專利名稱：傳熱裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的涉及冷卻電子元件的方法及裝置，更具體地，涉及使 用柔性流體薄膜界面?zhèn)鳠岬姆椒把b置。
技術(shù)背景現(xiàn)在的冷卻裝置成形為通過骨狀的熱界面材料(TIM)與計算機 芯片接觸。TIM—般具有差的導熱性。因此，需要使TIM的厚度最小化以保持熱阻盡可能低。但是，在 芯片表面和冷卻裝置間需要一個有限的(例如100nm)的機械間隙， 以吸收在系統(tǒng)工作周期中碰到的熱膨脹和收縮。微處理器的冷卻裝置 可重到X).5kg，且典型地不能直接與芯片連接，因為機械應力會不利 地使芯片張緊和開裂。因此，要求發(fā)明 一 種不要求大的間隙或在工藝中不使芯片張緊的、 可從硅芯片移走熱量的冷卻裝置。 發(fā)明內(nèi)容鑒于傳統(tǒng)方法和結(jié)構(gòu)的上述和其它典型的問題、缺點和缺陷，本 發(fā)明的一個典型的特點是提供一種方法和結(jié)構(gòu)，其中流體薄膜提供了 一個柔性界面。按照本發(fā)明的第一方面，把熱量從熱源傳到導熱體的傳熱裝置包 括可作為所述熱源與所述導熱體之間的柔性界面進行操作的流體薄 膜，所述的熱源包括一個微電子裝置。按照本發(fā)明的第二方面，把熱量從熱源傳到導熱體的傳熱方法包 括提供可作為所述熱源與所述導熱體之間的柔性界面進行操作的流 體薄膜，所述的熱源包括一個微電子裝置。按照本發(fā)明的第三方面，傳熱裝置包括在一個熱源和一個導熱 體之間提供柔性界面的一個流體薄膜，所述流體調(diào)節(jié)和控制所述熱源和所述導熱體之間的 一 個間隙。使用流體薄膜作為中間層把動力(運動的)散熱片與固定的熱源連接起來已經(jīng)被公開(例如Zairazbhoy等申請的發(fā)明名稱為"冷卻高 功率電子設(shè)備的介電熱疊層"的美國專利申請No. 2005/0083655A1 )。 流體薄膜提供了用于通過一個薄金屬分離器使被傳導的熱通量對流傳 熱的介質(zhì)。流體薄膜的存在使其幸運地被考慮作為一個柔性的中間界 面。由于有力的流體薄膜的循環(huán)以及對此提供的容積，流體薄膜厚度 的微米級(例如10nm)的變化不會引起散熱能力的變化。因此，通過設(shè)計沿著其周邊為柔性的把流體薄膜與熱源隔開的金 屬分離器，提供了用于熱膨脹錯配需要的空間。柔性的存在還允許減 小間隙TIM及消除骨的損耗(或泵送)問題。
從下面借助附圖對本發(fā)明典型實施例說明可更好地理解上述和其 它典型的目的、特點和優(yōu)點，附圖中圖l(a)-l(b)分別示出一傳統(tǒng)的散熱片和一動力散熱片(KHS); 圖2示出有固定軸的、傳統(tǒng)的KHS; 圖3示出有運動軸的、傳統(tǒng)的KHS;圖4(a)-4(c)示出按照本發(fā)明一個典型實施例的、在傳統(tǒng)KHS 上的柔性界面；圖5(a)-5(c)示出被水平肋502A支承的有轉(zhuǎn)動軸的柔性界面； 圖6示出圖5(a)-5(c)結(jié)構(gòu)的分解圖； 圖7是圖5 (a) -5 (c)結(jié)構(gòu)的全等軸圖；圖8 (a) -8 (b)示出流體薄膜的同心環(huán)形成的增加的傳熱表面；和圖9示出加壓翼片。
具體實施方式
下面參照附圖，更具體地參照圖1 (a) -9詳細說明本發(fā)明方法和 結(jié)構(gòu)的典型實施例。 典型的實施例圖1 (a)示出包括一個固定的散熱片101的普通結(jié)構(gòu)100。熱界 面材料(TIM) 102提供從一個模塊組件到另一個模塊組件的熱傳導， 同時吸收在兩個組件之間間隙中的熱引起的變化。 一 個剛性的均熱器 103設(shè)在一個TIM102和另 一個TIM104之間。TIM104施加到棵片(芯 片)105的頂表面。均熱器103的"腿"裝在陶瓷基底106上。附圖 標記107示出均熱器103的下表面和陶瓷基底106的頂表面之間的剛 性間隔。