CN1167934A - 表面补充散热装置 - Google Patents

Abstract

用于微处理器的自散热装置。微处理器一般安装在印刷电路板上。印刷电路板上有于微处理器正下方切出的凹槽。散热材料通过该凹槽附于微处理器上。附于微处理器底表面上的散热材料可单独使用，或与印刷电路板下所附的金属托架或底座结合使用。

Description

表面补充散热装置

本发明涉及半导体器件的散热器，特别涉及表面补充散热器。

由于两个地势上不同的点间存在温度差，所以热是一种能量流。在设计半导体器件时的一个基本原则是确保器件工作于安全温度水准。

设计很差的散热器会导致热阻、半导体器件高温、器件电性能变差和早期失效。因此，任何设计都必须考虑适当散热的问题。

实际中一般把热流通道看作功耗芯片和散热器之间的一组热阻。热阻在一定程度上类似于电阻，热流正比于热流通道方向的温度落差。在热从芯片到封装表面或管座的流动中，热会经受有关各材料层的一系列阻力。例如硅、焊料、铜、铝和环氧树脂，以及发生在两材料界面间的接触阻力。所产生的热量可以通过简单的计算定量表示，计算中涉及有关的热参数，这些参数是功耗(Q)、两端点间温差(T)和热阻(R)，它们的单位分别是瓦特(W)、℃和℃/W，其中Q＝T/R。

微处理技术的发展，使得现今芯片中器件密度极大地增加，这种芯片可以以越来越高的时钟速度工作。例如，在典型的64Mb DRAM芯片中在1cm×2cm的硅芯片上设置高达1.4亿个晶体管，其特征尺寸是0.3-0.4μm。根据目前的趋势，预计多芯片组件的热处理需要除去多达25-35W/cm²的热量。

显然，不良的排热和热处理，会使晶体管器件结温升高到最高可允许的程度。因此，对微处理器提供有效的散热系统以确保系统的可靠性是很关键的。

在多数系统中，散热是通过强迫和自对流实现的，一般是这两者的结合。对流是指移动的流体将热传递至表面或从表面传出，例如空气。流体的运动可以由风扇制造(即，强迫对流)，或由因流体内存在温度梯度所致的恢复效应制造(即，自对流)。强迫对流包括系统风扇或装在微处理器顶上的风扇。直接附着于微处理器上的铝散热器是已很广泛应用的自对流方法。

然而，两种散热方法都有缺点。例如，对于强迫对流，尽管多数风扇在散热方面一般是有效的，但它们需要隔离的电源，而且必须设计成无噪音。还会附加可靠性风险，并增加制造和维护成本。而且，对于许多军事和电信方面的应用，必须满足设计规格，如需要那些在确定时间周期内不用风扇也能运行的设备或系统。最后，当使用冷却风扇时，还必须考虑散热器附近区域移动的空气的特点。不仅要考虑空气速度，而且还必须考虑空气运动是层流还是涡流。

对于自对流，我们知道，自然散热器的作用正比于其表面积。但是，在微电子系统中，可用于散热器的表面积通常受印刷电路板(PCB)上的可允许面积和其容许高度的限制。换言之，散热器的容许高度限定了它不能延伸至相邻PCB。散热器的表面积既不能大到覆盖其它元件，又不能大到覆盖特殊PCB上的测定点。

因此，对散热装置存在这样一种需要，即，当工作于系统限定的空间内时，增强常规电子系统的自散热能力。

因此，本发明的目的在于提供一种半导体器件用的散热器，基本上能解决或克服已有技术的一个或多个限制。

本发明涉及一种表面补充或辅助散热装置及方法，可以提供较大的散热面积，并使微处理器和散热器间有良好接触的区域，从而增强散热效果。

利用本发明的散热装置，仅保留微处理器的可用大表面积即底表面用于散热。而微处理器的侧边一般小得不足以产生明显的散热效果。

另一个优点是一般限于PCB和微处理器之间的热现在可以通过凹槽区释放出去，因而可以减少热失效。

为了实现这些和其它优点，根据本发明，正如所概述和具体描述的那样，本发明是一种微处理器用散热装置，该装置包括：安装微处理器用的印刷电路板，印刷电路板上有一凹槽，所说凹槽位于所微处理器的正下方；装在凹槽中的散热材料；及通过凹槽将散热材料附于微处理器底表面上以便散热的装置。

在另一实施例中，本发明提供一种为微处理器自然散热的方法，该方法包括下列步骤：(1)制备安装微处理器的印刷电路板；(2)在印刷电路板中切一凹槽，凹槽位于微处理器的正下方；(3)通过凹槽将散热材料附于微处理器的底表面上；及(4)通过所附着的散热材料散热。

参照各附图对本发明实施例的详细说明将令人更清楚上述和其它目的、方案及优点，其中：

图1是本发明补充自散热装置的分解透视图；

图2是图1装置的侧视平面图；

图3是图1装置的顶视平面图。

本发明涉及一种补充自散热装置和方法。该散热装置具备较大的散热表面积和微处理器与散热器间较好的接触区域，从而可以增强散热效果。由于自对流散热和强迫对流散热的关系，该散热装置和方法提高了两种对流方法的效率。

