專(zhuān)利名稱(chēng)：具有大容量熱接觸面的電子組件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及電子器件的封裝。更具體地，本發(fā)明涉及一種電子組件及其制造方法，該電子組件包括一種集成電路封裝，該集成電路封裝包含在集成電路和散熱器之間的大容量的熱接觸面以分散在高性能集成電路中產(chǎn)生的熱。
背景技術(shù)：
集成電路(ICs)通常通過(guò)物理和電學(xué)的方式將它們連接到由有機(jī)或陶瓷材料制造的襯底上封裝成組件。一個(gè)或多個(gè)IC封裝能物理地和電學(xué)地連接到印刷電路板(PCB)以形成“電子組件”?！半娮咏M件”可以是“電子系統(tǒng)”的一部分。在此，“電子系統(tǒng)”廣義地稱(chēng)為包含“電子組件”的任何產(chǎn)品。例如，電子系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)(例如，臺(tái)式機(jī)、膝上型電腦、手提式電腦、服務(wù)器等)、無(wú)線通信裝置(例如，蜂窩電話、無(wú)線電話、尋呼機(jī)等)、計(jì)算機(jī)相關(guān)外圍設(shè)備(例如，打印機(jī)、掃描儀、監(jiān)視器等)、娛樂(lè)裝置(例如，電視、收音機(jī)、立體聲系統(tǒng)、磁帶和高密度磁盤(pán)播放器、錄像機(jī)、MP3(運(yùn)動(dòng)圖像專(zhuān)家組、音頻層3)播放器，等)，等等。
在電子系統(tǒng)領(lǐng)域中，制造商之間存在不斷競(jìng)爭(zhēng)的壓力，以至當(dāng)產(chǎn)品成本下降時(shí)推動(dòng)他們的設(shè)備性能的提高。襯底上IC的封裝尤其如此，一般當(dāng)尺寸更小或更加緊密時(shí)，每新一代封裝特別是在增加元件數(shù)量和更高時(shí)鐘頻率方面就必須提供增加的性能。當(dāng)IC的密度和時(shí)鐘頻率提高時(shí)，由此它們將產(chǎn)生更大量的熱。然而，眾所周知隨著它們承受的溫度升高IC的性能和可靠性降低了，因此從包括IC封裝的IC環(huán)境中充分散熱就變得越來(lái)越重要。
一IC襯底可以包括多個(gè)金屬層和裝在襯底的一個(gè)或多個(gè)表面上的一個(gè)或多個(gè)電子元件，多個(gè)金屬層被選擇性構(gòu)圖以提供金屬互連線(在此稱(chēng)為“跡線”)。該電子元件或元件通過(guò)包括基板跡線的層分的導(dǎo)電通路在功能上連接到電子系統(tǒng)的其它元件。通常，襯底跡線承載系統(tǒng)的電子元件例如ICs之間傳輸?shù)男盘?hào)。一些ICs具有相對(duì)大量的輸入/輸出(I/O)端子(也稱(chēng)為“接合區(qū)”(land))以及大量的電源端子和地端子或接合區(qū)。
當(dāng)ICs的內(nèi)電路，例如處理器，在越來(lái)越高的時(shí)鐘頻率下工作時(shí)，并且當(dāng)ICs在越來(lái)越高的電源電平下工作時(shí)，這種ICs產(chǎn)生的熱就會(huì)將它們的工作溫度升高到不能接受的水平。
由于上述原因，以及本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在閱讀并理解本發(fā)明的說(shuō)明書(shū)時(shí)將變得明顯的下面涉及的其它原因，在現(xiàn)有技術(shù)中強(qiáng)烈需要在襯底上封裝IC的設(shè)備和方法，以便使得與高時(shí)鐘頻率和高功率密度有關(guān)的散熱問(wèn)題最小化。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的包含至少一個(gè)具有一大容量熱接觸面的電子組件的電子系統(tǒng)的方框圖；圖2說(shuō)明代表現(xiàn)有技術(shù)IC封裝的剖面圖；圖3說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例，一包含具有一大容量熱接觸面的IC封裝的電子組件剖面圖，；圖4說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，一包含具有一大容量熱接觸面的多個(gè)芯片IC封裝的電子組件剖面圖；圖5說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，在一集成散熱器上形成的一大容量熱接觸面的剖面圖；圖6說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，一將要附著到集成散熱器上的大容量熱接觸面的剖面圖；圖7是根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的一種金剛石熱接觸面材料的晶片視圖，該晶片與IHS分開(kāi)生長(zhǎng)的，以及在附著到IHS之前該晶片的一部分；圖8是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，制造IC封裝的方法的流程圖；圖9是將一導(dǎo)熱材料層附著到集成散熱器(IHS)的兩種替換方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式
