CN1791321B - 用于裸片微电子器件有效可靠传热的装置及方法 - Google Patents

Abstract

装置和方法包括使用裸片微电子器件；散热片组件；散热片安装组件，用于独立于所述裸片微电子器件安装所述散热片组件；以及力施加装置，其在受控力下压缩装载所述裸片的表面以在与所述散热片组件的热界面处形成直接传热关系。

Description

用于裸片微电子器件有效可靠传热的装置及方法

技术领域

本发明主要涉及用于在密集处理器组件中有效可靠散热的方法和装置，所述组件特别适用于计算系统、高性能游戏系统和其它高性能微电子应用。

背景技术

电子服务器和处理器在进行它们的工作时产生大量热。先进高密度半导体系统已经增加了对它们进行热管理的需求。这样的需求可归因于更高速微处理器、集成电路和其它电子组件的更高功率的需求。

处理器组件包括包含处理器微电路的处理器裸片。在处理器裸片中主要由需要驱动高频操作的功率产生热。在某些情况下，几乎所有这种功率作为热量散发。随着在更先进的芯片中产生更大的功率，产生了很大的散热问题。在某些情况下，处理器在相对小的空间内消耗280瓦的功率而变得过热。例如，随着处理器裸片过热，信号的定时特征会改变，由此导致处理器的间歇运行和可能的故障。因此，成功传热对于组件和系统按计划运行极为重要。

一个已知的传热方法是使裸片处理器封装在连接到散热片的坚固的散热器下面。散热器不仅仅用作散热，也用于保护裸片处理器。然而，这样的散热板会妨碍传热因为存在两个热界面；一个在裸片和散热器之间；第二个在散热器和散热片之间。人们试图从裸片经过一个热界面直接传热。然而，在裸片很脆并相对易碎的情况下，直接在裸片上安装散热片在一定范围内存在很大的潜在问题。

因此，在不具有顺利和可靠地直接从处理器裸片传热的能力并且不损坏或压裂裸片的情况下，不能完全得到高效的传热。因此，为了满足处理器芯片的高频率和功率的需求，需要在可靠和经济的方式下传热。

发明内容

本发明涉及用于在密集处理器组件中有效可靠散热方法和装置，其中不会产生负面效应并且克服了现有技术的许多缺点，所述组件特别适用于计算系统、高性能游戏系统和其它高性能微电子应用。

在说明的实施例中，提供了一种装置，包括：裸片微电子器件；散热片组件；散热片安装组件，用于独立于所述裸片微电子器件安装所述散热片组件；以及一装置，其在由所述装置施加的受控力下装载所述裸片微电子器件的表面以在与所述散热片组件的热界面处形成直接传热关系。

在说明的实施例中，提供了一种从裸片微电子器件传热的方法，包括以下步骤：独立于裸片微电子器件支撑散热片组件；以及在由所述装置施加的受控力下推动裸片微电子器件的表面以在与散热片组件的热界面处形成直接传热关系。

从优选实施例的下面的详细描述将会更全面地理解本发明的这些和其它特点和方面，应该参考附图阅读这些描述。应当理解前述概括性描述和下面的详细描述都是示例性的，并不作为本发明的限制。

附图说明

图1是本发明的传热组件的分解透视图。

图2是图1中描述的传热组件放大侧视图。

图3是本发明的裸片微电子器件以及力施加组件的部分截面的放大侧视图，所述力施加组件将裸片微电子器件与具有散热片组件的传热装置紧密接触。

具体实施方式

图1-3说明了根据本发明原理制造的传热组件10的一个优选实施例。传热组件10包括：散热片组件12、散热片安装组件14、裸片微电子器件16、印刷电路板18和力施加组件20，其适于安装在具有壳体组件24如计算机服务器系统壳体组件24的计算系统22中。

裸片微电子器件16包括半导体裸片或包含半导体裸片28的芯片组件26。半导体裸片28包含微电子器件16的微电路。由于驱动高频、逻辑电平转换的功率，主要在这里产生热。在优选实施例中，裸半导体裸片28可以是如PowerPC

的类型，其可以从Armonk、NY的国际商业机器公司购买。尽管本发明描述了在裸片上安装散热片，但并不局限与此。

说明的散热片组件12包括基座部分30和鳍片部分32。基座部分30可以由长方形棱镜构成，该棱镜具有足够尺寸和热导率以能够在整个基座部分上均匀地从半导体裸片28有效地传热。实施例中采用了导热材料，如铝或铜。很明显可以采用其它适当的导热材料和那些正在开发的材料。鳍片部分32包括多个导热鳍片34，它们能把热从基座部分30传到计算机系统壳体组件24中的空气。在这种情况下，理想地导热鳍片34由高导热材料如铜制成。明显地，可以使用其它合适的导热材料和那些正在开发的材料。

