專利名稱：用于優化與電子元件之間的熱傳輸的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發明總體涉及熱傳輸領域，尤其是，涉及從電子元件有效去除熱量的熱傳輸組件和方法。
背景技術：
例如微處理器和集成電路的電子元件必須在某些指定溫度范圍內操作才能夠有效執行功能。超額的熱量會降低電子元件性能、可靠性、預期壽命，甚至會導致出現故障。散熱器廣泛用于控制超額熱量。通常，將散熱器形成為翼片、插針或者其他類似結構，以便增加散熱器的表面面積，從而在空氣流過散熱器上方時增強散熱性能。此外，散熱器通常包含例如蒸汽室和/或熱導管之類的高性能結構，以便進一步增強熱傳輸。散熱器通常由金屬形成，例如銅或鋁。最近，已經采用基于石墨的材料用于散熱器，因為這種材料具有多種優點，例如熱導性提高以及重量減小。
電子元件通常采用電子封裝(也就是，模塊)來進行封裝，該電子封裝包括模塊襯底，其中電子元件電連接到該模塊襯底。在某些情況下，該模塊包括罩(也就是，帶罩模塊)，該罩將電子元件密封在模塊內。在其他情況下，該模塊不包括罩(也就是，裸片模塊)，其中電子元件直接接合到散熱器。
從熱性能角度看，裸片模塊通常要優于帶罩模塊。在帶罩模塊中，通常連接散熱器，使得在散熱器底表面和罩頂表面之間具有熱界面間隙材料，以及在罩的底表面和電子元件的頂表面之間存在另一熱界面間隙材料。在裸片模塊中，散熱器具有位于散熱器的底表面和電子元件的頂表面之間的熱界面間隙材料。裸片模塊通常比帶罩模塊的熱性能更優，原因在于，裸片模塊消除了帶罩模塊中存在的兩個熱阻源，也就是，罩的熱阻，以及罩和電子元件之間的熱界面間隙材料的熱阻。因此，裸片模塊通常用于封裝需要較高總功率耗散的電子元件，例如半導體芯片。
可以利用多種連接裝置來將散熱器連接到模塊，例如夾具、螺栓以及其他五金件。該連接裝置通常會施加保持熱界面間隙的力，也就是，保持位于散熱器和模塊之間的熱界面間隙材料的厚度的力。在帶罩模塊中，罩保護電子元件免受該施加力帶來的物理損壞。但是在裸片模塊中，該施加力通過電子元件本身而直接傳遞到裸片模塊上。因此，當使用裸片模塊時，該連接裝置通常施加順應力來減小電子元件上的應力。
圖1示出用于將散熱器連接到裸片模塊的現有技術的連接裝置的實例。示出電路板組件100，包括印刷電路板105以及裸片模塊110。裸片模塊110包括模塊襯底115、例如半導體芯片的電子元件120的電子元件、以及電子連接部分125。半導體芯片120電連接到模塊襯底115。用于將印刷電路板105連接到模塊襯底115的電子連接部分125，可以是針腳柵格陣列(PGA)、陶瓷圓柱柵格陣列(CCGA)、以及岸面柵格陣列(LGA)等。半導體芯片120通過熱界面間隙材料135熱連接到散熱器130。該熱界面間隙材料可以是導熱介質層，例如熱糊、熱脂、熱油或者其他高導熱性材料。通常，該熱界面間隙材料135較薄，從而它可以有效地將熱量從裸片模塊110傳輸到散熱器130。在散熱器130和半導體芯片120之間延伸的熱界面間隙材料135的厚度稱為熱界面間隙。
利用螺栓140將散熱器130連接到裸片模塊110。螺栓140穿通散熱器130中的通孔131以及印刷電路板105中的通孔106，然后螺紋接合到背墊145中的螺紋孔146。通常，在電子元件120的每一個角處設置螺栓140，或者在電子元件120的每一邊上設置螺栓140。通過將螺栓140的螺紋部分擰入背墊145中的螺紋孔146，從而來緊固螺栓140。由于螺栓140被緊固，散熱器130通過熱界面間隙材料135而接合到半導體芯片120。過度緊固螺栓140會導致印刷電路板105的偏移(彎曲)，這會施加順應力到裸片模塊110。更具體而言，印刷電路板105以凹弧方式相對于裸片模塊110而發生輕微變形。
目前，一些計算機系統采用需要高的且穩定的負載的多芯片組件。該多芯片組件具有非常薄的熱間隙，該熱間隙內填充熱界面層，以便和散熱器之間建立熱接合關系。然而，由于芯片的物理高度的變化，所提到的偏移會導致形成非平面熱界面，從而導致CPU可能會出現熱退化。此外，由于功率循環負載，因芯片高度差而導致的有害影響將變得更加突出。在功率循環負載期間，芯片散熱導致通過芯片、熱界面層以及散熱器底部出現溫度梯度。該溫度梯度具有繞芯片附近的熱過渡過程，從而導致散熱器底部相對于芯片的畸變或移動。當使用裸片模塊時，這些影響進一步結合。因此，損失了熱效率。從而，需要進行不斷的努力來改進這種情況下的熱效率。
