DE112019004751B4 - Tragbare einrichtung mit titan-thermomodul - Google Patents

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Abstract

Tragbare Einrichtung, umfassend:ein Thermomodul (500; 600; 700; 800; 900), das einen Dampfbereich und einen Flüssigkeitsbereich für ein Arbeitsfluid (140) enthält und innerhalb eines Außengehäuses der tragbaren Einrichtung (400; 400'; 400"; 480; 1000) angeordnet ist, wobei das Thermomodul (500; 600; 700; 800; 900) eine Titan-Rückfläche (120; 520),einen Dampfraum (300; 530; 531; 532), der ein Gehäuse bildet, und eine Dochtwirkungsstruktur (210; 510; 511; 512), die in dem Gehäuse enthalten ist, umfasst,wobei die Dochtwirkungsstruktur (210; 510; 511; 512) auf einem Metallsubstrat (205; 212) ausgebildet ist;mindestens ein Strukturelement (410; 420; 430), das der tragbaren Einrichtung (400; 400'; 400"; 480; 1000) Steifigkeit verleiht;einen Chip (450; 452) mit integrierter Schaltung, der in thermischer Verbindung mit dem Thermomodul (500; 600; 700; 800; 900) steht, so dass eine von dem Chip (450; 452) erzeugte Wärme durch das Thermomodul (500; 600; 700; 800; 900) in der gesamten tragbaren Einrichtung (400; 400'; 400"; 480; 1000) verteilt wird; undwobei das Thermomodul (500; 600; 700; 800; 900) mechanisch mit dem mindestens einen Strukturelement (410; 420; 430) durch mindestens eines gekoppelt ist: Löten, Schweißen, Bindung und Kleben, wobei der tragbaren Einrichtung (400; 400'; 400"; 480; 1000) eine Steifigkeit bezüglich eines Biegens aus einer primären Ebene heraus hinzugefügt wird, wobei eine Metallschicht (630; 632; 640; 642) eine Titanschicht umfasst, die auf einer Oberseite (120) und/oder einer Unterseite (520) des Thermomoduls (500; 600; 700; 800; 900) angeordnet ist, wobei die Metallschicht (630; 632; 640; 642) so ausgestaltet und benachbart zu einer strahlungsemittierenden Einrichtung angeordnet ist, dass sie eine von der tragbaren Einrichtung (400; 400'; 400''; 480; 1000) emittierte Strahlungsmenge reduziert, und wobei die Titanschicht (630; 632; 640; 642) mit einem Gehäuse der tragbaren Einrichtung (400; 400'; 400"; 480; 1000) gekoppelt ist und wobei diese Kopplung sowohl eine elektrische als auch eine mechanische Verbindung zwischen dem Thermomodul (500; 600; 700; 800; 900) und der tragbaren Einrichtung (400; 400'; 400"; 480; 1000) herstellt.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Kühlen von Halbleitereinrichtungen und insbesondere auf Kühlsysteme zur Kühlung von Halbleiter- und anderen Einrichtungen.
  • Eine Elektronik, die verschiedene Halbleitereinrichtungen und integrierte Schaltungen einsetzt, ist üblicherweise verschiedenen Umweltbelastungen ausgesetzt. Anwendungen einer solchen Elektronik sind extrem weit verbreitet und verwenden verschiedene Halbleitermaterialien.
  • Viele Elektronikumgebungen, wie z. B. mobile Einrichtungen bzw. Geräte oder Laptops, haben dünne/planare Konfigurationen, bei denen viele Komponenten effizient auf sehr engem Raum untergebracht sind. Folglich müssen auch die Kühllösungen an dünne/planare Konfigurationen angepasst werden. Heatspreader bzw. Hitzeverteiler in Form von dünnen thermischen Grundflächen (Thermal Ground Planes (TGPs)) können für viele elektronische Kühlanwendungen wünschenswert sein.
  • Aus der Druckschrift US 2011/0120674 A1 ist eine tragbare Einrichtung bekannt, die ein Thermomodul umfasst, welches einen Dampfbereich und einen Flüssigkeitsbereich für ein Arbeitsfluid enthält und innerhalb eines Außengehäuses der tragbaren Einrichtung angeordnet ist, wobei das Thermomodul eine Titan-Rückfläche, einen Dampfraum, der ein Gehäuse bildet, und eine Dochtwirkungsstruktur, die in dem Gehäuse enthalten ist, umfasst, wobei die Dochtwirkungsstruktur auf einem Metallsubstrat ausgebildet ist. Die tragbare Einrichtung weist zudem einen Chip mit integrierter Schaltung auf, der in thermischer Verbindung mit dem Thermomodul steht, so dass eine von dem Chip erzeugte Wärme durch das Thermomodul in der gesamten tragbaren Einrichtung verteilt wird.
  • Aus der Druckschrift US 2017/0052575 A1 ist zudem eine tragbare Einrichtung mit einem Thermomodul bekannt, welches innerhalb eines Außengehäuses der tragbaren Einrichtung angeordnet ist und mechanisch mit einem Strukturelement, welches der tragbaren Einrichtung Steifigkeit verleiht, gekoppelt ist. Der tragbaren Einrichtung ist eine Steifigkeit bezüglich eines Biegens aus einer primären Ebene der tragbaren Einrichtung heraus hinzugefügt, wobei eine Metallschicht auf einer Oberseite und/oder einer Unterseite des Thermomoduls angeordnet ist, und wobei die Metallschicht so ausgestaltet und angeordnet ist, dass sie eine von der tragbaren Einrichtung emittierte Strahlungsmenge reduziert.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Erfindungsgemäß wird eine tragbare Einrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1, 21 oder 23 vorgeschlagen.
  • Die abhängigen Ansprüche definieren vorteilhafte und/oder bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung.
  • Die vorliegende Anmeldung offenbart Zweiphasen-Kühleinrichtungen. Zweiphasen-Kühleinrichtungen sind eine Klasse von Einrichtungen, die Wärme mit sehr hohem Wirkungsgrad übertragen können, und können aufweisen: Wärmerohre bzw. Heatpipes, thermische Grundflächen, Dampfkammern und Thermosiphons, Thermomodule im Allgemeinen und dergleichen. Wie hier verwendet, kann sich der Begriff „Thermomodul“ auf eine Einrichtung beziehen, die in ihrer Funktionsweise einer thermischen Grundfläche ähnelt, aber keine einfache, ebene Form aufweist. Stattdessen kann das Thermomodul (TM) und insbesondere das Titan-Thermomodul (TiTM) eine komplexe Form mit einer Krümmung, Biegung oder Falte aufweisen, aber dennoch auf der Grundlage der Phasenänderung eines Arbeitsfluids arbeiten.
  • Tragbare Einrichtungen haben strenge Anforderungen an Größe, Stromverbrauch und Batterielebensdauer. Diese Leistungsattribute sind oft miteinander verknüpft, so dass ein kleineres, leichteres Gehäuse heißer werden kann, was die Batterieleistung beeinträchtigen kann. Dementsprechend kann die thermische Grundfläche aus Titan für die Verwendung in tragbaren Einrichtungen angepasst werden, wobei das verbesserte thermische Leistungsvermögen, die geringe Größe und die mechanische Festigkeit wesentliche Vorteile gegenüber anderen Wärmerohrtechnologien sind.
  • Figurenliste
  • Verschiedene beispielhafte Details werden mit Bezug auf die folgenden Figuren beschrieben, wobei:
    • 1 ist eine veranschaulichende Ausführungsform einer früheren titanbasierten thermischen Grundfläche, die ein Titansubstrat mit einer Dochtwirkungsstruktur, eine Rückwand und eine Dampfkammer umfasst;
    • 2 ist eine veranschaulichende Ausführungsform früherer Titansubstrate mit einer Dochtwirkungsstruktur: (A) die Dochtwirkungsstruktur umfasst Pfeiler, (B) die Dochtwirkungsstruktur umfasst Kanäle oder Rillen;
    • 3 ist eine veranschaulichende Ausführungsform einer metallbasierten thermischen Grundfläche mit einem Zwischensubstrat in Kommunikation mit einer Dochtwirkungsstruktur und einer Dampfkammer. Die Zwischenschicht kann Mikrostrukturen umfassen. (A) stellt eine Profilansicht dar, in der Komponenten einer Ausführungsform dargestellt sind, (B) stellt eine Explosionszeichnung von Strukturkomponenten einer Ausführungsform dar;
    • 4 stellt Strukturkomponenten gemäß einer veranschaulichenden Ausführungsform dar, bei der die verschiedenen Strukturkomponenten in einem Verdampferbereich, einem adiabatischen Bereich und einem Kondensatorbereich angeordnet sind: (A) stellt einen Verdampferbereich einer Ausführungsform dar, bei der das Zwischensubstrat eine Vielzahl von Mikrostrukturen umfasst, die mit der Dochtwirkungsstruktur verschachtelt sind, (B) stellt einen adiabatischen Bereich einer Ausführungsform dar, bei der das Zwischensubstrat in unmittelbarer Nähe der Dochtwirkungsstruktur angeordnet ist, (C) stellt einen Kondensatorbereich einer Ausführungsform dar, bei der die Dochtwirkungsstruktur in direkter Kommunikation mit der Dampfkammer steht, und (D) stellt ein Detail einer Ausführungsform eines Zwischensubstrats dar;
    • 5 ist eine veranschaulichende Ausführungsform von Profilansichten von Strukturkomponenten einer Ausführungsform, bei der die Strukturen nicht benetzt (d.h. trocken) und durch eine Flüssigkeit benetzt sind: (A) nicht benetzte Strukturkomponenten in dem Verdampferbereich, wobei dargestellt ist, wo sich die Flüssigkeit sammelt, (B) nicht benetzte Strukturkomponenten in dem adiabatischen Bereich, (C) benetzte Strukturkomponenten in dem adiabatischen Bereich, (D) nicht benetzte Strukturkomponenten in dem Kondensatorbereich, wobei dargestellt ist, wo sich die Flüssigkeit sammelt;
    • 6 stellt Druckprofile als Funktion einer axialen Lage für eine veranschaulichende Ausführungsform einer thermischen Grundfläche dar. Die Kurven stellen den Druck der dampfförmigen Phase in der Dampfkammer und der flüssigen Phase in der Dochtwirkungsstruktur dar. In diesem Fall tritt die maximale Druckdifferenz zwischen der flüssigen und der dampfförmigen Phase in dem Verdampferbereich auf. Die minimale Druckdifferenz zwischen der dampfförmigen und der flüssigen Phase tritt in dem Kondensatorbereich auf;
    • 7 ist eine veranschaulichende Ausführungsform eines Flussdiagramms der Bildung einer oder mehrerer Ausführungsformen der aktuellen Ti-basierten thermischen Grundfläche TGP (metal-based Thermal Ground Plane) gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen;
    • 8 ist eine veranschaulichende Ausführungsform eines Flussdiagramms der Ausbildung einer oder mehrerer Ausführungsformen der aktuellen Ti-basierten TGP;
    • 9 stellt veranschaulichende Ausführungsformen einer Dochtwirkungsstruktur in Kommunikation mit einem Zwischensubstrat dar. Das effektive Seitenverhältnis ist definiert als das Verhältnis der effektiven Kanalhöhe h zu der effektiven Kanalbreite w: (A) stellt eine veranschaulichende Ausführungsform dar, bei der die Mikrostrukturen in dem Zwischensubstrat mit der Dochtwirkungsstruktur verschachtelt sind, (B) stellt eine alternative Ausführungsform dar, bei der die Mikrostrukturen in dem Zwischensubstrat oberhalb der Dochtwirkungsstruktur angeordnet sind;
    • 10 ist eine vereinfachte Querschnittsansicht einer TiTGP für eine tragbare Einrichtung;
    • 11 ist eine vereinfachte Querschnittsansicht einer tragbaren Einrichtung mit einem daran installierten herkömmlichen Wärmerohr;
    • 12 ist eine vereinfachte Querschnittsdarstellung einer tragbaren Einrichtung mit einer darin installierten auf Titan basierenden thermischen Grundfläche;
    • 13 ist eine vereinfachte Querschnittsdarstellung einer tragbaren Einrichtung mit einer auf Titan basierenden thermischen Grundfläche und einem darauf installierten Chip mit integrierter Schaltung;
    • 14 ist eine vereinfachte Querschnittsansicht einer ersten Ausführungsform der thermischen Grundfläche, die zur Verwendung in einer tragbaren Einrichtung geeignet ist;
    • 15 ist eine vereinfachte Querschnittsansicht einer zweiten Ausführungsform der thermischen Grundfläche, die zur Verwendung in einer tragbaren Einrichtung geeignet ist;
    • 16 ist eine vereinfachte Querschnittsansicht einer ersten Ausführungsform der thermischen Grundfläche mit mehreren thermischen Grundflächen, die für die Verwendung in einer tragbaren Einrichtung geeignet ist. (A) stellt eine Doppel-TiTGP dar, die zwei Dampfräume umfasst; (B) stellt eine weitere Ausführungsform der Mehrfach-TiTGP dar; (C) stellt eine weitere Ausführungsform der Mehrfach-TiTGP dar, die Wärme von zwei Chips mit integrierten Schaltungen ableitet;
    • 17 ist eine vereinfachte Querschnittsansicht einer zweiten Ausführungsform der thermischen Grundfläche mit mehreren thermischen Grundflächen, die zur Verwendung in einer tragbaren Einrichtung geeignet ist;
    • 18 ist eine vereinfachte Querschnittsansicht einer dritten Ausführungsform der thermischen Grundfläche mit mehreren thermischen Grundflächen, die für die Verwendung in einer tragbaren Einrichtung geeignet ist;
    • 19 ist eine vereinfachte Querschnittsansicht eines Thermomoduls mit einer komplexen Form;
    • 20 ist eine vereinfachte Querschnittsansicht eines Thermomoduls mit einer Metallschicht auf der oberen Oberfläche des Thermomoduls;
    • 21 ist eine vereinfachte Querschnittsansicht eines Thermomoduls mit einer Metallschicht auf der unteren Oberfläche des Thermomoduls;
    • 22 ist eine vereinfachte Querschnittsansicht eines Thermomoduls mit einer Metallschicht auf der oberen und unteren Oberfläche des Thermomoduls; und
    • 23 ist eine vereinfachte Querschnittsansicht eines Thermomoduls mit benachbarten Metallschichten auf einer Oberfläche des Thermomoduls.
  • Es sei darauf hingewiesen, dass die Zeichnungen nicht notwendigerweise maßstabsgetreu sind und dass sich gleiche Zahlen auf gleiche Merkmale beziehen können.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Der erste Abschnitt dieser Beschreibung befasst sich mit den Details der neuartigen thermischen Titan-Grundfläche. Der spätere Abschnitt beschreibt die Anwendung in tragbaren Einrichtungen. Es sei darauf hingewiesen, dass die Begriffe thermische Titan-Grundfläche („Titan Thermal Groundplane“ (TiTGP)) und Titan-Thermomodul („Titan Thermal Module“ (TiTM)) hier austauschbar verwendet werden. Beide beziehen sich auf eine Zweiphasen-Wärmetransporteinrichtung, bei der Wärme von einem relativ heißen Bereich zu einem relativ kühlen Bereich durch die Verdampfung und Kondensation eines Arbeitsfluids in einem titanbasierten Gehäuse übertragen wird.
  • In der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform wird auf die beigefügten Zeichnungen verwiesen, die einen Teil davon bilden und in denen eine spezifische Ausführungsform, in der die Erfindung ausgeführt werden kann, zur Veranschaulichung gezeigt wird. Es sei darauf hingewiesen, dass andere Ausführungsformen verwendet werden können und strukturelle Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die folgenden Bezugszeichen werden verwendet, um sich auf die folgenden Merkmale zu beziehen:
    • 21
    Ti-Substrat
    22
    Dochtwirkungsstruktur
    24
    Pfeiler
    28
    Nuten
    120
    Rückfläche
    110
    Zwischensubstrat
    10,210
    Dochtwirkungsstruktur
    205
    Metallsubstrat
    140
    Flüssigkeit
    212
    Metallsubstrat
    122
    Stützpfeiler
    130
    Meniskus
    250
    Wärmequelle
    260
    Wärmesenke
    122
    Stützpfeiler
    112
    Mikrostrukturen
    300
    Dampfkammer
    170, 270
    Laserschweißen
    400, 480, 1000
    tragbare Einrichtung
    410
    vordere Fläche
    420
    Mittelrahmen
    430
    hintere Fläche
    440
    Wärmerohr
    450,452
    Chip
    460
    Abdeckrahmen der tragbaren Einrichtung
    510, 511, 512
    Dochtstruktur
    220, 120, 520
    Ti-Rückfläche
    525
    Ti-Mittelrahmen
    530, 531, 532
    Dampfraum
    555
    gemeinsames Element
    500, 600, 700, 800, 900
    TiTGPs
  • Bei einigen Ausführungsformen könnten die hier offengelegten thermischen Grundflächen verwendet werden, um eine effiziente Raumausnutzung für die Kühlung von Halbleitereinrichtungen in einer Vielzahl von Anwendungen zu ermöglichen, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Flugzeuge, Satelliten, Laptop-Computer, Desktop-Computer, mobile Einrichtungen bzw. Geräte, Automobile, Kraftfahrzeuge, Heizungs-, Klima- und Lüftungsanlagen und Rechenzentren.
  • Mikrogefertigte Substrate können verwendet werden, um robustere, stoßfeste Zweiphasen-Kühleinrichtungen herzustellen, die in der Form von thermischen Grundflächen (TGPs) vorliegen können. Obwohl eine Vielzahl von Materialien für diese Substrate verwendet werden kann, wie in den aufgenommenen Referenzen beschrieben ist, haben sich Metallsubstrate, wie z. B., aber nicht beschränkt auf Titan, Aluminium, Kupfer oder Edelstahl, als geeignet für TGPs erwiesen.
