CN1187103A - 用于加热和冷却电子器件的设备 - Google Patents

Abstract

一种在宽范围的环境温度下把电子器件的工作温度维持在容许工作范围内的方法和设备。设备包括一个散热器和一个温度相关负荷器件;当环境温度超过阈值时,该器件使散热器同电子器件发生热接触。

Description

用于加热和冷却电子器件的设备

本发明涉及调节电子器件的温度，具体地说，涉及通过用一个散热器和一个热垫选择地热接合电子器件，来加热和冷却带有一个基本平坦上表面的电子器件。

电子器件，包括集成电路，在工作时必须维持在由电子设备制造商规定的工作温度范围内的一个温度上，以便正常工作。在市场上可以买到的集成电路情况下，其温度范围一般处于0℃与70℃之间。当在一个给定的系统中，例如在一个计算机系统内的印刷电路板上，实现一个电子器件时，必然涉及一些要把该电子器件维持在电子器件工作范围内的温度的功能部件。

一般说来，由于电子器件会产生作为工作副产品的热量，故必须冷却电子器件。已使用了风扇和散热器冷却电子器件，并把它们维持在规定的工作范围之内。当在一个有窄的温度范围的环境里，例如在家里时，风扇和散热器工作良好。然而，当环境温度改变很宽时，必然使调节电子器件工作温度的设备变得比较复杂，且必须既加热又冷却电子器件。在给定的环境温度下，密切接触电子器件的散热器容易向下移动电子器件的工作范围。因此，若只用散热器电子器件能够在其运行范围内工作所需的容许环境温度的上下范围被提高，而使只用散热器不适合冷环境。风扇也同样不适合，且往往造成费用大，也容易失效。

根据本发明，介绍一种用于把电子器件工作温度维持在该器件容许范围内的方法和设备。该设备调节一个刚性地连接于底座的电子器件的温度，且包括一个带有平表面的散热器。一个温度相关负荷器件连接于散热器和底座，并以距离电子器件的一定距离固定散热器。温度相关负荷器件在温度升高时，强迫散热器移向电子器件，因此，当温度超过某一阈值时，散热器就热接触集成电路，从而冷却它。

该方法可调节电子器件的温度，并且包括：在离开集成电路的一定距离处支承散热器；减小该距离，直至达到高于阈值温度而使散热器热接触电子器件时为止，并且加大其高度，直至达到低于阈值温度而使散热器同电子器件脱离热接合时为止。在一种优选方法中，当温度降到阈值温度以下时，就加热电子器件。

参照附图，会更充分地了解这些和另一些目的、特征和优点。

图1描述一个优选实施例，说明在电子器件上方由双金属窄条举起的散热器。

图2描述图1的实施例，其中已使散热器18和电子器件发生热接触。

图3描述本发明的一个实施例，它还包括一个热垫。

图4描述了根据本发明的一个优选实施例热垫元件。

图5描述本发明的又一个实施例，它还包括一个销钉和一个弹簧，用于控制散热器在电子器件上方的高度。

图1描述本发明的一个优选实施例。一个电子器件，例如集成电路10，被连接于一个底座，例如印刷电路板(PCB)12。集成电路10包含一些耦合于PCB12上配合接点的电接头14。只要集成电路10或者提供一个基本平的上表面16，或者热耦合于一个基本平的上表面16，就可以使用任何一种封装集成电路10和把集成电路10连接于PCB12的方法。可以用一些技术，包括倒装芯片，表面安装技术和带自动接合(TAB)，直接把集成电路10连接于PCB12。然而，最好是先把集成电路10连接于一个组件，然后把该组件连接于PCB12。这类组件的实例有：双列直插式组件(DIPS)，四心线组扁平组件，单片模件，和多片模件。

PCB12包括一些耦合于PCB上电接点14的导电体，它们提供电力和激励集成电路10以执行其预定功能的电信号。PCB12还可包括一个或多个其他的集成电路10，电子器件，分立逻辑电路，以及用于连接其他印刷电路板和监测器之类外围设备的装备。当集成电路10执行它的预期功能时，它就产生作为在其上发生电过程的副产品的热量。集成电路10产生的热量会升高集成电路10的温度。集成电路10同印刷电路板12及其基本平上表面16上方的空气处于热接触状态。因此，空气的环境温度和PCB12的温度会影响集成电路10的温度。

