專利名稱：用于加熱和冷卻電子器件的設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及調節電子器件的溫度，具體地說，涉及通過用一個散熱器和一個熱墊選擇地熱接合電子器件，來加熱和冷卻帶有一個基本平坦上表面的電子器件。
電子器件，包括集成電路，在工作時必須維持在由電子設備制造商規定的工作溫度范圍內的一個溫度上，以便正常工作。在市場上可以買到的集成電路情況下，其溫度范圍一般處于0℃與70℃之間。當在一個給定的系統中，例如在一個計算機系統內的印刷電路板上，實現一個電子器件時，必然涉及一些要把該電子器件維持在電子器件工作范圍內的溫度的功能部件。
一般說來，由于電子器件會產生作為工作副產品的熱量，故必須冷卻電子器件。已使用了風扇和散熱器冷卻電子器件，并把它們維持在規定的工作范圍之內。當在一個有窄的溫度范圍的環境里，例如在家里時，風扇和散熱器工作良好。然而，當環境溫度改變很寬時，必然使調節電子器件工作溫度的設備變得比較復雜，且必須既加熱又冷卻電子器件。在給定的環境溫度下，密切接觸電子器件的散熱器容易向下移動電子器件的工作范圍。因此，若只用散熱器電子器件能夠在其運行范圍內工作所需的容許環境溫度的上下范圍被提高，而使只用散熱器不適合冷環境。風扇也同樣不適合，且往往造成費用大，也容易失效。
根據本發明，介紹一種用于把電子器件工作溫度維持在該器件容許范圍內的方法和設備。該設備調節一個剛性地連接于底座的電子器件的溫度，且包括一個帶有平表面的散熱器。一個溫度相關負荷器件連接于散熱器和底座，并以距離電子器件的一定距離固定散熱器。溫度相關負荷器件在溫度升高時，強迫散熱器移向電子器件，因此，當溫度超過某一閾值時，散熱器就熱接觸集成電路，從而冷卻它。
該方法可調節電子器件的溫度，并且包括在離開集成電路的一定距離處支承散熱器；減小該距離，直至達到高于閾值溫度而使散熱器熱接觸電子器件時為止，并且加大其高度，直至達到低于閾值溫度而使散熱器同電子器件脫離熱接合時為止。在一種優選方法中，當溫度降到閾值溫度以下時，就加熱電子器件。
參照附圖，會更充分地了解這些和另一些目的、特征和優點。


圖1描述一個優選實施例，說明在電子器件上方由雙金屬窄條舉起的散熱器。
圖2描述圖1的實施例，其中已使散熱器18和電子器件發生熱接觸。
圖3描述本發明的一個實施例，它還包括一個熱墊。
圖4描述了根據本發明的一個優選實施例熱墊元件。
圖5描述本發明的又一個實施例，它還包括一個銷釘和一個彈簧，用于控制散熱器在電子器件上方的高度。
圖1描述本發明的一個優選實施例。一個電子器件，例如集成電路10，被連接于一個底座，例如印刷電路板(PCB)12。集成電路10包含一些耦合于PCB12上配合接點的電接頭14。只要集成電路10或者提供一個基本平的上表面16，或者熱耦合于一個基本平的上表面16，就可以使用任何一種封裝集成電路10和把集成電路10連接于PCB12的方法。可以用一些技術，包括倒裝芯片，表面安裝技術和帶自動接合(TAB)，直接把集成電路10連接于PCB12。然而，最好是先把集成電路10連接于一個組件，然后把該組件連接于PCB12。這類組件的實例有雙列直插式組件(DIPS)，四心線組扁平組件，單片模件，和多片模件。
PCB12包括一些耦合于PCB上電接點14的導電體，它們提供電力和激勵集成電路10以執行其預定功能的電信號。PCB12還可包括一個或多個其他的集成電路10，電子器件，分立邏輯電路，以及用于連接其他印刷電路板和監測器之類外圍設備的裝備。當集成電路10執行它的預期功能時，它就產生作為在其上發生電過程的副產品的熱量。集成電路10產生的熱量會升高集成電路10的溫度。集成電路10同印刷電路板12及其基本平上表面16上方的空氣處于熱接觸狀態。因此，空氣的環境溫度和PCB12的溫度會影響集成電路10的溫度。
散熱器18裝于集成電路10的上方。散熱器18具有一個帶散熱片段20和一些無散熱片段22。帶散熱片段20包括一些隨加熱器18整體地形成的散熱片24，選擇散熱片24的高、寬和間距，以提供給定的冷卻速度。散熱片24可增加散熱器的表面積，從而增加由對流傳給周圍空氣的有效熱量傳遞。上述類型的散熱器是技術上熟知的，容易使用的。
