CN100499091C - 用于冷却热源的方法、设备和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种热传递技术。在本发明的一个方面中，提供一种热传递设备。该热传递设备包括一条或多条适于容纳热传递流体的微通道，该一条或多条微通道具有位于其至少一个内表面上的突出构件，该突出构件构造用于影响热传递流体通过该一条或多条微通道的流动。此构件可以包括涂覆以疏水涂层的柱状件。

Description

用于冷却热源的方法、设备和系统
发明领域
本发明一般涉及流体力学和热传递，更具体的，涉及集成电路及其它应用中的热学管理技术。
发明背景
由于半导体的发展，激光及能量转换技术不可避免地伴随着更高的能量和更高的能量密度，如果没有热学管理技术的相伴发展，不可能获得这种发展。因此，热学管理已作为电子系统的主要设计限制因素而出现。
个人计算机(PC)提供了一种对热学管理挑战的极好例子。即，利用今日的桌面PC，所经历的平均热通量可大于150瓦每平方厘米，且在通常称为热点的局部区域内，可能出现高达500瓦每平方厘米的显著较大平均热通量。
在过去二十年里，由于传统(且普遍存在的)空气冷却方法的固有限制，对电子设备的液体冷却的研究盛行。例如，对于通常需要热源与热沉空间分离的应用例如笔记本电脑，一般采用热管来吸收热源产生的热量、传递该热量并使该热量扩散到热沉的基底。然而，由于热管是无源设备，依靠表面张力来流通热传递流体，所以给定几何构造的热管能够传送的热量受到极大的限制。例如，对于许多应用例如计算机处理器和蜂窝基站中的射频功率晶体管，要迅速到达或者超过热管的最大功率。
微通道冷却是另一种正在研究的液体冷却构造。因为与传递给微通道中流体的热量以及自该微通道中流体传递的热量有关的热传递系数格外高，通常大于或等于约1×104瓦每平方米开尔文(W/m2K)，所以仅需要相当小的温度差例如仅达到约五摄氏度(℃)就能驱动流经该微通道的流体与相邻热源或热沉之间的热传递。参见例如R.J.Philips，Microchannel Heat Sinks，2 Advances in Thermal Modeling ofElectronic Components and Systems，109-184(1990)，在此引入其公开内容以供参考。热传递系数表示表面与流体之间在数量上需要多大的温度差来把给定热通量(用瓦每平方米计量)从该表面传入该流体。这具有维持流体在热源的工作温度附近的优点，为热传递至周围环境提供较大的温度差(驱动力)，这有助于使热沉的几何构造最小化。
然而，传统微通道冷却的一个问题是与经过微通道泵送流体有关的压降相当高，因为该通道如此小。结果，需要通常更大、更重、更昂贵且更复杂的更高功率液压泵来克服压降。另一与传统微通道冷却相关的问题是对流体的热传递效率沿着微通道的长度保持恒定。即，用以把给定热通量传入流体内所需要的微通道壁与流体之间的温度差沿着微通道的长度保持恒定。同样的，热源上的热点(对应于高功率耗散的局部区域)维持在比其它区域高的温度，并引入由于所得到温度梯度导致的热应力。
热点减缓是电子业面临的棘手问题。参见例如R.Viswanath et al.，Thermal Performance Challenges from Silicon to Systems，INTELTECH JOURNAL(August 2000)，在此引入其公开内容以供参考。结果是，愈加地，模具上的热区域相当局部化并限制电子设备可耗散的能量。这些局限性进一步限制了模具的功能性。
因此，需要适于与电子业的热耗散增大需求相匹配的改进热学管理技术。
发明内容
本发明提供一种热传递技术。在本发明的一个方面中，提供一种热传递设备。该热传递设备包括一条或多条适于容纳热传递流体的微通道，一条或多条所述微通道具有位于其至少一个内表面上的突出构件，该突出构件构造用于影响热传递流体通过该一条或多条微通道的流动。此构件可以包括涂覆以疏水涂层的柱状件。
在一种示范实施例中，柱状件包括毫微柱(nanoposts)。此外，毫微柱可接收一种用于形成超疏水毫微构件的疏水涂层。可调节这些超疏水毫微构件的尺寸、间距和成分，以减小与经过微通道泵送流体有关的压降和/或调整热传递效率。
附图的简要说明
图1是说明一种传统热传递设备的示图；
图2A-B是说明一种示范性单微通道热传递设备结构的示图，该结构用以表明把构造用以影响流体流的构件放置在微通道中的有效性；
图3是说明一种示范性封闭微通道冷却系统的示图；
图4A-B是说明示范性微通道热沉几何构造的示图；
图5是说明示范性微通道毫微柱构造的示图；
图6A-C是说明毫微柱间距变化的图像；
图7是说明超疏水毫微构件如何影响流体的流速分布的示图；以及
图8是说明一种用于制造热传递设备的示范方法的示图。
具体实施方式
