CN103488262B - 带有无源传热的固态驱动器 - Google Patents

带有无源传热的固态驱动器 Download PDF

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Abstract

本公开涉及带有无源传热的固态驱动器。所公开的各实施例涉及便于包括模块（包括带有诸如固态驱动器之类的集成电路的电路板）的系统中的导热性的系统。电路板的一侧和附近基板之间的热耦合材料被用来增大电路板和基板之间的导热性。此外，模块还可以包括基板和至少部分地环绕电路板的壳体之间的另一种热耦合材料，从而增大基板和壳体之间的导热性。以这些方式，基板和/或壳体可以被用作减少与集成电路的操作相关联的热点的传热面或散热器。

Description

带有无源传热的固态驱动器
对相关申请的交叉引用
根据35U.S.C.§119(e)，本申请要求2012年6月7日提交的Jay S.Nigen、RonA.Hopkinson Derek J.Yap以及Eric A.Knopf的代理案卷号APL-P14991USP1的发明名称为“Solid-State Drive with Passive Heat Transfer”的美国临时申请案序列号No.61/656,747的优先权；以及2012年6月8日提交的William F.Leggett、Richard H.Tan和JayS.Nigen的代理案卷号APL-P15188USP1的发明名称为“Thermal Coupling to a WirelessCommunication Circuit Board”的美国临时申请案序列号No.61/657,489的优选权，此处引用了这两个申请的全部内容作为参考。
技术领域
所描述的各实施例涉及用于冷却集成电路的技术。
背景技术
固态驱动器是将信息存储在多个集成电路上的一种存储器。例如，集成电路可以包括固态非易失性存储器，诸如闪存芯片或动态随机存取存储器（DRAM）芯片。固态驱动器越来越流行，因为与硬盘驱动器不同，它们不包含活动部件，因此更可靠，具有降低的功耗，以及产生较少的噪声。
然而，诸如NAND闪存设备之类的闪存芯片，在重复的程序擦除周期之后对存储器磨损敏感。具体而言，如果超过了指定最大数量的程序-擦除周期（诸如1,000,000程序-擦除周期），存储的信息会丢失。此存储器磨损会被与在闪存芯片的操作过程中所产生的热量相关联的温度增加而加重。
更贵的基于DRAM芯片的固态驱动器提供缩短的延迟，并且不容易产生存储器磨损。然而，DRAM芯片在操作过程中也发热。与此热量相关联的温度升高会对电子设备中的包括固态驱动器的其他组件产生不利的影响。
更一般而言，集成电路的计算性能近年来显著提高。此提高的性能伴随着功率消耗增大以及相关联的发热。此外，这种额外的发热使得在这些集成电路中维护可以接受的操作温度更难。
冷却包括无线通信电路的集成电路（有时简称为“无线通信集成电路”）特别具有挑战性。这是因为，这些集成电路常常被封闭在电磁-干扰护罩内，以降低干扰。
现有的冷却无线通信集成电路的方法常常使用电磁干扰护罩作为散热片。如此，常常在电磁-干扰护罩和无线通信集成电路之间包括热接口材料，以增大它们之间的导热性。然而，对可以通过此热路径从无线通信集成电路传导开的热能是有限制的，这会约束无线通信集成电路的性能。
发明内容
所描述的实施例中的某些便于系统中的导热性，所述系统包括带有电路板的模块，所述电路板具有顶表面和底表面以及置于顶表面和底表面上的集成电路。此外，模块还包括以机械方式耦合到电路板的边缘的具有顶表面和底表面的基板。此外，第一热耦合材料还以机械方式耦合到电路板的底表面和基板的顶表面。此第一热耦合材料增大电路板和基板之间的导热性。
请注意，集成电路可以包括诸如闪存之类的存储器。
