CN103348782B - 含各向异性导热散热器的设备及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明一实施例提供了一种设备，所述设备包括设有导热核心层的电路板，在所述电路板上设置有一芯片。所述设备还包括设置于所述芯片之上的散热器。所述散热器沿第一方向的导热率高于其沿第二方向的导热率。所述第一方向与所述第二方向垂直。所述散热器热耦合于所述导热核心层。

Description

含各向异性导热散热器的设备及其制作方法

相关申请案的交叉参考

本发明要求2011年2月14日递交的发明名称为“各向异性高导热轻型散热器”的美国临时专利申请No.61/442,552及2011年3月24日提交的发明名称为“含各向异性导热散热器的设备及其制作方法”的美国专利申请No.13/071,015在先申请优先权，该在先申请的内容以引入的方式并入本文本中。

技术领域

本发明大致涉及散热器，更具体地，涉及具有各向异性导热散热器的设备及其制作方法。

背景技术

随着电路的运行速度越来越快和集成密度越来越高，热管理越来越具挑战性。铝等散热材料由于导热系数较低而无法提供足够快速的散热，而具有快速导热性的金刚石或金刚石涂覆材料又价格昂贵，并且/或难于以低成本进行大批量生产。尽管铜比铝昂贵，但铜质散热器的导热系数要大于铝质散热器。然而，铜的密度要大于铝。因此，铜质散热器在很多应用场合都不适用。

发明内容

本发明的示例性实施例大致解决或规避了上述及其他问题，并实现了其技术优点。

本发明一实施例提供了一种设备，所述设备包括具有导热核心层的电路板，在所述电路板上设置有一芯片。所述设备还包括设置于所述芯片之上的散热器。所述散热器沿第一方向的导热率高于其沿第二方向的导热率。所述第一方向与所述第二方向垂直。所述散热器热耦合于所述导热核心层。

本发明另一实施例提供一种印制电路板组件，所述印制电路板组件包括具有导热核心层的基板，所述基板上设置有半导体设备。所述印制电路板组件还包括设置于所述半导体设备之上的各向异性导热散热器。所述散热器的底面热耦合于所述导热核心层。所述散热器的底面比所述散热器的对端顶面更接近于所述半导体设备。

本发明另一实施例提供了一种形成印制电路板组件的方法，所述方法包括将半导体设备放置于基板之上，并将各向异性导热散热器放置于所述半导体之上。所述基板具有导热核心层。所述方法还包括将所述散热器的底面热耦合于所述导热核心层。所述散热器的底面比所述散热器的对端顶面更接近于所述半导体设备。

以上简要描述了本发明一实施例的特征，以便更好地理解下文中有关本发明的具体描述。下文中还将描述本发明实施例的附加特征及优点，且该附加特征及优点构成本发明的权利要求的主题。本领域技术人员应该意识到可以基于本发明公开的构思及具体实施方式，对其他结构或工艺进行改进或设计，以实现与本发明相同的目的。本领域技术人员还应意识到此类等效构造并不脱离本发明所附权利要求的精神和范围。

附图说明

为便于理解，下面结合附图对本发明及其优点进行描述。

图1，包括图1A至图1C，为本发明一实施例提供的各向异性散热器，其中图1A为横剖面图，图1B及图1C为俯视图；

图2，包括图2A至图2C，为本发明实施例提供的设备，所述设备具有各向异性导热散热器，且其较热的一侧热耦合于散热鳍片，其中图2A和图2C为横剖面图，图2B为俯视图；

图3，包括图3A和图3B，为本发明一实施例提供的散热器所含的顶部散热鳍片，其中图3A为横剖面图，图3B为俯视图；

图4为本发明一实施例提供的电路板内所含的单独或同心核心层；

图5为本发明另一实施例提供的曲面型散热器；

图6，包括图6A和图6B，为本发明另一实施例提供的用于将热量从散热器传递到基板的多条通道；

图7为本发明一实施例提供的具有多个散热器的设备，所述多个散热器中的至少一个散热器具有各向异性导热性；

图8，包括图8A和图8B，为本发明一实施例提供的散热器中的通孔结构，其中图8A为横剖面图，图8B为俯视图；及

图9为本发明实施例提供的形成印制电路板组件的一种方法的流程图。

各图中的对应数字和符号一般指代对应的部件，另有说明除外。这些图用于清晰描述本发明实施例的相关方面，且不一定按比例绘成。

具体实施方式

下面对本发明各实施例的实施和使用进行详细探讨。然而，应了解，本发明为多种具体场合提供了许多可行性发明构思。所探讨的具体实施例仅仅是实施和使用本发明的具体方法的示例，并不构成对本发明范围的限制。

