CN102413666A - 用于减小热阻的热界面材料及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于减小热阻的热界面材料及其制造方法。具体而言，一种热界面材料(120)包括具有第一表面(204)和相反的第二表面(206)的导热金属(202)、联接到导热金属的第一表面上的第一扩散阻隔板(208)、联接到导热金属的第二表面上的第二扩散阻隔板(210)、联接到第一扩散阻隔板上的第一热阻减小层(212)，以及联接到第二扩散阻隔板上的第二热阻减小层(214)，导热金属、第一扩散阻隔板以及第二扩散阻隔板设置在第一热阻减小层与第二热阻减小层之间。

Description

用于减小热阻的热界面材料及其制造方法
技术领域
本文所述的主题主要涉及热界面材料，并且更具体地涉及用于减小电路卡组件(CCA)与底架(chassis)之间的热阻的热界面材料。
背景技术
设计成用以通过热传导的方式从CCA散热的封壳，例如包含大功率装置的那些组件，对于除去较高水平的热而日益变得困难。这是因为新近开发出的处理装置通常包含更多电路且因此趋于产生更高的热负载，或因为构件较小，因此容许CCA包含更多构件，从而增加了每个CCA所产生的热量。
多种系统已设计成通过板保持件将CCA的热界面的相对边缘压到用作热沉的底架上以便带走由热界面相对侧上的CCA构件所产生的热。然而，目前CCA与底架之间的热界面是金属对金属的，而在两种金属之间并无热中间材料。金属对金属的界面在热学性质方面较差，其中从CCA的热界面到底架的冷壁的典型温差(ΔT)为大约10℃。尽管在CCA瓦数较低的情况下金属对金属的界面可能足够，但新的CCA设计随着电子装置变得更小和/或以较高速度操作，逐渐地耗散更多热，致使金属对金属的界面不再适合。因此，热的可传递性受到破坏或不充分，且在其中使用它们的电子装置的性能受到不利地影响。
发明内容
一方面，提供了一种热界面。该热界面材料包括具有第一表面和相反的第二表面的导热金属、联接到导热金属的第一表面和导热金属的第二表面上的扩散阻隔板，以及联接到扩散阻隔板上的热阻减小层。
另一方面，提供了一种系统。该系统包括电路卡组件，以及包括具有上表面和下表面的槽口的壳体。槽口构造成用以将电路卡组件收纳在上表面与下表面之间。垫片构造成用以减小热阻。该垫片联接在电路卡组件与槽口上表面之间。板保持件将垫片固定在电路卡组件与槽口上表面之间。
又一方面，提供了一种形成热界面材料的方法。该方法包括提供铜层、在铜层上提供镍层，以及在镍层上提供铟层。
附图说明
下文参照附图详细描述了本公开内容。
图1示出了定位在底架冷壁中的CCA的截面端视图。
图2为沿图4中截面线2-2截取的示例性热界面材料的截面视图。
图3为备选热界面材料的截面视图。
图4和图5示例性地示出了将粘合剂施加到热界面材料上。
图6为形成热界面材料的示例性过程的流程图。
图7示出了由铜箔框架蚀刻成的多个垫片。
零件清单
102底架
104冷壁
106冷壁
108槽口
110上表面
112下表面
114楔形锁
116电路卡组件(CCA)
117热界面表面
118上表面
120TIM
202导热金属
204第一表面
206第二表面
208第一扩散阻隔板
210第二扩散阻隔板
212第一热阻减小层
214第二热阻减小层
222粘合层
224外表面
500过程
502提供铜层
504将电镀镍层提供在第一铜层表面上和相反的第二铜层表面上
506将电镀铟层提供在电镀镍层上
602垫片
604框架
606接头(tab)
具体实施方式
尽管本公开内容描述了电路卡组件(CCA)与底架之间的热界面材料(TIM)，但本公开内容的方面可利用执行本文所示和所述的功能性的任何设备或其等同物操作。例如而不限于，本文所述的TIM可置于电源单元与基板之间、底架与冷却翅片之间、底架与基板之间，等等。
CCA与底架之间的当前热界面是金属对金属的，且不包括位于两金属之间的TIM。然而，如上文所述，在总体CCA瓦数较低的情况下，金属对金属的界面可能足够。使用变得更小和/或以较高速度操作的电子装置的新型CCA设计放出更多的能量和热，致使金属对金属的界面不再适合。例如，高性能传导冷却的CCA期望在冷壁界面处以85℃的温度连续运转(通常，处理器制造商指定105℃的结区温度上限)。这在处理器与冷壁热界面之间留下20℃的温差(ΔT)。在两个CCA金属对金属的界面中的一个上具有40瓦负载的常规CCA的试验导致产生跨过金属对金属界面为7.9℃的ΔT。这给予了跨过界面的大致0.2℃/W的热阻。因此，具有160瓦(80瓦/界面)的最大负载的CCA将提高ΔT至大约16℃，这可能有问题。然而，不同于例如包括位于CCA与底架之间的金属对金属的界面且仅在CCA瓦数有限的情况下才足够的常规系统，本文所述的TIM将界面处的热阻减小到至少1/10，且因此可应用于负载小于20瓦的CCA上，以及负载大于160瓦的CCA上。
