KR20210132620A - 휴대형 애플리케이션을 위한 고성능 2-페이즈 냉각 장치 - Google Patents

휴대형 애플리케이션을 위한 고성능 2-페이즈 냉각 장치 Download PDF

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KR20210132620A
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thermal ground
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페이엄 보조르기
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파이멤스, 인코포레이티드
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Abstract

본 출원은, 적어도 3개의 기판, 즉, 위킹 구조를 가진 금속과, 중간 기판 및 백플레인을 포함할 수 있는 2-페이즈 냉각 디바이스들을 개시한다. 열적 접지 평면의 일 영역으로부터 열적 접지 평면의 다른 영역으로 열적 에너지를 운송하기 위한 위킹 구조 및 증기 캐비티내에 유체가 포함될 수 있으며, 그 유체는 위킹 구조내의 모세관력에 의해 추진될 수 있다. 티타늄 열적 접지 평면은, 휴대형 디바이스 또는 스마트폰과 같은 이동 디바이스용으로 적합하며, 그것은 강력한 성능상의 장점을 제공할 수 있다.

Description

휴대형 애플리케이션을 위한 고성능 2-페이즈 냉각 장치{HIGH PERFORMANCE TWO-PHASE COOLING APPARATUS FOR PORTABLE APPLICATIONS}
본 특허출원은 2017년 5월 9일자 출원된 미국특허출원번호 제15/590621호에 대한 우선권을 주장하는 계속 출원으로서, 2016년 5월 23일자 출원된 미국 가출특허출원번호 제62/340308호에 대한 우선권을 주장한다. 이들 이전 출원들은 통용을 위해 그의 전체가 본 명세서에 참조로서 합체된다.
본 발명은 반도체 디바이스의 냉각에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 반도체 및 다른 디바이스를 냉각시키기 위한 냉각 시스템에 관한 것이다.
다양한 반도체 디바이스들 및 집적 회로들을 채용한 전자 장치들은 통상적으로 다양한 환경적 스트레스들을 받는다. 그러한 전자 장치들의 애플리케이션들은 극히 광범위하며 다른 반도체 재질들을 이용한다.
이동 디바이스들 또는 랩탑 컴퓨터들과 같은 많은 전자적 환경들은 얇은/평면 구성을 가지며, 그 구성에서는 매우 한정된 공간내에 많은 구성 요소들이 효율적으로 패킹(packing)된다. 결과적으로, 냉각 해법이 얇은/평면 구성에 부합해야 한다. 많은 전자 냉각 애플리케이션에 대해 얇은 TGP(Thermal ground plane) 형태의 히트 확산기(heat spreader)들이 바람직할 수 있다.
본 출원은 2-페이즈 냉각 디바이스들(two-phase cooling devices)을 개시한다. 2-페이즈 냉각 디바이스들은 매우 높은 효율로 열을 전달할 수 있는 한 종류의 디바이스들로서, 히트 파이프(heat pipe)들, 열적 접지 평면들(thermal ground planes), 증기 챔버(vapor chamber)들 및 열 사이펀(thermosiphon)들 등을 포함할 수 있다.
일부 실시 예들에 있어서, 본 출원은 적어도 3개의 기판들을 포함하는 2-페이즈 냉각 디바이스들을 제공한다. 일부 실시 예들에 있어서, 기판들 중의 하나 이상은 티탄, 알루미늄, 구리 또는 스테인리스 강(stainless steel)과 같은, 미세 제조된 금속으로부터 형성되지만, 그에 국한되는 것은 아니다. 일부 실시 예들에 있어서, 기판은 전자 디바이스들에 사용하기에 적합한 열적 접지 평면 구조로서 형성될 수 있다. 일부 실시 예들에 있어서, 2-페이즈 디바이스들은 사전 설정된 량의 적어도 하나의 적합한 작동 유체를 구비할 수 있으며, 작동 유체는 액체와 증기간의 페이즈 변경에 의해 열을 흡수 또는 배척한다.
일부 실시 예들에 있어서, 본 출원은, 예를 들어, 티탄, 알루미늄, 구리 또는 스테인리스 강과 같은 (그에 국한되지는 않음) 금속의 기판을 포함하는 2-페이즈 냉각 디바이스들을 제공할 수 있으며, 그 금속 기판은 다수의 에칭된 마이크로구조들을 구비함으로서, 위킹 구조(wicking structure)를 형성하고, 마이크로구조들 중의 하나 이상은 약 1-1000 마이크로미터 사이의 높이, 약 1-1000 마이크로미터 사이의 폭 및 약 1-1000 마이크로미터 사이의 간격을 가진다. 일부 실시 예들에 있어서, 증기 캐비티(vapor cavity)는 다수의 금속 마이크로구조들과 상통(communication)할 수 있다. 일부 실시 예들에 있어서, 적어도 하나의 중간 기판은 위킹 구조 및 증기 영역과 상통할 수 있다. 일부 실시 예들에 있어서, 위킹 구조 및 증기 캐비티내에 열적 접지 평면의 일 영역으로부터 열적 접지 평면의 다른 영역으로 열적 에너지를 운송하는 유체가 포함될 수 있으며, 그 유체는 위킹 구조내의 모세관력(capillary force)들에 의해 추진(drive)될 수 있다.
일부 실시 예들에 있어서, 냉각 디바이스들에는, 액체 페이즈와 증기 페이즈간의 큰 압력차들을 지원하면서 위킹 구조내에 흐르는 액체의 점성 손실(viscous loss)을 최소화하도록 위킹 구조내에 높은 모세관력이 구성되어 있을 수 있다. 일부 실시 예들에 있어서, 냉각 디바이스는 매우 얇게 만들어질 수 있고 기존 TPG들에 의해 달성될 수 있는 것보다 더 많은 열적 에너지를 전달할 가능성이 있는 열적 접지 평면일 수 있다. 일부 실시 예들에 있어서, 증발기 영역, 단열 영역 및 응축기 영역에 다른 구조적 구성 요소들이 배치될 수 있다. 일부 실시 예들에 있어서, 증발기 영역은 중간 기판을 포함할 수 있으며, 중간 기판은, 위킹 구조와 짝을 이룰때 높은 종횡비 구조를 형성하는 다수의 마이크로구조들을 구비한다. 일부 실시 예들에 있어서, 중간 기판 특성(intermediate substrate feature)들은 위킹 구조의 유효 종횡비를 증가시키도록 위킹 구조 특성(wicking structure feature)들에 간삽된다. 일부 실시 예들에 있어서, 단열 영역은 위킹 구조내의 액체로부터 증기 챔버내의 액체를 분리하기 위해, 위킹 구조에 아주 밀접하게 배치된 중간 기판을 포함할 수 있다. 일부 실시 예들에 있어서, 응축기 영역은, 위킹 구조가 증기 챔버와 직접 상통하도록 (마이크로구조에 비해) 큰 개구들을 가진 중간 기판을 포함할 수 있다. 일부 실시 예들에 있어서, 응축기 영역은, 위킹 구조가 증기 챔버와 직접 상통하도록 중간 기판을 포함하지 않을 수 있다.
휴대형 디바이스는 크기, 전력 소모 및 배터리 수명에 대해 엄격한 요건들을 가진다. 이러한 성능 속성들은 빈번하게 상호 연관되며, 그에 따라, 보다 소형이고 가벼운 인클로저(lighter enclosure)가 더욱 뜨거워지게 되어 배터리 성능을 열화시킬 수 있다. 따라서, 티타늄 열적 접지 평면은 휴대형 디바이스용으로 조정되며, 그의 개선된 열적 성능, 소형 크기 및 기계적 내구력은 다른 히트 파이프 기술에 비해 탁월한 이점을 가진다.
이하의 도면을 참조하여 여러 예시적인 세부 설명이 이루어진다.
도 1은 위킹 구조를 가진 티타늄 기판, 백플레인(backplane) 및 증기 챔버를 구비한, 기존의 티타늄-기반 열적 접지 평면의 예시적인 실시 예이다.
도 2는 위킹 구조를 가진 기존의 티타늄 기판의 예시적인 실시 예로서, 도 2a에는 기둥들을 구비한 위킹 구조가 도시되고, 도 2b에는 채널들 또는 그루브(groove)들을 구비한 위킹 구조가 도시된다.
도 3은 위킹 구조 및 증기 챔버와 상통하는 중간 기판을 가진 금속-기반 열적 접지 평면의 예시적인 실시 예를 도시한 도면이다. 중간층은 마이크로 구조들을 구비할 수 있다. 도 3a는 실시 예의 구성 요소들을 도시한 측면도이고, 도 3b는 실시 예의 구조적 구성 요소들의 분해 조립도이다.
도 4는 서로 다른 구조적 구성 요소들이 증발기 영역, 단열 영역 및 응축기 영역에 배치된 예시적인 실시 예에 따른 구조적 구성 요소들을 도시한 도면이다. 도 4a는 중간 기판이 위킹 구조에 간삽된 다수의 마이크로구조들을 구비한 실시 예의 증발기 영역을 도시한 도면이고, 도 4b는 중간 기판이 위킹 구조에 아주 밀접하게 배치된 실시 예의 단열 영역을 도시한 도면이고, 도 4c는 위킹 구조가 증기 챔버와 직접 상통하는 실시 예의 응축기 영역을 도시한 도면이고, 도 4d는 중간 기판의 실시 예를 세부적으로 도시한 도면이다.
도 5는 구조들이 비-습성(non-wetted)이고(즉, 건성이고) 액체에 의해 습성으로 되는 실시 예의 구조적 구성 요소들의 측면도의 예시적인 실시 예로서, 도 5a는 액체가 모이는 곳을 보여주는, 증발기 영역에 있어서의 비-습성의 구조적 구성 요소들을 도시한 도면이고, 도 5b는 단열 영역에 있어서의 비-습성의 구조적 구성 요소들을 도시한 도면이고, 도 5c는 단열 영역에 있어서의 습성의 구조적 구성 요소들을 도시한 도면이고, 도 5d는 액체가 모이는 곳을 보여주는, 응축기 영역에 있어서의 비-습성의 구조적 구성 요소들을 도시한 도면이다.
도 6은 열적 접지 평면의 예시적인 실시 예에 대한 축방향 위치의 함수로서의 압력 프로파일을 도시한 도면이다. 곡선들은 증기 챔버에 있어서의 증기 페이즈와 위킹 구조에 있어서의 액체 페이즈의 압력을 보여준다. 이 경우, 증발기 영역에서 액체 페이즈와 증기 페이즈간의 최대 압력차가 발생한다. 응축기 영역에서 증기 페이즈와 액체 페이즈간의 최소 압력차가 발생한다.
도 7은 하나 이상의 실시 예들에 따른 본 발명의 Ti-기반 TGP(metal-based Thermal Ground Plane)의 하나 이상의 실시 예들의 형성의 흐름도의 예시적인 실시 예를 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 Ti-기반 TGP의 하나 이상의 실시 예들의 형성의 흐름도의 예시적인 실시 예를 도시한 도면이다.
도 9는 중간 기판과 상통하는 위킹 구조의 예시적인 실시 예를 도시한 도면이다. 유효 종횡비는 유효 채널 폭(w)에 대한 유효 채널 높이(h)의 비율로서 정의되며, 도 9a는 중간 기판에 있어서의 마이크로구조들이 위킹 구조에 간삽되는 예시적인 실시 예를 도시한 도면이고, 도 9b는 위킹 구조 위에 중간 기판에 있어서의 마이크로구조들이 배치되는 대안적인 실시 예를 도시한 도면이다.
도 10은 휴대형 디바이스에 대한 TiTGP의 단순화된 단면도이다.
도 11은 상부에 통상적인 히트 파이프가 설치된 휴대형 디바이스의 단순화된 단면도이다.
도 12는 티타튬 기반 열적 접지 평면이 설치된 휴대형 디바이스의 단순화된 단면도이다.
도 13은 티타늄 기반 열적 접지 평면과 집적 회로 칩이 설치된 휴대형 디바이스의 단순화된 단면도이다.
도 14는 휴대형 디바이스용으로 적합한 열적 접지 평면의 제 1 실시 예의 단순화된 단면도이다.
도 15는 휴대형 디바이스용으로 적합한 열적 접지 평면의 제 2 실시 예의 단순화된 단면도이다.
도 16a은 휴대형 디바이스용으로 적합한 다수의 열적 접지 평면들을 가진, 열적 접지 평면의 제 1 실시 예의 단순화된 단면도이고, 도 16b는 다중 TiTGP의 다른 실시 예를 도시하며, 도 16c는 다중 TiTGP의 또 다른 실시 예를 도시한다.
도 17은 휴대형 디바이스용으로 적합한 다수의 열적 접지 평면들을 가진, 열적 접지 평면의 제 2 실시 예의 단순화된 단면도이다.
도 18은 휴대?O 디바이스용으로 적합한 다수의 열적 접지 평면들을 가진, 열적 접지 평면의 제 3 실시 예의 단순화된 단면도이다.
도면들은 축척으로 도시된 것이 아니며 유사한 번호들은 유사한 특징들을 나타낼 수 있음을 알아야 한다.
본 설명의 첫 부분은 신규한 티타늄 열적 접지 평면의 세부 사항에 관한 것이다. 나중 부분은 휴대형 디바이스들에 대한 그의 애플리케이션을 설명한다.
바람직한 실시 예의 이하의 설명에서는, 그의 일부를 형성하고, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시 예가 예시적으로 도시된 첨부 도면을 참조한다. 다른 실시 예들이 이용될 수 있으며, 본 발명의 범주를 벗어나지 않고도 구조적 변경이 이루어질 수 있음을 알 것이다.
일부 실시 예들에 있어서, 본 명세서에 개시된 열적 접지 평면은 항공기, 위성, 랩탑 컴퓨터, 데스크탑 컴퓨터, 이동 디바이스, 자동차, 차량, 난방 공조 및 통풍 시스템과, 데이터 센터를 포함하되 그에 국한되지 않은 광범위한 애플리케이션에서 반도체 디바이스들을 냉각시키기 위한 효율적인 공간 이용을 제공하는데 이용될 수 있다.
미세 제조된 기판들은 TGP 형태의, 보다 견고한 내 충격성(shock resistant)의 2-페이즈 냉각 디바이스들을 제조하는데 이용될 수 있다. 이러한 기판들에 대해 다양한 재질들이 채용될 수 있지만, 본 명세서에 합체된 참조 문서에 설명된 바와 같이, 티타늄, 알루미늄, 구리 또는 스테인리스 강과 같은 (그에 국한되지 않은) 금속 기판이 TGP에 적합함을 알게 되었다.
금속의 선택은 다양한 애플리케이션들 및 원가를 고려하여 이루어질 수 있다. 다양한 금속들에 대해 이점들이 있다. 예를 들어, 구리는 모든 금속들 중 가장 높은 열적 전도성을 제공한다. 알루미늄은, 높은 열적 전도성이 중요하고 무게가 중요한 애플리케이션에 유익할 수 있다. 스테인리스 강은 특정의 가혹한 환경에서 유익할 수 있다.
티타늄은 많은 이점을 가진다. 예를 들어, 티타늄은 높은 파괴 인성(fracture toughness)을 가지며, 미세 제조 및 미세 가공될 수 있으며, 내 고온성일 수 있으며, 가혹한 환경에 강하고, 생체에 적합할 수 있다. 추가적으로, 티타늄 기반 열적 접지 평면들은 가볍고, 상대적으로 얇게 이루어질 수 있고 높은 열 전달 성능을 가질 수 있다. 티타늄은 펄스 레이저 용접될 수 있다. 티타늄이 높은 파괴 인성을 가지고 있기 때문에, 그것은 크랙(crack) 및 결함 확대에 강한 얇은 기판들내에 형성될 수 있다. 티타늄은 대략 8.6×10-6/K의 상대적으로 낮은 열적 팽창 계수를 가진다. 낮은 열적 팽창 계수는 얇은 기판과 결합되어, 열적 부정합(thermal mismatch)에 기인한 스트레스들을 실질적으로 감소시키는데 도움을 줄 수 있다. 티타늄은 산화되어, 안정적이고 초친수성(super hydrophilic)의 표면들을 형성하는 NST(Nano Structured Titania)를 형성할 수 있다. 일부 실시 예들에 있어서, 집적화된 NST를 가진 티타늄(Ti) 기판이 TGP들에 적절함을 알게 되었다.
티타늄, 알루미늄, 구리 또는 스테인리스 강과 같은(그에 국한되지 않음) 금속들은 최적 성능을 위한 및 특정 애플리케이션에 대해 맞춤화된 위킹 구조 및 중간 기판을 제작하기 위해, 약 1-1000 마이크로미터 범위의 제어 특징 치수들(controlled characteristic dimensions)(깊이, 폭 및 간격)로 미세 제조될 수 있다. 일부 실시 예들에 있어서, 제어 특징 치수들(깊이, 폭 및 간격)은 최적 성능을 위한 및 특정 애플리케이션에 대해 맞춤화된 위킹 구조를 제작하기 위해 10-500마이크로 미터 범위일 수 있다.
일부 실시 예들에 있어서, 티타늄은 초친수성 표면을 제공하고 그에 의해 모세관력을 증가시키며 열 전달을 개선할 수 있는 NST를 형성하도록 산화될 수 있다. 일부 실시 예들에 있어서, NST는 200나노미터의 공칭 거칠기를 가진 머리카락과 같은 패턴들(hair-like patterns)로 구성될 수 있다. 일부 실시 예들에 있어서, NST는 1-1000nm의 공칭 거칠기를 가질 수 있다.
일부 실시 예들에 있어서, 알루미늄은 초친수성 코팅들을 제공하기 위해 친수성 나노구조를 형성하도록 산화될 수 있다. 일부 실시 예들에 있어서, 초친수성 표면들을 제공하고 그에 의해 모세관력을 증가시키고 열 전달을 개선하기 위해, 소결된 나노 입자들 및/또는 마이크로 입자들이 이용될 수 있다.
일부 실시 예들에 있어서, 티타늄은 티타늄 필름(titanium film)을 형성하는 또 다른 유형의 기판상에 코팅될 수 있다. 티타늄 필름은 NST를 형성하고 그에 의해 초친수성 표면들을 제공하도록 산화될 수 있다.
티타늄은 청정실 프로세싱 기술(cleanroom processing technique)을 이용하여 미세 제조될 수 있고, 기계 공장에서 매크로 가공될 수 있으며, 펄스 레이저 마이크로 용접 기술(pulsed laser micro welding technique)을 이용하여 기밀하게 패키징될 수 있는 재질이다. 열적 접지 평면이 구조적 재질로서 단지 티타늄 또는 티타니아(titania)로 구성되면, 불-응축 가스(non-condensable gasses)를 생성하여, 좋지 않은 성능에 기여함으로써, 고장을 이끌 수 있는 오염을 도입하지 않고도 다양한 부품들이 제자리에서 레이저 용접될 수 있다. 추가적으로, 티타늄 및 티타니아는, 긴 수명 및 최소한의 불-응축 가스 생성에 기여할 수 있는 물과 양립할 있는 것으로 알려져 있다. 따라서, 티타늄 기판은, 레이저 용접에 의해 티타늄 백플레인에 접속되어, 기밀하게 밀폐된 증기 캐비티(hermetically-sealed vapor cavity)를 형성할 수 있다.
금속들은 기밀 밀폐를 형성하도록 접착될 수 있다. 일부 실시 예들에 있어서, 티타늄 기판들은 함께 펄스 레이저 마이크로 용접되어 기밀 밀폐를 형성할 수 있다. 다른 실시 예들에 있어서, 구리, 알루미늄 및 스테인리스 강 기판은, 솔더링(soldering), 경납땜(brazing), 진공 경납땜, TIG, MIG 및 많은 다른 잘 알려진 용접 기술과 같은(이에 국한되지 않음) 다양한 기술들을 이용하여 용접될 수 있다.
본 출원에서는 금속 기반 TGP들의 제조가 설명된다. 일반성의 상실없이, 본 출원은 3개 이상의 금속 기판으로 구성될 수 있는 열적 접지 평면의 실시 예들을 개시한다.
실시 예는 열적 접지 평면을 형성하기 위해 3개의 기판들(그 중 하나 이상은, 티타늄, 알루미늄, 구리 또는 스테인리스 강과 같은(이에 국한되는 것은 아님) 금속을 이용하여 구축될 수 있다)을 구비할 수 있다. 일부 실시 예들에 있어서, 티타늄 기판들은 열적 접지 평면을 형성하는데 이용될 수 있다. 일부 실시 예들에 있어서, 하나의 기판은 집적화된 초친수성 위킹 구조(210)를 지지하며, 제 2 기판은 깊게 에칭된(또는 매크로 가공된) 증기 캐비티로 구성되고, 제 3 중간 기판(110)은 위킹 구조(210) 및 증기 챔버(300)와 상통하는 마이크로구조(112)로 구성된다. 기판들은 열적 접지 평면을 형성하기 위해 함께 레이저 마이크로 용접될 수 있다.
작동 유체는 원하는 성능 특징들(performance characteristics), 동작 온도, 재질 호환성 또는 다른 바람직한 특성들에 기초하여 선택될 수 있다. 일부 실시 예들에 있어서 및 일반성의 상실 없이, 작동 유체로서 물이 이용될 수 있다. 일부 실시 예들에 있어서 및 일반성의 상실없이, 헬륨, 질소, 암모니아, 고온 유기물, 수은, 아세톤, 메탄올, Flutec PP2, 에탄올, 헵탄, Flutec PP9, 펜탄, 세슘, 포타슘, 소듐, 리튬 또는 다른 재질이 작동 유체로서 이용될 수 있다.
본 TGP는 기존의 티타늄 기반 열적 접지 평면보다 상당한 개선을 제공할 있다. 예를 들어, 본 발명은 상당히 높은 열 전달, 보다 얇은 열적 접지 평면, 중력 영향에 덜 민감한 열적 접지 평면 및 많은 다른 이점들을 제공할 수 있다.
이하의 동시 계류 중이고 공동 양도된 미국특허출원들은 예시적인 애플리케이션과 연관되며 그의 전체가 참조로서 합체된다: 2010년 5월 18일자 발행된 Samah등에 의한 "NANOSTRUCTURED TITANIA"란 제목의, 본 명세서에 참조로서 합체된 미국특허번호 제7,718,552 B2호; 2008년 7월 21일자 출원된, Noel C. MacDonald 등에 의한, "TITANIUM-BASED THERMAL GROUND PLANE"란 제목의, 본 명세서에 참조로서 합체된 미국특허출원번호 제61/082,437호; 2012년 11월 26일자 출원된, Payam Bozorgi 등에 의한, "TITANIUM-BASED THERMAL GROUND PLANE"란 제목의, 본 명세서에 참조로서 합체된 미국특허출원번호 제13/685,579호; 2012년 1월 31일자 출원된, Payam Bozorgi 및 Noel C. MacDonald 의한, "USING MILLISECOND PULSED LASER WELDING IN MEMS PACKAGING"란 제목의, 본 명세서에 참조로서 합체된 PCT 출원번호 제PCT/US2012/023303호; 2014년 6월 26일자 출원된, Payam Bozorgi 및 Carl Meinhart에 의한, "TWO-PHASE COOLING DEVICES WITH LOW-PROFILE CHARGING PORTS"란 제목의, 본 명세서에 참조로서 합체된 미국특허가출원번호 제62/017455호.
도 1은, 일부 실시 예들에 있어서, 상기 합체된 참조문서에 설명된 위킹 구조를 가진 티타늄 기판, 백플레인 및 증기 챔버를 구비한, 티타늄 기반 열적 접지 평면일 수 있는 열적 접지 평면을 도시한다. 그 디바이스는, 기밀 밀폐를 형성하기 위해 펄스 마이크로 용접될 수 있다. 열적 접지 평면은, 열역학적 포화 상태의 물과 같은, 작동 유체로 충진될 수 있으며, 거기에서는 액체 페이즈(liquid phase)가 위킹 구조내에 대부분 존재하고 증기 페이즈(vapor phase)가 증기 챔버내에 대부분 존재한다.
상기 합체된 참조문서들에 설명된 바와 같이, 위킹 구조는 다수의 기둥들, 채널들, 트렌치들 또는 다른 기하학적 구조들로부터 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 2a는 티타늄 위킹 구조(22)가 기둥들(24)로 구성된 기존의 TGP를 도시한다. 도 2b는 티타튬 위킹 구조(22')가 기판(21)상의 채널들 또는 그루브들(28)로 구성된 기존의 TPG를 도시한다.
도 3은 위킹 구조(210) 및 증기 챔버(300)와 상통하는 중간 기판(110)을 가진 신규한 금속 기반 열적 접지 평면의 실시 예를 도시한다. 중간층은 마이크로구조들(112)을 구비할 수 있다. 도 3a는 실시 예의 구성 요소들을 도시한 측면도이고, 도 3b는 실시 예의 구조적 구성 요소들의 분해 조립도이다. 금속 기판(205)은 금속 백플레인(120)에 접착되어 기밀 밀폐된 증기 캐비티(300)를 형성한다. 그러므로, 증기 캐비티(300)는 금속 기판(205)과 금속 백플레인(120)에 의해 밀봉될 수 있다. 예를 들어, 실시 예에 있어서, 티타늄 기판은 티타늄 백플레인(120)에 펄스 레이저 마이크로 용접되어 기밀 밀폐된 증기 캐비티를 형성할 수 있다.
일부 실시 예들에 있어서, 다수의 중간 기판들(110)이 이용될 수 있으며, 열적 접지 평면의 각각의 서로 다른 영역마다 적어도 하나의 다른 중간 기판(110)이 이용될 수 있다. 다수의 중간 기판들(110)은 서로 매우 근접하게 배치되어, 열적 접지 평면의 기능성에 전체적인 이점을 일괄적으로 제공한다.
