利用热绝缘层组装的电子设备的制作方法

利用热绝缘层组装的电子设备的制作方法
【专利摘要】本发明提供了利用热绝缘层组装的电子设备。
【专利说明】利用热绝缘层组装的电子设备
【技术领域】
[0001]本发明提供了利用热绝缘层组装的电子设备。
【背景技术】
[0002]随着微电子电路的尺寸继续缩小并且电路在功能方面的能力继续增加，在电路使用时生成的热量对于制造商和最终用户来说已经成为越来越大的问题。换句话说，生成的热量的水平与半导体封装的性能有关，其中性能更高的设备生成的热量的水平更高。例如，组装在在消费电子设备内的电路板上的半导体封装全都生成通常作为工作副产品的热量，所述消费电子设备例如为诸如中央和图形处理单元、芯片组、电池以及电压调节器。半导体封装生成热量，要求对热量进行管理以便增加封装的寿命、最小化设计限制以及增加封装的性能，并且因此增加消费电子设备的寿命和性能。
[0003]热管理材料用于耗散由电路生成的热量是众所周知的，并且放置在电子设备内的关键位置处的风扇也从电路或热模块吸收热量。过量的热量被从半导体封装传递至热沉或具有热界面材料(“TIM”)的热模块，热界面材料经常被设置在半导体封装和热沉或热模块之间。
[0004]然而，因为朝着设备的壳体的内部引导热空气远离半导体封装的最接近环境，所以用于管理所生成的热量的这些策略已经生成了新的问题。
[0005]更具体而言，在常规的膝上型或笔记本电脑(图2中示出的)中，壳体位于键盘下方的部件下面(图3中示出的)。部件包括热沉、热管(设置在CPU芯片上方)、风扇、用于PCMIA卡的槽、硬盘驱动器、电池、以及用于DVD驱动器的仓(bay)。硬盘驱动器设置于左边的手掌放置区下面并且电池设置于右边的手掌放置区下面。通常，硬盘驱动器在高温下工作，导致不舒服的手掌放置区触摸温度，尽管使用了用于耗散这种热量的冷却部件。这可能由于当使用设备时设备外部的某些部分处的热的温度导致最终用户消费者不舒服。
[0006]减弱使用时在手掌放置区处由最终用户注意到的高温度的的一个解决方案是例如使用设置于关键位置处的天然石墨散热器。据说这些散热器均匀地分散热量同时提供通过材料的厚度的热绝缘。这样一种石墨材料是可商业购买的，例如来自俄亥俄州克利夫兰的 GrafTech Inc.的 eGraf? SpreaderShield?[参见 M.Smalc 等人的“Thermal Performance Of Natural Graphite Heat Spreaders”，Proc.1PACK2005,Interpack2005-73073 (July, 2005);也参见美国专利号 6，482，520]。
[0007]替代的解决方案是期望的并且将是有利的，因为市场中存在对管理由电子设备中使用的这种半导体封装生成的热量以便最终用户消费者不感觉由于当使用电子设备时由生成的热量引起的不舒服的方法的增长的需要。与这种要求保持平衡的是半导体芯片的设计者将继续降低半导体芯片和半导体封装的尺寸和几何结构但是增加其容量以使得电子设备吸引消费者的意识，但是这样做引起半导体芯片和半导体封装继续在升高的温度条件下工作。相应地，利用替代的技术来满足此增长、未满足的要求以鼓励工作中触摸上去不热的更大功率的消费电子设备的设计和开发是有利的。[0008]这种要求尚未满足，直至现在。

【发明内容】

[0009]本发明提供了一种消费电子制品，包括:
[0010]壳体，所述壳体包括具有内部表面和外部表面的至少一个基底；
[0011]热绝缘成分的层，所述热绝缘成分的层被设置于所述至少一个基底的所述内部表面的至少一部分上；以及
[0012]至少一个半导体封装，所述至少一个半导体封装包括组件，所述组件包括以下至少一项:
[0013]1.[0014]半导体芯片；
[0015]散热器；以及
