CN1531754A - 用中心点加载直接在管芯上连接热管 - Google Patents

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Abstract

一种装置包括：多个层叠的计算机部件，包括：一个蒸气室和一个中心点力，中心点力作用在蒸气室上。

Description

用中心点加载直接在管芯上连接热管
发明领域
本发明涉及到计算机部件装配，具体涉及到管芯对热导体的装配。
现有技术
计算机硬件的设计和制造起码要满足一定的温度要求。特别是对安置在电路封装内的硅微芯片(管芯)要求能消除微芯片操作期间产生的热量。电路封装具有覆盖管芯的塑料屏障。对于便携式计算机而言，作为热导体的热管可以连接到包含管芯的电路封装上以消除热量。如图1a和1b所示，热管116有一个叫做展开板104的金属件被放置在电路封装110与热管116之间，实现小热管接触面积与电路封装110的热配合。用若干个紧固件102将热管116，电路封装110和展开板104夹持在一个电路板衬底(衬底)112上。夹持步骤能够对若干116和展开板104施加不同的力(负载)F1&F2(为了简化只表示了两个紧固件，但可以使用四个以上紧固件)。因此，有些计算机部件(热管116，展开板104，电路封装110)可能会弯曲和/或移位。随着计算机部件116，104，110的移动，处在热管116和展开板104之间及展开板104和电路封装110之间的热接合材料108，114的厚度可能会改变。热接合材料108，114的厚度变化以及热接合材料108，114厚度的增加都会增加热阻。
图1a，1b和1c所示都是用诸如螺钉或螺栓等紧固件102提供夹持力的装置。这些紧固件102将展开板104连接到衬底112，使电路封装110处在中间。各个紧固件102施加的力(F1，F2)提供总夹持力(F1+F2)。展开板104和衬底112对第一热接合材料(TIM1)108，电路封装110和第二热接合材料(TIM2)114施加压力。即使展开板104或电路封装110的尺寸有微小差别，或是对各个紧固件102施加的力矩113足以造成一个紧固件102与另一个紧固件102形成一个力差F1≠F2。这样，展开板104就会倾斜(图1b)，而热接合材料108，114各自的厚度就会改变。另外，如果相对于展开板104的刚性所施加的力(F1，F2)过大，展开板104就会弯曲(图1a&1c)。如果展开板104有足够的刚性，展开板104就会因不同的力F1，F2而倾斜(图1b)。由于TIM1 108会因流动而形成不均匀厚度的TIM1 108，展开板104可能同时发生弯曲和倾斜。位于展开板104与热管116之间的第二热接合材料(TIM2)114不承受夹持力(F1+F2)，但是仍会因展开板104的移动而流动，形成不均匀厚度的TIM2 114。不均匀厚度的TIM 108，114随之会降低性能，因为电路封装110中局部和/或整体的温度会增加。
另外，响应这些不同的负载(F1，F2)，TIM1 108和TIM2 114产生空隙，并且TIM1 108和TIM2 114会脱离展开板104和/或热管116。结果就会出现因TIM1 108和TIM2 114的厚度差和空隙/分离造成的热阻增大。
可以通过部件压配合式的紧密配合来实现展开板104与热管116的连接，不使用热接合材料，但在配合面之间需要有严格的尺寸公差。为了减小热阻，需要有紧密的直接接触来避免两个配合件之间形成气隙。或是在热管116与展开板104之间用热接合材料实现连接。热接合材料(TIM)还应该能导热并且可以是选自一定粘度范围的油脂，焊料或其它材料。接合尺寸，热接合材料，以及将计算机部件保持在层叠位置(层叠)的方法都是重要的。
