专利名称:半导体集成电路板的冷却设备的制作方法
发明的背景本发明涉及一种冷却设备，此设备用于散发由半导体元件或集成线路板产生的热。
在大型电子计算机系统中，需要高速地实现处理操作。为此，近几年来发展了在其上组装有大量半导体元件的集成线路板。此外，为了使这种集成线路板之间的连接电线缩短，又提出了在微型组件中安装大量这种集成线路板的方法。
至今，已提出了一种特别用于大型电子计算机系统的冷却设备，此设备在美国专利No3，993，123中已公开。在这种冷却设备中，由大规模集成电路板产生的热通过氦气层传到活塞，该氦气存在于压缩部分的周围活塞的球形端部和大规模集成电路板的背景面表面之间，然后，热从活塞传给存在于该活塞和气缸之间的间隙中的氦气层，再传给微型组件的外壳。于是，热被全部传到用于散热的冷却器中，该冷却器装在外壳上，冷却器中有冷却水或冷却空气循环通过。
然而，上述已有冷却技术存在下面一些问题。
氦气的导热率跟其他气体比较起来是较高的，但是，它的导热率跟金属部件如活塞、气缸或类似部件的导热率比较起来仍非常低。因此，为了使氦气层的热阻小，就需要将活塞和气缸之间的间隙做得小。为此，对活塞或气缸的加工，要求具有高的精确度。如果它们的加工精度低，那么活塞不能平稳地运动，或者每块集成电路板的温度可能会很高。
为了解决上述问题，提出了如美国专利No4，263，965中所公开的冷却结构。在这种结构中，正对着大规模集成电路板的外壳中，有很多平行槽，而每一条槽中，嵌入一块矩形薄热导片和一片簧片，该簧片用于给此热导片施加压力。这种结构的改进在于，在热导片和平行槽的侧壁之间的有效热交换面积大。此外，每片热导片的薄表面跟大规模集成线路的一端表面保持面接触。
可是，上述结构又有如下问题。由于每片热导片各自分开，并嵌入其相应的平行槽中，邻近热导片之间几乎不进行热交换。因为大规模集成电路板上的集成线路由很多电子线路组成，通常，这种大规模集成电路板产生的热很少是均匀的。在大规模集成电路板中，所产生的热的分布因空间而异，也因时间而异。因此，只有靠近大规模集成线路上放热部分周围的那些热导片才能起散热作用。换句话说，离发热部分远的其他热导片只对那些通过很薄的集成电路板传过来的热能起散热作用。也就是说，即使在大规模集成电路板上装有很多热导片，由于热导片之间没有良好的传热连接，而使它们的散热效率降低。
再者，能安装热导片的最大尺寸受到大规模集中电路板的宽度限制，因而限制了冷却性能的提高。
此外，在日本专利公布No23463/83中公开了一种冷却设备，该设备采用了由叠片组成的热导金属板束。这种冷却设备的缺点在于簧片之间的接触热阻大。
发明概述考虑到上述已有技术中所固有的缺点，本发明的任务是为半导体元件或集成线路板提供一种冷却设备，此冷却设备具有高的冷却性能，并吸取了各种各样的替换，其中包括基片的变更、变换半导体集成电路板的连接、装配结构的变更、与冷却装置有关的各种热变形等等，而不超过半导体集成电路板所允许的受力。
本发明的特点在于很多第一组散热片整体地装在热导元件上，该热导元件的底面面积大于半导体集成电路板的散热面积;这些第一组散热片与许多第二组散热片相配合，在外壳的内表面形成小的间隙;热导元件的底表面通过弹性元件被压在半导体集成电路板的平面表面上，弹性元件安装在热导元件和外壳的内表面之间。
附图简述图1是局部剖面透视图，它给出了一个根据本发明为半导体集成电路提供冷量的冷却设备实施例;图2是图1中所示的用于半导体集线路板的冷却设备的主要部分的垂直方向横截面图;图3是图1中所示的用于半导体集成线路板的冷却设备的主要部分的水平方向横截面图;图4为基片的俯视图，半导体集成电路就安装在该基片上;图5、6和7分别为本发明的其他实施例的垂直方向截面图;图8是图7中所示的外壳件的详细结构局部截面透视图;图9是图7中所示的簧片的详细的结构局部截面透视图;图10是根据本发明的、用于半导体集成电路板的冷却设备的又一个实施例的透视图;图11是本发明的另外的实施例的垂直方向横截图面;图12和13分别为本发明的别的实施例的外壳的横截面图;图14到16是曲线图，它们表示散热片轴向重叠长度跟热阻的关系，以及第一组散热片数跟热阻的关系，以便证明本发明的性能。
最佳实施例的详细描述现在，参见图1到图4来描述本发明的一个实施例。
