启用微柱的热接地平面

申请号 CN201580050472.0 申请日 2015-09-17 公开(公告)号 CN106794562B 公开(公告)日 2019-07-23
申请人 科罗拉多州立大学董事会法人团体; 发明人 路易斯·瑞恩·约翰; 刘·丽·安妮; 林清懿; 库里奇·克林·詹尼斯; 徐珊珊; 杨荣贵; 李云城;
摘要 本 发明 公开一种热接地平面(TGP)。TGP可包括:第一平面衬底部件,被配置成封围 工作 流体 ;第二平面衬底部件,被配置成封围所述工作流体;设置在所述第一平面衬底上的多个芯吸结构;以及设置在所述第二平面衬底上的一个或多个平面间隔件。所述第一平面衬底和所述第二平面衬底可被气密密封。
权利要求

1.一种热接地平面,包括:
第一平面衬底部件,被配置成封围工作流体
第二平面衬底部件,被配置成封围所述工作流体,其中,所述第一平面衬底部件的边缘和所述第二平面衬底部件的边缘被气密密封在一起;
设置在所述第一平面衬底部件的内表面上的多个芯吸结构,其中,所述多个芯吸结构包括被亲涂层包封的材料;以及
多个第一柱,设置在所述第二平面衬底部件的内表面上,且位于所述第二平面衬底部件的所述边缘所定义的区域内;
其中,所述热接地平面的厚度小于300微米。
2.根据权利要求1所述的热接地平面,其中所述多个芯吸结构包括设置在所述第一平面衬底部件上的多个柱或通道,并且所述多个芯吸结构包括在所述第二平面衬底部件上形成的多个柱或通道。
3.根据权利要求1所述的热接地平面,其中所述第一平面衬底部件和/或所述第二平面衬底部件包括金属层、涂覆有聚合物的金属层、具有热通孔的覆聚合物层、没有热通孔的覆铜聚合物层、被亲水涂层包封的金属层、被疏水涂层包封的铜金属层,和/或被金属层包封的聚合物层、被亲水涂层包封的聚合物层,和/或被疏水涂层包封的聚合物层。
4.根据权利要求1所述的热接地平面,其中所述多个芯吸结构包括与网层结合的多个第二柱,所述多个第二柱包括铜。
5.根据权利要求1所述的热接地平面,其中所述多个芯吸结构包括具有选自由以下各者组成的列表的至少一个性质的材料:金属网、以及聚合物网。
6.根据权利要求1所述的热接地平面,其中所述多个芯吸结构包括多个与不锈接触的第二柱,所述多个第二柱包括铜,其中,所述亲水涂层包括铜。
7.根据权利要求1所述的热接地平面,其中,所述多个第一柱包括铜柱,所述多个芯吸结构包括由铜包封的不锈钢网或铜网。
8.根据权利要求1所述的热接地平面,其中所述多个第一柱包括多个铜柱或通道。
9.根据权利要求1所述的热接地平面,其中所述多个第一柱中的一个或多个具有横截面,所述横截面包括矩形横截面、圆形横截面和/或星形横截面。
10.根据权利要求1所述的热接地平面,其中所述多个芯吸结构包括通过铜气密密封和/或用亲水涂层或疏水涂层增强的聚合物柱。
11.根据权利要求1所述的热接地平面,其中所述材料包括金属或聚合物。
12.根据权利要求1所述的热接地平面,其中使用光刻图案工艺沉积所述多个芯吸结构和/或所述多个第一柱。
13.根据权利要求1所述的热接地平面,其中所述气密密封件可以是声波焊接、静电焊接,或激光焊接的铜-铜界面。
14.根据权利要求1所述的热接地平面,其中所述气密密封件包括低温烧结界面。
15.一种热接地平面,其包括:
顶层;
网层,其包括沿着所述网层的长度形成的多个干道;以及
底层,其包括延伸到所述多个干道中的多个柱,其中所述底层和所述顶层围绕所述顶层的至少一个边缘和所述底层的至少一个边缘密封,并且其中所述多个柱中的每一者的至少一个尺寸小于所述多个干道中的至少一个尺寸。
16.根据权利要求15所述的热接地平面,其中所述多个干道是从所述网层切割而成。
17.根据权利要求15所述的热接地平面,进一步包括设置在所述底层上的微芯层。
18.根据权利要求15所述的热接地平面,进一步包括设置在所述顶层上的多个柱。

说明书全文

启用微柱的热接地平面

[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请是于2014年9月17日提交的标题为“启用微柱的热接地平面”(MICROPILLAR-ENABLED THERMAL GROUND PLANE)的美国临时专利申请号为62/051,761的非临时申请;和于2014年10月28日提交的标题为“基于聚合物微制造的热接地平面”(POLYMER-BASED MICROFABRICATED THERMAL GROUND PLANE)的美国临时专利申请号为62/
069,564的非临时申请,所述申请中的每一者均以全文引用的方式并入本公开内容。
