專利名稱:半導(dǎo)體集成電路板的冷卻設(shè)備的制作方法
發(fā)明的背景本發(fā)明涉及一種冷卻設(shè)備，此設(shè)備用于散發(fā)由半導(dǎo)體元件或集成線路板產(chǎn)生的熱。
在大型電子計算機系統(tǒng)中，需要高速地實現(xiàn)處理操作。為此，近幾年來發(fā)展了在其上組裝有大量半導(dǎo)體元件的集成線路板。此外，為了使這種集成線路板之間的連接電線縮短，又提出了在微型組件中安裝大量這種集成線路板的方法。
至今，已提出了一種特別用于大型電子計算機系統(tǒng)的冷卻設(shè)備，此設(shè)備在美國專利No3，993，123中已公開。在這種冷卻設(shè)備中，由大規(guī)模集成電路板產(chǎn)生的熱通過氦氣層傳到活塞，該氦氣存在于壓縮部分的周圍活塞的球形端部和大規(guī)模集成電路板的背景面表面之間，然后，熱從活塞傳給存在于該活塞和氣缸之間的間隙中的氦氣層，再傳給微型組件的外殼。于是，熱被全部傳到用于散熱的冷卻器中，該冷卻器裝在外殼上，冷卻器中有冷卻水或冷卻空氣循環(huán)通過。
然而，上述已有冷卻技術(shù)存在下面一些問題。
氦氣的導(dǎo)熱率跟其他氣體比較起來是較高的，但是，它的導(dǎo)熱率跟金屬部件如活塞、氣缸或類似部件的導(dǎo)熱率比較起來仍非常低。因此，為了使氦氣層的熱阻小，就需要將活塞和氣缸之間的間隙做得小。為此，對活塞或氣缸的加工，要求具有高的精確度。如果它們的加工精度低，那么活塞不能平穩(wěn)地運動，或者每塊集成電路板的溫度可能會很高。
為了解決上述問題，提出了如美國專利No4，263，965中所公開的冷卻結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)中，正對著大規(guī)模集成電路板的外殼中，有很多平行槽，而每一條槽中，嵌入一塊矩形薄熱導(dǎo)片和一片簧片，該簧片用于給此熱導(dǎo)片施加壓力。這種結(jié)構(gòu)的改進在于，在熱導(dǎo)片和平行槽的側(cè)壁之間的有效熱交換面積大。此外，每片熱導(dǎo)片的薄表面跟大規(guī)模集成線路的一端表面保持面接觸。
可是，上述結(jié)構(gòu)又有如下問題。由于每片熱導(dǎo)片各自分開，并嵌入其相應(yīng)的平行槽中，鄰近熱導(dǎo)片之間幾乎不進行熱交換。因為大規(guī)模集成電路板上的集成線路由很多電子線路組成，通常，這種大規(guī)模集成電路板產(chǎn)生的熱很少是均勻的。在大規(guī)模集成電路板中，所產(chǎn)生的熱的分布因空間而異，也因時間而異。因此，只有靠近大規(guī)模集成線路上放熱部分周圍的那些熱導(dǎo)片才能起散熱作用。換句話說，離發(fā)熱部分遠(yuǎn)的其他熱導(dǎo)片只對那些通過很薄的集成電路板傳過來的熱能起散熱作用。也就是說，即使在大規(guī)模集成電路板上裝有很多熱導(dǎo)片，由于熱導(dǎo)片之間沒有良好的傳熱連接，而使它們的散熱效率降低。
再者，能安裝熱導(dǎo)片的最大尺寸受到大規(guī)模集中電路板的寬度限制，因而限制了冷卻性能的提高。
此外，在日本專利公布No23463/83中公開了一種冷卻設(shè)備，該設(shè)備采用了由疊片組成的熱導(dǎo)金屬板束。這種冷卻設(shè)備的缺點在于簧片之間的接觸熱阻大。
