TWM648754U - 積體散熱片、熱移除裝置及電氣設備 - Google Patents

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Abstract

一熱傳遞組件界定一熱界面表面，且具有接合至該熱界面表面之一金屬熱界面材料。該金屬熱界面材料具有介於約60℃與約90℃之間的一固體至液體相變溫度。利用接合至該熱界面表面之一熱界面材料，相較於習知熱界面材料(其包括習知金屬熱界面材料)，可降低或實質上消除介於該熱界面材料與該熱傳遞組件之間的接觸熱阻。亦揭露具有藉由此一熱傳遞組件來冷卻之一熱產生組件的電氣裝置。

Description

積體散熱片、熱移除裝置及電氣裝置
本申請案及本文所揭示之標的(統稱為本「揭露」)，一般而言係關於金屬熱界面材料，其一些在操作溫度之預期範圍內部分地或全部地經歷相變。更具體地(但非排他地)，本揭露係關於用於傳遞熱(例如，用於冷卻熱產生、電氣組件)之裝置及系統，其併入此類金屬熱界面材料。
許多工業製程、消費品、發電機、燃燒室、通訊裝置、電子組件、蓄電組件(例如，電池組)等、以及相關聯的系統，依賴熱傳遞以如意欲地作用。例如，一些依賴冷卻(例如，無線電發射機)而其他則依賴加熱(例如，吸熱化學反應)以將溫度維持在介於上臨限溫度與下臨限溫度之間的指定範圍內。
先前技術已利用用於將熱自一個介質傳遞至另一介質之數種技術來回應這些挑戰。例如，習知空氣冷卻使用風扇或其他空氣移動器以將熱抽離自另一介質或將熱輸送至另一介質。空氣冷卻可增補有空氣冷卻散熱器，例如，常係具有表面(或鰭片)之導熱材料板，該等表面自該板延伸以提供可用於將熱傳遞至在經延伸表面上方流動之空氣或自該空氣傳 遞熱的較大表面積。一些熱傳遞系統使用液體來傳遞熱，因為許多液體相較於氣體(例如空氣)提供相對較高的熱傳遞速率。在又其他系統中，熱傳遞流體自液相改變至氣相(或反之亦然)以在窄的溫度範圍內吸收(或各別地耗散)相對大量的能量。
一些用於傳遞熱之先前技術使用熱傳遞組件(例如，「熱交換器」、「散熱器」、「冷板」、「蒸發器」、或「冷凝器」)以將熱自固體裝置傳遞至流體(例如，液體、氣體、或其混合物)，或反之亦然。例如，典型的熱傳遞組件界定待放置以與其他固體裝置之對應表面熱接觸的意欲熱傳遞表面。此類放置提供介於熱傳遞組件與其他固體裝置之間的傳導熱傳遞路徑。熱傳遞組件促進介於通過熱傳遞組件之固體特徵或在該等固體特徵上方的流體與該等固體特徵之間的對流熱傳遞。據此，當熱傳遞組件經放置以與固體裝置熱接觸時，對流及傳導熱傳遞機制之組合促進介於固體裝置與通過熱傳遞組件或在熱傳遞組件上方的流體之間的熱傳遞。
例如，用於冷卻熱產生裝置(例如，電腦系統之處理單元)的冷板或散熱器一般經放置成與熱產生裝置或其包裝之對應表面熱接觸。隨著熱產生裝置操作，過量熱傳導跨越熱產生裝置與冷板或散熱器之間的界面。冷卻介質(例如，空氣、水與乙二醇之混合物、或二相冷媒)通過冷板或散熱器之特徵或者在該等特徵上方，而透過對流熱傳遞吸收過量熱且將其攜帶遠離冷板或散熱器，以在別處排出。
固體-固體界面(即使在經加工的、平坦的表面之間)可引入實質的熱阻至熱傳遞系統。如本文所用，用語「熱阻(thermal resistance)」意指介於兩個區域之間的溫度差與兩個區域之間的熱通量之比率。如本文所用，「熱通量(heat-flux)」意指每單位面積之熱傳遞速 率。因此，「熱阻」係兩個區域之間的溫度差與每單位面積之熱傳遞速率的比率，其得出℃-cm2/W之單位。據此，相較於暴露至相同熱通量的具有較低熱阻之界面，具有較高熱阻之界面導致針對給定熱通量之跨越該界面的相對較大溫度梯度。反之，相較於較低熱阻，相對較高熱阻針對給定的可允許溫度改變導致通過給定區域之相對較低的熱傳遞速率限制。
油脂、膏及焊料已用以降低在固體-固體界面處之所謂的接觸熱阻(在本技術中有時亦稱為「接觸阻抗」、「界面熱阻」或「界面阻抗」)，而針對跨越該界面之給定溫度梯度改善將熱跨越給定界面傳遞之能力。習知熱膏及油脂具有跨越固體-固體界面之所需的實質壓縮壓力。例如，跨越固體-固體界面之習知壓力已需要超過每平方吋20磅(pounds-per-square-inch,「PSI」)且甚至至多50PSI以達成習知熱阻抗效能。儘管如此，在面對高功率及限定上臨限溫度標的之許多應用中，接觸熱阻已保留且仍保留總熱預算之實質分量。
所揭示之金屬熱界面材料可提供跨越多種固體-固體界面之一低接觸熱阻。例如，一些所揭示之材料可提供低於約0.05℃-cm2/W之一熱阻，諸如(例如)介於約0.01℃-cm2/W與約0.06℃-cm2/W，與介於約0.02℃-cm2/W與約0.04℃-cm2/W之間。在一些實施例中，所揭示之材料提供約0.03℃-cm2/W之一接觸熱阻。此外，此等效能位準可利用跨越該固體-固體界面所施加之小於20PSI來達成，諸如(例如)介於約8PSI與約18PSI之間，與介於約10PSI與約12PSI之間。利用所揭示之熱界面材料的一些實施例，跨越一固體-固體界面之一合適壓力可係約10PSI，諸如(例如)介於約9PSI與約12PSI之間，或僅大於約10PSI，諸如(例如)介於 約10PSI與約15PSI之間。
