TWM637755U - 防漏散熱結構 - Google Patents

Abstract

一種防漏散熱結構包括高導熱係數熱介面材料層、第一柔性材料層、第二柔性材料層、第三柔性材料層與散熱器。高導熱係數熱介面材料層，其本體貼合於熱源且位於晶片本體之上面。第一柔性材料層，其設置於高導熱係數熱介面材料層之上面。第二柔性材料層，其設置於第一柔性材料層之上面，其中第二柔性材料層之下部分本體與第一柔性材料層黏合且第二柔性材料層之部分本體與該高導熱係數熱介面材料層重疊。第三柔性材料層設置於第二柔性材料層之上面，其中第二柔性材料層之上部分本體與第三柔性材料層黏合。散熱器，其設置於第三柔性材料層之上面且黏合於第三柔性材料層。

Description

防漏散熱結構

一種散熱結構，尤指一種用於對晶片本體上之熱源進行散熱之防漏散熱結構。

按，目前常見之各式電子元件均朝向微型化方向研發設計，惟各式電子元件因縮小化及效能大幅提升等諸多因素，亦伴隨著容易於實際運作過程中產生高熱，影響整體運作效能。因此，必需利用習知微均溫板進行散熱。習用電子裝置的散熱結構由散熱片設置於電子元件上，再利用風扇單元導引氣流至機殼外部。但由於機殼內部之各元件排列緊密，發熱源散發的熱量無法有效地往外排出，造成機殼內部產生溫升效應，加上熱量不斷累積的惡性循環下，若機殼內部的溫度無法保持在正常範圍，會影響整個電子裝置運作的可靠度及使用壽命，且會造成漏電的問題與超頻時溫度過高的問題。此外，為提高較好的散熱效率，需使用較高導熱係數的高導熱係數材料層，但高導熱係數材料層相變時外溢會導致主機板短路問題，且熱源發熱位置不均勻也會造成的散熱不穩定現象。

此外，在逐步進入後摩爾定律時代後，晶圓代工大廠的發展重心，也逐漸從過去追求更先進奈米製程，轉向封裝技術的創新。由於高度性能計算(high-performance computing,HPC)晶片的需求正在急遽增加，因此，數據中心和 雲端計算基礎架構變得至關重要，尤其是可支持新的高性能技術的AI和5G設備。但這些設備面臨的挑戰是，該設備及其多核心架構的高效能，將會附帶有高寬頻密度和低延遲的問題。而異質整合成為HPC晶片需求飆升的因素，並為3D IC封裝技術打開嶄新的一頁。矽通孔技術(TSV)實現Die與Die間的垂直互連，通過在Si上打通孔進行晶片間的互連，無需引線鍵合，有效縮短互連線長度，減少信號傳輸延遲和損失，提高信號速度和帶寬，降低功耗和封裝體積，是實現多功能、高性能、高可靠性且更輕、更薄、更小的晶片系統級封裝。由於3D TSV封裝工藝在設計、量產、測試及供應鏈等方面還不成熟，且工藝成本較高，且3D TSV封裝技術的內部封裝的問題會使高導熱材料層產生泵出(Pump out)現象，進而影響晶片的整體效能。

是以，如何解決上述現有技術之問題與缺失，即為相關業者所亟欲研發之課題所在。

本創作提供一種防漏散熱結構，尤用於對晶片本體上之熱源進行散熱。防漏散熱結構包括高導熱係數熱介面材料層、第一柔性材料層、第二柔性材料層、第三柔性材料層與散熱器。高導熱係數熱介面材料層，其本體貼合於熱源且位於晶片本體之上面。第一柔性材料層，其設置於高導熱係數熱介面材料層之上面，第一柔性材料層之中央區域為第一開口，其中第一柔性材料層具有黏性。第二柔性材料層，其設置於第一柔性材料層之上面，第二柔性材料層之中央區域為第二開口，其中第二柔性材料層之下部分本體與第一柔性材料層黏合且高導熱係數熱介面材料層與第一柔性材料層及第二柔性材料層之部分本體重 疊。第三柔性材料層，其設置於第二柔性材料層之上面，第三柔性材料層之中央區域為第三開口，其中第二柔性材料層之上部分本體與第三柔性材料層黏合，其中第三柔性材料層具有黏性。散熱器，其設置於第三柔性材料層之上面且黏合於第三柔性材料層，其中散熱器之底部具有複數個儲存凹槽，且儲存凹槽的深度為0.001~0.15毫米。