[0016]介于其间的热界面材料(也称为--Μ1应用)
[0017]I1.[0018]散热器；
[0019]热沉；以及 [0020]介于其间的热界面材料(也称为TIM2应用)。
[0021]在这里也提供了一种制造这种消费电子设备的方法。
【专利附图】

【附图说明】
[0022]图1描述了在其上设置了多个半导体封装和电路的电路板连同一般在封装自身的组装以及将封装组装至板上使用的电子材料的剖视图。附图标记1-18指的是半导体和印刷电路板的封装和组件中使用的一些电子材料；
[0023]图2描述了处于打开姿势的膝上型个人电脑；
[0024]图3描述了在膝上型个人电脑的键盘及其手掌放置区之下的内部所容之物(content)的俯视图；
[0025]图4描述了电子设备的总体示意图。
【具体实施方式】
[0026]如以上所指出的，在这里提供了一种消费电子制品。这种制品(或“设备”)可以从笔记本个人电脑、平板个人电脑或手持设备中选择，例如音乐播放器、视频播放器、静态图像播放器、游戏机、其它媒体播放器、录音机、录像机、相机、其它媒体记录器、收音机、医学设备、家用电器、运输交通工具仪器、乐器、计算器、蜂窝电话、其它无线通信设备、个人数字助理、遥控器、寻呼机、监控器、电视机、立体声设备、机顶盒、置顶盒、音响、调制解调器、路由器、键盘、鼠标、扬声器、打印机以及其组合。
[0027]所述设备包含:
[0028]壳体，所述壳体包括具有内部表面和外部表面的至少一个基底；
[0029]热绝缘成分的层，所述热绝缘成分的层被设置于所述至少一个基底的内部表面的至少一部分上；以及[0030]至少一个半导体封装，所述至少一个半导体封装包括组件，所述组件包括以下至少一项:
[0031]1.[0032]半导体芯片；
[0033]散热器；以及
[0034]介于其间的热界面材料，或
[0035]I1.[0036]散热器；
[0037]热沉；以及
[0038]介于其间的热界面材料。
[0039]所述设备还可以包括通风元件以将半导体组件生成的热量从设备疏散。
[0040]当然，消费电子设备设置有电源以为一个或多个半导体封装提供能量。
[0041]半导体封装可以形成有管芯附着材料，所述管芯附着材料被设置于半导体芯片和电路板之间以将芯片牢固地附着至板上。引线键合形成芯片与板之间的电互连。这种管芯附着材料通常是以热固树脂基质高度填充的材料。所述基质可以由环氧树脂、马来酰亚胺、衣康酰亚胺、降冰片烯邻二甲酰亚胺和/或(甲安菲他明)丙烯酸构成。填充物可以是导电的或不导电的。在一些情况下，管芯附着材料是导热的，在这种情况下，所述管芯附着材料也帮助使热量耗散远离半导体封装。这种管芯附着材料的代表性的商业可购买的范例包括来自Henkel公司的QMI519HT。
[0042]替代地，半导体封装可以形成有利用半导体芯片与电路板之间的空间中的焊料互连电连接至电路板的半导体芯片。可以将底部填充密封剂设置于所述空间中。底部填充密封剂也将具有热固基质树脂，所述热固基质树脂像管芯附着材料一样可以由环氧树脂、马来酰亚胺、衣康酰亚胺、降冰片烯邻二甲酰亚胺和/或(甲安菲他明)丙烯酸构成。通常也填充底部填充密封剂。然而，填充物普遍是非导电的用于调节半导体管芯和电路板的热膨胀系数的差异。这种底部填充密封剂的代表性的商业可购买的范例包括来自Henkel公司的 HYSOL FP4549HT。
[0043]一旦已经将半导体封装设置到电路板上并且通常由表面安装粘合剂、芯片键合机、或芯片级封装底部填充密封剂将半导体封装附着到电路板时，可以利用模制化合物对封装进行包塑(overmold)，以便保护封装免于其它环境污染物的污染。模制化合物通常是基于环氧树脂或苯并恶嗪的。GR750是可购买自Henkel公司的环氧树脂塑胶混合物的范例，其被设计来提高半导体器件中的热管理。