圖1所述的散熱器18具有一個基本平的下表面26，它置于集成電路10的基本平的上表面16的上方。在本發明的一個優選實施例中，把一種導熱的可壓縮性材料貼著散熱器18的下表面26安置。這是可以用一個彈力墊28來實現的，用一種粘接劑將該墊裝于散熱器18的下表面26上。彈力墊28最好是5至10密耳厚，且具有一個在尺寸上相同于集成電路10上表面16的下表面30，彈力墊28可補償散熱器18和集成電路10的表面粗糙部分，從而在集成電路10和散熱器18之間建立較好的導熱性。
在集成電路上方的位置，用一個溫度相關負荷器件固定散熱器18。在一個優選實施例中，溫度相關負荷器件是雙金屬窄條32。每個雙金屬窄條32都具有端部34和介于端部34之間的彎曲部36。雙金屬窄條32以其端部34連接于散熱器18的下表面26和PCB12。最好用鉚接技術或其他常規技術，包括焊接、粘接、螺釘連接和夾緊連接，進行這種連接。
每個雙金屬窄條32都由兩個薄的窄條組成，它們是迭在一起的基本上為矩形的不同材料片。不同的材料必須具有不同的熱膨脹系數。雙金屬窄條是技術上熟知的。然后把雙金屬窄條32彎曲，以形成彎曲部36和端部34。如此彎曲雙金屬窄條32，使熱膨脹系數較大的材料在彎曲部36的外側。當環境溫度升高時，外側窄條38以快于內側窄條40的速度伸長，從而其曲率半徑減小。反之，當環境溫度下降時，外側窄條38以快于內側窄條40的速度收縮其長度，從而彎曲部36的曲率半徑減小。
當彎曲部36的曲率半徑減小時，在集成電路10上方的散熱器18的高度就降低，直至泡沫墊28接觸集成電路10的上表面16為止。必須選擇雙金屬窄條32的曲率半徑和用來制作各窄條38和40的材料，使散熱器18在雙金屬窄條32的溫度超過某一閾值時可接觸集成電路10。同樣，必須選擇上述參數，使散熱器18在低于某一環境溫度時同集成電路10脫離熱接觸。
雙金屬窄條32向散熱器18和PCB12分別提供熱界面42和44。可使界面42和44作成導熱的或隔熱的，以使雙金屬窄條32的溫度跟隨散熱器18或PCB12的溫度。例如，如果使散熱器18與雙金屬窄條32之間的界面是導熱的，同時使雙金屬窄條32與PCB12之間的界面44是隔熱的，則雙金屬窄條32的溫度會傾向于總是接近散熱器18的溫度。如果雙金屬窄條32在兩個界面42和44都是隔熱的，則雙金屬窄條會傾向于跟隨空氣的環境溫度。同樣，如果使界面42隔熱和使界面44導熱，則雙金屬窄條的溫度會傾向于跟隨PCB12的溫度。在本發明的另一個實施例中，在集成電路10與PCB12之間的界面46上建立一條導熱路徑。此外，在界面46與44之間的PCB12上，和在界面44自身，建立導熱路徑。這樣，就在集成電路10與雙金屬窄條32之間建立一條導熱路徑，這會傾向于跟隨集成電路10的溫度，尤其是，如果使界面42隔熱，則更是如此。
圖2說明圖1所示的本發明的實施例，其中，已經如此減小雙金屬窄條32的彎曲部36的曲率半徑，以致于彈力墊28接觸集成電路10的上表面16。由于在超過閾值溫度時，有能力選擇散熱器18和集成電路10的熱接觸，故可擴大集成電路10能夠工作的環境溫度范圍。尤其是，在這種布置的情況下，集成電路10能夠在比用一個固定連接的散熱器18實現集成電路10可能的溫度更低的溫度下工作。
圖3說明本發明的一個優選實施例，它還包括一個連接于集成電路10的上表面16的熱墊50。可以用市場上買得到的熟知的Kapton加熱器實現熱墊10。在本發明的一個優選實施例中，熱墊10在x，y方向基本上是平面，而在z方向很薄，其尺寸介于0.5與2.0密耳之間，最好為1密耳，以便當熱墊不加熱時維持通過熱墊50的良好導熱性。舉例來說，用一種導熱的膠或樹脂粘接，可達到熱墊50連接到集成電路16上的目的。
