CN204179072U - 电子设备 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及一种电子设备。根据各个方面，公开了热界面材料、电子设备以及在均热器或盖板与热源之间建立热连接方法的示例性实施方式。在示例性实施方式中，在均热器与热源之间建立用来导热的热连接的方法总体上包括在均热器与热源之间设置热界面材料(TIM1)。

Description

电子设备
技术领域
本实用新型总体上涉及一种电子设备。
背景技术
这个部分提供与本公开相关的但未必是现有技术的背景信息。
电气部件(诸如半导体、集成电路组件、晶体管等)通常具有预先设计的温度，在这一温度，电气部件可以以最优状态运行。理想条件下，预先设计的温度接近周围空气的温度。然而，电气部件的工作产生热。如果不去除热，则电气部件可能以显著高于其正常或期望的工作温度的温度运行。如此过高的温度会对电气部件的工作特性和所关联的设备的运行带来不利影响。
为避免或至少减少由于生热带来的不利的工作特性，应将产生的热去除，例如通过将热从工作的电气部件传导到散热片。随后可以通过传统的对流和/或辐射技术使散热片冷却。在传导过程中，热可通过电气部件与散热片之间的直接表面接触和/或电气部件与散热片隔着中间介质或热界面材料的接触而从工作中的电气部件传导到散热片。热界面材料可以用来填充传热表面之间的空隙，以便同以空气填充的间隙(相对不良的导热体)相比提高传热效率。特别是在相变和热油脂的情况下，不需要大的空隙，热界面材料刚好可以用于填充在接触面之间的表面不规则中。在一些设备中，电绝缘体也可以放置在散热片与电气部件之间，在很多情况下，电绝缘体本身就是热界面材料。
实用新型内容
这个部分提供对本公开的总体概述，但并不是对完整范围或全部特征的全面公开。
根据各个方面，公开了在均热器或盖板与热源之间建立热连接的方法的示例性实施方式。还公开了热界面材料和包括热界面材料的电子设备。
在示例性实施方式中，一种在电子设备的均热器与热源之间建立用于导热的热连接的方法总体上包括在所述均热器与所述热源之间设置热界面材料(TIM1)。在另一示例性实施方式中，一种方法总体上包括在将用于使均热器附接到电子设备的粘接剂固化之前在所述电子设备的所述均热器与热源之间设置热界面材料(TIM1)。在又一示例性实施方式中，一种电子设备总体上包括盖板和具有正常工作温度范围的半导体装置。热界面材料(TIM1)在所述盖板与所述半导体装置之间建立热连接。
可应用性的其它方面将从本文所提供的描述中变得明显。该概述中的描述和具体示例仅仅旨在说明的目的，而并不旨在限制本公开内容的范围。
附图说明
本文所述的附图仅为了说明所选择的实施方式而不是所有可能的实施方式，并且并不旨在限制本公开内容的范围。
图1是根据本实用新型实施方式的电子设备的截面图，其示出了设置在均热器(例如整体式均热器(IHS)、盖板等)与热源(例如，一个或更多个产热部件、中央处理单元(CPU)、芯片、半导体部件等)之间的热界面材料(TIM1)；
图2是示出根据本实用新型实施方式的均热器(例如，整体式均热器(IHS)、盖板等)的表面上的热界面材料(TIM1)的图；
图3的曲线图示出了根据本实用新型实施方式的TIM1相对于温度的硬度计测试结果。
相应的标号在所有附图中始终表示对应的部件。
具体实施方式
下面将参照附图详细描述示例实施方式。
均热器(heat spreader)通常被用来分散来自一个或更多个产热部件的热，使得在将热传递到散热片时防止热集中在小区域内。整体式均热器(IHS)是一种可以用来分散由中央处理单元(CPU)或处理器芯片的工作产生的热的均热器。集成均热器或盖板(例如，集成电路(IC)封装的盖板等)一般是设置在CPU或处理器芯片上的导热金属(例如铜等)。
均热器也通常被用来(例如，作为盖板等)保护经常与密封的组件相连的芯片和板装类电子部件。所以，均热器在本文中也可以指盖板，或者反之盖板也可以指均热器。
第一热界面材料或层(表示为TIM1)可用在整体式均热器或盖板与热源之间以减少热点并总体上降低产热部件或设备的温度。第二热界面材料或层(表示为TIM2)可用在整体式均热器(或盖板)与散热片之间以提高从均热器到散热片的热传递效率。
热源可包含一个或更多个产热部件或装置(例如CPU、底部填充内的芯片、半导体装置、倒装芯片、图形处理单元(GPU)、数字信号处理器(DSP)、多处理器系统、集成电路、多核处理器等)。通常，热源可以包括在工作期间具有比均热器或盖板高的温度或不管是自身产热还是仅通过或经由热源传递热量而向均热器或盖板提供或传递热量的任何部件或装置。
传统的聚合热界面材料可以用作TIM1。但是发明人发现，目前使用的聚合TIM1材料通常是需要在冷冻状态下运输和储存的现场固化硅凝胶。而且，一旦启用，它们具有短的适用期和保质期，而且还需要特殊的处置工具才能使用。发现上述缺陷后，本实用新型的发明人设计并在此公开了消除、避免或至少减少与上述常规TIM1材料相关联的缺陷的示例性实施方式。
如本文所公开的，示例性实施方式包括一块热塑性材料(例如，热塑性相变材料等)形式的TIM1，TIM1在自然条件下可能或可能不具有粘性。在一些实施方式中，TIM1可具有比诸如CPU的热源的正常工作温度(例如，正常工作温度从大约60℃到100℃或从大约30℃到40℃等)高的软化温度(例如，熔化温度、状态转变或相变温度等)。在这些示例性实施方式中，所述热塑材料块将软化或熔化一次(例如，在粘接剂固化阶段中、在CPU的首次运行中等)并接着凝固。之后，所述热塑性材料块可以在低于其软化或熔化温度的温度使用并保持凝固。在其它示例性实施方式中，TIM1可具有低于诸如CPU的热源的正常工作温度范围或者在该正常工作温度范围内的软化温度。