[0003] 本申请还是标题为“真空增强型散热器”(VACUUM-ENHANCED HEAT SPREADER)的美国专利申请号为14/853,833的部分继续申请,所述申请要求于2014年9月15日提交的标题为“真空增强型散热器”(VACUUM-ENHANCED HEAT SPREADER)的美国临时申请号为62/050,519的优先权,所述申请中的每一者以全文引用的方式并入本公开内容。
发明内容
[0004] 本申请公开一种热接地平面(TGP)。所述TGP可包括第一平面衬底部件,被配置成封围工作流体;第二平面衬底部件,被配置成封围所述工作流体;设置在所述第一平面衬底上的多个芯吸结构;以及设置在所述第二平面衬底上的一个或多个平面间隔件。所述第一平面衬底和所述第二平面衬底可被气密密封。
[0005] 在一些实施方案中,所述多个芯吸结构包括设置在所述第一平面衬底部件上的多个柱或通道,且所述多个芯吸结构包括在所述第二平面衬底部件上形成的多个柱或通道。
[0006] 在一些实施方案中,所述第一平面衬底部件和/或所述第二平面衬底部件包括金属层、具有热通孔的覆聚合物层、没有热通孔的覆铜聚合物层、涂覆有聚合物的铜层、被亲涂层包封的金属层、被亲水疏水涂层包封的铜金属层,和/或被金属层包封的聚合物层、被亲水涂层包封的聚合物层,和/或被疏水涂层包封的聚合物层。在一些实施方案中,所述第一平面衬底部件(例如,金属包覆层)和/或第二平面衬底部件可在一个或多个区(例如,在蒸发器或冷凝器附近的区)中更厚。
[0007] 在一些实施方案中,所述多个芯吸结构包括与网层结合的多个铜柱。
[0008] 在一些实施方案中,多个芯吸结构可以包括具有选自以下列表中的至少一个性质的材料:铜网、不锈网、金属网、聚合物网、铜包封的网、被亲水涂层包封的网、被疏水涂层包封的网,和通过气密密封件包封的网。
[0009] 在一些实施方案中,所述多个芯吸结构包括与被铜包封的不锈钢网或铜网结合的铜柱。
[0010] 在一些实施方案中,所述一个或多个平面间隔件包括与被铜包封的不锈钢网或铜网结合的铜柱。
[0011] 在一些实施方案中,所述一个或多个平面间隔件包括多个铜柱或通道。
[0012] 在一些实施方案中,所述一个或多个平面间隔件包括具有各种星形横截面(例如,矩形、圆形和/或星形)的多个柱或通道。
[0013] 在一些实施方案中,所述多个芯吸结构包括通过铜或其它涂层气密密封和/或使用亲水涂层或疏水涂层增强的聚合物柱。
[0014] 在一些实施方案中,所述多个芯吸结构包括网层。所述网层例如可包括选自以下列表的网:铜网、不锈钢网、金属网、聚合物网和铜包封的网。所述网层例如可包括亲水涂层或疏水涂层或气密涂层。
[0015] 在一些实施方案中,使用光刻图案化工艺来沉积所述多个芯吸结构和/或所述一个或多个平面间隔件。
[0016] 在一些实施方案中,所述气密密封件可以是声波焊接、静电焊接或激光焊接的铜-铜界面。
[0017] 在一些实施方案中,所述气密密封件可包括选以下列表的密封件:铜-烧结界面、/铅焊料,和无铅焊料合金
[0018] 本申请公开一种热接地平面(TGP)。所述TGP可包括:顶层;网层,其包括沿着所述网层的长度形成的多个干道;以及底层,其包括延伸到所述多个干道中的多个柱。所述底层和所述顶层可围绕所述顶层的至少一个边缘和所述底层的至少一个边缘密封。所述多个柱中的每一者的至少一个尺寸可具有小于所述多个干道中的至少一者的尺寸。
[0019] 在一些实施方案中,可以从网层切割所述多个干道。在一些实施方案中,所述TGP可包括设置在所述底层上的微芯层。在一些实施方案中,所述TGP可包括设置在所述顶层上的多个柱附图说明
[0020] 在参考附图阅读以下详细描述时,会更好地理解本公开内容的这些和其它特征、方面以及优势。专利或申请文件含有带颜色的至少一个图式。在请求并支付必需费用之后,专利局将提供具有彩色图式的此专利或专利申请公布案的副本。
[0021] 图1示出在不同接触持续时间下使用不同材料的移动系统的最大容许表面温度图。
[0022] 图2示出根据一些实施方案在没有有效热发散的情况下的非均匀加热的移动装置的示例红外图。
[0023] 图3示出根据一些实施方案的热接地平面(TGP)的示例图。
[0024] 图4示出根据一些实施方案的柔性热接地平面的实例。
[0025] 图5示出在一些实施方案中通过1英寸×1英寸加热器向TGP注入热量和通过1英寸×1英寸热沉器从TGP提取热量校准的从TGP的蒸发区到冷凝区的热阻。
[0026] 图6示出根据一些实施方案的TGP。
