紧凑型散热模组的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种小型Z形的一体化散热模组，其适用于对安装到印刷电路板(214)并在紧凑型计算环境中运行的集成电路(208)进行固定并驱散其产生的多余热量。所述一体化散热模组包括散热组件(202,204,206)，所述散热组件具有减小的占有面积并且设置在所述印刷电路板的第一表面上并与所述集成电路热接触。保持机构(210)设置在所述印刷电路板的第二表面上，并且垫板(218)设置在所述保持机构和所述印刷电路板之间。至少一个紧固件(212)将所述散热组件固定到所述垫板和所述保持机构，其中所述保持机构使得大体上均匀的保持力被施加至整个垫板，由此最小化施加至所述集成电路的扭矩量。
【专利说明】紧凑型散热模组
【技术领域】
[0001]本发明整体涉及计算机元件的冷却。更具体地讲，介绍了一种用于减小散热模组的尺寸、重量、占有面积和成本的设备。
【背景技术】
[0002]计算机冷却通过驱散废热而使元件保持在安全工作极限内。在某些情况下，仅中央处理单元(CPU)就需要超过100W的功率，于是必须对其散热。大部分计算机均通过使用以下散热模组中的至少一种来驱散废热:散热片、风扇、水冷却、散热管或相变冷却。常规的台式计算机设计具有相对充足的空间来容纳用于调节集成电路(IC)的工作温度的大型散热片和风扇。这些常规的设计还包括独立压接装置(ILM)，该独立压接装置在被扣紧之后将IC固定到IC插座中。遗憾的是，ILM只能在两个离散点处接触1C，从而导致IC上的负载分布不均匀。散热模组和ILM 二者的组合也要求所附接到的印刷电路板(PCB)上具有多个附接位置。ILM的附接位置在IC的占有面积之外，因为这些附接位置通常旋拧到位于PCB下方的钢制垫板中。散热模组的附接位置甚至位于距离IC更远的位置，因为这些附接位置必须在ILM的占有面积之外。遗憾的是，由于螺丝附接显著地位于IC的占有面积之外，因此对PCB施加了大量的扭矩。IC下方的PCB上未抵消的扭矩会导致PCB弯曲或凸起，并且还可能阻止IC引脚正确就位。这意味着，垫板的强度足以抵消附接点处产生的扭矩是至关重要的。除了相当高之外，这种附接构型还会占用PCB上的大量电路板空间。
[0003]小型计算机通常使用与其对应的较大的台式计算机相同的处理器。遗憾的是，如上所述，冷却台式机类CPU所需的所有元件都会占用大量的空间。在小型计算机环境中，空间或体积是稀缺的，并且至关重要的是，任何散热系统都必须能够最大化热传递而同时最小化占用的空间。因此，需要提供一种方法来降低小型计算机中CPU冷却元件所占用的空间。
【发明内容】
[0004]本文描述了与用于制造和实施一体化散热模组的方法和设备有关的多个实施例。
[0005]本文公开了一种小型Z形的一体化散热模组(CTM)。CTM被设计成对安装到印刷电路板(PCB)的集成电路(IC)进行固定和冷却。CTM包括多个元件，所述多个元件包括:具有减小的占有面积的散热组件；保持机构；垫板；以及至少一个紧固件。散热组件设置在PCB的第一表面上并与集成电路热接触。保持机构设置在PCB的第二表面上。垫板设置在保持机构和PCB之间。至少一个紧固件用于将散热组件固定到保持机构，其中保持机构使得大体上均匀的保持力被施加至整个垫板，由此最小化施加至IC的扭矩量。
[0006]在另一个实施例中，描述了一种用于将一体化散热模组(CTM)安装到小型计算机中的方法。通过执行至少以下操作可以实施该方法:容纳多个CTM元件，所述多个CTM元件至少包括垫板、保持机构和散热组件；容纳用于小型计算机的印刷电路板(PCB);将垫板放置在PCB的第一侧面上；将保持机构放置在垫板下面；将散热组件放置在PCB的第二侧面上，与IC热接触；以及将保持机构固定到散热组件。
[0007]在另一个实施例中，公开了一种用于在组装操作期间将一体化散热模组安装到计算设备中的设备。该设备至少包括用于容纳多个CTM元件(至少包括垫板、保持机构和散热组件)的装置、用于容纳用于小型计算机的印刷电路板(PCB)的装置、用于将垫板放置在PCB第一侧面上的装置、用于将保持机构放置在垫板下面的装置、用于将散热组件放置在PCB第二侧面上与IC热接触的装置以及用于将保持机构固定到散热组件的装置。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]通过参考下面结合附图进行的描述可以充分理解本发明及其优点。
