CN101996963A

CN101996963A - 具有周期性图案化的基板结构的热沉及其方法

Info

Publication number: CN101996963A
Application number: CN2010102490562A
Authority: CN
Inventors: 布鲁斯·R·阿香博; 埃里克·N·奇坎多; 萨缪尔·R·康纳; 约翰·S·玛斯
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: Lenovo International Ltd
Priority date: 2009-08-06
Filing date: 2010-08-06
Publication date: 2011-03-30
Anticipated expiration: 2030-08-06
Also published as: JP2011040742A; KR20110014956A; JP5765897B2; JP5914717B2; CN101996963B; TWI440425B; US7848108B1; JP2015135979A; TW201112938A

Abstract

本发明公开了一种具有周期性图案化的基板结构的热沉及其方法。该热沉包括减小由电子装置中集成电路所引起的电磁干扰的电磁带隙结构。一个实施例提供具有基底的热沉，该基底具有在参考平面的二维中分开的导电导热片的阵列并且具有垂直于所述参考平面的厚度。所述片由多个分支互连。各分支连接相邻的片并且在所述参考平面中各分支的宽度小于各相邻片的宽度。多个导热冷却鳍耦合至所述基底的表面并且垂直于所述参考平面延伸。所述冷却鳍可以由导热、不导电的材料形成或者可以由导热、不导电材料耦合至基底。所述基底的周期性图案化的结构，与电路板的实心金属层一起，形成减小由所述集成电路所引起的某些频率的电磁噪声的电磁带隙结构。

Description

具有周期性图案化的基板结构的热沉及其方法

技术领域

本发明涉及尤其就集成电路的热沉而言减小电磁干扰的传播。

背景技术

电磁干扰(EMI)是归因于电磁辐射的影响电路的干扰。干扰可以中断、阻塞、或者另外降低或者限制电路的有效性能。不希望的电磁辐射经常起源于集成电路(IC)，并且通过其它结构在足以引起与其它器件干扰的水平被辐射。尤其热沉可能是有问题的。归因于其大的金属表面面积，热沉可以起传播电磁辐射的有效的天线的作用。

本领域中已知许多减小EMI的方案。减小EMI的一种方案是在各有源装置上使用旁通或者“解耦“电容器。解耦电容器跨过电源被连接，尽可能接近该装置。另一已知的减小噪声的方案是控制高速信号的上升时间。上升时间可以例如使用串连电阻器而被控制。VCC滤波也可以用于减小经由电源连接散布的射频干扰的量。屏蔽可以被使用，以添加另外的器件例如RF垫圈片为代价。

作为集成电路时钟和数据速度增加超过1GHz的结果，从IC所发射的辐射的波长与IC热沉的物理尺寸在相似的量级上。这贡献于热沉对于IC/IC封装上的噪声起天线作用的效率。有着试图解决该问题的热沉接地方案，但是这些工作区增添了对于印刷电路板组件的成本并且还消耗相当部分的电路板上的有限的空间。

发明内容

本发明的第一实施例是一种热沉，该热沉包括基底，该基底具有周期性图案化的结构，该结构包括在参考平面的二维中分开的导电导热片的阵列，且该基底具有垂直于参考平面的厚度。多个分支在结构上连接各片。各分支连接相邻的片并且在参考平面中各分支的宽度小于各相邻片的宽度。多个导热冷却散热鳍耦合至基底并且垂直于参考平面而延伸。

第二实施例是具有包括连续的导电层的印刷电路板的设备。处理器物理耦合至印刷电路板，并且电耦合至导电层。热沉耦合至与处理器热接触的电路板。热沉包括基底，所述基底具有包括在参考平面的二维中分开的且平行于所述导电层的导电导热的片的阵列的周期性图案化结构并且具有垂直于参考平面的厚度。多个分支在结构上连接片。各分支跨过两个相邻的片之间的开口并且在参考平面中各分支的宽度小于各相邻片的宽度。多个导热冷却鳍耦合至基底并且垂直于所述参考平面延伸。

