JP4414655B2

JP4414655B2 - Heat transfer interface

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Inventors: エルベラディクリスチャン; シーピーターソンエリック
Original assignee: Hewlett Packard Co
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Filing date: 2003-01-17
Publication date: 2010-02-10
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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷却対象物から発せられる熱を効率よく外に導き出すための伝熱インターフェースおよび伝熱方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電子システムが、相当な熱エネルギを発生する半導体パッケージ（たとえば、半導体ダイを含む）を組み込んでいる場合が多い。システムデザイナは、パッケージからヒートシンクまでの熱伝達経路を設けることによってそのようなシステムに十分な放熱能力を与えるために、相当な労力を費やしている。ヒートシンクは、たとえば、通風伝導板か、熱電冷却器などの能動デバイスとすることもできる。
【０００３】
これらの電子システムが多数のダイおよび他の発熱デバイスを用いている時、ある種の問題が生じる。さらに具体的に説明すると、それぞれのダイおよびデバイスは独立した放熱能力を有していなければならず、システム全体のために十分な通気および熱伝導経路の少なくともいずれかを設け、さらにヒートシンクを設けることが必要である。これが、たとえば、システムデザインを複雑にする。そのような通気、熱経路およびヒートシンクは、他のマイナス要因の中でも特にコストおよび複雑さを増加させる。
【０００４】
複数のダイを有する電気システムでは、機械寸法の累積公差が原因となってある種の問題も発生する。すなわち、たとえば、プリント回路板（ＰＣＢ）に多数のダイを物理的に取り付けたとき、本来同一平面内に位置すべき複数の基準面間にある程度のわずかな不整合が生じる。したがって、共通のヒートシンクを使用しようとする場合、物理的インターフェース全体に適当な熱伝達を確保するためには、累積公差にも対処しなければならない。累積公差は、たとえば、ダイをＰＣＢに結合するはんだ付け、時には個々のダイを覆う剛体カバーまたは「蓋」の製造ばらつきによって生じる。いずれにしても、多数のダイに連結されたヒートシンクは、発生した熱エネルギを適当に放出させるために、ヒートシンクと多数のダイとの間のインターフェース（界面）で、公差の問題を考慮しなければならない。したがって、従来技術の設計者は、インターフェースの公差のワーストケース時に発生しうる問題に対処できるように、余裕のある熱設計をすることが多い。やはり、これは電気システム全体において、マイナス要因の中でも特にコストおよび複雑さを増加させるものとなっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、他の特徴の中でも特に電気システム内に配置される複数のダイから伝導させるための伝熱インターフェースシステムを提供することによって、技術水準を進歩させるための一定の特徴を提供する。本発明の他の特徴は、以下の説明から明らかになるであろう。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
１つの態様によれば、本発明は、伝熱インターフェースを提供する。伝熱体には、複数の通路が形成されている。ばね素子が、伝熱体への熱伝達が可能に連結されている。熱伝導性を有する複数のピンが、通路内に収容されて、通路に沿って移動できるように構成されている。各ピンは、ヘッド部と、ばね素子と共に移動する軸部とを有する。軸部の少なくとも一部分が通路の内部にあって、通路の内表面との間にギャップ（空隙）を形成している。ギャップは、エアギャップでよいが、熱グリースなどの熱伝導物質を充填してもよい。作動の際に、複数のヘッド部のそれぞれは、は集合的に対象物に巨視的に一致して（対象物の面形状に追従して）、対象物から発せられる熱を伝熱体と複数のピンのそれぞれとの間に形成された空隙を経て伝熱体に伝達する。１つの態様では、伝熱体はヒートシンクであり、たとえば熱をピンから放散するために、伝熱体は液体によって能動的に冷却されるか、空気によって通気・冷却される。別の態様では、熱を伝熱体から放散させるために、必要に応じて別体のヒートシンクを伝熱体に連結する。さらに別の態様では、ピンが伝熱体を貫通して、それらが対象物から伝熱体を通って冷却媒体（たとえば、空気）内に入るようにしており、冷却媒体に入ったピンは、熱を放散して、熱エネルギを伝熱体および／または対象物から媒体へ引き出すように作用する。
【０００７】
１つの態様のばね素子は、ほぼ平面的な面を有する層を形成する。ヘッド部の１つまたは複数が、その面に対して、伝熱体から離れる方向に突出している。別の態様では、ヘッド部の１つまたは複数が、面とほぼ同一平面にある。さらに別の態様では、ヘッド部の１つまたは複数が、ばね素子内に埋め込まれている。熱グリースまたは他の伝導媒体が、対象物からピンおよびばね素子のうちの少なくともいずれかへの熱伝達を助けることができる。
【０００８】
さらに別の態様では、ヘッド部がピンの軸部のその他の部分よりわずかに小さくなって、ピン肩部を形成している。保持部材を伝熱体に連結して、ピンの軸部を伝熱体および保持部材間に保持できるようにしており、ピンは、前述したように、対象物に連結するために、通路に沿って軸方向に移動するが、ピン部材は、肩部が保持部材に当接するまで、伝熱体から延出する。
【０００９】
別の態様では、通路が密封されてキャビティを形成しており、ピンの軸部が通路にはまって、通路内の充填物がピンを押すことによって、ばね素子を形成している。充填物は、空気か、熱グリースなどの熱伝導可能な媒体にすることができる。伝熱体内の小さい空隙を１つまたは複数の通路に設けて、充填物の過剰圧力を逃がすことができる。
【００１０】
さらに別の態様では、ばね素子を、伝熱体とヘッド部との間に配置された複数のばねとすることも可能である。別の態様では、ばね素子が、通路内で伝熱体とピンの軸部との間に配置された複数のばねとすることも可能である。
【００１１】
ピンの軸部は、矩形でもよい。ピン軸部の寸法に適応するために、通路はピンの軸部と相似形状となっているがわずかに大きい。別の例では、ピンの軸部が円柱状の形状を有していて、通路は円筒形の形状を有しているが、通路内部での軸部の移動を可能とするため、通路の径がわずかに大きくなっている。
【００１２】
本発明は、１つまたは複数の半導体ダイの形をした対象物から熱を放散させるのに特に好都合である。１つの態様では、ヒートシンクが伝熱体に連結されている。ヒートシンクは、たとえば、能動熱電冷却器か、冷却された熱伝導素子（たとえば、液体で冷却された熱伝導ブロック）か、受動放熱金属ブロックにすることができる。
【００１３】
本発明は、所望の用途に合わせて反転させることができるというさらなる利点を有する。すなわち、１つの態様の本発明は、熱インターフェースであって、それは、取り付け向きに関係なく、熱を一方側から他方側へ伝達する。
【００１４】
１つの態様では、ばね素子は熱伝導スポンジ状物質である。ばね素子は、本明細書に開示したさまざまな形式のばね素子の１つまたは組み合わせでもよい。
【００１５】
本発明はまた、熱エネルギを対象物から伝熱体およびヒートシンクのうちの少なくともいずれかに伝達する方法であって、複数のピンを対象物の表面に、それらのピンが対象物の巨視的表面と接触してそれにほぼ一致するように（対象物の面形状に追従するように）押し付ける手順と、熱エネルギを対象物からピンを経て、複数のピンとの間に複数の空隙を形成している伝熱体に伝達する手順とを含む方法を提供している。複数のピンを対象物の表面に押し付ける手順は、プリント回路板または他の電気装置に連結された複数のダイまたは半導体パッケージに複数のピンを押し付ける手順を含むことができる。伝熱体は、ピンと共にヒートシンクとして機能することができ、あるいは、他の態様では、別体のヒートシンクを伝熱体に連結する。
