CN112652592A - 电子设备的热界面层 - Google Patents

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Abstract

电子设备包括:支撑集成电路(IC)芯片的印刷电路板;以及构造成从IC芯片传递热能的热界面层。热界面层包括非导电的容纳框架和嵌入容纳框架中的导热窗格。

Description

电子设备的热界面层
背景技术
车辆驾驶员辅助系统采用具有多个集成电路(IC)芯片的控制器,例如多域控制器。IC芯片通常会产生大量的废热。去除废热以确保可靠运行具有挑战性,预期下一代IC芯片会产生更多的废热。
去除废热的一种方法涉及在IC芯片的顶部使用散热器。为了增强热传递,在IC芯片和散热器之间使用热界面材料。为了高热导率,热界面材料通常包括金属或石墨。但是,该材料也是导电的,并且如果其从界面迁移出来,可能导致电短路。
发明内容
根据本公开示例的电子设备包括:支撑集成电路(IC)芯片的印刷电路板;以及构造成从IC芯片传递热能的热界面层。热界面层包括非导电的容纳框架(containmentframe),以及嵌入容纳框架中的导热窗格(thermal conductance pane)。
在任意前述实施方式的另一实施方式中,容纳框架包括多孔结构。
在任意前述实施方式的另一实施方式中,多孔结构是网状物。
在任意前述实施方式的另一实施方式中,容纳框架包括设置在多孔结构的孔中的复合材料。
在任意前述实施方式的另一实施方式中,复合材料包括聚合物。
在任意前述实施方式的另一实施方式中,复合材料包含非导电颗粒。
在任意前述实施方式的另一实施方式中,非导电颗粒选自下组:氧化铝、氮化硼、氮化铝、以及它们的组合。
在任意前述实施方式的另一实施方式中,复合材料包含低于5重量%的非导电颗粒。
在任意前述实施方式的另一实施方式中,复合材料的软化点为40℃至70℃。
在任意前述实施方式的另一实施方式中,导热窗格包含选自下组的导热材料:铜金属、铝金属、石墨以及它们的组合。
在任意前述实施方式的另一实施方式中,导热窗格限定了侧边缘,容纳框架限定了界定内部开口的内侧边缘,导热窗格嵌入内部开口中,并且导热窗格的侧边缘固定至容纳框架的内侧边缘。
在任意前述实施方式的另一实施方式中,多孔结构是网状物,容纳框架包括设置在网状物孔中的复合材料,并且,导热窗格包含选自下组的导热材料:铜金属、铝金属、石墨以及它们的组合。
根据本公开一个示例的从集成电路芯片传递热能的热界面层包括非导电的容纳框架;以及嵌入容纳框架中的导热窗格。
在任意前述实施方式的另一实施方式中,容纳框架包括多孔结构和设置在多孔结构的孔中的复合材料。
在任意前述实施方式的另一实施方式中,复合材料的软化点为40℃至70℃。
在任意前述实施方式的另一实施方式中,导热窗格包含选自下组的导热材料:铜金属、铝金属、石墨以及它们的组合,导热窗格限定了侧边缘,容纳框架限定了界定内部开口的内侧边缘,导热窗格嵌入内部开口中,并且导热窗格的侧边缘固定至容纳框架的内侧边缘。
在任意前述实施方式的另一实施方式中,多孔结构是网状物,并且容纳框架包括设置在网状物的孔中的复合材料。
根据本公开一个示例的用于制造热界面层的方法包括如下步骤:提供非导电的容纳框架;以及使导热窗格嵌入容纳框架中。
在任意前述实施方式的另一实施方式中,提供步骤包括:将复合材料引入多孔结构的孔中,以形成空白框架。
在任意前述实施方式的另一实施方式中,提供步骤还包括:去除空白框架的内部区域,以形成具有内侧边缘的容纳框架,所述内侧边缘界定内部开口。
在任意前述实施方式的另一实施方式中,嵌入步骤包括:将导热窗格安装到内部开口中。
附图说明
根据以下详细描述,本公开的各种特征和优点将对本领域技术人员变得明显。伴随发明详述的附图可以进行如下简要描述:
图1显示了一个示例性电子设备。
图2显示了热界面层。
图3显示了具有非导电颗粒的复合材料。
图4显示了用于制造热界面层的方法。
发明详述
图1显示了电子设备20的截面图。电子设备20可以是、但不限于:用于汽车驾驶员辅助系统的多域控制器。电子设备20通常包括:印刷电路板22(“PCB 22”)和支撑在PCB22上的集成电路芯片24(“IC芯片24”)。如图所示,IC芯片24通过内插器板(interposer board)26和焊球28支撑在PCB 22上。然而,应理解,可以替代地采用其他安装方法。
IC芯片24可以产生大约200瓦至大约1000瓦的废热能。就这一点而言,电子设备20包括热界面层30,该热界面层将热能传导并转移离开IC芯片24。在所示的实施例中,热能被排到邻近热界面层30的热耗散装置32,例如散热器。IC芯片24顶部上的金属层24a可以帮助热能从IC芯片24传递到热界面层30。
图2显示了热界面层30的单独俯视图。热界面层30包括非导电的容纳框架34,以及嵌入容纳框架34中的导热窗格36。容纳框架34是限定外侧边缘34a和内侧边缘34b的边界。内侧边缘34b界定内部开口34c。导热窗格36嵌入内部开口34c中。通常,容纳框架34和导热窗格36具有相等的厚度,使得导热窗格36与容纳框架34齐平。
