专利名称：传热装置,被冷却的电子模块及其制造方法
技术领域：
本发明涉及传热机构，尤其是涉及用于排出由一个或多个电子设备产生的热量的传热装置、被冷却的电子模块及其制造方法。更具体地，本发明涉及使用多个导热复合翅片的传热装置和传热方法，例如，翅片通过引线接合至导热底座的基本上平的主表面上，该导热底座包括待冷却的电子设备的一部分或连接至该电子设备。
背景技术：
众所周知，运行的电子设备会产生热量。该热量必须从设备中有效地排出，以便将结温保持在所需的范围内，如果未能排出所产生的热量将导致设备的温度增加，则有可能带来热击穿问题。电子工业的一些趋势使得热控制——包括排出电子设备的热量，包括传统上较少关注热控制的技术，例如CMOS——更为重要。特别是，对装配更快和更密集的电路的需要对热控制的重要性具有直接的影响。首先，功率耗散以及因此产生的热量随着设备运行频率的增加而增加。其次，在较低的设备结温下提高运行频率是可能的。而且，由于越来越多的设备被装配在一个芯片上，因此热通量(W/cm2)增加，从而导致需要从给定尺寸的芯片或模块上带走更多能量。这些趋势结合起来形成如下情形不再需要仅仅通过传统的风冷方法，例如通过使用具有热管或蒸汽室的风冷散热器从现代设备中排出热量。这种风冷技术在其从具有大功率密度的电子设备中排出热量的能力方面具有固有的局限性。
因此，冷却当前和将来的高热负荷、高热通量的电子设备的需求迫使迅速发展热控制技术，例如使用带翅片的冷板设备进行液体冷却。各种类型的液体冷却剂具有不同的冷却能力。具体地，当与例如水或其它水性流体比较时，流体如制冷剂或其它介质液体(如，氟化碳液体)显示出相对弱的热导率和比热性质。但是，介质流体的优点在于，它们可与电子设备直接接触并且相互混合而不会带来不利影响如腐蚀或电短路。其它冷却液体如水或其它水性液体，与其它介质流体相比，显示出极好的热导率和比热。但是，必需避免水基冷却剂与电子设备的直接接触或相互混合，这是因为这种接触很可能造成腐蚀和电短路问题。现有技术已经公开了各种这样的方法使用水基冷却剂，同时在冷却剂和电子设备之间提供物理隔离。但是，采用液体冷却装置仍需要将冷却装置连接到电子设备。这种连接将在冷却装置和电子设备之间引起界面热阻。因此，除了由于颗粒污染而需要考虑密封和堵塞的典型液体冷却问题外，还需要注意例如冷却装置的热导率，电子设备的界面效率，以及冷却装置和电子设备之间的热膨胀匹配和可制造性的问题。
发明内容
通过提供一种传热装置可克服现有技术的缺点并带来其它的优点。该传热装置包括具有主表面的导热底座和多个导热翅片，所述导热翅片从该导热底座的主表面上延伸出来并设置成利于传递来自所述导热底座的热量。所述多个导热翅片中的至少一些翅片具有复合结构，每个复合结构包括涂覆有第二材料的第一材料，其中第一材料具有第一热导率，第二材料具有第二热导率。
在改进的方面，涂覆第一材料的第二材料的第二热导率大于第一材料的第一热导率。作为具体示例，第一材料和第二材料可分别包括下列之一铜和金刚石、金和铜或者金和金刚石。而且，所述多个导热翅片可包括多个针状导热翅片，该多个针状导热翅片通过引线接合至所述导热底座的主表面。所述导热底座可包括待冷却的电子设备的一部分或连接至该待冷却的电子设备的单独结构。
在另一方面，提供了一种被冷却的电子模块，该被冷却的电子模块包括至少一个发热电子设备附连在其上的基板，和连接到所述至少一个发热电子设备以利于冷却该电子设备的传热装置。该传热装置包括多个导热翅片，该多个导热翅片从至少一个发热电子设备的一个表面或连接至该至少一个发热电子设备的表面的导热底座延伸出来。该多个导热翅片被设置成利于传递来自所述至少一个发热电子设备的热量，并且该多个导热翅片中的至少一些翅片具有复合结构。每个复合结构包括涂覆有第二材料的第一材料，其中第一材料具有第一热导率，第二材料具有第二热导率。
在另一方面，提供了一种制造传热装置的方法，该方法包括设置具有主表面的导热底座；设置多个从所述导热底座的主表面上延伸出来的导热翅片，其中所述多个导热翅片设置在导热底座的主表面上以利于传递来自所述导热底座的热量；以及用导热材料涂覆所述多个导热翅片中的至少一些导热翅片，以增加所述至少一些导热翅片的每个导热翅片的厚度，并因此利于通过所述多个导热翅片传递来自所述导热底座的热量。
此外，通过本发明的技术可实现额外的特征和优点。本发明的其它实施例和方面在此加以详细描述并被认为是本发明所要求保护的一部分。
