CN101557697A - 应用相变化金属热界面箔片的散热模组及散热系统 - Google Patents

Abstract

一种应用相变化金属热界面箔片的散热模组及散热系统。所述散热模组和散热系统可使一电子元件运作时所产生的热，能快速传导至外界环境。此散热模组包括一散热器及一相变化金属热界面箔片(phase change metal thermalinterface material，TIM)。散热器设置于电子元件上方，且散热器的底面至少具有一沟槽。相变化金属热界面箔片设置于电子元件与散热器的底面之间，作为电子元件与散热器间的热界面材料。其中，相变化金属热界面箔片受热熔融时，部分热熔液可流至沟槽内，以避免多余的热熔液溢漏出热界面。

Description

应用相变化金属热界面箔片的散热模组及散热系统

技术领域

本发明是关于一种散热模组及散热系统，特别是关于一种应用相变化金属热界面箔片作为热界面材料的散热模组及散热系统。

背景技术

构装微电子元件，例如高亮度发光二极管和中央处理器等，因为发展朝向高功率、高速化、和/或小型化等趋势，微电子元件产生的高热流量必须移除，使其接面温度维持在其安全操作温度之下。微电子元件的接面温度一旦超过安全操作温度时，将劣化微电子元件的性能，或者损坏微电子元件，严重地影响电子元件的使用寿命及可靠度。

伴随着微电子及电子元件的散热需求，刺激了散热元件、材料等电子散热产品的多样化与技术创新。电子散热产品主要有散热装置，例如冷板、散热器及风扇等，以及热界面材料(Thermal Interface Materials，TIM)两种类别。

在中国台湾专利申请号96133111的专利中揭露了一种应用低熔点合金箔片作为热界面材料的散热模组。此散热模组可使一电子元件运作时所产生的热，能快速传导至外界环境，主要有两种实施例，概略介绍如下：

请参照图1A，其为此散热模组的第一种实施例的示意图。散热模组10包括一散热器11及一低熔点合金箔片14。如图所示，散热器11设置于电子元件12上方，低熔点合金箔片14设置于电子元件12与散热器11之间，且作为电子元件12与散热器11间的热界面材料。另外，电子元件12设置于一电路板13上，且彼此电路相连接。

详细地说，低熔点合金箔片14的两侧面分别接触于散热器11的底面以及电子元件12的上表面。请参照图1B，其为此实施例的低熔点合金箔片14示意图。在此散热模组10中，为了有效地防止低熔点合金箔片14的热熔液流动而泄漏至电路板13上，散热模组10的低熔点合金箔片14的厚度不大于0.04mm。

请参照图2A，其为上述专利的散热模组的第二实施例的剖面示意图。如图所示，本实施例的散热模组20，亦可使一电子元件22运作时所产生的热，能快速传导至外界环境，散热模组20包括一散热器21、一低熔点合金箔片24及一环形体25。

其中，低熔点合金箔片24的厚度不大于0.04mm。环形体25的作用主要有维持界面接合厚度、延缓低熔点合金箔片24热熔氧化的速率，使低熔点合金箔片24的散热效能不致因过度氧化而劣化，此外，也可用来强化低熔点合金箔片24热熔液相的阻漏。

请同时参照图2B，其为本实施例的低熔点合金箔片24与环形体25的设置型态。本实施例与前述实施例的差异在于，环形体25设置于电子元件22与散热器21之间，且环绕于低熔点合金箔片24的周缘。其中，环形体25可与低熔点合金箔片24的周缘接触，或者亦可与低熔点合金箔片24的周缘具有些微空隙。借由环形体25的设计可使低熔点合金箔片24受热熔融液化时，热熔液相更不易自电子元件22与散热器21之间泄漏出去。

为了使公知技术的阻漏效果更加完善，并达到一定的散热效果，发明人提出了一种更佳的散热模组。

发明内容

本发明的一个目的在于，避免相变化金属热界面箔片受热液化后的热熔液溢漏出热界面的情形。

本发明的另一目的在于，在散热器底面制作适当数目、宽度及深浅的沟槽，使得相变化金属热界面箔片受热熔融时，多余的热熔液可流至沟槽内，以避免热熔液溢漏出热界面，同时保有极佳的散热效果。