[0009]图1A示出了常规设计的剖面图。
[0010]图1B示出了常规设计所施加的力的透视图。
[0011]图2A根据所描述的实施例示出了一体化散热模组的剖面图。
[0012]图2B根据所描述的实施例示出了一体化散热模组设计所施加的力的透视图。
[0013]图3A和3B示出了一体化散热模组的顶部和底部的透视图。
[0014]图4A和4B示出了小型计算机外壳在设计限制方面的两个实例。
[0015]图5示出了详细描述将一体化散热模组安装到小型计算机中的制造过程500的流程图。
【具体实施方式】
[0016]本发明整体涉及计算机元件的冷却。更具体地讲，介绍了一种设备用于减小散热模组的尺寸、重量、占有面积和成本。
[0017]以下描述中示出了许多具体细节，以便于充分理解本发明。然而，对于本领域的技术人员而言显而易见的是，本发明可能在不具有这些具体细节中的一些或全部的情况下实施。在其他情况下，可能未详细地描述一些熟知的工序，以避免对本发明造成不必要的混淆。
[0018]计算机冷却用于通过驱散废热而使元件保持在安全工作极限内。在某些情况下，仅中央处理单元(CPU)就需要超过100W的功率，于是必须对其散热。冷却方法通常包括多种可用散热模组中的至少一种，包括:散热片；风扇；水冷却；散热管；或相变冷却。常规的台式计算机设计提供了充足的空间来容纳用于调节集成电路(IC)的运行温度的大型散热片和风扇。这种常规的设计还包括独立压接装置(ILM)，该独立压接装置在被扣紧之后利用约100磅的力将IC固定到IC插座中。ILM在台式计算机中十分有用，因为其允许最终使用者相对轻松地卸下1C。遗憾的是，为了保留空间用于离散的散热模组和IC之间的接触，ILM将约100磅的力集中到IC上的两个小接触位置上，从而导致IC上的负载分布不均匀。散热模组和ILM 二者的组合还要求印刷电路板(PCB)上具有多个附接位置。ILM的附接位置在IC的占有面积之外，因为这些附接位置只是旋拧到位于PCB下方的垫板中。散热模组的附接位置甚至位于距离IC更远的位置，因为散热模组必须贴合在ILM周围。遗憾的是，由于紧固件显著地位于IC的占有面积之外，因此对PCB施加了大量的扭矩。这意味着，即使是钢制垫板也必须具有相当的厚度，因为其强度必须足以抵消附接点处施加的力所产生的大扭矩。这种附接构型还会占用PCB上的大量空间，并阻止将支撑元件放置在CPU附近。[0019]小型计算机在比台式机壳体小得多的外壳中使用台式机类1C，这些IC设计用于台式机壳体。在很多设计中，该外壳不仅更小，而且还集成到显示单元中。外壳尺寸减小并靠近发热的显示单元，使得散热管理比常规台式计算机更具挑战性。不仅在更有限的空间里产生了更多的热量，而且台式机类IC通常必须保持在比对应的移动计算机类IC低得多的温度。由于小型计算机设计中的散热管理如此困难，因此采用散热管来帮助从IC有效地驱散废热。散热管是一种传热机构，其可在较热和较冷的界面之间以非常小的温差传输大量的热，因此非常适合紧凑型计算环境。典型的散热管由高导热率材料(例如铜或铝)制成的密封管道或管子构成。散热管中包含工作流体(或冷却剂)，其根据紧凑型计算设备的运行温度进行选择。一些示例流体为水、乙醇、丙酮、钠或汞。(显然，由于其无害性和良好的热特性，水被用作消费品(例如膝上型计算机)中的工作流体。)在散热管的管壁内部，可选的吸液芯结构对工作流体的液相施加毛细压力。吸液芯结构通常是烧结的金属粉或一系列与散热管轴线平行的凹槽，但是它可以是能够对冷凝流体施加毛细压力以将其吸回受热端的任何材料。但是，应该指出的是，如果重力或某些其他加速度来源足以克服表面张力并使得冷凝流体回流到受热端，则散热管可不需要吸液芯结构。
