专利名称：用于冷却的异质热界面的制作方法
技术领域：
本发明大致涉及一种热界面，更具体而言，涉及对集成电路芯片的冷 却。具体来说，本发明涉及用于芯片冷却的异质热界面。
背景技术：
为防止过热导致故障，有效冷却集成电路(IC)装置是必要的。随着 每个芯片的CMOS装置数量以及时钟脉冲iLl增加，这种有效冷却显得尤 为重要。有效冷却IC芯片很大程度上跟芯片和冷却块或者散热器之间的 良好热界面有关，这是因为主要的热阻预算都消耗在芯片和散热器之间.
通常，芯片和散热器之间的热界面包括设置在芯片和散热器单元的相 对表面之间的薄层导热骨。通常，该骨层大约为100微米厚，并且可以机 械地顺从，以与有时出现的芯片和散热器的不规则表面共形。
这种导热貪通常被认为对于促进热传递是可靠的。然而，常规骨的导 热率通常受到限制(例如，典型的骨的导热率大约为0.1W/mK)。因此， 会限制芯片冷却效果。而且，大量重复循环使用会导致骨的性能不均匀， 或者导致骨不能将芯片热M到散热器，从而导致导热失控，还会限制芯 片冷却效果.此外，现在的趋势是芯片越来越小、功率越来越大，从而导 致产生的热量越来越高，单依靠该热骨来散热是不够的。
因此，需要一种能够建立可靠的热接触以及在芯片和散热器之间提供 足够的导热率以及机械顺从性的热界面。
发明内容
本发明涉及一种用于将热源耦合到散热器的热界面。本发明的一个实
施例包括格网(mesh)和设置在格网中的导热液体。该格网和导热液体当 设置在热源和散热器之间时适于接触热源和散热器。在一个实施例中，该 格网包括与液体相容的金属或有M料。在一个实施例中，该液体可以包 括液体金属。例如，该液体可以包括镓铟锡合金。可以选#^吏用衬垫，以 将格网和液体密封在热源和散热器之间。在一个实施例中，热源是集成电 路芯片。
在本发明的另一个方面中，提供一种利用散热器冷却热源的方法。在 一个实施例中，该方法包括提供具有格网和设置在格网中的液体的热界面。 将该热界面插入热源和散热器之间，以使得该格网和该液体接触热界面第 一侧上的热源以及接触热界面第二侧上的散热器。
在本发明的另一个方面中，提供一种制造热界面的方法，其中该热界 面用于协助从热源到散热器的热传递，在一个实施例中，该方法包括，提供 格网。在该格网中设置足够量的液体以^i^填充该格网。该液体包括液 体金属。可选的，该液体金属随后冻结在位。
为便于详细理解实现本发明的上述实施例的方式，参照附图中所示的 实施例来更加具体的描述上迷发明内容部分所述的发明。然而，注意到， 附图仅仅示出本发明的典型实施例，因此不用于限制本发明的范围，因为 本发明还可以实现为其它的等效实施例。
图l示出根据本发明的热界面的一个实施例的横截面图；以及 图2示出采用本发明的热界面的一个实施例的热传递系统的一个实施 例的横截面图。
为了便于理解，采用相同的附图标记来表示附图中的相同部件。
具体实施例方式
图1描述了热界面100的一个实施例的横截面图。热界面100i殳置在 热源102和散热器104之间。热源102可以是任意热源，包括集成电敏IC)
芯片，但不限于此。散热器104可以是任意散热器，例如空气冷却散热片、 水*热片的冷板、热管、热辐射器、热散布器等等。可以通过任意合适 的方法，例如接合、粘接、夹紧、托架、固定等等，将热界面100、热源 102和散热器104组装固定在一起。在图l所示的实施例中，通过至少一 个夹具108将热源102、散热器104和热界面100固定在一起。
热界面100的厚度范围通常为大约50至大约200微米的范围，通常包 4^殳置在格网110中的导热的热传递液体112。该液体112通it^面张力 保持在格网110内，通过格网IIO结构的相对大的表面面积来最大化该表 面张力。该格网112有助于在构造期间保持、控制和施加液体112。此外， 液体112粘附到格网110有利于防止或最小化液体112在震动当中从热界 面100喷出(也就是，例如，当该组件滑落或者震动时，热源102和散热 器104会突然相互碰撞，产生的排斥力通常不会超过格网110的液体112 的表面张力的保持力)。在电应用中，这样的液体112的喷出会破坏或损 坏系统的部件，还可能会伤害操作者或者站在附近的其他人。