导热窗格36是大致平面的,并且限定了热输入表面36a、热输出表面36b和侧边缘36c。热输入表面36a面向IC芯片24,并且热输出表面面向热耗散装置32。导热窗格36的侧边缘34c固定至容纳框架34的内侧边缘34b,这将在下面进行进一步详细描述。
容纳框架34包括非导电的多孔结构38。多孔结构38包括孔40。在所示示例中,多孔结构38是网状纤维或导线的网状物。例如,多孔结构38包括聚合物基组合物或玻璃组合物。
容纳框架34还包括设置在多孔结构38的孔40中的复合材料42。复合材料42填充了孔40,并且也是非导电的。如本文所用,导电材料是一种允许电流容易地流动的材料,如铜金属、铝金属或石墨,并且非导电材料是不允许电流容易地流动的材料。
例如,复合材料42是由组成物质的混合物构成的树脂。组成物质可以包括但不限于:蜡、聚合物、有机粘结剂、增粘剂、和增塑剂。在一个示例中,复合材料的软化点为40℃至70℃。该软化点允许在相对较低的温度下进行加工,但是也允许热界面层30在运行期间软化或甚至熔化,从而变形并减缓由IC芯片24和热耗散装置32之间的热膨胀系数不匹配所引起的应力。复合材料42可以反复软化或熔化,因此可以被认为是热塑性材料。在软化或熔融状态下,孔40还通过防止复合材料从热界面层30流出而保留复合材料42。
图3显示了复合材料42的修改示例的代表性部分。在该示例中,上述树脂以44表示。复合材料42还包括分散在整个树脂44中的非导电颗粒46。因此,树脂44用作其中嵌入颗粒46的基质。树脂44通常具有较差的热导率。颗粒46的热导率高于树脂,并且因此用于提高复合材料42的热导率。作为示例,颗粒46包括氧化铝、氮化硼、氮化铝或它们的组合。
复合材料42含有相对低含量的颗粒46,以避免改变复合材料42的其它所需物理性质。例如,复合材料42包括约0.5重量%至5重量%的颗粒46。
导热窗格36包含导热材料。示例材料包括但不限于:铜金属、铝金属和石墨。导热窗格36可仅包含一种或多种导热材料,或者,替代性地包含包括一种或多种导热材料的复合材料。在图1所示的一个示例中,导热窗格36包含导热材料的取向纤维48,例如,石墨纤维。例如,纤维48单向垂直取向,以使得纤维48的轴向大致垂直于IC芯片24的平面,从而帮助提高导热性。
在热界面层30中,导热窗格36用于传导和传递来自IC芯片24的热能。然而,导热窗格36中所用的导热材料也是导电的。因此,如果导热材料从导热窗格36迁移出来,则可能导致电子设备20中其它地方的电子部件之间发生电短路。容纳框架34连续地包围导热窗格36的周长,并防止导热窗格36的材料以横向(在热界面层30的平面内)迁移。在这方面,容纳框架34用于限制导热窗格36的材料,从而减少迁移和短路的机会。
另外,尽管容纳框架34可以传递一些热能,但与导热窗格36相比,其通常是较差的热导体。就此而言,热界面层30的面积尺寸实质上大于容纳框架34的面积尺寸。例如,导热窗格36的面积尺寸比容纳框架的面积尺寸大至少2倍,但更优选大至少5倍或至少10倍。
图4显示了制造热界面层30的方法60。方法60最初包括:提供多孔结构38,如图左上部分所示。此时,多孔结构38的孔40未被填充。可以将多孔结构38设置在载体片材62上。例如,载体片材62包括聚四氟乙烯、聚酯或聚酰亚胺,但是可以替代地使用其它载体片材。载体片材62有助于多孔结构38的处理,并且在一些示例中,可以支撑多个多孔结构38以进行共处理,从而一次制造多个热界面层30。
接着,如图的右上部分所示,将复合材料42引入多孔结构38的孔40中,以形成空白框架64。在一示例中,使用丝网印刷工艺引入复合材料42。例如,在丝网印刷工艺中将复合材料42加热成液体,然后将液体分配到孔40中。然后,使液体冷却并固化,以保留在孔40中。可以多次重复印刷,以完全填充孔40。在这方面,载体片材62用作孔40的“基底”以在冷却为固体形式之前支撑孔40中的液体。
接着,如图右下部分所示,去除空白框架64的内部区域66。例如,使用冲压工艺去除内部区域66,但是可以替代地使用其它去除技术。内部区域66的去除产生了内部开口34c。
最后,如图左下部分所示,使导热窗格36嵌入容纳框架34中。嵌入包括将导热窗格36放置在内部开口34c中。内部开口34c的几何形状与导热窗格36的几何形状大致相同,使得导热窗格36紧密贴合至内部开口34c中。容纳框架34可以进行加热,以使得复合材料42围绕导热窗格36的侧边缘36c回流,以将窗格36固定至框架34。
然后可以提供所得的热界面层30以用于组装至电子设备20中。例如,在制造之后,热界面层30可以保留在载体片材62上。然后,可以使用取放机从载体片材62上取下热界面层30,并将其放置在热耗散装置32上或IC芯片24的顶部上。在放置过程中,热界面层30可以进行加热以使复合材料42变粘,使得热界面层30粘附至热耗散装置32或IC芯片24。
尽管在所示的示例中显示了特征的组合,但是并非所有特征都需要进行组合以实现本公开各种实施方式的益处。换言之,根据本公开实施方式设计的系统将不必包括任一附图中所示的所有特征或在附图中示意性显示的所有部分。此外,一个示例性实施方式所选择的特征可以与其它示例性实施方式所选择的特征组合。
前面的描述本质上是示例性的而不是限制性的。对所公开的示例的不必脱离本公开的变型和修改对于本领域技术人员而言可以变得明显。赋予本公开的法律保护范围只能通过研究所附权利要求来确定。