[0020]在紧凑型计算机环境中，空间或体积是稀缺的，必要的是任何散热系统都必须能够使热传递最大化而同时最小化所占用的空间。一种将小型计算机内的空间进一步最大化的方法是在保持散热量的同时减小冷却单元的尺寸。遗憾的是，目前很少采取措施来减少冷却单元的尺寸，因为在大部分台式机应用中，目前的总体尺寸不是问题。一种将常规单元的ILM和散热模组整合到一起的设计解决了以下问题:(1)可允许将总体尺寸和重量减少最多50% ；⑵可以显著地降低总体生产成本；以及(3)可以通过对IC和PCB施加更加均匀的负载来提高系统的可靠性。
[0021]图1A示出了至少包括ILM 102的常规冷却系统的剖面图。ILM 102通过多个紧固件(例如穿过PCB 104和垫板106锚固的螺丝)附接到PCB104。如图所示，垫板106的占有面积远远大于IC 108。此外还应注意，ILM 102和垫板106的总体占有面积占据了 PCB基板面的大部分面积并降低了 PCB上形成的电路迹线的灵活性。请注意ILM 102施加的力110如何在集成电路(IC) 108的中间被施加在IC 108的大约中点处以及在位于IC108占有面积之外的ILM附接位置112处；这些力可以在PCB 104上产生大量的扭矩。离散的散热模组114也连接到PCB 104和垫板106。离散的散热模组114通常包括多个弹簧，所述多个弹簧位于用于在散热模组附接点118处施加精确量的力的弹簧容纳器通道116内部。附接离散的散热模组114会在PCB 104上的散热模组附接点118处施加附加的扭矩，因为散热模组附接点118位于距离IC 108的中心d2的位置处会产生大的力矩臂，该力矩臂仅仅直接经过IC 108通过力120的分布进行抵消。距离Cl1和(12清楚地显示了由力在ILM位置112处以及在散热模组附接点118处产生的力矩臂的长度。PCB 104上的所有此类扭矩都会引起严重问题，因为IC 108通过多个信号引脚124以电气方式附接到插座122。在很多情况下，IC 108可能具有超过1000个的信号引脚124。如果施加的力矩引起PCB 104弯曲或变形，那么变形可能会对信号引脚124施加不期望的力，这可能会断开或中断引脚所携带的信号。在另一种更加极端的情况下，施加的力矩可能导致PCB 104自身断裂。因此，选择厚的垫板106对于常规构型明显非常重要。
[0022]图1B示出了由常规设计所施加的力的透视图。在图1B中，顶层表示IC108的顶侧面，并且底层表示垫板106的底侧面。在图1B中，可以结合离散的散热模组施加的力120的分布看到ILM的大的离散负载。在图1B中的底层中，请特别注意受力的PCB区域比CPU108本身所占用的区域要大多少。另外请注意，PCB在7个离散点上受力；3个点来自ILM，另外4个点来自离散的散热模组。
[0023]图2A根据所描述的实施例示出了一体化散热模组(CTM)的剖面图。CTM的导热铸件202可由多种可能的材料例如铸铝制成。导热嵌条204和散热管206都附接到导热铸件202。导热嵌条204可以由导热材料沿着铜线制成，并且可以与IC 208的顶侧面直接接触。嵌条204将热量从IC 208传导到散热管206。散热管206可被布置用于覆盖与IC 208接触的导热嵌条204的整个区域。这样允许有效地将热量从IC 208传导到散热管206。由于保持机构(此处采用的是片簧210)提供了必需的张力，因此不再需要用于在常规设计中的散热模组附接点118处设定张力的弹簧。通过这种方式，穿过PCB 214连接所述片簧210和导热铸件202的紧固件附接点212可以具有远远低于常规设计中所需的弹簧容纳器通道116的Z形外形。如在下文图3B中更清楚地显示，片簧210可被设计成在整个垫板218上施加均勻分布且预定的片簧力216。作为对于片簧210施加片簧力216的响应,导热嵌条204可以通过对IC 208施加分布的CTM力220作出响应。由于片簧力216的分量直接施加至IC 208上，因此常规设计中距离Cl1和(12可以明显减少为短得多的单一距离dCTM。在距离dCTM处施加片簧力216可以有利地将片簧力216直接置于多个信号引脚222的下方。由于片簧力216被直接施加在信号引脚222下方，因此断开或中断连接的可能性大大降低。
