真空增強散熱器的制作方法

本申請為于2014年09月15日遞交的名稱為“真空增強散熱器(VACUUM-ENHANCED HEAT SPREADER)”的美國臨時專利申請號為62/050,519的非臨時申請；和于2014年09月17日遞交的名稱為“啟用微柱狀物的熱地平面(MICROPILLAR-ENABLED THERMAL GROUD PLANE)”的美國臨時專利申請號為62/051,761的非臨時申請；以及于2014年10月28日遞交的名稱為“基于聚合物的微制造熱地平面(POLYMER-BASED MICROFABRICAED THERMAL GROUD)”的美國臨時專利申請號為62/069,564的非臨時申請，這三件臨時專利申請在此通過引用全部并入本文。

技術實現要素：

在本申請的所述部分實施例中包括一種散熱器，可包括具有小于300微米厚度的第一層；多個安置在第一層和以一種圖案排列的柱狀物，其中所述多個柱狀物的每個柱狀物具有小于50微米的高度；具有小于200微米厚度的第二層，其中所述第一層的部分與所述第二層的部分密封在一起；以及真空室，所述真空室形成在所述第一層與所述第二層之間，并且所述真空室內安置多個柱狀物。

在部分實施例中，所述第二層可具有熱導率，且所述第二層的熱導率低于所述第一層的熱導率。

在部分實施例中，所述第一層可具有大于200W/mK的熱導率，所述第二層可具有大于0.1W/mK的熱導率，和/或所述多個柱狀物可具有小于0.2W/mK的熱導率。

在部分實施例中，所述第一層可包括熱地平面。

在部分實施例中，所述多個柱狀物可以一種圖案排列，并且根據所述柱狀物的位置，所述排列圖案隨著所述柱狀物的密度不同而不同。

在部分實施例中，所述第二層可與一種電子設備的體殼或電子系統耦接。

在本申請的所述部分實施例中包括一種散熱器，包括第一層；具有小于所述第一層厚度的第二層，并且所述第二層具有熱導率，且所述第二層的熱導率低于第一層的熱導率；；以及真空室，所述真空室設置在所述第一層與所述第二層之間，其中所述第一層與所述第二層氣密密封并形成真空室。

在部分實施例中，所述第一層可具有大于200W/mK的熱導率，所述第二層可具有大于0.1W/mK的熱導率，和/或所述多個柱狀物可具有小于0.2W/mK的熱導率。

在部分實施例中，所述第二層可具有小于200微米的厚度。

在部分實施例中，任意或所述第一層與所述第二層都可包括選自由以下各者組成的列表的一種材料：覆銅箔Kapton、Kapton、銅、鋁、釕、石墨、重金屬(meatal)、聚合物以及聚酰亞胺、玻璃、陶瓷等。

在部分實施例中，所述散熱器可包括所述多個柱狀物與所述第一層以及所述第二層耦接，并且安置在真空室內。在部分實施例中，所述多個柱狀物可具有小于100微米或者50微米的高度。在部分實施例中，多個柱狀物可具有介于0.05與0.2W/mK之間的熱導率。在部分實施例中，所述多個柱狀物的每個柱狀物可包括多個不相似的層。在部分實施例中，每個柱狀物可包括選自由以下各者組成的列表的一種材料：氣凝膠泡沫、聚合物、玻璃、陶瓷、以及其他具有低熱導率的材料等。在部分實施例中，每個柱狀物通過沉積過程形成；所述沉積過程選自由以下各者組成的列表：原子層沉積、聚合物沉積、聚合物圖案、以及分子層沉積。在部分實施例中，所述散熱器可包括至少真空充氣口或者管的部分；所述真空充氣口或者管與所述真空室耦接。

部分實施例包括一種方法，所述方法包括，提供具有小于300微米厚度的第一層；將多個柱狀物以一種圖案圖案沉積在所述第一層上；其中所述多個柱狀物的每個柱狀物具有小于200微米的高度；提供第二層在所述第一層上，并且與所述多個柱狀物創建真空室，其中所述第二層具有小于200微米的厚度；所述第一層的部分與所述第二層的部分密封在一起；且從所述真空室中抽真空。在部分實施例中，所述柱狀物通過沉積方法沉積在所述第一層上，所述沉積方法選自由以下各者組成的列表：原子層沉積、聚合物沉積、聚合物圖案、以及分子層沉積。

