專利名稱：用于減小熱阻的熱界面材料及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本文所述的主題主要涉及熱界面材料，并且更具體地涉及用于減小電路卡組件 (CCA)與底架(chassis)之間的熱阻的熱界面材料。
背景技術(shù)：
設(shè)計(jì)成用以通過(guò)熱傳導(dǎo)的方式從CCA散熱的封殼，例如包含大功率裝置的那些組件，對(duì)于除去較高水平的熱而日益變得困難。這是因?yàn)樾陆_(kāi)發(fā)出的處理裝置通常包含更多電路且因此趨于產(chǎn)生更高的熱負(fù)載，或因?yàn)闃?gòu)件較小，因此容許CCA包含更多構(gòu)件，從而增加了每個(gè)CCA所產(chǎn)生的熱量。多種系統(tǒng)已設(shè)計(jì)成通過(guò)板保持件將CCA的熱界面的相對(duì)邊緣壓到用作熱沉的底架上以便帶走由熱界面相對(duì)側(cè)上的CCA構(gòu)件所產(chǎn)生的熱。然而，目前CCA與底架之間的熱界面是金屬對(duì)金屬的，而在兩種金屬之間并無(wú)熱中間材料。金屬對(duì)金屬的界面在熱學(xué)性質(zhì)方面較差，其中從CCA的熱界面到底架的冷壁的典型溫差(ΔΤ)為大約10°C。盡管在CCA 瓦數(shù)較低的情況下金屬對(duì)金屬的界面可能足夠，但新的CCA設(shè)計(jì)隨著電子裝置變得更小和 /或以較高速度操作，逐漸地耗散更多熱，致使金屬對(duì)金屬的界面不再適合。因此，熱的可傳遞性受到破壞或不充分，且在其中使用它們的電子裝置的性能受到不利地影響。

發(fā)明內(nèi)容
一方面，提供了一種熱界面。該熱界面材料包括具有第一表面和相反的第二表面的導(dǎo)熱金屬、聯(lián)接到導(dǎo)熱金屬的第一表面和導(dǎo)熱金屬的第二表面上的擴(kuò)散阻隔板，以及聯(lián)接到擴(kuò)散阻隔板上的熱阻減小層。另一方面，提供了一種系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括電路卡組件，以及包括具有上表面和下表面的槽口的殼體。槽口構(gòu)造成用以將電路卡組件收納在上表面與下表面之間。墊片構(gòu)造成用以減小熱阻。該墊片聯(lián)接在電路卡組件與槽口上表面之間。板保持件將墊片固定在電路卡組件與槽口上表面之間。又一方面，提供了一種形成熱界面材料的方法。該方法包括提供銅層、在銅層上提供鎳層，以及在鎳層上提供銦層。


下文參照附圖詳細(xì)描述了本公開(kāi)內(nèi)容。圖1示出了定位在底架冷壁中的CCA的截面端視圖。圖2為沿圖4中截面線2-2截取的示例性熱界面材料的截面視圖。圖3為備選熱界面材料的截面視圖。圖4和圖5示例性地示出了將粘合劑施加到熱界面材料上。圖6為形成熱界面材料的示例性過(guò)程的流程圖。圖7示出了由銅箔框架蝕刻成的多個(gè)墊片。
零件清單IO2 底架104 冷壁106 冷壁108 槽口110上表面112下表面114楔形鎖116電路卡組件(CCA)117熱界面表面118上表面120TIM202導(dǎo)熱金屬204 第一表面206 第二表面208第一擴(kuò)散阻隔板210第二擴(kuò)散阻隔板212第一熱阻減小層214第二熱阻減小層222粘合層224外表面500 過(guò)程502提供銅層504將電鍍鎳層提供在第一銅層表面上和相反的第二銅層表面上506將電鍍銦層提供在電鍍鎳層上602 墊片604 框架606 接頭(tab)
具體實(shí)施例方式盡管本公開(kāi)內(nèi)容描述了電路卡組件(CCA)與底架之間的熱界面材料(TIM)，但本公開(kāi)內(nèi)容的方面可利用執(zhí)行本文所示和所述的功能性的任何設(shè)備或其等同物操作。例如而不限于，本文所述的TIM可置于電源單元與基板之間、底架與冷卻翅片之間、底架與基板之間，等等。CCA與底架之間的當(dāng)前熱界面是金屬對(duì)金屬的，且不包括位于兩金屬之間的TIM。 然而，如上文所述，在總體CCA瓦數(shù)較低的情況下，金屬對(duì)金屬的界面可能足夠。使用變得更小和/或以較高速度操作的電子裝置的新型CCA設(shè)計(jì)放出更多的能量和熱，致使金屬對(duì)金屬的界面不再適合。例如，高性能傳導(dǎo)冷卻的CCA期望在冷壁界面處以85°C的溫度連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)(通常，處理器制造商指定105°C的結(jié)區(qū)溫度上限)。