CN103247583B - 柔顺性针状鳍片散热器及方法 - Google Patents

Abstract

一种散热器包括与热源表面基本平行设置的多个层。这些层包括平面排列彼此间隔开的多个针部，其中该多个层的针部被堆叠并粘合以形成相对于散热器的热源沿横向延伸的针状鳍片以散热。在针状鳍片和机械负载之间设置至少一个柔顺层。该柔顺层提供柔顺性，从而针状鳍片在与热源对接时适应尺寸差别。

Description

柔顺性针状鳍片散热器及方法

技术领域

本发明涉及集成电路封装，具体涉及针状鳍片散热器及其构造方法。

背景技术

对半导体器件进行冷却通常需要使用相对厚的热界面材料(TIM)来吸收散热器和被冷却的器件之间的表面光滑度差别。由于各种原因，这些材料以及将其插入系统中的工艺增加了热阻并降低了系统可靠性。柔顺性热界面(CTI)散热器通过可与芯片表面贴合的表面而避免了该问题。这种系统通常包括金属弹簧层。这些系统是昂贵的。相关的柔顺性针状鳍片(CPF)散热器包括通常结合内置弹簧的硬性针构成的底座。然而，尚没有生产用于单芯片模块(SCM)或多芯片模块(MCM)的这类器件的可用工艺。

发明内容

根据本原理，散热器包括与热源表面基本平行设置的多个层。这些层包括平面排列彼此间隔开的多个针部，其中这些层的针部被堆叠并粘合以形成相对于热源沿横向延伸的针状鳍片以散热。在针状鳍片和机械负载之间设置至少一个柔顺层。该至少一个柔顺层提供柔顺性，从而针状鳍片在与热源对接时适应尺寸差别。

散热器包括平面排列彼此间隔开的多个针部。针部导热。链接连接多个针部中至少一组相邻针部，以形成平面薄片，从而针部的宽度和链接的宽度之比配置为使得平面薄片是柔韧的。

用于形成柔顺性散热器的方法包括提供与热源表面平行的多个层，其中每层包括平面排列彼此间隔开的多个针部，还包括可去除链接，可去除链接连接相邻针部使得针部的宽度和链接的宽度之比配置为使得平面薄片是柔韧的；对准相邻薄片的针部；以及粘合相邻薄片的针部以形成粘合的薄片堆叠，其中针部形成从热源横向延伸的针状鳍片柱以使负载散热。

通过以下结合附图对示例性实施例进行的详细说明，这些以及其他特征和益处是显而易见的。

附图说明

本公开通过参考下面附图在以下对优选实施例的描述中提供细节，其中附图中：

图1是采用根据本原理的柔顺性薄片的示例性散热器系统的侧视图，其中针状鳍片位于外壳内，没有示出针部之间的链接；

图2是图1的细节A的放大视图，更详细地示出根据本原理的针部；

图3是根据一个实施例的冷却剂流外壳的顶视图，其中去除了顶层并示出在剖面线B-B处所取的截面视图，其描绘了外壳内的针状鳍片，未示出针部间的链接；

图4是根据本原理的针状鳍片位于外壳内未显示链接的示例性散热器系统的侧视图，其中外壳的一部分包括散热器堆叠中的针部间的柔顺薄片；

图5是根据本原理的带有柔顺薄片的示例性散热器系统的侧视图，其中链接在散热器堆叠的针部间；

图6根据本原理的示例性散热器系统的侧视图，其中去除了链接并且示出两个热源器件；

图7是根据一个示例实施例的单个散热器薄片的顶视图，显示了链接图案和手柄；

图8是根据一个示例实施例的显示了链接图案的单个散热器薄片的透视图；

图9是根据一个示例实施例的显示了手柄的散热器薄片堆叠的透视图；以及

图10是显示用于制造根据示例实施例的散热器堆叠的方法的框图/流程图。

具体实施方式

根据本原理，提供了针状鳍片柔顺性散热器(PFCHS)。使用一个或多个针形成结构所形成的薄片来形成散热器。可以把包括这种针形成结构的薄片的多个层堆叠起来以占据热源和支撑结构之间的空隙空间。这些层可包括柔顺性元件，或者可设置在柔顺性元件上，以提供柔顺性并适应需要桥接的不同高度或空隙距离。本实施例提供了一种便宜的制造工艺以及可定制的柔顺装配，用于支撑负载和/或接触热源，如芯片或其他电子元件。堆叠的薄片不限于单芯片模块(SCM)或多芯片模块(MCM)，而是可用于可受益于散热器的任何热源。