[0027] 图7示出根据一些实施方案的TGP,所述TGP具有顶层、底层和芯吸结构,所述顶层具有形成在其中的柱,所述底层具有形成在其中的柱。
[0028] 图8示出根据一些实施方案制造的TGP的薄度。
[0029] 图9示出根据一些实施方案的具有底层的示例TGP,所述底层具有与涂覆有铜的不锈钢网电和结合的铜柱。
[0030] 图10示出根据一些实施方案的具有多个铜柱的顶层。
[0031] 图11示出根据一些实施方案的可用于表征具有由冷板界定的冷凝区的薄柔性TGP的性质的实验设置。
[0032] 图12示出根据一些实施方案并使用图11示出的实验设置制造的TGP的热阻图。
[0033] 图13示出根据一些实施方案可用于表征具有分布式冷凝器冷凝的薄柔性TGP的性质的实验设置,其中通过自然空气对流来提取热量。
[0034] 图14A示出根据一些实施方案的另一示例TGP。
[0035] 图14B示出根据一些实施方案的TGP。
[0036] 图15示出根据一些实施方案的另一示例TGP。
[0037] 图16示出根据一些实施方案的用于制造TGP的示例过程。
[0038] 图17示出根据一些实施方案的另一TGP 700的俯视图。
[0039] 图18A、18B和18C示出根据一些实施方案的图17示出的TGP的侧视图。

具体实施方式

[0040] 对于移动系统(例如,智能电话、平板计算机和可穿戴电子器件)的一个挑战是对表层温度的控制。表层温度是由人体的手指、手、脸、朵或任何其它部分触摸的装置的外部部分(例如壳体)的温度。当装置的一部分的温度超过最大容许温度时,用户将认为装置的温度较热。当然,对热的感知取决于材料和接触持续时间;其还由于人们在热生理机能方面的差异而因人而异。图1示出考虑到不同触摸持续时间的许多不同材料的可接受的表层温度图。
[0041] 如图2所示,可通过电子芯片(例如5瓦的处理器或1瓦的小型无线放大器)产生具有比智能电话(或其它装置)上的其它位置高得多的温度的热点或区域。可通过有效的热发散移除这些热点或区域,因为这些热点之外的区域中的温度可能低得多。
[0042] 通常,金属热发散器(例如或铜热发散器)可能是有效的。然而,正在降低金属热发散器的厚度以便满足降低总的系统厚度的需求。对于大多数移动系统而言,通常需要更薄的配置。在薄金属热发散器的情况下,其热阻会增加,因为热阻受到热导率和用于热传导的横截面区域的影响。替代性方法可使用高热导率石墨热发散器。然而,石墨热发散器的热导率一般随着石墨层的厚度而减小。高热导率石墨(例如1,500W/mK的热导率)太薄(例如0.017mm)而无法有效传递大面积的热量。
[0043] 一些实施方案包括具有改进热性能的薄热接地平面(TGP)。举例来说,TGP可使用具有用于热传递的蒸发-蒸汽运输-冷凝-液体返回路径的相变热传递机制。作为另一实例,TGP可以是具有高于铜的热导率的具有有效热导率的非常好的热发散器(参看图5)。在一些实施方案中,TGP可包括组件和/或可以使用在标题为“柔性热接地平面及其制造”(Flexible Thermal Ground Plane and Manufacturing the Same)的美国专利申请号为12/719,775中描述的方法制造,所述申请以全文引用的方式并入本文以用于所有目的。
[0044] 实施方案还可包括顶层,所述顶层包括使用具有多个柱的底层密封的多个间隔件(或柱)。在一些实施方案中,可使用光刻图案化工艺将所述间隔件沉积在所述顶层上。在一些实施方案中,可使用光刻图案工艺将所述柱沉积在所述底层上。在一些实施方案中,可在第一平面衬底和/或第二平面衬底上结合或划刻所述柱和间隔件。在一些实施方案中,所述柱可具有小于或大于柱和/或间隔件的直径的直径。在一些实施方案中,所述间隔件柱可具有小于或大于所述柱的间距直径的间距。在一些实施方案中,间隔件中的柱可具有小于或大于芯吸结构中的柱的间距的高度、直径或间距。
[0045] 图3示出根据一些实施方案的实例TGP 300的图。在此实例中,TGP 300包括顶层310、底层315、液体通道320和/或蒸汽核心325。TGP 300例如可与水或其它冷却介质的蒸发、蒸汽运输、冷凝和/或液体返回一起操作,以用于蒸发区330与冷凝区335之间的热传递。
顶层310可包括铜、聚酰亚胺、涂覆有聚合物的铜、覆铜KAPTON等。顶部底层315可包括铜、聚酰亚胺、涂覆有聚合物的铜、覆铜KAPTON等。在一些实施方案中,可使用焊料、激光焊接、超声波焊接、静电焊接或热压压缩或密封剂340将TGP的顶层310和底层315密封在一起。