在一些實施例中，一熱傳遞組件界定一外表面，其經組態以與另一裝置(其在操作期間可係放熱的或吸熱的)之一對應表面配接。例如，該熱傳遞組件之該外表面可實質上平面的(「平坦」)，亦即，該外表面可具有小於約70μm/cm之平坦度的一量度，諸如(例如)介於約10μm/cm與約75μm/cm之間，與介於約20μm/cm與約50μm/cm之間，僅係平坦度之一個例示性範圍。其他裝置之對應表面可類似地係平坦的。在其他實施例中，可將該熱傳遞組件之一外表面加工或以其他方式形成以具有相對於其他裝置(例如，一熱產生組件)之一相對表面的一互補輪廓。例如，若一熱產生組件具有一凸形(或其他，例如，任意的、非平坦表面)，則該熱傳遞組件之該外表面可具有與該熱產生組件之該表面緊密配接的一互補凹形(或其他負的、非平坦輪廓)。
當配接在一起時，該熱傳遞組件之該平坦表面可經定位相對於其他裝置之對應表面，且所揭示之一界面材料可經定位在該等相對表面之間。如下文更完整地描述，此配置可提供介於低於約0.05C-cm2/W的配接表面之間的接觸熱阻，諸如(例如)介於約0.01℃-cm2/W與約0.06℃-cm2/W，與介於約0.02℃-cm2/W與約0.04℃-cm2/W之間。在一些實施例中，此配置的接觸熱阻係約0.03℃-cm2/W。
儘管如此，如下文更完整地解釋，相較於先前的、習知的熱界面材料，所揭示的熱界面材料可在製造及組裝期間更容許失誤的。例如，相較於習知膏、油脂或薄片所提供者(即使具有相對較均勻的固體-固體界面)，所揭示之熱界面材料可提供跨越非均勻固體-固體界面(例如，自經相對於相對的固體表面傾斜之一個固體表面產生、或者自非均勻表面 平坦度產生)之較低熱阻。
從參考附圖進行之以下實施方式中，前述及其他特徵及優點將變得顯而易見。
100:熱傳遞總成/總成
110:熱產生裝置/組件
111:表面
112:晶粒
113:基材
114:焊料凸塊
115:積體散熱片/IHS
116:虛線/邊界
117:IHS表面/表面
118:主熱界面/晶粒/主熱界面材料
120:熱傳遞組件/組件
121:基部
122:表面/基部
123:鰭片
124:外殼
125:內部體積
126:上表面
130:熱界面材料/TIM
131:IHS接觸區域/表面
132:熱傳遞組件接觸區域/熱界面材料
134:屏障/加厚區域
135:體積/可熔融區域
136:區域
137:區域
139:隅角
140:熱界面材料/TIM
141:部分/液相TIM/熔融體積
142:部分/區域
143:相變邊界
150:TIM/熱界面材料
151:熔融區域/液相TIM/熔融體積
152:固相區域/區域
153:界面邊界
200:熱傳遞組件/構造
210:外周邊
220:遮罩/經遮蔽區域
230:內部區域/未標記區域/未遮蔽區域/區域
300:程序
310:動作
320:動作
330:動作
340:動作
400:工作實施例/金屬TIM
420:遮罩
431:熱傳遞表面/暴露表面
434:屏障
500:測試設備
510:熱源
520:散熱器
600:金屬TIM/金屬熱界面材料/工作實施例
631:暴露表面
634:屏障
700:迴路式熱虹吸管
702:蒸氣線
703:蒸氣線
710:蒸發器
720:蒸發器
750:冷凝器
Qin:熱
Rc1:接觸熱阻
Rc2:接觸熱阻
參照圖式，其中相同的數字係指遍及數個視圖及本說明書的相似部件，目前所揭示之原理的態樣係以實例而非限制的方式說明。
〔圖1〕顯示併入熱界面材料之二相熱傳遞系統的實施例。
〔圖2〕示意性地繪示實施為蒸發器之熱傳遞組件的截面圖，該蒸發器與實施為處理單元(例如，圖形處理單元、中央處理單元)之熱產生裝置熱耦合。以熱界面材料填充之介於熱傳遞組件與熱產生裝置之間的界面係出於說明性目的而放大。
〔圖3〕示意性地繪示圖2中之熱界面材料的放大截面圖。
〔圖4〕示意性地繪示圖2及圖3中之熱界面材料在熱產生裝置之操作期間的放大截面圖。
〔圖5〕示意性地繪示圖2、圖3、及圖4中之熱界面材料在熱產生裝置之操作期間的另一放大截面圖。
〔圖6〕示意性地繪示從用於施加金屬熱界面材料至熱傳遞組件之表面的程序所產生之中間構造。
〔圖7〕示意性地繪示用於施加金屬熱界面材料至熱傳遞組件之表面的程序。
〔圖8〕係熱傳遞組件之工作實施例的表面區域之照片，該熱傳遞組件具有接合至其之一金屬熱界面材料。
〔圖9〕係顯示安裝至熱產生裝置之熱傳遞組件及其間以如本文中所 描述之金屬熱界面材料所填充的界面之側視圖的照片。
〔圖10〕係熱傳遞組件之另一工作實施例的表面區域之照片，該熱傳遞組件具有接合至其之一金屬熱界面材料。
〔圖11〕係熱傳遞組件之又另一工作實施例的表面區域之照片，該熱傳遞組件具有接合至其之一金屬熱界面材料。
〔圖12〕係如圖6中所描繪之中間構造的工作實施例之照片。
〔圖13〕係熱傳遞組件之工作實施例的照片，該熱傳遞組件已焊接至如本文中所描述之金屬熱界面材料。
