CN114144877A - 高热通量多元件组件的热管理 - Google Patents

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Abstract

电子封装包括用于耗散来自电子元件阵列的热量的热界面，所述电子元件阵列包括固定到基板的多个电子元件。热界面包括用于沿横向于热通量的方向传递从电子元件输入的热量的薄的热扩散层。所述热扩散层是层压结构的一部分，该部分通过在输入平面上扩散热能而被有效利用。

Description

高热通量多元件组件的热管理
技术领域
本发明总体上涉及电子器件的热管理，更具体地涉及用于将热能从电子元件阵列有效传输到散热器的热界面构造。
背景技术
热界面广泛用于需要将多余的热能从一个位置传递到另一个位置的散热应用。热界面通常以一定的方式位于这些位置之间，以便以有效和机械有用的方式适应所需的热传递。这种热界面的示例应用包括电子工业，其中必须冷却电子元件以保持最小阈值性能特性。通常，通过将电子器件热耦合到散热器例如散热片(heat sink)而将热量从发热电子器件中转移出去，所述散热器通常具有相对高的散热能力。散热特性包括适当的材料、配置和暴露于冷却介质。
热界面材料和结构可以促进发热元件例如电子元件与散热器的热耦合。例如，由于相对的外部几何形状、材料和发热元件附近的特殊限制，发热电子元件和散热片之间的直接物理耦合可能很困难。因此，热界面可以充当发热元件和散热片之间的物理连接机制，而不会显著阻碍热传递。因为在热能必须穿过热导率相对较低的介质的热障处，热传递可能会受到显著阻碍，所以热界面可以通过最小化热障的存在来提高热传递到散热片的效率。热界面可以制成柔软的，以“符合”表面不规则性，从而最小化可能另外阻碍热传递的空隙。
随着微电子器件的小型化和功率增加，散热对于各种电子器件的性能、可靠性和进一步小型化变得至关重要。集成电路(“ICs”)代表可能需要散热以可靠运行的示例发热电子元件。ICs通常通过将它们物理和电耦合到基板例如电路板或更具体地印刷电路板(“PCB”)而组装成封装。固定到基板的ICs和/或其他电子元件的阵列形成电子组件。对体积减小的电子组件的性能提高的需求导致每单位面积的产热增加。因此，需要改进的热管理解决方案来解决增加的热传递需求。
与热界面热耦合的发热元件构成了通过最低热阻抗路径发射热能的热源。例如，在热发生器元件热耦合到均匀热界面的应用中，热能通常沿锥形或柱形图案耗散到散热片。在散热片比热界面导热得多的情况下，从热源的散热遵循对散热片的最低热阻抗路径。在热界面均匀的情况下，这样的路径是热源和散热片之间通过热界面的最短距离的路径。这种现象导致了具有各向异性热导率的热界面的发展，其中通过厚度(“z”)方向即热源和散热片之间的最短路径的热导率是一种调整为促进沿这种“z”方向的热传递的专门设计的构造。这种热界面的示例包括定向石墨垫，其中石墨纤维平行于通过热界面的厚度的“z”轴而取向。通过这样的布置，热界面表现出沿“z”轴的优先热传递。尽管各向异性热界面已被证明可用于沿z轴方向以高热导率值传导热能，但几个缺点阻碍了它们的普遍接受。例如，定向纤维热界面往往很昂贵。另外，某些应用要求在制造期间沿z轴压缩电子封装，这种压缩可损坏定向纤维并降低整体热导率。
某些传统的高热导率界面，包括各向异性热界面的许多变体，表现出不足以被视为非导体的电阻率。许多应用需要对连接的电子元件进行电绝缘，其中这种高热导率界面是不合适的。
因此，一个目的是提供一种在其厚度上是非导体的热界面。
另一个目的是提供一种在厚度压缩之后保持有效的热导率的热界面。
另一个目的是提供一种能够同时耗散来自发热电子元件阵列的热能的成本有效的热界面。
更进一步的目的是提供一种电子封装，其利用热界面来有效地耗散来自多个间隔开的电子元件的阵列的热能。
