CN118201293A - 多相热接口构件、其形成方法以及具备该构件的电子组件测试设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多相热接口构件、其形成方法以及具备该构件的电子组件测试设备，该多相热接口构件主要包括热接口固体组件及热接口流体材料；热接口固体组件的导热表面上具备容纳空间，热接口流体材料充填于该容纳空间中。据此，本发明结合了固体相态和流体相态的热接口材料，由于流体具有可以任意改变型态、任意流动和任意分裂等特性，故热接口流体材料可以完全填补热接口固体组件与温控件或被温控件间接触接口的空气隙，从而实现热传导界面的全表面热传，可有效提高热传递效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种多相热接口构件、其形成方法以及具备该构件的电子组件测试设备，尤指一种结合至少两种相态热接口材料的热传导构件，其可运用于电子组件的散热领域或其它温度控制领域。
背景技术
热界面材料(Thermal Interface Material，TIM)是配置在温控件和被温控件之间，以降低两者之间的接触热阻。配置热界面材料主要原因在于，凡是固体表面都会有粗糙度，且对于薄型对象(如芯片)而言也有可能会产生翘曲，所以当温控件和被温控件以表面接触时，不可能完全密贴，难免会有一些空气隙夹杂在其中，而空气的导热系数非常小，仅有0.026W/(m·K)，因此该空气隙处将产生相当大的接触热阻。
然而，以芯片测试领域而言，当芯片与温控件间形成有空气隙，芯片的该处位置将会形成高温，可能影响测试结果，严重时甚至导致芯片烧毁。因此，业界常见会使用热界面材料夹设于温控件和被温控件之间，用来填充空气隙，这样就可以降低接触热阻，提高温控性能。
再者，目前业界常见使用的热接口材料为固体形式，例如铟(Indium)合金片，其导热性和延展性极佳，且表面设有特定纹路，例如凸点或菱格纹；故当铟合金片受力挤压时，可弹性变形以填补温控件和被温控件间的空气隙。另一方面，为了更有效吸收各种表面粗造度或组件翘曲所造成较大的空气隙，铟合金片表面的特定纹路的高低位差会被设计的较大，目的是增加可压缩量来确保铟合金片与温控件或被温控件表面更充分接触；然而，特定纹路的高低位差越大，将更容易形成更多或更大的空气隙。
另外，在现有技术中也有使用液态的热接口材料，例如美国专利公开第US2017027084 A1号“连续流体热界面材料施配(CONTINUOUS FLUIDIC THERMAL INTERFACEMATERIAL DISPENSING)”，其公开了利用施配器(dispenser)将流体的热界面材料施加到热控头(thermal head)和电子组件间的接触面。然而，此种方式很难确保温控件和被控件间的所有空气隙都被填满液态热接口材料；特别是被控件变形而呈局部区域凸起的翘曲状态时，液态热界面材料很难停留在温控件和被控件之间。再且，不管采用何种配方的液态的热接口材料，其热传导系数都无法与如铟合金片的固态热接口材料比拟，且液态热接口材料也容易造成电子设备的污染或短路。
发明内容
本发明的主要目的是提供多相热接口构件、其形成方法以及具备该构件的电子组件测试设备，能确保温控件和被控件间的接触面能够完整地进行热传导，有效提高热传导效率。
为达成上述目的，本发明一种形成多相热接口构件的方法，其主要包括以下步骤：提供热接口固体组件，其包括第一导热表面、及第二导热表面，第一导热表面与第二导热表面中至少一者具备至少一个容纳空间；第一导热表面用于接触温控件，第二导热表面用于接触被温控件；以及，施加热接口流体材料于热接口固体组件、温控件与第一导热表面之间、以及第二导热表面与被温控件之间中至少一者，并充填于至少一个容纳空间中；热接口流体材料于常温环境呈液态、气态、胶态或其任意两者或三者的混合。
据此，在本发明所提供形成多相热接口构件方法中，主要将热接口流体材料施加到热接口固体组件上、热接口固体组件与温控件之间、以及热接口固体组件与被温控件之间中至少一者处，而借由流体可任意变形和流动的特性，故可填补原本热接口固体组件与温控器或被温控器间的接触接口的空气隙，进而排除因空气隙所造成热传递不均的影响，借以显著降低接触热阻。