在本創作之一實施例中，高導熱係數熱介面材料層之上下兩側之第一導熱片延伸段與第一柔性材料層及第二柔性材料層重疊。

在本創作之一實施例中，高導熱係數熱介面材料層之左右兩側之第二導熱片延伸段與第一柔性材料層及第二柔性材料層重疊。

在本創作之一實施例中，高導熱係數熱介面材料層之四個角落之至少一第三導熱片延伸段與第一柔性材料層及第二柔性材料層重疊。

在本創作之一實施例中，高導熱係數熱介面材料層之左右兩側各有至少一第四導熱片延伸段，該些第四導熱片延伸段與第一柔性材料層及第二柔性材料層重疊。

在本創作之一實施例中，第一柔性材料層為第一背膠層，第二柔性材料層為泡棉層且第三柔性材料層為第三背膠層。

在本創作之一實施例中，第一柔性材料層、第二柔性材料層與第三柔性材料層皆為工業用接著劑且三層結合於一體，尤用於半導體封裝製程，其中工業用接著劑具有黏性。

在本創作之一實施例中，該些儲存凹槽之每一個之外形為方形。

在本創作之一實施例中，該些儲存凹槽之每一個之外形為圓形。

在本創作之一實施例中，該些儲存凹槽之每一個之外形為六邊形。

在本創作之一實施例中，防漏散熱結構更包括絕緣固化膠、絕緣膏或絕緣泥，其設置於熱源旁晶片本體上的小零件上，且位於高導熱係數熱介面材料層、第一柔性材料層、第二柔性材料層與第三柔性材料層之周圍以包覆起來。

綜上所述，本創作所揭露之防漏散熱結構能夠達到以下功效：1.降低因為零件電路導電而造成高導熱係數材料層組裝時的漏電風險；2.解決3D TSV封裝技術的內部封裝會使高導熱材料產生泵出(Pump out)的問題；3.解決高功率晶片在運作時降頻的問題；4.解決超頻時溫度過高的問題；以及5.解決重複性測試時散熱不穩定的問題。

底下藉由具體實施例詳加說明，當更容易瞭解本創作之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。

100:防漏散熱結構

110:晶片本體

120:熱源

130:高導熱係數熱介面材料層

130A:第一導熱片延伸段

130B:第二導熱片延伸段

130C:第三導熱片延伸段

130D:第四導熱片延伸段

140:第一柔性材料層

140A:第一開口

150:第二柔性材料層

150A:第二開口

160:第三柔性材料層

160A:第三開口

170:散熱器

170A:儲存凹槽

180:絕緣固化膠、絕緣膏、絕緣泥、工業用接著劑

第一圖係為本創作的防漏散熱結構之立體示意圖。

第二圖係為本創作的防漏散熱結構之立體分解示意圖。

第三圖係為本創作的防漏散熱結構之剖視圖。

第四圖係為本創作的防漏散熱結構之高導熱係數熱介面材料層之第一實施態樣圖。

第五圖係為本創作的防漏散熱結構之高導熱係數熱介面材料層之第二實施態樣圖。

第六圖係為本創作的防漏散熱結構之高導熱係數熱介面材料層之第三實施態樣圖。

第七圖係為本創作的防漏散熱結構之高導熱係數熱介面材料層之第四實施態樣圖。

第八圖係為本創作的防漏散熱結構之散熱器之第一實施態樣圖。

第九圖係為本創作的防漏散熱結構之散熱器之第一實施態樣圖。

第十圖係為本創作的防漏散熱結構之散熱器之第一實施態樣圖。

第十一圖係為本創作的防漏散熱結構之另一實施例剖視圖。

為能解決現有散熱結構漏電且散熱不足的問題，與3D TSV封裝技術的內部封裝的問題會使高導熱材料產生泵出(Pump out)現象，創作人經過多年的研究及開發，據以改善現有產品的詬病，後續將詳細介紹本創作如何以一種防漏散熱結構來達到最有效率的功能訴求。

