CN100442964C - 用于电子部件的流体冷却系统和方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种用于部件载体上的电子部件的冷却系统。该系统包括框架、喷射歧管和密封构件。框架具有开口并与部件载体连接，使得在开口和电子部件之间限定环形区域。在开口之上密封喷射歧管，以将喷射区限定在电子部件的后表面之上。喷射歧管在后表面上喷射冷却液。密封构件密封环形区域使得部件载体上的输入/输出连接器与冷却液隔开。

Description

用于电子部件的流体冷却系统和方法
技术领域
本公开涉及电子部件。更具体地，本公开涉及具有流体冷却系统的电子部件和方法
背景技术
诸如计算机、手机、网络服务器等的电子装置包含大量或多个电子部件。这些电子部件中的许多，诸如集成电路芯片、电阻器、电容器等，在使用的过程中产生热。
产生的热量一般与电子部件的速度或功率成比例。由具有较大的功率密度水平的部件产生的热会对电子部件和/或电子装置的其它部件造成破坏或损伤。因此，经常希望去除和/或散失掉这种热。
消费者对于许多电子装置的接受程度受该装置的尺寸和功能性影响。这里，更小的装置以及具有更多的功能性的装置一般更受消费者欢迎。因此，这些装置中的电子部件被制成具有更小的尺寸和更大的功率，这会增加提供足够的冷却的难度。
为了保持电子器件的性能和可靠性，从这些电子部件中散失足够的热是十分重要的。但是，用现有传导和对流热管理冷却技术冷却高功率密度部件变得越来越困难。
已提出将以导热的方式设置的散热器固定到电子部件的后表面上。然后使用天然和/或强制空气对流或冷却液，从散热器上散热。使用诸如热糊剂(thermal paste)的热界面材料将散热器固定到电子部件上。不幸的是，该热界面材料和散热器会增加电子部件的热阻。因此，这些现有系统没有被证明对于小型、大功率电子部件的冷却是有效的。
还提出将整个电子部件浸入粉末化(flourinic)冷却液的浴槽中。不幸的是，这些系统所需要的专用冷却液和设计要求已被证明难以实现并已被证明对于较小的消费品器件经济上不可行。
因此，存在对于用于电子部件的冷却系统和方法的持续需求。
发明内容
本公开的目的在于，提供具有用于电子部件的流体(fluidic)冷却的系统和方法的电子部件。
本公开的另一目的在于，提供可靠的用于电子部件的密封结构，以使得可直接将冷却液喷射到部件后表面上，还提供阻挡层，以使冷却液不与部件的前表面上的接点接触。
本公开的另一目的在于，提供用于电子部件的流体隔离系统。隔离模块提供长时环境保护，使得冷却液不被喷射到电子部件的部分上。
为实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供一种用于部件载体上的电子部件的冷却系统，其中该电子部件的前表面连接在所述部件载体上，所述系统包括：具有开口的框架，所述框架可与所述部件载体连接，使得在所述开口和所述电子部件之间限定环形区域；被密封在所述开口之上以将喷射区限定在所述电子部件的后表面上的喷射歧管，所述喷射歧管用于将冷却液喷射到所述后表面上；和用于密封所述环形区域使得位于所述部件载体的与所述电子部件连接的表面的相反表面上的输入/输出连接器与所述冷却液隔开的构件。
根据本发明的另一个方面，提供一种冷却设置在部件载体上的电子部件的方法，其中该电子部件的前表面连接在所述部件载体上，所述方法包括：在所述电子部件的基本上整个后表面上直接喷射冷却液流，同时通过提供被密封到所述电子部件的隔离构件，防止所述冷却液与位于所述部件载体的与所述电子部件连接的表面的相反表面上的输入/输出连接器接触。
根据本发明的另一个方面，提供一种包括电子部件及其冷却装置的系统，包括：与所述电子部件的前表面连接的部件载体；设置在所述部件载体的与所述电子部件连接的表面的相反表面上的输入/输出连接器；具有开口的框架，所述框架与所述部件载体连接，使得在所述开口和所述电子部件的后表面之间限定环形区域；被密封在所述开口之上以将喷射区限定在所述后表面上的喷射歧管，所述喷射歧管用于将冷却液喷射到所述喷射区中的所述后表面上；和用于密封所述环形区域使得所述输入/输出连接器与所述冷却液隔开的构件。