在说明本技术的创造性方面和特征之前，首先说明一种传统热传递设备。图1是说明一种传统热传递设备的示图。如图1所示，传统热传递设备10包括热沉12(Heat Sink)、热界面材料(TIMs)14和15、散热器16、集成电路(IC)芯片18(热源)以及球栅阵列(BGA)基片20。这种热传递设备可以，例子方式，包括个人计算机(PC)的中央处理单元(CPU)。
散热器16可由高导热性材料块组成，该高导热性材料包括但不限于铜或其合金。选择性的，散热器16包括蒸汽室。蒸汽室是一种具有使其像热管那样起作用的内部结构的扁平中空板。例如，对于最高功率设备，例如输出100瓦或更大，散热器16由蒸汽室(例如，一种具有一平方厘米或更大占地面积且覆盖IC芯片18的大部分区域的矩形热管)构成以尽可能减小垂直方向以及横向的热阻抗。
热沉12是一种翅片式热沉，且与散热器16附接和热连接以使热量散逸到周围空气中。一层TIM例如TIM15通常存在于散热器16与热沉12之间，然而，热沉12可整合到散热器16中。
热沉12可被风扇冷却。例如，如果IC芯片18包括PC的CPU、图形处理单元(GPU)或其它IC热源，该热源产生的热量可经由TIM14和15、散热器16和热沉12传导并通过对流带入环境空气中。
图2A-B是说明一种示范性单微通道热传递设备结构的示图，该结构用以表明把构造用以影响流体流的构件放置在微通道中的有效性。
在图2A中，热传递设备200包括热源202。依据一种示范实施例，热源202包括一种例如与BGA基片204连接且具有焊球206和丝焊208的IC。然而，这里提出的教义不限于此或者任何其它特定的热源构造。例如，热源202可包括一种与印刷电路板连接的引线封装。适当热源的例子包括但不限于专用集成电路(ASICs)、CPUs、GPUs、图形芯片、现场可编程门阵列(FPGAs)、激光器及功率晶体管。
在与BGA基片204相对的热源202的一侧，采用芯片连接粘合剂210使热源202与微通道热沉212物理连接和热连接。微通道热沉212包括上部212U和下部212L。重要的是注意，芯片连接粘合剂210的使用是选择性的，也可采用包括但不限于焊接在内的其它适当连接方法。依据一种示范实施例，微通道热沉212包括至少一个基本矩形的微通道例如微通道213，该微通道213的横截面具有从约50至约500微米的长度以及高达约500微米的宽度。依据此示范实施例，为使该通道被看作是微通道，微通道的横截面是这样的以致于最短尺寸必须小于或等于约500微米。依据特定应用，微通道沿流体流动方向的长度为任意长。微通道热沉212包括多个构件214。构件214伸入微通道213且构造用以影响流经微通道热沉212的流体流。例如，构件214可包括超疏水毫微构件。如以下将要详细说明的，超疏水毫微构件包括其上具有疏水涂层的毫微柱。此外，如以下将要详细说明的，可调整或者调节超疏水毫微构件以减小与在给定流率下泵送流体经过微通道有关的压降和/或以调整或者调节特定区域内的热传递效率。
热传递设备200还包括经由例如气室(plenum)222与微通道213流连通的流体入口/出口218和220。如以下将要详细说明的，热传递设备200中采用的热传递流体例如冷却剂包括任何适于移除热源的热量的流体，该流体包括但不限于水。热传递设备200还包括粘焊缝224和基片226。粘焊缝224连接热沉212的上部212U和下部212L。基片226可以是印刷线路板互连基片。
可改变毫微柱的布置和几何构造以调整系统的热移除特性。更具体的，可利用毫微柱的布置和几何构造的变化以尽可能减小经过微通道的流体压降，以及例如通过控制热源与热传递流体之间的局部热阻来管理该热源上的热点。例如，微通道213中的位置216处可不存在构件214以增强该区域的局部热传递。直接处于位置216下方的热源202区域可包括热点。如这里所使用的，术语“热点”指例如IC芯片上产生(与该芯片的其它区域相比)更高热通量级的区域。在芯片上热通量高的局部区域内，可使对微通道中流体的热传递更有效，以便热源基本等温。
依据这里提出的教导，术语“等温”用于指物体例如热源表面的所有部分处于基本恒定温度。例如，横过热源表面的温度梯度低于或等于约五摄氏度(℃)、优选低于或等于1℃，该热源在此被认为是基本等温的。因而，此等温性用于维持热源处在最高平均操作温度、通常是最佳操作温度。此外，等温性消除热源上的热应力，并简化热设计。同时，没有热点热学管理，热通量级较低的热源区域会不必要地被冷却到最低操作温度以下。