如圖4所示，熱墊50包括一個導電元件52，它裝于一個不導電材料內。如此安排導電元件52，使它的表面區域幾乎復蓋熱墊50的整個x，y平面區域。舉例來說，如圖4所示，可把導電元件52安排成蛇狀結合，在導電元件的端部連接一個溫度傳感器54。在本發明的一個優選實施例中，把溫度傳感器54裝于熱墊50之內。然而，可以遠程地安置溫度傳感器54，包括安置在PCB12上或在散熱器18上。溫度傳感器54耦合于導電元件52，提供一個跨越導電元件52的電壓；當溫度降到某一預定閾值以下時，就使電流流過導電元件52，從而產生電阻熱。因此，熱墊50在環境溫度低時把熱量供給集成電路10，以便升高集成電路10的溫度，并把它保持在集成電路10的工作范圍之內。
在其中安置導電元件52的不導電材料56最好是塑料的，但也可以是傳導熱量但不能良好地導電的任何材料。舉例來說，可以使用模壓工藝，在導電元件52周圍整體地形成不導電材料。反之，不導電材料56可以由一對基本平的墊組成，每個墊都具有一個用來安置導電元件52的內表面。然后把這對基本平的墊連接在一起，連接方法例如有膠合，熔接，或超聲焊接。
圖5示出本發明的另一個實施例，其中，散熱器18在其無散熱片段22鉆有或形成一個孔60。一個彈簧62具有縱向軸，并靠著散熱器18的下表面26安置。彈簧62的縱向軸基本上同孔60的中心軸同在一直線上，彈簧62置于散熱器18與PCB12之間。彈簧62向散熱器18提供壓縮力，傾向于迫使散熱器18離開集成電路10的上表面16。
一個釘64具有一個上端68和一個下端70。釘64置于孔60和彈簧62之內，使釘64同孔60的中心軸和彈簧62的縱軸基本上在同一條直線上，釘64的下端70連接于PCB12。有多種技術實現連接，這些技術包括在PCB12中形成一個孔并在此孔與釘64之間充填金屬，或者把釘64連接于一個附在PCB12上的托架。
雙金屬窄條32的一端34連接于釘64的上端68。雙金屬窄條32的另一端34靠著散熱器18的無散熱片段22的上表面72安置。在本發明的一個優選實施例中，上端68以球狀部分為頂端。雙金屬窄條32具有在其每個端部34形成的孔，釘64就安放在雙金屬窄條32的這些孔內。雙金屬窄條32把力加在釘64的上端68和散熱器18的上表面72。
雙金屬窄條32的內條40具有大于外條38的熱膨脹系數。因此，與圖1-3所示的實施例不同，當溫度上升時，內條40在長度上的膨脹快于外條38，從而加大彎曲段36的半徑。這就使雙金屬窄條32把向下的力加到散熱器18的上表面72，并傾向于壓縮彈簧62。應該選擇用于制作雙金屬窄條32的條38和40的材料和彈簧62的彈簧常數，以便在溫度高于一個確定的閾值溫度時，彈力墊28的下表面30接觸集成電路10的上表面16。反之，當溫度下降到低于閾值溫度時，彈簧62就必須克服雙金屬條32的壓縮力，以致使彈力墊28的下表面30移開集成電路10的上表面16。散熱器最好有約10密耳的移動范圍，但該范圍能夠根據應用而擴大或縮小。
在根據本發明的一種方法的優選實施例中，當環境溫度超過某一閾值時，就對集成電路執行一個冷卻步驟。用一個在離開集成電路10一定距離處安置的散熱器18，完成冷卻步驟。當溫度超過某一閾值時，如圖2所示，就使散熱器18同集成電路10發生熱接觸。這就冷卻集成電路10，且擴大了集成電路10保持在它們正常工作溫度范圍之內的環境溫度范圍。如圖1所示，用一個彈力墊28改善散熱器18與集成電路10之間的熱接觸，該墊可補償集成電路10的上表面16的表面粗糙性和散熱器18的下表面26的表面粗糙性。
在另一個實施例中，該方法還包括一個加熱步驟，當溫度降到某一閾值以下時，就把熱量加到集成電路，從而提高它的溫度，且擴大集成電路維持其正常工作溫度的環境溫度范圍。在本發明的一個優選實施例中，用一個靠著集成電路10的上表面16安置的熱墊50，進行加熱。熱墊50耦合于一個溫度傳感器54；一旦溫度降到低于某一閾值，傳感器54就觸發熱墊50。
雖然已透露本發明的一些具體實施例，但本專業的普通技術人員會知道，能夠對這些具體實施例作出變更而不脫離本發明的精神和范圍。
權利要求
1.一種調節一個連接于底座的電子器件的溫度的設備，包括一個散熱器，它具有一個表面；和一個溫度相關負荷器件，它連接于散熱器和底座，在離開電子器件一段距離處固定散熱器；且其中溫度相關負荷器件在溫度上升時，就迫使散熱器移向電子器件，因此，當溫度超過某一閾值時，散熱器就同集成電路進行熱接觸。