为达上述目的，本发明提供一种应用相变化金属热界面箔片的散热模组，可使一电子元件运作时所产生的热，能快速传导至外界环境。此应用相变化金属热界面箔片的散热模组包括一散热器及一相变化金属热界面箔片(phase-change metal thermal interface material，TIM)。

散热器设置于电子元件上方，且散热器的底面至少具有一沟槽。相变化金属热界面箔片设置于电子元件与散热器的底面之间，作为电子元件与散热器间的热界面材料。其中，相变化金属热界面箔片受热熔融时，部分热熔液可流至沟槽内，以避免多余的热熔液溢漏出热界面，甚至泄漏至电子元件外的情形。

本发明还提供一种散热系统，该散热系统包括一芯片单元及一散热模组。

芯片单元包括一基板、一芯片及一导热均温板(Integrated Heat Spreader，IHS)。芯片是叠置于基板上。导热均温板则设置于芯片的上表面上，用以均匀传导芯片运作时所发出的热，且导热均温板的上表面至少具有一沟槽。

散热模组设置于导热均温板上方，可使芯片单元的热，能快速地传导至外界环境。散热模组包括一散热器及一相变化金属热界面箔片(phase-change metalthermal interface material，TIM)。

其中，相变化金属热界面箔片设置于导热均温板的上表面与散热器的底面之间，作为芯片单元与散热器间的热界面材料。当相变化金属热界面箔片受热熔融时，部分热熔液可流至沟槽内，以避免多余的热熔液溢漏出热界面。

综上所述，本发明的散热模组或散热系统具有下列优点：

一、在本发明的应用上，可针对不同厚度的相变化金属热界面箔片，在散热器底面或导热均温板的上表面设计不同数目、宽度及深浅的沟槽。当相变化金属热界面箔片受热熔融时，多余的热熔液可流至沟槽内，以避免热熔液溢漏出热界面。借此，散热模组或散热系统不但具有极佳的散热效果，更能避免相变化金属热界面箔片的液相溢漏的问题。

二、借由逃气沟槽，可有效帮助相变化金属热界面箔片熔融后的热熔液中的气体逸散。

三、在公知技术中，为了将低熔点合金箔片做到一定的薄度(0.04mm以下)，必须经过多道制程，制程难度较高，制造成本也高。

另外，在具有环形体的公知技术中，此公知技术需要额外支出环形体的材料成本及制造成本，且低熔点合金箔片与环形体两者厚度的调整必须精确且一致，制作难度较高。再者，环形体的设置容易造成低熔点合金箔片熔融后的热熔液中的气体无法顺利逸散。

相较于公知技术，本发明的散热模组或散热系统仅需以简单的机械制程即可制造出具有沟槽的散热器或导热均温板，且只要调整沟槽的数目、宽度及深浅，即可使用厚度较大的相变化金属热界面箔片(或低熔点合金箔片)，整体制程简单且成本低。另外，再加上逃气沟槽的设计，可使得热界面间的气体具有顺利逸散的管道。

附图说明

借由以下详细的描述结合所附图示，将可轻易的了解上述内容及此项发明的诸多优点，其中：

图1A为公知散热模组的一实施例的示意图；

图1B为公知散热模组的低熔点合金箔片示意图；

图2A为公知散热模组的另一实施例的剖面示意图；

图2B为公知散热模组中低熔点合金箔片与环形体的设置型态的示意图；

图3A为本发明散热模组的示意图；

图3B为本发明散热模组中，散热器底面的示意图；

图4A及图4B分别为本发明散热器底面的不同实施例；

图5A为本发明散热系统的示意图；

图5B为本发明散热系统中，导热均温板的上表面示意图；以及

图6A及图6B分别为本发明导热均温板的上表面的不同实施例。

主要元件标号说明

10、20、30、散热模组    11、21、31、41、散热器

12、22、32、电子元件        13、23、33、电路板

14、24、低熔点合金箔片      311、散热器的底面

312、4223、环状沟槽         313、4224、逃气沟槽

314、4225、外围环状沟槽     34、44、相变化金属热界面箔片

40、散热系统                42、芯片单元

421、芯片                   422、导热均温板

4221、导热均温板的上表面    4222、导热均温板的下表面

423、基板                   424、接脚

具体实施方式

请同时参照图3A及图3B，其分别为本发明散热模组的示意图及散热器底面的示意图。本发明的散热模组30，可使一电子元件32运作时所产生的热，能快速传导至外界环境。此散热模组30包括一散热器31及一相变化金属热界面箔片34(phase-change metal thermal interface material，TIM)。

