专利名称：用于被动相变热管理的设备和方法
技术领域：
本发明涉及从一种系统上移除热量，更具体地说，涉及从一种集成电路模片上移除热量。
背景技术：
一种集成电路(诸如处理器电路)在电路模片或基板中产生热量。不能有效地从模片上移除热量会导致电路故障。一种从模片上移除热量的方法包括将一种带散热模片的散热器与模片热耦合，并使用风扇迫使空气通过散热模片。遗憾的是，强制空气冷却不适用于冷却手提式通信装置中或个人数字助理中的集成电路。另外，即使当用在传统地使用强制空气冷却的冷却系统(诸如服务器或工程工作站)中时，强制空气冷却都有许多明显的缺点。
与强制空气冷却相关的一个缺点是费用昂贵。购买由集成电路组成的系统(诸如计算机)的顾客所关心的是降低这些系统的运行费用。通过用马达驱动风扇叶模片，风扇使空气移动。马达需要能量来运行。在这些系统中使用风扇来提供强制空气冷却会增加系统的运行费用。
当模片上电路密度增加时，在模片上产生了更多的热量并且模片需要快速冷却以避免电路故障。为了对模片进行快速冷却，必须增大强制穿过散热器的空气的速度。增大强制穿过散热器的空气的速度通常需要具有更大风扇叶模片的风扇和更大的马达。更大的马达耗费了更多的电力并增加了系统的运行费用。
与强制空气冷却相关的另一个明显缺点是，它不能有效地冷却基板上的热点。热量并非均匀地产生在集成电路基板的表面上。这种热量的不均匀产生形成了基板中的热点。在一些系统中，用强制空气冷却可对热点充分地冷却以避免电路立刻出现严重故障，但是随着时间的推移，无法充分地冷却热点会导致装配在热点附近的电路过早损坏。
为了这些以及其他的原因，需要本发明的提出。
附图的简要说明
图1A是本发明的实施例的透视图，其中示出了与集成电路热耦合的散热器；图1B是本发明的实施例的透视图，其中示出了与集成电路组件热耦合的散热器；图2是本发明的散热器的实施例的侧截面图；以及图3是本发明的实施例的透视图，其中示出了与包含在无线通信装置中的集成电路热耦合的散热器。
发明详述在随后对本发明的详细描述中，参照作为说明书一部分的附图，其中以图示的方式示出了本发明的具体实施例。在附图中，相同的附图标记表示贯穿这几个图中的基本上相同的部件。我们将以足够详细的方式描述这些实施例，以使得本领域普通技术人员能够实施本发明。在不脱离本发明的保护范围的情况下，可采用其他实施例，并可作出结构上、逻辑上以及电子方面的改变。
在这里将描述一种散热器和一种制造和使用所述散热器的方法。所述散热器与集成电路模片热耦合并使集成电路模片中产生的热量消散。所述散热器包括一个容纳相变材料的腔和多个用于在集成电路模片冷却过程中加强散热器中对流的颗粒。与传统鳍式散热器相比，这种散热器是非常可靠的并且显示出较强的冷却性能。通过散热器结构的对称排列实现了散热器的有效制造。
图1A是本发明的实施例的透视图，其中示出了与集成电路模片103热耦合的散热器100。散热器100不局限于与结合形成于模片103上的特定类型的集成电路来操作。数字电路(诸如处理器、数字信号处理器)以及通信电路都适合与散热器100结合使用。同样地，模拟电路(诸如放大器、功率放大器、射频放大器、锁相环路以及频率滤波器)也都适合与散热器100结合使用。在模片103上形成有热传导层105，所述热传导层105是用热传导性的凝胶、膏剂、带或其他热传导性的材料制成的。当将散热器100固定到热传导层105上时，热传导层105在散热器100和集成电路模片103之间提供了一个热量路径。在运转中，散热器100将集成电路模片103中产生的热量消散掉。
如上所述的本发明的实施例在对与散热器100直接联接的集成电路散热的方面是有效的。然而，本发明不局限于这样的实施例。本发明在对组装的模片散热方面是有效的。图1B是本发明的实施例的透视图，其中示出了与集成电路组件107热耦合的散热器100。使用与图1A中所示用的将散热器100直接与集成电路模片103联接相同的方法将散热器100与集成电路组件107联接。在集成电路组件107上形成有热传导层105，并将散热器100固定到热传导层105上。来自于组装的集成电路模片103的热流通过集成电路组件107中的模片103周围环境空气而与组件107相连或通过扩热器直接与组件107相连。散热器100包括多个用于消散由集成电路模片103所产生的热量的结构和材料。下面将更详细地描述这些结构和材料。
图2是散热器100的实施例的侧截面图。散热器100包括主体201，主体201包括多个散热模片203和腔205，腔205包括腔表面207-209，相变材料211被密封在腔205中，以及多个颗粒213与相变材料211混合在一起。