本发明的主题被具体地指出，并且在作为该说明书结论部分的权利要求书中清楚地主张本发明的主题。从下面的结合附图的详细说明中可以清楚了解本发明的前述和其它目的、特征和优点，附图中图1是根据本发明一方面的被冷却的电子模块的一个实施例的断面正视图；图2是根据本发明一方面的冷却或传热装置的一个实施例的等轴测视图；图3A是根据本发明一方面的在冷却装置的制造方法中将通过引线接合至导热底座的针状翅片金属线(pin-fin wire)的正视图；图3B，根据本发明一方面，描绘了图3A的结构，示出在针状翅片金属线和导热底座之间形成的扩散熔合线；
图3C，根据本发明一方面，描绘了图3B的结构，示出金属线接合刀架(wire-bonding tool head)在未夹紧位置时在金属线上向上移动；图3D，根据本发明一方面，描绘了图3C的结构，示出金属线接合刀架沿构成针状翅片的金属线在较高的位置处被再次夹紧；图3E，根据本发明一方面，描绘了图3D的结构，示出在金属线弯曲之后，并且在沿金属线的另一点与导热底座形成另一扩散熔合线；图3F，根据本发明一方面，描绘了图3E的结构，示出将电子火焰切割(EFO)应用到金属线上以切断该金属线并因此形成离散的环形针状翅片；图3G，根据本发明一方面，描绘了图3F的结构，示出金属线已被切断并且已形成离散的环形针状翅片；图4A是根据本发明一方面的使用图3A-3G的制造方法形成冷却或传热装置的一个实施例的正视图；图4B是图4A的结构的正视图，根据本发明一方面，示出预先镀锡的总管板(manifold plate)被拉下与离散的环形针状翅片的上表面形成直接接触；图4C是图4B的结构的正视图，根据本发明一方面，示出对回流焊料reflow solder)加热并因此使离散的环形针状翅片和总管板形成物理连接；图5是根据本发明一方面的冷却或传热装置可选实施例的正视图；图6是根据本发明一方面的被冷却的电子模块的可选实施例的断面正视图；图7是根据本发明一方面的被冷却的电子模块另一实施例的断面正视图；图8是根据本发明一方面的被冷却的电子模块另一实施例的断面正视图；图9是根据本发明一方面的被冷却的电子模块另一实施例的断面正视图；图10是根据本发明一方面的冷却或传热装置的一个实施例的部分平面图；图11是示出各种散热器材料的热导率图，根据本发明一方面，其中一种或多种材料可用于冷却或传热装置的翅片阵列中；图12示出根据本发明一方面的导热材料沉积在多个针状导热翅片上以形成复合针状翅片结构；图13A是根据本发明一方面的采用图12的复合针状翅片结构的冷却或传热装置的一个实施例的部分平面图；图13B是根据本发明一方面的图13A所示的复合针状翅片结构阵列的一个复合针状翅片结构的等轴测视图；图14是根据本发明一方面的铜制针状翅片与复合铜-金刚石针状翅片结构比较时针状翅片效率对针状翅片高度的图；以及图15是根据本发明一方面的仅由铜制成的针状翅片与复合铜-金刚石针状翅片结构比较时每个针状翅片的热耗率对针状翅片高度的图。
具体实施例方式
这里使用的“电子设备”包括计算机系统或其它需要冷却的电子系统的任何发热电子元件。在一个示例中，电子设备包括集成电路片。术语“被冷却的电子模块”包括任何带冷却功能的电子模块和至少一个电子设备，单芯片模块和多芯片模块均是待被冷却的电子模块的示例。这里使用的“微型冷却结构”指的是特征尺寸为200微米或更小的冷却结构。“复合”翅片结构指的是任何其中具有第一热导率的第一材料被具有第二热导率的第二材料涂覆或包裹的翅片。各“材料”可以是导热的元素或复合物。
总的来说，这里提供了一种改进的冷却装置及其制造方法，该装置使用直接或间接液体冷却剂方法使得在待冷却的电子设备的表面上获得较高的传热率。在一个实施例中，冷却液体可包括水基液体，并且冷却装置可与钝化的电子基片组件一起使用。但是，在此公开的构思可适合于和其它类型的冷却剂一起使用。例如，该冷却剂可包括盐水、碳氟化合物液体、液态金属或其它类似冷却剂，或制冷剂，同时仍可保持本发明的优点和特点。
微型冷却结构的一个可选实施例是例如由铜或硅制成的微通道冷板。微通道铜制冷板具有高热导率的优点，并且因此在通过冷却液体的对流移动来分散热量方面很有效。但是，与通常用在集成电路芯片中的硅相比，铜的热膨胀系数比硅高很多。铜的热膨胀系数大约是硅的八倍。铜和硅之间的热膨胀系数的差异阻碍了在微通道铜制冷板和硅基片之间使用非常薄(并因此具有优良的热导率)的界面，并且还阻碍了较坚硬的界面如焊料或热硬化的环氧树脂的使用。相反，这种铜制冷板将需要使用热阻比焊料或环氧树脂界面高出两至三倍的热油脂界面。因此，尽管微通道的铜制冷板的热性能优良，但是它不能设置成与传统的电子设备具有相应优良的热接触性能，从而降低了整个模块的热性能。
在一可选实施例中，微通道冷板可由硅制成，它可通过焊料或热硬化的环氧树脂接合至硅基片。但是，硅的热导率大约是铜的三分之一，因此使得由硅制成的任何微型翅片结构在通过液体冷却剂吸收的散热效率方面较低。
