는 열 스프레더 장치.
  21. 제 20 항에 있어서, 상기 응집 부위는 열 생성 표면과 위치상 대응하는 평면 모세관 경로의 둘레에만 배치되는 것을 특징으로 하는 열 스프레더 장치.
  22. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 평면체는 열 생성 표면 위에 제 1 평면체 부분을 수직으로 들어올리기 위해서 받침대를 포함하는 것을 특징으로 하는 열 스프레더 장치.
  23. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 평면체와 제 2 평면체는 열 생성 표면상의 표면 돌출부를 수용하는 개구를 가지는 것을 특징으로 하는 열 스프레더 장치.
  24. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 평면체와 제 2 평면체에 의해 한정된 평면에 형성된 열 방산 핀으로 구성되는 것을 특징으로 하는 열 스프레더 장치.
  25. 제 1 항에 있어서, 제 1 평면체와 제 2 평면체는 구부려진 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 열 스프레더 장치.
  26. 제 25 항에 있어서, 상기 곡선 영역은 제 1 평면체와 제 2 평면체가 수평면과 수직면 모두에 존재하도록 하는 것을 특징으로 하는 열 스프레더 장치.
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