专利名称：陶瓷泡沫电子元件的冷却的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电子元件冷却装置。
背景技术：
集成电路芯片，如微处理器芯片以及其它电子元件在运行过程中会发热。这些元件通常安装在印刷电路板(PCBs)上。为了有助于确保准确运行，这些元件通常要被保持在低于大约160的运行温度。这意味着必须为电子元件的准确运行提供某种形式的冷却。
举例来说，冷板在冷却PCBs中广泛使用，其中冷却液必须保持与电子元件分开，例如在航空器上的航空电子设备中使用的PCBs。航空器上的航空电子设备冷却都是通过将冷的经空调处理的空气吹过连接在PCBs背面(即，远离芯片上壳的一侧)的冷板热沉。冷板通常包括封装在高长宽比的矩形风道中的加强换热表面。加强换热表面典型地为某种翅片布置或开孔的多孔金属泡沫。冷却剂从一端流向冷板另一端，使加强换热表面内侧完全湿润。该系统冷却安装在冷板侧面的PCBs。
商用成品芯片(COTS)设计成将芯片产生的热量通过芯片上部壳体进行释放。因此，这种芯片通过对芯片壳体直接冷却获得最佳冷却。从背面冷却，例如通过将经空调处理的冷空气吹过连接在远离芯片上壳的PCB背面的冷板来冷却这些芯片的方式不易实现充分冷却。因为COTS芯片的背面冷却热效率不高，历史上COTS芯片很少用于军事航天技术。然而，现代军事航天设计强调COTS芯片的使用作为一种节约开支的措施。加之，在未来采用这种芯片的商业航天和非航天设计将要求这种具有更高冷量的直接外壳冷却方法，因为这种芯片被设计成比当前芯片产生更高的热量，然而仍要求将运行温度限制在160左右。
已经通过增加冷却剂湿润面积的方式进行了对增加壳体直接冷却的冷却能力的研究。该工作已经集中于通过向芯片壳体附着翅片或泡沫来增加可用于冷却壳体的换热面积。机加工的微通道翅片和针状翅片阵列以及金属泡沫设计已进行过试验。但是，机械加工的微通道翅片和针状翅片阵列都涉及到复杂且昂贵的加工方法。形成芯片表面微通道典型的方法包括照相平版印刷、等离子腐蚀以及光化学加工。而且，在芯片表面上仅能形成一列微通道。不能在彼此顶部堆叠多列，因此极大地减少了可用于传热的面积和可被用于移走热量的冷却空气量。金属泡沫受到换热表面面积可增加程度的限制。
机械加工微通道翅片、针状翅片阵列以及金属泡沫芯片壳体冷却系统也仅与电子元件壳体上表面连接。这就造成由芯片壳体中可用于换热面积的另一个限制。连接的翅片设计在芯片外壳顶面和各侧面，然后使冷却剂以可控方式流遍所有翅片的方式是一种要解决的困难的且花费很大的问题。金属泡沫可以加工成与芯片外壳一致，但那将十分昂贵。再有，泡沫外表面将采用昂贵且复杂的铜焊或钎焊工艺进行密封。
希望通过使用一种比现有设计具有更大内部的用于换热的面积的设计，以提高芯片壳体直冷的热效率，并且该设计要加工廉价并且易于机械加工以与芯片壳体的顶面和各侧面一致性地相配。这样的芯片冷却的改进方法能够使COTS芯片在航天领域的使用更加广泛，并且能够使高能计算机芯片使用在商业航天和非航天领域的应用中。
具体到航天领域，因为航空器环境控制系统(ECS)通常会产生冷却空气，具有更高热效率的芯片壳体冷却设计将极具吸引力。然而，这种由ECS产生的冷却空气会对航空器的系统性能造成损失，因为ECS是通过从航空器引擎抽取空气，并且用由管道从外部进入航空器内的劲压空气(ram air)来产生冷却空气。从引擎抽取空气减少了可用于产生推进力的空气，然而获取劲压空气增大航空器阻力。这些效果最终降低了的航空器航程和/或有效载荷。
因此，希望降低用于冷却航空电子设备芯片的空气需求量，从而通过增加航空器的推力和/或降低燃料消耗而降低航空器系统性能损失。也希望处理被设计成比现有芯片产生明显多的热量的未来的大功率电子仪器的冷却。而仍需将运行温度限制在160左右。这将要求更有效地利用可获得的冷却空气。
上面相关技术的举例和与其相关的范围仅用于说明并不是唯一的。其它的相关技术范围对于本领域技术人员来说，在阅读说明书研究附图后是显而易见的。
发明内容
以下将结合示例性和说明性的且不对发明的范围构成限制的系统和方法对实施例及其各个方面进行描述和说明。在各实施例中，将使上面背景技术部分提出的一个或多个的问题得到缓解或解决，其中一些实施例作为另一些实施例的改进。
