热传递设备的制作方法

专利名称：热传递设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种从电子设备转移热量，更具体地说，涉及一种用于从电子设备转移热量的改进的热传递设备。
背景技术：
电路组件和电路模块通常具有一个或多个安装有集成电路(ICs)的印刷接线板(PWB)，它们散发出足够的热量，以至由简单的、未增强的自然对流和/或通过PWB的热传导不足以有效地保持接头温度低于最大操作限度。通常，通过将这些ICs连接到诸如散热器的散热结构而能够对它们进行被动冷却，当需要时，可以对散热器进行强制空气冷却。
但是，使用这种普通技术的冷却不总是能够轻易地实现。例如IC堆叠高度和平行度的改变将产生显著问题。一旦出现上述变化，则经常难以在表面之间实现适合、可靠的接触，从而不能形成良好的热通道。例如可从新泽西州Lucent Technologies Inc.of Murray Hill购买的诸如LambdaUniteTM产品的某些设备具有安装在PWB上方并与其平行的铝冷却板，从而对安装在PWB上的一个或多个Ics进行增强冷却。
由于IC堆叠高度变化以及由于整个装置的热膨胀，在ICs和冷却板之间进行适合热连接时可能碰到的一个问题是ICs和冷却板之间距离可能变化。此外被热连接的两个表面可能不充分平行，事实上由于组件被运输或热和机械应力，所述两个表面可能相对位移。典型地，可以使用热填缝剂或厚的热油脂层，对这些高度变化和不对正进行补偿，所述热填缝剂和热油脂都具有低的导热性。
因而希望具有低热阻性的散热技术以适应组件结构内的变化和动力学。

发明内容
按照本发明，提供了一种热传递技术。在一个实施例中，提供了一种热传递设备。该热传递设备包括至少一个可与至少一个热源连接的散热结构，其特征在于该散热结构包括至少两个彼此热连接并构造得彼此相对滑动的部件。
在另一个示范性实施例中，提供了一种热传递设备。热传递设备包括至少一个可与至少一个热源连接的散热结构，其特征在于该散热结构的一个或多个元件包括一热管弹簧。
在另一个示范性实施例中，提供了一种装置。该装置包括至少一个热源；至少一个能够与该至少一个热源连接的散热结构，其特征在于该散热结构包括至少两个彼此热连接并构造得彼此相对滑动的部件。
在另一个示范性实施例中，提供了一种热传递的方法，该方法包括下述步骤将至少一个散热结构热连接到一热源上，将该散热结构的至少两个可滑动的、热连接的元件设置在该热源上。
在另一个示范性实施例中，提供了一种热传递设备，该热传递设备包括至少一个可与至少一个热源连接的散热结构，其特征在于该散热结构包括至少两个彼此热连接并构造得彼此相对滑动的部件，所述元件的一个或多个包括一个或多个散热片，所述散热片构造得至少将来自热源的一部分热量散布到该设备附近的空气中。
在另一个示范性实施例中，提供了一种热传递的方法，该方法包括如下步骤将至少一个散热结构热连接到一热源上，该散热结构包括至少两个彼此热连接并构造得彼此相对滑动元件，所述元件的一个或多个包括一个或多个构造得至少将来自所述热源的一部分热量散布到该设备附近空气中的散热片。


通过结合附图对本发明非限制性实施例的介绍，本发明将变得更加清楚。
图1是一个显示两个普通热传递设备结构的视图；图2是一个显示另一种普通热传递设备结构的视图；图3是一个显示示范性热管弹簧热传递设备的视图；图4是一个显示示范性热管弹簧评估模型的视图；图5A-B是显示具有热传递夹头的示范性热传递设备的视图；图6是显示具有正方形栓和孔结构的示范性热传递设备的视图；图7A-B是显示具有球和承窝结构的示范性热传递设备的视图；图8是显示具有套装散热片的示范性热传递设备的视图；图9是显示具有双套装散热片的示范性热传递设备的视图；图10是示意性显示双套装散热片热传递设备的下热传递块尺寸的视图；图11是示意性显示双套装散热片热传递设备的中热传递块尺寸的视图；图12是示意性显示双套装散热片热传递设备的上热传递块尺寸的视图；图13是示意性显示单套装散热片热传递设备的下热传递块尺寸的视图；图14是示意性显示单套装散热片热传递设备的上热传递块尺寸的视图；图15是示意性显示导轨和盖热连接的视图；图16是示意性显示互锁散热片结构的视图；图17A-B是示意性显示另一种互锁散热片结构的视图；图18是示意性显示具有波纹热管的热传递设备的视图；图19是示意性显示具有波纹热管的热传递设备的剖视图；图20是一个显示所计算的热阻数值的表；图21A-D是示意性显示用于套装散热片热传递设备的紧固件的视图；图22是显示具有散热片的示范性热传递设备的视图。
应该理解的是上述附图并不按照比例，仅是示意性显示，并不用于描述特定尺寸，有经验的技术人员通过研究说明书可以确定该尺寸。
具体实施例方式
在说明本发明实施例之前，将结合图1和2介绍几种通用散热装置。图1是一个显示两个普通热传递设备结构的视图。在第一种结构中，“方案A”，即使用包括铝杆101的热传递结构实现冷却板102和集成电路(IC)(未示)之间的热接触，铝杆101的直径为15毫米，长度跨过IC顶部和冷却板102底部之间大部分间隙即14.5毫米间隙。
铝杆底面通过铰窝板110由胶粘而连接到IC頂面，提供带相对小热阻力的热界面。铰窝板110的直径可以高达40毫米(根据IC尺寸)，保持在铝杆101頂面和冷却板102底侧之间的可变间隙由热垫112，即诸如Thermagon T-FLex 6130TM的热填缝剂填充，其通常大于或等于2.5毫米厚。由于其低导热性(例如大约3瓦每米-绝对温度(W/m-K))。该热填缝剂显示大约每瓦6摄氏度(℃/W)。为了减轻该高热阻性，铝杆101可以在其一半高度处包括圆形散热片104，从而增强将热传送到冷却空气流(通常与冷却板102平行地流过装置)，然而，加工到这种水平增加成本，需要人工将铰窝板110连接到IC上。