【００１６】
次に、本発明を好適な実施形態に関連してさらに説明するが、当該技術分野の専門家であれば、本発明の範囲から逸脱しない範囲で、さまざまな追加、削除(subtractions)および変更を加えることができることが明らかになるであろう。
【００１７】
図面を参照することによって、本発明をさらに十分に理解できるであろう。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１に、本発明の１つの熱インターフェースシステム(thermal interface system)１０の側部断面を示す。以下では熱インターフェースシステムを単に「システム１０」と称する。システム１０は、熱を対象物１４から伝熱体１６へ伝達するために対象物１４と接触する複数の熱伝導ピン１２を備えている。ばね素子１８が、ピン１２および対象物１４間の結合を容易にするので、対象物１４の表面１４Ａが図示のように非平面的であっても、ピン１２が集合的に対象物１４の表面１４Ａに一致する。本明細書で使用する時、各ピン１２は、たとえば、図１に示されているように、ヘッド１２Ａおよび軸部１２Ｂを有すると説明することができる。対象物１４の範囲内にあるピン１２では、ピンヘッド１２Ａが対象物１４に近接または接触する一方、ピン１２の軸部１２Ｂの少なくとも一部分が、伝熱体１６に近接または接触している。１つの実施形態でピン１２は、伝熱体１６にピン１２の数と同数形成されている通路１６Ａに嵌合している。説明のために、図１には通路１６Ａがひとつだけ示されている。ピン１２、ばね素子１８は通路１６Ａでガイドされており、物体１４の表面形状に追従して密接するようにピン１２は動く。
【００１９】
図２は、対象物１４およびシステム１０の上面図である。説明のために、ばね素子１８を透過的に示して、複数の通路１６Ａおよびピン１２が明瞭に見えるように図示した。作動の際に、システム１０は熱を対象物１４から伝熱体１６に放散させるように働く。ピン１２が、（ａ）対象物１４と直接的に接触するとき、（ｂ）熱伝導媒体（たとえば、熱グリースまたは熱伝導ばね素子１８）を介して対象物１４に接触するとき、（ｃ）ピンヘッド１２Ａおよび対象物１４間の空隙が熱伝達をほとんど阻止しない時、あるいはこれらの事象が複数組み合わさっているとき、ピン１２は対象物１４と熱連通状態にある。すべてのピン１２が対象物１４と熱連通する必要はない。システム１０は、数十、数百、数千または数百万といった複数のピンを用いており、これらのピンが集合的に対象物１４の表面１４Ａに巨視的に一致することによって、熱を対象物１４から複数のピン１２を経て伝熱体１６に伝達することができる。
【００２０】
伝熱体１６はまた、熱を対象物１４から導き出すためのヒートシンクを形成することもできる。ピン１２もヒートシンクを形成することができ、たとえば、図示のように、伝熱体１６を貫通したピン１２全体に空気１９を流すことによって、ピン１２が冷却されて、集合的にヒートシンクとして機能することができる。任意であるが、図示のように、別体のヒートシンク２１を伝熱体１６に連結して、対象物１４からの放熱、伝熱の補助を行うこともできる。
【００２１】
対象物１４は、たとえば、図３を参照して説明するような、半導体ダイまたはパッケージ３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃでよい。ばね素子１８は、より詳細に後述するような別のばね様素子で代用するか、それらを追加してもよい。
【００２２】
図３は、対象物を複数の対象物３０Ａ〜３０Ｃとした形態のシステム１０を示している。本発明の１つの実施形態では、対象物３０Ａ〜３０Ｃが半導体パッケージおよびダイのうちの少なくともいずれかの組み合わせ（集合的に「ダイ」３０と称する）である。図３に示すように、対象物３０はシステム１０の下方にあり、本発明の範囲から逸脱しない範囲で、システム１０を上向き・下向き等、複数の向きに配置できることを示しており、たとえば、システム１０をダイ３０の上部に取り付けて、それの重量または他の力を利用してピン１２をダイ３０に連結することができる。システム１０が対象物３０の物理的不均一性および凹凸表面に適応できることを説明するために、各ダイ３０は互いに異なる物理的寸法で、またシステム１０からの異なった物理的離隔距離３２に示されている。ダイ３０は、たとえば、図示のように、はんだまたはソケット３６による接続でＰＣＢ３４と接続することができ、はんだまたはソケット３６と、ＰＣＢ３４およびダイ３０の製造累積公差とによって、図示のように、多数のダイとシステム１０との間の離隔距離３２にばらつきが生じることもある。ピン１２を通路１６Ａ内で熱スプレッド１６に対して矢印３１で示す方向に沿って軸方向移動させることにより、対象物３０との密接状態を調節することができる。以上のように、伝熱体１６およびピン１２のうちの少なくともいずれかがヒートシンクとして機能してもよいが、別体のヒートシンク（たとえば、図１のヒートシンク２１）を伝熱体１６に連結してもよい。
【００２３】
ピン１２およびダイ３０の外表面間の巨視的一致（すなわち、多数のピンが、いずれの１本のピンより大きい対象物表面に一致すること、あるいは、対象物表面に追従すること）を確保できるように、対応のピン１２との物理的離隔距離３２を調節する際に、ばね素子１８がピン１２を押しつけるように働く。たとえば、ばね素子１８はピン３８をダイ３０Ｃに押しつけ、ばね素子１８はピン４０をダイ３０Ｂに押しつけ、ばね素子１８はピン４２をダイ３０Ａに押しつける。ピン４４は対象物３０と接触しておらず、本例では、システム１０から最大限に突出している。図３には示されていない他のピン１２は、対象物３０と接触しても、そうでなくてもよい。
【００２４】
図４は、本発明の１つの形態に係る熱インターフェースシステム５０の断面図である。システム５０において、ピン５２、５４、５６は異なる３つのピン配置状態で示されている。必須ではないが、一般的に各ピンは同一配置であり（たとえば、各ピンは、ピン５２、ピン５４または５６の配置であり）、また、３つのピン５２、５４、５６だけが図示されているが、システム５０は一般的に、対象物５９（たとえば、図１の対象物１４）の微細特徴に連結できるよう、もっと多数のピンを有する。ピン５２、５４、５６は、図示したように、ばねパッド６０を介して伝熱体５８と連結している（後述するように、他のばね素子をパッド６０に追加するか、ばね素子をパッド６０の代わりに使用してもよい）。ピン５２の配置では、ピン５２のヘッド５２Ａがばねパッド６０から突出している一方、ピン５２の軸部５２Ｂは少なくとも部分的に伝熱体５８の通路５８Ａ内に入っている。ピン５４の配置では、ピン５４のヘッド５４Ａがばねパッド６０と同一面上にあるのに対して、ピン５４の軸部５４Ｂは少なくとも部分的にヒートシンク５８の通路５８Ｂ内に入っている。ピン５６の配置では、ピン５６のヘッド５６Ａがばねパッド６０内に埋め込まれているのに対して、ピン５６の軸部５６Ｂは少なくとも部分的にヒートシンク５８の通路５８Ｃ内に入っている。各ピン配置において、ピン５２の軸部は、軸部および伝熱体５８間の熱伝達を確保できるようにする十分な長さを有している。
【００２５】
通路５８Ａ、５８Ｂ、５８Ｃは、閉鎖端部６２を有するように図示されているが、設計上の選択事項として、（たとえば、図１のように）通路が伝熱体５８を貫通してもよい。したがって、図４の構造では、通路５８Ａ〜５８Ｃが、伝熱体５８内にキャビティ６５を形成している。キャビティ６５自体は、ばね素子として機能することもできる。たとえば、空気または他の熱伝導媒体をキャビティ６５に充填して、通路５８Ａ〜５８Ｃ内でのピンの移動に伴って、圧縮／膨張させてもよい。設計上の選択事項として、小さいベント６７を端部６２に設けて、キャビティ６５内の物質の過剰圧力を逃がしてもよく、説明を容易にするために、ベント６７は１つの通路５８Ａだけに示されているが、設計上の選択事項として、システム５０に多数のベント６７を設けてもよい。