通过以下详细说明、附图和所附的权利要求书，本领域技术人员将理解本公开的上述和其它特征和优点。
附图说明
图1是供本公开使用的电子部件的相关部分的断面图；
图2是供图1的电子部件使用的根据本公开的冷却系统的第一示例性实施例的部分断面图；
图3是图2的冷却系统的顶视图；
图4是供图1的电子部件使用的根据本公开的冷却系统的第二示例性实施例的部分断面图；
图5是表示圆4-4中的细节的断面图。
具体实施方式
参照附图，特别是图1，用附图标记10示出电子部件的相关部分的示例性实施例。以具有诸如但不限于集成电路芯片、电容器、电阻器、存储器件和类似的分立的电子器件的一个或更多个分立的器件的单芯片模块(SCM)组件作为例子，示出电子部件10。
在图1中，示出的电子部件10具有一个集成电路芯片12和一个固定到芯片载体16上的电容器14。芯片12具有较高的功率密度水平，即从较小的表面区域产生大量的热。在一个示例性实施例中，芯片12具有至少约2～4瓦每平方毫米(W/mm2)的功率密度水平。
芯片12具有前表面20和后表面18。通过一个或更多个焊接接点22将前表面20固定到载体16上，使得芯片和载体处于相互电连通状态。类似地，通过一个或更多个焊接接点24将电容器14固定到载体16上，使得电容器和载体处于相互电连通状态。
芯片12一般具有由若干个或多个芯片侧边32限定的多边形，该侧边将前表面20连接到后表面18上。在所说明的实施例中，示出的芯片12一般具有具有四个侧边32的正方形形状。
在一个实施例中，芯片12的焊接接点22被封装26。例如，可以用例如环氧树脂材料封装26接点22。已经发现，封装26可以减小由于芯片12和载体16之间的热膨胀不匹配导致的焊接接点22中的应力。
载体16是具有在其上限定的若干个或多个输入/输出(I/O)连接器28的多层陶瓷或层叠/有机结构。I/O连接器28可以为BGA连接器、CGA连接器、LGA连接器或它们的任意组合。I/O连接器28被配置为将载体16电连接到诸如电子印刷电路板或卡的第二级封装(package)30上。
在芯片12没有得到充分冷却的情况下，芯片的高功率密度水平可能足以损坏电子部件10。例如，如果热通量没有被充分减少，那么在约105～120℃以上，长时半导体性能会受到不利影响。
现在参照图2和图3，通过附图标记40表示用于电子部件10的冷却系统的示例性实施例。有利的是，冷却系统40足以减缓由于来自芯片12的热导致的对于部件10的损伤。例如，冷却系统40可以散失来自芯片12的热使得芯片保持在低于约85℃。
冷却系统40具有框架42、柔性构件44和喷射歧管(spraymanifold)46。为了清楚起见，图3中未示出喷射歧管46。在使用的过程中，喷射歧管46直接在芯片12上冲刷或喷射(以下称“喷射”)直接冷却芯片的冷却液48的流体。有利的是，框架42和柔性构件44共同作为防止冷却液48与I/O连接器28接触的隔离构件。在一些实施例中，框架42和柔性构件44共同用于防止冷却液48与诸如电容器14的其它电子部件接触。
框架42帮助将I/O连接器28与冷却液48隔开并为喷射歧管46提供支撑。框架42具有一个或更多个在其中限定的中心开口50。通过粘接剂52将框架42固定到载体16上使得在框架42的开口50和芯片12的侧边32之间限定环形区34。粘接剂52可以为足以承受存在的温度和机械应力的任何粘接剂。例如，粘接剂52可以为环氧树脂粘接剂。
可以在框架42的周边上的选择区域或点中涂敷粘接剂52。以这种方式，在框架42和载体16之间限定一个或更多个冷凝路径54(图3)。冷凝路径54使得周围空气在框架42和载体16之间循环，这促进柔性构件44的部件侧上的冷凝的湿气变干。
可以由任意希望的材料制成框架42。在一个实施例，由热膨胀系数与载体16基本上相同的材料制成框架42。例如，可以由柯伐(Kovar)合金材料、陶瓷材料等制成框架42。
柔性构件44被固定在框架42和芯片12之间，以防止冷却液48与I/O连接器28和电容器14连接。特别地，柔性构件44与框架42的部分56和芯片12的部分58交迭，以限定其间的搭接接头。