[0024]图2B以透视图更加清楚地示出了整个垫板218底部的力分布216。在图2B中，顶层表示IC 208的顶侧面，并且底层表示垫板218的底侧面。图2B的底层示出了引入片簧对于均衡整个垫板底部的负载有多大帮助。片簧210 (未显示)不是施加类似于常规设计的点力，而是将力分散成两行力。这两行施加的片簧力216在IC 208 (未显示)的范围之内。因此，使用片簧210 (未显示)可以提高确定力模式的灵活性，并且尽管所描述的实施例中示出了芯片下方的两行力，但是在应用到不同的计算环境时可能需要采用许多其他力配置，并且这也应该视为本公开的一部分。采用一致的两行力的另一个优势是可以将扭矩限制到单个扭矩轴224。这可允许进一步改进垫板218并减小其尺寸，因为可以对垫板218进行特别设计，以抵消该特定轴中的扭矩。
[0025]图3A和3B示出了 CTM的顶部和底部的透视图。在图3A中，可以看到散热管206沿着导热铸件202中的通道延伸。在一个实施例中，散热管206的另一端可以向上延伸到换热器。另外还可以在图3A中看到紧固件附接点212。紧固件附接点212各自穿过PCB214中的孔。应该指出的是，紧固件附接点212仅附接导热铸件202和片簧210 ;它们不会在PCB 214上施加任何力。可以看到用于IC 208的插座302位于导热铸件202下面。插座302具有用于固定IC 208的信号引脚222的通道。在图3B中，可以看到片簧210和垫板218的相对尺寸和厚度。请注意，在此实施例中，垫板218主要定位在插座302下面。紧固件附接点212也是可见的，尽管这些附接点在这张图中以非紧固位置显示。这有助于展示片簧210必须弯曲以附接到紧固件附接点212。实际上是片簧在四个紧固件附接点212中每个附接点处的弯曲产生了片簧力216。
[0026]图4A和4B示出了小型计算机外壳，例如位于加利福尼亚库比蒂诺的苹果公司(Apple Inc.0f Cupertino, CA)制造的iMae?,在设计限制方面的两个实例。图中示出了两个不同的小型计算机外壳中的元件布局。在每个外壳中，都有一个不能超越的临界堆叠高度。临界堆叠可包括各种元件，例如集成电路、存储器模块和换热器。在图4A中，超过临界X堆叠高度402将会导致必须延长PCB 404的长度，以便正好适形于元件406的轮廓。如图4A中可看出，CTM 408的尺寸直接影响堆叠高度。除了必须负担更大的PCB 404的费用，电路板的底部部分也必须刮掉才能放入外壳内，从而产生额外的制造步骤和材料浪费。在图4B中，必须达到临界Y堆叠高度410以便合适地将元件412放在外壳中。在两个实例中，通过减小CTM408的尺寸，可以达到临界X或临界Y的堆叠高度。
[0027]概括地说，将常规单元的ILM和散热模组整合到一起的设计解决了很多问题。如图4A和4B所示，减少CTM的尺寸可以实现重要目标。尤其是，显著减少在电路板上占用的占有面积(比较图1A和2A)允许达到临界堆叠高度。更小的占有面积还允许更加灵活地将CTM放置在PCB上，因为更容易将CTM放置在其他重要元件之间。IC边缘和CTM末端之间的距离更短，这样可以将IC电源定位在距离IC更近的地方。附接螺丝数量的减少使得PCB上的孔更少，从而允许更加灵活地布设电迹线。此外，CTM自身高度减小允许Z方向上更薄的外壳尺寸。最终，由于以下原因减少了生产成本:垫板需要的材料可更少；可以收回生产ILM的成本；附接过程使用的紧固件更少；以及铝铸件可以更小。
[0028]图5示出了详细描述一种用于安装CTM的制造过程500的流程图。过程500以容纳CTM的步骤502开始。在步骤504中，容纳用于小型计算机的PCB。在步骤506中，将垫板放置在PCB的背面上。在步骤508中，将片簧放置在垫板上。在步骤510中，将散热组件放置在PCB的正面上。在步骤512中，将片簧固定到散热组件。
[0029]在上述描述中，为了进行解释，使用了具体的命名以便于充分理解本发明。但是，对于本领域的技术人员显而易见的是，实施本发明不需要这些具体细节。因此，出于说明和描述的目的呈现了对本发明的具体实施例的上述描述。这些描述不应认为是穷举性的或将本发明限制为所公开的精确形式。对于本领域的普通技术人员显而易见的是，考虑到上面的教导内容可以作出许多修改和变型。
[0030]所选择和描述的实施例旨在充分阐明本发明的原理及其实际应用，以由此使得本领域的其他技术人员能够充分利用具有适合于所构想的特定用途的各种修改的本发明以及各种实施例。本发明的范围由以下权利要求及其等同范围限定。
