專利名稱：散熱器和熱擴(kuò)散器組件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于微電子部件例如計(jì)算機(jī)CPU、GPU、和其它發(fā)熱裝置的熱排出的一種散熱器組件和一種熱擴(kuò)散器組件。
背景技術(shù)：
對(duì)于電子部件和電子裝置小型化的需要明顯地提高了熱通量的要求，以便使得部件溫度保持在較低的水平從而防止它們出現(xiàn)故障。為了實(shí)現(xiàn)從電子部件和/或電子裝置排出熱量，通常的是將熱排散裝置例如散熱器和/或熱管模塊裝接到電子部件和/或電子裝置的表面上，或者將熱擴(kuò)散器固定到熱源上。常規(guī)的散熱器包括導(dǎo)熱的基部件，以便通過熱傳導(dǎo)從電子部件排出熱量，還包括適當(dāng)?shù)挠布詫?shí)現(xiàn)傳遞的熱量通常借助對(duì)流和輻射傳導(dǎo)到大氣環(huán)境中。用于傳遞熱量的硬件通常使用翅片，并且可包括通過對(duì)流提高傳熱的風(fēng)扇。
熱擴(kuò)散器是散熱的導(dǎo)熱件，其直接安裝到發(fā)熱裝置上，并且可與散熱器組合使用，以便從電子部件和/或電子裝置排出熱量。
對(duì)于傳熱的進(jìn)一步改進(jìn)可這樣來實(shí)現(xiàn)，即通過使用設(shè)置在熱源與散熱器之間的高導(dǎo)熱性的順應(yīng)性界面材料從而調(diào)節(jié)總是出現(xiàn)在這些表面之間的形狀缺陷和間隙。然而，這些改進(jìn)本身不能充分地滿足小型化的微電子部件的現(xiàn)今和將來的熱通量要求。盡管可通過在散熱器硬件與熱源之間施加壓力來進(jìn)一步提高傳熱，但是施加大的壓力將導(dǎo)致不希望的應(yīng)力從而形成損壞。

發(fā)明內(nèi)容
依據(jù)本發(fā)明提供了散熱器和熱擴(kuò)散器組件，以便明顯地降低散熱器的基部件與熱源之間和/或熱擴(kuò)散器與散熱器之間的接觸熱阻。
本發(fā)明的散熱器組件，其包括固體的導(dǎo)熱的基部件和接合到該固體的導(dǎo)熱的基部件的至少一個(gè)表面上的具有相變特性的低熔點(diǎn)合金層，以便在其間形成焊接聯(lián)接部分，其具有0.0001-0.020英寸的厚度并且具有的成分大致由該低熔點(diǎn)合金構(gòu)成，其中該焊接聯(lián)接部分適于直接裝接到電子熱源上。在優(yōu)選的結(jié)構(gòu)中，該焊接聯(lián)接部分從散熱器的基部件突伸并且形成用于裝接到熱源上的相對(duì)平的表面。該散熱器組件還包括設(shè)置在該焊接聯(lián)接部分之上的密封材料或O形環(huán)，以便形成“壩”，其用于當(dāng)該焊接聯(lián)接部分裝接到電子熱源上時(shí)使得該焊接聯(lián)接部分與大氣環(huán)境隔離，并且用于防止金屬合金在被加熱到該低熔點(diǎn)合金的熔點(diǎn)或熔點(diǎn)之上之后擴(kuò)展到該壩的外側(cè)。
本發(fā)明的熱擴(kuò)散器組件，其包括固體的導(dǎo)熱件，其具有兩個(gè)相對(duì)的相對(duì)平的表面，還包括接合到所述平表面中的至少一個(gè)表面上的具有相變特性的低熔點(diǎn)合金層，以便在其間形成焊接聯(lián)接部分，其具有0.0001-0.020英寸的厚度并且具有的成分大致由該低熔點(diǎn)合金構(gòu)成，其中該焊接聯(lián)接部分形成在熱擴(kuò)散器的表面上，以便形成適于直接裝接到散熱器上的表面。