其次，经济上更加可行的结构即“方案B”，也就是包括铝杆106的热传递结构用螺纹拧在冷却板102上，热垫112设置在铝杆106和IC(未示)頂面之间。另一种情况是可以取消铝杆106，在冷却板102和IC頂面之间仅设置热垫112。
根据方案A和B的结构，冷却板102和IC底面[也就是通常IC安装在其上(未示)的印刷接线板(PWB)的顶部]之间距离可以是14.5毫米。在方案A和B中，存在足够的压缩力而能够和热垫112进行良好的热接触。在任何一种结构中，可以使用热油脂层(未示)替代热垫112或与热垫112一起使用，当使用热油脂时，要求相同足够的压缩力。事实上在任何给定数量的压力下，与热油脂相比，热垫例如热垫112的热接触更差。
本申请介绍的热传递设备，用于解决与厚热垫和/或热油脂层的使用相关的热问题。在一个实施例中，如下文详述，介绍一种柔性的性热连接或热传递结构，其具有大的导热性，并充当压缩下的柔性弹簧。这种结构在两个不能精确平行的表面之间提供一种弹性机械和热连接，该两个表面之间的分离在某些程度内可变。此外，下文将介绍多个具有不同接触区域、高度范围和弹簧常数的实施例。
能够以最少数量的基本元件构成本发明的结构。从而，设计简单和结构简单是重要因素。
例如如下文结合图6所述，本发明一个示范性实施例包括一被热连接到IC设备组件上的正方形的栓，其滑进附着在冷却板下侧的热传递块内的匹配孔内。匹配表面由薄热油脂层覆盖，以改善热接触。
本申请所使用的术语“滑动”意味着至少一个表面上某个部位相对于另一个表面上至少某个部位运动或改变位置，例如上述正方形的栓滑动进入匹配孔内。
可以使用弹簧将两个元件压离并提供弹性。该特定结构可以用于改变热连接表面之间的间隙。
在另一个例如与图8结合将在下文介绍的示范性实施例中，散热结构包括相对的带紧密嵌套的散热片的铝热传递块(可以由弹簧保持在一起，对压缩提供阻力)，热油脂填充在毗邻散热片之间的间隙中。该结构提供与相同外径实心铝块大致相同的导热性，但是机械上灵活且结构紧凑，也可以对一个或多个热连接表面之间的角度不对正(在一个或多个方向)进行调整。
在下文例如结合图9将要介绍的另一个示范性实施例中，两个热传递块可以包含朝向彼此交错90度的散热片，这两个热传递块通过具有两组垂直匹配散热片的中间热传递块热连接，热油脂填充在毗邻散热片之间的间隙中。该结构适用于需要热连接表面之间任意不平行情形(例如需要热连接表面之间以任意角度倾斜)。在一个实施例中，该结构可以向上倾斜大约10度。
在下文例如结合图18将要介绍的另一个示范性实施例中，使用满足扰性和可压缩性机械需求的波纹热管。该实施例适用于大功率应用。可以使用波纹热管结构的变型即热管弹簧，此时，热管将发挥散热器和弹簧的功能。由于其高的导热性对与小IC和小直径热管相关的扩展阻抗进行补偿，该结构特别适合于对非常小的IC进行冷却。
上述所有散热结构消除了与厚层热油脂或热垫有关的大热阻。因而，根据本发明一个实施例，使用厚度小于或等于0.5毫米、厚度小于或等于0.3毫米或厚度小于或等于0.1毫米的热油脂层。热油脂层的厚度可以与元件堆叠高度改变、没有对正和热膨胀(不是带普通填缝剂的方案)无关。根据下述一个或多个示范性实施例重要的是，热油脂层的厚度在运动期间即元件之间相对运动期间基本上不改变，使用ICEPAKTM计算流体动力学(CFD)软件(其允许分析系统部件的相互关系以及部件在电路板上的设置如何影响系统的热性能)已经对上述每种结构的热性能进行了模仿。每种考核后的结构由一热传递结构表示，该热传递结构用例如设置在冷却气流中的冷却板而与IC连接。本申请所出现的一些结构选择为LambdaUniteTM产品的代表。
ICEPAKTMCFD软件解决了传导问题(与通过固体材料导热有关的热传递问题)和对流问题(与将热传递到运动空气中有关的热传递问题)，从而获得考核后每一种热传递结构内任何表面上的温度分布图。对流的含义是通过流体(例如空气)运动而进行热传递。根据所述温度分布图，计算热阻力，允许不同结构的性能的比较。评估后的许多结构具有相同的面积，从而在扩展阻抗方面没有几何优势。
除了图2所示并在下文所述结构之外(该结构用各种热油脂层厚度评定)，所有结构包括在IC组件的頂面上0.1毫米厚的热油脂层，在除了包括热传递夹头例如下文结合图5A～5B将要介绍结构之外的结构中，散热元件和冷却板底面之间界面上的热阻力设定为0。也以没有热传递结构或热油脂为前提进行基线计算。
图2是一个显示另一种结构热传递设备的视图。如图2所示，热传递设备200包括铝块206(与IC组件204具有相同的横向尺寸，例如大小为30×30毫米，其填充了冷却板210和IC组件204之间的大部分间隙)。考虑到包括IC208(热源)的IC组件204在高度和尺寸上发生变化，在该结构中设计了由热油脂层202填充的间隙(或者替换地，由热垫填充)。在实践中，热油脂层202的厚度可以高达0.5毫米，该结构通常在很多电路板上使用，在本申请中被使用作为表示能够使用的最高热阻力结构的参考。与热油脂层202的厚度是0.1毫米相反，该模型用于低热阻力底线，直接将其与其它测试的热传递结构的性能进行比较。换句话说，在该结构中，图2所示设备代表一种理想结构，一个块例如铝块206，带有高导热性以及小厚度的油脂层202。