發明內容
本發明的一個方面提供一種增強型安裝系統，以及用于增強熱量有效傳遞的方法，其中該方法基本上沒有負面影響，并克服了現有技術配置中存在的許多缺點。
根據本發明的一個方面，提供一種熱傳輸方法，包括提供散熱器組件；提供具有一個或多個熱源元件的熱源，其中該一個或多個熱源元件的每一個在加載下接合到熱源時都具有在其與散熱器組件之間的間隔；以及，將該一個或多個熱源元件封入導熱介質中，使得該導熱介質保持在該一個或多個熱源元件和散熱器組件之間的任意間隔中。
根據本發明的另一個方面，提供一種熱傳輸組件，包括印刷電路板，其具有包括一個或多個半導體芯片的電子元件組件；散熱器組件，該散熱器組件適于被置于與電子元件組件接合；以及加載組件，用于促使該電子元件組件接合到至少一個半導體芯片；以及導熱流體介質組件，其包含足量的導熱介質，以便在一個或多個半導體芯片的表面和散熱器組件之間進行熱傳輸。
下面將結合附圖來描述本發明的各方面的優選示例性實施例，其中相同的附圖標記表示相同的部件。
圖1示出用于將散熱器連接到裸片模塊的現有技術中的連接機構的實例；圖2是熱傳輸組件的截面縱向視圖；圖3是圖2所示的熱傳輸組件的截面圖，其中為了清楚示出本發明而去除某些部分；圖4是用于安裝散熱器組件以便熱傳輸性接合到電子元件的方法的流程圖。
具體實施例方式
現在參照圖2-4，闡述根據本發明的優選實施例的熱傳輸組件200，該組件實施一種用于在熱源上安裝散熱器的改進方法，該熱源例如是電子元件。圖2-4用于示出高水平的熱傳輸組件200的代表性主要部件，可以理解，每個部件都或多或少要比圖2-4所示的要復雜一些，并且這些部件的數量、類型和結構都可以變化。例如，熱傳輸組件200可以包含和所示的不同的數量、類型和結構的熱源(例如，電組件元件)。
如圖2-3所示，提供一種熱傳輸組件200。該熱傳輸組件200包括散熱器組件210、安裝在印刷電路板組件220上的電子元件組件215、密封機構230以及框架加載組件240。散熱器部件210包括底板242和多個翼片244或其他類似結構，以增加散熱器組件的表面面積，從而在空氣流過散熱器組件上方時增強散熱性能。散熱器組件還優選包含高性能結構，例如蒸汽室和/或熱導管(未示出)，以進一步增強熱傳輸性能。散熱器底板242和翼片244可以由多種合適材料制成，例如鋁和石墨。在所述的實施例中，電子元件組件215包括模塊襯底250、電子元件254以及電子連接部分256。
在所述的實施例中，電子元件254是多芯片模塊(MCM)，例如包括一個或多個的裸式半導體芯片254a，254n(統稱為254)。本發明還可以采用其他實施例，例如使用單芯片模塊(SCM)。本領域技術人員可以理解，本發明還可以采用一個或多個SCM或MCM和/或其他電子元件。每個半導體芯片在安裝時都會具有間隙260，該間隙位于圖中所示的其上表面和散熱器的底表面之間。因為間隙尺寸有所不同，所以難以在其中設置恰好適量的導熱介質。這是因為芯片高度有所不同。這與在經受預想類型的力時施加到間隙中的導熱介質上的擠壓作用相結合。
電子連接部分256可以是任意一種公知的連接。示例性連接器可以包括針腳柵格陣列(PGA)、陶瓷圓柱柵格陣列(CCGA)、以及岸面柵格陣列(LGA)等。印刷電路板組件220包括承載電子元件組件215的印刷電路板268。
本發明的一個方面是，它將裸片半導體芯片254密封到密封機構230中，其確保有效熱傳輸而不會降低熱效率。密封機構230限定封閉容器272，以便容納合適的導熱介質274。導熱介質274的供給量足以在所述加載條件下填充芯片的頂表面和散熱器之間的任何間隙260。這補償了造成不同間隙的芯片高度變化。導熱介質274優選為合適的導熱流體材料，例如熱脂274、熱凝膠和熱糊。導熱介質還可以保持在芯片和散熱器組件之間的任何其他間隔中。因此，無論芯片高度變化情況如何，都在若干半導體芯片254和散熱器組件之間的所有間隙或者任何其他間隔中保持有足夠的熱脂。因此，提供足夠量的熱脂274消除了芯片高度差帶來的負面影響。它還在由框架加載組件240對散熱器組件加載期間最小化了從間隙擠壓出的熱脂。