[0046] 在一些实施方案中,液体通道320可包括铜网、不锈钢网或由其它材料但被铜包封而制成的网。液体通道320例如可包括一个、两个、三个、四个、五个、六个或更多层相同或不同材料的网。在一些实施方案中,可使用FEP(氟化乙烯丙烯)、电镀、烧结和/或其它粘合剂或密封剂将液体通道320与顶层310结合和/或密封。在一些实施方案中,为了增强金属网的亲水性质,可使用Al2O3、TiO2、SiO2或其它涂层的原子层沉积(ALD)来包封具有理想功能的液体通道320的网。
[0047] 在一些实施方案中,蒸汽核心325可包括安置在顶层310上的多个柱和/或通道。可使用任何类型的沉积技术例如气相沉积等来沉积所述柱和/或通道。
[0048] 图4示出根据一些实施方案的柔性热接地平面的实例。TGP可包括各种大小的有效区域,例如TGP可具有小于2cm、5cm、10cm、20cm、50cm、100cm、500cm、1000cm等的至少一个尺寸(例如长度、宽度、半径、直径等)和/或小于0.1mm、0.25mm、0.5mm、1mm、10mm、50mm、100mm等的厚度。在特定实例中,所述有效区域可具有9.5cm×5cm×0.1cm的尺寸。
[0049] 在一些实施方案中,TGP可包括覆铜KAPTON底层和覆铜KAPTON顶层,在所述底层与顶层之间夹有铜或金属网和/或聚合物间隔件。所述金属网可以是具有铜涂层或没有铜涂层的铜网、不锈钢网,或由其它材料但是被铜包封制成的网。所述铜网层例如可包括一个、两个、三个、四个、五个、六个或更多的网层。在一些实施方案中,可使用FEP(氟化乙烯丙烯)、电镀、烧结和/或其它密封剂将TGP的多个部分(例如铜网和/或聚合物间隔件)结合并密封。在一些实施方案中,为了增强金属网的亲水性质,可使用Al2O3、TiO2、SiO2或其它涂层的原子层沉积(ALD)来包封具有理想功能的网。
[0050] 图5示出根据一些实施方案而制造的从TGP的蒸发器蒸发区到冷凝区的热阻。在此实例中,TGP的特征在于:通过1英寸×1英寸的加热器向TGP注入热量和通过1英寸×1英寸的热沉器从TGP提取热量。在此实例中,测试样本的有效区域是约200mm×50mm×1mm。将结果与具有相同尺寸的铜参考样本获得的结果进行比较。
[0051] 在一些实施方案中,TGP可包括具有使用电镀工艺制造的多个柱的层,其产生例如具有铜-镍-金层的大结合衬垫。另外或替代地,在一些实施方案中,可使用ALD亲水或疏水涂覆工艺来改变柱的可湿性。
[0052] 如图5所示,将根据实施方案制造的TGP的热阻与具有相同尺寸的铜参考样本的热阻进行比较。从蒸发器到冷凝器的热阻是加热器的输入功率的函数。如图所示,当功率从5瓦增加到25瓦时,热阻从7K/W下降到约2K/W。铜样本的相应热阻是约10K/W。TGP的有效热导率在25瓦时达到约2,000W/mK,因为其热阻是具有400W/mK热导率的铜的约1/5。在另一测试中,我们的客户将功率一直运行到35瓦,且达到高达4,000W/mK到7,000W/mK的有效热导率。
[0053] 在一些实施方案中,可使用具有比基片材料更高热导率的热通孔。然而,在用于产生图5所示结果的此样本中不使用热通孔;因此,由于KAPTON的低热导率,存在跨50μm厚的KAPTON层的相对大且不理想的热阻。在使用热通孔的情况下,TGP的总热阻甚至在25瓦功率电平下可随着超过3,000W/mK的有效热导率而增加。
[0054] 图6示出根据一些实施方案的TGP 600。在此实例中,顶层310和/或底层315可包括覆铜KAPTON和/或可以类似于上文结合图3而描述的顶层310和底层315。在一些实施方案中,可使用焊料、激光焊接、超声波焊接、静电焊接或热压压缩将TGP 600的顶层310和底层315一起密封。在顶层310与底层315之间,TGP 600可包括液体通道、芯吸结构和/或蒸汽核心。
[0055] 芯吸结构610例如可包括具有铜涂层或没有铜涂层的铜网、不锈钢网,或由其它材料但被铜包封制成的一个或多个网。芯吸结构610例如可包括一个、两个、三个、四个、五个、六个或更多层的相同或不同材料的网。在一些实施方案中,可使用FEP(氟化乙烯丙烯)电镀、烧结和/或其它粘合剂或密封剂将芯吸结构610与顶层310结合和/或密封。在一些实施方案中,为了增强芯吸结构610的亲水性质,可使用Al2O3、TiO2、SiO2或其它涂层的原子层沉积(ALD)来包封具有理想功能的液体通道615的网。在一些实施方案中,芯吸结构610可与液体通道615的多个柱结合或结合在所述多个柱上。