在以下本發(fā)明實(shí)施例的詳細(xì)描述中，參照構(gòu)成此說(shuō)明書(shū)一部分的附圖，并且通過(guò)圖示來(lái)說(shuō)明本發(fā)明中可能實(shí)現(xiàn)的具體優(yōu)選實(shí)施例。詳細(xì)地描述了這些實(shí)施例，以便本領(lǐng)域普通技術(shù)人員能夠?qū)嵤┍景l(fā)明，并應(yīng)當(dāng)理解可以使用其它實(shí)施例，并且在不脫離本發(fā)明的精神和范圍之內(nèi)可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)、機(jī)械、組合和電的改變。因此，以下詳細(xì)的說(shuō)明書(shū)不是限制性的，并且本發(fā)明范圍僅通過(guò)所附權(quán)利要求書(shū)進(jìn)行限定。
本發(fā)明提供一種通過(guò)在一個(gè)或多個(gè)ICs和散熱器之間使用大容量的熱材料作為熱接觸面(interface)來(lái)解決散熱問(wèn)題的方法，該散熱問(wèn)題是與現(xiàn)有技術(shù)的具有高電路密度并在高時(shí)鐘速度和高電源電平下工作的集成電路的封裝有關(guān)。在此說(shuō)明并描述各種實(shí)施例。
在一個(gè)實(shí)施例中，IC管芯的前表面是利用“受控倒塌芯片連接法”(C4)技術(shù)安裝到有機(jī)有機(jī)接合區(qū)格柵陣列(OLGA)(organic landgrid array)襯底上的倒裝式芯片。在制備適合的管芯和IHS表面之后，在管芯的背面和集成散熱器(IHS)之間附著一大容量的熱接觸面材料。在一個(gè)實(shí)施例中，該大容量熱材料包括金剛石、合成金剛石或石墨。為了提供進(jìn)一步散熱和機(jī)械強(qiáng)度，IHS的側(cè)壁還可以用適合的熱密封劑沿管芯的四周連接到OLGA襯底。
圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的包含有大容量熱接觸面的至少一個(gè)電子組件4的電子系統(tǒng)1的方框圖。電子系統(tǒng)1僅僅是在本發(fā)明中采用的電子系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)例。在本實(shí)例中，電子系統(tǒng)1包括數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，該數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)包含系統(tǒng)總線2以便連接本系統(tǒng)的各種元件。系統(tǒng)總線2在電子系統(tǒng)1的各個(gè)元件之中提供通信鏈路并可以實(shí)現(xiàn)為單一總線、總線的組合或作為其它任何適合的方式。
電子組件4連接到系統(tǒng)總線2。電子組件4可以包含任何電路或電路的組合。在一個(gè)實(shí)施例中，電子組件4包含處理器6，處理器6可以是任何類(lèi)型的處理器。作為在此采用的“處理器”，表示任何類(lèi)型的計(jì)算電路，例如但不限于微處理器、微控制器、復(fù)雜指令系統(tǒng)計(jì)算(CISC)微處理器、精簡(jiǎn)指令集計(jì)算(RISC)微處理器、超長(zhǎng)指令字節(jié)(VLIW)的微處理器、圖像處理器、數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)或其它任何類(lèi)型的處理器或處理電路。
可以包含在電子組件4中的其它類(lèi)型的電路是自定義電路、專(zhuān)用集成電路(ASIC)等，例如，在無(wú)線裝置例如蜂窩電話、尋呼機(jī)、便攜式計(jì)算機(jī)、雙向收音機(jī)和類(lèi)似的電子系統(tǒng)中使用的一個(gè)或多個(gè)電路(例如通信電路7)。IC可以執(zhí)行任何類(lèi)型的功能。