在一些示例性实施方式中，TIM1包括具有落入从大约75℃到大约200℃或者从大约125℃到大约175℃的范围内的软化温度(例如，熔点或相变温度等)的热塑相变材料。或者，例如，TIM1可以具有大约40℃、50℃、75℃等的软化或熔化温度。TIM1可具有大约0.3瓦特每米每开尔文(W/mK)或更高、3W/mK或更高、或者5W/mK或更高的导热系数，所述导热系数可以通过在热塑材料中加入导热填料而得到增强。在示例性实施方式中，TIM1可包含具有大约160℃或更低的熔化温度的低熔点合金。
常规地，整体式均热器(IHS)或盖板通常沿IHS的外边缘或周边边沿经由粘接剂附接到CPU并固定。粘接剂可以在一定温度(例如，从大约75℃到大约200℃或从大约125℃到大约175℃的范围内的温度、大约40℃、50℃、75℃等的温度)和一定压力(例如，落入大约5磅每平方英寸(psi)到大约100psi或从大约10psi到大约50psi等范围内的压力)下被固化。在本文所公开的示例性实施方式中，TIM1具有从大约75℃到大约200℃或从大约125℃到大约175℃的范围内、或者大约40℃、50℃、75℃的温度的软化温度(例如，熔化温度等)。这使得TIM1可在粘接剂固化过程中软化(例如，熔化、相变、变得可流动等)并流动。在这些示例性实施方式中，TIM1(例如，热塑块等)可以在粘接剂固化步骤之前设置在IHS(或盖板)与CPU之间。当在粘接剂固化步骤中处于压力之下时，热塑块软化、熔化或变得可流动，使其可以流动到细的接合线(bond line)(例如，粗细为大约10mil或更小、小于大约5mil、或者在大约1到3mil之间)，由此得到IHS与CPU之间的低热阻(例如，大约0.2℃cm2/W、小于大约0.15℃cm2/W等)连接或界面。在另选实施方式中，粘接剂可不必在压力下固化。例如，可以使用机械限位(mechanical stop)，并且可以用压力将粘接剂和TIM1挤压到期望的程度。随后，粘接剂可在一定温度被固化，其中所述固化未在压力进行。在其它实施方式中，整体式均热器(或盖板)和TIM1可以在不使用任何粘接剂的情况下与CPU及其它电子设备附接并使用，例如通过利用垫片或机械紧固件。
此处公开的示例性实施方式可以提供以下优点中的一个或更多个(并且不必要包括所有这些优点或者可以包括其它优点)。例如，TIM1可被预先施加到整体式均热器或盖板，由此减少组装步骤的数量。TIM1可自然地具有粘性，使得当预先施加TIM1时不需要额外的粘接剂(尽管粘接剂仍然可被使用)就粘接到集成均热器或盖板。可以预先加热均热器或盖板，然后将TIM1预先施加到热的均热器或盖板。TIM1可以是无硅的，例如不能检测出含有硅或者完全不含硅等。TIM1可容易重新加工利用。TIM1可以在室温条件储存，所以没有适用期，也不用在使用之前预热，也不会有水分污染。
此处公开的TIM1可以将现有产品的6个月或更短的保质期延长到12个月或更长。示例性实施方式也消除了冷冻运输和储藏的需要，消除了适用期限和/或消除了配置提供额外的面积的设备的需要但同时仍然提供了高导热系数和低热阻。
在热循环过程中，固化的TIM1可能会从CPU和IHS的边缘剥离。如果这样的剥离发生，TIM1的界面接触电阻和热阻将大大地提高。这有可能导致CPU的过热。为了避免这种剥离以及CPU过热问题的发生，此处公开的示例性实施方式包含了一种TIM1(例如，热塑性等)。如果TIM1在热循环的过程中剥离，CPU将会由于与剥离的TIM1所关联的界面接触电阻和热阻的增大而开始升温。由于来自工作中的CPU的热，TIM1将会变软，从而减少接触电阻并且重新浸润，从而重新形成或恢复剥离的连接并且维持CPU的低温。
如附图所示，图1例示了实现本实用新型的一个或更多个方面的具有TIM1或热界面材料104的电子设备100的示例性实施方式。如图1中所示，TIM1或热界面材料104被设置在均热器或盖板108与热源112之间，热源112可以包括一个或更多个产热部件或装置(例如CPU、底部填充内的芯片、半导体装置、倒装装置、图像处理器(GPU)，数字信号处理器(DSP)、多处理器系统、集成电路、多核处理器等)。TIM2或热界面材料116被设置在散热片120与均热器或盖板108之间。
例如，热源112可包括安装在印刷电路板(PCB)124上的中央处理单元(CPU)或处理器芯片。PCB 124可由FR4(防火玻璃纤维加强型环氧树脂复合层)或其它合适的材料制成。在此示例中，均热器或盖板108是整体式均热器(IHS)，其可包括金属或其它导热结构。均热器或盖板108包括周边脊、凸缘或侧壁部分128。粘接剂132被施敷在周边脊128上，用于将均热器或盖板108附接到PCB 124。周边脊128可以向下方充分突出以延伸至PCB124上的硅芯片周围，由此使周边脊128上的粘接剂132与PCB 124接触。另外，以粘接的方式将均热器或盖板108附接到PCB 124还可以有助于加固封装，所述封装被附接到基底PCB。