根据特别有用的实施例，通过一个接一个地堆叠包括柱形细针部的薄片来制造针状鳍片柔顺性散热器(PFCHS)，而且，总体而言，堆叠采用薄的贴合性(conformable)界面薄片(例如外壳壁)。贴合性界面薄片贴合器件表面(例如热源或附近的结构)。贴合性界面薄片可用作流动的冷却剂的限制部分。存在贴合性界面薄片的情况下，基本单独的柔顺薄片或柔顺层形成分布式弹簧，以提供或适应柱形针状鳍片上的机械负载。单独柔顺层可设置在外壳的顶层(贴合性界面薄片)和负载结构之间，以提供从顶层到针状鳍片的柔顺负载。

在一个实施例中，优选地，包括柱形针的诸层包括柱形部之间的定位连接或链接。组装后，这些连接或连接的一部分可被除去或断开以允许完成后得到的每个针能够独立运动或弯曲。得到的针可与贴合性界面薄层或柔顺层接附，或者不与之接附。通过除去链接，得到的散热器甚至更柔韧。

应该理解，将根据给出的具有耦合有散热器结构的热源的示例架构描述本发明；然而，其他架构、结构、材料和工艺特征与步骤可在本发明范围内变化。

还应该理解，当指出如界面层、热源、散热器等的元件位于另一元件“之上”或“上面”时，该元件可直接位于另一元件上，或者也可以存在中间元件。相反，指出一个元件“直接”位于另一元件“之上”或“上面”时，没有中间元件的存在。还应该理解，指出一个元件“连接”或“耦合”到另一元件时，该元件可能直接连接或耦合到另一元件或者可以有中间元件。相反，指出一个元件“直接连接”或“直接耦合”到另一元件时，没有中间元件的存在。

可用计算机图形编程语言来创建集成电路芯片封装或器件的设计并将其存储在计算机存储介质中(如磁盘、磁带、物理硬盘或如存储存取网络的虚拟硬盘)。如果设计者不制造芯片或芯片封装，设计者可直接或间接地以物理方式(例如提供保存设计的存储介质的备份)或电子方式(例如通过互联网)把结果设计传送给这些实体。然后把保存的设计转换成适当的格式(如GDSII)，这种格式通常包括芯片封装设计的多个备份。

此处所述方法可用于集成电路芯片或芯片封装的制造。所得集成电路芯片或芯片封装可由制造商以封装形式作为单片封装或多片封装出售。芯片可安装在单片封装上(如塑料载体，带有附接到主板或其他高级载体的引线)或多片封装上(如具有表面互连或埋线互连中一种或两种的陶瓷载体)。芯片或芯片封装可集成有其他芯片、分立式电路元件和/或其他信号处理器件作为(a)诸如主板的中间产品，或者(b)最终产品中的任一种的一部分。最终产品可以是包括集成电路芯片的任何产品，从玩具及其他低端应用到具有显示器、键盘或其他输入设备以及中央处理器的高级计算机产品。

现在参看附图，其中相似标号代表相同或类似元件，首先参看图1和图2，示例性组装部件10示出了采用本原理的示例布置。组装部件10包括衬底20，衬底20包括发热的源或热源12。衬底20可以包括印刷线路板、机箱结构、架构结构壁等。热源12可以是任何发热的热源或元件。在特别有用的实施例中，热源12包括集成电路，如芯片或多芯片封装。在另一实施例中，热源12可包括单个或多个电子元件、电子器件、加热元件(例如在模铸应用中)。

在热源12之上设置有冷却剂外壳34，以从热源吸热。冷却剂外壳34包括针形成薄片28构成的层，这些层夹在贴合性薄片30、32之间并粘合到至少一个(优选地为底层薄片32上)芯片/盖接触。优选地，贴合性底层薄片32包括导热材料。顶层和底层薄片30、32的外围在边缘处连接在一起，这为冷却剂外壳34提供了封闭单元。通常在顶部薄片30提供到冷却剂入口和出口的通道(参见图3)。可包括弹性体材料的柔性流阻挡结构36防止在包含针的区域周围流动。