本发明实施例使用一种轻型各向异性散热器为芯片排热。与传统散热器从顶部垂直排热不同，本发明实施例中的各向异性散热器从侧面排出至少一部分热量。下面将描述本发明实施例，以使用基板（如电路板）和/或与附接于所述各向异性散热器底面的底部散热鳍片从侧面散热。

下面将结合图1对一种散热器组件的示例性实施例进行描述；结合图2至图8对本发明的其他实施例进行描述；且结合图9对一种形成所述散热器组件的工艺进行描述。在各实施例中，图1至图8所描述的实施例可单独或组合使用。例如，图1至图8的某一子集可在一些实施例中组合使用。

图1，包括图1A至图1C，为本发明一实施例提供的各向异性散热器，其中图1A为横部面图，图1B及图1C为俯视图。

参阅图1A，芯片10安装于基板20之上。在各实施例中，所述芯片10可以是任何类型的芯片，如微处理器芯片、信号处理器芯片、ASIC芯片、系统芯片、内存芯片、可编程门阵列芯片等。在各实施例中，所述芯片10可以为半导体封装或含有分立器件的半导体芯片。尽管只描述了单个芯片，本发明实施例还包括在所述基板20上安装多个芯片。

在各实施例中，所述基板20可以为电路板、线路卡等。所述基板20的顶面朝向所述芯片10，其上可设置连接器，例如，用于将所述芯片10与外部电路和其他与附接于所述基板20的部件进行连接。

所述基板20可包括核心层30，如图1A所示。所述核心层30可包括具有高导热性的金属材料。在一个或多个实施例中，所述核心层30包括铜、铝，及其组合。

所述核心层30可以内嵌于所述基板20的绝缘层，也可与所述基板20顶面的连接器分开设置。

散热器40设置于所述芯片10的顶面并与所述芯片10牢固附接。在各实施例中，所述芯片10采用导热工艺热耦合于所述散热器40。

在各实施例中，所述散热器40和所述芯片10通过热介面材料（TIM）层进行热耦合。若所述散热器40底面和/或所述芯片10的顶面的表面粗糙度过大（或具有其他缺陷），孔洞将占据绝大部分介面区，从而减少接触面积。如此一来，介面的导热性效果将受到一小部分介面区的限制。通常情况下，通过气隙进行热传递的其他形式（对流、辐射）比热传导的效率更低。可通过TIM来克服这些限制。例如，在各实施例中，TIM层可插置于所述散热器40及所述芯片10之间以增大接触面积，从而为所述芯片10提供更好的散热性能。

所述TIM层可以包括任何能够增大热接触面积并具有良好导热性的合适材料。形成所述TIM层的材料的例子包括热胶（例如热脂）、环氧材料、相变材料、热胶带、以及涂硅布等；所述热胶带包括石墨胶带、聚酰亚胺胶带，和铝胶带。

在各实施例中，还可以使用胶带和/或螺钉来施加机械压力，从而增大所述散热器40和所述芯片10之间的接触面积。

与所述芯片10的介面相似，所述散热器40也可使用TIM层与所述块50附接。在一些实施例中，所述散热器40也可设置于所述块50（例如通过旋紧螺钉），以使所述散热器40和所述块50之间的热介面面积最大化。在一些实施例中，所述块50也可设置于所述散热器40所形成的凹槽内，以便增大所述散热器和所述块50之间的接触面积。

所述散热器40通过块50和连接件60耦合于所述基板20的所述核心层30。所述块50可以为良好的热导体，例如铜、金、铂、铝和及其组合等金属和合金。所述连接件60可包括铜或铝，例如，在一实施例中可以为铜通孔或铜沟槽。