而且，在微通道冷板中，通道尺寸可以非常小，例如小于65微米，这就增加了在冷却装置的寿命期间由于微粒污染而导致堵塞的危险。而且，由于微通道散热器内的通道尺寸较小，通过该冷却装置的压力降非常高。因此，本发明的目的是减少堵塞和压力降的缺点，以及在上述铜和硅制的微通道冷板中出现的缺点，同时仍可展现出冷却高性能高热通量电子设备所必需的极好的热性能。
现在参照附图，其中在不同附图中的相同附图标记指示相同或相似的部件。图1描绘的是根据本发明一方面的总体由100指示的被冷却的电子模块的一个实施例。在该实施例中，被冷却的电子模块100包括基板110，基板导热金属线(未示出)位于基板的上表面上和/或嵌在上表面中。集成电路片120通过例如焊球连接125电连接至基板110的金属线。密封结构130有利于使得集成电路片120的有源电路部分与模块内的液体冷却剂隔开。底座140覆盖集成电路片120和一部分密封结构130。外壳170使密封件175通过例如软焊或钎焊密封至底座140和密封结构130。在该外壳内，多个针状翅片150从底座140延伸至由外壳限定的冷却剂流道。在一个示例中，这些针状翅片各包括离散的环形铜制针状翅片。冷却剂流动道包括位于上方的入口集合管(inlet manifold)160，在该所示实施例中，入口集合管与多个针状翅片的上表面接触。入口集合管160包括一个入口162和多个孔164，该孔164可包括微型孔。外壳170包括用于在冷却剂绕多个针状翅片150和导热底座140流动后排出该冷却剂的液体冷却剂出口172。尽管所描绘的集合管设计在其中心是冷却剂入口而圆周是出口，但是在不偏离本发明的范围的前提下可包括多种不同设计。
图2是根据本发明一方面的微型冷却结构或装置的一个实施例的透视图。在该示例中，该结构包括具有带基本上平的上表面的导热底座140的冷板，多个离散的环形针状翅片150以阵列的方式从该上表面上突起。环形针状翅片可由铜线构成，导热底座140由高导热性材料制成。假定底座140的热膨胀系数在待冷却的电子设备的热膨胀系数限定的范围内，该电子设备例如可以包括硅。在一个示例中，该限定的范围可以为±1.5×10-61/K。假定电子设备包括硅，那么导热底座的热膨胀系数优选在0.9×10-61/K至4.1×10-61/K的范围之间。
作为具体示例，针状翅片的高度可为1-3mm，直径为约50-250微米，以针与针之间的间距在50-500微米的范围来排列。因此，图2的冷却结构200具有下列优点，即对于翅片使用具有第一热导率的材料(例如铜)，对于底座使用具有第二热导率的材料，则该底座可通过极好的界面附连到硅基片，而无需考虑热膨胀系数的不匹配(这是很多现有的冷却结构通常存在的问题)。作为示例，导热底座140可包括碳化硅、氮化铝、铜-钼-铜复合物、金刚石、硅等等。图2的冷却装置具有很大的自由面积和很大的自由容积比，因此与上述具有翅片的微通道冷板相比，这使得该设计在产品的寿命期间不易受到堵塞。对于单芯片模块和多芯片模块的应用来说，简单的集合管设计足以确保可靠的低压力降操作。在不偏离本发明的范围内，管道尺寸的各种变形也是可能的。而且，在下面讨论的实施例中，导热底座140可由例如集成电路片的背面构成。此外，优选地选择针状翅片的尺寸和形状以确保具有很大的自由面积和很大的自由容积比，以使遭受堵塞的敏感性降至最低。在需要较厚的针状翅片的情况下，可电镀通过引线接合的针状翅片以获得所需的直径。
根据本发明，针状导热翅片通过引线接合至导热底座140的基本上平的主表面，正如所示的那样，导热底座140可包括一部分待冷却的电子设备。例如，导热底座140可包括集成电路片。可使用不同的引线接合技术来形成如图2所示的环形微针状翅片阵列。例如，可以使用球形引线接合和楔形引线接合，它们通常被用来形成芯片-基板的相互连接。现有技术中存在多种引线接合机器。例如，宾夕法尼亚州的威洛格罗夫(Willow Grove)的Kulicke & Soffa可制造和提供各种球形和楔形引线接合机器。
图3A-3G示出一种使用热声球焊技术制造根据本发明的冷却装置的方法。图3A描绘了制造工艺的开始，示出该工艺需要的各种元件，包括导热底座140和构成针状翅片的金属线300。金属线300包括球端部305，安装有金属线夹紧机构的刀架包括用于金属线的毛细通路310。假定在导热底座140的上表面上具有适当的喷镀金属(例如铬-铜或铬-铜-金)。在图3A中示出刀架312的夹紧机构处于未夹紧状态。
