CN103021877B

CN103021877B - 一种采用双路径传热的高密度芯片散热方法

Info

Publication number: CN103021877B
Application number: CN201210561704.7A
Authority: CN
Inventors: 严红; 李强
Original assignee: 709th Research Institute of CSIC
Current assignee: 709th Research Institute of CSIC
Priority date: 2012-12-22
Filing date: 2012-12-22
Publication date: 2016-03-09
Anticipated expiration: 2032-12-22
Also published as: CN103021877A

Abstract

一种采用双路径传热的高密度芯片散热方法，包括芯片、印制板、导热绝缘介质、散热器，其特征在于：其步骤如下：首先芯片焊接于印制板上；然后芯片表面及印制板底面均安装散热器；最后芯片与散热器之间、印制板与散热器之间填充导热绝缘介质。其优点是:通过建立两条并联的传热路径，将芯片传热路径上的热量分流，减小了传热路径上的热流密度，可提高芯片的散热能力，解决高密度芯片的热积累问题，降低芯片的核心温度。

Description

一种采用双路径传热的高密度芯片散热方法

技术领域

本发明涉及电子散热技术领域，具体地说是一种采用双路径传热的高密度芯片散热方法。

背景技术

随着计算机功能的日益增强和高频化趋势发展，现代计算机对各重要部件的散热要求越来越高，除了CPU，主板北桥芯片组、显卡等都有很高的散热需求。计算机散热的方式很多，目前主要有风冷、液冷、半导体制冷、热管传导等。但不管哪种散热方式，都会在发热芯片表面贴装一个散热器，所不同的是散热器的形式，有板状的、肋片状的、鳍柱状的、内嵌热管的或内嵌液冷管的。但这些散热方式都仅考虑了芯片封装壳体表面的单向传热路径，只能通过减少单传导路径上的温度梯度来解决散热问题，即，在芯片表面贴装上各种类型的散热器，来扩散或转移芯片的热量。当芯片表面贴装上散热器后，芯片的热量主要通过芯片的封盖传向散热器。由于现代芯片的高集成度，芯片封盖的表面积非常小，因此，芯片封盖与外部散热器之间的传导截面上的热流密度会很大，如一块I7CPU芯片，当其满负荷工作时其表面热流密度可达25w/cm，此时芯片与散热器之间的热阻很大，芯片的热积累会很严重，从而导致芯片核心温度过高。

下面结合附图做进一步详细说明。图1为焊接于多层印制板（PCB）的BGA芯片封装结构示意图。

当芯片工作时，核心chip3a发热，热量通过导热粘合材料2a向封盖1a传递，同时通过核心焊球4a向基板5a传递，基板5a再将热量通过基板焊球6a向芯片对应的电路层PCB敷铜箔8a传递，对应的PCB敷铜箔8a再将热量向各层PCB基板7a传递。

当芯片封盖1a上不增加外部散热器时，热源核心chip3a散发的热量依靠封盖1a和PCB与环境进行对流和辐射交换。由于芯片基板5a通常大于芯片封盖1a，而PCB比芯片封盖1a更是大得多，因此，PCB与环境的热交换能力比封盖1a也强的多，此时核心chip3a的热量将主要通过基板5a向PCB传递，所以通过基板5a的热流大于通过封盖1a的热流。

当封盖1a上增加外部散热器时，由于散热器为导热率远高于非金属的铝材或铜材，且散热面积也远大于PCB的面积，因此散热器的散热能力比PCB强得多，此时核心chip3a的热量将主要通过封盖1a向散热器传递，所以通过封盖1a的热流远大于通过基板5a的热流。由于封盖的尺寸很小，当芯片的功率较大时，封盖上的热流密度就非常大，容易产生热积累，造成核心chip3a上的温度骤升。

根据本发明人对某图形板上图形芯片的温度检测：在该图形芯片封盖面装有导热板的前提下，图形板运行3DMAX时，图形芯片核心与芯片封盖上的温差为44℃，而图形芯片核心与正对芯片的PCB底面温差仅为26℃。这充分说明芯片核心chip3a向芯片基板5a的传热能力远大于核心chip3a向芯片封盖1a的传热能力，芯片基板5a方向的散热潜力没有得到发挥。

发明内容

本发明是为了弥补上述现有技术的不足而提供的一种采用双路径传热的高密度芯片散热方法，该方法将柔性导热绝缘材料与散热器相结合，使散热器可安装于贴装了高密度芯片的PCB底面，挖潜了芯片基板的散热能力，开发了一条由芯片核心——芯片基板——PCB——散热器——热沉的传热路径，将目前芯片散热仅通过芯片核心——芯片封盖——散热器——热沉的单条传热路径扩展为两条双向并行的传热路径，减小了芯片传热路径上的热流密度。

本发明一种采用双路径传热的高密度芯片散热方法，包括芯片、印制板、导热绝缘介质、散热器，其步骤如下：首先芯片焊接于印制板上；然后芯片表面及印制板底面均安装散热器；最后芯片与散热器之间、印制板与散热器之间填充导热绝缘介质。

所述印制板与散热器之间填充的导热绝缘介质为极易变形让位的柔性材料，其可以是泥状的导热绝缘垫，也可以为导热绝缘灌封胶，用于将芯片基板传给印制板的热量导向散热器，同时将散热器与印制板底面的焊脚、电容及其它电器件进行绝缘隔离。

所述散热器可以是导热板形式的，与PCB形成导热插件模块，用于插槽式传导散热机箱；所述散热器也可以是翅片状，用于采用风冷散热的开放式机箱。

进一步地，所述散热器上也可以嵌装热管或液冷管，用于进一步降低散热器内的传导热阻或将热量转移至其他低温区。

本发明一种采用双路径传热的高密度芯片散热方法的优点是：在不改变芯片和PCB既定结构的情况下，通过外装PCB散热器，挖潜了芯片基板的传热能力，将芯片热量向基板方向分流，使目前芯片散热模式由芯片核心向封盖一个方向的传热扩展为由芯片核心向封盖、基板两个方向的传热，减小了芯片传热路径上的热流密度，可提高芯片的散热能力，解决高密度芯片的热积累问题，降低芯片的核心温度。

图1为焊接于多层印制板的BGA芯片封装结构示意图；

图2为本发明实施例的一种结构示意图，用于依靠传导散热的模块化PCB插件。

图3为该发明实施例的另一种结构示意图，用于依靠风冷散热的PCB。

图中，1a—封盖，2a—导热粘合材料，3a—核心chip，4a—核心焊球，5a—基板，6a—基板焊球，7a—PCB基板，8a—PCB敷铜箔。

1—PCB、2—芯片导热板、3—导热垫、4—芯片、5—锁紧器、6—焊脚、7—器件、8—柔性导热绝缘介质、9—PCB导热板、10—芯片散热器、11—PCB散热器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明：

根椐图2、图3所示，本发明一种采用双路径传热的高密度芯片散热方法，其实施例包括PCB1、芯片导热板2、导热垫3、芯片4、锁紧器5、焊脚6、器件7、柔性导热绝缘介质8、PCB导热板9、芯片散热器10、PCB散热器11。

PCB1的top面上采用表面贴装的方式焊接有芯片4，PCB1的bottom面上有焊脚6、其它器件7。

当使用场合为密闭式插箱时，采用图2所示方式，即：在PCB1的top面安装芯片导热板2，导热板2上对应芯片4处加工有导热凸台，便于与芯片4的封盖接触，若PCB1上有N个需要导热的芯片，导热板2上就加工N个导热凸台；为了弥补导热凸台与芯片4之间的空气间隙，在导热凸台与芯片接触面之间夹装一块导热垫3，导热垫3应选用导热率高的材料，厚度在满足变形需求前提下尽量小；在PCB1的bottom面安装PCB导热板9，PCB1与导热板9之间用柔性导热绝缘介质8隔离，柔性导热绝缘介质8应选用极易变形让位的柔性材料，其可以是泥状的导热绝缘垫，也可以为导热绝缘灌封胶，以保证填充PCB1与PCB导热板9之间的空气间隙。柔性导热绝缘介质8的厚度需大于PCB1的bottom面上器件和焊脚的高度，以保证器件和焊脚与导热板9之间的电绝缘。柔性导热绝缘介质8在满足绝缘和变形让位的情况下，其导热率越高越好；芯片导热板2与PCB导热板9在两侧边一定宽度范围内贴合在一起，并在芯片导热板2一面安装锁紧器5，以保证该模块插入机箱后芯片PCB导热板9能贴紧机箱导槽，实现芯片导热板2与PCB导热板9向机箱进行热量传导。根据模块的结构或尺寸需求，锁紧器5也可以安装在PCB导热板9的一面。

当使用场合为开放式风冷机箱时，采用图3所示方式，则图2所示的芯片导热板2换成芯片散热器10，若PCB1上有N个高功率的芯片，则安装N个独立的芯片散热器10，PCB导热板9换成PCB散热器11，锁紧器5取消。其余状况同图2一致。

当芯片4工作时，芯片4耗散的热量通过芯片4的封盖经导热垫3传导给紧贴其上的芯片导热板2（图2形式）或芯片散热器10（图3形式），同时通过芯片4的基板传导给PCB1，再由PCB1经柔性导热绝缘介质8传导给PCB导热板9或PCB散热器11。由于芯片4基板的截面积通常几倍于芯片4封盖的截面积，且PCB1底面的面积几十倍于芯片4封盖的截面积，故芯片4沿芯片基板——PCB1——PCB导热板9（或PCB散热器11）路径传导的热阻小于芯片4沿芯片封盖——芯片导热板2（或芯片散热器10）路径传导的热阻，因此原来通过芯片封盖传导的热量向芯片基板大量分流，沿原路径传导的热量减少，则沿该路径上的温度梯度减小，导致同一环境条件下芯片核心的温度降低。

根据本发明人对本发明实施例一（图2）的测试结果，当芯片4散热由封盖上安装芯片导热板2一条路径传导扩展为封盖上安装芯片导热板2和PCB1底面安装PCB导热板9两条路径传导后，I7CPU芯片核心温度下降10℃，M96GPU芯片核心温度下降18℃。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。在不脱离本发明所公开的精神下能完成的多个等效或修改的实施例都落入本发明保护的范围。

Claims

1.一种采用双路径传热的高密度芯片散热方法，包括芯片、印制板、导热绝缘介质、散热器，其特征在于：其步骤如下：首先芯片焊接于印制板上；然后芯片表面及印制板底面均安装散热器；最后芯片与散热器之间、印制板与散热器之间填充导热绝缘介质；

所述的印制板与散热器之间填充的导热绝缘介质为极易变形让位的柔性材料，柔性导热绝缘介质的厚度需大于PCB的Bottom面上器件和焊脚的高度，其是泥状的导热绝缘垫，或者为导热绝缘灌封胶，用于将芯片基板传给印制板的热量导向散热器，同时将散热器与印制板底面的焊脚、电容及其它电器件进行绝缘隔离；

所述的散热器是导热板形式的，与PCB形成导热插件模块，用于插槽式传导散热机箱；芯片导热板与PCB导热板在两侧边一定宽度范围内贴合在一起，并在芯片导热板一面安装锁紧器,或将锁紧器安装在PCB导热板的一面，以保证该导热插件模块插入机箱后芯片导热板或PCB导热板能贴紧机箱导槽，实现芯片导热板与PCB导热板向机箱进行热量传导，或者所述散热器是翅片状，用于采用风冷散热的开放式机箱。

2.如权利要求1所述的一种采用双路径传热的高密度芯片散热方法，其特征在于：所述散热器上嵌装热管或液冷管，用于进一步降低散热器内的传导热阻或将热量转移至其他低温区。