CN101217133B - 传热装置和方法 - Google Patents

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Abstract

用于把热量从热源传到导热体的传热装置及方法，包括可作为所述热源和所述导热体之间的柔性界面进行操作的流体薄膜。热源包括一个微电子装置。

Description

传热装置和方法
技术领域
本发明总的涉及冷却电子元件的方法及装置，更具体地，涉及使用柔性流体薄膜界面传热的方法及装置。
背景技术
现在的冷却装置成形为通过膏状的热界面材料(TIM)与计算机芯片接触。TIM一般具有差的导热性。
因此，需要使TIM的厚度最小化以保持热阻尽可能低。但是，在芯片表面和冷却装置间需要一个有限的(例如100μm)的机械间隙，以吸收在系统工作周期中碰到的热膨胀和收缩。微处理器的冷却装置可重到＞0.5kg，且典型地不能直接与芯片连接，因为机械应力会不利地使芯片张紧和开裂。
因此，要求发明一种不要求大的间隙或在工艺中不使芯片张紧的、可从硅芯片移走热量的冷却装置。
发明内容
鉴于传统方法和结构的上述和其它典型的问题、缺点和缺陷，本发明的一个典型的特点是提供一种方法和结构，其中流体薄膜提供了一个柔性界面。
按照本发明的第一方面，把热量从热源传到导热体的传热装置包括：可作为所述热源与所述导热体之间的柔性界面进行操作的流体薄膜，所述的热源包括一个微电子装置。
按照本发明的第二方面，把热量从热源传到导热体的传热方法包括：提供可作为所述热源与所述导热体之间的柔性界面进行操作的流体薄膜，所述的热源包括一个微电子装置。
按照本发明的第三方面，传热装置包括：在一个热源和一个导热体之间提供柔性界面的一个流体薄膜，所述流体调节和控制所述热源和所述导热体之间的一个间隙。
使用流体薄膜作为中间层把动力(运动的)散热片与固定的热源连接起来已经被公开(例如Zairazbhoy等申请的发明名称为“冷却高功率电子设备的介电热叠层”的美国专利申请No.2005/0083655A1)。流体薄膜提供了用于通过一个薄金属分离器使被传导的热通量对流传热的介质。流体薄膜的存在使其幸运地被考虑作为一个柔性的中间界面。由于有力的流体薄膜的循环以及对此提供的容积，流体薄膜厚度的微米级(例如10μm)的变化不会引起散热能力的变化。
因此，通过设计沿着其周边为柔性的把流体薄膜与热源隔开的金属分离器，提供了用于热膨胀错配需要的空间。柔性的存在还允许减小间隙TIM及消除膏的损耗(或泵送)问题。
附图说明
从下面借助附图对本发明典型实施例说明可更好地理解上述和其它典型的目的、特点和优点，附图中：
图1(a)-1(b)分别示出一传统的散热片和一动力散热片(KHS)；
图2示出有固定轴的、传统的KHS；
图3示出有运动轴的、传统的KHS；
图4(a)-4(c)示出按照本发明一个典型实施例的、在传统KHS上的柔性界面；
图5(a)-5(c)示出被水平肋502A支承的有转动轴的柔性界面；
图6示出图5(a)-5(c)结构的分解图；
图7是图5(a)-5(c)结构的全等轴图；
图8(a)-8(b)示出流体薄膜的同心环形成的增加的传热表面；和
图9示出加压翼片。
具体实施方式
下面参照附图，更具体地参照图1(a)-9详细说明本发明方法和结构的典型实施例。
典型的实施例
图1(a)示出包括一个固定的散热片101的普通结构100。热界面材料(TIM)102提供从一个模块组件到另一个模块组件的热传导，同时吸收在两个组件之间间隙中的热引起的变化。一个刚性的均热器103设在一个TIM102和另一个TIM104之间。TIM104施加到裸片(芯片)105的顶表面。均热器103的“腿”装在陶瓷基底106上。附图标记107示出均热器103的下表面和陶瓷基底106的顶表面之间的刚性间隔。
图1(b)示出包括新型的动力散热片(KHS)的结构150，其中刚性的均热器153的一侧支承一个流体薄膜158并提供从芯片155通过TIM154到均热器153本身的传热通道。也示出了一个刚性的金属界面159(由均热器153的下面形成)。
附图标记157示出在均热器153的下表面和陶瓷基底106顶表面之间的一个刚性间隔。金属叶片160通过转轴161装在均热器的上方。流体薄膜位于转轴161和形成在均热器153中的空腔之间。因此动力散热片设有流体动力轴承。
但是，该传统系统并没有设想使用流体薄膜158作为解决热引起“间隙”变化问题的优点。实际上，在图1(b)的结构中，TIM可以不夹在两个所示的平行表面之间，并由此导热通道不是直接到均热器153。另外，TIM154可随着芯片(被自己的重量等)膨胀而流出(逸出)，以及均热器会不希望地来回移动，TIM会从间隙挤出，因此使导热通路降级并产生气穴等。
图2和3示出对应图1(b)的传统系统中的变化。
图2的结构200示出带固定中心轴200a(及固定轴承等)的动力散热片，并且风扇叶片转动。更具体地，结构200包括动力散热片(KHS)，动力散热片包括电动机201、热通路202、风扇叶片203、流体薄膜204、芯片205、支承垫片206和隔开流体薄膜204的刚性金属界面207。
附图标记208表示在界面207的下表面和陶瓷基底209的顶表面之间的刚性间隔。