另外，第一热耦合材料还可以包括热填料和/或热凝胶。
在某些实施例中，模块还包括封闭电路板、基板以及第一热耦合材料的壳体。此外，模块还可以包括以机械方式耦合到基板的底表面的第二热耦合材料。此第二热耦合材料可以包括热填料。另外，壳体还可以封闭电路板、基板、第一热耦合材料、以及第二热耦合材料。
此外，基板还可以由金属制成。
另一实施例提供便携式电子设备。此便携式电子设备可以包括外部壳体以及模块。在便携式电子设备中，第二热材料可以以机械方式耦合到基板的底表面以及外部壳体，并可以增大基板和外部壳体之间的导热性。
另一实施例提供用于从集成电路传热的方法。在该方法中，使用安置在电路板和基板之间的第一热耦合材料，从安置在电路板的表面上的集成电路向以机械方式耦合到电路板的边缘的基板传热，其中第一热耦合材料增大电路板和基板之间的导热性。然后，使用安置在基板和外部壳体之间的第二热耦合材料，从基板向包括电路板、集成电路和基板的便携式电子设备的外部壳体传热，其中第二热耦合材料增大基板和外部壳体之间的导热性。
额外的所描述的实施例便于第二模块中的导热性，所述第二模块带有电路板，所述电路板具有顶表面和底表面，置于顶表面上的集成电路。此外，第二模块还包括以机械方式耦合到电路板的具有顶表面的第二电路板。此外，电路板的底表面与第二电路板的顶表面分开一个间隙，电路板的底表面和第二电路板的顶表面之间的间隙中的热接口材料热耦合电路板和第二电路板，以便在集成电路的操作过程中所产生的热被传导到第二电路板。
在某些实施例中，第二模块包括安置在电路板的顶表面上并至少部分地封闭集成电路的电磁干扰护罩。例如，电路板可以包括无线通信电路板。
可另选地，集成电路可以包括固态存储器。例如，电路板可以包括固态驱动器。
请注意，热接口材料可以包括：泡沫、热凝胶、热填料、热油脂，和/或弹性体材料。
在某些实施例中，第二模块包括安置在电路板的底表面上的组件，其中所述热接口材料的面向所述电路板的底表面的表面包括预先压缩的区域，以便所述热接口材料的表面和所述电路板的底表面之间的接触区相对于没有所述预先压缩的区域的热接口材料增大。
另一实施例提供包括第二模块的第二便携式电子设备。
另一实施例提供用于从集成电路传热的第二方法。在第二方法中，由安置在电路板的顶表面上的集成电路所产生的热传输到电路板的底表面。然后，热被传导到通过热接口材料热耦合到电路板的第二电路板的顶表面。请注意，电路板的底表面与第二电路板的顶表面分开一个间隙，而热接口材料处于电路板的底表面和第二电路板的顶表面之间的间隙中。
附图说明
图1是示出了根据本公开的实施例的模块的侧面图的框图。
图2是示出了根据本公开的实施例的便携式电子设备中的图1的模块的侧面图的框图。
图3是示出了根据本公开的实施例的用于从集成电路传热的方法的流程图。
图4是示出了根据本公开的实施例的模块的侧面图的框图。
图5是示出了根据本公开的实施例的便携式电子设备中的图1的模块的侧面图的框图。
图6是示出了根据本公开的实施例的用于从集成电路传热的方法的流程图。
请注意，在附图中，类似的附图标记表示相应的部分。此外，相同部分的多个实例通过利用虚线与实例编号分离的共同前缀来表示。
具体实施方式
图1是示出了模块100的侧面图的框图。此模块包括具有顶表面112和底表面114的电路板110，以及置于顶表面112和底表面114上的集成电路116。例如，集成电路116可以包括存储器，诸如闪存或动态随机存取存储器（DRAM）。因此，模块100可以包括固态驱动器。更一般而言，模块100可以包括另一种类型的易失性或非易失性的计算机可读存储器。
