專利名稱：用于裸片微電子器件有效可靠傳熱的裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及用于在密集處理器組件中有效可靠散熱的方法和裝置，所述組件特別適用于計(jì)算系統(tǒng)、高性能游戲系統(tǒng)和其它高性能微電子應(yīng)用。
背景技術(shù)：
電子服務(wù)器和處理器在進(jìn)行它們的工作時(shí)產(chǎn)生大量熱。先進(jìn)高密度半導(dǎo)體系統(tǒng)已經(jīng)增加了對(duì)它們進(jìn)行熱管理的需求。這樣的需求可歸因于更高速微處理器、集成電路和其它電子組件的更高功率的需求。
處理器組件包括包含處理器微電路的處理器裸片。在處理器裸片中主要由需要驅(qū)動(dòng)高頻操作的功率產(chǎn)生熱。在某些情況下，幾乎所有這種功率作為熱量散發(fā)。隨著在更先進(jìn)的芯片中產(chǎn)生更大的功率，產(chǎn)生了很大的散熱問(wèn)題。在某些情況下，處理器在相對(duì)小的空間內(nèi)消耗280瓦的功率而變得過(guò)熱。例如，隨著處理器裸片過(guò)熱，信號(hào)的定時(shí)特征會(huì)改變，由此導(dǎo)致處理器的間歇運(yùn)行和可能的故障。因此，成功傳熱對(duì)于組件和系統(tǒng)按計(jì)劃運(yùn)行極為重要。
一個(gè)已知的傳熱方法是使裸片處理器封裝在連接到散熱片的堅(jiān)固的散熱器下面。散熱器不僅僅用作散熱，也用于保護(hù)裸片處理器。然而，這樣的散熱板會(huì)妨礙傳熱因?yàn)榇嬖趦蓚€(gè)熱界面；一個(gè)在裸片和散熱器之間；第二個(gè)在散熱器和散熱片之間。人們?cè)噲D從裸片經(jīng)過(guò)一個(gè)熱界面直接傳熱。然而，在裸片很脆并相對(duì)易碎的情況下，直接在裸片上安裝散熱片在一定范圍內(nèi)存在很大的潛在問(wèn)題。
因此，在不具有順利和可靠地直接從處理器裸片傳熱的能力并且不損壞或壓裂裸片的情況下，不能完全得到高效的傳熱。因此，為了滿足處理器芯片的高頻率和功率的需求，需要在可靠和經(jīng)濟(jì)的方式下傳熱。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及用于在密集處理器組件中有效可靠散熱方法和裝置，其中不會(huì)產(chǎn)生負(fù)面效應(yīng)并且克服了現(xiàn)有技術(shù)的許多缺點(diǎn)，所述組件特別適用于計(jì)算系統(tǒng)、高性能游戲系統(tǒng)和其它高性能微電子應(yīng)用。
在說(shuō)明的實(shí)施例中，提供了一種裝置，包括裸片微電子器件；散熱片組件；散熱片安裝組件，用于獨(dú)立于所述裸片微電子器件安裝所述散熱片組件；以及一裝置，其在由所述裝置施加的受控力下裝載所述裸片微電子器件的表面以在與所述散熱片組件的熱界面處形成直接傳熱關(guān)系。
在說(shuō)明的實(shí)施例中，提供了一種從裸片微電子器件傳熱的方法，包括以下步驟獨(dú)立于裸片微電子器件支撐散熱片組件；以及在由所述裝置施加的受控力下推動(dòng)裸片微電子器件的表面以在與散熱片組件的熱界面處形成直接傳熱關(guān)系。
從優(yōu)選實(shí)施例的下面的詳細(xì)描述將會(huì)更全面地理解本發(fā)明的這些和其它特點(diǎn)和方面，應(yīng)該參考附圖閱讀這些描述。應(yīng)當(dāng)理解前述概括性描述和下面的詳細(xì)描述都是示例性的，并不作為本發(fā)明的限制。


圖1是本發(fā)明的傳熱組件的分解透視圖。
圖2是圖1中描述的傳熱組件放大側(cè)視圖。
圖3是本發(fā)明的裸片微電子器件以及力施加組件的部分截面的放大側(cè)視圖，所述力施加組件將裸片微電子器件與具有散熱片組件的傳熱裝置緊密接觸。
具體實(shí)施例方式
圖1-3說(shuō)明了根據(jù)本發(fā)明原理制造的傳熱組件10的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例。傳熱組件10包括散熱片組件12、散熱片安裝組件14、裸片微電子器件16、印刷電路板18和力施加組件20，其適于安裝在具有殼體組件24如計(jì)算機(jī)服務(wù)器系統(tǒng)殼體組件24的計(jì)算系統(tǒng)22中。