【００２６】
ピン５２、５４、５６のそれぞれは、それぞれの通路５８Ａ、５８Ｂおよび５８Ｃの内表面６６との間にギャップ６４が形成されている。ギャップ６４は、通路５８Ａ、５８Ｂおよび５８Ｃと軸部５２Ｂ、５４Ｂおよび５６Ｂとがそれぞれ遊嵌状態で嵌合して形成される。たとえば、ピン軸部５２Ｂ、５４Ｂ、５６Ｂのそれぞれが、直径約０．０６インチの円柱形であるとき、各通路５８Ａ、５８Ｂ、５８Ｃの直径を約０．０６０５〜０．０６５インチにすることができる。ギャップ６４（および／またはキャビティ６５）に熱伝導グリース、ガス、空気または他の熱伝導媒体を充填することができる。ピン軸部５２Ｂ、５４Ｂ、５６Ｂは矩形でもよく、それに応じて、通路５８Ａ、５８Ｂ、５８Ｃも矩形にするが、その内部でのピン移動に対応するために大きくする。
【００２７】
ピン５２、５４、５６は、ばね素子（パッド）６０と共に移動することができる。ばね素子（パッド）６０は、たとえば、熱伝導スポンジ状物質とすることができるが、パッド内に切り込んだ孔が対象物５９から対応するピン５２へ熱エネルギ伝達を行うことができる限り、非伝熱性のパッドを使用することもできる。熱伝導グリース層７０が、ばね素子（パッド）６０およびピン５２、５４、５６を覆って、対象物５９から伝熱体５８への熱エネルギの伝達を促進してもよく、また、ばね素子（パッド）６０が対象物５９およびピン５６間の微視的熱接触を行うことができるので、グリース７０はピン５２、５４の構造で特に有用である。
【００２８】
必須ではないが、システム５０は、熱エネルギをピン５２および伝熱体５８から引き出すためにヒートシンク７１を有していてもよい。図示のように、熱伝導グリース７３が、伝熱体５８およびヒートシンク７１間の熱伝導率を改善することができる。たとえば、対象物５９から出た熱エネルギ７５は、図示のように、熱伝導グリース層７０を通ってピン５２、５４、５６に伝わり、ピン軸部５２Ｂ、５４Ｂ、５６Ｂから、軸部５２Ｂ、５４Ｂ、５６Ｂとの間の間隙６４を通って伝熱体５８に伝わってから、ヒートシンク７１に伝わる。
【００２９】
図１〜図４のインターフェースは、熱抵抗の物理学を利用し、熱抵抗は、（熱流の経路長さをＬ、伝導率をＫ、熱が流れる面積をＡとして）Ｌ／ＫＡに等しい。したがって、インターフェース１０、５０の熱抵抗を減少させる方法は、経路長さＬの短縮か、面積Ａの増加である。インターフェース１０、５０は、熱を放つ対象物５９にすでに非常に近接しているので、Ｌはすでに小さく、したがって、本発明は、面積Ａを増加させる点で特に好都合である。面積Ａは、インターフェースを形成しているピンの数に、ギャップ６４を形成しているピン軸部の円筒部面積を掛けた値にほぼ等しい。ギャップ６４を小さくすることによって、ギャップ間の熱抵抗が無視できる程度になり、伝熱体５８は対象物５９から熱を最大限に放散させる。インターフェース５０のピンの数を増加させると、対象物５９および伝熱体５８間のギャップ６４の累積面積が増加して熱伝達効率が向上し、ギャップ６４に熱伝導グリースまたはペーストを充填した時、この効率がさらに改善される。したがって、本発明のインターフェースは、設計上の選択事項として、数百、数千、数百万本のピンを使用することができる。ピンはまた、図２のピン１２、または図７のピン８２の配置によって示されているように、伝熱体と共にいずれのパターンにも配置することができる。ピンは熱伝導性を有し、従って、銅、アルミニウムまたは他の熱伝導材料が、ピンの製造に用いることができる。
【００３０】
従来技術の熱パッドは、許容される平面度がわずか約０．０６インチでありながら、約２〜５平方インチ／ワット／°Ｃの熱抵抗を有することもある。厚さが約０．００２インチを超える従来型熱パッドは、従来技術に関連して前述した不所望の事象をさらに悪化させるような断熱特性または挙動を示す。一方、本発明のインターフェース１０、５０は、たとえば、そのような熱抵抗を少なくとも約０．２〜０．５平方インチ／ワット／°Ｃまで改善し、さらに、０．０６インチを上回るような巨視的表面変動および不整合（たとえば、図３の不整合３２）に対応することができる。
【００３１】
図５は、本発明の１つの実施形態に係る熱インターフェースシステム８０（以下、システム８０と称する）の上面図を示し、図６は、システム８０の断面図を示し、図７は、システム８０の斜視図を示す。複数のピン８２が、対象物８３（たとえば、図１の対象物１４）の表面に一致して、熱を対象物８３から伝熱体８４へ放散できるようにしている。ピン８２のそれぞれは、伝熱体８４のそれぞれの通路８７に入った軸部８５を有し、通路８７内のピン８２の大きさを調整して、各ピン８２および伝熱体８４間に小さいギャップ８６が形成されている。ギャップ８６にグリースなどの熱伝導物質を充填することができる。システム８０一例として考えられる構造は、寸法８８が６ｍｍ、寸法９０が６．５ｍｍ、寸法９２が０．８６ｍｍ、寸法９４が２．１ｍｍ、寸法９６が２５．４ｍｍ、寸法９８が１．３５ｍｍ、各ピン８２の直径１００が０．０８４ｍｍ、寸法１０２が１．７０ｍｍ、ピンの長さ寸法１０４が１．５２ｍｍである。わかりやすくするために、図５および図６にはばね素子が示されていないが、図４のばね素子（パッド）６０などのばね素子をシステム８０の、寸法９２によって与えられる空間内に設けてもよい。図１０および図１１に示されているようなコイルばねを使用することもできる。
【００３２】
図８は、複数のシステム８０が、たとえばプリント回路板１１０の多数の半導体パッケージ８１から熱を放散させる方法を示す。図示のように、３つの熱インターフェースシステム８０がパッケージ８１に連結されて、それから発生する熱を放散できるようにしている。各パッケージ８１は、一般的に各システム８０より小さい表面積のダイ（図９の８５）を含むことができる。すなわち、設計上の選択事項として、各パッケージ８１をシステム８０より大きくすることができるが、一般的に、各システム８０が少なくともパッケージ８１内のダイ８５の表面部を覆っている。さらに以下で詳述するように、伝熱体８４から熱を放散させるために、図示のように、共通のヒートシンク８３を多数のシステム８０と結合してもよい。
【００３３】
図９は、２つのパッケージに連結された２つの熱インターフェースシステム８０の側部断面図であり、図示のように、半導体ダイ８５が各パッケージ８１に入っている。ピン８２が伝熱体８４内を移動することによってパッケージ８１の高さの差９３を調節し、したがって、共通のヒートシンク８３を伝熱体８４の上部に沿ったほぼ平坦な平面１０１に連結することができる。伝熱体８４およびヒートシンク８３間の平面１０１に設けた熱グリースによって、その間の熱伝達が容易になる。
【００３４】
当該技術分野の専門家であれば、本発明の範囲から逸脱しない範囲で、上記説明に変更を加えることができることを理解できるであろう。たとえば、ばね素子（パッド）１８、６０の代わりか、それらに追加して、小型ばねを通路１６Ａ、５８Ａ、５８Ｂ、５８Ｃ内に配置することによって、発熱対象物１４、３０に一致させるようにピンを伝熱体１６、５８、８４から外向きに押し出すことができる。そのような構造が図１０に示されている。図１０は、対象物１６０に一致するようにピン１５８を伝熱体１５６から（方向１５９に沿って）外向きに押し付けるために、伝熱体１５６の通路１５４内に複数のばね素子１５２を配した本発明の１つの熱インターフェースシステム１５０を具体的に示している。ばね素子１５２は、コネクタ１６２を介して伝熱体１５６およびピン１５８に連結されているので、伝熱体１５６で受け止められた適宜の圧縮力によって、ピン１５８が対象物１６０に適当に押し付けられて、全体として表面１６０Ａにならわせることができる。
【００３５】