图3是一个显示示范性热管弹簧热传递设备的视图。在图3中，热管弹簧热传递设备300包括几个部件，包括冷却板302、顶部热板304(与冷却板302热连接)、热管弹簧306和底部热板308(与IC组件(未示)热连接)。热管弹簧306包括一中空金属管即铜管，其带有至少一部分由例如油绳(wick)的多孔层覆盖的内表面。如图3所示，热管弹簧306形成为螺旋结构，具有弹性并能够发挥类似于普通压缩弹簧的功能即显示弹性。热管弹簧306的弹性作用对底板308进行推进使其与IC组件热接触，对芯片高度和平行度变化进行补偿。
在操作中，热管弹簧306被抽空，填充有少量流体(通常是水)然后被密封。在热管弹簧306“热端”的热传导导致所述流体蒸发。蒸汽移动到热管弹簧306的“冷端”，蒸汽在所述冷端冷凝。然后所述油绳利用毛细压力使冷凝后的液体返回到热管弹簧306的热端。热管弹簧306显示有效的导热性，其导热性大约是诸如铜等金属的10～100倍。在一个示范性实施例中，加入一个或多个弹簧以便对热管弹簧306的弹性进行补偿。
图4是一个说明示范性热管弹簧评估模型的视图。换句话说，图4是一个计算模型，用于评估热管弹簧热传递设备也就是上文结合图3所述热管弹簧热传递设备300的性能。与热管弹簧热传递设备300类似，热管弹簧评估模型400包括几个部件，包括热管402、冷却板404和IC组件406即热源。根据本申请的教导，热源可以包括任何电子设备，包括但是并不局限于IC。
如图4所示分别使用热传递块408和410，使热管402的一端与冷却板404热连接，另一端与IC组件406连接。在一个或多个表面之间例如IC组件406和热传递块410之间可以设置小的热油脂层。在一个示范性实施例中，所设置的热油脂层的厚度小于或等于0.1毫米。
在该具体实施例中，热管402构造为一具有矩形横截面的弯曲杆。例如在一个实施例中，热管402是具有大约3×4毫米横截面且长度为132毫米的矩形杆，其导热系数是2.0×104W/m-K。
图5A-5B是说明具有热传递夹头的示范性热传递设备的视图。如图5A-5B所示，热传递设备500包括几个部件，其包含塞502、冷却板504、杆508(在其外表面上具有热油脂或粘结剂薄层510)以及IC组件。
换句话说，杆508被钻孔(参考图5B)并具有轴向缺口，该缺口确定了厚的、径向可扩展的散热片。例如在一个实施例中，杆508的直径例如为40毫米并由铝制成，滑过冷却板504上几乎直径相同的孔，从而，夹头可以被压靠在IC组件512上，通过热油脂或粘结剂薄层510进行低热阻值的热连接。
杆508的径向可展开散热片由塞502即锥形塞紧密地压靠在冷却板504上孔的边缘上，其可以从上方压下或用螺纹拧下。散热片的径向展开确保在热传递夹头和冷却板504之间良好的、紧密的热接触。ICEPAKTM模型确保在杆508的外侧上具有0.05毫米厚的热油脂层。
另一种将该夹头连接到冷却板504上的方法是在杆508上加工出螺纹，并在冷却板504上的孔内加工与其匹配的螺纹。根据该示范性实施例，杆508可以螺纹拧入冷却板504上的螺纹孔内，直至杆接触到底并抵靠着IC组件512且对热油脂进行压缩为止。也可以使用一个螺母或多个螺母(例如一个在冷却板504的顶部，另一个在底部)来增强连接并减少热扩展阻抗。
图6是显示具有正方形栓和孔结构的示范性热传递设备的视图。如图6所示，热传递设备600包括几个部件，包含带热传递块604的冷却板602，热传递块604与冷却板602热连接。热传递块604具有正方形孔606。IC组件608即热源包括与其热连接的热传递块610。热传递块610包括正方形拴612，所述拴612的尺寸大致与正方形孔606的尺寸相同。可以使用一个或多个弹簧例如弹簧614从而在热连接表面之间提供弹性。
在一个示范性实施例中，一个或多个热传递块604和610由铝制造。由于正方形拴612可以垂直地滑入正方形孔606，该结构具有额外的压缩能力的优点。此外，考虑到机加工公差，一个或多个正方形孔606的壁可以由例如最大厚度大致为0.1毫米的一层热油脂覆盖。热油脂层越厚，导热性越低，但是越适合于处理角度误差。因而需要考虑对这两个竞争特性进行平衡。在该示范性实施例中，正方形拴612的优选横向尺寸是22毫米，留出大约2毫米的垂直间隙用于压缩。
而且虽然结合图6介绍了正方形几何形状，即正方形拴和孔的结构，但是应该理解的是，可以采用任何适合的、互补的几何形状。例如适合的几何形状包括但是并不局限于圆、椭圆或矩形几何形状。
图7A-B是显示具有球和承窝结构的示范性热传递设备的视图。如图7A-B所示，热传递设备700包括几个部件，包含与热传递块704热连接的冷却板702。具有凸下表面的中心杆706由弹簧708附着在冷却板702或热传递块704上。热传递块704上具有圆孔710，圆孔710的尺寸大致与中心杆706的尺寸相同。
IC组件711包含与其热连接的热传递块712。热传递块712包括至少一个或多个弹簧即弹簧705，从而弹性地压靠在热传递块704上。热传递块712也包括凹部714，即凹的、且大致与中心杆706的凸下表面互补。同时该特定实施例分别将中心杆706下表面和热传递块712上凹部714的互补表面描述为凸、凹表面，但是也可以使用其它任何适合的互补匹配结构，例如中心杆706下表面和热传递块712上凹部714可以分别是凹和凸表面。
图7所示结构适合于非平行以及高度可变。换句话说，考虑到压缩性，中心杆706可以在热传递块704上的圆孔7120内滑入和滑出。
圆孔710可以涂附有薄层即厚度小于或等于大致0.1毫米的热油脂。此外，中心杆706的凸下表面与热传递块712上的凹部匹配。这允许该结构相对于冷却板的平面在任何方向上倾斜，同时不改变导热性。凹部714和/或中心杆706的凸下表面可以由薄层即厚度小于或等于大致0.1毫米的热油脂覆盖。