有关热源上的热点，不具有热传递的空间精确调整能力，必须降低所采用热传递流体的温度以能够充分冷却最高温度的热点。为进一步降低热传递流体温度，需要采用更大热沉。更大热沉需要更大风扇以提供充分冷却。更大风扇会更喧闹并占据更多空间。此外，采用更大热沉可能不是可行方案，因为热源的特定区域会被不必要地冷却到最低热传递湿度以下。然而，具有热传递的精确空间调整能力，能够获得基本等温热源，可以在比传统封装更高的温度下操作，这导致较小的空气侧热沉和/或冷却风扇或者对相同尺寸热沉和/或冷却风扇的更高功率耗散限制。因而，这里所述的技术可用以在电子设备的通常低于125℃的最高结温处及其以下操纵该电子设备。
图2B是表示微通道热沉212的下部212L的纵向剖面图。微通道热沉212的下部212L内包括多个构件214。此外，如图2A所示，位置216处不存在构件214以增强该区域内的局部热传递。
如以下将要详细说明的，使具有较大密度超疏水毫微构件的微通道区域不像几乎不存在或者不存在超疏水毫微构件的微通道区域(例如，位置216)那样有效地从热源给热传递流体传热。这种热传递变化的理由是相当有效的热传递发生在热传递流体与微通道壁直接接触的位置。通过比较，如以下结合图5的描述将要说明的，具有疏水涂层的毫微柱的存在防止热传递流体接触并润湿存在该毫微柱的微通道的壁。由此，在存在疏水毫微构件的位置，热量必须经由毫微柱本身以及经由存在于热传递流体流与微通道壁之间的蒸汽层传导以到达热传递流体。这增大了毫微柱存在处的热源与流体之间的热阻。
如这里所述，本发明技术非限制性地包括涉及间接液体冷却的实施例以及涉及直接液体冷却的实施例。对于间接液体冷却，微通道中的热传递流体与热源物理隔离。对于直接液体冷却，微通道中的热传递流体直接与热源表面接触。
示范实施例采用在微通道的空间准确且可选定部分上控制摩擦和热传递的超疏水毫微构件。此外，如上强调的，超疏水毫微构件包括其上具有疏水涂层的毫微柱。适当疏水涂层包括但不限于具有类似特氟隆结构的氟化聚合物(例如由Asahi Glass Co.，LTD of Tokyo Japan制造的Cytop)、具有通式CFX的无定形任意氟碳材料以及由氯硅烷和/或烷氧基硅烷制造的硅烷基自组合单层(SAMs)。
疏水涂层可作为薄共形层经由任何适当施加方法施加给毫微柱，这些方法包括但不限于喷射、旋涂、印刷、浸渍以及化学汽相淀积(CVD)。例如，由氟化聚合物组成的疏水涂层通常经由旋涂施加到毫微柱上，随后烘焙以蒸发残留的溶剂和固化聚合物。这些氟化聚合物涂层通常施加至达到约50毫微米(nm)的厚度。由具有通式CFX的氟碳材料组成的疏水涂层通常在采用氟化烃进气例如CF4的化学汽相淀积反应器中施加。这些具有通式CFX的氟碳材料通常施加至达到约30nm的厚度。由硅烷基SAMs组成的疏水涂层通常利用把毫微柱浸入硅烷(例如，三甲基氯硅烷)的己烷溶剂中、然后漂洗以除去未反应物质来施加。这些硅烷基SAMs通常施加至约2nm至约5nm之间的厚度。这里提出的涂层通过显著降低经过微通道的一般高得惊人的高压降，使得长久已知为用于电子设备冷却的最有效热传递模式之一的微通道冷却最终商业可行。
在示范实施例中，传递给微通道中流体以及自该微通道中流体传递的最大热流仅受到泵送过该微通道的流体的流率的限制。流经微通道的流体的流率(例如，以千克每秒(kg/sec)或立方米每秒(m3/sec)计量)是横过该微通道的压降的函数。依据本教义，经过微通道的压降利用超疏水毫微构件降低至可管理值。经过微通道的流体压降可降低百分之五十或更多。这使得可采用更小、更轻、更便宜且不太复杂的泵用更低的泵送功率把流体泵送过微通道。此要素对于重量、功率、尺寸和成本限制相当严格的消费者电子设备空间(例如膝上型电脑)而言尤其重要。
图3是说明一种示范性封闭微通道冷却系统的示图。在图3中，微通道冷却系统300包括微通道热沉组件302。微通道热沉组件302包括热源302a(例如，一种可产生高于约100℃例如约100℃至约125℃之间的温度的IC芯片)以及具有多条微通道303的微通道热沉302b。微通道冷却系统300还包括空气侧热沉304(例如经由流体管路306与微通道热沉组件302流连接)以及流体泵308(经由例如流体管路310与空气侧热沉304流连接)。流体泵308又经由流体管路312与微通道热沉组件302连接。流体管路306，310和312可以包括具有惯用长度和直径的标准流体管件。此外，依据一种示范实施例，一个或多个超疏水毫微构件还可存在于流体管路306，310和312中一个或多个的内侧。依据此示范实施例，管路的横截面积因而减小，毫微构件将改变流经该管路的流体的流速分布。
微通道热沉302b包括多条微通道303且在此情况中为24条单独通道，这些通道中一条或多条的一个或多个表面(未表示)上包括超疏水毫微构件。微通道热沉的结构将在以下例如结合图4A-B的描述详细说明。
空气侧热沉304包括其内具有多条微通道305的微通道热沉304a，这些微通道305中一条或多条的一个或多个表面(未表示)上包括超疏水毫微构件。空气侧热沉304还包括散热片304b。