图1还显示了插脚连接器(pin connector)136。散热片120通常包括基底，散热片120从该基底上向外突出一系列翅片。另选实施方式可以包括用于不同于图1所示的其它电子设备、除了CPU或处理器芯片之外的其它产热部件、不同的均热器和/或不同的散热片的TIM1。因此，本实用新型的方面不应被局限于对单一类型电子设备的应用，因为实施方式中包含的TIM1是可以用于大范围的电子设备、热源和均热器。
TIM2或热界面材料116可包括多种热界面材料中的任一种，这些热界面材料包括来自莱尔德技术有限公司(Laird Technologies，Inc.)的热界面材料(例如，来自美国密苏里州圣路易斯市的莱尔德技术有限公司生产的TflexTM 300系列热间隙填料、TflexTM 600系列热间隙填料、TpcmTM 580系列相变材料、TpliTM 200系列间隙填料和/或TgreaseTM 880系列导热膏等。)
TIM1或热界面材料116可包括多种热界面材料中的任一种，诸如相变和/或热塑性热界面材料。在一些实施方式中，TIM1可包括具有高于热源112的正常工作温度(例如CPU的正常工作温度在约60℃到100℃之间)的软化点(例如，熔化温度、相变温度等)的热塑和/或相变材料块。例如，TIM1可具有大约120℃的软化点，而CPU或其它热源的正常工作温度可以是大约115℃。TIM1块将会软化或熔化一次(例如在粘接剂固化阶段、在CPU的初始运行阶段)并接着固化。此后，热塑和/或相变材料的TIM1块可在低于其软化点或熔点的温度使用并保持固态。在一些示例性实施方式中，如在下文和美国专利公开文本US 2011/0204280(全部内容通过引用整体并入本文中)中公开的，TIM1可以包括含有热可逆凝胶的热界面材料。
在其它示例性实施方式中，TIM1可包括具有低于热源112的正常工作温度(例如CPU具有约60℃到100℃的正常工作温度范围)的软化点(例如，熔化温度、相变温度等)的热塑和/或相变材料块。莱尔德技术有限公司生产的IceKapTM，基于可导热弹性石油凝胶的热界面材料是可在示例性实施方式中使用的TIM1的示例。
图2示出了均热器或盖板208的部分240上的TIM1或热界面材料204。在这个示例中，均热器或盖板208可以是整体式均热器。均热器或盖板208可相对于热源而布置(例如，布置在热源上)，使得TIM1或热界面材料204被夹在均热器或盖板208与热源之间，其中TIM1被压紧在热源上。热源可包括一个或更多个产热部件或装置(例如，CPU、底部填充内的芯片、半导体装置、倒装装置、图像处理器(GPU)、数字信号处理器(DSP)、多处理器系统、集成电路、多核处理器等)。
继续参照图2，均热器或盖板208包括围绕大体平坦的平坦部分240的周边脊或凸缘228。粘接剂可以沿着周边脊228施敷，用于将均热器或盖板208附接到PCB。周边脊228因此可以从部分240向外充分突出以延伸到安装在PCB上的电子部件周围，并由此允许周边脊228上的粘接剂与PCB接触。
以粘接的方式将均热器或盖板208附接到PCB还可以有助于加固封装，封装被附接到基底PCB。封装自身通常包括带有芯片的迷你PCB和均热器或盖板208。
另选实施方式可以包括将均热器或盖板附接到PCB的其它途径和手段。例如，粘接剂可以不设置在均热器或盖板的周边的所有边上。或者，例如，均热器或盖板可以是一个平面，没有任何周边脊或侧壁。在此情况下，粘接剂本身可以连接平坦的盖板和PCB之间的空隙。因此，本实用新型的方面将不局限于均热器或盖板与PCB之间的任何特定连接方式。
本文还公开了关于均热器与热源(例如，一个或更多个产热部件)之间的用于导热的热连接、热界面或热通道或利用相变和/或热塑性热界面材料(TIM1)在均热器与热源(例如，一个或更多个产热部件)之间建立用于导热的所述热连接、热界面或热通道的方法的实施方式。在示例性实施方式中，一种方法总体上包括在将均热器附接到电子部件之前(例如，在粘接剂固化处理之前等)将热界面材料(TIM1)(例如，独立的热塑性相变块等)设置在均热器的表面上。在此示例中，TIM1可具有高于电子部件的正常工作温度的软化温度(例如，熔化温度、相变温度、材料硬度下降时的温度等)。或者，例如，TIM1可具有比电子部件的正常工作温度低或者在电子部件的正常工作温度范围内的软化温度。TIM1的软化温度可以足够低，使得在粘接剂固化过程中(例如，粘接剂在100℃到200℃或者在125℃到175℃的温度在一定压力下固化时等)将软化、熔化并流动。在粘接剂固化过程中，TIM1将流到细的接合线，由此TIM1将建立相对短的热通路，此通路在均热器和电子部件之间具有较小的热阻。
在固化过程后，TIM1凝固并在电子部件与均热器之间形成低热阻的热连接/通路。在一些示例性实施方式中，TIM1具有高于电子部件的正常工作温度的软化或熔化温度，使得电子部件将不会达到使TIM1变形、软化或熔化的足够高的工作温度。凝固的热连接防止电子部件在随后的工作中发热到超出正常工作温度。可以对TIM1进行选择以使得TIM1只会在初始的粘接剂固化阶段中才变形，以避免液化的问题。
在另一示例性实施方式中，一种方法总体上包括通过使粘接剂固化而将具有TIM1的均热器附接到在电子部件(例如CPU等)。在固化过程中，TIM1在处于压力时熔化/软化并流动到细的接合线，使得在电子部件与均热器之间形成了低热阻的热连接/通路。TIM1可以具有低于电子部件的正常工作温度范围、在该正常工作温度范围内或高于该正常工作温度范围的软化点。
