CN103053022B - 挠性热交换器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种构造用于冷却一个或多个半导体部件的热交换器的方法，包括提供指定导热金属箔的第一平面板材和第二平面板材的步骤，其中每个板材具有外侧和内侧。该方法还包括在第一板材中形成一个或多个热接触节点(TCN)的步骤，其中每个TCN从第一板材的外侧向外延伸，并且包括平面接触构件和一个或多个侧部，侧部分别包括弹性部件，该弹性部件使得TCN的接触构件能够移向及移离第一板材的外侧，并且TCN的侧部和接触构件共同形成冷却剂腔室。沿着第一板材和/或第二板材的内侧配置通道段，其中每个通道段选择性地在两个TCN的冷却剂腔室之间、或在一个TCN的冷却剂腔室和输入端口或输出端口之间延伸。所述方法还包括接合第二板材的内侧至第一板材的内侧，以形成密封流路径的步骤，该密封流路径包括每个通道段，并使得液体冷却剂能够流入及流出每个TCN的冷却剂腔室。

Description

挠性热交换器及其制造方法

技术领域

本发明总体涉及一种用于冷却印刷电路板(PCB)器件、或其它半导体器件或部件的液体流通(liquidflowthrough，LFT)的热交换器。更具体地，本发明涉及上述类型的热交换器，该热交换器是挠性的(flexible)且可容易适用于具有可变高度或其它尺寸的半导体器件。

背景技术

高效能计算系统一直使用在较高功率密度上不断增加的功率量。因此，系统冷却需求已变得更具挑战性，且需要考虑使用液体冷却的解决方案。目前可用的液体冷却方法包括热管、蒸汽腔、以及液体流通解决方案。然而，这些解决方案趋于非常昂贵。

在使用液体冷却的系统中，也可能需要放置部件，用于移除与位于PCB组件等上的半导体器件物理接触的热量。然而，相邻半导体器件可能具有不同尺寸。而且，相同类型的两个半导体器件可能实际上具有针对这两个器件的不同的尺寸，即使这样的尺寸在这两个器件的允许容限内。因此，可能难以提供可有效适于满足针对这些不同器件的大小需求的热交换器部件。热接口材料(TIM)典型地由实施者用来执行填隙功能(gap-fillingfunction)(例如凝胶、油脂及热油灰(thermalputty))。然而，这限制了热传递效率。因此，需要改善本技术的目前状态。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种构造用于冷却一个或多个半导体部件的热交换器的方法。所述方法包括提供指定导热金属箔的第一平面板材和第二平面板材的步骤，其中每个板材具有外侧和内侧。所述方法还包括在第一板材中形成一个或多个热接触节点(TCN)的步骤，其中每个TCN从第一板材的外侧向外延伸，并且包括平面接触构件和一个或多个侧部。侧部可分别包括弹性部件，该弹性部件共同使得TCN的接触构件移向及移离第一板材的外侧，并且TCN的侧部和接触构件共同形成冷却剂腔室。由于每个TCN可以以不同的几何结构形成，并且每个TCN基本独立地、机械地发挥作用，因此所形成的多个TCN可容纳不同的器件高度。沿着第一板材和/或第二板材的内侧配置通道段，其中每个通道段选择性地在两个TCN的冷却剂腔室之间、或者在一个TCN的冷却剂腔室与输入端口或输出端口之间延伸。该方法还包括将第二板材的内侧与第一板材的内侧接合以形成密封流路径的步骤，该密封流路径包括每个通道段并使得液体冷却剂能够流入及流出每个TCN的冷却剂腔室。所述方法还包括连接器装置，其对流向/来自本发明的冷却剂进行耦合和解耦。