[0044]焊膏用在电路板上的各个部分，使得以电互连的方式来附着半导体封装和组件。一种该焊膏是可购买自Henkel公司的商标名为MULTI CORE Bi58LM100的焊膏。这种无铅焊膏被设计用于期望进行热管理的应用。
[0045]为了有效地管理由半导体芯片和半导体封装生成的热量，可以与对于需要热耗散的任何热量-生成部件(并且特别地，对于半导体设备中的热量-生成部件)一起使用热界面材料。在这种设备中，热界面材料形成热量-生成部件和热沉之间的层并且将待耗散的热量传递至热沉。热界面材料也可以用在包括散热器的设备中。在这种情况下，将热界面材料的层放置于热量-生成部件和散热器之间，并且将热界面材料的第二层放置于散热器和热沉之间。
[0046]热界面材料可以是相变材料，例如可购买自Henkel公司的商标名为P0WERSTRATEEXTREME、PowerstrateXtreme或PSX的相变材料。被封装为两个离型膜(release liners)之间的自支撑(freestanding)膜并且被供应为用于匹配多种应用的管芯切口(die out),这种热界面材料是适合用于例如热沉和各种热耗散部件之间的可再使用的(reworkable)相变材料。材料在相变温度下流动，顺从部件的表面特征。相变材料形式的所述热界面材料具有大致51°C或60°C的熔点。
[0047]在流动时，空气就从界面被驱逐出，降低了热阻抗，变为高度有效的热传递材料。
[0048]可以根据(a) 60%至90%重量的石蜡；(b) O %至5%重量的树脂；以及(C) 10%至40%重量的金属颗粒来构造热界面材料，所述金属颗粒例如是导电填充物。所述导电填充物通常是从石墨、金刚石、银、以及铜中选择的一种。替代地，所述导电填充物可以是诸如球形氧化铝的铝。
[0049]适用于热界面材料中的金属颗粒可以是易熔金属颗粒，典型地，可以是用作焊料的金属合金或低熔点金属。这种金属的范例包含铋、锡、以及铟，并且也可以包括银、锌、铜、锑、以及涂覆了氮化硼的银。在一个实施例中，金属颗粒是从锡、铋中选择的，或为两者。在另一个实施例中，还存在铟。也能够使用以上金属的合金。
[0050]也可以使用锡和铋粉末(锡与铋的重量比为Sn48Bi52)的共晶合金(熔点138°C )，尤其与铟粉末(熔点158°C )组合，其中，存在与Sn:Bi合金具有1:1的重量比的铟。
[0051]金属颗粒和/或合金应当以热界面材料的从50至95的重量百分比的范围中的组分出现。
[0052]热界面材料也可以是散热膏，例如可购买自Henkel公司的商标名为TG100，C0T20232-36I1或C0T20232-36E1的一种散热膏。TG100是被设计用于高温热传递的散热膏。在使用中，TG100被放置在热生成设备与安装热生成设备的表面或其它的热耗散表面之间。这种产品实现(deliver) 了优良的耐热性，提供了高热导率并且在宽的工作温度范围上几乎没有蒸发。另外，C0T20232-36E1和C0T20232-36I1是--Μ1类型材料，在这种情况下被设计用于高功率倒装芯片应用。这些产品包含软的胶凝聚合物或可固化基质，其在固化之后形成在其内具有低熔点合金的互穿(interpenetrating)网络。低熔点合金可以是易熔金属焊料颗粒，特别是那些基本上没有添加铅，包括主要的焊料粉末并且可选择地包括焊料合金的易熔金属焊料颗粒。
[0053]使用的热界面材料应当具有小于0.2 (°C cm2/Watt)的热阻抗。
[0054]壳体包括至少两个基底并且经常包括多个基底。基底被调整尺寸并且被设置成彼此接合。
[0055]热绝缘成分的层被设置于包括所述壳体的至少一个基底的内部表面的至少一部分上，在使用时，所述至少一个基底的互补外部表面与最终用户接触。所以，参考图2，手掌放置区将是膝上型电脑或笔记本个人电脑上的此位置的好的范例。热绝缘成分可以包括诸如空气的气体。气体可以被容纳在空心球状的容器内。
