CN114730205A - 具有在微处理器芯片上的插入件的机载计算机 - Google Patents

Abstract

一种机载计算机，该机载计算机包括：微处理器芯片(1)，微处理器芯片具有下部面(1b)和上部面(1a)；芯片支撑件(2)，芯片支撑件具有上部面(2a)，微处理器芯片(1)安装在该芯片支撑件上；以及壳体(4)，该壳体用于将由微处理器芯片(1)在运行过程中释放的热量排出，微处理器芯片(1)的上部面(1a)与壳体(4)之间设置有插入件(6)，该插入件由微处理器芯片(1)的上部面支撑，并且该插入件被配置为将通过微处理器芯片(1)的上部面(1a)传递的热量向壳体(4)扩散，插入件(6)具有用于与壳体(4)进行热交换的上部表面，该上部表面的面积比微处理器芯片(1)的上部面(1a)的面积至少大两倍。

Description

具有在微处理器芯片上的插入件的机载计算机

技术领域

本发明涉及机载电子设备领域，并且更具体地涉及一种机载计算机，该机载计算机包括微处理器芯片、芯片承载件、以及将芯片在其运行过程中产生的热量排出的壳体，该计算机装载在如飞行器的空中运载工具上或者装载在如装配有轮子或履带的机器的陆地运载工具上。

背景技术

机载计算机必须能够在面临一定数量的限制时确保其进行的操作。机载计算机必须特别是：

-无论运载工具的环境条件如何，都能提供高可用性，

-具有较小的空间要求，

-对由运载工具的运行引起的影响(振动、高温)具有鲁棒性，

-在封闭环境中进行。

这些限制会导致与计算机运行相关的各个方面的问题。特别地，任意微处理器芯片在其运行过程中产生会超过100℃的热量。然而，机载计算机必须面对的上述限制可能会使这些热量难以排出。

实际上，出于可靠性和封闭性的原因，通常不可能使用冷却流体(诸如外部空气流)的供应，因为计算机的壳体通常是密封的。此外，流体循环装置(通常是风扇或泵)易于发生故障，这对于机载计算机是不可接受的，因为机载计算机的可靠性对于运载工具是至关重要的。

因此，机载计算机通常通过接触热扩散来进行冷却，接触热扩散包括将微处理器芯片产生的热量传递到计算机的壳体。因此，散热器被放置为与微处理器芯片接触以将热量从微处理器芯片中排出。然而，这种类型的冷却需要在散热器和微处理器芯片之间具有在微处理器芯片的整个表面上均匀地延伸的接触。然而，与任何机械系统一样，需要在不同部件(微处理器芯片、芯片承载件、散热器、壳体等)之间提供间隙，以便使得能够适应尺寸公差并且使得能够安装计算机。

可以提供诸如弹簧或凝胶之类的弹性元件来占据各部件之间的不同间隙，并且确保部件的机械保持。由于计算机是机载计算机，因此计算机会受到运载工具的运行引起的强烈振动的影响。由于这些振动和弹性元件的弹性，计算机的各部件可能会发生相对移位，这会损害微处理器芯片的冷却。

另一种解决方案是设置非常低的制造公差，严格遵守非常精确的尺寸。然而，这种要求显著地增加了制造成本，使安装复杂化，并且可能引起关于热膨胀的问题。此外，为了对不可避免的尺寸公差进行补偿，设置在微处理器芯片和壳体之间的导热垫必须较厚，这降低了向壳体排放热量的效率。

专利申请US2013/0105964描述了一种半导体装置，在该半导体装置中，散热器板设置在半导体元件和散热片之间，该散热器板形成热扩散器。然而，这种与半导体元件接触的散热器板的安装很复杂，并且其他的缺陷不利于冷却效率。

发明内容

本发明旨在使得机载计算机能够以对振动稳健、没有可移动的元件并且无需复杂且昂贵的制造或安装的方式对机载计算机的微处理器芯片进行冷却。

为此，本发明提出一种机载计算机，该机载计算机包括：微处理器芯片，所述微处理器芯片具有下部面和上部面；芯片承载件，所述芯片承载件具有上部面，所述微处理器芯片安装在所述上部面上；以及壳体，所述壳体被配置为将由所述微处理器芯片在运行中产生的热量排出，其中，在所述微处理器芯片的上部面和所述计算机的所述壳体之间设置有插入件，所述插入件由所述微处理器芯片的上部面承载，并且所述插入件被配置为将通过所述微处理器芯片的上部面传递的热量向所述计算机的所述壳体扩散，所述插入件具有用于与所述计算机的所述壳体进行热交换的上部表面，所述上部表面比所述微处理器芯片的上部面的表面积至少大两倍，并且其中，所述插入件至少在一个侧面具有与所述芯片承载件的侧壁接触的周边楔入边缘，所述插入件具有的周边楔入边缘不超过两个，以使得所述插入件的其他侧面是自由的。