發(fā)明概述考慮到上述已有技術(shù)中所固有的缺點，本發(fā)明的任務(wù)是為半導(dǎo)體元件或集成線路板提供一種冷卻設(shè)備，此冷卻設(shè)備具有高的冷卻性能，并吸取了各種各樣的替換，其中包括基片的變更、變換半導(dǎo)體集成電路板的連接、裝配結(jié)構(gòu)的變更、與冷卻裝置有關(guān)的各種熱變形等等，而不超過半導(dǎo)體集成電路板所允許的受力。
本發(fā)明的特點在于很多第一組散熱片整體地裝在熱導(dǎo)元件上，該熱導(dǎo)元件的底面面積大于半導(dǎo)體集成電路板的散熱面積;這些第一組散熱片與許多第二組散熱片相配合，在外殼的內(nèi)表面形成小的間隙;熱導(dǎo)元件的底表面通過彈性元件被壓在半導(dǎo)體集成電路板的平面表面上，彈性元件安裝在熱導(dǎo)元件和外殼的內(nèi)表面之間。
附圖簡述圖1是局部剖面透視圖，它給出了一個根據(jù)本發(fā)明為半導(dǎo)體集成電路提供冷量的冷卻設(shè)備實施例;圖2是圖1中所示的用于半導(dǎo)體集線路板的冷卻設(shè)備的主要部分的垂直方向橫截面圖;圖3是圖1中所示的用于半導(dǎo)體集成線路板的冷卻設(shè)備的主要部分的水平方向橫截面圖;圖4為基片的俯視圖，半導(dǎo)體集成電路就安裝在該基片上;圖5、6和7分別為本發(fā)明的其他實施例的垂直方向截面圖;圖8是圖7中所示的外殼件的詳細(xì)結(jié)構(gòu)局部截面透視圖;圖9是圖7中所示的簧片的詳細(xì)的結(jié)構(gòu)局部截面透視圖;圖10是根據(jù)本發(fā)明的、用于半導(dǎo)體集成電路板的冷卻設(shè)備的又一個實施例的透視圖;圖11是本發(fā)明的另外的實施例的垂直方向橫截圖面;圖12和13分別為本發(fā)明的別的實施例的外殼的橫截面圖;圖14到16是曲線圖，它們表示散熱片軸向重疊長度跟熱阻的關(guān)系，以及第一組散熱片數(shù)跟熱阻的關(guān)系，以便證明本發(fā)明的性能。
最佳實施例的詳細(xì)描述現(xiàn)在，參見圖1到圖4來描述本發(fā)明的一個實施例。
在這些圖中，外殼15由高導(dǎo)熱率的材料，如銅、鋁或其他類似材料制成。在外殼的內(nèi)表面上，裝有很多彼此平行的板狀散熱片16。此外，第一個熱導(dǎo)元件17的表面面積比由大規(guī)模集成電路板1的背面表面所形成的熱傳遞面積大，熱導(dǎo)元件17還有底板部分。在該底板部分上，裝有很多板狀散熱片18，它們跟底板成一整體。散熱片18彼此之間的間距跟散熱片16之間的距離相同。外殼15上的散熱片16和熱導(dǎo)元件17的底板部分的散熱片18彼此配合，其間有小間隙19。熱導(dǎo)元件17的底板部分通過彈簧20被壓在大規(guī)模集成電路板1的平面表面上，彈簧20具有小的彈性常數(shù)，以致對用于連接大規(guī)模集成電路板1的焊球3沒有任何影響。這樣，熱導(dǎo)元件17的底板部分跟大規(guī)模集成電路1的背面表面保持面接觸。彈簧20被放入散熱片16中的間隙23內(nèi)，并被固定地裝在外殼15中所形成的凹槽21和熱導(dǎo)元件17的底板部分的中心所形成的凹槽22中。在這種情況，由于彈簧20的作用點分別存在于熱導(dǎo)元件17的底板部分和外殼15的凹槽21和22中，熱導(dǎo)元件17能穩(wěn)定地壓在大規(guī)模集成電路板1的平面表面上。同時，彈簧有足夠的長度。此外，彈簧還可以防止熱導(dǎo)元件17的底板部分跟集成電路板1的背面表面脫開，因此保證了熱導(dǎo)元件17的中心部分始終跟集成電路板1為面接觸。