在使用粘合剂或焊料作为热接合材料并且对粘接强度有要求时，就需要用适当的装配力来确保良好的粘接强度。如果没有粘接强度要求，就可以使用不会象粘合剂和焊料那样固定的热接合材料。然而，无论TIM是象粘合剂那样固定还是象油脂那样不固定，在TIM能够流动或变形的时间段都需要控制厚度，并且尽量少产生间隙和空隙。在TIM内部可能存在这种空隙，而在TIM面上可能存在间隙。结果就会导致通过材料和接合面的热传导效率降低。
附图简介
图1a是一种弯曲展开板的示意图；
图1b是一种倾斜展开板的示意图；
图1c表示弯曲展开板的一个端视图；
图2a表示托架，热管，展开板，热接合材料，计算机部件和一个背板；
图2b表示托架，蒸气室，热接合材料，计算机部件和背板；
图3表示弹簧夹，背板，热接合材料，和处在其间的计算机部件；
图4a表示弹簧夹的一个顶视图；
图4b表示弹簧夹的一个侧视图；
图4c表示弹簧夹上的一个升高区的截面图。
发明的具体说明
本发明是对直接连接到管芯或电路封装的一个蒸气室提供平衡夹持力的一种新型结构和方法。在以下的说明中为了能透彻理解本发明而描述了具体材料，设备和方法的许多具体细节。在其它例子中，为了突出体现本发明而没有描述公知的计算机装配技术和机器设备的细节。
作为热传导结构的热管包括向一个冷凝区传热的许多通道。每个热管是由一个中心蒸气通道带许多平行毛细通道组成的，各个毛细通道的一侧对蒸气通道开放，作为热管的芯子，贯穿电路板到冷凝区的全长。来自微芯片的热量使毛细管内的工作流体蒸发，蒸气又从蒸气通道流到冷凝区被该区上面的一种冷却介质例如是空气冷却和冷凝。
在使用热管时，接触到电路封装的热管表面所具有的截面通常要小于所接触的电路封装，而电路封装的一部分会延伸到热管边沿以外。这样的热传导可能不满足要求，可以使用展开板等热适配器。为了改善热管与电路封装之间的热传导，可以使展开板的表面面积和形状与热管更紧密地匹配。展开板被定位在热管与电路封装之间。
一种被称为蒸气室的热管所起的作用与热管相同，但是制造方法不同。蒸气室是由两部分机加工而成并且配合或蛤壳式“夹合”到一起形成完整的蒸气室。用这种方法要采用许多机加工技术，能够获得比热管宽大和坚硬的热导体。因此，特别是便携式计算机有可能不需要展开板，并能将蒸气室直接连接到一个单独的管芯。按照这种方案，蒸气室无需由电路封装上可能起到热屏障作用的塑料层与管芯隔开，蒸气室可以直接带走管芯表面上的热量。如果一个热管有足够的宽度和硬度也能起到这样的作用。
本发明是一种新型的结构和方法，直接将蒸气室连接到在二者之间具有单层热接合材料的管芯或电路封装上。另外，本发明是一种新型的结构和方法，能够制造出均匀厚度且空隙和间隙很少的热接合材料，用一种中心点力形成平衡的夹持力。
参见图2a，图中表示的一种夹持装置采用了一个展开板205，热管208和两件热接合材料210，212。对热管208施加中心点力F获得均匀厚度的热接合材料。在电路封装214和展开板205之间具有第一热接合材料(TIM1)212。在展开板205和热管之间具有第二热接合材料TIM2210。热接合材料210，212所具有的物理性质使TIM1或TIM2在受力不均匀时能够移动或流动。用紧固件203一侧的背板202对一个托架206产生中心点力F，共同对层叠的热管208，展开板205，热接合材料210，212和衬底216施加一个夹持力。托架206以一个升高区218为中心对热管208施加一个局部的中心点力，对其间的电路封装214施加一个平衡的力P。平衡的中心点力F是施加在一个足够小面积上的力，该面积相对于施加在电路封装214上以热管208为中心的负载可视为一个单点负载F。按照这种方法，由中心点力F对电路封装214和热接合材料210，214提供一个均匀的夹持压力P。
参见图2b，图中表示对蒸气室209，热接合材料(TIM1)212和管芯220施加的中心点力F。通过省去一个展开板(图2a)就能省去一层热接合材料和一个接合接触面。该接合接触面是由一层材料到另一层材料的过渡面。额外的接合接触面和额外的热接合材料会增大热阻。