针形成薄片28包括连接每个层28中的针部24的可去除链接(未示出)。针部24基本彼此平行地堆叠并粘合以形成柱22。针区域在针区域和机械负载18之间带有柔顺垫、薄片或元件14。负载18通过芯片或盖12而承载在衬底20上。

参看图3，示意性地示出外壳34的顶视图及更详细的截面视图40。顶视图38除去了顶层30，或者包括没有采用顶层30的实施例。在视图38的剖面线B-B处取正视图40。顶视图中示意性示出冷却剂入口42和出口44，但是冷却剂入口42和出口44通常设置在顶层30中(或者如果采用柔顺层14来封闭外壳34的话，位于柔顺层14中)。冷却剂被导入入口42，流过针柱22并从出口44流出。优选地，冷却剂包括水、水基溶液、乙二醇、空气或其他导热液体。

参见图4，外壳34的替代结构包括冷却剂外壳46。外壳46包括具有与之粘合的针柱22的底层贴合薄片32，但是包括柔顺层15(功能和材料类似于柔顺层14)以构成外壳46的顶层。

参看图5，另一组装部件46包括不带外壳的空气冷却结构。组装部件46包括设置在负载18和热源12之间的另一针状鳍片柔顺性散热器(PFCHS)结构16。结构16也是通过堆叠并粘合包括针部24构成的层的薄片28而构造的。优选地，针部24包括高度导热材料，如纯金属、合金、导热碳等。在特别有用的实施例中，针部24包括铜、银、铝、金及这些金属与其他金属的合金等。

堆叠了诸层28后，针部24形成柱22。利用在一些情况下可除去的小连接元件或链接26把针部24连接到相邻针部24。针部24被粘合或者以其他方式可导(热)地黏合到垂直相邻的针部24。

可通过使用任意多种粘合方案逐层地构造结构16，包括例如金属-金属热压缩(例如铜-铜、银-铜等)、软焊、金属氧化、共晶粘合、电焊接等。优选地，与针部24相比，链接26较小。链接26可具有许多配置，而且，不是一层或薄片28中的每个相邻针部24之间都需要链接26。在一个实施例中，结构16可提供每隔一链接跳过的交替链接26或遵照其他图案的交替链接26。堆叠的结构16某种程度上与所有链接完好的情况一样柔顺；然而，通过去除/移除连接链接26以使各个独立的针22仅连接一个或连接两个贴合底部薄片32(图5未示出)或柔顺薄片14或两个都不连接，可以使堆叠结构16和针或柱22更柔顺。图6示出与图5类似的移除了链接26的组装部件。

参看图6，该组装部件示例性地示出彼此临近设置的两个热源12。这着重强调柔顺柱22(这种情况下为没有链接的针状鳍片)，可适应两个热源12之间任何尺寸的差别。

再参看图5，优选地，柔顺薄片14包括提供某种程度的弯曲以助于针或柱22的柔顺方面的材料。柔顺薄片14可包括导热材料或者隔热材料。薄的柔顺薄片14提供适应倾斜或者不平坦芯片(例如热源12)以及芯片间的水平差别(例如如果在结构16上设置多个芯片或器件)的柔韧性。柔顺薄片14可包括弹性体元件或可设置在弹性体元件上，以提供柔顺性并适应针堆叠22和负载18之间需要桥接的不同高度或缝隙距离。

在特别有用的实施例中，柔顺薄片14可包括一种或多种金属、合金(例如包括焊料)、碳的导热形式、复合材料(例如聚合基质中的金属)、橡胶、弹性体、环氧树脂或者其他弹性体材料等。在一个实施例中，柔顺薄片14可包括波纹金属、具有在其上形成的平面薄片的成形金属等。柔顺薄片14可在结构16和负载18或支撑结构之间提供粘合材料以及弯曲层。粘合方法可包括化学或机械粘合以连接结构16(例如针部24)或者外壳34和46。粘合方法取决于与柔顺薄片14相邻的材料。在另一实施例中，柔顺薄片14包括可压缩材料(如空气或其他气体)的容器。例如，柔顺薄片可包括密封有压缩气体的柔性外壳，或者包括内部具有气泡或空穴(例如海绵类材料)的材料基质。