在一些示例性实施方式中，所述方法还可以包括通过在散热片与均热器之间设置热界面材料(TIM2)而在均热器与散热片之间建立热连接。接着可以从热源开始，经由TIM1、均热器和TIM2到散热片建立起导热的热通路，使得来自热源的热(例如，由一个或更多个产热部件产生的热等)可以通过TIM1、均热器和TIM2传导到散热片。如果热源是例如半导体装置，则半导体装置可以经由TIM1、均热器和TIM2与散热片形成有效的热连接。
在另选的示例性实施方式中，TIM1可以包括被涂敷或其它方式(例如利用丝网印刷、镂花涂装等)施敷在均热器或盖板上的涂层或材料。随后可以相对于热源(例如一个或更多个产热部件等)来放置均热器，使得TIM1位于均热器与热源之间。TIM1初始地处于固态并且不能填充均热器与热源的接合面上产生的全部空隙。因此，在初始操作过程中，热通路可能并不有效。这种无效率可以导致热源达到比正常工作温度高和/或比TIM1材料的软化温度(例如熔化温度等)高的温度。例如，一个或更多个产热部件在工作时可以将TIM1加热到或超过其软化温度，使得TIM1变得可流动到细的接合线，并且填充均热器与热源的接合表面之间的空隙。这创建了具有低热阻的有效热连接。然后，更多的热从热源传递到均热器，使得温度降低到正常工作温度。在这个冷却过程中，TIM1的温度降低到其软化温度之下，使得TIM1返回到固态(例如块)，而先前建立的热通路被保持。在后续的操作中，由于先前建立起的热通路将热从热源传导到均热器，因此将不会超过正常工作温度。由于正常工作温度低于TIM1熔化或变得可流动的温度，因此TIM1将不熔化或流动。由于TIM1不熔化和流动，TIM1因此可保持其固态的导热系数，该导热系数高于其液态的导热系数。另外，因为TIM1不会从热连接流走，热连接的整体性将得到保持。
在一些示例性实施方式中，TIM1可以包括含有热可逆凝胶的热界面材料，如在美国专利申请公开文本US 2011/0204280中公开的那样(其全部内容通过引用的方式整体并入本文中)。在示例性实施方式中，TIM1在热可逆凝胶(例如油质凝胶等)中包括至少一种热填充料(例如，氮化硼、氧化铝和氧化锌等)。热可逆凝胶包含胶凝剂以及一种油和/或溶剂。油和/或溶剂可以包括石蜡油和/或溶剂。胶凝剂可以包括热塑性材料。热塑性材料可以包括苯乙烯嵌段共聚物。热界面材料可以是包括石蜡油和两嵌段和/或三嵌段苯乙烯共聚物的油质凝胶。TIM1可以包括环烷油和溶剂和/或石蜡油和溶剂(例如，合成异构烷油-溶剂(isopars)，高温稳定的油和/或溶剂等)。热塑性材料(例如，热塑性弹性体等)可以用于油质凝胶的胶凝剂。合适的热塑性材料包括嵌段共聚物，诸如两嵌段和三嵌段共聚物(例如，两嵌段苯乙烯共聚物和三嵌段苯乙烯共聚物等)。含有两嵌段的块在室温下相对较软，这一性质很重要，因为大多数组装和安装都在室温情况下完成，较软的两嵌段板将有利地降低产生的组装压力。在一些实施方式中，TIM1可以包含油质凝胶树脂系统，在这个系统中油质凝胶被配制成在150摄氏度上下变软，例如在约5℃到约200℃的温度范围中。
可以添加一种或更多种导热填充料以制造热界面材料，其中，一种或更多种导热填充料可以以悬浮、添加或混合等方式进入热可逆溶胶中。例如，至少一种导热填料可以在可凝胶流体和胶凝剂胶化或形成热可逆溶胶之前被添加到含有这二者的混合物中。又例如，至少一种导热填料可以被添加到可凝胶流体中，然后胶凝剂可以被添加到含有可凝胶流体和导热填充材料的混合物中。又例如，至少一种导热填充料可以被添加到胶凝剂中，随后可凝胶流体可以被添加到含有胶凝剂和导热材料的混合物中。还例如，至少一种导热填充料可以在可凝胶流体和胶凝剂凝胶后被添加。例如，在凝胶可被冷却并且可以被形成为松散的网状以使得可以添加填充料时，至少一种导热填充材料可以被添加进凝胶中。热可逆凝胶中的导热填充料的量在不同实施方式中可以不同。例如，热界面材料的一些示例性实施方式可以包括不低于5％但不超过98％重量份的至少一种导热填充材料。
在示例性实施方式中，TIM1可以包括导热弹性体界面材料。例如，示例性实施方式可以包括具有如下表中的特性的TIM1。附加地或另选地，示例性实施方式可以包括具有低接触电阻、容易流到细的接合线、可以浸润多个表面等的特性的TIM1。
典型特性 描述 测试方法
颜色 灰 目测
结构/构成 无加固薄膜
比重，g/cc 2.51 氮比重瓶法
最小接合线粗细，mm(mil) 0.025(1) 莱尔德测试法
导热系数，W/mK 4.7 Hot Disk热常数分析仪
热阻，℃cm2/W(℃in2/W) 0.064(0.010) ASTM D5470
可用厚度，mm(mil) 0.125-0625(5-25) 莱尔德测试法
室温硬度，邵氏(shore)00 85 ASTM D2240
体积电阻系数，ohm-cm 1015 ASTM D257
对于低功率低工作温度的系统(例如，30℃、40℃等)，示例性实施方式可用包括含有(或具有类似特性)来自美国密苏里州圣路易斯市莱尔德技术有限公司的TpcmTM780相变热界面材料的TIM1，因此可以通过参照莱尔德技术有限公司的商标来标识。可以在www.lairdtech.com上得到关于这些材料的详细情况。在该示例性实施方式中，TIM1可以具有下表中所示的特性。在70℃的温度，TIM1在20psi的情况下可以具有大约0.0015英寸的接合线粗细，在40psi的情况下具有大约0.001英寸的接合线粗细，在100psi的情况下具有大约0.005英寸的接合线粗细。