图3的结构300示出有转动中心轴300a的动力散热片。更具体地，结构300包括动力散热片(KHS)，动力散热片包括电动机301、热通路302、风扇叶片303、流体薄膜304、芯片305、支承垫片306和分离开流体的刚性金属界面307。
附图标记308示出在界面107的下表面和陶瓷基底309的顶表面之间的刚性间隔。
在各个结构中，支承转动叶片的方法是不同的。在图2中，使用了一个固定轴200a。来自一热源(芯片)的热通量通过一个TIM210传导到固定轴200a。轴的直径最优化，使得在提供支承转动元件的装置时得到最大的导热表面积。注意与TIM210接触的、轴的基底有一个刚性的界面，因而有一个刚性的间隔208。
在图3中，使用一个转动轴300a。金属界面307也视为一个刚性元件。
现在转到图4a-4c，说明本发明的一个典型实施例。
图4a示出显示含有流体薄膜404的柔性界面的原理的结构400，其中金属叶片401由转动轴402转动。转动轴402的结构很容易适用于说明本发明。如图4a所示的一个分离器或界面板403通过一个柔性连接420(可以是一个粘弹性连接420A或弯曲连接420B，如图4b和4c所示)制成沿着KHS的转动轴线为柔性的。注意两种连接可一起使用。
由于轴402的转动，流体薄膜404循环使热通量对流传热。包含在轴面A和分离器表面B之间的薄膜的厚度被制成柔性的，每当要求分离器403位移时允许流体流进和流出柔性储存器406。因此，提供了柔性的储存容积。含在KHS中的流体使用现场证实的系统密封，如使用流体密封405的迷宫式密封等。
注意穿过轴承402a的轴402当其直径制成尽可能大时热可最佳化。
由于分离器403是柔性的，不再需要用于TIM407的传统使用的大间隙(约100μm)。仅需要一个保证的最小间隙来汇合热源的两个不完美的表面和分离器的外表面。用例如称作固定间隙垫片(FGS)408的一个三点垫片可保持最小间隙恒定。
三点设计便于芯片表面上的平面接触。当热膨胀和收缩循环发生时，固定间隙垫片408与柔性界面403相互作用同时维持一个固定间隙。因而，传统的热膏损耗如果没有完全消除，也被减小。
三点FGS可修改以达到其它功能。例如，它可以是矩形凸脊，通过密封芯片409的边缘(其也可以是矩形的几何尺寸)它将包含TIM407。
由于柔性界面403不限制热导致的相对运动，它可不考虑任何应力关系而永久地连接到芯片表面。
本发明以前不使用的许多连接技术现在也被考虑。两个候选的方案是使用热环氧树脂或共晶焊料。分离器403可由硅本身制成，因而去除了面内的热错配。另一方面，任何可与超薄截面相容的金属可考虑用于减少由于热错配产生的面内应力。
作为进一步示出，示出了一个支承垫片410。还示出了设在陶瓷基底412的上表面和柔性连接420的下表面之间的一个可变间隙表面411的特征。
图5(a)-5(c)示出了装配好的KHS500的剖开的等轴图。在该实施例中，叶片501安装在转轴502上，转轴502的顶部由多个肋502A支承着。该典型的实施例允许转动翅片组件510有大的轮式基底。图5a还示出了转动翅片组件510。一个柔性连接520(也在图5b、5c中示出)示出作为一个粘弹性连接520A或一个弯曲连接520B。如所示，金属叶片501由转动轴502转动。如图5a所示，一个柔性连接520(可是图5b和5c所示的粘弹性连接520A或弯曲连接520B)使分离器或界面板503沿着KHS的转动轴线制成为柔性。
如示出芯片505及固定的空气挡板540那样，也示出用于产生力矩的磁铁530。
图6是图5(a)-5(c)实施例的分解图。如图所示，图6的上部示出挡板组件540，中部示出风扇叶片501和翅片组件510，而图6的下部示出柔性界面板503和基底组件550。
图7是图5(a)-5(c)的实施例的装配好的等轴图，示出风扇叶片501、用于中央轴支承的肋502A、空气挡板540、以及翅片组件510和基底组件550。
图8(a)示出带有增加的传热表面积的动力均热器(KHS)800。也就是，图8(a)示出例如通过流体通道的多个同心圆环可提高旋转部件和固定分离器之间的表面积的方法。
在图8a中，示出热源(芯片)805及用于散热的翅片组件810。柔性连接820设在芯片805的上方。用作流体薄膜的油界面830与基底组件850及增加传热面积的同心圆环860一起被示出。图8(b)示出同心圆环860的剖面图。
通过环结构860的流体流与“泵”装置成整体。
某些类别的TIM材料在装配过程可要求相当大的压力以帮助把高粘度的膏散开在表面之间。为了施加该压力，分离器板可修改成图9中结构900所示的结构。
也就是说，从分离器(无附图标记)延伸出两个或更多的翼片910，通过分离器施加正常的压力而不使该板的柔性周边变形。还示出TIM901、中心轴902和印刷电路板903。
因此，本发明提供了流体薄膜作为连接动力(运动的)散热片的中间层并使用沿着其周边具有柔性的用于隔开流体薄膜与热源的金属分离器，由此提供用于热膨胀错配的必要的空间。另外，本发明已认识到柔性还允许最小间隙的TIM以及消除膏损耗(或泵送)问题。
虽然就一些典型实施例对本发明进行了说明，本领域技术人员明白在所附的权利要求书的精神和范围内可进行改型来实施本发明。
另外，注意本申请人意在包括所有要求保护元件的等同物，甚至在以后案件进行中的修改。