组装部件10提供柔顺性散热器并产生比传统柔顺性散热器更低的构造成本。本原理提供与芯片/负载表面平行并易于构造和配置的薄片28，以针对给定的期望配置定制组装部件10。

参看图7，示例性地示出一部分薄片28，其具有与之附接的手柄或工具54。薄片28包括针部24，当堆叠成柱(图1的22)时针部24包括针状鳍片。薄片28包括交替的链接设计(例如，六边形布局，点的每个针部平均三个链接26)。示例针部24a示出与之连接的三个链接26。链接26的三链接配置提供了适于热压缩粘合等的设计。该设计在高粘合负载情况下保持针部24位于原位，同时在组装后允许液体流动。

链接26形成为具有比针部24的宽度25(或直径)更小的宽度27。宽度25和宽度27的宽度比为约5:1到约4:1(假定针部24和链接26之间的厚度均匀)，当然也可以采用其他比例。宽度比配置为使得薄片28柔韧。随着宽度比接近1:1，薄片28变得更硬。由于宽度比造成的薄片28提供的柔韧性直接为薄片28以及组装部件16中的薄片28堆叠的柔顺性做出贡献。在其他实施例中，可修改链接26的截面区域的宽度和厚度以实现薄片28的期望柔韧程度。薄片28的柔韧性可包括绕其平面弯曲(卷曲)和/或可在一个或多个平面方向伸展的能力。这些模式是由上述尺寸比和/或由图中所示配置(例如链接26的方位和数量)而提供的。

一旦粘合或连接了针部24，可以完全去除链接26，可以去除一部分链接26或者可以在组装部件中保存所有链接26。链接26可以用机械方式或化学方式去除。例如，可以用刻蚀工艺去除链接26或使其弱化，或者可以用带刃模具以机械方式分开链接26。

可用一组链接52把薄片或层28耦合到手柄或工具54。手柄54可用作连接点以助于堆叠和对准堆叠的诸层。在组装结构16的过程中，可以用机器人、手工或者另一工具抓着手柄54以对准并保持每层28或多层28。如图示所显示，手柄54可包括一个或多个边，可用这些边来对准层28的一个或多个维度。每层28可包括其自己的一个或多个手柄54。可用每层28的手柄54来根据需要对准整个堆叠或两个相邻层28。一旦对准，手柄54在粘合、链接去除、组装部件10中的放置(图1)等时提供了支撑堆叠的方式。根据需要从堆叠中去除手柄54。

根据本原理的针状鳍片提供了非常有效地半导体冷却，特别是在不能使用最优热界面材料的环境下。针状鳍片作为适应一种或多种发热器件的柔顺且容忍度高的平台，提供了一种便宜且可商业化的散热器设计和构造。

参看图8，示出根据一个示例实施例的单个柔韧散热器薄片28的图像60。单个薄片28包括结合针部或盘24的链接26。应该理解，盘24示为圆形，但是可以铸造或冲压成椭圆形、三角形、扇形、弯曲扇形、多边形(例如六边形、八边形、矩形)或任何其他形状或形状组合。可基于组装后期望流过针或柱的气流或液体流而选择形状。也可以根据散热量来按比例确定针的尺寸和密度。这涉及由于流经针的液体的对流导热和通过针的导热之间的平衡。

在交替的层中，链接26位于不同位置，如图9所示，这既允许在所得结构中的针之间的液体流动，又防止一层和另一层的链接26粘合。这可进一步通过使链接部26比针部24更细而保证，或者通过上述方法而单独保证。可以在冲压工艺过程中实现这些尺寸，但是也可采用其他成形工艺。还可对针部24进行清洗工艺，以除去氧化物或其他污染物，并准备好针部24进行粘合。这种冲洗工艺可包括刻蚀，例如用稀释的酸进行等。

参看图9，如图像62所示，通过粘合针部形成柱22而形成层28的堆叠。手柄54显示为对准层28以粘合盘或针部24而形成针或柱22。顶层薄片和底层薄片(未示出)设置为足够柔韧以允许针在组装后相对于相邻针可上下运动。这样，可以适应芯片上或芯片之间的倾斜、不平坦、水平差别或其他差别。