在这些图中，外壳15由高导热率的材料，如铜、铝或其他类似材料制成。在外壳的内表面上，装有很多彼此平行的板状散热片16。此外，第一个热导元件17的表面面积比由大规模集成电路板1的背面表面所形成的热传递面积大，热导元件17还有底板部分。在该底板部分上，装有很多板状散热片18，它们跟底板成一整体。散热片18彼此之间的间距跟散热片16之间的距离相同。外壳15上的散热片16和热导元件17的底板部分的散热片18彼此配合，其间有小间隙19。热导元件17的底板部分通过弹簧20被压在大规模集成电路板1的平面表面上，弹簧20具有小的弹性常数，以致对用于连接大规模集成电路板1的焊球3没有任何影响。这样，热导元件17的底板部分跟大规模集成电路1的背面表面保持面接触。弹簧20被放入散热片16中的间隙23内，并被固定地装在外壳15中所形成的凹槽21和热导元件17的底板部分的中心所形成的凹槽22中。在这种情况，由于弹簧20的作用点分别存在于热导元件17的底板部分和外壳15的凹槽21和22中，热导元件17能稳定地压在大规模集成电路板1的平面表面上。同时，弹簧有足够的长度。此外，弹簧还可以防止热导元件17的底板部分跟集成电路板1的背面表面脱开，因此保证了热导元件17的中心部分始终跟集成电路板1为面接触。
外壳15跟基片2之间形成一个闭合空间24，在此空间中充满导热率的气体，如氦气、氢气或类似气体。在此应当注意，在小间隙19中，只能充入有高导热能力的流体，如一种高导热润滑脂。
鉴于该实施例具有如上所述的结构，由集成电路板1中发出的热首先全部传进跟集成电道保持面接触的热导元件17的底板部分，然后在底板部分中均匀扩散。此后，热被传进热导部件17的每一片散热片18中。通过处在散热片16和18之间的小间隙中的高导热率气体层，热再被传到外壳的散热片16中。最后，热由安装在外壳115上的冷却设备带走(未画出)。
由于热导元件17的散热片18跟其底板部分为一整体，即使大规模集成电路板1中热的分布不均匀，集成电路板1中生产的热也能在底板部分中均匀地扩散。因此热导元件17的每一片散热片18的热传递效率可以最大。热导元件17尺寸可任意选择，以致于热导元件17的突出物在基片2上的面积的范围从集成电路板1的最小背面表面到一片集成电路板在基片2上能占有的最大面积51，如图4所示。外壳15的散热片16，或者热导元件17的散热片18，二者之中总有一个的总横截面面积比集成电路板1的背面热传递面积小。由于横截面面积减少，产生了热阻，它们的热传递效率降低。基于此原因，规定热导元件17的尺寸不小于集成电路板的背面面积，或者最好不小于面积50，50的面积为背面面积的2倍或2倍以上。但是，另一方面，当热导元件17的尺寸增加时，元件17会跟邻近的集成电路板1的背面接触，因此，热导元件17的尺寸限制在一片集成电路板1在基片2上所占有的最大面积51之内。
由于弹簧20被安排成避免其弹力直接作用在散热片16和18上，散热片16、18不会变弯。因此散热片16和18可以薄。此外，由于热导元件17的基底部分17B只跟集成电路板1接触，在它跟集成电路板1保持接触的同时能自由地运动。此外，热导元件17还能随便跟集成电路板1分开。
图5是本发明的另一个实施例。在该例中，每片散热片25跟外壳15的内表面成一体，跟前面的实施例一样，每片散热片27跟热导元件26成一整体，散热片25和27都具有梯形截面，并沿它尖端方向逐渐变细。该实施例的其他结构跟图1所示的实施例的结构相同，在此略去对它们的描述。在将散热片25和27的垂直截面加2成这种梯形时，简化了散热片的加工操作。
图6表示本发明的又一个实施例，其特点在于热导元件28的底板部分28B的最低表面或底部表面做成园柱面30，该柱面的中心轴在跟热导元件28的散热片29的相同方向上延伸。当热导元件228这样构成时，不仅热导元件28的散热片29和外壳15的散热片16能在其相应的散热片之间的凹槽中自由地运动，而且即使当集成电路板1在与散热片29相交的方向倾斜时，也能容易地使热导元件28随集成电路板1运动。
在将该底部表面做成园柱面时，热导元件28跟集成电路板1为线接触，而不是点点触，只有将底部表面做成球面时，才发生点接触，因此接触热阻小。此外，由于热导元件29能随集成电路板1的增加而增增，可以使得散热片16和29之间的间隙19做得较小，因此，最终将提高热导元件的冷却性能。
现在，参见图7、8和9，将描述本发明的另外的实施例。