印刷电路板18可以具有在壳体组件24内部通过适当结构(未示出)安装的通常延长和薄的结构。印刷电路板18承载裸片微电子器件16和其上的其它部件，但是其它部件本身不构成本发明的方面。

散热片安装组件14可以包括与在接线片42中的开口结合的安装柱40，接线片42与散热片组件基座整体形成。安装柱40通过在印刷电路板18中的开口延伸并螺旋地固定在支座44的相应端，该支座由壳体组件24的底盘壁结构46支撑。通过固定安装柱40，如通过旋转它们，散热片组件朝向裸片放置。因此，散热片组件12通过底盘壁结构46直接安装和支撑，并没有直接安装在裸片结构上。值得注意，除了将在下文中描述通过力施加组件20施加装载之外，不再需要考虑直接在裸片上的散热片组件的装载。对于通过散热片组件使得在裸片上的直接装载最小化，这是非常重要的。结果，高效传热的同时裸片破碎或换句话说变得损坏的趋势变得更小了。当利用安装柱40来施加控制力时，本发明采用其它机械装置用于施加力以把裸片微电子器件推向散热片组件。

在接线片42的底表面和围绕安装柱40的印刷电路板18的上表面之间插入衬垫或垫片48。使用衬垫或垫片48为了保持在本发明的装载条件下印刷电路板的平坦性。衬垫48的设置用于在散热片组件和裸片微电子器件之间的热界面50上最小化不需要的应力。选作用于衬垫的材料应当在装载期间在初始压缩后随着时间的过去不会松弛。否则，任何由弹性泡沫材料提供的保持力随着时间的推移会减小，由此减小致动负载(actuating load)。

在所述实施例中，力施加组件20用于将裸片微电子器件16装载到具有散热片的散热装置中以在后者之间保持均匀的热界面。因此，裸片28能够以受控制方式装载以与散热片基座部分紧密接触，且具有足够的力以保持均匀接触而防止在装载中破碎或损坏。结果，仅需要单个热界面用于以可靠方式传热。

在示例实施例中，力施加组件20实质上包括绝缘体衬底或衬垫52、加固元件54、弹簧板56和衬套58、泡沫衬底或衬垫60和致动部件62如螺栓62。

绝缘体衬底或衬垫52可以由薄的弹性材料制成，该弹性材料夹在印刷电路板18的底表面和弹簧板56之间。绝缘体衬垫52用于保护电路板18。绝缘体衬垫52具有用于元件如电容器的开口，该元件安装在印刷电路板上。绝缘体衬垫52具有用于使得安装柱穿过的开口。对于绝缘体衬垫52，本发明采用弹性可变形材料，如聚碳酸酯基Lexan

，其可以从GeneralElectric购买。明显地，可以使用其它适当的弹性可变形材料，如高密度弹性体或非导电金属，以及那些正在开发的材料。

加固元件54可以位于绝缘体衬垫52下面。致动部件62直接作用在加固元件54上以传输力施加组件20的装载力。加固元件54可以是具有至少裸片28尺寸的金属板，并由适当刚性和导热性材料如铝或钢制成。衬垫64插在绝缘体衬垫52和弹簧板56之间。衬垫64由弹性材料制成，该材料使得它们控制印刷电路板的倾斜，以保持后者在装载期间相对平坦的方式。选作衬垫64的材料优选应当在装载期间在初始压缩后随着时间的过去不会松弛。否则，由弹性泡沫材料提供的保持力随着时间的推移减小，由此减小致动负载。这也最小化了随着时间的推移热界面故障的发生。在示例性实施例中，衬垫64可以由高密度、低蠕变泡沫等制成。该泡沫的一个示例性实施例是Minneapolis，MN的Roger公司制造的Pureon 800。明显地，其它实施例可以采用其它类型的材料。