所述块50可与所述连接件60耦合，例如，通过焊点或通过其他合适的连接装置。所述连接件60与所述基板20的所述核心层30耦合，然后形成所述散热器的一部分。所述核心层30的面积较大，有助于为所述芯片10通过所述散热器40进行散热。

在各实施例中，所述散热器40具有各向异性导热性。换句话说，所述散热器40在至少一个水平方向（图1A所示的x轴）比在垂直方向（图1A所示的y轴）能够提供更好的导热性能。在一些实施例中，所述散热器40沿水平平面（x轴和y轴，而非z轴）具有相似的导热性。在各实施例中，优选地，所述基板20作为散热装置解决了各向异性散热器无法从所述芯片10垂直散热，同时加快所述芯片10外部热传递的问题。

在一个或多个实施例中，所述散热器40包括在由x轴和y轴形成的x-y平面内定向排列的导热纤维。各层导热纤维可使用比所述导热纤维导热性低的材料进行附接。由于所述导热纤维沿所述x轴和y轴定向排列，沿x-y平面的导热性远远大于沿z-x或z-y垂直平面的导热性。在各实施例中，可通过修改所述导热纤维与非传导基料（例如环氧基料）的比率来更改所述散热器40的导热系数。

在一个或多个实施例中，所述导热纤维可以为石墨烯等碳同位素，石墨烯具有单层石墨结构。例如，在一实施例中，石墨烯纤维复合物可用作所述散热器40。在各实施例中，所述散热器40包括通过基料连结起来的石墨烯层，轧制石墨烯板，包括分布于基料的纳米管，和/或由所述基料分隔并分布于所述基料的叠层石墨烯。所述基料可以包括合适的粘接基料，例如，环氧基料，且其导热性可低于石墨烯。所述散热器40中的所述石墨烯层沿所述x-y平面定向排列，从而使所述散热器40具有较高的各向异性导热属性。

在各实施例中，所述散热器40沿x轴、y轴，和/或x轴和y轴的导热系数可以为大约500W/mK至大约1200W/mK，在一实施例中可以为大约1000W/mK。与之相比，z轴导热系数可以低于大约100W/mK，在一实施例中可以大约为20W/mK。

优选地，尽管铜的密度为大约8克/cm³，且铝的密度为大约2.7克/cm³，但所述散热器40的材料密度为大约1-3克/cm³。此外，与铜和铝不同，所述散热器40的材料的热膨胀系数可与硅相当，因此可以避免因所述芯片10和所述散热器40之间的触点热失效而导致的问题。

图1B所示的实施例中，所述散热器40从两条相邻边耦合于所述核心层30。在图1C所示的另一实施例中，所述散热器40从所有四边耦合于所述核心层30。

尽管图1B和图1C所示的所述连接件60为沟槽式，本发明实施例也包括多个环形或长方形通孔。

图2，包括图2A至图2C，为本发明实施例提供的具有附加散热鳍片的散热器。

图2包括图1所有的特征，且包括另一底部散热鳍片结构。图2A为横剖面图，图2B为俯视图。

参阅图2A，多个底部鳍片110放置于所述散热器40的底面。在各实施例中，所述多个底部鳍片110可以组成合适的导热材料，如铜、铝等。

由于具有较大的侧面导热性，所述散热器40的底面很可能比其顶面更热。因此，在所述散热器40的底面增加鳍片可帮助所述散热器40排除一部分热量。所述鳍片可以采用自然风冷或强制风冷通道进行散热。

在图2C所示的可选实施例中，所述多个底部鳍片110可以耦合于其他鳍片结构120以提升所述鳍片的冷却速度。所示的垂直鳍片结构120仅是为了举例，但在多个实施例中，可采用任何合适的结构。

图3，包括图3A和图3B，为本发明一实施例提供的散热器所含的顶部散热鳍片。

参阅图3A所示的横剖面图，多个顶部鳍片150被设置于所述散热器40的顶面。在各实施例中，可采用任何合适的结构形成所述多个顶部鳍片150，以增强散热效率。

尽管没有单独描述，本发明的实施例也可以只包括所述顶部鳍片150，而不包括所述多个底部鳍片110。

在一个或多个实施例中，将所述散热器40的厚度作为所述散热器40的各向异性函数进行选择。例如，如果沿x方向的导热性是沿z方向的导热性的n倍，那么所述散热器40的厚度可以为大约5/n到大约1/n。