格网IIO具有M顺从性，例如弹性力，从而可以在热界面100和热 源102及散热器104之间形成多个接触点114.多个接触点114促进液体 112与热源102及散热器104之间紧密接触，从而增强它们之间的有效热 传递.多个接触点114还最小化任意孔隙的出现，所迷孔隙会在液体112 未直M触到热源102或散热器104的部分表面的位置形成。此外，因毛 细管作用将液体112吸引到格网110部件之间的界面以及多个接触点114 和热源102或散热器104的表面之间的界面，将最小化形成的任意孔隙例 如孔隙116的尺寸。在格网IIO是导热格网的实施例中，多个接触点114 还提供经格网110本身的热源102和散热器104之间的连续导热路径。
如这里所使用的，术语"格网"指材料的结构性设置，并且包括织 造和非织造网或网筛，多孔或海绵状固体，线、丝、绳、纤维或颗粒的阵
列，或者任意其它这样的材料形式，所述材料提供M顺从性结构以及具 有足够的多孔率，以便于液体112形成热源102和散热器104之间的导热 路径。在一个实施例中，格网110包括热界面100的总体积的大约15%。
然而，应当注意，该值根据应用而定，并且根据构成格网110的材料的润 湿能力以及格网110的M刚性而定。格网IIO通常是M顺从的格网， 并且包括许多孔，其中液体112能够穿过并包覆这些孔。
格网110的导热率高于、等于或低于液体112的导热率。格网110可 以由与导热液体112相容的金属或有机材料制成，例如，格网110相对于 液体112是惰性的，或者它和液体112发生反应的方式不会使热界面100 的结构或热特性显著退化，或者损坏热源102或散热器104。可选的是， 格网110可以包括与液体112相容的材料，在这种情况下，格网110还包 括与液体112相容的涂层，下面将进行i兌明。
在一个实施例中，格网110包括以下至少一个铜、铬、铁、镍、钽、 钛以及鵠线。可选地或者结合地，格网IIO可以包括以下至少一个铜、 铬、铁、钼、镍、钽、钛、鴒、玻璃和碳化硅颗粒。可选地或者结合地， 格网IIO可以包括以下至少一个玻璃纤维、玻璃棉、铜棉、多《1>5墨、 加工过的石墨、电成型镍、碳纳米管、烧结金属颗粒等等。在一个实施例 中，格网110包括金属线格网，在一个实施例中，格网110包括铜格网或 鵠格网。在另一个实施例中，格网110包括玻璃棉或玻璃格网。可以想到 结合使用上述材料。例如，在一个实施例中，格网IIO包括鴒线格网和鴒 颗粒。
格网110的元素的尺寸根据热界面100的尺寸而定，而热界面100的 尺寸根据热源102和散热器104之间的间隙尺寸而定。IC芯片应用中，典 型的间隙尺寸为大约50至大约IOO微米的范围。对于这些应用，典型的线 直径为大约25至大约100微米的直径范围，典型的颗粒尺寸为大约2微米 至大约75徵表的范围.可以想到可以根据特定应用的需要而采用其它直径 和颗粒尺寸。
格网IIO还可以包括可选的涂层。该可选涂层可以防止格网110与液 体112的化学特性之间的任和不相容，或者可以改进格网IIO相对于液体 112的润湿能力。例如，在一个实施例中，格网110可以包括涂lt铬的铜， 以便与包括镓铟锡合金的热传递液体112之间保持相容，在另一个实施例
中，格网110可以包括具有润湿剂涂层的玻璃纤维，以改进格网110相对 于液体112的润湿能力。可以想到，该涂层可以在与液体112相容的格网 110上形成。还可以想到，该涂层可以包括相同或不同材料形成的多个层。