隨著微處理器功能的提升，處理速度越來越快，加上為使主機體積有效地縮減而將元件體積隨著縮小，所發出的熱能就越多。因此，各種散熱結構不斷地演進，以期望發揮更佳的散熱效果。

請同時參閱第一圖至第三圖，第一圖係為本創作的防漏散熱結構之立體示意圖。第二圖係為本創作的防漏散熱結構之立體分解示意圖。第三圖係 為本創作的防漏散熱結構之剖視圖。如圖所示，在本創作實施例中，熱源120為一晶片或Lid或IHS。然而，在晶片本體110表面通常可能會一些因為內部電子零件而引起的漏電情況，本創作實施例提出一個解決方案能夠有效解決漏電問題。以下將進一步說明。本創作之防漏散熱結構100尤適用於對晶片本體110上之熱源120進行散熱。防漏散熱結構100包括高導熱係數熱介面材料層130、第一柔性材料層140、第二柔性材料層150、第三柔性材料層160與散熱器170。高導熱係數熱介面材料層130之本體貼合於熱源120且位於晶片本體110之上面，其中高導熱係數熱介面材料層130可以是液態導熱金屬片，但不以此為限。第一柔性材料層140設置於高導熱係數熱介面材料層130之上面，第一柔性材料層140之中央區域為第一開口140A，其中第一柔性材料層140具有黏性。第二柔性材料層150設置於第一柔性材料層140之上面，第二柔性材料層150之中央區域為第二開口150A，其中第二柔性材料層150之下部分本體與第一柔性材料層140黏合且高導熱係數熱介面材料層130與第一柔性材料層140及第二柔性材料層150之部分本體與重疊，以下將會對高導熱係數熱介面材料層130之各種具體外觀態樣進行說明。第三柔性材料層160設置於第二柔性材料層150之上面，第三柔性材料層160之中央區域為第三開口160A，其中第二柔性材料層150之上部分本體與第三柔性材料層160黏合，其中第三柔性材料層160具有黏性，其中第一至第三柔性材料層140~160之外觀實質上相同。散熱器170設置於第三柔性材料層160之上面且黏合於第三柔性材料層160，其中散熱器170之底部具有複數個儲存凹槽170A，且儲存凹槽170A的深度為0.001~0.15毫米。

須注意的是，請參照第四圖至第七圖，第四圖係為本創作的防漏散熱結構之高導熱係數熱介面材料層之第一實施態樣圖。第五圖係為本創作的防漏散熱結構之高導熱係數熱介面材料層之第二實施態樣圖。第六圖係為本創作 的防漏散熱結構之高導熱係數熱介面材料層之第三實施態樣圖。第七圖係為本創作的防漏散熱結構之高導熱係數熱介面材料層之第四實施態樣圖。本創作之高導熱係數熱介面材料層130具有多種實施態樣，以下將進一步說明。高導熱係數熱介面材料層130之上下兩側之第一導熱片延伸段130A與第一柔性材料層140及第二柔性材料層150重疊，如圖四所示。高導熱係數熱介面材料層130之左右兩側之第二導熱片延伸段130B與第一柔性材料層140及第二柔性材料層150重疊，如圖五所示。高導熱係數熱介面材料層130之四個角落之至少一第三導熱片延伸段130C與第一柔性材料層140及第二柔性材料層150重疊，如圖六所示。高導熱係數熱介面材料層130之左右兩側各有至少一第四導熱片延伸段130D，該些第四導熱片延伸段130D與第一柔性材料層140及第二柔性材料層150重疊，如圖七所示，高導熱係數熱介面材料層130之左右兩側各有兩個第四導熱片延伸段130D。

本創作之防漏散熱結構100在具體實施下，可具有兩個具體實施例。在第一例示性實施例中，第一柔性材料層140為第一背膠層，其中第一背膠層之上下兩側都具有黏性，第二柔性材料層150為耐高溫的泡棉層或絕緣膠片，並且第三柔性材料層160為第三背膠層，其中第一背膠層之上下兩側都具有黏性。在此實施例中，第一背膠層與第二背膠層之整體外觀形狀與開口大小可與泡棉層相同。此外，在第二例示性實施例中，尤適用於半導體封裝製程。第一柔性材料層140、第二柔性材料層150與第三柔性材料層160皆為工業用接著劑且三層可視為結合於一體，其中工業用接著劑具有黏性。也就是說，在半導體封裝製程中，散熱器170可透過此工業用接著劑來與高導熱係數熱介面材料層130來進行表面黏合。以上所揭露之防漏散熱結構100可以防止液態金屬側漏，且本創作實施例中能夠解決解決超頻時溫度過高的問題。