为达成前述目的，本发明一种多相热接口构件，其主要包括热接口固体组件及热接口流体材料；热接口固体组件包括第一导热表面、及第二导热表面，而第一导热表面与第二导热表面中至少一者具备至少一个容纳空间；另外，热接口流体材料可充填于第一导热表面与第二导热表面中至少一者的至少一个容纳空间中。其中，热接口固体组件于常温环境且未受外力影响时呈固态；而热接口流体材料于常温环境呈液态、气态、胶态或其任意两者或三者的混合。
承上，本发明提供了一种多相(multiphase)热接口构件，其结合了固体相态和流体相态的热界面材料(thermal interface material，TIM)，而流体相态的热接口材料可以是液态、气态、或胶态，或者三者中任意两者的混合、或者三者的混合。由于流体具有可以任意改变外型、任意流动和任意分裂等特性，故热接口流体材料可以完全填补热接口固体组件与温控件或被温控件间接触接口的空气隙，从而实现接触接口的全表面温控，可有效提高热传递效率。
为达成前述目的，本发明一种具备多相热接口构件的电子组件测试设备，其主要包括温控件、多相热接口构件以及测试座；多相热接口构件包括热接口固体组件及热接口流体材料；而热接口固体组件包括第一导热表面、及第二导热表面，且第一导热表面与第二导热表面中至少一者具备至少一个容纳空间；热接口流体材料充填于第一导热表面与第二导热表面中至少一者的至少一个容纳空间中；测试座用于容纳待测电子组件。其中，热接口固体组件的第一导热表面用于抵接于温控件，热接口固体组件的第二导热表面用于接触测试座上的待测电子组件。
换言之，根据本发明所提供的具备多相热接口构件的电子组件测试设备中，其利用了多相热接口构件作为温控件和待测电子组件(被温控件)间的热传递构件，而多相热接口构件中的热接口流体材料可以用来填补热接口固体组件本身的空气隙、热接口固体组件与温控件之间的空气隙、及/或热接口固体组件与待测电子组件表面之间的空气隙，故可完全排除因空气隙所形成局部区域温控效果不佳的问题，从而实现所有热接触表面的全表面温控，大幅提升温控效果和效率。
附图说明
图1A是本发明的多相热接口构件的一个优选实施例的热接口固体组件的立体图。
图1B是本发明的多相热接口构件的一个优选实施例的剖视图。
图1C是本发明的多相热接口构件的另一个优选实施例的热接口固体组件的剖视图。
图2A是本发明的具备多相热接口构件的电子组件测试设备第一实施例中施加热接口流体材料时的剖视图。
图2B是本发明的具备多相热接口构件的电子组件测试设备第一实施例中多相热接口构件接触待测试电子组件时的剖视图。
图2C是本发明的具备多相热接口构件的电子组件测试设备第一实施例中测试待测试电子组件时的剖视图。
图3是本发明的具备多相热接口构件的电子组件测试设备第二实施例的剖视图。
图4是本发明的具备多相热接口构件的电子组件测试设备第三实施例的剖视图。
图5A是本发明的具备多相热接口构件的电子组件测试设备第四实施例的立体图。
图5B是本发明的具备多相热接口构件的电子组件测试设备第四实施例中多相热接口构件的剖视图。
图6是本发明的具备多相热接口构件的电子组件测试设备第五实施例的剖视图。
具体实施方式
本发明多相热接口构件、其形成方法以及具备该构件的电子组件测试设备在本实施例中被详细描述之前，要特别注意的是，以下的说明中，类似的组件将以相同的组件符号来表示。再者，本发明的图式仅作为示意说明，其未必按比例绘制，且所有细节也未必全部呈现于图式中。
请同时参阅图1A及图1B，图1A是本发明多相热接口构件的一个优选实施例的热接口固体组件的立体图，图1B是本发明多相热接口构件的一个优选实施例的剖视图。如图中所示，本实施例的多相热接口构件T主要包括热接口固体组件2及热接口流体材料3；热接口固体组件2包括第一导热表面21、及第二导热表面22；第一导热表面21用于接触温控件Mt，例如散热器、冷却器或加热器；第二导热表面22用于接触被温控件Oc，例如中央处理器(CPU)或图形处理器(GPU)。