附圖說明

本申請的前述和其它特征、方面、及優點從結合附圖作出的以下詳細描述可得到更好的理解。

圖1為以表面材料和接觸時間為依據的一移動系統的最高容許表面溫度的圖表。

圖2為所述部分實施例一移動設備中非有效的熱擴散的非均勻升溫紅外圖像(熱點或熱區域)的示例。

圖3為部分實施例聚合物膜在Ru(ALD-Ru)涂層的原子層沉積之前和之后的對比。

圖4A為部分實施例真空增強散熱器。

圖4B為部分實施例真空增強散熱器。

圖5A、圖5B、圖5C及圖5D為真空增強散熱器的柱狀物的大小以及排列的示例。

圖6A、圖6B及圖6C為三種不同但厚度都為250微米的散熱器充當依附在一250微米厚度的聚合物的散熱層從而模擬一電子設備或電子系統的塑料蓋。

圖7為所述三種不同的散熱器的結溫度平面及殼體體溫度平面。

圖8A、圖8B及圖8C為圖6A、圖6B及圖6C顯示的三種不同散熱器的殼體體溫度平面的圖表。

圖9A、圖9B及圖9C為圖6A、圖6B及圖6C顯示的三種不同散熱器的模擬結溫度的圖表。

圖10為部分實施例具有不同柱狀物之間的間距及不同層厚度的三種不同真空增強散熱器。

圖11為圖10顯示在三種不同散熱器的殼體體溫度平面的所述等溫線的圖表。

圖12為圖10顯示在三種不同散熱器的所述殼體體溫度平面的所述等溫線的圖表。

圖13為部分實施例中的另一個實施例依附在散熱器的真空增強散熱器的啟用多真空的隔絕層。

圖14為具有蒸汽核心及柱狀物的真空增強散熱器充當在熱地平面的(包括毛細結構)真空層的示例。

具體實施方式

移動系統的一個挑戰(例如智能手機、平板和可穿戴的電子產品)為殼體溫度的控制。所述殼體溫度為一設備的外部溫度(例如：殼體)，所述設備殼體可通過手指、手、臉、耳朵、或者人體任何其他部位接觸。當一設備的部分的溫度超過最高的容許溫度時，用戶將認定所述設備較熱。當然，此“熱”感取決于表面材料及接觸的持續時間；并且此“熱”感對于不同人的熱生理機能會有所不同。如圖1所示為對于不同材料及不同接觸時間(接觸持續時間)的可容許的殼體溫度的圖表。

如圖2所示，在一智能手機中，比周圍溫度更高溫度的的熱點或者區域可通過電子芯片(例如，5瓦處理器或者1瓦小號無限放大器)產生。由于前述熱點外圍的溫度比其溫度低，因此所述熱點及區域可通過有效的熱擴散消除。

移動系統的部分實施例可包括具有被涂覆有薄金屬層的聚合物層的設備和/或一用薄金屬層涂覆在聚合物層上以裝飾為目的方法。例如，原子層沉積(ALD)可被用來在聚酰亞胺沉積一釕(Ru)薄膜。所述Ru充當裝飾層使得所述聚酰亞胺得到像金屬一樣光亮的效果。在此例子中，所述Ru沉積過程中因聚酰亞胺具有低熱導率及耐高溫的能力，因此選用了聚酰亞胺。

如圖3為所述部分實施例聚合物膜在Ru涂層的原子層沉積之前和之后的對比。所述聚酰亞胺薄膜可具有任意厚度，例如，厚度為0.05mm、2nm的ALD氧化鋁籽晶層用以提高Ru的核形成、和/或一作為裝飾表層的100nm厚度的Ru層。所述聚酰亞胺薄片、氧化鋁籽晶層、及Ru裝飾層的特定厚度可為任意厚度。

然而，顯而易見的，在Ru原子層沉積后，所述聚酰亞胺表面的光學外觀被完全改變了。此外，由于ALD為極其薄的金屬涂層，因此所述薄膜(包含聚合物與金屬涂層)的熱導率與所述聚酰亞胺的熱導率很接近，并且所述薄膜包含所述聚合物及所述金屬涂層。如圖1所示，對于同一殼體溫度，低熱導率的殼體是更適合的。在Ru沉積之后，3M Novee^TM 1720電子級別涂層的薄層可被應用在顯示器及觸摸屏上。就像這樣的易清洗、防塵的5nm的涂層用于保護所述釕層免受劃痕與腐蝕。其他不同性能的Novee涂層也可以被使用。