在一种示例性的电子元件冷却装置中，限定入口和出口的外壳；及设置在外壳内的泡沫件，所述泡沫件具有与电子元件的至少一个表面的形状相对应的形状，从而使泡沫件以热交换形式地被接纳在其中，所述泡沫件具有不大于约50微米的小孔尺寸，至少约80％的空隙率，所述泡沫件被设置在外壳内，从而使冷却剂可穿过泡沫件流动。
根据发明，小孔尺寸可以是约35微米。空隙率也可以是约90％。示例性的泡沫可以是陶瓷泡沫，例如包含石英、氧化铝以及硼硅酸铝纤维的超多孔的微通道氧化铝石英陶瓷泡沫。
根据发明的另一方面，外壳可以由防渗密封剂制成。而且防渗密封剂还可以附加地将泡沫件粘结到电子元件的壳体上。
在更有利的实施方案中，至少设置一个示例性的装置可以以热交换方式被接纳在电子芯片壳体上部。在这样的应用中，泡沫件以热交换方式被接纳的在芯片壳体的侧面和顶面中的任一表面上。此外，防渗密封剂还可以将泡沫件粘结于电子元件的壳体上。
除上述示例性实施例及各个方面外，通过结合附图并研究下面的详细描述，其它实施例和方面将变得更加明显。
将参考附图对示例性的实施例进行说明。在此公开的实施例和附图仅用于说明的目的而不是限制性的。
图1是安装在电路板上由示例性的装置进行冷却的电子元件的透视图。
图2A是图1中示例性装置的侧视图。
图2B是图1中另一示例性装置的侧视图。
图3是示例性陶瓷泡沫的小孔尺寸。
图4是示例性陶瓷泡沫材料的压力与流动长度曲线图。
图5A和5B是示例性陶瓷泡沫材料内的冷却剂压力分布。
具体实施例方式
以概述的方式并参考图1，用于冷却电子元件12的示例性装置10包括外表面用由形成外壳14的粘性密封剂封装的泡沫件18。入口16穿透外壳14，从而使冷却剂可以导入泡沫件18。电子元件12包括形成电子元件12外表面的壳体20。泡沫件18的形状与壳体20的形状相对应从而使壳体20上的泡沫件18与壳体20最终与电子元件12进行热交换。泡沫件18的小孔尺寸不大于约50微米，空隙率至少大约80％。泡沫件18封装在外壳14内，从而使冷却剂被容纳泡沫件18内，并且冷却剂能够穿过泡沫件18而流动。下面将具体对示例性实施例及其应用进行说明。
仍参见图1，电子元件12可适当地为任何印刷电路板(PCB)元件或电子芯片。在示例性实施例中，装置10特别适合于与作为商用成品(COTS)电子元件的电子部件12一起使用，因为这些电子元件往往都将其产生的大部分热量通过电路板22背面的壳体20顶面释放。有利地，泡沫件18可以接纳在壳体20的侧面和顶面同时进行热交换，以将电子元件12内产生的热量通过壳体20传导给流过泡沫件18的冷却剂。COTS电子元件包括处理器、微处理器、控制器、微控制器、放大器、功率放大器、晶体管、功率晶体管、热敏电阻等，但不限于此。电子元件12可以用任何可接受的方式安装在电路板22面上，例如利用表面安装技术。
装置10采用任何COTS电子元件。例如，以非限制性方式进行举例，装置10特别适用于采用航空电子设备单元的电子元件以及军用规格电子元件。另外，装置10应用于航空和非航空应用中的更大功率的计算机芯片中是有利的。
参见附图2A和2B，形成外壳14的粘性密封剂层防渗地密封泡沫件18的外表面。入口16穿过外壳14并且可选择穿过或不穿过泡沫件18。在图2A中，出口24由在电子元件12下侧周围延伸的泡沫件18的表面区域限定，并且不用外壳14密封。在图2B中，出口24由超过电子元件12侧面延伸的泡沫件18的表面区域限定，并且不用外壳14密封。在示例性实施例中，连接入口管26以接受自输入源(图中未表示，例如飞机环境控制系统(ECS))的冷却剂(例如不作为限制的冷空气)，并且入口管26与入口16连接。外壳14确保所有冷却剂流过泡沫件18。以非限制性方式进行举例，在一个示例性实施例中，外壳14适于用防渗的粘性密封剂，例如但不作为限制地由高传导率室内温度硬化(RTV)有机硅来制造。但外壳14可以根据具体应用场合选择合适的防渗粘性密封剂。另一种不作为限制性方式的示例中，外壳14的防渗粘性密封剂由导热环氧树脂制成。