ばね素子は、図１１の熱インターフェースシステム１６１に示されているように、ピンのヘッドの下側で、ヘッドと伝熱体との間に使用することもできる。図１１には３つのピン１６２Ａ〜１６２Ｃが示されている。凹凸のある対象物１６８と熱連通するために、図示のように、複数のばね１６４が、ピン１６２を方向１６６に沿って押し付ける圧縮力を発生している。また、対象物１６８の凹凸面に対応するために、ばね１６４は、伝熱体１７２（すなわち後述する部材１７６に当たって）とピンヘッド１６３との間で圧縮されている。先述したのと同様に、ピン１６２A、１６２B、１６２Cは伝熱体１７２にピン１６２の数と同数設けられた通路１７０内を方向１６６に沿って移動する。必要に応じてではあるが、対象物１６８を冷却しやすくするために、ヒートシンク１７４を伝熱体１７２に連結してもよい。
【００３６】
図１１はまた、ピン１６２を伝熱体１７２に対して保持する熱インターフェースシステムにおけるピンの一実施形態を示す。この実施形態では、保持部材１７６が、伝熱体１７２に連結されている。ピン１６２は、ピン１６２Ａの場合のように伸長時に部材１７６に当接する肩部１７８を有するように図示されており、部材１７６は、ピン１６２の肩部より上方の延出部分１８０を通すための開口を有する。したがって、図１１の保持部材は、ピン１６２が伝熱体１７２から完全に離脱することがない。
【００３７】
本発明の範囲から逸脱しない範囲で、上記方法およびシステムに一定の変更を加えることができるので、上記説明に含まれるか、添付図面に示された事項はすべて、説明的であって、制限的意味を持たないものと解釈されたい。また、併記の特許請求項は、本明細書に記載された本発明の包括的および特定の特徴のすべてを網羅し、発明の範囲の言語的表現のすべてがそれに含まれると言えることを理解されたい。
【００３８】
以下、本発明の態様について列挙する。
【００３９】
［１］伝熱インターフェース（１０、５０、８０、１５０）であって、
複数の通路（１６Ａ、８７、１５４）が形成される伝熱体（１６、５８、８４、１５６、１７２）と、
前記伝熱体（１６、５８、８４、１５６、１７２）と熱伝達が可能に連結されたばね素子（１８、６０、１５２、１６４）と、
前記通路（１６Ａ、８７、１５４）用の熱伝導性を有する複数のピン（１２、５２、５４、５６、８２、１５８）とを備えており、前記複数のピン（１２、５２、５４、５６、８２、１５８、１６２）のそれぞれは、ヘッド部（１２Ａ、５２Ａ、５４Ａ、５６Ａ、１７３）と、前記ばね素子（１８、６０、１５２、１６４）と共に移動する軸部（１２Ｂ、５２Ｂ、５６Ｂ、８５、１６２）とを有し、前記軸部の少なくとも一部分が前記通路（１６Ａ、８７、１５４）の内部にあって、前記空洞部の内表面との間に空隙（６４、８６）を形成しており、前記ヘッド部のそれぞれは、前記ヘッド部と連結される対象物（１４、３４、５９、８３、１６０、１６８）の面形状に追従し、熱を前記対象物から、前記伝熱部材と前記複数のピンのそれぞれとの間に形成された空隙を経て前記伝熱体に伝達するようにしたことを特徴とする伝熱インターフェース。
【００４０】
［２］前記弾性部材（１８、６０）は、ほぼ平面的な面を有する層状の形態を有し、前記面に対して前記ヘッド部（１２Ａ、５２Ａ）のそれぞれが、前記伝熱体（１６、５８、８４、１５６、１７２）から離れる方向に突出していることを特徴とする［１］に記載の伝熱インターフェース。
【００４１】
［３］前記ばね素子（１８、６０）は、ほぼ平面的な面を有する層状の形態を有し、前記ヘッド部（１２Ａ、５２Ａ）のそれぞれが、前記面とほぼ同一平面上にあることを特徴とする［１］に記載の伝熱インターフェース。
【００４２】
［４］前記ばね素子（１８、６０）は、ほぼ平面的な面を有する層状の形態を有し、前記ヘッド部（１２Ａ、５２Ａ）のそれぞれが、前記ばね素子内にはめ込まれていることを特徴とする［１］に記載の伝熱インターフェース。
【００４３】
［５］前記対象物は、１つまたは複数の半導体パッケージおよびダイ（３０、８１）を有することを特徴とする［１］に記載の伝熱インターフェース。
【００４４】
［６］前記弾性部材は、前記ピン（１５８）を前記伝熱体（１５６）から前記対象物（１６０）に向かって付勢するために前記通路（１５４）内に配置された複数のばね（１５２）を有することを特徴とする［１］に記載の伝熱インターフェース。
【００４５】
［７］前記ばね素子は、前記ピンを前記伝熱体から前記対象物（１６８）に向かって付勢するために、前記ヘッド部（１７３）および前記伝熱体（１７２）間に配置された複数のばね（１６４）を有することを特徴とする［１］に記載の伝熱インターフェース。
【００４６】
［８］伝熱インターフェース（１０、５０、８０、１５０）であって、対象物（１４、３４、５９、８３、１６０、１６８）の表面に巨視的に一致するための、熱伝導性を有する複数のピン（１２、５２、５４、５６、８２、１５８）を備えており、前記複数のピンのそれぞれは、ヘッド部（１２Ａ、５２Ａ、５４Ａ、５６Ａ、１７３）と、軸部（１２Ｂ、５４Ｂ、５６Ｂ、８５、１６２）とを有し、前記ヘッド部は、対象物の凹凸面にほとんどかつ巨視的に一致して（前記ヘッド部のそれぞれが対象物の表面形状に追従し）、熱を前記対象物から、前記ピンを経てヒートシンク（２１、７１、８３、１７４）に伝達できるようにしたことを特徴とする伝熱インターフェース。
【００４７】
［９］熱エネルギをヒートシンクに伝達する伝熱方法であって、複数のピン（１２、５２、５４、５６、８２、１５８）を、対象物（１４、３４、５９、８３、１６０、１６８）の表面に、前記複数のピンが前記対象物の巨視的表面と接触してそれにほぼ一致するように（前記複数のピンが前記対象物の表面に追従するように）押しつける付勢手順と、熱エネルギを前記対象物から前記ピンを経て、前記複数のピンとの間に複数の空隙（６４、８６）を形成している伝熱体（１６、５８、８４、１５６、１７２）に伝達する手順とを含むことを特徴とする伝熱方法。
【００４８】
［１０］前記付勢手順は、複数のばね（１５２、１６４）を使用してヘッド部（１２Ａ、５２Ａ、５４Ａ、５６Ａ、１７３）を前記対象物に押しつけることを含むことを特徴とする［９］に記載の伝熱方法。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に従って構成された１つの熱インターフェースシステムの縦断面図である。
【図２】図１に示す熱インターフェースシステムの上面図である。
【図３】本発明の１つの実施形態に従って、複数のダイから熱を放散させるために使用される図１の熱インターフェースシステムを示す。
【図４】本発明の別の実施形態に係る熱インターフェースシステムの縦断面図である。
【図５】本発明に係る熱インターフェースシステムの別の一例を示す上面図である。
【図６】図５に示す熱フィンターフェースシステムの縦断面図である。
【図７】図５に示す熱インターフェースシステムの斜視図である。
【図８】プリント回路板の半導体パッケージから熱を放散させるため、図５に示される熱インターフェースシステムをいくつか連結した状態を示す斜視図である。
【図９】ふたつのパッケージと連結された状態を示す、図８の熱インターフェースシステムの縦断面図である。
【図１０】本発明に係る熱インターフェースシステムにおけるピン押しつけ用ばね素子の別の構造例を示す。
【図１１】本発明に係る熱インターフェースシステムにおけるピン押しつけ用ばね素子のさらに別の構造例を示す。
【符号の説明】
１０、５０、８０、１１０、１５０、１６１ … 熱インターフェースシステム
１２、５２、５４、５６、８２、１５８、１６２ … ピン
１２Ａ、５２Ａ、５４Ａ、５６Ａ、１７３ … ヘッド
１４、１６０、１６８ … 対象物
１６、５８、８４、１５６、１７２ … 伝熱体
１６Ａ、８７、１５４ … 通路
１８、６０、１５２、１６４ … ばね素子
６４、８６ … 空隙[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a heat transfer interface and a heat transfer method for efficiently deriving heat generated from an object to be cooled.
