(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヒートシンク・アセンブリが取り付けられるようになっている電気熱源とは別個の完成品であるヒートシンク・アセンブリであって、
平らな表面を有する伝導性材料の中実ベース部材と、
冷却すると、０.００２５４ミリメータ（０．０００１インチ）〜０.５０８ミリメータ（０．０２０インチ）の厚さを有し、１５７℃未満の融解温度を有している本質的に低融点合金から構成される露出固化した溶接接合部を形成するための高温で前記平らな表面に接合された相変化特性を有する低融点合金組成物の熱界面材料の層であって、前記露出した溶接接合部は前記電気熱源の外面への前記ヒートシンク・アセンブリの直接取付けに適した、低融点合金組成物の熱界面材料の層とを備え、
前記ヒートシンク・アセンブリは、柔らかくて柔軟な有機材料のＯリングまたは柔軟なシムからなるグループから選択されるシール材料をさらに備え、前記シール材料は、ダムを形成し且つ低融点合金の前記溶接接合部が溶融時に広がり出ることができるのに十分な空間を提供するように前記溶接接合部とは離れるように構成され、前記シール材料は、前記電気熱源とヒートシンク・アセンブリとの間の空間を密閉し、前記溶接接合部の溶融中に前記溶接接合部を大気から隔離し、前記ヒートシンク・アセンブリが前記電気熱源に取り付けられ前記電気熱源が作動した後で、前記溶接接合部の低融点合金組成物が前記ダムの外に広がるのを制限することを特徴とする、ヒートシンク・アセンブリ。
【請求項２】
ヒート・スプレッダ・アセンブリが取り付けられるようになっている電気熱源とは別個の独立型製品であるヒート・スプレッダ・アセンブリであって、
平らな表面を有する伝導性材料の中実ベース部材と、
冷却すると、０.００２５４ミリメータ（０．０００１インチ）〜０.５０８ミリメータ（０．０２０インチ）の厚さを有する露出固化した溶接接合部を形成するための高温で前記中実ベース部材の前記平らな表面に接合された相変化特性を有し、１５７℃未満の融解温度を有している低融点合金組成物の熱界面材料の層であって、前記露出した溶接接合部は前記電気熱源の外面への前記ヒート・スプレッダ・アセンブリの直接取付けに適した、低融点合金組成物の熱界面材料の層とを備え、
前記ヒート・スプレッダ・アセンブリは、柔らかくて柔軟な有機材料のＯリングまたは柔軟なシムからなるグループから選択されるシール材料をさらに備え、前記シール材料は、ダムを形成し且つ低融点合金の前記溶接接合部が溶融時に広がり出ることができるのに十分な空間を提供するように前記溶接接合部とは離れるように構成され、前記シール材料は、前記電気熱源とヒート・スプレッダ・アセンブリとの間の空間を密閉し、前記溶接接合部の溶融中に前記溶接接合部を大気から隔離し、前記ヒート・スプレッダ・アセンブリが前記電気熱源に取り付けられ前記電気熱源が作動した後で、前記溶接接合部の低融点合金組成物が前記ダムの外に広がるのを制限することを特徴とする、ヒート・スプレッダ・アセンブリ。
【請求項３】
前記中実ベース部材は、前記Ｏリングを収容するように前記溶接接合部の周囲を取り囲む環状溝を有している、請求項１に記載のヒートシンク・アセンブリ。
【請求項４】
前記中実ベース部材は、前記Ｏリングを収容するように前記溶接接合部の周囲を取り囲む環状溝を有している、請求項２に記載のヒート・スプレッダ・アセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コンピュータＣＰＵ（中央処理装置）、ＧＰＵ（汎用処理装置）その他の発熱する装置のような超小型電子部品からの熱の除去ためのヒートシンク・アセンブリとヒート・スプレッダ・アセンブリとに関する。
【背景技術】
【０００２】
電子部品と電子装置の小型化の要求は、これらの障害を防止すべく、これらの部品の温度を十分低いレベルに維持するための熱流動要件を大幅に増加させてきた。電子部品および／または電子装置からの熱の除去を遂行するためには、部品または電子装置の表面に熱放散装置、例えばヒートシンクおよび／またはヒートパイプ・モジュールを取り付けること、および／または熱源にヒート・スプレッダを貼り付けることが従来から行われている。従来のヒートシンクは、熱伝導によって電子部品から熱を除去するための伝導性ベース部材と、伝導によって除去された熱の大気中への伝達を典型的には対流と輻射によって遂行するための適当なハードウエアとから構成されている。熱を伝達するハードウエアは典型的には、フィンを使用し、また対流によって熱伝達を向上させるファンを含むこともある。