外殼15跟基片2之間形成一個閉合空間24，在此空間中充滿導(dǎo)熱率的氣體，如氦氣、氫氣或類似氣體。在此應(yīng)當(dāng)注意，在小間隙19中，只能充入有高導(dǎo)熱能力的流體，如一種高導(dǎo)熱潤滑脂。
鑒于該實施例具有如上所述的結(jié)構(gòu)，由集成電路板1中發(fā)出的熱首先全部傳進跟集成電道保持面接觸的熱導(dǎo)元件17的底板部分，然后在底板部分中均勻擴散。此后，熱被傳進熱導(dǎo)部件17的每一片散熱片18中。通過處在散熱片16和18之間的小間隙中的高導(dǎo)熱率氣體層，熱再被傳到外殼的散熱片16中。最后，熱由安裝在外殼115上的冷卻設(shè)備帶走(未畫出)。
由于熱導(dǎo)元件17的散熱片18跟其底板部分為一整體，即使大規(guī)模集成電路板1中熱的分布不均勻，集成電路板1中生產(chǎn)的熱也能在底板部分中均勻地擴散。因此熱導(dǎo)元件17的每一片散熱片18的熱傳遞效率可以最大。熱導(dǎo)元件17尺寸可任意選擇，以致于熱導(dǎo)元件17的突出物在基片2上的面積的范圍從集成電路板1的最小背面表面到一片集成電路板在基片2上能占有的最大面積51，如圖4所示。外殼15的散熱片16，或者熱導(dǎo)元件17的散熱片18，二者之中總有一個的總橫截面面積比集成電路板1的背面熱傳遞面積小。由于橫截面面積減少，產(chǎn)生了熱阻，它們的熱傳遞效率降低?；诖嗽?，規(guī)定熱導(dǎo)元件17的尺寸不小于集成電路板的背面面積，或者最好不小于面積50，50的面積為背面面積的2倍或2倍以上。但是，另一方面，當(dāng)熱導(dǎo)元件17的尺寸增加時，元件17會跟鄰近的集成電路板1的背面接觸，因此，熱導(dǎo)元件17的尺寸限制在一片集成電路板1在基片2上所占有的最大面積51之內(nèi)。
由于彈簧20被安排成避免其彈力直接作用在散熱片16和18上，散熱片16、18不會變彎。因此散熱片16和18可以薄。此外，由于熱導(dǎo)元件17的基底部分17B只跟集成電路板1接觸，在它跟集成電路板1保持接觸的同時能自由地運動。此外，熱導(dǎo)元件17還能隨便跟集成電路板1分開。
圖5是本發(fā)明的另一個實施例。在該例中，每片散熱片25跟外殼15的內(nèi)表面成一體，跟前面的實施例一樣，每片散熱片27跟熱導(dǎo)元件26成一整體，散熱片25和27都具有梯形截面，并沿它尖端方向逐漸變細(xì)。該實施例的其他結(jié)構(gòu)跟圖1所示的實施例的結(jié)構(gòu)相同，在此略去對它們的描述。在將散熱片25和27的垂直截面加2成這種梯形時，簡化了散熱片的加工操作。
圖6表示本發(fā)明的又一個實施例，其特點在于熱導(dǎo)元件28的底板部分28B的最低表面或底部表面做成園柱面30，該柱面的中心軸在跟熱導(dǎo)元件28的散熱片29的相同方向上延伸。當(dāng)熱導(dǎo)元件228這樣構(gòu)成時，不僅熱導(dǎo)元件28的散熱片29和外殼15的散熱片16能在其相應(yīng)的散熱片之間的凹槽中自由地運動，而且即使當(dāng)集成電路板1在與散熱片29相交的方向傾斜時，也能容易地使熱導(dǎo)元件28隨集成電路板1運動。
在將該底部表面做成園柱面時，熱導(dǎo)元件28跟集成電路板1為線接觸，而不是點點觸，只有將底部表面做成球面時，才發(fā)生點接觸，因此接觸熱阻小。此外，由于熱導(dǎo)元件29能隨集成電路板1的增加而增增，可以使得散熱片16和29之間的間隙19做得較小，因此，最終將提高熱導(dǎo)元件的冷卻性能。