〔圖14〕顯示以熱界面材料熱增強之固體-固體界面的示意圖，連同跨越固體-固體界面之溫度對位置的圖。
〔圖15〕顯示以掃瞄式電子顯微鏡所取得之影像，其顯示與銅接合之所揭示的熱界面材料(例如，散熱器或冷板)。
以下描述相關於金屬熱界面材料之各種原理。更具體地(但非排他地)，一些實施例包括用於傳遞熱(例如，用於冷卻熱產生、電氣組件)之裝置及系統，其併入此類金屬熱界面材料。一些所揭示之熱界面材料在操作溫度之預期範圍內部分地或全部地經歷相變。儘管如此，具有不同於本文所論述之彼等特定實例的性質的組件及系統可體現一或多個目前所揭示原理，且可在本文未詳細描述之應用中使用。據此，此類替代實施例亦落入本揭露之範圍內。
I.概述
本文中所揭示之概念大致關於金屬熱界面材料，且在一些方面，其等施加至熱傳遞組件以及使用在熱傳遞系統中。例如，一些所揭 示之概念係關於用以促進散熱組件之冷卻的系統、方法、及組件，部分地藉由將金屬熱界面材料施加至熱傳遞組件之表面。在其他方面，描述所揭示之金屬熱界面材料的材料組成及物理特性。且在又其他方面，描述製造併入所揭示之金屬熱界面材料的組件之方法。
現參考圖1，舉實例而言顯示二相冷卻系統(雖然所揭示之熱界面材料可與單相冷卻系統(例如空氣冷卻或液體冷卻系統)結合使用)。再次參考圖1，顯示具有彼此串聯地流體耦接之複數個蒸發器的迴路式熱虹吸管700(亦即，通過蒸發器之一者的工作流體亦串聯地通過其他(多個)蒸發器，一次一個)。各蒸發器係與具有上臨限溫度規格的熱產生組件熱耦合。各蒸發器之表面(未圖示)經定位相對(且經設置以熱接觸與)處理單元(未圖示但產生熱Q in )之對應表面(未圖示)。金屬熱界面材料係設置在蒸發器與處理單元的相對表面之間的間隙區域，以促進傳導熱傳遞。
工作流體進入第一蒸發器710，吸收來自處理單元之熱Q in 並將蒸氣與液體之飽和混合物排出至第一蒸氣線702，其接著進入第二蒸發器720並吸收來自另一處理單元之進一步熱Q in 。蒸氣自第二蒸發器720排出至第二蒸氣線703且流入冷凝器750中，其中工作流體將潛伏的熱排除並冷凝至液相，其流過液體導管而回至第一蒸發器710。
圖2示意性地繪示另一熱傳遞總成100之截面圖。總成100包括藉由熱傳遞組件120冷卻之熱產生裝置110。類似於上文關於圖1所描述之金屬熱界面材料，金屬熱界面材料130係設置在介於蒸發器的相對表面122、111各別與處理單元之間的間隙區域中，以促進自熱產生裝置110至熱傳遞組件120之傳導熱傳遞。
如上文所提及，熱傳遞組件120可假設為多種用於組態之 任一者。雖然未如此限制，但圖2示意性地繪示作為蒸發器之熱傳遞組件120。如圖1所示之蒸發器710、720，熱傳遞組件120包括具有自其上表面126向上延伸之鰭片123的傳導基部121。鰭片123在其間界定流動通道(例如，迷你通道(miniehannel)或微通道)。外殼124上覆鰭片123並與基部121流體地密封，而界定一內部體積125，工作流體(例如，在此實施例中係改變相之冷媒，但在其他實施例中係單相液體)隨著其吸收來自鰭片之熱(例如，Q in ，圖1)而流經該內部體積，該熱係源自熱產生組件110。
如同熱傳遞組件120，熱產生組件110可假設為多種組態之任一者。雖未如此限制，但圖2描繪熱產生組件110作為處理單元，其具有以所謂的「覆晶」配置安裝至功能性基材113之單一功能性晶粒112。焊料凸塊114在由晶粒112所定義的電路系統與由基材113所定義的電路系統之間提供物理及電氣連接性。(為了清晰度，自圖2省略基材113之進一步電路系統及焊料連接。)熱產生組件110亦包括積體散熱片(integrated heat spreader,「IHS」)115，其係經由橫跨介於IHS 115與晶粒112之間的間隙區域之主熱界面118而與晶粒112熱耦合。主熱界面118可體現所揭示之原理或可填充以不同材料。
仍參考圖2，設置在介於相對表面122、111之間的間隙區域中之金屬熱界面材料130界定與IHS 115之外表面111直接實體接觸的IHS接觸區域131。類似地，熱界面材料130界定與基部121之下表面122直接實體接觸的熱傳遞組件接觸區域(上表面132)。結果，在介於基部121的下表面122與IHS表面117之間的固體-固體界面處之接觸熱阻(以熱界面材料130改善)可經描述為三個離散組成熱阻之總和：(1)介於熱界面材料130的下表面122與上表面132之間的接觸熱阻(在圖14中之Rc2)；(2)跨越自熱 界面材料130之上表面132至表面131之熱界面材料的熱阻，對應於熱界面材料130之體導熱率(在圖14中之Rbulk)；及(3)介於熱界面材料130的下表面131與IHS表面117之間的接觸熱阻(在圖14中之Rc1)。