同样用紧固件203对托架206和背板202施加中心点力F。蒸气室209能自由转动并与管芯220保持平行，这样能维持均匀的热接合材料厚度(TIM1)。对蒸气室209施加中心点力F，其刚性在中心点力F作用下不会弯曲。这样就能对蒸气室施加中心点力F，并且对管芯220施加均匀的夹持压力P。
为了确保TIM1 218厚度均匀，应该按均匀的厚度施加热接合材料212。然而，如果TIM1 212所具有的材料性质是TIM1 212能够在中心点力F的作用下流动直至获得均匀的厚度，对TIM1 212施压使其厚度稍有变化也是可以的。
为采用展开板(图2a)的设计而选择的TIM2 210材料可以包括许多合适的热传导材料，例如有：环氧树脂粘合剂，热油脂或是焊料。另外，是在展开板和热管之间采用具有稳固和平面接触的压配合来代替热接合材料。用于展开板设计(图2a)和直接蒸气室连接设计(图2b)的TIM1 212，218可以采用相变热接合材料。相变热接合材料可以使用ThermflowTMT454(Chomerics，a div.of Parker Hannifin，Woburm，MA)。T454是一种热传导，电绝缘干燥薄膜，它在器件操作温度下变软产生“油脂状”性能。T454可以用做展开板和电路封装之间或蒸气室与管芯(图2b)之间的焊盘(图2a)。能够获得0.13mm均匀厚度的T454。如果能适当使用均匀的薄片T454材料来维持其均匀的厚度，就能减少热阻。
在图3所示的实施例中，托架330的作用是一个被称为弹簧夹330的弹簧，它被固定在一个背板304上，将蒸气室306，管芯324，印刷电路板衬底(衬底)318和热接合材料322夹在中间。弹簧夹330具有通孔331，而背板304有用来拧螺钉326的螺丝孔305，利用弹簧夹上的升高区332对蒸气室306施加中心点力F。升高区332的位置能够对夹在中间或层叠的蒸气室306/热接合材料322/管芯324/衬底318产生平衡的夹持或压力。
图3中所示的弹簧夹，背板装置(装置)302，304作用在层叠的计算机部件(蒸气室306，热接合材料322，管芯324和衬底318)上，计算机部件被夹在弹簧夹302和背板304之间。所施加的总夹持力F大约有15磅。弹簧夹302是用弹簧钢制成的，并且具有“十字叉”形状，在弹簧夹302中组合形成弹性作用。只要弹簧夹302在安装时稍有变形(因为夹持到升高区的缘故)，弹簧夹302就能起到弹簧的作用，并在可接受的弹性范围内保持变形，能够对层叠施加恒定的力，与变形量无关。使用弹簧能够简化装置302，304在安装时的装配步骤。如此简化的装配步骤允许装置302，304有较大尺寸的公差，而计算机部件306，324，318不需要在计算机部件306，322，324，318的装配过程中确定施加给层叠分各部件的中心点力F，例如是通过额外的质量测试。
在弹簧夹302之下是一个蒸气室306，例如是由Thermacore，Inc.(Lancaster，PA)制造的。蒸气室306的长度约为150mm，宽度约20mm，而厚度约3mm。
蒸气室306的一端被夹在组件302，304之间的层叠的计算机部件306，322，324，318支撑，而另一段由一对泡沫块310支撑。用一对螺钉312固定泡沫块310，它首先穿过顶部托架314中的一对通孔，再穿过第一泡沫块310中的一对孔，通过热管306周围，穿过第二泡沫块310中的一对孔，穿过一对直立管316，穿过印刷电路板衬底318中的一对孔，最终拧入背板320中的螺纹孔305。
在层叠的计算机部件306，322，324，318内部并位于蒸气室306下面的是T454热接合材料焊盘(焊盘)322，而焊盘322下面是连接到印刷电路板衬底318的管芯324。在印刷电路板衬底318下面是背板304。在装配时，弹簧夹302被置于座落在焊盘322上的蒸气室306一端的上面。然后用四个螺钉326和垫片328固定弹簧夹302，螺钉326穿过印刷电路板衬底318中的螺纹孔305拧入背板304中的螺纹孔305。拧紧螺钉326直至弹簧夹302的脚330顶住印刷电路板衬底318，使弹簧夹302因接触到弹簧夹302中心的升高区332(仅仅表示了局部，另一侧也有升高区)稍稍弯曲。可以用环氧树脂粘合剂(未示出)来固定螺钉326。