現(xiàn)在，參見圖7、8和9，將描述本發(fā)明的另外的實施例。
裝在外殼15的內(nèi)表面上的一些散熱片32跟在散熱片尖端的凸出物35一起組成。另一方面，跟集成電路板1接觸的熱導(dǎo)元件40的表面被作成扁平。當(dāng)很多散熱片31插入一些散熱片32之間時，可以避免散熱片31沿槽的軸向運動，這些槽在散熱片32之間，而且熱導(dǎo)元件40被壓進凸出物35之間。此外，通過片簧壓在熱導(dǎo)元件40的兩邊，熱導(dǎo)元件40被壓在集成電路板1上，而片簧33跟很多彈簧34組成一體。
圖10是本發(fā)明的再一個實施例。在該實施例中，外殼41上的一組散熱片42是分開地或獨立地相應(yīng)于每一塊集成電路板1而安裝的。該實施例中的其他結(jié)構(gòu)跟圖1所示的實施例中一樣。這種已提到過的結(jié)構(gòu)有一個優(yōu)點，即使當(dāng)外殼41受到熱變形或因使用產(chǎn)生的壓力，例如外力面引起的變形時，它阻止熱導(dǎo)元件17的散熱片16和外殼41的散熱片42彼此互相咬合。
圖11表示本發(fā)明的別的實施例，在此實施例中，外殼43的散熱片45也是熱導(dǎo)元件44的散熱片，熱導(dǎo)元件44跟將熱導(dǎo)元件17安裝在集成電路板1一側(cè)同樣的方式裝在外殼43一側(cè)，這樣，該熱導(dǎo)元件44被連接到外殼43的內(nèi)表面。由于在此實施例中，熱導(dǎo)元件17和44二者加工過程相同，散熱片16和45容易達(dá)到同樣的加工精度。此外，分開加工散熱片和外殼的生產(chǎn)效率比將它們加工成一體的生產(chǎn)效率高。
圖12給出了本發(fā)明的另一實施例，在此實施例中，每一個熱導(dǎo)元件44的頂部表面面積等于圖4所示的最大面積51，它為一塊集成電路板1能占有的面積，而且熱導(dǎo)元件44跟外殼43分開，并可以相對于43滑動。按此實施例，由于兩個鄰近的熱導(dǎo)元件44彼此接觸，就防止了每一個熱導(dǎo)元件44作水平運動。這樣，外殼43中元件44的位置被自動地固定。因此外殼43、熱導(dǎo)元件44和熱導(dǎo)元件17能分別獨立組成，結(jié)果提高了它們各自的生產(chǎn)效率。
圖13也是本發(fā)明的一個實施例，在該實施例中，外殼46被分成平頂部分47和邊座部分49。加工外殼46的散熱片48時，如果將邊座部分49事先跟外殼46的平頂部分分開，上述散熱片48的加工就變得容易多了，實際上只需切削加工。此外，其上分布有很多布線圖案的基片2，通常機械強度低，因此，用于密封外殼的法蘭是一個獨立的部件。該實施例中，由于平頂部分47跟基片2的制造材料相同，它們的熱膨脹系數(shù)也一樣，而且邊座部分49和密封法蘭也可以分別采用機械強度相同的材料。如上所述，對于平頂部分47和邊座部分49采用不同材料，可以得到很多優(yōu)越性，諸如提高外殼的密封性能、減小外殼的熱效率、增加外殼的生產(chǎn)率等等。
在上述的每一個實施例中，假定每一個熱導(dǎo)元件的散熱片的高度或者這種散熱片的數(shù)目跟相應(yīng)的每塊集成電路板1相同，由于每塊集成電路板1的運行條件或電子線路不同，在其中產(chǎn)生的總熱量也不同。因此，為了增加該集成電路板的運行可靠性，需要保持該集成線路板的溫度恒定。在這方面，如果根據(jù)相應(yīng)的集成電路板1的運行條件來安排熱導(dǎo)元件的散熱片的高度、或者外殼的散熱片的高度，或者這種散熱片的數(shù)目，那么就可以容易地控制該集成電路板的溫度。請注意，就此而論，即使熱導(dǎo)元件的散熱片的高度做得低，用于壓住熱導(dǎo)元件的彈簧的長度不需要改變。