第三实施例是减小由微处理器所产生的电磁噪声的传播的方法。确定由微处理器所产生的电磁噪声的频带。选择由分支互连的分开的片的周期性图案，其具有在所确定的频带内有抑止频带的几何形状。处理器与具有基底的热沉热接触，该基底包括导电导热材料，该材料具有所选择的周期性图案。

附图说明

图1是根据本发明实施例的热沉的透视图。

图2A-B是热沉基底的透视图，进一步详述热沉基底的周期性图案化结构。

图3是示出添加在开口内的导热、不导电的填充剂的热沉基底的俯视图。

图4A是根据一个具体示例实施例的热沉基底的有尺寸的俯视图。

图4B是图4A的热沉基底的第一部分的有尺寸的俯视图。

图4C是图4A的热沉基底的第二部分的有尺寸的俯视图。

图5A是结合了用于冷却CPU的热沉的电子装置的侧视图。

图5B是图5A的部分电子装置的放大的、详细的图。

图6是示出与传统实心热沉基底对比，使用根据本发明的实施例的周期性图案化的热沉基底导致的EMI减小的图。

图7是概述根据本发明的实施例的减小电路板上的处理器所产生的电磁噪声的传播的方法的流程图。

具体实施方式

本发明的实施例涉及减小由电子装置中集成电路(IC)所引起的电磁干扰(EMI)。一个实施例是在热沉的基底内结合周期性图案化结构的IC的热沉。周期性图案化结构，与电路板的实心金属层(例如，接地层或者电源层)一起，形成减小在某些频带中起天线作用的热沉的效率的电磁带隙(EBG)结构。周期性图案化结构包括由导电分支所互连的导电片的周期性阵列。周期性图案化结构中的开口用导热但是不导电的填充剂填充，其最大化热沉内的热传导而不破坏EBG结构的电特性。热沉鳍使用导热但是不导电的粘合剂被耦合至热沉基底，其最大化从热沉基底至鳍的热传导同时将鳍与热沉基底电绝缘。周期性图案化结构的物理参数可以被选择以便减小在一或者更多的特征带的电磁波的传播。热沉提供该噪声减小但是与传统热沉相比具有一定水平的热消耗和可承受性。

各种在此所描述的材料被认为是导电的，或者是不导电的，并且是导热或者是不导热的，根据具体情况而定。尽管事实上各种材料至少在一些有限的程度上可以导热和导电并且在某些环境下，一些材料导电不够好从而对于本发明的目的不被当作电导体。相似地，一些材料导热不够好从而对于本发明的目的不被当作热导体。因而，就本发明而言，如果材料具有至少大约10⁷S/m的导电系数，则该材料被认为是导电的，并且如果材料具有至少大约1W/m*K的导热系数，则该材料被认为是导热的。尽管为了清楚起见在此清楚地界定，这些导热和导电性的界定与本领域中的普通技术人员所知的所使用界定一致。

图1是根据本发明一实施例的热沉10的透视图。热沉10包括具有周期性图案化的结构的热沉基底20和耦合至热沉基底20的冷却鳍结构40。安装片16被提供以安装热沉10至电路板(未被示出)或者另外固定与发热器件(例如集成电路)热交流的热沉。连续的导电电路板层14也被示出，为了清楚起见电路板的其余部分被省略。连续的导电层14非常薄，通常是电路板的金属层，例如电路板的接地平面或者电源平面，并且在此被替代地称为金属层14。周期性图案化的热沉基底20和金属层14一起共同形成下面将进一步描述的EBG结构。

金属层14还界定了描述热沉10的某些物理特征的方便的参考平面。热沉基底20的第一表面22和相对的第二表面24都平行于金属层14。对于具体的实施例，第一和第二表面22、24将被称为热沉基底20的上表面22和下表面24。矩形坐标(x，y，z)也在图1中被提供用于参考。“x”和“y”轴代表由金属层14所界定的参考平面的二维。“z”轴垂直于x和y轴并且垂直于金属层14。

周期性图案化的热沉基底20包括由分支30(见图2)所互连的多个分开的片28，界定片28之间的各开口29。片在z方向中在参考平面上方分开并且在x和y轴方向中被相互分开。片28和分支30分享热沉基底20的相对的平的上和下表面22、24。片28由导电和导热材料形成。铜正是适于形成片28的导电和导热材料的一个示例。

