各向异性热导管制造技术

一种具有外部圆筒管以及与该外部圆筒管一起布置的各向异性热材料的各向异性热导管。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】各向异性热导管
本公开总体上涉及热导管，尤其涉及各向异性热导管。
技术介绍
如本领域已知的，热导管被用于许多应用。一种应用是在散热器中，散热器有时也被称为传热界面，其用于从热源提取热量并将排出的热量传递至冷源。此外，为了制造稳健、高可靠性的散热器，散热器和热源之间的热膨胀系数(CTE)应当紧密匹配，并且散热器和冷源之间的CTE也应当紧密匹配。例如，在电气应用中，这些额外的界面会使热性能下降并且使电寄生增加，从而增加电损耗、降低效率和/或增加系统设计的成本及复杂性。由于在许多应用中，高导热金属与低导热材料半导体之间的CTE失配界面太大以致不能可靠地建立直接过渡，因此散热器设计的现有方法已经在低CTE且热导率通常较低的导热材料和诸如铜的高热导性且通常高热膨胀材料之间添加中间散热器过渡部(heatspreadertransition)。由于增加了热和电气界面，这种方法增加了设计的复杂性、成本和性能损失。如本领域已知的，热解石墨(TPG)材料表现出非常各向异性的热导性，使得热导率在基面内可以是～1600W/m-°K(铜的四倍)，而垂直于基面是～10W/m-°K(铜的四十分之一)。具体而言，石墨具有各向异性结构，并因此表现出或者具有许多高度定向的性质，例如，导热性和导电性以及流体扩散。更具体而言，石墨由碳原子的六角形阵列或网络的层平面构成。这些由六角形排布的碳原子构成的层平面是大致平坦的，并且被定向或排列成彼此大致平行且等距。由碳原子构成的大致平坦且平行等距的片或层(通常被称为石墨烯层或基面)被连接或结合在一起，并且其基团呈微晶排列。一片热解石墨可以被描述为具有三个定向轴线；平行于包括基面的沉积表面且彼此垂直的a轴和b轴，以及垂直于a轴和b轴并且垂直于基面的c轴。热解石墨的热学性质受其结构各向异性的强烈影响。热解石墨在c轴方向(沿着石墨的沉积方向；垂直于石墨沉积在其上的表面的平面)上作为优异的热绝缘体起作用；而在包括a轴和b轴的平面上作为相对良好的热导体起作用。应理解到，术语“热解石墨”(“TPG”)可以与“高定向热解石墨”(“HOPG”)或压应力热处理热解石墨(“CAPG”)互换使用。本领域还已知TPG材料已被用作如图1所示的平面散热器中的各向异性热导管；基面由虚线表示。
技术实现思路
根据本公开，提供了一种热导管，其包括：外部圆筒管；以及与外部圆筒管一起布置的各向异性热材料。在一个实施例中，各向异性热材料是热解石墨(TPG)。在一个实施例中，各向异性热材料沿着管的纵向轴线的热导率大于各向异性热材料沿着垂直于管的纵向轴线的方向的热导率。在一个实施例中，各向异性热材料沿着管的纵向轴线的热导率小于各向异性热材料沿着垂直于管的纵向轴线的方向的热导率。在一个实施例中，各向异性热材料的热导性使得能相对于管的纵向轴线径向向外地传导热量。在一个实施例中，各向异性热材料具有垂直于管的纵向轴线的基面。在一个实施例中，各向异性热材料具有平行于管的纵向轴线的基面。在一个实施例中，各向异性热材料具有相对于管的纵向轴线径向向外地垂直延伸的基面。在一个实施例中，各向异性热材料沿着管内的周向方向的热导率小于各向异性热材料沿着管的纵向轴线方向的热导率。在一个实施例中，各向异性热材料被与管嵌在一起。在一个实施例中，管是导热金属。在一个实施例中，内管或杆被包括，并且各向异性热材料被布置在内管或杆与外管之间。在一个实施例中，外管具有圆形横截面。在一个实施例中，内杆或管具有圆形横截面。在一个实施例中，外管可以是金属、陶瓷或塑料。在一个实施例中，外管例如可以是MoCu、WCu、W、Mo、Cu。在一个实施例中，热导管是可弯曲的。对于这种热导管，将各向异性热材料嵌入金属管壁内在期望的构型中同时实现高导热性和低导热性。这种热导管提供了从热源到冷源的紧密过渡。低热膨胀材料可以用作外部配合材料，同时各向异性热材料允许在两个方向上的高热传导。这种管状结构允许导向热量的新型封装概念，并且有机会集成液体冷却，同时在外部保持低CTE金属，以消除由于CTE控制而导致的包括微电子封装的冷却系统或子系统内的过渡部。此外，对于这种各向异性热导管，由于TPG具有2.25g/cm3的密度(其是铜重量的1/4)，因此结合TPG的散热器还可以显著地减小散热器的重量。