专利名称：用于优化与电子元件之间的热传输的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明总体涉及热传输领域，尤其是，涉及从电子元件有效去除热量的热传输组件和方法。
背景技术：
例如微处理器和集成电路的电子元件必须在某些指定温度范围内操作才能够有效执行功能。超额的热量会降低电子元件性能、可靠性、预期寿命，甚至会导致出现故障。散热器广泛用于控制超额热量。通常，将散热器形成为翼片、插针或者其他类似结构，以便增加散热器的表面面积，从而在空气流过散热器上方时增强散热性能。此外，散热器通常包含例如蒸汽室和/或热导管之类的高性能结构，以便进一步增强热传输。散热器通常由金属形成，例如铜或铝。最近，已经采用基于石墨的材料用于散热器，因为这种材料具有多种优点，例如热导性提高以及重量减小。
电子元件通常采用电子封装(也就是，模块)来进行封装，该电子封装包括模块衬底，其中电子元件电连接到该模块衬底。在某些情况下，该模块包括罩(也就是，带罩模块)，该罩将电子元件密封在模块内。在其他情况下，该模块不包括罩(也就是，裸片模块)，其中电子元件直接接合到散热器。
从热性能角度看，裸片模块通常要优于带罩模块。在带罩模块中，通常连接散热器，使得在散热器底表面和罩顶表面之间具有热界面间隙材料，以及在罩的底表面和电子元件的顶表面之间存在另一热界面间隙材料。在裸片模块中，散热器具有位于散热器的底表面和电子元件的顶表面之间的热界面间隙材料。裸片模块通常比带罩模块的热性能更优，原因在于，裸片模块消除了带罩模块中存在的两个热阻源，也就是，罩的热阻，以及罩和电子元件之间的热界面间隙材料的热阻。因此，裸片模块通常用于封装需要较高总功率耗散的电子元件，例如半导体芯片。
可以利用多种连接装置来将散热器连接到模块，例如夹具、螺栓以及其他五金件。该连接装置通常会施加保持热界面间隙的力，也就是，保持位于散热器和模块之间的热界面间隙材料的厚度的力。在带罩模块中，罩保护电子元件免受该施加力带来的物理损坏。但是在裸片模块中，该施加力通过电子元件本身而直接传递到裸片模块上。因此，当使用裸片模块时，该连接装置通常施加顺应力来减小电子元件上的应力。
图1示出用于将散热器连接到裸片模块的现有技术的连接装置的实例。示出电路板组件100，包括印刷电路板105以及裸片模块110。裸片模块110包括模块衬底115、例如半导体芯片的电子元件120的电子元件、以及电子连接部分125。半导体芯片120电连接到模块衬底115。用于将印刷电路板105连接到模块衬底115的电子连接部分125，可以是针脚栅格阵列(PGA)、陶瓷圆柱栅格阵列(CCGA)、以及岸面栅格阵列(LGA)等。半导体芯片120通过热界面间隙材料135热连接到散热器130。该热界面间隙材料可以是导热介质层，例如热糊、热脂、热油或者其他高导热性材料。通常，该热界面间隙材料135较薄，从而它可以有效地将热量从裸片模块110传输到散热器130。在散热器130和半导体芯片120之间延伸的热界面间隙材料135的厚度称为热界面间隙。
利用螺栓140将散热器130连接到裸片模块110。螺栓140穿通散热器130中的通孔131以及印刷电路板105中的通孔106，然后螺纹接合到背垫145中的螺纹孔146。通常，在电子元件120的每一个角处设置螺栓140，或者在电子元件120的每一边上设置螺栓140。通过将螺栓140的螺纹部分拧入背垫145中的螺纹孔146，从而来紧固螺栓140。由于螺栓140被紧固，散热器130通过热界面间隙材料135而接合到半导体芯片120。过度紧固螺栓140会导致印刷电路板105的偏移(弯曲)，这会施加顺应力到裸片模块110。更具体而言，印刷电路板105以凹弧方式相对于裸片模块110而发生轻微变形。
目前，一些计算机系统采用需要高的且稳定的负载的多芯片组件。该多芯片组件具有非常薄的热间隙，该热间隙内填充热界面层，以便和散热器之间建立热接合关系。然而，由于芯片的物理高度的变化，所提到的偏移会导致形成非平面热界面，从而导致CPU可能会出现热退化。此外，由于功率循环负载，因芯片高度差而导致的有害影响将变得更加突出。在功率循环负载期间，芯片散热导致通过芯片、热界面层以及散热器底部出现温度梯度。该温度梯度具有绕芯片附近的热过渡过程，从而导致散热器底部相对于芯片的畸变或移动。当使用裸片模块时，这些影响进一步结合。因此，损失了热效率。从而，需要进行不断的努力来改进这种情况下的热效率。