图4为本发明一实施例提供的电路板内所含的单独或同心核心层。

与现有实施例不同，所述基板20可以包括多个隔热区。例如，所述基板20的中部410可以不包括所述核心层30，以避免干扰从所述芯片10到所述基板20的电子信号。所述芯片10可以耦合于外部电路/电位，例如，通过所述基板20下侧所设置的多个触点80。所述基板20中的通孔可用于将与所述芯片10相邻的所述基板20的顶侧与带有所述多个触点80的所述基板20的底侧进行耦合。

在本实施例中，所述核心层30可以形成多个独立的层，或围绕所述中部410的单个同心层，例如，从所有侧面。

图5为本发明另一实施例提供的曲面型散热器。

在本实施例中，所述散热器40被弯曲以增大所述各接触表面的接触面积。所增加的接触面积改进了通过触点的热传递，从而改进了所述芯片10的散热。例如，所述块50的高度可以大于所述芯片10的高度。所述散热器40可插置于所述夹具55和所述芯片10之间的空隙。当所述夹具55被降低时，所述散热器40与所述芯片10的顶面接触。从所述夹具55及所述块50施加的压力确保所述散热器40和所述芯片10之间的接触面积，以及所述散热器40和所述块50之间的接触面积最大化。在各实施例中，所述夹具55可由其他机构取代，例如，胶带、框架等。

图6，包括图6A和图6B，为本发明另一实施例提供的用于将热量从散热器传递到基板的多条通道。

如图6所示，可用多条导热通道来提高所述散热器40的导热效率。在图6A中，可采用多个块50和连接件60。

在图6B所示的另一实施例中，所述连接件60的数量要多于块50的数量。这有助于增大所述连接件60的横截面面积，从而增强所述连接件60的热传递能力。

图7为本发明一实施例提供的具有多个散热器的设备，所述多个散热器中的至少一个散热器具有各向异性导热性。

参阅图7，与现有实施例相同，散热器40设置于芯片10之上。然而，另一散热器710设置于所述散热器40之上。所述另一散热器710可提供各向同性导热，然而所述散热器40可提供各向异性导热。因此，在此实施例中，热量从所述散热器40的底侧通过所述基板20和/或各实施例中描述的所述多个底部鳍片110被有效传递。可选地，到达所述散热器40顶面的部分热量通过第二散热器得以排出，所述第二散热器可包括更多、更大的鳍片，例如，多个顶部鳍片150。更大、更宽的鳍片结构确保通过所述散热器40沿z轴传导的热量能够被所述另一散热器710有效排出。

图8，包括图8A和图8B，为本发明一实施例提供的散热器中的通孔结构，其中图8A为横剖面图，图8B为俯视图。所述通孔结构可沿垂直方向有效散热，特别是与本发明的其他实施例，如图3中的顶部鳍片150，图7中的另一散热器710等结合使用时。

参阅图8A和图8B，在所述散热器40内设置有多个通孔210。在各实施例中，所述通孔210填充沿垂直轴（z轴）具有良好传导性的传导物质。例如，所述通孔210可以填充铜等具有高导热率的材料。可选地，所述通孔210可以镀上导热和/或导电材料，以进一步提升其传导性。在一个实施例中，所述通孔210可以涂覆上一层银，而其内核填充铜等高导热材料。在另一实施例中，所述通孔210的外侧壁可以直接涂覆金刚石和/或石墨烯等。

图8B也描述了所述散热器40内设置的多个贯通基板条220。与所述通孔210不同，所述贯通基板条220的长度要大于宽度。在一个或多个实施例中，选择所述贯通基板条220的排列方向以最大程度避免通过所述散热器40的侧面导热的中断。例如，在一实施例中，如果所述通过散热器40沿x轴的侧面导热性大于通过y轴的导热性，最好将所述贯通基板条220沿y轴排列。