  • Die Wahl des Metalls kann von den verschiedenen Anwendungen und Kostenüberlegungen abhängen. Verschiedene Metalle haben ihre Vorteile. Zum Beispiel bietet Kupfer die höchste Wärmeleitfähigkeit von allen Metallen. Aluminium kann für Anwendungen vorteilhaft sein, bei denen eine hohe Wärmeleitfähigkeit wichtig ist und das Gewicht eine Rolle spielen könnte. Edelstahl könnte in bestimmten rauen Umgebungen von Vorteil sein.
  • Titan hat viele Vorteile. Zum Beispiel hat Titan eine hohe Bruchzähigkeit, kann mikrogefertigt und mikrobearbeitet werden, es kann hohen Temperaturen widerstehen, es kann rauen Umgebungen widerstehen, es kann biokompatibel sein. Darüber hinaus können thermische Grundflächen auf Titanbasis leicht und relativ dünn hergestellt werden und eine hohe Wärmeübertragungsleistung aufweisen. Titan kann mit einem Pulslaser geschweißt werden. Da Titan eine hohe Bruchzähigkeit aufweist, kann es zu dünnen Substraten geformt werden, die der Ausbreitung von Rissen und Defekten widerstehen. Titan weist einen relativ niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten von ca. 8,6 × 10-6/ K auf. Der niedrige Wärmeausdehnungskoeffizient in Verbindung mit dünnen Substraten kann dazu beitragen, Spannungen aufgrund von thermischer Fehlanpassung erheblich zu reduzieren. Titan kann oxidiert werden, um nanostrukturiertes Titandioxid (NST) zu bilden, das stabile und superhydrophile Oberflächen bildet. Bei einigen Ausführungsformen haben sich Titansubstrate (Ti) mit integriertem nano-strukturierten Titandioxid (Nano Structured Titania (NST)) als geeignet für TGPs erwiesen.
  • Metalle, wie z. B., aber nicht beschränkt auf Titan, Aluminium, Kupfer oder Edelstahl, können mit kontrollierten charakteristischen Abmessungen (Tiefe, Breite und Abstand) im Bereich von etwa 1 - 1000 Mikrometern mikrogefertigt werden, um die Dochtwirkungsstruktur und das Zwischensubstrat für eine optimale Leistung zu entwickeln und für spezifische Anwendungen anzupassen. Bei einigen Ausführungsformen können die kontrollierten charakteristischen Abmessungen (Tiefe, Breite und Abstand) im Bereich von 10 - 500 Mikrometern liegen, um die Dochtwirkungsstruktur für eine optimale Leistung zu entwickeln und für spezifische Anwendungen anzupassen.
  • Bei einigen Ausführungsformen kann Titan oxidiert werden, um nano-strukturiertes Titandioxid (NST) zu bilden, das superhydrophile Oberflächen bereitstellen und dadurch die Kapillarkräfte erhöhen und die Wärmeübertragung verbessern kann. Bei einigen Ausführungsformen kann das NST haarähnliche Anordnungen mit einer nominellen Rauheit von 200 Nanometern (nm) umfassen. Bei einigen Ausführungsformen kann das NST eine nominale Rauheit von 1-1000 nm aufweisen.
  • Bei einigen Ausführungsformen kann Aluminium oxidiert werden, um hydrophile Nanostrukturen zu bilden, um superhydrophile Beschichtungen bereitzustellen. Bei einigen Ausführungsformen können gesinterte Nanopartikel und/oder Mikropartikel verwendet werden, um superhydrophile Oberflächen bereitzustellen und dadurch die Kapillarkräfte zu erhöhen und die Wärmeübertragung zu verbessern.
  • Bei einigen Ausführungsformen kann Titan auf eine andere Art von Substrat beschichtet werden, wodurch ein Titanfilm ausgebildet wird. Der Titanfilm kann oxidiert werden, um nano-strukturiertes Titanoxid (NST) zu bilden und dadurch superhydrophile Oberflächen bereitzustellen.
  • Titan ist ein Material, das unter Verwendung von Reinraumverarbeitungstechniken mikrogefertigt, in einer Maschinenwerkstatt makrobearbeitet und unter Verwendung einer gepulsten Laser-Mikroschweißtechnik hermetisch kompakt hergestellt werden kann. Wenn die thermische Grundfläche nur Titan oder Titandioxid als Strukturmaterial umfasst, können die verschiedenen Komponenten mit dem Laser an Ort und Stelle geschweißt werden, ohne dass Verunreinigungen eingebracht werden, die möglicherweise nicht kondensierbare Gase erzeugen, zu einer schlechten Leistung beitragen und möglicherweise zu einem Fehler führen könnten. Darüber hinaus hat sich gezeigt, dass Titan und Titandioxid mit Wasser kompatibel sind, was zu einer langen Lebensdauer und einer minimalen Erzeugung nicht kondensierbarer Gase beitragen kann. Dementsprechend kann das Titansubstrat mit der Titan-Rückfläche 120 durch eine Laserschweißung verbunden werden, um einen hermetisch abgeschlossenen Dampfraum zu bilden.
  • Metalle können miteinander verbunden werden, um hermetische Dichtungen zu bilden. Bei einigen Ausführungsformen können Titansubstrate mit einem gepulsten Laser mikroverschweißt werden, um eine hermetische Dichtung zu bilden. Bei anderen Ausführungsformen können Kupfer-, Aluminium- und Edelstahl-Substrate mit einer Vielzahl von Techniken verschweißt werden, wie z. B., aber nicht beschränkt auf Löten, Hartlöten, Vakuumlöten, TIG, MIG und viele andere bekannte Schweißtechniken.
  • Die vorliegende Anmeldung beschreibt die Herstellung von metallbasierten thermischen Grundflächen (TGPs). Ohne Verlust der Allgemeingültigkeit offenbart die vorliegende Anmeldung Ausführungsformen von thermischen Grundflächen, die drei oder mehr Metallsubstrate umfassen können.
  • Eine Ausführungsform kann drei Substrate umfassen (von denen eines oder mehrere unter Verwendung eines Metalls, wie z. B., aber nicht beschränkt auf Titan, Aluminium, Kupfer oder Edelstahl, aufgebaut sein können), um eine thermische Grundfläche zu bilden. Bei einigen Ausführungsformen können Titansubstrate verwendet werden, um eine thermische Grundfläche zu bilden. Bei einigen Ausführungsformen trägt ein Substrat eine integrierte superhydrophile Dochtwirkungsstruktur 210, ein zweites Substrat besteht aus einem tiefgeätzten (oder makrobearbeiteten) Dampfraum, und ein drittes Zwischensubstrat 110 kann aus Mikrostrukturen 112 bestehen und steht in Verbindung mit der Dochtwirkungsstruktur 210 und dem Dampfraum 300. Die Substrate könnten per Laser mikroverschweißt werden, um die thermische Grundfläche zu bilden.
  • Das Arbeitsfluid kann auf der Grundlage der gewünschten Leistungsmerkmale, der Betriebstemperatur, der Materialkompatibilität oder anderer wünschenswerter Merkmale ausgewählt werden. Bei einigen Ausführungsformen und ohne Verlust der Allgemeingültigkeit kann Wasser als Arbeitsmedium verwendet werden. Bei einigen Ausführungsformen und ohne Verlust der Allgemeingültigkeit können Helium, Stickstoff, Ammoniak, organische Hochtemperaturstoffe, Quecksilber, Aceton, Methanol, Flutec PP2, Ethanol, Heptan, Flutec PP9, Pentan, Cäsium, Kalium, Natrium, Lithium oder andere Materialien als Arbeitsmedium verwendet werden.
  • Die aktuelle TGP kann eine erhebliche Verbesserung gegenüber früheren thermischen Grundflächen auf Titanbasis bieten. Zum Beispiel kann die vorliegende Erfindung eine deutlich höhere Wärmeübertragung, dünnere thermische Grundflächen, thermische Grundflächen, die weniger anfällig für die Auswirkungen der Schwerkraft sind, und viele andere Vorteile bieten.
  • Die folgenden parallel anhängigen und gemeinschaftlich übertragenen US-Patentanmeldungen sind mit der vorliegenden Anmeldung verwandt und werden durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen: Das U.S. Patent US 7 718 552 B2 B2, erteilt am 18. Mai 2010, von Samah u.a., mit dem Titel „NANOSTRUCTURED TITANIA“, die Anmeldung wird durch Bezugnahme hierin aufgenommen. Die U.S. Patentanmeldung US 2011 / 0 120 674 A1 eingereicht am 21. Juli 2008, von Noel C. MacDonald u.a. mit dem Titel „TITAN-BASED THERMAL GROUND PLANE“ wird durch Bezugnahme hierin aufgenommen. Die US-Patentanmeldung US 2013 / 0 327 504 A1 eingereicht am 26. November 2012 von Payam Bozorgi u.a. mit dem Titel „TITAN-BASED THERMAL GROUND PLANE“ wird durch Bezugnahme hierin aufgenommen. Die PCT-Anmeldung WO 2012/106 326 A1 eingereicht am 31. Januar 2012, von Payam Bozorgi und Noel C. MacDonald, mit dem Titel „USING MILLISECOND PULSED LASER WELDING IN MEMS PACKAGING“ wird durch Bezugnahme hierin aufgenommen. Die vorläufige US-Patentanmeldung US 2018 / 0 094 871 A1 eingereicht am 26. Juni 2014, von Payam Bozorgi und Carl Meinhart, mit dem Titel „TWO-PHASE COOLING DEVICES WITH LOW-PROFILE CHARGING PORTS“ wird durch Bezugnahme hierin aufgenommen.
  • 1 stellt eine thermische Grundfläche dar, die bei einigen Ausführungsformen eine thermische Grundfläche auf Titanbasis sein kann und ein Titansubstrat mit einer Dochtwirkungsstruktur, eine Rückfläche und eine Dampfkammer umfasst, die in den aufgenommenen Referenzen beschrieben sind. Die Einrichtung bzw. das Bauelement kann gepulst mikrogeschweißt werden, um eine hermetische Abdichtung zu bilden. Die thermische Grundfläche kann mit einem Arbeitsfluid, wie z. B. Wasser in einem thermodynamisch gesättigten Zustand, befüllt werden, wobei sich die flüssige Phase überwiegend in der Dochtwirkungsstruktur und die dampfförmige Phase überwiegend in der Dampfkammer befindet.
  • Wie in den aufgenommenen Referenzen beschrieben ist, kann die Dochtwirkungsstruktur aus einer Vielzahl von Pfeilern, Kanälen, Nuten, Gräben oder anderen geometrischen Strukturen ausgebildet sein. 2(A) stellt beispielsweise eine herkömmliche TGP dar, bei der die Dochtwirkungsstruktur 22 aus Titan Pfeiler 24 umfasst. 2(B) stellt eine herkömmliche TGP dar, bei der eine Dochtwirkungsstruktur 22' aus Titan Kanäle oder Nuten 28 auf einem Substrat 21 umfasst.
  • 3 stellt eine Ausführungsform einer neuartigen metallbasierten thermischen Grundfläche mit einem Zwischensubstrat 110 in Verbindung mit einer Dochtwirkungsstruktur 210 und einer Dampfkammer 300 dar. Die Zwischenschicht kann Mikrostrukturen 112 umfassen. 3(A) zeigt eine Profilansicht, in der Komponenten einer Ausführungsform dargestellt sind, während 3(B) eine Explosionsansicht von Strukturkomponenten einer Ausführungsform zeigt. Das Metallsubstrat 212 kann mit einer metallischen Rückfläche 120 verbunden sein, um einen hermetisch abgedichteten Dampfraum 300 zu bilden. Der Dampfraum 300 kann also von dem Metallsubstrat 212 und der Metallrückfläche 120 umschlossen sein. Bei einer Ausführungsform kann z. B. ein Titansubstrat mit einem gepulsten Laser auf eine Titan-Rückfläche 120 mikrogeschweißt werden, um einen hermetisch abgedichteten Dampfraum zu bilden.
  • Bei einigen Ausführungsformen kann eine Vielzahl von Zwischensubstraten 110 verwendet werden, wobei mindestens ein anderes Zwischensubstrat 110 für jeden unterschiedlichen Bereich der thermischen Grundfläche verwendet werden kann. Die mehreren Zwischensubstrate 110 können in unmittelbarer Nähe zueinander positioniert sein, um gemeinsam einen Gesamtnutzen für die Funktionalität der thermischen Grundfläche zu erzielen.
  • Bei einigen Ausführungsformen kann das Zwischensubstrat 110 Bereiche enthalten, die eine Vielzahl von Mikrostrukturen 112 umfassen, mit charakteristischen Abmessungen (Tiefe, Breite und Abstand) im Bereich von 1 - 1000 Mikrometern. Bei einigen Ausführungsformen kann das Zwischensubstrat 110 Bereiche enthalten, die eine Vielzahl von Mikrostrukturen 112 umfassen, mit Abmessungen (Tiefe, Breite und Abstand) im Bereich von 10 - 500 Mikrometern.
  • Das mindestens eine Zwischensubstrat 110 kann Bereiche enthalten, die aus einer Vielzahl von Mikrostrukturen 112 bestehen, Bereiche, die aus festen Substraten bestehen, und Bereiche, die mindestens eine Öffnung in dem mindestens einen Zwischensubstrat 110 umfassen (die im Vergleich zu den Mikrostrukturen 112 groß ist, und zum Beispiel können die Öffnungen eine Abmessung von 1 Millimeter - 100 Millimeter oder 1 Millimeter - 1000 Millimeter aufweisen.
  • Bei einigen Ausführungsformen kann die Öffnung in dem Zwischensubstrat 110 für ausgewählte Bereiche der thermischen Grundfläche dadurch erzielt werden, dass in diesen Bereichen einfach kein Zwischensubstrat 110 vorgesehen ist. Thermische Energie kann durch eine Wärmequelle 250 zugeführt und durch eine Wärmesenke 260 abgeführt werden. Thermische Energie kann von einem Bereich (Verdampferbereich) des Metallsubstrats 212 zu einem anderen Bereich (Kondensatorbereich) des Metallsubstrats 212 übertragen werden. In dem Verdampferbereich ist die lokale Temperatur höher als die Sättigungstemperatur des Flüssigkeits/Dampf-Gemischs, wodurch die Flüssigkeit 140 zu Dampf verdampft und dabei thermische Energie aufgrund der latenten Verdampfungswärme absorbiert wird.
  • Der in der Dampfkammer 300 befindliche Dampf kann von dem Verdampferbereich durch den adiabatischen Bereich zu dem Kondensatorbereich strömen. Die Wärmesenke 260 kann Wärme aus dem Kondensatorbereich absorbieren, was dazu führt, dass die lokale Temperatur niedriger ist als die Sättigungstemperatur des Flüssigkeits/Dampf-Gemisches, wodurch der Dampf in die flüssige Phase kondensiert und dadurch thermische Energie aufgrund der latenten Verdampfungswärme freigesetzt wird.
  • Die kondensierte Flüssigkeit 140 kann sich überwiegend in der Dochtwirkungsstruktur 210 befinden und infolge von Kapillarkräften von dem Kondensatorbereich durch den adiabatischen Bereich zu dem Verdampferbereich strömen.
  • Infolgedessen kann es für Hochleistungs-Wärmerohre vorteilhaft sein, dass sie (1) minimale viskose Verluste für die durch die Dochtwirkungsstruktur 210 strömende Flüssigkeit 140 aufweisen und (2) maximale Kapillarkräfte in dem Verdampferbereich aufweisen. Bei vielen praktischen Ausführungsformen der thermischen Grundfläche sind minimale viskose Verluste und maximale Kapillarkräfte nur schwer gleichzeitig zu erreichen. Die Einführung eines Zwischensubstrats 110 mit einer Vielzahl von Mikrostrukturen 112, die in jedem der drei Bereiche entsprechend ausgestaltet sind, kann ein Mittel bereitstellen, mit dem die thermische Grundfläche in einigen Bereichen geringere viskose Verluste aufweist, während sie in anderen Bereichen höhere Kapillarkräfte ausübt, verglichen mit herkömmlichen TGPs mit mehr oder weniger der gleichen Struktur über einen Großteil des Innenraums.
  • Bei einigen Ausführungsformen werden Stützpfeiler (Abstandshalter) 122 verwendet, um den Abstand zwischen der Rückfläche 120 und der Dochtwirkungsstruktur 210 und/oder dem Zwischensubstrat 110 mechanisch zu halten. Bei einigen Ausführungsformen sorgen die Stützpfeiler (Abstandshalter) für einen kontrollierten Zwischenraum für die Dampfkammer 300. Die Stützpfeiler (Abstandshalter) können mit chemischen Nassätztechniken oder anderen Herstellungstechniken (wie oben beschrieben) mikrogefertigt werden. Dementsprechend kann die Rückfläche 120 Abstandshalter aufweisen, die mit dem Zwischensubstrat und/oder dem Metallsubstrat in Verbindung stehen, um die thermische Grundfläche strukturell zu halten.
  • 4 stellt Strukturkomponenten einer Ausführungsform dar, bei der die verschiedenen Strukturkomponenten in einem Verdampferbereich, einem adiabatischen Bereich und einem Kondensatorbereich angeordnet sind: (A) stellt einen Verdampferbereich einer Ausführungsform dar, bei dem das Zwischensubstrat 110 eine Vielzahl von Mikrostrukturen 112 umfasst, die so angeordnet sind, dass sie das effektive Seitenverhältnis der Dochtwirkungsstruktur 210 erhöhen. Die Finger (Mikrostrukturen 112) des Zwischensubstrats 110 sind mit Kanälen in der Dochtwirkungsstruktur 210 verschachtelt, wodurch die doppelte Anzahl von Merkmalen mit höherem Seitenverhältnis im Vergleich zu den Merkmalen mit niedrigerem Seitenverhältnis der Dochtwirkungsstruktur 210 ohne das Zwischensubstrat 110 entsteht. 4(B) stellt einen adiabatischen Bereich einer Ausführungsform dar, bei dem das Zwischensubstrat 110 in unmittelbarer Nähe der Dochtwirkungsstruktur 210 angeordnet ist, und (C) stellt einen Kondensatorbereich einer Ausführungsform dar, bei dem die Dochtwirkungsstruktur 210 in direkter Verbindung mit der Dampfkammer 300 steht. (D) zeigt das Zwischensubstrat 110 als Ganzes. Die Kanäle bei dieser Ausführungsform sind Vertiefungen, die sich in einer bestimmten Richtung ausdehnen, wie bei einer Nut oder einem Graben.