此外，模块100还包括以机械方式耦合到电路板110的边缘124的、具有顶表面120和底表面122的基板118。例如，基板118可以由金属制成。此外，热耦合材料126还以机械方式耦合到底表面114和顶表面120。此热耦合材料可以增大电路板110和基板118之间的导热性（被定义为κ·A/L，其中，κ是热耦合材料126的导热率，A是截面面积，而L是厚度），以便基板118可以用作集成电路116的传热面或散热器。例如，热耦合材料126可以包括热填料和/或热凝胶。在示例性实施例中，热凝胶是Gel30（来自麻萨诸塞州Woburn的Chomerics NorthAmerica）和/或热填料是Gap Pad VO Ultra Soft（来自明尼苏达州Chanhassen的Bergquist Company）。
在某些实施例中，模块100包括至少部分地封闭电路板110、基板118和热耦合材料126的可选壳体130（诸如由金属或塑料制成的壳体）。此外，模块100还可以包括以机械方式耦合到底表面122的可选热耦合材料128。此可选热耦合材料可以包括诸如Gap Pad VOUltra Soft之类的热填料。请注意，可选壳体130也可以部分地封闭可选热耦合材料128。
模块100可以被包括在诸如便携式电子设备之类的电子设备中。这在图2中示出，该图是示出了便携式电子设备200中的模块100（图1）的侧面图的框图。具体而言，便携式电子设备200可以包括外部壳体210和模块100。在便携式电子设备200中，热耦合材料128可以以机械方式耦合到底表面122和外部壳体210，并可以增大基板118和外部壳体210之间的导热性，以便外部壳体210可以用作集成电路116的传热面或散热器。另外，热耦合材料128可以向电路板110和集成电路116提供额外的热惯性或热质量。此热惯性可以减少电路板110和集成电路116的在集成电路116的片断式操作过程中（诸如在读取或写入操作过程中）发生的温度增加。
通过包括热耦合材料126和/或128，便携式电子设备200中的与在集成电路116的操作过程中所生成的热相关联的热点可以减少或消除。例如，在便携式电子设备200的操作过程中，与集成电路116相关联的最高温度可以小于55C。
便携式电子设备200可以包括：存储在可选的存储器子系统中的一个或多个程序模块或指令集，如模块100。这些指令集可以由主板（未示出）上的可选处理子系统（诸如一个或多个处理器）来执行。请注意，一个或多个计算机程序可以构成计算机-程序机制。此外，可选存储器子系统中的各种模块中的指令可以以下列各种语言来实现：高级别的过程语言、面向对象的编程语言、和/或以汇编语言或机器语言来实现。此外，编程语言还可以是编译的或解释的，例如，可配置的或已配置的，以便由可选处理子系统来执行。
在某些实施例中，这些电路、组件和设备中的功能可以以下列一项或多项来实现：专用集成电路（ASIC）、现场可编程门阵列（FPGA）、和/或一个或多个数字信号处理器（DSP）。此外，电路和组件可以使用模拟和/或数字电路的任何组合来实现，包括：双极、PMOS和/或NMOS栅极或晶体管。此外，这些实施例中的信号还可以包括具有大致离散的值的数字信号和/或具有连续值的模拟信号。另外，组件和电路可以是单端的或差分的，而电源可以是单极的或双极的。
便携式电子设备200可以包括可包括存储器的各种设备中的一种，包括：膝上型计算机、媒体播放器（诸如MP3播放器）、电器、上网本/笔记本、平板电脑、智能电话、蜂窝电话、网络设备、个人数字助理（PDA）、玩具、控制器、数字信号处理器、游戏控制台、设备控制器、设备内的计算引擎、消费电子设备、便携式计算设备、个人组织器、和/或另一种电子设备。
尽管在前面的讨论中便携式电子设备200被用作说明，但是在其他实施例中，模块100被包括在诸如服务器、台式计算机、大型计算机和/或刀片计算机之类的电子设备中。此外，在热耦合材料126和/或128中，还可以使用替换的无源传热组件和/或材料。在某些实施例中，电路板110只在顶表面112上包括集成电路116，和/或热耦合机构126利用对应于背表面114上的组件的空腔预先压制，以便热耦合机构126和背表面114之间的接触区被最大化。此外，在某些实施例中，在图2中的可选热耦合材料128和外部壳体210之间有间隙，以便热通过辐射或通过间隙中的空气传导，而被传输到外部壳体210。