在示例性实施方式中，TIM1被设计为在其工作温度范围内不剧烈相变。例如，TIM1可不明显软化或相变，直至温度超出要冷却的部件的正常工作温度为止。在一些实施方式中，TIM1可以具有低于热源的正常工作温度范围或在该正常工作温度范围内的软化点(例如，熔化温度、相变温度等)。例如，TIM1可以具有从大约45℃到大约70℃的软化温度范围，而热源可以具有大约80℃或更高的正常工作温度。
图3是示出了针对可在示例性实施方式中使用的TIM1的相对于温度的硬度计邵氏(shore)00测试结果的曲线图。这些测试结果总体上显示了TIM1在其整个期望温度范围内都保持明显的结构。测试结果还显示被测试的TIM1在室温下相对较软，并且随着温度的升高而软化，但在工作温度范围内基本保持固态。下表是对于TIM1的两个硬度计的测试结果(三秒钟邵氏00)，并且同样示出了两次试验的平均值，在图3中绘出了所述平均值。
温度℃ 测试1 测试2 平均值
25 78.2 79.7 78.95
50 75.5 78.5 77.00
75 60.4 56.8 58.60
100 57.1 53.4 55.25
125 37.8 45.2 41.50
150 25.9 32.6 29.25
上述表格列出了具有导热系数4.7和5.4W/mK的示例热界面材料。这些导热系数仅仅作为例子，因为其它实施方式可包括具有高于5.4W/mK、低于4.7W/mK、或者具有其它值的导热系数的热界面材料。例如，有些实施方式可包括具有比空气导热系数0.024W/mK高的导热系数的热界面材料，诸如导热系数为0.3W/mK，或者3.0W/mK，或者是在0.3-3W/mK之间的某个值等。
在示例性实施方式中可以使用很多种不同的导热填充料。在一些示例性实施方式中，导热填充料可以具有至少1W/mK(瓦特每米-开尔文)或更高的导热系数，诸如具有高达几百W/mK的导热系数的铜填料。合适的导热填料包括例如氧化锌、氮化硼、氧化铝、铝、石墨、陶瓷、它们的组合(例如，氧化铝和氧化锌等)。另外，热界面材料的示例性实施方式还可以包括具有相同(或不同)导热系数的不同级别(例如，不同大小、不同纯度、不同形状等)的材料。例如，热界面材料可以包括两种不同大小的氮化硼。通过改变导热填料的种类和等级，热界面材料的最终性能(例如，导热系数、成本、硬度等)可以按照需要而改变。
在另选的示例性实施方式中，TIM1可以是多层的热界面材料，其可以包括各向同性或各向异性的均热器(例如，由金属、金属合金、石墨、冲压铝片或铜等制成的内部均热芯)。此均热器可以放置在多层热塑性热界面材料内或夹在多层热塑性热界面材料之间。或者，例如，热塑性热界面材料可以被施敷(例如，涂敷等)于均热器的一面或两面上。
相对于需要冷却的热源(例如，部件)的占地面积(footprint)的TIM1大小可以根据具体应用而改变。TIM1的占地面积可以大于、小于、或大约等于需要冷却的热源(例如，部件)的占地面积。例如，可以按照使得TIM1具有比部件的占地面积小的占地面积的方式来初始地确定TIM1的大小。但是TIM1可以被设置成具有较大的初始厚度，使得TIM1材料的体积基本上与具有与需冷却部件的占地面积相同的薄块的体积相同。当TIM1被加热到使其变得可流动的温度时，TM1将如本文所公开的那样流动以形成细的接合线，最终将扩大TIM1的占地面积。
可以使用各种方法来使用TIM1。例如，TIM1可以被预先施加到整体式均热器或盖板上，由此减少组装步骤的数量。TIM1可以天然具有粘性，使得在被预先施加到均热器上时无需额外的粘接剂就粘接到均热器或盖板上(尽管也可以使用粘接剂)。又例如，均热器或盖板可以被预加热，然后TIM1可以被预先施加到热的均热器或盖板。TIM1也可以被预施加到要冷却的部件上而不是均热器或盖板上。
在另一示例性实施方式中，TIM1可以被添加到或存在于溶剂中。所述溶剂和TIM1可以作为油脂或配制的材料而施加到均热器或盖板，或施加到一个或更多个需冷却的部件。组装随后可以开始，诸如以粘接的方式将均热器或盖板附接到包括需冷却的一个更或多个部件的PCB。接着可以允许溶剂慢慢蒸发。在溶剂蒸发后，TIM1将留下，TIM1的软化温度可以高于、等于或低于需冷却的一个或更多个部件的正常工作温度。在这个具体示例中，在均热器或盖板的附接过程中将不需要TIM1的软化或熔化步骤。因为TIM1在安装的时候处于低粘合度，因此TIM1可以填充空隙并浸润表面。
在包含TIM2的示例性实施方式中，很多材料可以用做TIM2。在示例性实施方式中，TIM2可以包括合适的或适中的硅胶块、基于无硅胶的材料(例如，基于无硅胶的空隙填料、热塑性和/或热固性聚合物、弹性物质等)、丝印材料、聚氨酯泡沫塑料或凝胶、导热油灰、导热油、导热添加剂等。在示例性实施方式中，TIM2可被配置成具有足够的适应性、相容性和/或柔软度，使得在与配合面(包括不平坦的、曲面的或不均匀的配合面)相接触地布置TIM2材料时，TIM2材料紧密地适应配合面。例如，一些示例性实施方式包括导电的软的热界面材料，该材料由弹性体和至少一种导热金属、氮化硼和/或陶瓷填料制成，使得所述软的热界面材料即使不经历相变和回流(reflow)也能够适应。TIM2可以包括美国密苏里州圣路易斯市的莱尔德技术有限公司的TflexTM 300系列导热空隙填料材料、TflexTM 600系列导热空隙填料材料、TpcmTM 580系列相变材料、TpliTM 200系列空隙填料和/或TgreaseTM 880系列导热油中的一种或更多种，并且因此所有这些产品可以通过莱尔德技术有限公司的商标来标识。这些产品的详细信息见www.lairdtech.com。其它导热适应性材料或热界面材料也可以用作TIM2。例如，TIM2可以包括石墨、柔性石墨片、层离石墨和/或层离石墨的压缩颗粒，它们由夹杂和剥离的石墨絮片制成，诸如美国俄亥俄州莱克伍德市先进能源技术公司(Advanced Energy Technology Inc.of Lakewood)的市售的eGrafTM。此类夹杂和剥离的石墨可以被处理以形成柔性石墨片，并且其上可以包括粘接剂层。