[0056] 在一些实施方案中,芯吸结构610可包括编织网,其可以通过电镀工艺结合到液体通道615和/或蒸汽核心605的柱。在一些实施方案中,所述网可以是铜编织网或金属网。在此过程期间,例如,芯吸结构610(例如编织网)可被铜包封。可使用芯吸结构610将具有蒸汽核心605的顶层310和具有液体通道615的底层315一起密封,其中在顶层310与底层315之间具有网。在密封之后,可以使用工作流体(例如水、甲烷、或与暴露于工作流体的表面相容的其它冷却剂或制冷剂)充满TGP 600。
[0057] 液体通道615例如可包括多个柱(例如电镀柱)。
[0058] 蒸汽核心605例如可包括多个柱(例如电镀柱)。在一些实施方案中,蒸汽核心605中的柱可具有小于液体通道615的柱的至少一个尺寸(例如高度、宽度、长度、直径等)的至少一个尺寸(例如,高度、宽度、长度、直径等)。
[0059] 在一些实施方案中,可使用光刻图案工艺来制造液体通道615和/或蒸汽核心605中的柱。举例来说,可使用光刻图案工艺在顶层310上形成多个柱以形成蒸汽核心605,和/或可使用光刻图案工艺在底层315上形成多个柱以形成液体通道615。光刻图案化工艺例如可在数微米的分辨率下控制柱的定位和/或高度。可通过机械划刻工艺形成顶层310和/或底层315上的多个柱。
[0060] 在一些实施方案中,TGP(例如TGP 300或TGP 600,或本公开内容中描述的任何其它TGP)的厚度可以是数毫米或甚至小于约500微米、450微米、400微米、350微米、300微米、250微米、200微米、150微米或100微米。举例来说,顶层310和/或底层315的厚度可以是10微米、20微米、30微米、40微米、50微米、60微米等,液体通道(例如液体通道615)的厚度可以是
5微米、10微米、20微米、30微米、40微米、50微米、60微米,芯吸结构(例如芯吸结构610)的厚度可以是5微米、10微米、20微米、30微米、40微米、50微米、60微米,且/或蒸汽核心(例如蒸汽核心605)的厚度可以是10微米、20微米、30微米、40微米、50微米、75微米、100微米、125微米、150微米等。
[0061] 图7示出根据一些实施方案的TGP 600的实例,所述TGP具有顶层310、底层315和设置在其间的芯吸结构610,其中所述顶层具有在其上形成的柱以形成蒸汽核心605,所述底层具有在其上形成的柱以形成液体通道615。
[0062] 在一些实施方案中,可在光刻界定的开口上使用电镀来制造柱。在一些实施方案中,如图8所示,根据一些实施方案而制造的TGP可具有大于或小于0.25mm的厚度。可进一步减小总厚度,因为关键特征的所有尺寸都是通过光刻工艺来界定。在一些实施方案中,TGP可具有小于约0.25mm、0.2mm、0.15mm、0.1mm、0.05mm等的厚度。
[0063] 在一些实施方案中,液体通道615和/或蒸汽核心605的柱可允许TGP甚至在非常薄的配置中在不同的机械负荷下保持有效。
[0064] 图9示出根据一些实施方案的具有多个电镀柱和网的示例TGP。举例来说,顶层和/或底层上的柱可使用光刻图案工艺来制造,和/或可具有任何尺寸,例如100μm×100μm的正方形,其中每个正方形之间具有60μm的间距。这些柱例如可通过各种结合技术(例如铜电镀)结合到不锈钢编织网(例如具有500个网格/英寸、50μm厚)。所述网例如还可至少部分地或完全地被电镀铜包封。
[0065] 在一些实施方案中,组合的网-柱结构在蒸发区域中可实现低毛细管半径(或高送压)和在流体通道中可实现更高的流动水力半径(或低流动压力降)。
[0066] 在一些实施方案中,可以使用受控的过镀电镀工艺来形成具有圆头的柱。在一些实施方案中,此形状例如在柱子与所结合的网之间的每个界面之间形成的尖可能是有益的。这些尖角例如可增强拉动从冷凝器到蒸发器返回液体的毛细管泵送力。
[0067] 图10示出根据一些实施方案的具有通过光刻界定的开口而电镀的铜柱的顶层实例。在此实例中,柱的高度是100微米,柱的直径(或宽度)是1mm,且柱之间的间距是2mm。在此实例中,柱可界定蒸汽核心的间隙。在大间距(例如柱之间的间距大于每个柱的直径的,或柱之间的间距大于或等于每个柱的直径的两倍)的情况下,流动阻力可能会相当低。
[0068] 在一些实施方案中,在顶层上和/或在底层上形成的柱可以是亲水的。在一些实施方案中,所述柱可具有圆形、椭圆形、多边形、星形(例如如图6所示)、六边形、八边形、五边形、正方形、矩形、三角形等的横截面。在一些实施方案中,蒸汽的冷凝可沿着蒸汽核心发生。在一些实施方案中,蒸汽核心中的柱的亲水性质可减小蒸汽液滴或气泡的大小。在一些实施方案中,星形柱可进一步增强亲水性或可湿性。
