高性能两相冷却设备
阅读：3发布：2023-02-28
专利汇可以提供高性能两相冷却设备专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 申请 公开两相冷却装置，其可包括至少三个基底：具有芯吸结构的金属、中间基底和 背板 。 流体 可被容纳在芯吸结构和 蒸汽 腔内，用于将 热能 从热接地平面的一个区域传输到热接地平面的另一个区域，其中流体可由芯吸结构内的毛细 力 驱动。中间基底可在芯吸结构内形成窄的通道，提供高的毛细力以 支撑 液相与汽相之间的大的压力差，同时最小化在芯吸结构中流动的流体的粘性损失。，下面是高性能两相冷却设备专利的具体信息内容。
1.一种热接地平面，包含：
包含多个微结构的金属基底，形成芯吸结构；
蒸汽腔，与所述多个微结构连通；
至少一个中间基底，成形为增加在所述芯吸结构的至少一个区域中的芯吸结构的有效高宽比；和
容纳在所述热接地平面内的流体，用于将热能从所述热接地平面的至少一个区域传输到所述热接地平面的另一个区域，其中，所述流体由毛细力驱动。
2.如权利要求1所述的热接地平面，进一步包含金属背板，其中，所述蒸汽腔由所述金属基底和所述金属背板围成。
3.如权利要求2所述的热接地平面，其中，所述金属基底结合到所述金属背板以形成密闭密封的蒸汽腔。
4.如权利要求1所述的热接地平面，其中，所述至少一个中间基底包含金属。
5.如权利要求1所述的热接地平面，其中，所述至少一个中间基底的至少一个区域进一步包含具有1-1000微米特征尺寸的多个微结构。
6.如权利要求1所述的热接地平面，其中，所述至少一个中间基底的至少一个区域包含多个微结构，所述多个微结构与所述芯吸结构的至少一个区域交织，以在所述热接地平面的至少一个区域中形成高有效高宽比的芯吸结构。
7.如权利要求1所述的热接地平面，其中，所述至少一个中间基底紧邻所述芯吸结构，在所述热接地平面的至少一个区域中隔离液相与汽相。
8.如权利要求5所述的热接地平面，其中，至少一个中间基底由至少一个开口组成，其中，所述开口大幅大于所述微结构，因此在所述热接地平面的至少一个区域中，所述芯吸结构与蒸汽室直接连通。
9.如权利要求2所述的热接地平面，其中，所述背板进一步包含支架，所述支架与所述中间基底和所述金属基底结合，结构地支撑所述热接地平面。
10.如权利要求2所述的热接地平面，其中，所述基底、所述至少一个中间基底和所述背板包含钛。
11.如权利要求10所述的热接地平面，其中，所述钛基底由激光焊接连接到所述钛背板，以形成密闭密封的蒸汽腔。
12.如权利要求1所述的热接地平面，其中，所述至少一个中间基底具有带多个突起的区域，所述多个突起保形地配合到所述芯吸结构中，以形成窄的流体通道，所述流体由毛细力驱动通过所述流体通道。
13.如权利要求12所述的热接地平面，其中，所述突起成形为配合到所述芯吸结构的特征中。
14.如权利要求6所述的热接地平面，其中，在所述芯吸通道与所述中间基底之间的所述流体通道的有效高宽比h/w大于1，其中，h是流体通道的有效高度，w是流体通道的宽度。
15.如权利要求1所述的热接地平面，其中，所述微结构包含通道、柱、槽和沟中的至少一个。
16.如权利要求1所述的热接地平面，其中，所述热接地平面的至少一个区域的表面由纳米结构二氧化钛（NST）组成。
17.如权利要求1所述的热接地平面，其中，所述微结构中的一个或更多个具有在约1-
1000微米之间的高度、在约1-1000微米之间的宽度、和在约1-1000微米之间的间距。
18.如权利要求1所述的热接地平面，其中，所述热接地平面具有蒸发器区域、绝热区域、和冷凝器区域，并且其中，所述中间基底在蒸发器区域中具有相对于绝热区域的不同形貌。
19.如权利要求1所述的热接地平面，其中，所述中间基底包含多个微结构，所述多个微结构与所述芯吸结构交织，其中，所述交织的微结构机械联接到支撑横向构件。
20.如权利要求1所述的热接地平面，其中，所述蒸汽腔构造有一个或更多个凹陷区域，以提供变化的蒸汽室高度。
高性能两相冷却设备
[0003] 关于微缩胶片附录的声明不适用。
技术领域
背景技术
[0006] 许多电子环境，比如移动装置或膝上型计算机，具有薄的/平面的构造，其中许多部件被有效包装在非常有限的空间中。因此，冷却解决方案还必须适应于薄的/平面的构造。对于许多电子冷却应用，采用薄的热接地平面（TGPs）形式的散热器会是期望的。
发明内容
[0008] 在一些实施例中，本申请提供了包括至少三个基底的两相冷却装置。在一些实施例中，基底中的一个或更多个由微制造的金属形成，比如但不限于钛、铝、铜、或不锈钢。在一些实施例中，基底可形成为适合于在电子装置中使用的热接地平面结构。在一些实施例中，两相装置可包含预定量的至少一种适合的工作流体，其中工作流体通过在液体与蒸汽之间改变相来吸收或排出热。
[0009] 在一些实施例中，本申请可提供两相冷却装置，其包括：金属，比如但不限于钛、铝、铜或不锈钢；基底，其包含多个蚀刻的微结构，形成芯吸结构（wicking structure），其中微结构中的一个或更多个具有在约1-1000微米之间的高度、在约1-1000微米之间的宽度、和在约1-1000微米之间的间距。在一些实施例中，蒸汽腔可以与多个金属微结构连通。在一些实施例中，至少一个中间基底可以与芯吸结构和蒸汽区域连通。在一些实施例中，流体可容纳在芯吸结构和蒸汽腔内，用于将热能从热接地平面的一个区域传输到热接地平面的另一个区域，其中流体可由芯吸结构内的毛细力驱动。