[0056]这种热绝缘成分的代表性商业可购买的范例包括HenKel公司出售的商标名为DUALITE或Akzo Nobel的商标名为EXPANCEL的那些热绝缘成分，例如DUALITE E。DUALITEE促进降低最终产品的热导率，其中所述最终产品用作成本降低的或重量减轻的部件。据说DUALITE E的使用将稳定的、中空的、封闭单元的空洞引入至最终产品中。
[0057]在涂覆期望的表面之前,热绝缘成分与载体媒介物(vehicle)接触，以便在液体载体媒介物中以25%至99%的体积浓度形成悬浮体、分散体或乳胶体。载体媒介物可以是任何液体，尽管期望的载体媒介物不携带或至多只携带低水平的环境调节和标签要求(labeling requirements)并且不应当引起或倾向于引起热绝缘成分的凝聚。液体载体媒介物可以是极性的或非极性的。水是期望的载体媒介物，低度酒精也是期望的载体媒介物。聚合乳胶体也可以是期望的载体媒介物。
[0058]例如通过喷涂将作为液体载体媒介物中的分散体、悬浮体或乳胶体形式的热绝缘成分涂覆至表面。在涂覆之后，在暴露至适当高于室温的温度条件下，去除液体载体媒介物。所述热绝缘成分应当在基底的表面上形成涂层。如此形成的涂层厚到足够帮助在使用时生成从半导体封装生成的热量热传递通过基底的阻挡层，但是不能太厚以致干扰消费电子设备的组装和/或工作。
[0059]参考图1，示出了电路板的剖视图。在电路板上设置了多个半导体封装和电路，连同通常在封装自身的组装以及将封装组装至板上时使用的电子材料，以及其中将使用电路板的电子设备的壳体的一部分。在图1中，I指的是表面安装粘合剂(例如L0CTITE3609和3619) ;2指的是已经在这里详细描述的热界面材料；3指的是低压模制材料(例如MM6208) ;4指的是板底部填充上的倒装芯片(例如HYSOL FP4531) ;5指的是液体封装剂圆顶(glob top)(例如 HYSOL E01016 和 E01072) ；6 指的是硅酮封装剂(例如 L0CTITE5210)；7的是指填充化合物(例如L0CTITE5089) ；8指的是芯片级封装/球栅阵列底部填充(例如HYS0LUF3808和E1216) ;9指的是倒装芯片空气封装底部填充(例如HYSOL FP4549HT)；10指的是涂层粉末(例如HYSOL DK7-0953M) ;11指的是机械模制化合物(例如HYSOLLL-1000-3NP和GR2310) ;12指的是灌注化合物(例如E&C2850FT) ;13指的是光电子器件(例如 Ablestik AA50T) ; 14 指的是管芯附着(例如 Ablestick0084_lLMlSR4、8290 以及HYSOL 0MI529HT) ; 15指的是保形涂层(例如L0CTITE5293和PC40-UMF) ; 16指的是光子部件和组装材料(例如STYLAST2017M4和HYSOL 0T0149-3) ；17指的是半导体模制化合物；并且 18 指的是焊料(例如 Multicore BI58LM100AAS90V 和 97SCLF318AGS88.5)。这些产品中的每一个产品可以从加尼福利亚州的尔湾市的HenKel公司购买到。
[0060]图1的电路板被设置于电子设备(未示出)的壳体的内部。在包括电子设备的壳体的基底的面向内的表面的至少一部分上涂覆了热绝缘成分的层(未示出)。
[0061]如图4中示出的，电子设备100可以包括壳体101、处理器102、存储器104、电源106、通信电路108-1、总线109、输入部件110、输出部件112、以及冷却部件118。总线109可以包括一个或多个有线或无线链接，所述一个或多个有线或无线链接提供用于将数据和/或功率传输至包括了例如处理器102，存储器104，电源106，通信电路108-1，输入部件110，输出部件112，以及冷却部件118的电子设备100的各个部件、传输来自所述电子设备100的各个部件的数据和/或功率、或在所述电子设备100的各个部件之间传输数据和/或功率的路径。