圖1 (b)示出包括新型的動力散熱片(KHS)的結(jié)構(gòu)150，其中 剛性的均熱器153的一側(cè)支承一個流體薄膜158并提供從芯片155通 過TIM154到均熱器153本身的傳熱通道。也示出了一個剛性的金屬 界面159 (由均熱器153的下面形成)。附圖標記157示出在均熱器153的下表面和陶資基底106頂表面 之間的一個剛性間隔。金屬葉片160通過轉(zhuǎn)軸161裝在均熱器的上方。 流體薄膜位于轉(zhuǎn)軸161和形成在均熱器153中的空腔之間。因此動力 散熱片設(shè)有流體動力軸承。但是，該傳統(tǒng)系統(tǒng)并沒有設(shè)想使用流體薄膜158作為解決熱引起 "間隙"變化問題的優(yōu)點。實際上，在圖1 (b)的結(jié)構(gòu)中，TIM可以 不夾在兩個所示的平行表面之間，并由此導熱通道不是直接到均熱器 153。另外，TIM154可隨著芯片(被自己的重量等)膨脹而流出(逸 出)，以及均熱器會不希望地來回移動，TIM會從間隙擠出，因此使 導熱通路降級并產(chǎn)生氣穴等。圖2和3示出對應圖1 (b)的傳統(tǒng)系統(tǒng)中的變化。圖2的結(jié)構(gòu)200示出帶固定中心軸200a (及固定軸承等)的動力 散熱片，并且風扇葉片轉(zhuǎn)動。更具體地，結(jié)構(gòu)200包括動力散熱片 (KHS)，動力散熱片包括電動機201、熱通路202、風扇葉片203、 流體薄膜204、芯片205、支承墊片206和隔開流體薄膜204的剛性金 屬界面207。附圖標記208表示在界面207的下表面和陶瓷基底209的頂表面 之間的剛性間隔。圖3的結(jié)構(gòu)300示出有轉(zhuǎn)動中心軸300a的動力散熱片。更具體地， 結(jié)構(gòu)300包括動力散熱片(KHS)，動力散熱片包括電動機301、熱通 路302、風扇葉片303、流體薄膜304、芯片305、支承墊片306和分 離開流體的剛性金屬界面307。附圖標記308示出在界面107的下表面和陶瓷基底309的頂表面 之間的剛性間隔。在各個結(jié)構(gòu)中，支承轉(zhuǎn)動葉片的方法是不同的。在圖2中，使用 了一個固定軸200a。來自一熱源(芯片)的熱通量通過一個TIM210 傳導到固定軸200a。軸的直徑最優(yōu)化，使得在提供支承轉(zhuǎn)動元件的裝 置時得到最大的導熱表面積。注意與TIM210接觸的、軸的基底有一 個剛性的界面，因而有一個剛性的間隔208。在圖3中，使用一個轉(zhuǎn)動軸300a。金屬界面307也視為一個剛性 元件。現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖4a-4c,說明本發(fā)明的一個典型實施例。 圖4a示出顯示含有流體薄膜404的柔性界面的原理的結(jié)構(gòu)400， 其中金屬葉片401由轉(zhuǎn)動軸402轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)動軸402的結(jié)構(gòu)很容易適用 于說明本發(fā)明。如圖4a所示的一個分離器或界面板403通過一個柔性 連接420 (可以是一個粘彈性連接420A或彎曲連接420B，如圖4b和 4c所示)制成沿著KHS的轉(zhuǎn)動軸線為柔性的。注意兩種連接可一起 使用。由于軸402的轉(zhuǎn)動，流體薄膜404循環(huán)使熱通量對流傳熱。包含 在軸面A和分離器表面B之間的薄膜的厚度被制成柔性的，每當要求 分離器403位移時允許流體流進和流出柔性儲存器406。因此，提供 了柔性的儲存容積。含在KHS中的流體使用現(xiàn)場證實的系統(tǒng)密封， 如使用流體密封405的迷宮式密封等。注意穿過軸承402a的軸402當其直徑制成盡可能大時熱可最佳化。