另外，组件中的一个或多个可以不存在于图1和2中。在某些实施例中，前面的各实施例包括图1和2中未示出的一个或多个额外的组件。此外，虽然在图1和2中示出了单独的组件，但是在某些实施例中，给定组件中的某些或全部可以被集成到其他组件中的一个或多个中和/或组件的位置可以改变。
我们现在描述可以使用前面的各实施例来执行的方法的各实施例。图3是示出了用于从集成电路（诸如模块100中的集成电路，图1）传热的方法300的流程图。在该方法中，使用安置在电路板和基板之间的第一热耦合材料，从安置在电路板的表面上的集成电路向以机械方式耦合到电路板的边缘的基板传热（操作310），其中，第一热耦合材料增大电路板和基板之间的导热性。然后，使用安置在基板和外部壳体之间的第二热耦合材料，从基板向便携式电子设备（包括电路板、集成电路和基板）的外部壳体传热（操作312），其中第二热耦合材料增大基板和外部壳体之间的导热性。
在方法300的某些实施例中，可以有额外的或较少的操作。此外，操作的顺序可以更改，和/或可以将两个或更多操作合并到单个操作中。
我们现在描述无线通信集成电路的热管理技术的各实施例。图4是示出了模块400的侧面图的框图。此模块包括具有顶表面412和底表面414的电路板410，以及置于顶表面412上的至少一个集成电路416。例如，集成电路416可以包括无线通信集成电路，而电路板410可以包括无线通信电路板。因此，在某些实施例中，集成电路416可以至少部分地被可选电磁干扰（EMI）护罩418封闭。可另选地，集成电路416可以包括诸如闪存、动态随机存取存储器（DRAM）之类的固态存储器，或更一般而言，另一种类型的易失性或非易失性计算机可读存储器。如此，电路板410可以包括固态驱动器。
此外，模块400还包括以机械方式耦合到电路板410的边缘424的、具有顶表面422的电路板420。电路板410的底表面414可以与电路板420的顶表面422分开一个间隙426，间隙426中的热接口材料428可以热耦合电路板410和电路板420，以便在集成电路416的操作过程中所产生的热被传导到电路板420。然后，电路板420中的接地面和铜迹线可以用作电路板110和集成电路116的散热片。另外，热接口材料428可以向电路板410和集成电路416提供额外的热惯性或热质量。此热惯性可以减少电路板410和集成电路416的在集成电路416的片断式操作过程中（诸如在读取或写入操作过程中）发生的温度增加。
具体而言，热接口材料428可以增大电路板410和电路板420之间的导热性（被定义为κ·A/L，其中，κ是热接口材料428的导热率，A是截面面积，而L是厚度），以便电路板420可以用作集成电路416的传热面或散热器。例如，热接口材料428可以包括：泡沫、热凝胶、热填料、热油脂、和/或弹性体材料。在示例性实施例中，热凝胶是Gel30（来自麻萨诸塞州Woburn的Chomerics North America）和/或热填料是Gap Pad VO Ultra Soft（来自明尼苏达州Chanhassen的Bergquist Company）。
在示例性实施例中，电路板410具有0.8mm的厚度430，间隙426具有1.6mm的厚度432，而电路板420具有1.0mm的厚度440。此外，在操作过程中，集成电路416可以具有大致3.5W的功耗。
