整体式热导管组件的制作方法

专利名称:整体式热导管组件的制作方法
本发明涉及一个冷却电子元件用的热导管，更具体地说，本发明涉及一个冷却半导体芯片用的整体式热导管组件。
半导体制造工艺的新近进展导致集成电路芯片日趋小型化。新芯片与原有芯片相比，尽管尺寸上往往相同或更小，但能完成更复杂的功能。为了要完成这些复杂的功能，这种新芯片比原有芯片会消耗更多的功率，结果产生更多的热量。这一点之所以重要，是因为大多数的芯片应在20℃至80℃之间工作。如果芯片变得过热，半导体结就会有断裂的趋势，芯片的功能就可能出错。因此，需要将芯片冷却，使芯片保持在热稳定的环境下运作，以使芯片连续正确地操作。
已经提出过并试图消除芯片所产生的热量的一些方法。要正确地消散某一芯片所产生的热量，散热片就会大到这样的程度，以致提供的散热片使小型化芯片的目的告吹。冷却扇也因同样理由是不适用的。此外，许多冷却扇在大到足以完善地冷却集成电路芯片时会比芯片本身更重更耗电。
也曾经在提供导冷的组件作过某些努力。这些组件具有一个热阻较低的机械构件与芯片的表面接触。这个机械构件提供一个传导路径，将芯片所产生的热量传送到散热装置。因为机械构件的直接接触，这些组件将机械应力加在芯片上。因为芯片和机械构件的热膨胀特性一般有很大的不同，使这个应力加剧。再者，也因为每一组件都有很多的零件，故制造起来是相当花钱的。
热导管也曾被用来消散半导体芯片所产生的热量。这种热导管是一个在容器里面有二相工作流体的密封系统。工作流体具有一个在待冷却芯片的工作温度范围里的汽化温度。该热导管的一端外露在待冷却的元件中，而其相对的一端则外露到一个散热装置中。芯片所产生的热量将相邻的导管部分中的工作流体汽化。汽化物运行到导管的较冷部位。然后汽化潜热以传导方式被传送到散热装置，汽化物就被冷凝。冷凝后的液体被输送回到邻近元件的导管的一端以重复这种循环。
有两类热导管曾经是用过的国际管子标准(ips)。再者，外热导管是比较大的，其空间因数不宜用来冷却小量的芯片。
整体式热导管是另一类型的热导管，它被将到电子元件的封装组件里。一或多个芯片露在工作流体中。在许多的这些热导管中，芯片位于液槽的底部。热量用汽泡蒸发的方法由芯片转移到液体。如果来自芯片的热流变得过大，汽泡可在芯片周围形成。汽泡形成的绝热层会有效地阻止进一步的汽化和热传导。一些整体式热导管在组件里需要有一个吸液心。这种吸液心经常是固定在芯片或组件内部的一根玻璃纤维或介电粉末。这些吸液心可能将一机械应力加在芯片上。此外，在组件里插入吸液心会大大增加制造热导管的成本。
因此，需要有一种新的设备去消除由集成电路半导体芯片所产生的热量。这种新设备应能有效地将热量从芯片传走，使得芯片保持在它们的工作温度范围里。此外，这种新设备也应与芯片的热流无关地将热量从芯片传走。这种新的设备还应该体积小，使得其应用不会使元件小型化的优点告吹。另外，它也不应依赖外加的能源，不应使芯片承受到不适当的机械应力，但在生产时应该比较经济。
本发明包括一个整体式热导管组件，半导体芯片就装在组件中的基底上，而且基底起作热导管组件的基座或输入端的作用。基底上附有一个冷凝盖，用于在芯片周围形成一密封管室。在基底相对面的盖顶备置有一有沟槽的冷凝表面。一条多层的纤维吸液心可安放在芯片顶部和冷凝表面的底部之间。芯片的顶部可以备置以一个有槽的表面和吸液心接触。管室是密封的并供有中性的二相工作液体。组件的顶部或输出端可配置一个合适的散热装置。
