JP4080452B2 - 可変ウェッジ・サーマル・インターフェース装置および方法 - Google Patents

可変ウェッジ・サーマル・インターフェース装置および方法 Download PDF

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Description

本発明は、熱伝達装置およびその方法に関し、詳細には、可変ギャップ・サーマル・インターフェース装置(variable gap thermal−interface device)および方法に関する。
関連出願の引用
本願は、2003年4月21日出願された「ファン・モジュール装着場所付きのヒートシンク押え付け装置(HEAT SINK HOLD−DOWN WITH FAN−MODULE ATTACH LOCATION)」と称する、本発明の譲受人に譲渡された米国特許出願第10/419,386号、および、2003年4月21日出願された「可変ギャップ・サーマル・インターフェース装置(VARIABLE−GAP THERMAL−INTERFACE DEVICE)」と称する、本発明の譲受人に譲渡された米国特許出願第10/419,373号に関係がある。さらに、本願は、2002年2月12日出願された「熱伝達インターフェース・システムおよび方法(THERMAL TRANSFER INTERFACE SYSTEM AND METHODS)」と称する、本発明の譲受人に譲渡された同時係属中の米国特許出願第10/074,642号にも関係がある。
これまで、熱は、熱源とヒートシンク間が一様でない幅ギャップの場合、「ギャップ・パッド」、すなわちシリコーン・ベースの弾性パッドの使用を通じて、伝達されてきた。例えば、Bergquist Company(web page http://www.bergquistcompany.com/tm_gap_list.cfm、および関連webページを参照のこと)では、ゴム被覆されたガラスファイバのキャリヤ・フィルム(carrier film)上に、様々な厚さにした一連の低弾性係数充填シリコーン・エラストマ・パッドを提供している。この材料は、一方の側が動作中の電子デバイスと接触するサーマル・インターフェースとして利用されることもある。これらのパッドは、金属と比較して、熱伝導率が低い。さらに、これらのパッドを圧縮するには、一般に、大きな力が必要である。さらに、シリコーン・ベースのギャップ・パッドは、高温に耐えることもできない。
本発明は、広範に一様でないギャップ厚さがある場合に、高温条件でも適度の圧縮荷重のもとに、高い熱伝導率を与えるサーマル・インターフェース装置および方法を提供しようとするものである。
本明細書に開示されている第1の実施形態は、熱源からヒートシンクへ熱を伝達する可変ギャップ・サーマル・インターフェース装置を提供する。この装置は、第1の曲率半径を持つ球状凹面と、同一の第1の曲率半径を持つ球状凸面とを有し、かつそれらの凸面と凹面が摺動自在に接触している多軸回転式球面継手を備えている。この装置は、さらに、回転式球面継手を通じて、ヒートシンクと回転自在に結合された近接端と、この近接端の反対側に遠方端を持つブロックを有する。この装置は、さらに、第1の面と、第1の面と反対側にあって、かつ第1の面に対して傾斜している第2の面とを隔離する可変厚さを持つウェッジを備えており、第1の表面は、上記のブロックの遠方端と熱的に結合され、かつ、第2の表面は、熱源と熱的に結合されている。
本明細書に開示されている他の実施形態では、可変ギャップ・サーマル・インターフェース装置を用いて、熱源からヒートシンクへ熱を伝達する方法が開示されている。この方法は、多軸回転式球面継手を提供することと、熱源とヒートシンクとの間の角度の狂いを補償する向きまで、その多軸回転式球面継手を回転させることを特徴とする。この方法は、さらに、第1の面と、第1の面の反対側にあって第1の面に対して傾斜しており、熱源と熱的に結合されている第2の面とを有する可変厚さのウェッジを提供することを特徴とする。この方法は、さらに、熱源と、多軸回転式球面継手とのギャップを埋めるまで、このウェッジをずらすことを特徴とする。