在某些实施例中，模块400包括安置在电路板410的底表面414上的可选组件434（诸如电容器），其中，热接口材料428的面向底表面414的表面436包括可选的预先压缩的区域438，以便表面436和底表面414之间的接触区相对于没有可选的预先压缩的区域438的热接口材料而增大。另外，可选的预先压缩的区域438可以确保由热接口材料428向可选的组件434施加的压力不超过电路板410的应变极限，以便可选组件434不会与底表面414分离。
模块400可以被包括在诸如便携式电子设备之类的电子设备中。这在图5中示出，该图是示出了便携式电子设备500中的模块400（图4）的侧面图的框图。
通过包括热接口材料428，便携式电子设备500中的与在集成电路416的操作过程中所生成的热相关联的热点可以减少或消除。例如，在便携式电子设备500的操作过程中，与集成电路416相关联的最大温度可以小于55C。
便携式电子设备500可以包括：存储在可选的存储器子系统中的一个或多个程序模块或指令集，如模块500。这些指令集可以由诸如电路板420之类的主板上的可选处理子系统（诸如一个或多个处理器）来执行。请注意，一个或多个计算机程序可以构成计算机-程序机制。此外，可选存储器子系统中的各种模块中的指令可以以下列各种语言来实现：高级别的过程语言、面向对象的编程语言、和/或以汇编语言或机器语言来实现。此外，编程语言还可以是编译的或解释的，例如，可配置的或已配置的，以便由可选处理子系统来执行。
在某些实施例中，这些电路、组件和设备中的功能可以以下列一项或多项来实现：专用集成电路（ASIC）、现场可编程门阵列（FPGA），和/或一个或多个数字信号处理器（DSP）。此外，电路和组件可以使用模拟和/或数字电路的任何组合来实现，包括：双极、PMOS和/或NMOS栅极或晶体管。此外，这些实施例中的信号还可以包括具有大致离散的值的数字信号和/或具有连续值的模拟信号。另外，组件和电路可以是单端的或差分的，而电源可以是单极的或双极的。
便携式电子设备500可以包括可包括存储器的各种设备中的一种，包括：膝上型计算机、媒体播放器（诸如MP3播放器）、电器、上网本/笔记本、平板电脑、智能电话、蜂窝电话、网络设备、个人数字助理（PDA）、玩具、控制器、数字信号处理器、游戏控制台、设备控制器、设备内的计算引擎、消费电子设备、便携式计算设备、个人组织器，和/或另一种电子设备。
尽管在前面的讨论中便携式电子设备500被用作说明，但是在其他实施例中，模块400被包括在诸如服务器、台式计算机、大型计算机和/或刀片计算机之类的电子设备中。此外，在热接口材料528中还可以使用替换的无源传热组件和/或材料。
另外，组件中的一个或多个可以不存在于图4和5中。在某些实施例中，前面的各实施例包括图4和5中未示出的一个或多个额外的组件。此外，虽然在图4和5中示出了单独的组件，但是在某些实施例中，给定组件中的某些或全部可以被集成到其他组件中的一个或多个中和/或组件的位置可以改变。
我们现在描述了可以使用图4和5中的各实施例来执行的方法的各实施例。图6是示出了用于从集成电路（诸如模块400中的集成电路，图4）传热的方法600的流程图。在该方法中，由安置在电路板的顶表面的集成电路所产生的热传输到电路板的底表面（操作410）。然后，热被传导到通过热接口材料热耦合到电路板的第二电路板的顶表面（操作412）。请注意，电路板的底表面与第二电路板的顶表面分开一个间隙，而热接口材料处于电路板的底表面和第二电路板的顶表面之间的间隙中。
在方法600的某些实施例中，可以有额外的或较少的操作。此外，操作的顺序可以更改，和/或可以将两个或更多操作合并到单个操作中。
在前面的描述中，我们引用“一些实施例”。请注意，“一些实施例”描述所有可能的实施例的子集，但是不始终指定相同实施例的子集。
