专利名称：柔性芯片散热器和利用该散热器进行冷却的方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于冷却电子元件的热量耗散器(或者说“散热器”)，尤其是涉及一种与集成电路(“ICs”)一起使用的热量耗散器。特别是，本发明涉及辐射式散热器，具体来说涉及一种用于冷却IC芯片上的电子元件的柔性金属辐射式散热器，其在外部接触的作用下能够发生弹性变形而不发生断裂或者分离，然后返回至其初始尺寸、形状和位置，并且不会将外力传递至其所冷却的电子元件。
背景技术：
当今，通过使用集成电路(“ICs”)，使得电子器件能够大大地小型化，其中，多个电子元件，比如各种类型的晶体管、电容、电阻、放大器、逻辑电路等等，被制造、定位以及电连接和组合到小型单片集成电路(“IC”)芯片(或者说“微芯片”)上的电路内。电子元件在IC芯片上的高密集度必然将这些元件的电能消耗限制在小的区域中。这种电能消耗会产生相当多的热量，在工作过程中这些热量必须从IC芯片上的电路中去除或者消散掉。对于许多电子器件来说，比如计算机处理器、存储模块、传感器、发射器、接收器、转换器、调整器等等(它们目前均被制成IC形式)，由这些器件产生的热量必须被快速和高效地消散掉，以防止这些器件由于过热而不正常工作以及可能的损毁。这就使得要在集成电路中使用热量耗散器(或者说“散热器”)，所述热量耗散器在工作过程中通过直接接触从IC向散热器进行热传导而将热量从IC传出，并且随后将热量辐射到周围空气中以便通过自然对流或者强制对流而去除热量。
随着电子和计算机科技进步到亚微米时代，IC微芯片的物理尺寸显著缩小，并且所安装电子元件的数目和密度(以及它们的工作速度)大大提高。这样就使得在工作过程中产生的热量增加，并且通常将具有大散热表面面积的金属辐射式散热片与微芯片组合使用，以去除这些热量。通常，存在三种类型的散热器(“铝制挤出型”、“压力模制型”和“折叠堆积型”)，它们以制造方法加以区分。但是，铝制挤出型和压力模制型散热器越来越多地被折叠堆积型辐射式散热片所取代，其中折叠堆积型散热片可以制造成与更高密度的ICs一起使用，以在有限的物理区域或者空间内提供令人满意的冷却。
发明内容
为了使折叠堆积型散热片在与高密度IC微芯片一起使用时提供令人满意的冷却性能，该散热片必须制成在有限面积(或者“小的占地面积”)内与IC芯片接触，以便节省空间，相应地，这就需要该散热片具有延长(“高挑”)的竖向尺寸，以便将足够的表面面积暴露给充足的周围空气，从而令人满意地进行热量消散。但是，尽管对于高密度IC微芯片来说这种“占地面积小”/“高挑”的散热器构造提供了足够的冷却作用，但是由于其延长的竖向轮廓所产生的更大的转矩，其高度增加会因为散热器更易于受到意外接触与IC和印刷电路板(PCB)“断开”(或者说分离)而产生问题(尤其是在制造过程中)。
本发明通过提供一种柔性辐射式散热器解决了前述问题，这种柔性辐射式散热器在外部接触的作用下发生弹性变形而不与IC芯片发生断裂或者分离，然后返回至其初始尺寸、形状和位置，并且不会将外力传递至其所冷却的电子元件。这一点利用用于散热器骨架(skeletal)构造的一组提供“折叠构造”的相连接的柔性接头(joint)而不是刚性挤出件来实现。优选的是，具有高导热性能的金属或者其它材料(比如铜或者铝)构造成柔性的波状薄片，这些波状薄片连接在一起形成一种“占地面积小”/“高挑”的散热器构造。利用这种构造，允许散热器受到接触时通过弹性挠曲然后返回至其初始形状以吸收应力但不发生断裂，而不会将接触力传递至散热器与IC/PCB之间的连接部以及受到剪切应力发生断裂。
因此，本发明的目的在于通过提供一种用于冷却集成电路芯片上的电子元件的柔性辐射式散热器的方法、装置和系统来克服现有技术中的缺点，其中所述柔性辐射式散热器构造成具有一组相连接的柔性接头，并且该散热器能够在外部接触力的作用下发生弹性变形而不与芯片发生断裂或者分离，然后返回至其初始尺寸、形状和位置，并且不会将外力传递至被冷却的电子元件。
本发明的另外一个目的在于通过提供一种柔性辐射式散热器来克服现有技术中的缺点，这种柔性辐射式散热器由能够形成具有足够柔性的构造的材料制成，以在弹性变形过程中保持在塑性极限之内，从而弹性地吸收应力，而不会在接触力的作用下发生断裂或者将所述接触力传递至被冷却的电子元件。