  • Dementsprechend kann die thermische Grundfläche einen Verdampferbereich, einen adiabatischen Bereich und einen Kondensatorbereich aufweisen. Das Zwischensubstrat kann wiederum eine unterschiedliche Topographie in den verschiedenen Bereichen aufweisen, insbesondere in dem Verdampferbereich relativ zu einem adiabatischen Bereich.
  • 4(A) stellt eine Ausführungsform dar, bei dem das Zwischensubstrat 110 eine Vielzahl von Mikrostrukturen 112 umfasst, die mit der Dochtwirkungsstruktur 210 des Metallsubstrats 212 verschachtelt sind. Durch die Verschachtelung der Mikrostrukturen 112 des Zwischenbereichs mit der Dochtwirkungsstruktur 210 des Metallsubstrats 212 kann die Grenzfläche zwischen dem Festkörper und der Flüssigkeit wesentlich vergrößert werden. Dies kann die Kapillarkräfte erhöhen, die auf die Flüssigkeit einwirken, und kann die Wärmemenge erhöhen, die von dem Metallfestkörper auf die Flüssigkeit übertragen wird.
  • 4(B) stellt einen adiabatischen Bereich einer Ausführungsform dar, bei dem das Zwischensubstrat 110 in unmittelbarer Nähe der Dochtwirkungsstruktur 210 angeordnet ist. Ein festes Zwischensubstrat 110 kann verwendet werden, um die Dampfkammer 300 von der Dochtwirkungsstruktur 210 zu isolieren. Durch die Isolierung der Dampfkammer 300 von der Dochtwirkungsstruktur 210 kann die Fest-Flüssig-Grenzfläche vergrößert werden, und die Flüssigkeit kann im Wesentlichen die Dochtwirkungsstruktur 210 füllen, ohne dass ein Meniskus den Kanal belegt, was einen höheren Massendurchsatz für die Flüssigkeit mit einem geringeren viskosen Druckabfall bereitstellen könnte, verglichen mit den herkömmlichen TGPs, bei denen die Flüssigkeit in der Dochtwirkungsstruktur 210 direkt dem Dampf in der Dampfkammer 300 ausgesetzt sein kann, wobei sich ein Meniskus an der Flüssigkeits-/Dampf-Grenzfläche befindet.
  • 4(C) zeigt einen Kondensatorbereich einer Ausführungsform, bei dem die Dochtwirkungsstruktur 210 in direkter Verbindung mit der Dampfkammer 300 steht. Wenn die Dochtwirkungsstruktur 210 in direkter Verbindung mit der Dampfkammer 300 steht, kann der Dampf leichter an der Dochtwirkungsstruktur 210 kondensieren. Darüber hinaus können in Bereichen, wie dem Kondensator, keine signifikanten Druckunterschiede zwischen der flüssigen und der dampfförmigen Phase bestehen, und ein Zwischensubstrat 110 kann keine signifikanten Vorteile bieten.
  • Bei anderen Ausführungen jedoch, wenn der Kondensatorbereich relativ groß ist und es signifikante Druckunterschiede zwischen der flüssigen und der dampfförmigen Phase gibt, kann ein Zwischensubstrat 110 auch in dem Kondensatorbereich Vorteile bieten.
  • 4 (D) stellt eine verdeutlichende Ausführungsform einer Implementierung eines Zwischensubstrats 110, wie es oben beschrieben ist, dar. Der Verdampferbereich des Zwischensubstrats 110 weist Reihen von keilförmigen Fingern auf, die an jedem Ende abgestützt sind, so dass bei der Anordnung der TGP die Finger mit den Substrat-Dochtwirkungs-Mikrostrukturen 112 verschachtelt sind, wie es in 4 (A) dargestellt ist, wobei die verschachtelten Strukturen zu der Dampfkammer 300 freigelegt sind. Der adiabatische Bereich des Zwischensubstrats 110 ist eine Abdeckung, die einen Abschnitt der Dochtwirkungs-Mikrostrukturen 112 überlagert, wie es in 4(B) dargestellt ist. Der Kondensatorbereich kann bei einigen Ausführungsformen keine Komponente eines Zwischensubstrats 110 erfordern, wie es in 4(C) dargestellt ist.
  • Das Seitenverhältnis ist allgemein definiert als das Verhältnis einer Hauptabmessung einer Struktur zu einer anderen Hauptabmessung einer Struktur. Bei Pfeilern, Kanälen, Gräben, Nuten oder anderen Merkmalen, die in Wärmerohranwendungen verwendet werden, kann sich das effektive Seitenverhältnis auf das Verhältnis zwischen der Höhe und der Breite des Bereichs beziehen, der von einem Fluid eingenommen wird, wie beispielsweise einer Flüssigkeit 140, die durch eine Dochtwirkungsstruktur 210 fließt. Bei einigen Ausführungsformen kann das Zwischensubstrat 110 einen Abschnitt aufweisen (wie es z. B. in 4(A) dargestellt ist), der in Kombination mit der Dochtwirkungsstruktur 210 ein effektives Seitenverhältnis aufweist, das wesentlich größer ist als das Seitenverhältnis, das nur durch die Dochtwirkungsstruktur 210 bereitgestellt wird. Mit anderen Worten, das Zwischensubstrat 110 kann einen Bereich mit einer Vielzahl von Vorsprüngen aufweisen, die sich konform in die Dochtwirkungsstruktur 210 einfügen, um enge Fluiddurchgänge zu bilden, durch die das Fluid durch Kapillarkräfte getrieben wird. Die Vorsprünge können so geformt sein, dass sie in Merkmale in der Dochtwirkungsstruktur 210 passen, wie es in 4(A) dargestellt ist.
  • Für einige erwünschte Mikrobearbeitungsprozesse, wie z. B. nasschemisches Ätzen, kann es schwierig sein, ein hohes Seitenverhältnis bei der Dochtwirkungsstruktur 210 zu erzielen. Durch die Verschachtelung von zwei Strukturen kann ein höheres Seitenverhältnis bei der Dochtwirkungsstruktur erreicht werden, als dies sonst mit einer einzelnen nassgeätzten Struktur möglich ist. Das Zwischensubstrat 110 kann einen weiteren Abschnitt aufweisen (wie er z. B. in 4(B) dargestellt ist), der im Wesentlichen eine Kappe auf der Dochtwirkungsstruktur 210 ist, um viskose Verluste zu minimieren, die Flüssigkeit von dem Dampf zu isolieren, der sich in unmittelbarer Nähe darüber befindet, und das Strömungsvolumen zu verbessern. Bei einem dritten Abschnitt (wie es beispielhaft in 4(C) dargestellt ist) umfasst das Zwischensubstrat 110 Öffnungen, die offener sind als die Mikrostrukturen 112, um eine direkte Verbindung zwischen der Dochtwirkungsstruktur 210 und dem Dampfbereich zu ermöglichen und die Kondensation zu fördern. Dementsprechend können die Öffnungen des Zwischensubstrats wesentlich offener sein als die Mikrostrukturen, so dass die Dochtwirkungsstruktur und die Dampfkammer in mindestens einem Bereich der thermischen Grundfläche in direkter Verbindung stehen können.
  • Daher ermöglicht die Hinzufügung des Zwischensubstrats 110 eine Optimierung der Dochtwirkungsstruktur 210 in jedem der drei Betriebsbereiche der Kühleinrichtung, und zwar auf eine Weise, die mit Mikrobearbeitungsprozessen, wie z. B. Nassätztechniken, und Montagetechniken kompatibel sein könnte.
  • Ohne Verlust der Allgemeingültigkeit kann die Dochtwirkungsstruktur 210 durch Trockenätzen, nasschemisches Ätzen, andere Formen der Mikrobearbeitung, Makrobearbeitung, Sägen mit einer Dicing-Säge und viele andere Arten von Verfahren ausgebildet werden. Bei einigen Ausführungsformen kann das Trockenätzen Kanäle mit hohem Seitenverhältnis erzeugen, bei denen die Tiefe vergleichbar oder vielleicht sogar größer ist als die Breite der Kanäle. Das Trockenätzen kann jedoch auf kleinere Bereiche beschränkt sein und ist im Vergleich zu Nassätzverfahren möglicherweise nicht für die Fertigung in großem Maßstab geeignet. Ein maskenbasiertes Nassätzen kann wünschenswert sein, da es für relativ große Ätzbereiche anwendbar, kostengünstig und mit der Großserienfertigung kompatibel sein kann. Bei einigen Ausführungsformen können auf Photolithographie basierende Verfahren zum Trocken- oder Nassätzen verwendet werden.
  • Bei einigen Ausführungsformen kann die Dochtwirkungsstruktur 210 durch standardmäßige nasschemische Ätzverfahren ausgebildet sein. Bei einigen Ausführungsformen kann das nasschemische Ätzen das Seitenverhältnis begrenzen, welches das Verhältnis der Dochtwirkungskanaltiefe zu der Dochtwirkungskanalbreite ist. Bei einigen Ausführungsformen, die das Nassätzen verwenden, kann die Dochtwirkungskanalbreite mindestens 2 bis 2,5 mal breiter sein als die Dochtwirkungskanaltiefe. Bei einigen Ausführungsformen, bei denen die Dochtwirkungskanalbreite mindestens 2 bis 2,5 mal breiter ist als die Ätztiefe des Dochtwirkungskanals, können die Dochtwirkungskanäle mit niedrigem Seitenverhältnis erhebliche Nachteile aufweisen.
  • Der Druck zwischen der dampfförmigen und der flüssigen Phase kann durch den Laplace-Druck beschrieben werden, ΔP = Pv - Pl = 2 γ/R, wobei Pv der Dampfdruck, Pl der Flüssigkeitsdruck, γ die Oberflächenspannung und R der Krümmungsradius der Oberfläche ist. Ein hoher Druckunterschied zwischen der flüssigen und der dampfförmigen Phase kann durch eine Verringerung des Krümmungsradius R erreicht werden.
  • Im Allgemeinen kann ein kleinerer Krümmungsradius durch Materialoberflächen, die geringe Kontaktwinkel aufweisen, und durch die Bildung von Geometrien mit relativ kleinen geometrischen Abmessungen erreicht werden. Bei vielen Ausführungsformen kann es wünschenswert sein, geringe viskose Verluste für die durch die Dochtwirkungsstruktur 210 fließende Flüssigkeit zu haben. Kleine geometrische Abmessungen in der Dochtwirkungsstruktur 210 können die viskosen Verluste der Flüssigkeit, die durch die Dochtwirkungsstruktur 210 fließt, erheblich erhöhen. Daher kann es bei einigen Ausführungsformen schwierig sein, niedrige viskose Verluste zu erreichen und einen Meniskus mit einem kleinen Krümmungsradius zu haben, der eine hohe Druckdifferenz zwischen der Dampf- und der Flüssigkeitsphase unterstützen kann. Die vorliegende Anmeldung offenbart Mittel, die bei einigen Ausführungsformen für maximale Kapillarkräfte ausgestaltet sein können, um große Druckdifferenzen zwischen der flüssigen und der dampfförmigen Phase, z. B. im Verdampferbereich, zu unterstützen. Die vorliegende Anmeldung offenbart Mittel, bei denen einige Ausführungsformen ausgestaltet sein können, um viskose Verluste der in der Dochtwirkungsstruktur 210 fließenden Flüssigkeit zu minimieren, indem unterschiedliche Strukturen in den verschiedenen Bereichen verwendet werden.
  • 5 stellt Profilansichten von Strukturkomponenten einer verdeutlichenden Ausführungsform dar, bei der die Strukturen nicht benetzt (d. h. trocken) sind und von einer Flüssigkeit benetzt sind: (A) nicht-benetzte Strukturkomponenten in dem Verdampferbereich, (B) benetzte Strukturkomponenten in dem Verdampferbereich, (C) nicht-benetzte Strukturkomponenten in dem adiabatischen Bereich, (D) benetzte Strukturkomponenten in dem adiabatischen Bereich, (E) nicht-benetzte Strukturkomponenten in dem Kondensatorbereich, (F) benetzte Strukturkomponenten in dem Kondensatorbereich.
  • 5(A) stellt eine Profilansicht einer verdeutlichenden Ausführungsform dar, bei der das Zwischensubstrat 110 eine Vielzahl von Mikrostrukturen 112 umfasst, die mit der Dochtwirkungsstruktur 210 des Metallsubstrats 212 verschachtelt sind.
  • Die Vielzahl von Mikrostrukturen 112 sind mit der Dochtwirkungsstruktur 210 des Metallsubstrats 212 verschachtelt, und wobei die Mikrostrukturen 112 und die Dochtwirkungsstruktur 210 von einer Flüssigkeit 140 benetzt werden. Der Pfeil in 5(B) zeigt, wo sich die Flüssigkeit in den engen Zwischenräumen sammelt.
  • Durch die Verschachtelung der Mikrostrukturen 112 des Zwischensubstrats 110 mit der Dochtwirkungsstruktur 210 des Metallsubstrats 212 kann die Grenzfläche zwischen dem Festkörper und der Flüssigkeit 140 wesentlich vergrößert werden. Dies kann die Kapillarkräfte erhöhen, die auf die Flüssigkeit 140 einwirken, und kann die Wärmemenge erhöhen, die von dem Metallfestkörper auf die Flüssigkeit 140 übertragen wird.
  • 5(B) stellt den Meniskus 180 an der Flüssigkeits-Dampf-Grenzfläche dar. Bei einigen Ausführungsformen können die Zwischenräume zwischen der Vielzahl von Mikrostrukturen 112, die in dem Zwischensubstrat 110 enthalten sind, und der Dochtwirkungsstruktur 210 so ausgebildet sein, dass sie wesentlich kleiner sind als die Tiefe der Dochtwirkungsstruktur 210. Bei einigen Ausführungsformen können die relativ kleinen Zwischenräume zwischen der Vielzahl von Mikrostrukturen 112, die in dem Zwischensubstrat 110 enthalten sind, und der Dochtwirkungsstruktur 210 effektiv Dochtwirkungskanäle mit einem höheren Seitenverhältnis bereitstellen, verglichen mit einigen Ausführungsformen, bei denen die Dochtwirkungsstruktur 210 durch Nassätzen eines einzelnen Metallsubstrats 212 ausgebildet ist (wie es üblich und in 4(C) dargestellt ist).
  • Bei einigen Ausführungsformen kann Titan als Substratmaterial verwendet werden. Die Wärmeleitfähigkeit von Titan ist ungefähr kTi = 20 W/(m·K) und von flüssigem Wasser ist ungefähr kw = 0,6 W/(m. K). Da die Wärmeleitfähigkeit von Titan etwa 30-mal höher ist als die von flüssigem Wasser, kann das Zwischensubstrat 110 zusätzliche Wärmeleitpfade bereitstellen, die den Wärmewiderstand zwischen der Außenfläche der thermischen Grundfläche und der Flüssigkeit 140, die sich in der Dochtwirkungsstruktur 210 befindet, verringern können. Darüber hinaus können die in dem Zwischensubstrat 110 enthaltenen Mikrostrukturen 112 die Fest-Flüssig-Grenzfläche vergrößern, was den Wärmewiderstand verringern und den kritischen Wärmestrom, der zwischen dem Titan-Festkörper und der Flüssigkeit 140 auftreten kann, erhöhen kann.
  • Bei einigen Ausführungsformen kann die Kombination aus der Dochtwirkungsstruktur 210 und dem Zwischensubstrat 110 das Seitenverhältnis der Kanäle in der Dochtwirkungsstruktur 210 effektiv erhöhen. Bei sehr großen Druckunterschieden zwischen der flüssigen und der dampfförmigen Phase kann der Meniskus 180 nach unten gedrückt werden und die Oberseite der Dochtwirkungsstruktur 210 nicht benetzt werden. Bei solchen Ausführungsformen kann jedoch die Form der zusammengesetzten Dochtwirkungsstruktur 210, die durch Verschachtelung der Mikrostrukturen 112 des Zwischensubstrats 110 mit der Dochtwirkungsstruktur 210 gebildet wird, so gewählt werden, dass bei großen Druckdifferenzen über den Meniskus 180 nur ein teilweises Austrocknen (oder zumindest ein wesentlich verzögertes Austrocknen) der Dochtwirkungsstruktur 210 auftritt (so dass die TGP weiterhin funktioniert) und die thermische Grundfläche keine katastrophale Austrocknung erfährt.
  • Bei herkömmlichen Zweiphasen-Wärmeübertragungseinrichtungen können Instabilitäten aufgrund von Verdampfung und/oder Sieden auftreten, wenn die flüssige Phase in die dampfförmige Phase umgewandelt wird. Diese Instabilitäten können zu einer lokalen Austrocknung der Dochtwirkungsstruktur 210 führen und die Leistung der thermischen Grundfläche beeinträchtigen. Diese Instabilitäten können bei einigen der aktuellen Ausführungsformen erheblich verringert werden. Beispielsweise kann bei solchen Ausführungsformen die Form der Dochtwirkungsstruktur 210, die durch Verschachtelung der Mikrostrukturen 112 des Zwischensubstrats 110 mit der Dochtwirkungsstruktur 210 gebildet wird, so gewählt werden, dass ein erheblicher viskoser Widerstand gegen den Flüssigkeitsstrom in der Dochtwirkungsstruktur 210 vorhanden ist. Dieser viskose Widerstand kann vorteilhaft sein, da er die Stabilität des Verdampfungs- und/oder Siedeprozesses, der in dem Verdampfer auftreten kann, erhöhen kann.