參照對(duì)優(yōu)選實(shí)施例的下列描述并結(jié)合附圖，可以更好地理解本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和特征，在附圖中圖1是散熱器組件的截面圖，其中依據(jù)本發(fā)明的LMA合金的焊接聯(lián)接部分形成在一個(gè)表面上；圖2是圖1所示的散熱器組件的截面圖，其中當(dāng)裝接到CPU上時(shí)O形環(huán)用于隔離LMA合金的焊接聯(lián)接部分；圖3是本發(fā)明的裝接到CPU封裝件上的散熱器組件的截面圖，其中柔性墊片用于隔離LMA合金的焊接聯(lián)接部分；圖4是熱擴(kuò)散器組件的截面圖，其中依據(jù)本發(fā)明的裝接到CPU封裝件上的LMA合金的焊接聯(lián)接部分形成在一個(gè)表面上；和圖5是圖4所示的熱擴(kuò)散器的截面圖，其中當(dāng)裝接到散熱器上時(shí)其變型成接納O形環(huán)，以便隔離LMA合金的焊接聯(lián)接部分。
具體實(shí)施例方式
圖1-3所示的本發(fā)明的散熱器組件包括基部件10，該基部件包括由高導(dǎo)熱性的材料制成的固體主體和多個(gè)從其延伸的翅片12，該高導(dǎo)熱性的材料可以是金屬或非金屬，優(yōu)選為例如銅或鋁的金屬。該基部件10具有相對(duì)平的平表面13，其適于通過使用常規(guī)(未示出的)固定裝置從而裝接到微電子部件或CPU封裝件14的外表面上，例如使用彈簧夾從而將基部件10固定到CPU封裝件14上。
低熔點(diǎn)合金(以下稱為“LMA”)在足以形成如圖1-3所示的焊接聯(lián)接部分15的提高的溫度下接合到固體的基部件10的平表面13上，該焊接聯(lián)接部分與基部件10的表面13平齊，或者從其突伸出來，或凹進(jìn)到基部件10中。焊接聯(lián)接部分15應(yīng)當(dāng)構(gòu)造成大致由LMA合金成分構(gòu)成的主體，并且具有0.0001-0.020英寸的厚度，并且所暴露的平滑的相對(duì)平的表面限定的表面面積優(yōu)選為小于裝接到其上的微電子部件、熱擴(kuò)散器、或CPU14的外表面的表面面積。重要的是，焊接聯(lián)接部分15代表了一層與其一樣薄的LMA合金，這在制造和成本角度來看是實(shí)用的，這是因?yàn)長(zhǎng)MA層的熱阻與其厚度成比例。
LMA合金應(yīng)由具有相變特性的材料成分構(gòu)成，該相變特性的特征在于，粘度是隨溫度變化的，LMA合金材料在室溫時(shí)是固體，但是當(dāng)溫度高于室溫時(shí)其變軟即開始熔化。對(duì)于本發(fā)明而言，LMA合金成分應(yīng)具有小于157℃的熔點(diǎn)。本發(fā)明的優(yōu)選的LMA合金應(yīng)是從以下元素組中選擇的材料成分，該組包括銦、鉍、錫、鉛、鎘、鎵、鋅、銀、及其組合物。本發(fā)明的最佳的LMA合金成分包括至少10-80wt％(重量百分比)的銦和20-50wt％的鉍，其中其余(若有的話)的是從上述元素組中選擇的。一個(gè)適當(dāng)?shù)腖MA合金成分的示例包括51wt％的銦、16.5wt％的錫、和大約32.5wt％的鉍。該成分在大約61℃時(shí)熔化。
在將LMA成分接合到散熱器的基部10的平表面13上以便形成焊接聯(lián)接部分15之后，該焊接聯(lián)接部分可抵靠CPU封裝件14的外表面。當(dāng)CPU封裝件工作時(shí)，其溫度升高到室溫之上。當(dāng)溫度升高到LMA合金的熔點(diǎn)時(shí)，焊接聯(lián)接部分15的多余合金開始從在中間的焊接聯(lián)接部分流出或擴(kuò)散出去，以便覆蓋較大的表面面積，即延伸到該熱聯(lián)接的周邊外側(cè)的過大尺寸的區(qū)域。這使得熱源和散熱器彼此更靠近地移動(dòng)，以使僅僅足夠的LMA填充任何的間隙或缺陷并且形成非常薄的界面，其具有非常低的界面阻擋熱阻。