通过对上文结合图6所述具有正方形拴和孔结构的热传递设备进行改进，该结构的模型作在ICEPAKTM中。在该改进模型中，中心杆706是尺寸为22×22毫米的正方形拴，例如通过在上文结合图6所述正方形孔606的孔壁上添加0.1毫米的热油脂层，对匹配表面，即热传递块712上的凹部714和中心杆706的凸下表面的额外热阻作模型。
在相关实施例中，图7A-7B的结构仅包括热传递块704和712，每个都可以改进为具有球形匹配表面。该简化结构展示更适应倾斜，但是没有弹性。
图8是显示具有套装散热片的示范性热传递设备的视图。如图8所示，热传递设备800包括几个部件，其中包括上热传递块802，在上热传递块802的一个表面上包括多个散热片804。IC组件806具有与其热连接的下热传递块808。下热传递块808在其一个表面上包括多个散热片810，其尺寸大致与散热片804之间的空间匹配。同样，散热片804的尺寸大致与散热片810之间的空间匹配，从而散热片804和810的互相交叉在本申请中称作“套装散热片”模型。此外，为了考虑机械公差，散热片804和/或810的一个或多个表面可以由厚度大致高达0.1毫米的热油脂层812覆盖。
所述套装散热片提供很大的用于良好热接触的表面面积，如上所述，通过由热油脂对散热片的一个或多个表面进行涂附，可以增强热接触。可以由弹簧即设置在该结构四角的弹簧814提供弹性。在图8所示示范性实施例中显示了4个弹簧，但是本申请对弹簧数量和弹簧结构没有任何限定。例如根据一示范性实施例，使用6个弹簧。此外，对于本申请中所有具有弹簧的结构，弹簧数量和/或弹簧类型(也就是具有不同的弹簧常数)可以根据希望改变，从而减少了所使用元件的数量。对于所述所有弹性元件，所使用的弹簧允许相对运动或重新对正朝向，从而提供适合的热接触，所述相对运动或重新对正朝向包括但是并不局限于运动、倾斜、扣住、弯曲、偏转和变形中的一种或多种。
散热片804和810可以沿与上热传递块802垂直的方向彼此相对滑动，修正压缩。该结构也可以围绕与套装散热片垂直的轴线自由倾斜，这意味着PWB和上热传递块802之间的大的非平行性可以在该方向被补偿。根据套装散热片之间的间隙，也可以在正交方向进行有限倾斜。
在一示范性实施例中，ICEPAKTM模型使用散热片高度为6.5毫米、厚度为2毫米以及间距为2毫米的铝散热片。套装散热片重叠5.1毫米，允许压缩1.4毫米。假定套装散热片重叠区域具有对应于0.17毫米厚油脂层的过剩热阻(由于该结构内具有大量重叠，例如与上文结合图6所述具有正方形拴和孔结构的热传递模型相比，允许更厚层的油脂)。
由上述尺寸，围绕与套装散热片平行的轴线能够倾斜2.4度。由套装散热片覆盖的横向区域与所使用IC组件的区域匹配，即30×30毫米。套装散热片之间的总面积是2.142平方毫米(mm2)，比上述IC组件的面积大2.4倍。这种大面积重叠对由所存在的油脂层和/或空气间隙所引起的过份的热阻进行补偿。
这种模型的两种型式也被注视和考核。首先，在套装散热片内的空气间隙也就是如图8所示存在于散热片804的端头和下热传递块808的顶部之间或散热片810的端头和上热传递块802底部之间的间隙中填充传导性为3W/m-K的材料，从而模拟使用热填缝剂材料的效果。其次，在套装散热片区域内的这些空气间隙填充传导性为3W/m-K的材料，从而象在前变型中那样，模拟使用热填缝剂材料的效果，但是在匹配的套装散热片之间由空气替代热油脂。对于第二种变型，试图取消弹簧以及使用热填缝剂材料的压缩特性用作弹性。
图9是示意性显示具有双套装散热片的热传递设备的视图。如图9所示，示范性热传递设备900包括几个部件，包括在一个表面上具有1个或多个散热片904的上热传递块902、具有一个或多个与一个或多个散热片904交叉和热连接的散热片908的中热传递块906。在与散热片908朝向相反和正交的侧面上，中热传递块906还具有一个或多个散热片906。热传递设备900也包括IC组件912，该IC组件912与在一侧(与IC组件912相反)上具有一个或多个散热片916的下热传递块914热连接。散热片916与中热传递块906的一个或多个散热片910交叉和热连接。这种具有中间热传递块即中热传递块906并热连接其它两个表面的结构在本申请中称作“双套装散热片”模型。
在一个示范性实施例中，中热传递块906包括包括一1毫米厚铝板，其可以完全适合表面之间即上热传递块902和IC组件912之间任意的平行度变化。在该示范性实施例中，散热片904、908、910和9164毫米高并彼此重叠大约3毫米，允许压缩1毫米。
作为基准，将该结构和上文结合图6～8所述结构与上文结合图2所述且具有0.1毫米厚的热油脂层(也就是热油脂层202)的实心铝块结构进行比较。经过计算显示，如果所有内部空容积和相关热油脂层不存在，并考虑由这些因素导致的热性能的量化下降，可以获得具有最小热阻的新结构。
图10是示意性显示双套装散热片热传递设备的下热传递块尺寸的视图。上述所有尺寸由毫米表示。公差是±0.04毫米。用于形成下热传递块的适合材料包括但是不局限于Al6061。精加工使用的是纯铬酸盐。处理之后，将所有油清除。此外，除了外散热片之外，所有散热片的厚度都是1毫米。外散热片的厚度是1.2毫米。所有6个孔都进行攻螺纹，所加工的螺纹规格是M2×0.4ISO。
图11是示意性显示双套装散热片热传递设备的中热传递块尺寸的视图。所有尺寸由毫米表示。公差是±0.04毫米。用于形成中热传递块的适合材料包括但是不局限于Al6061。精加工使用的是纯铬酸盐。加工后，将所有油清除。