在部分實施例中，ALD金屬涂層覆蓋在聚合物表面上從而提供下列一個或者多個優點：

·ALD金屬層極其薄，例如25nm,因此所述ALD金屬層對所述聚合物/金屬層的有效熱導率的影響可忽略。

·ALD金屬層能在溫度小于50℃沉積，因此不會局限使用熱量度的聚合物材料作為殼體材料。

·ALD金屬層覆蓋極小的特征甚至達到納米比例。

·其他ALD防潮層與ALD金屬層結合能形成極佳的防潮屏障從而保護所述表面上的極小特征及被聚合物殼體覆蓋的設備。

如圖2所示，功能設備的熱點或者區域與散熱相結合，例如微處理器、放大器、存儲器等。如圖1所示，像這樣的熱點或者區域的溫度能達到高于最高的容許殼體溫度。熱設計可通過確保熱量能夠很好的在整個殼體表面散開并且沒有任何熱點或者區域達到最高容許溫度來實現。

在部分實施例中，高熱導率的石墨散熱器和/或一金屬散熱器，例如，鋁或銅，能用于作為散熱器。根據部分實施例，真空增強散熱器也可使用鋁或銅。真空增強散熱器包括被真空室或者空氣室分開的兩層。所述真空室可包括多個柱狀物或槽與每個所述兩層的內表面耦接。所述兩層包括金屬或石墨層。所述真空增強散熱器具有非常各向異性的有效熱導率以及非常高的內平面熱導率，從而允許熱量在表面散開，以及非常低的橫切面熱導率，這是由于在散熱前真空可避免從一邊到另一邊的熱傳導。

圖4為所述部分實施例真空增強散熱器400的示例，以“熱地平面-0”或者“TGP-0”的形式都可以被使用。例如，以真空增強散熱器為參考比如真空增強散熱器400.在部分實施例中，所述真空增強散熱器可包括第一層405以及第二層410。多個柱狀物415可安置在所述第一層405和所示第二層410之間。真空室425可在所述真空增強散熱器400中形成。在部分實施例中，所述第一層405與所述第二層410可沿著所述第一層與所述第二層的一個或者多個邊來密封在一起。

在部分實施例中，所述第一層405可包含任何一種熱導率高于200W/mK的材料。在部分實施例中，所述第一層可包含一種熱導率高于50W/mK、100W/mK、200W/mK、500W/mK、1000W/mK的材料。在部分實施例中，所述第一層405可包含銅、覆銅箔Kapton、鋁聚合物、玻璃、陶瓷、熱地平面等。

在部分實施例中，所述第二層410可包含任何一種具有熱導率高于0.1W/mK的材料。在部分實施例中，所述第二層410可包含任何一種具有熱導率高于0.2W/mK、0.5W/mK、1.0W/mK、1.5W/mK、2.0W/mK、5.0W/mK等的材料。在部分實施例中，所述第一層405可包含銅、覆銅箔Kapton、鋁、聚合物、玻璃、陶瓷、熱地平面等。所述熱地平面，例如，可包括在可與本申請聯系在一起的美國專利公開號為2011/0017431中所描述的熱地平面，可用于所有的意圖上。

在部分實施例中，所述柱狀物415可由泡沫、聚合物、銅等組成。在部分實施例中，所述柱狀物415可用數十或數百納米比例的疊加層生產出來。相連接的疊加層，例如，可由不相似材料組成。在部分實施例中，通過沉積過程(例如，原子層沉積、聚合物沉積、聚合物圖案、以及分子層沉積)，所述多個柱狀物415可沉積在所述第一層上。在部分實施例中，所述柱狀物415或柱狀物的構造材料可具有整體或者單獨低于0.2W/mK的熱導率。在部分實施例中，所述柱狀物415或者其材料的熱導率在0.05到0.2W/mK之間。

在部分實施例中，多個柱狀物的橫切面可以是矩形、圓形、或者其它形狀。

在部分實施例中，多個柱狀物415可封進內部(形成囊狀物encapsulated)。例如，所述多個柱狀物可通過電鍍或汽相沉積或濺射沉積封進內部(形成囊狀物encapsulated)。所述囊狀多個柱狀物，例如，在熱隔絕的使用壽命中具有忽略不計的釋氣。在部分實施例中，所述多個柱狀物415可涂上低輻射系數的涂層從而減小輻射換熱，例如，非常薄的金或者銀層。

在部分實施例中，所述第一層405與所述第二層410可沿著所述第一層405與所述第二層410的一個或者多個邊來密封在一起。在部分實施例中，所述第一層405與所述第二層410可通過任意一種密封科技來密封，例如，焊接、激光焊接、超聲焊接、熱壓等。在部分實施例中，所述第一層405與所述第二層410可通過使用各種各樣的材料來密封，例如焊接、膠水、環氧樹脂等。