与所述通孔210相似，所述贯通基板条220可以填充沿垂直轴（z轴）具有良好传导性的传导物质。例如，所述贯通基板条220可以填充铜等具有高导热率的材料。可选地，所述贯通基板条220可以镀一层导热和/或导电材料，以进一步提升其传导性。在一实施例中，所述贯通基板条220可以涂覆一层银，而其内核填充铜等高导热材料。在另一实施例中，所述贯通基板条220的外侧壁可以直接涂覆金刚石和/或石墨烯等。

图9为本发明实施例提供的形成印制电路板组件的一种方法的流程图。

参阅图9所示的流程图，图1至图8所示的芯片10可以设置于具有导热核心层，如图1至图8（框810）所示的核心层30，的基板上。所述基板的例子包括图1至图8描述的所述基板20。所述具有各向异性导热性的散热器，如图1至图8描述的散热器40，被设置于所述半导体设备（框820）之上。

所述散热器热耦合于所述基板（框830和840）。在各实施例中，所述散热器的底面可能使用热介面材料（TIM）等进行耦合。TIM层可涂覆于所述块的顶面和/或所述散热器的底面。所述块和所述散热器之间可根据需要通过固化工艺或高温工艺实现热结合。所述块的对端底面可以使用焊接工艺与所述连接件60进行耦合，所述连接件可以是通孔或沟槽。所述连接件可以与导热核心层进行热耦合（如，在所述基板的制作过程中）。

因此，上述实施例提供了一种低成本，在至少一个侧向（如x轴、y轴，或x轴和y轴）具有很高导热率的各向异性散热器。尽管z轴导热率可能仍然较低（如大约20W/mK），此处描述的各实施例可采用一种使侧向导热性最大化的方法来克服此限制。

优选地，本实施例提供了一种相对铝质或铜质散热器更低成本的散热器。除了较低的成本，本实施例还提供了一种相对铝质或铜质散热器更轻的散热器。因此，此处描述的轻型散热器特别适合于路由器和服务器组件等对重量敏感的应用。

尽管已对本发明及其优点进行了详细描述，但应该理解，在不脱离所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可对本发明及其优点进行变更、替换和修改。例如，本领域的技术人员应该理解，在不脱离本发明的范围的情况下可对此处描述的多种特征、功能、工艺和材料作出修改。

此外，本申请的范围不限于此申请书中所描述的工艺、机器、生产、物质组成、装置、方法和步骤的具体实施例。本领域普通人员应该意识到：本发明公开的现有的或即将开发的工艺、机器、生产、物质组成、装置、方法，或步骤可以用来实现与所述对应实施例基本相同的功能或产生相同的结果。相应地，此类工艺、机器、生产、物质组成、装置，或步骤应属于所附权利要求的范围。

Claims (25)

1.一种含各向异性导热散热器的设备，所述设备包括：

具有导热核心层的电路板；

设置于所述电路板之上的芯片；及

设置于所述芯片之上的一散热器，其中，所述散热器沿第一方向的导热率高于其沿第二方向的导热率，且其中所述散热器热耦合于所述导热核心层，所述散热器包括沿所述第一方向定向排列的导热纤维，各层导热纤维使用比所述导热纤维导热性低的材料进行附接。

2.根据权利要求1所述的含各向异性导热散热器的设备，所述设备还包括：

设置于所述散热器底部的第一传热块，所述第一传热块设置于所述散热器的边缘与所述电路板之间；及

设置于所述电路板内并热耦合于所述第一传热块和所述导热核心层之间的第一连接件，其中，所述散热器通过所述第一传热块和所述第一连接件热耦合于所述导热核心层。

3.根据权利要求2所述的含各向异性导热散热器的设备，所述设备还包括：

设置于所述散热器底面的第二传热块，所述第二传热块设置于所述第一传热块和所述芯片之间；及

设置于所述电路板内并热耦合于所述第二传热块和所述导热核心层之间的第二连接件。

4.根据权利要求2所述的含各向异性导热散热器的设备，所述设备还包括耦合于所述第一传热块和所述导热核心层之间的第二连接件。

5.根据权利要求1所述的含各向异性导热散热器的设备，其中，所述散热器包括沿第一方向定向排列的石墨烯纤维。

6.根据权利要求1所述的含各向异性导热散热器的设备，其中，所述散热器包括贯通基板结构。

7.根据权利要求1所述的含各向异性导热散热器的设备，所述设备还包括设置于所述散热器底面的多个底部鳍片，所述散热器的所述底面比所述散热器的对端顶面更接近于所述芯片。