装在外壳15的内表面上的一些散热片32跟在散热片尖端的凸出物35一起组成。另一方面，跟集成电路板1接触的热导元件40的表面被作成扁平。当很多散热片31插入一些散热片32之间时，可以避免散热片31沿槽的轴向运动，这些槽在散热片32之间，而且热导元件40被压进凸出物35之间。此外，通过片簧压在热导元件40的两边，热导元件40被压在集成电路板1上，而片簧33跟很多弹簧34组成一体。
图10是本发明的再一个实施例。在该实施例中，外壳41上的一组散热片42是分开地或独立地相应于每一块集成电路板1而安装的。该实施例中的其他结构跟图1所示的实施例中一样。这种已提到过的结构有一个优点，即使当外壳41受到热变形或因使用产生的压力，例如外力面引起的变形时，它阻止热导元件17的散热片16和外壳41的散热片42彼此互相咬合。
图11表示本发明的别的实施例，在此实施例中，外壳43的散热片45也是热导元件44的散热片，热导元件44跟将热导元件17安装在集成电路板1一侧同样的方式装在外壳43一侧，这样，该热导元件44被连接到外壳43的内表面。由于在此实施例中，热导元件17和44二者加工过程相同，散热片16和45容易达到同样的加工精度。此外，分开加工散热片和外壳的生产效率比将它们加工成一体的生产效率高。
图12给出了本发明的另一实施例，在此实施例中，每一个热导元件44的顶部表面面积等于图4所示的最大面积51，它为一块集成电路板1能占有的面积，而且热导元件44跟外壳43分开，并可以相对于43滑动。按此实施例，由于两个邻近的热导元件44彼此接触，就防止了每一个热导元件44作水平运动。这样，外壳43中元件44的位置被自动地固定。因此外壳43、热导元件44和热导元件17能分别独立组成，结果提高了它们各自的生产效率。
图13也是本发明的一个实施例，在该实施例中，外壳46被分成平顶部分47和边座部分49。加工外壳46的散热片48时，如果将边座部分49事先跟外壳46的平顶部分分开，上述散热片48的加工就变得容易多了，实际上只需切削加工。此外，其上分布有很多布线图案的基片2，通常机械强度低，因此，用于密封外壳的法兰是一个独立的部件。该实施例中，由于平顶部分47跟基片2的制造材料相同，它们的热膨胀系数也一样，而且边座部分49和密封法兰也可以分别采用机械强度相同的材料。如上所述，对于平顶部分47和边座部分49采用不同材料，可以得到很多优越性，诸如提高外壳的密封性能、减小外壳的热效率、增加外壳的生产率等等。
在上述的每一个实施例中，假定每一个热导元件的散热片的高度或者这种散热片的数目跟相应的每块集成电路板1相同，由于每块集成电路板1的运行条件或电子线路不同，在其中产生的总热量也不同。因此，为了增加该集成电路板的运行可靠性，需要保持该集成线路板的温度恒定。在这方面，如果根据相应的集成电路板1的运行条件来安排热导元件的散热片的高度、或者外壳的散热片的高度，或者这种散热片的数目，那么就可以容易地控制该集成电路板的温度。请注意，就此而论，即使热导元件的散热片的高度做得低，用于压住热导元件的弹簧的长度不需要改变。
通常，热导元件或外壳由高导热率材料铜或铝制成，另一方面，集成电路板的背面表面是导电的，除非它事先专门经过电绝缘处理。为此，如果由铜或铝制成的热导元件被压在集成电路板的背面表面上，每一块集成电路板将都被缩短。所以，当热导元件或外壳由硅-碳材料制成，而这种材料具有电绝缘性能，同时又有高的导热率时，不仅能使热导元件或外壳具有解于铜和铝的导热率之间的高热导率，而且也能使热导元件或外壳跟集成电路的基片之间的热膨胀系数的差别很小。
在此还得注意，散热片数目和集成电路板数目可以改变，这并不背离本发明的精神和范围。
此外，还可知道，将最佳实施例中的图1到图12中所示的半导体集成电路板改变成多片式组装外壳，在该外壳中装有很多半导体集成电路，也不背离本发明的范围。
对根据本发明的冷却设备的性能作了检验，其结果表示在图14至图16中。
该检验是在下列条件下完成的，其中集成电路板尺寸为4mm2一块集成电路板所占有的最大面积是9mm2;制造热导元件和外壳的材料为铝;被密封在外壳中的气体是氦气。此外，热导元件的底板部分最大尺寸不超过8mm2，以便避免两个邻近的热导元件彼此邻接。