本发明的另外一个目的在于通过提供一种柔性辐射式散热器来克服现有技术中的缺点，这种柔性辐射式散热器由连接在一起形成一组构造的波状金属薄片构成，该构造与被冷却电子元件的接触面积有限并具有延长的尺寸，该延长的尺寸使足够的表面面积暴露给周围空气，以允许进行充分的热量消散。
本发明的另外一个目的在于通过提供一种柔性辐射式散热器来克服现有技术中的缺点，这种柔性辐射式散热器由具有高导热性的材料构成，以冷却高密度集成电路芯片上的电子元件。
在说明书特别在结尾部分指出并且明确地说明了本发明的主题。但是，参考下文结合附图的描述，可以更好地理解本发明以及其它目的和优点。
图1是与基板组合在一起的本发明柔性辐射式散热器的透视图；图2是本发明柔性辐射式散热器在外部接触的作用下发生挠曲时的透视图；
图3是现有技术散热器与集成电路(IC)和印刷电路板(PCB)操作性接合的分解视图；图4是图3中现有技术散热器与集成电路(IC)操作性接合的透视图；图5是与基板组合在一起的现有技术折叠堆积型辐射式散热片的透视图。
具体实施例方式
集成电路(IC)可以形成在各种封装中。常规的一种是在图3和4的现有技术构造中示出的双列直插式封装(或者说DIP)，其中IC芯片50被装入由绝缘材料制成的长方形盒子中。沿着DIP封装的侧边，设置有多个金属端子或者引脚52。若干个引脚52连接在盒子内部的IC芯片50上，由此允许与位于芯片上的电路形成电连接。其它引脚54(通常是那些最接近居中设置的芯片的引脚)与位于芯片50底部的金属接地层物理接触，并且用来将热量从芯片传导至外部环境。可以将热量耗散器(或者说“散热器”)10附装成与导热引脚54接触，从而将热量从IC芯片50导出。通常在通过将IC引脚52和54例如借助钎焊固定在印刷电路板(PCB)上而将IC芯片50安装在PCB之前附装散热器10。
图5示出了现有技术的折叠堆积型辐射式散热片结构10的典型视图，其包括多个具有较小尺寸的金属板11，每块金属板11均通过常规的机械压制、模制或者挤出方法成形。如例如在美国专利No.6672379中描述的那样，每块金属板11均具有主体12，该主体12与包括突起14和凹槽142的折叠侧部13连接，其中所述凹槽142可以用来定位相邻的板11(通过使一块板上的突起与相邻板上的对应凹槽接合)，该美国专利引用于此以供参考。金属板11通过已知方法，比如将它们的侧部13胶结或者钎焊在导热IC基板20的表面上，与基板20相连接。随后，将散热器10和基板20的组合体附装到IC芯片50上，来消散IC芯片50产生的热量。
参照图1和2，本发明涉及一种柔性辐射式散热器，尤其适用于诸如IC微芯片这样的电子发热器件。如图5中示出的现有技术实施例一样，散热器10优选包括多个金属薄板11，每块金属薄板11均被切割成较小的尺寸和形状，并且利用常规方法制成。散热器10具有高效散热区域，因为其金属薄板11一般由具有高导热性的材料制成，比如铜、铝和/或具有类似导热性和机械柔性的材料。金属薄板11的数目、尺寸和形状根据散热器10要用于的IC芯片50的类型(以及待消散的热量)而改变。基扳20也一般由具有高导热性的材料制成。
如图1所示，散热器10构造成在有限的表面面积(或者“较小的占地面积”)内与IC芯片基板20接触，以节省空间，并且具有延长(或者“高挑”)的竖向高度尺寸，以便提供充分暴露给周围空气的表面面积，来进行足够的热量消散。但是，这种“高挑”的高度增大了散热器受到制造过程中的意外接触(或者其他原因)与IC芯片和印刷电路板(PCB)“断开”(或者分离)的趋势，因为其延长的竖向轮廓增大了转矩。
为了解决这个问题，每块金属薄板11优选制成波状“翅片”，并且随后利用一组柔性接头30将这些金属薄板连接在一起，以便形成用于散热器10的骨架结构的“折叠构造”。如图2所示，使用波状件而不是刚性挤出件增加了散热片11的柔性(由此提高了对外部接触的耐受性)，并且使金属材料在变形过程中保持在塑性极限之内，从而允许散热器10吸收冲击并且恢复至其初始形式，而不是将接触力传递至散热器10与基板20之间的连接部以使该散热器受到剪切应力发生断裂。
由此，本发明通过提供一种用于冷却位于IC芯片上的电子元件的柔性金属辐射式散热器克服了现有技术中的缺点，其中所述柔性金属辐射式散热器在外部接触的作用下发生弹性变形而不发生断裂或者分离，然后返回至其初始尺寸、形状和位置，并且不会将外力传递至其所冷却的电子元件。