在部分實施例中，所述真空室425可抽真空在所述真空室425形成真空。在部分實施例中，管可與真空泵耦接的散熱器400耦接。空氣和/或其他氣體通過使用真空泵經管從所述真空室425中抽取出來。在部分實施例中，所述真空度盡可能低至10^-4或10^-6torr。一旦形成真空，所述管就會被封緊、卷緊或壓緊。各式各樣的其它科技也可用來將所述真空室425中的真空抽取出來。在部分實施例中，在所述真空室425中，所述多個柱狀物415可創建一個或多個槽。

以圖4B為例，所述真空增強散熱器400可包括任意數量的附加層或組件。

圖4B為具有第一層405、第二層410及安置在所述第一層405、所述第二層410與第三層435之間的多個柱狀物415的真空增強散熱器450的示例。所述第三層，例如，可為塑料殼體；所述塑料殼體為一電子設備(例如，手機、平板電腦、電腦等)的塑料殼體。各種各樣的其他層也可包括在內。

圖5A、圖5B、圖5C及圖5D為排列在第一層405的多個柱狀物415的俯視圖。如圖5A所示，多個柱狀物具有矩形(或正方形)的橫截面。在部分實施例中，多個柱狀物可具有至少小于10mm、5mm、2mm、1mm、0.5mm、0.25mm、0.1mm、0.05mm、0.2mm、0.1mm等的尺寸。圖5B為多個柱狀物具有圓形的橫切面。各種各樣的橫切面形狀可以被使用。在部分實施例中，多個柱狀物可具有小于10mm、5mm、2mm、1mm、0.5mm、0.25mm、0.1mm、0.05mm等的半徑或直徑。

在部分實施例中，如圖5A和5B所示，所述多個柱狀物可以同樣的圖案隔開。在其他實施例中，所述多個柱狀物可以不同的圖案隔開。圖5C所示，在一個特定區域，多個柱狀物可以高密度排列。圖5D所示，在一個特定區域，多個柱狀物可以低密度排列。在部分實施例中，產生熱量的組件可安置在靠近低密度的多個柱狀物的區域。在部分實施例中，真空增強散熱器可具有低或高密度柱狀物的區域。

圖6A所示高熱導率熱地平面(TGP)605,圖6B所示真空增強散熱器(TGP-0)610,和圖6C所示銅塊615均有同樣的厚度(例如，大約250微米)，并與一電子設備和/或系統的聚合物或塑料殼體620耦接。檢測前述的三種設備2.5W驅熱器的8mm X 8mm芯片依附在每個散熱層的下面。所述芯片通過前述三種不同的散熱設備散熱將熱量傳導出，并傳導到所述塑料殼體620。熱量隨后通過對流與輻射相結合的熱導系數20W/m²K被20℃的空氣消除。

圖7所示為圖6A、6B及6C顯示的所述三種不同散熱器的所述結溫度平面與所述殼體溫度平面。所述結溫度平面(與所需驅熱物接觸的所述散熱器的下表面)及所述殼體溫度平面(所述塑料殼體620的上表面)為每一個散熱器的結溫度平面與殼體溫度平面。

圖8A、圖8B及圖8C為當所述依附的芯片產生熱量時，在圖6A、圖6B及圖6C分別顯示的所述三種散熱器的所述殼體溫度平面上的等溫線。在真空增強散熱器(TGP-0)的例子中，面積大小為10cm X 5cm及70μm厚度的銅層經30μm厚度的聚合物柱狀物的任意一列與同面積大小及150μm厚度的銅散熱器連接。所述聚合物柱狀物的尺寸為200μm X 200μm；柱狀物之間間距為1mm。在此例中，與圖6C中顯示的銅散熱器615，在所述殼體溫度平面的最高殼體溫度為40.2℃，與最低殼體溫度為34.8℃相差5.4℃。與圖6B中顯示的真空增強散熱器610，在所述殼體溫度平面的最高殼體溫度僅為36.7℃及最低殼體溫度上升至35.5℃，從而在所述散熱器中產生了較小的溫差。溫差從5.4℃降至僅1.2℃。如圖6B所示，所述真空增強散熱器的使用降低了所述銅散熱層的厚度，僅為150μm，但的確促使其具有比250μm厚度的銅散熱器更有效的散熱。

用假定有效熱導率為1500W/mK的熱地平面，在所述殼體溫度平面上的所述殼體溫度差也降至僅為1.6℃。溫度差從5.4降至1.6或1.2℃是顯而易見的。所述溫度差對身體接觸(手指、耳朵)可以是敏感的。

圖9A、9B、9C出現了圖6A、6B及6C分別顯示的所述三種散熱器的結溫度平面(與所述芯片接觸的所述散熱器的平面)的等溫線。在此例中，與所述真空增強散熱器610，所述結溫度可從40.7℃上升至51.8℃。假定有效熱導率為1500W/mK的所述TGP的所述結溫度最低至37.7℃。與像這樣的高熱導率，所述TGP既能降低殼體溫度又能降低結溫度。