工作液体分离成汽相和液相两个部分。液相部分以一层相当薄的薄膜或包含在吸液心里的形式位于芯片之上或与芯心毗邻。当组件在使用时和芯片产生热量时，芯片产生的热量将毗邻芯片的液体薄膜蒸发，汽化物移动到组件顶部处的有沟槽的冷凝表面，散热装置吸收汽化潜热，使汽化物冷凝。被再冷凝的液体回到热导管的基座，以便重复冷却循环。
这种热导管有几个优点。在热导管顶部处的有沟槽的冷凝表面具有足够的表面面积，以便在单位时间里将大量的潜热从汽化物导走。这就使得组件非常有效地将热量从芯片传走。因为只有一层薄膜液体和芯片接触，故液体很容易蒸发。此外，在芯片上也几乎不可能形成能阻止热传导的过程的气泡。附加的吸液心增加了组件的热传导特性，然而吸液心加在芯片上的应力却是很小的。当有槽的芯片配置以一有槽上表面时，在吸液心的液体和芯心之间形成一反转的弯月面。这个弯月面增强了芯片的汽化效率，也提高了热导管组件的总的热传导特性。
而且，这种热导管组件是比较小的，因而可以设计以供只有一或两片芯片使用。组件并不具有活动部分，故不需任何的外加电源。此外，即使带有吸液心，组装这种热导管组件仅需几个零件，生产起来也是比较经济的。
图1是说明本发明热导管的第一实施例的横剖面图。
图2是说明本发明热导管的第二实施例的横剖面图。
图3是本发明热导管冷凝表面的部分平面图。
图4是本发明的沟槽、吸液心和有槽芯片的放大视图。
如图1中所表明的，整体式热导管组件10装有一或多个电气元件(这里是半导体芯片12)粘合到基底14上。基底装有若干外部的管脚16，使得组件可以被连接到为之设计的电气组合件。一冷凝盖18紧固在基底之上，并在芯片周围界定一小室20。冷凝盖有一唇边沿基底的周边延伸，将冷凝盖紧固到基底上。密封环24位于基底的上周边和盖唇边之间，以便在管室周围提供密封。冷凝盖的顶部有若干散热片25。
冷凝表面26位于冷凝盖18下方面对芯片12。冷凝表面配置有若干个延伸在盖的长度上的平行沟槽28。每个沟槽都有垂向的侧壁30和一带半圆形截面的顶部32。在冷凝表面26和芯片12的顶部之间有一小的例如约0.2至1.0毫米的间隙。如图3所示，冷凝盖也可以配以与沟槽28垂直的横切口29延伸越过冷凝表面，从而将各沟槽互连起来。
在密封热导管组件10之前，将二相工作流体33注入小室20。理想流体应在化学性质上与小室中的组件元件是兼容的，是相对地无毒的，是一种电介质，其沸点应在芯片工作温度范围里。工作流体在其液相状态时应具有低的粘度和高的表面张力。对于许多应用来说，戊烷是比较理想的工作流体。
小室20应以液态工作流体填充到它的容积的大约50%。对于尺寸为5.1厘米×5.1厘米×0.3厘米的小室20来说，要用大约1立方厘米的工作流体。应该这样来压入流体，使流体的液相部分34位于小室的底部并围绕芯片或在芯片上方，而汽相部分位于液相部分上的空间35中。对于戊烷来说，液体应保持在一个大气压左右。工作流体的液相部分的薄膜39由于芯片12和冷凝表面26之间的毛细约束作用而覆盖芯片。
芯片产生热量时，整体式热导管组件10起作用。液态工作流体34的薄膜39直接与芯片接触并吸收由芯片所产生的热量。通过液体的薄膜蒸发使热量由芯片传走。汽化物带着蒸发的潜热移向冷凝表面26。冷凝表面将潜热从汽化物传向散热片25。
沟槽28给冷凝表面26提供足够的面积，故大量的潜热可以在任何一个时间从汽化物传走。汽化物冷凝，液体回到小室的底部，故循环可以重复。横切口29给液体和汽化物提供一条在沟槽间流动的通路。这使汽化物分散到整个沟槽，使得液体在整个冷凝表面上方冷凝出来。如果组件10斜置在水平面上。这也能缓和组件低下部分的浸渍。