這在處理器與冷壁熱界面之間留下20°C的溫差(ΔΤ)。在兩個(gè)CCA金屬對(duì)金屬的界面中的一個(gè)上具有40瓦負(fù)載的常規(guī)CCA 的試驗(yàn)導(dǎo)致產(chǎn)生跨過(guò)金屬對(duì)金屬界面為7. 9°C的ΔΤ。這給予了跨過(guò)界面的大致0.2°C/W 的熱阻。因此，具有160瓦(80瓦/界面)的最大負(fù)載的CCA將提高八1~至大約161，這可能有問(wèn)題。然而，不同于例如包括位于CCA與底架之間的金屬對(duì)金屬的界面且僅在CCA瓦數(shù)有限的情況下才足夠的常規(guī)系統(tǒng)，本文所述的TIM將界面處的熱阻減小到至少1/10，且因此可應(yīng)用于負(fù)載小于20瓦的CCA上，以及負(fù)載大于160瓦的CCA上?，F(xiàn)在參看圖1，示出了用于CCA的殼體(例如，底架102)的端視圖。底架102包括冷壁104和106，它們形成沿冷壁104和106長(zhǎng)度延伸的槽口 108。槽口 108具有上表面 110 (例如，冷壁104的底面)和下表面112 (例如，冷壁106的上表面)。板保持件或諸如楔形鎖114的任何其它適合的固定機(jī)構(gòu)聯(lián)接在冷壁104和106之間，且抵靠下表面112。CCA 116，且更具體而言是CCA 116的熱界面表面117，置于楔形鎖114的上表面118與槽口 108 的上表面110之間。構(gòu)造成用以減小熱阻的TIM 120(例如，墊片)聯(lián)接在熱界面表面117 與槽口 108的上表面110之間。熱界面表面117和TIM 120在槽口 108的上表面110與楔形鎖114的上表面118之間受壓縮。如下文更為詳細(xì)描述的那樣，TIM 120包括多層。在一些實(shí)施例中，多層中的各層均可包括兩層或多層。在一些實(shí)施例中，楔形鎖114為機(jī)械緊固件，該機(jī)械緊固件設(shè)計(jì)成經(jīng)由多個(gè)單獨(dú)的楔形件(未示出)通過(guò)擴(kuò)張和在CCA 116與冷壁106的上表面110之間施加接觸壓力而將CCA 116和TIM 120固定在槽口 108中。例如，楔形鎖114通過(guò)使用擴(kuò)張螺釘(或可調(diào)螺釘，未示出)使多個(gè)楔形件擴(kuò)張并促使壓力施加到CCA 116與槽口 108的上表面110之間而將CCA 116和TIM 120固定在槽口 108中。TIM 120在兩個(gè)配合表面(也即熱界面表面117和槽口 108的上表面110)之間順應(yīng)，并擁有低體積熱阻和低接觸阻力。如下文將更為詳細(xì)描述的那樣，為了優(yōu)化熱性能， TIM 120包括界面材料和/或界面層(例如，銦)，并能夠順應(yīng)非平坦表面且從而降低了接觸阻力。TIM 120還擁有高導(dǎo)熱率和高機(jī)械順應(yīng)性，從而在力施加到TIM 120上時(shí)產(chǎn)生彈性彎曲?，F(xiàn)在參看圖2，示出了示例性TIM(例如，TIM 120)的截面視圖。TIM 120包括具有第一表面204和相反的第二表面206的導(dǎo)熱金屬202，外接(例如，包繞)導(dǎo)熱金屬202 的擴(kuò)散阻隔板208，以及外接擴(kuò)散阻隔板208的熱阻減小層212。如上文所述，適合的TIM應(yīng)當(dāng)在兩個(gè)配合表面之間順應(yīng)，且擁有低體積熱阻和低接觸阻力。因此，熱阻減小層212包括順應(yīng)性金屬，例如銦。然而，由于銦的柔軟性，故TIM 120層合有其它金屬以提供更為堅(jiān)固的TIM，同時(shí)保持傳導(dǎo)率。例如，諸如銅的導(dǎo)熱金屬202 提供為加強(qiáng)件，其使TIM 120能夠保持更為堅(jiān)固的形態(tài)。然而，由于銅和銦的擴(kuò)散性，故用作擴(kuò)散阻隔物的鍍鎳(例如，擴(kuò)散阻隔板208)提供在導(dǎo)熱金屬202(例如，銅層)與熱阻減小層212(例如，銦層)之間。在一些實(shí)施例中，熱阻減小層212具有大約25微米(μ m)的厚度，導(dǎo)熱金屬具有大約25 μ m厚至大約75 μ m的厚度，以及擴(kuò)散阻隔板208具有大約1 μ m至大約3 μ m的厚度?，F(xiàn)在參看圖3，示出了備選的TIM 320。TIM 320包括聯(lián)接到第一擴(kuò)散阻隔板308 上的第一熱阻減小層312，以及聯(lián)接到第二擴(kuò)散阻隔板310上的第二熱阻減小層314。在該實(shí)施例中，第一熱阻減小層312和第二熱阻減小層314由導(dǎo)熱金屬202、第一擴(kuò)散阻隔板 308和第二擴(kuò)散阻隔板310隔開(kāi)。在一些實(shí)施例中，粘合層222施加到TIM 120的至少一個(gè)外表面2 上。然而， 粘合劑的完整表面層可阻止熱流穿過(guò)TIM 120，且因此增大TIM 120的熱阻。因此，粘合層 222可如圖4中所示那樣以條紋圖案施加到TIM 120上，或以如圖5中所示那樣以陣列/網(wǎng)格圖案施加到TIM 120上。此外，太厚的粘合層會(huì)妨礙TIM 120適當(dāng)?shù)仨槕?yīng)CCA 116的熱界面表面117或冷壁106的上表面110。因此，在一些實(shí)施例中，粘合層222包括具有大約 5 μ m至大約25 μ m的厚度的粘合劑層。在一些實(shí)施例中，在TIM 120通過(guò)楔形鎖114固定在CCA 116與冷壁106的上表面110之間以前，粘合層222用于將TIM 120暫時(shí)地附接到熱界面表面117上。此外，由于粘合層222為犧牲性的，故粘合層222包括低粘性的粘合劑，該粘合劑能使TIM 120容易地從CCA 116和冷壁106的上表面110除去，保持熱界面表面117清潔以便更換TIM?，F(xiàn)參看圖6，示出了形成TIM的示例性過(guò)程的流程圖，該過(guò)程總體上稱為過(guò)程500。 過(guò)程500包括在502提供銅層、在504將電鍍鎳層提供到銅層上，以及在506處將電鍍銦層提供到電鍍鎳層上。在一些實(shí)施例中，電鍍鎳層提供成使得電鍍鎳層外接銅層。在另外的實(shí)施例中，電鍍銦層提供成使得電鍍銦層外接電鍍鎳層。在其它實(shí)施例中，第一電鍍鎳層提供在第一銅層表面上，以及第二電鍍鎳層提供在銅層的相反的第二側(cè)上。在其它實(shí)施例中， 第一電鍍銦層提供在第一電鍍鎳層上，以及第二電鍍銦層提供在第二電鍍鎳層上，其中，第一電鍍銦層和第二電鍍銦層中的各個(gè)均由第一電鍍鎳層、銅層和第二電鍍鎳層隔開(kāi)。在一些實(shí)施例中，多個(gè)墊片602例如由37. 5μπι的銅箔化學(xué)地蝕刻，且通過(guò)接頭 606(見(jiàn)圖7)保持在框架604中。因此，通過(guò)簡(jiǎn)單地改變影像機(jī)件(photowork)可容易地提供形狀、尺寸和孔。墊片602還可進(jìn)行激光切割，使得形狀、尺寸和孔能夠通過(guò)軟件改變。 在蝕刻墊片602之后，預(yù)處理框架604以便電鍍。鎳層(例如，大約3 μ m厚)電鍍到墊片 602的所有表面上，以便用作銅與銦之間的阻隔物，因?yàn)殂熑菀讛U(kuò)散到銅中，導(dǎo)致產(chǎn)生硬的脆性合金。接下來(lái)，銦層(例如，大約25μπι至大約30μπι厚)電鍍到鎳阻隔物上。接下來(lái)，粘合層222可施加到多個(gè)墊片602的至少一側(cè)上。粘性的粘合劑可以卷筒形式加到襯底片上，且因此，粘合劑可激光切割以產(chǎn)生條紋圖案或陣列/網(wǎng)格圖案(如分別在圖4和圖5中所示)，或?qū)雍显谡承哉澈蟿┑木硗采系谋⊙谀た汕懈疃冻鲫嚵?網(wǎng)格圖案或條紋圖案。粘合層通過(guò)手置于多個(gè)墊片602中的各個(gè)上，其中，襯底片保持就位以保護(hù)粘性粘合劑。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到如果數(shù)量允許的話，該過(guò)程可為自動(dòng)的。 最后，多個(gè)墊片602可保持在框架604上，或按需要切掉。本書面說(shuō)明使用了包括最佳模式的實(shí)例來(lái)公開(kāi)本發(fā)明，且還使本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能夠?qū)嵤┍景l(fā)明，包括制作和使用任何裝置或系統(tǒng)以及執(zhí)行任何所結(jié)合的方法。本發(fā)明可取得專利的范圍由權(quán)利要求限定，并且可包括本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員所構(gòu)思出的其它實(shí)例。如果這些其它實(shí)例具有與權(quán)利要求的文字語(yǔ)言并無(wú)不同的結(jié)構(gòu)元件，或者如果這些其它實(shí)例包括與權(quán)利要求的文字語(yǔ)言無(wú)實(shí)質(zhì)差異的同等結(jié)構(gòu)元件，則認(rèn)為這些實(shí)例處在權(quán)利要求的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種熱界面材料(120)，包括具有第一表面(204)和相反的第二表面O06)的導(dǎo)熱金屬(202)；聯(lián)接到所述導(dǎo)熱金屬的第一表面上的第一擴(kuò)散阻隔板O08)；聯(lián)接到所述導(dǎo)熱金屬的第二表面上的第二擴(kuò)散阻隔板O10)；聯(lián)接到所述第一擴(kuò)散阻隔板上的第一熱阻減小層012)；以及聯(lián)接到所述第二擴(kuò)散阻隔板上的第二熱阻減小層014)，所述導(dǎo)熱金屬、所述第一擴(kuò)散阻隔板和所述第二擴(kuò)散阻隔板設(shè)置在所述第一熱阻減小層與所述第二熱阻減小層之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱界面材料(120)，其特征在于，所述第一熱阻減小層(212) 和所述第二熱阻減小層(214)包括順應(yīng)性金屬。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的熱界面材料(120)，其特征在于，所述順應(yīng)性金屬為銦。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱界面材料(120)，其特征在于，所述導(dǎo)熱金屬為銅。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱界面材料(120)，其特征在于，所述第一擴(kuò)散阻隔板(208) 和所述第二擴(kuò)散阻隔板O10)中的各個(gè)均包括鎳。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱界面材料(120)，其特征在于，所述第一熱阻減小層(212) 和所述第二熱阻減小層014)中的各個(gè)均具有大約25 μ m的厚度。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱界面材料(120)，其特征在于，所述導(dǎo)熱金屬(20 具有大約25 μ m厚到大約75 μ m的厚度。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱界面材料(120)，其特征在于，所述第一擴(kuò)散阻隔板(208) 和所述第二擴(kuò)散阻隔板層O10)中的各個(gè)均具有大約Iym至大約3 μπι的厚度。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱界面材料(120)，其特征在于，所述熱界面材料(120)還包括粘合層022)，所述粘合層(22 聯(lián)接到所述第一熱阻減小層(21 和所述第二熱阻減小層(214)中的一個(gè)上，使得所述粘合層設(shè)置在所述熱界面材料的外表面(224)上。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的熱界面材料(120)，其特征在于，所述粘合層022)以陣列圖案、網(wǎng)格圖案和條紋圖案中的至少一種而設(shè)置在所述熱界面材料的外表面(224)上。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于減小熱阻的熱界面材料及其制造方法。具體而言，一種熱界面材料(120)包括具有第一表面(204)和相反的第二表面(206)的導(dǎo)熱金屬(202)、聯(lián)接到導(dǎo)熱金屬的第一表面上的第一擴(kuò)散阻隔板(208)、聯(lián)接到導(dǎo)熱金屬的第二表面上的第二擴(kuò)散阻隔板(210)、聯(lián)接到第一擴(kuò)散阻隔板上的第一熱阻減小層(212)，以及聯(lián)接到第二擴(kuò)散阻隔板上的第二熱阻減小層(214)，導(dǎo)熱金屬、第一擴(kuò)散阻隔板以及第二擴(kuò)散阻隔板設(shè)置在第一熱阻減小層與第二熱阻減小層之間。
文檔編號(hào)H05K7/20GK102413666SQ20111028276
公開(kāi)日2012年4月11日 申請(qǐng)日期2011年9月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月10日
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