根据本发明的第二方面，提供了一种用于冷却一个或多个半导体部件的热交换器设备，所述设备包括：指定导热箔的第一平面板材，该第一平面板材具有外侧和内侧，其中一个或多个热接触节点(TCN)形成于第一板材中，每个TCN从第一板材的外侧向外延伸，且包括平面接触构件和一个或多个侧部，该侧部分别包括弹性部件，该弹性部件共同使得TCN的接触构件能够移向及移离第一板材的外侧，TCN的侧部和接触构件共同形成冷却剂腔室，并且通道段沿着第一板材的内侧配置，其中每个通道段选择性地在两个或多个TCN的冷却剂腔室之间、或在一个TCN的冷却剂腔室和输入端口或输出端口之间延伸；指定导热箔的第二平面板材，该第二平面板材具有外侧和内侧；以及用于将第二板材的内侧与第一板材的内侧接合以形成密封流路径的装置，该密封流路径包括每个通道段，并使得液体冷却剂能够流入及流出每个TCN的冷却剂腔室。

附图说明

现在将仅借助于示例参考以下附图来描述本发明的实施方式：

图1是示出本发明的一个实施方式的分解透视图，该实施方式包括基本相同尺寸的两个金属箔板材；

图2是示出在图1中描绘的板材中的一个的相对侧的透视图；

图3是沿着图2的线3-3截取的截面图；

图4是示出与相应半导体器件接合以从其移除热量的图1的实施方式的TCN的示意图；

图5是示出图1的实施方式的修改的示意图；以及

图6是示出图1的实施方式的进一步修改的示意图。

具体实施方式

所属技术领域的技术人员将会理解，本发明能够以系统或方法来具体实施。因此，本发明可采取全部为硬件的实施方式、全部为过程的实施方式(包括设计、制造、组装与使用步骤等)、或者方法和硬件方面相结合的实施方式的形式，上述实施方式在本文中可全部一般称为“过程”或“组件”或“系统”。

本发明的实施方式提供了一种用于从半导体器件或部件(诸如，单个模块或整个PCB组件上的半导体器件或部件)移除热量的方法及设备。实施方式提高了简化程度、降低了成本，并可容易适于与彼此相邻但彼此为不同大小或尺寸的多个半导体部件一起使用。本发明的实施方式也能够适应在相同类型的半导体器件中出现的高度、或其它重要尺寸的变化。

参考图1，其中示出了本发明的一个实施方式的分解透视图，该实施方式包括用于从多个半导体器件或部件移除热量的液体流通(LFT)热交换器。该热交换器可容易适于与彼此相邻但尺寸不同的器件一起使用。图1示出两个矩形的、基本平面的金属箔板材(sheet)10和12，该板材有用地具有相同尺寸。因此，板材10的长度与截面分别等于板材12的长度与截面。金属箔板材10和12由具有高导热系数的材料(诸如铜、黄铜合金、铍铜(BeCu)、铝、铝合金、或不锈钢)形成。然而，本发明并未局限于此。

板材10和12中的每一个都具有内侧，诸如板材12的内侧12a。板材10的内侧10a在图2中示出。每个板材也具有外侧，诸如板材10的外侧10b。在制造图1的热交换器过程中，板材10和12接合在一起，使得内侧10a与12a彼此维持紧密的相邻关系。接合该这两个板材也是有用的，从而其各自的对应角彼此对齐，如图1所示。然而，在两个板材可被接合在一起之前，需要在两个板材中至少一个板材的材料中形成某种结构特征或三维特征。这些结构特征可由与图1的热交换器一起使用以从其移除热量的半导体器件的具体配置来确定。

进一步参考图1，其通过示例而非限制示出了热接触节点(TCN)14与16，其分别在金属箔板材10中形成，且因此是热传导性的。TCN14具有平面接触构件14a，且TCN16具有平面接触构件16a。构件16a以某个间隔量从外侧10b向外延伸，且相对于外侧10b由侧部16b-16e支撑，所述侧部分别沿着接触构件16a的四侧定位。如下面更详细描述的，每个侧部包括刚性部件和弹性部件。该刚性部件稳固接合至板材10的外侧10b。该弹性部件位于刚性部件与构件16a之间，以允许构件16a向着外侧10b或远离外侧10b移动或弯曲，即沿着Z轴移动。

平面接触构件14a类似地被侧部14b-14e支撑以沿着Z轴移动，所述侧部分别沿着接触构件14a的四侧定位。每个侧部14b-14e的构造和功能与侧部16b-16e类似。