由于分離器403是柔性的，不再需要用于TIM407的傳統(tǒng)使用的 大間隙(約100pm)。僅需要一個保證的最小間隙來匯合熱源的兩個不完美的表面和分離器的外表面。用例如稱作固定間隙墊片(FGS) 408的一個三點墊片可保持最小間隙恒定。三點設(shè)計便于芯片表面上的平面接觸。當熱膨脹和收縮循環(huán)發(fā)生 時，固定間隙墊片408與柔性界面403相互作用同時維持一個固定間 隙。因而，傳統(tǒng)的熱骨損耗如果沒有完全消除，也被減小。三點FGS可修改以達到其它功能。例如，它可以是矩形凸脊，通 過密封芯片409的邊緣(其也可以是矩形的幾何尺寸)它將包含 TIM407。由于柔性界面403不限制熱導致的相對運動，它可不考慮任何應 力關(guān)系而永久地連接到芯片表面。本發(fā)明以前不使用的許多連接技術(shù)現(xiàn)在也被考慮。兩個候選的方 案是使用熱環(huán)氧樹脂或共晶焊料。分離器403可由硅本身制成，因而 去除了面內(nèi)的熱錯配。另一方面，任何可與超薄截面相容的金屬可考 慮用于減少由于熱錯配產(chǎn)生的面內(nèi)應力。作為進一步示出，示出了一個支承墊片410。還示出了設(shè)在陶瓷 基底412的上表面和柔性連接420的下表面之間的一個可變間隙表面 411的特征。圖5 (a) -5 (c)示出了裝配好的KHS500的剖開的等軸圖。在 該實施例中，葉片501安裝在轉(zhuǎn)軸502上，轉(zhuǎn)軸502的頂部由多個肋 502A支承著。該典型的實施例允許轉(zhuǎn)動翅片組件510有大的輪式基 底。圖5a還示出了轉(zhuǎn)動翅片組件510。 一個柔性連接520(也在圖5b、 5c中示出)示出作為一個粘彈性連接520A或一個彎曲連接520B。如 所示，金屬葉片501由轉(zhuǎn)動軸502轉(zhuǎn)動。如圖5a所示， 一個柔性連接 520 (可是圖5b和5c所示的粘彈性連接520A或彎曲連接520B )使 分離器或界面板503沿著KHS的轉(zhuǎn)動軸線制成為柔性。如示出芯片505及固定的空氣擋板540那樣，也示出用于產(chǎn)生力 矩的磁鐵530。圖6是圖5(a) -5(c)實施例的分解圖。如圖所示，圖6的上部 示出擋板組件540，中部示出風扇葉片501和翅片組件510,而圖6的下部示出柔性界面板503和基底組件550。圖7是圖5 (a) -5 (c)的實施例的裝配好的等軸圖，示出風扇葉 片501、用于中央軸支承的肋502A、空氣擋板540、以及翅片組件510 和基底組件550。圖8 (a)示出帶有增加的傳熱表面積的動力均熱器(KHS) 800。 也就是，圖8(a)示出例如通過流體通道的多個同心圓環(huán)可提高旋轉(zhuǎn) 部件和固定分離器之間的表面積的方法。在圖8a中，示出熱源(芯片)805及用于散熱的翅片組件810。 柔性連接820設(shè)在芯片805的上方。用作流體薄膜的油界面830與基 底組件850及增加傳熱面積的同心圓環(huán)860—起被示出。圖8 (b)示 出同心圓環(huán)860的剖面圖。通過環(huán)結(jié)構(gòu)860的流體流與"泵"裝置成整體。某些類別的TIM材料在裝配過程可要求相當大的壓力以幫助把 高粘度的骨散開在表面之間。為了施加該壓力，分離器板可修改成圖 9中結(jié)構(gòu)900所示的結(jié)構(gòu)。也就是說，從分離器(無附圖標記)延伸出兩個或更多的翼片910， 通過分離器施加正常的壓力而不使該板的柔性周邊變形。還示出 TIM901、中心軸902和印刷電路板903。因此，本發(fā)明提供了流體薄膜作為連接動力(運動的)散熱片的 中間層并使用沿著其周邊具有柔性的用于隔開流體薄膜與熱源的金屬 分離器，由此提供用于熱膨脹錯配的必要的空間。另外，本發(fā)明已認 識到柔性還允許最小間隙的TIM以及消除骨損耗(或泵送)問題。雖然就一些典型實施例對本發(fā)明進行了說明，本領(lǐng)域技術(shù)人員明 白在所附的權(quán)利要求書的精神和范圍內(nèi)可進行改型來實施本發(fā)明。另外，注意本申請人意在包括所有要求保護元件的等同物，甚至 在以后案件進行中的修改。