泡沫件18被制成为与电子元件12至少一个表面相反的形状。图2A表示泡沫件18制成与电子元件12侧面和顶面都相反的形状。图2B表示泡沫件18被制成为仅与电子元件12顶面相反的形状。泡沫件18可以根据泡沫件18的成分通过任何可接受的工艺制成，例如通过机械加工、铸造等。同样采用防渗粘性密封剂将泡沫件18粘接在电子元件12的壳体上，参见上述外壳14的形成方式。
泡沫件18将来自电子元件12的热量传导至流过泡沫件18的冷却剂。冷却剂流过入口管26通过入口16穿过外壳14。外壳14约束冷却剂，使冷却剂在泡沫件18内流过一个冷却长度l，即冷却剂流过泡沫件18的长度，在该过程中由电子元件12产生的热量被传给冷却剂。冷却长度l典型地小于大约1英寸，并且通常可能小于大约1/4英寸。冷却剂按箭头28所示方向流过泡沫件18，充分经过壳体20的全部顶面和侧面上部，如图2A所示，或如图2B所示仅经过壳体20的顶面。有利地及在下面将讨论的，冷却剂容易地在泡沫件18内流动，冷却剂即使从泡沫件18的不同侧面导入、导出，其分布都是均匀的。热量通过电子元件12的壳体20传导至泡沫件18的固体基体，接着由流过泡沫件18的冷却剂通过对流的方式传出。泡沫件18有利的传热特性将在下面讨论。然后冷却剂通过出口24离开泡沫件18。
有利地，泡沫件18由孔尺寸很小且空隙率很高的材料制成。小孔尺寸为50微米的量级或不超过该值。以非限制性方式进行举例，在一个示例性实施例中，小孔尺寸为大约35微米。因此，冷却剂有利地流过大量自然存在的微通道。这种有利的方式与传统的基于将冷却剂流过机械加工的微通道而进入与壳体连接的固体材料块的芯片冷却方法相反。传统形式的设计制作成本高。泡沫件18的材料也适于用超级多孔材料。为此，空隙率大约至少为80％左右。以非限制性方式进行举例，在一个示例性实施例中，空隙率大约90％左右。
具有超级多孔性的小孔尺寸极大地增加了泡沫件18材料的体积与内部表面积的比率，或表面积密度。因此，这样的体积与内部表面积比率极大地提高了泡沫件18的传热能力。由于泡沫件18材料的小孔尺寸比现在已知的具有相同空隙率的金属泡沫的小孔尺寸要小一个数量级以上，因此泡沫件18的体积与内部表面积比率在数量级上更大。同样，泡沫件18材料比在固体材料块上机械加工微通道得到的内部表面积更大。
泡沫件18也可由易于机械加工的材料制成，以允许泡沫件18与PCB元件壳体表面之间的密切接触。再有，泡沫件18可由易于使用RTVs或环氧树脂进行密封并被连接到芯片壳体上的材料制成。这与金属泡沫相反，金属泡沫的密封需要采用复杂、昂贵的烧结或钎焊工艺。
泡沫件18可以由具有上述小孔尺寸和超级多孔的开孔多孔泡沫材料制成。以非限制性方式进行举例，陶瓷泡沫适于做泡沫件18的材料。在一个示例性并不作为限制的实施例中，特别适于作为泡沫件18的陶瓷泡沫是具有超级多孔、微通道(即其小孔尺寸为约35微米的量级)的氧化铝石英陶瓷，其包含高达68％左右的石英、20％左右的氧化铝以及12％左右的硼硅酸氧化铝纤维。示例性的陶瓷泡沫的例子是由加利福尼亚州亨廷顿海滩的波音公司生产的氧化铝增强热屏蔽材料(AETB)。图3是AETB纤维46的电子显微图，显示的小孔尺寸约为35微米的量级。
此外，AETB展示出几种其它的使得AETB特别适合作为泡沫件18的材料的特性。例如AETB陶瓷泡沫不易碎，耐压强度约150psi。另外，AETB易于机械加工成复杂形状，例如壳体20相反的形状。再有，AETB易于用如RTVs或环氧树脂的热密封材料进行密封。
装置10以及泡沫件18(图1、2)的良好的传热特性以及流动特性已经通过数据分析和实验证明。分析表明采用具有比通过翅片阵列和金属泡沫设计内部表面积大超过一个数量级的陶瓷泡沫，在芯片冷却系统中能够提供更强的冷却能力。内部对流换热系数，其用h表示，与AETB陶瓷泡沫冷却能力试验中设定的试验条件相对应，通过传热分析被测定。对AETB泡沫和常规金属泡沫商标名DUOCEL确定需要获得顶部盖板温度和底部盖板温度平均为122的内部对流换热系数。空隙率为0.9及小孔平均尺寸为35微米的AETB陶瓷泡沫导热率为0.05BTH/hr-ft-degree R及体积与内部表面积比率为31,350ft2/ft3。相反地，空隙率为0.9及小孔平均尺寸为508微米的DUOCEL金属泡沫导热率为5.6BTH/hr-ft-degree R及体积与内部表面积比率为860ft2/ft3。内部对流换热系数用以下公式计算Q＝hconvA(122-70)(1)其中Q＝177W；及T顶部和底部盖板＝122，T冷却剂＝70分析结果见下面的表1。