微通道305确保充分散热并输送热量至散热片304b。然而，例如当空气侧热沉304不处在有限空间环境中并能使其更大以提供更大散热量时，该空气侧热沉304上不需要存在微通道305。因而，依据一种示范实施例，空气侧热沉304不包括微通道。
流体泵308包括例如市场上可买到的流体泵设备。依据一种示范实施例，流体泵308包括多个并行操作的市场上可买到的流体泵，以例如满足为把热传递流体泵送过微通道所需要的压力需求。市场上可买到的适当流体泵由例如Mesoscopic Devices，LLC of Broomfield，Colorado制造。
依据图3所示的示范实施例，热源302a散逸的热量传递给流经微通道冷却系统300的组件及管路的热传递流体。进入微通道热沉组件302的热传递流体必须具有比热源302a处温度低的温度，以便把热量传递给该流体。例如，若热源302a处温度为65℃且热传递流体的温度为61℃(流向是这样的以便进入微通道热沉组件302的热传递流体已例如通过流经空气侧热沉304的微通道305而被冷却)，于是热量将从该热源302a传给该热传递流体。重要的是注意，这里指定的操作温度仅仅是示范性的，这里提出的教义应不限于任何特定温度值。
流体的一些加热量将发生在微通道热沉302b处，加热该热传递流体约1℃(且可能到达约5℃)。由此例如，在已流经微通道热沉组件302之后流经流体管路306的流体具有约64℃的温度。在任一流体管路中将几乎不发生冷却。
大部分冷却将发生在热传递流体流经空气侧热沉304的微通道305时。例如，热传递流体的温度在这里可降低达到约3℃。因而，存在于空气侧热沉304处的流体的温度约61℃(与热传递流体进入微通道热沉组件302的温度相同)。
依据图3所示的示范实施例，需要两个热沉，即，一个位于系统的热源侧上，一个位于系统的空气侧上。这确保热量以最小温差从热源传递给热传递流体并从该热传递流体传递给空气侧热沉。这使有效温差例如空气侧热沉的温度与周围空气的温度之间的温差最大化。周围空气的温度与空气侧热沉的温度之间的有效温差最大化又使所需要的空气侧热沉体积最小化。
在示范实施例中选择水作为热传递流体，因为其高比热使所需要的流率最小化。在图3所示封闭系统中热传递流体例如水的最大饱合压发生在系统的最高温度(例如65℃)处且等于0.25大气压(atm)。然而，如前所述，可采用其它流体。
此外，由于封闭系统内的静压一般超过0.25atm，在此例中水将通常处于液态。另外，可采用两相系统，以减小热传递流体的所需流率。这样的实施需要气体压缩至高压以及额外操作功率最终作为热量经由空气侧热沉散逸。对于直接液体冷却应用，如以下将要详细说明的，希望流体工作温度高于100℃，因为该流体直接与热源接触，因此用水作为热传递流体的两相液体冷却是有利的。
在图3所示的示范例中，假定位于微通道热沉组件正上方的空气的最高温度为约45℃，这是消费者电子设备应用的实际值。通常情况是，用于从空气侧热沉至周围空气的热传递的温度驱动力相当适中，在此例中仅20℃。因此，重要的是此20℃温差的尽可能少被需要用以把热负载从微通道热沉组件传入热传递流体以及从该热传递流体传给空气侧热沉上的散热片，以使空气侧热沉和/或用于冷却该空气侧热沉的翅片的尺寸最小化。
为例如以3℃的温度升高来吸收150瓦所需要的水的流率是717毫升每分钟(ml/min)，这不构成过大流率。市场上可买到的小型泵在并行操作时需要仅45立方厘米(cm3)的总空间，且为在2巴的压力下输送900ml/min的水仅消耗约3瓦的总功率。这种泵的小型化在工业中仍在继续。
此外，泵正在获得逐渐增高的压力和流率操作点。如图3所示且如上所述，假定热传递流体以61℃进入微通道热沉组件并以64℃离开该微通道热沉组件以及热源温度为65℃，那么1至4℃可用来把热量从热源传入热传递流体。因此，采用尽可能低的压降，可优化微通道以用相当小的热传递驱动力(例如，1至4℃)来传递大量的热量。
图4A-B是说明示范性微通道热沉几何构造的示图。图4A-B所示的微通道热沉类似于上述微通道热沉，例如，以上结合图3的说明描述的微通道热沉302b。
图4A表示一种示范微通道热沉构造的宽度a、高度b和间距s的尺寸。在图4A中，微通道热沉组件400包括微通道热沉壳体402、微通道404、焊剂层406以及集成热源408。在此实施例中，微通道404包括位于其一个或多个表面(未表示)上的多个超疏水毫微构件。这种超疏水毫微构件的图案表示在例如图5和图6A-C中且在以下详细说明。
微通道热沉壳体402由从以下组中选出的材料构成，该组包括铜、硅以及由前述材料中至少一个组成的化合物。还可采用其它材料。此外，依据一种示范实施例，集成热源408包括一种65℃且160瓦的热源。
图4B表示一种示范微通道单元例如经由微通道热沉壳体402的翅片分隔的两相邻微通道404的高度b、深度c和间距s的尺寸。依据一种示范实施例，微通道热沉壳体402的壁被模制成用以把热量传递给微通道404中的热传递流体的导热翅片。