图3B示出刀架312处于夹紧状态，即刀架的移动使金属线300的球端部和导热底座140的金属化表面之间形成直接接触。受控的向下接合力与超声波活化一起被施加，并且这两者一起形成有助于金属线300和金属化底座之间塑性变形以及分子间扩散的物理环境。在这种条件下产生扩散熔合线315，由此在微观长度尺寸下的塑性变形致使金属在横穿金属线-基板界面的各部分的滑面和剪切面内流动，于是形成冶金扩散接合。在形成该接合后，刀架如图3C所示那样松开，并且沿着金属线300的长度方向移动到不同的位置，在那里刀架312再次夹紧，如图3D所示。
图3E描绘的是图3D的组件在金属线向下反弯以接触导热底座140，并且用刀架形成第二扩散熔合线320，从而结束针状翅片环的情形。该第二接合320是该工艺结果的尾部。图3F示出刀架沿金属线300移动到新的位置以提供电子火焰切割(EFO)操作的空间，该操作是现有技术中公知的用于切割金属线的工艺。电子火焰切割操作在第二扩散熔合线320的端部切割金属线300，并且还形成新的球端部305，以允许如图3G所示那样再次开始上述工序。在图3G中，刀架处于预备位置，以便重复示于图3A-3F的步骤。
在多次重复图3A-3F所示的工艺后，可形成如图4A所示的微针状翅片阵列。在该阵列中，多个离散的环形针状翅片150紧密地设置并且扩散焊接接合至导热底座，如上所示，该导热底座可包括一部分待冷却的电子设备本身，或可包括热膨胀系数与待冷却的电子设备的热膨胀系数精密地匹配的单独结构。图4B示出预先镀锡的顶部总管板400，该总管板被拉下以与环形针状翅片150的顶部轻微加压地接触，如图4C所示。该总管板包括一个或多个入口或孔410，在一个实施例，该孔可包括微型开口。总管板400随后例如通过将该组件置于烘箱或通过其它加热技术被加热，以使焊料回流并且在针状翅片150和总管板400之间形成刚性接缝420。这种焊缝用于增加针状翅片的刚性，并因此减少翅片在遭受高速横向流动的液体冷却剂时发生任何变形的倾向性。
图5描绘了根据本发明冷却装置的可选实施例。在该实施例中示出直的针状翅片520从基板510的基本上平的表面延伸出来，假定该基板也包括导热底座。针状翅片520通过例如上述的热声焊接在扩散熔合线525处连接至基板510。该冷却装置的制造可采用图3A-3G的工艺，其中图3F的电子火焰切割操作发生得更早一些，例如，在图3D所示的步骤中发生。
形成图3A-5的扩散接合的工艺循环时间少于20毫秒。因此，为了形成如图2所示的高性能的针状翅片阵列，其中使用2500个针状翅片以用于冷却1cm2的表面(因此具有2500个接合点)，接合工艺时间估计为约50秒钟。对于例如在此所述的单个冷却装置的制造成本效益来说，这是合理的时间。而且，本领域技术人员应注意到，引线接合机器是先进的、可编程的计算机控制机器，其编程目的是用于形成表示图2-5所示设计的不同实施例的非均匀阵列图案。
简短地说，可被使用以形成改进的传热翅片结构的另一技术是楔焊方法。已经报道的楔焊工艺时间是每个接合点少于80毫秒，这再次使得在此公开的构思的实际实施成为可能。
有利地是，在此描述的结构提供了一种极好的热界面，这是由于引线接合的冶金性质，并且因为在针状翅片和底座之间缺少第三材料，例如焊料或铜焊复合物。当形成硅-铜针接合，例如离散的环形微针状翅片时，所述引线接合方法是特别有利的。通过使用利用超声波活化的引线接合工艺，可使针状翅片接合至基板，并且在冶金学上定义为干净，即没有氧化物的表面之间形成扩散熔合线，并且该表面属于高能表面。这些界面性质带来极好的低热阻的热界面。图3B-3G示出翅片在其底座上、直接位于硅-铜针接合之上的形状。这些半球形的形状允许在接合点具有较大的面积，接合点直径大约是金属线本身的直径的2-4倍，因此显著增加了接触面积，从而降低了界面处的界面/接触热阻。在这些针-底座界面处的界面热阻与接触面积成反比。此外，当热流从导热底座的很大的横截面流向针状翅片的较小的横截面时，半球形的扩散熔合线允许“热量合并(thermalmerging)”，从而降低了针结构对热流的集中热阻。
图6-8描绘了使用根据本发明的冷却装置的被冷却的电子模块的可选实施例。在图6中，基板610再次支撑电子设备并且通过多个互连连接件，例如焊球连接625电连接至电子设备620。密封结构630使电子设备620的活性元件与外壳670内流动的冷却液体隔开。在该示例中，外壳670直接密封至密封结构630，并且形成在其内设置有入口集合管660的空腔。入口集合管660包括一入口662和一个或多个用于将冷却液体引至待冷却的电子设备620的表面上的孔664。多个针状翅片650相互连接在电子设备620和入口集合管660之间。同样，针状翅片650可包括离散的、环形、由铜以及按照与上述参照附图3A-4C相似的方式制成的针状翅片。但是，在该实施例中，环形针状翅片通过引线直接接合至电子设备的表面上，从而形成用于引导冷却液体的翅片结构。而且，在该实施例中，电子设备可通过不透水层(未示出)钝化而耐用于液体冷却剂，该不透水层例如可采用共同转让的，于2005年9月6日出版的美国专利证书No.6940712B2，名称为“Electronic Device Substrate Assembly With Multi-layerImpermeable Barrier And Method of Making”中描述的不透水层，其全部内容被结合于此而引为参考。