如果不排除空氣的話，低熔點(diǎn)合金成分容易隨時(shí)間氧化。LMA合金的氧化將降低其導(dǎo)熱性并降低其熱性能。通過使得LMA材料具有延伸到熱聯(lián)接的周邊外側(cè)的過大尺寸區(qū)域以便形成“壩”，從而可將這種可能性降低到最小程度。當(dāng)多余的合金從相對(duì)的表面之間擠壓出來時(shí)，只要其圍繞CPU封裝件14的周邊粘接到散熱器的基部件10上，壩可以自動(dòng)地形成。壩的作用是防止空氣(氧氣)進(jìn)入到界面區(qū)域中。
為了確保LMA合金在延伸超出焊接聯(lián)接部分15的周邊的區(qū)域中存在，基部件10應(yīng)當(dāng)經(jīng)過氧化物清理的處理，以便在焊接過程之前或之中除去存在的污物或任何薄膜，或通過用常規(guī)的焊劑處理該區(qū)域。
實(shí)質(zhì)上的阻擋可圍繞焊接的熱聯(lián)接部分15相似地形成，以便空氣從大氣環(huán)境進(jìn)入，否則這將促進(jìn)氧化。該阻擋在至少等于LMA合金的熔點(diǎn)的溫度時(shí)必須是有效的。形成實(shí)質(zhì)上的阻擋的密封可以以許多方式來實(shí)現(xiàn)，優(yōu)選為通過改變?nèi)鐖D2所示的散熱器的基部件10以形成圍繞焊接聯(lián)接部分15的周邊的環(huán)形凹槽16，以便容納所放置的軟橡膠O形環(huán)17。或者，軟橡膠O形環(huán)17可以在不形成凹槽16的情況下使用，或者可如圖3所示地使用設(shè)置在散熱器的基部件10與CPU封裝件14或其裝接的電路板之間的柔性分隔墊片18。該柔性分隔墊片18應(yīng)包圍焊接聯(lián)接部分15。應(yīng)當(dāng)指出，在散熱器和熱源之間形成的密封不是必須是完全氣密的。不容易透過密封傳遞空氣或氧氣的任何密封材料是可接受的，即使其允許空氣或氧氣緩慢地?cái)U(kuò)散。在后一種情況下，焊接的熱聯(lián)接的氧化率仍然明顯減慢。
O形環(huán)17的結(jié)構(gòu)可由O形環(huán)17的尺寸和成分來優(yōu)化，這可使得O形環(huán)17允許被擠壓直到其在被壓出之后至少與LMA合金的接合線一樣薄，以便使得熱阻減至最小。在這種情況下，O形環(huán)密封了基部件10與CPU封裝件14的相對(duì)表面(其作為CPU封裝件的蓋)之間的區(qū)域。應(yīng)當(dāng)注意，O形凹槽20較寬，以便適應(yīng)于O形環(huán)17擠壓成減至最小的接合線厚度。O形環(huán)17密封了CPU的裝配表面與散熱器組件的基部件10之間的空間。
在圖3所示的結(jié)構(gòu)中，柔性分隔墊片18是軟的、撓性的、易順從的有機(jī)材料，這有效地使得CPU封裝件14密封，以便與大氣環(huán)境中的連續(xù)供應(yīng)的新鮮空氣隔開。柔性分隔墊片18可以是預(yù)成形的密封材料或者是“在適當(dāng)位置成形”的密封材料。可接受的實(shí)現(xiàn)該密封材料的示例是軟的硅酮橡膠凝膠，例如Dow Corning Corporation的商標(biāo)產(chǎn)品“Silguard 527”。除了防止氧化之外，O形環(huán)17或軟的易順從的密封件18可用于防止任何壓出的合金從熱聯(lián)接部分中移出，并防止其移動(dòng)到電子系統(tǒng)的會(huì)導(dǎo)致電短路的其它區(qū)域中。
可使用如圖4、5所示的熱擴(kuò)散器25來代替如圖1-3所示的散熱器組件或與其組合使用。熱擴(kuò)散器25包括由高導(dǎo)熱性的材料例如銅或鋁制成的固體主體，其具有相對(duì)平的平表面33。LMA合金接合到平表面33上，以便形成焊接聯(lián)接部分35，該焊接聯(lián)接部分與表面33平齊，或者從其突伸出來，或凹進(jìn)到其中。焊接聯(lián)接部分35應(yīng)當(dāng)大致由LMA合金成分構(gòu)成，并且具有0.0001-0.020英寸的厚度。焊接聯(lián)接部分應(yīng)形成適于裝接到散熱器的基部上的暴露的相對(duì)平的表面。