如下文更完整地描述，在將熱傳遞組件組裝成與IHS 115熱接觸之前，一些實施例將熱界面材料130之熱傳遞組件接觸區域132焊接至熱傳遞組件120之表面122，而降低或消除第一位準的接觸熱阻(亦即，介於熱界面材料130的下表面122與上表面132之間(圖14中之Rc2)，相較於先前的油脂、膏及甚至金屬薄片(包括在操作期間改變相者)。例如，所揭示之實施例的焊接提供相較於先前熱界面材料顯著更好的下表面122之潤濕，如(例如)圖15中所示。如下文更完整地描述，熱界面材料130可界定朝IHS接觸區域131之外定位的一或多個屏障134，將熔融形式的熱界面材料130維持在介於IHS與熱傳遞組件之間的界面之邊界內。
在熱產生裝置110及熱傳遞組件120之操作期間，熱界面材料130之溫度可接近或甚至超過材料(共熔混合物)或材料之一或多個成分(非共熔混合物)的熔點溫度。例如，TIM 130之區域137(圖3)(例如上覆晶粒118且定位在虛線116之間的材料體積)可在熱產生裝置110及熱傳遞組件120之正常操作期間熔融，而同時使TIM 130之剩餘部分(例如，朝虛線116之外定位)保持在固相。已熔融的、液相TIM可有效地潤濕IHS表面117及基部表面122之對應區域，而改善熱接觸並降低TIM 130與組件110、120的各者之間的熱阻。如下文更完整地解釋，一些實施例將TIM 130接合至基部表面122，進一步降低TIM 130與組件120之間的熱阻。進一步，因為金屬TIM 130可具有超過50W/m-K之體導熱率，例如在約50W/m-K與約200W/m-K之間，諸如(例如)在約60W/m-K與約100W/m-K之間， 或在特定實施例中約70W/m-K，使用金屬TIM 130之所揭示熱界面的總熱阻可實質上低於使用習知膏或油脂之類似熱界面。
II.熱界面
現在參考圖3，放大的熱界面130係顯示隔離自對應的熱傳遞組件120及熱產生組件110。界面130具有對應於(例如，上覆或相鄰於)給定熱源(例如，圖2中之晶粒112)的區域137。在熱產生組件110及熱傳遞組件120之操作期間，TIM之一些或全部體積在區域137內熔融。例如，在TIM 130係組成組件之共熔混合物的實施例中，如相較於非共熔實施例，TIM 130可在正常操作期間更可能完全在第一區域137內熔融。在圖3中，經歷熔融之TIM的體積大致由元件符號135所指示，且實質上與上覆晶粒112之區域137共延伸。在其他實施例中，例如，其中TIM 130係組成組件之非共熔混合物，在TIM 130中之一或多個組成組件可熔融，而一或多種其他組成組件保持在固相中。然而，在一些非共熔實施例中，TIM 130可在選定操作條件下在第一區域137內全部熔融。
材料之第二區域136(朝第一區域137之外定位)部分或完全封閉第一區域且一般保持在固相(有時稱為「固態相」)。在一些非共熔混合物中，在第二區域136中之TIM的一或多個組成組件可熔融而使一或多個其他組成組件保持在固相中。也就是說，非共熔混合物可開始熔融且，根據TIM之溫度、其組成組件、及其等相對體積、重量或質量百分比，非共熔混合物之一部分可變成液相，而一部分保持固相。例如，可熔融體積(液相)135可延伸通過邊界116/區域137。
此類實施例示意性地繪示在圖4及圖5中。在圖4中，顯示熱界面材料140之實施例。TIM 140實質上與圖3中所示之TIM 130相同， 除了在圖4中，TIM 140係處於升高的操作溫度。在圖4中，在區域137內之TIM 140的部分141已熔融，而在區域137內之TIM 130的對應部分142保持固相。亦顯示介於熔融部分141與固體部分(或液相與固相之混合物)142之間的相變邊界143。雖然部分141係顯示為在區域137之外部範圍內且具有小於TIM 140之完整厚度的厚度，但所屬技術領域中具有通常知識者在考量本揭露之後將理解且領會：取決於所涉及的操作溫度以及TIM 140之各組成組件的具體重量百分比，部分141可完全熔融或可係液相與固相成分之組合。類似地，所屬技術領域中具有通常知識者在考量本揭露之後將理解：部分141可延伸通過TIM 140之完整厚度。
例如，圖5顯示經加熱TIM 150，其在不同操作條件下(例如，在較高溫度或體現為具有較低液相溫度之TIM)係類似於TIM 130、140。在圖5中，熔融區域151延伸通過TIM 150之完整厚度，而仍位於IHS之外邊界(由隅角139所指示)內。側向地朝熔融區域151之外，TIM 150具有「囊封」熔融區域151之固相(或液相與固相之混合物)區域152。界面邊界153延伸在固相區域152與熔融區域151之間。
藉由在熱產生組件110及熱傳遞組件120之操作期間保持固相，區域142、152可抑制來自介於表面111、122之間的間隙空隙之液相TIM 141、151的洩漏或滲漏。此外，提供囊封熔融體積141、151之固體(或固相-液相混合物)障壁可抑制氧氣之擴散至且遍及熔融TIM，抑制TIM之氧化並維持其熱及其他材料特徵。
在圖3、圖4及圖5之各者中，在側向地朝IHS邊界(由隅角139所指示)之外的一位置處，熱界面材料130、140、150界定一加厚區域134，其界定進一步抑制來自介於IHS的表面111、122與熱傳遞組件之間 的間隙空隙之液相(或液相/固相之混合物)TIM的洩漏或滲漏之屏障。加厚區域134自IHS 115之周邊(由隅角139所指示)側向地向外延伸至TIM 130之外周邊。