接下來，請同時參照第八圖至第十圖，第八圖係為本創作的防漏散熱結構之散熱器之第一實施態樣圖。第九圖係為本創作的防漏散熱結構之散熱器之第一實施態樣圖。第十圖係為本創作的防漏散熱結構之散熱器之第一實施態樣圖。關於本創作之散熱器，其底部具有特殊的結構，以下將進一步說明。散熱器170之底部具有複數個儲存凹槽170A且散熱器170之該些儲存凹槽170A可以是方形、圓形、六邊形凹槽或其它多邊形外觀，但並不以此為限，只要是複數個儲存凹槽都是本創作之精神所在。例如，在本創作之第二圖之實施例中，散熱器170之該些儲存凹槽170A之每一個之外形為方形之例示性實施例，以此作為說明且在本創作實施例中的儲存凹槽170A的深度為0.001~0.15毫米。其餘像是圓形(第九圖)、六邊形(第八圖)或階梯狀(第十圖)的儲存凹槽170A為同理可證。本創作實施例之散熱器170可以為鳍片式散熱器，但並不以此為限。在實作情況下，散熱器170也會使用其它固定件來與防漏散熱結構100進行結合固定。

最後，請再同時參考第二圖，防漏散熱結構100更包括絕緣固化膠180(此為絕緣層，其也可以是絕緣膏、絕緣泥或工業用接著劑)，絕緣固化膠180設置連接至散熱器170與晶片本體110之間，且位於高導熱係數熱介面材料層130、第一柔性材料層140、第二柔性材料層150與第三柔性材料層160之周圍以包覆起來。絕緣固化膠180會如同一個擋牆的角色功能，可以防止液態金屬側漏。進一步來說，當高導熱係數熱介面材料層130超過攝氏60度開始融化時，因為有絕緣固化膠180之擋牆的功能，高導熱係數熱介面材料層130所融化後之液態金屬會流向至儲存凹槽170A裡面，進一步來說，複數個儲存凹槽170A能夠有足夠的空間來容納這些融化掉的高導熱係數熱介面材料層130。因高導熱係數熱介面材料層130會因使用時的溫度而會產生相變化，如固態變成液態(濃稠液態或膠狀)，但其在相變化時其體積會有增加1.01~1.05倍之變化。所以利用水庫的特性在晶片 上的絕緣固化膠、絕緣膏或絕緣泥180使用儲量圍堵方法，讓其多餘的量儲存於所欲之處(耐高溫的泡棉層或複數個儲存凹槽170A)，可期在晶片在溫度變化時有預量使用。為提高較好的散熱效率，需使用較高導熱係數的高導熱係數熱介面材料層130，本創作實施例防止高導熱係數熱介面材料層130相變時外溢量所導致主機板短路問題，也能解決熱源發熱位置不均勻所造成的散熱不穩定現象，讓高導熱係數熱介面材料層130的高導熱性能能夠發揮出來。由以上說明可知，本創作之目的在於解決高導熱介面材料(Thermal Interface Material)因為無黏性或低黏度，容易發生溢流或泵出(pump out)的現象發生。

值得一提的是，請參考第十一圖，第十一圖係為本創作的防漏散熱結構之另一實施例剖視圖。由於3D TSV封裝工藝在設計、量產、測試及供應鏈等方面還不成熟，且工藝成本較高，且3D TSV封裝技術的內部封裝的問題會使高導熱係數熱介面材料層130產生泵出(Pump out)現象，進而影響晶片的整體效能。從第十一圖可知，在透過將散熱器170之底部製作成複數個儲存凹槽170A，之後再用絕緣固化膠、絕緣膏或絕緣泥180密封住或是用工業用接著劑180密封住，可有效解決3D TSV封裝技術的內部封裝的問題。