[0010] 在一些实施例中，冷却装置可被构造用于芯吸结构中的高的毛细力，以支撑液相与汽相之间的大的压力差，同时最小化在芯吸结构中流动的液体的粘性损失。在一些实施例中，冷却装置可以是热接地平面，其可被做得非常薄，并且可能能够传递比早期TGP’s能够实现的更多的热能。在一些实施例中，不同的结构部件可定位在蒸发器区域、绝热区域和冷凝器区域中。在一些实施例中，蒸发器区域可容纳中间基底，该中间基底包含当与芯吸结构配合时形成高高宽比结构的多个微结构。在一些实施例中，中间基底特征与芯吸结构特征交织以增加芯吸结构的有效高宽比。在一些实施例中，绝热区域可容纳紧邻芯吸结构定位以将蒸汽室中蒸汽从芯吸结构中液体分离的中间基底。在一些实施例中，冷凝器区域可容纳具有大的开口（与微结构相比）的中间基底，使得芯吸结构与蒸汽室直接连通。在一些实施例中，冷凝器区域可能没有容纳中间基底，使得芯吸结构与蒸汽室直接连通。附图说明
[0011] 参考下列附图描述不同的示例性细节，其中：图1是早期钛基热接地平面的示例性实施例，包含具有芯吸结构的钛基底、背板、和蒸汽室；
图2是带有芯吸结构的早期钛基底的示例性实施例：（A）芯吸结构包含柱；（B）芯吸结构包含通道或槽；
图3是具有与芯吸结构和蒸汽室连通的中间基底的金属基热接地平面的示例性实施例。中间层可包含微结构。（A）示出绘出实施例的部件的剖面图，（B）示出实施例的结构部件的分解图；
图4绘出根据示例性实施例的结构部件，其中不同的结构部件被定位在蒸发器区域、绝热区域和冷凝器区域中：（A）示出实施例的蒸发器区域，其中中间基底包含与芯吸结构交织的多个微结构，（B）示出实施例的绝热区域，其中中间基底紧邻芯吸部定位，（C）示出实施例的冷凝器区域，其中芯吸结构与蒸汽室直接连通，以及（D）示出中间基底的实施例的细节；
图5是实施例的结构部件的剖面图的示例性实施例，其中结构是没有被液体润湿的（即，干的）和被液体润湿的：（A）在蒸发器区域中的没有被润湿的结构部件，（B）在蒸发器区域中的被润湿的结构部件，（C）在绝热区域中的没有被润湿的结构部件，（D）在绝热区域中的被润湿的结构部件，（E）在冷凝器区域中的没有被润湿的结构部件，（F）在冷凝器区域中的被润湿的结构部件；
图6示出热接地平面的示例性实施例的随轴向位置变化的压力分布。曲线示出了蒸汽室中汽相的压力和芯吸结构中液相的压力。在这种情况下，液相与汽相之间的最大压力差发生在蒸发器区域中。汽相与液相之间的最小压力差发生在冷凝器区域中；
图7示出热接地平面的示例性实施例在热负荷Q = 10、20和30W下的随轴向位置变化的温度分布。在该实施例中，蒸发器在中心，并且每侧上有绝热区域和冷凝器区域；
图8对比了钛基热接地平面对于不同蒸汽温度的最大热传递。比较在早期的钛热接地平面与利用中间基底的目前的热接地平面的示例性实施例之间进行；
图9是根据一个或更多个实施例的目前的Ti基TGP（金属基热接地平面）的一个或更多个实施例的形成的流程图的示例性实施例；
图10是目前的Ti基TGP的一个或更多个实施例的形成的流程图的示例性实施例；
图11示出与中间基底连通的芯吸结构的示例性实施例。有效高宽比定义为有效通道高度h与有效通道宽度w的比：（A）示出中间基底中的微结构与芯吸结构交织的示例性实施例，（B）示出中间基底中的微结构定位在芯吸结构之上的替代实施例；
图12是具有多个支撑横向构件的中间基底的透视图；
图13是具有支撑横向构件的中间基底的透视图，其中（A）微结构与横向构件连通，以及（B）其中微结构和横向构件直接定位在芯吸结构之上；以及
图14是具有一个或更多个凹陷区域的蒸汽室的图示的剖面图。
图2是带有芯吸结构的早期钛基底的示例性实施例：（A）芯吸结构包含柱；（B）芯吸结构包含通道或槽；
图3是具有与芯吸结构和蒸汽室连通的中间基底的金属基热接地平面的示例性实施例。中间层可包含微结构。（A）示出绘出实施例的部件的剖面图，（B）示出实施例的结构部件的分解图；
图4绘出根据示例性实施例的结构部件，其中不同的结构部件被定位在蒸发器区域、绝热区域和冷凝器区域中：（A）示出实施例的蒸发器区域，其中中间基底包含与芯吸结构交织的多个微结构，（B）示出实施例的绝热区域，其中中间基底紧邻芯吸部定位，（C）示出实施例的冷凝器区域，其中芯吸结构与蒸汽室直接连通，以及（D）示出中间基底的实施例的细节；
图5是实施例的结构部件的剖面图的示例性实施例，其中结构是没有被液体润湿的（即，干的）和被液体润湿的：（A）在蒸发器区域中的没有被润湿的结构部件，（B）在蒸发器区域中的被润湿的结构部件，（C）在绝热区域中的没有被润湿的结构部件，（D）在绝热区域中的被润湿的结构部件，（E）在冷凝器区域中的没有被润湿的结构部件，（F）在冷凝器区域中的被润湿的结构部件；
图6示出热接地平面的示例性实施例的随轴向位置变化的压力分布。曲线示出了蒸汽室中汽相的压力和芯吸结构中液相的压力。在这种情况下，液相与汽相之间的最大压力差发生在蒸发器区域中。汽相与液相之间的最小压力差发生在冷凝器区域中；
图7示出热接地平面的示例性实施例在热负荷Q = 10、20和30W下的随轴向位置变化的温度分布。在该实施例中，蒸发器在中心，并且每侧上有绝热区域和冷凝器区域；
图8对比了钛基热接地平面对于不同蒸汽温度的最大热传递。比较在早期的钛热接地平面与利用中间基底的目前的热接地平面的示例性实施例之间进行；
图9是根据一个或更多个实施例的目前的Ti基TGP（金属基热接地平面）的一个或更多个实施例的形成的流程图的示例性实施例；