  • 5(B) stellt eine Profilansicht eines adiabatischen Bereichs einer Ausführungsform dar, bei dem das Zwischensubstrat 110 in unmittelbarer Nähe der Dochtwirkungsstruktur 210 angeordnet ist. Bei einigen Ausführungsformen kann das Zwischensubstrat 110 direkt oberhalb der Dochtwirkungsstruktur 210 angeordnet sein. Bei einigen Ausführungsformen kann das Zwischensubstrat 110 Mikrostrukturen 112 umfassen. Bei einigen Ausführungsformen kann ein festes Zwischensubstrat 110 verwendet werden, um die Dampfkammer 300 von der Dochtwirkungsstruktur 210 zu isolieren. Durch die Isolierung der Dampfkammer 300 von der Dochtwirkungsstruktur 210 kann die Fest-Flüssig-Grenzfläche vergrößert werden, und die Flüssigkeit 140 kann die Dochtwirkungsstruktur 210 im Wesentlichen ausfüllen, was im Vergleich zu herkömmlichen Dochtwirkungsstrukturen 210 eine höhere Massenflussrate der Flüssigkeit mit weniger viskosem Druckabfall bereitstellen kann.
  • 5(C) stellt eine Profilansicht eines adiabatischen Bereichs einer Ausführungsform dar, bei dem das Zwischensubstrat 110 in unmittelbarer Nähe der Dochtwirkungsstruktur angeordnet ist und bei der die Dochtwirkungsstruktur 210 von der Flüssigkeit 140 benetzt wird. Ein festes Zwischensubstrat 110 kann verwendet werden, um die Dampfkammer 300 von der Dochtwirkungsstruktur 210 zu isolieren. Indem die Dampfkammer 300 von der Dochtwirkungsstruktur 210 isoliert wird, kann die Fest-Flüssig-Grenzfläche vergrößert werden, und die Flüssigkeit 140 kann im Wesentlichen die Dochtwirkungsstruktur 210 füllen, was eine höhere Massenflussrate für die Flüssigkeit mit weniger viskosem Druckabfall im Vergleich zu früheren Dochtwirkungsstrukturen 210 bereitstellen kann.
  • Bei einigen Ausführungsformen, bei denen eine Hochleistungs-Wärmeenergieübertragung gewünscht ist, kann es wichtig sein, die viskosen Verluste der Flüssigkeit in dem adiabatischen Bereich zu verringern. Bei einigen Ausführungsformen kann ein Zwischensubstrat 110 verwendet werden, um die Dampfkammer 300 von der Flüssigkeit 140 in der Dochtwirkungsstruktur 210 zu isolieren. Bei einigen Ausführungsformen, bei denen ein großer Druckunterschied zwischen dem Dampf und der Flüssigkeit in der Dochtwirkungsstruktur 210 besteht, kann die Dampfkammer 300 von der Flüssigkeit in der Dochtwirkungsstruktur 210 durch ein festes Zwischensubstrat 110 isoliert werden, was verhindern kann, dass der hohe Druckunterschied die Strömung der Flüssigkeit in der Dochtwirkungsstruktur 210 negativ beeinflusst.
  • Bei früheren TGPs konnten nassgeätzte Dochtwirkungskanäle geringe Seitenverhältnisse (d. h. ein geringes Verhältnis zwischen der Kanalhöhe und der Kanalbreite) aufweisen. Bei einigen Ausführungsformen kann es vorkommen, dass bei einem großen Druckunterschied zwischen der dampfförmigen und der flüssigen Phase die flüssige Phase den Dochtwirkungskanal nicht vollständig ausfüllt und die Strömung der Flüssigkeit 140 durch die Dochtwirkungsstruktur 210 negativ beeinflusst wird, was zum Austrocknen des Dochtwirkungskanals führen kann. Bei einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung kann ein Zwischensubstrat 110 verwendet werden, um die Dampfkammer 300 von der in der Dochtwirkungsstruktur 210 enthaltenen Flüssigkeit 140 zu isolieren, und kann das Austrocknen der Dochtwirkungsstruktur 210 verzögern oder sogar verhindern. Die Flüssigkeit 140 kann sich in den schmalen Bereichen sammeln, wie es in 5(D) dargestellt ist, und ein Meniskus (nicht gezeigt) kann sich an dem Boden und an den Seiten der Dochtwirkungsstruktur 210 bilden.
  • In 5(D) kann die Dochtwirkungsstruktur 210 in direkter Verbindung mit der Dampfkammer 300 stehen. Wenn die Dochtwirkungsstruktur 210 in direkter Verbindung mit der Dampfkammer 300 steht, kann der Dampf leichter an der Dochtwirkungsstruktur 210 kondensieren. Darüber hinaus kann es in Bereichen, wie z. B. dem Kondensator, zu keinen signifikanten Druckunterschieden zwischen der flüssigen und der dampfförmigen Phase kommen, und ein Zwischensubstrat 110 kann keine signifikanten Vorteile bieten. In einem Fall jedoch, in dem der Kondensatorbereich groß ist, können signifikante Druckunterschiede zwischen der flüssigen Phase und der dampfförmigen Phase bestehen, und dementsprechend kann der Kondensatorbereich von mindestens einem Zwischensubstrat 110 mit Mikrostrukturen 112 profitieren, deren Wirkung darin besteht, das Seitenverhältnis der Dochtwirkungsstruktur 210 zu erhöhen, wodurch die Länge des Meniskus 180 verkürzt wird und somit der Umfang eines Drucks erhöht wird, den der Meniskus 180 halten kann, wie es oben für den Verdampfungsbereich beschrieben ist. Wie es in 5(D) dargestellt ist, kann sich Flüssigkeit 140 in den Gräben der Dochtwirkungsstruktur 210 sammeln.
  • Wie in 5(D) dargestellt ist, kann die Dochtwirkungsstruktur 210 in direkter Verbindung mit der Dampfkammer 300 stehen, so dass die Dochtwirkungsstruktur 210 von einer Flüssigkeit 140 benetzt wird. Bei einigen Ausführungsformen kann es keinen signifikanten Druckunterschied zwischen der Dampfkammer 300 und der Flüssigkeit 140 in der Dochtwirkungsstruktur 210 geben, und ein Zwischensubstrat 110 kann keine signifikanten Vorteile bieten. Für einen Fall, in dem der Kondensatorbereich groß ist, kann jedoch ein signifikanter Druckunterschied zwischen der flüssigen Phase und der dampfförmigen Phase bestehen, und dementsprechend kann der Kondensatorbereich absehbar von Mikrostrukturen 112 profitieren, deren Wirkung darin besteht, das Seitenverhältnis der Dochtwirkungsstruktur 210 zu erhöhen und den Umfang des Drucks zu erhöhen, den der Meniskus halten kann, wie es oben für den Verdampfungsbereich beschrieben ist.
  • 6 stellt Druckprofile als Funktion einer axialen Lage für eine verdeutlichende Ausführungsform einer thermischen Grundfläche dar. Die Kurven stellen den Druck der dampfförmigen Phase in der Dampfkammer 300 und der flüssigen Phase in der Dochtwirkungsstruktur 210 dar. Bei einer verdeutlichenden Ausführungsform kann die maximale Druckdifferenz zwischen der flüssigen und der dampfförmigen Phase in dem Verdampferbereich auftreten. Bei einer beispielhaften Ausführungsform kann die minimale Druckdifferenz zwischen der dampfförmigen und der flüssigen Phase in dem Kondensatorbereich auftreten.
  • Die Dochtwirkungsstrukturen 210 können Kanäle, Pfeiler oder anderen Strukturen umfassen. Wenn diese Strukturen durch Nassätzung oder andere Herstellungsverfahren gebildet werden, können sie Merkmale mit geringen Seitenverhältnissen umfassen. Frühere Dochtwirkungsstrukturen 210 konnten Kanäle oder Pfeiler mit geringem Seitenverhältnis umfassen und wiesen keine Zwischenstruktur auf. Bei diesen früheren Dochtwirkungsstrukturen 210 mit geringem Seitenverhältnis kann ein großer Druckunterschied zwischen der flüssigen Phase und der dampfförmigen Phase dazu führen, dass sich der Meniskus 180 zwischen den beiden Phasen zu dem Boden des Kanals hin ausdehnt, wodurch sich die Flüssigkeitsmenge 140, die den Kanal einnimmt, verringert und sich der Massenstrom der Flüssigkeit erheblich verringert. Dies wiederum kann eine schlechte Wärmeübertragungsleistung und ein mögliches Austrocknen der Dochtwirkungsstruktur 210 verursachen.
  • Wie in 6 dargestellt ist, tritt der höchste Dampfdruck typischerweise in dem Verdampferbereich auf, und der Dampfdruck steigt aufgrund von viskosen Verlusten mit der von der TGP übertragenen Wärmemenge an. Darüber hinaus kann es wünschenswert sein, die Gesamtdicke der thermischen Grundfläche so dünn wie praktisch möglich zu machen, was dadurch erreicht werden kann, dass die Dampfkammer 300 relativ dünn ausgeführt ist. Eine relativ dünne Dampfkammer 300 kann zu erheblichen viskosen Verlusten des in der Dampfkammer 300 von dem Verdampfer durch den adiabatischen Bereich zu dem Kondensator strömenden Dampfes führen. Hohe viskose Verluste des in der Dampfkammer 300 strömenden Dampfes können auch zu einer großen Druckdifferenz zwischen der flüssigen und der dampfförmigen Phase in dem Verdampfer beitragen. Eine Struktur des Zwischensubstrats 110, die das Seitenverhältnis der Dochtwirkungsstruktur 210 erhöht, wie es oben beschrieben ist, hat den Effekt, dass die Länge des Meniskus 180 der Flüssigkeits/Dampf-Grenzfläche in diesem Teil der Dochtwirkungsstruktur 210 verringert wird, wodurch der Meniskus 180 widerstandsfähiger gegen hohen Druck des Meniskus 180 wird (5(B)) und die TGP in der Lage ist, viel höhere Drücke zu unterstützen als frühere Implementierungen. Dementsprechend kann mindestens ein Bereich des mindestens einen Zwischensubstrats eine Vielzahl von Mikrostrukturen aufweisen, die mit mindestens einem Bereich der Dochtwirkungsstruktur verschachtelt sind, um Dochtwirkungsstrukturen mit einem hohen Seitenverhältnis zu bilden, in mindestens einem Bereich der thermischen Grundfläche. Darüber hinaus kann sich mindestens ein Zwischensubstrat in unmittelbarer Nähe der Dochtwirkungsstruktur befinden, um die flüssige Phase und die dampfförmige Phase in mindestens einem Bereich der thermischen Grundfläche zu isolieren.
  • Durch die Unterstützung höherer Druckdifferenzen zwischen der flüssigen Phase und der dampfförmigen Phase kann mehr Wärme übertragen werden, ohne die Dochtwirkungsstruktur 210 auszutrocknen, und die TGP wird widerstandsfähiger gegen viskose Verluste, die sich durch dünnere Designs ergeben. Somit kann durch das Hinzufügen des Zwischensubstrats 110 gleichzeitig eine höhere Wärmeübertragung und dünnere Grundflächen erreicht werden.
  • Bei einigen Ausführungsformen kann die thermische Grundfläche mit einer bestimmten Masse eines gesättigten Flüssigkeits/Dampf-Gemisches gefüllt werden, so dass der Druckunterschied zwischen der dampfförmigen und der flüssigen Phase in dem Kondensator gut gesteuert wird. Bei einigen Ausführungsformen kann die Masse des Flüssigkeits/Dampf-Gemischs so gewählt werden, dass ein Teil des Kondensatorbereichs Flüssigkeit mit einem höheren Druck als der angrenzende Dampf enthalten kann.
  • Eine frühere thermische Grundfläche aus Titan konnte nur in der Lage sein, thermische Energie von etwa 10 W zu übertragen, bevor die Dochtwirkungsstruktur 210 bei einer Betriebsdampftemperatur von 30 °C eine Austrocknung zeigt, verglichen mit 30 W für eine veranschaulichende Ausführungsform der aktuellen thermischen Grundfläche unter Verwendung eines Zwischensubstrats 110. In ähnlicher Weise erhöht sich, wenn die Dampftemperatur erhöht wird, die maximal übertragene Wärmeenergie bei einer verdeutlichenden Ausführungsform der aktuellen thermischen Grundfläche auf 35 W bzw. 40 W bei einer Betriebsdampftemperatur von 50 °C bzw. 70 °C. In allen Fällen ist die maximal übertragene thermische Energie für eine veranschaulichende Ausführungsform der aktuellen thermischen Grundfläche 15 - 20 W höher als die, die bei einer früheren thermischen Grundfläche beobachtet wird.
  • 7 stellt ein Flussdiagramm der Ausbildung einer oder mehrerer Ausführungsformen der aktuellen Ti-basierten TGP gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar. Bei einigen Ausführungsformen kann eine thermische Energie transportiert werden durch (1) Ausbilden einer Vielzahl von Metallmikrostrukturen in einem Metallsubstrat der thermischen Grundfläche, um in Schritt S100 eine Dochtwirkungsstruktur auszubilden. In Schritt S110 kann ein Dampfraum ausgebildet werden. In Schritt S120 wird mindestens eine Struktur und/oder mindestens eine Mikrostruktur in einem Zwischensubstrat ausgebildet, das mit der Dochtwirkungsstruktur und dem Dampfraum in Verbindung steht, wobei das Zwischensubstrat so geformt und angeordnet ist, dass das effektive Seitenverhältnis der Dochtwirkungsstruktur in mindestens einem Bereich der Dochtwirkungsstruktur erhöht ist. In Schritt S130 kann ein Fluid innerhalb der thermischen Grundfläche enthalten sein. In Schritt S140 kann eine thermische Energie von mindestens einem Bereich des Metallsubstrats zu mindestens einem anderen Bereich des Metallsubstrats durch eine Fluidbewegung transportiert werden, die durch Kapillarkräfte angetrieben wird und sich aus der Vielzahl von Mikrostrukturen ergibt.
  • 8 stellt ein Flussdiagramm der Ausbildung einer oder mehrerer Ausführungsformen der aktuellen TGP auf Ti-Basis gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar. Bei einigen Ausführungsformen kann eine metallbasierte thermische Grundfläche durch das folgende Verfahren ausgebildet werden. In Schritt S200 wird das erste Substrat ausgebildet. In Schritt S210 wird ein zweites Substrat ausgebildet. In Schritt S220 wird mindestens ein Zwischensubstrat ausgebildet. In Schritt S230 werden die Substrate miteinander verbunden. In Schritt S240 wird die thermische Grundfläche ausgebildet.
  • 9 stellt veranschaulichende Ausführungsformen einer Dochtwirkungsstruktur 210 in Kommunikation mit einem Zwischensubstrat 110 dar. Das effektive Seitenverhältnis ist definiert als das Verhältnis der effektiven Kanalhöhe h zu der effektiven Kanalbreite w: (A) stellt eine veranschaulichende Ausführungsform dar, bei der die Mikrostrukturen 112 des Zwischensubstrats 110 mit der Dochtwirkungsstruktur 210 verschachtelt sind, (B) stellt eine alternative Ausführungsform dar, bei der die Mikrostrukturen 112 des Zwischensubstrats 110 oberhalb der Dochtwirkungsstruktur 210 angeordnet sind.
  • Die in 9 dargestellten Ausführungsformen können effektive Seitenverhältnisse bereitstellen, die höher sind als die, die durch die Dochtwirkungsstruktur 210 ohne ein Zwischensubstrat 110 erzielt werden können. Wenn die Dochtwirkungsstruktur 210 beispielsweise durch ein Nassätzverfahren oder ein anderes isotropes Ätzverfahren ausgebildet ist, kann das Seitenverhältnis h/w kleiner als Eins oder wesentlich kleiner als Eins sein. Bei Verwendung eines Zwischensubstrats 110 können höhere effektive Seitenverhältnisse des Fluidkanals zwischen der Dochtwirkungsstruktur 210 und dem Zwischensubstrat 110 erreicht werden. Bei einigen Ausführungsformen ist zum Beispiel h/w > 1, wobei h die effektive Höhe (oder Tiefe) des Fluidkanals und w die Breite ist.
  • 9(B) stellt eine alternative Ausführungsform dar, die Vorteile aufweisen kann, wenn relativ geringe viskose Verluste erwünscht sind.
  • Da sie robust, effektiv, klein und stoßfest sind, können Zweiphasen-Kühleinrichtungen, wie z. B. thermische Grundflächen (TGPs), besonders für mobile oder tragbare Anwendungen geeignet sein. Zum Beispiel kann die oben beschriebene thermische Grundfläche auf Titanbasis (TiTGP) für den Einsatz in einer tragbaren Einrichtung angepasst werden, um die Robustheit und Effizienz zu erhöhen und die Größe und Kosten zu verringern. Eine solche Einrichtung, die häufig verwendet wird, ist als ein Smartphone bekannt. Die hier beschriebenen Strukturen können jedoch auch bei anderen mobilen Rechen- und/oder Kommunikationseinrichtungen, wie Laptops, Karten und Tablets, Smartphones und am Kopf getragene Einrichtungen, angewendet werden.