图7和8描绘了包括多芯片模块的被冷却的电子模块的示例。在图7中，被冷却的电子模块700包括支撑多个电子设备720的基板710，该电子设备在一个示例中可包括裸露的集成电路片。电子设备720通过在支撑该电子设备的基板710上金属化或嵌入到基板中的焊球连接725相互电连接。适当的密封结构730有利于电子设备720与液体冷却剂的密封。导热底座740连接至每个电子设备。假定每个导热底座740包括热膨胀系数在各待冷却的电子设备的热膨胀系数所限定的范围内的导热底座材料。作为一个示例，该电子设备可包括硅，并且硅的热膨胀系数所限定的范围可以为±1.5×10-61/K。正如上面指出的，导热底座可包括各种材料，包括碳化硅、氮化铝、金刚石、铜-钼-铜复合物、硅等等。多个针状翅片750从导热底座740的基本上平的表面上延伸出来。在一个示例中，这些针状翅片可包括如上述参照图3A-4C所示的离散的环形针状翅片。进口室(inletplenum)760靠置在多个针状翅片750上，并且可以软焊或钎焊到多个针状翅片750上。进口室760包括冷却剂入口762和一个或多个设置在连接至电子设备720的各个冷却装置740，750之上的孔764。外壳770同样密封至密封结构730并且限定内部液体冷却剂流道，液体冷却剂可通过该流道从孔764流向外壳770中的一个或多个出口772。
图8描绘了被冷却的电子模块800的另一可选实施例，它也是多芯片模块，其中针状翅片850通过引线直接接合至例如集成电路片的电子设备820。电子设备820通过连接件825电连接至支撑基板810，并且密封结构830有利于该电子设备的活性电路的隔离。根据所使用的液体冷却剂，在电子设备的顶部上可放置适当的不透液体的钝化层(未示出)。多个针状翅片850包括(在一个示例中)离散的环形铜制针状翅片。这些针状翅片通过扩散熔合线接合至电子设备820的暴露表面。外壳870具有限定液体冷却剂流道的集合管结构，该冷却剂从进口室860内的入口862通过进入孔864而流向一个或多个冷却剂出口872。
通过另一个示例，做出分析以便示出通过在此提出的微针冷却装置对0.75mm厚和1cm2占用面积的硅基片的冷却。该尺寸模型表示每平方厘米具有2500个针的环形针阵列，其中每一个针高1mm，直径为50或75微米，并且在二维平面上垂直地设置，其间距分别为100微米和200微米。在与图6-8所示类似的流动分布中，冷却剂从带翅片的冷却结构的中心进入并从周围排出。水用作冷却剂，对于整个1cm2的芯片来说，其体积流率为0.25加仑每分钟。针状翅片由铜制成，并且假定该冷却装置包括焊接至硅基片的125微米(厚)的碳化硅散热器底座。结果显示在环境温差为60℃时每个芯片具有310-370W/cm2的极好热性能，并且对于直径分别为50和75微米的两个针来说，具有1.2-1.5psi之间的较低的压力降。
图9描绘了被冷却的电子模块900的另一可选实施例，其包括基板910，该基板在其上表面上可包括接线(未示出)，或者该接线嵌入在上其表面中。电子设备920通过例如焊球连接925电连接至基板910。可包括具有中心开口的板的密封结构930以利于电子设备920的活性部分(以及连接件925和冶金基板表面)与模块内的冷却剂隔离。密封剂935，例如环氧树脂，在密封结构930和电子设备920之间提供了液体密封。外壳970包括进口室外壳940和出口室外壳980。进口室外壳940包括进口室945，该进口室通过至少一个进入口942接收冷却剂，并引导该冷却剂穿过多个设置在孔板950上的孔960到待冷却的表面上。在一个实施例中，孔960包括可提供碰撞射流至待冷却的表面上的喷孔。在与待冷却的表面碰撞后，冷却剂向外流向电子设备的周边，在那里它向上转并通过至少一个出口972从出口室985排出。
在该实施例中，散热器结构990(例如微型结构)通过热界面992连接至电子设备920。该界面可包括硅酮、环氧树脂、焊料等等。散热器结构990包括具有主表面的导热底座，该主表面具有多个从其中延伸出来的、有利于传递来自底座以及来自电子设备920的热量的导热翅片994。
