CN1024957C - 利用冷却器件在电子电路紧凑布局中配置电导管的装置 - Google Patents

Abstract

一种用以封装包括若干基本上薄平行层电路部件的薄平面型阵列的装置，在该装置中各层处于相互紧密邻近状态，各层中一或多层包含有电路板装置嵌入其中的绝缘材料衬底，其改进包括至少贴着各层之一安置、用以从装置排除热量的导热装置，该导热装置具有用以输送液体以完成排热的内部沟道，以及通过导热装置构成电子导管的装置。

Description

本发明涉及计算机系统，更准确地说，涉及用于在极高密度混合电子电路的层间配置电连接的装置。

现代计算机系统中所用的半导体和其它器件只能在特定温度范围内运行时才能正常工作。通常，设计各器件可在延展到上限约110℃比较狭窄范围内可靠地工作。超过该上限点，这些器件在处理数字信息方面本身就会不可靠，并可能随着温度上升而损坏。一般，诸如个人计算机和工作站的台式计算机系统包括一块母板，其上配置连接到系统总线的中央处理器、存储器和输入/输出电路系统。在母板上配备有槽隙供系统外围部件连接到系统总线。安装在计算机壳体内的驱动周围空气的小风扇，通常足以冷却电子电路以适应操作温度需要。

H.Davidson于1990年7月13日提交的、题为“用于计算机系统等的三维插件布局”的共同未决美国专利申请第07/553，521号所涉及的一种完全不同的组装布局，允许一种非常大功率的计算机（例如，具有高达0.5千兆字节随机存取存储器和多达四个独立处理器的计算机）包含于大致一边为四英寸和一英寸厚的容积内。这些紧凑布局是通过把非常薄的混合电路层基本上互相贴着以形成总的计算机组合件而获得的。这种大功率计算机因为用作总线的导线长度短、实质上减少了阻抗，所以能够比常规封装的计算机以更快的速度运算。然而，这些更高组装密度的布局有可能引起操作温度升高到正常周围空气冷却不能应付的程度。

举例来说，为了从这种计算机获得很快的操作速度，可将非常高 速的器件用于嵌入的芯片中。这些器件需要很大的功率并产生很高的工作温度。在这种系统情况下，每层电子器件可能使用多达200安培的电流，在该布局若干层中的每一层产生高达1000瓦的功率。先有技术冷却技术将无法简单地将这类计算机保持在其电子器件的操作温度限值之内，加电后很短时间内该设备便会损坏。

为了从在较大功率情况下使用的这些装置中排除热量，曾设计过一种新颖的热交换装置。在H.Davidson于1990年7月13日提交的、题为“用于冷却电子电路紧凑阵列的装置”的美国专利申请第07/553，541号中公开了这种装置。基本上来说，该热交换装置包含定位于装有电子器件各层间、并至少贴着其中之一的至少一层散热层。在各散热层安置有用以传送液体的内沟以完成散热。试验已证明这种热交换器能在所述热交换器表面将功耗大于500瓦功率的单层电路冷却到大致为47℃。

这样的装置在其中借助形成所有层结构定位的陶瓷和其他非导电绝缘体给电子电路各层电连接导线确定路由的情况下工作良好。然而，对这样的电路系统所需的导线数在很大功率计算机中有激增的趋势。因此，在层间用以构成电导管的结构布局对需用诸如上述最后提及专利申请中所公开的那些散热器件的大功率计算机来说受到了严格限制。

为此，本发明的一个目的是在具有散热器件层的非常紧凑封装的计算机系统中提供用以置备电导管的装置。

更一般的说，本发明的另一目的是通过冷却非常紧凑封装的电子系统的装置构成电导管。

本发明的这些和其他目的在如下一种布局中得以实现，该布局用以封装包括若干基本上薄平行层电路部件的薄平面型阵列，其中各层处于相互紧凑相邻状态，各层中一或多层包含其中嵌入有电路板装置的绝缘材料衬底，所述层中的其他层包含至少贴着其它层之一布局、 用以从该装置排除热量的导热装置，该导热装置具有传送液体的内沟以完成散热，包含导热装置的层其中具有用于容纳电导管的开孔，所述开孔与包含导热装置的层基本上以直角相交于通过内沟的惰性液体流，并以避开沟道的方式加以定位。

本发明的上述和其他目的及特征通过下面详细说明连同参考附图会变得更加明确，各附图中，相同标号表示相同元件。

图1是说明在共同未决专利申请中所描述的密集封装的计算机组件设计的等比例示图。

图2是说明在供密集封装的计算机组件设计用共同未决专利申请中所描述的热交换装置层的等比例示图。

图3是表示图2中一对热交换装置的截面图。

图4是按照本发明的一种改进型密集封装的计算机系统的等比例示图。

图5是说明按照本发明构造的一层改进型热交换装置的截面侧视图。

图6是说明按照本发明构造的改进型热交换装置的一层截面正视图。

图7是说明按照本发明构造的改进型热交换装置的一层截面顶视图。

图8说明用于在一热交换装置和一邻接电子层之间构成导电连接的弹簧装置的顶视图。

图9说明图7中用于在一热交换装置和一邻接电子层之间构成导电连接的弹簧装置的侧视图。

下面参照图1，图示H.Davidson在1990年7月13日提交的、题为“用于计算机系统等的三维插件布局”的共同未决美国专利申请第07/553，521号中所公开的组装布局的等比例示图。该插件布局包括若 干独立的电路元件层。这些独立的电路元件层11中的每一层一般包含结合在一起以构成计算机或其他数字系统中一或多个部分的集成电路。例如，第一层12可能是计算机的中央处理器，第二层13和第三层14两者可能是计算机的随机存取存储器，而第四层15则可能由计算机的输入/输出电路组成。如在上述专利申请中所说明的，层11的每层包含埋置于一绝缘衬底中的集成电路。通常，将各层11构造成具有相对的大部分互相平行的表面，因此可把多层安置在一起并结合构成非常密集的系统。

布局10的每层平面层11可用任何能形成平坦而平行底部和底部表面的工艺加以构成。一种当前最佳的工艺应用一片陶瓷材料扁平片作为衬底，凹槽刻进衬底内用以接纳集成电路芯片。用很薄的扁平高温塑料层将芯片和凹处的衬底层覆盖在一个侧面上，每塑料层有穿通孔以便与搁在凹处的芯片能够直接进行连接。孔中安放接插件，并在各塑料层上描绘互联图案从而构成多层互连。要将导电焊接区安放在上塑料层上。借助焊接区把互联导线联接到穿通衬底形成总线路径的导线。在一最佳实施例中，将衬底18安置在绝缘壳层17中。壳层17有导轨19，在这些导轨中埋入用以连续层11间总线的导线。导轨19形成开孔16，这些开孔允许周围空气贴近层11循环。采用在共同未决专利申请中所描述的工艺，生产出厚度小于0.050英寸的各个层。

这种插件布局除了其尺寸小之外还具有许多优点。实质上，它比在先有技术的通常接插件布局（其中，芯片仅在围绕其周边处有连接端）提供更多通往嵌入芯片的通路。在层间起到计算机总线作用的导线长度极短，从而形成的阻抗很小，因此，提供最短的存取时间。预期每根连接线典型电感值为0.5毫微亨，电阻为几毫欧，电容为5皮法（PF）。这样的短导线使总线访问电路元件时间减少到先有技术计算机所需时间的微不足道的几分之一。

尽管在较为普通计算机系统的场合这种基本布局保证了空气循环以冷却该装置，但在系统包含非常快速的元件需要很大功率操作并产生大量热量的场合，该方法就只能提供不充分的冷却。为了在这种大容量应用中，从装置10排除热量，已设计出一种新颖的热交换装置的布局。这种布局在Davidson于1990年7月13日提交的、题为“用于冷却电子电路紧凑阵列的装置”的美国专利申请第07/553，541号中已予公开。这种热交换单元的布局包括导热器件的各个层，这些导热器件层通常安置于装置10的层11之间夹持着大容量的电子电路。每一导热器件备置有导管通过其间用以装载一种从邻近电子电路层散热的液体。可用象铜那样的金属构造每一导热器件，它在形成导热液体导管的同时提供有效的传热还可能薄达0.050英寸。该热交换单元在安置于为图1装置10中传送空气而形成的槽16之内时，导热器件的一宽平侧紧靠在其上安置混合芯片的薄陶瓷层上，其另一侧则顶着覆盖多层与芯片上表面互连的绝缘层。

传输用以从电路系统排除热量的液体的导管可通过对构成导热器件的独立顶板和底板的独刻而形成。所述蚀刻形成将槽分开形成导管的直立脊。液体在第一开孔射进热交换器内，横过内导管，并在第二开孔从热交换器件清除掉。可将导管联结到用以形成液体入口和用以把各导热器件结合在一起的开孔上。在液体管线中可将泵和象致冷器件那样的排热装置连到管路上，使液体流动通过热交换装置并从液体排除热量。

可将若干个热交换单元并联地结合起来传送液体以冷却整个装置10。各个热交换器件可在每个具有一个开孔的内导管的一端，与其他热交换器并联连接到例如泵那样的液体源上。可将每个热交换器件导管的另一端连接到一回流系统，藉其可使液体在用泵抽吸之前再度通过热交换单元进行冷却。

图2说明本发明共同未决专利申请的一个最佳实施例，在该实施例中，若干热交换单元25被联结在一起冷却整个装置10。所述单元25的各热交换器件22各自具有一个适于围绕中心依壳体17的导轨19装配的开孔31，使得热交换单元25靠在毗连的两层11上。如图3的截面图所示，各个热交换器件22各自在凸出的上表面的每一端有一开孔32并在下表面的每一端有一开孔33。将毗连的热交换单元25的开孔32和33设计成邻接承载片35的表面，该承载片有基本与开孔32和33相同尺寸的开孔。对承载片35的每一表面开槽以便在承载片35中围绕每一开孔保持一O形环或其他密封37。这样，随着构成装置10把热交换单元25夹紧在一起时，迫使每个开孔32和33紧紧贴着承载片35之一中的开孔，因此构成一集流管，该集流管把热交换器件22的内部结合在一起。该装置允许冷却剂从泵传送到并联的热交换单元25，从而使热交换单元25更有效的使用。然后，可将热交换单元25连接到按所述及方式具有一泵和散热器件的热交换通路。

尽管图2所示的热交换单元25的布局可从装置排除热量，但热交换器件22的各层堵塞通常可为许多电导线确定路由的通路。如可从图1和2所见到的，层11之间导线的仅有的路由是构成夹持电子器件和热交换单元层壳体17的陶瓷材料的边侧和中央导轨19。此处需要所述类型的热交换单元的较大容量计算机，往往具有较多独立元件，比可通过这些导轨19放线需要更多元件层之间的电通路。因此，需要有改进的装置来提供这种的导管。

图4是说明按照本发明设计的一种经改进的计算机系统的等比例示图。该计算机系统包括若干电子元件层11，这些层是按照H.Davidson于1990年7月13日提交、题为“用于计算机系统等的三维插件布局”的美国专利申请第07/553，521号的讲授而设计的。与图1计算机中所示层11相对比，将包含在层11的衬底18中的元件器件埋 入壳体17中，后者没有从下表面下垂的导轨。由热交换单元40的层将层11交错而相互分开，这些热交换单元层总体上是按照H.Davidson于1990年7月13日提交、题为“用于冷却电力电路紧凑阵列的装置”的美国专利申请第07/553，541号的讲授而设计的。但是，与其中所公开的热交换单元对比，热交换单元的热交换器件40具有与层11相同的外部尺寸。因此，计算机的布局主要作为电子电路层和热交换单元层构成的坚固箱体出现。从箱体反面凸出的是形成集流管的载片35，后者把热交换单元的热交换器件40互联在一起。将会认识到计算机的这种形式已由此消除了藉其通过总线导体的陶瓷材料的导轨配备。

图5、6和7说明按照本发明设计的各个经改进的热交换器件40。把热交换器件40设计成有图上用虚线示出的内部流体导管通路42。在本发明的一个最佳实施例中，这些通路42可以是发图7所示蛇状构形。在热交换器件40中设置很多开孔44。要有选择地设置这些开孔以便从热交换器件40的扁平表面通到相对的扁平表面;而且通常但并非必需地与两表面正交。有选择地设置这些开孔的每一个开孔，以便以隔开导液通路42的实芯隆起物之一处贯穿热交换器件40的顶和底层，从而避开在热交换器件40内部的那些导液通路。内部通路42所载液体于是保持不受扰动和对开孔44密封。因此，每一开孔44可为包含电子器件装置的两层连接导线构成一个导管。

在本发明的一个最佳实施例中，通过热交换器件40的液体通道的直径大致可为20毫米，并构成波动型式或适于最佳冷却器件40表面的其他型式。所述孔的直径大致可为40毫米，和任何液体导管的内壁分隔大致为10毫米。估计在任何一平方英寸表面中因此可设置大致100个这样通过器件40的开孔。

在本发明的当前最佳实施例中，可在每一开孔44内设置一塑料套管46，可将含电子层11的每一上和下邻接表面备有弹簧触点的导线48 插入该塑料套管内。这样的导线48对先有技术是众所周知的，这种导线的一种型号是市场上可购得的由Cinch    Connectors制造、称之为“CinApse”的导线。假若需把特定导线48接地到热交换层，可从开孔节省塑料材料并使开孔加工成更小，使得导线48靠在开孔的金属面上。

在特殊情况下，可能要求电导线48以一定角度方向通过热交换器件而不是与表面正交。在这种情况下，可选定开孔44接受与平表面成直角的塑料套管，而如图5中最右边描绘所示，套管46却不是以直角夹持该电导线48。这种布局使热交换单元的制造比预定的大为简单，由于在热交换层中仅需设置正交于平表面的开孔。

为了提高热交换器件层的热交换能力，可能希望在装置10不同层之间利用不同导热性的化合物。例如，可能使用低温焊料、导热胶粉剂、导热滑脂和其他这样的化合物，以有利于这种计算机系统不同层的层间。

若想要不用开孔44而对特定热交换器件提供接地连接，可在单独热交换器件和邻接含电子器件层11之间安装诸如图8所示的弹簧装置。可借助对一金属箔进行光刻工艺、从而留下带有从格栅对角线延展的翼片52的正方或矩形格栅来制作弹簧50。取决于有待形成的特殊接地连接也可采用其他的图案。如图9所示使翼片52变形成翘各栅平面之外，从而构成可压在电子层上的加触点的弹簧。为了在该布局组装时容纳该接地弹簧50，可在热交换单元的外表面中蚀刻沟道。

如同以上述及的题为“用于计算机系统等的三维插件布局”的共同未决专利申请第07/553，521号中所述器件层布局的情况一样，可将用以在层间形成精确对准提供严格定位的不同方法，包含作为每一电子电路和热交换器层的一部分，以保证各层不同部件的定位。这样的方法已在上述专利申请中详细加以论述，本文不再另行论述。

尽管已根据最佳实施例对本发明加以描述，但下面将指出对熟悉本领域技术的人在不违背本发明精神和范围的情况下，仍可能作出各种不同的修改和变化。因此，本发明应该根据后附权利要求书来加以度衡。

Claims (7)

1、一种用以封装包括多个基本平行层的电路部件平面阵列的装置，各层相互邻接，一或多层包含嵌入有电路板装置的绝缘材料衬底，至少贴着一层安置、用以从该装置排除热量的热交换装置，该热交换装置包含至少一个基本上为平面型的紧靠一个层的热交换器，以及用以把一种液体输送通过热交换器并具有防止液体泄漏的整合壁的装置，其特征在于还包括用于电连接线通过热交换装置的导管，安置该电连接线的导管绕过任何内部导液通路用以从该装置散热。

2、如权利要求1中所述的用以封装电路部件平面阵列的装置，其特征在于用于电连接线通过热交换装置的导管包含在热交换器中基本上与其表面正交的开孔，而连接线就安置于开孔中。

3、如权利要求2中所述的用以封装电路部件平面阵列的装置，其特征在于安置于开孔中的连接线与开孔的边缘相隔离。

4、如权利要求3中所述的用以封装电路部件平面阵列的装置，其特征在于连接线按一角度安置在开孔中而不与热交换器表面正交。

5、如权利要求1中所述的用以封装电路部件平面阵列的装置，其特征在于弹簧构件安置在一个层和热交换器之间，用以提供其间的电接触。

6、如权利要求5中所述的用以封装电路部件平面阵列的装置，其特征在于安置在一个层和热交换器之间的弹簧构件，是由一蚀刻平面形成的，它具有弯出于所述平面之外的各端部。

7、一种包含多个基本上平行的层的电路部件装置，其中各层相互邻接，一或多层包含嵌入有电路板装置的绝缘材料衬底，包含用以从该装置排除热量的装置的另一层，所述用以从装置排除热量的装置包含至少一个基本上为平面型的紧靠一个层的热交换器，用以把一种液体输送通过该热交换器并具有防止液体泄漏的整合壁的装置，以及用以提供通过热交换器将一层的电路板装置连接到另一层电路板装置的电子路径的装置。

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