图10是目前的Ti基TGP的一个或更多个实施例的形成的流程图的示例性实施例；
图11示出与中间基底连通的芯吸结构的示例性实施例。有效高宽比定义为有效通道高度h与有效通道宽度w的比：（A）示出中间基底中的微结构与芯吸结构交织的示例性实施例，（B）示出中间基底中的微结构定位在芯吸结构之上的替代实施例；
图12是具有多个支撑横向构件的中间基底的透视图；
图13是具有支撑横向构件的中间基底的透视图，其中（A）微结构与横向构件连通，以及（B）其中微结构和横向构件直接定位在芯吸结构之上；以及
图14是具有一个或更多个凹陷区域的蒸汽室的图示的剖面图。
[0012] 应理解的是，附图不必要地按照比例绘制，并且相似的附图标记可以指的是相似的特征。
具体实施方式
[0013] 在优选实施例的以下描述中，对形成本文一部分的附图作出参考，并且附图中以图示的方式示出了实践本发明的特定实施例。将理解的是，在不偏离本发明的范围的情况下，可利用其它实施例并可作出结构变化。
[0014] 在一些实施例中，本文公开的热接地平面可用来提供有效的空间利用，用于冷却大范围的应用中的半导体装置，包括但不限于飞行器、卫星、膝上型计算机、台式计算机、移动装置、汽车、机动车辆、暖通空调与通风系统、和数据中心。
[0015] 微制造的基底可用来制作可采用热接地平面（TGPs）形式的更加坚固、抗冲击的两相冷却装置。尽管对于这些基底可采用多种材料，如在并入的参考文献中描述的，已发现，金属，比如但不限于钛、铝、铜、或不锈钢的基底适用于TGPs。
[0016] 金属的选择可取决于各种应用和成本的考量。各种金属都有优点。比如，铜在所有金属中提供最高的导热性。铝对于这样的应用是有利的，即其中高导热性是重要的并且重量可能会是重要的。不锈钢在某些恶劣环境中会具有优势。
[0017] 钛具有许多优点。例如，钛具有高的断裂韧度、能够被微制造和微加工、能够抵抗高温、能够抵抗恶劣环境、能够是生物相容的。此外，钛基热接地平面能够被做成轻重量、相对薄，并且具有高的热传递性能。钛能够被脉冲激光焊接。由于钛具有高的断裂韧度，因此它可被形成为抗开裂且抗缺陷传播的薄的基底。钛具有约8.6×10-6/K的相对低的热膨胀系数。低的热膨胀系数与薄的基底结合可帮助大幅降低由热失配引起的应力。钛可氧化形成纳米结构二氧化钛（NST），其形成稳定且超亲水性的表面。在一些实施例中，已发现，具有整体形成的纳米结构二氧化钛（NST）的钛（Ti）基底适用于TGP’s。
[0018] 金属，比如但不限于钛、铝、铜、或不锈钢，能够以从约1-1000微米范围内变化的受控的特征尺寸（深度、宽度、和间距）被微制造，以设计最优性能的和定制用于特定应用的芯吸结构和中间基底。在一些实施例中，受控的特征尺寸（深度、宽度、和间距）可在从10-500微米的范围内变化，以设计最佳性能的和定制用于特定应用的芯吸结构。
[0019] 在一些实施例中，钛可氧化形成纳米结构二氧化钛（NST），其可提供超亲水性表面并从而增加毛细力，并且增强热传递。在一些实施例中，NST可由具有200纳米（nm）的名义粗糙度的毛发状样式组成。在一些实施例中，NST可具有1-1000nm的名义粗糙度。
[0020] 在一些实施例中，铝可氧化形成亲水性的纳米结构，以提供超亲水性涂层。在一些实施例中，烧结的纳米颗粒和/或微米颗粒可用于提供超亲水性表面并从而增加毛细力，并且增强热传递。
[0021] 在一些实施例中，钛可涂覆在另一种类型的基底上形成钛膜。钛膜可氧化形成纳米结构二氧化钛（NST），并从而提供超亲水性表面。
[0022] 钛是可利用洁净室加工技术微制造、在机械车间中宏观加工（macro-machine）、并且利用脉冲激光微焊接技术密封包装的材料。当热接地平面仅由钛或二氧化钛作为结构材料组成时，各种部件可被激光焊接在合适的位置，而不引入污染物，该污染物可能会产生不可凝气体，带来差的性能，并可能导致失效。此外，钛和二氧化钛已经表现出与水相容，这能够有助于长的寿命和最小化的不可凝气体的生成。因此，钛基底可通过激光焊接连接到钛背板，以形成密闭密封的蒸汽腔。
[0023] 金属可被结合，以形成密闭密封。在一些实施例中，钛基底可被脉冲激光微焊接在一起，以形成密闭密封。在其它实施例中，铜、铝、和不锈钢的基底可利用多种技术焊接，比如但不限于软钎焊（soldering）、硬钎焊（brazing）、真空硬钎焊、TIG、MIG、和许多其它熟知的焊接技术。
[0024] 本申请描述了金属基热接地平面（TGP）的制造。在不失一般性的情况下，本申请公开了可由三个或更多个金属基底组成的热接地平面实施例。
[0025] 实施例可包含三个基底（其中的一个或更多个可利用金属构造，比如但不限于钛、铝、铜、或不锈钢）以形成热接地平面。在一些实施例中，钛基底可用于形成热接地平面。在一些实施例中，一个基底支撑整体形成的超亲水性的芯吸结构220，第二基底由深度蚀刻（或宏观加工）的蒸汽腔构成，第三中间基底110可由微结构112构成且与芯吸结构220和蒸汽室300连通。基底可被激光微焊接在一起，以形成热接地平面。
[0026] 工作流体可基于期望的性能特征、操作温度、材料相容性、或其它期望特征选择。在一些实施例中，在不失一般性的情况下，可使用水作为工作流体。在一些实施例中，在不失一般性的情况下，可使用氦、氮、氨、高温有机物、水银、丙酮、甲醇、Flutec PP2、乙醇、庚烷、Flutec PP9、戊烷、铯、钾、钠、锂、或其它材料作为工作流体。