[0069] 在一些实施方案中,可由除了铜之外的材料构造柱。例如可使用光刻沉积和蚀刻技术由聚合物制造所述柱。此类聚合物柱例如可经过烘烤,随后使用铜、ALD防潮涂层或其它密封材料进行气密封装。在一些实施方案中,聚合物柱的热导率可远低于铜的热导率。
[0070] 在一些实施方案中,TGP的制造工艺可包括将空气移除出TGP,随后使用水或与暴露的TGP内表面相容的其它工作流体充满TGP。在一些实施方案中,小直径铜管可与TGP耦合以允许真空处理和/或装载。在装满水之后,例如,此管可经过夹紧密封。在一些实施方案中,可通过将有效区域与具有管的区域分离的额外密封件来移除夹紧密封的管。
[0071] 图11示出可用于表征根据一些实施方案的薄柔性TGP的性质的实验设置。在此实例中,通过大小是8mm×8mm的加热器界定蒸发器(例如加热器)区域,并通过面积为5cm×2.5cm的冷凝器界定冷凝区域。测量蒸发器蒸发区域与冷凝器冷凝区域之间的温度差,并使用传递到冷凝器的的输入功率的每单元热的差异来计算所考虑的热阻。通过热绝缘物覆盖整个装备以减小由空气造成的空气自然对流效果。
[0072] 图12示出根据一些实施方案并使用图11示出的实验设置而制造的TGP的热阻作为加热器的输入功率的函数。如图所示,根据实施方案而制造的TGP制品胜过铜。从这些结果看到,薄TGP的有效热导率可在500W/mK与5,000W/mK之间,或者在1,000W/mK与1,500W/mK之间。
[0073] 在一些实施方案中,热量提取冷凝的位置可能影响TGP的性能。图13示出根据一些实施方案的可用于表征在没有有效冷却热沉器的情况下具有通过空气自然空气对流而冷却的分布式冷凝器冷凝的薄柔性TGP的性质的实验设置。在图中,1英寸×1英寸加热器放置在附接有芯吸层的每个样本的底部侧的中心处,附接有间隔件层的顶部侧面上的上部区和中心(加热区)之间的温度差对于具有4W输入的TGP样本是约0.6℃。此温度差在相同的4W输入下对于铜样本增加到5.4℃。在大区域上的分布式冷凝的情况下,与铜进行比较,TGP的热发散性能得到显著提高,甚至没有有效热沉器也如此。
[0074] 图14A示出根据一些实施方案的TGP 400。TGP 400可使用以下配置中的任一者构造。举例来说,暴露于水的内表面上的材料可以是铜。作为另一实例,可使用被铜包封的不锈钢网405。作为另一实例,可使用铜网。作为另一实例,可通过聚合物网(例如尼龙网或PEEK网)结合铜柱或除了铜柱之外来界定用于蒸汽核心的间隔件420。另外间隔件420可以是铜网。在一些实施方案中,可包括一个或多个覆铜Kapton层410和420。在一些实施方案中,可包括芯吸层405。可将一个或多个层组合和/或结合在一起。
[0075] 图14B示出根据一些实施方案的实例TGP。在此实例中,可在覆铜Kapton层之间密封多个网(例如铜网和尼龙/pEEK间隔件)。
[0076] 可使用一种或多种密封技术(例如超声波焊接、激光焊接、两层之间的热压压缩和/或使用焊料密封)来组装和/或密封底层和/或顶层以形成高产率气密密封件。可使用任何其它技术来气密密封TGP。例如光刻界定的焊接掩模、铜-铜接缝焊接(包括超声波焊接或激光焊接)、铜-银烧结、浸焊等。在此实例中,可使用第一密封件455和第二密封件455。
[0077] 图15示出根据一些实施方案的另一实例TGP。在此实例中,可通过使用银浆料的铜银烧结来结合覆铜Kapton的底层和覆铜Kapton的顶层。在一些实施方案中,所述银浆料可允许低温钎焊或烧结。举例来说,可在不施加任何压力的情况下在250℃下使用银浆料进行结合。在一些实施方案中,可使用金、银和/或钯来处理铜表面。在一些实施方案中,可通过烧结之前的干燥过程来除去浆料中的有机粘结剂。
[0078] 图16示出根据一些实施方案的用于制造TGP的示例过程。在框505处,可在底层上形成多个柱。这些柱例如可用于形成液体层或通道。可使用任何类型的光刻图案化工艺或机械划刻工艺形成所述柱。所述柱可具有小于一毫米的高度、小于5毫米的直径,并且柱之间的间隔大于每个柱的直径。所述柱可以是基于金属和/或聚合物,和/或包括亲水涂层或疏水涂层。
[0079] 在框510处,可在顶层上形成多个间隔件。这些间隔件例如可用于形成蒸汽核心层。可使用任何类型的光刻图案化工艺形成所述间隔件。所述间隔件可具有小于一毫米的高度、小于5毫米的直径,并且柱之间的间隔大于每个柱的直径。在一些实施方案中,所述间隔件的直径可小于柱的直径,和/或柱之间的间隔大于每个柱的直径。所述间隔件可以是基于金属和/或聚合物,和/或被铜包封,和/或包括亲水涂层,和/或包括疏水涂层。
