CN1531754B - 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
发明领域
本发明涉及到计算机部件的装配，具体涉及到管芯对热导体的装配。
背景技术
在计算机硬件的设计和制造中，起码要满足一定的温度要求。特别是，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，以帮助消除热量。如图1a和1b所示，热管116有一个叫做展开板104的金属件，其被放置在电路封装110与热管116之间，以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夹持在一个印刷电路板衬底(衬底)112上。夹持步骤会对热管116和展开板104施加不同的力(负载)F1和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)。由于有多个紧固件102，因此潜在地就有多个所施加的不同的力。因此，有些计算机部件(热管116、展开板104和电路封装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的厚度增加都会增加热阻。
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。即使是展开板104或电路封装110的尺寸或者对各个紧固件102施加的力矩113的微小差别也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TIM1108，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TIM108，114随之会降低性能，因为电路封装110中的局部和/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凝固的热接合材料。然而，无论TIM是象粘合剂那样凝固还是象油脂那样不凝固，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。此外，材料的厚度可能会施加得不均匀。结果就会导致通过材料和接合面的热传导效率降低。
发明内容
本发明的第一方面提供一种装置包括：背板，具有凸起区的托架，将背板连接到托架的多个紧固件，以及多个层叠的计算机部件，包括：热管，由凸起区对多个计算机部件施加一个中心点力，使多个层叠的计算机部件受压。
本发明的第二方面提供一种装置包括：具有凸起区的托架；背板；并具有二者之间的多个计算机部件，其中有一个计算机部件是热管；以及一或多个连接零件，用托架的凸起区将托架连接到背板，对热管提供一个中心点力将多个计算机部件夹持在一起。
在本发明的第二方面所述的装置中，优选地，该凸起区的半径范围是2-4mm。
本发明的其它方面提供的装置或连接方法，详见具体实施方式中的有关内容。
附图说明
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。
具体实施方式
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如所要求的那样有效，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，特别是对于便携式计算机来说，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而与管芯隔开，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，这是通过提供能形成平衡的夹持力的居中点力(中心点力)来实现的。
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，从而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。中心点力F利用在一侧紧固(203)到托架206上的背板202来产生——它们共同对热管208、展开板205、热接合材料210，212和衬底216的叠层施加一个夹持力。托架206通过一个升高区218对热管208局部地施加一个中心点力，该中心点力是处于中心的，以便对其间的电路封装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，该力可视为一个单点负载F，该负载施加在热管208上并在电路封装214上居中。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，蒸气室209的刚性在中心点力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的厚度均匀，应该按均匀的厚度施加热接合材料212。然而，如果TIM1 212所具有的材料性质使得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，那么施加的TIM1 212的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。或者，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TIM1212，218可以采用相变热接合材料。相变热接合材料可以使用ThermflowTMT454(Chomerics公司，其为美国麻省Woburm市的ParkerHannifin公司的分支机构)。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而产生“油脂状”性能。T454可以用做展开板和电路封装之间(图2a)或蒸气室与管芯之间(图2b)的焊盘。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用作弹簧，被称为弹簧夹330，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，利用弹簧夹上的凸起区332对蒸气室306施加中心点力F。凸起区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。在弹簧夹302用作弹簧的情况下，只要弹簧夹302在安装时稍有变形(因为与凸起凸起区接触的缘故)，，并且变形保持在可接受的弹性范围内，就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和计算机部件306，324，318有较大尺寸的公差，并且不需要在装配过程中例如通过额外的质量测试来确定施加给计算机部件306，322，324，318的各个层叠的中心点力F。
在弹簧夹302之下是一个蒸气室306，其例如是由Thermacore，Inc.(美国宾夕法尼亚州Lancaster市)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中心的凸起区332(仅仅表示了局部，另一侧也有凸起区)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，使凸起区332(图中表示的是局部，凸起区是在弹簧夹306的另外一侧)座落在蒸气室306上选定的一点上以施加中心点负载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以将泡沫块310定位，泡沫块310用来支撑蒸气室306的与层叠相对的一端。