  • Eine vereinfachte Querschnittsansicht der titanbasierten thermischen Grundfläche, wie sie für die tragbare Anwendung angepasst ist, ist in 10 dargestellt. Die auf Titan basierende thermische Grundfläche kann im Allgemeinen die gleiche Struktur aufweisen, wie sie zuvor in den 1, 3 und 5 dargestellt ist. Ein wichtiger Unterschied ist jedoch, dass anstelle eines Verdampferbereichs, eines adiabatischen Bereichs und eines Kondensatorbereichs, wie es in 3 dargestellt ist, der Kondensatorbereich (und die Wärmesenke) fehlen können. Stattdessen wird die Wärme durch die Konvektionsströme in dem Dampf übertragen. So kann die TiTGP für tragbare Geräte vollständig in einem Dampfmodus betrieben werden, so dass der Dampf aufgrund der Temperaturen und des begrenzten Platzes in einem bestimmten Bereich nie wirklich zu einer Flüssigkeit kondensiert. Als Ergebnis gibt es einfach die Wärmequelle 250, die die integrierte Schaltung 450 ist, die Wärme auf die Dochtwirkungsstruktur 210 aufbringt. Die Wärme verdampft die Flüssigkeit in der Dampfkammer 300. Der Dampf bildet sich schließlich als Flüssigkeit in dem äußersten rechten Bereich der in 10 dargestellten thermischen Grundfläche wieder aus. Die Flüssigkeit wird dann über eine Dochtwirkungsstruktur zu der Wärmequelle zurückgeführt. Eine solche TiTGP kann mindestens etwa 5 W ableiten, wenn sie in diesem Modus arbeitet, und ist somit in der Lage, die vom IC 450 erzeugten 2-3 W abzuführen.
  • Die Begriffe „Zweiphasen-Kühleinrichtungen“ und „thermische Grundfläche“ werden hier austauschbar verwendet. Beide Begriffe können die thermische Grundfläche auf Titanbasis (TiTGP) bezeichnen, die oben mit Bezug zu den 1-10 beschrieben wurde.
  • Die in 10 dargestellte Dochtstruktur 210 kann z. B. die zuvor in den 1-4 beschriebene Dochtstruktur sein. Die Dochtwirkungsstruktur 210 kann zum Beispiel.jede der oben in Bezug auf die Dochtwirkungsstruktur 10 und 210 und in den 1, 3, 4 und 5 beschriebenen Optionen enthalten. Insbesondere kann die Dochtwirkungsstruktur 210 mindestens einen Bereich aufweisen, der eine Vielzahl von Mikrostrukturen 112 mit charakteristischen Abmessungen von 1 - 1000 Mikrometern aufweist. Die Dochtwirkungsstruktur 210 kann darüber hinaus eine Vielzahl von Mikrostrukturen aufweisen, die mit mindestens einem Bereich der Dochtwirkungsstruktur verschachtelt sind, um Dochtwirkungsstrukturen mit hohem effektiven Seitenverhältnis in mindestens einem Bereich der thermischen Grundfläche auszubilden. Innerhalb der Dochtwirkungsstruktur 210 können eine flüssige Phase und eine dampfförmige Phase jeweils in einem separaten Bereich innerhalb der thermischen Grundfläche existieren. Die thermische Grundfläche kann ein Zwischensubstrat mit Vorsprüngen aufweisen, wie es zuvor beschrieben ist. Mögliche Formen, Größen und Seitenverhältnisse sind bereits beschrieben worden, die enge Kanäle ausbilden können. Der Einfachheit und Klarheit der Darstellung halber sind diese Details in den 13-18 nicht dargestellt, und stattdessen ist die TiTGP allgemein so dargestellt, dass sie eine Dochtwirkungsstruktur 210 oder 510 und eine Rückfläche 220 oder 520 umfasst.
  • Dementsprechend ist die thermische Grundfläche 500 so dargestellt, dass sie zwei grundlegende Komponenten aufweist, eine Titan-Rückfläche 520 und die titanbasierte Dochtfläche 510 . Die generische Dochtwirkungsstruktur 510 sollte so verstanden werden, dass sie jedes oder alle der zuvor beschriebenen Merkmale aufweisen kann, wie z. B. ein Zwischensubstrat, Mikrostrukturen, Abstandshalter und Metallsubstrate, wie sie in den 1-9 beschrieben sind. Die Rückfläche 520 und die Dochtwirkungsstruktur 510 können durch eine Laserschweißung, wie es zuvor beschrieben ist, verbunden werden. Die Gesamtdicke dieser Bereiche liegt in der Größenordnung von 0,5 mm.
  • Die Komponenten der tragbaren Einrichtung sind in 11 dargestellt und können eine Kunststoff- oder Metallvorderseite 410 einschließlich der Vorderscheibe, eine mittlere Halterung oder einen Rahmen 420 und eine Kunststoff- oder Metallrückseite 430 aufweisen.
  • Die vordere Oberfläche 410 kann eine LED-Glasbildschirmoberfläche aufweisen. Der Mittelrahmen 420 und die Rückfläche 430 bestehen typischerweise aus einer Aluminiumlegierung. Insbesondere können sowohl der Mittelrahmen 420 als auch die Rückfläche 430 aus Aluminium oder einer Aluminium-Magnesium-Legierung hergestellt sein, um ein geringes Gewicht und eine hohe Festigkeit zu erreichen. Der Mittelrahmen 420 sorgt für die mechanische Steifigkeit und kann zusammen mit der Rückfläche das Skelett der tragbaren Einrichtung bilden und für mechanische Festigkeit und Robustheit sorgen.
  • Der Mittelrahmen 420 stellt der tragbaren Einrichtung 400 oft strukturellen Halt und eine Steifigkeit bereit. Der Mittelrahmen überspannt im Allgemeinen den Innenbereich des Gehäuses. Die Schaltung, die die tragbare Einrichtung steuert, kann auf einem Chip 450 mit integrierter Schaltung enthalten sein, der im Außengehäuse eingeschlossen ist und an dem Mittelrahmen befestigt sein kann. Innerhalb des Außengehäuses kann auch ein Lüfter vorgesehen sein, um die Wärme zu verteilen, die typischerweise von der Schaltung erzeugt wird, die die tragbare Einrichtung betreibt. Der Mittelrahmen 420 ist im Allgemeinen etwa 0,2 bis 0,8 mm und häufig etwa 0,5 mm dick, wie es in 11 dargestellt ist.
  • Die vordere Oberfläche 410 und die hintere Oberfläche 430 aus Metall oder Kunststoff können das Außengehäuse der tragbaren Einrichtung bilden, im Gegensatz zu dem Mittelrahmen 420, der im Allgemeinen in dem Inneren des Außengehäuses angeordnet ist und oft aus Metall besteht. Die meisten Smartphones weisen beispielsweise mehrere Schichten auf, die eine äußere Hülle und ein inneres Skelett ausbilden. 11 ist somit eine vereinfachte, generische Querschnittsansicht einer tragbaren Einrichtung 400, wie z. B. eines Smartphones.
  • Um die von dem IC erzeugte Wärme abzuführen, ist häufig ein Wärmerohr 440 in dem Gehäuse vorhanden. 12 stellt eine Ausführungsform einer tragbaren Einrichtung 400 mit einem Wärmerohr 440 dar. Die derzeit existierende Wärmerohr-Technologie 440 ist relativ dick und ineffizient. Die meisten Ausführungsformen der bestehenden Wärmerohr-Technologie weisen eine Dicke in der Größenordnung von 0,4 mm auf und tragen erheblich zur Gesamtdicke und zum Gewicht des Smartphones bei. Da Platz und Gewicht bei diesen kleinen Einrichtungen sehr knapp bemessen sind, suchen Unternehmen verzweifelt nach dünneren und effektiveren thermischen Lösungen für diese tragbaren Einrichtungen. Kühlere Temperaturen erhöhen die Zuverlässigkeit und die Lebensdauer der Einrichtung, reduzieren oder eliminieren vollständig das Lüftergeräusch der tragbaren Einrichtung und verlängern auch die Lebensdauer der Batterie.
  • Ein Ansatz zur Ableitung von mehr Wärme bei Verwendung des Wärmerohrs ist die Anordnung von dünnen Graphitschichten in dem Inneren, die zwischen dem Chip und der vorderen Rahmenfläche 410, dem Metallrahmen 420 oder der hinteren Rückfläche 430 angeordnet sind. Graphit ist jedoch teuer, die Schichten sind dick, etwa 0,3 mm, und können wegen dieser mechanischen Zerbrechlichkeit und Bruchneigung nicht dünner hergestellt werden. Als thermische Lösung ist es nicht sehr effizient, und als leitendes Element hat es die Möglichkeit, den IC-Chip 450 kurzzuschließen. Dementsprechend sind die Hersteller auf der Suche nach einer neuen Lösung, um die Wärme von dem Chip weg zu leiten, so dass die tragbare Einrichtung effizient, zuverlässig und komfortabel zu benutzen ist, und um die Zeit zwischen den Akkuladungen zu maximieren. Es sei angemerkt, dass die Gesamtdicke des Mittelrahmens der tragbaren Einrichtung mit einem Wärmerohr fast 1 mm beträgt.
  • Im Gegensatz zu dem herkömmlichen Wärmerohr 440 kann eine TiTGP verwendet werden, um die von den Wärmequellen, insbesondere dem IC-Chip 450, erzeugte Wärme innerhalb des Gehäuses der tragbaren Einrichtung 400 abzuführen.
  • Da die Gesamtdicke der Dochtstruktur 210 in der Größenordnung von etwa 0,1 bis 0,15 mm liegen kann, kann die Gesamtdicke der thermischen Grundfläche plus des Titan-Grundmetallrahmens in der Größenordnung von 0,6 bis 0,65 mm dick sein. Dementsprechend kann die Gesamtdicke des Mittelrahmens (einschließlich der TiTGP) der tragbaren Einrichtungen in der Größenordnung von 0,6 bis 0,65 mm liegen. Dies ermöglicht eine Reduzierung der Gesamtdicke um fast einen halben Millimeter, wie es im Folgenden genauer beschrieben wird. Dies stellt eine wesentliche Verbesserung bei der Dicke gegenüber der zuvor beschriebenen traditionellen Wärmerohr-Technologie dar, wie es in 12 dargestellt wurde. Der integrierte Schaltkreis oder Chip kann wie zuvor direkt auf der Oberfläche der Dochtwirkungsstruktur 210 angeordnet sein. Zur Anbringung des Chips 450 an der Dochtstruktur 210 kann ein beliebiger wärmeleitender Klebstoff wie Wärmeleitfett oder Wärmeleit-Epoxid oder Vergussmasse verwendet werden.
  • Der Rest der 13-18 stellt verschiedene Möglichkeiten der Implementierung der TiTGP aus 10 in einer tragbaren Einrichtung 400 dar. Wie aus der folgenden Beschreibung hervorgeht, wird die TiTGP sowohl als thermische Struktur (zur Wärmeableitung) als auch als mechanische Struktur (für Festigkeit und Steifigkeit) verwendet. Es kann auch eine elektrische Komponente sein, indem Abschirmungseigenschaften zur Isolierung der mobilen Einrichtung bereitgestellt werden. Die Verwendung von Titan für die TiTGP ist in dieser Hinsicht ein wichtiger Leistungsvorteil und motiviert seine Verwendung trotz der höheren Kosten des Titans im Allgemeinen. Dementsprechend kann die TiTGP sowohl ein strukturelles Material, das zum Aufbau der mobilen Anwendung verwendet wird, als auch ein Thermomodul, sowie eine elektrische Komponente sein. Dementsprechend kann die TiTGP 500 strukturelle, thermische und elektrische Vorteile aufweisen.
  • Die hier offengelegte und in den 13-18 dargestellte verbesserte tragbare Einrichtung basiert auf einem Titan-Wärmerohr oder auf einer thermischen Titan-Grundfläche (TiTGP). Die TiTGP 500 kann so sein, wie es oben in den 1-10 beschrieben ist, kann jedoch für die Anwendung in einer tragbaren Einrichtung angepasst werden. Im Allgemeinen kann die tragbare Einrichtung eine thermische Grundfläche mit einem in dem Inneren der tragbaren Einrichtung angeordneten Dampfraum umfassen, wobei die thermische Grundfläche eine Titan-Rückfläche 120 und eine Dochtwirkungsstruktur auf einem Metallsubstrat, eine integrierte Schaltung in thermischer Verbindung mit der thermischen Grundfläche und ein Außengehäuse, das die thermische Grundfläche und die integrierte Schaltung umschließt, umfasst.
  • Bei einer Ausführungsform kann die tragbare Einrichtung ein Mittelrahmenelement mit einem Zwischenraum aufweisen, der die thermische Grundfläche 500 aufnimmt, wobei die thermische Grundfläche 500 eine Dochtwirkungsstruktur 510 und eine Rückfläche 520 aufweist. Diese Ausführungsform ist zunächst in 13 dargestellt. Bei einer anderen Ausführungsform ist die TiTGP 500 in eine vorhandene Mittelrahmenstruktur 420 eingebettet oder an dieser angebracht, die aus Titan, Aluminium oder einer Aluminium-Magnesium-Legierung bestehen kann. In beiden Fällen stellt der Mittelrahmen sowohl mechanische (Festigkeit und Steifigkeit) als auch thermische Funktionen (Wärmeableitung) bereit und bleibt dabei trotzdem extrem dünn. Dieser Aufbau ist in 14 als zweites dargestellt.
  • Die erste beispielhafte Ausführungsform der tragbaren Einrichtung 400' unter Verwendung einer TiTGP ist in dem vereinfachten Querschnitt von 13 dargestellt. In 13 sind die vordere Fläche, die den Bildschirm 410 aufweist, die hintere Fläche 430 und ein Mittelrahmen 420 dargestellt. Der Mittelrahmen 420 kann aus Aluminium oder aus auf Aluminium basierenden Legierungen oder Titan bestehen, in das die TiTGP 500 eingeformt oder eingebettet ist. Dementsprechend kann die tragbare Einrichtung bei einer Ausführungsform eine thermische Grundfläche aufweisen, wobei die thermische Grundfläche ein Modul ist, das in ein Mittelrahmenelement der tragbaren Einrichtung eingefügt ist.
  • Bei dieser Ausführungsform kann der Mittelrahmen 420 einen darin ausgebildeten Hohlraum aufweisen, um eine eingefügte TiTGP 500 aufzunehmen. In diesem Fall kann ein Hohlraum mit einer Tiefe zwischen etwa 100 und etwa 1000 Mikrometern in dem titanbasierten Mittelrahmen 420 geätzt sein. Die TiTGP kann dann darin z. B. durch Schweißen, Verbinden oder Kleben angebracht sein. Dementsprechend kann die tragbare Einrichtung eine thermische Grundfläche aufweisen, die in einem in einem Mittelrahmenelement 420 ausgebildeten Hohlraum angeordnet ist, wobei das Mittelrahmenelement 420 Titan umfasst. Der in dem Mittelrahmenelement ausgebildete Hohlraum kann etwa 400 Mikrometer tief sein, wobei etwa 100 Mikrometer Titan das Mittelrahmenelement überspannen.
  • Die zweite beispielhafte Ausführungsform der tragbaren Einrichtung 400", die eine TiTGP verwendet, ist in 14 dargestellt. Die tragbare Einrichtung 400" kann ein Mittelrahmenelement 420 und eine thermische Grundfläche aufweisen, wobei die thermische Grundfläche 500 eine Dochtwirkungsstruktur 510 und eine Rückfläche 520 aufweist, wobei das Mittelrahmenelement 420 auch die Rückfläche 520 der thermischen Grundfläche 500 ausbildet. Die Einrichtung 400" kann auch eine integrierte Schaltung aufweisen, wobei die integrierte Schaltung an der Dochtwirkungsstruktur 510 der thermischen Grundfläche 500 befestigt ist und mit dieser in thermischer Verbindung steht. Der Dampfraum 530 der thermischen Grundfläche 500 kann zwischen der Titan-Rückfläche 520 ausgebildet und durch Schweißen mit der Dochtwirkungsstruktur 510 abgedichtet sein, wodurch die thermische Grundfläche 500 ausgebildet ist.
  • Dementsprechend bildet bei dieser Ausführungsform die TiTGP eine integrale Komponente, so dass die Mittelstruktur in das Design der TiTGP integriert ist und als Rückfläche 120 dient. In diesem Fall kann der Mittelrahmen 420 Titan umfassen. In dem Mittel-Titanelement 420 kann ein 0,4 mm großer Hohlraum ausgebildet sein, der den Dampfraum 530 für die TiTGP 500 darstellt. Dementsprechend kann die tragbare Einrichtung bei dieser Ausführungsform eine thermische Grundfläche 500 aufweisen, die ihrerseits einen Dampfraum 530 umfasst, wobei der Dampfraum 530 von der Dochtwirkungsstruktur 510 und der Titanrückfläche 520 umschlossen ist. Bei dieser Ausführungsform ist die Dochtwirkungsstruktur 510 mit der Metallrückfläche verbunden, um einen hermetisch abgedichteten Dampfraum auszubilden. Der Hohlraum kann durch eine Laserschweißung abgedichtet sein, um einen hermetisch abgedichteten Dampfraum auszubilden, wie es zuvor beschrieben ist. Der Dampfraum kann mit einem oder mit mehreren vertieften Bereichen ausgestaltet sein, um unterschiedliche Dampfkammerhöhen bereitzustellen, wie es zuvor beschrieben ist.
  • Bei dieser Ausführungsform ist die TiTGP 500 direkt in und aus dem Material des Mittelrahmens 420 ausgebildet, und das Metall des Mittelrahmens bildet die Rückfläche 120 der TiTGP. Der Rest der TiTGP, d. h. die Dochtwirkungsstruktur 210 und die metallische Rückfläche 120, kann, wie es dargestellt ist, aus den anderen Flächen ausgebildet sein. Bei dieser Ausführungsform kann die Dochtwirkungsstruktur 540 die Fläche sein, an der der Chip 450 angebracht ist. Bei dieser Ausführungsform weist die TiTGP 500 einen Mittelrahmen 520 aus Titan auf, der den Mittelrahmen als eine Einheit vollständig ersetzt.