[0002]
[Prior art]
Electronic systems often incorporate semiconductor packages (eg, including semiconductor dies) that generate significant thermal energy. System designers have spent considerable effort to provide such a system with sufficient heat dissipation capability by providing a heat transfer path from the package to the heat sink. The heat sink can be, for example, an air conduction plate or an active device such as a thermoelectric cooler.
[0003]
Certain problems arise when these electronic systems use multiple dies and other heat generating devices. More specifically, each die and device must have independent heat dissipation capabilities, provide sufficient ventilation and / or heat transfer paths for the entire system, and provide a heat sink. is required. This complicates system design, for example. Such ventilation, heat paths, and heat sinks increase cost and complexity, among other negative factors.
[0004]
In electrical systems with multiple dies, certain problems also arise due to the cumulative tolerances of machine dimensions. That is, for example, when a large number of dies are physically attached to a printed circuit board (PCB), there is some slight misalignment between a plurality of reference planes that should originally be located in the same plane. Thus, when trying to use a common heat sink, cumulative tolerances must also be addressed to ensure proper heat transfer across the physical interface. Cumulative tolerances are caused, for example, by soldering to bond the die to the PCB and sometimes manufacturing variations of rigid covers or “lids” that cover the individual dies. In any case, heat sinks connected to multiple dies must take into account tolerance issues at the interface between the heat sink and multiple dies in order to properly release the generated thermal energy. Don't be. Thus, prior art designers often design a generous thermal design to address the problems that can occur during worst case interface tolerances. Again, this adds cost and complexity, among other negative factors, to the overall electrical system.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention provides certain features for advancing the state of the art by providing a heat transfer interface system for conducting from multiple dies located within an electrical system, among other features. Other features of the present invention will become apparent from the following description.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
According to one aspect, the present invention provides a heat transfer interface. A plurality of passages are formed in the heat transfer body. The spring element is connected to be able to transfer heat to the heat transfer body. A plurality of pins having thermal conductivity are accommodated in the passage and configured to move along the passage. Each pin has a head and a shaft that moves with the spring element. At least a part of the shaft portion is inside the passage and forms a gap (gap) between the inner surface of the passage. The gap may be an air gap, but may be filled with a heat conductive material such as thermal grease. In operation, each of the plurality of head portions collectively matches the target object macroscopically (following the surface shape of the target object), and generates heat generated from the target object with the heat transfer body. It transmits to a heat transfer body through the space | gap formed between each of these pins. In one aspect, the heat transfer body is a heat sink, for example, the heat transfer body is actively cooled by liquid or vented and cooled by air to dissipate heat from the pins. In another aspect, a separate heat sink is coupled to the heat transfer body as needed to dissipate heat from the heat transfer body. In yet another aspect, the pins pass through the heat transfer body such that they pass from the object through the heat transfer body and into the cooling medium (eg, air), It acts to dissipate heat and extract heat energy from the heat transfer body and / or object to the medium.
[0007]
One aspect of the spring element forms a layer having a substantially planar surface. One or more of the head portions protrude with respect to the surface in a direction away from the heat transfer body. In another aspect, one or more of the head portions are substantially coplanar with the surface. In yet another aspect, one or more of the head portions are embedded within the spring element. Thermal grease or other conductive media can help transfer heat from the object to at least one of the pin and the spring element.
[0008]
In yet another aspect, the head portion is slightly smaller than the rest of the pin shaft to form a pin shoulder. The holding member is connected to the heat transfer body so that the shaft portion of the pin can be held between the heat transfer body and the holding member, and the pin extends along the path to connect to the object as described above. The pin member extends from the heat transfer body until the shoulder portion comes into contact with the holding member.
[0009]
In another aspect, the passage is sealed to form a cavity, the pin shank engages the passage, and the filler in the passage pushes the pin to form the spring element. The filling can be air or a thermally conductive medium such as thermal grease. Small voids in the heat transfer body can be provided in one or more passages to relieve the overpressure of the packing.
[0010]
In yet another aspect, the spring element may be a plurality of springs disposed between the heat transfer body and the head portion. In another aspect, the spring element may be a plurality of springs disposed in the passage between the heat transfer body and the shaft portion of the pin.
[0011]
The shaft portion of the pin may be rectangular. In order to accommodate the dimensions of the pin shaft, the passage is similar in shape to the pin shaft but is slightly larger. In another example, the shaft portion of the pin has a cylindrical shape, and the passage has a cylindrical shape, but the diameter of the passage is made to allow movement of the shaft portion inside the passage. Is slightly larger.
[0012]
The present invention is particularly advantageous for dissipating heat from an object in the form of one or more semiconductor dies. In one aspect, the heat sink is coupled to the heat transfer body. The heat sink can be, for example, an active thermoelectric cooler, a cooled heat conducting element (eg, a heat conducting block cooled with a liquid), or a passive heat dissipating metal block.
[0013]
The invention has the further advantage that it can be inverted for the desired application. That is, the invention of one aspect is a thermal interface, which transfers heat from one side to the other regardless of the orientation.
[0014]
In one aspect, the spring element is a thermally conductive sponge-like material. The spring element may be one or a combination of the various types of spring elements disclosed herein.
[0015]
The present invention is also a method of transferring thermal energy from an object to at least one of a heat transfer body and a heat sink, wherein a plurality of pins are on the surface of the object, and the pins are macroscopic surfaces of the object. The step of pressing to contact and almost match with the surface (following the surface shape of the object), and a plurality of gaps are formed between the pins through the heat energy from the object through the pins And a method of transferring to the heat transfer body. The procedure of pressing the plurality of pins against the surface of the object can include pressing the plurality of pins against a plurality of dies or semiconductor packages coupled to a printed circuit board or other electrical device. The heat transfer body can function as a heat sink with the pins, or in another aspect, a separate heat sink is coupled to the heat transfer body.