此外，依据一种示范实施例，改变毫微柱的材料以例如改变该毫微柱的导热性。仅以例子方式，当毫微柱由硅组成时，它们是导热的。然而，如果硅被氧化以形成二氧化硅，那么毫微柱的热传递效率将改变，因为二氧化硅是一种比硅要弱的导热体。例如，多晶二氧化硅(石英玻璃)的导热性是1.38瓦每米开尔文(W/m-K)，而硅是180W/m-K。以下结合对牛顿冷却定律的描述来说明热传递效率。
在优化微通道的数量n、它们的几何构造即宽度a、高度b、深度c和间距s、以及它们的组成时，应考虑大量因素。对于传统微通道冷却技术，重要的是在热传递与经过每条微通道的压降之间折衷选择。因此，热传递系数随着以压降增大为代价的传统微通道的液力直径(实质上是它们的宽度)的减小而相当急剧地增大。例如，与供完全展开层流经过微通道用的给定流体流率对应的压降近似与该微通道的液力直径的立方成反比。微通道的液力直径等于其横截面积除以其湿润周长，例如，近似是图4A中微通道壁之间距离的两倍。
然而如上所强调的，采用具有疏水涂层的毫微柱以通过例如使流阻最小化来减小与流体流经微通道有关的压降。图5是说明一种示范性微通道毫微柱构造的示图。即在图5中，其上具有疏水涂层的毫微柱502(例如，具有横截面503的圆柱)与固体基底504例如微通道壁形成一体。如以下将要详细说明的，仅毫微柱502的顶端502a被例如流经微通道的热传递流体506润湿。如以下将要进一步详细说明的，要素例如毫微柱的间距还能影响经过微通道的流体流。
在图5中，热传递流体506与毫微柱502之间的局部接触角大于90度。因此，热传递流体不在毫微柱之间润湿，即，微通道壁是超疏水的。结果，传统不滑移(零速率)边界条件不适用于沿着微通道的壁。与流体速率有关的通常不滑移边界条件仅适用于毫微柱502的顶端502a处，该顶端502a极小例如仅占据微通道表面区域的约百分之一。术语“不滑移边界条件(no-slip boundary condition)”指在流体与固体接触的区域内，流体速率接近零。例如，流体不能在固体表面上“滑移”，然而，流体可在液体-空气界面上滑移。
其它各处例如大于或等于约99％的微通道表面区域适用滑移边界条件，因为表面张力阻止热传递流体506润湿微通道的壁。热传递流体506的此表面张力状态在图5中表示为存在于毫微柱502的顶端502a之间的热传递流体506的凹沉。如以下结合图6A-C的描述将要说明的，毫微柱的间距508可变化。计算机模拟已显示毫微柱阵列能增大给定压降下的流率达约200％而不负面影响热传递。这使得可以实施微通道冷却而不采用需要太高功率的不现实大泵。
通过在空间上改变毫微柱的密度和直径，可调整沿微通道的摩擦系数(例如，压降)分布。实际上，依据这里提出的教义，对于固定的流体流率，经过微通道的流体压降可减小达约50％或更多。
此外，可选择毫微柱间距和疏水涂层材料，使得由于热传递流体的表面张力而相当不利于流体浸润毫微柱之间的空间。参见例如Krupenkin et al.，From Rolling BalltoComplete Wetting：the DynamicTuning of Liquids on Nanostructures Surfaces，20 LANGMUIR 3824(2004)，在此引入其公开内容以供参考。如上所述，在毫微柱仅组成微通道表面区域的约百分之一的构造中，流体主要与空气和水蒸气的薄层接触，该薄层分隔大体积热传递流体与微通道壁。此特别构造使得热传递流体更容易流经微通道，因为该热传递流体由于其低粘度而受到来自相邻空气层的最小流阻。这与同毫微柱接触的少量流体大不相同，该少量流体由于流体颗粒附着在不可变形的毫微柱表面上而受到显著阻碍。
图5所示构造可与“不滑移边界条件”比较。因此依据图5所示构造，流体边界处于液体-空气界面处(除了与毫微柱顶端对应的极小区域外)。
图6A-C是说明毫微柱间距变化的图像。图6A-C所示毫微柱都具有相同直径。依据一种示范实施例，毫微柱具有达到约400nm的直径。此外，依据这里提出的教义，毫微柱的间距可调节以便在较高温度下主要因为流体表面张力的变化使与毫微柱的接触角下降至低于90度，热传递流体穿过毫微柱并润湿微通道壁。图6B所示毫微柱具有比图6A所示毫微柱更大的间距。图6C所示毫微柱具有比图6B所示毫微柱更大的间距。在图6A-B中每个内提供了三微米标尺，在图6C中提供了五微米标尺，仅供参考。