现在参看图1，示出了用于CCA的壳体(例如，底架102)的端视图。底架102包括冷壁104和106，它们形成沿冷壁104和106长度延伸的槽口108。槽口108具有上表面110(例如，冷壁104的底面)和下表面112(例如，冷壁106的上表面)。板保持件或诸如楔形锁114的任何其它适合的固定机构联接在冷壁104和106之间，且抵靠下表面112。CCA 116，且更具体而言是CCA 116的热界面表面117，置于楔形锁114的上表面118与槽口108的上表面110之间。构造成用以减小热阻的TIM 120(例如，垫片)联接在热界面表面117与槽口108的上表面110之间。热界面表面117和TIM 120在槽口108的上表面110与楔形锁114的上表面118之间受压缩。如下文更为详细描述的那样，TIM 120包括多层。在一些实施例中，多层中的各层均可包括两层或多层。
在一些实施例中，楔形锁114为机械紧固件，该机械紧固件设计成经由多个单独的楔形件(未示出)通过扩张和在CCA 116与冷壁106的上表面110之间施加接触压力而将CCA 116和TIM 120固定在槽口108中。例如，楔形锁114通过使用扩张螺钉(或可调螺钉，未示出)使多个楔形件扩张并促使压力施加到CCA 116与槽口108的上表面110之间而将CCA 116和TIM 120固定在槽口108中。
TIM 120在两个配合表面(也即热界面表面117和槽口108的上表面110)之间顺应，并拥有低体积热阻和低接触阻力。如下文将更为详细描述的那样，为了优化热性能，TIM 120包括界面材料和/或界面层(例如，铟)，并能够顺应非平坦表面且从而降低了接触阻力。TIM 120还拥有高导热率和高机械顺应性，从而在力施加到TIM 120上时产生弹性弯曲。
现在参看图2，示出了示例性TIM(例如，TIM 120)的截面视图。TIM 120包括具有第一表面204和相反的第二表面206的导热金属202，外接(例如，包绕)导热金属202的扩散阻隔板208，以及外接扩散阻隔板208的热阻减小层212。
如上文所述，适合的TIM应当在两个配合表面之间顺应，且拥有低体积热阻和低接触阻力。因此，热阻减小层212包括顺应性金属，例如铟。然而，由于铟的柔软性，故TIM 120层合有其它金属以提供更为坚固的TIM，同时保持传导率。例如，诸如铜的导热金属202提供为加强件，其使TIM 120能够保持更为坚固的形态。然而，由于铜和铟的扩散性，故用作扩散阻隔物的镀镍(例如，扩散阻隔板208)提供在导热金属202(例如，铜层)与热阻减小层212(例如，铟层)之间。
在一些实施例中，热阻减小层212具有大约25微米(μm)的厚度，导热金属具有大约25μm厚至大约75μm的厚度，以及扩散阻隔板208具有大约1μm至大约3μm的厚度。
现在参看图3，示出了备选的TIM 320。TIM 320包括联接到第一扩散阻隔板308上的第一热阻减小层312，以及联接到第二扩散阻隔板310上的第二热阻减小层314。在该实施例中，第一热阻减小层312和第二热阻减小层314由导热金属202、第一扩散阻隔板308和第二扩散阻隔板310隔开。
在一些实施例中，粘合层222施加到TIM 120的至少一个外表面224上。然而，粘合剂的完整表面层可阻止热流穿过TIM 120，且因此增大TIM 120的热阻。因此，粘合层222可如图4中所示那样以条纹图案施加到TIM 120上，或以如图5中所示那样以阵列/网格图案施加到TIM 120上。此外，太厚的粘合层会妨碍TIM 120适当地顺应CCA 116的热界面表面117或冷壁106的上表面110。因此，在一些实施例中，粘合层222包括具有大约5μm至大约25μm的厚度的粘合剂层。
在一些实施例中，在TIM 120通过楔形锁114固定在CCA 116与冷壁106的上表面110之间以前，粘合层222用于将TIM 120暂时地附接到热界面表面117上。此外，由于粘合层222为牺牲性的，故粘合层222包括低粘性的粘合剂，该粘合剂能使TIM 120容易地从CCA 116和冷壁106的上表面110除去，保持热界面表面117清洁以便更换TIM。