表1
AETB陶瓷泡沫的高内部表面积超额地弥补了其低导热率。在给定的热负荷下，DUOCEL金属泡沫需要的h值是AETB陶瓷泡沫的11.5倍。为产生更高的h值需要更高的冷却液流动速度。因此，对于DUOCEL金属泡沫芯片壳体冷却与装置10比较而言，显然要更高的冷却剂流动速度才能吸收给定量的热量。这个结论可以推广到与DUOCEL金属泡沫具有相同数量级表面积的微通道和针翅片阵列设计中。因此，与金属泡沫和翅片阵列芯片壳体冷却系统相比，装置10具有更好的芯片冷却性能，因为通过较低的冷却剂流速可以转换为降低空气推进器损耗。
将不带有增强换热表面的自由流动管道与AETB陶瓷泡沫相比较进行冷却能力试验。铝板分别与AETB陶瓷泡沫两面粘接。传导加热器与自由流动管道和AETB泡沫样品外侧的铝板连接。这些加热器在各样品上产生的热负荷总量为158W。一个上游高压源将冷却空气输入到样品的一端。接着冷却剂分别流过样品6英寸，并从高压源的相反一端排出。两个样品厚度均为0.25英寸。
实验结果表明，为了维持115的铝板平均温度，自由流动管道需要3lb/min的冷却空气，相比之下，AETB泡沫样品仅需要1lb/min的冷却空气。因此，在158W热负荷下，AETB泡沫样品对冷却剂的流速要求仅为1/3。
这些冷却能力试验结果可以推广到对装置10热性能的讨论。自由流动管道样品代表芯片壳体冷却传热面积的下限。翅片阵列和金属泡沫设计的内部表面积使其热性能处于自由流动管道样品和AETB陶瓷泡沫样品之间。
在泡沫件10内发现35微米小孔使得通过材料的流动稀薄化，这将有利于减少压力降。由于流动通道尺寸接近冷却剂流中的各空气分子平均自由路径而发生稀薄化。这就意味着，流动不再被认为是连续的，而应被认为是根据各自的微粒的通路通过管道。稀薄化最终导致在约束通道的内壁上的非零的滑移速度，并与对连续流动和无滑动边界所期望的相比，导致减少了流动压力降。这一表现可在图4所示的试验中看出。
参见图4，曲线图54绘制的是压差与流动长度关系。泡沫件18内产生的滑移流动与连续流动所期望的流动压力消耗相比减少20％到50％的压力下降。曲线图54还表明在接近1英寸冷却长度(即泡沫件18的冷却长度l)以下时，泡沫件18与传统金属泡沫材料压力降相当。由于已经讨论过的小孔稀薄化带来的压力降的减少连同非常高的内部表面积的共同作用，使得装置10具有极大地高于翅片阵列或金属泡沫所能达到的对流换热能力。
下面参见图5A和5B，试验表明冷却剂在AETB内容易流动以及冷却剂从进入泡沫的入口到出口的一致性分布。对18.0英寸×20.25英寸×3/4英寸的AETB样品，在3.7psig增压压力下(图5A)以及12.8psig增压压力下(图5B)进行压力分布试验。通过两排钻入泡沫下表面0.3英寸的直径为0.09英寸的孔导入冷却空气。入口孔被钻入泡沫的原因是由于AETB样品包有防渗腐蚀罩。冷却空气离开在样品边缘开的钻入样品边缘0.3英寸的两排直径为0.09英寸的孔的出口之前在泡沫内行进大约18英寸。如图5A和5B所示，冷却剂在泡沫内的压力分布60和62是均匀的，在整个样品的宽度或厚度上具有最小的变化。实验中看到的冷却剂流过泡沫的这种均质特性的表明冷却剂从入口16到出口24(图2)的分布将是均匀的。
虽然描述和讨论了一些示例性的实施例和示例性的方面，本领域技术人员应该理解可以对其进行一定的修改、改变、增加以及低层次的结合。因此意味的是所附的权利要求书及此后引入权利要求书试图包含落入本发明真实精神和范围内的所有修改、改变、增加以及进一步的结合。
权利要求