图10是总体以1000标示的冷却或传热装置的一个实施例的部分平面图，该装置包括具有平的主表面1015的导热底座1010，其中多个针状导热翅片1020从该主表面延伸出来。针状导热翅片1020在一个实施方案中可包括铜制针状翅片，这可在与带走热量的冷却剂具有良好热连通的很大表面积上有利地散热。铜的热导率为约400W/m-K。但是，在预期的模块冷却剂流动条件(～0.5gpm，1-3psi)下，这种铜制针状翅片微结构的热优化显示出铜制针的效率，即翅片有效散热的能力在针状翅片的直径在0.025-0.1mm的范围内翅片高度大于1-2mm时显著地降低。分析还表明热性能的进一步提高可通过更密集的针状翅片阵列，通过针状翅片覆盖更大的面积来实现。另外，化学活性冷却剂(例如，由Whitehall，PA的DynaleneHeat Transfer Fluids提供的DynaleneTM液体)可有利地作为液体冷却剂。这些液体可能对铜制微结构具有潜在的危害。因此，根据实施方案，可能需要对如上所述的铜制针状翅片微结构进行改进。
图11用图表示出各种材料的热导率(W/m-K)之间的比较。正如所示，市场上可买得到的化学气相沉积(CVD)金刚石，例如由宾夕法尼亚州Allentown的Diamonex Products所制造的，具有约1300W/m-K的热导率。存在着多种不同的形成CVD金刚石的工艺，例如等离子弧、等离子体放电、热丝以及燃烧合成。这些工艺中的每一种都使用某些形式的能量来将碳氢(CH4等)分解成金刚石(碳)。由Diamonex Products制造的CVD金刚石通过热丝工艺制造，并且具有聚晶体形式。存在着多家这种机器的厂商，他们使用热丝工艺来制造CVD金刚石，例如日本东京的SEKITechnotron公司。
图12是用于改进总体以1200标示的传热装置的CVD金刚石沉积工艺的概念图，该传热装置包括具有主表面1215的导热底座1210，其中多个针状导热翅片1220从该主表面上延伸出来。
正如指出的，用于形成在此所述的复合针状翅片结构的方法是将金刚石沉积在金属例如铜或金上。这可通过使用上文指出的热丝工艺进行的化学气相沉积(CVD)来实现。所有的CVD金刚石沉积工艺包括使用某些形式的能量来分解碳氢例如甲烷(CH4)以便产生碳(C)。在热丝工艺中，热就是这种能量形式。存在着多家这种使用该工艺来制造CVD金刚石的机器的厂商，例如由日本东京的SEKI Technotron公司生产的机器。为了制造在此公开的结构，引线接合针状翅片阵列被置于一腔室内，该腔室内还容纳有热丝，针状翅片阵列被暴露以便沉积通过热丝工艺生产的CVD金刚石(即碳)。通过热丝方法在其上进行CVD金刚石沉积的基板的温度范围为700-1000℃，并且压力范围为10-100托(torr)。通常沉积率在0.3-40微米厚度/小时之间。热丝温度通常在2000-2400℃之间。
图13A是最终得到的传热装置1300的部分平面图，其中每个针状导热翅片1320涂覆有一层CVD金刚石1330，图13B更清楚地示出了这一点。
作为具体示例，针状翅片的直径范围为0.025-0.1mm，并以中心-中心间距范围为0.125-0.2mm放置在导热底座上。针状翅片上的涂层厚度范围为0.025-0.05mm。因此，0.025mm厚的涂层可将直径为0.05mm的针增加为0.1mm。
可以为具有各种传热装置的构型，这里描述的针状翅片布置仅仅是一个示例。例如，可选地使用从导热底座的主表面上延伸出来的板式翅片，其中每个板式翅片如在此描述地被涂覆增强型导热材料。
图14示出针状翅片的高度对针状翅片效率的影响，其中图中所示为仅由铜制成的针状翅片和例如在此公开的铜-金刚石复合针状翅片结构之间的比较。对于该两种材料，针状翅片的外径为0.1mm(～4密耳)。假定铜的热导率为400W/m-K，如在图11中所示的那样，并且铜-金刚石的值为1300W/m-K，同样如图11所示。假定15000W/m2-K的对流系数作用在翅片外表面上，并且这与微处理器模块冷却的预期流动条件相当，即流量约为0.5加仑每分钟(gpm)，压力降为1-3磅每平方英寸(psi)。对于复合针状翅片，原始针的直径为0.05mm(～2密耳)，因此在原始针上涂上0.025mm(～1密耳)厚度的涂层。其结果如图14所示，即铜-金刚石复合针状翅片的效率随翅片高度的降低比仅由铜制成的针状翅片要小。
图15示出随针状翅片高度的增加，纯铜和铜-金刚石复合针状翅片的传热率之间的比较。在上述条件和几何尺寸下，对于2mm高的翅片而言，复合针状翅片的传热率比纯铜翅片高51％。当翅片-底座与环境冷却剂的温差为25℃时，针直径为4密耳(mil)、间距为8.5密耳铜-金刚石复合针状翅片阵列的传热可为300W/cm2。仅由铜制成的针状翅片阵列散热为200W/cm2。