冷却鳍结构40包括多个耦合至热沉基底20的多个叉型冷却鳍42。冷却鳍42在z轴方向中取向，即垂直于金属层14延伸。尽管其它类型的冷却鳍可以被替代地使用，但是在该实施例中叉型冷却鳍42允许冷却鳍42沿热沉基底20的上表面22布置而没有任何冷却鳍42横向延伸跨过相邻片28之间的开口29之一。冷却鳍42，类似热沉基底的片28，由导热材料，例如铜或者铝形成。冷却鳍42通过导热但是不导电的粘合剂26被耦合至热沉基底20的上表面22。因而，热量通过粘合剂26被有效地从热沉基底20传输至鳍42，但是冷却鳍42通过粘合剂26与热沉基底20电绝缘。

可以适于导热、不导电粘合剂26的材料的一示例可以是环氧复合物。环氧复合物的成份可以被选择以便实现理想的导热性但是具有足够低的导电系数从而被认为是不导电的。因而，环氧复合物可以可靠地固定冷却鳍42至热沉基底20并且将冷却鳍42与热沉20电绝缘。对于环氧复合物提供导热性的适当的成份的一具体示例是氮化硼，它典型地具有大约600W/m*K的导热系数。

在另一实施例中，导热、不导电的粘合剂可以被省略，而冷却鳍42可以由导热、不导电材料形成。例如，冷却鳍可以由石墨制成，它具有大约25和470W/m*K之间的导热系数和大约50000S/m的导电系数。

冷却鳍的数量可以随实施例而变化，根据热沉的尺寸、在特定应用中冷却所要求的希望的表面面积、母板上和计算机壳体内可以获得的空间等等。在该实施例中冷却鳍42被分组，例如，分为每个片28有4个冷却鳍42的组。冷却鳍42的数量和冷却鳍42的长度被选择，以便提供用于冷却的充足的表面面积。从热沉基底20传输至冷却鳍42的热量可以通过空气被有效地去除，通常通过强制对流但是选择性地通过自然对流。

图2A是进一步详细描述热沉基底20的周期性图案化结构的一实施例的热沉基底20的透视图。图1的冷却鳍42从图中被去除以便示出分开的、导电导热片28的阵列，由分支30互连。片28例如被布置为4行和4列的矩形阵列。片28的阵列可以选择性地在x和y方向中是均匀分开。各分支30连接具体的相邻的片28的对。周期性图案化结构中的开口通常在29被指示，在分开的片28和连接片28的分支30之间。开口29包括，更为具体地，内部的L形槽31，和外部的沿热沉基底20的两个外边33的开口槽32。

片28和分支30是导电和导热的。因而，电子可以在整个热沉基底20上自由地流动，并且自由地穿过分支30从一片28流动至另一片28。分支30和片28可以由相同的材料形成，并且甚至可以作为单个构件而被形成，例如如果热沉基底20由单块材料(例如铜)通过去除一些材料而形成，例如通过机加工、切割或者蚀刻，以便实现片28和分支30的希望的图案。在该实施例中，平行于金属层14所取的周期性图案化结构的截面25在垂直于参考平面的方向可以基本是不变的。即该截面可以在z方向通常是不变的，除了典型制造公差内的变化以外。热沉基底20具有总体的热沉长度(L_H)和整体宽度(W_H)，它们在该实施例中是相等的。热沉基底20还具有均匀的厚度(t)。

金属层14和周期性图案化的热沉基底20一起形成具有特征抑止频带的电磁带隙结构。抑止频带主要是周期性图案化的几何形状的函数，包括热沉基底20的总体尺寸以及片28和分支30的形状和尺寸。因为热沉基底20具有均匀的厚度，所以各片28和分支30具有相同的厚度“t”。