弹簧板56由提供可调节夹紧力的可偏斜板制成。当弹簧板56如所述那样放置时，弹簧板56将加固元件54偏压在绝缘体衬垫52和印刷电路板18上。在这种情况下，衬套58安装在弹簧板56的中心并螺旋地连接到致动部件62。响应于以已知方式旋转的致动部件62，弹簧板56会向上弯曲，如附图中所示。致动部件62螺旋地连接到计算机壳体组件24并可以由使用者从外部致动。可以致动弹簧板56以提供足够的负载水平以在热界面50处保持牢固的接合。在本发明中，使用大约三十五(35)磅的装载力。尽管公开了单个弹簧片和负载致动器件，本发明并不局限与此。依赖于涉及的材料和环境，当然可以使用其它的力水平用于在热界面50处形成好的传热。

弹性泡沫衬底或衬垫60优选由与插在壳体组件和弹簧板之间的衬垫相同的材料制成。弹性泡沫衬底或衬垫60支持弹簧板的装载。选作弹性泡沫衬底或衬垫60的材料应当在装载期间在初始压缩后随着时间的过去不会松弛。否则，由弹性泡沫材料提供的保持力随着时间的推移会减小，由此减小致动负载。这也最小化了随着时间的推移热界面故障的发生。

现在参考图3，图3用于说明在裸片微电子器件和散热片组件之间的单个热界面50。热界面材料70提供了到散热片的好的热通路。许多类型的材料可用作热界面材料70，如热油脂70。可以使用任何合适的热油脂。对于热界面材料的可选择实施例包括热衬垫、环氧树脂、相变材料(如石蜡或聚合物)和弹性体。热界面材料70可以包括具有高导热性的细金属粉末。在示例性实施例中，热界面材料70可以是2密耳厚。

半导体裸片28的底表面通过适当的表面安装组件如陶瓷球栅阵列组件74直接安装在陶瓷介质衬底72上。陶瓷球栅阵列组件74可以包括细间距焊球栅，如对于约52mm乘52mm的面积约1574个球的数量级。也可以使用其它表面安装技术替代球栅阵列组件。优选地，本发明使用了插在球栅阵列组件74中的粘性填充材料76。粘性填充材料76用于当施加的装载力达到焊球不需要地变形的程度时阻止或防止焊球接地。粘性填充材料76也用于通过消除在球栅阵列组件空隙中的空气空隙来提高传热。所选择的粘性填充材料优选地可以阻止压缩力的释放，该压缩力推动裸片在热界面50处与散热片接合。并且，粘性填充材料76也可以包括一些金属粉末，如铝。这样做是为了用作附加热通路。在示例性实施例中，粘性填充材料优选为环氧树脂粘结剂。在这个实施例中，可以使用环氧树脂粘结剂如Hysol FP6110，其可以从Loctite公司购买。当然也可以采用其它粘结剂填充材料。

陶瓷介质衬底72又安装在陶瓷球栅阵列组件78上。陶瓷球栅阵列组件78又以已知方式表面安装在印刷电路板18上。陶瓷球栅阵列组件78可以具有用作粘结剂的粘性填充材料80；类似于上述的粘性填充材料76的方式。粘性填充材料80优选地用于阻止压缩力的释放，该压缩力推动裸片在热界面50处与散热片接合。

在上述结构的基础上，传热操作的效果是显而易见的。然而，对于该公开的补充，本发明提供了一种将热从裸片微电子器件传到散热片组件的方法，包括以下步骤：独立于裸片微电子器件支撑散热片组件；以及在受控力下推动裸片微电子器件的表面以在与散热片组件的热界面处形成直接传热关系。在优选实施例中，通过在裸片微电子器件和散热片组件之间的热界面处放置热界面材料而增强了本工艺。并且，所述推动步骤包括力施加装置，所述力施加装置可致动以将所述受控力传送到所述裸片微电子器件以推动后者与所述散热片组件形成传热关系。

这里所述的实施例和例子最好地解释了本发明及其实际应用，并且由此使得本领域的技术人员使用本发明。然而，本领域的技术人员将认识到上述说明和例子仅用于说明和举例的目的。所述说明书并不旨在穷举或限制本发明到所公开的精确形式中。为了清楚起见，使用了附图和特定术语说明了上述优选实施例。然而，本发明并不旨在限于所选择的特定术语。可以理解每个特定术语包括为了实现相同目的以相同方式工作的所有技术等同物和正在开发的等同物。根据上述技术在不脱离所附权利要求的精神和范围的情况下，可以作出许多修改和变化。

Claims (21)

1.一种将热从裸片微电子器件传到散热片组件的装置，包括：

裸片微电子器件；

散热片组件；

散热片安装组件，用于独立于所述裸片微电子器件安装所述散热片组件；以及

力施加装置，其在受控力下装载所述裸片微电子器件的表面以在与所述散热片组件的热界面处形成直接传热关系，其中所述力施加装置包括至少一个弹簧板，所述弹簧板通过用于施加所述受控力的致动部件致动。