裸片微電子器件16包括半導(dǎo)體裸片或包含半導(dǎo)體裸片28的芯片組件26。半導(dǎo)體裸片28包含微電子器件16的微電路。由于驅(qū)動(dòng)高頻、邏輯電平轉(zhuǎn)換的功率，主要在這里產(chǎn)生熱。在優(yōu)選實(shí)施例中，裸半導(dǎo)體裸片28可以是如PowerPC的類型，其可以從Armonk、NY的國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司購(gòu)買。盡管本發(fā)明描述了在裸片上安裝散熱片，但并不局限與此。
說(shuō)明的散熱片組件12包括基座部分30和鰭片部分32?；糠?0可以由長(zhǎng)方形棱鏡構(gòu)成，該棱鏡具有足夠尺寸和熱導(dǎo)率以能夠在整個(gè)基座部分上均勻地從半導(dǎo)體裸片28有效地傳熱。實(shí)施例中采用了導(dǎo)熱材料，如鋁或銅。很明顯可以采用其它適當(dāng)?shù)膶?dǎo)熱材料和那些正在開(kāi)發(fā)的材料。鰭片部分32包括多個(gè)導(dǎo)熱鰭片34，它們能把熱從基座部分30傳到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)殼體組件24中的空氣。在這種情況下，理想地導(dǎo)熱鰭片34由高導(dǎo)熱材料如銅制成。明顯地，可以使用其它合適的導(dǎo)熱材料和那些正在開(kāi)發(fā)的材料。
印刷電路板18可以具有在殼體組件24內(nèi)部通過(guò)適當(dāng)結(jié)構(gòu)(未示出)安裝的通常延長(zhǎng)和薄的結(jié)構(gòu)。印刷電路板18承載裸片微電子器件16和其上的其它部件，但是其它部件本身不構(gòu)成本發(fā)明的方面。
散熱片安裝組件14可以包括與在接線片42中的開(kāi)口結(jié)合的安裝柱40，接線片42與散熱片組件基座整體形成。安裝柱40通過(guò)在印刷電路板18中的開(kāi)口延伸并螺旋地固定在支座44的相應(yīng)端，該支座由殼體組件24的底盤壁結(jié)構(gòu)46支撐。通過(guò)固定安裝柱40，如通過(guò)旋轉(zhuǎn)它們，散熱片組件朝向裸片放置。因此，散熱片組件12通過(guò)底盤壁結(jié)構(gòu)46直接安裝和支撐，并沒(méi)有直接安裝在裸片結(jié)構(gòu)上。值得注意，除了將在下文中描述通過(guò)力施加組件20施加裝載之外，不再需要考慮直接在裸片上的散熱片組件的裝載。對(duì)于通過(guò)散熱片組件使得在裸片上的直接裝載最小化，這是非常重要的。結(jié)果，高效傳熱的同時(shí)裸片破碎或換句話說(shuō)變得損壞的趨勢(shì)變得更小了。當(dāng)利用安裝柱40來(lái)施加控制力時(shí)，本發(fā)明采用其它機(jī)械裝置用于施加力以把裸片微電子器件推向散熱片組件。
在接線片42的底表面和圍繞安裝柱40的印刷電路板18的上表面之間插入襯墊或墊片48。使用襯墊或墊片48為了保持在本發(fā)明的裝載條件下印刷電路板的平坦性。襯墊48的設(shè)置用于在散熱片組件和裸片微電子器件之間的熱界面50上最小化不需要的應(yīng)力。選作用于襯墊的材料應(yīng)當(dāng)在裝載期間在初始?jí)嚎s后隨著時(shí)間的過(guò)去不會(huì)松弛。否則，任何由彈性泡沫材料提供的保持力隨著時(shí)間的推移會(huì)減小，由此減小致動(dòng)負(fù)載(actuating load)。
在所述實(shí)施例中，力施加組件20用于將裸片微電子器件16裝載到具有散熱片的散熱裝置中以在后者之間保持均勻的熱界面。因此，裸片28能夠以受控制方式裝載以與散熱片基座部分緊密接觸，且具有足夠的力以保持均勻接觸而防止在裝載中破碎或損壞。結(jié)果，僅需要單個(gè)熱界面用于以可靠方式傳熱。
在示例實(shí)施例中，力施加組件20實(shí)質(zhì)上包括絕緣體襯底或襯墊52、加固元件54、彈簧板56和襯套58、泡沫襯底或襯墊60和致動(dòng)部件62如螺栓62。
絕緣體襯底或襯墊52可以由薄的彈性材料制成，該彈性材料夾在印刷電路板18的底表面和彈簧板56之間。絕緣體襯墊52用于保護(hù)電路板18。絕緣體襯墊52具有用于元件如電容器的開(kāi)口，該元件安裝在印刷電路板上。絕緣體襯墊52具有用于使得安裝柱穿過(guò)的開(kāi)口。對(duì)于絕緣體襯墊52，本發(fā)明采用彈性可變形材料，如聚碳酸酯基Lexan，其可以從GeneralElectric購(gòu)買。明顯地，可以使用其它適當(dāng)?shù)膹椥钥勺冃尾牧?，如高密度彈性體或非導(dǎo)電金屬，以及那些正在開(kāi)發(fā)的材料。