图12是示意性显示双套装散热片热传递设备的上热传递块尺寸的视图。所有尺寸由毫米表示。公差是±0.04毫米。用于形成上热传递块的适合材料包括但是不局限于Al6061。使用的面层是纯铬酸盐。处理后，将所有油清除。
图13是示意性显示单套装散热片热传递设备的下热传递块尺寸的视图。所有尺寸由毫米表示。公差是±0.04毫米。用于形成中热传递块的适合材料包括但是不局限于Al6061。使用的面层是纯铬酸盐。处理后，将所有油清除。
图14是示意性显示单套装散热片热传递设备的上热传递块尺寸的视图。所有尺寸由毫米表示。公差是±0.04毫米。用于形成中热传递块的适合材料包括但是不局限于Al6061。面层使用的是纯铬酸盐。处理后，将所有油清除。参考上述图10～14以及本申请所有附图，应该理解的是，所显示的尺寸是示意性的，也可以使用其它尺寸和结构。
图15是示意性显示导轨和盖热连接的视图。换句话说在图15中，热连接1502包括盖结构，热连接1504包括安装在热传递块底座1506上的轨道结构，与热连接1502的盖结构互补。在一示范性实施例中，使用挤压技术制造该热连接结构，该热连接结构特别适用于要求单一热连接即小矩形元件的情况。
图16是示意性显示互锁散热片结构的视图，换句话说在图16中，分别连接在热传递块底座1606和1608上的互锁折叠散热片1602和1604在热传递块底座1606和1608之间提供弹性互锁机构和热连接。该结构适用于增强对流冷却和传导冷却。
图17A-B是示意性显示另一种互锁散热片结构的视图。换句话说在图17A中如图所示，折叠散热片1702的导线框架模型与安装在热传递块底座1706上的折叠散热片1704的实心模型互补。图17B显示，安装在热传递块底座1708上的折叠散热片1702的导线框架模型与互补的折叠散热片1704的实心模型互锁。通过对折叠散热片进行仔细设计，能够制造出适合于自动生产的互锁结构。所述折叠散热片优选地由薄材料制造。折叠散热片提供了几个显著优点。首先，设置了大面积，用于优化带或不带诸如热油脂的非空气热耦合辅助手段的元件连接的传导和辐射。其次，设置了用于将热传递到周围空气的大表面积，通过自然气流或强迫流动实施上述热传递。第三，允许占优势的非塑性变形，从而，为由散热组件连接而作为整体的散热结构的部件的多种缺陷提供弹性和顺从。
图18是示意性显示具有波纹热管的热传递设备的视图。如图18所示，热传递设备1800包括与波纹热管1804热连接的冷却板1802，波纹热管1804与IC组件1806热连接。如上所述在热管内实现的基本蒸发/冷凝热传递机构也可以采用其它的几何形状。例如在Babin等人的“用于冷却离散热源的扰性波纹热管的试验研究”[112J.HEATTRANSFER 602～607(1990)]、以及发明人为Oktay等人、发明名称为“连接的磁通变压器热管”的美国专利US5,647,429中对波纹热管进行了介绍，上述内容结合在本发明申请中作为参考。
图19是显示具有波纹热管的示范性热传递设备的剖视图。换句话说，图19提供了一具有诸如上文结合图18所述波纹热管的热传递设备的剖视图。如图19所示，波纹热管包括壳体1902和芯1904。换句话说，芯1904包括一适合的多孔层，其可以包括筛网或网孔，并靠近或在壳体1902的内表面上(包括侧壁和端盖)。
如上所述，在波纹热管操作期间，在密封之前，使波纹消失然后填充适量水(或其它适合流体)。箭头1906和1908表示水在热源也就是IC组件1806的蒸发，蒸汽在冷却板1802的冷凝。芯1904然后用于使冷凝物返回到热源。
该结构是弹性的并对其顶部表面和底部表面之间的非平行度进行补偿。由于这种结构具有很高的热传递效率以及很大的面积，波纹热管代表本申请所展示的任何结构中最小热阻结构。然而制造波纹热管相对成本较高，其保留用于大功率、且不能使用其它方案的应用情形。
在一示范性实施例中，波纹热管模型化为类似于结合图2所述的、具有很高传导率(也就是k＝2.0×104W/m-K)、且模向尺寸为30×30毫米的实心矩形块。
选择在该建议的热传递结构的计算评估中所使用的基本几何形状，代表ICEPAKTM产品的几何形状。在一个尺寸为300×300×25毫米的壳体内进行所述模拟。在该壳体的一个300×25毫米表面面上空间均匀地施加每秒7米的冷却空气流，如上所述，对流问题即上述将热传递到运动空气中的问题解决用于湍流(Re≈11,000)。假定每秒7米的进入速度比在ICEPAKTM产品中所碰到的高(在操作时速度接近1.4米/秒)。上述差别导致本模拟低估最佳情形的扩散阻力一个小的量也就是低估小于0.2℃/W。这意味着结果是保守的，这是就在对各种结构所计算的总热阻上的增加事实上比由小气流速度所观察到的小(例如相对于由完善的传导结构可以获得的最佳结果)而言的。
与所述提供冷却空气流相反的表面面向大气压力。PWB是300毫米的正方形板FR-4，其具有0.35W/m-K的传导率，厚度为1.6毫米。冷却板是3毫米厚的铝厚板(传导率是205W/m-K)，具有和PWB相同的面积。
PWB顶部和冷却板底部之间的距离是15.4毫米。冷却板顶部比25毫米高计算区域的顶部低2毫米。也对间距为10.4毫米进行模拟并给出非常类似的结果(未示数据)。
由在平面尺寸为30×30毫米且厚度为2.4毫米的陶瓷组件(k＝15W/m-K)的底侧上散布10瓦的尺寸为10×10毫米的信号源组成IC。IC的底面直接与PWB热接触，因而在所有测试的模型中，大约5％的热量通过PWB被传导。
所有在IC组件顶部和热传递结构底部之间设置有0.1毫米厚的热油脂(k＝0.6W/m-K)层的模型被测试。然而如上所述，例如上文结合图2所述带有过量热油脂(也就是0.5毫米层厚)的铝块模型也被测试。正在测试的每个热传递结构的顶部和冷却板底侧之间的界面假定具有0接触热阻，除了例如上文结合图5A-5B所述热传递夹头的情形之外，近似于铜焊或焊料连接，此时假定冷却板上的圆孔镶有厚度为0.05毫米或更小的油脂层。
对3个不同的热阻测量进行计算，所有都基于模型内不同表面的最大温度。首先对通过测试结构和冷却板的总热阻值进行计算。通过测试结构和冷却板的总热阻值定义为将温差[最大(T热源)-T环境]除以通过IC组件顶部被传导的热量。该总热阻值等于该热通道内所有结构的传导和扩散热阻值之和，包括从冷却板至气流的热传递的有效热阻值。对整个模型的热性能进行测量，但是没有揭示有限热阻值区域。
第二，对测试结构热阻值进行计算。所述测试结构热阻值定义为将在所述测试结构的底面和頂面上所测量的最大温度之间差值除以进入所述底面的热量。该测试结构热阻值大致对应于该结构的传导性，但是由于热扩散，也包括一些额外热阻值。在限定隔离该热阻值的扩散分量的指数下，也考虑了该测试结构的不同定义和测量。
第三，对总热阻值减去陶瓷IC组件和其表面上的热油脂层的热阻值进行计算。该热阻值用于表示所述测试结构的对流热阻加上与将热量从该测试结构的顶部散布到冷却板有关的热阻以及与将热量对流转移到气流中有关的热阻值。由一无限对流测试结构，该热阻值仅代表与将热量从测试结构的頂面扩散到冷却板有关的热阻值以及与由对流将热量转移到气流有关的热阻值，并代表由本几何形状所能获得的最佳热性能。
由于热源尺寸小，IC组件的热阻值包括由热扩散引起的分布。使用Waterloo大学扩散热阻值计算式(其忽略了与波纹热管有关的内热阻值，也就是芯的热阻值)，将该热阻值评估为1.23℃/W。
由于通过热油脂层的热通量限定在不大于所述热源的面积内，即使非常薄，热油脂层也显示了有效的扩散热阻值。如果使用热油脂层的厚度和热源尺寸来评估热油脂层的热阻值，可以获得1.7℃/W的评估值。通过对带和不带热油脂层的热源温度进行测量和比较，可以为每种结构简单地测量热阻值。所获得的温度差值可以在12～14℃内变化，获得大约1.3℃/W的热阻值，其大致与1.7℃/W符合。采用这种方式可以为每种模型单独计算热阻值。
图20是一个显示所计算的热阻值的表。换句话说，图20内所示表显示了为本发明上述每一种热传递结构所计算的3个热阻值，包括为没有热传递结构的构造的热阻值。
图20所示所有结果的真实精度大约是0.1℃/W，比该数值小的差值认为是无关紧要的。
带0.5毫米热油脂层的铝块(行标注是“铝块+0.5毫米油脂”)展示一非常大的热阻值，这是由热油脂层的不良传导性控制的。由于热油脂层具有例如和图1所示填缝剂相同的热阻值，同时所述填缝剂厚度是热油脂层厚度的5倍，因而其导热性也高5倍。因而，所检测的本发明所有热传递结构的性能都比普通结构的性能高。
此外，套装散热片结构(也就是那些行标注为“3套装散热片”、“2套装散热片+填缝剂”和“2套装散热片+填缝剂，非油脂”)与带热油脂的铝块(也就是行标注为“铝块+0.1毫米油脂”)之间所有热阻值的差异非常小，也就是仅在大约0.1～0.3℃/W。在热阻值上的极小差异是由于在套装散热片结构内部具有空容积和热油脂层，提供了巨大的有效的热方案。由填缝剂材料对套装散热片结构的空隙进行填充(例如参考行标注“2套装散热片+填缝剂热阻值”)改善总热阻值数量微不足道，即小于0.1℃/W。
在套装散热片之间没有热油脂层，则该套装散热片结构表现得令人惊讶地好。换句话说，取消了热油脂层仅使总热阻值增加了大约0.2℃/W。
双套装散热片结构所引用的(例如参考行标注“3套装散热片”)假定中热传递块设置在两个外表面之间的中间。然而，补充计算显示如果中热传递块最大程度地移动，例如从该位置向上或向下尽可能地移动最大距离，则热阻值轻微地下降(例如，高达0.1℃/W)。
分别由行标注“热传递夹头”、“正方形拴+孔”以及“正方形球+承窝”表示的具有一热传递夹头、正方形拴和孔以及球和承窝结构的热传递结构具有与所述套装散热片相同的性能。由于热油脂层靠近热源，从而热通量局部化，球和承窝结构内额外的热油脂层将额外增加大约0.4℃/W的热阻值。将该结构内的热油脂层设置得远离该热源能够降低该局部化效果。
具有微不足道热阻值的波纹热管结构(例如参考行标注“波纹热管”)代表由可利用横截面区域而可获得的最佳结果。例如(标注为“总热阻值油脂-组件”)的第三列显示波纹热管在冷却板上提供0.3℃/W的撒布热阻值。热管弹簧结构仅增加0.4℃/W的撒布热阻值。
此外，波纹热管并不需要加工成接近绝对最小热阻值0.3℃/W。将波纹热管的有效热传导率从2.0×104W/m-K减少到205W/m-K的铝值仅增加热阻值0.2℃/W。
在一额外结构中，在一单独PWB上设置几个芯片和热传递结构，以便研究热传递结构的直接对流冷却效果以及由上游结构的风遮蔽效果。这些试验的基本效果是上游结构的位置对下游结构冷却的影响比上游结构的尺寸对下游结构冷却的影响大。因而，根据一示范性实施例，尽可能地将热传递结构制造得大，以便增大传导性，也就是最好与IC组件具有相同面积，在PWB上的IC位置交错，从而非热传递结构直接位于任何其它结构的下游。
下文将介绍上述热传递结构的制造，特别是套装散热片结构的制造。所遇到的第一个问题是如何制造热传递结构部件自身。下一个问题是如何由上述部件组装热传递结构。也考虑与所使用的热油脂有关的问题，其它问题是如何将热传递结构附着在该冷却板上。