Claims (17)

1.一种把热量从热源传到导热体的传热装置，所述传热装置包括：
可作为所述热源与所述导热体之间的柔性界面进行操作的流体薄膜，所述热源包括一个微电子装置，其中，所述流体薄膜循环使热通量对流传热；
热界面材料；和
保持用于所述热界面材料的恒定间隙体积的一个三点分离器。
2.按照权利要求1的传热装置，其特征在于还包括允许与柔性界面的柔性运动关联的体积变化的流体储存室。
3.按照权利要求1的传热装置，其特征在于还包括：
包含热界面材料同时保持一个恒定间隙的、用于固定间隙垫片的矩形凸脊。
4.按照权利要求1的传热装置，其特征在于还包括：
利用热环氧树脂和焊剂界面之一直接连接到热源的柔性分离器。
5.按照权利要求1的传热装置，其特征在于还包括：
用于增加传热表面的多个同心环。
6.按照权利要求4的传热装置，其特征在于还包括：
热界面材料；和
用于在用所述热界面材料装配时把压力加在分离器上的装置。
7.按照权利要求4的传热装置，其特征在于包括：
所述柔性分离器包括一个粘弹性连接。
8.按照权利要求4的传热装置，其特征在于还包括：
所述柔性分离器包括一个弯曲连接。
9.一种把热量从热源传到导热体的传热方法，所述的方法包括：
提供可作为所述热源与所述导热体之间的柔性界面进行操作的流体薄膜，所述热源包括一个微电子装置，其中，所述流体薄膜循环使热通量对流传热；
提供一个热界面材料；和
通过一个三点分离器保持用于所述热界面材料的恒定间隙体积。
10.按照权利要求9的传热方法，其特征在于还包括：
提供允许与柔性界面的柔性运动关联的体积变化的流体储存室。
11.按照权利要求10的传热方法，其特征在于还包括：
利用用于固定间隙垫片的矩形凸脊容纳热界面材料同时保持一个恒定间隙。
12.按照权利要求9的传热方法，其特征在于还包括：
利用热环氧树脂和焊剂界面之一直接把一个柔性分离器连接到一个热源。
13.按照权利要求9的传热方法，其特征在于还包括：
用多个同心环增加传热表面。
14.按照权利要求13的传热方法，其特征在于还包括：
提供热界面材料；和
在用所述热界面材料装配时把压力加在分离器上。
15.一种传热装置，包括：
在一个热源和一个导热体之间提供柔性界面的一个流体薄膜，所述流体调节和控制所述热源和所述导热体之间的一个间隙，其中，所述流体薄膜循环使热通量对流传热；
热界面材料；和
保持用于所述热界面材料的恒定间隙体积的一个三点分离器。
16.按照权利要求15的传热装置，其特征在于还包括允许与柔性界面的柔性运动相关的体积变化的流体储存室。
17.按照权利要求15的传热装置，其特征在于还包括：
利用热环氧树脂和焊剂界面之一直接连接到热源的柔性分离器。
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