  • Die TiTGP bei dieser Ausführungsform kann den Titan-Mittelrahmen 520 als ihre Rückfläche 120 verwenden. Dementsprechend kann der ausgebildete Hohlraum einen Durchmesser von etwa 3 cm aufweisen, obwohl der Titan-Mittelrahmen wesentlich breiter ist. Da sich der Mittelrahmen 520 über die gesamte Breite der tragbaren Einrichtung 400 erstreckt, ist die Hohlraumbreite nur ein Bruchteil der Breite des Titan-Mittelrahmens, der sich auf jeder Seite mindestens einen cm über den Dampfhohlraum hinaus erstreckt. Die große Breite des Titan-Mittelrahmens verleiht der tragbaren Einrichtung 400 ihre strukturelle Steifigkeit und hilft bei der Ableitung der Wärme des ICs. Dementsprechend kann die thermische Grundfläche ein Strukturelement der tragbaren Einrichtung bilden.
  • Alternativ kann die TiTGP als Teil der rückseitigen Abdeckung 430 einer tragbaren Einrichtung verwendet werden. Diese Ausführungsform einer tragbaren Einrichtung 480 ist in 15 dargestellt. 15 stellt die Dochtstruktur 510 und den Dampfraum, die auf der Rückfläche 430 der tragbaren Einrichtung montiert sind, dar. Bei dieser Ausführungsform ist die Rückfläche 430 die der Bildschirmseite 410 gegenüberliegende Seite der tragbaren Einrichtung 480. Die Dochtwirkungsstruktur 510 der TiTGP steht in thermischer Verbindung mit dem Chip 450. Die TiTGP kann entweder in einem Zwischenraum in der Rückfläche 430 eingebaut sein, analog zu der in 13 dargestellten Mittelrahmeninstallation, oder die Rückfläche 430 der tragbaren Einrichtung kann auch als die Rückwand 520 der TiTGP dienen, analog zu dem in 14 dargestellten System. In Erweiterung dazu kann die TiTGP auch auf der Vorderseite installiert sein, wenn diese Oberfläche metallisch ist.
  • Aufgrund des sehr schlanken Formfaktors der TiTGP ist es auch möglich, zwei thermische Grundflächen miteinander zu koppeln, so dass die TiTGP eine Vielzahl von Dampfräumen und Dochtwirkungsstrukturen aufweist. In kleinen, geschlossenen, tragbaren Einrichtungen muss das Thermomodul die Wärme von dem Chip ableiten und gleichmäßig über die Einrichtung verteilen (isothermer Zustand). Das Konzept der mehreren TiTGPs 600, 700 kann eine ausgezeichnete isotherme Fläche für diese Wärmeableitung bereitstellen.
  • Die Mehrfach-TiTGP 600, 700, 800 weist eine viel höhere thermische Leistung als eine Einzel-TiTGP auf. 16(A) stellt eine Doppel-TiTGP 600 dar, die zwei Dampfräume 531 und 532 umfasst, die übereinander liegen und über ein gemeinsames Element 555 in thermischer Verbindung stehen. Die beiden Dampfräume 531 und 532 weisen auch zwei entsprechende Dochtwirkungsstrukturen 511 und 512 auf.
  • TiTGP #1 weist einen Dampfraum 531 auf und kann unterhalb von TiTGP #2 angeordnet und thermisch mit dem wärmeerzeugenden Chip 450 gekoppelt sein. Bei der Mehrfach-TiTGP 600 kann die Wärmequelle bzw. der Chip 450 mit der Unterseite von TiTGP #1 gekoppelt sein und in thermischer Verbindung mit der Dochtwirkungsstruktur 511 von TiTGP #1 stehen. TiTGP #1 überträgt dann seine Wärme über das gemeinsame Element 555 an TiTGP #2. Das gemeinsame Element 555 kann einen leitenden Pfad zur Übertragung von Wärme von TiTGP #1 zu #2, genauer gesagt zu dessen Dochtwirkungsstruktur 512, bereitstellen. Die Verwendung eines gemeinsamen Elements 555 ermöglicht diese effiziente Wärmeübertragung. Es vermeidet die Verwendung anderer thermischer Schnittstellen-Filme bzw. Materialien, die andernfalls die Temperatur senken und folglich die thermische Leistung der thermischen Grundfläche 500 verringern würden. Dementsprechend leitet TiTGP #2 Wärme von TiTGP #1 über das in 16(A) dargestellte gemeinsame Element ab. Dies ist eine äußerst effiziente Wärmeübertragungsarchitektur. Ein hervorstechendes Merkmal dieser Struktur ist, dass die Grundfläche einer TiTGP als Dochtwirkungsstruktur einer anderen TiTGP dienen kann.
  • 16(B) stellt eine weitere Ausführungsform der Mehrfach-TiTGP 700 dar. Wie bei TITGP 600 weist TiTGP 700 eine Mehrzahl von TiTGPs, zum Beispiel TiTGP #1 und TiTGP #2, auf. TiTGP #1 weist einen Dampfraum 531 auf und kann unterhalb von TiTGP #2 angeordnet sein. TiTGP #2 kann thermisch mit dem wärmeerzeugenden Chip 450 gekoppelt sein. Insbesondere kann die Wärmequelle bzw. der Chip 450 mit der Oberseite von TiTGP #2 gekoppelt sein und in thermischer Verbindung mit der Dochtwirkungsstruktur 512 von TiTGP #2 stehen. TiTGP #2 überträgt dann seine Wärme über das gemeinsame Element 555 an TiTGP #1. Das gemeinsame Element 555 kann einen leitfähigen Pfad zur Übertragung von Wärme von TiTGP #2 zu #1, genauer gesagt zu dessen Dochtwirkungsstruktur 511, bereitstellen. Die Verwendung eines gemeinsamen Elements 555 ermöglicht diese effiziente Wärmeübertragung. Es vermeidet die Verwendung anderer thermischer Schnittstellen-Filme bzw. Materialien, die andernfalls die Temperatur senken und folglich die thermische Leistung der thermischen Grundfläche 500 verringern würden. Dementsprechend leitet TiTGP #1 Wärme von TiTGP #2 über das in 16(B) dargestellte gemeinsame Element ab. Auch dies ist eine äußerst effiziente Wärmeübertragungsarchitektur.
  • 16(C) stellt eine weitere Ausführungsform der Mehrfach-TiTGP 800 dar, die Wärme von zwei Chips 450 und 452 mit integrierter Schaltung ableitet. Wie TITGP 600 und 700 weist TiTGP 800 eine Mehrzahl von TiTGPs, zum Beispiel TiTGP #1 und TiTGP #2, auf. TiTGP #1 weist einen Dampfraum 531 auf und kann unterhalb von TiTGP #2 angeordnet sein. TiTGP #1 kann auf seiner Unterseite thermisch mit dem wärmeerzeugenden Chip 450 gekoppelt sein und TiTGP #2 kann auf seiner Oberseite thermisch mit einem zweiten wärmeerzeugenden Chip 452 gekoppelt sein. Insbesondere kann die Wärmequelle bzw. der Chip 450 mit der Oberseite von TiTGP #2 gekoppelt sein und in thermischer Verbindung mit der Dochtwirkungsstruktur 512 von TiTGP #2 stehen. TiTGP #2 überträgt dann seine Wärme über das gemeinsame Element 555 an TiTGP #1. Das gemeinsame Element 555 kann einen leitfähigen Pfad zur Übertragung von Wärme von TiTGP #2 zu #1, genauer gesagt zu dessen Dochtwirkungsstruktur 511, bereitstellen. Die Verwendung eines gemeinsamen Elements 555 ermöglicht diese effiziente Wärmeübertragung. Es vermeidet die Verwendung anderer thermischer Schnittstellen-Filme bzw. Materialien, die andernfalls die Temperatur senken und folglich die thermische Leistung der thermischen Grundfläche 500 verringern würden. Dementsprechend leitet TiTGP #1 Wärme von TiTGP #2 über das in 16(B) dargestellte gemeinsame Element ab. Auch dies ist eine äußerst effiziente Wärmeübertragungsarchitektur.
  • 17 stellt eine weitere Ausführungsform einer Mehrfach-TiTGP 900 dar, die eine ungleichmäßige Dicke aufweist, indem ein Dampfraum 531 kleiner als der darüber liegende Dampfraum 532 ist. Das Thermomodul mit ungleichmäßiger Dicke kann für tragbare Anwendungen äußerst attraktiv sein, da der wärmeerzeugende Chip 450 in dieser Struktur, wie es dargestellt ist, kompakt angeordnet sein kann, ohne dass die Wärmeleistung beeinträchtigt wird. Andere Komponenten in der tragbaren Einrichtung können in dem verfügbaren Raum angeordnet sein. Insbesondere kann eine relativ sperrige Batterie zwischen TiTGP #2 (Dicke #2) angeordnet sein, während TiTGP #1 relativ dünn bleibt (Dicke #1).
  • Während die 16 und 17 eine Mehrfach-TiTGP 600 und 700 darstellen, die doppelte Dampfhohlräume und Dochtwirkungsstrukturen umfasst, ist klar, dass dies nur beispielhaft ist und dass die Mehrfach-TiTGP eine beliebige Anzahl von Dampfhohlräumen und Dochtwirkungsstrukturen umfassen kann.
  • 18 stellt eine weitere Ausführungsform einer Mehrfach-TiTGP dar, die in einer tragbaren Einrichtung 1000 montiert ist. Bei dieser Ausführungsform ist eine TiTGP ähnlich der TiTGP 600 in der tragbaren Einrichtung montiert, die wie zuvor ein Frontteil 410 aus Kunststoff oder Metall, das die Vorderscheibe aufweist, und eine Rückfläche 430 aus Kunststoff oder Metall aufweist. Die Vorderscheibe 410 und die Rückfläche 430 aus Metall oder Kunststoff können das Außengehäuse der tragbaren Einrichtung bilden. In diesem Fall kann die Dochtwirkungsstruktur 512 von TiTGP #2 jedoch ein isothermes Innengehäuse innerhalb der tragbaren Einrichtung 1000 bilden. Dementsprechend kann die Dochtwirkungsstruktur 512 ein auf Titan basierendes Element sein, das sowohl eine strukturelle als auch eine thermische Unterstützung bereitstellt. Zumindest teilweise als Ergebnis der Verwendung der in 18 dargestellten TiTGP kann das Außengehäuse auch im Wesentlichen isotherm sein. „Im Wesentlichen isotherm“ sollte so verstanden werden, dass aufgrund der Verwendung der TiTGP ein Temperaturgradient von weniger als etwa 10C und vorzugsweise weniger als etwa 1C über das Strukturelement existiert. Aufgrund der sehr effektiven Wärmeverteilung kann ein Lüfter im Inneren des Außengehäuses der tragbaren Einrichtung 1000 nicht erforderlich sein. Dies kann eine Verringerung des Gewichts, der Kosten und des Energiebedarfs ermöglichen, was jeweils ein kritischer Aspekt bei tragbaren Einrichtungen ist.
  • Allgemeiner ausgedrückt, können die in den 13-18 dargestellten TiTGPs in thermischer Verbindung mit mindestens einem Strukturelement der tragbaren Einrichtung stehen. Diese Strukturelemente sind die Komponenten, die der tragbaren Einrichtung den größten Teil ihrer Festigkeit und Steifigkeit verleihen, und können das Skelett der Einrichtung bilden, und können zumindest den Mittelrahmen 420 und die Rückfläche 430 aufweisen. Die Oberflächen der TiTGP können auch Strukturelemente, 520 und 560, sein. Diese Strukturelemente sind im Allgemeinen metallisch und können z. B. die vordere Fläche 410, den Mittelrahmen 420 und die hintere Fläche 430 aufweisen. Vorzugsweise umfasst die TiTGP Titan, wobei eine Laserschweißnaht die Rückseite abdichtet. Infolgedessen kann die Oberfläche dieses Strukturelements, die mit der TiTGP verbunden ist, im Wesentlichen isotherm sein, mit einem Temperaturgradienten von weniger als etwa 10 C.
  • Bei einigen Ausführungsformen kann die Titan-Kühleinrichtung ein dreidimensionales Modul anstelle eines planaren Moduls sein. Diese Ausführungsform ist in 19 schematisch dargestellt. 19 stellt ein Titan-Thermomodul (TiTM) dar, das eine nicht planare oder zumindest eine nicht lineare Form aufweist. Das TiTM kann einen ersten Abschnitt 612 aufweisen, gefolgt von einem nicht-planaren oder nicht-linearen Abschnitt 614, gefolgt von einem weiteren Abschnitt 616. Das TiTM kann eine komplexe Form aufweisen, um andere Strukturen in der Einrichtung aufzunehmen oder um seine Wärmetransporteigenschaften zu verbessern. Das TiTM kann z. B. gewunden, gewinkelt, zusammengefügt, gebogen, kreisförmig oder schlangenförmig sein. Obwohl 19 eine einfache Form mit nur zwei Biegungen oder Knicken darstellt, kann das TiTM jede komplexe Form oder eine einfache lineare oder ebene Form aufweisen. Wenn die primäre Ebene 615 der Steifigkeit der tragbaren Einrichtung ist, um sich aus der primären Ebene 615 der tragbaren Einrichtung herauszubiegen. Die primäre Ebene 615 ist in 20 dargestellt, und das Thermomodul kann eine Steifigkeit hinzufügen, um eine Beschädigung aufgrund eines Biegens aus dieser Ebene heraus zu reduzieren.
  • Das Titan-Thermomodul (TiTM) kann auch andere Funktionen als die Übertragung von Wärme von einer relativ heißen Zone zu einer relativ kalten Zone erfüllen. Zum Beispiel kann das TiTM, wie es oben für den Betrieb der mobilen Einrichtung beschrieben ist, ein Strukturelement sein, wobei die Festigkeit und Steifigkeit des TiTM die Festigkeit und Steifigkeit der mobilen Einrichtung erhöht. Dies kann auf die inhärenten mechanischen Eigenschaften des TiTM zurückzuführen sein, oder es kann auf eine Schicht 600 zurückzuführen sein, die der Einrichtung hinzugefügt wird, um ihre Steifigkeit zu verbessern. Dementsprechend kann eine mechanische Kopplung zwischen dem TiTM und der tragbaren Einrichtung vorhanden sein, wobei die größere mechanische Festigkeit des Titans genutzt wird, um die strukturellen Eigenschaften der tragbaren Einrichtung zu verbessern. Bei dieser Kopplung kann es sich um Löten, Schweißen, Schmieden, Kleben oder eine andere Art einer Kopplungstechnik handeln. Durch die Verwendung der grö-ßeren mechanischen Festigkeit und Steifigkeit des TiTM zur Unterstützung des Rahmens der tragbaren Einrichtung kann die Steifigkeit der tragbaren Einrichtung um mindestens etwa 25% verbessert werden.
  • Die hinzugefügte Schicht 600 kann metallisch sein und somit als HF-Abschirmung fungieren, um die von der Einrichtung ausgehenden HF-Emissionen zu reduzieren. Eine elektromagnetische Abschirmung reduziert das elektromagnetische Feld in einem Raum, indem das Feld mit Barrieren aus leitfähigen oder magnetischen Materialien blockiert wird. Abschirmungen werden typischerweise in Gehäusen eingesetzt, um elektrische Einrichtungen von ihrer Umgebung zu isolieren. Wenn die elektromagnetische Abschirmung so konzipiert ist, dass sie Hochfrequenzwellen blockiert, wie sie z. B. in der mobilen Kommunikation verwendet werden, kann die elektromagnetische Abschirmung eine HF-Abschirmung bilden. Ein leitfähiges Gehäuse, das zur Blockierung elektrostatischer Felder verwendet wird, ist auch als Faradayscher Käfig bekannt.
  • Die in 20 dargestellte Schicht 630 kann diesem Zweck dienen. Sie kann oberhalb (Schicht 630) des Chips 450 auf der oberen Oberfläche des TiTM (wie in 20) oder direkt neben (632) dem Chip 450 (wie in 21) angeordnet sein. Bei anderen Ausführungen befindet sich die Abschirmschicht 630 sowohl oberhalb des Chips 450 als auch benachbart zu diesem (632), wie es in 22 dargestellt ist. Die Abschirmung kann die Einkopplung von Funkwellen, elektromagnetischen Feldern und elektrostatischen Feldern reduzieren. Das Ausmaß der Reduzierung hängt sehr stark von dem verwendeten Material, seiner Dicke, der Größe des abgeschirmten Volumens und der Frequenz der interessierenden Felder sowie der Größe, Form und Ausrichtung von Öffnungen in einer Abschirmung zu einem einfallenden elektromagnetischen Feld ab. Bei einer Ausführungsform kann die Schicht 600 Kupfer oder Titan aufweisen und eine Anordnung von Löchern enthalten, die innerhalb der Schicht 600 ausgebildet sind. Die Löcher und die Dicke der Schicht 600 können so ausgelegt sein, dass die Funkemissionen der mobilen Einrichtung reduziert werden. Bei einer Ausführungsform können die Schichten 600, 630 und 632 aus Titan bestehen, mindestens etwa 50 Mikrometer dick sein und Löcher mit einem Durchmesser von etwa 0,2 bis 2 Mikrometer bei einem Abstand von etwa 0,5 bis 3 mm aufweisen.
  • Allgemeiner ausgedrückt können die Schichten 600, 630 und 632 Blech, Metallgitter und Metallschaum umfassen. Die Löcher in der Schicht oder dem Gitter 600, 630 und 632 können deutlich kleiner sein als die Wellenlänge der Strahlung, die ferngehalten werden soll, oder das Gehäuse nähert sich nicht effektiv einer ungebrochenen leitenden Oberfläche an. Die Schichten 600, 630 und 632 können auch mit einer metallischen Tinte beschichtet sein. In jedem Fall können die Schichten 600, 630 und 632 elektrisch mit der Gehäusemasse des Geräts verbunden sein, wodurch eine effektive Abschirmung erreicht wird. Diese elektrische Verbindung kann auch die strukturelle Kopplung bereitstellen, wie es im Folgenden beschrieben ist.