【权利要求】
1.一种计算设备中的、用于对安装到印刷电路板(PCB)的集成电路(IC)进行固定和冷却的小型Z形的一体化散热模组(CTM)，所述CTM包括: 具有减小的占有面积的散热组件，所述散热组件设置在所述PCB的第一表面上并与所述IC热接触； 设置在所述PCB的第二表面上的保持机构； 设置在所述保持机构和所述PCB之间的垫板；以及 至少一个紧固件，所述至少一个紧固件用于将所述散热组件固定到所述垫板和所述保持机构，其中所述保持机构使得大体上均匀的保持力被施加至整个所述垫板，由此最小化施加至所述IC的扭矩量。
2.根据权利要求1所述的CTM，还包括: 附接到所述PCB的所述第一表面的插座，所述插座提供用于捕获IC信号引脚的接收器，所述接收器被布置用于将所捕获的IC信号引脚电连接到所述PCB中的电迹线。
3.根据权利要求1或2所述的CTM，其中所述均匀的保持力使得所捕获的信号引脚均匀地设置在所述接收器中。
4.根据权利要求1至3所述的CTM，其中所述CTM具有减小的占有面积，所述减小的占有面积节约PCB基板面的面积，由此为所述PCB中的所述电迹线的布局提供更大的灵活性。
5.根据前述权利要求中任一项所述的CTM，其中所述保持机构是片簧。
6.根据前述权利要求中任一项所述的CTM，其中所述散热组件包括: 导热铸件； 被布置用于从所述IC中带走多余热量的散热管；以及 设置在所述散热管和所述IC之间的导热嵌条。
7.根据权利要求6所述的CTM，其中所述嵌条由铜制成。
8.根据权利要求6所述的CTM，其中所述垫板由钢制成。
9.根据权利要求6所述的CTM，其中所述导热铸件由铝制成。
10.根据前述权利要求中任一项所述的CTM，其中所述计算设备是台式计算机。
11.一种在小型计算机中安装一体化散热模组(CTM)以对集成电路(IC)进行冷却的方法，包括: 容纳多个CTM元件，所述多个CTM元件至少包括垫板、保持机构和散热组件； 容纳用于小型计算机的印刷电路板(PCB)； 将所述垫板放置在所述PCB的第一侧面上； 将所述保持机构放置在所述垫板下面； 将所述散热组件放置在所述PCB的第二侧面上，与所述IC热接触；以及 将所述保持机构固定到所述散热组件。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述散热组件包括: 导热铸件； 被布置用于从所述IC带走多余热量的散热管；以及 设置在所述散热管和所述IC之间的导热嵌条。
13.根据权利要求11所述的方法，其中所述CTM要冷却的集成电路是中央处理单元(CPU)。
14.根据权利要求11所述的方法，其中所述CTM要冷却的集成电路是图形处理单元(GPU)。
15.根据权利要求11所述的方法，其中所述保持机构是片簧。
16.根据权利要求12所述的方法，其中所述嵌条由铜制成。
17.根据权利要求11所述的方法，其中所述垫板由钢制成。
18.根据权利要求12所述的方法，其中所述导热铸件由铝制成。
19.一种用于在组装操作期间将一体化散热模组安装到计算设备中的设备，包括: 用于容纳多个CTM元件的装置，所述多个CTM元件至少包括垫板、保持机构和散热组件； 用于容纳用于小型计算机的印刷电路板(PCB)的装置； 用于将所述垫板放置在所述PCB的第一侧面上的装置； 用于将所述保持机构放置在所述垫板下面的装置； 用于将所述散热组件放置在所述PCB的第二侧面上与所述IC热接触的装置；以及 用于将所述保持机构固定 到所述散热组件的装置。
20.根据权利要求19所述的设备，其中所述散热组件包括: 导热铸件； 被布置用于从所述IC带走多余热量的散热管；以及 设置在所述散热管和所述IC之间的导热嵌条。
21.根据权利要求19所述的设备，其中所述CTM要冷却的集成电路是中央处理单元(CPU)。
【文档编号】H05K7/20GK103688351SQ201280031799
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2012年4月11日 优先权日:2011年6月30日
【发明者】B·W·德格纳, G·泰斯 申请人:苹果公司