现参看图6，示出了形成TIM的示例性过程的流程图，该过程总体上称为过程500。过程500包括在502提供铜层、在504将电镀镍层提供到铜层上，以及在506处将电镀铟层提供到电镀镍层上。在一些实施例中，电镀镍层提供成使得电镀镍层外接铜层。在另外的实施例中，电镀铟层提供成使得电镀铟层外接电镀镍层。在其它实施例中，第一电镀镍层提供在第一铜层表面上，以及第二电镀镍层提供在铜层的相反的第二侧上。在其它实施例中，第一电镀铟层提供在第一电镀镍层上，以及第二电镀铟层提供在第二电镀镍层上，其中，第一电镀铟层和第二电镀铟层中的各个均由第一电镀镍层、铜层和第二电镀镍层隔开。
在一些实施例中，多个垫片602例如由37.5μm的铜箔化学地蚀刻，且通过接头606(见图7)保持在框架604中。因此，通过简单地改变影像机件(photowork)可容易地提供形状、尺寸和孔。垫片602还可进行激光切割，使得形状、尺寸和孔能够通过软件改变。在蚀刻垫片602之后，预处理框架604以便电镀。镍层(例如，大约3μm厚)电镀到垫片602的所有表面上，以便用作铜与铟之间的阻隔物，因为铟容易扩散到铜中，导致产生硬的脆性合金。接下来，铟层(例如，大约25μm至大约30μm厚)电镀到镍阻隔物上。
接下来，粘合层222可施加到多个垫片602的至少一侧上。粘性的粘合剂可以卷筒形式加到衬底片上，且因此，粘合剂可激光切割以产生条纹图案或阵列/网格图案(如分别在图4和图5中所示)，或层合在粘性粘合剂的卷筒上的薄掩膜可切割而露出阵列/网格图案或条纹图案。粘合层通过手置于多个垫片602中的各个上，其中，衬底片保持就位以保护粘性粘合剂。本领域的普通技术人员将认识到如果数量允许的话，该过程可为自动的。最后，多个垫片602可保持在框架604上，或按需要切掉。
本书面说明使用了包括最佳模式的实例来公开本发明，且还使本领域的普通技术人员能够实施本发明，包括制作和使用任何装置或系统以及执行任何所结合的方法。本发明可取得专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域的普通技术人员所构思出的其它实例。如果这些其它实例具有与权利要求的文字语言并无不同的结构元件，或者如果这些其它实例包括与权利要求的文字语言无实质差异的同等结构元件，则认为这些实例处在权利要求的范围之内。

Claims (10)

1.一种热界面材料(120)，包括：
具有第一表面(204)和相反的第二表面(206)的导热金属(202)；
联接到所述导热金属的第一表面上的第一扩散阻隔板(208)；
联接到所述导热金属的第二表面上的第二扩散阻隔板(210)；
联接到所述第一扩散阻隔板上的第一热阻减小层(212)；以及
联接到所述第二扩散阻隔板上的第二热阻减小层(214)，所述导热金属、所述第一扩散阻隔板和所述第二扩散阻隔板设置在所述第一热阻减小层与所述第二热阻减小层之间。
2.根据权利要求1所述的热界面材料(120)，其特征在于，所述第一热阻减小层(212)和所述第二热阻减小层(214)包括顺应性金属。
3.根据权利要求2所述的热界面材料(120)，其特征在于，所述顺应性金属为铟。
4.根据权利要求1所述的热界面材料(120)，其特征在于，所述导热金属为铜。
5.根据权利要求1所述的热界面材料(120)，其特征在于，所述第一扩散阻隔板(208)和所述第二扩散阻隔板(210)中的各个均包括镍。
6.根据权利要求1所述的热界面材料(120)，其特征在于，所述第一热阻减小层(212)和所述第二热阻减小层(214)中的各个均具有大约25μm的厚度。
7.根据权利要求1所述的热界面材料(120)，其特征在于，所述导热金属(202)具有大约25μm厚到大约75μm的厚度。
8.根据权利要求1所述的热界面材料(120)，其特征在于，所述第一扩散阻隔板(208)和所述第二扩散阻隔板层(210)中的各个均具有大约1μm至大约3μm的厚度。
9.根据权利要求1所述的热界面材料(120)，其特征在于，所述热界面材料(120)还包括粘合层(222)，所述粘合层(222)联接到所述第一热阻减小层(212)和所述第二热阻减小层(214)中的一个上，使得所述粘合层设置在所述热界面材料的外表面(224)上。
10.根据权利要求9所述的热界面材料(120)，其特征在于，所述粘合层(222)以阵列图案、网格图案和条纹图案中的至少一种而设置在所述热界面材料的外表面(224)上。
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