JP2012060127A

JP2012060127A - 熱抵抗を低減するための熱界面材料

Info

Publication number: JP2012060127A
Application number: JP2011195532A
Authority: JP
Inventors: Charles Kirk Graham; グラハム・チャールズ・カーク
Original assignee: GE Fanuc Intelligent Platforms Inc
Current assignee: Intelligent Platforms LLC
Priority date: 2010-09-10
Filing date: 2011-09-08
Publication date: 2012-03-22
Also published as: US8498127B2; US20120063103A1; EP2429268A1; CN102413666A; MX2011009160A; CA2750437A1; AU2011221431A1; TW201228587A; CA2750437C; KR20120026980A

Abstract

【課題】熱抵抗を低減するための熱界面材料を提供すること。
【解決手段】第１の面（２０４）および対向する第２の面（２０６）を有する熱伝導性金属（２０２）と、熱伝導性金属の第１の面に結合された第１の拡散障壁板（２０８）と、熱伝導性金属の第２の面に結合された第２の拡散障壁板（２１０）と、第１の拡散障壁板に結合された第１の熱抵抗低減層（２１２）と、第２の拡散障壁板に結合された第２の熱抵抗低減層（２１４）とを含み、熱伝導性金属、第１の拡散障壁板、および第２の拡散障壁板が第１の熱抵抗低減層と第２の熱抵抗低減層との間に配置される熱界面材料（１２０）。
【選択図】図２

Description

本明細書に記載の主題は、一般に熱界面材料（ｔｈｅｒｍａｌｉｎｔｅｒｆａｃｅｍａｔｅｒｉａｌ）に関し、より詳細には、回路カードアセンブリ（ＣＣＡ）とシャーシとの間の熱抵抗を低減するための熱界面材料に関する。

高出力装置を含むアセンブリなど、熱伝導を通じてＣＣＡからの熱を取り除くように設計された筐体は、より高いレベルの熱を取り除くことがますます課題となっている。これは、新しく開発された処理装置が通常、より多くの回路を含み、したがってより高い熱負荷を生成する傾向にあるため、または構成部品がより小さくなり、したがってＣＣＡがより多くの構成部品を含むことができるようになり、それによってＣＣＡ当たり生成される熱の量が増加しているためである。

熱界面の両側でＣＣＡ構成部品によって生成される熱を運び去るためのヒートシンクとして働くシャーシに、ＣＣＡの熱界面の両縁部を、基板保持具（ｂｒｏａｄｒｅｔａｉｎｅｒ）を介して押し付けるための様々なシステムが考案されている。しかし、現在、ＣＣＡとシャーシとの間の熱界面は金属対金属であり、２つの金属間に熱仲介材料（ｔｈｅｒｍａｌｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅｍａｔｅｒｉａｌ）が無い。ＣＣＡの熱界面からシャーシの低温壁までの通常の温度差（ΔＴ）は約１０℃程度であり、金属対金属の界面は熱的に不十分である。金属対金属の界面は、ＣＣＡワット数が低い場合は十分であり得るが、電子装置がより小型になり、かつ／または高速で動作するにつれて、新しい設計のＣＣＡは、徐々により多くの熱を放散し、金属対金属の界面が不適切になる。すると、熱伝達可能性は崩れ、または不十分となり、それらが使用される電子装置の性能は、悪影響を受ける。

米国特許出願公開第２０１０／０１１２３６０号公報

回路カードアセンブリ（ＣＣＡ）とシャーシとの間の熱抵抗を低減するための熱界面材料を提供する。

一態様において、熱界面が提供される。この熱界面材料は、第１の面および対向する第２の面を有する熱伝導性金属と、熱伝導性金属の第１の面および熱伝導性金属の第２の面に結合された拡散障壁板（ｄｉｆｆｕｓｉｏｎｂａｒｒｉｅｒｐｌａｔｅ）と、拡散障壁板に結合された熱抵抗低減層（ｔｈｅｒｍａｌｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｒｅｄｕｃｉｎｇｌａｙｅｒ）とを含む。