通常，熱導(dǎo)元件或外殼由高導(dǎo)熱率材料銅或鋁制成，另一方面，集成電路板的背面表面是導(dǎo)電的，除非它事先專門經(jīng)過電絕緣處理。為此，如果由銅或鋁制成的熱導(dǎo)元件被壓在集成電路板的背面表面上，每一塊集成電路板將都被縮短。所以，當(dāng)熱導(dǎo)元件或外殼由硅-碳材料制成，而這種材料具有電絕緣性能，同時又有高的導(dǎo)熱率時，不僅能使熱導(dǎo)元件或外殼具有解于銅和鋁的導(dǎo)熱率之間的高熱導(dǎo)率，而且也能使熱導(dǎo)元件或外殼跟集成電路的基片之間的熱膨脹系數(shù)的差別很小。
在此還得注意，散熱片數(shù)目和集成電路板數(shù)目可以改變，這并不背離本發(fā)明的精神和范圍。
此外，還可知道，將最佳實施例中的圖1到圖12中所示的半導(dǎo)體集成電路板改變成多片式組裝外殼，在該外殼中裝有很多半導(dǎo)體集成電路，也不背離本發(fā)明的范圍。
對根據(jù)本發(fā)明的冷卻設(shè)備的性能作了檢驗，其結(jié)果表示在圖14至圖16中。
該檢驗是在下列條件下完成的，其中集成電路板尺寸為4mm2一塊集成電路板所占有的最大面積是9mm2;制造熱導(dǎo)元件和外殼的材料為鋁;被密封在外殼中的氣體是氦氣。此外，熱導(dǎo)元件的底板部分最大尺寸不超過8mm2，以便避免兩個鄰近的熱導(dǎo)元件彼此鄰接。
圖14表示熱導(dǎo)元件和外殼之間的熱阻與散熱片在垂直方向上的重疊長度的關(guān)系曲線，該曲線是在下述條件下被測得熱導(dǎo)元件的第一組散熱片的每片厚度，以及外殼的第二組散熱片的每片厚度分別為11mm，它們是確定值;第一組散熱片的數(shù)目和深度分別是4和8mm，它們也是確定值;在這些條件下，當(dāng)?shù)谝唤M散熱片和第二組散熱片的各自的高度被做得很高，而第一組和第二組散熱片在垂直方向的重疊長度增加到10mm時，第一組和第二組散熱片之間的間隙為一參變量。在該圖中，曲線A，B，C，D分別相應(yīng)于間隙為25mm，50Mm，100Mm和200Mm的情況。如果間隙不變，有一個使熱阻最小的散熱片重疊長度。例如，如果間隙為25Mm，最佳重疊疊長度近似為5mm。當(dāng)間隙按所提到的順序增加到50Mm，100Mm和200Mm時，最佳重疊長度也相應(yīng)增加。其原因如下當(dāng)重疊長度小或短時，第一組和第二組散熱片的每對散熱片的熱傳導(dǎo)熱阻減少。但是，隨著第一組和第二組散熱片之間重疊面積減少，熱導(dǎo)元件和外殼之間的總熱阻增加。另一方面，當(dāng)重疊長度大或長時，雖然重疊面積增加，但由于第一組和第二組散熱片中的每對散熱片的熱傳導(dǎo)熱阻增加，總熱阻仍增加。
圖15是熱導(dǎo)元件和外殼之間的熱阻與重疊長度的關(guān)系曲線，它在下述條件下測得第一組散熱片和第二組散熱片之間的間隙恒定為50Mm;熱導(dǎo)元件的底板部分為8mm2;第一組散熱片和第二組散熱片的厚度為參變量。圖中曲線E，F(xiàn)，G和H相應(yīng)于熱導(dǎo)元件上的散熱片的各種厚度和數(shù)目，即分別為(2.6mm，2);(1.0mm，4);(0.4mm，8)和(0.2mm，16)。顯然，熱阻隨散熱片數(shù)目增加而減小。在此應(yīng)當(dāng)注意，圖14中曲線B所表示的跟圖15中曲線下所表示的是同一情況。