일부 실시 예들에 있어서, 중간 기판(110)은 1-1000 마이크로미터 범위의 특징 치수들(깊이, 폭 및 간격)을 가진 다수의 마이크로구조(112)들로 구성된 영역들을 포함할 수 있다. 일부 실시 예들에 있어서, 중간 기판(110)은 10-500 마이크로미터 범위의 치수들(깊이, 폭 및 간격)을 가진 다수의 마이크로구조들(112)로 구성된 영역들을 포함할 수 있다.
적어도 하나의 중간 기판(110)은 다수의 마이크로구조들(112)로 구성된 영역들, 고체 기판으로 구성된 영역들 및 (마이크로구조들(112)에 비해 크고, 예를 들어 개구들이 1-100밀리미터 또는 1-10000밀리미터의 치수 범위일 수 있는) 적어도 하나의 중간 기판(110)내의 적어도 하나의 개구로 구성되는 영역들을 포함할 수 있다.
일부 실시 예들에 있어서, 열적 접지 평면의 선택된 영역에 대한 중간 기판(110)에 있어서의 개구는 이들 영역내에 단지 중간 기판(110)을 제공하지 않음으로써 달성될 수 있다. 열적 에너지는 히트 소스(250)에 의해 공급될 수 있고 히트 싱크(260)에 의해 제거될 수 있다. 열적 에너지는 금속 기판(205)의 한 영역(증발기 영역)에서 금속 기판(205)의 다른 영역(응축기 영역)으로 전달될 수 있다. 증발기 영역에 있어서, 국소 온도는 액체/증기 혼합물의 포화 온도보다 높으며, 이에 따라 액체(140)가 증기로 증발되고, 그에 따라 증발의 잠열(latent heat)에 기인한 열적 에너지가 흡수된다.
증기 챔버(300)내에 잔류하는 증기는 증발기 영역으로부터 단열 영역을 통해 응축기 영역으로 흐를 수 있다. 히트 싱크(260)는 응축기 영역으로부터의 열을 흡수하여 국소 온도가 액체/증기 혼합물의 포화 온도보다 낮게 되게 할 수 있으며, 그에 따라 증기가 액체 페이즈로 응축되고 그에 의해 증발의 잠열에 기인한 열적 에너지가 발산된다.
응축된 액체(140)는 대부분 위킹 구조(210)에 잔류할 수 있으며, 모세관력의 결과로서 응축기 영역에서 단열 영역을 통해 증발기 영역으로 흐를 수 있다.
그 결과, (1) 위킹 구조(210)를 통해 흐르는 액체(140)에 대해 최소한의 점성 손실을 나타내고 (2) 증발기 영역에 있어서 최대한의 모세관력을 나타내는 것이 고성능의 히트 파이프들에게 유리할 수 있다. 많은 실질적인 열적 접지 평면 실시 예에 있어서, 최소한의 점성 손실들과 최대한의 모세관력은 동시에 달성하기 어렵다. 3개의 영역들의 각각에 적절하게 구성된 다수의 마이크로구조들(112)을 가진 중간 기판(110)을 도입하면, 내부의 대부분 구조가 거의 동일한 기존의 TGP들에 비해, 열적 접지 평면이 일부 영역들에서는 감소된 점성 손실을 가지되, 다른 영역들에서는 증가된 모세관력을 나타내는 수단이 제공될 수 있다.
일부 실시 예들에 있어서, 지지 기둥들(스탠드오프(standoff)들)(122)은 백플레인(120)과 위킹 구조(210) 및/또는 중간 기판(110)간의 간격을 기계적으로 지지하는데 이용된다. 일부 실시 예들에 있어서, 지지 기둥들(스탠드오프들)은 증기 챔버(300)에 대한 제어 간격(controlled spacing)을 제공한다. 지지 기둥들(스탠드오프들)은 화학적 습식 에칭 기술들 또는 (상기에서 설명한) 다른 제조 기술들을 이용하여 미세 제조될 수 있다. 따라서, 백플레인(120)은 열적 접지 평면을 구조적으로 지지하기 위한, 중간 기판 및/또는 금속 기판과 상통하는 스탠드오프들을 포함할 수 있다.
도 4에는 증발기 영역, 단열 영역 및 응축기 영역에 서로 다른 구조적 구성 요소들이 배치된 실시 예의 구조적 구성 요소가 도시되며, 도 4a에는 중간 기판(110)이 위킹 구조(210)의 유효 종횡비를 증가시키도록 배치된 다수의 마이크로구조들(112)을 구비하는 실시 예의 증발기 영역이 도시된다. 중간 기판(110)으로부터의 핑거(finger)들(마이크로구조들(112))이 위킹 구조(210)에 있어서의 채널들에 간삽되고, 그에 의해 중간 기판(110)이 없는 위킹 구조의 낮은 종횡비 특성들에 비해, 보다 높은 종횡비 특성들의 개수가 2배로 늘어난다. 도 4b에는 중간 기판(110)이 위킹 구조(210)에 아주 밀접하게 배치된 실시 예의 단열 영역이 도시되고, 도 4c에는 위킹 구조(210)가 증기 챔버(300)와 직접 상통하는 실시 예의 응축기 영역이 도시된다. 도 4d에는, 중간 기판(100)이 전체적으로 도시된다.
따라서, 열적 접지 평면은 증발기 영역, 단열 영역 및 응축기 영역을 가질 수 있다. 그 다음, 중간 기판은 다른 영역들, 특히, 단열 영역에 대해 상대적인 증발기 영역에 다른 지형을 가질 수 있다.
도 4a에는 중간 기판(110)이 금속 기판(212)의 위킹 구조(210)에 간삽되는 다수의 마이크로구조들(112)을 구비하는 실시 예가 도시된다. 금속 기판(212)의 위킹 구조(210)에 중간 기판의 마이크로구조들(112)을 간삽함에 의해, 고체와 액체간의 인터페이스가 실질적으로 증가될 수 있다. 이것은, 액체에 적용되는 모세관력을 증가시킬 수 있으며, 금속 고체에서 액체로 전달되는 열의 양을 증가시킬 수 있다.
도 4b에는 중간 기판(110)이 위킹 구조(210)에 아주 밀접하게 배치된 실시 예의 단열 영역이 도시된다. 고체 중간 기판(110)은 증기 챔버(300)를 위킹 구조(210)로부터 이격시키는데 이용될 수 있다. 증기 챔버(300)를 위킹 구조(210)로부터 이격시킴에 의해, 고체-액체 인터페이스 면적이 증가될 수 있으며, 액체/증기 인터페이스에 메니스커스(meniscus)가 잔류한 채로 증기 챔버(300)내의 증기에 위킹 구조(210)내의 액체가 직접 노출될 수 있는 기존의 TGP에 비해, 채널을 점유하는 메니스커스(meniscus) 없이, 점성 압력 강하(less viscous pressure drop)가 줄어든 액체에 대해 보다 높은 질량 흐름율을 제공할 수 있는 위킹 구조(210)에 액체가 실질적으로 충진될 수 있다.
도 4c에는 위킹 구조(210)가 증기 챔버(300)와 직접 상통하는 실시 예의 응축기 영역이 도시된다. 위킹 구조(210)가 증기 챔버(300)와 직접 상통하면, 증기는 위킹 구조(210)상에서 보다 쉽게 응축될 수 있다. 또한, 응축기와 같은 영역에서는, 액체 페이즈와 증기 페이즈간의 압력차가 크지 않을 수 있으며, 중간 기판(110)은 큰 이점을 제공하지 않을 수 있다.
그러나, 다른 실시 예에 있어서, 응축기 영역이 상대적으로 크고 액체 페이즈와 증기 페이즈간의 압력차가 클 경우, 중간 기판(110)은 또한 응축기 영역들에서 이점을 제공할 수 있다.
도 4d에는 상술한 중간 기판(110)의 구현의 예시적인 실시 예가 도시된다. 중간 기판(110)의 증발기 영역은 웨지(wedge) 형상의 핑거들이 양 단부에 걸쳐 지지되는 핑거들의 로우(row)를 포함하며, 그에 따라, 간삽된 구조들이 증기 챔버(300)에 노출되는 도 4a에 도시된 바와 같이, TGP가 조립될 때, 핑거들이 기판의 위킹 마이크로구조들에 간삽된다. 중간 기판(110)의 단열 영역은, 도 4b에 도시된 바와 같이, 위킹 마이크로구조들(112)의 일부를 덮어씌우는 커버이다. 응축기 영역은, 도 4c에 도시된 바와 같이, 일부 실시 예들에 있어서 중간 기판(110) 구성 요소를 필요로 하지 않을 수 있다.
종횡비는 통상적으로 소정 구조의 하나의 주 치수(major dimension)와 소정 구조의 또 다른 주 치수간의 비율로서 정의된다. 기둥들, 채널들, 트렌치들, 그루브들 또는 히트 파이프 애플리케이션에 이용되는 다른 특성들에 대한 유효 종횡비는 위킹 구조(210)를 통해 흐르는 액체(140)와 같은 유체에 의해 점유된 영역의 높이와 폭간의 비율을 지칭한다. 일부 실시 예들에 있어서, 중간 기판(110)은, 위킹 구조(210)와 조합하여, 위킹 구조(210)에 의해서만 제공되는 종횡비보다 실질적으로 높은 유효 종횡비를 제공하는 하나의 섹션(도 4a에 예시적으로 도시됨)을 포함할 수 있다. 다시 말해, 중간 기판(110)은 모세관력에 의해 유체가 추진되는 좁은 유체 통로들을 형성하기 위해, 위킹 구조(210)에 공형적으로 들어맞는 다수의 돌출부들을 가진 영역을 가질 수 있다. 그 돌출부는, 도 4a에 도시된 바와 같이, 위킹 구조에 있어서의 특성들에 들어맞는 형상일 수 있다.
습식 화학 에칭과 같은, 일부 바람직한 미세 가공 프로세스들의 경우, 위킹 구조(210)에서 높은 종횡비를 달성하는 것은 어려울 수 있다. 2개의 구조들을 간삽하면, 단일 습식 에칭된 구조를 이용하여 달성할 수 있는 것보다, 높은 종횡비를 위킹 구조에서 달성할 수 있다. 중간 기판(110)은 점성 손실을 최소화하고, 상부에 밀접한 증기로부터 액체를 이격시키며, 흐름 용량을 개선하기 위해, 기본적으로 위킹 구조(210)상의 캡(cap)인 또 다른 섹션(도 4b에 예시적으로 도시됨)을 포함할 수 있다. 그것은, 위킹 구조(210)의 일부분들이 중간 기판(110)에 의해 커버되지 않은채 유지되도록, 중간 기판(110)이 배열되는 경우일 수 있다. 이것은, 도 4c에 도시된 바와 같이 응축기 영역내이거나, 증발기 영역내일 수 있으며, 그에 따라 증발기 영역 및/또는 응축기 영역내의 위킹 구조가 커버되지 않는채 유지된다. 도 4c에 도시된 그 구조는 도 4c의 그 구조가 배치되는 장소에 의거하여 응축기 영역의 증발기 영역과의 직접 상통을 도모한다. 따라서, 중간 기판의 개구들은 실질적으로 상기 마이크로구조들보다 더 개방되어 있을 수 있으며, 그에 따라, 위킹 구조와 증기 챔버는 열적 접지 평면의 적어도 하나의 영역에서 직접 상통할 수 있다.
따라서, 중간 기판(110)의 추가는 습식 에칭 기술들 및 어셈블리 기술들과 같은 미세 가공 프로세스들과 호환 가능한 방식으로 및 냉각 디바이스의 3 동작 영역들의 각각에서 위킹 구조(210)의 최적화를 허용한다.
일반성의 상실없이, 위킹 구조(210)는 건식 에칭, 습식 화학적 에칭, 다른 형태의 미세 가공, 매크로 가공, 다이싱 톱(dicing saw)으로의 톱질(sawing) 및 많은 다른 유형의 프로세스들에 의해 형성될 수 있다. 일부 실시 예들에 있어서, 건식 에칭은, 깊이가 채널들의 폭에 필적하거나 그보다 더 큰, 높은 종횡비 채널을 제공할 수 있다. 그러나, 건식 에칭은 보다 작은 영역에 국한될 수 있으며, 습식 에칭 프로세스에 비해, 대규모 제조(large-scale manufacturing)에 대해서는 바람직하지 않을 수 있다. 마스크 기반 습식 에칭은, 그것이 상대적으로 큰 에칭 영역에 적용될 수 있고, 원가 효과적이며, 고 용적 제조(high-volume manufacturing)와 호환 가능함에 따라 바람직할 수 있다. 일부 실시 예들에 있어서, 건식 또는 습식 에칭에 포토리소그래피 기반 방법들이 이용될 수 있다.