散热器31设置于电子元件32上方，且散热器31的底面311至少具有一沟槽312。相变化金属热界面箔片34设置于电子元件32与散热器31的底面311之间，作为电子元件32与散热器31间的热界面材料。相变化金属热界面箔片34的两侧面分别接触于散热器31的底面311以及电子元件32的上表面，以直接将电子元件32所发出的热传导至散热器31，然后再传导至外界环境。另外，电子元件32设置于一电路板33上，且彼此电路相连接。

当电子元件32运作而发热，相变化金属热界面箔片34受热熔融时，部分热熔液可流至沟槽312内，以避免多余的热熔液溢漏出热界面，甚至泄漏至电子元件外，而造成电子元件失效等情形。也就是说，散热器31底面的沟槽312，可用来容纳多余的热熔液。

本发明所述的相变化金属热界面箔片34可为任何具有热传导性的热界面金属材料。在一较佳实施例中，相变化金属热界面箔片34可为一种低熔点合金箔片34。低熔点合金箔片34的组成由必要的铟(In)以及铋(Bi)、锡(Sn)、和锌(Zn)等元素的部分或全部组合而成。亦即，其主要组成元素可为In-Bi-Sn、In-Bi-Sn-Zn或In-B。此外，前述主要组成合金更可包括至少一种非毒害环境元素，例如银、铜、钛、锗、铝、铈、镧或硅等元素。并且，低熔点合金箔片34可依上述组成元素的不同而有55℃至85℃不等熔点变化。

在电子元件32运作的过程中，电子元件32有时会产生较高的热而使得相变化金属热界面箔片34受热熔融。一般来说，相变化金属热界面箔片34的熔点约在电子元件32的工作温度附近。也就是说，使用上依照不同电子元件32的工作温度来选用不同熔点的相变化金属热界面箔片34。借此，当电子元件32产生较高的工作温度时，相变化金属热界面箔片34便会受热而熔融。

值得注意的是，上述的沟槽可为各种不同的凹槽型态，只要是任何可使上述相变化金属热界面箔片34的多余热熔液流入的沟槽图样，皆属本发明所涵盖。另外，在沟槽的制作方法或具有沟槽的散热器的制造方法部分，可利用CNC加工、放电加工、激光雕刻(雷雕)、冲压或压铸等方法来制作。

而在一较佳实施例中，形成于散热器31的底面311的沟槽为一环状沟槽312，如图3B所示。当相变化金属热界面箔片34受热熔融时，部分热熔液可于环状沟槽312内均匀流动，使得热界面材料的分布更为平均。

当散热器31的底面311具有环状沟槽312时，相变化金属热界面箔片34的厚度便不须像公知技术般做得那么薄(愈薄，加工难度愈高)，因此可降低制程难度及制造成本。

而且，在本发明中可针对不同厚度的相变化金属热界面箔片34，在散热器31底面311设计不同数目、宽度及深浅的沟槽312。当相变化金属热界面箔片34受热熔融时，多余的热熔液可流至沟槽312内，以避免热熔液溢漏出热界面。

例如，在一实施例中，相变化金属热界面箔片34的厚度若为0.03mm～0.05mm时，所配合的环状沟槽312的宽度约0.5mm，深度约0.4mm，即可有效避免合金热界面箔片34受热液化后的液滴泄漏。

请参照图4A及图4B，其分别为本发明散热器底面的不同实施例，且两图中显示了环状沟槽与相变化金属热界面箔片34的相关重叠位置。

如图4A所示，环状沟槽312所围绕的区域小于相变化金属热界面箔片34的面积，当相变化金属热界面箔片34受热熔融时，部分热熔液可流至环状沟槽312内，以避免热熔液向外泄漏的情形。此外，散热器底面311更包括至少一条与环状沟槽312交错的逃气沟槽313，借着逃气沟槽313，相变化金属热界面箔片34熔融液化后所形成的气泡可经由逃气沟槽313逸出。

如图4B所示，散热器的底面311除了上述的环状沟槽312外，更包括一外围环状沟槽314，此外围环状沟槽314所围绕的区域大于相变化金属热界面箔片34的面积，借此外围环状沟槽314可作第二层的阻漏防护。如图所示，散热器31的底面311更包括多数条呈放射状排列的逃气沟槽313，每一条逃气沟槽313皆同时与环状沟槽312及外围环状沟槽314相交错。故，本实施例可以有效地避免热熔液泄漏，且具有逃气效果。