图14表示热导元件和外壳之间的热阻与散热片在垂直方向上的重叠长度的关系曲线，该曲线是在下述条件下被测得热导元件的第一组散热片的每片厚度，以及外壳的第二组散热片的每片厚度分别为11mm，它们是确定值;第一组散热片的数目和深度分别是4和8mm，它们也是确定值;在这些条件下，当第一组散热片和第二组散热片的各自的高度被做得很高，而第一组和第二组散热片在垂直方向的重叠长度增加到10mm时，第一组和第二组散热片之间的间隙为一参变量。在该图中，曲线A，B，C，D分别相应于间隙为25mm，50Mm，100Mm和200Mm的情况。如果间隙不变，有一个使热阻最小的散热片重叠长度。例如，如果间隙为25Mm，最佳重叠叠长度近似为5mm。当间隙按所提到的顺序增加到50Mm，100Mm和200Mm时，最佳重叠长度也相应增加。其原因如下当重叠长度小或短时，第一组和第二组散热片的每对散热片的热传导热阻减少。但是，随着第一组和第二组散热片之间重叠面积减少，热导元件和外壳之间的总热阻增加。另一方面，当重叠长度大或长时，虽然重叠面积增加，但由于第一组和第二组散热片中的每对散热片的热传导热阻增加，总热阻仍增加。
图15是热导元件和外壳之间的热阻与重叠长度的关系曲线，它在下述条件下测得第一组散热片和第二组散热片之间的间隙恒定为50Mm;热导元件的底板部分为8mm2;第一组散热片和第二组散热片的厚度为参变量。图中曲线E，F，G和H相应于热导元件上的散热片的各种厚度和数目，即分别为(2.6mm，2);(1.0mm，4);(0.4mm，8)和(0.2mm，16)。显然，热阻随散热片数目增加而减小。在此应当注意，图14中曲线B所表示的跟图15中曲线下所表示的是同一情况。
正如从图14和图15中所了解到的，如果散热片厚度减小，该散热片的数目增加，散热片之间的间隙减小;而且选择最佳重叠长度将可能使热阻小。
图16表示热导元件与外壳之间的热阻与第一组散热片的数目之间的关系曲线。当第一组散热片的厚度是1mm、高度为4mm、重叠长度为3mm，第一组散热片和第二组散热片之间的间隙是50Mm时，在这些条件下，第一组和第二组散热片数目依次随第二组散热片厚度减小而增加。显然，当第一组散热片数目增加时，热阻减小。然而，当第一组散热片数目增加超过一定数目时，由于第二组散热片的厚度减小，热阻增加。若想要增加散热片数目，如图15所示，只要使第一组和第二组散烈片的厚度薄，同时使重叠长度短就足够了。
权利要求
1.用于给一个或几个半导体集成电路板的组装线路提供冷量的冷却设备，为了将安装在线路基片上的很多半导体集成电路板所产生的热传送到外壳，以便将此热量散发掉，该设备具有一些独立的热导元件，每个热导元件的一端跟一块半导体集成电路板的背面表面接触，另一端借助于一个小间隙跟外壳配合，此间隙处于热导元件的所述端与外壳之间。在热导元件和外壳之间装有弹性元件，其特征在于每一个热导元件包括一个底板部分，底板部分的底部表面跟半导体集成电路板的背面表面接触，而且底部表面面积比半导体集成电路板的背面表面面积大，还有很多第一组散热片，这些散热片跟底板部分成一体，并沿垂直于底部表面的方向延伸；在外壳上装有跟第一组散热片相配合的许多第二组散热片。
2.根据权项1所要求的冷却半导体集成电路板的冷却设备，其特征在于第一组和第二组散热片分别是很多平行的板状元件。
3.根据权项2所要求的用于冷却半导体集成电路板的冷却设备，其特征在于所述的那些第二组散热片装在每块半导体集成电路板的第二个独立的热导元件上;如第二个独立的热导元件的底部表面面积是一块半导体集成电路能占有的最大面积，并跟邻近的半导体集成电路板接触。
4.根据权项3所要求的用于冷却半导体集成电路板的冷却设备其特征在于第二热导元件能轻轻地装在外壳上。
专利摘要
用于给半导体集成电路板组装线路，提供冷量 的冷却设备，通过薄型散热片部件传递热，这些薄型 散热片借助于一个小间隙彼此相配合。每一个热导 元件的底面跟薄型散热片组成一体。该底面面积比 半导体集成电路板的背面表面积大。热导元件和半 导体集成电路板彼此始终保持面接触，因而提高了 冷却性能。
文档编号H05K7/20GK85102328SQ85102328
公开日1987年1月10日 申请日期1985年4月1日
发明者大黑崇弘, 中岛忠克, 盐分行, 川村圭三, 佐藤元宏, 小林二三幸, 中山恒 申请人:日立制作所株式会社导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan