[其他]整体式热导管组件

说明书

本发明涉及一个冷却电子元件用的热导管，更具体地说，本发明涉及一个冷却半导体芯片用的整体式热导管组件。

半导体制造工艺的新近进展导致集成电路芯片日趋小型化。新芯片与原有芯片相比，尽管尺寸上往往相同或更小，但能完成更复杂的功能。为了要完成这些复杂的功能，这种新芯片比原有芯片会消耗更多的功率，结果产生更多的热量。这一点之所以重要，是因为大多数的芯片应在20℃至80℃之间工作。如果芯片变得过热，半导体结就会有断裂的趋势，芯片的功能就可能出错。因此，需要将芯片冷却，使芯片保持在热稳定的环境下运作，以使芯片连续正确地操作。

已经提出过并试图消除芯片所产生的热量的一些方法。要正确地消散某一芯片所产生的热量，散热片就会大到这样的程度，以致提供的散热片使小型化芯片的目的告吹。冷却扇也因同样理由是不适用的。此外，许多冷却扇在大到足以完善地冷却集成电路芯片时会比芯片本身更重更耗电。

也曾经在提供导冷的组件作过某些努力。这些组件具有一个热阻较低的机械构件与芯片的表面接触。这个机械构件提供一个传导路径，将芯片所产生的热量传送到散热装置。因为机械构件的直接接触，这些组件将机械应力加在芯片上。因为芯片和机械构件的热膨胀特性一般有很大的不同，使这个应力加剧。再者，也因为每一组件都有很多的零件，故制造起来是相当花钱的。

热导管也曾被用来消散半导体芯片所产生的热量。这种热导管是一个在容器里面有二相工作流体的密封系统。工作流体具有一个在待冷却芯片的工作温度范围里的汽化温度。该热导管的一端外露在待冷却的元件中，而其相对的一端则外露到一个散热装置中。芯片所产生的热量将相邻的导管部分中的工作流体汽化。汽化物运行到导管的较冷部位。然后汽化潜热以传导方式被传送到散热装置，汽化物就被冷凝。冷凝后的液体被输送回到邻近元件的导管的一端以重复这种循环。

有两类热导管曾经是用过的国际管子标准（ips）。再者，外热导管是比较大的，其空间因数不宜用来冷却小量的芯片。

整体式热导管是另一类型的热导管，它被将到电子元件的封装组件里。一或多个芯片露在工作流体中。在许多的这些热导管中，芯片位于液槽的底部。热量用汽泡蒸发的方法由芯片转移到液体。如果来自芯片的热流变得过大，汽泡可在芯片周围形成。汽泡形成的绝热层会有效地阻止进一步的汽化和热传导。一些整体式热导管在组件里需要有一个吸液心。这种吸液心经常是固定在芯片或组件内部的一根玻璃纤维或介电粉末。这些吸液心可能将一机械应力加在芯片上。此外，在组件里插入吸液心会大大增加制造热导管的成本。

因此，需要有一种新的设备去消除由集成电路半导体芯片所产生的热量。这种新设备应能有效地将热量从芯片传走，使得芯片保持在它们的工作温度范围里。此外，这种新设备也应与芯片的热流无关地将热量从芯片传走。这种新的设备还应该体积小，使得其应用不会使元件小型化的优点告吹。另外，它也不应依赖外加的能源，不应使芯片承受到不适当的机械应力，但在生产时应该比较经济。

本发明包括一个整体式热导管组件，半导体芯片就装在组件中的基底上，而且基底起作热导管组件的基座或输入端的作用。基底上附有一个冷凝盖，用于在芯片周围形成一密封管室。在基底相对面的盖顶备置有一有沟槽的冷凝表面。一条多层的纤维吸液心可安放在芯片顶部和冷凝表面的底部之间。芯片的顶部可以备置以一个有槽的表面和吸液心接触。管室是密封的并供有中性的二相工作液体。组件的顶部或输出端可配置一个合适的散热装置。

工作液体分离成汽相和液相两个部分。液相部分以一层相当薄的薄膜或包含在吸液心里的形式位于芯片之上或与芯心毗邻。当组件在使用时和芯片产生热量时，芯片产生的热量将毗邻芯片的液体薄膜蒸发，汽化物移动到组件顶部处的有沟槽的冷凝表面，散热装置吸收汽化潜热，使汽化物冷凝。被再冷凝的液体回到热导管的基座，以便重复冷却循环。

这种热导管有几个优点。在热导管顶部处的有沟槽的冷凝表面具有足够的表面面积，以便在单位时间里将大量的潜热从汽化物导走。这就使得组件非常有效地将热量从芯片传走。因为只有一层薄膜液体和芯片接触，故液体很容易蒸发。此外，在芯片上也几乎不可能形成能阻止热传导的过程的气泡。附加的吸液心增加了组件的热传导特性，然而吸液心加在芯片上的应力却是很小的。当有槽的芯片配置以一有槽上表面时，在吸液心的液体和芯心之间形成一反转的弯月面。这个弯月面增强了芯片的汽化效率，也提高了热导管组件的总的热传导特性。