密封機構230優選包括連續的、可壓縮的密封元件276或者密封墊元件276。密封元件276可以由任何合適的彈性體材料制成，例如樹脂材料(例如，硅樹脂或環氧樹脂)帶或者天然橡膠帶。密封元件276當然也可以利用添加材料來進行處理，其中該添加材料用于實現不同的功能，例如，用于增強EMC的電磁屏蔽材料。密封元件276可以通過任意公知的方式來施加，以周向環繞半導體芯片254。密封元件276可以在連接到散熱器組件和模塊襯底的連接處或者界面處被粘性接合。此外，優選的是，還可以例如合適的密封墊敷抹器裝置(未示出)將密封元件276配置到可控預定高度且形成合適圖形，例如，矩形，以便周向包圍或者環繞半導體芯片254。通過這種方式，不需要借助于填裝具有預先形成的尺寸的密封墊，就能夠施加密封元件276。因為最大芯片高度是公知的，所以較簡單的過程是，調節密封元件276的高度以使其在被壓縮時充分高于半導體芯片254，以確保保持熱脂274。一旦已經施加密封元件276，可以將散熱器組件定位在芯片和正常負載上方，其中該正常負載通過加載機構240加載到熱傳輸組件200中。在加載散熱器組件期間加載密封元件276會影響散熱器和模塊襯底之間的液體封閉，從而影響保持導熱介質274。由于密封機構230是整裝的，所以可以理解的是，容器272中的熱脂能夠在壓力下從外部施加。密封元件276的另一個方面在于，它包括熱膨脹系數(CTE)值，該值落在模塊襯底250和散熱器組件242的不同膨脹系數(CTE)值范圍內。已經確定，當該系統被加熱時，該關系趨于最小化相對于散熱器組件形成于密封元件276上的任何應力，從而最小化密封元件相對于散熱器移動或者變形的可能。
加載機構240類似于圖1所示的上述加載機構。然而，為了補充理解，提出下面的簡要描述。散熱器底部242利用螺栓280連接到電子元件組件215。螺栓280穿通散熱器底部242中的通孔281以及印刷電路板中的通孔282，并且螺紋擰入背墊286中的螺紋孔288中。通常，在電子元件組件的每一個角處都設置螺栓280。通過將螺栓的螺紋部分擰入背墊286中的螺紋孔288中，從而來緊固螺栓280。由于螺栓280被緊固，散熱器底部242與半導體芯片254形成熱并置關系。螺栓280的額外緊固導致印刷電路板268的偏移(彎曲)，未示出，從而施加順應力到半導體芯片254上。更具體而言，印刷電路板在加載時相對于半導體芯片略微彎曲成凹弧(未示出)，從而使得在熱間隙260與散熱器之間進行熱傳輸。
圖4是根據本發明的優選實施例的、用于安裝散熱器以熱接觸到電子元件的方法400的流程圖。方法400提出優選步驟順序。然而，必須理解，各個步驟可以在相對于彼此的任何時間進行。將電子元件組件265焊接到印刷電路板268(方塊410)。將框架加載組件240連接到印刷電路板(方塊430)和散熱器組件。將密封機構230的密封元件276施加到模塊襯底250，使得該密封元件的高度足以提供熱介質容器(方塊440)。將熱脂274加載到容器272中(方塊450)。密封元件276在合適溫度和條件下固化(方塊460)，這不構成本發明的一部分，從而它將合適的接合到散熱器組件和模塊襯底250之間，形成流體密封關系。方法400接下來利用框架加載機構240來施加預裝力，以設置熱界面間隙260(方塊470)。在加載期間(方塊470)，將致動螺栓280旋轉合適量，以便施加用于提供期望熱界面間隙(例如，1.2mils)的預裝力(例如，40磅)。換言之，當施加預裝力以設置間隙時，導熱介質將保持在間隙中。因此，期望的間隙充滿了導熱介質。一旦達到這點，則以任意合適方式來熱固化該導熱介質。
這里提出的實施例和實例用于最佳地解釋本發明及其實際應用，從而使得本領域技術人員能夠實現和使用本發明。然而，本領域技術人員將會意識到，前述描述和實例僅僅只用作說明和示例的目的。所提出的描述并不是窮舉式的，也不是要將本發明限制于具體公開的形式。在不脫離下面權利要求書的精神和范圍下，根據上述內容可以進行多種修改和變化。
權利要求