電子系統(tǒng)1還可以包含外設(shè)存儲(chǔ)器10，外設(shè)存儲(chǔ)器10可以依次包含適合具體應(yīng)用的一個(gè)或多個(gè)存儲(chǔ)元件，例如隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)形式的主存儲(chǔ)器12、一個(gè)或多個(gè)硬驅(qū)動(dòng)器14、和/或處理可移動(dòng)介質(zhì)16，例如軟盤(pán)、高密度磁盤(pán)(CDs)、數(shù)字影視磁盤(pán)(DVD)等的一個(gè)或多個(gè)驅(qū)動(dòng)器。
電子系統(tǒng)1還可以包含顯示器件8、一個(gè)或多個(gè)揚(yáng)聲器9以及一個(gè)鍵盤(pán)和/或控制器20，鍵盤(pán)和/或控制器20可以包含鼠標(biāo)、跟蹤球、游戲控制器、語(yǔ)音識(shí)別裝置或允許系統(tǒng)用戶(hù)將信息輸入到電子系統(tǒng)1并從電子系統(tǒng)1接收信息的其它任何裝置。
圖2說(shuō)明代表現(xiàn)有技術(shù)IC封裝30的剖面圖。IC封裝30表示典型的現(xiàn)有技術(shù)的結(jié)構(gòu)，其包含以它的接合區(qū)(未示出)面朝下按“倒裝式芯片”取向安裝以便通過(guò)焊球或凸塊42將與襯底50的上表面上的相應(yīng)接合區(qū)52連接的IC管芯40。襯底50可以是單層板或多層板，并且它可以包含位于它的相對(duì)表面上的用于與附加的封裝結(jié)構(gòu)(未示出)相匹配的附加接合區(qū)54。
管芯40從它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生熱，內(nèi)部結(jié)構(gòu)包含位于鄰近它的下表面的導(dǎo)線跡線；然而，大多數(shù)的熱通過(guò)它的上表面被釋放。集中在管芯40內(nèi)部的熱被釋放到以散熱器60形式與管芯40接觸的一個(gè)大的表面，通常散熱器60由金屬例如銅或鋁形成。為了改善管芯40和散熱器60之間導(dǎo)熱性，通常在管芯40和散熱器60之間配置熱接觸面材料70。熱接觸面材料70通常為熱凝膠或含有金屬顆粒的油脂。
為了進(jìn)一步從散熱器60釋放熱，具有任意熱鰭片82的散熱板80通常連接到散熱器60。散熱板80將熱釋放到周?chē)h(huán)境中。
IC上的電子器件的結(jié)溫Tj升高就會(huì)對(duì)器件的使用壽命起負(fù)面的影響。結(jié)溫是三個(gè)參數(shù)的函數(shù)結(jié)至周?chē)h(huán)境的熱阻、功耗和環(huán)境溫度。Tj可以由等式1表示(等式1) Tj＝((ja×Pd)+Ta其中Tj＝結(jié)溫(攝氏度)；(ja＝結(jié)至周?chē)h(huán)境的熱阻(攝氏度/瓦)；Pd＝Tj下的功耗(瓦)；以及Ta＝環(huán)境溫度(攝氏度)結(jié)至周?chē)h(huán)境的熱阻(ja可由等式2表示
(等式2) (ja＝(jc+(cs+(sa其中(jc＝結(jié)至管殼的熱阻(攝氏度/瓦)；(cs＝管殼至散熱板的熱阻(攝氏度/瓦)；以及(sa＝散熱板至環(huán)境的熱阻(攝氏度/瓦)。
在上述定義中，管殼的相關(guān)位置是IC封裝的頂部中心，包含構(gòu)成IC封裝部分的任何IHS。散熱板的相關(guān)位置可以是散熱板的幾何中心。
總之，圖2的IC封裝30已經(jīng)不能多方面滿足目前高性能電子組件的散熱需要，正如在結(jié)至周?chē)h(huán)境的熱阻(ja所表示。
本發(fā)明通過(guò)降低結(jié)至管殼的熱阻(jc和管殼至散熱板的熱阻(cs來(lái)降低器件的結(jié)溫Tj。用于高性能服務(wù)器的處理器組件具有非常不均勻的功率映射圖或穿過(guò)管芯表面的熱流變化。例如，在3D熱測(cè)繪圖中，熱點(diǎn)出現(xiàn)在與管芯上表面交叉的峰值處。它是必須維持在一特定值或低于特定值的最大通量區(qū)域的溫度。當(dāng)硅管芯產(chǎn)生一些橫向熱擴(kuò)散時(shí)，還不足以相當(dāng)?shù)亟档头逯禍囟取?br> 甚至高熱導(dǎo)率的銅(銅的熱導(dǎo)率大于硅的熱導(dǎo)率的三倍)也不能有效地處理熱點(diǎn)。如果存在散熱結(jié)構(gòu)不能釋放足夠的熱以便使管芯的峰值溫度維持在特定數(shù)值之下，那么就必須通過(guò)返回到依賴(lài)溫度的處理器功率控制過(guò)程來(lái)抑制電子組件的性能。否則，這種電子組件可能故障或經(jīng)歷致命缺陷。因此，隨著對(duì)于電子組件的散熱要求的提高，實(shí)質(zhì)上就必須提高熱接觸面材料和整體散熱器的性能。