加固元件54可以位于絕緣體襯墊52下面。致動(dòng)部件62直接作用在加固元件54上以傳輸力施加組件20的裝載力。加固元件54可以是具有至少裸片28尺寸的金屬板，并由適當(dāng)剛性和導(dǎo)熱性材料如鋁或鋼制成。襯墊64插在絕緣體襯墊52和彈簧板56之間。襯墊64由彈性材料制成，該材料使得它們控制印刷電路板的傾斜，以保持后者在裝載期間相對(duì)平坦的方式。選作襯墊64的材料優(yōu)選應(yīng)當(dāng)在裝載期間在初始?jí)嚎s后隨著時(shí)間的過(guò)去不會(huì)松弛。否則，由彈性泡沫材料提供的保持力隨著時(shí)間的推移減小，由此減小致動(dòng)負(fù)載。這也最小化了隨著時(shí)間的推移熱界面故障的發(fā)生。在示例性實(shí)施例中，襯墊64可以由高密度、低蠕變泡沫等制成。該泡沫的一個(gè)示例性實(shí)施例是Minneapolis，MN的Roger公司制造的Pureon 800。明顯地，其它實(shí)施例可以采用其它類型的材料。
彈簧板56由提供可調(diào)節(jié)夾緊力的可偏斜板制成。當(dāng)彈簧板56如所述那樣放置時(shí)，彈簧板56將加固元件54偏壓在絕緣體襯墊52和印刷電路板18上。在這種情況下，襯套58安裝在彈簧板56的中心并螺旋地連接到致動(dòng)部件62。響應(yīng)于以已知方式旋轉(zhuǎn)的致動(dòng)部件62，彈簧板56會(huì)向上彎曲，如附圖中所示。致動(dòng)部件62螺旋地連接到計(jì)算機(jī)殼體組件24并可以由使用者從外部致動(dòng)?？梢灾聞?dòng)彈簧板56以提供足夠的負(fù)載水平以在熱界面50處保持牢固的接合。在本發(fā)明中，使用大約三十五(35)磅的裝載力。盡管公開(kāi)了單個(gè)彈簧片和負(fù)載致動(dòng)器件，本發(fā)明并不局限與此。依賴于涉及的材料和環(huán)境，當(dāng)然可以使用其它的力水平用于在熱界面50處形成好的傳熱。
彈性泡沫襯底或襯墊60優(yōu)選由與插在殼體組件和彈簧板之間的襯墊相同的材料制成。彈性泡沫襯底或襯墊60支持彈簧板的裝載。選作彈性泡沫襯底或襯墊60的材料應(yīng)當(dāng)在裝載期間在初始?jí)嚎s后隨著時(shí)間的過(guò)去不會(huì)松弛。否則，由彈性泡沫材料提供的保持力隨著時(shí)間的推移會(huì)減小，由此減小致動(dòng)負(fù)載。這也最小化了隨著時(shí)間的推移熱界面故障的發(fā)生。
現(xiàn)在參考圖3，圖3用于說(shuō)明在裸片微電子器件和散熱片組件之間的單個(gè)熱界面50。熱界面材料70提供了到散熱片的好的熱通路。許多類型的材料可用作熱界面材料70，如熱油脂70。可以使用任何合適的熱油脂。對(duì)于熱界面材料的可選擇實(shí)施例包括熱襯墊、環(huán)氧樹(shù)脂、相變材料(如石蠟或聚合物)和彈性體。熱界面材料70可以包括具有高導(dǎo)熱性的細(xì)金屬粉末。在示例性實(shí)施例中，熱界面材料70可以是2密耳厚。
半導(dǎo)體裸片28的底表面通過(guò)適當(dāng)?shù)谋砻姘惭b組件如陶瓷球柵陣列組件74直接安裝在陶瓷介質(zhì)襯底72上。陶瓷球柵陣列組件74可以包括細(xì)間距焊球柵，如對(duì)于約52mm乘52mm的面積約1574個(gè)球的數(shù)量級(jí)。也可以使用其它表面安裝技術(shù)替代球柵陣列組件。優(yōu)選地，本發(fā)明使用了插在球柵陣列組件74中的粘性填充材料76。粘性填充材料76用于當(dāng)施加的裝載力達(dá)到焊球不需要地變形的程度時(shí)阻止或防止焊球接地。粘性填充材料76也用于通過(guò)消除在球柵陣列組件空隙中的空氣空隙來(lái)提高傳熱。所選擇的粘性填充材料優(yōu)選地可以阻止壓縮力的釋放，該壓縮力推動(dòng)裸片在熱界面50處與散熱片接合。并且，粘性填充材料76也可以包括一些金屬粉末，如鋁。這樣做是為了用作附加熱通路。在示例性實(shí)施例中，粘性填充材料優(yōu)選為環(huán)氧樹(shù)脂粘結(jié)劑。在這個(gè)實(shí)施例中，可以使用環(huán)氧樹(shù)脂粘結(jié)劑如Hysol FP6110，其可以從Loctite公司購(gòu)買。當(dāng)然也可以采用其它粘結(jié)劑填充材料。