[0016]
The present invention will now be further described in connection with the preferred embodiments, although various additions, subtractions and modifications will occur to those skilled in the art without departing from the scope of the present invention. It will be clear that it can be added.
[0017]
The present invention may be more fully understood with reference to the drawings.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 shows a side cross-section of one thermal interface system 10 of the present invention. Hereinafter, the thermal interface system is simply referred to as “system 10”. System 10 includes a plurality of thermally conductive pins 12 that contact object 14 to transfer heat from object 14 to heat transfer body 16. The spring element 18 facilitates the coupling between the pin 12 and the object 14 so that the pin 12 collectively collects the surface of the object 14 even if the surface 14A of the object 14 is non-planar as shown. In accordance with 14A. As used herein, each pin 12 can be described as having a head 12A and a shaft 12B, for example, as shown in FIG. In the pin 12 within the range of the object 14, the pin head 12 A is close to or in contact with the object 14, while at least a part of the shaft portion 12 B of the pin 12 is close to or in contact with the heat transfer body 16. In one embodiment, the pin 12 is fitted in a passage 16 A formed in the heat transfer body 16 in the same number as the number of the pins 12. For illustration purposes, only one passage 16A is shown in FIG. The pin 12 and the spring element 18 are guided by the passage 16 A, and the pin 12 moves so as to follow the surface shape of the object 14.
[0019]
FIG. 2 is a top view of the object 14 and the system 10. For illustration purposes, the spring element 18 is shown transparently so that the plurality of passages 16A and pins 12 are clearly visible. In operation, the system 10 serves to dissipate heat from the object 14 to the heat transfer body 16. When the pin 12 (a) contacts the object 14 directly, (b) contacts the object 14 via a heat transfer medium (eg, thermal grease or heat transfer spring element 18), (c) The pin 12 is in thermal communication with the object 14 when the air gap between the pin head 12A and the object 14 hardly prevents heat transfer, or when a plurality of these events are combined. Not all pins 12 need to be in thermal communication with the object 14. The system 10 uses a plurality of pins, such as tens, hundreds, thousands, or millions, and these pins collectively target the surface 14A of the object 14 so as to target heat. It can be transmitted from the object 14 to the heat transfer body 16 via the plurality of pins 12.
[0020]
The heat transfer body 16 can also form a heat sink for extracting heat from the object 14. The pin 12 can also form a heat sink. For example, as shown in the figure, the air is passed through the entire pin 12 passing through the heat transfer body 16 to cool the pin 12 and collectively function as a heat sink. be able to. As shown in the figure, a separate heat sink 21 may be connected to the heat transfer body 16 to assist heat dissipation and heat transfer from the object 14.
[0021]
The object 14 may be, for example, a semiconductor die or package 30A, 30B, 30C as described with reference to FIG. The spring element 18 may be replaced by another spring-like element as described in more detail below, or they may be added.
[0022]
FIG. 3 shows the system 10 in a form in which the object is a plurality of objects 30A to 30C. In one embodiment of the present invention, the objects 30A-30C are a combination of at least one of a semiconductor package and a die (collectively referred to as a “die” 30). As shown in FIG. 3, the object 30 is below the system 10, and shows that the system 10 can be arranged in a plurality of directions, such as upward and downward, without departing from the scope of the present invention. 10 can be attached to the top of die 30 and its weight or other force can be used to connect pin 12 to die 30. In order to illustrate that the system 10 can accommodate the physical non-uniformity and uneven surface of the object 30, each die 30 is shown with different physical dimensions from each other and with different physical separations 32 from the system 10. ing. The die 30 can be connected to the PCB 34, for example, by a solder or socket 36 connection, as shown, depending on the solder or socket 36 and the cumulative manufacturing tolerances of the PCB 34 and die 30 as shown. Variations may occur in the separation distance 32 between the die and the system 10. By closely moving the pin 12 in the passage 16 A along the direction indicated by the arrow 31 with respect to the heat spread 16, the close contact state with the object 30 can be adjusted. As described above, at least one of the heat transfer body 16 and the pin 12 may function as a heat sink, but a separate heat sink (for example, the heat sink 21 in FIG. 1) is connected to the heat transfer body 16. Also good.
[0023]
Macroscopic matching between the outer surface of the pin 12 and the die 30 (that is, a large number of pins coincide with an object surface larger than any one pin or follow the object surface) can be ensured. Thus, the spring element 18 acts to press the pin 12 in adjusting the physical separation distance 32 with the corresponding pin 12. For example, spring element 18 presses pin 38 against die 30C, spring element 18 presses pin 40 against die 30B, and spring element 18 presses pin 42 against die 30A. The pin 44 is not in contact with the object 30 and protrudes from the system 10 to the maximum in this example. Other pins 12 not shown in FIG. 3 may or may not contact the object 30.
[0024]
FIG. 4 is a cross-sectional view of a thermal interface system 50 according to one form of the present invention. In the system 50, the pins 52, 54, 56 are shown in three different pin configurations. Although not required, in general, each pin is in the same arrangement (eg, each pin is an arrangement of pin 52, pin 54 or 56), and only three pins 52, 54, 56 are shown. However, the system 50 generally has more pins so that it can be coupled to the fine features of the object 59 (eg, the object 14 of FIG. 1). The pins 52, 54, 56 are connected to the heat transfer body 58 via the spring pad 60 as shown (additional spring elements are added to the pad 60 or the spring elements are padded as will be described later. May be used instead of 60). In the arrangement of the pin 52, the head 52A of the pin 52 protrudes from the spring pad 60, while the shaft portion 52B of the pin 52 is at least partially in the passage 58A of the heat transfer body 58. In the arrangement of the pin 54, the head 54A of the pin 54 is flush with the spring pad 60, while the shaft 54B of the pin 54 is at least partially within the passage 58B of the heat sink 58. In the pin 56 arrangement, the head 56A of the pin 56 is embedded within the spring pad 60, while the shaft 56B of the pin 56 is at least partially within the passage 58C of the heat sink 58. In each pin arrangement, the shaft portion of the pin 52 has a sufficient length to ensure heat transfer between the shaft portion and the heat transfer body 58.
[0025]
Although the passages 58A, 58B, 58C are illustrated as having a closed end 62, as a design choice, the passages may penetrate the heat transfer body 58 (eg, as in FIG. 1). . Therefore, in the structure of FIG. 4, the passages 58 A to 58 C form a cavity 65 in the heat transfer body 58. The cavity 65 itself can also function as a spring element. For example, air or other heat transfer medium may be filled into cavity 65 and compressed / expanded as the pin moves in passages 58A-58C. As a design choice, a small vent 67 may be provided at the end 62 to relieve the excess pressure of the material in the cavity 65, and for ease of explanation, the vent 67 is shown in only one passage 58A. However, a number of vents 67 may be provided in the system 50 as a design choice.
[0026]
Each of the pins 52, 54, 56 has a gap 64 formed between the inner surface 66 of the respective passageway 58A, 58B and 58C. The gap 64 is formed by fitting the passages 58A, 58B, and 58C and the shaft portions 52B, 54B, and 56B in a loose fit state. For example, when each of the pin shaft portions 52B, 54B, and 56B has a cylindrical shape with a diameter of about 0.06 inch, the diameter of each passage 58A, 58B, and 58C may be about 0.0605 to 0.065 inch. it can. The gap 64 (and / or cavity 65) can be filled with thermally conductive grease, gas, air or other thermally conductive medium. The pin shaft portions 52B, 54B, and 56B may be rectangular, and the passages 58A, 58B, and 58C are also rectangular according to the shape, but are increased in size in order to cope with the pin movement inside.