图1也示出了平面接触构件14a与16a以特定距离彼此隔开。这表示图1的热交换器被制造后将可用来冷却两个半导体器件，这两个半导体器件同样以隔开构件14a与16a的该特定距离隔开。此外，图1示出接触构件16a明显大于构件14a。这表示，相比于将与TCN14一起使用的器件，将与TCN16一起使用的器件更大或者需要更大的热接触表面区域。

如上所述，如图1所示那样提供两个TCN仅是示例性的，且本发明并不局限于此。更一般地，需要强调的是，在板材10上形成的TCN的数量、以及其各自的大小和位置可容易适于满足用于电子部件热量移除的许多不同应用的需求。该能力强调了本发明的实施方式所提供的挠性。针对特定应用设计的特定TCN配置可通过对板材10进行压印(embossing)或模制、或者通过使用所属技术领域的技术人员熟知的其它技术制成。

为了执行热量移除功能，需要提供流入及流出每个TCN及其各自的平面接触构件14a和16a的冷却剂流体。因此，除了在板材10中形成TCN14和16之外，冷却剂流动通道也在其中形成。更特别地，图1示出了在板材10中形成的通道段18、20与22。这些通道段中的每一个具有半圆形截面，且相对于板材10的侧10b凸起，即，每一通道段从侧10b向外延伸。通道段18从通道端部18a延伸至TCN16。通道段20从TCN16延伸至TCN14，且通道段22从TCN14延伸至通道端部22a。

参考图2，其中示出了板材10的内侧10a，即板材10的与外侧10b相对的一侧。图2进一步示出接触构件16a及TCN16的侧部16b-16e共同形成腔室或隔室24，其可收容及包含液体冷却剂流体。冷却剂通道段18的端部18b形成为接达或通达腔室24。同样地，通道段20的端部20a接达或通达腔室24。

进一步参考图2，可以看到，与TCN16类似，TCN14的接触构件14a与侧部14b-14e共同形成可收容及包含冷却剂流体的腔室26。通道段20的端部20b与通道段22的端部22b各自均接达或通达腔室26。

再次参考图1，可以理解，当板材10和12如上所述接合在一起时，除了在接达通道段的位置之外，腔室24和26会完全封闭。而且，除了在通道端18a和22a之外，腔室24和26与通道段共同包括一封闭的系统。通过将通道端部中的一个用作输入端口，将另一个用作输出端口，液体冷却剂流体可通过通道段选择性地循环，且通过TCN16的腔室24和TCN14的腔室26选择性地循环。

在将金属箔板材10和12接合在一起时，激光熔接可用来接合板材10和12的围绕或接近TCN14和16、且接近通道段18-22的区域。这将确保含流体的腔室24及26与通道段的非常紧密的密封的形成。板材10和12的边缘可经由激光熔接接合，或者可经由黏着剂、或诸如焊接的冶金工艺予以接合。

图1进一步示出在板材12中形成的小通道段28与30。这些通道段中的每一个具有半圆形截面，且相对于内侧12a凸起，即，每一通道远离板材10延伸，如图1所示。当板材10和12接合在一起时，通道段28与30被定位以分别与通道端18a及22a匹配。这为通道段18和22中的每一个提供了在其开口处的圆孔。接头32和34中的每一个都被确定大小并适应这些孔中对应的一个孔。然后接头可连接至传统冷却剂流体泵(未示出)，这些接头中的一个(诸如接头34)被选择作为输入端口，另一个被选择作为输出端口。通过操作泵，液体冷却剂流体会循环至每一个TCN，如上所述，用于热量移除应用。冷却剂流体可包括蒸馏水、或所属技术领域的技术人员用来从半导体器件移除热量的其它流体。

现在参考图3，其中示出了沿着图2的线3-3，透过金属箔板材10取得的截面图。因此图3了描述TCN16的侧部16e及16c的特征。更特别地，其中示出了这些侧部中的每一个包括具有相当刚性的部件36。即，当TCN16在板材10中形成时，侧部部件36中的每一个被构造为使得其不会关于板材10的相邻部分移动。

