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
技術領域：
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算系統(tǒng)、高性能游戲系統(tǒng)和其它高性能微電子應用。
背景技術：
電子服務器和處理器在進行它們的工作時產生大量熱。先進高密度半導體系統(tǒng)已經增加了對它們進行熱管理的需求。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動高頻操作的功率產生熱。在某些情況下，幾乎所有這種功率作為熱量散發(fā)。隨著在更先進的芯片中產生更大的功率，產生了很大的散熱問題。在某些情況下，處理器在相對小的空間內消耗280瓦的功率而變得過熱。例如，隨著處理器裸片過熱，信號的定時特征會改變，由此導致處理器的間歇運行和可能的故障。因此，成功傳熱對于組件和系統(tǒng)按計劃運行極為重要。
一個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固的散熱器下面。散熱器不僅僅用作散熱，也用于保護裸片處理器。然而，這樣的散熱板會妨礙傳熱因為存在兩個熱界面；一個在裸片和散熱器之間；第二個在散熱器和散熱片之間。人們試圖從裸片經過一個熱界面直接傳熱。然而，在裸片很脆并相對易碎的情況下，直接在裸片上安裝散熱片在一定范圍內存在很大的潛在問題。
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，需要在可靠和經濟的方式下傳熱。

發(fā)明內容
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，其中不會產生負面效應并且克服了現(xiàn)有技術的許多缺點，所述組件特別適用于計算系統(tǒng)、高性能游戲系統(tǒng)和其它高性能微電子應用。
在說明的實施例中，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系。
在說明的實施例中，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系。
從優(yōu)選實施例的下面的詳細描述將會更全面地理解本發(fā)明的這些和其它特點和方面，應該參考附圖閱讀這些描述。應當理解前述概括性描述和下面的詳細描述都是示例性的，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。
具體實施例方式
圖1-3說明了根據本發(fā)明原理制造的傳熱組件10的一個優(yōu)選實施例。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如計算機服務器系統(tǒng)殼體組件24的計算系統(tǒng)22中。
裸片微電子器件16包括半導體裸片或包含半導體裸片28的芯片組件26。半導體裸片28包含微電子器件16的微電路。由于驅動高頻、邏輯電平轉換的功率，主要在這里產生熱。在優(yōu)選實施例中，裸半導體裸片28可以是如PowerPC的類型，其可以從Armonk、NY的國際商業(yè)機器公司購買。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可以由長方形棱鏡構成，該棱鏡具有足夠尺寸和熱導率以能夠在整個基座部分上均勻地從半導體裸片28有效地傳熱。實施例中采用了導熱材料，如鋁或銅。很明顯可以采用其它適當?shù)膶岵牧虾湍切┱陂_發(fā)的材料。鰭片部分32包括多個導熱鰭片34，它們能把熱從基座部分30傳到計算機系統(tǒng)殼體組件24中的空氣。在這種情況下，理想地導熱鰭片34由高導熱材料如銅制成。明顯地，可以使用其它合適的導熱材料和那些正在開發(fā)的材料。
印刷電路板18可以具有在殼體組件24內部通過適當結構(未示出)安裝的通常延長和薄的結構。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中的開口結合的安裝柱40，接線片42與散熱片組件基座整體形成。安裝柱40通過在印刷電路板18中的開口延伸并螺旋地固定在支座44的相應端，該支座由殼體組件24的底盤壁結構46支撐。通過固定安裝柱40，如通過旋轉它們，散熱片組件朝向裸片放置。因此，散熱片組件12通過底盤壁結構46直接安裝和支撐，并沒有直接安裝在裸片結構上。值得注意，除了將在下文中描述通過力施加組件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。對于通過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。結果，高效傳熱的同時裸片破碎或換句話說變得損壞的趨勢變得更小了。當利用安裝柱40來施加控制力時，本發(fā)明采用其它機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力。選作用于襯墊的材料應當在裝載期間在初始壓縮后隨著時間的過去不會松弛。否則，任何由彈性泡沫材料提供的保持力隨著時間的推移會減小，由此減小致動負載(actuating load)。
在所述實施例中，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。結果，僅需要單個熱界面用于以可靠方式傳熱。
在示例實施例中，力施加組件20實質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用于保護電路板18。絕緣體襯墊52具有用于元件如電容器的開口，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的開口。對于絕緣體襯墊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購買。明顯地，可以使用其它適當?shù)膹椥钥勺冃尾牧?，如高密度彈性體或非導電金屬，以及那些正在開發(fā)的材料。
加固元件54可以位于絕緣體襯墊52下面。致動部件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，并由適當剛性和導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平坦的方式。選作襯墊64的材料優(yōu)選應當在裝載期間在初始壓縮后隨著時間的過去不會松弛。否則，由彈性泡沫材料提供的保持力隨著時間的推移減小，由此減小致動負載。這也最小化了隨著時間的推移熱界面故障的發(fā)生。在示例性實施例中，襯墊64可以由高密度、低蠕變泡沫等制成。該泡沫的一個示例性實施例是Minneapolis，MN的Roger公司制造的Pureon 800。明顯地，其它實施例可以采用其它類型的材料。
彈簧板56由提供可調節(jié)夾緊力的可偏斜板制成。當彈簧板56如所述那樣放置時，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部件62。響應于以已知方式旋轉的致動部件62，彈簧板56會向上彎曲，如附圖中所示。致動部件62螺旋地連接到計算機殼體組件24并可以由使用者從外部致動。可以致動彈簧板56以提供足夠的負載水平以在熱界面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。盡管公開了單個彈簧片和負載致動器件，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的材料應當在裝載期間在初始壓縮后隨著時間的過去不會松弛。否則，由彈性泡沫材料提供的保持力隨著時間的推移會減小，由此減小致動負載。這也最小化了隨著時間的推移熱界面故障的發(fā)生。