图2B是部分热沉基底20的放大的透视图，进一步描述片28和分支30的几何形状的细节。在该实施例中，片28都是相同的尺寸，使得各片28在与热沉基底20的长度(L_H)相同的方向具有片长度(Lp)，并且在与热沉基底20的宽度(W_H)相同的方向具有片宽度(Wp)。尽管不是必须的，块28可以是正方形，使得片宽度等于片长度(Wp＝Lp)。在图2B中分支30的顶表面被阴影，以便视觉区分片28与分支30。各分支30具有在由分支30所连接的相邻片28的间距的方向取向的分支长度(L_B)。即连接在x方向分开的两片的分支30具有在x方向取向的分支长度(L_B)，并且连接在y方向分开的两片的分支30具有在y方向取向的分支长度(L_B)。片28被均匀地分开，具有等于分支长度(L_B)的间距(s)。因为开口29部分地由片28之间的间距界定，所以开口29具有等于片之间的间距(s)的宽度。由于分支30的较小的尺寸，分支30比片28占据显著小的表面面积。在一实施例中，各分支30的表面面积在XY平面中小于大约百分之15的相邻片的任意之一的表面面积。

图3是示出在开口29内增加导热、不导电的填充剂34的热沉基底20的俯视图。填充剂34的导热性允许热量在整个热沉基底20上有效地从片28传输至片28。但是，填充剂34的不导电性确保EBG结构的电特性不由于填充剂34的存在而被改变。由于用于耦合热沉鳍42至热沉基底20(见图1)的粘合剂26和填充剂34两者都要求导热和不导电，所以，填充剂34和粘合剂26可以被选择为相同的材料。例如，环氧化合物既可以被用于粘合剂26，以便接合冷却鳍至热沉基底20，并且还可以用于填充剂34，以便填充热沉基底20中的开口29。

图4A是根据一具体实施例的热沉基底20的有尺寸的俯视图。热沉基底20包括3个第一部分21和1个第二部分23。图4B是图4A的热沉基底的第一部分21的有尺寸的俯视图。图4C是图4A的热沉基底的第二部分23的有尺寸的俯视图。图4A的热沉基底20可以由单片材料通过根据图4A，4B和4C的尺寸机加工热沉基底20而形成。作为替代，图4A的热沉基底20可以通过单独地形成3个第一部分21和1个第二部分23，并且随后如同在图4A中所示出的结合部分21，23(例如通过焊接(welding)或者钎焊(brazing))而被构造。

图5A是结合热沉10用于冷却微处理器(“处理器”)的电子装置50的侧视图，微处理器在该示例中是系统板60上的中央处理单元(CPU)62。CPU 62定位于系统板60上的插座64中。固定热沉组件10至系统板60之前，CPU 62被松散地定位于插座64中。热沉10使用传统硬件17被固定于安装片16，硬件17例如不接地的金属柱，其牢固地将热沉10的热沉基底20与CPU 62接合。由CPU 62所产生的热量由此通过从CPU 62至热沉10的传导而被传输。风扇66安装于系统板60以便产生穿过冷却鳍42的气流，从而通过强制对流冷却热沉10。因而，热沉冷却CPU 62。

图5B是在图5A中凸显的部分电子装置50的放大的详细的图。CPU 62具有匹配于系统板60的面向上的表面上的配对电接触68的电接触66(例如焊盘格栅阵列)，这允许CPU 62与系统板60接口。该示例中的金属层14是系统板60的接地层14。CPU被接地到至少一接地接触68G。CPU 62可能在电子装置50中产生EMI，因为CPU 62拉动大量电流。许多IC(例如CPU)的核心频率经常在由热沉基底和电路板参考平面所形成的空腔的最初几个共振模式相同的范围中。这里空腔共振效应可以因而出现于热沉基底20和金属接地层14之间的小间隙中。当使用传统热沉时，空腔共振效应在特定的共振频率放大EMI。但是，金属接地层14和周期性图案化的热沉基底20的方面一起形成具有减小某些EMI频率的特征抑止频带的EBG结构。如上所述，抑止频带可以通过热沉基底的物理参数的选择而被调制以便实现目标抑止频带。目标抑止频带可以被选择，例如，以便减小峰值频率。