正如從圖14和圖15中所了解到的，如果散熱片厚度減小，該散熱片的數(shù)目增加，散熱片之間的間隙減小;而且選擇最佳重疊長度將可能使熱阻小。
圖16表示熱導(dǎo)元件與外殼之間的熱阻與第一組散熱片的數(shù)目之間的關(guān)系曲線。當(dāng)?shù)谝唤M散熱片的厚度是1mm、高度為4mm、重疊長度為3mm，第一組散熱片和第二組散熱片之間的間隙是50Mm時，在這些條件下，第一組和第二組散熱片數(shù)目依次隨第二組散熱片厚度減小而增加。顯然，當(dāng)?shù)谝唤M散熱片數(shù)目增加時，熱阻減小。然而，當(dāng)?shù)谝唤M散熱片數(shù)目增加超過一定數(shù)目時，由于第二組散熱片的厚度減小，熱阻增加。若想要增加散熱片數(shù)目，如圖15所示，只要使第一組和第二組散烈片的厚度薄，同時使重疊長度短就足夠了。
權(quán)利要求
1.用于給一個或幾個半導(dǎo)體集成電路板的組裝線路提供冷量的冷卻設(shè)備，為了將安裝在線路基片上的很多半導(dǎo)體集成電路板所產(chǎn)生的熱傳送到外殼，以便將此熱量散發(fā)掉，該設(shè)備具有一些獨立的熱導(dǎo)元件，每個熱導(dǎo)元件的一端跟一塊半導(dǎo)體集成電路板的背面表面接觸，另一端借助于一個小間隙跟外殼配合，此間隙處于熱導(dǎo)元件的所述端與外殼之間。在熱導(dǎo)元件和外殼之間裝有彈性元件，其特征在于每一個熱導(dǎo)元件包括一個底板部分，底板部分的底部表面跟半導(dǎo)體集成電路板的背面表面接觸，而且底部表面面積比半導(dǎo)體集成電路板的背面表面面積大，還有很多第一組散熱片，這些散熱片跟底板部分成一體，并沿垂直于底部表面的方向延伸；在外殼上裝有跟第一組散熱片相配合的許多第二組散熱片。
2.根據(jù)權(quán)項1所要求的冷卻半導(dǎo)體集成電路板的冷卻設(shè)備，其特征在于第一組和第二組散熱片分別是很多平行的板狀元件。
3.根據(jù)權(quán)項2所要求的用于冷卻半導(dǎo)體集成電路板的冷卻設(shè)備，其特征在于所述的那些第二組散熱片裝在每塊半導(dǎo)體集成電路板的第二個獨立的熱導(dǎo)元件上;如第二個獨立的熱導(dǎo)元件的底部表面面積是一塊半導(dǎo)體集成電路能占有的最大面積，并跟鄰近的半導(dǎo)體集成電路板接觸。
4.根據(jù)權(quán)項3所要求的用于冷卻半導(dǎo)體集成電路板的冷卻設(shè)備其特征在于第二熱導(dǎo)元件能輕輕地裝在外殼上。
專利摘要
用于給半導(dǎo)體集成電路板組裝線路，提供冷量 的冷卻設(shè)備，通過薄型散熱片部件傳遞熱，這些薄型 散熱片借助于一個小間隙彼此相配合。每一個熱導(dǎo) 元件的底面跟薄型散熱片組成一體。該底面面積比 半導(dǎo)體集成電路板的背面表面積大。熱導(dǎo)元件和半 導(dǎo)體集成電路板彼此始終保持面接觸，因而提高了 冷卻性能。
文檔編號H05K7/20GK85102328SQ85102328
公開日1987年1月10日 申請日期1985年4月1日
發(fā)明者大黑崇弘, 中島忠克, 鹽分行, 川村圭三, 佐藤元宏, 小林二三幸, 中山恒 申請人:日立制作所株式會社導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan