专利名称：散热器和热扩散器组件的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于微电子部件例如计算机CPU、GPU、和其它发热装置的热排出的一种散热器组件和一种热扩散器组件。
背景技术：
对于电子部件和电子装置小型化的需要明显地提高了热通量的要求，以便使得部件温度保持在较低的水平从而防止它们出现故障。为了实现从电子部件和/或电子装置排出热量，通常的是将热排散装置例如散热器和/或热管模块装接到电子部件和/或电子装置的表面上，或者将热扩散器固定到热源上。常规的散热器包括导热的基部件，以便通过热传导从电子部件排出热量，还包括适当的硬件以实现传递的热量通常借助对流和辐射传导到大气环境中。用于传递热量的硬件通常使用翅片，并且可包括通过对流提高传热的风扇。
热扩散器是散热的导热件，其直接安装到发热装置上，并且可与散热器组合使用，以便从电子部件和/或电子装置排出热量。
对于传热的进一步改进可这样来实现，即通过使用设置在热源与散热器之间的高导热性的顺应性界面材料从而调节总是出现在这些表面之间的形状缺陷和间隙。然而，这些改进本身不能充分地满足小型化的微电子部件的现今和将来的热通量要求。尽管可通过在散热器硬件与热源之间施加压力来进一步提高传热，但是施加大的压力将导致不希望的应力从而形成损坏。
发明内容
依据本发明提供了散热器和热扩散器组件，以便明显地降低散热器的基部件与热源之间和/或热扩散器与散热器之间的接触热阻。
本发明的散热器组件，其包括固体的导热的基部件和接合到该固体的导热的基部件的至少一个表面上的具有相变特性的低熔点合金层，以便在其间形成焊接联接部分，其具有0.0001-0.020英寸的厚度并且具有的成分大致由该低熔点合金构成，其中该焊接联接部分适于直接装接到电子热源上。在优选的结构中，该焊接联接部分从散热器的基部件突伸并且形成用于装接到热源上的相对平的表面。该散热器组件还包括设置在该焊接联接部分之上的密封材料或O形环，以便形成“坝”，其用于当该焊接联接部分装接到电子热源上时使得该焊接联接部分与大气环境隔离，并且用于防止金属合金在被加热到该低熔点合金的熔点或熔点之上之后扩展到该坝的外侧。
本发明的热扩散器组件，其包括固体的导热件，其具有两个相对的相对平的表面，还包括接合到所述平表面中的至少一个表面上的具有相变特性的低熔点合金层，以便在其间形成焊接联接部分，其具有0.0001-0.020英寸的厚度并且具有的成分大致由该低熔点合金构成，其中该焊接联接部分形成在热扩散器的表面上，以便形成适于直接装接到散热器上的表面。
参照对优选实施例的下列描述并结合附图，可以更好地理解本发明的优点和特征，在附图中图1是散热器组件的截面图，其中依据本发明的LMA合金的焊接联接部分形成在一个表面上；图2是图1所示的散热器组件的截面图，其中当装接到CPU上时O形环用于隔离LMA合金的焊接联接部分；图3是本发明的装接到CPU封装件上的散热器组件的截面图，其中柔性垫片用于隔离LMA合金的焊接联接部分；图4是热扩散器组件的截面图，其中依据本发明的装接到CPU封装件上的LMA合金的焊接联接部分形成在一个表面上；和图5是图4所示的热扩散器的截面图，其中当装接到散热器上时其变型成接纳O形环，以便隔离LMA合金的焊接联接部分。
具体实施例方式
图1-3所示的本发明的散热器组件包括基部件10，该基部件包括由高导热性的材料制成的固体主体和多个从其延伸的翅片12，该高导热性的材料可以是金属或非金属，优选为例如铜或铝的金属。该基部件10具有相对平的平表面13，其适于通过使用常规(未示出的)固定装置从而装接到微电子部件或CPU封装件14的外表面上，例如使用弹簧夹从而将基部件10固定到CPU封装件14上。
低熔点合金(以下称为“LMA”)在足以形成如图1-3所示的焊接联接部分15的提高的温度下接合到固体的基部件10的平表面13上，该焊接联接部分与基部件10的表面13平齐，或者从其突伸出来，或凹进到基部件10中。焊接联接部分15应当构造成大致由LMA合金成分构成的主体，并且具有0.0001-0.020英寸的厚度，并且所暴露的平滑的相对平的表面限定的表面面积优选为小于装接到其上的微电子部件、热扩散器、或CPU14的外表面的表面面积。重要的是，焊接联接部分15代表了一层与其一样薄的LMA合金，这在制造和成本角度来看是实用的，这是因为LMA层的热阻与其厚度成比例。
LMA合金应由具有相变特性的材料成分构成，该相变特性的特征在于，粘度是随温度变化的，LMA合金材料在室温时是固体，但是当温度高于室温时其变软即开始熔化。对于本发明而言，LMA合金成分应具有小于157℃的熔点。本发明的优选的LMA合金应是从以下元素组中选择的材料成分，该组包括铟、铋、锡、铅、镉、镓、锌、银、及其组合物。本发明的最佳的LMA合金成分包括至少10-80wt％(重量百分比)的铟和20-50wt％的铋，其中其余(若有的话)的是从上述元素组中选择的。一个适当的LMA合金成分的示例包括51wt％的铟、16.5wt％的锡、和大约32.5wt％的铋。该成分在大约61℃时熔化。
在将LMA成分接合到散热器的基部10的平表面13上以便形成焊接联接部分15之后，该焊接联接部分可抵靠CPU封装件14的外表面。当CPU封装件工作时，其温度升高到室温之上。当温度升高到LMA合金的熔点时，焊接联接部分15的多余合金开始从在中间的焊接联接部分流出或扩散出去，以便覆盖较大的表面面积，即延伸到该热联接的周边外侧的过大尺寸的区域。这使得热源和散热器彼此更靠近地移动，以使仅仅足够的LMA填充任何的间隙或缺陷并且形成非常薄的界面，其具有非常低的界面阻挡热阻。
如果不排除空气的话，低熔点合金成分容易随时间氧化。LMA合金的氧化将降低其导热性并降低其热性能。通过使得LMA材料具有延伸到热联接的周边外侧的过大尺寸区域以便形成“坝”，从而可将这种可能性降低到最小程度。当多余的合金从相对的表面之间挤压出来时，只要其围绕CPU封装件14的周边粘接到散热器的基部件10上，坝可以自动地形成。坝的作用是防止空气(氧气)进入到界面区域中。
为了确保LMA合金在延伸超出焊接联接部分15的周边的区域中存在，基部件10应当经过氧化物清理的处理，以便在焊接过程之前或之中除去存在的污物或任何薄膜，或通过用常规的焊剂处理该区域。
实质上的阻挡可围绕焊接的热联接部分15相似地形成，以便空气从大气环境进入，否则这将促进氧化。该阻挡在至少等于LMA合金的熔点的温度时必须是有效的。形成实质上的阻挡的密封可以以许多方式来实现，优选为通过改变如图2所示的散热器的基部件10以形成围绕焊接联接部分15的周边的环形凹槽16，以便容纳所放置的软橡胶O形环17。或者，软橡胶O形环17可以在不形成凹槽16的情况下使用，或者可如图3所示地使用设置在散热器的基部件10与CPU封装件14或其装接的电路板之间的柔性分隔垫片18。该柔性分隔垫片18应包围焊接联接部分15。应当指出，在散热器和热源之间形成的密封不是必须是完全气密的。不容易透过密封传递空气或氧气的任何密封材料是可接受的，即使其允许空气或氧气缓慢地扩散。在后一种情况下，焊接的热联接的氧化率仍然明显减慢。
O形环17的结构可由O形环17的尺寸和成分来优化，这可使得O形环17允许被挤压直到其在被压出之后至少与LMA合金的接合线一样薄，以便使得热阻减至最小。在这种情况下，O形环密封了基部件10与CPU封装件14的相对表面(其作为CPU封装件的盖)之间的区域。应当注意，O形凹槽20较宽，以便适应于O形环17挤压成减至最小的接合线厚度。O形环17密封了CPU的装配表面与散热器组件的基部件10之间的空间。