进一步参考图3，其中示出了附接至每一刚性部件36的部件38，并且部件38也附接至TCN16的接触构件16的一侧或边缘。在板材10的形成中，每一部件38以波纹管(bellows)的方式制成或被制造为如同波纹管那样发挥作用，使得其能够弯曲或具有弹性。接触构件16a如此可移向或移离板材10，即，向上或向下或沿着Z轴移动，如图3所示。在板材10的形成中，TCN的弹性部件38有用地具有预先指定的弹性常数，以允许TCN的元件在板材10材料的弹性限度内压缩或伸长。

虽未在图3中示出，但侧部16b和16d中的每一个均包括刚性部件和弹性部件，其分别与刚性部件36与弹性部件38类似或相同。

进一步参考图3，其中示出了侧部14e和14c，每一侧部包括刚性部件40与弹性部件42。每一部件40类似于部件36，且每一部件42类似于部件38，如上所述。因此，TCN14的接触构件14a能够以与接触构件16a相同的方式沿着Z轴移动。

虽未在图3中示出，但侧部14b与14d中的每一个均包括刚性部件和弹性部件，其与在图3示出的有关于侧部14c与14e的部件类似或相同。

参考图4，其中示出了用以说明利用或操作上述实施方式以从半导体电子器件移除热量的示意图。更特别地，图4示出了安装在印刷电路板(PCB)44或类似物上的半导体器件46与48，其中TCN16的接触构件16a与器件46形成接触关系。因此，来自器件46的热量会传递至导热构件16a，且通过构件16a而到达包含在腔室24中的液体冷却剂50。如上所述，液体冷却剂可流过腔室24循环，藉此从其移除热量。

类似地，图4示出了与半导体器件48接触的TCN14的接触构件14a，以从其移除热量及传递热量至腔室26中的冷却剂50。

应理解，图4示出的半导体器件46及48的尺寸显然彼此不同。有鉴于此，TCN14及16同样地已被构造为彼此不同，且其每一个已适于匹配其对应的半导体器件。因此图4进一步说明了可由本发明的实施方式提供的挠性，以适应不同的冷却需求。应考虑任何合理数量的TCN与通道段可在板材10上形成，且其配置满足半导体器件的特定布置。

为了说明由本发明的实施方式提供的更大效益，图4示出了具有高度标志46a的半导体器件46。该标志代表器件46可以具有的最小高度，且该高度仍然是在其预先指定的容限内。图4进一步示出了器件46相比于最小高度需求46a超过了量Δ。然而，通过构造如上述的TCN16，弹性部件38支持以相同的量Δ调整或补偿接触构件16a，而保持紧密接触器件46以提供有效的热传递。如图4所示，构件16a向上移动量Δ，以适应部件46超过其最小允许高度的高度。同时，部件38的弹性可避免器件46或TCN16受到过度压力，且避免超过其弹性限度。

在图1示出的实施方式的修改中，具有类似于与板材10有关的上述特征的一或多个TCN及通道段也可在板材12中形成。所获得的修改后的热交换器然后可置于半导体器件的两个配置之间，且其中一个配置由板材10的TCN予以冷却，而另一配置由板材12的TCN予以冷却。

在另一修改中，在形成任何TCN或通道段之前或之后，两个板材10和12的内侧会被称为势垒金属(barriermetal)的金属加以涂覆。此金属不会与用作冷却剂流体的液体发生反应。因此，使用势垒金属可减少热交换器的内部腐蚀。

在又一修改中，一个或多个通道段的截面可形成为大于其它段的截面，以增加冷却剂从特定TCN流出的速率。例如，如果冷却剂从通道端部22a流过相应通道段以及TCN14和16，到达通道端部22a，那么通道段18的直径可形成为大于通道段22的直径。这样会增加冷却剂从TCN16流出的速率，且因此会提高TCN16散热的能力。作为备选方案，两个或更多个通道段可在板材10中形成，以将热量带离TCN16。

参考图5，其中示出了类似于TCN14及16的TCN52。因此TCN52包括平面接触构件52a及侧部52b-52e，其共同形成冷却剂腔室。在本发明的修改中，包括一连串波、或小山及波谷的结构54形成为TCN52的一部分，即，与TCN52的其他部件或就地整合。因此结构54被包含在TCN52的冷却剂腔室中，与构件52a整体形成并且在构件52a上被支撑。