[0027] 目前的TGP可提供相比于早期钛基热接地平面的显著改进。例如，本发明可提供显著更高的热传递、更薄的热接地平面、更不易受重力影响的热接地平面、和许多其它优势。
[0028] 以下共同未决和共同受让的美国专利申请涉及当前申请，并且其全部内容通过引用的方式被并入：于2010年5月18日公布的由Samah等人所作的题为“NANOSTRUCTURED TITANIA”的美国专利号7,718,552 B2，该申请通过引用的方式被并入本文中；于2008年7月21日提交的由Noel C. MacDonald等人所作的题为“TITANIUM-BASED THERMAL GROUND PLANE”的美国专利申请序列号61/082,437，该申请通过引用的方式被并入本文中；于2012年11月26日提交的由Payam Bozorgi等人所作的题为“TITANIUM-BASED THERMAL GROUND PLANE”的美国专利申请序列号13/685,579，该申请通过引用的方式被并入本文中；于2012年1月31日提交的由Payam Bozorgi和Noel C. MacDonald所作的题为“USING MILLISECOND PULSED LASER WELDING IN MEMS PACKAGING”的PCT申请号PCT/US2012/023303，该申请通过引用的方式被并入本文中；于2014年6月26日提交的由Payam Bozorgi和Carl Meinhart所作的题为“TWO-PHASE COOLING DEVICES WITH LOW-PROFILE CHARGING PORTS”的美国专利临时申请序列号62017455，该申请通过引用的方式被并入本文中。
[0029] 图1图示了热接地平面，在一些实施例中其可以是钛基热接地平面，包含在并入的参考文献中描述的具有芯吸结构的钛基底、背板、和蒸汽室。装置可被脉冲微焊接以形成密闭密封。热接地平面可充入有工作流体，比如处在热力学饱和状态的水，其中液相主要存在于芯吸结构中，汽相主要存在于蒸汽室中。
[0030] 如在并入的参考文献中描述的，芯吸结构可由多个柱、通道、槽、沟、或其它几何结构形成。例如，图2（A）图示了早期的TGP，其中钛芯吸结构22由柱24组成。图2（B）图示了早期的TGP，其中钛芯吸结构22'由钛基底21上的通道或槽28组成。
[0031] 图3图示了具有与芯吸结构220和蒸汽室300连通的中间基底110的新颖的金属基热接地平面的实施例。中间层可包含微结构112。图3（A）示出剖面图，绘出了实施例的部件，而图3（B）示出了实施例的结构部件的分解图。金属基底210可结合到金属背板120以形成密闭密封的蒸汽腔300。因此，蒸汽腔300可由金属基底210和金属背板120围成。例如，在实施例中，钛基底可被激光脉冲微焊接到钛背板120以形成密闭密封的蒸汽腔。
[0032] 在一些实施例中，可使用多个中间基底110，其中对于热接地平面的每个不同区域可使用至少一个不同的中间基底110。多个中间基底110可彼此紧邻定位以共同对热接地平面的功能提供综合益处。
[0033] 在一些实施例中，中间基底110可含有由具有从1-1000微米范围内变化的特征尺寸（深度、宽度、和间距）的多个微结构112组成的区域。在一些实施例中，中间基底110可含有由具有从10-500微米范围内变化的尺寸（深度、宽度、和间距）的多个微结构112组成的区域。
[0034] 至少一个中间基底110可含有由多个微结构112组成的区域、由固体基底组成的区域、和由至少一个中间基底110中的至少一个开口（其相比微结构112大，并且例如开口可在1毫米-100毫米、或1毫米-1000毫米的尺寸范围内变化）组成的区域。
[0035] 在一些实施例中，对于热接地平面的所选区域的中间基底110中的开口可通过简单地不在这些区域中提供中间基底110来实现。热能可由热源250提供并由热沉（heat sink）260移除。热能可从金属基底210的一个区域（蒸发器区域）传递至金属基底210的另一个区域（冷凝器区域）。在蒸发器区域中，局部温度高于液/汽混合物的饱和温度，导致液体140蒸发成蒸汽，从而吸收由于汽化的潜热产生的热能。
[0036] 存在于蒸汽室300中的蒸汽可从蒸发器区域通过绝热区域流至冷凝器区域。热沉260可从冷凝器区域吸收热，导致局部温度低于液/汽混合物的饱和温度，导致蒸汽冷凝成液相，并因此释放由于汽化的潜热产生的热能。
[0037] 冷凝液体140可主要存在于芯吸结构220中，并可因为毛细力而从冷凝器区域通过绝热区域流至蒸发器区域。
[0038] 因此，对于高性能热管以下会是有利的：（1）对于流动通过芯吸结构220的液体140表现出最小的粘性损失；以及（2）在蒸发器区域中表现出最大的毛细力。在许多实际的热接地平面实施例中，最小粘性损失和最大毛细力难以同时实现。与在内部大部分上具有或多或少相同结构的早期TGP’s相比，引入在三个区域的每个中合适地构造的具有多个微结构112的中间基底110可提供一器件，其中热接地平面可在一些区域中具有减小的粘性损失，同时在其它区域中表现出增大的毛细力。
[0039] 在一些实施例中，支撑柱（支架（standoff））用于机械支撑背板120与芯吸结构220和/或中间基底110之间的间距。在一些实施例中，支撑柱（支架）为蒸汽室300提供受控的间距。支撑柱（支架）可利用（如以上描述的）化学湿法蚀刻技术或其它制造技术微制造。因此，背板可包括与中间基底和/或金属基底连通的支架，用于结构地支撑热接地平面。