发明内容
本发明的一个方面提供一种增强型安装系统，以及用于增强热量有效传递的方法，其中该方法基本上没有负面影响，并克服了现有技术配置中存在的许多缺点。
根据本发明的一个方面，提供一种热传输方法，包括提供散热器组件；提供具有一个或多个热源元件的热源，其中该一个或多个热源元件的每一个在加载下接合到热源时都具有在其与散热器组件之间的间隔；以及，将该一个或多个热源元件封入导热介质中，使得该导热介质保持在该一个或多个热源元件和散热器组件之间的任意间隔中。
根据本发明的另一个方面，提供一种热传输组件，包括印刷电路板，其具有包括一个或多个半导体芯片的电子元件组件；散热器组件，该散热器组件适于被置于与电子元件组件接合；以及加载组件，用于促使该电子元件组件接合到至少一个半导体芯片；以及导热流体介质组件，其包含足量的导热介质，以便在一个或多个半导体芯片的表面和散热器组件之间进行热传输。
下面将结合附图来描述本发明的各方面的优选示例性实施例，其中相同的附图标记表示相同的部件。
图1示出用于将散热器连接到裸片模块的现有技术中的连接机构的实例；图2是热传输组件的截面纵向视图；图3是图2所示的热传输组件的截面图，其中为了清楚示出本发明而去除某些部分；图4是用于安装散热器组件以便热传输性接合到电子元件的方法的流程图。
具体实施例方式
现在参照图2-4，阐述根据本发明的优选实施例的热传输组件200，该组件实施一种用于在热源上安装散热器的改进方法，该热源例如是电子元件。图2-4用于示出高水平的热传输组件200的代表性主要部件，可以理解，每个部件都或多或少要比图2-4所示的要复杂一些，并且这些部件的数量、类型和结构都可以变化。例如，热传输组件200可以包含和所示的不同的数量、类型和结构的热源(例如，电组件元件)。
如图2-3所示，提供一种热传输组件200。该热传输组件200包括散热器组件210、安装在印刷电路板组件220上的电子元件组件215、密封机构230以及框架加载组件240。散热器部件210包括底板242和多个翼片244或其他类似结构，以增加散热器组件的表面面积，从而在空气流过散热器组件上方时增强散热性能。散热器组件还优选包含高性能结构，例如蒸汽室和/或热导管(未示出)，以进一步增强热传输性能。散热器底板242和翼片244可以由多种合适材料制成，例如铝和石墨。在所述的实施例中，电子元件组件215包括模块衬底250、电子元件254以及电子连接部分256。
在所述的实施例中，电子元件254是多芯片模块(MCM)，例如包括一个或多个的裸式半导体芯片254a，254n(统称为254)。本发明还可以采用其他实施例，例如使用单芯片模块(SCM)。本领域技术人员可以理解，本发明还可以采用一个或多个SCM或MCM和/或其他电子元件。每个半导体芯片在安装时都会具有间隙260，该间隙位于图中所示的其上表面和散热器的底表面之间。因为间隙尺寸有所不同，所以难以在其中设置恰好适量的导热介质。这是因为芯片高度有所不同。这与在经受预想类型的力时施加到间隙中的导热介质上的挤压作用相结合。
电子连接部分256可以是任意一种公知的连接。示例性连接器可以包括针脚栅格阵列(PGA)、陶瓷圆柱栅格阵列(CCGA)、以及岸面栅格阵列(LGA)等。印刷电路板组件220包括承载电子元件组件215的印刷电路板268。
本发明的一个方面是，它将裸片半导体芯片254密封到密封机构230中，其确保有效热传输而不会降低热效率。密封机构230限定封闭容器272，以便容纳合适的导热介质274。导热介质274的供给量足以在所述加载条件下填充芯片的顶表面和散热器之间的任何间隙260。这补偿了造成不同间隙的芯片高度变化。导热介质274优选为合适的导热流体材料，例如热脂274、热凝胶和热糊。导热介质还可以保持在芯片和散热器组件之间的任何其他间隔中。因此，无论芯片高度变化情况如何，都在若干半导体芯片254和散热器组件之间的所有间隙或者任何其他间隔中保持有足够的热脂。因此，提供足够量的热脂274消除了芯片高度差带来的负面影响。它还在由框架加载组件240对散热器组件加载期间最小化了从间隙挤压出的热脂。