在多晶片封裝中(未圖示)，固相TIM之區域可界定延伸在液相(或液相/固相之混合物)TIM之各區域周圍的「晶格」。例如，各熔融或可熔融(例如，液相及固相之經軟化混合物)區域可對應於多晶片封裝中之給定晶粒。在此類實施例中，熔融的TIM之體積135可再次與各區域137共延伸。在其他實施例中，例如，單晶片封裝(其中晶粒界定一或多個「熱點」)或多晶片封裝(其中該複數個晶粒中之一或多者界定一或多個「熱點」)，熔融之各體積135可對應於一給定「熱點」位置及形狀，例如，可小於上覆給定晶粒之TIM的區域137。在此類實施例中，保持固相(或液相與固相混合物)之TIM的第二區域136可延伸在各各別晶粒之一部分的頂部上方之各可熔融區域135周圍。在又其他實施例中，可熔融區域135朝晶粒112的部分或全部之外延伸，其中第二區域136全部地或部分地封閉可熔融區域135。在此等替代實施例之各者中，TIM之固相部分可抑制熔融TIM之滲漏或洩漏，而同時亦抑制氧之擴散入及通過熔融(液相)TIM，而抑制熔融TIM之氧化及熱效能之對應退化。當第二區域(或其部分)具有液相及固相之混合物時，固相-液相混合物之黏度可超過在區域135中之液相的黏度，且因此可抑制熔融TIM之滲漏或洩漏，而同時亦抑制氧之擴散入及通過熔融(液相)TIM，而抑制熔融TIM之氧化及熱效能之對應退化。
III.具有預施加TIM之熱傳遞組件
在一些方面，所揭示之原理係關於在熱傳遞組件與熱產生 (或熱吸收)裝置的組裝之前的具有經施加至熱傳遞表面之TIM的層之熱傳遞組件。
現參考圖6及圖7，描述用於施加熱界面材料(例如，TIM 130、140、150中之任一者)至熱傳遞組件之程序300。更具體地，程序300將熱界面材料焊接至熱傳遞組件，相較於具有預施加熱界面材料(例如，油脂及膏)之先前技術熱傳遞組件，在熱傳遞組件與TIM之間提供增強的熱耦合、以及增強的實體耦接。
在310，程序300包括遮蔽組件表面之動作。採用熱傳遞組件120(圖2)作為實例，可以遮罩220(圖12中之420)覆蓋表面122之區域，而使意欲暴露至金屬熱界面材料之區域保持暴露。再次參考圖6，顯示施加至熱傳遞組件之熱接觸表面的遮罩220，使內部區域230保持暴露。內部區域230可界定外周邊(顯示為介於未標記區域230與經遮蔽區域220的交叉影線之間的實線)，其大於對應IHS表面之外周邊(例如，大於圖2中的IHS 115之外周邊)。在圖6中，遮罩220延伸至熱傳遞組件200之外周邊210。
在圖7中之320，將助熔劑(flux)施加至未遮蔽區域230(圖6)。在施加助熔劑之前，未遮蔽區域可經(但並非需要)處理以移除可能已形成在熱傳遞組件之表面上的氧化層。例如，區域可利用高粒度砂紙來磨或以其他方式研磨以移除氧化。替代地(或額外地)，可利用化學蝕刻化合物或用於移除氧化之其他已知方法來移除氧化層。遮罩220可防止此類處理擴張超過區域230之外周邊，以及防止或抑制助熔劑之施加超出區域230之外周邊。進一步，熱傳遞組件120之一些實施例具有由銅形成之基部121。雖然一些所揭示之熱界面材料可焊接至銅，但一些銅基部121係 以鎳塗佈(例如，以鎳電鍍)，或相較於銅更適於以所揭示熱界面材料焊接之另一金屬來塗佈。如所屬技術領域中具有通常知識者將理解，以鎳或其他材料塗佈基部121之動作一般可(但不需要)發生在遮蔽之動作、施加助熔劑至未遮蔽區域之動作(或兩者)以前。
在330，將金屬TIM(圖13中之400及圖10中之600)施加至已施加助熔劑之區域230。例如，金屬TIM之薄片可經定位以上覆區域230。替代地，可將熔融相的金屬TIM倒入區域230中。在任一種方法下，熱傳遞組件可維持在環境溫度或可加熱(如在340)至處於或高於TIM之熔融溫度的溫度。倒入熔融相的金屬TIM或將熱傳遞組件加熱超出TIM之熔融溫度可在熱傳遞組件的表面與TIM之間形成焊接。例如，液相的TIM可流入熱傳遞組件之表面上的微觀間隙中，且在一些實施例中，稍微地穿透入熱傳遞組件之表面中。藉由任何氧化物層之移除及助熔劑之施加(如在320)，可增強由TIM之此類潤濕及穿透。在一些實施例中，施加助熔劑至未遮蔽表面之動作320、施加金屬TIM至已熔化區域之動作330、或兩動作可包括在經處理表面及經施加TIM之周圍提供惰性氣氛(例如，氮氣氣氛)，以抑制或消除基部之氧化、TIM之氧化、或兩者，此係因為此類氧化可能降低熱效能。
在冷卻時，TIM之一部分形成與熱傳遞組件之金屬間接合(參見圖15)，相較於具有油脂或膏之預施加層的先前熱傳遞組件，增強TIM之層的耐久性以及TIM與熱傳遞組件之熱耦合。圖12係類似於圖6中所示之構造200的中間構造之工作實施例的照片。在圖12中，遮罩保留。圖13顯示如圖12中之相同工作實施例，雖然已移除遮罩。圖10顯示焊接至熱傳遞組件(例如，經空氣冷卻散熱器)之金屬熱界面材料600的另一工 作實施例。
一種具有金屬熱界面材料之焊接層的熱傳遞組件可與一配置(如在圖2中)中之熱產生(或熱吸收)裝置一起組裝。在一些實施例中，例如，在實體組裝熱傳遞組件與熱產生組件之前，可製備TIM之暴露表面(圖6中之431及圖11中之631)，以緊密地配接至熱產生組件之所欲表面的輪廓。例如，在施加金屬TIM至熱傳遞組件之已熔化區域的動作330後(或與其結合)，可將具有仿效所欲IHS表面111輪廓的輪廓之平坦(或其他適當定輪廓的)工具抵靠TIM(例如，熔融TIM)推進。若施加至熔融TIM，則工具可保持與TIM接觸直到TIM固化。TIM之此類定輪廓可增強TIM與IHS之配接，而同時亦降低或消除過量TIM，否則其可能逸出介於熱傳遞組件的表面122與IHS的上表面111之間的接合線。在一些實施例中，該工具可係具有至少一個主表面的玻璃或陶瓷之片材，該至少一個主表面具有所欲輪廓(例如，平坦的或仿效所欲IHS之輪廓)。
在此實體組裝熱傳遞組件與熱產生組件之後，且在正常系統操作之前，熱界面材料之間隙層以及熱產生(或熱吸收)裝置與熱傳遞組件之定界、相對表面可經加熱超出熱界面材料之熔融溫度。例如，該總成可在烘箱中加熱，或者熱產生裝置可在足以加熱TIM超出其熔融溫度之負載下操作。
加熱之此進一步循環可增強介於TIM與熱產生(或熱吸收)裝置之間的熱接觸，因此改善介於熱傳遞組件與熱產生(或熱吸收)裝置之間的總熱接觸。例如，加熱之此進一步循環可允許過量TIM填充任何間隙氣隙。加熱之此類進一步循環亦可降低介於熱產生(或熱吸收)裝置與熱傳遞組件的相對表面之間的間隙空間之厚度，如藉由允許過量TIM向外流過 熱產生(或熱吸收)裝置之熱傳遞表面431，而形成脊部(或屏障，類似於圖2中所示之屏障134、圖8中所示之屏障434、圖11中所示之屏障634)。圖8及圖11各別地顯示圖13及圖10中之工作實施例400、600，在經歷加熱之進一步循環且自圖9中所示之測試設備500(散熱器520及熱源510)拆卸。
IV.金屬熱界面材料組成及特性
所揭示之金屬熱界面材料可併入鉍、銦、錫、及鎵之共熔及非共熔混合物。如所屬技術領域中具有通常知識者所理解，共熔混合物展現低於該混合物中之各組成組件的熔點之熔點溫度(或熔融所發生之溫度的窄帶)，而非共熔混合物在較廣的溫度範圍內熔融。調整在鉍、銦、錫、及鎵之混合物中的各組成組件之相對重量百分比可相應地調整混合物之熔融溫度(或非共熔混合物之溫度範圍)。
如本文中所述適於形成與熱傳遞組件之焊接的一些金屬TIM實施例具有約60℃之共熔熔點溫度(例如，介於約57℃與約63℃之間，諸如(例如)介於約58℃與約61℃之間)、約70℃之共熔熔點溫度(例如，介於約67℃與約73℃之間，諸如(例如)介於約68℃與約71℃之間)、約80℃之共熔熔點溫度(例如，介於約77℃與約83℃之間，諸如(例如)介於約78℃與約81℃之間)、及約90℃之共熔熔點溫度(例如，介於約87℃與約93℃之間，諸如(例如)介於約88℃與約91℃之間)。
如本文中所述適於形成與熱傳遞組件之焊接的一些金屬TIM實施例係非共熔。此類非共熔TIM展現相變溫度之滯後狀範圍。例如，一些所揭示之非共熔金屬TIM具有約90℃之熔點溫度(例如，其中保留固相之可忽略部分)及約70℃之凝固點溫度(例如，其中保留液相之可忽略部分)。如上文所述，此一非共熔TIM之一些組分開始在約90℃以下熔 融(例如，介於約75℃與約85℃之間，諸如(例如)約85℃)。類似地，此一非共熔TIM之一些組分開始在約70℃以上固化(例如，介於約75℃與約85℃之間，諸如(例如)約85℃)。
在一些所揭示之合金中，熔融相之黏度非常低，且以此一大的程度降低介於基部表面122與IHS的上表面111之間的接合線厚度，使得介於基部表面122與上表面111之間的熱阻相較於其他所揭示之合金更退化。儘管如此，此類合金可與一或多種在熱產生組件之操作期間保持在固相的其他材料組合，例如，其他材料之粉末狀或其他小粒子形式，以增加黏度或以提供介於基部表面122與上表面111之間的較低臨限接合線厚度。此類其他材料之實例包括陶瓷之粒子形式，例如，氧化鋁、氮化鋁、碳化矽、鑽石、氧化鋅、氮化硼等。此類其他材料之其他實例包括其他金屬合金(例如，銅或銀之合金)之粒子形式。
V.其他實施例
上述實施例一般而言係關於金屬熱界面材料，其一些在操作溫度之預期範圍內部分地或全部地經歷相變。更具體地(但非排他地)，本揭露係關於用於傳遞熱(例如，用於冷卻熱產生、電氣組件)之裝置及系統，其併入此類金屬熱界面材料。
儘管金屬熱界面材料、以及熱傳遞組件和併入其等之電氣裝置的某些細節之描述，仍提供先前描述以使所屬技術領域中具有通常知識者能夠執行或使用所揭示之原理。在不脫離本揭露之精神或範疇的情況下，基於本文所揭示之原理以及個別設備之組態的任何伴隨改變或本文所述之方法動作之次序的改變，設想除以上詳細描述之彼等實施例之外的實施例。所屬技術領域中具有通常知識者將輕易明白對本文所述之實例的各 種修改。
例如，熱產生裝置可以如圖2中所示者之外的方式體現。例如，電氣裝置之單一封裝可具有一或多個「小晶片」，而非圖2中所示之單一晶粒112。在此一實施例中，小晶片之一或多者可在積體散熱片(IHS)下方包裝，且IHS可經放置成與對應的熱傳遞組件熱接觸。又進一步，小晶片之一或多者可具有放置成與熱傳遞組件熱接觸之裸晶粒。在一些實施例中，各熱產生晶粒或其他組件係放置在IHS下方，該IHS經放置成與熱傳遞組件熱接觸。在一些實施例中，各熱產生裝置具有一裸晶粒，其係放置成與熱傳遞組件熱接觸。在又其他系統實施例中，熱產生晶粒或其他組件之一或多者係放置在IHS下方，該IHS係放置成與熱傳遞組件熱接觸，且熱產生裝置之一或多者具有一裸晶粒，其係放置成與熱傳遞組件熱接觸。
進一步替代實施例係可行的。例如，以上描述提供在熱傳遞組件與熱產生組件之組裝前焊接至熱傳遞組件的熱界面材料之細節。在其他實施例中，在熱傳遞組件與熱產生組件之組裝前，熱界面材料可經焊接至IHS之外表面(例如，圖2中之表面117)(例如，而非焊接至熱傳遞組件120之基部122)。在又其他替代實施例中，在IHS與晶粒112之組裝前，主熱界面材料118可經焊接至IHS之下側，以達成介於IHS及115與主熱界面材料118之間的接觸熱阻之降低或消除的類似方式，如藉由將熱界面材料130焊接至基部122以在熱傳遞組件120的基部122與上表面111之間降低或消除。
進一步，併入本文中所述之類型的金屬熱界面材料之其他系統組態及類型可經冷卻或加熱。例如，在IU(或甚至½-U)伺服器中之一 或多個電氣組件(或其他電子裝置，諸如(例如)5G蜂巢式無線電、發電或傳輸裝置)可藉由熱傳遞裝置來冷卻，且可將所揭示之熱界面材料施加在熱傳遞裝置與電氣組件之間的間隙空隙內。許多其他類型的電氣裝置(尤其諸如(例如)圖形處理器、電視、電力電子裝置、通訊傳輸裝置、及其他網路裝置)具有可併入如所述之金屬熱界面材料的散熱裝置。僅作為一個特定實例，在通訊或其他網路裝置(例如，所謂的5G傳輸裝置)中之一或多個散熱組件可藉由併入預施加的金屬TIM之熱傳遞裝置來冷卻。類似地，一些蓄電電池組在放電或充電時耗散大量的熱。例如，可儲存大量能量之一些電池組(例如，5kW-h至50kW-h電池組)可藉由併入如所述之金屬熱界面材料的系統來冷卻。
方向及其他相對參考(例如，上、下、頂部、底部、左、右、向後、向前等)可用於促進對本文中之附圖及原理的論述，但並非意圖為限制性的。舉例而言，可使用某些用語，諸如「上(up)」、「下(down)」、「上部(upper)」、「下部(lower)」、「水平(horizontal)」、「垂直(vertical)」、「左(left)」、「右(right)」、以及類似者。在適用的情況下，使用此類用語以在處理相對關係時提供一些清晰的描述，特別是關於所繪示的實施例。然而，此類用語並非意圖隱含絕對關係、位置、及/或定向。舉例而言，關於物體而言，只要藉由將物體翻轉過來，「上部(upper)」表面可變成「下部(lower)」表面。儘管如此，該表面仍為同一表面，且該物體仍是同一物體。如本文所用，「及/或(and/or)」意指「及(and)」或「或(or)」、以及「及(and)」與「或(or)」。此外，本文引用的所有專利及非專利文獻出於所有目的而全文以引用方式併入本文中。
而且，所屬技術領域中具有通常知識者將理解，在不脫離 所揭示之原理的情況下，本文所揭示之例示性實施例可適應於各種組態及/或用途。應用本文中所揭示之原理，可能提供廣泛多種金屬熱界面材料及併入此類金屬熱界面材料之熱傳遞組件、以及相關的方法和系統。舉例而言，以上結合任何特定實例所描述之原理可與結合本文所述之另一實例所描述之原理組合。因此，所屬技術領域中具有通常知識者已知的或後來知曉的在本揭露中通篇描述的各種實施例之特徵及方法動作的所有結構及功能等同物意圖由所描述之原理及本文所主張之特徵及動作涵蓋。據此，申請專利範圍及此詳細描述均不應被解讀為具有限制意義，且在審閱本揭露後，所屬技術領域中具有通常知識者將理解可使用本文所述之各種概念設計廣泛多種組件、裝置、系統、及相關方法。
此外，無論此類揭露是否在申請專利範圍中明確引用，本文所揭示之任何內容均不意圖專供公眾使用。除非該特徵係使用片語「用以...的手段(means for)」或「用於...之步驟(step for)」來明確地引述，否則申請專利範圍特徵不應根據35 USC 112(f)的規定來解讀。
隨附申請專利範圍不意圖限於本文所示之實施例，而是符合與申請專利範圍語言一致的全部範圍，其中除非特別指明，否則以單數形式對特徵的引用(諸如藉由使用冠詞「一(a/an)」)不意圖意指「一個且僅一個」，而是「一或多個」。進一步，鑑於所揭示之原理可應用於許多可行實施例，吾人保留主張對本文所述如由所屬技術領域中具有通常知識者所瞭解之特徵及技術之任何及全部組合的權利，包括主張對例如落入前述描述之範圍及精神內的所有者，以及在本申請案或主張從本申請案中獲益或從本申請案中獲得優先權的任何申請案之整個歷程(prosecution)隨時提出的任何主張中，且更特定言之但非排他地在本文所附申請專利範圍中， 以字面及等效方式引述的組合的權利。
110:熱產生裝置
111:表面
112:晶粒
113:基材
114:焊料凸塊
115:積體散熱片
116:虛線
117:IHS表面
118:主熱界面
120:熱傳遞組件
121:基部
122:表面
123:鰭片
124:外殼
125:內部體積
126:上表面
130:熱界面材料
131:IHS接觸區域
132:熱傳遞組件接觸區域
134:屏障

Claims (32)

  1. 一種積體散熱片，其經組態以上覆一積體電路晶粒，該積體散熱片包含：一第一主表面，其界定一熱界面表面且經組態以面向一熱移除裝置；一第二主表面，其經定位以與該熱界面表面相對且經組態以面向該積體電路晶粒；及一金屬熱界面材料，其接合至該熱界面表面，該金屬熱界面材料具有介於約60℃與約90℃之間的一固體至液體轉移溫度。
  2. 如請求項1之積體散熱片，其中該金屬熱界面材料係鉍、銦、錫、及鎵之一共熔混合物。
  3. 如請求項2之積體散熱片，其中該固體至液體轉移溫度係約60℃、約70℃、約80℃、或約90℃。
  4. 如請求項1之積體散熱片，其中該金屬熱界面材料係鉍、銦、錫、及鎵之一非共熔混合物。
  5. 如請求項4之積體散熱片，其中該固體至液體轉移溫度係約90℃。
  6. 如請求項5之積體散熱片，其中該金屬熱界面材料具有約70℃之一液 體至固體轉移溫度。
  7. 如請求項4之積體散熱片，其中該固體至液體轉移溫度小於約90℃，且該液體至固體轉移溫度高於約70℃。
  8. 一種熱移除裝置，其經組態以耗散自一熱產生電子組件所接收之熱，該熱移除裝置包括：一基部，其界定一第一主表面及相對於該第一主表面之一第二主表面；一金屬熱界面材料，其接合至該第一主表面，該金屬熱界面材料具有介於約60℃與約90℃之間的一固體至液體轉移溫度；及複數個鰭片，其自該第二主表面延伸。
  9. 如請求項8之熱移除裝置，其中該金屬熱界面材料係鉍、銦、錫、及鎵之一共熔混合物。
  10. 如請求項9之熱移除裝置，其中該固體至液體轉移溫度係約60℃、約70℃、約80℃、或約90℃。
  11. 如請求項8之熱移除裝置，其中該金屬熱界面材料係鉍、銦、錫、及鎵之一非共熔混合物。
  12. 如請求項11之熱移除裝置，其中該固體至液體轉移溫度係約90℃。
  13. 如請求項12之熱移除裝置，其中該金屬熱界面材料具有約70℃之一液體至固體轉移溫度。
  14. 如請求項11之熱移除裝置，其中該固體至液體轉移溫度小於約90℃，且該液體至固體轉移溫度高於約70℃。
  15. 一種電氣裝置，其包含：一熱產生組件，其界定一第一熱界面表面；一積體散熱片，其經組態以上覆該熱產生組件，該積體散熱片界定一第一主表面及經定位以與該第一主表面相對之一第二主表面，該第一主表面經組態以面向一熱移除裝置且該第二主表面經組態以面向該熱產生組件；及一金屬熱界面材料，其接合至該積體散熱片之該第二主表面，該金屬熱界面材料具有介於約60℃與約90℃之間的一固體至液體轉移溫度。
  16. 如請求項15之電氣裝置，其中該金屬熱界面材料係鉍、銦、錫、及鎵之一共熔混合物。
  17. 如請求項16之電氣裝置，其中該固體至液體轉移溫度係約60℃、約70℃、約80℃、或約90℃。
  18. 如請求項15之電氣裝置，其中該金屬熱界面材料係鉍、銦、錫、及 鎵之一非共熔混合物。
  19. 如請求項18之電氣裝置，其中該固體至液體轉移溫度係約90℃。
  20. 如請求項19之電氣裝置，其中該金屬熱界面材料具有約70℃之一液體至固體轉移溫度。
  21. 如請求項18之電氣裝置，其中該固體至液體轉移溫度小於約90℃，且該液體至固體轉移溫度高於約70℃。
  22. 如請求項15之電氣裝置，其中該熱產生組件係一電子處理單元。
  23. 如請求項15之電氣裝置，其中該熱產生組件係一電子儲存電池組。
  24. 一種電氣裝置，其包括：一熱產生組件，其界定一第一熱界面表面；一熱移除裝置，其經組態以耗散自該熱產生電子組件所接收之熱，該熱移除裝置具有一基部，該基部界定一第一主表面及進一步界定相對於該第一主表面之一第二主表面，其中複數個鰭片自該熱移除裝置之該第二主表面延伸，且其中一金屬熱界面材料接合至該基部之該第一主表面，該金屬熱界面材料具有介於約60℃與約90℃之間的一固體至液體轉移溫度。
  25. 如請求項24之電氣裝置，其中該金屬熱界面材料係鉍、銦、錫、及 鎵之一共熔混合物。
  26. 如請求項25之電氣裝置，其中該固體至液體轉移溫度係約60℃、約70℃、約80℃、或約90℃。
  27. 如請求項24之電氣裝置，其中該金屬熱界面材料係鉍、銦、錫、及鎵之一非共熔混合物。
  28. 如請求項27之電氣裝置，其中該固體至液體轉移溫度係約90℃。
  29. 如請求項28之電氣裝置，其中該金屬熱界面材料具有約70℃之一液體至固體轉移溫度。
  30. 如請求項27之電氣裝置，其中該固體至液體轉移溫度小於約90℃，且該液體至固體轉移溫度高於約70℃。
  31. 如請求項24之電氣裝置，其中該熱產生組件係一電子處理單元。
  32. 如請求項24之電氣裝置，其中該熱產生組件係一電子儲存電池組。
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