尽管已经通过示例示出了本发明的某些优选特征，但是可以在所附权利要求所包含的本发明精神实质内进行多种变型和修改，其中权利要求要依照法律允许尽可能宽泛地进行解释以覆盖本发明的全部范围，并包括所有等效描述。
权利要求
1.一种用于冷却集成电路芯片上至少一个电子元件的柔性辐射式散热器，包括一种或者多种以一组相连接的柔性接头构造的导热材料，该导热材料在外部接触力的作用下能够发生弹性变形而不与芯片发生断裂或者分离，然后返回至初始尺寸、形状和位置，并且不会将所述外力传递至被冷却的电子元件。
2.如权利要求1所述的柔性辐射式散热器，其特征在于，所述材料能够形成具有足够柔性的构造，以在变形过程中保持在塑性极限之内，从而弹性地吸收应力。
3.如权利要求2所述的柔性辐射式散热器，其特征在于，该散热器包括多个波状金属薄片，这些金属薄片连接在一起形成与被冷却电子元件的接触面积有限并具有延长的尺寸的构造，所述延长的尺寸使至少一个表面面积暴露给周围空气以进行热量消散。
4.如权利要求1所述的柔性辐射式散热器，其特征在于，该散热器包括至少一种具有高导热性的材料，以冷却高密度集成电路芯片上的一个或者多个电子元件。
5.如权利要求4所述的柔性辐射式散热器，其特征在于，至少一种材料选自下列金属铜、铝以及具有基本类似的导热性和机械柔性的材料。
6.一种计算机系统，包括一个或者多个集成电路芯片，并且包括至少一个用于冷却芯片上的一个或者多个电子元件的柔性辐射式散热器，其中，所述散热器包括一种或者多种以一组相连接的柔性接头构造的导热材料，该导热材料在外部接触力的作用下能够发生弹性变形而不与芯片发生断裂或者分离，然后返回至初始尺寸、形状和位置，并且不会将所述外力传递至被冷却的电子元件。
7.如权利要求6所述的计算机系统，其特征在于，所述散热器的材料能够形成具有足够柔性的构造，以在变形过程中保持在塑性极限之内，从而弹性地吸收应力。
8.如权利要求7所述的计算机系统，其特征在于，至少一个散热器包括多个波状金属薄片，这些金属薄片连接在一起形成与被冷却电子元件的接触面积有限并具有延长的尺寸的构造，所述延长的尺寸使至少一个表面面积暴露给周围空气以进行热量消散。
9.如权利要求6所述的计算机系统，其特征在于，一个或者多个散热器包括至少一种具有高导热性的材料，以冷却高密度集成电路芯片上的一个或者多个电子元件。
10.如权利要求9所述的计算机系统，其特征在于，至少一种散热器材料选自下列金属铜、铝以及具有基本类似的导热性和机械柔性的材料。
11.一种使用柔性辐射式散热器冷却集成电路芯片上至少一个电子元件的方法，包括制造和安装至少一个散热器的步骤，该散热器包括一种或者多种以一组相连接的柔性接头构造的导热材料，该导热材料在外部接触力的作用下能够发生弹性变形而不与芯片发生断裂或者分离，然后返回至初始尺寸、形状和位置，并且不会将外力传递至被冷却的电子元件。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述材料能够形成具有足够柔性的构造，以在变形过程中保持在塑性极限之内，从而弹性地吸收应力。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，该方法包括制造和安装至少一个这样的散热器的步骤，即，该散热器包括多个波状金属薄片，这些金属薄片连接在一起形成与被冷却电子元件的接触面积有限并具有延长的尺寸的构造，所述延长的尺寸使至少一个表面面积暴露给周围空气以进行热量消散。
14.如权利要求11所述的方法，其特征在于，该方法包括制造和安装一个或者多个这样的散热器的步骤，即，该散热器包括至少一种具有高导热性的材料，以冷却高密度集成电路芯片上的一个或者多个电子元件。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，至少一种散热器材料选自下列金属铜、铝以及具有基本类似的导热性和机械柔性的材料。
全文摘要
本发明公开了一种利用柔性辐射式散热器来冷却集成电路芯片上的电子元件的方法、装置和系统。所述散热器在外部接触的作用下能够发生弹性变形而不发生断裂或者分离，然后返回至初始尺寸、形状和位置，并且不会将外力传递至其所冷却的电子元件。
文档编号H01L23/367GK1983575SQ20061016702
公开日2007年6月20日 申请日期2006年12月13日 优先权日2005年12月14日
发明者B·F·勒巴赫, D·W·威尔希特, A·I·阿姆斯特朗 申请人:国际商业机器公司