일부 실시 예들에 있어서, 위킹 구조(210)는 표준 습식 화학적 에칭 기술에 의해 형성될 수 있다. 일부 실시 예들에 있어서, 습식 화학적 에칭은 위킹 채널 폭에 대한 위킹 채널 깊이의 비율인, 종횡비를 제한할 수 있다. 습식 에칭을 이용하는 일부 실시 예들에 있어서, 위킹 채널 폭은 위킹 채널 에칭 깊이보다 적어도 2 내지 2.5배 더 넓을 수 있다. 일부 실시 예들에 있어서, 위킹 채널 폭이 위킹 채널 에칭 깊이보다 적어도 2 내지 2.5배 더 넓으면, 낮은 종횡비의 위킹 채널에게 큰 단점으로 된다.
증기 페이즈와 액체 페이즈간의 압력은 라플라스 압력(Laplace pressure), 즉, △P = Pυ - Pι = 2γ/R에 의해 설명될 수 있으며, 여기에서, Pυ은 증기 압력이고, Pι은 액체 압력이며, γ은 표면 장력이고, R은 표면의 곡률 반경이다. 액체 페이즈와 증기 페이즈간의 높은 압력차는 곡률 반경 R을 감소시킴에 의해 획득될 수 있다.
일반적으로, 작은 곡률 반경은 낮은 콘택트 각도(contact angle)를 나타내는 재질 표면을 가짐에 의해 및 상대적으로 작은 기하학적 치수들을 가진 기하학적 특징을 형성함에 의해 달성될 수 있다. 많은 실시 예들에 있어서, 위킹 구조(210)를 통해 흐르는 액체에 대해 낮은 점성 손실을 갖는 것이 바람직할 수 있다. 위킹 구조(210)에 있어서의 작은 기하학적 치수들은 위킹 구조(210)를 통해 흐르는 액체의 점성 손실을 크게 증가시킬 수 있다. 그러므로, 일부 실시 예들에 있어서, 낮은 점성 손실을 달성하고, 증기 페이즈와 액체 페이즈간의 높은 압력차를 유지시킬 수 있는 작은 곡률 반경을 가진 메니스커스를 가지는 것이 어려울 수 있다. 본 출원은, 일부 실시 예가, 최대 모세관력에 대해, 예를 들어, 증발기 영역에 있어서 액체 페이즈와 증기 페이즈간에 큰 압력차를 유지시키도록 구성될 수 있는 수단을 개시한다. 본 출원은, 일부 실시 예가 다른 영역들에 다른 구조들을 이용함에 의해, 위킹 구조에 흐르는 액체의 점성 손실을 최소화하도록 구성될 수 있는 수단을 개시한다.
도 5에는, 구조들이 비-습성(non-wetted)이고(즉, 건성이고) 액체에 의해 습성으로 되는 예시적인 실시 예의 구조적 구성 요소들의 측면도가 도시된다. 구조적 구성 요소들은, (A) 증발기 영역에 있어서의 비-습성의 구조적 구성 요소들, (B) 증발기 영역에 있어서의 습성의 구조적 구성 요소들, (C) 단열 영역에 있어서의 비-습성의 구조적 구성 요소들, (D) 단열 영역에 있어서의 습성의 구조적 구성 요소, (E) 응축기 영역에 있어서의 비-습성의 구조적 구성 요소들, 및 (F) 응축기 영역에 있어서의 습성의 구조적 구성 요소들이다.
도 5a에는 중간 기판(110)이 금속 기판(212)의 위킹 구조(210)에 간삽되는 다수의 마이크로구조들(112)을 구비하는 예시적인 실시 예의 측면도가 도시된다.
다수의 마이크로구조들(112)은 금속 기판(212)의 위킹 구조(210)에 간삽되며, 마이크로구조들(112)과 위킹 구조(210)는 액체(140)에 의해 습성으로 된다.
금속 기판(212)의 위킹 구조에 중간 기판(110)의 마이크로구조들(112)을 간삽함에 의해, 고체와 액체(140)간의 인터페이스 면적이 실질적으로 증가될 수 있다. 이것은, 액체(140)에 적용되는 모세관력을 증가시킬 수 있으며, 금속 고체에서 액체(140)로 전달되는 열량을 증가시킬 수 있다.
일부 실시 예들에 있어서, 중간 기판(110)에 포함된 다수의 마이크로구조들(112)과 위킹 구조(210)간의 갭들은, 그들이 위킹 구조(210)의 깊이 보다 실질적으로 작게 되도록 형성될 수 있다. 일부 실시 예들에 있어서, 중간 기판(110)에 포함된 다수의 마이크로구조들(112)과 위킹 구조(210)간의 상대적으로 작은 갭들은, (통상적이고 도 4c에 도시된 바와 같이) 단일 금속 기판(212)을 습식 에칭함에 의해 위킹 구조(210)가 형성되는 일부 실시 예들에 비해, 사실상 보다 높은 종횡비의 위킹 채널을 제공할 수 있다.
일부 실시 예들에 있어서, 티타늄은 기판 재질로서 이용될 수 있다. 티타늄의 열적 전도성은 대략 kTi = 20W/(mK)이고, 액체물은 대략 kW = 0.6W/(mK)이다. 티타늄의 열적 전도성이 대략 액체 물보다 30배 더 높기 때문에, 중간 기판(110)이 추가적인 열적 전도 경로를 제공할 수 있게 되어, 열적 접지 평면의 외부 표면과 위킹 구조(210)에 배치된 액체(140)간의 열적 저항(thermal resistance)이 감소될 수 있다. 또한, 중간 기판(110)내에 포함된 마이크로구조들(112)은 고체-액체 인터페이스 면적을 증가시킬 수 있게 되며, 그에 따라, 열적 저항이 감소되고, 티타늄 고체와 액체(140)간에 발생할 수 있는 임계 열속(critical heat flux)이 증가될 수 있다.
일부 실시 예들에 있어서, 위킹 구조(210)와 중간 기판(110)의 조합은 위킹 구조(210)에 있어서의 채널들의 종횡비를 사실상 증가시킬 수 있다. 액체 페이즈와 증기 페이즈간의 매우 큰 압력차 하에서, 메니스커스가 형성될 수 있으며 이것은 위킹 구조(210)의 최상부가 적셔지지 않게 한다. 그러나, 일부 실시 예들에 있어서, 위킹 구조(210)에 중간 기판(110)의 마이크로구조들(112)을 간삽함에 의해 형성되는 합성 위킹 구조(210)의 형상은, 그러한 메니스커스에 걸쳐있는 큰 압력차하에서 (TGP가 계속적으로 기능하도록) 위킹 구조(210)가 단지 부분적으로만 건조되고(또는 적어도 건조가 실질적으로 지연될 수 있게 하고) 열적 접지 평면이 심각하게 건조되지 않도록, 선택될 수 있다.
이전의 2-페이즈 열 전달 디바이스들에서는 액체 페이즈가 증기 페이즈로 변환됨에 따라 증발 및/또는 보일링(boiling)으로 인해 불안정성이 발생할 수 있다. 이러한 불안정성은 위킹 구조(210)의 국소적 건조를 유발할 수 있으며, 열적 접지 평면의 성능을 열화시킬 수 있다. 이러한 불안정성은 본 실시 예들 중의 일부에서 실질적으로 감소될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시 예들에 있어서, 위킹 구조(210)에 중간 기판들(110)의 마이크로구조들(112)을 간삽함에 의해 형성되는 위킹 구조(210)의 형상은, 위킹 구조(210)에 있어서의 액체 흐름에 대해 실질적인 점성 저항이 있을 수 있도록, 선택될 수 있다. 이러한 점성 저항은, 그것이 증발기에서 발생할 수 있는 증발 및/또는 보일링 프로세스의 안정성을 증가시킬 수 있기 때문에 바람직할 수 있다.
도 5b에는, 중간 기판(110)이 위킹 구조(210)에 아주 밀접하게 배치되는 예시적인 실시 예의 단열 영역의 측면도가 도시된다. 일부 실시 예들에 있어서, 중간 기판(110)은 위킹 구조(210) 바로 위에 배치될 수 있다. 일부 실시 예들에 있어서, 중간 기판(110)은 마이크로구조들(112)로 구성될 수 있다. 일부 실시 예들에 있어서, 고체 중간 기판(110)은 위킹 구조(210)로부터 증기 챔버(300)를 이격시키는데 이용될 수 있다. 위킹 구조(210)로부터 증기 챔버(300)를 이격시킴에 의해, 고체-액체 인터페이스 면적이 증가될 수 있으며, 액체(140)가 위킹 구조(210)에 실질적으로 충진됨으로써, 기존의 위킹 구조(210)에 비해, 점성 압력 강하(less viscous pressure drop)가 줄어든 액체에 대해 보다 높은 질량 흐름율을 제공할 수 있다.
도 5c에는 중간 기판(110)이 위킹 구조에 밀접하게 배치되고 액체(140)가 위킹 구조(210)를 적시는 예시적인 실시 예의 단열 영역의 측면도가 도시된다. 고체 중간 기판(110)은 위킹 구조(210)로부터 증기 챔버(300)를 이격시키는데 이용될 수 있다. 위킹 구조(210)로부터 증기 챔버(300)를 이격시킴에 의해, 고체-액체 인터페이스 면적이 증가될 수 있으며, 액체(140)는 위킹 구조(210)를 실질적으로 충진할 수 있고, 그에 따라 기존의 위킹 구조(210)에 비해, 점성 압력 강하가 줄어든 액체에 대해 보다 높은 질량 흐름율을 제공할 수 있게 된다.
일부 실시 예들에 있어서, 고성능의 열적 에너지 전달이 요망되는 경우, 단열 영역내의 액체의 점성 손실을 감소시키는 것이 중요할 수 있다. 일부 실시 예들에 있어서, 중간 기판(110)은 위킹 구조(210)내의 액체로부터 증기 챔버(300)를 이격시키는데 이용될 수 있다. 일부 실시 예들에 있어서, 위킹 구조(210)내의 액체와 증기간에 큰 압력차가 존재하는 경우, 증기 챔버(300)는 고체 중간 기판(110)에 의해 위킹 구조(210)내의 액체로부터 이격될 수 있으며, 그에 따라 높은 압력차가 위킹 구조(210)내의 액체 흐름에 악영향을 미치는 것을 방지할 수 있다.
기존의 TGP에서는, 습식 에칭된 위킹 채널들이 낮은 종횡비들(즉, 채널 폭에 대한 채널 높이의 낮은 비율)을 가질 수 있다. 일부 실시 예들에 있어서, 증기 페이즈와 액체 페이즈간에 큰 압력차가 존재하면, 액체 페이즈가 위킹 채널을 완전하게 충진하지 못하고, 위킹 구조(210)를 통하는 액체(140) 흐름이 악영향을 받을 수 있으며, 위킹 채널의 건조를 이끌 수 있다. 본 개시의 일부 실시 예들에서는, 중간 기판(110)이 위킹 구조(210)에 포함된 액체(140)로부터 증기 챔버(300)를 이격시키는데 이용될 수 있으며, 위킹 구조(210)의 건조를 지연시키거나 아예 방지할 수 있다. 액체(140)는 도 5d에 도시된 바와 같이 좁은 영역들에 모일 수 있으며, 메니스커스(도시되지 않음)는 위킹 구조(210)의 측면들에 인접한 최하부에 형성될 수 있다.
도 5d에 있어서, 위킹 구조(210)는 증기 챔버(300)와 직접 상통할 수 있다. 위킹 구조(210)가 증기 챔버(300)와 직접 상통하면, 증기는 위킹 구조(210)상에서 보다 쉽게 응축될 수 있다. 또한, 응축기와 같은 영역들에는 액체 페이즈와 증기 페이즈간에 큰 압력차가 존재하지 않을 수 있으며, 중간 기판(110)은 큰 이점을 제공하지 않을 수 있다. 그러나, 응축기 영역이 큰 경우에, 액체 페이즈와 증기 페이즈간에 큰 압력차가 존재할 수 있으며, 그에 따라, 응축기 영역은 마이크로구조들(112)을 가진 적어도 하나의 중간 기판(100)으로부터 혜택을 받을 수 있을 것이며, 그 영향은 위킹 구조(210)의 종횡비를 증가시키는 것이고, 그에 의해, 메니스커스 길이가 단축되고, 그럼으로써, 증발 영역에 대해 상기에서 설명한 바와 같이, 메니스커스가 유지시킬 수 있는 압력량이 증가된다. 도 5d에 도시된 바와 같이, 액체(140)는 위킹 구조(210)의 트렌치들에 모일 수 있다.