发明内容
通过本发明，由多个电子元件的阵列产生的多余热能可以有效地耗散到散热器。特别地，本发明提供一种热界面，其通过沿x和y轴扩散来自热源的热能来增强沿平行于厚度轴的方向的整体热导率。所述热界面利用被配置为沿x和y轴有效地传导热量的热扩散层，以便提高热界面沿z轴热传递到热耗散器的体积利用率。
在示例实施方案中，本发明的电子封装包括基板和电子元件阵列，所述电子元件阵列包括固定到基板的多个独立的、间隔开的电子元件。电子封装进一步包括散热器和位于所述电子元件阵列和散热器之间的热路径中的热界面。所述热界面包括热扩散层和柔性层(compliant layer)，以及沿着穿过热扩散层和柔性层的厚度轴限定的厚度。所述热扩散层小于所述厚度的20％并且表现出第一热导率。所述柔性层表现出显著小于第一热导率的第二热导率和104Pa–106Pa的压缩模量。
在另一实施方案中，本发明的电子封装包括基板和电子元件阵列，所述电子元件阵列包括固定到基板的多个独立的、间隔开的电子元件。该电子封装进一步包括热界面，所述热界面包括热扩散层和柔性层，以及沿着穿过所述热扩散层和柔性层的厚度轴限定的厚度。热扩散层小于所述厚度的20％并且表现出第一热导率。柔性层表现出显著小于第一热导率的第二热导率和104Pa–106Pa的压缩模量。热扩散层热连接到电子元件阵列，并且散热器热连接到热界面的柔性层。
用于制备本发明的电子封装的方法包括提供热界面，所述热界面具有热扩散层和柔性层，以及沿着穿过所述热扩散层和柔性层的厚度轴限定的厚度。所述热界面表现出初始热导率。热界面的热扩散层小于所述厚度的20％，并表现出至少100W/m*K的热导率。柔性层表现出104Pa–106Pa的压缩模量。热界面固定在散热器和固定到基板的多个电子元件的电子元件阵列之间的热路径中。沿厚度轴压缩热界面以减小厚度，使得厚度减小高达50％的热界面所表现出的压缩热导率为初始热导率的至少80％。热界面的压缩可以包括将基板和散热器中的至少一个朝向基板和散热器中的另一个移动。
附图说明
图1是本发明的电子封装的剖视图；
图2是本发明的电子封装的热界面部分的剖视图；
图3是本发明的电子封装的热界面部分的透视图；
图4是本发明的电子封装的一部分的剖视图；
图5是描述一种用于制造本发明的电子封装的热界面部分的方法的流程图；
图6是比较热导率图；
图7A是本发明的电子封装在压缩力下的剖视图；以及
图7B是本发明的电子封装在压缩之后的剖视图。
具体实施方式
上面列举的目的和优点以及本发明所代表的其他目的、特征和进步现在将根据参照附图描述的详细实施方案来呈现。本发明的其他实施方案和方面被认为在本领域普通技术人员的掌握之内。
为了描述本发明的装置，术语“上”、“下”、“水平”、“垂直”、“上方”、“下方”、“近端”、“远端”或类似的相关术语可以在本文中用于描述设备的零部件及其相对位置。这些术语是为了方便参考附图而使用的，但不应被解释为限制本发明的范围。
现在参考附图，首先参考图1，电子封装10包括基板12和电子元件阵列14，电子元件阵列14包括固定到基板12的多个电子元件16。电子封装10进一步包括散热器18和位于电子元件阵列14和散热器18之间的热路径(由虚线箭头22表示)中的热界面20。电子封装10被布置成通过提供从电子元件阵列14到与散热器18接触的吸热流体介质24的导热路径来耗散由电子元件16产生的热能。在典型的应用中，流体介质24可以是气体，例如空气，由空气推进器驱动以吸收来自散热器18的热能。电子封装10是可以适当修改以适应各种电子应用例如数据处理器、数据存储器、通信板、天线等的示例布置。这样的装置可以用在计算装置、通信装置及其外围设备中。在特定示例实施方案中，可以采用电子封装10来支持蜂窝通信装置中的各种功能。