本明細書に開示された他の実施形態では、変形した長方形枠に近い形をしたばねクリップが提供されている。このばねクリップは、互いに内向きに曲げられた第1の側と、第1の側と反対側にある第2の側とを備えている。このばねクリップは、ウェッジに弾性復元力を作用させて結合するようになっている。
図1は、サーマル・スプレッダ172の個々の通路170の中で摺動する一そろいのばね押し金属ピストン162a〜162cを備えたサーマル・インターフェース装置120を示す略図である。一そろいのばね164でピストン162a〜162cに圧縮荷重を加えて、矢印方向166に移動させ、平坦でない表面を持つ熱源168に熱接触させている。ばね164は、スプレッダ172とピストンヘッド173との間で押し縮められて、熱源168の平坦でない表面を受け止める。いくつかの実施形態では、保持要素(retaining element)176は、スプレッダ172と結合し、また、ピストン162a〜162cは、ピストン162aの場合のように、伸びたときに保持要素176に当る段部178を持っている。保持要素176には、ピストン162a〜162cの段部上方の延長部分180を通せる穴が設けられている。よって、図1の保持状態を示す実施形態では、ピストン162a〜162cが、スプレッダ172から全く分離できないようにしている。ヒートシンク174は、スプレッダ172に任意ではあるが結合されて、熱源168の冷却を容易ならしめることもできる。サーマル・インターフェース装置120は、平坦でない表面と熱接触する問題は解決できるが、ピストン162a〜162c間の広い相対空隙エリアは、サーマル・インターフェース装置120の実効熱伝導率を低下させる。さらに、これらの空隙エリアにより、この実効熱伝導率は、異方性となり、これは、特に一様でない熱源からの熱伝達を低下させかねない。さらに、サーマル・インターフェース装置120は、限られた範囲の運動しか行えない。さらに、このように複雑な構造の装置は、製造するのが比較的高くつく。もっと詳細については、2002年2月12日出願された「熱伝達インターフェース・システムおよび方法(THERMAL TRANSFER INTERFACE SYSTEM AND METHODS)」と称する、本発明の譲受人に譲渡された同時係属中の米国特許出願第10/074,642号を参照のこと。
図2は、本明細書に開示された実施形態による可変ギャップ・サーマル・インターフェース装置20を表わす斜視図である。ヒートシンク延長部分21は、ヒートシンク基部23に対して、固定されているか、あるいは上端22への押付けにより取付けられた高熱伝導率材料のブロックである。別な方法として、ヒートシンク延長部分21は、ヒートシンク基部23の一体部分として作られることもある。ヒートシンク延長部分21の下端24は、曲率半径Rの一体球状凸面25を備えている。高熱伝導率材料のソケット・ブロック26は、その上端に、曲率半径Rが一致する一体球状凹面27を備え、かつ、この球状凹面は、球状凸面25と互いに接触した状態で動作して、多軸球面継手として運動を行うことができる。球状凸面25と球状凹面27の双方が曲率半径Rであるという条件で、曲率半径Rは、任意の都合のよい半径にできる。別な実施形態では、凸面25がブロック26と一体化し、また、凹面27がヒートシンク延長部分21と一体化するように、凸面25と凹面27を取り替えることもできる。更に別の実施形態では、球状凸面25と球状凹面27を含む多軸球面継手を、単軸円筒継手に代えるか、あるいは、多重カスケード式(multiply−cascaded)円筒継手に代えて、1つまたは複数の回転自由度を与えることもある。