主体201是用热传导性材料制成的，最好是用金属制成的，诸如铜或铝、或者铜或铝的一种合金。主体201的外表面215基本上是平表面，适合于与图1A中所示的集成电路模片103的表面或图1B中所示的组件107的表面热耦合。通过机械加工或其他材料成型工艺使该平表面形成于散热器100上。外表面215的覆盖区最好远大于集成电路模片103的表面积或组件107的表面积。主体201的其余表面区域最好提供用以将热量从主体201传送到周围环境中的较大区域。在一个实施例中，通过机械加工或其他材料成型工艺在主体201的残余表面区域上形成多个散热模片203。或者，将这些散热模片203制造成一个独立单元并通过钎焊、锡焊或焊接使其连接在散热器100的外表面上。在机械加工或连接以后，散热模片203提供用以将热量从主体201传送到周围环境中的大表面区域。相变材料211中的散热使得本发明的散热模片203的高度大约比形成于一个用在强制空气冷却系统中的对比散热器上的散热模片高度低10％到20％。这形成了适用于多种装置(诸如移动式电话和个人数字助理)中冷却电路的较低的型面组件。或者，如果散热模片203的高度没有降低，那么使用散热器100的冷却效果好于标准尺寸的组件产生的冷却。
在主体201中包括用以容纳相变材料211的腔205。腔205的体积足以使相变材料211中的对流217在集成电路103运行过程中上升。对流217有助于冷却集成电路模片103。腔205位于主体201中以增强从相变材料211到多个散热模片203的热传输。因此，就位于主体201的侧表面上的多个散热模片203来说，腔205基本上是处于中心的。在不损害散热器100的结构整体性的情况下，腔表面207及209和多个散热模片203之间的壁厚最好制造得尽可能地薄。
在一个实施例中，主体201是用一对对称结构制成的。每个结构都包括一个腔，所述腔的体积为腔205的体积的一半。将这对对称结构联接在一起构成了包括形成于散热器100内部中的腔205的散热器100。通过钎焊、焊接、锡焊或其他任何适合的金属熔接工艺完成所述联接。
在一个可选择的实施例中，主体201的底部区域形成有包括腔表面208和209的腔205。主体201的顶部形成有表面207。最后，沿着虚线219和221将主体201的顶部与主体201的底部区域联接，以形成包括具有腔205的主体201的散热器100。通过钎焊、焊接、锡焊或其他任何适合的金属熔接工艺完成所述联接。
将腔表面207-209成型为使其在集成电路103运行过程中可增进相变材料211中的对流217的形成。腔表面208从位于表面208的中心附近的低区223朝向腔表面209向上倾斜。低区223最好定位于主体201中，这样当主体201与集成电路模片103联接时，该低区223被定位于集成电路模片103的热点的正上方。低区223的这种定位增强了相变材料211中的对流217的流动。对于大多数的集成电路来说，热点大约位于模片的中心。低区223的形状不局限于特定的形状。在某些实施例中，低区223是一个点或一个小的平面矩形区域并且表面208具有角锥或平顶角锥的形状。在可选择的实施例中，低区223是一个近似于圆形的区域或一个点并且表面208具有平顶圆锥或圆锥的形状。在另一个可选择的实施例中，低区223为在腔205长度上延伸的楔形区域。
腔表面207也有助于增强腔205中的对流217的流动。腔表面207从位于表面207的中心附近的第二低区225朝向腔表面209向上倾斜。第二低区225最好位于主体201中，这样当主体201与集成电路模片103联接时，该第二低区225被定位于集成电路模片103的热点的正上方。第二低区225的这种定位增强了如下所述的相变材料211中的对流217的流动。
第二低区225的形状不局限于特定的形状。在某些实施例中，第二低区225是一个点或是一个小的平面矩形区域并且表面207具有角锥或平顶角锥的形状。在可选择的实施例中，第二低区225是一个近似于圆形的区域或一个点并且表面207具有平顶圆锥或圆锥的形状。在另一个可选择的实施例中，第二低区225为在腔201长度上延伸的楔形区域。
腔表面209形成了腔205的外壁。当对流217被表面215上的热量诱发并从低区223向上流动时，对流217在第二低区225处分开并被朝向腔表面209发送。腔表面209引导对流217向下并沿着表面208到低区223上。在一个实施例中，腔表面209包括多个基本上为平面的表面。在可选择的实施例中，腔表面209包括一个基本上为曲面的表面。