圖10為部分實施例中不同柱狀物間距及層厚度的三種真空增強散熱器。所述三種真空增強散熱器具有間距分別為1mm、2mm和4mm，及高度為50和35μm的柱狀物。所有三種真空增強散熱器具有同樣的厚度，即250μm。

圖11為圖10顯示的三種散熱器的所述殼體溫度平面的所述等溫線。當間距從2mm變為1mm時，溫差從前述的1.2℃上升到2℃。

圖12為圖10顯示的真空增強散熱器的結溫度。通過柱狀物間距從2mm改至1mm，所述結溫度從53.3℃降至49.7℃。如果上層的所述柱狀物間距及銅厚度都被改變，則溫差可從1.2上升至1.6℃，同時結溫度也會從53.3上升至90.1℃。

在所述散熱器中的所述真空度也可被調節來改變散熱器的效果從而達到可容許的殼體溫度與結溫度。

此外，對于熱方案，也需要柱狀物的機械方案。與真空，在周圍氣壓的情況下，所述覆銅箔Kapton的前片被向下壓。如果柱狀物間距太大，所述前片可能會與所述散熱器底部接觸造成隔絕效果降低。好的方案應考慮柱狀物的材料、大小、高度、及間距從而達到控制最大容許及溫度的同時達到最小的殼體溫度。

在部分實施例中，如圖13所示，多隔絕層(或多真空室可安置在多層之間)。所述附加層，例如，可提供附加參數，例如，微調熱性能的層數及驚人的距離。多層也可為，例如，提供真空室泄漏的冗余。

所述各種各樣的實施例中提供許多好處。在部分實施例中，經考慮與不同芯片功率級及大小相對應的最終熱與機械性能能優化熱隔絕層、散熱層及殼體的集成作為降低殼體溫度的目標，同時保持最高結溫度在可容許限制內。所述優化可包括設計大小、密度、位置、柱狀物的布置以及真空室(或真空層)和/或其他外層種類的數量。

在部分實施例中，根據不同芯片的功率及大小，可修改實施例包括每個芯片的聚合物柱狀物的特定一組來降低最大殼體溫度，同時保持可容許的最高結溫度，結構變形及防潮涂層的瑕疵數量。

在部分實施例中，原子層沉積或其他防潮涂層可用于氣密密封的真空腔從而避免釋氣。在部分實施例中，如圖14顯示，在真空增強散熱器中，熱地平面可通過重新配置排列在蒸汽核心中的柱狀物。在正常操作中，蒸汽核心是在真空環境下操作。液體沿著排汗層移動。

在部分實施例中，原子層沉積和/或分子沉積過程能用來生產可替換的材料層及極低熱導率的柱狀物。

在部分實施例中，裝配多個氣密密封層來達到可容許泄露的程度從而提高可靠性。

在部分實施例中，調節真空室的真空度從而達到在所述殼體溫度、結溫度、電池溫度及其他溫度間的不同交替使用的要求。

在部分實施例中，銅散熱器能可由高熱導率的石墨、熱地平面或者其他熱導體代替。

在部分實施例中，銅散熱器可用具有高熱導率的石墨、熱地平面或者其他熱導體代替。

在部分實施例中，聚合物柱狀物或其他低熱導率的柱狀物可被用來生產熱地平面的蒸汽核心間距，從而降低從芯片到所述熱地平面后方的熱傳導。

許多特定細節在此提出可提供對所述主題的深刻理解。然而，在本領域的技術人員將通過實踐理解所述主題，而非特定細節。為了不模糊所述主題，原始技術中的已知其他例子、方法、裝置、或系統并沒有在本文詳細描述。

本文使用“被調適于”或“被配置于”的意思為開放及包容性語言并不排除被調適或被配置來執行附加的任務或者步驟的設備。此外，使用“根據”的意思為開放及包容性，原因在于“根據”一個或者多個書面陳述的條件或數據的過程、步驟、計算及其他動作在實踐中可根據除了前述的書面陳述的條件或者數據之外的額外的條件或者數據。本文包括的小標題、列表、及編號僅為了更易解釋并不限制于此。

同時已相對于的特定實施例詳細描述了本主題，因此本領域技術人員通過對前述的理解，可很容易地產生對這些實施例的修改、變化、及等同于本主題的等效物。因此，應理解，本申請公開以示例目的而不非限制為目的，并且不排除本主題包括本技術領域的原始技術將容易明白對本主題的所述修改、變化、和/或添加。