基板12除了作为电子元件阵列14的支撑件之外，还可以提供多种功能中的一种或多种。出于简化描述本发明的电子封装10的目的，基板12可以是电路板，例如在用于根据需要在组件中电连接电子元件16的安装表面13上具有导电迹线的印刷电路板。元件16可以通过焊接或其他已知技术电连接到布线迹线。在操作中，电子元件16产生显著多余的热能，该热能必须被耗散掉以保持最佳性能。电子元件16可以是在电子过程中有用的多种元件中的任何一种，可以包括例如集成电路、电阻器、晶体管、电容器、电感器和二极管。
热界面20通常沿着热路径22在电子元件阵列14和散热器18之间提供导热桥。散热器18可以以最有效地将热能传递到散热器18的方式热耦合到热界面20。如示意性示出的，散热器18可以具有结合了相对高的表面积例如贯穿翅片28(through fins)的构造。散热器的使用是很好理解的，并且预期在本发明的布置中可以使用传统的和定制的设计。
用于热界面的传统方法包括均匀且柔性的导热物质，例如糊剂或凝胶。另一个示例界面包括定向纤维装置，其具有基本上平行于热路径22定向的导热纤维。如上所述，这样的解决方案对于某些应用可能是不能胜任的。热界面20已开发为最有效地利用界面的柔性导热体积以最大化热容量。为此，热界面20包括热扩散层30用于在传输到柔性层32之前在更宽的区域上扩散从电子元件16接收的热能。本发明的布置所促进的热传递更充分地利用热界面20的总传导能力，当与多个间隔开的热源例如电子元件16结合使用时，这相应地提高了热界面20的整体热传导性能。
热界面20可以是包括热扩散层30和柔性层32的多层复合材料。热界面20具有沿着穿过热扩散层30和柔性层32的厚度轴34限定的厚度“T”。热扩散层30具有小于厚度T的20％，优选小于T的15％，更优选小于厚度T的10％的厚度“T1”。在一些实施方案中，扩散层30可以具有为热界面20的厚度T的5-10％的厚度T1。
与热界面20的总厚度T相比，热扩散层30相对薄，以促进热能基本上沿“x”和“y”轴的分布，如图2和3所示。热扩散层30优选地表现出显著大于柔性层32的第二热导率“C2”的第一热导率“C1”。因为热能沿着最小阻力的路径传递，热界面20在热扩散层30处接收的热能在传递通过柔性层32之前将主要传递遍及热扩散层30。这种“最小阻力的路径”效应导致从电子元件阵列14的独立电子元件16的热输入在传递通过z轴之前主要沿着x和y轴扩散遍及热扩散层30。以这种方式，热能传递到柔性层32基本上遍及在柔性层32的第一表面33处呈现的界面区域，然后基本上遍及柔性层32的整个体积。这种方法使柔性层32的导热能力最大化。在热界面20处不存在热扩散层30的情况下，如在传统的糊剂和凝胶中，从独立热源点输入的热通常不会传递遍及热界面体积，而是沿厚度轴以更直接的路径传递到散热器。
为了实现热扩散特性，热扩散层30优选表现出至少100W/m*K，更优选至少400W/m*K的第一热导率C1。在一些实施方案中，第一热导率C1可以为100-1500W/m*K，更优选地为400-1000W/m*K。出于本发明的目的，通过ASTM D5470测定层或结构的热导率。热扩散层30的热导率可以在三个维度上基本相等，或者可以是各向异性的，具有基本上沿x和y轴的优先热传递。换言之，通过热扩散层30的热传递优选地或者沿所有三个轴(x、y、z)基本相等，或者在如图2和3所示的方向表现出沿x和y轴的热传递优先于沿z轴的热传递。为了实现沿x和y轴进行热扩散的目的，不希望采用相对于沿x和y轴的热传递，优先沿z轴的传递热的各向异性热扩散层30。可用于热扩散层30的示例材料包括铜、铝、石墨和氮化硼。然而，其他高导热材料被认为可用于本发明的热扩散层30。
为了促进沿热界面20的x和y轴的热传递，与热界面20的总厚度T相比，热扩散层30优选地沿厚度轴34相对薄。由于与柔性层32相比热扩散层30的热导率显著更高，因此相对薄的热扩散层30更有效地引导沿x和y轴的热传递。然而，申请人已经发现，优选在驱动沿x和y轴的热传递与在热扩散层30中提供足够的热容量以适应从电子元件阵列14输入的热能而不过早地将热传递到柔性层32之间取得平衡。因此，至少在一些实施方案中，优选维持热扩散层30的最小厚度阈值以便以不会使热扩散层30的总热容量“过载”的方式容纳热能输入，所述“过载”可能导致来自独立热源的热更直接地传递通过厚度轴34。因此，期望热扩散层厚度T1可以占热界面20的总厚度T的至少5％，更优选地为厚度T的5-20％。在一些实施方案中，热扩散层厚度T1可以为25-125微米。
柔性层32优选地至少沿z轴导热，并且优选地是适形材料(conformablematerial)以最大化与散热器18的热接触。柔性层32可以由多种材料形成，这些材料可以单独使用或组合使用以产生适形且导热的物质。优选地，柔性层32至少在室温下是自支撑的，其中柔性层32的限定三维形状至少在室温下是自保持的并且没有施加外力。柔性层32的示例材料包括微晶蜡或硅酮基聚合物，包括硅蜡、硅脂和硅凝胶。可用于柔性层32的配方的示例包括美国专利号5,950,066和6,197,859中描述的那些，其内容通过引用并入本文。在一些实施方案中，柔性层32可包括熔点为约40-80℃的相变材料。
柔性层32可以进一步包括分散在其中的导热颗粒物质以提高热导率。多种导热颗粒物质可用于帮助柔性层32的热导率，包括例如氧化铝、氮化铝、氮化硼、石墨、碳化硅、金刚石、金属粉末、陶瓷颗粒、碳纤维和纳米管、金属合金及其组合。高达约200微米的粒度是典型的。颗粒填充材料可以约10至95重量％的浓度提供在柔性层32中。颗粒填料的负载水平可影响柔性层32的总压缩模量。因此，希望在室温下保持不大于约106Pa，优选104-106Pa的压缩模量。为此目的，术语“压缩模量”由测试程序ASTM D575定义。
柔性层32可以表现出显著小于热扩散层热导率C1的热导率C2。尽管在热界面中需要低热阻抗/高热导率，但最大化热界面主体本身的热导率可能以适形性为代价。申请人认识到，在控制热界面材料的有效性方面，适形性甚至比热界面材料内的热导率更重要。因此，经常在热界面的热导率和热界面的适形性之间取得平衡。本发明的设备通过保持柔性层32中以其压缩模量表示的适形性达到这种平衡。适形的热界面材料可以在热导率方面变化，但通常低于20W/m*K。因此，柔性层32优选地表现出至少沿z轴的热导率为1-15W/m*K。在一些优选实施方案中，柔性层32的至少沿z轴的热导率为5-12W/m*K。应当理解，在柔性层32和/或热扩散层30内的各个点处的局部热导率值可能小于上述值。然而，至少沿z轴的净热导率优选地如上所述。
柔性层32可以形成为具有厚度尺寸T2，该厚度尺寸可以形成热界面20的厚度T与热扩散层30的平衡。然而，预期热界面20中可以存在除了热扩散层30和柔性层32之外的层。在一些示例实施方案中，柔性层32可以具有0.25-2.5mm，更优选地0.5-1mm的厚度T2。
在一些实施方案中，粘合材料40可用于将热扩散层30固定到电子元件阵列14。如图4所示，可以将粘合材料40例如压敏粘合剂施加到热扩散层30以将热扩散层30固定到电子元件阵列14的一个或多个电子元件16。粘合材料40可以在层中或在独立的焊盘(land)中提供，用于固定到阵列14的一个或多个电子元件16。粘合材料40可以是导热的，具有至少约0.5W/m*K的电导率。有用的粘合材料的实例包括可从Henkel Corporation,Irvine,CA商购的Bond PlyTM和LiquiBondTM导热粘合剂。
热界面20在沿厚度轴34的整个厚度T中可以优选地是电绝缘的。热界面20相对于传统的高导热界面的优点是热界面20在需要电绝缘的应用中的适用性。一些常规的高导热界面依赖于将电阻抗降低到丧失电绝缘特性的程度的结构和组成。高导热界面的示例常规方法使用定向石墨，其穿过界面的厚度定向以促进沿z轴的热导率。然而，在这样做时，定向石墨形成了穿过热界面的导电路径。某些应用不适合低电阻热界面。柔性层32优选地是非导体，使得热界面20在沿厚度轴34的整个厚度T中表现出至少108Ω*cm的电阻率。热界面20在沿厚度轴34的整个厚度T中可以更优选地表现出至少1010Ω*cm的电阻率。
预期热扩散层30可通过多种方法之一组装到柔性层32，包括例如气相沉积、等离子体聚合、喷涂、溅射等。图5中示出了演示热界面制造的示例工艺步骤的流程图。具体地，将用于热扩散层30的材料沉积到剥离衬垫上至预定厚度，以便形成涂布的基板。在一些实施方案中，可以将材料施加到基板上至约25-125微米的预定厚度。剥离衬垫在本领域中是众所周知的，并且预期能够相对容易地从热扩散层30移除的常规剥离衬垫可用于热界面制造过程中。可用于接收沉积的热扩散层30并随后从其移除的示例剥离衬垫是聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)。
然后将涂布的基板沿其中剥离衬垫与压延辊接触，并且暴露热扩散层30材料以与柔性层32配准的方向置于压延操作中。热扩散层30与柔性层32的配准导致热扩散层30以比热扩散层30与其相应的释放衬垫基板之间的耦合更大的强度粘附到柔性层32。结果，基板随后从热扩散层30移除，而热扩散层30保持与柔性层32接触。然后可以将单独的热界面冲切成所需的尺寸。
本发明的一个方面是热界面20在沿厚度轴34压缩之后如何损失很少的导热性能。某些热界面的导热性能在压缩时显著降低。这可能是由于，例如，依赖其实现导热性能的定向纤维的破坏。本发明的热界面20的构造允许沿厚度轴34压缩，而不会显著降低其热性能。
图6示出了与本发明的0.08英寸标称10W/m*K热界面相比，沿着初始厚度为0.07英寸的标称20W/m*K定向石墨热界面的相应厚度轴进行渐进式压缩时的热性能的比较。具体而言，图6的比较数据表明，定向石墨界面的热导率在压缩时显著降低，而本布置的热导率几乎没有影响，即使在显著压缩时。在优选实施方案中，厚度减少高达50％的热界面20表现出的压缩热导率为其初始热导率的至少80％。如图6所示，标称10W/m*K热界面的热导率在沿其厚度轴压缩50％后降低了不到20％。
图7A和7B示出了制备本发明的电子封装的方法，其中热界面20被固定在散热器18和固定到基板12的多个电子元件16的电子元件阵列14之间的热路径22中。如力矢量F1、F2所示，通过向散热器18和基板12之一或两者施加力而沿着厚度轴34压缩热界面20。可以采用传统的压缩机构来将电子封装10压缩到所需的程度。在一些实施方案中，电子封装10可以沿厚度轴34被压缩到使得热界面20的厚度T减小多达50％的程度。图7B示出了压缩过程之后的电子封装10。与热界面20相比，散热器18、电子元件阵列14和基板12中的每一个都是相对不可压缩的。在一些实施方案中，热界面20的热扩散层30与柔性层32相比是相对不可压缩的。在这样的实施方案中，施加到电子封装10的压缩力F1、F2可以主要仅压缩热界面20的柔性层32。在图7A和7B所示的实例中，热界面20的初始厚度Ti可以减少多达约50％，其中最终厚度Tf可以由以下关系表示：
Tf＝0.5≤Ti≤1.0
如上所述，申请人已经发现热界面20可以被如此压缩并且仍基本上保持其导热性能。这种特性在组装期间需要或利用压缩的应用中是重要的。
本文已相当详细地描述了本发明，以便向本领域技术人员提供应用新颖原理所需的信息，并且根据需要构建和使用本发明的实施方案。然而，应当理解，可以在不脱离本发明本身的范围的情况下进行各种修改。

Claims (20)