通过在TCN52的冷却剂腔室中放置结构54，流过该冷却剂腔室的冷却剂会变得相当紊乱。此紊流(turbulence)接着会使流体更有效地驱散已从与构件52a接触的半导体器件传递给该腔室中流体的热量。

参考图6，其中示出了类似于TCN14及16的TCN56。因此TCN56包括平面接触构件56a与侧部56b-56e，其共同形成冷却剂腔室。在本发明的进一步修改中，与图5中的结构54类似，结构58包括一连串波、或小山及波谷。然而，结构58独立于TCN56而形成，且结构58在TCN56形成之后被置入TCN56的冷却剂腔室中。结构58以类似于结构54的方式使TCN56的腔室中的冷却剂形成紊流。

本文中使用的用语仅是为了描述特定实施方式，而非旨在对发明构成限制。除非上下文中特别指出，否则如本文中所使用的单数形式“一”、“一个”和“该”也旨在包括复数形式。更应理解，如本说明书中使用的，用语“包括”和/或“包含”指明了所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但未排除存在或增加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其群组。

在后面的权利要求书中，所有“装置或步骤加功能”形式的组件的对应结构、材料、动作和等同物意欲包括任何结构、材料、或动作，用以执行与其它要求保护的组件结合的功能，如具体要求保护的那样。本发明的描述已为了说明与阐述目的来呈现，而不意为排他性的或以所公开的形式来限制本发明。所属技术领域的技术人员应明白在不背离本发明的范围与精神的情况下可进行许多修改与变化。已选择及描述了该实施方式，以最佳地说明本发明的原理与实际应用，以及使所属技术领域的技术人员针对适合所预期的特定用途的具有不同修改的各种不同实施方式来理解本发明。

本发明可采取全部为硬件的实施方式、全部为方法的实施方式、或包含硬件与方法组件两者的实施方式的形式。在优选实施方式中，本发明以过程来实施，其包括但不限于实际部件、零件及具体过程步骤，以设计、制造及利用本发明。

本发明的描述已为了说明与阐述目的来呈现，而不意为排他性的或以所公开的形式来限制本发明。所属技术领域的技术人员应明白可进行许多修改与变化。已选择及描述了该实施方式，以最佳地说明本发明的原理与实际应用，以及使所属技术领域的技术人员针对适合所预期的特定用途的具有不同修改的各种不同实施方式来理解本发明。

Claims (15)

1.一种构造用于冷却多个半导体部件的热交换器的方法，所述方法包括步骤：

提供指定导热金属箔的第一平面板材和第二平面板材，其中所述板材中的每一个具有外侧和内侧；

在所述第一平面板材中形成多个热接触节点TCN，其中每个TCN从所述第一平面板材的所述外侧向外延伸，并且包括平面接触构件以及一个或多个侧部，TCN的所述侧部和所述接触构件共同形成冷却剂腔室；

沿着所述第一平面板材的所述内侧配置通道段，其中每个通道段选择性地在两个或多个TCN的所述冷却剂腔室之间延伸、或者在一个TCN的所述冷却剂腔室与输入端口或输出端口之间延伸；以及

将所述第二平面板材的所述内侧与所述第一平面板材的所述内侧接合以形成密封流路径，所述密封流路径包括每个通道段，并使得液体冷却剂能够流入及流出每个TCN的所述冷却剂腔室，其中，每个TCN具有沿Z轴测量的尺寸，所述Z轴与所述第一平面板材正交，并且所述TCN中的一个TCN的Z轴尺寸不同于所述TCN中的另一个TCN的Z轴尺寸，

其中：

一个或多个所述通道段的截面被制成不同于一个或多个其他所述通道段的截面，以使所述冷却剂以如下速率流出所述TCN中的至少一个TCN的所述冷却剂腔室，所述速率不同于所述冷却剂流出所述TCN中的另一个TCN的所述冷却剂腔室的速率。