[0040] 图4绘出了实施例的结构部件，其中不同的结构部件定位在蒸发器区域、绝热区域和冷凝器区域中：（A）示出实施例的蒸发器区域，其中中间基底110包括定位成增加芯吸结构220的有效高宽比的多个微结构112。来自中间基底110的指状物（微结构112）与芯吸结构220中的通道交织，从而产生与不具有中间基底110的芯吸结构220的较低高宽比的特征相比的双倍数目的较高高宽比的特征。图4（B）示出实施例的绝热区域，其中中间基底110紧邻芯吸结构220定位，以及（C）示出实施例的冷凝器区域，其中芯吸结构220与蒸汽室300直接连通。（D）示出整个中间基底110。
[0041] 因此，热接地平面可具有蒸发器区域、绝热区域、和冷凝器区域。中间基底继而可在不同区域中，尤其相对于绝热区域在蒸发器区域中具有不同的形貌。
[0042] 图4（A）绘出如下实施例，其中中间基底110包含与金属基底210的芯吸结构220交织的多个微结构112。通过使中间区域的微结构112与金属基底210的芯吸结构220交织，可大幅增加固体与液体之间的界面。这可增加施加于液体的毛细力，并可增加从金属固体传递至液体的热量。
[0043] 图4（B）示出实施例的绝热区域，其中中间基底110紧邻芯吸结构220定位。固体中间基底110可用于将蒸汽室300从芯吸结构220隔离。与芯吸结构220中的液体会直接暴露于蒸汽室300中的蒸汽、在液/汽界面处存在弯月面的早期TGP’s相比，通过将蒸汽室300从芯吸结构220隔离，可增加固-液界面面积，并且液体可基本上填充芯吸结构220，而无弯月面占据通道，并且这可在较小的粘性压降的情况下为液体提供较高的质量流率。
[0044] 图4（C）示出实施例的冷凝器区域，其中芯吸结构220与蒸汽室300直接连通。当芯吸结构220与蒸汽室300直接连通时，蒸汽会更加容易冷凝到芯吸结构220上。另外，在比如冷凝器的区域中，在液相与汽相之间压力上可能没有显著差异，中间基底110可能不能提供显著的好处。
[0045] 然而，在其它实施例中，如果冷凝器区域相对大并且在液相与汽相之间存在显著的压力差，那么中间基底110也可在冷凝器区域中提供好处。
[0046] 图4（D）示出如上所述的中间基底110的实施方式的示例性实施例。中间基底110的蒸发器区域包括跨越每个端部支撑的楔形指状物的排，使得当组装TGP时，如图4（A）所示，指状物与基底芯吸微结构112交织，其中交织的结构暴露于蒸汽室300中。中间基底110的绝热区域是叠覆部分芯吸微结构112的盖，如图4（B）中所示。在一些实施例中，如图4（C）中所示，冷凝器区域可能不要求中间基底110部件。
[0047] 高宽比通常定义为结构的一个主要尺寸对结构的另一个主要尺寸的比。对于热管应用中使用的柱、通道、沟、槽或其它特征，有效高宽比可指的是由流体，比如流动通过芯吸结构220的液体140，占据的区域的高度与宽度之间的比。在一些实施例中，中间基底110可包括如下的一个部段（如图4（A）中通过示例示出的），其与芯吸结构220结合，提供比仅由芯吸结构220提供的高宽比显著更高的有效高宽比。换句话说，中间基底110可具有带多个突起的区域，所述多个突起保形地配合到芯吸结构220中，以形成窄的流体通道，流体由毛细力驱动通过该流体通道。突起可被成形为配合到在芯吸结构220中的特征中，如图4（A）中所示。
[0048] 对于一些期望的微加工过程，比如湿法化学蚀刻，可能难以在芯吸结构220中实现高的高宽比。使两个结构交织可在芯吸结构中实现比利用单个湿法蚀刻结构可另外实现的更高的高宽比。中间基底110可包括另一个部段（如图4（B）中通过示例示出的），其基本上是芯吸结构220上的盖，用以最小化粘性损失、将液体从上方紧邻的蒸汽隔离、并改善流量。第三部段（如图4（C）中通过示例示出的），其中中间基底110由比所述微结构112更加敞开的开口组成，以有助于芯吸结构220与蒸汽区域之间的直接连通，并促进冷凝。因此，中间基底的开口可比所述微结构基本上更加敞开，因此芯吸结构和蒸汽室可在热接地平面的至少一个区域中直接连通。
[0049] 因此，中间基底110的添加允许在冷却装置的三个操作区域的每个中的芯吸结构220的优化，并且采用可与比如湿法蚀刻技术的微加工工艺和组装技术相容的方式。
[0050] 在不失一般性的情况下，芯吸结构220可通过干法蚀刻、湿法化学蚀刻、其它形式的微加工、宏观加工、利用切割锯锯、和许多其它类型的工艺形成。在一些实施例中，干法蚀刻可提供高高宽比的通道，其中深度与通道的宽度相当或可能甚至更大。然而，与湿法蚀刻工艺相比，干法蚀刻可能限于较小区域并且对于大规模制造可能不是期望的。基于掩模（mask-based）的湿法蚀刻可能是期望的，因为其可适用于相对大的蚀刻区域、会是划算的、并且可与大量制造相容。在一些实施例中，基于光刻的方法可用于干法蚀刻或湿法蚀刻。
[0051] 在一些实施例中，芯吸结构220可通过标准的湿法化学蚀刻技术形成。在一些实施例中，湿法化学蚀刻可限制高宽比，即芯吸通道深度对芯吸通道宽度的比。在使用湿法蚀刻的一些实施例中，芯吸通道宽度可以是芯吸通道蚀刻深度的至少2到2.5倍宽。在芯吸通道宽度是芯吸通道蚀刻深度的至少2到2.5倍宽的一些实施例中，对于低高宽比的芯吸通道可能有显著的不利。