毫微柱的几何构造进一步描述在名称为“Method and Apparatusfor Controlling the Movement of a Liquid on a NanostructuredSurface or Microstructured Surface”且序列号为No.10/403,159的美国专利申请、名称为“Method and Apparatus for Controlling FrictionBetween a Fluid and a Body”且序列号为No.10/649,285的美国专利申请以及名称为“Method and Apparatus for Controlling the FlowResistance of a Fluid on Nanostructured or MicrostructuredSurfaces”且序列号为No.10/674,448的美国专利申请中，在此引入它们的公开内容以供参考。此外，应理解的是，这里提出的教义应被解释为不特别限于任何一个超疏水毫微构件。例如，超疏水毫微构件可包括经过微通道纵向和横向延伸的连续矩形构件。
图7是说明超疏水毫微构件如何影响流体的流速分布的示图。在图7中，管路704(与不具有任何超疏水毫微构件的管路705比较)内表面上的超疏水毫微构件702使得抛物线分布706被低摩擦插塞式流708取代。重要的是注意，图7中的描绘仅仅是液流如何被超疏水毫微构件改变的示意例图，应理解的是也可获得其它流图案，例如具有不同通道。
如上所提到的，从微通道壁至热传递流体的热传递主要经由毫微柱，因为对导热的较高阻抗存在于穿过与毫微柱热并联的例如水蒸汽层，尤其当该毫微柱具有足够高的导热性例如大于或等于空气导热性的约7000倍时(例如，当它们由铜、硅、铝、钨或其合金制成时)。在一种示范实施例中，毫微柱由膨胀系数类似于硅的钨铜合金组成。此外，毫微柱可由氟化聚合物材料组成，此材料例如在与上述疏水涂层结合时产生全聚合超疏水毫微构件。
例如，硅具有180W/m-K的导热性，而空气具有0.026W/m-K的导热性。如果毫微柱占据微通道表面区域的百分之一且空气覆盖其它99％，那么该毫微柱的热导系数等于导热性为1.8W/m-K的均质层的热导系数，这比空气层的热导系数大69倍。在此例中，经由空气层的导热忽略不计。此结果不依赖于毫微柱的高度。毫微柱的高度决定热阻的绝对量。例如，如果毫微柱由硅组成且具有两微米的高度，那么一平方厘米单位面积的热阻是2×10-6m/[1.8W/m-K·(0.01m)2]＝0.011℃/W。这是一个相当低的值。然而，如果毫微柱由二氧化硅(导热性1.38W/m-K)制成、高度为十微米且覆盖区域的0.1％，那么它们具有导热性为0.001·1.4W/m-K＝0.0014W/m-K的均质层的有效热导。在这种情况中，经由毫微柱的导热忽略不计，且该构件的热作用类似于其热阻约10×10-6m/[0.026W/m-K·(0.01m)2]＝3.8℃/W的空气层，因为空气层的热阻比经过毫微柱的热阻小。这是一个相当高的值。由此，通过改变不同位置内毫微柱的间距、长度和组成，可空间调整热阻以使热点等温。
为进一步使热传递效率达到最大，应优化热源与微通道热沉例如上述图3所示微通道热沉组件302的热源302a与微通道热沉302b之间的热界面。可以采用顺应导体(compliant conductors)(例如，焊剂)、适当表面加工、膨胀匹配材料及预先组装技术来实现横过可靠接合点的低热阻抗值。
通过比较，基于空气侧热沉例如上述图3所示包括微通道305和散热片304b的空气侧热沉304的热传递和散热大大不同。例如，由于空气侧热沉具有例如比微通道热沉组件更大的占地面积，所以采用具有更大表面积的更多微通道。
在传统微通道系统中，因为与微通道有关的高压降，关键是仅在需要极有效热传递的位置采用微通道。然而，给出本发明教义则不再是这样。即，在微通道内采用具有疏水涂层的毫微柱减小与该微通道有关的压降，例如，依据一种示范实施例，与把本身是水的热传递流体输送过整个系统有关的总压降低于或等于约5atm、优选低于或等于约1atm，这与传统微通道相比压降减小超过1/3。
此外，如例如以上结合图3的描述说明的，微通道冷却系统300的热传递组件经由流体管路306，310和312流连接，该流体管路306，310和312有利地允许单独研究和优化每个组件。然而依据一种示范实施例，也可采用单个、小型、整体式热方案，例如合并微通道热沉组件和空气侧热沉以及可能的流体泵为单个单元，这简化安装并使空间需求最小化。
与以上提出的间接液体冷却相比，本发明的教导也可用于直接液体冷却。例如，本技术可用于冷却具有集成微通道的热源，该微通道内具有超疏水毫微构件或其它流体流影响构件。
这种直接液体冷却显著减小热源与相关热沉之间的温差。此外，直接液体冷却允许硅芯片上热点缓和(hot spot mitigation)，这对于全面热学管理变得越来越关键。参见例如R.Mahajan et al.，EmergingDirections for Packaging Technologies，INTEL TECH JOURNAL(May，2002)，在此结合入其公开内容以供参考。