1.一種熱傳輸方法，包括提供散熱器組件；提供具有一個或多個熱源元件的熱源，其中當所述散熱器組件接合到所述熱源時，所述一個或多個熱源元件的每一個與所述散熱器組件之間都具有間隔；以及，將所述一個或多個熱源元件密封到導熱介質中，使得所述導熱介質保持在所述一個或多個熱源元件與所述散熱器組件之間的任意間隔中。
2.根據權利要求1所述的熱傳輸方法，其中通過密封機構來提供所述密封，所述密封機構包括密封元件，該密封元件包圍所述一個或多個熱源元件和導熱介質，其中所述密封元件可壓縮，以在所述熱源與密封元件之間的接合處以及所述散熱器組件與密封元件之間的接合處提供液體封閉密封。
3.根據權利要求2所述的熱傳輸方法，其中所述密封元件具有的熱膨脹系數(CTE)值在所述散熱器組件的熱膨脹系數(CTE)值和所述熱源的熱膨脹系數(CTE)值之間。
4.根據權利要求2所述的熱傳輸方法，其中所述密封元件是密封墊部件，其被施加到預定高度，所述預定高度使得足以封閉所述一個或多個熱源元件和導熱介質。
5.根據權利要求1所述的熱傳輸方法，其中所述導熱介質是熱脂。
6.一種熱傳輸組件，包括熱源，其包括一個或多個熱源元件；散熱器組件，其適于被置于與所述一個或多個熱源元件并置；加載組件，用于在加載所述一個或多個熱源元件的情況下促進與所述散熱器組件的接合；以及密封機構，其包含足夠量的導熱介質，以便在一個或多個所述熱源元件的表面與所述散熱器組件之間進行熱傳輸，其中所述導熱介質填充所述一個或多個熱源元件與散熱器組件之間的任何間隙或間隔。
7.根據權利要求6所述的組件，其中所述密封機構包括密封元件，所述密封元件包圍所述一個或多個熱源元件和導熱介質，其中所述密封元件可壓縮，以便在所述熱源與密封元件之間的接合處以及所述散熱器組件與密封元件之間的接合處提供液體封閉密封。
8.根據權利要求7所述的組件，其中所述密封元件具有的熱膨脹系數(CTE)值在所述散熱器組件的熱膨脹系數(CTE)值和所述熱源的熱膨脹系數(CTE)值之間。
9.根據權利要求7所述的組件，其中所述密封元件被施加到預定高度，所述預定高度使得足以包圍所述一個或多個熱源元件和導熱介質。
10.根據權利要求7所述的組件，其中所述導熱介質是熱脂。
11.一種熱傳輸組件，包括印刷電路板組件；電子元件組件，其包括一個或多個由所述印刷電路板組件支承的半導體芯片；散熱器組件，其適于被置于與所述一個或多個半導體芯片熱并置；加載組件，其用于在加載下促進所述一個或多個半導體芯片接合到所述散熱器組件；以及，密封機構，其包含足夠量的導熱介質，以便在所述一個或多個半導體芯片的表面與散熱器組件之間進行熱傳輸，其中所述導熱介質填充所述一個或多個半導體芯片與散熱器組件之間的任何間隙或間隔。
12.根據權利要求11所述的組件，其中所述密封機構包括密封元件，所述密封元件包圍所述一個或多個半導體芯片，其中所述密封元件可壓縮，以便在所述電子元件和密封元件之間、以及在所述散熱器組件和密封元件之間提供液體封閉密封。
13.根據權利要求12所述的組件，其中所述密封元件是由樹脂材料制成的密封墊。
14.根據權利要求12所述的組件，其中所述密封元件具有的熱膨脹系數(CTE)值在所述散熱器組件的熱膨脹系數(CTE)值和所述熱源的熱膨脹系數(CTE)值之間。
15.根據權利要求12所述的組件，其中所述密封元件被施加為達預定高度的帶，所述預定高度使得足以包圍所述一個或多個半導體芯片和導熱介質。
16.根據權利要求12所述的組件，其中所述導熱介質是熱脂。
全文摘要
一種熱傳輸組件，包括支承電子元件組件的印刷電路板組件，電子元件組件包括一個或多個半導體芯片。散熱器組件適于被置于與所述一個或多個半導體芯片熱接合。還包括加載組件，用于將所述一個或多個半導體芯片加載為與散熱器組件接合。還提供密封機構，其包含足夠量的導熱介質，以便在一個或多個半導體芯片的表面和散熱器組件之間進行熱傳輸，其中導熱介質填充所述一個或多個半導體芯片和散熱器組件之間的任何間隙或間隔。
文檔編號G12B15/06GK1949960SQ20061014226
公開日2007年4月18日 申請日期2006年10月11日 優先權日2005年10月13日
發明者A·K·辛哈, S·M·西-賈揚塔, V·D·康納, J·庫茨辛斯基 申請人:國際商業機器公司