2.根據權利要求1所述的設備，其中溫度相關負荷器件包括至少一個雙金屬窄條，該窄條具有一對端段和一個處于這對端段之間的有一定半徑的彎曲段，端段之一連接于散熱器，而另一個端段則連接于底座，從而在離開集成電路一段距離處固定散熱器；且其中，半徑隨溫度而變，且距離隨半徑而變，因此，當溫度超過某一閾值時，散熱器就同集成電路進行熱接觸。
3.根據權利要求2所述的設備，其中散熱器包括一個散熱片段。
4.根據權利要求2所述的設備，其中底座是一個印刷電路板。
5.根據權利要求2所述的設備，其中底座是一個單片模件。
6.根據權利要求2所述的設備，其中底座是一個多片模件。
7.根據權利要求1所述的設備，其中電子器件是一個集成電路。
8.根據權利要求1所述的設備，還包括一個靠著散熱器表面安裝的導熱的可壓縮材料，用于熱接觸集成電路。
9.根據權利要求8所述的設備，其中導熱的可壓縮材料是彈力帶。
10.根據權利要求1所述的設備，還包括一個具有上和下表面的熱墊，該下表面處于同集成電路熱接觸的狀態；和恒溫裝置，耦合于熱墊，為溫度降至低于某一閾值時，觸發熱墊；且其中，散熱器在溫度超過某一閾值時，通過熱墊而同集成電路進行熱接觸。
11.根據權利要求10所述的設備，其中熱墊包括一個導電元件，它耦合于恒溫裝置，裝于熱墊之內，根據恒溫裝置的觸發而產生電阻加熱。
12.根據權利要求11所述的設備，其中熱墊具有0.5密耳至2密耳范圍的厚度。
13.一種調節剛性地連接于底座上的集成電路的溫度的設備，包括一個具有上和下表面的散熱器，該上表面包括一個帶散熱片段和一個不帶散熱片段，該不帶散熱片段包括一個從其上表面到下表面延伸的孔；一個彈簧，具有一個置于散熱器與底座之間的中心軸。一個具有上端和下端的釘，該下端連接于底座，該針穿過彈簧和散熱器孔的中心軸；和一個雙金屬窄條，它具有一對端段和一個介于這對端段之間的有某一半徑的彎曲段，端段之一連接于散熱器的上表面，而另一個端段連接于針的上端，從而雙金屬窄條和彈簧在離開集成電路一段距離處固定散熱器；且其中，半徑隨溫度而變，且距離隨半徑而變，因此，當溫度超過某一閾值時，雙金屬窄條就動作，以壓縮彈簧，并且散熱器同集成電路進行熱接觸。
14.一種調節電子器件溫度的方法，包括下述步驟在離開電子器件一段距離處支承一個散熱器；減小該距離，直至在閾值溫度以上散熱器熱接觸電子器件為止；和加大該距離，直至在閾值溫度以下散熱器同電子器件脫離熱接觸為止。
15.根據權利要求14所述的方法，其中電子器件是剛性地連接于底座的。
16.根據權利要求14所述的方法，其中彈力墊促進散熱器與電子器件之間的熱接觸。
17.根據權利要求14所述的方法，還包括下述步驟當溫度下降到低于閾值時，加熱電子器件。
18.根據權利要求17所述的方法，其中電子器件有一個基本平的上表面；和由一個同電子器件上表面熱接觸的熱墊執行加熱步驟。
19.根據權利要求14所述的方法，其中電子器件是一個集成電路。
20.根據權利要求14所述的方法，其中支承步驟是由一個雙金屬窄條在第一溫度下進行的；減小步驟是根據把雙金屬窄條加熱到一個高于第一溫度的第二溫度而發生的；和加大步驟是根據把雙金屬窄條冷卻到一個低于第二溫度的第三溫度而發生的。
21.根據權利要求20所述的方法，其中雙金屬窄條是同底座隔熱的。
22.根據權利要求20所述的方法，其中雙金屬窄條是同散熱器隔熱的。
23.根據權利要求20所述的方法，其中雙金屬窄條是熱耦合于電子器件的。
24.根據權利要求23所述的方法，其中雙金屬窄條是同散熱器隔熱的。
全文摘要
一種在寬范圍的環境溫度下把電子器件的工作溫度維持在容許工作范圍內的方法和設備。設備包括一個散熱器和一個溫度相關負荷器件;當環境溫度超過閾值時,該器件使散熱器同電子器件發生熱接觸。
文檔編號H01L23/34GK1187103SQ97123489
公開日1998年7月8日 申請日期1997年12月30日 優先權日1997年12月30日
發明者弗蘭克·弗農·蓋茨 申請人:美國電報電話公司