本领域的技术人员将会理解，在此所述的铜-金刚石复合针状翅片结构仅仅作为示例。广泛地说，本发明在一个方面是传热装置，该传热装置包括具有主表面的导热底座，以及多个从该导热底座的主表面上延伸出来的导热翅片。设置该导热翅片以利于传递来自底座的热量。所述多个导热翅片中的至少一些翅片具有复合结构，每一个翅片包括涂覆有第二材料的第一材料，其中第一材料具有第一热导率，第二材料具有第二热导率。在大多数实施方案中，涂层的第二热导率将大于第一材料的热导率。
作为示例，第一材料和第二材料可分别包括下列之一铜和金刚石、金和铜或金和金刚石。可选地，第一材料和第二材料可包括相同的材料，例如铜。有利地是，这种结构可由例如在此所述的涂覆工艺得到，其中铜制针状翅片涂覆有一层铜以增加针状翅片的厚度，即直径，以使其尺寸和密度比当前引线接合技术所允许的尺寸和密度更大。作为示例，当前的技术允许直径为2密耳的金属线通过引线接合在间距为6密耳的阵列上。随后，例如通过1密耳的涂层涂覆该2密耳的引线，由此可在6密耳的阵列上得到4密耳的复合针状翅片。与6密耳间距上的2密耳的金属线相比，这提供了更好的对流传热特性。而且，通过如在此提出的那样来增加几何尺寸，针状翅片的高度可被增加，并且传热装置和在多个针状导热翅片周围流动的液体冷却剂之间的对流性能得到改进。
本领域技术人员可从上面的讨论中注意到，这里提供的是一种传热装置，被冷却的电子模块及其制造方法，它们有利地提供了(i)对于相同高度，相同针直径，和通过传热装置的类似压力降，改进热性能的能力；(ii)在不损失翅片效率的前提下，增加微结构翅片高度以及提高热性能的能力；(iii)对于同样的针直径，将所制造的针状翅片阵列改进至更小间距的能力，并因此获得更高的传热率(仅仅单独地增加密度将增加压力降，但是当与较高的翅片结合时，压力降可设计成具有可比性)；(iv)对酸和碱具有化学抵抗性的金刚石涂层(在某些实施例中)，有利地是，酸性冷却剂由于它们的防冻性质可被用在液体冷却系统中；和(v)选择性地沉积超高热导率CVD膜的能力，以局部地提高微结构的热性能，并因此可处理芯片或设备的热点问题。
尽管这里已对优选实施例做成了描绘和详细说明，但是在不偏离本发明的精神的前提下做出的各种改进、添加、替换等等对于本领域技术人员来说是明显的，并且因此这些改进、添加、替换等应被认为落在本发明的由下面的权利要求所限定的范围内。
权利要求
1.一种传热装置，包括具有主表面的导热底座；多个从所述导热底座的主表面上延伸出来的导热翅片，该多个导热翅片设置成利于传递来自所述导热底座的热量；其中，所述多个导热翅片中的至少一些翅片具有复合结构，每个复合结构包括涂覆有第二材料的第一材料，其中第一材料具有第一热导率，第二材料具有第二热导率。
2.根据权利要求1所述的传热装置，其特征在于，所述第二材料的第二热导率大于所述第一材料的第一热导率。
3.根据权利要求2所述的传热装置，其特征在于，所述第一材料和第二材料分别包括下列之一铜和金刚石、金和铜或者金和金刚石。
4.根据权利要求1所述的传热装置，其特征在于，所述多个导热翅片包括多个针状导热翅片，其中该多个针状导热翅片通过引线接合至所述导热底座的主表面。
5.根据权利要求4所述的传热装置，其特征在于，所述传热装置还包括与所述导热底座的主表面可密封地配合的外壳，该外壳限定一所述多个针状导热翅片在其内延伸的液体冷却剂流道，其中当所述传热装置用于冷却连接至所述导热底座的电子设备时，热量从所述导热底座经由所述多个针状导热翅片部分地传递至液体冷却剂流道内的液体冷却剂。
6.根据权利要求4所述的传热装置，其特征在于，所述第一材料是金属，所述第二材料是沉积的金刚石。
7.一种被冷却的电子模块，包括基板和至少一个与基板附连的发热电子设备；以及连接至所述至少一个发热电子设备以利于冷却该发热电子设备的传热装置，该传热装置包括多个导热翅片，该多个导热翅片从所述至少一个发热电子设备的一个表面或连接至该至少一个发热电子设备的表面的导热底座延伸出来，其中该多个导热翅片设置成利于传递来自该至少一个发热电子设备的热量，并且其中该多个导热翅片中的至少一些翅片具有复合结构，每个复合结构包括涂覆有第二材料的第一材料，其中第一材料具有第一热导率，第二材料具有第二热导率。
8.根据权利要求7所述的被冷却的电子模块，其特征在于，所述多个导热翅片包括多个针状导热翅片，该多个针状导热翅片通过引线接合至所述至少一个发热电子设备的一个表面或连接至所述至少一个发热电子设备的表面的导热底座。