8.根据权利要求7所述的含各向异性导热散热器的设备，所述设备还包括耦合于所述多个底部鳍片的多个辅助鳍片，所述多个辅助鳍片沿所述多个底部鳍片不同的方向定向排列。

9.根据权利要求1所述的含各向异性导热散热器的设备，所述设备还包括设置于所述散热器顶面的多个顶部鳍片，所述散热器的所述顶面比所述散热器的对端底面离所述芯片更远。

10.根据权利要求1所述的含各向异性导热散热器的设备，所述设备还包括设置于所述芯片和所述散热器之间的热介面材料。

11.根据权利要求1所述的含各向异性导热散热器的设备，其中，所述导热核心层围绕设置于所述电路板的中部。

12.根据权利要求1所述的含各向异性导热散热器的设备，其中，所述散热器被弯曲。

13.根据权利要求1所述的含各向异性导热散热器的设备，其中，所述散热器通过至少两条导热通道耦合于所述导热核心层。

14.根据权利要求1所述的含各向异性导热散热器的设备，所述设备还包括：

设置于所述散热器之上的各向同性散热器；及

设置于所述各向同性散热器之上的多个顶部鳍片。

15.根据权利要求14所述的含各向异性导热散热器的设备，其中，所述各向同性散热器包括铝。

16.根据权利要求1所述的含各向异性导热散热器的设备，其中，所述散热器沿第一方向的所述导热率为大约400W/mK至大约1200W/mK，且其中所述散热器沿所述第二方向的导热率为大约20W/mK至大约100W/mK。

17.一种印制电路板组件，所述印制电路板组件包括：

具有导热核心层的基板；

设置于所述基板之上的半导体设备；及

设置于所述半导体设备之上具有各向异性导热性的散热器，其中，所述散热器的底面热耦合于所述导热核心层，所述散热器的所述底面比所述散热器的对端顶面更接近于所述半导体设备，所述散热器沿第一方向的导热率高于其沿第二方向的导热率，所述散热器包括沿所述第一方向定向排列的导热纤维，各层导热纤维使用比所述导热纤维导热性低的材料进行附接。

18.根据权利要求17所述的印制电路板组件，所述印制电路板组件还包括：

设置于所述散热器的边缘和所述基板之间的传热块；及设置于所述基板内并热耦合于所述传热块和所述导热核心层之间的连接件。

19.根据权利要求17所述的印制电路板组件，其中，所述散热器包括石墨烯纤维。

20.根据权利要求17所述的印制电路板组件，所述印制电路板组件还包括设置于所述散热器所述底面的多个底部鳍片。

21.根据权利要求20所述的印制电路板组件，所述印制电路板组件还包括耦合于所述多个底部鳍片的多个辅助鳍片，所述多个辅助鳍片沿所述多个底部鳍片不同的方向定向排列。

22.一种形成印制电路板组件的方法，所述方法包括：将半导体设备放置于基板之上，所述基板具有导热核心层；将具有各向异性导热性的散热器放置于所述半导体设备之上；及将所述散热器的底面热耦合于所述导热核心层，所述散热器的所述底面比所述散热器的对端顶面更接近于所述半导体设备，所述散热器沿第一方向的导热率高于其沿第二方向的导热率，所述散热器包括沿所述第一方向定向排列的导热纤维，各层导热纤维使用比所述导热纤维导热性低的材料进行附接。

23.根据权利要求22所述的方法，其中，所述将所述散热器的底面热耦合于所述导热核心层包括：

将传热块的顶面附接于所述散热器的边缘；及

将所述传热块的对端底面附接于所述基板内的连接件，所述连接件热耦合于所述导热核心层。

24.根据权利要求22所述的方法，其中，所述散热器包括石墨烯纤维。

25.根据权利要求22所述的方法，其中，所述方法还包括将多个底部鳍片热耦合于所述散热器的底面。