[0027]
The pins 52, 54, 56 can move with the spring element (pad) 60. The spring element (pad) 60 can be made of, for example, a heat conductive sponge-like material. However, as long as the hole cut into the pad can transfer heat energy from the object 59 to the corresponding pin 52, the spring element (pad) 60 is non-conductive. Thermal pads can also be used. A thermal grease layer 70 may cover the spring element (pad) 60 and the pins 52, 54, 56 to facilitate the transfer of thermal energy from the object 59 to the heat transfer body 58, and the spring element ( The grease 70 is particularly useful in the construction of the pins 52, 54 because the pad 60) can make microscopic thermal contact between the object 59 and the pin 56.
[0028]
Although not required, the system 50 may have a heat sink 71 to extract thermal energy from the pins 52 and the heat transfer body 58. As illustrated, the thermal conductive grease 73 can improve the thermal conductivity between the heat transfer body 58 and the heat sink 71. For example, the thermal energy 75 emitted from the object 59 is transmitted to the pins 52, 54, 56 through the heat conductive grease layer 70 as shown in the figure, and from the pin shaft portions 52B, 54B, 56B, the shaft portions 52B, 54B. , 56 B and the heat transfer body 58 through the gap 64 and then to the heat sink 71.
[0029]
The interface of FIGS. 1-4 utilizes the physics of thermal resistance, which is equal to L / KA (where L is the length of the heat flow path, K is the conductivity, and A is the area through which heat flows). Therefore, the method for reducing the thermal resistance of the interfaces 10 and 50 is to shorten the path length L or increase the area A. Since the interfaces 10, 50 are already very close to the heat-dissipating object 59, L is already small, so the present invention is particularly advantageous in that it increases the area A. The area A is approximately equal to the number of pins forming the interface multiplied by the area of the cylindrical portion of the pin shaft portion forming the gap 64. By reducing the gap 64, the thermal resistance between the gaps is negligible, and the heat transfer body 58 dissipates heat from the object 59 to the maximum extent. When the number of pins of the interface 50 is increased, the cumulative area of the gap 64 between the object 59 and the heat transfer body 58 is increased to improve the heat transfer efficiency, and when the gap 64 is filled with thermal grease or paste, This efficiency is further improved. Thus, the interface of the present invention can use hundreds, thousands, or millions of pins as a design choice. The pins can also be arranged in any pattern with the heat transfer body, as shown by the arrangement of pins 12 in FIG. 2 or pins 82 in FIG. The pin is thermally conductive, so copper, aluminum or other thermally conductive material can be used in the manufacture of the pin.
[0030]
Prior art thermal pads may have a thermal resistance of about 2-5 square inches / watt / ° C, while the accepted flatness is only about 0.06 inches. Conventional thermal pads having a thickness greater than about 0.002 inches exhibit thermal insulation properties or behavior that further exacerbates the undesired events described above in connection with the prior art. On the other hand, the interface 10, 50 of the present invention, for example, improves such thermal resistance to at least about 0.2 to 0.5 square inches / watt / ° C, and is macroscopic such that it exceeds 0.06 inches. Surface variations and misalignments (eg, misalignment 32 in FIG. 3).
[0031]
FIG. 5 shows a top view of a thermal interface system 80 (hereinafter referred to as system 80) according to one embodiment of the present invention, FIG. 6 shows a cross-sectional view of system 80, and FIG. A perspective view is shown. A plurality of pins 82 coincide with the surface of the object 83 (for example, the object 14 in FIG. 1) so that heat can be dissipated from the object 83 to the heat transfer body 84. Each of the pins 82 has a shaft portion 85 that has entered the respective passage 87 of the heat transfer body 84, and the size of the pin 82 in the passage 87 is adjusted to be small between each pin 82 and the heat transfer body 84. A gap 86 is formed. The gap 86 can be filled with a heat conductive material such as grease. A possible structure for the system 80 is as follows: dimension 88 is 6 mm, dimension 90 is 6.5 mm, dimension 92 is 0.86 mm, dimension 94 is 2.1 mm, dimension 96 is 25.4 mm, dimension 98 is 1.35 mm, each The diameter 82 of the pin 82 is 0.084 mm, the dimension 102 is 1.70 mm, and the length 104 of the pin is 1.52 mm. For clarity, the spring element is not shown in FIGS. 5 and 6, but a spring element such as the spring element (pad) 60 of FIG. Also good. A coil spring as shown in FIGS. 10 and 11 can also be used.
[0032]
FIG. 8 illustrates how a plurality of systems 80 may dissipate heat from a number of semiconductor packages 81 on, for example, the printed circuit board 110. As shown, three thermal interface systems 80 are coupled to the package 81 to allow heat generated therefrom to be dissipated. Each package 81 may include a die (85 in FIG. 9) that generally has a smaller surface area than each system 80. That is, as a design choice, each package 81 can be larger than the system 80, but generally each system 80 covers at least the surface of the die 85 in the package 81. As will be described in more detail below, a common heat sink 83 may be coupled with multiple systems 80 as shown to dissipate heat from the heat transfer body 84.
[0033]
FIG. 9 is a side cross-sectional view of two thermal interface systems 80 coupled to two packages, with a semiconductor die 85 in each package 81 as shown. The pin 82 moves within the heat transfer body 84 to adjust the height difference 93 of the package 81 and thus connect the common heat sink 83 to the substantially flat plane 101 along the top of the heat transfer body 84. Can do. The heat grease provided on the flat surface 101 between the heat transfer body 84 and the heat sink 83 facilitates heat transfer therebetween.
[0034]
Those skilled in the art will appreciate that changes can be made to the above description without departing from the scope of the present invention. For example, instead of or in addition to the spring elements (pads) 18, 60, pins can be placed to match the heating objects 14, 30 by placing small springs in the passages 16A, 58A, 58B, 58C. Can be pushed outward from the heat transfer bodies 16, 58, 84. Such a structure is shown in FIG. FIG. 10 shows the arrangement of a plurality of spring elements 152 in the passage 154 of the heat transfer body 156 to press the pin 158 outwardly from the heat transfer body 156 (along the direction 159) to coincide with the object 160. 1 illustrates one thermal interface system 150 of the present invention. Since the spring element 152 is connected to the heat transfer body 156 and the pin 158 via the connector 162, the pin 158 is appropriately pressed against the object 160 by an appropriate compressive force received by the heat transfer body 156. The surface 160A as a whole can be made.
[0035]
The spring element can also be used between the head and the heat transfer body, under the head of the pin, as shown in the thermal interface system 161 of FIG. FIG. 11 shows three pins 162A to 162C. In order to be in thermal communication with the uneven object 168, a plurality of springs 164 generate compressive forces that press the pins 162 along the direction 166 as shown. Further, in order to correspond to the uneven surface of the object 168, the spring 164 is compressed between the heat transfer body 172 (that is, hitting a member 176 described later) and the pin head 163. As described above, the pins 162 A, 162 B, 162 C move along the direction 166 in the passage 170 provided in the heat transfer body 172 in the same number as the number of pins 162. Although necessary, the heat sink 174 may be coupled to the heat transfer body 172 in order to facilitate the cooling of the object 168.
[0036]
FIG. 11 also illustrates one embodiment of a pin in a thermal interface system that holds the pin 162 against the heat transfer body 172. In this embodiment, the holding member 176 is connected to the heat transfer body 172. The pin 162 is shown as having a shoulder 178 that abuts the member 176 when extended, as in the case of the pin 162A, and the member 176 is for passing an extended portion 180 above the shoulder of the pin 162. Has an opening. Therefore, in the holding member of FIG. 11, the pin 162 is not completely detached from the heat transfer body 172.
[0037]
Since certain changes may be made in the above methods and systems without departing from the scope of the present invention, all that is included in the above description or shown in the accompanying drawings is illustrative and restrictive. It should be interpreted as meaningless. It is also understood that the appended claims cover all of the generic and specific features of the invention described herein and that all linguistic expressions of the scope of the invention are included therein. I want.