薄片28的堆叠显示链接26在薄片间交替，防止组装时链接在垂直方向粘合并允许液体流动。可用刻蚀工艺除去或弱化链接26，或者可用带刃模具以机械方式分开链接，以进一步增加液体流动，或者可保留链接26以增加传导路径。可全部去除到边缘区域的链接26，包括到手柄54(以定位有效针区域)的链接52。这样，可定制针矩阵以适应任何大小和形状的负载配置或支撑结构配置。

应该理解，本实施例描述了水平设置的配置，其中负载放置在支撑结构上，但是，配置可有多种形式。例如，可在热源的多个面上、周边或者限于部分热源的特定区域使用针状鳍片。此外，热源(或支撑结构)可在任何位置垂直地或横向地设置有针状鳍片。

参看图10，框图示出形成根据一个实施例的柔顺性散热器的方法。注意，在一些替代实施例中，框中所注明的功能出现的顺序可能和图中不同。例如，先后示出的两个框事实上可基本同时执行，或者，取决于所涉及的功能，执行框的顺序可能相反。还应该理解，框图和/或流程图示的每个框和框图和/或流程图示的框的组合可用执行指定功能或动作的基于专用硬件的系统来实现，或用专用硬件和计算机指令的组合来实现。

框102中，平行于热源表面提供多个薄片，其中每个薄片包括平面排列彼此间隔开的多个针部，并包括连接相邻针部的可去除链接。针部可包括至少一种形状，该形状包括圆形、椭圆形、扇形、多边形等中的至少一个。每个薄片是柔韧的，设置链接的尺寸和数目以提供每个薄片的柔韧性。

框104中，对准相邻薄片或层的针部。带有针部的层可以在夹具或者其他板外的结构之上或之中堆叠并粘合。框106中，对准包括提供连接到每个薄片的可去除手柄，以允许操作薄片以及将薄片和其他薄片对准。框108中，完成组装后或根据需要从每个薄片去除手柄。可在粘合步骤后去除手柄。

框110中，粘合相邻薄片的针部以形成粘合薄片的堆叠，其中针部形成从热源横向延伸的针状鳍片。粘合可包括热压缩、氧化、软焊、焊接、共晶粘合等的至少一种。

框112中，可去除至少一部分链接以允许或增加针状鳍片间的对流液体流动和/或通过降低堆叠层的硬度而增加柔顺性。例如可通过采用刻蚀工艺和/或采用机械模具切掉链接来去除链接。

框114中，可把针状鳍片(层)封装在外壳中以引导冷却剂流。在一个实施例中，可在外壳中形成堆叠，其中，外壳的顶层和底层被粘合到针状鳍片。在另一实施例中，可在外壳中形成堆叠，其中将外壳的底层粘合到针状鳍片。粘合可包括热压缩、氧化、软焊、焊接、共晶粘合等的至少一种。粘合可以和针部的粘合同时进行。

框116中，一个或多个柔顺层、薄片或元件被耦合到针状鳍片以适应机械负载和尺寸差别。在一个实施例中，柔顺层被连接到针状鳍片(例如空气冷却)。在另一实施例中，柔顺层被连接到外壳的顶层。在另一实施例中，柔顺层形成外壳的一部分(例如位于和热源侧相对的负载侧)。注意，名称“顶层”和“底层”可以互换使用，此处所用命名规则为顶层对应于负载侧，底层指散热器的热源侧。通过提供可压缩或柔顺元件(如与多个薄片接触且平行布置的弹性体薄片)，在与负载对接时可适应尺寸差别。弹性体薄片可包括金属、聚合材料等，可导热或可以不导热。在另一实施例中，柔性(可压缩)层(14)包括可压缩液体，如容纳在机械负载18和针(22)之间的空气。

框118中，可根据对其进行散热的负载或热源来定制多个薄片(散热器)的形状。定制可以和去除链接同时进行，或者可以是框112中去除链接的结果。定制包括根据要使用散热器的一个或多个热源的形状来形成散热器的整体形状。

框120中，完成了散热器系统/组装部件。可将散热器传递到集成位置(例如支撑结构)并组装(例如，如前面附图所示)。可根据需要继续进行处理。

描述了柔顺性针状鳍片散热器及方法的优选实施例(意为示例性的而非限制性的)，需注意，本领域技术人员可根据上述教导进行修改和变形。因而，应该理解，可以在所附权利要求限定的本发明保护范围内对公开的具体实施例进行改变。因而，根据专利法的特定和具体要求描述了本发明的诸多方面，所附权利要求阐述了要求专利法进行保护的范围。