芯片与封装之间以及封装与周围空气之间的热阻串联发生。因此，集中于芯片与封装之间的热界面是最有益的。尽管蒸汽室形式的封装(例如，大占地面积、小厚度的热管)目前用于硅芯片上的热点缓和，但不希望这将无限持续，因为超出最大热负载和通量，蒸汽室将变干。另外，目前位于芯片与封装之间的未预期热界面材料(通常具有相当低的导热性)例如TIM材料在使用微通道的直接液体冷却环境下将省略。此外，微通道可被制造成正位于芯片后侧。选择性地，微通道可由硅或一些其它适当材料制成，并与芯片(膨胀匹配表面)热连接。
利用牛顿冷却定律控制从热源至微通道中的热传递流体的热传递，该定律表明
q″(x，y)＝h(x，y)[Td(x，y)-Tf(x，y)]，
其中，q″(x，y)，h(x，y)和Tf(x，y)分别代表热源上热通量的(相当不一致的)空间相关性、热源与热传递流体例如水之间的对流热传递系数以及热传递流体的温度。Td(x，y)是热源的温度。目标是维持Td为某空间一致值。q″(xy)取决于高功率单元优先组的芯片上的位置，如上所述，此外，Tf(x，y)是空间变化的，因为当热传递流体流过热源并吸收热量时，其温度升高。
通常，h(x，y)是恒定的，即不依赖于位置。然而，在具有本疏水涂层毫微柱的情况中，h(x，y)是可调整的，如上所述。可基于热源上给定位置处的q″(x，y)和Tf(x，y)的值来调整h(x，y)的值，使Td在整个芯片上近似恒定。通过改变毫微柱的材料(例如导热性)、密度(例如间距)、直径和高度，可空间调整热传递系数以在微通道阵列内提供必须用以维持空间一致热源温度所需要的分布。
例如经由通过系统而被冷却的热传递流体可经由专用微通道输送至热源上热通量(q″(x，y))极高例如大于或等于约平均热通量五倍的位置，在该专用微通道内，毫微柱已被调整以使热传递最小化直至到达热点。例如，如以下将要说明的，可增大位于热点附近外部区域内的毫微柱的高度以使那些区域内的热传递最小化。在热点附近，毫微柱可较短、较厚或较紧密以使那点处的热传递最大化。
一种用于控制或调整热传递的可供选择方法是利用温度来控制热传递流体穿过毫微柱。任何液体的表面张力(以及由此其与毫微柱形成的接触角)取决于其温度。因此，可按照这样一种方式设计毫微柱阵列，以使热传递流体在高于特定阀温的温度下穿过毫微柱层内部。这将允许冷却系统根据热源表面上热点的特定布置而自动调节。例如，超出特定温度，流体的表面张力下降至低到足以使该流体与毫微柱之间的接触角小于90度。然后，流体将润湿微通道壁。此外，当流体表面张力减小以及当毫微柱密度减小时，流体穿过毫微柱层的静压也降低。因此，可将毫微柱布置成在热点附近相互进一步远离设置和/或可采用表面张力随着温度升高而减小的热传递流体。
例如，在靠近热点的区域处，热传递流体穿过毫微柱层，导致较大的热传递系数。在热源的其它区域上，热传递流体保持悬浮在毫微柱顶端，从而导致那些区域内的较低热传递系数。
这里预料其它示范构造。例如，有关间接液体冷却应用，微通道热沉可并入例如铅框架内，且利用低热阻抗粘合剂(例如，硅-硅粘合剂(silicon-silicon bond)或者高导热性薄焊接粘合剂)粘接到热源上。通过比较，有关直接液体冷却应用，可在热源本身内蚀刻微通道，铅框架粘接到热源上以密封该通道，使流体能经由该通道泵送。在此实施例中，微通道与经过热源的热通路热并联。
重要的是注意，直接液体冷却所需要的热传递流体的流率远小于间接液体冷却。当避免经由封装的热导时，热传递至周围的驱动力等于最高热源工作温度(例如125℃)与周围温度(例如45℃)之间的差。在此例中，驱动力等于80℃。如果例如仅允许微通道内流体温度上升24℃，那么对于150瓦的功率耗散，所需要流率为约94ml/min。此外，此流率能进一步减小，因为一旦热源表面温度等于125℃(平均热源温度)，相应的水饱合压为2.25atm且蒸发变为可能。利用此两相系统中水蒸发的高潜热将允许更低的流率。
一旦热源上消除热点，其就可在较高的平均温度下工作。这转化为空气侧热沉的更高工作温度，因为热源接合点与周围空气之间可利用的总热传递驱动力(温差)增大。此外，通过直接液体冷却而不经由中间封装，把热量从热源传给微通道中的热传递流体所需要的温差较小，进一步升高空气侧热沉的温度。最终结果是总系统性能增强以及计算机壳体的设计具有更大的灵活性。由此，因为热沉工作温度升高，热沉对于给定热负载而言占据较少的体积、需要较慢的风扇转速(更低噪音级)并传递较高热负载给周围空气。
图8是说明一种用于制造热传递设备的示范方法的示图。即，图8中给出的方法可用于制造热传递设备例如以上结合图2A的描述所表示并说明的热传递设备200。
在步骤802中，在微通道壳体材料812内制作对准孔(例如，钻孔)810。然后，在微通道壳体材料812和814中蚀刻或者模压出毫微结构面816。在步骤804中，微通道壳体材料812和814配接到一起并例如使用粘合剂或者焊剂密封。在步骤806中，连接印刷线路板818、IC芯片819以及接线820。在步骤808中，插入流体配件822。