柔性构件44的部分58与芯片12交迭约0.5～1.0毫米(mm)。已发现，使交迭的部分58最小化，则使芯片12的后表面18上的冷却区最大化。
在一个实施例中，通过粘接剂60将柔性构件44密封到芯片12的后表面18上。由一般不渗透冷却液48的材料制成粘接剂60。可以以任意希望的厚度涂敷粘接剂60。但已发现，使粘接剂60的厚度最小化也会使用于湿气渗透的断面路径最小化。例如，已发现厚度小于约0.02mm的粘接剂60会将透过粘接剂的湿气减到最少。粘接剂60可以为环氧树脂、聚合物或其任意组合。
在替代性实施例中，将柔性构件44焊接到芯片12的后表面18上(例如，焊料代替上述粘接剂60)。这里，芯片12的后表面18和柔性构件44包含相应的可被焊在一起的金属化的区域(未示出)。其优点在于，焊接芯片12和柔性构件44提供不透来自冷却液48的湿气的真正的冶金接合。另外，焊接芯片12和柔性构件44在芯片和框架之间提供较高的传热率。
柔性构件44提供足够的柔性，以补偿芯片12和框架42之间的公差。柔性构件44也由热膨胀系数与芯片12基本上匹配的材料制成，以使粘接剂60上的应力最小化。优选地，柔性构件44由多种材料制成并/或由可容易地与芯片12接合的材料涂敷。例如，构件44可以由商业上来自田纳西州Talbott市的Eagle Alloys公司的因瓦合金制成。
这里所述的框架42和柔性构件44是分开的元件。但是，本公开也考虑到作为单一的整体构件的框架和柔性元件。
喷射歧管46位于框架42上面，以将冷却液48喷射到芯片12的后表面18上。冷却液48可以为任意希望的流体，诸如但不限于：水、碳氟化合物液体、乙二醇基液体、硅基液体和其它冷却液。在示例性实施例中，冷却液48是商业上可从明尼苏达制造和矿业公司(即3M)得到的fluorinert FC43。
喷射歧管46被固定到框架42上，以在喷射歧管和后表面18之间限定喷射区62。可以通过一个或更多个机械紧固件64将喷射歧管46固定到框架42上。另外，喷射歧管46可以包含位于柔性构件44的部分56之上的密封构件66。由此，柔性构件44、密封构件66和粘接剂60将冷却液48密封在喷射区62中，这样将喷射区与I/O连接器28和电容器14分开。
可以由诸如在高达260摄氏度的温度下具有热稳定性并与冷却液48相容的材料的任意材料制成密封构件66。例如，密封构件66可以是碳氟化合物O形环。
在冷却领域中，喷射歧管46可包含流体入口、流体出口、泵和热交换器，是公知的技术。泵可经由入口和出口在热交换器和喷射区62之间移动冷却液48，以冷却芯片12。在一些实施例中，喷射歧管46可包含用于以任意希望的喷射图案使冷却液48的流动转向的转向板(diversion plate)68。
通过同时参照图4和图5，说明供电子部件10使用的冷却系统140的替代性示例性实施例，其中，用一百的倍数表示执行与上述功能相同和/或类似的功能的部件。
冷却系统140具有框架142和喷射歧管146。因此，冷却系统140缺少上述柔性构件。在本实施例中，没有将框架142密封到芯片12的后表面18上。而是通过粘接剂160将框架142密封到芯片12的侧边32上。
喷射歧管146直接将冷却液148喷射到后表面18上，以冷却芯片12，同时框架142用作隔离构件，以防止冷却液148与I/O连接器28和/或电容器14接触。已发现，将框架142密封到侧边32使得冷却液148可以喷射到整个后表面18。另外，将框架142密封到侧边32使得冷却液148可以喷射到粘接剂160之上的各边的部分。
通过粘接剂152将框架142固定到载体16上，使得在框架142的开口(未示出)和芯片12的侧边32之间限定环形区134。可以在框架42的周边上的选择区或点中涂敷粘接剂152，以限定一个或更多个冷凝路径(未示出)。
在一个实施例中，通过粘接剂160将框架142密封到芯片12的侧边32上。特别地，用粘接剂160填充框架142和芯片12的侧边32之间的环形区134。例如，环形区134在框架142和侧边132之间宽度为约1.0毫米。粘接剂160由一般不透冷却液148的材料制成。另外，粘接剂160由具有足够的柔性的材料制成，以处理制造公差和芯片12、载体16和框架142之间的热膨胀差异。