[0038]
The embodiments of the present invention will be listed below.
[0039]
[1] A heat transfer interface (10, 50, 80, 150),
A heat transfer body (16, 58, 84, 156, 172) in which a plurality of passages (16A, 87, 154) are formed;
A spring element (18, 60, 152, 164) coupled to the heat transfer body (16, 58, 84, 156, 172) to enable heat transfer;
A plurality of pins (12, 52, 54, 56, 82, 158) having thermal conductivity for the passages (16A, 87, 154), and the plurality of pins (12, 52, 54, 56). , 82, 158, 162) are each a head portion (12A, 52A, 54A, 56A, 173) and a shaft portion (12B, 52B, 56B, 85, 162), and at least a part of the shaft portion is inside the passage (16A, 87, 154), and a gap (64, 86) is formed between the inner surface of the cavity portion. Each of the head parts follows the surface shape of an object (14, 34, 59, 83, 160, 168) connected to the head part, and heat is transferred from the object to the heat transfer member. And each of the plurality of pins Heat transfer interface, characterized in that through the formed gap was set to be transmitted to the heat transfer between the.
[0040]
[2] The elastic member (18, 60) has a layered form having a substantially planar surface, and each of the head portions (12A, 52A) has the heat transfer body (16) with respect to the surface. 58, 84, 156, 172) projecting in a direction away from the heat transfer interface according to [1].
[0041]
[3] The spring element (18, 60) has a layered form having a substantially planar surface, and each of the head portions (12A, 52A) is substantially flush with the surface. The heat transfer interface according to [1], which is characterized.
[0042]
[4] The spring element (18, 60) has a layered form having a substantially planar surface, and each of the head portions (12A, 52A) is fitted in the spring element. The heat transfer interface according to [1], which is characterized.
[0043]
[5] The heat transfer interface according to [1], wherein the object includes one or more semiconductor packages and dies (30, 81).
[0044]
[6] The elastic member includes a plurality of springs disposed in the passage (154) to urge the pin (158) from the heat transfer body (156) toward the object (160). 152), The heat transfer interface according to [1].
[0045]
[7] The spring element is disposed between the head portion (173) and the heat transfer body (172) to urge the pin from the heat transfer body toward the object (168). The heat transfer interface according to [1], comprising a plurality of springs (164).
[0046]
[8] A heat transfer interface (10, 50, 80, 150) having thermal conductivity to macroscopically match the surface of the object (14, 34, 59, 83, 160, 168) A plurality of pins (12, 52, 54, 56, 82, 158) are provided. Each of the plurality of pins includes a head portion (12A, 52A, 54A, 56A, 173) and a shaft portion (12B, 54B). , 56B, 85, 162), and the head portion almost and macroscopically coincides with the uneven surface of the object (each of the head portions follows the surface shape of the object) to generate heat. A heat transfer interface characterized in that the object can be transmitted to the heat sink (21, 71, 83, 174) through the pin.
[0047]
[9] A heat transfer method for transferring thermal energy to a heat sink, wherein a plurality of pins (12, 52, 54, 56, 82, 158) are moved to an object (14, 34, 59, 83, 160, 168). A biasing procedure for pressing the plurality of pins against the macroscopic surface of the object so that the pins substantially coincide with the surface (so that the plurality of pins follow the surface of the object); Transferring energy from the object through the pins to a heat transfer body (16, 58, 84, 156, 172) forming a plurality of gaps (64, 86) with the plurality of pins; A heat transfer method comprising:
[0048]
[10] The biasing procedure includes pressing the head portion (12A, 52A, 54A, 56A, 173) against the object using a plurality of springs (152, 164) [9 ] The heat-transfer method of description.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a longitudinal cross-sectional view of one thermal interface system constructed in accordance with the present invention.
FIG. 2 is a top view of the thermal interface system shown in FIG.
3 illustrates the thermal interface system of FIG. 1 used to dissipate heat from multiple dies, according to one embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a longitudinal sectional view of a thermal interface system according to another embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a top view showing another example of the thermal interface system according to the present invention.
6 is a longitudinal sectional view of the thermal fin face system shown in FIG. 5. FIG.
7 is a perspective view of the thermal interface system shown in FIG.
8 is a perspective view showing a state in which several thermal interface systems shown in FIG. 5 are connected to dissipate heat from a semiconductor package of a printed circuit board.
9 is a longitudinal cross-sectional view of the thermal interface system of FIG. 8 showing the state connected to two packages.
FIG. 10 shows another structural example of a pin pressing spring element in the thermal interface system according to the present invention.
FIG. 11 shows still another structural example of the pin pressing spring element in the thermal interface system according to the present invention.
[Explanation of symbols]
10, 50, 80, 110, 150, 161 ... Thermal interface system
12, 52, 54, 56, 82, 158, 162 ... pin
12A, 52A, 54A, 56A, 173 ... head
14, 160, 168 ... object
16, 58, 84, 156, 172 ... heat transfer body
16A, 87, 154 ... passage
18, 60, 152, 164... Spring element
64, 86 ... gap

Claims

伝熱インターフェースであって、
複数の通路が形成される伝熱体と、
前記伝熱体に連結されていて複数の開口を備えた保持部材と、
前記伝熱体に連結されたばね素子と、
前記通路用の、熱伝導性を有する複数のピンとを備えており、
前記複数のピンのそれぞれは、ヘッド部と肩部と軸部とを有して、前記ばね素子は前記ヘッド部と前記保持部材の間に配置され、
前記軸部の少なくとも一部分が前記通路の内部にあって、前記通路の内表面との間に空隙を形成しており、
前記複数のピンのそれぞれは、前記保持部材の前記複数の開口のそれぞれに挿入され、前記ばね素子が伸長した時に前記保持部材の複数の開口のそれぞれと前記ピンの肩部とが当接し、
前記ヘッド部のそれぞれは、連結される対象物の面形状に倣うように追従し、熱を前記対象物から、前記伝熱体と前記複数のピンのそれぞれとの間に形成された空隙を経て、前記伝熱体に伝達するように構成されることを特徴とする伝熱インターフェース。A heat transfer interface,
A heat transfer body in which a plurality of passages are formed;
A holding member connected to the heat transfer body and having a plurality of openings;
A spring element coupled to the heat transfer body;
A plurality of pins having thermal conductivity for the passage,
Each of the plurality of pins has a head portion, a shoulder portion, and a shaft portion, and the spring element is disposed between the head portion and the holding member ,
At least a part of the shaft portion is inside the passage, and a gap is formed between the shaft portion and the inner surface of the passage;
Each of the plurality of pins is inserted into each of the plurality of openings of the holding member, and when the spring element is extended, each of the plurality of openings of the holding member comes into contact with a shoulder portion of the pin,
Each of the head parts follows the surface shape of the object to be connected, and heat is passed from the object through a gap formed between the heat transfer body and each of the plurality of pins. A heat transfer interface configured to transmit to the heat transfer body.

前記複数のピンの軸部のそれぞれは、円柱形をしており前記複数の通路のそれぞれに遊嵌状態で嵌合していることを特徴とする請求項１に記載の伝熱インターフェース。2. The heat transfer interface according to claim 1, wherein each of the shaft portions of the plurality of pins has a cylindrical shape and is fitted in each of the plurality of passages in a loosely fitted state.

前記対象物は、１つまたは複数の半導体パッケージおよびダイを有することを特徴とする請求項１に記載の伝熱インターフェース。The heat transfer interface of claim 1, wherein the object comprises one or more semiconductor packages and dies.