可以利用但是并不局限于包括挤压成形、铣削；锯切和电火花腐蚀的工序制造散热片。挤压制造散热片是最经济的方式，然而，所制造的散热片稍微具有三角形轮廓。因而，随着将两个散热片拉开，散热片之间的间隙逐渐增大。无热油脂的套装散热片结构具有良好的性能，清楚该效果将不导致热性能严重下降。因而不需要个别地对散热片进行铣或切削加工。
对厂家提供套装散热片结构的有用的方式是作为完全组装的单元，从而在安装期间，它们不能分开。实现这种制造具有几种方式。组装套装散热片的最简单方式是在上和下散热板的角部钻平底盲孔。将尺寸稍微过大的弹簧压入该钻孔内。因而，将弹簧保持在该构件内直至安装为止。此外如果外侧至少具有几圈弹簧，也就是具有刀形边缘的端部将有助于将弹簧保持在该孔内。
在另一个实施例中，使用紧固件将结构保持在一起，特别是当上述弹簧单独不足以将结构保持在一起时。可以使用几种类型的紧固件。
图21A-D是显示用于套装散热片热传递设备的示范性紧固件的视图。图21A显示螺钉2102和螺纹孔2103。另外，螺钉2102也可以包括适合于螺纹孔2103的自攻螺钉，例如自攻金属板螺钉。图21B显示压配合钉2104，例如压配合进入孔2105内，以及受限的弹簧2106。图21C显示带分开的绳夹夹头的压配合销2107，例如压配合进入孔2109内。图21D显示两件卡合接头2110。
图21A-D所示每种紧固件设计成不能刚性地连接结构的两个元件块。如此，紧固件将结构保持在一起，但是不限制压缩或倾斜。顶板上的埋头孔足够深，从而即使在完全压缩时，紧固件的头部不能突出到顶板上方。图21B和21C显示弹簧可以安装在紧固件上，取消了需要其它孔对它们进行限位的需求。
图21D所示紧固件承担与衣服上钮扣类似的功能。换句话说，紧固件的一个元件(显示与下热传递块成一体)类似于带内变窄结构的中空铆钉。紧固件上的其它元件类似于在其轴上带可压缩凸起的钉子。将两个接头元件插入散热板上相对的台阶孔内并压在一起。导致可压缩突起碰撞在所述“钉子”，从而通过内部变窄的铆钉，陷在铆钉内，将结构保持在一起。
另一个实施例包括使用具有整体螺纹端塞的弹簧。所述螺纹端塞可以拧入底板也就是热传递块上的螺纹孔内从而将模块保持在一起。此外，如果螺纹孔基本上由所述模块的安装而阻塞，则拧入的插入物不能意外出来。
例如如图6～9所示，在结构四角上个别弹簧的使用仅提供了向套装散热片结构施加压缩能力的潜在方式。由与弹簧物理移动相关的众多机会以及所选择的弹簧类型，总弹簧常数可以精细地调整。例如具有围绕散热片周边缠绕的正方形绕组的单个大弹簧能够发挥与设置在四角上的4个个别弹簧相同的功能。该单个弹簧可以由上和下表面上的凸缘限制和保持。
也可以将片簧插入结构的间隙内。这些片簧可以潜在地在散热片末端上施加力。通过增加或取消个别片簧，可以对总弹簧常数进行调整。该策略将减少构筑一族热传递结构的所有部件所需的独特部件的数量。
在所述结构的间隙中也可以使用填缝剂，以提供可压缩性。通过在装配之前冲切然后对每组散热片进行粗略地检查，可以制造例如带适合矩形缺口的单件填缝剂垫。可以额外地将压敏粘结剂施加在垫的两侧上，从而将组件保持在一起以及提供弹性。在该示范性实施例中，散热片可以采用最简单的形式，即在平凸缘上的笔直散热片，无需攻螺纹孔或其它机加工(经济上高度可行的方案)。
如果使用热油脂，其应该是触变材料。换句话说，对剪切应该显示很小的阻力，从而不阻止该结构对堆叠高度变化和非对正进行补偿，同时足够粘，以便不从间隙中渗出。高剪切阻力将阻碍散热片组件的动态相对运动，但是将不减少由弹簧施加的总静压力。通过将两个端散热片制造得稍微比其它散热片高，可以部分地解决多余油脂在压缩下渗出的问题。当过分压缩时，这两个散热片将首先降至最低点，在所有其它散热片末端留下间隙。所述间隙将发挥储器的功能，以便任何多余的热油脂填充到所述间隙内。
阻止多余热油脂在压缩下渗出的另一种途径是对结构进行密封。例如，在一个实施例中，优选地包含一些橡胶或橡胶状材料的一条带围绕散热片缠绕，对金属进行密封。压缩将主要使所述带在一半高度处弯曲，而不严重影响对金属的密封。
另一个问题是减少与将热传递结构连接到例如IC组件顶面和/或冷却板底面有关的界面热阻。在第一界面上，换句话说在热传递结构和IC组件顶面之间，使用热油脂，由该结构所提供的压缩确保该油脂层具有优化的低热阻。在另一个界面上，换句话说，在热传递结构和冷却板底面之间，除了具有热传递夹头的热传递结构之外，所有考核的结构都采取零热阻。
事实上，可以使用诸如由Reactive Nanotechnologies，Inc所生产的热动活性金属箔的流行工艺技术，在类似所考虑的一种情形下进行钎焊。当(例如由火花、由高能激光照明或由诸如火柴似的局部化热源)引发不稳定时，所述金属箔点燃并快速燃烧，产生可以用于使焊料熔化的非常短暂脉冲的高温。对于本申请，金属箔两侧涂附有焊料和焊剂，并夹持在热传递结构頂面和冷却板底面之间。组件夹持在一起，金属箔被点燃。热脉冲使焊料熔化，形成低热阻低温焊缝。由于热脉冲是短暂的，高温区域基本限定在由所述金属箔、焊料和焊剂占据的薄区域内。由这种钎焊方法，可以避免冷却板弯曲或其它热变形。在内匹配表面上包含热油脂的完全装配后的热传递结构可以被安全地钎焊在冷却板上。
图22是显示具有散热片的示范性热传递设备的视图。如图22所示，热传递设备2200包括几个部件，包括具有集成散热片2204和2206的上热传递块2202。如下文详述，散热片2204和2206用于将热量散布到热传递设备2200附近的空气中。在仅通过冷却板进行散热不足时可以使用散热片2204和2206。上热传递块2202在一个表面上还包括多个散热片2208。