1.一种电子封装，其包括：
基板；
电子元件阵列，所述电子元件阵列包括固定到所述基板的多个独立的、间隔开的电子元件；
散热器；和
位于所述电子元件阵列和所述散热器之间的热路径中的热界面，所述热界面包括热扩散层和柔性层，以及沿着穿过所述热扩散层和所述柔性层的厚度轴限定的厚度，其中所述热扩散层小于所述厚度的20％并且表现出第一热导率，以及所述柔性层表现出显著小于所述第一热导率的第二热导率和104Pa–106Pa的压缩模量。
2.根据权利要求1所述的电子封装，其中所述第一热导率为至少100W/m*K，以及所述第二热导率为1-15W/m*K。
3.根据权利要求2所述的电子封装，其中所述热界面在沿所述厚度轴的整个厚度中表现出至少108Ω*cm的电阻率。
4.根据权利要求1所述的电子封装，其中所述热界面固定到所述散热器和所述电子元件阵列中的至少一个。
5.根据权利要求4所述的电子封装，其包括用于将所述热扩散层固定到所述电子元件阵列的多个电子元件的粘合材料。
6.根据权利要求5所述的电子封装，其中所述粘合材料包括压敏粘合剂。
7.根据权利要求1所述的电子封装，其中所述基板是电路板。
8.根据权利要求1所述的电子封装，其中所述电子元件包括集成电路、电阻器、晶体管、电容器、电感器和二极管中的一种或多种。
9.根据权利要求1所述的电子封装，其中所述热扩散层选自铜、铝、石墨和氮化硼。
10.根据权利要求1所述的电子封装，其中所述热扩散层沿所述厚度轴为25-125μm。
11.根据权利要求1所述的电子封装，其中所述柔性层包括分散在硅酮聚合物基质中的颗粒填料。
12.根据权利要求1所述的电子封装，其中所述厚度轴平行于所述热路径。
13.一种制备电子封装的方法，所述方法包括：
a.提供热界面，所述热界面具有热扩散层和柔性层，以及沿着穿过所述热扩散层和所述柔性层的厚度轴限定的厚度，其中所述热界面表现出初始热导率，并且其中所述热扩散层小于所述厚度的20％并且表现出至少100W/m*K的热导率，以及所述柔性层表现出104Pa–106Pa的压缩模量；
b.将所述热界面固定在散热器和固定到基板的多个电子元件的电子元件阵列之间的热路径中；和
c.沿所述厚度轴压缩所述热界面以减小所述厚度，其中厚度减小高达50％的热界面所表现出的压缩热导率为所述初始热导率的至少80％。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述热界面的所述柔性层表现出1-15W/m*K的热导率。
15.根据权利要求13所述的方法，其中所述厚度轴平行于所述热路径。
16.根据权利要求13所述的方法，其中所述热界面在沿所述厚度轴的整个厚度中表现出至少108Ω*cm的电阻率。
17.根据权利要求13所述的方法，其中压缩包括将所述基板和所述散热器中的至少一个朝向所述基板和所述散热器中的另一个移动。
18.一种电子封装，其包括：
基板；
电子元件阵列，所述电子元件阵列包括固定到所述基板的多个独立的、间隔开的电子元件；
热界面，所述热界面包括热扩散层和柔性层，以及沿着穿过所述热扩散层和所述柔性层的厚度轴限定的厚度，其中所述热扩散层小于所述厚度的20％并且表现出第一热导率，以及所述柔性层表现出显著小于所述第一热导率的第二热导率和104Pa–106Pa的压缩模量，其中所述热扩散层热连接到所述电子元件阵列；和
散热器，所述散热器热连接至所述热界面的所述柔性层。
19.根据权利要求18所述的电子封装，其中所述第一热导率为至少100W/m*K，以及所述第二热导率为1-15W/m*K。
20.根据权利要求19所述的电子封装，其中所述热界面在沿所述厚度轴的整个厚度中表现出至少108Ω*cm的电阻率。
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