图2中所描绘的整体式热导管组件10′还提供有另外的特点。一多层纤维吸液心36位于并接触在芯片12′、12″的顶部与冷凝表面26之间。如图4所说明，该吸液心由多层的聚酯编织物36a-h构成，与芯片12′、12″接触的层36a是421网目(每平方英方421股);中间层36b-g是302.4网目，而与冷凝表面26接触的层36h为208网目。
芯片12′的顶上表面配置有平行的微槽15。微槽延伸越过芯片并具有大约60槽/厘米的槽距密度。另外，如图4所示，芯片12″可配置有一个带槽的蒸发盖13。蒸发盖被消除在刻槽过程中芯片受损伤的可能性。如有蒸发盖，它应由与芯片相同的材料构成，以避免由不同的热膨胀引起的应力。该盖应以具有比较低的热阻的粘合剂粘上。
再参看图2，冷却板38由螺钉40附接到冷凝盖18′的顶部。冷却板具有一个入口42、一个冷却室44和一个出口46。这种做法可使冷却流体例如水通过冷却板循环。
本发明这个实施例中的吸液心36保证芯片的顶部总是和工作流体的液相部分接触。具体地说，吸液心的分隔层被压在一起以构成单一的多孔性结构。吸液心的毛细抽吸作用使整个吸液心保持充满着液体，这样也使芯片的顶部保持外露在容易蒸发的液状工作流体的薄膜53中(描绘在图4中)。因为吸液心是由易弯的柔软材料构成的，故它施加在芯片上的应力是最小的。当组件与水平方向成倾角工作时吸液心的抽吸作用是一个重要的优点。在这种情况下，吸液心的毛细抽吸作用防止工作流体流动到原本会聚集工作流体的组件的最低部分。
使用吸液心时，芯片的带槽上表面增强了蒸发过程的热传导效率。液状的工作流体的反转弯月面形成在吸液心和带槽的上表面之间。弯月面的液一汽剪切增加了液相中的扰动，并在槽的周围形成液相的薄膜。这使工作流体易于蒸发。而且，槽的中央是没有液相的，故为饱和的汽化物提供一条通向冷凝表面26的路径。这降低了邻近液一汽界面的空间的汽化物含量，使得更多的蒸发物引入空间。冷却板38对于由工作流体的传导的蒸发潜热起作散热装置的作用。
热导管10可以经济地制造出来。对于许多应用来说，组件没有吸液心也具足够的热传导性质。吸液心是由价钱不贵的纤维构成的而且可以不明显增加组件的成本就可以提供，芯片装以带槽的上表面只有在芯片的热流比较高(例如16瓦/厘米2或更大)时才加以推荐。而且，热导管组件也是够小的，使得它可以设计在只有一或两个元件的使用场合。此外，因为是用薄膜蒸发来传导芯片的热量，过量的芯片热流引起在芯片周围形成汽泡而抑制热传导过程这一现象就几乎不可能发生了。
权利要求
1.为电子元件用的一个整体式热导管组件，电子元件中至少有一个被装在一基底上，该元件具有一个离开基底表面的上表面，其特征在于所说组件包括a.一个在电子元件上方以密封方式附接到基底上的冷凝盖，以界定一个围绕电子元件的密封小室；b.一个位于所说冷凝盖顶部下方且与电子元件的上表面离开的冷凝表面，所说表面且有多个有沟槽的部分延伸越过该冷凝表面；以及c.分量充足的二相、非腐蚀性电介质工作流体具有一个保持在所说小室里面的低粘度、高表面张力的液相部分，以便在电子元件的上表面和所说冷凝表面之间维持一层液态工作流体的薄膜。
2.根据权利要求
1的整体式热导管组件，其特征在于，其中的沟槽被垂直的侧壁分开，和形成所说冷凝表面的侧壁底部与电子元件离开。
3.根据权利要求
1的整体式热导管组件，其特征在于，其中每个沟槽都有一半圆截面的顶部。
4.根据权利要求
1的整体式热导管组件，其特征在于，其中的沟槽由至少一个与之交叉的沟槽连通。