在一些示例性实施方式中，在电子设备的均热器与热源之间建立用于传导热的热连接的方法总体上包括在均热器与热源中间设置热界面材料(TIM1)。热界面材料可以包括具有低于热源的正常工作温度范围或在热源的正常工作温度范围内的软化温度的相变热界面材料。例如，相变热界面材料可以具有低于热源的正常工作温度范围或在热源的正常工作温度范围内的相变温度。相变热界面材料也可以剪切变稀以及具有触变性，使得相变热界面材料在没有压力的情况下在相变温度是不可流动的。在此情况下，相变热界面材料可以包括颗粒、添加剂和聚合物的适当组合，使得材料即使在软化状态下仍然保持形状，除非被施加了力。另外，例如，相变热界面材料可以具有从约45℃到约70℃的软化温度的相变材料(例如，无硅胶或硅蜡相变材料、具有硅胶添加剂的相变材料等)。
相变热界面材料可以具有比热源的正常工作温度范围高的相变温度，使得相变热界面材料在热源的正常工作温度范围中软化而不熔化。该方法包括将相变热界面材料加热到大于正常工作温度范围的温度，使得相变热界面材料在压力下变为可流动；并且允许相变热界面材料回到低于热源的正常工作温度范围或处于热源的正常工作温度范围内的温度，由此使相变热界面材料在均热器与热源之间建立起热连接。该方法可以包括在相变热界面材料处于压力下时将相变热界面材料加热到相变温度，使得相变热界面材料流动以在均热器与热源之间形成细的接合线；以及允许相变热界面材料回到固态，由此使相变热界面材料在均热器与热源之间建立起热连接。该方法还可以包括在将相变热界面材料设置在均热器与热源之间之前将相变热界面材料施加到均热器；或者在将相变热界面材料设置在均热器与热源之间之前将相变热界面材料施加到热源。该方法可以包括将用于使均热器附接到电子设备的粘接剂固化，该固化过程还将相变热界面材料加热到至少软化温度。
在一些示例性实施方式中，在电子设备的均热器与热源之间建立传递热的热连接的方法总体上包括在均热器与热源之间设置热界面材料(TIM1)。根据特定的实施方式，热界面材料可以在热源的正常工作温度范围之上、之下和该温度范围内工作，以在失去热界面材料与其它部件(例如，均热器、热源等)之间的接触而导致糟糕的热传导等情况后重新建立或恢复热连接或热通路。例如，如果热界面材料在热循环过程中出现剥离，则热连接的界面接触电阻和热阻将增大，因此来自热源的热会使热界面材料软化，减少接触电阻，并且再浸润表面。一段时间后，软化的热界面材料可以恢复或重新建立热连接并改善热传导，例如，回到原来的热传导等。又例如，当热界面材料长时间经受压力(例如，恒定的压力等)时，热界面材料中的小空隙(例如，由除气导致的空隙等)可以变小并完全被填充。
在一些示例性实施方式中，一种方法总体上包括在将用于使均热器附接到电子设备的粘接剂固化之前在电子设备的均热器与热源之间设置热界面材料(TIM1)。热界面材料具有低于热源的正常工作温度范围或在热源的正常工作温度范围内的软化温度。该方法还可以包括通过将用于使均热器附接到电子设备的粘接剂固化。在固化过程中，热界面材料可以在压力下被加热，使得热界面材料流动以在均热器与热源之间形成细的接合线。该方法还可以包括允许热界面材料回到固态，使得热界面材料在均热器与热源之间建立起具有低热阻的热连接。如本文所述，热界面材料可工作以重建或恢复热连接。
在另一示例性实施方式中，一种电子设备总体上包括盖板和具有正常工作温度范围的半导体装置。第一热界面材料(TIM1)在盖板与半导体装置之间建立可恢复的热连接。第一热界面材料可以包括具有低于正常工作温度范围或在正常工作温度范围内的软化温度的相变热界面材料，和/或第一热界面材料可以工作以重新建立或恢复盖板与半导体装置之间的热连接。电子设备还可以包括散热片。第二热界面材料可以设置在盖板与散热片之间。半导体装置可以经由第一热界面材料、盖板以及第二热界面材料而与散热片进行的有效的热传递。
提供示例实施方式旨在使本公开将彻底并且将向本领域技术人员充分传达本公开的范围。阐述许多具体细节(例如，特定部件、装置和方法的示例)以提供对本公开的实施方式的彻底理解。对于本领域技术人员而言将显而易见的是，无需采用所述具体细节，示例实施方式可以按照许多不同的形式实施，不应被解释为限制本公开的范围。在一些示例实施方式中，没有详细描述公知的处理、装置结构和技术。另外，通过本公开的一个或更多个示例性实施方式可以实现的优点和改进仅为了说明而提供，并不限制本公开的范围，因为本文公开的示例性实施方式可提供所有上述优点和改进或不提供上述优点和改进，而仍落入本公开的范围内。