[0052] 汽相与液相之间的压力可由拉普拉斯压力ΔP = Pv- Pl = 2γ/R描述，其中Pv是蒸汽压力，Pl是液体压力，γ是表面张力，R是表面的曲率半径。液相与汽相之间的高压力差可通过减小曲率半径R获得。
[0053] 一般来说，较小的曲率半径可通过具有呈现低接触角的材料表面实现，以及通过形成具有相对小的几何尺寸的几何结构实现。在许多实施例中，可期望具有流动通过芯吸结构220的液体的低的粘性损失。芯吸结构220中的小的几何尺寸可显著增加流动通过芯吸结构220的液体的粘性损失。因此，在一些实施例中，可能难以实现低粘性损失和具有可支撑汽相与液相之间的高压力差的小曲率半径的弯月面。本申请公开一器件，其中一些实施例可构造用于最大毛细力、用于支撑例如在蒸发器区域中液相与汽相之间的大的压力差。本申请公开一器件，其中一些实施例可构造成通过在不同区域中利用不同结构来最小化芯吸结构220中流动的液体的粘性损失。
[0054] 图5示出了示例性实施例的结构部件的剖面图，其中结构是没有被液体润湿（即，干的）和被液体润湿的：（A）在蒸发器区域中的没有被润湿的结构部件，（B）在蒸发器区域中的被润湿的结构部件，（C）在绝热区域中的没有被润湿的结构部件，（D）在绝热区域中的被润湿的结构部件，（E）在冷凝器区域中的没有被润湿的结构部件，（F）在冷凝器区域中的被润湿的结构部件。
[0055] 图5（A）示出了示例性实施例的剖面图，其中中间基底110包含与金属基底210的芯吸结构220交织的多个微结构112。
[0056] 图5（B）示出了示例性实施例的剖面图，其中中间基底110包含与金属基底210的芯吸结构220交织的多个微结构112，并且其中微结构112和芯吸结构220被液体140润湿。
[0057] 通过使中间基底110的微结构112与金属基底210的芯吸结构220交织，可大幅增加固体与液体140之间的界面面积。这可增加施加于液体140的毛细力，并可增加从金属固体传递至液体140的热量。
[0058] 图5（B）示出在液-汽界面处的弯月面180。在一些实施例中，容纳在中间基底110中的多个微结构112与芯吸结构220之间的间隙可被形成为使得它们大体上小于芯吸结构220的深度。与通过湿法蚀刻单个金属基底210（如常见且在图4（C）中绘出的）来形成芯吸结构220的一些实施例相比，在一些实施例中，容纳在中间基底110中的多个微结构112与芯吸结构220之间的相对小的间隙可提供有效更高的高宽比的芯吸通道。
[0059] 在一些实施例中，钛可用作基底材料。钛的导热系数是大约kTi= 20W/(m K)，液态水是大约kW = 0.6W/(m K)。由于钛的导热系数是液态水的大约30倍高，因此中间基底110可提供额外的导热路径，这可减小热接地平面的外表面与定位在芯吸结构220中的液体140之间的热阻。此外，容纳在中间基底110内的微结构112可增加固-液界面面积，这可减小热阻，并增加可在钛固体与液体140之间发生的关键性的热通量。
[0060] 在一些实施例中，芯吸结构220与中间基底110的结合可有效增加芯吸结构220中通道的高宽比。在液相与汽相之间的非常大的压力差下，弯月面180可下推并且不润湿芯吸结构220的顶部。然而，在一些实施例中，通过交织中间基底110的微结构112与芯吸结构220形成的复合芯吸结构220的形状可选择为使得在跨越弯月面180的大的压力差下，芯吸结构220仅部分变干（或者至少变干可被大幅延迟）（使得TGP继续运作），并且热接地平面不遭受灾难性的变干。
[0061] 在前述的两相热传递装置中，当液相转变为汽相时，由于蒸发和/或沸腾，可发生不稳定。这些不稳定可导致芯吸结构220局部变干并且可使热接地平面的性能劣化。在当前实施例的一些中，这些不稳定可大幅减小。例如，在一些实施例中，通过交织中间基底110的微结构112与芯吸结构220形成的芯吸结构220的形状可选择成使得可存在对芯吸结构220中的液体流动的显著的粘性阻力。该粘性阻力会是有利的，因为它可以增加在蒸发器中可能发生的蒸发和/或沸腾过程的稳定性。
[0062] 图5（C）示出示例性实施例的绝热区域的剖面图，其中中间基底110紧邻芯吸结构220定位。在一些实施例中，中间基底110可直接放置在芯吸结构220的上方。在一些实施例中，中间基底110可由微结构112组成。在一些实施例中，固体中间基底110可用于将蒸汽室
300从芯吸结构220隔离。与早期的芯吸结构220相比，通过将蒸汽室300从芯吸结构220隔离，可增加固-液界面面积，并且液体140可基本上填充芯吸结构220，这可在较小的粘性压降的情况下提供更高的液体质量流率。
300从芯吸结构220隔离。与早期的芯吸结构220相比，通过将蒸汽室300从芯吸结构220隔离，可增加固-液界面面积，并且液体140可基本上填充芯吸结构220，这可在较小的粘性压降的情况下提供更高的液体质量流率。
[0063] 图5（D）示出示例性实施例的绝热区域的剖面图，其中中间基底110紧邻芯吸部定位，并且其中在芯吸结构220中液体140被润湿。固体中间基底110可用于将蒸汽室300从芯吸结构220隔离。比早期的芯吸结构220相比，通过将蒸汽室300从芯吸结构220隔离，可增加固-液界面面积，并且液体140可基本上填充芯吸结构220，这可在较小的粘性压降的情况下提供更高的液体质量流率。
[0064] 在期望高性能的热能传递的一些实施例中，减小绝热区域中的液体粘性损失会是重要的。在一些实施例中，中间基底110可用于将蒸汽室300从芯吸结构220中的液体140隔离。在芯吸结构220中的液体与蒸汽之间压力上存在大的差异的一些实施例中，蒸汽室300可通过固体中间基底110从芯吸结构220中的液体隔离，这可防止高压力差对芯吸结构220中流动液体的不利影响。