本实施例的热接口固体组件2采用铟基合金片，其属相变化金属片，有极佳的热传导特性和延展性，导热系数介于50至80W/m.K，热接口固体组件2于常温环境且未受外力影响时呈固态。再者，热接口固体组件2的第一导热表面21和第二导热表面22均设有多个凸点25，其用于增加热接口固体组件2的可压缩量，以确保热接口固体组件2与温控件Mt或被温控件Oc表面更充分接触。另一方面，第一导热表面21和第二导热表面22的多个凸点25同时也在该等表面分别形成了容纳空间S，而热接口流体材料3容纳于该等容纳空间S内。
再者，热接口流体材料3于常温环境下呈液态、气态、胶态或其任意两者或三者的混合，具备流动性且可任意变形，故可充填于任意形状的容纳空间S内。液态的热接口流体材料3可以是水、乙二醇溶液、去离子水、电子冷却液(3MTM FluorinertTM)、或纳米流体等；其中，纳米流体可由纳米颗粒和基液两种成分组成，纳米颗粒可为金属、金属氧化物、碳化物、纳米碳管、石墨烯，其中纳米金属颗粒优选为镁；而基液可为水、乙二醇或油，其中油又以合成导热油(TherminolTM)为佳。另外，气态的热接口流体材料3可以是氦气、氢气、氖气、其它热传导系数优于空气的气体或由液态的热界面流体材料3所蒸发的气体；胶态的热接口流体材料3可为常见的导热胶或导热膏。
另外，在本实施例中，热接口固体组件2的第一导热表面21和第二导热表面22均设有热界面流体材料3；不过，在其它的实施态样中，热接口流体材料3也可只设于第一导热表面21或第二导热表面22。另外，热接口固体组件2本身也可以是多孔隙材质，如纳米碳管片材或石墨薄片，而热接口流体材料3可完全填满于热接口固体组件2的所有孔隙中。
请参阅图1C，其是本发明多相热接口构件另一个优选实施例的热接口固体组件的剖视图；本实施例的热接口固体组件2设有多个贯通孔24，其贯穿第一导热表面21与第二导热表面22。据此，可借由在热接口固体组件2的单侧施加热接口流体材料3，而热接口流体材料3即可利用贯通孔24流通于第一导热表面21与第二导热表面22，借此可使第一导热表面21与第二导热表面22的容纳空间S均填满热接口流体材料3，故可实现热接口固体组件2的全接触表面无空气隙的目的。
请同时参阅图2A及图2B，图2A是本发明具备多相热接口构件的电子组件测试设备第一实施例中施加热接口流体材料时的剖视图，图2B是本发明具备多相热接口构件的电子组件测试设备第一实施例中多相热接口构件接触待测试电子组件时的剖视图。本实施例所提供的电子组件测试设备主要包括温控件Mt、多相热接口构件T、测试座Sc、以及流体施加装置4。温控件Mt可为一般具备加热器、冷却器或散热器的压测头，而多相热界面构件T即如前段所述的实施态样，其第一导热表面21连接于温控件Mt的下表面；测试座Sc则用于容纳待测电子组件C(被温控件Oc)。
另外，本实施例的流体施加装置4为喷涂装置；在进行测试之前，当待测电子组件C被置入测试座Sc后，流体施加装置4移至待测电子组件C上方并开始施加热接口流体材料3；而当施加达到特定量后，流体施加装置4从待测电子组件C上方移出。接着，温控件Mt下移，使多相热界面构件T的第二导热表面22接触测试座Sc上的待测电子组件C，而热接口流体材料3便充填于第二导热表面22上的容纳空间S，即如图2B所示。
请一并参阅图2C，其是本发明具备多相热接口构件的电子组件测试设备第一实施例中测试待测试电子组件时的剖视图；如图中所示，为了确保温控件Mt、多相热接口构件T与待测电子组件C三者之间能够完全密贴，温控件Mt会施加下压力于多相热接口构件T与待测电子组件C；此时，多相热接口构件T受到挤压就会产生变形。需要特别说明的是，为了凸显本发明的优势，特别在图中将待测电子组件C设定为明显翘曲状，故而在该翘曲部位W，多相热接口构件T和待测电子组件C的上表面之间仍会产生明显空隙G，而此等空隙G则将由热界面流体材料3所填满。由此可知，本发明确实可消除所有的空气隙，进而提高热传导效果。