在图3所示的结构中，柔性分隔垫片18是软的、挠性的、易顺从的有机材料，这有效地使得CPU封装件14密封，以便与大气环境中的连续供应的新鲜空气隔开。柔性分隔垫片18可以是预成形的密封材料或者是“在适当位置成形”的密封材料。可接受的实现该密封材料的示例是软的硅酮橡胶凝胶，例如Dow Corning Corporation的商标产品“Silguard 527”。除了防止氧化之外，O形环17或软的易顺从的密封件18可用于防止任何压出的合金从热联接部分中移出，并防止其移动到电子系统的会导致电短路的其它区域中。
可使用如图4、5所示的热扩散器25来代替如图1-3所示的散热器组件或与其组合使用。热扩散器25包括由高导热性的材料例如铜或铝制成的固体主体，其具有相对平的平表面33。LMA合金接合到平表面33上，以便形成焊接联接部分35，该焊接联接部分与表面33平齐，或者从其突伸出来，或凹进到其中。焊接联接部分35应当大致由LMA合金成分构成，并且具有0.0001-0.020英寸的厚度。焊接联接部分应形成适于装接到散热器的基部上的暴露的相对平的表面。
本发明的散热器组件和/或热扩散器的使用的有效性在以下的表1中示出了。
以下所示的表1示出了对于五个不同散热器结构的热阻(第一列)，以便与本发明的散热器组件(第四列表示)比较，其相对于仅作为箔插入件的设置在常规散热器和热源之间的相变材料的LMA合金(第三列)的热阻和在铜芯的外表面上形成有LMA合金的三层相变材料(第二列)的热阻。对于在第二到第四列中的每一列的三种热联接中每一种，通过设置在恒定功率的热源附近并相对特定的散热器结构来确定相对的热阻。
测量在热源和散热器的表面处的温度，并且由温度差和本发明的散热器的功率来计算，本发明的散热器的热阻与其它的散热器结构的热阻乐观地估计大致低10倍。
表1
权利要求
1.一种散热器组件，其包括由导热性材料制成的固体基部件和接合到该固体基部件的至少一个表面上的具有相变特性的低熔点合金层，以便在其间形成焊接联接部分，其具有0.0001-0.020英寸的厚度并且具有的成分大致由该低熔点合金构成，其中该焊接联接部分所具有的暴露的相对平的表面适于直接装接到电子热源上。
2.如权利要求1所述的散热器组件，其特征在于，还包括用于形成密封的装置，以便阻止空气进入该焊接联接部分。
3.如权利要求2所述的散热器组件，其特征在于，所述用于形成密封的装置包括从一组包括O形环或柔性垫片中选择的密封材料，该柔性垫片由有机成分的软的、挠性的、易顺从的材料制成。
4.如权利要求2所述的散热器组件，其特征在于，该散热器基部件包括围绕该焊接联接部分的周边的环形凹槽，以便容纳所述用于形成密封的装置。
5.一种热扩散器组件，其包括由导热性材料制成的固体件，其具有两个相对的相对平的表面，还包括接合到所述平表面中的至少一个表面上的具有相变特性的低熔点合金层，以便在其间形成焊接联接部分，其具有0.0001-0.020英寸的厚度并且具有的成分大致由该低熔点合金构成，其中该焊接联接部分所具有的暴露的相对平的表面适于直接装接到散热器上。
6.如权利要求5所述的热扩散器组件，其特征在于，还包括用于形成密封的装置，以便阻止空气进入该焊接联接部分。
7.如权利要求6所述的热扩散器组件，其特征在于，该固体件包括围绕该焊接联接部分的周边的环形凹槽，以便容纳所述用于形成密封的装置。
全文摘要
一种散热器和热扩散器组件，其包括由导热性材料制成的固体件和接合到该固体件的至少一个表面上的具有相变特性的低熔点合金层，以便在其间形成焊接联接部分，其具有0.0001－0.020英寸的厚度并且具有的成分大致由该低熔点合金构成，其中该焊接联接部分的所暴露的相对平的表面适于分别地直接装接到电子热源和散热器上。
文档编号G12B15/06GK1722945SQ20051000427
公开日2006年1月18日 申请日期2005年1月4日 优先权日2004年1月7日
发明者R·希尔, J·L·史特拉达 申请人:瑟玛根公司