[0065] 在早期的TGPs中，湿法蚀刻的芯吸通道可具有低的高宽比（即，通道高度对通道宽度之间的低的比）。在一些实施例中，如果汽相与液相之间存在大的压力差，液相可能不完全填充芯吸通道，并且会对流动通过芯吸结构220的液体140产生不利影响，并且可导致芯吸通道变干。在本公开的一些实施例中，中间基底110可用于将蒸汽室300从容纳在芯吸结构220中的液体140隔离，并可延迟或甚至防止芯吸结构220变干。
[0066] 图5（E）示出示例性实施例的冷凝器区域的剖面图，其中芯吸结构220与蒸汽室300直接连通。当芯吸结构220与蒸汽室300直接连通时，蒸汽可更加容易冷凝到芯吸结构220上。此外，在比如冷凝器的区域中，液相与汽相之间在压力上可能不存在显著差异，中间基底110可能不能提供显著好处。然而，对于大冷凝器区域的情况，液相与汽相之间压力上可能存在显著差异，因此可想象到冷凝器区域可从具有微结构112的至少一个中间基底110获益，其效果是增加芯吸结构220的高宽比，从而缩短弯月面180长度并因此增加弯月面180可支撑的压力量，如对于蒸发器区域在以上描述的。
[0067] 图5（F）示出示例性实施例的冷凝器区域的剖面图，其中芯吸结构220与蒸汽室300直接连通，其中芯吸结构220被液体140润湿。在一些实施例中，蒸汽室300与芯吸结构220中的液体140之间压力上可能不存在显著差异，中间基底110可能不能提供显著好处。然而，对于大冷凝器区域的情况，液相与汽相之间的显著压力差可能存在，因此可想象到冷凝器区域可从微结构112获益，其效果是增加芯吸结构220的高宽比并增加弯月面180可支撑的压力量，如对于蒸发器区域在以上描述的。
[0068] 图6示出热接地平面的示例性实施例的随轴向位置变化的压力分布。曲线示出了蒸汽室300中汽相的压力和芯吸结构220中液相的压力。在示例性实施例中，液相与汽相之间的最大压力差会发生在蒸发器区域中。在示例性实施例中，汽相与液相之间的最小压力差会发生在冷凝器区域中。
[0069] 芯吸结构220可由通道、柱、或其它结构组成。如果这些结构通过湿法蚀刻或其它制造工艺形成，其可能由具有低高宽比的特征组成。早期的芯吸结构220可由低高宽比的通道或柱组成，并且不包括中间结构。在这些早期的低高宽比芯吸结构220中，液相与汽相之间的大的压力差可导致两相之间的弯月面180朝通道底部延伸，从而减小占据通道的液体140的量并显著减小液体的质量流。这继而可导致差的热传递性能和可能的芯吸结构220的变干。
[0070] 如图6中所示，最高的蒸汽压力通常发生在蒸发器区域中，并且由于粘性损失，蒸汽压力随TGP传递的热量增加。另外，可能期望的是，将热接地平面的整个厚度做成尽实际可能地薄，这可通过将蒸汽室300做得相对薄来实现。相对薄的蒸汽室300可导致在蒸汽室300中从蒸发器通过绝热区域流至冷凝器的蒸汽的粘性损失。在蒸汽室300中流动的蒸汽的高的粘性损失还可引起在蒸发器中的液相与汽相之间的大的压力差。如以上描述的增加芯吸结构220的高宽比的中间基底110结构具有如下效果：在芯吸结构220的该部分中减小液/汽界面的弯月面180长度，使曲率半径更小，从而使弯月面180更能抵抗高的弯月面180压力（图5（B））并使TGP能够支撑比先前实施方式更高许多的压力。因此，在热接地平面的至少一个区域中，至少一个中间基底的至少一个区域可具有多个微结构，该多个微结构与芯吸结构的至少一个区域交织以形成高高宽比的芯吸结构。另外，在热接地平面的至少一个区域中，至少一个中间基底可紧邻芯吸结构以隔离液相与汽相。
[0071] 支撑液相与汽相之间的较高的压力差允许传递更多的热，却不使芯吸结构220变干并且使TGP更能抵抗由较薄设计引起的粘性损失。因此，中间基底110的添加可同时实现更高的热传递和更薄的接地平面两者。
[0072] 在一些实施例中，热接地平面可填充有指定质量的饱和液/汽混合物，使得在冷凝器中汽相与液相之间在压力上的差异可很好地被控制。在一些实施例中，液/汽混合物的质量可选择成使得部分冷凝器区域可容纳处在比相邻蒸汽更高压力下的液体。
[0073] 图7示出了热接地平面的示例性实施例在热传递速率Q = 10、20、和30W下的随轴向位置变化的温度分布。在该示例性实施例中，蒸发器在中心，在每侧上有绝热区域和冷凝器区域。结果显示了具有中间基底110的钛热接地平面的实施例的效用。
[0074] 图8比较了钛基热接地平面对于不同蒸汽温度的最大热传递。比较在早期的钛热接地平面与利用中间基底110的目前的热接地平面的示例性实施例之间进行。
[0075] 在芯吸结构220在30℃的操作蒸汽温度下表现出变干之前，与图7测试所用的实施例具有相似尺寸的早期钛热接地平面可能仅能够传递约10W的热能，与之相比，利用中间基底110的目前的热接地平面的示例性实施例是30W。相似地，随着蒸汽温度增加，对于50℃和70℃的操作蒸汽温度，目前的热接地平面的示例性实施例传递的最大热能分别增加到35W和40W。在所有情况中，目前的热接地平面的示例性实施例传递的最大热能比从早期热接地平面观察到的多15-20W。