再且，根据上述实施例的架构，而分别以水和电子冷却液(3MTM FluorinertTM电子氟化液FC-3283)作为热接口流体材料3，提供下列仿真数据，以左证本发明确实具有相当明显的功效。其中，热接口固体组件2采用铟(Indium)合金片，其热传导系数为67W/(m·K)；而水的热传导系数为0.613W/(m·K)，电子冷却液的热传导系数为0.066W/(m·K)。根据计算机仿真分析结果显示，于待测电子组件C形成有0.01mm翘曲的情况下；单纯使用传统固态热接口材料(TIM)时，即有明显空气隙存在于传统固态热接口材料与待测电子组件C之间，待测电子组件的温度为119.76℃；然而，于上述实施例的架构并使用电子冷却液作为热接口流体材料3时，待测电子组件的温度为98.9℃；同样地，而上述实施例的架构但使用水作为热接口流体材料3时，待测电子组件的温度则会降到73.76℃。由此可知，当作为冷却用途时，本发明确实可以显著地提升散热效率，而大幅降低被温控件(待测电子组件)的温度，效果卓越。
请参阅图3，其是本发明具备多相热接口构件的电子组件测试设备第二实施例的剖视图；本实施例主要通过流体信道Mc将热接口流体材料3供给到热接口固体组件2上。如图中所示，本实施例的温控件Mt包括流体通道Mc、及流体供应模块Mf，流体信道Mc的一端连通至流体供应模块Mf，而另一端导通至温控件Mt的下端面，也就是温控件Mt与多相热接口构件T间的接合面处。流体供应模块Mf用于供给该热接口流体材料3，并通过流体通道Mc而施加至热接口固体组件2的第一导热表面21上。
除此之外，本实施例的测试座Sc也可包括流体输送道Mcs，其一端连通至流体供应模块Mf，而另一端导通至热接口固体组件2的第二导热表面22，也就是第二导热表面22与待测电子组件C间的接合面处。据此，第一导热表面21和第二导热表面22上可始终维持有热接口流体材料3，即便热界面流体材料3受热蒸发或溢出，流体供应模块Mf仍可实时补充热接口流体材料3。不过，本实施例的热接口流体材料3并不以双面供给形式为限，也可视实际情况单独配置流体信道Mc或流体输送道Mcs而构成单面供给的形式。另一方面，流体通道Mc和流体输送道Mcs不以中空管道为限，也可采用毛细材质，即可借由毛细现象来供应热接口流体材料3，进而施加至热接口固体组件2的第一导热表面21和第二导热表面22上。
请参阅图4，其是本发明具备多相热接口构件的电子组件测试设备第三实施例的剖视图；本实施例与前述第二实施例的主要差异在于，本实施例上温控件Mt设置了流体进入通道Mc1、及流体排出通道Mc2；其中，流体进入通道Mc1用于供给热接口流体材料3至热接口固体组件2，流体排出通道Mc2则是用于自热接口固体组件2排出热接口流体材料3。因此，本实施例通过这一机制可适时更替热接口流体材料3，例如过热时，或者可使热接口流体材料3循环流动，以适时冷却或加热热接口固体组件2，从而实现绝佳的热传导功效。
请一并参阅图5A、及图5B，图5A是本发明具备多相热接口构件的电子组件测试设备第四实施例的立体图，图5B是本发明具备多相热接口构件的电子组件测试设备第四实施例中多相热接口构件的剖视图。在本实施例中，热接口固体组件2还包括外环框23，其自该第一导热表面21朝背离该表面的方向一体延伸；换言之，外环框23是沿着热接口固体组件2的外框缘向上凸起，借此热接口固体组件2将形成框罩，其内部形成容纳空间S，故可容纳热接口流体材料3，借此形成多相热界面构件T。
再且，框罩形的热接口固体组件25直接套接于温控件Mt的下方，并借由外环框23而和温控件Mt形成紧配合，使多相热接口构件T不会脱落。因此，本实施例所提供的多相热接口构件T，其固定方式相当简单且牢靠，不易松脱，而热接口流体材料3也不会散溢四处。
请参阅图6，其是本发明具备多相热接口构件的电子组件测试设备第五实施例的剖视图；本实施例与前述实施例主要差异在于温控件Mt的配置。进言之，为了让本发明的设备可适用于不同规格或尺寸的待测电子组件C(被温控件Oc)，本实施例的温控件Mt下表面配置转接板4，其两端面的尺寸分别适配于温控件Mt下表面和待测电子组件C的上表面，故可作为接触面积(热传导面积)的转换。再者，在转接板4的两端面上也各配置热接口固体组件2，且每个热接口固体组件2的二导热表面也都充填有热界面流体材料3。此外，本实施例的温控件Mt可配置蒸发器和加热棒，以同时具备加热和冷却的温控效果。