2.如权利要求1所述的方法，其中：

至少一个所述TCN中的所述侧部分别包括弹性部件，所述弹性部件共同使得所述TCN的所述接触构件能够移向所述第一平面板材的所述外侧和移离所述第一平面板材的所述外侧。

3.如权利要求2所述的方法，其中：

所述侧部中的每一个侧部的所述弹性部件包括波纹管结构。

4.如权利要求1所述的方法，其中：

一个或多个TCN形成在所述第二平面板材中，其中在所述第二平面板材中形成的每个TCN从所述第二平面板材的所述外侧向外延伸，并且包括平面接触构件和一个或多个侧部。

5.如权利要求1所述的方法，其中：

选定结构被放置在给定冷却剂腔室中，以引起流过所述给定冷却剂腔室的冷却剂紊流。

6.如权利要求1所述的方法，其中：

所述TCN和所述通道段借助于压印工艺形成在所述第一平面板材中。

7.如权利要求1所述的方法，其中：

激光焊接工艺被使用，以将所述第一平面板材和所述第二平面板材在分别围绕每个所述TCN和每个所述通道段的区域接合在一起。

8.如权利要求1所述的方法，其中：

在形成所述TCN和配置所述通道段之前，所述第一平面板材和所述第二平面板材的所述内侧各自涂覆有不与所述冷却剂发生反应的选定势垒金属。

9.如权利要求1所述的方法，其中：

所述通道段和冷却剂腔室共同限定所述冷却剂从所述输入端口流向所述输出端口的路径。

10.一种用于冷却多个半导体部件的热交换器设备，所述设备包括：

指定导热箔的第一平面板材，所述第一平面板材具有外侧和内侧，其中多个热接触节点TCN形成在所述第一平面板材中，每个TCN从所述第一平面板材的所述外侧向外延伸，并且包括平面接触构件和一个或多个侧部，所述侧部分别包括弹性部件，所述弹性部件共同使得所述TCN的所述接触构件能够移向所述第一平面板材的所述外侧和移离所述第一平面板材的所述外侧，TCN的所述侧部和所述接触构件共同形成冷却剂腔室，并且通道段沿着所述第一平面板材的所述内侧被配置，其中每个通道段选择性地在两个或多个TCN的所述冷却剂腔室之间延伸、或者在一个TCN的所述冷却剂腔室与输入端口或输出端口之间延伸；

所述指定导热箔的第二平面板材，所述第二平面板材具有外侧和内侧；以及

用于将所述第二平面板材的所述内侧与所述第一平面板材的所述内侧接合以形成密封流路径的装置，所述密封流路径包括每个通道段，并使得液体冷却剂能够流入及流出每个TCN的所述冷却剂腔室，

其中：

一个或多个所述通道段的截面被制成不同于至少一个或多个其他通道段的截面，以使所述冷却剂以如下速率流出一个或多个所述TCN的所述冷却剂腔室，所述速率不同于所述冷却剂流出所述TCN中的另一个TCN的所述冷却剂腔室的速率，

其中，所述TCN中的第一TCN适于接触第一半导体部件，并且所述TCN中的第二TCN适于接触第二半导体部件，其中所述第一半导体部件和第二半导体部件彼此相邻，并且具有彼此不同的各自的高度尺寸。

11.如权利要求10所述的设备，其中：

每个侧部的所述弹性部件包括波纹管结构。

12.如权利要求10所述的设备，其中：

选定的液体紊流结构被放置在给定冷却剂腔室中，以使冷却剂的紊流流过所述给定冷却剂腔室，以便提高所述TCN的热传递效率。

13.如权利要求10所述的设备，其中：

所述TCN和所述通道段借助于压印工艺形成在所述第一平面板材中。

14.如权利要求10所述的设备，其中：

所述第一和第二平面板材的所述内侧各自涂覆有不与所述冷却剂发生反应的选定势垒金属。

15.如权利要求10所述的设备，进一步包括：

输入冷却剂连接器，与所述输入端口接合，用于接收来自冷却剂循环机构的冷却剂；以及

输出冷却剂连接器，与所述输出端口接合，用于使所述冷却剂返回至所述冷却剂循环机构。