[0062]存储器104可以包括一个或多个存储介质，其包括但不限于硬盘驱动器、闪速存储器、诸如只读存储器(“ROM”)之类的永久性存储器、诸如随机存取存储器(“RAM”)之类的半永久性存储器、任何其它适当类型的存储部件、以及其任何组合。存储器104还可以包括可以是用于为电子设备应用临时储存数据的一种或多种不同类型的存储器的高速缓冲存储器。
[0063]电源106可以通过一个或多个电池或从诸如使用太阳能电池的太阳能之类的自然源将电力提供至电子设备100的电子部件。
[0064]例如通过电子设备板、拨号盘、点拨轮、滚轮、触摸屏、一个或多个按钮(例如，键盘)、鼠标、操作杆、跟踪球、麦克风、相机、录像机、以及其任何组合，可以提供一个或多个输入部件110以允许用户与设备100交互或进行连接。
[0065]例如通过音频扬声器、耳机、信号线-出(signal line-out)、视觉显示器、天线、红外端口、滚筒、振动器、以及其任何组合，能够提供一个或多个输出部件112以将信息(例如，文本的、图形的、听得见的、和/或能触知的信息)呈现给设备100的用户。
[0066]能够提供一个或多个冷却部件118以帮助耗散由电子设备100的各个电子部件生成的热量。这些冷却部件118可以采取各种形式，例如风扇、热沉、散热器、热管、电子设备100的壳体101中的通风口或开口、以及其任何组合。
[0067]设备100的处理器102可以控制许多功能的运行和由设备100提供的其它电路。例如，处理器102能够接收来自输入部件110的输入信号和/或驱动输出信号通过输出部件 112。
[0068]壳体101应当提供至少一部分的外壳至操作电子设备100的各个电子部件中的一个或多个电子部件。壳体100保护电子部件免受杂物和设备100外部的其它退化的力量的损坏。壳体101可以包括定义其内能够设置设备100的各个电子部件的腔103的一个或多个壁120。壳体开口 151也可以容许某些流体(例如，空气)被吸入并且从电子设备100的腔103流出，以有助于管理设备100的内部温度。壳体101能够由各种材料构成，所述材料例如为金属(例如，铁、铜、钛、铝、以及各种金属合金)、陶瓷、塑料、以及其任何组合。
[0069]除了提供单个外壳，壳体101也可以提供两个或多个壳体部件。例如，处理器102、存储器104、电源106、通信电路108-1、输入部件110、以及冷却部件118可以至少部分包含于第一壳体IOla部件内，而输出部件112可以至少部分包含于第二壳体部件IOlb内。
[0070]范例
[0071]利用搅拌将以下组分放置于容器中:丙烯酸乳液(CARB0TAC1811)，30%;表面活性剂(PLUR0NICP84)，3%，消泡剂(BYKO 19),1% ;未膨胀的 DUALITE (U020-125W)，10% ;以及水，56%。
[0072]对混合物搅拌60分钟的一段时间，以分散DUALITE聚合物颗粒。然后将混合物喷涂在基底上，并且在100°c的温度下干燥30分钟的一段时间以产生粘性的压敏粘合剂(“PSA”)膜。
[0073]将0.03mm的PSA膜的涂层放置于测试管芯上，并且暴露至50°C的温度以产生
5.5°C的温降。以类似的方式制备膜，不过没有DUALITE聚合物颗粒并且同样放置于测试管芯上，产生2°C的温降。
[0074]将0.1mm的PSA-A的涂层放置于测试管芯上，并且暴露至50°C的温度以产生
6.8 °C的温降。