在开始组装时将管芯314安装到印刷电路板318上。用蒸气室306支撑的结构：顶部和底部托架314，320，泡沫块310，螺栓312和直立管316是松散装配的。焊盘322被放置在管芯324上面，而热管306位于焊盘322上方并且松散座落在两个泡沫块310之间。弹簧夹302被放置在蒸气室306上方，使升高区332(图中表示的是局部，升高区是在弹簧夹306的另外一侧)座落在蒸气室306上选定的一点上施加中心点负载F。背板304位于印刷电路板衬底318下面并将螺钉326拧入板内。最后紧固螺栓312将泡沫块310定位，用来支撑蒸气室306与层叠相对的一端。
蒸气室3 06例如是由Thermacore，Inc.(Lancaster，PA)制造的一种蒸气室被定位在弹簧夹302下面。用弹簧夹302对蒸气室306上处于管芯324上方中心的一点施加中心点负载F。由泡沫支撑块310的相对一端松散保持的蒸气室306仍能在所有平面中自由转动以均匀地分配负载。
在蒸气室306与管芯202之间是尺寸为0.7″×0.7″×0.005″的低热阻接合焊盘(焊盘)222。焊盘222由一种相变材料例如是T-454制成，它具有紧密性并且易于使用具有热油脂的低热阻抗的弹性焊盘。
在印刷电路板衬底318下面是背板304，它接纳由弹簧夹302穿过印刷电路板衬底318的螺钉326。为了限制螺栓312和螺钉326的螺纹“拧松”，可以用一种锁定的垫片或粘合剂来固定螺栓312和螺钉326。可以将螺钉326固定在背板304的螺纹内或是在螺钉326/垫片328/弹簧夹302的接合处固定。
参见图4a，4b和4c，可以用1.5mm厚度的弹簧钢片叠层构成弹簧夹402。弹簧夹402可以首先由一种图形冲压再弯曲成形。冲压操作可以形成扁平的轮廓，冲压成孔和一个中心凹陷406，凹陷406显出一个“凹槽”或是在相对两侧显出升高面408，可以施加单点负载。弹簧夹402的轮廓尺寸大约是70mm正方形410，各个腿412的宽度约为8mm。位于弹簧夹402中心的升高区408的半径范围是1-12mm。按照大约400mm的外径420弯曲弹簧夹的腿418。

Claims (43)

1.一种装置包括：
多个层叠的计算机部件，包括
一个蒸气室，以及
一个中心点力，中心点力施加在蒸气室上。
2.按照权利要求1的装置，其特征是进一步包括：
具有管芯表面的管芯，由中心点力对管芯表面施加均匀的压力。
3.按照权利要求1的装置，其特征是进一步包括：
有一个表面的电路封装，由中心点力对电路封装表面施加均匀的压力。
4.一种装置包括：
一个托架，它包括：
一个升高区；
一个背板；并具有
二者之间的多个计算机部件；以及
一或多个连接零件，用托架的升高区将托架连接到背板，提供一个中心点力来夹持多个计算机部件。
5.按照权利要求4的装置，其特征是升高区有一个半径。
6.按照权利要求5的装置，其特征是半径范围是2-4mm。
7.按照权利要求4的装置，其特征是升高区是一个平面。
8.按照权利要求4的装置，其特征是托架弯曲成一个弹簧。
9.按照权利要求4的装置，其特征是进一步包括：
托架的多个通孔；用来对准
多个背板螺纹孔；
一或多个连接零件是紧固件。
10.按照权利要求9的装置，其特征是进一步包括：
弯曲成弹簧的托架；
托架有一或多个边沿；并且
托架的多个通孔位于一或多个边沿附近。
11.按照权利要求4的装置，其特征是多个计算机部件进一步包括：一个蒸气室。
12.按照权利要求11的装置，其特征是蒸气室能抵抗所施加的中心点力造成的变形。
13.按照权利要求11的装置，其特征是进一步包括：
在被托架夹持的那一端相对的一端用夹持力支撑蒸气室的一对泡沫块，夹持力比中心点力低。
14.按照权利要求4的装置，其特征是该装置进一步包括：
一个管芯，
第一热接合材料；并且