值得注意的是，本发明的技术特征应用于电子元件的散热模组，除了可应用于诸如计算机、游戏机等中央处理器和绘图处理器等微电子元件的散热模组外，更可以应用到任何具有发热元件的散热模组。也就是说，上述各实施例中的电子元件可以是构装微电子元件，或者任何一种发热元件，例如：用来设置LED灯的金属芯基板(Metal Core PCB，MCPCB)。

另外，当本发明特征应用于具有导热均温板(Integrated Heat Spreader，IHS)的芯片单元时，则可将前述的沟槽特征改设置于芯片单元的导热均温板上。详细实施例叙述如下：

请同时参照图5A及图5B，其分别为本实施例散热系统的示意图及导热均温板的上表面示意图。散热系统40包括一芯片单元42及一散热模组41。

芯片单元42至少包括一基板423、一芯片421及一导热均温板422。芯片421是叠置于基板423上。导热均温板422具有一上表面4221及一下表面4222，导热均温板422则设置于芯片421的上表面上，即导热均温板422的下表面4222贴合于芯片421的上表面，用以均匀传导芯片421运作时所发出的热。而导热均温板422的上表面4221则至少具有一沟槽4223。

在一较佳实施例中，芯片单元42为一中央处理单元(CPU)，具有多数个接脚424设置于基板423的下表面，以插接至一主机板，且借由一封装结构将芯片421封装于基板423与导热均温板422之间。而导热均温板422则可由导热性佳的金属或其它材质制作。

散热模组40设置于导热均温板422上方，可使芯片单元42的热，能快速地传导至外界环境。散热模组40包括一散热器41及一相变化金属热界面箔片44。

相变化金属热界面箔片44设置于导热均温板422的上表面4221与散热器41的底面之间，作为芯片单元42与散热器41间的热界面材料。详细地说，相变化金属热界面箔片44的两侧面分别接触于散热器41的底面以及导热均温板422的上表面4221，故芯片421所发出的热是透过导热均温板422及相变化金属热界面箔片44传导至散热器41后，再传导至外界环境。

当芯片单元42运作而发热，相变化金属热界面箔片44受热熔融时，部分热熔液可流至沟槽4223内，以避免多余的热熔液溢漏出热界面。其中，本实施例的相变化金属热界面箔片44与前述实施例的相变化金属热界面箔片34具有相同的材质特性，便不再赘述。

值得注意的是，上述的沟槽可为各种不同的凹槽型态，只要是任何可使上述相变化金属热界面箔片44的多余热熔液流入的沟槽图样，皆属本发明所涵盖。另外，在沟槽的制作方法或具有沟槽的导热均温板422的制造方法部分，可利用CNC加工、放电加工、激光雕刻(雷雕)、冲压或压铸等方法来制作。

在一较佳实施例中，形成于导热均温板422的上表面4221的沟槽4223为一环状沟槽4223，如图5B所示。当相变化金属热界面箔片44受热熔融时，部分热熔液可于环状沟槽4223内均匀流动，使得热界面材料的分布更为平均。

当导热均温板422的上表面4221具有环状沟槽4223时，相变化金属热界面箔片44的厚度便不须像公知技术般做得那么薄(愈薄，加工难度愈高)，因此可降低制程难度及制造成本。

而且，在本发明中可针对不同厚度的相变化金属热界面箔片44，在导热均温板422的上表面4221设置不同数目、宽度及深浅的沟槽。当相变化金属热界面箔片44受热熔融时，多余的热熔液可流至沟槽内，以避免热熔液溢漏出热界面。

请参照图6A及图6B，其分别为本发明导热均温板上表面的不同实施例，且两图中显示了环状沟槽与相变化金属热界面箔片44的相关重叠位置。

如图6A所示，环状沟槽4223所围绕的区域小于相变化金属热界面箔片44的面积，当相变化金属热界面箔片44受热熔融时，部分热熔液可流至环状沟槽4223内，以避免热熔液向外泄漏的情形。此外，导热均温板上表面4221更包括至少一条与环状沟槽4223交错的逃气沟槽4224，借着逃气沟槽4224，相变化金属热界面箔片44熔融液化后所形成的气泡可经由逃气沟槽4224逸出。