[0075]利用搅拌将以下组分放置于容器中:丙烯酸乳液(HYCAR26138)，30%;表面活性剂(PLUR0NICP84)，3%，消泡剂(BYK019), 1% ；DUALITE (E135-040D), 10% ;以及水，56%。[0076] 对混合物搅拌60分钟的一段时间，以分散DUALITE聚合物颗粒。然后将混合物喷涂在基底上，并且在85°C的温度下干燥10分钟的一段时间，以产生非粘性的膜。所述非粘性的膜表现出大约0.lw/mC的热导率。将0.1mm的非粘性的膜的涂层放置于测试管芯上，并且暴露至50°C的温度以产生8°C的温降。
【权利要求】
1.一种消费电子制品，包括: 壳体，所述壳体包括具有内部表面和外部表面的至少一个基底； 热绝缘成分的层，所述热绝缘成分的层被设置于所述至少一个基底的所述内部表面的至少一部分上；以及 至少一个半导体封装，所述至少一个半导体封装包括组件，所述组件包括以下至少一项:
1.半导体芯片； 散热器；以及 介于其间的热界面材料，或 I1.散热器； 热沉；以及 介于其间的热界面材料。
2.根据权利要求1所述的制品，还包括通风元件，所述通风元件用于将从所述半导体组件生成的热量从所述制品疏散。
3.根据权利要求1所述的制品，其中，所述壳体包括至少两个基底。
4.根据权利要求1所述的制品，其中，所述壳体包括多个基底。
5.根据权利要求1所述的制品，其中，调整所述基底的尺寸并且将所述基底设置成彼此接合。
6.根据权利要求1所述的制品，其中，所述热绝缘成分的层被设置于所述至少一个基底的所述内部表面的至少一部分上，在使用时所述至少一个基底的互补的外部表面与最终用户接触。
7.根据权利要求1所述的制品，其中，所述热绝缘成分包括气体。
8.根据权利要求1所述的制品，其中，所述热绝缘成分包括空气。
9.根据权利要求1所述的制品，其中，所述热绝缘成分包括空心球状的容器内的气体。
10.根据权利要求1所述的制品，其中，所述热绝缘成分以25%至99%的范围内的体积浓度用于液体载体媒介物中。
11.根据权利要求1所述的制品，其中，所述热绝缘成分被涂覆至液体载体媒介物中的分散体或悬浮体中的表面。
12.根据权利要求1所述的制品，其中，所述热绝缘成分被涂覆至包括水的液体载体媒介物中的分散体或悬浮体中的表面。
13.根据权利要求1所述的制品，其中，所述热绝缘成分被涂覆至包括聚合乳胶体的液体载体媒介物中的分散体或悬浮体中的表面。
14.根据权利要求1所述的制品，其中，所述热界面材料包括相变材料。
15.根据权利要求1所述的制品，其中，所述热界面材料包括散热膏。
16.根据权利要求1所述的制品，其中，所述热界面材料包括用于促使从电子部件向热沉传递热量的导热组分，所述导热组分包括: (a) 60%至90%重量的石蜡；(b)0%至5%重量的树脂；以及 (c)10%至40%重量的导电填充物。
17.根据权利要求1所述的制品，其中，所述导电填充物选自由石墨、金刚石、银、铜以及铝构成的组。
18.根据权利要求1所述的制品，其中，所述组分具有大致51°C的熔点。
19.根据权利要求1所述的制品，其中，所述组分具有大致60°C的熔点。
20.根据权利要求1所述的制品，其中，所述热界面材料包括可固化基质材料；易熔金属焊料颗粒，其基本上没有添加铅，包括主要的焊料粉末以及可选的焊料合金；以及可选的催化剂。
21.根据权利要求1所述的制品，其中，所述热界面材料具有小于0.2的热阻抗(Vcm2/Watt)。
22.根据权利要求1所述的制品，其中，所述制品是笔记本个人电脑、平板个人电脑或手持设备 。
【文档编号】G06F1/20GK103999014SQ201280056138
【公开日】2014年8月20日 申请日期:2012年11月9日 优先权日:2011年11月15日
【发明者】M·N·阮, E·巴里奥, M·伦克尔, M·霍洛韦, J·布兰迪 申请人:汉高知识产权控股有限责任公司, 汉高股份有限及两合公司