別の態様において、システムが提供される。このシステムは、回路カードアセンブリと、上面および下面を有するスロットを含むハウジングとを含む。スロットは、上面と下面との間で回路カードアセンブリを受けるように構成される。シムは、熱抵抗を低減するように構成される。シムは、回路カードアセンブリとスロットの上面との間に結合される。基板保持具は、シムを回路カードアセンブリとスロットの上面との間に固定する。

さらに別の態様において、熱界面材料を形成する方法が提供される。この方法は、銅の層を設け、銅の層の上にニッケルの層を設け、ニッケルの層の上にインジウムの層を設けることを含む。

添付の図面を参照して、本開示を以下で詳しく説明する。

シャーシの低温壁に配置されたＣＣＡの横断端面図を示す図である。図４に示す断面線２−２の熱界面材料例の断面図である。代替の熱界面材料の断面図である。熱界面材料のある面への接着剤の塗布例を示す図である。熱界面材料のある面への接着剤の塗布例を示す図である。熱界面材料を形成するプロセス例を示す流れ図である。銅箔フレームからエッチングされた複数のシムを示す図である。

本開示は、回路カードアセンブリ（ＣＣＡ）とシャーシとの間の熱界面材料（ＴＩＭ）について説明するが、本開示の態様は、本明細書に示し、記載した機能を実施する任意の装置またはその均等物で動作する。それだけには限定されないが、例えば、本明細書に記載したＴＩＭは、電源ユニットとベースプレートとの間、シャーシと冷却ファンとの間、シャーシとベースプレートとの間などに配置されてもよい。

ＣＣＡとシャーシとの間の現在の熱界面は金属対金属であり、２つの金属間にＴＩＭを含まない。しかし、上述したように、金属対金属の界面は、全体的なＣＣＡワット数が低い場合は十分であり得る。より小型になり、かつ／または高速で動作する電子装置を使用する新しい設計のＣＣＡは、より多くのエネルギーおよび熱を発し、金属対金属の界面が不適切になる。例えば、高性能伝導冷却型（ｈｉｇｈｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎｃｏｏｌｅｄ）ＣＣＡは、低温壁界面で８５℃の温度で連続的に稼働することが期待される（通常、プロセッサ製造者は、１０５℃という接合部温度の上限を指定する）。これによって、プロセッサと低温壁の熱界面との間の２０℃の温度差（ΔＴ）が残ることになる。ＣＣＡの２つの金属対金属の界面のうちの一方に４０ワットの負荷をかける従来のＣＣＡの試行では、ΔＴが金属対金属の界面にわたって７．９℃となった。これによって、界面にわたって約０．２℃／Ｗの熱抵抗が与えられる。したがって、最大負荷１６０ワット（界面当たり８０ワット）のＣＣＡは、ΔＴを約１６℃まで増加させることになり、これは問題となり得る。しかし、例えば、ＣＣＡとシャーシとの間に金属対金属の界面を含み、ＣＣＡワット数が限定されている場合にのみ十分な従来のシステムとは異なり、本明細書に記載したＴＩＭは、界面における熱抵抗を少なくとも１０分の１に低減し、したがって、負荷が２０ワット未満のＣＣＡに適用され得ると共に、負荷が１６０ワットを超えるＣＣＡに適用され得る。