如图6B所示，导热均温板422的上表面4221除了上述的环状沟槽4223外，更包括一外围环状沟槽4225，此外围环状沟槽4225所围绕的区域大于相变化金属热界面箔片44的面积，借此外围环状沟槽4225可作第二层的阻漏防护。如图所示，导热均温板422的上表面4221更包括多数条呈放射状排列的逃气沟槽4224，每一条逃气沟槽4224皆同时与环状沟槽4223及外围环状沟槽4225相交错。故，本实施例可以有效地避免热熔液泄漏，且具有逃气效果。

本发明虽以较佳实例阐明如上，然其并非用上述实施例来限定本发明的构思。对本领域的普通技术人员，当可轻易了解并利用其它元件或方式来产生相同的功效。因此，在不脱离本发明的构思与范围内所作的修改，均应包含在本申请专利的保护范围内。

Claims (15)

1.一种应用相变化金属热界面箔片的散热模组，能够使一电子元件运作时所产生的热，能快速传导至外界环境，其特征在于，该散热模组包括：

一散热器，设置于该电子元件上方，且该散热器的底面至少具有一沟槽；以及

一相变化金属热界面箔片，设置于该电子元件与该散热器的底面之间，作为该电子元件与该散热器间的热界面材料，其中该相变化金属热界面箔片受热熔融时，部分热熔液可流至该沟槽内，以避免多余的热熔液溢漏出热界面。

2.如权利要求1所述的应用相变化金属热界面箔片的散热模组，其特征在于，该相变化金属热界面箔片为一低熔点合金箔片。

3.如权利要求1所述的应用相变化金属热界面箔片的散热模组，其特征在于，该沟槽包括一环状沟槽。

4.如权利要求3所述的应用相变化金属热界面箔片的散热模组，其特征在于，该散热器的底面更包括至少一条与该环状沟槽交错的逃气沟槽。

5.如权利要求3所述的应用相变化金属热界面箔片的散热模组，其特征在于，该环状沟槽所围绕的区域小于该相变化金属热界面箔片的面积。

6.如权利要求5所述的应用相变化金属热界面箔片的散热模组，其特征在于，该散热器的底面更包括一外围环状沟槽，该外围环状沟槽所围绕的区域大于该相变化金属热界面箔片的面积。

7.如权利要求6所述的应用相变化金属热界面箔片的散热模组，其特征在于，该散热器的底面更包括多数条呈放射状排列的逃气沟槽，每一该逃气沟槽皆同时与该环状沟槽及该外围环状沟槽相交错。

8.一种散热系统，包括：一芯片单元及一散热模组，其中，

该芯片单元包括：

一基板，

一芯片，叠置于该基板上，以及

一导热均温板，设置于该芯片的上表面上，用以均匀传导该芯片运作时所发出的热，且该导热均温板的上表面至少具有一沟槽；以及

该散热模组设置于该导热均温板上方，可使该芯片单元的热，能快速传导至外界环境，该散热模组包括：

一散热器，以及

一相变化金属热界面箔片，设置于该导热均温板的上表面与该散热器的底面之间，作为该芯片单元与该散热器间的热界面材料，

其中该相变化金属热界面箔片受热熔融时，部分热熔液可流至该沟槽内，以避免多余的热熔液溢漏出热界面。

9.如权利要求8所述的散热系统，其特征在于，该相变化金属热界面箔片为一低熔点合金箔片。

10.如权利要求8所述的散热系统，其特征在于，该芯片单元为一中央处理单元。

11.如权利要求8所述的散热系统，其特征在于，该沟槽包括一环状沟槽。

12.如权利要求11所述的散热系统，其特征在于，该导热均温板的上表面更包括至少一条与该环状沟槽交错的逃气沟槽。

13.如权利要求11所述的散热系统，其特征在于，该环状沟槽所围绕的区域小于该相变化金属热界面箔片的面积。

14.如权利要求13所述的散热系统，其特征在于，该导热均温板的上表面更包括一外围环状沟槽，该外围环状沟槽所围绕的区域大于该相变化金属热界面箔片的面积。

15.如权利要求14所述的散热系统，其特征在于，该导热均温板的上表面更包括多数条呈放射状排列的逃气沟槽，每一该逃气沟槽皆同时与该环状沟槽及该外围环状沟槽相交错。

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