前述的描述旨在使任何所属技术领域的专业人员实现并使用本公开，是在特定申请以及其要求的上下文中提供的。此外，前面的对本公开的各实施例的描述只是为了说明和描述。它们不是为了详尽的解释或将本公开限制在所公开的准确的形式。相应地，许多修改方案和变化将对本领域技术人员显而易见，此处所定义的一般原理可以应用于其他实施例和申请，而不会偏离本公开的精神和范围。另外，对前面的各实施例的讨论不打算限制本公开。如此，本公开不仅限于所示出的实施例，而且根据与所公开的原理和特点一致的最广阔的范围。

Claims (20)

1.一种模块，包括：
壳体；
具有顶表面和底表面的电路板，带有置于所述顶表面和所述底表面上的集成电路；
以机械方式耦合到所述电路板的边缘的具有顶表面和底表面的基板；
位于所述集成电路和所述基板之间并且与所述集成电路和所述基板接触的第一热耦合材料，并且所述第一热耦合材料与所述电路板直接接触，其中所述第一热耦合材料提供所述电路板和所述基板之间的导热性；以及
置于所述壳体和所述基板之间并且与所述壳体和所述基板直接接触的第二热耦合材料。
2.如权利要求1所述的模块，其中，所述集成电路包括存储器。
3.如权利要求2所述的模块，其中，所述存储器包括闪存。
4.如权利要求1所述的模块，其中，所述第一热耦合材料包括下列各项中的一项：热填料；以及热凝胶。
5.如权利要求1所述的模块，其中，所述壳体封闭所述电路板、所述基板以及所述第一热耦合材料。
6.如权利要求1所述的模块，其中，所述第二热耦合材料以机械方式耦合到所述基板的底表面。
7.如权利要求6所述的模块，其中，所述第二热耦合材料包括热填料。
8.如权利要求6所述的模块，其中，所述壳体封闭所述电路板、所述基板、所述第一热耦合材料以及所述第二热耦合材料。
9.如权利要求1所述的模块，其中，所述基板是金属。
10.一种用于从电路板的集成电路传热的方法，所述方法包括：
使用位于集成电路和基板之间并且与所述集成电路和基板接触，且与所述电路板直接接触的第一热耦合材料，从安置在电路板的表面上的集成电路向以机械方式耦合到所述电路板的边缘的基板传热，
其中所述第一热耦合材料提供所述电路板和所述基板之间的导热性；以及
使用安置在基板和外部壳体之间并且与所述基板和外部壳体直接接触的第二热耦合材料，从所述基板向包括所述电路板、所述集成电路和所述基板的便携式电子设备的外部壳体传热，其中所述第二热耦合材料提供所述基板和所述外部壳体之间的导热性。
11.如权利要求10所述的方法，其中，所述集成电路包括闪存。
12.如权利要求10所述的方法，其中，所述第一热耦合材料包括下列各项中的一项：热填料；以及热凝胶。
13.如权利要求10所述的方法，其中，所述第二热耦合材料包括热填料。
14.一种便携式电子设备，包括：
第一电路板，具有置于所述第一电路板的表面上的组件；
第二电路板，所述第二电路板耦合到所述第一电路板，其中，所述组件与所述第二电路板分开一个间隙；以及
位于所述组件和所述第二电路板之间的间隙中的热接口材料，其中所述热接口材料面向所述第一电路板的表面的部分包括被部分压缩到所述间隙内离开所述表面并至少部分包围所述第一电路板的表面上的所述组件的腔体。
15.如权利要求14所述的便携式电子设备，还包括：至少部分地封闭所述组件的电磁干扰护罩。
16.如权利要求15所述的便携式电子设备，其中，所述第一电路板包括无线通信电路板。
17.如权利要求14所述的便携式电子设备，其中，所述组件包括固态存储器。
18.如权利要求14所述的便携式电子设备，其中，所述腔体允许所述热接口材料的部分在所述组件与任何其他相邻组件之间的空间中与所述第一电路板的表面接触。
19.如权利要求14所述的便携式电子设备，其中，所述腔体包括在所述热接口材料中的预应力区域。
20.如权利要求14所述的便携式电子设备，其中，所述第一电路板包括在所述第一电路板的与在其上设置有所述组件的所述表面相对的侧面上的第二表面。
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