图6是曲线图80，其示出与传统的实心热沉基底对比，根据本发明实施例的使用周期性图案化的热沉基底20导致的EMI减小。曲线图80包括由上曲线81所定界的第一频率曲线和由下曲线82所定界的第二频率曲线。上曲线81代表使用实心热沉基底的频率范围上的频率响应，而下曲线82代表使用周期性图案化热沉基底的相同频率范围上的频率响应。原型热沉基底由0.25英寸厚的铜制成，并且它具有每个500mils(千分之一英寸)×400mils的片的4×4的阵列。连接所述片的分支是80mils×80mils。目标抑止频带被指示从大约4至5GHz，6至8GHz，和10至16GHz。周期性图案化的热沉基底的几何和物理参数已经被选择以便减小该频率范围中的峰值频率。如在曲线图80中所显见，作为使用周期性图案化的热沉基底的结果，与传统热沉基底相对比，峰值频率显著地较低。作为使用周期性图案化的热沉基底的结果，EMI的传播显著地减小。

在图6的示例中，目标抑止频带被选择以便减小峰值频率。但是，在任何给定的装置中，由处理器所产生的峰值频率不必是与其它电路干扰最大的频率。因而，目标抑止频带不必在每个应用中包括峰值频率。

图7是概述根据本发明实施例的减小由电路板上的处理器所产生的电磁噪声的传播的方法的流程图。步骤100包括确定由处理器所产生的电磁噪声的频带。被选择的频带可以考虑到由处理器所产生的峰值EMI频率和/或考虑到电路板上其它装置的工作频率(尤其是模拟装置)而被选择。步骤102包括选择具有被选择的几何和物理参数的、由分支互连的分开的片的周期性图案，以便实现在被确定的频带内的目标抑止频带。导电片的尺寸、形状和间距均影响由热沉基底的周期性图案化结构所实现的实际抑止频带。选择周期性图案的步骤可以包括选择片宽度、片长度、分支宽度、分支长度、基底厚度、或者其组合。正方形EBG结构(即Lp＝Wp)的物理尺寸和第一共振频率的位置之间的一般关系如下给出：

f_{r} = \frac{c}{2 A \sqrt{ϵ_{eff}}}

(方程1)

其中A＝W_B+Lp对应于单独EBG元件之间的间距和其尺寸(即宽度或者长度)之和。这里c＝3*10⁸m/s，并且代表自由空间中的光速，并且ε_eff代表介质的有效介电常数。

考虑互连分支的贡献，并且假定W_P＝L_P和W_B＝L_B，该表达式转换为：

f_{r} = \frac{c}{W_{B} \sqrt{ϵ_{eff}}} (2 W_{B} + L_{P})

(方程2)

在矩形形状的结构的情况中，所有其它后续的抑止频带位置在理论上可以通过用Lp替代EBG片的附加长度和这些长度的组合而被确定。

在步骤104中，热沉基底可以根据在步骤102中所选择的周期性图案而形成。在步骤106中，电路板被选择，具有连续的导电层。所形成的层可以是金属层，例如层叠电路板的接地平面或者电源平面。电路板将典型性地包括处理器，以及其它数字和/或模拟电路。在步骤108中，周期性图案化的热沉基底被固定与处理器热接触。周期性图案化的热沉基底和金属层一起形成在所选择的频率的抑止频带范围中减小EMI的振幅的EBG结构。

在此所使用的术语仅用于描述具体的实施例并且不试图限制本发明。如在此所使用的，单数形式也试图包括复数形式，除非上下文另外清楚地指出。还应当理解术语“包括”当在本说明书中被使用时，指定所述特征、整数、步骤、操作、元件、器件和/或组的存在，而不排除一或者更多的其它特征、整数、步骤、操作、元件、器件和/或其组的存在或者添加。术语“优选”，“选择性地”，“可以”和相似术语是用于指示，所指称的项目、条件或者步骤是本发明的选择性(不是必须的)特征。