本文公开的具体尺寸、具体材料和/或具体形状本质上是示例性的，并不限制本公开的范围。本文针对给定参数的特定值和特定值范围的公开不排除本文公开的一个或更多个示例中有用的其它值或值范围。而且，可预见，本文所述的具体参数的任何两个具体的值均可限定可适于给定参数的值范围的端点(即，对于给定参数的第一值和第二值的公开可被解释为公开了也能被用于给定参数的第一值和第二值之间的任何值)。例如，如果本文中参数X被举例为具有值A，并且还被举例为具有值Z，则可预见，参数X可具有从大约A至大约Z的值范围。类似地，可预见，参数的两个或更多个值范围的公开(无论这些范围是否嵌套、交叠或截然不同)包含利用所公开的范围的端点可要求保护的值范围的所有可能组合。例如，如果本文中参数X被举例为具有1-10或2-9或3-8的范围中的值，也可预见，参数X可具有包括1-9、1-8、1-3、1-2、2-10、2-8、2-3、3-10和3-9在内的其它值范围。
本文使用的术语仅是用来描述特定的示例实施方式，并非旨在进行限制。如本文所用，除非上下文另外明确指示，否则单数形式的描述可旨在包括复数形式。术语“包括”、“包含”和“具有”仅指含有，因此表明存在所述的特征、要件、步骤、操作、元件和/或部件，但不排除存在或增加一个或更多个其它特征、要件、步骤、操作、元件、部件和/或其组合。本文描述的方法步骤、处理和操作不一定要按照本文所讨论或示出的特定顺序执行，除非具体指明执行顺序。还将理解的是，可采用附加的或另选的步骤。
当元件或层被称为“在......上”、“接合到”、“连接到”、或“耦接到”另一元件或层时，它可以直接在所述另一元件或层上、或直接接合、连接或耦接到所述另一元件或层，或者也可存在中间元件或层。相反，当元件被称为“直接在......上”、“直接接合到”、“直接连接到”、或“直接耦接到”另一元件或层时，可不存在中间元件或层。用于描述元件之间的关系的其它词语也应按此解释(例如，“之间”与“直接在......之间”、“相邻”与“直接相邻”)等。如本文所用，术语“和/或”包括任何一个或更多个相关条目及其所有组合。
术语“大约”在应用于值时表示计算或测量允许值的一些微小的不精确性(值接近精确；大约近似或合理近似；差不多)。如果因为一些原因，由“大约”提供的不精确性在本领域中不以别的方式以普通意义来理解，那么如本文所用的“大约”表示可能由普通测量方法引起或利用这些参数引起的至少变量。例如，术语“大致”、“大约”和“基本上”在本文中可用来表示在制造公差内。无论是否由术语“大约”修饰，权利要求包括量的等值。
尽管本文中可能使用术语第一、第二、第三等来描述各种元件、部件、区域、层和/或部分，这些元件、部件、区域、层和/或部分不应受这些术语限制。这些术语可仅用来区分一个元件、部件、区域、层或部分与另一区域、层或部分。除非上下文清楚指示，否则本文所使用的诸如“第一”、“第二”以及其它数字术语的术语不暗示次序或顺序。因此，在不脱离示例实施方式的教导的情况下，下面讨论的第一元件、部件、区域、层或部分也可称为第二元件、部件、区域、层或部分。
为了易于描述，本文可能使用空间相对术语如“内”、“外”、“下面”、“下方”、“下部”、“上面”、“上部”等来描述图中所示的一个元件或特征与另一元件或特征的关系。除了图中描述的取向之外，空间相对术语可旨在涵盖装置在使用或操作中的不同取向。例如，如果图中的装置翻转，则被描述为在其它元件或特征“下方”或“下面”的元件将被取向为在所述其它元件或特征“上面”。因此，示例术语“下方”可涵盖上方和下方两个取向。装置也可另行取向(旋转90度或其它取向)，那么本文所使用的空间相对描述也要相应解释。
提供以上描述的实施方式是为了说明和描述。其并非旨在穷尽或限制本公开。特定实施方式的各个元件或特征通常不限于该特定实施方式，而是在适用的情况下可以互换，并且可用在选定的实施方式中(即使没有具体示出或描述)。这些实施方式还可以按照许多方式变化。这些变化不应视作脱离本公开，所有这些修改均旨在被包括在本公开的范围内。
相关申请的交叉引用
本申请要求2014年6月3日申请的美国专利申请第14/294,973号、2013年9月24日的美国临时专利申请第61/881,823号和2013年6月14日申请的美国专利申请第13/918,824号的优先权。上述申请的所有公开通过引用并入本文中。

Claims (20)

1.一种电子设备，该电子设备包括：
具有正常工作温度范围的热源；
均热器；以及
位于所述热源与所述均热器之间的第一热界面材料TIM1，
其中，
所述第一热界面材料包括相变热界面材料，所述相变热界面材料具有低于所述正常工作温度范围或在所述正常工作温度范围内的软化温度；和/或
所述第一热界面材料包括热塑性热界面材料，所述热塑性热界面材料具有高于所述热源的正常工作温度范围的软化温度或熔化温度；和/或
所述第一热界面材料在所述均热器与所述热源之间建立可恢复的热连接。
2.根据权利要求1所述的电子设备，其中：
所述电子设备包括具有所述热源的半导体装置，
所述均热器包括所述电子设备的盖板，并且
所述第一热界面材料设置在所述半导体装置与所述盖板之间。
3.根据权利要求2所述的电子设备，其中：
所述半导体装置包括具有一个或更多个产热部件的中央处理单元，
所述盖板包括整体式均热器，
粘接剂将所述中央处理单元附接到所述整体式均热器，并且
所述第一热界面材料在所述整体式均热器与所述中央处理单元之间形成细的接合线。
4.根据权利要求1所述的电子设备，该电子设备还包括：
散热片；以及
位于所述均热器与所述散热片之间的第二热界面材料，
由此所述热源经由所述第一热界面材料、所述均热器和所述第二热界面材料与所述散热片形成有效的热传递。
5.根据权利要求1所述的电子设备，其中：
所述电子设备包括具有所述热源的半导体装置，