管芯上面的升高区以其为中心。
15.按照权利要求14的装置，其特征是该装置进一步包括：
展开板，以及
第二热接合材料。
16.一种装置包括：
具有升高区的托架；
一个背板；
二者之间的多个计算机部件；以及
一个装置，通过升高区对多个计算机部件施加平衡的夹持力。
17.按照权利要求16的装置，其特征是进一步包括：
位于多个计算机部件之间的一或多个热接合材料。
18.按照权利要求17的装置，其特征是托架是一个弯曲弹簧。
19.按照权利要求16的装置，其特征是一或多个计算机部件是一种热导体。
20.按照权利要求19的装置，其特征在于热导体是一种热管。
21.按照权利要求19的装置，其特征在于热导体是一个蒸气室。
22.按照权利要求16的装置，其特征是多个计算机部件之一是一个管芯。
23.一种装置包括：
具有升高区的托架；
面对升高区的热导体；
位于热导体之上的热接合材料；
位于热接合材料之上的一个管芯；
管芯连接到一个印刷电路板衬底；
位于印刷电路板衬底下面的一个背板；以及
将板连接到背板的一或多个紧固件，由升高区对管芯施加一个平衡的压力。
24.按照权利要求23的装置，其特征是托架被弯曲成一个弹簧。
25.按照权利要求23的装置，其特征是热接合材料是一种相变热接合材料。
26.一种连接方法包括：
将多个计算机部件布置成层叠；
在多个计算机部件的一或多个之间施加一或多个热接合材料；
在层叠顶部的上方布置一个具有升高区的托架；
在层叠底部下面布置一个背板；
将托架连接到背板；使得
托架升高区对一或多个热接合材料施加平衡的夹持力。
27.按照权利要求26的方法，其特征在于升高区有一个半径。
28.按照权利要求26的方法，其特征在于一或多个热接合材料之一是一种焊料。
29.按照权利要求26的方法，其特征在于一或多个热接合材料是一种环氧树脂。
30.按照权利要求26的方法，其特征是一或多个热接合材料是一种油脂。
31.按照权利要求26的方法，其特征在于一或多个热接合材料是一种相变材料。
32.一种连接方法包括：
在印刷电路板衬底上连接一个管芯；
对管芯施加一种热接合材料；
在管芯上方布置一个热导体；
在热导体上方布置一个具有升高区的托架；
在印刷电路板衬底下面布置一个背板；
将托架紧固在背板上；使得
托架升高区对管芯施加一均匀的夹持压力。
33.按照权利要求32的方法，其特征是升高区对热接合材料施加一均匀的夹持压力。
34.按照权利要求32的方法，其特征是升高区对热导体和管芯的配合面施加一均匀的夹持压力。
35.一种连接方法包括：
在印刷电路板衬底上连接一个管芯；
对管芯施加第一热接合材料；
在第一热接合材料上方布置一个展开板；
对展开板施加第二热接合材料；
在第二热接合材料上方布置一个热导体；
在热导体上方布置一个具有升高区的托架；
在印刷电路板衬底下面布置一个背板；
将托架紧固在背板上；使得托架升高区对管芯施加一均匀的夹持压力。
36.按照权利要求35的方法，其特征是至少一个热接合材料是一种相变热接合材料。
37.一种装置包括：
层叠的计算机部件，包括：
一个管芯，
一个蒸气室，
二者之间的热接合材料，以及
接触到蒸气室的一个托架，它包括：
布置在蒸气室上的一个升高区，在管芯上方以其为中心提供一个压力。
38.按照权利要求35的装置，其特征是热接合材料是一种相变热接合材料。
39.按照权利要求37的装置，其特征在于升高区有一个半径。
40.按照权利要求37的装置，其特征是升高区有一个接触到蒸气室的平面区。
41.一种装置包括：
层叠的计算机部件，包括：
一个蒸气室，以及
一个管芯，蒸气室直接接触到管芯的表面。
42.按照权利要求41的装置，其特征是层叠的计算机部件进一步和括：
布置在蒸气室与管芯之间的一种热接合材料。
43.按照权利要求41的装置，其特征在于热接合材料是一种相变热接合材料。
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