【０００３】
ヒート・スプレッダは、発熱する装置に直接取り付けられ、電子部品および／または電子装置から熱を除去するためのヒートシンクと組み合わせて使用することも可能な熱放散伝導性部材である。
【０００４】
熱伝達の更なる改善は、熱源とヒートシンクとの表面間に常に存在する不完全部分とギャップとに適応するために、熱源とヒートシンクとの間に配置される高い熱伝導率の柔軟な界面材料の使用によって達成されている。しかしながら、これらの改善は、小型化された超小型電子部品の現在および将来の熱流動要件を満足させるためには、それだけでは十分でない。熱伝達は、ヒートシンク・ハードウエアと熱源との間への高い圧力の印加によって更に増加させることができるが、高い圧力の印加は、望ましくない応力を引き起こす点で有害である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明によるヒートシンクおよびヒート・スプレッダ・アセンブリは、ヒートシンクのベース部材と熱源との間、および／またはヒート・スプレッダとヒートシンクとの間の接触抵抗を実質的に低減するために、設計されている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のヒートシンク・アセンブリは、伝導性材料の中実ベース部材と、前記中実ベース部材の少なくとも１つの表面に接合された相変化特性を有する低融点合金の層とを備え、前記中実ベース部材と前記低融点合金との間に０．０００１〜０．０２０インチ（０．０００２５４〜０．０５０８ｃｍ）の厚さを有し、本質的に前記低融点合金から構成される組成物を有する溶接接合部が形成され、該溶接接合部は電気熱源への直接取付けに適した露出した比較的平らな表面を有している。この好ましい構成において、溶接接合部は、ヒートシンクのベース部材から突出しており、熱源への取付けのための比較的平らな表面を形成している。このヒートシンク・アセンブリは、電気熱源へのその取付け時に溶接接合部を大気から隔離するため、また低融点合金の溶融温度以上に加熱された後にその金属合金がダムの外に広がるのを制限するためのダムを形成するように、溶接接合部の上に配置されるシール材料またはＯリングを更に備えていてもよい。
【０００７】
本発明のヒート・スプレッダ・アセンブリは、２つの相対する比較的平らな表面を有する伝導性材料の中実部材と、前記中実部材の少なくとも１つの表面に接合された相変化特性を有する低融点合金の層とを備え、前記中実部材と前記低融点合金との間に０．０００１〜０．０２０インチ（０．０００２５４〜０．０５０８ｃｍ）の厚さを有し、本質的に前記低融点合金から構成される組成物を有する溶接接合部が形成され、該溶接接合部はヒートシンクへの直接取付けに適した露出した比較的平らな表面を有している。
【０００８】
本発明の他の利点は、添付した図面と共に読めば、本発明の以下の説明から明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明のヒートシンク・アセンブリは、図１〜図３に示されているように、金属または非金属、好ましくは銅またはアルミニウムのような金属である高伝導性材料の中実体からなるベース部材１０と、そこから延材する複数のフィン１２とを備えている。この中実ベース部材１０は、ベース部材１０をＣＰＵパッケージ１４に固定するためにスプリング・クリップのような通常の固定手段（図示せず）を使用して、超小型電子部品またはＣＰＵパッケージの外面に取り付けられるのに適した比較的平らな平面状表面１３を有している。
【００１０】
低融点合金（以後「ＬＭＡ合金」）は、中実ベース部材１０の平面状表面１３と面一になったり、またはそこから突出したり、あるいはベース部材１０内に凹んだりする、図１〜図３に示すような溶接接合部１５を形成するために、十分な高さの温度で中実ベース部材１０の平面状表面１３に接合されている。溶接接合部１５は、本質的にＬＭＡ合金組成物からなる本体部を構成しており、０．０００１から０．０２０インチ（０．０００２５４〜０．０５０８ｃｍ）の厚さを有し、また好ましくはそれが取り付けられる超小型電子部品、ヒート・スプレッダまたはＣＰＵ１４の外面の表面積よりも小さい表面積を画定する露出した滑らかで比較的平らな表面を有している。ＬＭＡ合金層の熱抵抗はその厚さに比例するので、溶接接合部１５はＬＭＡ合金層を製造およびコストの観点から実用的である限り、薄く存在することが重要である。
【００１１】
ＬＭＡ合金は、室温では固体であるが、温度が室温より高くなると柔らかくなる、すなわち融け始めるように、温度に応答する粘性によって特徴付けられる相変化特性を有する材料組成物から構成されている。本発明の目的のために、ＬＭＡ合金組成物は、１５７℃未満の融解温度を有している。本発明の好ましいＬＭＡ合金は、インジウム、ビスマス、錫、鉛、カドミウム、ガリウム、亜鉛、銀およびそれらの組合せからなる元素のグループから選択される材料組成物である。本発明の最適なＬＭＡ合金組成物は、少なくとも１０ｗｔ％〜８０ｗｔ％のインジウムと２０ｗｔ％〜５０ｗｔ％のビスマスとの間で、もしあれば前述の元素グループから選択される残り部分とを含んでいる。１つの適当なＬＭＡ合金組成物の例は、５１ｗｔ％のインジウム、１６．５ｗｔ％の錫および約３２．５ｗｔ％のビスマスを含むことになる。この組成物は、約６１℃で融解する。
【００１２】
溶接接合部１５を形成するために、ＬＭＡ合金組成物をヒートシンクのベース１０の平らな表面１３に接着した後、溶接接合部１５は、ＣＰＵパッケージ１４の外面に接触させられてもよい。このＣＰＵパッケージは、動作すると室温よりも高温になる。温度がＬＭＡ合金の融点に達すると、溶接接合部１５の余分な合金は、この接合部内から流れ出て、あるいは広がり出て、はるかに大きな表面積すなわちこの熱接合部の周囲の外側に広がる特大の領域を覆い始めることになる。これは、熱源とヒートシンクとが互いにより近接することを可能にし、後にちょうど十分なＬＭＡを残して如何なるギャップや不完全部分も充填し、かつ非常に低い界面障壁熱抵抗を有するきわめて薄い界面を形成している。
【００１３】
低融点合金組成物は、空気が排除されなければ時間とともに酸化を受けやすい。ＬＭＡ合金の酸化は、その熱伝導率を減少させ、熱的性能を低下させることになる。この可能性は、熱接合部の周囲の外側に広がる特大の領域のＬＭＡ材料に「ダム」を形成させることによって最小にすることが可能である。ダムは、余分な合金がＣＰＵパッケージ１４の周囲の周りのヒートシンクのベース部材１０に接合した場合に、相対する表面間でその余分な合金がしごき出されるときに自動的に形成される可能性がある。ダムは、空気（酸素）が界面領域に到達することを防止する機能を有している。
【００１４】
ＬＭＡ合金が溶接接合部１５の周囲の外に広がる領域に存在することを保証するために、ベース部材１０は、酸化物を洗浄するか、あるいはその領域を従来のはんだフラックスで溶かし流すことによって、溶接処理前または処理中に存在しうる汚れまたは如何なる膜も除去するように処理されるべきである。
【００１５】
同様に、物理的障壁は、そうでなければ酸化を促進する可能性のある大気からの空気の侵入を防止するために、溶接熱接合部１５の周りに形成されていてもよい。この障壁は、少なくともＬＭＡの融点に等しい温度で有効でなくてはならない。物理的障壁を形成するシールは、多くの仕方で、好ましくは図２に示すヒートシンクのベース部材１０を修正して柔らかなゴムのＯリング１７の配置に適応するように溶接接合部１５の周囲に環状溝１６を形成することによって行われている。代替として、この柔軟なゴムのＯリング１７は、溝１６を形成せずに使用することも可能であり、あるいは図３に示すように、ヒートシンクのベース部材１０とＣＰＵパッケージ１４との間、またはＣＰＵパッケージが取り付けられる回路基板との間に配置された柔軟な絶縁性のシム１８を使用することもできる。この柔軟な絶縁性のシム１８は、溶接接合部１５を取り囲むようになっている。ヒートシンクと熱源との間に形成されるシールは必ずしも完全密封性である必要がないことは指摘されるべきである。空気または酸素の拡散を遅らせることができれば、シールを通して空気または酸素を容易には透過しない如何なるシールでも使用可能である。後者の場合では、溶接熱接合部の酸化速度がなお大幅に遅らされることになる。
【００１６】
Ｏリング１７の設計は、熱抵抗を最小化するため、しごき出した後に少なくともＬＭＡ合金の接着ラインと同じくらい薄くなるまでＯリング１７がしごかれることを可能にするＯリング１７のサイズと組成物とによって最適化できる。この場合、Ｏリングは、ベース部材１０とＣＰＵパッケージ１４の対向面（蓋でもよい）との間の領域をシールしている。Ｏリング溝２０は、接着ライン厚さを最小にするまでＯリング１７をしごくことに適応するように幅広であることに留意すべきである。Ｏリング１７は、ＣＰＵの番になる表面とヒートシンク・アセンブリのベース部材１０との間の空間を密閉している。
【００１７】
図３の構成において、この柔軟な絶縁性のシム１８は、大気中の新鮮な空気の連続的供給からＣＰＵパッケージ１４を効果的に密閉する柔らかで柔軟な有機材料である。この柔軟な絶縁性のシム１８は、前もって形成されたシール材料または「場所に合った形」のシール材料である。良好な前もって形成されたシール材料の例としては、ダウコーニング会社の商標製品「Ｓｉｌｇｕａｒｄ  ５２７」などの柔らかなシリコーン・ラバー・ゲルである。酸化防止に加えてＯリング１７または柔らか柔軟なシーラント１８は、しごき出された合金の如何なるものも熱接合部から押しのけられるのを防止し、かつ、その合金が電気ショートの原因となり得る電子システムの他の領域に移動するのを防止するために役立っている。
【００１８】
図４および図５に示すようなヒート・スプレッダ２５は、図１〜図３のヒートシンク・アセンブリの代わりに、またはそれと組み合せて使用することが可能である。ヒート・スプレッダ２５は、比較的平らな平面状表面３３を有する高度に伝導性の材料、好ましくは銅またはアルミニウムの中実体から構成されている。ＬＭＡ合金は、表面３３と面一になったり、またはその面から突出したり、あるいはその面内に凹み得る溶接接合部３５を形成するために平面状表面３３に接着されている。溶接接合部３５は、本質的にＬＭＡ合金組成物から構成されており、０．０００１〜０．０２０インチ（０．０００２５４〜０．０５０８ｃｍ）の厚さを有している。この溶接接合部は、ヒートシンクのベースに取り付けられるのに適した露出した比較的平らな表面に形成されている。
【００１９】
本発明のヒートシンク・アセンブリおよび／またはヒート・スプレッダの使用の有効性の実証は、下記の表１に示されている。
【００２０】
下記に示す表１は、単に従来のヒートシンクと熱源との間への配置のための相変化材料フォイル・インサートとして使用されたＬＭＡ合金（第３コラム）の熱抵抗と、銅コアの外面にＬＭＡ合金で形成された３層の相変化材料（第２コラム）の熱抵抗とに関して、本発明のヒートシンク・アセンブリ（第４コラムに特定されたように）と比較する目的で５種類の異なるヒートシンク設計に関する熱抵抗を識別している。相対的熱抵抗は、それぞれ第２〜第４コラムにおける３タイプの熱接合部の各々に関して、特定のヒートシンク設計に隣接して相対する一定パワーの熱源を配置することによって決定されたものである。
【００２１】
熱源とヒートシンクの表面温度が測定され、熱抵抗は、他のヒートシンク設計の熱抵抗に対して楽観的には１０ほど高い約数だけ実質的に低い熱抵抗を有する本発明のヒートシンク・アセンブリによる温度差およびパワーから計算されたものである。
【００２２】
【表１】
0004809606.tif 000002
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明による１表面上に形成されたＬＭＡ合金の溶接接合部を有するヒートシンク・アセンブリの横断面図である。
【図２】ＣＰＵに取り付けられるときに、ＬＭＡ合金の溶接接合部を隔離するためのＯリングを組み込んだ図１の修正されたヒートシンク・アセンブリの横断面図である。
【図３】ＬＭＡ合金の溶接接合部を隔離するための柔軟なシムとの組合せでＣＰＵパッケージに取り付けられた図示の本発明のヒートシンク・アセンブリの更なる実施形態の横断面図である。
【図４】ＣＰＵパッケージに取り付けられた図示の本発明による１表面上に形成されたＬＭＡ合金の溶接接合部を有するヒート・スプレッダの横断面図である。
【図５】ヒートシンクに取り付けられるときに、ＬＭＡ合金の溶接接合部を隔離するための任意選択のＯリングを受けるように修正された図４に示すヒート・スプレッダの横断面図である。
【符号の説明】
【００２４】
１０  ベース部材
１２  フィン
１３  平面状表面
１４  ＣＰＵパッケージ
１５  溶接接合部
１７  Ｏリング
１８  シム
２５  ヒート・スプレッダ
３３  平面状表面
３５  溶接接合部
【図１】
0004809606.tif 000003
【図２】
0004809606.tif 000004
【図３】
0004809606.tif 000005
【図４】
0004809606.tif 000006
【図５】
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