次に図１を参照すると、ＣＣＡのハウジング（例えばシャーシ１０２）の端面図が示されている。シャーシ１０２は、低温壁１０４および１０６の長さに沿って延びるスロット１０８を形成する低温壁１０４および１０６を含む。スロット１０８は、上面１１０（例えば低温壁１０４の底面）および下面１１２（例えば低温壁１０６の上面）を有する。基板保持具、または任意の他の適した固定機構、例えばウェッジロック（ｗｅｄｇｅｌｏｃｋ）１１４が低温壁１０４と１０６との間に結合され、下面１１２と接する。ＣＣＡ１１６、およびより詳細には、ＣＣＡ１１６の熱界面表面１１７がウェッジロック１１４の上面１１８とスロット１０８の上面１１０との間に配置される。熱抵抗を低減するように構成されたＴＩＭ１２０（例えばシム）が熱界面表面１１７とスロット１０８の上面１１０との間に結合される。熱界面表面１１７およびＴＩＭ１２０は、スロット１０８の上面１１０とウェッジロック１１４の上面１１８との間で圧縮される。以下でさらに詳しく記載するように、ＴＩＭ１２０は、複数の層を含む。いくつかの実施形態において、複数の層の各層は、２つ以上の層を含み得る。

いくつかの実施形態において、ウェッジロック１１４は、複数の個々のウェッジ（図示せず）を拡大し、それらを介してＣＣＡ１１６と低温壁１０６の上面１１０との間に接触圧力を付加することによってＣＣＡ１１６およびＴＩＭ１２０をスロット１０８に固定するように設計された機械式留め具である。例えば、ウェッジロック１１４は、拡大ネジ（図示せず）を使用して複数のウェッジを拡大し、ＣＣＡ１１６とスロット１０８の上面１１０との間に圧力を加えることによって、ＣＣＡ１１６およびＴＩＭ１２０をスロット１０８に機械的に固定する。

ＴＩＭ１２０は、２つの接合面、すなわち熱界面表面１１７とスロット１０８の上面１１０との間に適合し、低いバルク熱抵抗および低い接触抵抗を有する。以下でより詳しく説明するように、熱性能を最適化するために、ＴＩＭ１２０は、界面材料および／または界面層（例えばインジウム）を含み、非平面の面に適合し、それによって接触抵抗を下げることができる。また、ＴＩＭ１２０は、熱伝導性および機械的コンプライアンスが高く、ＴＩＭ１２０に力が加えられると、弾力的に曲がる。

次に図２を参照すると、ＴＩＭ（例えばＴＩＭ１２０）の例の断面図が示されている。ＴＩＭ１２０は、第１の面２０４および対向する第２の面２０６を有する熱伝導性金属２０２と、熱伝導性金属２０２を囲む（包む）拡散障壁板２０８と、拡散障壁板２０８を囲む熱抵抗低減層２１２とを含む。

上述したように、適したＴＩＭは、２つの接合面の間に適合し、低いバルク熱抵抗および低い接触抵抗を有するものとする。したがって、熱抵抗低減層２１２は、インジウムなどの適合金属（ｃｏｎｆｉｒｍｉｎｇｍｅｔａｌ）を含む。しかし、インジウムは軟性であるため、ＴＩＭ１２０は、他の金属により重層化されて、伝導性を維持しながら、より緻密なＴＩＭを提供する。例えば、銅などの熱伝導性金属２０２は、補強材として設けられ、これによってＴＩＭ１２０は、より緻密な形態を維持することができる。しかし、銅およびインジウムは拡散性があるため、拡散障壁として働くニッケルメッキ（例えば拡散障壁板２０８）が熱伝導性金属２０２（例えば銅層）と熱抵抗低減層２１２（例えばインジウムの層）との間に設けられる。

いくつかの実施形態において、熱抵抗低減層２１２は、約２５ミクロン（μｍ）の厚さを有し、熱伝導性金属は、約２５μｍから約７５μｍまでの厚さを有し、拡散障壁板２０８は、約１μｍから約３μｍまでの厚さを有する。

次に図３を参照すると、代替のＴＩＭ３２０が示されている。ＴＩＭ３２０は、第１の拡散障壁板３０８に結合された第１の熱抵抗低減層３１２、および第２の拡散障壁板３１０に結合された第２の熱抵抗低減層３１４を含む。この実施形態において、第１の熱抵抗低減層３１２および第２の熱抵抗低減層３１４は、熱伝導性金属２０２、第１の拡散障壁板３０８、および第２の拡散障壁板３１０によって分離されている。

いくつかの実施形態において、接着層２２２は、ＴＩＭ１２０の少なくとも１つの外面２２４に塗布される。しかし、表面全体の接着剤の層では、ＴＩＭ１２０を通過する熱の流れを妨げ、したがってＴＩＭ１２０の熱抵抗を増やす可能性がある。したがって、接着層２２２を、図４に示すように縞パターンで、または図５に示すように配列／格子パターンでＴＩＭ１２０に塗布することができる。さらに、接着層が厚すぎると、ＴＩＭ１２０がＣＣＡ１１６の熱界面表面１１７または低温壁１０６の上面１１０に正常に適合するのを妨げる可能性がある。したがって、いくつかの実施形態において、接着層２２２は、約５μｍから約２５μｍまでの厚さを有する接着層を含む。

いくつかの実施形態において、接着層２２２は、ＴＩＭ１２０がウェッジロック１１４を介してＣＣＡ１１６と低温壁１０６の上面１１０との間に固定される前に、ＴＩＭ１２０を熱界面表面１１７に一時的に取り付けるために使用される。さらに、接着層２２２は、犠牲的なものであるため、ＴＩＭ１２０をＣＣＡ１１６および低温壁１０６の上面１１０から容易に取り除くことができ、熱界面表面１１７を交換用ＴＩＭのためにきれいに残しておくことができる微粘着の接着剤を含む。

次に図６を参照すると、ＴＩＭを形成するプロセス例の流れ図が示されており、これを全体的にプロセス５００と呼ぶ。プロセス５００は、５０２で銅の層を設け、５０４で銅の層の上にニッケルのメッキ層を設け、５０６でニッケルのメッキ層の上にインジウムのメッキ層を設けることを含む。いくつかの実施形態において、ニッケルのメッキ層は、ニッケルのメッキ層が銅の層を囲むように設けられる。さらにいくつかの実施形態において、インジウムのメッキ層は、インジウムのメッキ層がニッケルのメッキ層を囲むように設けられる。他の実施形態において、ニッケルの第１のメッキ層が銅の層の第１の面の上に設けられ、ニッケルの第２のメッキ層が銅の層の対向する第２の側の上に設けられる。他の実施形態において、インジウムの第１のメッキ層がニッケルの第１のメッキ層の上に設けられ、インジウムの第２のメッキ層がニッケルの第２のメッキ層の上に設けられ、インジウムの第１のメッキ層およびインジウムの第２のメッキ層のそれぞれが、ニッケルの第１のメッキ層、銅の層、およびニッケルの第２のメッキ層によって分離されている。

いくつかの実施形態において、複数のシム６０２は、例えば３７．５μｍの銅箔から化学的にエッチングされ、タブ６０６によってフレーム６０４に保持される（図７参照）。したがって、形状、サイズ、および穴は、単にフォトワークを変えることによって容易に対応させることができる。シム６０２はレーザーカットすることもでき、それによってソフトウェアを介して形状、サイズ、および穴を変えることができる。シム６０２がエッチングされた後、フレーム６０４は、メッキのために予め調整される。インジウムが容易に銅の中に拡散し、硬質な脆性合金をもたらすため、ニッケルの層（例えば約３μｍの厚さ）が、銅とインジウムとの間で障壁として働くように、シム６０２上の表面全体にメッキされる。次に、インジウムの層（例えば、約２５μｍから約３０μｍまでの厚さ）がニッケル障壁上にメッキされる。

次に、接着層２２２を、複数のシム６０２の少なくとも片側に塗布することができる。微粘着の接着剤は、リール状で裏紙上に提供されてもよく、したがって、接着剤は、レーザーカットして縞パターンを生成する、または配列／格子パターンにする（それぞれ図４および図５に示されるように）ことができ、または薄いマスクをカットし、それを微粘着の接着剤のリール上に敷いて配列／格子パターンまたは縞パターンを露出させることができる。接着層は、複数のシム６０２のそれぞれの上に手作業で敷かれ、微粘着の接着剤を保護するために、裏紙がその場に残される。当業者であれば、このプロセスは、量が許せば、自動化することができることを理解されよう。最後に、複数の６０２を、フレーム６０４上に残すか、必要に応じて取り除くことができる。

本書では、いくつかの例を使用し、最良の形態を含めて本発明を開示し、また、任意の装置またはシステムを作成し、使用すること、および任意の組み込まれた方法を実施することを含めて、当業者が本発明を実施できるようにしている。本発明の特許性のある範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者が思いつく他の例を含み得る。こうした他の例は、言葉通りの特許請求の範囲と異ならない構造的な要素を有する場合、または言葉通りの特許請求の範囲とのわずかしか異ならない均等の構造的要素を含む場合、特許請求の範囲内にあるものとする。

１０２シャーシ
１０４低温壁
１０６低温壁
１０８スロット
１１０上面
１１２下面
１１４ウェッジロック
１１６回路カードアセンブリ（ＣＣＡ）
１１７熱界面表面
１１８上面
１２０ＴＩＭ
２０２熱伝導性金属
２０４第１の面
２０６第２の面
２０８第１の拡散障壁板
２１０第２の拡散障壁板
２１２第１の熱抵抗低減層
２１４第２の熱抵抗低減層
２２２接着層
２２４外面
５００プロセス
５０２銅の層を設ける
５０４銅の層の第１の面の上、および銅の層の対向する第２の面の上にニッケルのメッキ層を設ける
５０６ニッケルのメッキ層の上にインジウムのメッキ層を設ける
６０２シム
６０４フレーム
６０６タブ

Claims

第１の面（２０４）および対向する第２の面（２０６）を有する熱伝導性金属（２０２）と、
前記熱伝導性金属の前記第１の面に結合された第１の拡散障壁板（２０８）と、
前記熱伝導性金属の前記第２の面に結合された第２の拡散障壁板（２１０）と、
前記第１の拡散障壁板に結合された第１の熱抵抗低減層（２１２）と、
前記第２の拡散障壁板に結合された第２の熱抵抗低減層（２１４）とを備え、前記熱伝導性金属、前記第１の拡散障壁板、および前記第２の拡散障壁板が前記第１の熱抵抗低減層と前記第２の熱抵抗低減層との間に配置される
熱界面材料（１２０）。
前記第１の熱抵抗低減層（２１２）および前記第２の熱抵抗低減層（２１４）が適合金属を含む請求項１記載の熱界面材料（１２０）。
前記適合金属がインジウムである請求項２記載の熱界面材料（１２０）。
前記熱伝導性金属が銅である請求項１記載の熱界面材料（１２０）。
前記第１の拡散障壁板（２０８）および前記第２の拡散障壁板（２１０）のそれぞれがニッケルを含む請求項１記載の熱界面材料（１２０）。
前記第１の熱抵抗低減層（２１２）および前記第２の熱抵抗低減層（２１４）のそれぞれが約２５μｍの厚さを有する請求項１記載の熱界面材料（１２０）。
前記熱伝導性金属（２０２）が約２５μｍから約７５μｍまでの厚さを有する請求項１記載の熱界面材料（１２０）。
前記第１の拡散障壁板（２０８）および前記第２の拡散障壁板（２１０）のそれぞれが約１μｍから約３μｍまでの厚さを有する請求項１記載の熱界面材料（１２０）。
前記第１の熱抵抗低減層（２１２）および前記第２の熱抵抗低減層（２１４）のうちの一方に結合された接着層（２２２）をさらに含み、前記接着層が前記熱界面材料の外面（２２４）に配置される請求項１記載の熱界面材料（１２０）。
前記接着層（２２２）が前記熱界面材料の外面（２２４）に、配列パターン、格子パターン、および縞パターンのうちの少なくとも１つで配置される請求項９記載の熱界面材料（１２０）。