2.根据权利要求1的装置，还包括：在所述裸片微电子器件和散热片组件之间的热界面处设置热界面材料以有效地传热。

3.根据权利要求1的装置，还包括：将所述裸片微电子器件连接到印刷板的第一表面的表面安装组件。

4.根据权利要求3的装置，其中所述力施加装置将所述受控力传送到所述印刷板的与所述第一表面相反的第二表面。

5.根据权利要求3的装置，其中所述表面安装组件包括第一球栅阵列组件。

6.根据权利要求5的装置，还包括设置在所述第一球栅阵列组件中的第一填充材料，所述第一填充材料用于填充空气空隙并将所述第一球栅阵列组件粘性连接到所述印刷板。

7.根据权利要求6的装置，其中所述第一填充材料减小或消除在随后压缩装载所述第一球栅阵列组件时的松弛。

8.根据权利要求5的装置，其中所述裸片微电子器件包括安装在介质部件上的硅裸片；第二球栅阵列组件，其将所述硅裸片安装在所述介质部件上；以及设置在所述第二球栅阵列组件中的第二填充材料，所述第二填充材料用于填充其中的空气空隙，其中所述第二球栅阵列组件的所述填充材料减小或消除在随后压缩装载所述第二球栅阵列组件时的松弛。

9.根据权利要求3的装置，其中所述散热片安装组件包括安装固定部件，所述安装固定部件将所述散热片组件固定在支撑结构上，以及多个弹性可变形衬垫插在所述印刷板和所述安装固定部件之间。

10.根据权利要求3的装置，其中所述力施加装置包括插在所述致动部件和所述印刷板之间的加固元件。

11.一种将热从裸片微电子器件传到散热片组件的方法，包括以下步骤：独立于裸片微电子器件支撑散热片组件；以及通过至少一个弹簧板在受控力下推动裸片微电子器件的表面以在与散热片组件的热界面处形成直接传热关系，其中所述弹簧板通过用于施加所述受控力的致动部件致动。

12.根据权利要求11的方法，还包括：将热界面材料设置在所述裸片微电子器件和散热片组件之间的热界面处。

13.根据权利要求11的方法，其中所述推动步骤包括利用可致动的力施加装置将所述受控力传送到所述裸片微电子器件，以推动所述裸片微电子器件与所述散热片组件形成传热关系。

14.根据权利要求13的方法，还包括通过表面安装组件将所述裸片微电子器件支撑在印刷板上。

15.根据权利要求14的方法，其中所述力施加装置将所述受控力传送到所述印刷板的与在其上安装所述裸片微电子器件的表面相反的表面。

16.根据权利要求15的方法，其中所述通过表面安装组件支撑所述裸片微电子器件的步骤包括使用第一球栅阵列组件。

17.根据权利要求16的方法，还包括在所述球栅阵列组件中提供填充材料，所述填充材料用于填充任何空气空隙并将所述第一球栅阵列组件粘性连接到所述印刷板。

18.根据权利要求17的方法，还包括提供填充材料，所述填充材料最小化或消除在随后压缩装载所述第一球栅阵列组件时的松弛。

19.根据权利要求18的方法，还包括给所述裸片微电子器件提供安装在介质部件上的硅裸片；通过第二球栅阵列组件将所述硅裸片安装在所述介质部件上；以及提供在所述第二球栅阵列组件中的填充材料，所述填充材料将所述硅裸片连接在所述介质部件上并用于填充其中的空气空隙，以及减小或消除在随后压缩装载所述第二球栅阵列组件时的松弛。

20.根据权利要求19的方法，其中所述支撑所述散热片组件的步骤包括提供安装固定部件，所述安装固定部件将所述散热片组件固定在支撑结构上，并进一步通过插在所述印刷板和安装固定部件之间的多个弹性可变形衬垫支撑所述散热片组件。

21.一种计算机系统，包括：

计算机壳体组件；

安装在所述计算机壳体组件中的印刷板；

安装在所述印刷板上的裸片微电子器件；

散热片组件；

散热片安装组件，用于独立于所述裸片微电子器件在所述计算机壳体组件上安装所述散热片组件；以及

力施加装置，其在受控力下装载所述裸片微电子器件的表面以在与所述散热片组件的热界面处形成直接传热关系，其中所述力施加装置包括至少一个弹簧板，所述弹簧板通过用于施加所述受控力的致动部件致动。

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