TPG提供定向的导热性，内管或杆和外管给散热器提供保护和机械强度。内管可以额外地用作流体冷却系统的一部分。在附图和下面的描述中阐述了本公开的一个或多个实施例的细节。根据说明书和附图以及权利要求，本公开的其它特征、目的和优点将显而易见。附图说明图1是根据现有技术的各向异性热材料散热器的透视图；图2A至图2D是示出了用于制造根据本公开的各向异性热导管的方法在制造该热导管过程中的各个步骤的一系列示意图；图2D示出了根据本公开的完整各向异性热导管的透视图；图3A至图3F是示出了根据本公开的可选实施例的用于制造应用于图2D的各向异性热导管的各向异性热构件的方法的一系列示意图；图4A和图4B示出了图2D所示的各向异性热导管的一对示例性应用；图4A示出了热源和冷源之间的导管，这些热导管的纵向轴线垂直于热源和冷源的表面；图4B示出了热源和冷源之间的导管，这些热导管的纵向轴线平行于热源和冷源的表面；图5A至图5F是示出了根据本公开的用于制造各向异性热导管的方法的一系列示意图；图5B至图5E是导管的端视图；图5F示出了根据本公开的完整各向异性热导管的透视图；图6A至图6I是示出了根据本公开的另一个可选实施例的用于制造各向异性热导管的方法的一系列示意图；图6D至图6H是端视图；图6I示出了根据本公开的完整各向异性热导管的透视图；以及图7A至图7D是示出了根据本公开的用于制造各向异性热导管的方法的一系列示意图；图7A至图7C是导管的端视图；图7D示出了根据本公开的完整各向异性热导管的透视图；以及图8是在用于计算图2D、图5F、图6I以及图7D所示的实施例的热导率的模型中使用的导热导管的端视图。在各个附图中，相同的附图标记指示相同的元件。具体实施方式现在参考图2A至图2D，如图所示，提供了外部圆筒管10，在此例如为MoCu、WCu、W、Mo、Cu。应注意到，如图所示，管10沿着中心纵向轴线(在此为Z轴)延伸；应理解到，管10的长度可以大于、等于或小于其直径。接着，如图2B所示，管10被沿着Z轴切成两个半部10a及10b，每个半部具有半圆形横截面。接着，如图2C所示，管10的每个半部10a及10b的内表面11a及11b分别被涂覆有活性金属钎焊合金12a及12b，在此例如使用传统钎焊或真空钎焊工艺中的诸如铟-铜-银的活性金属钎焊合金。诸如钛或钒的活性金属也可用作钎焊填料或者被沉积在待钎焊的表面上。接着，如图2C所示，各向异性热材料(在此为TPG构件14a及14b)被分别设置在活性金属钎焊合金12a及12b上。应注意到，在一种构型中，基面(由虚线15表示)平行于纵向轴线Z。具体而言，图3A至图3F示出了用于形成TPG构件14a及14b的步骤。因此，参考图3A，利用例如任何传统沉积工艺形成一块热各向异性材料17(在此例如为TPG)，应理解到，可以使用其它热各向异性材料。包括TPG块体17的a轴和b轴的基面15垂直于沉积方向(沿着TPG块体17的c本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种各向异性热导管，包括：外部圆筒管；以及与所述外部圆筒管一起布置的各向异性热材料。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.10.09 US 14/879,6471.一种各向异性热导管，包括：外部圆筒管；以及与所述外部圆筒管一起布置的各向异性热材料。2.根据权利要求1所述的各向异性热导管，其特征在于，所述各向异性热材料沿着所述管的纵向轴线的热导率大于所述各向异性热材料沿着垂直于所述管的所述纵向轴线的方向的热导率。3.根据权利要求1所述的各向异性热导管，其特征在于，所述各向异性热材料沿着所述管的纵向轴线的热导率小于所述各向异性热材料沿着垂直于所述管的所述纵向轴线的方向的热导率。4.根据权利要求1所述的各向异性热导管，其特征在于，所述各向异性热材料沿着所述管内的周向方向的热导率小于所述各向异性热材料沿着所述管的纵向轴线方向的热导率。5.根据权利要求1所述的各向异性热导管，其特征在于，所述各向异性热材料被与所述管嵌在一起。6.根据权利要求1所述的各向异性热导管，其特征在于，所述外部圆筒管是导热金属。7.根据权利要求1所述的各向异性热导管，其特征在于，包括内管或杆，并且所述各向异性热材料...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·C·特鲁利，
申请(专利权)人：雷声公司，
类型：发明
国别省市：美国,US