綜上所述，本創作所揭露之防漏散熱結構能夠達到以下功效：1.降低因為零件電路導電而造成高導熱係數材料層組裝時的漏電風險；2.解決3D TSV封裝技術的內部封裝會使高導熱材料產生泵出(Pump out)的問題；3.解決高功率晶片在運作時降頻的問題；4.解決超頻時溫度過高的問題；以及5.解決重複性測試時散熱不穩定的問題。

唯以上所述者，僅為本創作之較佳實施例而已，並非用來限定本創作實施之範圍。故即凡依本創作申請範圍所述之特徵及精神所為之均等變化或修飾，均應包括於本創作之申請專利範圍內。

100:防漏散熱結構

110:晶片本體

120:熱源

130:高導熱係數熱介面材料層

140:第一柔性材料層

140A:第一開口

150:第二柔性材料層

150A:第二開口

160:第三柔性材料層

160A:第三開口

170:散熱器

170A:儲存凹槽

180:絕緣固化膠、絕緣膏、絕緣泥、工業用接著劑

Claims (11)

1. 一種防漏散熱結構，尤用於對一晶片本體上之一熱源進行散熱，該防漏散熱結構包括： 一高導熱係數熱介面材料層，其本體貼合於該熱源且位於該晶片本體之上面； 一第一柔性材料層，其設置於該高導熱係數熱介面材料層之上面，該第一柔性材料層之中央區域為一第一開口，其中該第一柔性材料層具有黏性； 一第二柔性材料層，其設置於該第一柔性材料層之上面，該第二柔性材料層之中央區域為一第二開口，其中該第二柔性材料層之下部分本體與該第一柔性材料層黏合且該高導熱係數熱介面材料層與該第一柔性材料層及該第二柔性材料層之部分本體與重疊； 一第三柔性材料層，其設置於該第二柔性材料層之上面，該第三柔性材料層之中央區域為一第三開口，其中該第二柔性材料層之上部分本體與該第三柔性材料層黏合，其中該第三柔性材料層具有黏性；以及 一散熱器，其設置於該第三柔性材料層之上面且黏合於該第三柔性材料層，其中該散熱器之底部具有複數個儲存凹槽，且儲存凹槽的深度為0.001~0.15毫米。
2. 如請求項1所述之防漏散熱結構，其中該高導熱係數熱介面材料層之上下兩側之一第一導熱片延伸段與該第一柔性材料層及該第二柔性材料層重疊。
3. 如請求項1所述之防漏散熱結構，其中該高導熱係數熱介面材料層之左右兩側之一第二導熱片延伸段與該第一柔性材料層及該第二柔性材料層重疊。
4. 如請求項1所述之防漏散熱結構，其中該高導熱係數熱介面材料層之四個角落之至少一第三導熱片延伸段與該第一柔性材料層及該第二柔性材料層重疊。
5. 如請求項1所述之防漏散熱結構，其中該高導熱係數熱介面材料層之左右兩側各有至少一第四導熱片延伸段，該些第四導熱片延伸段與該第一柔性材料層及該第二柔性材料層重疊。
6. 如請求項1所述之防漏散熱結構，其中該第一柔性材料層為一第一背膠層，該第二柔性材料層為一泡棉層且該第三柔性材料層為一第三背膠層。
7. 如請求項1所述之防漏散熱結構，其中該第一柔性材料層、該第二柔性材料層與該第三柔性材料層皆為一工業用接著劑且三層結合於一體，尤用於半導體封裝製程，其中該工業用接著劑具有黏性。
8. 如請求項1所述之防漏散熱結構，其中該些儲存凹槽之每一個之外形為方形。
9. 如請求項1所述之防漏散熱結構，其中該些儲存凹槽之每一個之外形為圓形。
10. 如請求項1所述之防漏散熱結構，其中該些儲存凹槽之每一個之外形為六邊形。
11. 如請求項1所述之防漏散熱結構，更包括一絕緣固化膠、絕緣膏或絕緣泥，其設置於該熱源旁之該晶片本體上的小零件上，且位於該高導熱係數熱介面材料層、該第一柔性材料層、該第二柔性材料層與該第三柔性材料層之周圍以包覆起來。

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