陶瓷介質(zhì)襯底72又安裝在陶瓷球柵陣列組件78上。陶瓷球柵陣列組件78又以已知方式表面安裝在印刷電路板18上。陶瓷球柵陣列組件78可以具有用作粘結(jié)劑的粘性填充材料80；類似于上述的粘性填充材料76的方式。粘性填充材料80優(yōu)選地用于阻止壓縮力的釋放，該壓縮力推動(dòng)裸片在熱界面50處與散熱片接合。
在上述結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，傳熱操作的效果是顯而易見(jiàn)的。然而，對(duì)于該公開(kāi)的補(bǔ)充，本發(fā)明提供了一種將熱從裸片微電子器件傳到散熱片組件的方法，包括以下步驟獨(dú)立于裸片微電子器件支撐散熱片組件；以及在受控力下推動(dòng)裸片微電子器件的表面以在與散熱片組件的熱界面處形成直接傳熱關(guān)系。在優(yōu)選實(shí)施例中，通過(guò)在裸片微電子器件和散熱片組件之間的熱界面處放置熱界面材料而增強(qiáng)了本工藝。并且，所述推動(dòng)步驟包括力施加裝置，所述力施加裝置可致動(dòng)以將所述受控力傳送到所述裸片微電子器件以推動(dòng)后者與所述散熱片組件形成傳熱關(guān)系。
這里所述的實(shí)施例和例子最好地解釋了本發(fā)明及其實(shí)際應(yīng)用，并且由此使得本領(lǐng)域的技術(shù)人員使用本發(fā)明。然而，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到上述說(shuō)明和例子僅用于說(shuō)明和舉例的目的。所述說(shuō)明書并不旨在窮舉或限制本發(fā)明到所公開(kāi)的精確形式中。為了清楚起見(jiàn)，使用了附圖和特定術(shù)語(yǔ)說(shuō)明了上述優(yōu)選實(shí)施例。然而，本發(fā)明并不旨在限于所選擇的特定術(shù)語(yǔ)。可以理解每個(gè)特定術(shù)語(yǔ)包括為了實(shí)現(xiàn)相同目的以相同方式工作的所有技術(shù)等同物和正在開(kāi)發(fā)的等同物。根據(jù)上述技術(shù)在不脫離所附權(quán)利要求的精神和范圍的情況下，可以作出許多修改和變化。
權(quán)利要求
1.一種裝置，包括裸片微電子器件；散熱片組件；散熱片安裝組件，用于獨(dú)立于所述裸片微電子器件安裝所述散熱片組件；以及力施加裝置，其在受控力下裝載所述裸片微電子器件的表面以在與所述散熱片組件的熱界面處形成直接傳熱關(guān)系。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，還包括在所述裸片微電子器件和散熱片組件之間的熱界面處設(shè)置熱界面材料以有效地傳熱。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，還包括將所述裸片微電子器件連接到印刷板的第一表面的表面安裝組件。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的裝置，其中所述力施加裝置將所述受控力傳送到所述印刷板的與所述第一表面相反的第二表面。
5.根據(jù)權(quán)利要求3的裝置，其中所述表面安裝組件包括第一球柵陣列組件。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的裝置，還包括設(shè)置在所述第一球柵陣列組件中的第一填充材料，所述第一填充材料用于填充空氣空隙并將所述第一球柵陣列組件粘性連接到所述印刷板。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的裝置，其中所述第一填充材料基本上減小或消除在隨后壓縮裝載所述第一球柵陣列組件時(shí)的松弛。
8.根據(jù)權(quán)利要求5的裝置，其中所述裸片微電子器件包括安裝在介質(zhì)部件上的硅裸片；第二球柵陣列組件將所述硅裸片安裝在所述介質(zhì)部件上；以及設(shè)置在所述第二球柵陣列組件中的第二填充材料，所述第二填充材料用于填充其中的空氣空隙，其中所述第二球柵陣列組件的所述填充材料基本上減小或消除在隨后壓縮裝載所述第二球柵陣列組件時(shí)的松弛。