Claims (23)

1.一种散热器，包括：

与热源表面平行设置的多个层；这些层包括：

平面排列彼此间隔开的多个针部，其中所述多个层的针部被堆叠并粘合以形成相对于所述热源沿横向延伸的针状鳍片以散热；以及

设置在所述针状鳍片和机械负载之间的至少一个柔顺层，所述至少一个柔顺层提供柔顺性，从而所述针状鳍片在与所述热源对接时适应尺寸差别，

其中所述平面排列包括连接至少两个相邻针部的链接，所述针部的宽度和所述链接的宽度之比被配置以提供柔韧性。

2.根据权利要求1所述的散热器，其中所述针部粘合到至少一个贴合层，所述贴合层耦合到所述热源。

3.根据权利要求2所述的散热器，其中所述至少一个贴合层包括导热材料。

4.根据权利要求2所述的散热器，其中所述至少一个贴合层包括外壳，所述外壳包围所述针状鳍片以提供作为散热器工作的液体流动。

5.根据权利要求4所述的散热器，其中所述外壳包括粘合到所述针状鳍片并耦合到所述机械负载的第二贴合层。

6.根据权利要求5所述的散热器，其中所述第二贴合层包括不导热材料。

7.根据权利要求4所述的散热器，其中所述外壳包括耦合到所述针状鳍片的所述至少一个贴合层。

8.根据权利要求1所述的散热器，其中所述平面排列通过不去除任何链接、去除一些链接而配置成一图案。

9.根据权利要求1所述的散热器，其中所述针状鳍片配置成允许使用冷却剂在针状鳍片之间进行对流液体流动。

10.根据权利要求1所述的散热器，其中所述热源包括单芯片模块或多芯片模块。

11.一种散热器，包括：

平面排列彼此间隔开的多个针部，所述针部导热；以及

连接所述多个针部中至少一对相邻针部的链接，以形成平面薄片，从而所述针部的宽度和所述链接的宽度之比配置为使得所述平面薄片是柔韧的。

12.根据权利要求11所述的散热器，其中所述针部平均具有三个连接链接。

13.根据权利要求11所述的散热器，还包括间歇链接间距以提供作为散热器工作的增强液体流动。

14.根据权利要求11所述的散热器，其中所述针部包括至少一种形状，所述至少一种形状包括圆形、椭圆形、扇形和/或多边形中的至少一个。

15.根据权利要求11所述的散热器，还包括连接到所述平面薄片的手柄，以允许操作并对准所述平面薄片。

16.一种形成柔顺性散热器的方法，包括：

提供与热源表面平行的多个层，其中每层包括平面排列彼此间隔开的多个针部和连接相邻针部的可去除链接，从而所述针部的宽度和所述链接的宽度之比配置成使得带有链接或去除至少一个链接后的所述平面薄片是柔韧的；

对准相邻薄片的针部；以及

粘合所述相邻薄片的所述针部以形成粘合薄片的堆叠，其中所述针部形成从热源横向延伸的针状鳍片柱以使负载散热。

17.根据权利要求16所述的形成柔顺性散热器的方法，还包括把所述针状鳍片耦合到柔顺薄片以适应负载和尺寸差别。

18.根据权利要求17所述的形成柔顺性散热器的方法，其中所述针状鳍片包围在外壳内以导引冷却剂流动。

19.根据权利要求18所述的形成柔顺性散热器的方法，其中所述柔顺薄片形成所述外壳的一部分。

20.根据权利要求18所述的形成柔顺性散热器的方法，其中所述柔顺薄片接触所述外壳的贴合层。

21.根据权利要求16所述的形成柔顺性散热器的方法，其中对准包括提供连接到每个薄片的可去除手柄，以允许操作薄片并与其他薄片对准。

22.根据权利要求16所述的形成柔顺性散热器的方法，还包括用机械工艺或刻蚀中的至少一种去除至少一部分链接。

23.根据权利要求16所述的形成柔顺性散热器的方法，其中粘合所述针部包括热压缩、共晶粘合、软焊以及焊接中的至少一种。