可选的是，可以在希望改进构成热源102和/或散热器104的材料与液 体112之间的相容的地方，在热源102和/或散热器104上形成类似涂层(未 示出)。该涂层可以进行选择，以便增强对随后的层的祐附力、用作防氧 化层、或者改进液体112相对于热源102和/或散热器104的表面的润湿能 力。可以想到，可以提供多个涂层，例如，与液体112相容的第一涂层、 以及增强液体112的润湿能力的第二涂层。
可以利用常规方法来施加涂层，例如，蒸镀、'减射、 、化学气相 沉积等等。涂层的厚度根据构成涂层的材料、施加方法以及实现涂层的预 定目所需的覆盖度而定。例如，在一个实施例中，在散热器104上设置大 约2500埃的铬涂层。该铬涂层还可以具有沉积在其上的、大约300埃厚的 金或铂涂层，以用作防氧化层。
导热液体112填充格网110的部件之间的空间、孔或孔隙.在一个实 施例中，液体112是液体金属。该液体金属具有高表面张力，并紧密粘附 到格网的大表面面积，因此有利地包含液体金属，该液体金属;1^蚀性的 以及导电的，当用于电子应用中时会带来污染问题.
而且，液体112紧密粘附到格网110有助于处理热界面100,例如， 格网110可以被预切割，液体112可以预测量以及结合到格网110，从而 预制适用于特定应用的热界面100。利用公知界面尺寸的给定热源(例如， IC芯片)和散热器，可以构造预制的热界面100,其可以容易的、快速的 施加到热源102和散热器104之间.此外，在实际实施例中，热界面100 还可以被冻结，以固化设置在格网110中的液体112,以进一步便于处理 和构造》
这种预制的热界面100可以方便地进行封装，以便保护热界面100以 及《更于处理单个热界面或多个热界面。该预制的热界面100不论;l封装的 还是不是封装的，都可以在手动或自动组装过程中容易地、快速地应用到
热源102和散热器104之间。在一个实施例中，该预制的热界面100被真 空封装在聚乙烯塑料中，以保护它免于氧化。
在一个实施例中，该液体金属包括以下至少一种镓、汞、镓-铟和汞 -金。在一个实施例中，液体112包括镓铟锡合金。在一个实施例中，液体 112包括镓铟锡共晶体，格网110包括以大约15 — 25重量％混合入液体112 中的0,2微米鴒颗粒，因此形成便利的骨状热界面材料。可选的是，格网 IIO还包括方形的织造鴒格网，其由大约1-2密耳的钨线形成。液体112 和格网110的结合可以具有约2至3mii^X:/W以下的热阻。
村垫106可选地设置在热界面100的周边。衬垫106通常密封设置热 界面100的、在热源102和散热器104之间的内部空间。衬垫106有助于 减小液体112从热界面100泄漏的可能性。例如，在液体112和格网110 之间的表面张力较低的情况下，衬垫106有助于将液体112保存在热界面 100内。衬垫106还可以防止因膝露到空气、湿气或者其它污染物而导致 液体112氧化或发生其它性能恶化。例如，在液体112是镓铟锡^r的实 施例中，液体112的曝露区会氧化.然而，由于氧化层会形成阻挡从而最 终保护余下液体112免受进一步氧化，所以该氧化是自限性的。衬垫106 可以包括软材料，例如尼龙、聚四氟乙烯(PTFE )、硅氧烷、橡胶或VITONR。 本领域技术人员将会理解，衬垫106可以采用任意相^N"料形式，只要它 使得村垫106可以密封热源102和散热器104之间的液体112即可。
图2示出采用该热界面100的热传递系统的一个实施例的侧视图。在 图2所示的实施例中，IC芯片202经热界面100而耦合到散热器204.衬 垫106设置在热界面100的周边，并且形成芯片202和散热器204之间的 密封.为了清A^见，在图2中未示出用于将芯片202固定到散热器204 的夹具或固定器。散热器204包括具有多个从其上延伸的散热片206的冷 板208，从而在增加的表面面积上方流动的空气增加了从散热器204到周 围空气的热传递速率.