本發(fā)明的散熱器組件和/或熱擴(kuò)散器的使用的有效性在以下的表1中示出了。
以下所示的表1示出了對(duì)于五個(gè)不同散熱器結(jié)構(gòu)的熱阻(第一列)，以便與本發(fā)明的散熱器組件(第四列表示)比較，其相對(duì)于僅作為箔插入件的設(shè)置在常規(guī)散熱器和熱源之間的相變材料的LMA合金(第三列)的熱阻和在銅芯的外表面上形成有LMA合金的三層相變材料(第二列)的熱阻。對(duì)于在第二到第四列中的每一列的三種熱聯(lián)接中每一種，通過設(shè)置在恒定功率的熱源附近并相對(duì)特定的散熱器結(jié)構(gòu)來確定相對(duì)的熱阻。
測(cè)量在熱源和散熱器的表面處的溫度，并且由溫度差和本發(fā)明的散熱器的功率來計(jì)算，本發(fā)明的散熱器的熱阻與其它的散熱器結(jié)構(gòu)的熱阻樂觀地估計(jì)大致低10倍。
表1

權(quán)利要求
1.一種散熱器組件，其包括由導(dǎo)熱性材料制成的固體基部件和接合到該固體基部件的至少一個(gè)表面上的具有相變特性的低熔點(diǎn)合金層，以便在其間形成焊接聯(lián)接部分，其具有0.0001-0.020英寸的厚度并且具有的成分大致由該低熔點(diǎn)合金構(gòu)成，其中該焊接聯(lián)接部分所具有的暴露的相對(duì)平的表面適于直接裝接到電子熱源上。
2.如權(quán)利要求1所述的散熱器組件，其特征在于，還包括用于形成密封的裝置，以便阻止空氣進(jìn)入該焊接聯(lián)接部分。
3.如權(quán)利要求2所述的散熱器組件，其特征在于，所述用于形成密封的裝置包括從一組包括O形環(huán)或柔性墊片中選擇的密封材料，該柔性墊片由有機(jī)成分的軟的、撓性的、易順從的材料制成。
4.如權(quán)利要求2所述的散熱器組件，其特征在于，該散熱器基部件包括圍繞該焊接聯(lián)接部分的周邊的環(huán)形凹槽，以便容納所述用于形成密封的裝置。
5.一種熱擴(kuò)散器組件，其包括由導(dǎo)熱性材料制成的固體件，其具有兩個(gè)相對(duì)的相對(duì)平的表面，還包括接合到所述平表面中的至少一個(gè)表面上的具有相變特性的低熔點(diǎn)合金層，以便在其間形成焊接聯(lián)接部分，其具有0.0001-0.020英寸的厚度并且具有的成分大致由該低熔點(diǎn)合金構(gòu)成，其中該焊接聯(lián)接部分所具有的暴露的相對(duì)平的表面適于直接裝接到散熱器上。
6.如權(quán)利要求5所述的熱擴(kuò)散器組件，其特征在于，還包括用于形成密封的裝置，以便阻止空氣進(jìn)入該焊接聯(lián)接部分。
7.如權(quán)利要求6所述的熱擴(kuò)散器組件，其特征在于，該固體件包括圍繞該焊接聯(lián)接部分的周邊的環(huán)形凹槽，以便容納所述用于形成密封的裝置。
全文摘要
一種散熱器和熱擴(kuò)散器組件，其包括由導(dǎo)熱性材料制成的固體件和接合到該固體件的至少一個(gè)表面上的具有相變特性的低熔點(diǎn)合金層，以便在其間形成焊接聯(lián)接部分，其具有0.0001－0.020英寸的厚度并且具有的成分大致由該低熔點(diǎn)合金構(gòu)成，其中該焊接聯(lián)接部分的所暴露的相對(duì)平的表面適于分別地直接裝接到電子熱源和散熱器上。
文檔編號(hào)G12B15/06GK1722945SQ20051000427
公開日2006年1月18日 申請(qǐng)日期2005年1月4日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月7日
發(fā)明者R·希爾, J·L·史特拉達(dá) 申請(qǐng)人:瑟瑪根公司