根据图22所示示范性实施例，散热片2208与散热片2204、2206在上热传递块2202的同一个侧面上，从而在上热传递块2202上提供一与IC组件2210(下文所述)相反的一个表面，适用于安装冷却板2220。然而，应该理解的是本发明所教导的并不应该局限于任何具体结构，散热片2204和2206可以设置在热传递设备2200的任何适合表面上。例如根据应用，散热片2204和2206可以位于与散热片2208相反的下热传递块2212上。此外，散热片2204和2206可以添加在上述任何一个结构上。
IC组件2210与下热传递块2212热连接。下热传递块2212在其一个表面上包括多个散热片2214，散热片2214的尺寸大致与散热片2208之间的空间相符。同样，散热片2208的尺寸大致与散热片2214之间的空间相符。如上所述，交叉散热片2208和2214可以被称作“套装散热片”。此外，考虑到机加工公差并有助于热传递，散热片2208和/或2214的一个或多个表面可以被厚度为0.2毫米的一层热油脂2216覆盖。
可以由设置在该结构四角上的弹簧2218提供弹性。在图22所示示范性实施例中，具有4个弹簧，但是本发明并不局限于具体的弹簧数量或弹簧结构。例如根据一示范性实施例，使用6个弹簧。此外，可以根据需要改变弹簧数量和/或弹簧类型(具有不同的弹簧常数)，从而减少所使用元件数量。
图22所示热传递结构具有类似于图8所示热传递设备的结构。例如考虑到压缩，散热片2208和2214可以沿垂直于上热传递块2202的方向彼此相对滑动。该结构也可以围绕垂直于所述套装散热片的轴线自由倾斜，其意味着在PWB(IC组件2210安装在其上)和上热传递块2202之间的大的非平行性可以在该方向上被补偿。根据套装散热片之间的间隙宽度，也可以在垂直方向上进行有限倾斜。
位于上热传递块2202上的散热片2204和2206用于至少将由IC组件2210所产生的一部分热量通过所述散热片而散布到周围流动的空气中。术语“周围”是指围绕热传递设备的环境。例如来自IC组件2210的一部分热量将通过通过下热传递块2212和上热传递块2202转移到冷却板2220。来自IC组件2210的一部分热量也将通过下热传递块2212和上热传递块2202转移到散热片2204和2206，散热片反过来将热量扩散到周围空气中(例如流经散热片)。
本发明也考虑了其它结构的热传递设备2200，上述内容并不局限于任何具体结构，仅是用于示意性介绍。散热片2204和2206也可以位于下热传递块2212上与散热片2208相反的一侧上。
而且，热传递设备2200的结构对散热片的数量并没有任何限制。例如热传递设备2200也可以包括单独一组散热片，另外也可以包括位于上热传递块2202的一侧或多侧上的两组以上的散热片。
以上已对本发明作了十分详细的描述，所以阅读和理解了本说明书后，对本领域技术人员来说，本发明的各种改变和修改将变得明显。所以一切如此改动和修正也包括在此发明中，因此它们在权利要求书的保护范围内。
权利要求
1一种热传递设备，包括至少一个可与至少一个热源连接的散热结构，其特征在于该散热结构包括至少两个彼此热连接并构造得彼此相对滑动的部件。
2如权利要求1所述设备，其特征在于还包括构造得进行运动、倾斜、扣住、弯曲、偏转和变形中的一种或多种的一个或多个元件。
3一种热传递设备包括至少一个能够与至少一个热源连接的散热结构，其特征在于该散热结构的一个或多个元件包括一热管弹簧。
4一装置包括至少一个热源；至少一个可与该至少一个热源连接的散热结构，其特征在于该散热结构包括至少两个彼此热连接并构造得彼此相对滑动的部件。
5一种提供热传递的方法，该方法包括下述步骤将至少一个散热结构热连接到一热源上；将该散热结构的至少两个可滑动的、热连接的元件设置在该热源上。
6一种热传递设备，包括至少一个可与至少一个热源连接的散热结构，其特征在于该散热结构包括至少两个彼此热连接并构造得彼此相对滑动的部件，所述元件的一个或多个包括一个或多个散热片，所述散热片构造得至少将来自热源的一部分热量散布到该设备附近的空气中。
7如权利要求1所述设备，其特征在于，所述散热片构造成使空气流过其间。
8如权利要求1所述设备，其特征在于，所述散热片成组设在该至少两个元件的一个或多个元件的一个或多个表面上。
9一种提供热传递的方法，该方法包括如下步骤将至少一个散热结构热连接到一热源上，该散热结构包括至少两个彼此热连接并构造得彼此相对滑动元件，所述元件的一个或多个包括一个或多个构造得至少将来自所述热源的一部分热量散布到该设备附近空气中的散热片；使至少一部分热量通过一个或多个散热片。
10一装置，包括至少一个热源；至少一个热传递设备，所述热传递设备包括至少一个可与该至少一个热源连接的散热结构，其特征在于该散热结构包括至少两个彼此热连接并构造得彼此相对滑动的部件，所述元件的一个或多个包括一个或多个散热片，所述散热片构造得至少将来自热源的一部分热量散布到该设备附近的空气中。
全文摘要
提供一种用于热传递的技术。在一个示范性实施例中，提供一种热传递设备。该热传递设备包括至少一个可与至少一个热源连接的散热结构，其中该散热结构包括至少两个彼此热连接并构造得彼此相对滑动的部件。在另一个示范性实施例中，热传递设备包括至少一个可与至少一个热源连接的散热结构，其中该散热结构包括至少两个彼此热连接并构造得彼此相对滑动的部件，所述元件的一个或多个包括一个或多个散热片，所述散热片构造得至少将来自热源的一部分热量散布到该设备附近的空气中。
文档编号G12B15/00GK1753608SQ200510109978
公开日2006年3月29日 申请日期2005年9月21日 优先权日2004年9月21日
发明者I·埃韦斯, M·S·霍兹, P·D·霍姆斯, P·R·克洛德纳 申请人:朗迅科技公司