因此，本发明示出在热源和散热器之间热界面中的显著改进，尤其是 在集成电路芯片冷却领域。公开了一种热界面，该热界面有助于芯片和散
热器之间的可靠的、改进的热传递，从而使得IC装置可以比利用常规热
传递方法的现有技术更可靠、更有效地运行'而且，为了便于制造，可以 预制该热界面。
虽然前述内容旨在说明本发明的优选实施例，但是在不脱离由下面的 权利要求限定的本发明的基本范围下，可以想到本发明的其它实施例。
权利要求
1.一种用于协助从热源到散热器的热传递的热界面，该热界面包括格网；以及被设置在所述格网中的液体，其中所述格网和所述液体当被设置在热源和散热器之间时适于接触热源和散热器。
2. 根据权利要求l所述的热界面，其中所述液体包括液体金属。
3. 根据权利要求2所述的热界面，其中所述液体包括以下至少一种 镓、汞、镓-铟和汞-金。
4. 根据权利要求2所述的热界面，其中所述液体包括镓铟锡合金。
5. 根据权利要求l所述的热界面，其中所述格网包括以下至少一种 织造网、非织造网、网筛、多孔或海绵状固体、以及线、丝、绳、纤维或 颗粒的阵列。
6. 根据权利要求l所述的热界面，其中所述格网包括以下至少一种 铜、铬、铁、钼、镍、钽、钛和钨。
7. 根据权利要求6所迷的热界面，其中所述格网包括线和颗粒。
8. 根据权利要求l所述的热界面，其中所述格网包括以下至少一种 铜线和铜颗粒.
9. 根据权利要求8所述的热界面，其中所述铜涂敷有铬。
10. 根据权利要求l所述的热界面，其中所述格网包括以下至少一种 玻璃纤维和玻璃颗粒.
11. 根据权利要求l所述的热界面，其中所述格网包括以下至少一种 鴒线和钨颗粒。
12. 根据权利要求l所述的热界面，其中所述格网包括以下至少一种 铜棉、多孔石墨、加工过的石墨、碳纳米管以及电成型镍。
13. 根据权利要求l所迷的热界面，还包括在所述格网上形成的涂层。
14. 根据权利要求13所述的热界面，其中所述涂层包括铬。
15，根据权利要求13所述的热界面，其中所述涂层包括与所述液体相 容的材料。
16. 根据权利要求l所述的热界面，还包括衬垫，其被设置在所述格网的周边，当所述热界面被设置在散热器和 热源之间时，所述衬垫适于接触所述散热器和热源，从而形成密封。
17. 根据权利要求l所述的热界面，其中所述格网包括鴒线和鴒颗粒， 以及其中所述液体包括镓铟锡^r 。
18. —种热传递组件，包括 热源；散热器；以及热界面，其被设置在所述热源和散热器之间，该热界面包括 格网；以及被设置在所述格网中的液体，其中所述格网和液M触所述热源和散 热器，
19. 根据权利要求18所述的组件，其中所述液体包括液体金属。
20. 才M^权利要求19所述的组件，其中所述液体包括以下至少一种 镓、汞、镓-铟和汞-金，
21. 根据权利要求19所述的组件，其中所述液体包括镓铟锡合金，
22. 根据权利要求18所述的组件，其中所述格网包括以下至少一种 织造网、非织造网、网筛、多孔或海绵状固体以及线、丝、绳、纤维或颗 粒的阵列。
23. 根据权利要求18所述的组件，其中所述格网包括以下至少一种 铜、铬、铁、钼、镍、钽、钛和钨。
24. 根据权利要求23所述的组件，其中所述格网包括线和颗粒中的至 少一种。
25. 根据权利要求18所述的组件，其中所述格网包括以下至少一种 铜线和铜颗粒。
26. 根据权利要求25所述的组件，其中所述铜涂敷有铬。
27. 根据权利要求18所述的组件，其中所述格网包括以下至少一种 玻璃纤维和玻璃颗粒。
28. 根据权利要求18所述的组件，其中所述格网包括以下至少一种 鴒线和鵠颗粒。
29. 根据权利要求18所述的组件，其中所述格网包括以下至少一种 铜棉、多孔石墨、加工过的石墨、碳纳米管以及电成型镍。
30. 根据权利要求18所述的组件，还包括在所述格网上形成的涂层。
31. 根据权利要求30所述的组件，其中所述涂层包括铬。
32. 根据权利要求30所述的组件，其中所述涂层包括与所述液体相容 的材料。
33. 根据权利要求18所述的組件，还包括衬垫，其被设置在所述格 网的周边、并接触所述散热器和热源，从而形成密封.
34. 根据权利要求18所述的组件，其中所述热源是集成电路芯片。
35. 根据权利要求18所述的组件，其中所迷散热器包括以下至少一种 空气冷却散热器、水冷散热器、热管、热辐射器或热散布器。
36. 根据权利要求18所述的组件，其中所述热源是集成电路芯片，所 述液体包括镓锢锡合金，以及其中所述格网包括鴒线和钨颗粒。
37. —种利用散热器冷却热源的方法，包括 提供热界面，其具有格网和设置在所述格网中的液体；以及 将所述热界面插入所迷热源和散热器之间，以使得所述格网和液体接触在热界面第一侧上的热源、以及接触在热界面笫二侧上的散热器。
38. 根据权利要求37的方法，其中所述格网包括以下至少一种铜、 铬、铁、钼、镍、钽、钛和钨。
39，根据权利要求37的方法，其中所述液体包括液体金属.
40. 根据权利要求39的方法，其中所述液体金属包括以下至少一种 镓、汞、镓-铟和汞-金。
41. 一种制造热界面的方法，其中该热界面用于协助从热源到散热器 的热传递，该方法包括 提供格网；以及在所述格网中设置足够量的液体以便基本填充所述格网，其中所述液 体包括液体金属。
42. ;fil据权利要求41所述的方法，还包括固化所述液体金属。
43. 根据权利要求41所述的方法，还包括将所述格网形成为所需尺 寸，以用于具有已知尺寸的散热器。
44. 根据权利要求41所述的方法，还包括封装所述格网和液体。
全文摘要
本发明涉及一种用于将热源耦合到散热器的热界面。本发明的一个实施例包括格网和设置在格网中的液体例如导热液体。该格网和导热液体当设置在热源和散热器之间时适于接触热源和散热器。在一个实施例中，该格网包括与液体相容的金属或有机材料。在一个实施例中，该液体可以包括液体金属。例如，该液体可以包括镓铟锡合金。可以选择使用衬垫，以将格网和液体密封在热源和散热器之间。在一个实施例中，热源是集成电路芯片。
文档编号H05K7/20GK101103658SQ200580046766
公开日2008年1月9日 申请日期2005年10月19日 优先权日2005年1月18日
发明者J·D·杰洛梅, N·C·拉比安卡, S·古哈, T·G·范凯塞尔, Y·马丁 申请人:国际商业机器公司