散热器18装于集成电路10的上方。散热器18具有一个带散热片段20和一些无散热片段22。带散热片段20包括一些随加热器18整体地形成的散热片24，选择散热片24的高、宽和间距，以提供给定的冷却速度。散热片24可增加散热器的表面积，从而增加由对流传给周围空气的有效热量传递。上述类型的散热器是技术上熟知的，容易使用的。

图1所述的散热器18具有一个基本平的下表面26，它置于集成电路10的基本平的上表面16的上方。在本发明的一个优选实施例中，把一种导热的可压缩性材料贴着散热器18的下表面26安置。这是可以用一个弹力垫28来实现的，用一种粘接剂将该垫装于散热器18的下表面26上。弹力垫28最好是5至10密耳厚，且具有一个在尺寸上相同于集成电路10上表面16的下表面30，弹力垫28可补偿散热器18和集成电路10的表面粗糙部分，从而在集成电路10和散热器18之间建立较好的导热性。

在集成电路上方的位置，用一个温度相关负荷器件固定散热器18。在一个优选实施例中，温度相关负荷器件是双金属窄条32。每个双金属窄条32都具有端部34和介于端部34之间的弯曲部36。双金属窄条32以其端部34连接于散热器18的下表面26和PCB12。最好用铆接技术或其他常规技术，包括焊接、粘接、螺钉连接和夹紧连接，进行这种连接。

每个双金属窄条32都由两个薄的窄条组成，它们是迭在一起的基本上为矩形的不同材料片。不同的材料必须具有不同的热膨胀系数。双金属窄条是技术上熟知的。然后把双金属窄条32弯曲，以形成弯曲部36和端部34。如此弯曲双金属窄条32，使热膨胀系数较大的材料在弯曲部36的外侧。当环境温度升高时，外侧窄条38以快于内侧窄条40的速度伸长，从而其曲率半径减小。反之，当环境温度下降时，外侧窄条38以快于内侧窄条40的速度收缩其长度，从而弯曲部36的曲率半径减小。

当弯曲部36的曲率半径减小时，在集成电路10上方的散热器18的高度就降低，直至泡沫垫28接触集成电路10的上表面16为止。必须选择双金属窄条32的曲率半径和用来制作各窄条38和40的材料，使散热器18在双金属窄条32的温度超过某一阈值时可接触集成电路10。同样，必须选择上述参数，使散热器18在低于某一环境温度时同集成电路10脱离热接触。

双金属窄条32向散热器18和PCB12分别提供热界面42和44。可使界面42和44作成导热的或隔热的，以使双金属窄条32的温度跟随散热器18或PCB12的温度。例如，如果使散热器18与双金属窄条32之间的界面是导热的，同时使双金属窄条32与PCB12之间的界面44是隔热的，则双金属窄条32的温度会倾向于总是接近散热器18的温度。如果双金属窄条32在两个界面42和44都是隔热的，则双金属窄条会倾向于跟随空气的环境温度。同样，如果使界面42隔热和使界面44导热，则双金属窄条的温度会倾向于跟随PCB12的温度。在本发明的另一个实施例中，在集成电路10与PCB12之间的界面46上建立一条导热路径。此外，在界面46与44之间的PCB12上，和在界面44自身，建立导热路径。这样，就在集成电路10与双金属窄条32之间建立一条导热路径，这会倾向于跟随集成电路10的温度，尤其是，如果使界面42隔热，则更是如此。

图2说明图1所示的本发明的实施例，其中，已经如此减小双金属窄条32的弯曲部36的曲率半径，以致于弹力垫28接触集成电路10的上表面16。由于在超过阈值温度时，有能力选择散热器18和集成电路10的热接触，故可扩大集成电路10能够工作的环境温度范围。尤其是，在这种布置的情况下，集成电路10能够在比用一个固定连接的散热器18实现集成电路10可能的温度更低的温度下工作。

图3说明本发明的一个优选实施例，它还包括一个连接于集成电路10的上表面16的热垫50。可以用市场上买得到的熟知的Kapton加热器实现热垫10。在本发明的一个优选实施例中，热垫10在x，y方向基本上是平面，而在z方向很薄，其尺寸介于0.5与2.0密耳之间，最好为1密耳，以便当热垫不加热时维持通过热垫50的良好导热性。举例来说，用一种导热的胶或树脂粘接，可达到热垫50连接到集成电路16上的目的。