蒸气室306例如是由Thermacore，Inc.(美国宾夕法尼亚州Lancaster市)制造的一种蒸气室，它被定位在弹簧夹302下面。用弹簧夹302对处于管芯324上方中心的蒸气室306上的一点施加中心点负载F。另一端由泡沫支撑块310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凸起面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中心的凸起区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 (44)
1.一种用于计算机部件的装置，包括：
背板，
具有凸起区的托架，
将背板连接到托架的多个紧固件，以及
位于背板和托架之间多个层叠的计算机部件，其包括：
热管，由凸起区对多个层叠的计算机部件施加一个中心点力，使所述多个层叠的计算机部件受压。
2.按照权利要求1的装置，其特征是，所述装置进一步包括：
具有管芯表面的管芯，
位于热管与管芯表面之间的热接合材料，其中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，所述装置进一步包括：
有表面的电路封装，
位于热管与电路封装表面之间的热接合材料，其中由中心点力对电路封装表面施加均匀的压力。
4.一种用于连接计算机部件的装置，包括：
具有凸起区的托架；
背板；并具有
这二者之间的多个计算机部件，其中有一个计算机部件是热管；以及
一个或多个连接零件，其中用托架的凸起区将托架连接到背板，对热管提供一个中心点力以将多个计算机部件夹持在一起。
5.按照权利要求4的装置，其特征是，凸起区的横截面具有一个半径。
6.按照权利要求5的装置，其特征是，该凸起区的半径范围是2-4mm。
7.按照权利要求4的装置，其特征是，对热管提供的中心点力是单点力。
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，所述装置进一步包括：
多个托架通孔，它们对准多个背板螺纹孔；并且
一个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，所述装置进一步包括：
弯曲成弹簧的托架；
托架有一或多个边沿；并且
所述多个托架通孔位于一个或多个边沿的附近。
11.按照权利要求4的装置，其特征在于，热管是蒸气室。
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，所述装置进一步包括：
一对泡沫块，其在与被托架夹持的那一端相对的一端处用夹持力支撑蒸气室，其中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：
管芯，
第一热接合材料；并且
凸起区在管芯上处于其中心。
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。
16.一种用于计算机部件的装置，包括：
具有凸起区的托架；
背板；
这二者之间的包括一个热管的多个计算机部件；以及
用于通过凸起区施加一中心点力，以便在多个计算机部件中产生平衡的夹持力的装置。
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个或多个热接合材料。
18.按照权利要求17的装置，其特征是，托架是可弯曲弹簧。
19.按照权利要求16的装置，其特征是，多个计算机部件之一是展开板。
20.按照权利要求19的装置，其特征在于，热管是蒸气室。
21.按照权利要求16的装置，其特征是，多个计算机部件之一是管芯。
22.一种用于管芯的装置，包括：
具有凸起区的托架；
面对凸起区的热管；
位于该热管之上的热接合材料；
位于热接合材料之上的管芯；
管芯连接到印刷电路板衬底上；
位于印刷电路板衬底下面的背板；以及
将板连接到背板的一个或多个紧固件，其中凸起区能够对热管施加一个中心点力，以便为管芯提供平衡的压力。
23.按照权利要求22的装置，其特征是，托架被弯曲成弹簧。
24.按照权利要求22的装置，其特征是，热接合材料是一种相变热接合材料。
25.一种连接方法，包括：
将多个计算机部件布置成叠层，其中，计算机部件中之一是热管；
在多个计算机部件中的一个或多个之间施加一个或多个热接合材料；
在叠层顶部的上方布置接触到热管并具有凸起区的托架；
在叠层底部下面布置背板；
将托架连接到背板，对热管施加一中心点力；并且
对一个或多个热接合材料产生平衡的夹持力。
26.按照权利要求25的方法，其特征在于，凸起区的横截面有一个半径。
27.按照权利要求25的方法，其特征在于，所述一个或多个热接合材料中之一是焊料。
28.按照权利要求25的方法，其特征在于，所述一个或多个热接合材料中之一是环氧树脂。
29.按照权利要求25的方法，其特征在于，所述一个或多个热接合材料中之一是油脂。
30.按照权利要求25的方法，其特征在于，所述一个或多个热接合材料中至少有一个是相变材料。
31.一种连接方法，包括：
在印刷电路板衬底上连接管芯；
对管芯施加热接合材料；
在管芯上方布置热管；
在热管上方布置具有凸起区的托架；
在印刷电路板衬底下面布置背板；
将托架紧固在背板上；和
通过托架的升高区施加一中心点力，以对管芯施加一均匀的夹持压力。
32.按照权利要求31的方法，其特征是，凸起区对热接合材料施加一均匀的夹持压力。
33.按照权利要求31的方法，其特征是，凸起区对热管和管芯的配合面施加一均匀的夹持压力。
34.一种连接方法，包括：
在印刷电路板衬底上连接管芯；
对管芯施加第一热接合材料；
在第一热接合材料上布置展开板；
对展开板施加第二热接合材料；
在第二热接合材料上布置热管；
在热管上布置具有凸起区的托架；
在印刷电路板衬底下面布置背板；
将托架紧固在背板上；和
通过托架凸起区施加一中心点力，以对管芯施加一均匀的夹持压力。
35.按照权利要求34的方法，其特征是，至少一个热接合材料是相变热接合材料。
36.一种用于管芯的装置，包括：
层叠的计算机部件，包括：
管芯，
蒸气室，
二者之间的热接合材料，
紧固到托架上的背板，将层叠的计算机部件夹在中间，并且托架包括布置在蒸气室上的凸起区，在管芯上方居中地提供单点压力。
37.按照权利要求36的装置，其特征是，热接合材料是相变热接合 材料。
38.按照权利要求36的装置，其特征在于，凸起区的横截面有一个半径。
39.按照权利要求36的装置，其特征是，凸起区与蒸气室表面上的平面区上的所述层叠的计算机部件接触。
40.一种用于计算机部件的装置，包括：
托架，它包括凸起区；
背板；使得
包括蒸气室的多个计算机部件位于托架和背板之间，其中各所述多个计算机部件各自有表面区接触到配合的计算机部件的表面，以及
一个或多个连接零件，其中托架被连接到背板上，并由托架的凸起区对接触表面区提供一中心点力。
41.如权利要求40所述的装置，其特征在于还包括；
管芯，
位于蒸气室和管芯之间的热接合材料，
其中凸起区在管芯上方居中地提供中心点力。
42.一种用于管芯的装置，包括：
具有凸起区的托架；
面对凸起区布置的热管；
布置在热管上的热接合材料；
位于热接合材料上的管芯；
管芯连接到印刷电路板衬底；
位于印刷电路板衬底下面的背板；以及
将板连接到背板的一个或多个紧固件，其中，由凸起区对管芯施加一中心点力，以实现对管芯的平衡压力。
43.一种用于计算机部件的装置，包括：
背板，
具有凸起区的托架，
位于背板与托架之间的多个层叠的计算机部件，包括
一个蒸气室，
其中，通过托架凸起区将一个中心点力施加在蒸气室上。
44.如权利要求43所述的装置，其特征在于还包括；
位于背板与蒸气室之间的管芯，
位于蒸气室和管芯之间的热接合材料，
其中凸起区在管芯上方居中地提供中心点力。
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