处于固相的相变材料211只是部分地充填腔205。在集成电路103运行过程中，腔205的未填充部分为相变材料211的膨胀提供了空间。包括相变材料211的散热器100与不包括相变材料211的散热器相比，显示出优良的热消散特性。在集成电路103的供电循环过程中，相变材料211吸收热量并提供传导冷却。相变材料211在冷却局部热点和供电循环过程中模片103上发生的热瞬变方面特别有效。另外，在集成电路103稳态工作的过程中，通过使相变材料211在液态下循环能够提供对流冷却。在一个实施例中，相变材料211包括TH58。被称为TH58的相变材料具有大约为58摄氏度的熔化温度、大约为1500kg/m3的平均密度，以及大约在175kj/kg和225kj/kg之间的潜热。适合与本发明结合使用的相变材料包括水合盐、低共溶盐和石蜡。其他相变材料也适合与本发明结合使用。
多个颗粒213与相变材料211混合在一起。在相变材料211加热期间，所述多个颗粒213在不依赖可动部件的情况下增强了流体混合。由于没有依赖可动部件，散热器100具有高可靠性。增强腔205内部的流体混合提高了散热器100的通过相变材料211中的对流而消散热量的性能。多个颗粒213中的每个颗粒的密度最好与相变材料211的密度大致相等。多个颗粒213中的每个颗粒还应最好具有大致为球形的形状。在一个实施例中，所述多个颗粒213为实心SiO2球体。在可选择的实施例中，所述多个颗粒213为空心SiO2球体。在另一个可选择的实施例中，所述多个颗粒213为砂粒。选择足够多的与相变材料211混合的颗粒以增强相变材料211中的传导冷却，但是颗粒213的数量应该不会多到这样的程度，即，以致于明显降低了相变材料211的相位变换过程中所提供的传导冷却。
所述多个颗粒213还提供了辅助热消散作用。当多个颗粒参与混合相变材料211时，它们穿过了腔205中具有不同温度的区域。当所述多个颗粒213穿过腔205中具有较低温度的区域时，相变材料211凝结在所述多个颗粒213上。相变材料211在所述多个颗粒213上的凝结增加了所述颗粒的重量并致使它们落到较温暖的表面208中。在落到较温暖的表面208上以后，所述多个颗粒213在腔205中进行再循环。
通过保持散热器在设计上的对称性来实现散热器100的有效制造。通过相对于分界线对称地布置所述多个颗粒213和腔205来保持对称性，所述分界线将散热器100分成两个基本上相同的半部。由于这两个半部是相同的，因此开发了一种用于切割所述多个颗粒213和腔205的加工工艺以便于只生产一半。在制造了两个半部以后，通过钎焊、焊接、锡焊或其他任何适合的金属熔接工艺将两个半部联接以构成主体201。在主体1中钻有注入孔227，并且将相变材料211和所述多个颗粒213的混合物注入到腔205中。将该注入孔密封，从而就完成了散热器100的制造。如果在低于散热器100的运行温度下注入，所注入的混合物的容量应该不完全充满腔205。应该保留腔205中的一些容积以使相变材料211能够在散热器100运行过程中膨胀。
图3是本发明的实施例的透视图，其中示出了与包含在无线通信装置303中的集成电路301热耦合的散热器100。在一个实施例中，无线通信装置303为蜂窝式电话，在一个可选择的实施例中，无线通信装置303为个人数字助理。散热器100能够在不用强迫通风的情况下冷却无线通信装置303中的集成电路301。在一个实施例中，集成电路301为处理器。在一个可选择的实施例中，集成电路301为数字信号处理器。便携式装置(诸如无线通信装置303)产生大量的热能，在不增加散热器的重量的情况下，散热器100也能够消散热量，这使得无线通信装置303具有小的型面组件。
散热器100不局限于与无线装置结合使用。由于在消散热能方面散热器100比标准散热器更有效，因此散热器100尤其适用于消散用在计算装置中的集成电路中的热能，所述计算装置(诸如便携式计算机、服务器，以及工程工作站)产生大量热能。
我们已经描述了一种散热器和制造及使用这种散热器的方法。所述散热器与集成电路模片热耦合。所述散热器包括一个腔，所述腔用于容纳相变材料和多个颗粒以便在集成电路模片的冷却过程中增强散热器中的对流。与不包括容纳有相变材料和多个颗粒的腔的散热器相比较，这种散热器具有高可靠性并显示出增强的冷却特性。