シム29は、ソケット・ブロック26の下端の平坦面28に接触する高熱伝導率材料のプレートである。ヒートシンク延長部分21、ソケット・ブロック26、シム29の高熱伝導率材料は、同類であるか、あるいは異類であることもある。これらの高熱伝導率材料は、通常、金属であるが、その代りに、特定の用途に適するものとして、絶縁物、複合材料、半導体、および/または、他の固体材料から選択されることもある。サーマル・インターフェース装置20の寸法は、可能性としてナノメートルからメートルまでの範囲にわたって、増減できる。インターフェース装置20は、ヒートシンク基部23からの圧縮力を受けて、熱源201に押し付けられている。通常、熱源201は、プロセッサのふた203で覆われ、かつ回路基板205上に実装された集積回路(プロセッサ)チップ204が入っている。熱源201は、ボルスタ・プレート206に取り付けられ、かつ、そのプレートで支えられている。シム29の厚さは、熱源201とソケット・ブロック26との間のギャップを充分に埋めるように選択され、ヒートシンク基部23と熱源201との間隔を補償する。球状凸面25と球状凹面27との間の接合面は回転式継手を形成し、ヒートシンク基部23の平面と熱源201の平面との間で生じる中心線の組合せがどのようになっても、角度の狂いを補償する。任意ではあるが、球状凸面25、球状凹面27、シム29の間の接合面の熱伝導および摺動運動を向上させるため、サーマル・インターフェース材料202、通常、高熱伝導率のグリースが塗布される。
図3は、ウェッジ・ソケット(wedge−socket)型の可変ギャップ・サーマル・インターフェース装置30を表わす斜視図である。図2の場合と同じく、サーマル・インターフェース装置30は、ヒートシンク基部23(図3には示されていない)に隣接している平坦な上端と、半径Rの球状凸面25を持つヒートシンク延長部分21を有する。ウェッジ・ソケット36は、球状凸面25と回転すべり接触している半径Rの上部球状凹面27を持っている。便宜上、x、y、zが、ウェッジ・ソケット36に対して固定され、かつ球状凸面25と球状凹面27の共通曲率中心の周りにθおよびφの角度座標だけ回転する直交軸であるように、座標軸が図3に示されている。ウェッジ・ソケット36は、その下部の平坦面が、xyzの回転座標系のx軸に対して、ウェッジ角度で傾斜している。
ウェッジ39は、その上面が、同一のウェッジ角度で傾斜しており、かつ、ウェッジ・ソケット36の下部の傾斜平坦面とすべり接触している。ウェッジ39の下部の平坦面は、xyz回転座標系に対して、任意の角度で傾斜することもあるが、便宜上、この平坦面は、回転xy平面に平行に向けられている。ウェッジ39は、熱源201に接触して、熱源201から、ウェッジ・ソケット36およびヒートシンク延長部分21の固体の高熱伝導率である材料を経て、ヒートシンク基部23(図3には示されてない)まで熱を伝達する。熱抵抗と摩擦を両方とも減らすために、ウェッジ39とウェッジ・ソケット36との間の接合面に、サーマル・インターフェース材料、通常、サーマル・グリースまたはペーストを入れることがある。図3に示される熱源201は、通常、図2に示されるものと同じ層、すなわちプロセッサ・チップ204、プロセッサのふた203、回路基板205を有する。
図4は、ウェッジ39とウェッジ・ソケット36が、ばねクリップ41によりx方向に押し付けられている、ウェッジ・ソケット型の可変ギャップ・サーマル・インターフェース装置30を含むウェッジ・ソケット型の可変ギャップ・サーマル・インターフェース装置40を表わす斜視図である。一変形例では、ばねクリップ41を、変形した長方形枠に近い形にする。2つの対向する側42a、42bは、図4に示されるように、一直線で、かつ平行であってもよいが、必要というわけではない。残る2つの対向する側43a、43bは、互いに内向きに曲げられ、また、圧縮締付け力を互いに及ぼすように焼き入れされている。ウェッジ・ソケット型の可変ギャップ・サーマル・インターフェース装置40では、第1の内向きに曲げられ側、例えば側43aが、ウェッジ39の最大面積の垂直面(x軸に直角である)に押し当るように、また、第2の内向きに曲げられ側、例えば側43bが、ウェッジ・ソケット36の最大面積の垂直面(これも、x軸に直角である)に押し当るように、ばねクリップ41を調節する。