下面对本发明的一个实施例作详细说明，示于各附图中的实例，很具体地很适当地示出了本发明的装置和方法。注意，示于图2和3中的尺寸仅表示一个代表性的实施例。应该明白，本发明的散热装置可以用于任何尺寸的微处理器。

图1中示出了一个表面补充自散热装置的例证性实施例，该装置由参考标号10表示。该装置含有微处理器12和主散热器14。微处理器12可以是任何常规高速微处理器。本发明的散热装置特别适用于时钟速度大于25MHz的微处理器。

主散热器14的材料通常包括铝或铜，但也可以包括其它合适的材料。若在铜和铝中选一种，如果比较密度或重量，则铝是较好的导热材料。但如果比较其剖面的话，铜则更胜一筹。这两种金属皆容易制造成各种形状。结果，多数散热器制造商倾向于选择铝。

如图1所示，主散热器14具有间隔开的叶片，便于增强自对流的散热效果。主散热器14可以用粘合带或热胶带固定于微处理器12上。如图2所示，主散热器14也可以通过附着于印刷电路板(PCB)20上的金属夹具30固定。尽管主散热器可以选自任何可买到的散热器，但夹具30须是为封装所特别设计的。夹具30通过螺丝31或其它等效的固定装置固定于PCB20上。夹具30和螺丝或固定装置3的相互关系的顶视图见图3。

参见图1，图中示出了多个与安装在印刷电路板(PCB)20上的常规插座18连接的微处理器引线16。但是，本发明中，矩形凹槽区22在微处理器12的正下方的PCB20上切出，所以露出了微处理的底表面，这便可以使该区用作下面将进一步讨论的补充散热沟。

一片相当于矩形凹槽区22大小的铝、铜或其它合适的散热材料24通过凹槽区22附于微处理器底部上。该散热材料24用作补充或辅助自散热器。一般将补充散热器24设计成与矩形凹槽相配。但应该明白，本发明的范围包括了补充散热器大小和形状上的各种变化。补充散热器24的最终尺寸取决于具体的微处理器。特殊应用、要散发的热量及可用的空间。

可以利用任何常用装置将补充散热器24附着到微处理器12的底部上，例如热导电胶带或粘合剂25，这些常规装置皆加在补充散热器24的顶表面上。

如图1和2所示，在某些微电子系统中，常提供PCB托架32，既可用于使多层板稳固，又可容易地插入或除去特定的PCB。当微处理器下有金属托架32时，可以将热导电胶带或粘合剂25或其它常规附着装置设置到补充散热器24底侧上，用于与托架32的连接。这种结构中，托架32用作微处理器12的附加散热表面。

另外，可以借助螺丝或固定装置31(与夹具30有关)和PCB托架32间的作用来保持补充散热器24、微处理器12和PCB托架32间的紧密接合。参见图2，显然，将螺丝31旋进螺母33中，可以使夹具30将主散热器14压向PCB20一侧，而将托架32接向PCB20的另一侧。以此方式，使补充散热器24与微处理器12和PCB托架32紧贴在一起。

图3是所得结构的顶视图，示出了微处理器12、主散热器14和夹具30的取向。所说夹具30通过固定装置31将主散热器14固定于PCB20上。

总之，利用本发明的散热装置，微处理器仅有的可用大表面积即底面被用于散热。换言之，微处理器12的最大表面积即顶表面和底表面皆可用于散热。微处理器的侧面通常小得不足以产生明显的散热效果。

本发明另一个优点是，一般限于PCB20和微处理器之间的热现在可通过凹槽22释放出去，从而可减少热失效。

很显然，本领域的普通技术人员在不脱离本发明精神或范围情况下可以对本发明的系统和方法作出各种改型和变化。但本发明可以覆盖这些不脱离所附权利要求所限定范围的改型和变化。

Claims (7)

1用于微处理器的散热装置，包括：

安装所述微处理器的印刷电路板，所说印刷电路板中有一凹槽，所述凹槽位于所述微处理器的正下方；

装于所述凹槽中的散热材料；及

通过所述凹槽将所述散热材料附于所述微处理器底表面上以便散热的装置。

2如权利要求1的装置，其特征在于：用于附着的装置包括附于微处理器底表面上的散热材料之顶表面上的热导电胶带。

3如权利要求2的装置，还包括印刷电路板托架和将所说托架固定于所述印刷电路板的装置，所说散热材料的顶表面与微处理器接触，底表面与所述托架接触。

4如权利要求3的装置，还包括所说散热材料底表面与所述托架之间的热导电胶带。

5如权利要求3的装置，其特征在于：所说固定装置包括多个穿过所说印刷电路板与固定于所说托架上的相应螺母结合的螺丝。

6如权利要求5的装置，还包括将主散热器固定于所述微处理器的顶表面上的夹具，所述夹具借助螺丝固定于所述印刷电路板上。

7微处理器自散热方法，该方法包括下列步骤：

提供安装所说微处理器的印刷电路板；

在所述印刷电路板中切出凹槽，所述凹槽位于微处理器的正下方；

将散热材料通过所述凹槽附于所述微处理器的底表面上；及

通过所附散热材料散热。

Images