도 5d에 도시된 바와 같이, 위킹 구조(210)가 액체(140)에 의해 습성화되도록, 위킹 구조(210)는 증기 챔버(300)와 직접 상통할 수 있다. 일부 실시 예들에서는, 위킹 구조(210)내의 액체(140)와 증기 챔버(300) 간에 큰 압력차가 존재하지 않을 수 있으며, 중간 기판(100)이 큰 이점을 제공하지 않을 수 있다. 그러나, 응축기 영역이 큰 경우에는, 액체 페이즈와 증기 페이즈간에 큰 압력차가 존재할 수 있으며, 그에 따라, 응축기 영역은 마이크로구조들(112)로부터 혜택을 받을 수 있을 것이며, 그 영향은 위킹 구조(210)의 종횡비를 증가시키고, 증발 영역에 대해 상기에서 설명한 바와 같이, 메니스커스가 유지시킬 수 있는 압력량을 증가시키는 것이다.
도 6에는 열적 접지 평면의 예시적인 실시 예에 대한 축 위치 함수로서의 압력 프로파일들이 도시된다. 곡선은 증기 챔버(300)내의 증기 페이즈와 위킹 구조(210)내의 액체 페이즈의 압력을 보여준다. 예시적인 실시 예에 있어서, 액체 페이즈와 증기 페이즈간의 최대 압력차는 증발기 영역에서 발생할 수 있다. 예시적인 실시 예에 있어서, 증기 페이즈와 액체 페이즈간의 최소 압력차는 응축기 영역에서 발생할 수 있다.
위킹 구조(210)는 채널들, 기둥들 또는 다른 구조들로 구성될 수 있다. 이 구조들이 습식 에칭 또는 다른 제조 프로세스에 의해 형성되면, 그들은 낮은 종횡비를 가진 특성들로 구성될 수 있다. 기존의 위킹 구조(210)는 낮은 종횡비의 채널들 또는 기둥들로 구성될 수 있으며, 중간 구조를 포함하지 않는다. 이러한 기존의 낮은 종횡비의 위킹 구조(210)에서는, 액체 페이즈와 증기 페이즈간의 큰 압력차가 2개의 페이즈간의 메니스커스가 채널의 최하부를 향해 연장되게 할 수 있으며, 그에 의해, 채널을 점유하는 액체(140)량이 감소되고, 액체의 질량 흐름이 크게 감소된다. 그 다음, 이것은 열 전달 성능을 약화시키고 위킹 구조(210)의 건조를 유발시킬 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 가장 높은 증기 압력은 전형적으로 증발기 영역에서 발생하며, 증기 압력은 점성 손실로 인해 TGP에 의해 전달되는 열량에 따라 증가한다. 또한, 열적 접지 평면의 전체 두께를 가능한 얇게 제조하는 것이 바람직할 수 있는데, 이것은 증기 챔버(300)를 상대적으로 얇게 제조함에 의해 달성될 수 있다. 상대적으로 얇은 증기 챔버(300)는 증기 챔버내에서 증발기로부터 단열 영역을 통해 응축기로 흐르는 증기의 실질적인 점성 손실을 유발할 수 있다. 증기 챔버(300)에서 흐르는 증기의 높은 점성 손실은 증발기내의 액체 페이즈와 증기 페이즈간의 큰 압력차에 기여할 수 있다. 상술한 바와 같이 위킹 구조(210)의 종횡비를 증가시키는 중간 기판(110) 구조는, 액체/증기 인터페이스의 메니스커스 길이를 감소시키는 효과를 가지며, 이것은 위킹 구조(210)의 이 부분에서 곡률 반경이 보다 적어지게 하며, 그에 의해, 메니스커스는 높은 메니스커스 압력에 보다 잘 견디게 되고(도 5b), TGP는 기존의 구현보다 훨씬 높은 압력을 유지할 수 있게 된다. 따라서, 적어도 하나의 중간 기판의 적어도 하나의 영역은 위킹 구조의 적어도 하나의 영역에 간삽되는 다수의 마이크로구조들을 가질 수 있으며, 그에 따라, 열적 접지 평면의 적어도 하나의 영역에서 높은 종횡비의 위킹 구조를 형성할 수 있게 된다. 또한, 적어도 하나의 중간 기판은 위킹 구조에 밀접하게 배치되어, 열적 접지 평면의 적어도 하나의 영역에서 액체 페이즈와 증기 페이즈를 이격시킨다.
액체 페이즈와 증기 페이즈간에 보다 높은 압력차를 유지시키면 위킹 구조(210)를 건조시키는 일 없이 보다 많은 열이 전달될 수 있게 되며, TGP는 보다 얇은 고안으로부터 결과하는 점성 손실에 대해 보다 잘 견딜 수 있게 된다. 따라서, 중간 기판(110)이 추가되면 보다 높은 열 전달 및 보다 얇은 접지 평판을 동시에 달성할 수 있게 된다.
일부 실시 예들에 있어서, 열적 접지 평면은, 응축기에서의 증기 페이즈와 액체 페이즈간의 압력차가 잘 제어될 수 있도록, 특정된 양의 포화된 액체/증기 혼합물로 충진될 수 있다. 일부 실시 예들에 있어서, 액체/증기 혼합물의 양은, 응축기 영역의 일부가 인접 증기보다 높은 압력으로 액체를 포함할 수 있도록, 선택된다.
*중간 기판(110)을 이용하는 본 발명의 열적 접지 평면의 예시적인 실시 예의 경우의 30W에 비해, 기존의 티타늄 열적 접지 평면은, 위킹 구조(210)가 30℃의 동작 증기 온도에서 건조를 나타내기 전에, 약 10W의 열적 에너지만을 전달할 수 있다. 유사하게, 증기 온도가 증가함에 따라, 본 발명의 열적 접지 평면의 예시적인 실시 예의 경우의 전달되는 최대 열적 에너지는 각각 50℃ 및 70℃의 동작 증기 온도에 대해 35W 및 40W까지 증가한다. 모든 경우에, 본 발명의 열적 접지 평면의 예시적인 실시 예의 경우의 전달되는 최대 열적 에너지는 기존의 열적 접지 평면으로부터 관찰된 것보다 15-20W 더 높다.
도 7에는 본 발명의 하나 이상의 실시 예들에 따른 Ti-기반 TGP의 하나 이상의 실시 예들의 형성의 흐름도가 도시된다. 일부 실시 예들에 있어서, 단계 S100에서 위킹 구조를 형성하기 위해 열적 접지 평면의 금속 기판에 다수의 금속 마이크로구조들을 형성함에 의해 열적 에너지가 운송될 수 있다. 단계 S110에서, 증기 캐비티가 형성될 수 있다. 단계 S120에서, 적어도 하나의 구조 및/또는 적어도 하나의 마이크로구조가 위킹 구조 및 증기 챔버와 상통하는 중간 기판에 형성되는데, 그 중간 기판은 위킹 구조의 적어도 하나의 영역에 있어서의 위킹 구조의 유효 종횡비를 증가시키도록 하는 형상을 가지고 배치된다. 단계 S130에서, 열적 접지 평면내에 유체가 포함될 수 있다. 단계 S140에서, 다수의 마이크로구조들로부터 결과하는 모세관력에 의해 추진되는 유체 운동에 의해, 금속 기판의 적어도 하나의 영역에서 금속 기판의 적어도 하나의 다른 영역으로 열적 에너지가 운송될 수 있다.
도 8에는, 본 발명의 하나 이상의 실시 예에 따른, Ti-기반 TGP의 하나 이상의 실시 예의 형성의 흐름도가 도시된다. 일부 실시 예들에 있어서, 금속 기반 열적 접지 평면은 이하의 프로세스에 의해 형성될 수 있다. 단계 S200에 있어서, 제 1 기판이 형성된다. 단계 S210에 있어서, 제 2 기판이 형성된다. 단계 S220에 있어서, 적어도 하나의 중간 기판이 형성된다. 단계 S230에 있어서, 기판이 부착된다. 단계 S240에 있어서, 열적 접지 평면이 형성된다.
도 9에는 중간 기판(110)과 상통하는 위킹 구조(210)의 예시적인 실시 예가 도시된다. 유효 채널 폭 w에 대한 유효 채널 높이 h의 비율로서 유효 종횡비가 정의되며, 도 9a에는 중간 기판(110)의 마이크로구조들(112)이 위킹 구조(210)에 갑삽되는 예시적인 실시 예가 도시되고, 도 9b에는 중간 기판(110)의 마이크로구조들(112)이 위킹 구조(210) 위에 배치되는 대안적인 실시 예가 도시된다.
도 9에 도시된 예시적인 실시 예들은, 중간 기판(110)을 포함하지 않고도, 위킹 구조(210)에 의해 획득될 수 있는 것보다 높은 유효 종횡비를 제공할 수 있다. 예를 들어, 위킹 구조(210)가 습식 에칭 또는 다른 등방성 에칭 프로세스에 의해 형성되면, 종횡비 h/w는 1보다 낮거나 1보다 실질적으로 낮을 수 있다. 중간 기판(110)을 이용하면, 위킹 구조(210)와 중간 기판(110)간의 유체 채널의 보다 높은 유효 종횡비가 달성될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시 예들에 있어서, h/w＞1 이며, 여기에서, h는 유체 채널의 유효 높이(또는 깊이)이고 w는 폭이다.
도 9b에는 상대적으로 낮은 점성 손실이 요망될 때 이점을 가질 수 있는 대안적인 실시 예가 도시된다.
그것이 견고하고, 효과적이며, 소형이고 내 충격성이기 때문에, TGP들과 같은 2-페이즈 냉각 장치들이 특히 이동 또는 휴대형 애플리케이션에 적합할 수 있다. 예를 들어, 상술한 티타늄 기반 열적 접지 평면(TiTGP)은 견고성 및 효율을 증가시키고 크기 및 원가를 감소시키기 위해 휴대형 디바이스들에 이용하는데 적합하다. 통상적으로 이용되는 하나의 그러한 디바이스는 스마트폰으로 알려져 있다. 그러나, 본 명세서에서 설명한 구조들은 랩탑, 카드 및 태블릿, 스마트폰 및 머리에 착용하는 디바이스들과 같은, 다른 이동 컴퓨팅 및/또는 통신 디바이스들에 적용될 수 있다.
휴대형 애플리케이션에 적합한 티타늄 기반 열적 접지 평면의 단순화된 단면도가 도 10에 도시된다. 티타늄 기반 열적 접지 평면은 도 1, 3 및 5에 대해 이전에 도시한 것과 전반적으로 동일한 구조일 수 있다. 그러나, 한가지 중요한 차이는, 도 3에 도시된 증발기 영역, 단열 영역 및 응축기 영역 대신에, 응축기 영역(및 히트 싱크)이 없다는 것이다. 그 대신 증기내의 대류에 의해 열이 전달된다. 따라서, 휴대를 위한 TiTGP는, 수반되는 온도 및 공간 제약들 때문에 증기가 별도의 영역내의 액체로 결코 실제 응축되지 않도록, 전체적으로 증기 모드로 작동할 수 있다. 그 결과, 위킹 구조(210)에 열을 적용하는, 집적 회로(450)인 히트 소스(250)가 존재할 수 있다. 열은 증기 챔버(300)내의 액체를 기화시킨다. 증기는, 결국, 도 10에 도시된 열적 접지 평면의 최우측 영역에서 액체로서 재형성된다. 그 액체는 위킹 구조에 의해 히트 소스로 복귀한다. 그러한 TiTGP는, 이러한 모드로 동작할 때 적어도 5W를 소산시킬 수 있으며, 그에 따라, IC(450)에 의해 생성된 2-3W를 소산시킬 수 있다.
본 명세서에서 용어 "2-페이즈 냉각 디바이스"와 "열적 접지 평면"은 상호 교환 가능하게 이용될 수 있음을 알아야 한다. 어느 용어든 도 1-10에 대해 상기에서 설명한 티타늄-기반 열적 접지 평면(TiTGP)을 지칭한다.
도 10에 도시된 위킹 구조(210)는, 예를 들어, 도 1 내지 도 4에서 이전에 설명한 위킹 구조일 수 있다. 위킹 구조(210)는 예를 들어, 도 1, 3, 4 및 5에서 위킹 구조(10,210)에 대해 상술한 선택 사항들 중 임의 선택 사항을 포함할 수 있다. 특히, 위킹 구조(210)는 1-1000마이크로미터의 특징 치수를 가진 다수의 마이크로구조들(112)을 가진 적어도 하나의 영역을 포함할 수 있다. 위킹 구조(210)는 열적 접지 평면의 적어도 하나의 영역에 높은 유효 종횡비의 위킹 구조를 형성하기 위하여, 위킹 구조의 적어도 하나의 영역에 간삽되는 다수의 마이크로구조들을 추가로 포함할 수 있다. 위킹 구조(210)내에 있어서, 액체 페이즈와 증기 페이즈는 열적 접지 평면내의 개별적인 영역내에 각각 존재한다. 열적 접지 평면은 이전에 설명한 바와 같은 돌출부들을 가진 중간 기판을 가질 수 있다. 좁은 채널을 형성할 수 있는 형상, 크기 및 종횡비는 이전에 설명되었다. 설명의 용이성 및 명확성을 위해, 이들 세부 사항은 도 13 내지 도 18에 도시되지 않았으며, 대신에, TiTGP가 위킹 구조(210 또는 510)와 백플레인(220 또는 520)을 구비하는 것으로 전반적으로 도시된다.