1.一种用于冷却电子元件的装置，该装置包括限定入口和出口的外壳；及设置在外壳内的泡沫件，所述泡沫件具有与电子元件的至少一个表面的形状相对应的形状，从而使泡沫件以热交换形式地被接纳在其中，所述泡沫件具有不大于约50微米的小孔尺寸，至少约80％的空隙率，所述泡沫件被设置在外壳内，从而使冷却剂可穿过泡沫件流动。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述小孔尺寸约35微米。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述空隙率约90％。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述泡沫包括陶瓷泡沫。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于所述陶瓷泡沫包含石英、氧化铝以及硼硅酸铝纤维。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述外壳由防渗密封剂制成。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述冷却剂可穿过泡沫件流动小于约1英寸的冷却长度。
8.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述电子元件的表面包括电子元件壳体的顶面和侧面中的至少一个表面。
9.一种冷却电子元件的方法，该方法包括在电子元件上接纳形状与电子元件的至少一个表面的形状相对应的泡沫件，从而以热交换方式将泡沫件接纳在其中，所述泡沫件具有不大于约50微米的小孔尺寸，至少约80％的空隙率；使冷却剂流动进入所述泡沫件；由所述泡沫件中排出冷却剂。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于所述电子元件包括具有顶面和侧面的壳体的芯片，其中所述泡沫件以热交换方式被接纳在壳体的顶面和侧面中的至少一个面上。
11.如权利要求9所述的方法，其特征在于所述冷却剂包括冷却空气。
12.一种电路板组件，包括电路板，其具有至少一个安装在电路板面上的电子元件；冷却电子元件的装置，该装置以热交换方式被连接到电子元件上，该装置包括限定入口和出口的外壳；及设置在外壳内的泡沫件，所述泡沫件具有与电子元件的至少一个表面的形状相对应的形状，从而使泡沫件以热交换形式地被接纳在其中，所述泡沫件具有不大于约50微米的小孔尺寸，至少约80％的空隙率，所述泡沫件被设置在外壳内，从而使冷却剂可穿过泡沫件流动。
13.如权利要求12所述的电路板组件，其特征在于所述小孔尺寸约35微米。
14.如权利要求12所述的电路板组件，其特征在于所述空隙率约90％。
15.如权利要求12所述的电路板组件，其特征在于所述泡沫包括陶瓷泡沫。
16.如权利要求15所述的电路板组件，其特征在于所述陶瓷泡沫包含石英、氧化铝以及硼硅酸铝纤维。
17.如权利要求12所述的电路板组件，其特征在于所述外壳由防渗密封剂制成。
18.如权利要求17所述的电路板组件，其特征在于所述防渗密封剂还将所述泡沫件粘接到所述壳体上。
19.如权利要求12所述的电路板组件，其特征在于所述冷却剂可穿过泡沫件流动小于约1英寸的冷却长度。
20.如权利要求12所述的电路板组件，其特征在于所述电子元件包括具有顶面和侧面的壳体的芯片，其中所述泡沫件以热交换方式被接纳在壳体的顶面和侧面中的至少一个面上。
21.如权利要求12所述的电路板组件，其特征在于所述冷却剂包括冷却空气。
全文摘要
在一种示例性的电子元件冷却装置中，外壳限定出入口和出口，设置在外壳内的泡沫件。所述泡沫件具有与电子元件的至少一个表面的形状相对应的形状，从而使泡沫件以热交换形式地被接纳在其中，所述泡沫件具有不大于约50微米的小孔尺寸，至少约80％的空隙率，所述泡沫件被设置在外壳内，从而使冷却剂可穿过泡沫件流动。小孔尺寸可以是约35微米，空隙率可以是约90％。泡沫可以是包含石英、氧化铝以及硼硅酸铝纤维的陶瓷泡沫。在应用中，至少设置一个示例性的装置可以以热交换方式被接纳在电子芯片上部壳体上。
文档编号H01L23/34GK101060767SQ20071008870
公开日2007年10月24日 申请日期2007年3月20日 优先权日2006年4月20日
发明者威廉·W·贝伦斯, 安德鲁·R·塔克 申请人:波音公司