權(quán)利要求
1.一種把熱量從熱源傳到導熱體的傳熱裝置，所述傳熱裝置包括可作為所述熱源與所述導熱體之間的柔性界面進行操作的流體薄膜，所述熱源包括一個微電子裝置。
2. 按照權(quán)利要求l的傳熱裝置，其特征在于還包括允許與柔性界 面的柔性運動關(guān)聯(lián)的體積變化的流體儲存室。
3. 按照權(quán)利要求l的傳熱裝置，其特征在于還包括 熱界面材料(TIM);和保持用于所述熱界面材料的恒定間隙體積的一個三點分離器。
4. 按照權(quán)利要求3的傳熱裝置，其特征在于還包括包含熱界面材料同時保持一個恒定間隙的、用于固定間隙墊片 (FGS)的矩形凸脊。
5. 按照權(quán)利要求1的傳熱裝置，其特征在于還包括利用熱環(huán)氧樹脂和焊劑界面之一直接連接到熱源的柔性分離器。
6. 按照權(quán)利要求l的傳熱裝置，其特征在于還包括 用于增加傳熱表面的多個同心環(huán)。
7. 按照權(quán)利要求5的傳熱裝置，其特征在于還包括 熱界面材料(TIM);和用于在用 一定類別的熱界面材料裝配時把壓力加在分離器上的裝置。
8. —種把熱量從熱源傳到導熱體的傳熱方法，所述的方法包括 提供可作為所述熱源與所述導熱體之間的柔性界面進行操作的流體薄膜，所述熱源包括一個微電子裝置。
9. 按照權(quán)利要求8的傳熱方法，其特征在于還包括 提供允許與柔性界面的柔性運動關(guān)聯(lián)的體積變化的流體儲存室。
10. 按照權(quán)利要求9的傳熱方法，其特征在于還包括 提供一個熱界面材料；和通過一個三點分離器保持用于所述熱界面材料的恒定間隙體積。
11. 按照權(quán)利要求10的傳熱方法，其特征在于還包括 利用用于固定間隙墊片的矩形凸脊容納熱界面材料同時保持一個恒定間隙。
12. 按照權(quán)利要求8的傳熱方法，其特征在于還包括利用熱環(huán)氧樹脂和焊劑界面之一直接把一個柔性分離器連接到一 個熱源。
13. 按照權(quán)利要求8的傳熱方法，其特征在于還包括 用多個同心環(huán)增加傳熱表面。
14. 按照權(quán)利要求13的傳熱方法，其特征在于還包括 提供熱界面材料；和在用一定類別的熱界面材料裝配時把壓力加在分離器上。
15. 按照權(quán)利要求5的傳熱裝置，其特征在于包括 所述柔性分離器包括一個粘彈性連接。
16. 按照權(quán)利要求5的傳熱裝置，其特征在于還包括 所述柔性分離器包括一個彎曲連接。
17. —種傳熱裝置，包括在一個熱源和一個導熱體之間提供柔性界面的一個流體薄膜，所 述流體調(diào)節(jié)和控制所述熱源和所述導熱體之間的 一個間隙。
18. 按照權(quán)利要求17的傳熱裝置，其特征在于還包括允許與柔性 界面的柔性運動相關(guān)的體積變化的流體儲存室。
19. 按照權(quán)利要求17的傳熱裝置，其特征在于還包括 熱界面材料；和保持用于所述熱界面材料的恒定間隙體積的一個三點分離器。
20. 按照權(quán)利要求17的傳熱裝置，其特征在于還包括利用熱環(huán)氧樹脂和焊劑界面之一直接連接到熱源的柔性分離器。
全文摘要
用于把熱量從熱源傳到導熱體的傳熱裝置及方法，包括可作為所述熱源和所述導熱體之間的柔性界面進行操作的流體薄膜。熱源包括一個微電子裝置。
文檔編號H01L23/34GK101217133SQ20081000222
公開日2008年7月9日 申請日期2008年1月2日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月3日
發(fā)明者斯里·M·斯里-加亞塔, 杰拉德·邁克維可, 維賈葉斯沃·D·卡納 申請人:國際商業(yè)機器公司