9.根據(jù)權(quán)利要求3的裝置，其中所述散熱片安裝組件包括安裝固定部件，所述安裝固定部件將所述散熱片組件固定在支撐結(jié)構(gòu)上，以及多個(gè)彈性可變形襯墊插在所述印刷板和所述安裝固定部件之間。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中所述力施加裝置包括至少一個(gè)彈簧部件，所述彈簧部件通過(guò)用于施加所述受控力的致動(dòng)部件致動(dòng)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的裝置，其中所述力施加裝置包括插在所述致動(dòng)部件和所述印刷板之間的加固元件。
12.一種將熱從裸片微電子器件傳到散熱片組件的方法，包括以下步驟獨(dú)立于裸片微電子器件支撐散熱片組件；以及在受控力下推動(dòng)裸片微電子器件的表面以在與散熱片組件的熱界面處形成直接傳熱關(guān)系。
13.根據(jù)如權(quán)利要求12的方法，還包括將熱界面材料設(shè)置在所述裸片微電子器件和散熱片組件之間的熱界面處。
14.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中所述推動(dòng)步驟包括力施加裝置，所述力施加裝置可致動(dòng)以將所述受控力傳送到所述裸片微電子器件，以推動(dòng)后者與所述散熱片組件形成傳熱關(guān)系。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的方法，還包括通過(guò)表面安裝組件將所述裸片微電子器件支撐在印刷板上。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其中所述力施加裝置將所述受控力傳送到所述印刷板的與在其上安裝所述裸片微電子器件的表面相反的表面。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中所述通過(guò)表面安裝組件支撐所述裸片微電子器件的步驟包括使用第一球柵陣列組件。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，還包括在所述球柵陣列組件中提供填充材料，所述填充材料用于填充任何空氣空隙并將所述第一球柵陣列組件粘性連接到所述印刷板。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的方法，還包括提供填充材料，所述填充材料最小化或消除在隨后壓縮裝載所述第一球柵陣列組件時(shí)的松弛。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的方法，還包括給所述裸片微電子器件提供安裝在介質(zhì)部件上的硅裸片；第二球柵陣列組件將所述硅裸片安裝在所述介質(zhì)部件上；以及在所述第二球柵陣列組件中的填充材料，所述填充材料將所述硅裸片連接在所述介質(zhì)部件上并用于填充其中的空氣空隙，以及基本上減小或消除在隨后壓縮裝載所述第二球柵陣列組件時(shí)的松弛。
21.根據(jù)權(quán)利要求20的方法，其中所述支撐所述散熱片組件的步驟包括提供安裝固定部件，所述安裝固定部件將所述散熱片組件固定在支撐結(jié)構(gòu)上，并進(jìn)一步通過(guò)插在所述印刷板和安裝固定部件之間的多個(gè)彈性可變形襯墊支撐所述散熱片組件。
22.一種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，包括計(jì)算機(jī)殼體組件；安裝在所述計(jì)算機(jī)殼體組件中的印刷板；安裝在所述印刷板上的裸片微電子器件；散熱片組件；散熱片安裝組件，用于獨(dú)立于所述裸片微電子器件在所述計(jì)算機(jī)殼體組件上安裝所述散熱片組件；以及力施加裝置，其在受控力下裝載所述裸片微電子器件的表面以在與所述散熱片組件的熱界面處形成直接傳熱關(guān)系。
全文摘要
裝置和方法包括使用裸片微電子器件；散熱片組件；散熱片安裝組件，用于獨(dú)立于所述裸片微電子器件安裝所述散熱片組件；以及力施加裝置，其在受控力下壓縮裝載所述裸片的表面以在與所述散熱片組件的熱界面處形成直接傳熱關(guān)系。
文檔編號(hào)G12B15/06GK1791321SQ20051012915
公開(kāi)日2006年6月21日 申請(qǐng)日期2005年11月14日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月15日
發(fā)明者J·L·科爾伯特, J·C·羅杰斯, A·K·辛哈 申請(qǐng)人:國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司