本发明有利地由单独或根据它们的各种可能组合实施的以下各种特征进行补充：

-所述插入件具有用于与所述计算机的所述壳体进行热交换的上部表面，所述上部表面比所述微处理器芯片的上部面的表面积至少大四倍；

-所述插入件是金属的；

-所述插入件具有至少一个与所述芯片承载件的侧壁接触的周边楔入边缘；

-所述芯片承载件包括至少两个邻近的侧面，并且所述插入件具有两个周边楔入边缘，每个周边楔入边缘与所述芯片承载件的相应侧壁接触；

-周边楔入边缘没有在该周边楔入边缘所定位的插入件的侧面的整个上延伸；

-在所述微处理器芯片和所述插入件之间设置有导热膏；

-在插入件和计算机的壳体之间设置有导热垫；

-粘合材料将插入件的周边的至少一部分与所述芯片承载件的上部面保持在一起；

-所述插入件具有平坦的上部面以及具有下部面，所述下部面的周边具有额外的厚度，并且所述下部面的中心限定容纳所述微处理器芯片的上部面的腔体；

-所述周边楔入边缘将插入件相对于所述中心径向地延伸到超过所述周边，使得所述周边楔入边缘从芯片承载件的上部面突出；

-所述插入件的所述中心的厚度包括在1mm至2mm之间，并且所述插入件的所述周边的厚度包括在2mm至4mm之间。

附图说明

本发明的其他特征、目标和优点将从以下描述中变得明显，以下描述仅仅是说明性的而不是限制性的，并且应该结合附图阅读，在附图中：

-图1是示出了根据本发明的一个可能实施例的芯片承载件、插入件和微处理器芯片的俯视图；

-图2是图1的沿截面BB的示意图；

-图3是图1的沿截面AA的包括导热垫和壳体的示意图；

-图4是根据本发明的一个可能实施例的插入件的透视图。

具体实施方式

参考图1至图3，机载计算机包括具有下部面1a和上部面1b的微处理器芯片1。微处理器芯片是结合了计算机中央处理单元的功能并且执行指令和处理数据的集成电路。微处理器芯片1可以是任意类型，并且可以例如专用于信号通信或处理功能。

微处理器芯片1安装在芯片承载件2上，并且更具体地，安装在芯片承载件2的上部面2a上。在所示的示例中，微处理器芯片1是倒装芯片类型，并且芯片承载件2的下部面2b设置有焊球3，使得微处理器芯片1能够与其他电子部件(其他计算机、传感器、致动器等)以及其电源连接。

机载计算机还包括在图3中可见的壳体4，该壳体被配置为通过壳体的上部面4a将微处理器芯片在运行中产生的热量排出到计算机外部的环境5。壳体4可以具有翅片件或使得能够增加交换表面的其他装置以最大化壳体4和外部环境5之间的热传递。外部环境5优选地是空气，但可以是能够排出热量的任何类型的环境。壳体4通常由金属组成，金属良好的导热性使其能够确保壳体作为散热片的作用。

在微处理器芯片1的上部面1a和壳体4的下部面4b之间设置有插入件6。插入件被配置为将通过微处理器芯片的上部面1a传递的热量向壳体4扩散。因此，插入件6也可以被指定为热扩散器。优选地，如图1所示，微处理器芯片1大致居中于芯片承载件2上，并且插入件6大致居中于芯片承载件2上，使得微处理器芯片1大致处于插入件6的中心处，这有利于热量的均匀排放。应注意的是，在图1中示出微处理器芯片1是为了说明的目的，微处理器芯片通常被置于其上的插入件6所隐藏。如图所示，插入件6优选地具有与芯片承载件2相同的形状和大致相同的尺寸。通常，芯片承载件2和插入件6具有四边形(正方形或矩形)的形状。

在微处理器芯片1的上部面1a和插入件6之间设置有导热膏7。导热膏7可以包括金属填料，并且例如是载有金属(通常是银、铜或铝化合物)的聚合物或陶瓷膏。可以使用其他组合物。导热膏7使得能够通过导热率远高于空气的物质对由于微处理器芯片1的上部面1a和插入件6的下部面6b的粗糙度而导致的微孔进行填充，从而改善热传递。然而，与现有技术相反的是，此处的导热膏7不具有对由制造公差引起的微处理器芯片1的上部面1a或壳体4的下部表面4b的不平整度进行修正的作用。导热膏7因此可以以非常小的厚度存在，该厚度通常小于1mm，甚至小于0.5mm或小于0.3mm。

导热垫8设置在插入件6和壳体4之间，并且更具体地，设置在插入件6的上部面6a和壳体4的下部面4b之间。导热垫8例如是非导电膏，以避免短路。可以使用其他组合物。和导热膏7一样，在此，导热垫8在插入件6和壳体4之间起到热密封的作用，以促进从插入件6到壳体4的热传递。另一方面，导热垫8可以用于弥补插入件6的上部面6a和壳体4的下部面4b上可能存在的轻微不平整。因此，导热垫8可以比导热膏7厚。应注意的是，导热垫8的厚度比导热膏7的厚度大。

微处理器芯片1在其运行过程中产生的热量被传递到插入件6，插入件将热量传递至壳体4。为了改善热量排放，插入件6具有与壳体4进行热交换的上部表面，该上部表面比微处理器芯片1的上部面1a的表面积至少大两倍，并且优选地比微处理器芯片1的上部面1a的表面积至少大四倍。该上部热交换表面由插入件的上部面6a构成。最大的上部热交换表面使得可以有效地将热量从插入件6排放到壳体4，从而冷却插入件6，并且因此改善对微处理器芯片1的冷却。这是更有利的，因为导热垫8形成的热密封性不如导热膏层7有效，也就是说，具有更低的热导率，特别是因为导热垫更大的厚度。通过插入件6实现的导热膏7的厚度的减小，以及与壳体4进行热交换的表面的增加，显著提高了微处理器芯片1和壳体4之间的热传递。

事实上，由于微处理器芯片的日益小型化，微处理器芯片1的上部面1a通常具有很小的表面积，并且因此与壳体4的热交换被限制在这个很小的表面积上，这阻碍了对微处理器芯片1的冷却。插入件6使得能够将与壳体4进行热交换的表面增加数倍。例如，当微处理器芯片1在每侧具有5x5mm的上部面1a时，插入件6可以例如在每侧具有经由导热垫8与壳体4接触的20x20mm的上部面6a，即表面增加16倍。

插入件6优选地制成一体件。插入件6由具有良好导热性的材料构成，并且通常由金属制成。并且更特别地，插入件6可以由铜或铝制成，铜或铝结合了良好的导热性和良好的刚性，以制成薄而刚性的插入件。

图4示出了根据本发明的一个有利且非限制性实施例的插入件6的示例。图4示出了插入件6的下侧，即微处理器芯片1和芯片承载件2的一侧。在相对的一侧上(未在图4中示出)，插入件6具有上部面6a，该上部面优选地是平坦且光滑的，以使得与壳体4进行热交换的表面最大化。

在图4中可见的一侧上，插入件6具有下部面6b，该下部面优选地不是平坦的。下部面6b可以具有周边11和中心12，该周边具有额外的厚度，该中心限定容纳微处理器芯片1的上部面1a的腔体。在宽度上，周边11表现出小于插入件6的下部面6b的直径一半的20％。周边11优选地在插入件6的周边的大部分上加厚，并且加厚部分优选地是封闭的，从而形成使插入件6刚性的框架，这使得可以提供厚度较小的中心12，同时保持必要的刚度以确保插入件6的上部面6a的平面度，其中，该平面度对于该插入件通过导热垫8与壳体4进行良好接触是必需的。中心12的较小厚度使得可以提高微处理器芯片1和壳体4之间的导热性。通常，中心12的厚度小于周边11的额外厚度的一半。举例而言，插入件6的中心12的厚度可以包括在1mm至2mm之间，并且插入件6的周边11的厚度可以包括在2mm至4mm之间。

加厚的周边11因此形成朝向芯片承载件2的突起部，但是优选地并不用于承载插入件6。实际上，周边11相对于中心12的额外厚度不超过位于芯片承载件2上方的微处理器芯片1的高度。插入件6由微处理器芯片1的上部面1a进行承载：插入件6通过其中心12搁置在微处理器芯片1的上部面1a上(经由导热膏7的层)，而不是通过其周边11搁置在芯片承载件2上。

然而，加厚的周边11优选地延伸至非常邻近芯片承载件2。粘合材料13将插入件6的周边11的至少一部分与芯片承载件2的上部面2a保持在一起。该粘合材料13通常是胶珠。在微处理器芯片1的周围，插入件6的下部面6b的中心12面向芯片承载件2的上部面2a并且与该上部面间隔开，从而围绕微处理器芯片1限定自由空间14。该自由空间14充满空气，并且使得能够减轻由芯片承载件2、微处理器芯片1和插入件6形成的组件。此外，微处理器芯片1周围存在的空气使得膏能够流动并且减轻组件的重量。