Claims (21)

1.一种电子设备,其包括:
支撑集成电路(IC)芯片的印刷电路板;以及
构造成从IC芯片传递热能的热界面层,
热界面层包括:
非导电的容纳框架;以及
嵌入容纳框架中的导热窗格。
2.如权利要求1所述的电子设备,其中,容纳框架包括多孔结构。
3.如权利要求2所述的电子设备,其中,多孔结构是网状物。
4.如权利要求2所述的电子设备,其中,容纳框架包括设置在多孔结构的孔中的复合材料。
5.如权利要求4所述的电子设备,其中,复合材料包括聚合物。
6.如权利要求4所述的电子设备,其中,复合材料包含非导电颗粒。
7.如权利要求6所述的电子设备,其中,非导电颗粒选自下组:氧化铝、氮化硼、氮化铝、以及它们的组合。
8.如权利要求7所述的电子设备,其中,复合材料包含低于5重量%的非导电颗粒。
9.如权利要求4所述的电子设备,其中,复合材料的软化点为40℃至70℃。
10.如权利要求1所述的电子设备,其中,导热窗格包含选自下组的导热材料:铜金属、铝金属、石墨以及它们的组合。
11.如权利要求2所述的电子设备,其中,导热窗格限定了侧边缘,容纳框架限定了界定内部开口的内侧边缘,导热窗格嵌入内部开口中,并且导热窗格的侧边缘固定至容纳框架的内侧边缘。
12.如权利要求11所述的电子设备,其中,多孔结构是网状物,容纳框架包括设置在网状物的孔中的复合材料,并且,导热窗格包含选自下组的导热材料:铜金属、铝金属、石墨以及它们的组合。
13.一种用于从集成电路芯片传递热能的热界面层,其包括:
非导电的容纳框架;以及
嵌入容纳框架中的导热窗格。
14.如权利要求13所述的热界面层,其中,容纳框架包括多孔结构和设置在多孔结构的孔中的复合材料。
15.如权利要求14所述的热界面层,其中,复合材料的软化点为40℃至70℃。
16.如权利要求13所述的热界面层,其中,导热窗格包含选自下组的导热材料:铜金属、铝金属、石墨以及它们的组合,并且导热窗格限定了侧边缘,容纳框架限定了界定内部开口的内侧边缘,导热窗格嵌入内部开口中,并且导热窗格的侧边缘固定至容纳框架的内侧边缘。
17.如权利要求14所述的热界面层,其中,多孔结构是网状物,容纳框架包括设置在网状物的孔中的复合材料。
18.一种用于制造热界面层的方法,所述方法包括:
提供容纳框架,所述容纳框架是非导电的;以及
使导热窗格嵌入容纳框架中。
19.如权利要求18所述的方法,其中,提供步骤包括:将复合材料引入多孔结构的孔中,以形成空白框架。
20.如权利要求19所述的方法,其中,提供步骤还包括:去除空白框架的内部区域,以形成具有内侧边缘的容纳框架,所述内侧边缘界定内部开口。
21.如权利要求20所述的方法,其中,嵌入步骤包括:将导热窗格安装到内部开口中。
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