  • Die durch die Metallschicht 630, 632 bereitgestellte Abschirmung kann die von der Einrichtung abgegebene Strahlung reduzieren. Dies kann z. B. in Flugzeugen von Vorteil sein, in denen mobile Einrichtungen oft deaktiviert werden müssen, um Interferenzen mit den Navigationssystemen des Flugzeugs zu vermeiden. Die HF-Abschirmung kann zwei verschiedene Bereiche 620 und 621 aufweisen, die unterschiedliche elektrische Eigenschaften haben können und somit benachbarte Komponenten unterschiedlich abschirmen.
  • Bei anderen Ausführungen können die HF-Abschirmschichten 640, 642 so gewählt sein, dass sie unterschiedliche elektrische Eigenschaften haben, und können dementsprechend nach Bedarf in den Gehäusen angeordnet sein. Stark HFemittierende Komponenten können in der Nähe der Abschirmung 640 angeordnet sein und schwächer emittierende HF-Komponenten können neben einer weniger HF-abschirmenden Struktur 642 angeordnet sein.
  • Zusätzlich zur Abschirmung können die Metallschichten 630, 632, 640 und 642 auch als Antennen innerhalb der Einrichtung dienen. Dadurch kann Leiterplattenfläche eingespart werden, die nun der Antennenstruktur gewidmet ist. Die Antenne kann daher eine Schicht aus Titan sein, die zwischen zehn und hundert Mikrometer dick ist. Das Titan kann z. B. abgeschieden, geätzt oder gestanzt werden und wird auf einer isolierenden Rückfläche gehalten. Die Form der Antenne kann z. B. eine Spirale, eine Spule, eine Serpentine, allgemein kreisförmig, schleifenförmig oder eine andere Form sein, die so gestaltet ist, dass sie eine Strahlung effizient überträgt. Solche Formen sind nach dem Stand der Technik gut bekannt.
  • Diese zusätzliche Funktionalität kann die Aufnahme eines Titan-Thermomoduls in eine mobile Einrichtung noch attraktiver machen. Geeignete Materialien für die metallischen Schichten 630, 632, 640 und 642 sind zum Beispiel Gold, Silber, Kupfer, Aluminium, Platin, Palladium. Die Schichten können mehrere hundert nm bis zu mehreren Mikrometern oder mehr dick sein und können z. B. durch Sputtern aufgebracht oder auf das TiTM plattiert werden.
  • Die Diskussion wendet sich nun der Herstellung der TiTMs für die tragbaren Anwendungen zu. Die Dochtwirkungsstrukturen und die äußere Hülle der Thermomodule 500, 600 und 700 können durch Stanzen der Formen aus einem Metallmaterial hergestellt werden. Die kleineren Mikrostrukturen können durch Mikrostanzen hergestellt werden. Alternativ können die Konturen und Hohlräume durch chemisches Ätzen hergestellt werden, z. B. mit Flusssäure (HF) und Salpetersäure ((HNO3). Wie es nach dem Stand der Technik bekannt ist, können Abschnitte des Titanmaterials durch eine Beschichtung oder Maskierungsschicht vor dem Ätzmittel geschützt werden. Alle freiliegenden Oberflächen können dann geätzt werden, um die Nuten, Hohlräume und kleineren Strukturen auszubilden.
  • Die TiTGP kann mit einer Menge an Arbeitsfluid bereitgestellt werden, z. B. nach dem in der 14/749439 beschriebenen Verfahren. Das Arbeitsfluid kann z. B. Wasser sein, und die Abdichtungsmethode, die verwendet wird, um das Arbeitsfluid im Dampfraum einzuschließen, kann Laserschweißen sein.
  • Dementsprechend ist hier eine tragbare Einrichtung offenbart, die eine thermische Grundfläche aufweist, die einen Dampfbereich und einen Flüssigkeitsbereich für ein Arbeitsfluid aufweist und innerhalb eines Außengehäuses der tragbaren Einrichtung angeordnet ist, wobei die thermische Grundfläche eine Titan-Rückfläche, einen Dampfraum und eine Dochtwirkungsstruktur aufweist, die auf einem Metallsubstrat ausgebildet sind, wobei ein Chip mit integrierter Schaltung in thermischer Verbindung mit der thermischen Grundfläche steht, so dass eine durch den Chip erzeugte Wärme durch die thermische Grundfläche in der gesamten tragbaren Einrichtung verteilt wird, und wobei die thermische Grundfläche in thermischer Verbindung mit mindestens einem Strukturelement der tragbaren Einrichtung steht und das mindestens eine Strukturelement im Wesentlichen isotherm ist, wobei der Temperaturgradient über das Strukturelement weniger als 10°C beträgt.
  • Die tragbare Einrichtung kann einen Dampfraum aufweisen, der von dem Metallsubstrat und der Titanrückfläche eingeschlossen ist, wobei das Metallsubstrat durch eine Laserschweißung mit der Metallrückfläche abgedichtet ist, um einen hermetisch abgeschlossenen Dampfraum auszubilden. Das Strukturelement kann mindestens eines von einem Mittelrahmenelement, einer Vorderfläche und einer Rückfläche der tragbaren Einrichtung sein, wobei die Vorderfläche und die Rückfläche das Außengehäuse der tragbaren Einrichtung definieren, und das Mittelrahmenelement ist ein Strukturelement innerhalb des Außengehäuses.
  • Die thermische Grundfläche kann darüber hinaus eine Dochtwirkungsstruktur aufweisen, wobei die Dochtwirkungsstruktur eine Vielzahl von Mikrostrukturen aufweisen kann, die mit mindestens einem Bereich der Dochtwirkungsstruktur verschachtelt sind, um in zumindest einem Bereich der thermischen Grundfläche Dochtwirkungsstrukturen mit einem hohen effektiven Seitenverhältnis auszubilden, und wobei eine oder mehrere der Mikrostrukturen eine Höhe zwischen etwa 1 - 1.000 Mikrometern, eine Breite zwischen etwa 1 - 1.000 Mikrometern und einen Abstand zwischen etwa 1 - 1.000 Mikrometern aufweisen, und wobei die Mikrostrukturen mindestens eines von Kanälen, Pfeilern, Nuten und Gräben umfassen. Die thermische Grundfläche kann ein Strukturelement der tragbaren Einrichtung sein und ist mechanisch mit dem Außen- oder Innen- oder Mittel-Gehäuse der tragbaren Einrichtung gekoppelt, wird aber innerhalb des Außengehäuses durch Anbringen an dem Mittelrahmenelement gehalten. Die thermische Grundfläche kann in einem Hohlraum angeordnet sein, der in einem Mittelrahmenelement ausgebildet ist, wobei das Mittelrahmenelement Titan umfasst. Der Hohlraum kann zwischen etwa 100 und etwa 1000 Mikrometer tief sein, wobei etwa 100 bis 200 Mikrometer Titan übrig bleiben, das das Mittelrahmenelement über den Hohlraum hinweg überspannt.
  • Die thermische Grundfläche kann darüber hinaus ein Titangehäuse und eine Titan-Dochtwirkungsfläche umfassen, wobei das Titangehäuse und die Titan-Dochtwirkungsfläche zusammen zwischen etwa 0,3 mm und etwa 1,5 mm dick sind. Die thermische Grundfläche kann darüber hinaus mindestens ein Zwischensubstrat aufweisen, das einen Bereich mit einer Vielzahl von Vorsprüngen aufweist, die konform in die Dochtwirkungsstruktur passen, um enge Fluiddurchgänge auszubilden, durch die das Fluid durch Kapillarkräfte angetrieben wird, wobei die Vorsprünge so geformt sind, dass sie in Merkmale in der Dochtwirkungsstruktur passen. Das effektive Seitenverhältnis h/w der Fluiddurchgänge zwischen dem Dochtwirkungskanal und dem Zwischensubstrat ist größer als 1, wobei h die effektive Höhe und w die Breite des Fluidkanals ist. Eine Fläche mindestens eines Bereichs der thermischen Grundfläche kann nanostrukturiertes Titandioxid (NST) umfassen.
  • Die thermische Grundfläche kann auf der Rückfläche bzw. Rückseite der tragbaren Einrichtung angeordnet sein, und wobei die Rückfläche auch als die Dochtwirkungsstruktur der thermischen Grundfläche dient. Der Chip kann im Wesentlichen in der Mitte einer seitlichen Ausdehnung der thermischen Grundfläche angeordnet sein. Die thermische Grundfläche kann ein Modul aufweisen, das in ein Mittelrahmenelement der tragbaren Einrichtung eingeführt ist.
  • Die tragbare Einrichtung kann aufweisen ein Mittelrahmenelement aus Titan, das innerhalb des Außengehäuses angeordnet ist, wobei das Mittelrahmenelement eine Rückfläche der thermischen Grundfläche bildet, und einen Chip mit integrierter Schaltung, wobei die integrierte Schaltung an der thermischen Grundfläche befestigt ist und mit dieser in thermischer Verbindung steht. Alternativ kann der Dampfraum in dem Mittel- und Außen-Rahmenelement aus Titan ausgebildet und durch eine Dochtwirkungsstruktur abgedichtet sein, um die thermische Grundfläche auszubilden.
  • Bei anderen Ausführungen umfasst die thermische Grundfläche eine Vielzahl von Dampfkammern und eine Vielzahl von Dochtwirkungsstrukturen. Eine erste Dampfkammer kann mit mindestens einer anderen Dampfkammer über ein gemeinsames Metallelement in thermischer Verbindung stehen, wobei das gemeinsame Metallelement strukturell und thermisch von der Vielzahl von Dampfkammern gemeinsam benutzt wird, so dass die durch den Chip erzeugte Wärme in der gesamten tragbaren Einrichtung verteilt wird und das Außengehäuse im Wesentlichen isothermisch ist. Die thermische Grundfläche mit mehreren Dampfkammern kann einen ungleichmäßigen Querschnitt aufweisen. Bei der thermischen Mehrfach-Grundfläche enthalten die Dampfkammern jeweils Dochtwirkungsstrukturen, und die Dochtwirkungsstrukturen der mehreren Dampfkammern sind übereinander angeordnet.
  • Dementsprechend wird hier eine tragbare Einrichtung beschrieben, die ein Thermomodul aufweist, das einen Dampfbereich und einen Flüssigkeitsbereich für ein Arbeitsfluid enthält und innerhalb eines Außengehäuses der tragbaren Einrichtung angeordnet ist, wobei das Thermomodul eine Titan-Rückfläche, einen Dampfraum und eine Dochtwirkungsstruktur, die auf einem Metallsubstrat ausgebildet ist, aufweist, wobei ein Chip mit integrierter Schaltung mit dem Thermomodul in thermischer Verbindung steht, so dass die von dem Chip erzeugte Wärme durch das Thermomodul in der gesamten tragbaren Einrichtung verteilt wird, wobei das Thermomodul mechanisch mit der tragbaren Einrichtung gekoppelt ist, was der tragbaren Einrichtung bezüglich einer Biegung aus der Primärebene Steifigkeit verleiht. Die tragbare Einrichtung kann darüber hinaus eine Metallschicht aufweisen, die auf mindestens einer Oberseite und einer Unterseite des Thermomoduls angeordnet ist, wobei die Metallschicht so ausgestaltet und angeordnet ist, dass sie die von der tragbaren Einrichtung emittierte Strahlungsmenge reduziert.
  • Die Metallschicht kann mit einer strahlungsemittierenden Einrichtung gekoppelt sein und dadurch die von der tragbaren Einrichtung ausgehenden Emissionen reduzieren. Die Metallschicht kann alternativ mit einer signalempfangenden Struktur innerhalb der tragbaren Einrichtung gekoppelt sein und ist so ausgestaltet und angeordnet, dass sie mit Funksignalen interagiert, um die tragbare Einrichtung mit mindestens einem von einem WiFi-Netzwerk, einem zellularen Dienstsignal und einem GPS-Signal zu koppeln. Die strahlungsabgebende oder signalempfangende Einrichtung kann eine zentrale Verarbeitungseinheit und/oder eine Antenne sein. Die Metallschicht kann zwei Metallschichten mit unterschiedlichen mechanischen und elektrischen Eigenschaften umfassen. Die Metallschicht kann mindestens eines von Gold, Silber, Aluminium und Kupfer umfassen und kann zwischen etwa 0,1 und etwa 10 Mikrometer dick sein. Das Thermomodul kann eine komplexe Form aufweisen, die mindestens eine Falte oder Biegung aufweist.
  • Es kann auch ein Titangehäuse und eine Titan-Dochtwirkungsfläche aufweisen, wobei das Titangehäuse und die Titan-Dochtwirkungsfläche zusammen zwischen etwa 0,3 mm und etwa 1,5 mm dick sind. Das Thermomodul kann mindestens ein Zwischensubstrat aufweisen, das einen Bereich mit einer Vielzahl von Vorsprüngen aufweist, die konform in die Dochtwirkungsstruktur passen, um enge Fluiddurchgänge zu bilden, durch die das Fluid durch Kapillarkräfte angetrieben wird, wobei die Vorsprünge so geformt sind, dass sie in Merkmale in der Dochtwirkungsstruktur passen. Das effektive Seitenverhältnis h/w der Fluiddurchgänge zwischen dem Dochtwirkungskanal und dem Zwischensubstrat ist größer als 1, wobei h die effektive Höhe und w die Breite des Fluidkanals ist.
  • Eine Fläche von mindestens einem Bereich des Thermomoduls kann nanostrukturiertes Titanoxid (NST) umfassen. Das Thermomodul kann auf der Rückfläche der tragbaren Einrichtung angeordnet sein, und wobei die Rückfläche auch als die Dochtwirkungsstruktur des Thermomoduls dient. Innerhalb der tragbaren Einrichtung kann der Chip mit integrierter Schaltung im Wesentlichen in der Mitte einer seitlichen Ausdehnung des Thermomoduls angeordnet sein. Das Thermomodul kann aufweisen ein Mittelrahmenelement aus Titan, das innerhalb des Außengehäuses angeordnet ist, wobei das Mittelrahmenelement eine Rückfläche des Thermomoduls bildet, und eine integrierte Schaltung, wobei die integrierte Schaltung an dem Thermomodul befestigt ist und mit diesem in thermischer Verbindung steht.
  • Ein Dampfraum kann in dem Mittel- und Außen-Rahmenelement aus Titan ausgebildet und durch eine Dochtwirkungsstruktur abgedichtet sein, um ein Thermomodul auszubilden. Das Thermomodul kann eine Vielzahl von Dampfkammern und eine Vielzahl von Dochtwirkungsstrukturen aufweisen. Eine erste Dampfkammer kann über ein gemeinsames Metallelement in thermischer Verbindung mit mindestens einer anderen Dampfkammer stehen, wobei das gemeinsame Metallelement strukturell und thermisch von der Vielzahl von Dampfkammern gemeinsam benutzt wird, so dass die durch den Chip erzeugte Wärme in der gesamten tragbaren Einrichtung verteilt wird und das Außengehäuse im Wesentlichen isothermisch ist. Die mehreren Dampfkammern können einen ungleichmäßigen Querschnitt aufweisen, und die Dampfkammern können jeweils Dochtwirkungsstrukturen enthalten, und die Dochtwirkungsstrukturen der mehreren Dampfkammern sind übereinander angeordnet.
  • Während verschiedene Details in Verbindung mit den oben skizzierten beispielhaften Implementierungen beschrieben wurden, können verschiedene Alternativen, Modifikationen, Variationen, Verbesserungen und/oder wesentliche Äquivalente, die bekannt sind oder die gegenwärtig unvorhergesehen sind oder sein können, bei einem Überdenken der vorstehenden Offenbarung offensichtlich werden. Dementsprechend sind die oben dargelegten beispielhaften Implementierungen zur Veranschaulichung gedacht und nicht als Einschränkung.

Claims (23)

  1. Tragbare Einrichtung, umfassend: ein Thermomodul (500; 600; 700; 800; 900), das einen Dampfbereich und einen Flüssigkeitsbereich für ein Arbeitsfluid (140) enthält und innerhalb eines Außengehäuses der tragbaren Einrichtung (400; 400'; 400"; 480; 1000) angeordnet ist, wobei das Thermomodul (500; 600; 700; 800; 900) eine Titan-Rückfläche (120; 520), einen Dampfraum (300; 530; 531; 532), der ein Gehäuse bildet, und eine Dochtwirkungsstruktur (210; 510; 511; 512), die in dem Gehäuse enthalten ist, umfasst, wobei die Dochtwirkungsstruktur (210; 510; 511; 512) auf einem Metallsubstrat (205; 212) ausgebildet ist; mindestens ein Strukturelement (410; 420; 430), das der tragbaren Einrichtung (400; 400'; 400"; 480; 1000) Steifigkeit verleiht; einen Chip (450; 452) mit integrierter Schaltung, der in thermischer Verbindung mit dem Thermomodul (500; 600; 700; 800; 900) steht, so dass eine von dem Chip (450; 452) erzeugte Wärme durch das Thermomodul (500; 600; 700; 800; 900) in der gesamten tragbaren Einrichtung (400; 400'; 400"; 480; 1000) verteilt wird; und wobei das Thermomodul (500; 600; 700; 800; 900) mechanisch mit dem mindestens einen Strukturelement (410; 420; 430) durch mindestens eines gekoppelt ist: Löten, Schweißen, Bindung und Kleben, wobei der tragbaren Einrichtung (400; 400'; 400"; 480; 1000) eine Steifigkeit bezüglich eines Biegens aus einer primären Ebene heraus hinzugefügt wird, wobei eine Metallschicht (630; 632; 640; 642) eine Titanschicht umfasst, die auf einer Oberseite (120) und/oder einer Unterseite (520) des Thermomoduls (500; 600; 700; 800; 900) angeordnet ist, wobei die Metallschicht (630; 632; 640; 642) so ausgestaltet und benachbart zu einer strahlungsemittierenden Einrichtung angeordnet ist, dass sie eine von der tragbaren Einrichtung (400; 400'; 400''; 480; 1000) emittierte Strahlungsmenge reduziert, und wobei die Titanschicht (630; 632; 640; 642) mit einem Gehäuse der tragbaren Einrichtung (400; 400'; 400"; 480; 1000) gekoppelt ist und wobei diese Kopplung sowohl eine elektrische als auch eine mechanische Verbindung zwischen dem Thermomodul (500; 600; 700; 800; 900) und der tragbaren Einrichtung (400; 400'; 400"; 480; 1000) herstellt.