[0076] 图9图示了根据本发明的一个或更多个实施例的目前的Ti基TGP的一个或更多个实施例的形成的流程图。在一些实施例中，热能可通过（1）步骤S100中的在热接地平面的金属基底中形成多个金属微结构以形成芯吸结构被传输。在步骤S110中，可形成蒸汽腔。在步骤S120中，在与芯吸结构和蒸汽室连通的中间基底中的至少一个结构和/或至少一个微结构，其中中间基底成形且定位成增加在芯吸结构的至少一个区域中的芯吸结构的有效高宽比。在步骤S130中，可将流体容纳在热接地平面内。在步骤S140中，热能可通过由毛细力驱动的流体运动从金属基底的至少一个区域传输到金属基底的至少一个其它区域，所述毛细力由多个微结构引起。
[0077] 图10图示了根据本发明的一个或更多个实施例的目前的Ti基TGP的一个或更多个实施例的形成的流程图。在一些实施例中，金属基热接地平面可通过以下过程形成。在步骤S200中，形成第一基底。在步骤S210中，形成第二基底。在步骤S220中，形成至少一个中间基底。在步骤S230中，附接基底。在步骤S240中，形成热接地平面。
[0078] 图11示出了与中间基底110连通的芯吸结构220的示例性实施例。有效高宽比定义为有效通道高度h与有效通道宽度w的比：（A）示出示例性实施例，其中中间基底110的微结构112与芯吸结构220交织，（B）示出替代实施例，其中中间基底110的微结构112定位在芯吸结构220之上。
[0079] 图11所示的示例性实施例可提供与不包括中间基底110的芯吸结构220可能获得的相比更高的有效高宽比。例如，如果芯吸结构220通过湿法蚀刻或其它各向同性蚀刻过程形成，则高宽比h/w可能小于一、或大幅小于一。利用中间基底110，可实现芯吸结构220与中间基底110之间流体通道的更高的有效高宽比。例如，在一些实施例中，h/w＞1，其中h是流体通道的有效高度（或深度），w是宽度。
[0080] 图11（B）示出替代实施例，当期望相对低的粘性损失时，该替代实施例可具有优势。
[0081] 图12示出示例性实施例，其中中间基底310包含与芯吸结构320交织的多个微结构312。交织的微结构312机械连接到横向构件330。在一些实施例中，交织的微结构312和横向构件330由单个基底形成。横向构件330可由金属或其它材料形成。在一些实施例中，金属横向构件330可由钛、铜、铝、不锈钢、或其它金属组成。在一些实施例中，交织的微结构312和横向构件330可通过化学蚀刻金属箔，比如肽金属箔、铜金属箔、不锈钢金属箔、铝金属箔等形成。
[0082] 在一些实施例中，横向构件330可给交织的微结构312提供机械支撑。在一些实施例中，横向构件330可通过交织微结构312之间的或遍及热接地平面的热传导来传递热能。在一些实施例中，横向构件330可提供润湿的表面，使得液体可沿着横向构件通过毛细力传输。这可提供交织微结构之间的流体连通。
[0083] 在一些实施例中，横向构件330可提供表面面积以利于蒸汽冷凝。
[0084] 图13示出示例性实施例，其中中间基底410包含多个横向构件430。芯吸结构412由金属基底420形成。图13（A）示出示例性实施例，其中微结构414与横向构件430连通。在示例性实施例中，微结构414和横向构件430可直接定位在芯吸结构412之上。图13（B）示出示例性实施例，其中横向构件430直接定位在芯吸结构412上方。
[0085] 在一些实施例中，中间基底410可构造有横向构件430并且可定位在热接地平面的冷凝器区域中。在一些实施例中，中间基底410可构造有横向构件430并可定位在热接地平面的绝热区域中。在一些实施例中，中间基底410可构造有横向构件430并可定位在热接地平面的蒸发器区域中。
[0086] 图14示出示例性实施例的剖面图，其中蒸汽室可由一个或更多个凹陷区域540、542和544组成。蒸汽在蒸汽室中的粘性流动可由Poiseuille流动描述，其中对于给定的压降、密度和粘度，蒸汽的质量流率与蒸汽室高度的立方成比例 h3。对于非常薄的蒸汽室，粘~
性损失会是显著的并且限制了热接地平面的总体性能。在一些实施例中，蒸汽室300可构造有一个或更多个凹陷区域540，从而增加在热接地平面的所选区域中的蒸汽室的有效高度h。由于蒸汽的质量流率可随h3变化，因此，对于给定的压降，增加所选区域中的蒸汽室高度可大幅增加通过该室的蒸汽的质量流率。
性损失会是显著的并且限制了热接地平面的总体性能。在一些实施例中，蒸汽室300可构造有一个或更多个凹陷区域540，从而增加在热接地平面的所选区域中的蒸汽室的有效高度h。由于蒸汽的质量流率可随h3变化，因此，对于给定的压降，增加所选区域中的蒸汽室高度可大幅增加通过该室的蒸汽的质量流率。
[0087] 在一些实施例中，一个或更多个凹陷区域544可形成在金属基底中并邻近芯吸结构定位。在一些实施例中，一个或更多个凹陷区域540和542可形成在背板530中。在一些实施例中，一个或更多个凹陷区域可形成在金属基底和背板的结合中。在一些实施例中，凹陷区域可构造成与其它的凹陷区域连通，以便最小化蒸汽室中的粘性损失。在一些实施例中，凹陷区域540可与凹陷区域544对准，使得在该区域中的蒸汽室的整个深度通过凹陷区域540和凹陷区域544的结合被增加。蒸汽质量流率可随蒸汽室高度的立方变化，h3。因此，凹~
陷区域540和凹陷区域544的结合可在减小粘性损失上具有非线性效果，并因此增加总的质量流率。
陷区域540和凹陷区域544的结合可在减小粘性损失上具有非线性效果，并因此增加总的质量流率。
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