将喷射歧管146固定到框架142上，以在组件和后表面18之间限定喷射区162。可以通过一个或更多个机械紧固件164将喷射歧管146固定到框架42上。另外，喷射歧管146可以包含位于框架142和喷射歧管之间的密封构件166。因此，框架142、密封构件166和粘接剂160将冷却液148密封在喷射区162中，这样将喷射区与I/O连接器28和电容器14隔开。
在图5中所示的实施例中，粘接剂160可以包含设置在其上的阻挡层170。阻挡层170防止来自冷却液148的湿气时间过长地渗过粘接剂160。例如，阻挡层170可以为金属膜层，诸如涂敷到粘接剂160的最顶端的暴露表面上的铬层。在制造过程中，可以在用粘接剂152将框架142固定到芯片载体16上以后，将阻挡层170施加到粘接剂160上。然后，可以随后通过溅射、蒸镀或蒸汽淀积的金属膜将粘接剂160金属化到至少约800埃(
Figure C20051012465400111
)的厚度。
已发现，本公开的系统40、140的直接流体冷却的效率大于现有系统的两倍。例如，热传导一般由等式dT＝qR总表示，其中，dT是芯片和冷却液之间的温差，q是芯片的以瓦特为单位的功率，R总是以摄氏度每瓦为单位的封装(package)的总热阻。为了进行比较，假定dT和q是常数，那么可以看出，总热阻与冷却系统的热效率成正比。
在需要通过热糊剂固定到芯片上的空气冷却散热器的现有系统中，总热阻(R总)由等式R总＝R芯片+R糊剂+R散热器+R对流表示。这里，R芯片是芯片的热阻，RTIM是热糊剂的热阻，R散热器是散热器的热阻，R对流是空气冷却散热器的热阻。相反，根据本公开的冷却系统40、140的总热阻(R总)由等式R总＝R芯片+R对流表示，其中，R芯片是芯片的热阻，R对流是直接流体冷却的热阻。典型的现有系统与本公开的冷却系统40、140的热阻的比较如表1所示。
表1
  现有系统的热阻   系统40、140的热阻
R<sub>芯片</sub>＝6mm2C/w R<sub>芯片</sub>＝6mm2C/w
  R<sub>糊剂</sub>＝13mm2C/w   无
  R<sub>散热器</sub>＝5mm2C/w   无
  R<sub>对流</sub>＝8mm2C/w(125000w/cm2)   R<sub>对流</sub>＝8mm2C/w(125000w/cm2)
  总计＝32mm2C/w   总计＝14mm2C/w
可以看出，本公开的冷却系统40、140的热阻的效率比现有系统高两倍。
应当认识到，这里，通过隔开单个集成电路芯片12的例子说明冷却系统40、140。当然，本公开可以设想供任意数量的集成电路芯片12和/或任意数量的电子部件14使用的冷却系统40、140。例如，可以设想框架具有用于冷却任意希望的数量的电子部件的任意希望的数量的开口50。
因此，本公开的冷却系统将芯片接点与芯片的后表面隔开，同时留下到达芯片的基本上全部的后表面的路径。这使得喷射歧管可直接将冷却液喷射到芯片的后表面上，还提供阻挡层使得冷却液不与芯片的前表面上的接点接触。因此，冷却系统40、140为有源和无源冶金和其它部分，例如，电子部件10的C4凸点、芯片聚酰亚胺、端子金属、探针焊盘，提供环境保护。并且，冷却系统40、140对于有铅的(leaded)焊接接点和无铅的焊接接点用法相同。
这里，可以使用术语“第一”、“第二”、“第三”、“上”和“下”等以变更各种要素。除非特别说明，这些变更不表示被变更的要素的空间、次序或分级次序。
虽然已参照一个或更多个示例性实施例说明了本公开，但本领域技术人员将理解，在不背离本公开的范围的情况下，可以进行各种变更，且可以以等同物代替其要素。另外，在不背离其范围的情况下，可以进行各种变更，以使特定情况或材料适于本公开的教导。因此，本公开不限于作为设想的最佳实施方式公开的特定实施例，而是，本公开将包含落入所附的权利要求书的范围内的所有实施例。

Claims (26)

1.一种用于部件载体上的电子部件的冷却系统，其中该电子部件的前表面连接在所述部件载体上，所述系统包括：
具有开口的框架，所述框架可与所述部件载体连接，使得在所述开口和所述电子部件之间限定环形区域；