따라서, 열적 접지 평면(500)은, 2개의 기본 구성 요소들, 즉, 티타늄 백플레인(520)과 티타늄 기반 위킹 평면(510)을 가지는 것으로 도시된다. 포괄적인 위킹 구조(510)는, 도 1 내지 도 9에 대해 설명된 바와 같이, 중간 기판, 마이크로구조들, 스탠드오프들 및 금속 기판들과 같은, 이전에 설명한 특성들 중의 임의 특성들 또는 모든 특성들을 포함함을 알아야 한다. 백플레인(520) 및 위킹 구조(510)는 이전에 설명된 바와 같이 레이저 용접에 의해 결합될 수 있다. 이 영역들의 전체 두께는 대략 0.5mm이다.
휴대형 디바이스의 구성 요소들은 도 11에 도시되며, 전방 스크린을 포함하는 플라스틱 또는 금속 전방 표면(410), 중간 브래킷(bracket) 또는 프레임(420) 및 플라스틱 또는 금속 후방 표면(430)을 포함할 수 있다.
전방 표면(410)은 LED 유리 스크린 표면을 포함할 수 있다. 중간 프레임(420) 및 후방 표면은, 전형적으로, 알루미늄 합금(430)이다. 특히, 중간 프레임(420)과 후방 표면(430)은 경량화 및 내구력을 위해 알루미늄 또는 알루미늄 마그네슘 합금으로 이루어질 수 있다. 중간 프레임(420)은 기계적 강성(mechanical rigidity)를 제공하며, 후방 표면과 함께, 휴대형 디바이스의 골격(skeleton)을 정의하고 기계적 내구력과 견고성을 제공한다.
중간 프레임(420)은 휴대형 디바이스(400)에 구조적 지지 및 강성을 제공한다. 중간 프레임(420)은 전반적으로 인클로저의 내부 영역에 걸쳐있다. 휴대형 디바이스를 제어하는 회로는 외부 케이싱(outer casing)내에 밀봉된 집적 회로 칩(450)상에 포함되어, 중간 프레임에 부착될 수 있다. 휴대형 디바이스를 동작시키는 회로에 의해 전형적으로 생성되는 열을 확산시키기 위해 외부 케이싱 내부에 팬(fan)이 제공될 수 있다. 중간 프레임(420)은, 도 11에 도시된 바와 같이, 전반적으로 약 0.2 내지 0.8mm의 두께 또는 도 11에 도시된 바와 같이 0.5mm 두께일 수 있다.
전방 표면(410) 및 금속 또는 플라스틱 후방 표면(430)은, 일반적으로 외부 케이싱내에 배치되고 금속이기도 한 중간 프레임(420)과 대조적으로, 휴대형 디바이스의 외부 케이싱을 형성할 수 있다. 예를 들어, 대부분의 스마트폰들은 외부 쉘(shell) 및 내부 골격을 형성하는 다수의 층들을 가진다. 도 11에는 스마트폰과 같은, 휴대형 디바이스(400)의 단순화되고 포괄적인 단면도가 도시된다.
IC로부터 생성된 열을 소산시키기 위해, 인클로저내에 히트 파이프(440)가 포함되는 경우가 있다. 도 12에는, 히트 파이프(440)를 이용하는 휴대형 디바이스(400)의 실시 예가 도시된다. 기존의 히트 파이프 기술(440)은 비교적 두껍고 비효율적이다. 기존의 히트 파이프 기술의 대부분의 실시 예들은 대략 0.4mm 두께로서, 스마트폰의 전체적인 두께와 무게에 크게 기여한다. 이러한 작은 디바이스들에서는 공간 및 무게에 그러한 프리미엄(premium)이 붙기 때문에, 회사들은 이러한 휴대형 디바이스들에 대해 보다 얇고 보다 유효한 열적 해법(thermal solution)을 필사적으로 찾는다. 보다 차가운 온도는 디바이스의 신뢰성 및 수명을 강화시키고, 휴대형 디바이스의 팬 소음을 줄이거나 완전히 제거하며, 배터리 수명을 연장시킨다.
히트 파이프를 이용할 때 보다 많은 열을 소산시키는 한가지 방식은, 전방 프레임 표면(410), 금속 표면(420) 또는 후방 표면(430)과 칩 사이에 배치된, 내부에 얇은 그라파이트 시트들(graphite sheets)을 배치하는 것이다. 그러나, 그라파이트는 고가이고 층들의 두께가 약 0.3mm로서, 기계적 취약성(fragility) 및 파손 경향 때문에 얇게 만들 수 없다. 열적 해법으로서, 그것은 아주 효율적인 것은 아니며 전도성 소자로서, 그것은 IC 칩(450)을 단락시킬 수 있다. 따라서, 제조자들은, 휴대형 디바이스가 효율적이고 신뢰성 있으며 사용하기에 편리하도록 칩으로부터 멀리 열을 전도시키고 배터리 충전들간의 시간을 최대화하기 위한 새로운 해법을 갈망하고 있다. 히트 파이프를 가진 휴대형 디바이스의 중간 프레임의 전체 두께는 거의 1mm이다.
종래의 히트 파이프(440)와는 대조적으로, 히트 소스들, 특히, 휴대형 디바이스 인클로저(400)내의 IC 칩(450)에 의해 생성되는 열을 소산시키는데 TiTGP가 이용될 수 있다.
위킹 구조(210)의 전체적인 두께가 대략 0.1 내지 0.15mm 사이에 있을 수 있기 때문에, 열적 접지 평면과 티타늄 기반 금속 프레임을 합친 전체 두께는 대략 0.6 내지 0.65mm일 수 있다. 따라서, 휴대형 디바이스의 (TiTGP를 포함한) 중간 프레임의 전체 두께는 대략 0.6 내지 0.65mm일 수 있다. 이에 따라 전체 두께가 거의 0.5mm 감소하게 되며, 이에 대해서는 후술하겠다. 이것은, 도 12에 도시되었던 것 처럼, 이전에 설명한 종래의 히트 파이프 기술에 있어서 두께의 실질적인 개선을 나타낸다. 전처럼 집적 회로 또는 칩은 위킹 구조(210)의 표면 바로 위에 배치될 수 있다. 열적 그리스(thermal grease) 또는 열적 에폭시나 포팅(potting) 화합물과 같은 임의 열적 전도성 접착체(thermally conductive adhesive)가 위킹 구조(210)에 칩(450)을 부착시키는데 이용될 수 있다.
나머지 도 13 내지 18에는 휴대형 디바이스(400)내에 도 10의 TiTGP를 구현하는 다양한 방법들이 도시된다. 이하의 설명으로부터 알겠지만, TiTGP는 (열을 소산시키기 위한) 열적 구조 및 (내구력 및 강성을 위한) 기계적 구조로서 이용된다. 이와 관련하여, TiTGP에 대해 티타늄을 이용하는 것은 중요한 성능상의 이점이며, 일반적으로 티타늄의 높은 원가에도 불구하고, 그의 이용의 동기가 된다. 따라서, TiTGP는 이동 애플리케이션을 구축하는데 이용되는 구조적 재질 및 열적 모듈일 수 있다. 따라서, TiTGP(500)는 구조적 및 열적 이점을 가질 수 있다.
티타늄 히트 파이프 또는 TiTGP(titanium Thermal Ground Plane)에 기반한 개선된 휴대형 디바이스가 본 명세서에 개시되고 도 13 내지 도 18에 도시된다. TiTGP(500)는 상기 도 1 내지 도 10에서 설명된 것일 수 있지만, 휴대형 디바이스 애플리케이션에 적합할 수 있다. 일반적으로, 휴대형 디바이스는 휴대형 디바이스의 내부에 배치된 증기 캐비티를 가진 열적 접지 평면 - 열적 접지 평면은 금속 기판상의 티타늄 백플레인(120) 및 위킹 구조를 구비함 - 과, 열적 접지 평면과 열적 상통하는 집적 회로, 및 열적 접지 평면과 집적 회로를 밀봉한 외부 케이싱을 구비한다.
일 실시 예에 있어서, 휴대형 디바이스는 열적 접지 평면(500)을 수용하는 갭을 가진 중간 프레임 부재를 포함할 수 있으며, 열적 접지 평면(500)은 위킹 구조(510)와 백플레인(520)을 가진다. 이러한 실시 예는 도 13에 먼저 도시된다. 다른 실시 예에 있어서, TiTGP(500)는 티타늄, 알루미늄 또는 알루미늄 마그네슘 합금일 수 있는, 기존의 중간 프레임 구조(420)에 내장되거나 그에 부착된다. 어느 경우든, 중간 프레임은 기계적(내구력 및 강직성(stiffness)) 및 열적 기능(열 소산)을 제공하면서, 여전히 매우 얇다. 이러한 고안이 도 14에 두번째로 도시된다.
TiTGP를 이용하는 휴대형 디바이스(400')의 첫 번째 예시적인 실시 예는 도 13에 단순화된 단면으로 도시된다. 도 13에 도시된 것은, 스크린(410)을 포함하는 전방 표면, 후방 표면(430) 및 중간 프레임(420)이다. 중간 프레임(420)은 알루미늄 또는 알루미늄 기반 합금 또는 티타늄 부재일 수 있으며, 거기에 TiTGP(500)가 형성되거나 내장된다. 따라서, 일 실시 예에 있어서, 휴대형 디바이스는 열적 접지 평면을 포함하며, 그 열적 접지 평면은 휴대형 디바이스의 중간 프레임 부재내에 삽입된 모듈이다.
이러한 실시 예에 있어서, 중간 프레임(420)은 삽입된 TiTGP(500)를 수용하기 위해 거기에 형성된 캐비티를 가질 수 있다. 이 경우, 대략 100 미크론과 1000 미크론 깊이 사이의 캐비티가 티타늄 기반 중간 프레임(420)내에 에칭된다. TiTGP는, 예를 들어, 용접 또는 접착, 글루잉(gluing)에 의해 거기에 부착될 수 있다. 따라서, 휴대형 디바이스는 중간 프레임 부재(420)에 형성된 캐비티에 배치된 열적 접지 평면을 가질 수 있으며, 중간 프레임 부재(420)는 티타늄을 구비할 수 있다. 중간 프레임 부재에 형성된 캐비티는 약 400 미크론의 깊이를 가질 수 있으며, 중간 프레임 부재의 폭에 걸쳐 약 100 미크론의 티타늄이 남겨진다.
TiTGP를 이용하는 휴대형 디바이스(400")의 제 2 예시적인 실시 예가 도 14에 도시된다. 휴대형 디바이스(400")는 중간 프레임 부재(420)와 열적 접지 평면을 포함할 수 있고, 열적 접지 평면(500)은 위킹 구조(510)와 백플레인(520)을 가지며, 중간 프레임 부재(420)는 열적 접지 평면(500)의 백플레인(520)을 형성한다. 디바이스(400")는 집적 회로를 포함할 수 있으며, 그 집적 회로는 열적 접지 평면(500)의 위킹 구조(510)에 고착되어 그와 열적 상통한다. 열적 접지 평면(500)의 증기 캐비티(530)가 티타늄 백플레인(520) 사이에 형성되고 위킹 구조(510)에 대한 용접에 의해 밀폐됨으로써, 열적 접지 평면(500)을 형성한다.
따라서, 이 실시 예에 있어서, 중간 구조가 TiTGP의 고안내에 합체되어, 백플레인(120)으로서 작용하도록 TiTGP가 필수 구성 요소를 형성한다. 이 경우, 중간 프레임(420)은 티타튬을 구비할 수 있다. 중간 티타늄 부재(420)에, TiTGP(500)에 대한 증기 캐비티(530)로 될 0.4mm 캐비티가 형성될 수 있다. 따라서, 이 실시 예에 있어서, 휴대형 디바이스는 열적 접지 평면(500)을 포함할 수 있으며, 열적 접지 평면(500)은 증기 캐비티(530)를 구비할 수 있고, 증기 캐비티(530)는 위킹 구조(510)와 티타늄 백플레인(520)에 의해 밀봉된다. 이러한 실시 예에 있어서, 위킹 구조(510)가 금속 백플레인에 접착되어, 기밀 밀폐된 증기 캐비티를 형성한다. 캐비티가 레이저 용접에 의해 밀폐되어, 이전에 설명한 바와 같이, 기밀 밀폐된 증기 캐비티를 형성한다. 증기 캐비티는, 이전에 설명한 바와 같이, 가변하는 증기 챔버 높이를 제공하기 위해 하나 이상의 리세스된 영역들(recessed regions)로 구성될 수 있다.
이 실시 예에 있어서, TiTGP(500)는 중간 프레임(420)의 재질내에 및 그 재질로부터 바로 형성되며, 중간 프레임의 금속은 TiTGP의 백플레인(120)을 형성한다. TiTGP의 나머지, 즉, 위킹 구조(210)와 금속 백플레인(120)은 도시된 바와 같이 다른 표면들로부터 형성될 수 있다. 이 실시 예에 있어서, 위킹 구조(540)은, 칩(450)이 부착되는 표면일 수 있다. 이러한 실시 예에 있어서, 티타늄 중간 프레임(520)을 포함하는 TiTGP(500)는 전체적으로 중간 프레임을 한 단위별로 대신한다.
이 실시 예에 있어서의 TiTGP는 그의 백플레인(120)으로서 티타늄 중간 프레임(520)을 이용한다. 따라서, 티타늄 중간 프레임이 실질적으로 더 넓을 수 있지만, 형성된 캐비티의 가로 길이는 약 3cm일 수 있다. 중간 프레임(520)이 휴대형 디바이스(400)의 전체 폭을 가로질러 연장되기 때문에, 캐비티 폭은, 양측상에 증기 캐비티를 적어도 1cm 벗어나게 연장되는 단지 티타늄 중간 프레임 폭의 일부이다. 티타늄 중간 프레임의 연장 폭은 휴대형 디바이스(400)에 구조적 강성을 제공하며, IC로부터 열을 소산시키는데 도움을 준다. 따라서, 열적 접지 평면은 휴대형 디바이스의 구조적 요소를 형성할 수 있다.
대안적으로, TiTGP는 휴대형 디바이스의 후방 커버(430)의 일부로서 이용될 수 있다. 휴대형 디바이스(480)의 이러한 실시 예가 도 15에 도시된다. 도 15에는 휴대형 디바이스의 후방 표면(430)상에 탑재된 증기 캐비티 및 위킹 구조(510)가 도시된다. 이 실시 예에 있어서, 후방 표면(430)은 스크린 측면(410)에 대한 휴대형 디바이스의 반대 측면이다. TiTGP의 위킹 구조(510)는 칩(450)과 열적 상통한다. TiTGP는 도 13에 도시된 중간 프레임 설치와 유사하게 후방 표면(430)의 갭에 설치될 수 있으며, 또는 휴대형 디바이스의 후방 표면(430)은 도 14에 도시된 시스템과 유사하게, TiTGP의 백플레인(520)으로서 작용할 수 있다. 더 나아가, TiTGP는, 전방 표면이 금속성이면, 전방 표면상에 설치될 수 있다.
TiTGP의 매우 얇은 형태 인자 때문에, TiTGP가 다수의 증기 캐비티들과 위킹 구조들을 포함하도록 2개의 열적 접지 평면들이 함께 결합될 수 있다. 소형의 밀봉된 휴대형 디바이스들에 있어서, 열적 모듈은 칩으로부터 열을 배척하고, 그것을 디바이스에 균일하게(등온 조건) 퍼뜨려야만 한다. 다중 TiTGP들(600, 700)의 개념은 이러한 열 소산을 위한 탁월한 등온 표면을 제공한다.
다중 TiTGP(600,700,800)는 단일 TiTGP보다 훨씬 높은 열적 성능을 가진다. 도 16a에는 서로의 위에 배치되어 공통 부재(555)를 통해 열적 상통하는 2개의 증기 캐비티들(531, 532)을 구비한 이중 TiTGP(600)가 도시된다. 2개의 증기 캐비티들(531, 532)은 2개의 대응하는 위킹 구조들(511,512)을 가진다.
TiTGP #1은 증기 캐비티(531)를 가지며, TiTGP #2 아래에 배치되고, 히트 생성 칩(450)에 열적으로 결합될 수 있다. 다중 TiTGP(600)에 있어서, 히트 소스 칩(450)은 TiTGP #1의 아래측에 결합되어, TiTGP #1의 위킹 구조(511)와 열적 상통할 수 있다. 그 다음, TiTGP #1은 공통 부재(555)를 통해 그의 열을 TiTGP #2에 전달한다. 공통 부재(555)는 TiTGP #1에서 TiTGP #2로, 보다 구체적으로는 그의 위킹 구조(512)에 열을 전달하기 위해 전도성 경로를 제공할 수 있다. 공통 부재(555)를 이용하면 이러한 효율적인 열적 전달이 가능해진다. 그것은, 온도를 떨어뜨려 결과적으로 열적 접지 평면(500)의 열적 성능을 줄일 수 있는, 임의 다른 열적 인터페이스 필름/재질의 사용을 피할 수 있게 한다. 따라서, TiTGP #2는 도 16a에 표시된 공통 부재를 통해 TiTGP #1로부터의 열을 소산시킨다. 이것은, 아주 효율적인 열 전달 아키텍처이다. 이러한 구조의 핵심적인 특성은, 하나의 TiTGP의 백플레인이 다른 TiTGP의 위킹 구조로서 작용한다는 것이다.
도 16b에는 다중 TiTGP(700)의 또 다른 실시 예가 도시된다. TiTGP(600)와 같이, TiTGP(700)는 다수의 TiTGP들, 예를 들어, TiTGP #1과 TiTGP #2를 가진다. TiTGP #1은 증기 캐비티(531)를 가지며, TiTGP #2의 아래에 배치될 수 있다. TiTGP #2는 히트 생성 칩(450)에 열적으로 결합된다. 특히, 히트 소스 칩(450)은 TiTGP #2의 최상부측에 결합될 수 있으며, TiTGP #2의 위킹 구조(512)와 열적 상통한다. 그 다음, TiTGP #2는 공통 부재(555)를 통해 그의 열을 TiTGP #1로 전달한다. 공통 부재(555)는 TiTGP #2로부터의 열을 TiTGP #1, 특히, 그의 위킹 구조(511)로 전달하기 위해 전도성 경로를 제공할 수 있다. 공통 부재(555)를 이용하면 이러한 효율적인 열적 전달이 가능해진다. 그것은, 온도를 떨어뜨리고 결과적으로 열적 접지 평면(500)의 열적 성능을 감소시킬 수 있는 임의 다른 열적 인터페이스 필름/재질을 사용을 피할 수 있게 한다. 따라서, TiTGP #1은 도 16b에 도시된 바와 같이 공통 부재를 통해 TiTGP #2로부터의 열을 소산시킨다. 이것은, 아주 효율적인 열 전달 아키텍처이다.
도 16c에는 2개의 집적 회로 칩들(450, 452)로부터의 열을 소산시키는 다중 TiTGP(800)의 또 다른 실시 예가 도시된다. TiTGP(600 및 700)와 같이, TiTGP(800)는 다수의 TiTGP들, 예를 들어, TiTGP #1과 TiTGP #2를 가진다. TiTGP #1은 증기 캐비티(531)를 가지며, TiTGP #2의 아래에 배치될 수 있다. TiTGP #1은 그의 아래측상의 히트 생성 칩(450)에 열적으로 결합되며, TiTGP #2는 그의 최상부측상의 제 2 히트 생성 칩(452)에 열적으로 결합된다. 특히, 히트 소스 칩(450)은 TiTGP #2의 최상부측에 결합될 수 있으며, TiTGP #2의 위킹 구조(512)와 열적 상통한다. 그 다음, TiTGP #2는 공통 부재(555)를 통해 그의 열을 TiTGP #1로 전달한다. 공통 부재(555)는 TiTGP #2로부터의 열을 TiTGP #1, 특히, 그의 위킹 구조(511)로 전달하기 위해 전도성 경로를 제공할 수 있다. 공통 부재(555)를 이용하면 이러한 효율적인 열적 전달이 가능해진다. 그것은, 온도를 떨어뜨리고 결과적으로 열적 접지 평면(500)의 열적 성능을 감소시킬 수 있는 임의 다른 열적 인터페이스 필름/재질을 사용을 피할 수 있게 한다. 따라서, TiTGP #1은 도 16b에 도시된 바와 같이 공통 부재를 통해 TiTGP #2로부터의 열을 소산시킨다. 이것은, 아주 효율적인 열 전달 아키텍처이다.
도 17에는 상부에 놓인 증기 캐비티(532)보다 더 작은 하나의 증기 캐비티(531)를 형성함에 의해 불균일한 두께를 가진 다중 TiTGP(900)의 또 다른 실시 예가 도시된다. 불균일 두께의 열적 모듈은 휴대형 애플리케이션에 아주 매력적인데, 그 이유는 히트 생성 칩(450)이 열적 성능의 손실없이, 도시된 바와 같이, 이러한 구조내에 콤팩트하게 배열될 수 있기 때문이다. 휴대형 디바이스내의 다른 구성 요소들은 이용 가능 공간내에 배열될 수 있다. 특히, 상대적으로 부피가 큰 배터리는 TiTGP #2(두께 #2) 사이에 배치될 수 있는 반면, TiTGP #1은 상대적으로 얇게 유지된다(두께 #1).
도 16 및 도 17에는 이중 증기 캐비티들 및 위킹 구조를 구비한 다중 TiTGP들(600 및 700)이 도시되지만, 이것은 단지 예시적인 것이며, 다중 TiTGP는 임의 개수의 증기 캐비티들 및 위킹 구조들을 포함할 수 있음을 알아야 한다.
도 18에는 휴대형 디바이스(1000)에 설처된 다중 TiTGP의 또 다른 실시 예가 도시된다. 이 실시 예에서는, TiTGP(600)와 유사한 TiTGP가, 상기와 같이, 전방 스크린을 포함하는 플라스틱 또는 금속 전방 피스(front piece)(410)와 플라스틱 또는 금속 후방 표면(430)를 가진 휴대형 디바이스에 설치된다. 전방 스크린(410)과 금속 또는 플라스틱 후방 표면(430)은 휴대형 디바이스의 외부 케이싱을 형성한다. 그러나, 이 경우, TiTGP #2의 위킹 구조(512)는 휴대형 디바이스(1000)내의 등온 내부 케이싱(isothermal inner casing)을 형성할 수 있다. 따라서, 위킹 구조(512)는 구조적 및 열적 원조를 제공하는, 티타늄-기반 부재일 수 있다. 적어도 부분적으로, 도 18에 도시된 TiTGP의 이용 결과로서, 외부 케이싱은 실질적으로 등온으로 될 수 있다. 실질적으로 등온이라는 것은, TiTGP의 이용 때문에, 구조적 부재에 걸쳐 10℃ 미만의 온도 구배(temperature gradient), 보다 바람직하기로는 1℃ 미만의 온도 구배가 존재한다는 것을 의미함을 알아야 한다. 매우 효과적인 열 분배 때문에, 휴대형 디바이스(1000)의 외부 케이싱내에는 팬이 필요치 않을 수 있다. 이에 따라 무게, 원가 및 에너지 요건들이 감소될 수 있는데, 이들 각각은 휴대형 디바이스에 있어서 중요한 성능 지수이다.
보다 전반적으로, 도 13 내지 도 18에 도시된 TiTGP들은 휴대형 디바이스의 적어도 하나의 구조적 요소와 열적 상통할 수 있다. 이러한 구조적 요소들은 휴대형 디바이스에 그의 내구력 및 강직성의 대부분을 제공하는 구성 요소들이며, 디바이스의 골격을 형성하고, 적어도 중간 프레임(420)과 후방 표면(430)을 포함할 수 있다. TiTGP의 표면들은 구조적 요소들(520, 560)일 수 있다. 이러한 구조적 부재들은, 일반적으로, 금속일 수 있으며, 예를 들어, 전방 표면(410), 중간 프레임(420) 및 후방 표면(430)을 포함할 수 있다. 보다 바람직하게, TiTGP는 후방을 레이저 용접 밀폐한 티타늄을 구비한다. 결과적으로, TiTGP에 결합된 이러한 구조적 부재의 표면은 실질적으로 등온으로서, 온도 구배가 약 10℃ 미만일 있다.
이제, 휴대형 애플리케이션들에 대한 TiTCP들의 제조를 설명한다. 열적 모듈(500, 600 및 700)의 위킹 구조와 외부 쉘(outer shell)은 금속 재질로 형상을 스탬핑함에 의해 제조될 수 있다. 보다 작은 마이크로구조들은 마이크로스탬핑(microstamping)에 의해 제조될 수 있다. 대안적으로, 윤곽선 및 캐비티들은, 예를 들어, 플루오르화 수소산(HF) 및 질산(HN03)을 이용하는 화학적 에칭에 의해 제조될 수 있다. 본 기술 분야에 알려진 바와 같이, 티타늄 재질의 일부분들은 코팅 또는 마스킹 층(coating or masking layer)에 의해 에칭액(etchant)으로부터 보호될 수 있다. 모든 노출된 표면들은 에칭되어, 그루브들, 캐비티들 및 보다 작은 구조를 형성한다.
TiTGP는, 예를 들어, 14/749439에 설명된 방법을 이용하여 상당량의 작동 유체를 제공받을 수 있다. 작용 유체는, 예를 들어, 물일 수 있으며, 증기 캐비티내에 작동 유체를 밀봉하는데 이용되는 밀폐 방법은 레이저 용접일 수 있다.
따라서, 본 명세서에는 휴대형 디바이스의 외부 케이싱내에 배치된 작동 유체를 위한 액체 영역과 증기 영역을 포함하는 열적 접지 평면 - 열적 접지 평면은 금속 기판상에 형성된 티타늄 백플레인, 증기 캐비티 및 위킹 구조를 구비함 - 과, 집적 회로 칩에 의해 생성된 열이 열적 접지 평면에 의해 휴대형 디바이스의 전체에 걸쳐 분배되도록 열적 접지 평면과 열적 상통하는 집적 회로를 포함하는 휴대형 디바이스가 개시되며, 열적 접지 평면은 휴대형 디바이스의 적어도 하나의 구조적 요소와 열적 상통하고, 적어도 하나의 구조적 요소는 실질적으로 등온이고, 구조적 요소에 걸쳐서의 온도 구배는 10℃ 미만이다.
휴대형 디바이스는 금속 기판과 티타늄 백플레인에 의해 밀봉되는 증기 캐비티를 가질 수 있으며, 금속 기판은 금속 백플레인에 대한 레이저 용접에 의해 밀폐됨으로써, 기밀하게 밀폐된 증기 캐비티를 형성한다. 구조적 요소는 휴대형 디바이스의 중간 프레임 부재, 전방면 및 후방 표면 중 적어도 하나일 수 있으며, 전방면과 후방 표면은 휴대형 디바이스의 외부 케이싱을 정의하고, 중간 프레임 부재는 외부 케이싱내의 구조적 부재이다.
열적 접지 평면은, 위킹(wicking) 구조를 추가로 구비하며, 그 위킹 구조는 열적 접지 평면의 적어도 하나의 영역내에 높은 유효 종횡비의 위킹 구조를 형성하도록, 위킹 구조의 적어도 하나의 영역에 간삽되는 다수의 마이크로구조들을 포함할 수 있고, 마이크로구조들 중의 하나 이상은 약 1-1000 마이크로미터의 높이와, 약 1-1000마이크로미터의 폭 및 약 1-1000마이크로미터의 간격을 가지며, 마이크로구조들은 채널들, 기둥들, 그루브들 및 트렌치들 중 적어도 하나를 구비한다. 열적 접지 평면은 휴대형 디바이스의 구조적 요소일 수 있고, 중간 프레임 부재에 대한 부착에 의해 외부 케이싱 내부에 매달린 휴대형 디바이스의 외부, 내부 또는 중간 케이싱에 기계적으로 결합된다. 열적 접지 평면은 중간 프레임 부재에 형성된 캐비티에 배치될 수 있으며, 중간 프레임 부재는 티타늄을 구비한다. 캐비티의 깊이는 약 100 미크론과 약 1000 미크론 사이일 수 있으며, 그 캐비티를 가로지르는 중간 프레임 부재의 폭에 걸쳐 약 100 내지 200 미크론의 티타늄이 남겨진다.
열적 접지 평면은 티타늄 인클로저와 티타늄 위킹 평면(wicking plane)을 더 구비할 수 있으며, 티타늄 인클로저와 티타늄 위킹 평면은 합쳐서 약 0.3mm와 약 1.5mm 사이의 두께를 가진다. 열적 접지 평면은 모세관력에 의해 유체가 추진되는 좁은 유체 통로를 형성하도록, 위킹 구조내에 공형적으로 들어맞는 다수의 돌출부들을 가진 영역을 가진 적어도 하나의 중간 기판을 더 포함할 수 있으며, 그 돌출부들은 위킹 구조내의 특성들에 들어맞는 형상이다. 위킹 채널과 중간 기판간의 유체 통로의 유효 종횡비 h/w는 1보다 크며, h는 유효 높이이고, w는 유체 채널의 폭이다. 열적 접지 평면의 적어도 하나의 영역의 표면은 나노구조의 티타니아(NST)로 이루어질 수 있다.
열적 접지 평면은 휴대형 디바이스의 후방 표면상에 배치될 수 있으며, 후방 표면은 열적 접지 평면의 위킹 구조로서 작용할 수 있다. 칩은 실질적으로 열적 접지 평면의 측방향 범위의 중간에 배치될 수 있다. 열적 접지 평면은 휴대형 디바이스의 중간 프레임 부재내에 삽입된 모듈을 포함할 수 있다.
휴대형 디바이스는, 외부 케이싱내에 배치되어 열적 접지 평면의 백플레인을 형성하는 티타늄 중간 프레임 부재와, 열적 접지 평면에 고착되어 그와 열적 상통하는 집적 회로 칩을 가질 수 있다. 대안적으로, 티타늄 중간 및 외부 프레임 부재에 증기 캐비티가 형성될 수 있으며, 그 증기 캐비티는 위킹 구조에 의해 밀폐되어 열적 접지 평면을 형성할 수 있다.
다른 실시 예들에 있어서, 열적 접지 평면은 다수의 증기 챔버들과 다수의 위킹 구조들을 구비한다. 제 1 증기 챔버는 공통 금속 부재를 통해 적어도 하나의 다른 증기 챔버와 열적 상통할 수 있으며, 공통 금속 부재는, 집적 회로 칩에 의해 생성된 열이 휴대형 디바이스의 전반에 걸쳐 분배되도록, 다수의 증기 챔버들간에 구조적으로 및 열적으로 공유되며, 외부 케이싱은 실질적으로 등온이다. 다수의 증기 챔버들을 가진 열적 접지 평면은 불균일한 단면을 가질 수 있다. 다중 열적 접지 평면에 있어서, 증기 챔버들의 각각은 위킹 구조들을 포함하며, 다수의 증기 챔버들의 위킹 구조들은 서로의 위에 배치된다.
상기에서 서술된 예시적인 구현들과 공조하여 다양한 세부 사항들이 설명되었지만, 다양한 대안, 수정, 변형, 개선 및/또는 실질적인 등가물은, 이미 알려진 것이거나 또는 아직 예측하지 못한 것이더라도 그에 상관없이, 상술한 개시를 검토할 경우 명백할 것이다. 따라서, 상기에서 설명한 예시적인 구현들은 단지 예시적인 것일 뿐 제한을 위한 것은 아니다.
21: Ti 기판
22: 위킹 구조
24: 기둥들
28: 그루브
120: 백플레인
110: 중간 기판
10, 210: 위킹 구조
205: 금속 기판
140: 액체
212: 금속 기판
122: 지지 기둥들
130: 메니스커스
250: 히트 소스
260: 히트 싱크
112: 마이크로구조들
300: 증기 챔버
170,270: 레이저 용접
400, 480, 1000: 휴대형 디바이스
410: 전방 표면
420: 중간 프레임
430: 후방 표면
440: 히트 파이프
450, 452: 칩
460: 휴대형 디바이스 커버 프레임
510, 511, 512 : 위킹 구조
220, 120, 520: Ti 백플레인
525: Ti 중간 프레임
530, 531, 532: 증기 캐비티
555: 공통 부재
500, 600, 700, 800, 900: TiTGP들

Claims (18)

  1. 인클로저를 가진 휴대형 디바이스로서,
    인클로저내에 배치된 열적 접지 평면과,
    인클로저내에 배치된 집적 회로 칩을 구비하고,
    열적 접지 평면은, 휴대형 디바이스의 인클로저내에 배치된 작동 유체를 위한 액체 영역과 증기 영역을 포함하고,
    열적 접지 평면은, 금속 기판상에 형성된 금속 백플레인, 증기 캐비티 및 위킹 구조를 구비하고,
    열적 접지 평면은 위킹 구조에 인접한 증기 캐비티에 배치된 다수의 돌출부들을 가진 적어도 하나의 중간 기판을 더 구비하고,
    다수의 돌출부들은 적어도 하나의 크로스-부재(cross-member)에 의해 서로 결합되고, 위킹 구조내에 공형적으로 들어맞으며,
    집적 회로 칩은, 집적 회로 칩에 의해 생성된 열이 열적 접지 평면에 의해 휴대형 디바이스의 전반에 걸쳐 분배되도록, 열적 접지 평면과 열적 상통하며,
    열적 접지 평면은 휴대형 디바이스의 적어도 하나의 구조적 요소와 열적 상통하며, 적어도 하나의 구조적 요소는 실질적으로 등온이고, 구조적 요소에 걸쳐서의 온도 구배는 10℃ 미만이고, 열적 접지 평면은, 인클로저에 기계적 내구력과 견고성을 제공하도록, 휴대형 디바이스에 기계적으로 결합되는
    휴대형 디바이스.
  2. 제 1 항에 있어서,
    인클로저는 전방 표면, 중간 프레임 부재 및 후방 표면을 구비하며, 열적 접지 평면은 전방 표면, 후방 프레임 부재 및 후방 표면 중 적어도 하나에 결합되어, 인클로저에 내구력과 강직성을 제공하는
    휴대형 디바이스.
  3. 제 1 항에 있어서,
    열적 접지 평면은 중간 프레임 부재내에 형성된 캐비티내에 배치되고, 중간 프레임 부재는 티타늄을 구비하는
    휴대형 디바이스.
  4. 제 3 항에 있어서,
    캐비티는 중간 프레임 부재내에 형성되고, 캐비티는 약 100 미크론과 약 1000 미크론 사이의 깊이를 가지며, 캐비티를 가로지르는 중간 프레임 부재의 폭에 걸쳐 약 100 내지 약 200 미크론의 티타늄이 남게 되는
    휴대형 디바이스.
  5. 제 1 항에 있어서,
    열적 접지 평면은 티타늄 인클로저와 티타늄 위킹 평면을 더 구비하고,
    티타늄 인클로저와 티타늄 위킹 평면은, 합쳐서 약 0.3mm와 약 1.5mm 사이의 두께를 가지는
    휴대형 디바이스.
  6. 제 1 항에 있어서,
    열적 접지 평면은, 모세관력에 의해 유체가 추진되는, 종횡비(높이/폭)를 가진 좁은 유체 통로들을 형성하기 위해 위킹 구조에 공형적으로 들어맞는 다수의 돌출부들을 가진 영역을 가진 적어도 하나의 중간 기판을 추가로 포함하며,
    돌출부들은 위킹 구조에 있어서의 특성들에 들어맞는 형상을 가지는
    휴대형 디바이스.
  7. 제 6 항에 있어서,
    위킹 채널과 중간 기판간의 유체 통로들의 유효 종횡비 h/w는 1보다 크며, h는 유효 높이이고, w는 유체 채널의 폭인
    휴대형 디바이스.
  8. 제 1 항에 있어서,
    열적 접지 평면의 적어도 하나의 영역의 표면은 나노구조의 티타니아(NST)를 구비하는
    휴대형 디바이스.
  9. 제 1 항에 있어서,
    열적 접지 평면은, 휴대형 디바이스의 후방 표면상에 배치되며, 후방 표면은 열적 접지 평면의 위킹 구조로서 작용하는
    휴대형 디바이스.
  10. 제 1 항에 있어서,
    집적 회로 칩은 실질적으로 열적 접지 평면의 측방향 범위의 중간에 배치되는
    휴대형 디바이스.
  11. 제 1 항에 있어서,
    열적 접지 평면은 휴대형 디바이스의 중간 프레임 부재내에 삽입된 열적 모듈을 구비하는
    휴대형 디바이스.
  12. 제 1 항에 있어서,
    인클로저내에 배치되어, 열적 접지 평면의 백플레인을 형성하는 티타늄 중간 프레임 부재와,
    열적 접지 평면에 고착되어 열적 접지 평면과 열적 상통하는 집적 회로를 더 구비하는
    휴대형 디바이스.
  13. 제 1 항에 있어서,
    티타늄 중간 및 외부 프레임 부재에 증기 캐비티가 형성되고, 증기 캐비티가 위킹 구조에 의해 밀폐되어 열적 접지 평면을 형성하는,
    휴대형 디바이스.
  14. 제 1 항에 있어서,
    열적 접지 평면은, 다수의 증기 챔버들과 다수의 위킹 구조들을 구비하는
    휴대형 디바이스.
  15. 제 12 항에 있어서,
    제 1 증기 챔버는 공통 금속 부재를 통해 적어도 하나의 다른 증기 챔버와 열적 상통하고,
    공통 금속 부재는 집적 회로 칩에 의해 생성된 열이 휴대형 디바이스의 전반에 걸쳐 분배되도록 다수의 증기 챔버들 간에 구조적 및 열적으로 공유되고, 인클로저는 실질적으로 등온인
    휴대형 디바이스.
  16. 제 12 항에 있어서,
    다수의 증기 챔버들을 가진 열적 접지 평면은 불균일한 단면을 가지는
    휴대형 디바이스.
  17. 제 12 항에 있어서,
    증기 챔버들의 각각은 위킹 구조를 포함하며, 다수의 증기 챔버들의 위킹 구조들은 서로의 위에 배치되는
    휴대형 디바이스.
  18. 제 1 항에 있어서,
    금속 백플레인은 금속 백플레인과, 위킹 구조 및 중간 기판간의 간격을 기계적으로 지지하고, 열적 접지 평면을 구조적으로 지지하는 지지 기둥들을 구비하는
    휴대형 디바이스.

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