專利名稱：超大規模集成電路組件的自調節散熱裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于散去來自諸如混合式集成電路(HIC)之類的電子電路元件的可變化熱量的散熱器。
混合式集成電路通常包括諸如集成電路(IC)芯片的有源芯片，或一些在工作期間不是產生熱就是易受由HIC的其它元件所產生的熱量影響的其它元件或器件。其中某些元器件可能因熱而易于引起工作性能的種種變化或造成諸如變形、脫開、斷線、破裂等其它熱損壞。這些有害影響在元件密集的電路中更為顯著。因此，最好是對至少某些元件配置高導熱性的金屬散熱器，以吸取和傳走其中的熱量，去除其過量的熱。在某些情況下，最好能去除可變化的熱量。例如，當一個元器件在某一溫度下按程序工作或當電路工作于寒冷環境下時，則去除過量的熱可能對該元器件的操作特性產生有害的影響。因此，最理想的是只有當該元器件超出正常工作溫度的某溫度值時再去除熱。
1983年10月4日授予A.D.Calabro的美國專利4，408，220號公開了一種耗熱裝置(散熱器)的結構，該結構包括由一中間金屬段連接的頂部和底部金屬板，這種結構的構成使其能可滑動地安裝在一IC組件上，而該組件是安裝在諸如印刷電路板之類的支承底座上的。該散熱器的頂板彈性地連接到所述中間段，并當就位時接觸一塊為若干這樣的散熱器公用的散熱板。然而，隨著制造與裝配過程的進一步小型化和自動化，這樣一種機械式固定的散熱器是難以實際應用的。再說，這種散熱器也不是為將IC的可變化的熱量傳遞到散熱器件上而設計的。
因此，人們期望對HIC配置一種裝在諸如芯片之類的元件或某些其它器件上的散熱器，這種散熱器能根據元器件或環境的相應的溫度變化將不同量的熱能傳遞到散熱件或耗熱器上，以便穩定HIC的工作溫度。
本發明是一種諸如混合式集成電路(HIC)之類的電子電路，該電路具有安裝在一適宜支承底座上的元件及裝在該元件上的散熱器。還有一個與支承底座間隔開的散熱件。該散熱器有一底部和至少一個用于將熱能傳到散熱件的凸緣。所述底部固定在所述元件上。每個凸緣包括從散熱器底部伸向散熱件的直立段、背離散熱件彎曲的自由端段、和介于所述直立段和自由端段之間并靠近散熱件的彎折段。每個凸緣還設置一個熱敏感部件，下文稱之為“熱動開關”。該開關構成直立段的一部分，并根據是否存在有一定量的熱量而使散熱器的自由端段分別朝向或背離散熱件移動，從而造成與散熱件有較大或較小的接觸面積。這個熱動開關可以幾種方式成形，包括將某種具有不同于凸緣的熱膨脹系數的金屬嵌入凸緣的直立段中或將這類金屬附裝到直立段上的成形方式。
圖1是根據本發明構成的典型裝置的一種類型的剖面圖。
圖2是根據本發明構成的上述典型裝置的另一類型的剖面圖。
圖3是圖1所述裝置配置了熱平衡嵌入件后的剖面圖。
圖4是圖2所述裝置配置了熱平衡嵌入件后的剖面圖。
附圖中，標號1表示諸如混合式集成電路之類(僅示出一部分)的典型電子電路。標號2表示由合適材料制成的支承底座，這類材料有諸如陶瓷、半導體材料(如硅)、玻璃、塑料(如環氧樹脂)、玻璃纖維強化的環氧樹脂、涂樹脂的金屬(如環氧樹脂涂敷后的鋁)、模制電路板和其它傳統的適用材料等。標號3表示安裝在所述支承底座上的元件或器件。在一典型實施例中，元件3是諸如集成電路(IC)芯片之類的有源半導體芯片。該芯片以稱之為“倒裝片”的方式安裝在所述支承底座上，并在芯片上的電路(未示出)與支承底座上的導線和焊點(未示出)之間呈導電性接觸。芯片以傳統方式固定在支承底座上，例如借助焊接、合金化、金共晶粘接、導電膠連接等等。
由標號4概括表示的散熱器固定在芯片的上表面即非工作表面上，也就是對著面向支承底座的芯片表面的反面。另一方面，支承底座事實上可為熱動開關的底板，而這時IC芯片的自由工作表面可為連接到引線架的導線。該散熱器是由適當的金屬或合金制成的，例如鋁、銅、鎳、它們的合金、黃銅、青銅、不銹鋼等。還可采用貴金屬及其合金，如金，鈀，鉑或銀等。
該散熱器具有固定到芯片上的底部6和至少一個凸緣8，該凸緣8用以將熱量傳到一個離支承底座2有一定距離的散熱件7上。在這個典型實施例中，散熱器呈U形構型，并至少有兩個凸緣8。每個凸緣包括從底部6伸出的直立段9、自由端段10和彎折段11。散熱器的底部6通過適當的方式，例如用具有適宜的溫度和工作性能的粘結劑12，固定到芯片3的上表面即非工作表面上。每個凸緣8的自由端段10可與各自的直立段9成一銳角，使每個自由端13通常指向支承底座2。每個凸緣的彎折段11處于散熱件7的附近或與其接觸。散熱件7也是由高導熱性金屬制成的，例如鋁、銅、鎳、它們的合金、黃銅、青銅、不銹鋼等，以便從散熱器吸取熱量并將其傳導或耗散至周圍環境中。散熱件可以是一塊為此目的而專門設置的板，或者是封閉HIC的外殼的一部分。
每個凸緣8都設有一個熱動開關，它可自動地控制自由段10與散熱件7之間的接觸面積，并能響應一個溫度預選值而使二者處于最大接觸狀態中。該熱動開關最好設在底部6和彎折段11之間，但也可將其放在散熱器的某些其它位置上，例如也可以裝在各自的自由端段10上。熱動開關設計成使自由端段10能從其與散熱件呈小于45°的銳角的通常位置向散熱件7移動。視乎其工作狀況及環境溫度，該自由端段或是移向與散熱件接觸的位置，或是背離散熱件而移向其通常位置。
該熱動開關是由兩種金屬和/或合金組成，這兩種金屬和/或合金具有不同的熱膨脹系數(TCE)，從而構成了一種雙金屬元件。這種結構的材料可從市場上購得，然后按照溫度、結構和材料特性的要求進行預處理。某些合適材料在32°F至212°F溫度范圍內的熱膨脹系數(α)示于下表中表1金屬 α(ppm/°F) 金屬 α(ppm/°F)Al(鋁) 11.5-13.7 Kovar(柯伐) 3.3Cu(銅) 9.3 Monel(蒙乃爾) ～15Ag(銀) 10.5-10.6 不銹鋼416 9.9An(金) 7.9 不銹鋼303 17.4Pt(鉑) 5.0 鋁合金 ～23Pd(鈀) 6.5 Phosporbronze 9.9Ni(鎳) 7.1 Invar(殷鋼) 0.8-0.9黃銅 9.8-11熱動開關可以各種方式構成。例如，在圖1所示方案中，TCE值為α1的金屬埋入件16埋入TCE值為另一值α2的金屬直立段9中;在圖2所示的另一方案中，將有所述TCE值α1的金屬薄板17以通常的方式附裝在有所述另一TCE值α2的直立段9上，例如通過焊接、合金化或粘接(例如借助環氧樹脂合成物)等方式。用一對金屬構成熱動開關的一個例子是用鋁作散熱器和用殷鋼作埋入件。亦可使用包括柯伐、蒙乃爾和鎳的埋入件。其它方式可包括一個可埋入或附裝在直立段9上的雙金屬復合件。
在圖1和圖2中所示的兩個實施例中，埋入件16或薄板17的TCE值α1是小于直立段9的材料的TCE值α2的(α1＜α2)。這種TCE值的差異一旦在溫度升高時就會導至直立段9的金屬膨脹甚于埋入件16(或薄板17)的膨脹，于是引起自由端13向散熱件7移動。通過適當選擇兩種金屬各自的TCE值以及具有較小TCE的金屬的各實際尺寸，便有可能預選散熱器對某一溫度值的靈敏度。
熱動開關可以適當的預選方案而配置在散熱器上。例如，它們可如圖2所示均置于各自直立段9的外側，或均置于直立段的內側(未示出)，也可置于每個直立段的同一側，例如象圖1中所示的均在右側，或者均在左側(未示出)，且一個凸緣的自由端與另一凸緣的自由端方向相反。
埋入件16或薄板17相對于散熱器的定位決定了各自由端13應面對的方向和/或對增大的熱流量的敏感程度。對于TCE值α1＜α2的情況，薄板17的位置若在散熱器的外側(如圖2所示)，則自由端13應均在散熱器的內側。同樣，若兩個埋入件16均在散熱器的外側，則也應如此。當埋入件16或薄板17均在散熱器內側并且α1＜α2，則自由端13應面向散熱器外。其它配置要不就屬于圖1所示的構形，要不就是當埋入件16或薄板17處于與圖1所示相反的構形(未示出)時自由端處于與其相反的位置。同樣，當各TCE值的關系不同時(如α1＞α2)，便會有其它的可預定的配置形式。構形方面的這些變化，對包括有這類散熱器的器件的電路結構設計可能是有用的。
這種結構在防止由于散熱器底部6的TCE值與元件3的TCE值之間的差異而可能引起的變形和/或剝離故障也可能是穩定的。為達到這種穩定性的一種有效方式已公開于1990年10月19日提交的同時待審的美國專利申請No.07/599947(Dahringer，D.W.第5案)中。在此引入該申請，以供參考。該發明的使用情況示于圖3和4中。圖中與圖1和2已揭示的相同部件標有相同的標號。所述穩定性是通過將一個應力平衡嵌入件18放在底部6上和散熱器4內來實現的，該嵌入件18的TCE值不同于散熱器材料的TCE值，前者最好等于元件3材料的TCE值。該應力平衡嵌入件可用與元件3相同的材料制成，例如，可為諸如“虛擬”芯片之類的半導體芯片，或另一種具有不同或等于元件3的TCE的合適材料。該嵌入件可以通常的方式固定在散熱器的底部6，例如可借助于最好類似于粘結劑12的某種粘結劑來連接。
不用說，上述實施例只是對本發明原理的簡單闡述，對于本領域的普通技術人員，可以依照本發明的原理和在本發明范圍內作出各種其它改型和變更方案。
權利要求
1.一種產品，其特征在于包括安裝在一個支承底座表面上的元件；距該元件一定距離配置的用于耗散熱能的散熱件；配置在所述元件和散熱件之間的散熱器，用于將所述熱能從所述元件傳至所述散熱件，所述散熱器和用于耗散熱能的元件均以高導熱性材料制成，所述散熱器有一個連到所述元件的底部和至少一個導熱凸緣，用以將熱能傳到所述散熱件上，每個導熱凸緣均包括a)從散熱器底部伸出的直立段；b)與所述直立段成一銳角并通常背離散熱件方向配置的自由端段；c)與直立段和自由端段互連的彎折段；和d)熱敏感部件，用以響應因導熱而升高的溫度使所述自由端段向所述散熱件移動，以便減小所述自由端和散熱件之間的距離，從而增強自由端段和散熱件之間的熱交換作用。
2.如權利要求1所述的產品，其特征在于，所述熱敏感部件是由兩種金屬構成的熱動開關，其中一種金屬具有預選的熱膨脹系數α2，而另一種金屬具有與其不同的預選的熱膨脹系數α1，其中α1和α2的預選是要使所述自由端能根據相對于工作溫度的溫度變化而向著或背離散熱件移動。
3.如權利要求2所述的產品，其特征在于，所述另一種金屬是一個埋入所述直立段的埋入件。
4.如權利要求2所述的產品，其特征在于，所述另一種金屬為附裝在所述直立段上的薄板狀的金屬。
5.如權利要求2所述的產品，其特征在于，所述熱動開關能響應一個溫度預選值而使所述自由端段同所述散熱件處于最大接觸的狀態中。
6.如權利要求2所述的產品，其特征在于，所述α1＜α2，而且具有α1值的金屬是在所述直立段的與所述自由端段相對的那一側上，或反之亦然。
7.如權利要求1所述的產品，其特征在于，所述彎折段是與所述散熱件接觸的。
8.如權利要求1所述的產品，其特征在于，所述散熱器具有U形橫截面。
9.如權利要求1所述的產品，其特征在于，所述散熱器有多個凸緣。
10.如權利要求1所述的產品，其特征在于，所述散熱器的金屬是選自包括鋁、銅、鎳、它們的合金、青銅、黃銅、不銹鋼等類的金屬。
11.如權利要求2所述的產品，其特征在于，所述另一種金屬選自包括柯伐、殷鋼、蒙乃爾和鎳等類的金屬。
12.如權利要求2所述的產品，其特征在于，所述散熱器的材料包括鋁，而構成所述熱動開關的另一種金屬材料是殷鋼。
全文摘要
一種如混合式集成電路之類的電子電路，具有一個裝在底座上的元件和裝在元件上的自調節散熱器。還有一個與底座間隔開的散熱件，它可以是導熱材料板或是電路外殼的一部分。散熱器至少有一個導熱凸緣。每個凸緣都包括直立段、自由端段和介于兩者間且靠近散熱件的彎折段。直立段上還有熱動開關，以感應是否存在一定量的熱能而移動自由端，以改變與散熱件的接觸面積。該開關可以是埋入或附裝在直立段上的與凸緣有不同熱膨脹系數的金屬件。
文檔編號H01L23/433GK1060925SQ9110992
公開日1992年5月6日 申請日期1991年10月14日 優先權日1990年10月19日
發明者D·W·達林格 申請人:美國電話電報公司