[0080] 在框515处,网层可夹在顶层与底层之间。所述网可以是金属网、金属包封的网,或铜包封的不锈钢网。所述网可以是编织网。所述编织网例如可具有厚度小于75微米厚度的织法。在一些实施方案中,所述网可被铜包封。在一些实施方案中,所述网可在亲水或疏水涂层的情况下具有理想的可湿性。在一些实施方案中,网与水的反应可忽略。在一些实施方案中,可通过电镀铜使网结合到底层。
[0081] 在框520处,可密封顶层和底层以产生空腔,工作流体可置于所述空腔内。可使用任何类型的密封,包括本文所描述的密封和本文未描述的密封。管可以通过密封延伸以允许排出和装载TGP。
[0082] 在框525处,可使用任何技术排出空隙内的任何空气或非可冷凝的气体或其它材料。在框530处,可使用工作流体例如水、甲烷、氨或与暴露TGP内表面相容的其它工作流体来充满TGP。
[0083] 图16示出的方法的各个步骤可以任何次序发生,和/或可移除任何框。
[0084] 在一些实施方案中,根据一些实施方案可使用锡/铅焊料(或类似的无铅焊料合金)来密封TGP。可限制锡/铅焊料与水的反应。
[0085] 图17示出另一TGP 700的俯视图,以及图18A、18B和18C示出根据一些实施方案的TGP 700的侧视图。TGP 700包括顶层(图18的805)和底层705。图17示出移除了顶层805的TGP 700。顶层805和/或底层705可包括铜和/或聚酰亚胺材料。在一些实施方案中,顶层805和/或底层705可包括铜和聚酰亚胺两者的层。
[0086] TGP 700包括网返回层715,所述网返回层包括在该网返回层715内形成或切割的多个返回干道710。在一些实施方案中,返回干道710可以不延伸到TGP 700的蒸发器区720中。在一些实施方案中,返回干道710的宽度可小于30微米。在一些实施方案中,返回干道710的宽度可小于100微米。在一些实施方案中,网返回层715可包括芯。在一些实施方案中,网返回层715可包括钢网,例如具有网格的厚度小于50微米或25微米的网。在一些实施方案中,网返回层715可包括具有200、300、400、500、600、700等网格/英寸的简单织法的网。在一些实施方案中,网返回层715可使用铜电镀。网返回层715可包括指定蒸发器区,其可提供用于热源的特定位置。在一些实施方案中,网返回层715可具有约40微米的厚度。
[0087] 网返回层715可具有任何数目的形状和/或配置。在一些实施方案中,网返回层715可具有多边形或圆形形状。在一些实施方案中,网返回层715可具有没有返回干道710的多个区段。在一些实施方案中,网返回层715可包括任何数目、形状或配置的返回干道710。在一些实施方案中,返回干道710可具有安置在返回干道710内的一个或多个柱或其它机构。
[0088] 在一些实施方案中,返回柱835(参看图18)可从底层705延伸穿过网返回层715的返回干道710。在一些实施方案中,返回柱835可形成平行于网返回层715而形成的蒸汽区。在一些实施方案中,返回柱835可形成TGP 700的隔热区和/或冷凝器区中的干道。
[0089] 返回柱835可具有小于返回干道710的宽度的至少一个尺寸。在一些实施方案中,这些柱可以具有小于10微米的至少一个尺寸(例如高度、宽度、长度、直径等)。在一些实施方案中,这些柱可具有小于50微米的至少一个尺寸(例如高度、宽度、长度、直径等)。在一些实施方案中,这些柱可具有小于100微米的至少一个尺寸(例如高度、宽度、长度、直径等)。
[0090] 图18A示出通过图17所示截面A而切割的TGP 700的侧视图。在图18A中,通过其中返回干道710沿着网返回层715的一部分延伸的区域切割TGP 700。如图18A所示,网返回层715存在于蒸发器区中。显示返回柱835通过返回干道710延伸。TGP 700还包括设置在顶层
805上的多个顶部柱825。顶部柱825可具有大于返回柱835的至少一个尺寸(例如高度、宽度、长度、直径等)。顶部柱825可具有大于0.25mm、0.5mm、0.75mm、1.0mm、1.25mm等的至少一个尺寸(例如高度、宽度、长度、直径等)。
[0091] 在一些实施方案中,TGP 700可包括微芯层815。微芯层815例如可包括多个柱(例如电镀柱)。微芯层815可具有小于返回柱835的至少一个尺寸(例如柱高度、宽度、长度、直径、间距等)。微芯层815可具有小于5μm、10μm、15μm、20μm、25μm等的至少一个尺寸(例如高度、宽度、长度、直径等)。微芯层815可与返回干道710对齐。