被密封在所述开口之上以将喷射区限定在所述电子部件的后表面上的喷射歧管，所述喷射歧管用于将冷却液喷射到所述后表面上；和
用于密封所述环形区域使得位于所述部件载体的与所述电子部件连接的表面的相反表面上的输入/输出连接器与所述冷却液隔开的构件。
2.根据权利要求1的系统，其中，在所述框架周边上的选择区域或点中涂敷粘接剂，使得在所述框架和所述部件载体之间限定至少一个冷凝路径。
3.根据权利要求1的系统，其中，所述用于密封所述环形区域的构件包含柔性构件，所述柔性构件可交迭并密封到所述后表面的一部分，并可交迭并密封到所述框架的一部分上。
4.根据权利要求3的系统，其中，所述喷射歧管在基本上整个所述后表面上喷射所述冷却液。
5.根据权利要求1的系统，其中，所述电子部件具有多个侧边，并且，所述用于密封的构件包含可被设置在所述环形区域中的、可密封所述多个侧边且可密封所述框架的粘接剂。
6.根据权利要求5的系统，其中，所述喷射歧管在整个所述后表面上喷射所述冷却液。
7.根据权利要求5的系统，其中，所述喷射歧管在所述多个侧边的至少部分上喷射所述冷却液。
8.根据权利要求5的系统，还包括设置在所述粘接剂上的阻挡层。
9.一种冷却设置在部件载体上的电子部件的方法，其中该电子部件的前表面连接在所述部件载体上，所述方法包括：在所述电子部件的基本上整个后表面上直接喷射冷却液流，同时通过提供被密封到所述电子部件的隔离构件，防止所述冷却液与位于所述部件载体的与所述电子部件连接的表面的相反表面上的输入/输出连接器接触。
10.根据权利要求9的方法，还包括：在所述电子部件的一个或更多个边上喷射所述冷却液流。
11.根据权利要求9的方法，其中，所述隔离构件与所述电子部件的所述后表面形成搭接。
12.根据权利要求9的方法，其中，所述隔离构件与所述电子部件的各边形成环形结合。
13.根据权利要求9的方法，还包括：在所述框架周边上的选择区域或点中涂敷粘接剂，以提供用于释放来自所述隔离构件的部件侧的冷凝物的路径。
14.一种包括电子部件及其冷却装置的系统，包括：
与所述电子部件的前表面连接的部件载体；
设置在所述部件载体的与所述电子部件连接的表面的相反表面上的输入/输出连接器；
具有开口的框架，所述框架与所述部件载体连接，使得在所述开口和所述电子部件的后表面之间限定环形区域；
被密封在所述开口之上以将喷射区限定在所述后表面上的喷射歧管，所述喷射歧管用于将冷却液喷射到所述喷射区中的所述后表面上；和
用于密封所述环形区域使得所述输入/输出连接器与所述冷却液隔开的构件。
15.根据权利要求14的系统，其中，在所述框架周边上的选择区域或点中涂敷粘接剂，使得在所述框架和所述部件载体之间限定至少一个冷凝路径。
16.根据权利要求14的系统，其中，所述电子部件具有至少约2瓦每平方毫米的功率密度。
17.根据权利要求16的系统，其中，所述喷射歧管提供足够的所述冷却液流，以将所述电子部件保持在低于约85摄氏度。
18.根据权利要求14的系统，其中，所述电子部件具有至少约4瓦每平方毫米的功率密度。
19.根据权利要求18的系统，其中，所述喷射歧管提供足够的所述冷却液流，以将所述电子部件保持在低于约85摄氏度。
20.根据权利要求14的系统，其中，所述用于密封所述环形区域的构件包含柔性构件，所述柔性构件可交迭并密封到所述后表面的一部分，并可交迭并密封到所述框架的一部分上。
21.根据权利要求20的系统，其中，所述喷射歧管在基本上整个所述后表面上喷射所述冷却液。
22.根据权利要求14的系统，其中，所述电子部件具有多个侧边，并且，所述用于密封的构件包含被设置在所述环形区域中并将所述多个侧边密封到所述框架上的粘接剂。
23.根据权利要求22的系统，其中，所述喷射歧管在整个所述后表面上喷射所述冷却液。
24.根据权利要求22的系统，其中，所述喷射歧管在所述多个侧边的至少部分上喷射所述冷却液。
25.根据权利要求22的系统，还包括设置在所述粘接剂上的阻挡层。
26.根据权利要求14的系统，其中，所述电子部件选自包含集成电路芯片、电容器、电阻器、存储器件和其任何组合的组。
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