ばねクリップ41で圧縮力を加えると、ウェッジ39の傾斜面に沿って、せん断力の成分が発生して、ウェッジ39とウェッジ・ソケット36との接触傾斜面を互いに摺動させ、それにより、ウェッジ・ソケット型の可変ギャップ・サーマル・インターフェース装置40がz軸方向の長さいっぱいに延びて、ヒートシンク延長部分21と熱源201との間の有効ギャップを埋める。これは、同時に、これらのウェッジ構成要素をx軸方向に互いにずらさせ、その傾斜接触面積を減らす。このギャップが埋められると、z軸方向の圧縮力は、ウェッジ39とウェッジ・ソケット36との間のさらなるずれを防止する。ばねクリップ41は、同様に、熱伝達の用途や、熱伝達でない用途を含む他の用途において、摺動ウェッジ要素に、せん断力を加えるのにも使用できる。
ウェッジ・ソケット36のソケット端は、この例において曲率半径Rを持つ球状凹面形であって、この例において同一の曲率半径Rを持つ球状凸面形であるヒートシンク延長部分21の表面と接触する。これは、3軸について、角度の調整を行う。この場合も、熱抵抗とすべり摩擦を両方とも減らすために、ウェッジ・ソケット36とヒートシンク延長部分21との間の接合面、および、ウェッジ39とウェッジ・ソケット36の接触傾斜面の間の接合面に、サーマル・インターフェース材料、通常、サーマル・グリースまたはペーストを入れることがある。ウェッジ・ソケット型の可変ギャップ・サーマル・インターフェース装置30および40は、可能性としてナノメートルからメートルまでの範囲の寸法にできる。
図5Aは、ウェッジ・ソケット型の可変ギャップ・サーマル・インターフェース装置40の一変形であるウェッジ・ボール型の可変ギャップ・サーマル・インターフェース装置50の組立分解図である。図5Aの例では、ヒートシンク延長部分51は、その下部の曲率半径Rの球状凹面ソケットが、ウェッジ・ボール56の上面の曲率半径Rの球状凸面ボールと回転整合する。ウェッジ・ボール56は、その平坦な傾斜下面が、ウェッジ39の傾斜上面の全域で摺動するように構成されている。ばねクリップ41は、ウェッジ・ボール56およびウェッジ39に、ばねでせん断力を加えるように、配置されている。図5Aの例に示されるように、ばねクリップ41は、止めねじ55または他の伝統的な留め具を用いて、ウェッジ・ボール56に固定されることもある。前に述べられた例の場合と同様に、熱抵抗とすべり摩擦を両方とも減らすために、ウェッジ・ボール56とヒートシンク延長部分51との間の接合面、および、ウェッジ39とウェッジ・ボール56の接触傾斜面の間の接合面に、サーマル・インターフェース材料、通常、サーマル・グリースまたはペーストを入れることがある。
図5Bは、熱源203〜204とヒートシンク基部23が、平行でない平面内にある状況、および/または、熱源203〜204とヒートシンク基部23との間のz軸方向の距離が一様でない状況を補償するために、ウェッジ・ソケット型の可変ギャップ・サーマル・インターフェース装置40を使用して調整ができることを示した略図である。熱源203〜204は、ボルスタ・プレート206により支えられている。あらゆる調整は、ヒートシンク基部23とボルスタ・プレート206との間の圧縮荷重のもとで、行われる。ばねクリップ41は、せん断力を発生させ、それにより、ウェッジ・ソケット36およびウェッジ39のくさび形面が互いに摺動する。熱源203〜204とヒートシンク基部23とのなす傾斜角αを補償するために、ウェッジ・ソケット36を、ヒートシンク延長部分21の球状凸面に対して、回転角αだけ回転させる。図示されるように、これには、ヒートシンク延長部分21に対するウェッジ・ソケット36の対応するずれがともなう。簡単に図示するために、xz平面内に傾斜角αが示されているが、一般的には、傾斜角αは、ヒートシンク延長部分21の球状凸面と、ウェッジ・ソケット36の球状凹面の共通曲率中心を含む任意の平面内に生じる。
幅hのz軸方向のギャップを補償するために、ヒートシンク基部23とボルスタ・プレート206間のばねクリップ41による圧縮荷重で、せん断力の成分を発生させ、それが、ウェッジ39およびウェッジ・ソケット36のくさび形の構成要素間に、z軸に垂直なずれを生じさせる。ウェッジの形状のために、これは、ウェッジ39とウェッジ・ソケット36とを合わせたz軸方向の長さいっぱいに延びる。z軸方向の延長が、増分長さhに達するときには、このギャップが埋められて、ウェッジ39およびウェッジ・ソケット36のくさび形の構成要素間の対応するずれは、δとなる。ここで、比率h/δは、まさに、ウェッジ39の傾斜勾配である。その場合、ヒートシンク基部23とボルスタ・プレート206間のz軸方向の圧縮荷重は、ウェッジ39とウェッジ・ソケット36とのさらなる摺動ずれを防止する。
図6は、ウェッジ・ソケット型の可変ギャップ・サーマル・インターフェース装置(例えば、ウェッジ・ソケット型の可変ギャップ・サーマル・インターフェース装置40)と、図1に示されるものと同様な構成のものの測定熱伝達性能を比較したグラフ図である。この垂直軸は、この水平軸に沿って任意の正規化圧力単位で表わした圧縮荷重の関数として、単位面積当り正規化された相対単位で表わした比熱抵抗をプロットしている。圧力は、それぞれの熱伝達面の全域に、一様に加えられる。曲線61は、ウェッジ・ソケット型の可変ギャップ・サーマル・インターフェース装置40と同様な構成の性能を表わしており、曲線62は、ピストンがすべて銅製である図1のものと同様な装置の性能を表わしており、また、曲線63は、ピストンがすべてアルミニウム製である図1のものと同様な装置の性能を表わしている。図6にプロットされたデータを見ると、曲線61は、有利なことに、曲線62か、曲線63のいずれに示されるものよりも低い使用圧力で達する比較的低い熱抵抗を示している。
実際には、本明細書に開示されている実施形態のどれにおいても、ヒートシンク基部23とボルスタ・プレート206間の圧縮荷重は、様々なヒートシンク押え付け装置(heat sink hold−down device)で提供できる。このような押え付け装置の有利な構成は、同時出願され、同時係属中の、本発明の譲受人に譲渡された米国特許出願第10/419386号に開示されている。図7は、このヒートシンク押え付け装置70を示した略図である。ボルスタ・プレート206が、熱源201を支えている。ヒートシンク73は、中央支柱74に取り付けられたヒートシンク基部23と、フィン付き構造物72を含む。ケージ75は、クリップを用いて、ボルスタ・プレート206に取り付けられ、逃げの溝(clearance slot)を通じて、梃子ばね(lever spring)76を支える。ねじ、または他の留め具78を用いてケージ75に固定的に取り付けられたキャップ77は、梃子ばね76の両端を下方に押し付け、それにより、曲げモーメントによる荷重が中央支柱74に伝達される。中央支柱74は、その荷重を、ヒートシンク基部23のエリア全域に対称的に配分するように、配置されている。
いくつかの実施形態では、ヒートシンク延長部分71は、その圧縮荷重を、ヒートシンク基部23と熱源201との間に伝える。別法として、これらの実施形態による可変ギャップ・サーマル・インターフェース装置、例えば可変ギャップ・サーマル・インターフェース装置20、またはウェッジ・ソケット型の可変ギャップ・サーマル・インターフェース装置40は、熱的にも、機械力学的にもヒートシンク押え付け装置70に結合されて、ヒートシンク延長部分71の全体に取って代わるようにすることもできる。このような構成では、ヒートシンク押え付け装置70は、熱源201に対して圧縮加重を加え、可変ギャップ・サーマル・インターフェース装置20、40を保持する。
本明細書に開示されている実施形態は、熱源とヒートシンクが、平行でない平面内にある状況、および/または、熱源とヒートシンクとの間の距離が一様でない状況に対して、熱源とヒートシンクとの間の熱抵抗を最小限に抑える課題に対応している。これは、特に、2つ以上の熱源から、ただ1つのヒートシンクに熱を伝えようとするときに、発生する課題である。
サーマル・スプレッダの個々の通路の中で摺動する一そろいのばね押し金属ピストンを含む適合したサーマル・インターフェース装置を表わす略図である。 本明細書に開示されている実施形態による可変ギャップ・サーマル・インターフェース装置を表わす斜視図である。 ウェッジ・ソケット型の可変ギャップ・サーマル・インターフェース装置を表わす斜視図である。 ウェッジとウェッジ・ソケットが、ばねクリップで、固定されるウェッジ・ソケット型の可変ギャップ・サーマル・インターフェース装置を表わす斜視図である。 ウェッジ・ボール型の可変ギャップ・サーマル・インターフェース装置の組立分解図である。 熱源とヒートシンク基部が、平行でない平面内にある状況、および/または、熱源とヒートシンク基部との間のz軸方向の距離が一様でない状況を補償するために、ウェッジ・ソケット型の可変ギャップ・サーマル・インターフェース装置を使用した調節を示す略図である。 ウェッジ・ソケット型の可変ギャップ・サーマル・インターフェース装置の測定熱伝達性能と、代替構成のものを比較したグラフ図である。 ヒートシンク押え付け実施形態を示した略図である。
符号の説明
21、36 多軸回転式球面継手
23 ヒートシンク
25 球状凸面
27 近接端
28 遠方端
29 接合面
36 ブロック
39 ウェッジ
41 ばねクリップ
43a 第1の側
43b 第2の側
201 熱源
202 サーマル・インターフェース材料

Claims (5)

  1. 曲率半径Rを持つ球状凹面と前記曲率半径Rを持つ球状凸面とを備えており、前記凹面と前記凸面が摺動自在に接触している多軸回転式球面継手と、
    前記回転式球面継手を介してヒートシンクに回転自在に結合された近接端と、前記近接端の反対側にある遠方端とを有するブロックと、
    前記ブロックの前記遠方端と熱的に結合された第1の面と、前記第1の面の反対側にあって、前記第1の面に対して傾斜しており、前記熱源と熱的に結合された第2の面とを可変厚さで隔離するウェッジと
    前記ウェッジに連結され、前記ブロックと前記ウェッジとの間にせん断力を加えるように作動するばねクリップと、
    を備え、
    前記ブロックと前記ウェッジとの間にずれがあるとき、前記ウェッジは前記ずれに応答して、前記ブロックと前記熱源との間の可変ギャップを埋めるように作動することを特徴とする熱源からヒートシンクへ熱を伝達する可変ギャップ・サーマル・インターフェース装置。
  2. 前記熱源と前記ヒートシンクとの間の角度のずれを補償するように、前記多軸回転式球面継手を回転させることを特徴とする請求項1に記載の装置。
  3. 前記多軸回転式球面継手内の接合面および、前記ウェッジの前記傾斜する面に隣接する接合面に塗布されるサーマル・インターフェース材料をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の装置。
  4. 前記熱源が集積回路チップを備えることを特徴とする請求項1に記載の装置。
  5. 多軸回転式球面継手を提供するステップと、
    熱源とヒートシンクとの間の角度のずれを補償するように、前記多軸回転式球面継手を回転させるステップと、
    第1の面と、前記熱源と熱的に結合されており、前記第1の面の反対側にあって、前記第1の面に対して傾斜している第2の面とを有する可変厚さのウェッジを提供するステップと、
    前記ウェッジに連結されたばねクリップを提供するステップと、
    せん断力を加えて、前記ウェッジの前記ずれを発生させるステップと、
    前記熱源と、前記多軸回転式球面継手との可変ギャップを埋めるまで、前記第1の面と前記ウェッジとの間で相対的に移動するように前記ウェッジをずらすステップと、
    を特徴とする可変ギャップ・サーマル・インターフェース装置を用いて、熱源からヒートシンクへ熱を伝達する方法。
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