上述实施例仅是为了方便说明而举例而已，本发明所主张的权利范围自应以权利要求范围所述为准，而非仅限于上述实施例。
附图标记说明
2：热接口固体组件
3：热界面流体材料
4：转接板
21：第一导热表面
22：第二导热表面
23：外环框
24：贯通孔
25：凸点
C：待测电子组件
G：空隙
Mt：温控件
Mc：流体通道
Mc1：流体进入通道
Mc2：流体排出通道
Mf：流体供应模块
Mcs：流体输送道
Oc：被温控件
S：容纳空间
T：多相热界面构件
W：翘曲部位。
Claims (10)
1.一种形成多相热接口构件的方法，其包括以下步骤：
提供热接口固体组件，其包括第一导热表面、及第二导热表面，该第一导热表面与该第二导热表面中至少一者具备至少一个容纳空间；该第一导热表面用于接触温控件，该第二导热表面用于接触被温控件；以及
施加热接口流体材料于该热接口固体组件、该温控件与该第一导热表面之间、以及该第二导热表面与该被温控件之间中至少一者，并充填于该至少一个容纳空间中；该热接口流体材料于常温环境呈液态、气态、胶态或其任意两者或三者的混合。
2.根据权利要求1所述形成多相热接口构件的方法，其特征是，该热接口流体材料被施加于该被温控件上；当该热接口固体组件的该第二导热表面与该被温控件接触时，该热接口流体材料充填于该第二导热表面的该至少一个容纳空间中。
3.根据权利要求1所述形成多相热接口构件的方法，其特征是，该温控件包括流体供应模块，其用于施加该热界面流体材料至该第一导热表面，该热界面流体材料并充填于该第一导热表面的该至少一个容纳空间中。
4.一种多相热接口构件，其包括：
热接口固体组件，其包括第一导热表面、及第二导热表面，该第一导热表面与该第二导热表面中至少一者具备至少一个容纳空间；以及
热界面流体材料，充填于该第一导热表面与该第二导热表面中至少一者的该至少一个容纳空间中；
其特征是，该热接口固体组件于常温环境且未受外力影响时呈固态；该热接口流体材料于常温环境呈液态、气态、胶态或其任意两者或三者的混合。
5.根据权利要求4所述的多相热接口构件，其特征是，该热接口固体组件还包括外环框，其自该第一导热表面与该第二导热表面中至少一者朝背离该等表面的方向一体延伸。
6.根据权利要求4所述的多相热接口构件，其特征是，该热接口固体组件还包括至少一个贯通孔，其贯穿该第一导热表面与该第二导热表面。
7.一种具备多相热接口构件的电子组件测试设备，其包括：
温控件；
多相热接口构件，其包括热接口固体组件及热接口流体材料；该热接口固体组件包括第一导热表面、及第二导热表面，该第一导热表面与该第二导热表面中至少一者具备至少一个容纳空间；该热界面流体材料充填于该第一导热表面与该第二导热表面中至少一者的该至少一个容纳空间中；以及
测试座，其用于容纳待测电子组件；
其特征是，该热接口固体组件的该第一导热表面用于抵接于该温控件，该热接口固体组件的该第二导热表面用于接触该测试座上的该待测电子组件。
8.根据权利要求7所述的电子组件测试设备，其还包括流体施加装置，其用于施加该热接口流体材料至该待测电子组件、该热接口固体组件、以及该温控件中至少一者上。
9.根据权利要求7所述的电子组件测试设备，其特征是，该温控件包括流体通道、及流体供应模块，该流体信道的一端连通至该流体供应模块，另一端连通至该多相热界面构件；该流体供应模块用于供给该热接口流体材料，并通过该流体通道而施加至该热接口固体组件。
10.根据权利要求7所述的电子组件测试设备，其特征是，该热接口固体组件还包括外环框，其自该第一导热表面朝背离该表面的方向一体延伸；该多相热接口构件通过该外环框套接于该温控件上，而该热界面流体材料充填于该第一导热表面的该至少一个容纳空间中。
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2022
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