密封机构230优选包括连续的、可压缩的密封元件276或者密封垫元件276。密封元件276可以由任何合适的弹性体材料制成，例如树脂材料(例如，硅树脂或环氧树脂)带或者天然橡胶带。密封元件276当然也可以利用添加材料来进行处理，其中该添加材料用于实现不同的功能，例如，用于增强EMC的电磁屏蔽材料。密封元件276可以通过任意公知的方式来施加，以周向环绕半导体芯片254。密封元件276可以在连接到散热器组件和模块衬底的连接处或者界面处被粘性接合。此外，优选的是，还可以例如合适的密封垫敷抹器装置(未示出)将密封元件276配置到可控预定高度且形成合适图形，例如，矩形，以便周向包围或者环绕半导体芯片254。通过这种方式，不需要借助于填装具有预先形成的尺寸的密封垫，就能够施加密封元件276。因为最大芯片高度是公知的，所以较简单的过程是，调节密封元件276的高度以使其在被压缩时充分高于半导体芯片254，以确保保持热脂274。一旦已经施加密封元件276，可以将散热器组件定位在芯片和正常负载上方，其中该正常负载通过加载机构240加载到热传输组件200中。在加载散热器组件期间加载密封元件276会影响散热器和模块衬底之间的液体封闭，从而影响保持导热介质274。由于密封机构230是整装的，所以可以理解的是，容器272中的热脂能够在压力下从外部施加。密封元件276的另一个方面在于，它包括热膨胀系数(CTE)值，该值落在模块衬底250和散热器组件242的不同膨胀系数(CTE)值范围内。已经确定，当该系统被加热时，该关系趋于最小化相对于散热器组件形成于密封元件276上的任何应力，从而最小化密封元件相对于散热器移动或者变形的可能。
加载机构240类似于图1所示的上述加载机构。然而，为了补充理解，提出下面的简要描述。散热器底部242利用螺栓280连接到电子元件组件215。螺栓280穿通散热器底部242中的通孔281以及印刷电路板中的通孔282，并且螺纹拧入背垫286中的螺纹孔288中。通常，在电子元件组件的每一个角处都设置螺栓280。通过将螺栓的螺纹部分拧入背垫286中的螺纹孔288中，从而来紧固螺栓280。由于螺栓280被紧固，散热器底部242与半导体芯片254形成热并置关系。螺栓280的额外紧固导致印刷电路板268的偏移(弯曲)，未示出，从而施加顺应力到半导体芯片254上。更具体而言，印刷电路板在加载时相对于半导体芯片略微弯曲成凹弧(未示出)，从而使得在热间隙260与散热器之间进行热传输。
图4是根据本发明的优选实施例的、用于安装散热器以热接触到电子元件的方法400的流程图。方法400提出优选步骤顺序。然而，必须理解，各个步骤可以在相对于彼此的任何时间进行。将电子元件组件265焊接到印刷电路板268(方块410)。将框架加载组件240连接到印刷电路板(方块430)和散热器组件。将密封机构230的密封元件276施加到模块衬底250，使得该密封元件的高度足以提供热介质容器(方块440)。将热脂274加载到容器272中(方块450)。密封元件276在合适温度和条件下固化(方块460)，这不构成本发明的一部分，从而它将合适的接合到散热器组件和模块衬底250之间，形成流体密封关系。方法400接下来利用框架加载机构240来施加预装力，以设置热界面间隙260(方块470)。在加载期间(方块470)，将致动螺栓280旋转合适量，以便施加用于提供期望热界面间隙(例如，1.2mils)的预装力(例如，40磅)。换言之，当施加预装力以设置间隙时，导热介质将保持在间隙中。因此，期望的间隙充满了导热介质。一旦达到这点，则以任意合适方式来热固化该导热介质。
这里提出的实施例和实例用于最佳地解释本发明及其实际应用，从而使得本领域技术人员能够实现和使用本发明。然而，本领域技术人员将会意识到，前述描述和实例仅仅只用作说明和示例的目的。所提出的描述并不是穷举式的，也不是要将本发明限制于具体公开的形式。在不脱离下面权利要求书的精神和范围下，根据上述内容可以进行多种修改和变化。
权利要求