現(xiàn)在參考圖3，圖3用于說明在裸片微電子器件和散熱片組件之間的單個熱界面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?？梢允褂萌魏魏线m的熱油脂。對于熱界面材料的可選擇實施例包括熱襯墊、環(huán)氧樹脂、相變材料(如石蠟或聚合物)和彈性體。熱界面材料70可以包括具有高導熱性的細金屬粉末。在示例性實施例中，熱界面材料70可以是2密耳厚。
半導體裸片28的底表面通過適當?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襯底72上。陶瓷球柵陣列組件74可以包括細間距焊球柵，如對于約52mm乘52mm的面積約1574個球的數(shù)量級。也可以使用其它表面安裝技術替代球柵陣列組件。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用于當施加的裝載力達到焊球不需要地變形的程度時阻止或防止焊球接地。粘性填充材料76也用于通過消除在球柵陣列組件空隙中的空氣空隙來提高傳熱。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。在示例性實施例中，粘性填充材料優(yōu)選為環(huán)氧樹脂粘結劑。在這個實施例中，可以使用環(huán)氧樹脂粘結劑如Hysol FP6110，其可以從Loctite公司購買。當然也可以采用其它粘結劑填充材料。
陶瓷介質襯底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，該壓縮力推動裸片在熱界面50處與散熱片接合。
在上述結構的基礎上，傳熱操作的效果是顯而易見的。然而，對于該公開的補充，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系。在優(yōu)選實施例中，通過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了本工藝。并且，所述推動步驟包括力施加裝置，所述力施加裝置可致動以將所述受控力傳送到所述裸片微電子器件以推動后者與所述散熱片組件形成傳熱關系。
這里所述的實施例和例子最好地解釋了本發(fā)明及其實際應用，并且由此使得本領域的技術人員使用本發(fā)明。然而，本領域的技術人員將認識到上述說明和例子僅用于說明和舉例的目的。所述說明書并不旨在窮舉或限制本發(fā)明到所公開的精確形式中。為了清楚起見，使用了附圖和特定術語說明了上述優(yōu)選實施例。然而，本發(fā)明并不旨在限于所選擇的特定術語?？梢岳斫饷總€特定術語包括為了實現(xiàn)相同目的以相同方式工作的所有技術等同物和正在開發(fā)的等同物。根據上述技術在不脫離所附權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系。
2.根據權利要求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置熱界面材料以有效地傳熱。
3.根據權利要求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.根據權利要求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.根據權利要求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.根據權利要求5的裝置，還包括設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.根據權利要求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的松弛。
8.根據權利要求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部件上；以及設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的松弛。
9.根據權利要求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構上，以及多個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.根據權利要求1的裝置，其中所述力施加裝置包括至少一個彈簧部件，所述彈簧部件通過用于施加所述受控力的致動部件致動。
11.根據權利要求10的裝置，其中所述力施加裝置包括插在所述致動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系。
13.根據如權利要求12的方法，還包括將熱界面材料設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.根據權利要求12的方法，其中所述推動步驟包括力施加裝置，所述力施加裝置可致動以將所述受控力傳送到所述裸片微電子器件，以推動后者與所述散熱片組件形成傳熱關系。
15.根據權利要求14的方法，還包括通過表面安裝組件將所述裸片微電子器件支撐在印刷板上。
16.根據權利要求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.根據權利要求16的方法，其中所述通過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.根據權利要求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.根據權利要求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的松弛。
20.根據權利要求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的松弛。
21.根據權利要求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構上，并進一步通過插在所述印刷板和安裝固定部件之間的多個彈性可變形襯墊支撐所述散熱片組件。
22.一種計算機系統(tǒng)，包括計算機殼體組件；安裝在所述計算機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，用于獨立于所述裸片微電子器件在所述計算機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系。
文檔編號G12B15/06GK1791321SQ20051012915
公開日2006年6月21日 申請日期2005年11月14日 優(yōu)先權日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 申請人:國際商業(yè)機器公司