所附权利要求中对应的结构、材料、动作和所有装置或者步骤加功能元素的等同物旨在包括与如具体主张权力的其它主张权力的元素结合执行功能的任何结构、材料或者动作。本发明的说明书已经以说明和描述的目的被呈现，但是不旨在是完全的，或不旨在将本发明限于所公开的形式。对于本领域中的普通技术人员，许多改进和变更是明显的，而不偏离本发明的范围和精神。实施例被选择和描述以便最好地解释本发明的原理和具体应用，并且使得本领域中的其它普通技术人员能够对于具有各种改进的各实施例来理解本发明，各种实施例适于所考虑的具体用途。

Claims

1.一种热沉，包括：

具有包括在参考平面的二维中分开的导电、导热的片的阵列的周期性图案化结构并且具有垂直于所述参考平面的厚度的基底；

在结构上连接所述片的多个分支，各分支连接相邻的片并且在所述参考平面中各分支的宽度小于各相邻片的宽度；和

耦合至所述基底并且垂直于所述参考平面延伸的多个导热冷却鳍。

2.根据权利要求1的热沉，其中所述周期性图案化结构的截面在垂直于所述参考平面的方向不变化。

3.根据权利要求1的热沉，还包括：

填充所述相邻片之间的间隙的导热、不导电的填充剂。

4.根据权利要求1的热沉，其中所述片具有至少10⁷S/m的导电系数和大于1W/m*K的导热系数。

5.根据权利要求1的热沉，还包括：

耦合所述冷却鳍至所述基底的表面的导热、不导电的粘合剂。

6.根据权利要求1的热沉，其中所述冷却鳍是导热和不导电的。

7.根据权利要求1的热沉，其中各分支具有小于所述参考平面中任一所述相邻片的表面面积的大约百分之15的表面面积。

8.根据权利要求1的热沉，其中所述周期性图案化结构和所述分支分享共同的第一和第二相对的表面。

9.一种设备，包括：

包括连续的导电层的印刷电路板；

物理耦合至所述印刷电路板并且电耦合至所述导电层的处理器；和

耦合至与所述处理器热接触的电路板的热沉，所述热沉包括基底，所述基底具有周期性图案化结构，所述周期性图案化结构包括在参考平面的二维中分开且平行于所述导电层的导电导热的片的阵列，并且所述基底具有垂直于所述参考平面的厚度；结构上连接所述片的多个分支，各分支跨过两个相邻的片之间的开口并且在所述参考平面中各分支的宽度小于各相邻片的宽度；和耦合至所述基底并且垂直于所述参考平面延伸的多个导热冷却鳍。

10.根据权利要求9的设备，其中所述印刷电路板的导电层是接地平面。

11.根据权利要求10的设备，还包括：

固定所述处理器至所述电路板的多个金属柱，其中所述金属柱不接地至所述接地层。

12.根据权利要求9的设备，还包括耦合所述冷却鳍至所述基底的导热、不导电的粘合剂。

13.根据权利要求9的设备，其中所述周期性图案化结构具有平行于所述参考平面所取的基本不变的截面。

14.根据权利要求9的设备，还包括：

填充所述相邻片之间的间隙的导热、不导电的填充剂。

15.根据权利要求9的设备，其中所述片具有至少10⁷S/m的导电系数和大于1W/m*K的导热系数。

16.根据权利要求9的设备，其中所述导热、不导电的粘合剂包括环氧。

17.根据权利要求9的设备，其中各分支具有小于任一所述相邻片的表面面积的大约百分之15的表面面积。

18.根据权利要求9的设备，其中所述周期性图案化结构和所述分支分享共同的第一和第二相对的平的表面。

19.一种减小由集成电路所产生的电磁噪声的传播的方法，包括：

确定由所述集成电路所产生的电磁噪声的频带；

选择由分支所互连的分开的片的周期性图案，其具有在所述被确定的频带内有抑止频带的几何形状；并且

热接触所述集成电路和具有基底的热沉，所述基底包括导电导热的材料，所述材料具有所述被选择的周期性图案。

20.根据权利要求19的方法，其中所述选择具有在所述被确定的频带内有抑止频带的几何形状、由所述分支互连的分开的片的周期性图案的步骤包括选择一或者更多的由片宽度，片长度，分支宽度，分支长度，和基底厚度所组成的组。