如图2所示，插入件6还包括与芯片承载件2的侧壁2c接触的至少一个周边楔入边缘15。芯片承载件2的侧壁2c连接芯片承载件2的上部面2a和下部面2b。如图1所示，周边楔入边缘15使插入件6相对于中心12径向地延伸到超过周边11，使得周边楔入边缘15从芯片承载件2的上部面2a突出。周边楔入边缘15在与插入件6的上部面6a相对的一侧上相对于插入件6的中心12延伸的距离大于芯片承载件2上微处理器芯片1的高度，并且由此抵靠芯片承载件2的侧壁2c。

在将插入件6安装到微处理器芯片1期间，周边楔入边缘15用作定位参考：只需将插入件6在微处理器芯片1的上部面1a上滑动即可，直到周边楔入边缘15与芯片承载件2的侧壁2c发生接触。因此，周边楔入边缘15使得易于确保插入件6在垂直于其与芯片承载件2的侧壁2c接触的方向上进行定位。优选地，为了能够在垂直于芯片承载件2的两个邻近侧面的两个方向上进行楔入，如图4所示，插入件6具有两个周边楔入边缘15，每个周边楔入边缘与芯片承载件2的相应侧壁2c接触。然而，插入件6优选地具有不超过两个的周边楔入边缘15，以使得插入件6的其他侧面保持自由以便于安装并且不增加额外的尺寸限制。

优选地，周边楔入边缘15没有在其所定位的插入件的侧面的整个上延伸，更优选地在小于该侧面的一半上延伸。

本发明不限于在附图中描述和示出的实施例。在不脱离本发明的保护范围的情况下，特别是从各种技术特征的构成或通过技术等同物的替代的角度来看，各种修改仍然是可能的。

Claims (10)

1.一种机载计算机，所述机载计算机包括：微处理器芯片(1)，所述微处理器芯片具有下部面(1b)和上部面(1a)；芯片承载件(2)，所述芯片承载件具有上部面(2a)，所述微处理器芯片(1)安装在所述芯片承载件上；以及壳体(4)，所述壳体被配置为将由所述微处理器芯片(1)在运行中产生的热量排出，

其中，在所述微处理器芯片(1)的上部面(1a)与所述计算机的所述壳体(4)之间设置有插入件(6)，所述插入件由所述微处理器芯片(1)的上部面承载，并且所述插入件被配置为将通过所述微处理器芯片(1)的上部面(1a)传递的热量向所述计算机的所述壳体(4)扩散，所述插入件(6)具有用于与所述计算机的所述壳体(4)进行热交换的上部表面，所述上部表面比所述微处理器芯片(1)的上部面(1a)的表面积至少大两倍，

其特征在于，所述插入件(6)至少在一个侧面具有与所述芯片承载件(2)的侧壁(2c)接触的周边楔入边缘(15)，所述插入件(6)具有的周边楔入边缘(15)不超过两个，以使得所述插入件(6)的其他侧面保持自由。

2.根据权利要求1所述的机载计算机，其中，所述插入件(6)具有用于与所述计算机的所述壳体(4)进行热交换的上部表面，所述上部表面比所述微处理器芯片(1)的上部面(1a)的表面积至少大四倍。

3.根据前述权利要求中任一项所述的机载计算机，其中，所述芯片承载件(2)包括至少两个邻近的侧面，并且所述插入件(6)具有两个周边楔入边缘(15)，每个周边楔入边缘与所述芯片承载件(2)的相应侧壁(2c)接触。

4.根据前述权利要求中任一项所述的机载计算机，其中，周边楔入边缘(15)没有在所述周边楔入边缘所定位的所述插入件(6)的侧面的整个上延伸。

5.根据前述权利要求中任一项所述的机载计算机，其中，在所述微处理器芯片(1)和所述插入件(6)之间设置有导热膏(7)。

6.根据前述权利要求中任一项所述的机载计算机，其中，在所述插入件(6)和所述计算机的所述壳体(4)之间设置有导热垫(8)。

7.根据前述权利要求中任一项所述的机载计算机，其中，粘合材料(13)将所述插入件(6)的周边(11)的至少一部分与所述芯片承载件(2)的上部面(2a)保持在一起。

8.根据前述权利要求中任一项所述的机载计算机，其中，所述插入件(6)具有平坦的上部面(6a)以及具有下部面(6b)，所述下部面的周边(11)具有额外的厚度，并且所述下部面的中心(12)限定容纳所述微处理器芯片(1)的上部面(1a)的腔体。

9.根据前一项权利要求所述的机载计算机，其中，所述周边楔入边缘(15)使所述插入件(6)相对于所述中心(12)径向地延伸到超过所述周边(11)，使得所述周边楔入边缘(15)从所述芯片承载件(2)的上部面(2a)突出。

10.根据前述权利要求8或9所述的机载计算机，其中，所述插入件(6)的所述中心(12)的厚度包括在1mm至2mm之间，并且所述插入件(6)的所述周边(11)的厚度包括在2mm至4mm之间。

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