  2. Tragbare Einrichtung nach Anspruch 1, wobei die Metallschicht (630; 632; 640; 642) mit einer strahlungsemittierenden Einrichtung gekoppelt ist und dadurch die von der tragbaren Einrichtung (400; 400'; 400"; 480; 1000) ausgehenden Emissionen reduziert.
  3. Tragbare Einrichtung nach Anspruch 2, wobei die strahlungsemittierende Einrichtung eine zentrale Verarbeitungseinheit und/oder eine Antenne ist.
  4. Tragbare Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Metallschicht (630; 632; 640; 642) mit einer signalempfangenden Struktur innerhalb der tragbaren Einrichtung (400; 400'; 400"; 480; 1000) gekoppelt ist und so ausgestaltet und angeordnet ist, dass sie als eine Antenne mit Funksignalen interagiert, um die tragbare Einrichtung (400; 400'; 400"; 480; 1000) mit mindestens einem von einem WiFi-Netzwerk, einem zellularen Dienstsignal und einem GPS-Signal zu koppeln.
  5. Tragbare Einrichtung nach Anspruch 4, wobei die Antenne eine Schicht aus Titan mit einer Dicke von zehn bis hunderten von Mikrometern ist, die auf einer isolierenden Rückfläche abgeschieden, geätzt oder gestanzt und gehalten ist.
  6. Tragbare Einrichtung nach Anspruch 4 oder 5, wobei die signalempfangende Struktur eine zentrale Verarbeitungseinheit und/oder die Antenne ist.
  7. Tragbare Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Thermomodul (500; 600; 700; 800; 900) darüber hinaus mindestens ein Zwischensubstrat (110) aufweist, das einen Bereich mit einer Vielzahl von Vorsprüngen (112) aufweist, die konform in die Dochtwirkungsstruktur (210; 510; 511; 512) passen, um enge Fluiddurchgänge auszubilden, durch die das Fluid (140) durch Kapillarkräfte angetrieben wird, wobei die Vorsprünge (112) so geformt sind, dass sie in Merkmale in der Dochtwirkungsstruktur (210; 510; 511; 512) passen, um Durchgänge mit einem hohen effektiven Längenverhältnis zu bilden.
  8. Tragbare Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die darüber hinaus ein Titangehäuse und eine Titan-Dochtwirkungsfläche umfasst, wobei das Titangehäuse und die Titan-Dochtwirkungsfläche zusammen zwischen etwa 0,3 mm und etwa 1,5 mm dick sind.
  9. Tragbare Einrichtung nach Anspruch 7, wobei das effektive Seitenverhältnis h/w der Fluiddurchgänge zwischen dem Dochtwirkungskanal und dem Zwischensubstrat (110) größer als 1 ist, wobei h die effektive Höhe und w die Breite des Fluidkanals ist.
  10. Tragbare Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Metallschicht (630; 632; 640; 642) mindestens eines von Gold, Silber, Aluminium und Kupfer umfasst.
  11. Tragbare Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Thermomodul (500; 600; 700; 800; 900) eine Vielzahl von Dampfkammern (531, 532) und eine Vielzahl von Dochtwirkungsstrukturen (511, 512) umfasst.
  12. Tragbare Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Fläche mindestens eines Bereichs des Thermomoduls (500; 600; 700; 800; 900) nanostrukturiertes Titandioxid (NST) umfasst.
  13. Tragbare Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Thermomodul (500; 600; 700; 800; 900) auf einer Rückfläche (430) der tragbaren Einrichtung (400; 400'; 400"; 480; 1000) angeordnet ist, und wobei die Rückfläche (430) auch als die Dochtwirkungsstruktur (210; 510; 511; 512) des Thermomoduls (500; 600; 700; 800; 900) dient.
  14. Tragbare Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Dampfraum (300; 530; 531; 532) in einem Titan-Mittel- und Außen-Rahmenelement (420) ausgebildet und durch die Dochtwirkungsstruktur (210; 510; 511; 512) abgedichtet ist, um das thermische Modul (500; 600; 700; 800; 900) auszubilden.
  15. Tragbare Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Chip (450; 452) mit integrierter Schaltung in der Mitte einer seitlichen Ausdehnung des Thermomoduls (500; 600; 700; 800; 900) angeordnet ist.
  16. Tragbare Einrichtung nach Anspruch 11, wobei die Dampfkammern (531, 532) jeweils Dochtwirkungsstrukturen (511, 512) enthalten, und die Dochtwirkungsstrukturen (511, 512) der mehreren Dampfkammern (531, 532) übereinander angeordnet sind.
  17. Tragbare Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die darüber hinaus umfasst: ein Titan-Mittelrahmenelement (420), das innerhalb des Außengehäuses angeordnet ist, wobei das Mittelrahmenelement (420) die Rückfläche (120; 520) des Thermomoduls (500; 600; 700; 800; 900) bildet; wobei die integrierte Schaltung an dem Thermomodul (500; 600; 700; 800; 900) befestigt ist und mit diesem in thermischer Verbindung steht.
  18. Tragbare Einrichtung nach Anspruch 11 oder 16, wobei eine erste Dampfkammer (531) über ein gemeinsames Metallelement (555) in thermischer Verbindung mit mindestens einer anderen Dampfkammer (532) steht, wobei das gemeinsame Metallelement (555) strukturell und thermisch von den mehreren Dampfkammern (531, 532) gemeinsam benutzt wird, so dass eine durch den Chip (450; 452) erzeugte Wärme in der gesamten tragbaren Einrichtung verteilt wird und das Außengehäuse im Wesentlichen isotherm ist.
  19. Tragbare Einrichtung nach Anspruch 11, 16 oder 17, wobei das Thermomodul (600; 700; 800) mit mehreren Dampfkammern (531, 532) einen ungleichmäßigen Querschnitt aufweist.
  20. Tragbare Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Titanschicht (630; 632; 640; 642) mindestens etwa 50 Mikrometer dick ist und Löcher mit einem Durchmesser von etwa 0,2 bis 2 Mikrometer in einem Abstand von etwa 0,5 bis 3 mm aufweist.
  21. Tragbare Einrichtung, umfassend: ein Thermomodul (500; 600; 700; 800; 900), das einen Dampfbereich und einen Flüssigkeitsbereich für ein Arbeitsfluid (140) enthält und innerhalb eines Außengehäuses der tragbaren Einrichtung (400; 400'; 400"; 480; 1000) angeordnet ist, wobei das Thermomodul (500; 600; 700; 800; 900) eine Titan-Rückfläche (120; 520), einen Dampfraum (300; 530; 531; 532) und eine Dochtwirkungsstruktur (210; 510; 511; 512), die auf einem Metallsubstrat (205; 212) ausgebildet ist, umfasst; einen Chip (450; 452) mit integrierter Schaltung, der in thermischer Verbindung mit dem Thermomodul (500; 600; 700; 800; 900) steht, so dass eine von dem Chip (450; 452) erzeugte Wärme durch das Thermomodul (500; 600; 700; 800; 900) in der gesamten tragbaren Einrichtung (400; 400'; 400"; 480; 1000) verteilt wird; und wobei das Thermomodul (500; 600; 700; 800; 900) darüber hinaus eine Metallschicht mit zwei Metallschichten (630; 632; 640; 642) mit unterschiedlichen mechanischen und elektrischen Eigenschaften umfasst, die auf einer Oberseite (120) und/oder einer Unterseite (520) des Thermomoduls (500; 600; 700; 800; 900) angeordnet sind, wobei die Metallschichten (630; 632; 640; 642) so ausgestaltet und auf der Oberseite (120) und/oder der Unterseite (520) angeordnet sind, dass sie den Umfang einer von der tragbaren Einrichtung (400; 400'; 400"; 480; 1000) emittierten oder empfangenen Strahlung reduzieren.
  22. Tragbare Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Metallschicht (630; 632; 640; 642) zwischen etwa 0,1 und etwa 10 Mikrometer dick ist.
  23. Tragbare Einrichtung, umfassend ein Thermomodul (500; 600; 700; 800; 900), das einen Dampfbereich und einen Flüssigkeitsbereich für ein Arbeitsfluid (140) enthält und innerhalb eines Außengehäuses der tragbaren Einrichtung (400; 400'; 400"; 480; 1000) angeordnet ist, wobei das Thermomodul (500; 600; 700; 800; 900) eine Titan-Rückfläche (120; 520), einen Dampfraum (300; 530; 531; 532), der ein Gehäuse bildet, und eine Dochtwirkungsstruktur (210; 510; 511; 512), die in dem Gehäuse enthalten ist, umfasst, wobei die Dochtwirkungsstruktur (210; 510; 511; 512) auf einem Metallsubstrat (205; 212) ausgebildet ist; mindestens ein Strukturelement (410; 420; 430), das der tragbaren Einrichtung (400; 400'; 400"; 480; 1000) Steifigkeit verleiht; einen Chip (450; 452) mit integrierter Schaltung, der in thermischer Verbindung mit dem Thermomodul (500; 600; 700; 800; 900) steht, so dass eine von dem Chip (450; 452) erzeugte Wärme durch das Thermomodul (500; 600; 700; 800; 900) in der gesamten tragbaren Einrichtung (400; 400'; 400"; 480; 1000) verteilt wird; und wobei das Thermomodul (500; 600; 700; 800; 900) mechanisch mit dem mindestens einen Strukturelement (410; 420; 430) durch mindestens eines gekoppelt ist: Löten, Schweißen, Bindung und Kleben, wobei der tragbaren Einrichtung (400; 400'; 400"; 480; 1000) eine Steifigkeit bezüglich eines Biegens aus einer primären Ebene heraus hinzugefügt wird, wobei eine Metallschicht (630; 632; 640; 642) auf einer Oberseite (120) und/oder einer Unterseite (520) des Thermomoduls (500; 600; 700; 800; 900) angeordnet ist, wobei die Metallschicht (630; 632; 640; 642) so ausgestaltet und mit einer strahlungsemittierenden Einrichtung gekoppelt ist, dass sie eine von der tragbaren Einrichtung (400; 400'; 400"; 480; 1000) emittierte Strahlungsmenge reduziert, und wobei das Thermomodul (500; 600; 700; 800; 900) eine komplexe Form (610) aufweist, die mindestens eine Falte oder Biegung aufweist.
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Families Citing this family (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102119660B1 (ko) * 2013-10-17 2020-06-08 엘지전자 주식회사 이동 단말기
US10561041B2 (en) * 2017-10-18 2020-02-11 Pimems, Inc. Titanium thermal module
DE112020002361B4 (de) 2019-05-15 2024-04-11 Aavid Thermal Corp. Dampfkammer-thermobandanordnung und verfahren
US11437328B2 (en) 2019-05-16 2022-09-06 Qualcomm Incorporated Device thermal management
CN110267485B (zh) * 2019-05-27 2020-04-28 西安交通大学 一种蒸发-沸腾毛细芯耦合补液毛细芯组合结构
US11495519B2 (en) 2019-06-07 2022-11-08 Dana Canada Corporation Apparatus for thermal management of electronic components
CN110234216B (zh) * 2019-06-28 2021-03-12 Oppo广东移动通信有限公司 壳体组件、其制备方法以及电子设备
CN110336902B (zh) * 2019-06-28 2021-03-12 Oppo广东移动通信有限公司 电子设备的后壳、其制备方法、壳体组件以及电子设备
WO2021031451A1 (zh) * 2019-08-16 2021-02-25 宝时得科技（中国）有限公司 Gps定位机构及割草机
US20220221917A1 (en) * 2019-09-19 2022-07-14 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Chassis components
KR20220062078A (ko) * 2020-01-06 2022-05-13 엘지전자 주식회사 디스플레이 디바이스
US11095014B2 (en) 2020-01-07 2021-08-17 Aptiv Technologies Limited Waveguide antenna with integrated temperature management
JP6934093B1 (ja) * 2020-07-13 2021-09-08 レノボ・シンガポール・プライベート・リミテッド 電子機器及び冷却モジュール
KR20220092214A (ko) 2020-12-24 2022-07-01 엘지디스플레이 주식회사 표시 모듈 및 표시 장치
KR20220092213A (ko) * 2020-12-24 2022-07-01 엘지디스플레이 주식회사 표시 모듈 및 표시 장치
US20220246493A1 (en) * 2021-02-03 2022-08-04 Amulaire Thermal Technology, Inc. Water-cooling device with composite heat-dissipating structure
TW202239587A (zh) 2021-03-04 2022-10-16 宸寰科技有限公司 薄型化封裝接著結構
CN112951728B (zh) * 2021-05-12 2022-02-15 中兴通讯股份有限公司 蒸发结构、散热器、半导体器件及制备方法
DE102022120251A1 (de) 2021-12-02 2023-06-07 Pimems, Inc. Hochleistungsfähige zweiphasen-kühleinrichtung
US20240077259A1 (en) * 2022-09-07 2024-03-07 Meta Platforms Technologies, Llc Heat pipes and vapor chambers manufactured using a vacuum process

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7718552B2 (en) 2005-04-04 2010-05-18 The Regents Of The University Of California Nanostructured titania
US20110120674A1 (en) 2008-07-21 2011-05-26 The Regents Of The University Of California Titanium-based thermal ground plane
WO2012106326A1 (en) 2011-01-31 2012-08-09 The Regents Of The University Of California Using millisecond pulsed laser welding in mems packaging
US20130327504A1 (en) 2008-07-21 2013-12-12 The Regents Of The University Of California Titanium-based thermal ground plane
US20160216042A1 (en) 2015-01-22 2016-07-28 Payam Bozorgi High performance two-phase cooling apparatus
US20170052575A1 (en) 2015-08-17 2017-02-23 Microsoft Technology Licensing, Llc Device faraday cage
US20180094871A1 (en) 2014-06-26 2018-04-05 Pimems, Inc. Two-Phase Cooling Devices with Low-Profile Charging Ports

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5520244A (en) 1992-12-16 1996-05-28 Sdl, Inc. Micropost waste heat removal system
US6070656A (en) * 1998-12-09 2000-06-06 The Aerospace Corporation Microelectronic substrate active thermal cooling wick
US6744640B2 (en) * 2002-04-10 2004-06-01 Gore Enterprise Holdings, Inc. Board-level EMI shield with enhanced thermal dissipation
US7087458B2 (en) * 2002-10-30 2006-08-08 Advanpack Solutions Pte. Ltd. Method for fabricating a flip chip package with pillar bump and no flow underfill
JP3896961B2 (ja) * 2002-12-12 2007-03-22 ソニー株式会社 熱輸送装置および熱輸送装置の製造方法
US7732918B2 (en) * 2003-08-25 2010-06-08 Nanoconduction, Inc. Vapor chamber heat sink having a carbon nanotube fluid interface
US7824466B2 (en) * 2005-01-14 2010-11-02 Cabot Corporation Production of metal nanoparticles
WO2007019558A2 (en) 2005-08-09 2007-02-15 The Regents Of The University Of California Nanostructured micro heat pipes
EP1996887A2 (de) * 2006-03-03 2008-12-03 Illuminex Corporation Wärmerohr mit nanostrukturiertem führungsmaterial
JP4737285B2 (ja) 2008-12-24 2011-07-27 ソニー株式会社 熱輸送デバイス及び電子機器
US9163883B2 (en) * 2009-03-06 2015-10-20 Kevlin Thermal Technologies, Inc. Flexible thermal ground plane and manufacturing the same
US10036599B1 (en) * 2014-05-09 2018-07-31 Minco Products, Inc. Thermal energy storage assembly
TWI584110B (zh) * 2014-11-10 2017-05-21 Asia Vital Components Co Ltd 穿戴式電子裝置散熱結構
US10670352B2 (en) * 2016-05-23 2020-06-02 Pimems, Inc. High performance two-phase cooling apparatus for portable applications
US10561041B2 (en) * 2017-10-18 2020-02-11 Pimems, Inc. Titanium thermal module

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7718552B2 (en) 2005-04-04 2010-05-18 The Regents Of The University Of California Nanostructured titania
US20110120674A1 (en) 2008-07-21 2011-05-26 The Regents Of The University Of California Titanium-based thermal ground plane
US20130327504A1 (en) 2008-07-21 2013-12-12 The Regents Of The University Of California Titanium-based thermal ground plane
WO2012106326A1 (en) 2011-01-31 2012-08-09 The Regents Of The University Of California Using millisecond pulsed laser welding in mems packaging
US20180094871A1 (en) 2014-06-26 2018-04-05 Pimems, Inc. Two-Phase Cooling Devices with Low-Profile Charging Ports
US20160216042A1 (en) 2015-01-22 2016-07-28 Payam Bozorgi High performance two-phase cooling apparatus
US20170052575A1 (en) 2015-08-17 2017-02-23 Microsoft Technology Licensing, Llc Device faraday cage

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Publication number Publication date
US20200154605A1 (en) 2020-05-14
US10561041B2 (en) 2020-02-11
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