如图4所示，热垫50包括一个导电元件52，它装于一个不导电材料内。如此安排导电元件52，使它的表面区域几乎复盖热垫50的整个x，y平面区域。举例来说，如图4所示，可把导电元件52安排成蛇状结合，在导电元件的端部连接一个温度传感器54。在本发明的一个优选实施例中，把温度传感器54装于热垫50之内。然而，可以远程地安置温度传感器54，包括安置在PCB12上或在散热器18上。温度传感器54耦合于导电元件52，提供一个跨越导电元件52的电压；当温度降到某一预定阈值以下时，就使电流流过导电元件52，从而产生电阻热。因此，热垫50在环境温度低时把热量供给集成电路10，以便升高集成电路10的温度，并把它保持在集成电路10的工作范围之内。

在其中安置导电元件52的不导电材料56最好是塑料的，但也可以是传导热量但不能良好地导电的任何材料。举例来说，可以使用模压工艺，在导电元件52周围整体地形成不导电材料。反之，不导电材料56可以由一对基本平的垫组成，每个垫都具有一个用来安置导电元件52的内表面。然后把这对基本平的垫连接在一起，连接方法例如有胶合，熔接，或超声焊接。

图5示出本发明的另一个实施例，其中，散热器18在其无散热片段22钻有或形成一个孔60。一个弹簧62具有纵向轴，并靠着散热器18的下表面26安置。弹簧62的纵向轴基本上同孔60的中心轴同在一直线上，弹簧62置于散热器18与PCB12之间。弹簧62向散热器18提供压缩力，倾向于迫使散热器18离开集成电路10的上表面16。

一个钉64具有一个上端68和一个下端70。钉64置于孔60和弹簧62之内，使钉64同孔60的中心轴和弹簧62的纵轴基本上在同一条直线上，钉64的下端70连接于PCB12。有多种技术实现连接，这些技术包括在PCB12中形成一个孔并在此孔与钉64之间充填金属，或者把钉64连接于一个附在PCB12上的托架。

双金属窄条32的一端34连接于钉64的上端68。双金属窄条32的另一端34靠着散热器18的无散热片段22的上表面72安置。在本发明的一个优选实施例中，上端68以球状部分为顶端。双金属窄条32具有在其每个端部34形成的孔，钉64就安放在双金属窄条32的这些孔内。双金属窄条32把力加在钉64的上端68和散热器18的上表面72。

双金属窄条32的内条40具有大于外条38的热膨胀系数。因此，与图1-3所示的实施例不同，当温度上升时，内条40在长度上的膨胀快于外条38，从而加大弯曲段36的半径。这就使双金属窄条32把向下的力加到散热器18的上表面72，并倾向于压缩弹簧62。应该选择用于制作双金属窄条32的条38和40的材料和弹簧62的弹簧常数，以便在温度高于一个确定的阈值温度时，弹力垫28的下表面30接触集成电路10的上表面16。反之，当温度下降到低于阈值温度时，弹簧62就必须克服双金属条32的压缩力，以致使弹力垫28的下表面30移开集成电路10的上表面16。散热器最好有约10密耳的移动范围，但该范围能够根据应用而扩大或缩小。

在根据本发明的一种方法的优选实施例中，当环境温度超过某一阈值时，就对集成电路执行一个冷却步骤。用一个在离开集成电路10一定距离处安置的散热器18，完成冷却步骤。当温度超过某一阈值时，如图2所示，就使散热器18同集成电路10发生热接触。这就冷却集成电路10，且扩大了集成电路10保持在它们正常工作温度范围之内的环境温度范围。如图1所示，用一个弹力垫28改善散热器18与集成电路10之间的热接触，该垫可补偿集成电路10的上表面16的表面粗糙性和散热器18的下表面26的表面粗糙性。

在另一个实施例中，该方法还包括一个加热步骤，当温度降到某一阈值以下时，就把热量加到集成电路，从而提高它的温度，且扩大集成电路维持其正常工作温度的环境温度范围。在本发明的一个优选实施例中，用一个靠着集成电路10的上表面16安置的热垫50，进行加热。热垫50耦合于一个温度传感器54；一旦温度降到低于某一阈值，传感器54就触发热垫50。

虽然已透露本发明的一些具体实施例，但本专业的普通技术人员会知道，能够对这些具体实施例作出变更而不脱离本发明的精神和范围。

Claims (24)

1.一种调节一个连接于底座的电子器件的温度的设备，包括：

一个散热器，它具有一个表面；和

一个温度相关负荷器件，它连接于散热器和底座，在离开电子器件一段距离处固定散热器；且

其中温度相关负荷器件在温度上升时，就迫使散热器移向电子器件，因此，当温度超过某一阈值时，散热器就同集成电路进行热接触。

2.根据权利要求1所述的设备，其中温度相关负荷器件包括：

至少一个双金属窄条，该窄条具有一对端段和一个处于这对端段之间的有一定半径的弯曲段，端段之一连接于散热器，而另一个端段则连接于底座，从而在离开集成电路一段距离处固定散热器；且

其中，半径随温度而变，且距离随半径而变，因此，当温度超过某一阈值时，散热器就同集成电路进行热接触。

3.根据权利要求2所述的设备，其中散热器包括一个散热片段。

4.根据权利要求2所述的设备，其中底座是一个印刷电路板。

5.根据权利要求2所述的设备，其中底座是一个单片模件。

6.根据权利要求2所述的设备，其中底座是一个多片模件。

7.根据权利要求1所述的设备，其中电子器件是一个集成电路。

8.根据权利要求1所述的设备，还包括一个靠着散热器表面安装的导热的可压缩材料，用于热接触集成电路。

9.根据权利要求8所述的设备，其中导热的可压缩材料是弹力带。

10.根据权利要求1所述的设备，还包括：

一个具有上和下表面的热垫，该下表面处于同集成电路热接触的状态；和

恒温装置，耦合于热垫，为温度降至低于某一阈值时，触发热垫；且

其中，散热器在温度超过某一阈值时，通过热垫而同集成电路进行热接触。

11.根据权利要求10所述的设备，其中热垫包括：一个导电元件，它耦合于恒温装置，装于热垫之内，根据恒温装置的触发而产生电阻加热。

12.根据权利要求11所述的设备，其中热垫具有0.5密耳至2密耳范围的厚度。

13.一种调节刚性地连接于底座上的集成电路的温度的设备，包括：

一个具有上和下表面的散热器，该上表面包括一个带散热片段和一个不带散热片段，该不带散热片段包括一个从其上表面到下表面延伸的孔；

一个弹簧，具有一个置于散热器与底座之间的中心轴。

一个具有上端和下端的钉，该下端连接于底座，该针穿过弹簧和散热器孔的中心轴；和

一个双金属窄条，它具有一对端段和一个介于这对端段之间的有某一半径的弯曲段，端段之一连接于散热器的上表面，而另一个端段连接于针的上端，从而双金属窄条和弹簧在离开集成电路一段距离处固定散热器；且

其中，半径随温度而变，且距离随半径而变，因此，当温度超过某一阈值时，双金属窄条就动作，以压缩弹簧，并且散热器同集成电路进行热接触。

14.一种调节电子器件温度的方法，包括下述步骤：

在离开电子器件一段距离处支承一个散热器；

减小该距离，直至在阈值温度以上散热器热接触电子器件为止；和

加大该距离，直至在阈值温度以下散热器同电子器件脱离热接触为止。

15.根据权利要求14所述的方法，其中电子器件是刚性地连接于底座的。

16.根据权利要求14所述的方法，其中弹力垫促进散热器与电子器件之间的热接触。

17.根据权利要求14所述的方法，还包括下述步骤：

当温度下降到低于阈值时，加热电子器件。

18.根据权利要求17所述的方法，其中：

电子器件有一个基本平的上表面；和

由一个同电子器件上表面热接触的热垫执行加热步骤。

19.根据权利要求14所述的方法，其中电子器件是一个集成电路。

20.根据权利要求14所述的方法，其中：

支承步骤是由一个双金属窄条在第一温度下进行的；

减小步骤是根据把双金属窄条加热到一个高于第一温度的第二温度而发生的；和

加大步骤是根据把双金属窄条冷却到一个低于第二温度的第三温度而发生的。

21.根据权利要求20所述的方法，其中双金属窄条是同底座隔热的。

22.根据权利要求20所述的方法，其中双金属窄条是同散热器隔热的。

23.根据权利要求20所述的方法，其中双金属窄条是热耦合于电子器件的。

24.根据权利要求23所述的方法，其中双金属窄条是同散热器隔热的。

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