9.根据权利要求8所述的被冷却的电子模块，其特征在于，所述第二材料的第二热导率大于所述第一材料的第一热导率，并且所述第一材料和第二材料分别包括下列之一铜和金刚石、金和铜或者金和金刚石。
10.根据权利要求7所述的被冷却的电子模块，其特征在于，所述被冷却的电子模块还包括可密封地连接至基板的外壳，该外壳限定一所述多个导热翅片在其内延伸的液体冷却剂流道，其中热量从所述至少一个发热电子设备经由所述多个导热翅片传递至液体冷却剂流道内的液体冷却剂，并且其中所述多个导热翅片通过引线接合至所述至少一个发热电子设备的一个表面或连接至所述至少一个发热电子设备的表面的导热底座。
11.一种制造传热装置的方法，包括步骤(i)设置具有主表面的导热底座；(ii)设置多个从所述导热底座的主表面上延伸出来的导热翅片，其中该多个导热翅片设置在所述主表面上以利于传递来自所述导热底座的热量；以及(iii)用导热材料涂覆所述多个导热翅片中的至少一些导热翅片，以增加所述至少一些导热翅片的每个导热翅片的厚度，并因此利于通过所述多个导热翅片传递来自所述导热底座的热量。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述步骤(ii)包括将所述多个导热翅片通过引线接合至所述导热底座的主表面。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述多个导热翅片和涂覆所述至少一些导热翅片的导热材料包括共同的材料。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述共同的材料包括铜。
15.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述步骤(ii)包括设置多个由具有第一热导率的第一材料制成的导热翅片，并且其中所述涂覆步骤包括在所述多个导热翅片中的至少一些导热翅片上沉积具有第二热导率的第二材料。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述第二材料包括金刚石。
17.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述第二材料的第二热导率大于所述第一材料的第一热导率。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述第一材料和第二材料分别包括下列之一铜和金刚石、金和铜或者金和金刚石。
19.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述多个导热翅片包括多个针状导热翅片，并且其中所述步骤(ii)包括将所述多个针状导热翅片通过引线接合至所述导热底座的主表面，并且其中所述引线接合包括，对于每个针状导热翅片，形成与所述导热底座热融合在一起的、离散的环形针状翅片，并且其中所述多个针状导热翅片中的至少一些针状导热翅片以小于300微米的间距在所述导热底座的主表面上以平面阵列的方式设置。
20.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述多个导热翅片包括多个位于所述至少一个发热电子设备的一个表面上或位于连接至所述至少一个发热电子设备的表面的导热底座上的、直径范围为0.025-0.1mm、中心-中心间距范围为0.125-0.2mm的针状导热翅片，并且其中所述步骤(iii)包括用导热材料涂覆所述多个针状导热翅片中的至少一些针状翅片，并且涂层的厚度范围为0.025-0.05mm。
全文摘要
本发明提供了一种用于利于传递来自发热电子设备的热量的传热装置及其制造方法。该传热装置包括具有主表面的导热底座，和多个从该主表面延伸出来的导热翅片。该导热翅片设置成利于传递来自导热底座的热量，该导热底座可以是电子设备的一部分或连接至该电子设备的单独结构。至少一些导热翅片具有复合结构，每个复合结构包括涂覆有第二材料的第一材料，其中第一材料具有第一热导率，第二材料具有第二热导率。在一个实施方案中，导热翅片是通过引线接合的针状翅片，每个翅片是单独通过引线接合至主表面并以小于300微米的间距排列的离散的环形针状翅片。
文档编号G12B15/06GK1976573SQ20061014658
公开日2007年6月6日 申请日期2006年11月15日 优先权日2005年11月30日
发明者M·K·延格尔, R·E·西蒙斯, R·C·楚, M·J·小埃尔斯沃思, L·A·坎贝尔, R·R·施密特 申请人:国际商业机器公司