5.根据权利要求
1的整体式热导管组件，其特征在于，其中的冷凝盖与一个散热装置相接。
6.根据权利要求
5的整体式热导管组件，其特征在于，其中的冷凝盖配置有至少一个外散热片，所说的散热片用作散热装置。
7.根据权利要求
5的整体式热导管组件，其特征在于，其中的冷凝盖通过将一冷却板紧固在冷凝盖顶而连接到散热装置。
8.为电子元件用的一个整体式热导管组件，电子元件中至少有一个被装在一基底上，该元件具有一个与基底表面相离开的上表面，其特征在于所说的组件包括a.一个在电子元件上方以密封方式附接于基底的冷凝盖，以便界定一个围绕电子元件的密封小室;b.一个位于所说冷凝盖顶部下方且与电子元件的上表面离开的冷凝表面，所说表面具有多个有槽沟的部分延伸越过冷凝表面;c.一个在所说小室中的多孔性吸液心位于该电子元件的顶部和所说冷凝表面之间;以及d.分量充足的二相、非腐蚀性电介质工作流体具有一个保持在所说小室里的低粘度、高表面张力的液相部分，故所说多孔性吸液心浸渍以工作流体的液相部分，以便在电子元件的上表面附近维持一层液态工作流体的薄膜。
9.根据权利要求
8的整体式热导管组件，其特征在于，其中的吸液心是由多层纤维材料组成的。
10.根据权利要求
8的整体式热导管组件，其特征在于，其中的吸液心是由若干层的聚酯织物构成的。
11.根据权利要求
9的整体式热导管组件，其特征在于，其中的吸液心是由编织的纤维材料组成的，且与电子元件接触的层较离开电子元件的其它层有较大的网目。
12.根据权利要求
9的整体式热导管组件，其特征在于，其中的吸液心是由编织的纤维材料组成的，且与冷凝表面沟槽接触的层较离开冷凝表面沟槽的诸层有较粗的网目。
13.根据权利要求
8的整体式热导管组件，其特征在于，其中的电子元件配置有一带槽的上表面与吸液心接触。
14.根据权利要求
8的整体式热导管组件，其特征在于，其中的沟槽由垂直的侧壁分开，侧壁底部形成离开电子元件的冷凝表面。
15.根据权利要求
8的整体式热导管组件，其特征在于，每个沟槽都有一个半圆截面的顶部。
16.根据权利要求
8的整体式热导管组件，其特征在于，其中的沟槽由至少一个与之交叉的沟槽连通。
17.根据权利要求
8的整体式热导管组件，其特征在于，其中一个具有一带槽的上表面的蒸发盖被附接到电子元件的顶部，所说有槽的上表面的顶部与所说吸液心接触。
18.根据权利要求
8的整体式热导管组件，其特征在于，其中的冷凝盖被连接到一个散装置。
19.根据权利要求
18的整体式热导管组件，其特征在于，其中的冷凝盖配置有至少一个外部的散热片，所说散热片用作一个散热装置。
20.根据权利要求
18的整体式热导管组件，其特征在于，其中的冷凝盖通过将一冷却板紧固到该冷凝盖的顶部而连接到散热装置。
专利摘要
公开了用以将热量从电子元件传走的一种整体式热导管。该热导管包括至少一个装在基底上的电子元件，一冷凝盖紧固在基底的上方以界定一个围绕电子元件的密封管室。面向元件的冷凝盖顶是冷凝表面，且配置有若干平行的带沟槽的部分。每一带沟槽的部分都具有平行的垂直侧壁和一个半圆形的顶部。一个多层纤维的多孔的吸液心位于冷凝表面沟槽和电气元件顶部之间。元件的顶部可以配置有一些平行的外露在吸液心的槽。管室用一种二相工作流体填充。
文档编号H05K7/20GK87104536SQ87104536
公开日1988年5月11日 申请日期1987年5月30日
发明者埃尔里克·萨斯基, 罗伯特·J·汉纳曼, 莱斯利·R·福克斯 申请人:数字设备公司