依据另一示范实施例，如上所述，可通过例如经由专用微通道输送“较冷”热传递流体至热源上的热点区域来处理那些区域。例如，特定微通道在逐渐导至热点的流路区域内包括高密度超疏水毫微构件，该构件设置用以减少那些区域内的热传递量。由此，输送至热点的流体将较冷。然而，在热点处，超疏水毫微构件可缩短、省略或者改型以在该区域内提供更强的冷却。
依据又一示范实施例，可调整超疏水毫微构件，以对于给定流体流率而言在降低压降的同时不显著改变热传递。依据此示范实施例，调节超疏水毫微构件的高度，使该超疏水毫微构件短到足以使并行的空气层和毫微构件的热阻相对于同对流入热传递流体中有关的热阻不显著。因而，热传递基本不受影响，且压降减小。
依据又另一示范实施例，微通道在其至少一个内表面上具有突出构件，可调节该构件以增强热传递。例如，微通道的局部区域可包括不具有疏水涂层的毫微柱。因此，这些构件不是超疏水的。因而在那些区域内，热传递流体不被阻止与微通道壁接触。微通道壁的润湿将增强那些区域内的热传递。由此，依据此示范实施例，毫微柱构件增强热传递，此外，这些局部区域可具有此毫微柱的密集阵列，以显著增大那些区域内的热传递表面积。
这里预想其它用于增强热传递的技术。例如同上，微通道在其至少一个内表面上具有突出构件，可调节该构件以增强热传递。更具体的，该构件包括毫微柱，该毫微柱被涂覆以显示不同表面能的材料。这生成了仅在特定温度以下显示超疏水性能的高能面。例如，在此温度以上，允许热传递流体润湿微通道壁。此外，利用上述疏水涂层涂覆毫微柱的其它区域(生成低能面)将确保那些其它区域显示与温度无关的超疏水性能。这种选择性涂覆技术可用来调整或者调节系统。
这里提出的教导具有广泛应用性。例如，本技术可用于发光二极管(LED)设备，包括但不限于投影仪、显示器、广告牌、街灯、具有运动影像的蜂窝式电话、手持式投影仪(例如个人数字助理(PDAs))；高功率电子设备，包括但不限于雷达和军事应用；以及通信设备，包括但不限于无线塔顶电子设备和微波应用。
应理解的是，这里在以上阐述的示例中以及附图中表示和说明的这些和其它实施例及变型仅仅是为说明本发明的原理，本领域技术人员可获得许多变型而不脱离本发明的范围和实质。

Claims (10)

1.一种热传递设备，包括一条或多条适于容纳热传递流体的微通道，一条或多条所述微通道具有位于其至少一个内表面上的突出构件，该突出构件构造用于影响热传递流体通过所述一条或多条微通道的流动，其中，所述突出构件包括超疏水的毫微结构表面，所述超疏水的毫微结构表面减小了所述热传递流体流动的阻力。
2.权利要求1所述的设备，其特征在于，一个或多个所述构件包括柱状件。
3.权利要求1所述的设备，其特征在于，所述一条或多条微通道的最短横截面尺寸小于或等于500微米。
4.权利要求1所述的设备，其特征在于，一个或多个所述构件包括涂覆以疏水涂层的柱状件。
5.一种自热源移除热量的方法，所述方法包括步骤：
与所述热源热接触地泵送热传递流体通过一条或多条微通道，所述一条或多条微通道具有位于其至少一个内表面上且与热传递流体接触的突出构件，所述构件构造用于影响热传递流体通过所述一条或多条微通道的流动，其中，所述突出构件包括超疏水的毫微结构表面，所述超疏水的毫微结构表面减小了所述热传递流体流动的阻力。
6.权利要求5所述的方法，还包括步骤：改变一个或多个所述构件的密度、直径、高度和材料中的一个或多个以调整从所述热源的热移除。
7.权利要求5所述的方法，还包括步骤：配置所述构件以使所述热源基本等温。
8.权利要求5所述的方法，还包括步骤：配置所述构件以降低热传递流体内的压降的至少一部分。
9.一种热传递系统，包括：
热传递设备，包括一条或多条适于容纳至少一部分热传递流体的微通道，一条或多条所述微通道具有位于其至少一个内表面上的突出构件，该突出构件构造用于影响热传递流体通过所述一条或多条微通道的流动，其中，所述突出构件包括超疏水的毫微结构表面，所述超疏水的毫微结构表面减小了所述热传递流体流动的阻力；
至少一个热沉，其与所述热传递设备连接；以及
至少一个泵，适于使热传递流体通过所述系统循环。
10.一种电子设备，包括：
一个或多个集成电路；
热传递设备，与所述一个或多个集成电路热连接，所述热传递设备包括一条或多条适于容纳热传递流体的微通道，一条或多条所述微通道具有位于其至少一个内表面上的突出构件，该突出构件构造用于影响热传递流体通过所述一条或多条微通道的流动，其中，所述突出构件包括超疏水的毫微结构表面，所述超疏水的毫微结构表面减小了所述热传递流体流动的阻力。
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