[0092] 图18B示出通过图17所示截面B切割的TGP 700的侧视图。在图18B中,通过没有返回干道710沿网返回层715的一部分延伸的区域切割TGP。相反,网返回层715沿着TGP 700的此截面的TGP 700的长度延伸。
[0093] 图18C示出通过图17所示截面C切割的TGP 700的端视图。在图18C中,通过网返回层715切割TGP,从而示出网返回层715和在网返回层715中形成的返回干道710。在一些实施方案中,返回柱835可通过返回干道710延伸。在一些实施方案中,返回柱835中的一者或多者可接触顶部柱825中的一者或多者。
[0094] 在一些实施方案中,沿着顶层805的至少一个边缘和沿着底层705的至少一个边缘密封顶层805和底层705。在一些实施方案中,沿着顶层805的至少两个边缘和沿着底层705的至少两个边缘密封顶层805和底层705。
[0095] 在一些实施方案中,可通过设计产生缓冲区,以通过被动式对流来收集和储存任何不可冷凝的气体。举例来说,可在网外部(例如图6示出的网区外部)的区域形成数毫米的空间。可在结合之前添加此空间。此空间可收集将由于其不同密度而移动到此空间的任何不可冷凝的气体,并因此可基本上减小其对蒸发和冷凝的影响。
[0096] 可使用各种其它密封技术,例如热超声或热压结合、超声波焊接、激光焊接、电子束焊接、电镀;使用与水可忽略反应的合金的焊料密封;以及通过防潮涂层(例如基于原子层沉积(ALD)的涂层)包封的聚合物结合。
[0097] 一些实施方案可包括启用柱的TGP。在一些实施方案中,TGP可包括覆铜Kapton胶片,其包括三个层。这些层可例如包括铜和Kapton层。每个层可以是约12μm厚。在一些实施方案中,可包括不锈钢编织网并且其可具有小于75μm的厚度。在一些实施方案中,柱可允许在不同机械负荷下使柱之间的流体和/或蒸汽运输。
[0098] 在一些实施方案中,可使用各种光刻图案工艺中的任一者在铜层(例如顶层和/或底层)上形成多个柱。
[0099] 在一些实施方案中,铜包封的不锈钢网可夹在顶层与底层之间。不锈钢网例如可具有厚度小于75微米的织法。在一些实施方案中,所述网可被铜包封。在一些实施方案中,所述网可以是亲水的。在一些实施方案中,网与水的反应可以忽略。
[0100] 在一些实施方案中,TGP可包括网-柱芯吸结构。网-柱芯吸结构可允许TGP在蒸发区中实现低毛细管半径(高泵送压力)和/或在流体通道中较高的流动水力半径(低流动压力降)。
[0101] 在一些实施方案中,TGP可包括具有圆滑头部的柱。举例来说,可使用受控的过镀敷形成柱。在一些实施方案中,所述柱可在柱与所结合的网之间的界面处形成非常尖的角。在一些实施方案中,可以使用这些尖角例如增强拉动从冷凝器返回蒸发器的液体的毛细管泵送力。
[0102] 在一些实施方案中,可在具有星形多边形的各种横截面的顶层和/或底层上构造多个星形柱。
[0103] 在一些实施方案中,可在顶层和/或底层上构造多个亲水柱。
[0104] 在一些实施方案中,通过冷凝的排热可分布在TGP的整个外表面上。
[0105] 在一些实施方案中,柱和/或间隔件可设置在层上,其密度(柱之间或间隔件之间的间距)跨层而变,其直径跨层而变,其间距跨层而变等。
[0106] 各附图均未按比例绘制。
[0107] 术语“基本上”意指在所提及的值的5%或10%内或在制造公差内。
[0108] 本文陈述众多特定细节以提供对所要求保护的技术方案的透彻理解。然而,本领域技术人员应理解,可在没有这些特定细节的情况下实践所要求保护的技术方案。在其他实例中,未详细描述本领域技术人员已知的方法、设备或系统以便于不会使所要求保护的技术方案模糊不清。
[0109] 本文使用“被调适成”或“被配置成”意指开放性和包括性语言,其不排除被调适成或被配置成执行额外任务或步骤的装置。另外,使用“基于”意指开放性和包括性,原因在于“基于”一个或多个所述条件或值的方法、步骤、计算或其它行动实际上可基于除了那些所述条件或值之外的附加条件或值。本文包括的标题、列表和编号仅用于方便阐释,并不意味着限制。
[0110] 虽然已经对本申请所述技术方案的特定实施方案进行了详细描述,但应理解,本领域技术人员在理解前述内容之后可容易产生对这些实施方案的改变、变化和等同物。因此,应理解,本公开内容呈现实施例的目的不是限制,并且不排除包括对本领域技术人员而言显而易见的对本申请的修改、变化和/或添加。
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