1.一种热传输方法，包括提供散热器组件；提供具有一个或多个热源元件的热源，其中当所述散热器组件接合到所述热源时，所述一个或多个热源元件的每一个与所述散热器组件之间都具有间隔；以及，将所述一个或多个热源元件密封到导热介质中，使得所述导热介质保持在所述一个或多个热源元件与所述散热器组件之间的任意间隔中。
2.根据权利要求1所述的热传输方法，其中通过密封机构来提供所述密封，所述密封机构包括密封元件，该密封元件包围所述一个或多个热源元件和导热介质，其中所述密封元件可压缩，以在所述热源与密封元件之间的接合处以及所述散热器组件与密封元件之间的接合处提供液体封闭密封。
3.根据权利要求2所述的热传输方法，其中所述密封元件具有的热膨胀系数(CTE)值在所述散热器组件的热膨胀系数(CTE)值和所述热源的热膨胀系数(CTE)值之间。
4.根据权利要求2所述的热传输方法，其中所述密封元件是密封垫部件，其被施加到预定高度，所述预定高度使得足以封闭所述一个或多个热源元件和导热介质。
5.根据权利要求1所述的热传输方法，其中所述导热介质是热脂。
6.一种热传输组件，包括热源，其包括一个或多个热源元件；散热器组件，其适于被置于与所述一个或多个热源元件并置；加载组件，用于在加载所述一个或多个热源元件的情况下促进与所述散热器组件的接合；以及密封机构，其包含足够量的导热介质，以便在一个或多个所述热源元件的表面与所述散热器组件之间进行热传输，其中所述导热介质填充所述一个或多个热源元件与散热器组件之间的任何间隙或间隔。
7.根据权利要求6所述的组件，其中所述密封机构包括密封元件，所述密封元件包围所述一个或多个热源元件和导热介质，其中所述密封元件可压缩，以便在所述热源与密封元件之间的接合处以及所述散热器组件与密封元件之间的接合处提供液体封闭密封。
8.根据权利要求7所述的组件，其中所述密封元件具有的热膨胀系数(CTE)值在所述散热器组件的热膨胀系数(CTE)值和所述热源的热膨胀系数(CTE)值之间。
9.根据权利要求7所述的组件，其中所述密封元件被施加到预定高度，所述预定高度使得足以包围所述一个或多个热源元件和导热介质。
10.根据权利要求7所述的组件，其中所述导热介质是热脂。
11.一种热传输组件，包括印刷电路板组件；电子元件组件，其包括一个或多个由所述印刷电路板组件支承的半导体芯片；散热器组件，其适于被置于与所述一个或多个半导体芯片热并置；加载组件，其用于在加载下促进所述一个或多个半导体芯片接合到所述散热器组件；以及，密封机构，其包含足够量的导热介质，以便在所述一个或多个半导体芯片的表面与散热器组件之间进行热传输，其中所述导热介质填充所述一个或多个半导体芯片与散热器组件之间的任何间隙或间隔。
12.根据权利要求11所述的组件，其中所述密封机构包括密封元件，所述密封元件包围所述一个或多个半导体芯片，其中所述密封元件可压缩，以便在所述电子元件和密封元件之间、以及在所述散热器组件和密封元件之间提供液体封闭密封。
13.根据权利要求12所述的组件，其中所述密封元件是由树脂材料制成的密封垫。
14.根据权利要求12所述的组件，其中所述密封元件具有的热膨胀系数(CTE)值在所述散热器组件的热膨胀系数(CTE)值和所述热源的热膨胀系数(CTE)值之间。
15.根据权利要求12所述的组件，其中所述密封元件被施加为达预定高度的带，所述预定高度使得足以包围所述一个或多个半导体芯片和导热介质。
16.根据权利要求12所述的组件，其中所述导热介质是热脂。
全文摘要
一种热传输组件，包括支承电子元件组件的印刷电路板组件，电子元件组件包括一个或多个半导体芯片。散热器组件适于被置于与所述一个或多个半导体芯片热接合。还包括加载组件，用于将所述一个或多个半导体芯片加载为与散热器组件接合。还提供密封机构，其包含足够量的导热介质，以便在一个或多个半导体芯片的表面和散热器组件之间进行热传输，其中导热介质填充所述一个或多个半导体芯片和散热器组件之间的任何间隙或间隔。
文档编号G12B15/06GK1949960SQ20061014226
公开日2007年4月18日 申请日期2006年10月11日 优先权日2005年10月13日
发明者A·K·辛哈, S·M·西-贾扬塔, V·D·康纳, J·库茨辛斯基 申请人:国际商业机器公司