所述均热器包括所述电子设备的盖板，
所述第一热界面材料设置在所述半导体装置与所述盖板之间，并且
所述电子设备还包括：
散热片；以及
位于所述盖板与所述散热片之间的第二热界面材料，
其中，所述第一热界面材料包括相变热界面材料，所述相变热界面材料具有低于所述正常工作温度范围或在所述正常工作温度范围内的软化温度，并且所述第一热界面材料在所述均热器与所述热源之间建立可恢复的热连接，
由此所述半导体装置经由所述第一热界面材料、所述盖板和所述第二热界面材料与所述散热片形成有效的热传递。
6.根据权利要求1所述的电子设备，其中：
所述第一热界面材料在所述均热器与所述热源之间建立可恢复的热连接，并且
所述第一热界面材料的所述软化温度低于所述正常工作温度范围或者在所述正常工作温度范围内。
7.根据权利要求1所述的电子设备，其中：
所述第一热界面材料具有从大约45℃到大约70℃的软化温度范围，和/或
所述正常工作温度在大约60℃到大约100℃的范围内。
8.根据权利要求1所述的电子设备，其中：
所述第一热界面材料具有低于所述正常工作温度范围或在所述正常工作温度范围内的相变温度，并且
所述第一热界面材料是剪切变稀和触变性的，使得所述第一热界面材料除在压力下之外在所述相变温度不能够流动。
9.根据权利要求1所述的电子设备，其中：
所述第一热界面材料具有高于所述正常工作温度范围的相变温度，使得所述第一热界面材料在所述正常工作温度范围内软化但不熔化。
10.根据权利要求1所述的电子设备，其中：
所述第一热界面材料在高于所述正常工作温度范围的温度在压力下能够流动，并且
当温度低于所述正常工作温度范围或在所述正常工作温度范围内时，所述第一热 界面材料在所述均热器与所述热源之间建立热连接。
11.根据权利要求1所述的电子设备，其中，所述第一热界面材料在所述均热器与所述热源之间形成细的接合线并建立热连接。
12.根据权利要求1所述的电子设备，其中，所述第一热界面材料在所述均热器与所述热源之间建立可恢复的热连接，使得如果所述第一热界面材料在热循环过程中出现剥离，则所述热连接的界面接触电阻和热阻将增大，由此来自所述热源的热将导致所述第一热界面材料软化，降低接触电阻，并且重建所述热连接。
13.根据权利要求1所述的电子设备，其中：
所述第一热界面材料被夹在所述均热器与所述热源之间，其中所述第一热界面材料被压紧在所述热源上；和/或
所述第一热界面材料包括多层热界面材料，所述多层热界面材料包括均热器和沿着所述均热器的一面或两面的一层或更多层所述热界面材料；和/或
所述第一热界面材料包括导热的热塑料、导热的温度可逆凝胶、和/或低熔点合金中一种或更多种。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的电子设备，其中，所述第一热界面材料包括具有低于所述正常工作温度范围或在所述正常工作温度范围内的相变温度的相变热界面材料。
15.根据权利要求1至13中任一项所述的电子设备，其中，所述第一热界面材料包括具有高于所述热源的正常工作温度范围的软化温度或熔化温度的热塑性热界面材料。
16.根据权利要求1至13中任一项所述的电子设备，其中，所述第一热界面材料在所述均热器与所述热源之间建立可恢复的热连接。
17.根据权利要求1至13中任一项所述的电子设备，其中：
所述第一热界面材料包括相变热界面材料，所述相变热界面材料具有低于所述正常工作温度范围或在所述正常工作温度范围内的软化温度，或者
所述第一热界面材料包括热塑性热界面材料，所述热塑性热界面材料具有高于所述热源的正常工作温度范围的软化温度或熔化温度，或者
所述第一热界面材料在所述均热器与所述热源之间建立可恢复的热连接。
18.一种电子设备，该电子设备包括：
具有正常工作温度的热源；
均热器或盖板；以及
位于所述均热器或盖板与所述热源之间的第一热界面材料，所述第一热界面材料具有高于所述热源的所述正常工作温度的软化温度或熔化温度，所述第一热界面材料在压力下被加热到至少所述软化温度或所述熔化温度时能够流动到细的接合线；
散热片；以及
位于所述均热器或盖板与所述散热片之间的第二热界面材料，
由此建立导热的热通路，所述热通路从一个或更多个产热部件经由所述第一热界面材料、所述均热器或盖板、以及所述第二热界面材料到达所述散热片，使得由热源产生的热能够通过所述第一热界面材料、所述均热器或盖板、以及所述第二热界面材料传递到所述散热片。
19.根据权利要求18所述的电子设备，其中：
所述电子设备包括具有所述热源的半导体装置，
所述均热器包括所述电子设备的盖板，并且
所述第一热界面材料位于所述半导体装置与所述盖板之间。
20.根据权利要求18或19所述的电子设备，其中：
所述热源的所述正常工作温度在大约60℃到大约100℃的范围内，和/或
所述第一热界面材料包括导热的热塑性塑料、导热的温度可逆凝胶、低熔点合金、和/或多层热界面材料，所述多层热界面材料包括均热器，所述热界面材料被涂敷在所述均热器的一面或两面上，和/或
所述第一热界面材料的所述软化温度或所述熔化温度在从大约100℃到大约200℃或从大约125℃到大约175℃的范围内，和/或
所述第一热界面材料能够自我修复，使得如果所述第一热界面材料在热循环过程中出现剥离，则界面接触电阻和热阻将增大，使得来自所述热源的热将导致所述第一热界面材料软化并降低接触电阻。
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