尽管我们已经在文中示例并描述了具体的实施例，但是本领域的普通技术人员应该理解的是，致力于实现同一个目的的任何装置都可用来代替所示的具体实施例。该申请涵盖本发明的各种适应性的变化或变异。因此，只由本发明的权利要求和其等同内容限制本发明。
权利要求
1.一种设备，其包括一相变材料；与所述相变材料混合在一起的许多颗粒；和一封装所述相变材料的传导结构。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述相变材料包括TH58。
3.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述多个颗粒中的至少一个具有近似于球体的形状。
4.如权利要求3所述的设备，其特征在于，所述传导结构包括一个腔表面，所述腔表面具有与所述相变材料接触的多个结构。
5.如权利要求4所述的设备，其特征在于，所述多个结构中的至少一个是斜面。
6.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述传导结构是用铜制成的。
7.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述传导结构包括多个散热模片。
8.如权利要求1所述的设备，还包括一种操作用于产生热量的装置，其中，所述装置与所述传导结构热耦合。
9.如权利要求8所述的设备，其特征在于，所述装置为集成电路。
10.一种方法，其包括以下步骤形成具有腔的传导结构；将相变材料注入到该腔中；将多个球粒注入到腔中；以及密封所述腔。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，形成具有腔的传导结构的步骤包括形成具有腔的传导结构，所述腔包括腔表面，所述腔表面具有多个形成于其上的斜面结构。
12.如权利要求10所述的方法，其特征在于，将相变材料注入到腔中的步骤包括将TH58注入到所述腔中。
13.如权利要求10所述的方法，其特征在于，将多个球粒注入到腔中的步骤包括将多个实心球粒注入到腔中。
14.如权利要求10所述的方法，其特征在于，密封所述腔的步骤包括封闭散热器中的注入口。
15.一种设备，其包括一电路组件；一包括一个腔的传导结构，所述传导结构与所述电路组件热耦合；至少部分地充填所述腔的相变材料；和与所述相变材料混合在一起的多个颗粒。
16.如权利要求15所述的设备，其特征在于，所述相变材料在大约58℃以上的温度时变相。
17.如权利要求15所述的设备，其特征在于，所述腔具有包含多个结构的腔表面。
18.如权利要求15所述的设备，其特征在于，所述多个颗粒中的至少一个包括SiO2。
19.如权利要求15所述的设备，其特征在于，在所述相变材料的较冷区域中，所述相变材料凝结在所述多个颗粒上。
20.一种用于冷却电路组件的方法，该方法包括以下步骤吸收在与电路组件热耦合的相变材料的相变中的能量；通过对流混合相变材料传送能量；和通过使用球粒的相变材料的对流式混合增进传送能量。
21.如权利要求20所述的方法，还包括通过将相变材料凝结在球粒的表面来传送能量。
22.如权利要求20所述的方法，还包括通过用位于腔表面上的结构引导球粒的流动来传送能量。
23.一种设备，包括一种模片；与所述模片热耦合的散热器，所述散热器包括与多个球粒混合在一起的相变材料。
24.如权利要求23所述的设备，其特征在于，所述模片包括用于无线通信装置的电路。
25.如权利要求23所述的设备，其特征在于，所述模片包括一个处理器。
26.一种无线通信系统，其包括一相变材料；封装所述相变材料的传导结构；和与所述传导结构联接的模片。
27.如权利要求26所述的无线通信系统，还包括与所述相变材料混合在一起的多个颗粒。
28.如权利要求27所述的无线通信系统，其特征在于，多个颗粒中的至少一个是砂粒。
全文摘要
本发明涉及一种散热器，所述散热器包括散热器主体，所述散热器主体包括一些散热模片和一个腔，所述腔用于容纳相变材料和多个颗粒，用以在散热器运行过程中增强相变材料的混合。在运行中，散热器主体将热能传导给相变材料。在相变材料的相变过程中的能量被吸收。在相变材料吸收了能量并转变为液态以后，通过相变材料的对流继续消散能量。腔中的对流是由腔的表面形状引导并且通过与相变材料混合的微粒使其得到增强。
文档编号H01L23/427GK1418373SQ01806564
公开日2003年5月14日 申请日期2001年2月13日 优先权日2000年3月14日
发明者D·T·塞尔斯, T·J·迪肖恩赫, D·H·普伦 申请人:英特尔公司