圖3說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的一種電子組件100的剖面圖，該電子組件包括一種具有大容量熱接觸面110的IC封裝。該IC封裝包括一裝在有機(jī)接合區(qū)格柵陣列(OLGA)襯底50上的管芯40和一整體散熱器(IHS)120。雖然示出了OLGA襯底，但本發(fā)明不限于采用OLGA襯底，可以使用其它任何種類(lèi)的襯底。圖3中說(shuō)明的IC封裝可以形成圖1中所示的電子組件4的一部分。管芯40可以是任何類(lèi)型。在一個(gè)實(shí)施例中，管芯40是一個(gè)處理器。
在圖3中，管芯40包括多個(gè)信號(hào)導(dǎo)體(未示出)，該信號(hào)導(dǎo)體在管芯40的底表面上(未示出)的電接觸或接合區(qū)處終止。這些接合區(qū)可以通過(guò)適當(dāng)?shù)倪B接例如C4焊料凸起42，連接到OLGA襯底50的上表面上表示信號(hào)、功率或地節(jié)點(diǎn)的電接觸或接合區(qū)52。在C4焊料凸起42的四周可以使用適合的添加物(未示出)例如環(huán)氧類(lèi)的材料以提高機(jī)械穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度。
繼續(xù)參照?qǐng)D3，集成散熱器(IHS)120形成管芯40上的蓋帽。IHS120通過(guò)大容量的熱接觸面110熱耦合到管芯40的上表面。由此管芯40通過(guò)熱接觸面110將相當(dāng)大量的熱橫向和縱向地釋放到IHS 120。
熱接觸面110包括一種能夠高速導(dǎo)熱的材料。在一個(gè)實(shí)施例中，熱接觸面110包括金剛石。包括金剛石的熱接觸面110層具有在該層之內(nèi)的所有方向上非常高的熱導(dǎo)率。在其他實(shí)施例中，熱接觸面110包括具有稍微次于金剛石的熱性能的其它材料，例如合成金剛石或石墨。適合的合成金剛石包括金剛石顆粒和另一種物質(zhì)例如鋁或銅的顆粒的混合物。雖然石墨在石墨材料給定平面內(nèi)是一種優(yōu)良熱導(dǎo)體，但是它在沿垂直平面的方向上卻不是良好的熱導(dǎo)體。然而，石墨足以滿足不需要最佳散熱時(shí)的應(yīng)用。
IHS 120包含一個(gè)蓋122和一側(cè)壁或支撐部件124。熱接觸面110與蓋122的下表面58接觸并與管芯40的上表面接觸。在一個(gè)實(shí)施例中，熱接觸面110附著到管芯40和/或蓋122。
可以以至少兩種不同的方式形成熱接觸面110。例如，可以通過(guò)在蓋122的下表面58上生長(zhǎng)它來(lái)形成熱接觸面110，如關(guān)于圖5的進(jìn)一步解釋。此外，熱接觸面110可以離開(kāi)IHS 120形成并隨后附著到IHS120的蓋122，如關(guān)于圖6和7的進(jìn)一步解釋。
在一個(gè)實(shí)施例中，熱接觸面110具有基本上與蓋122的底表面面積相同的表面面積。例如，如圖3中所示，熱接觸面110基本上覆蓋了蓋122的整個(gè)底表面。熱接觸面110可以橫向延伸以便與支撐部件124接觸。
可以通過(guò)適當(dāng)?shù)拿芊鈩?6將IHS 120的支撐部件124與OLGA襯底50的上表面56耦合以便機(jī)械支撐IHS 120。在一個(gè)實(shí)施例中，支撐部件124位于IHS 120的外圍。然而，在其它實(shí)施例中，IHS 120的蓋122可以延伸超過(guò)支撐部件124。
密封劑66可以包括導(dǎo)熱材料例如熱油脂或凝膠、或熱固化材料例如熱固化樹(shù)脂或環(huán)氧樹(shù)脂。導(dǎo)熱材料可以包括金屬顆?；蚱渌鼘?dǎo)熱物質(zhì)。
為了進(jìn)一步提高IHS 120的散熱速度，任何適合形狀(包含任選的散熱鰭片82)、材料和尺寸的散熱板80可以任選地連接到IHS 120的蓋122的上表面或者形成為IHS 120的蓋122的上表面的一部分。
OLGA襯底50可以是任何類(lèi)型，包含多層襯底。OLGA襯底50可以被安裝到附加的襯底130例如印刷電路板(PCB)或卡上。例如，OLGA襯底50可以包括多個(gè)接合區(qū)126，接合區(qū)126可以通過(guò)適合的連接體例如球柵陣列(BGA)焊料球127機(jī)械并電連接到襯底130的相應(yīng)接合區(qū)128。
雖然圖3中說(shuō)明了用于將OLGA襯底50連接到襯底130的BGA排列125，但本發(fā)明不限于使用BGA排列，并且還可以采用具有任何其它類(lèi)型的封裝技術(shù)的排列。而且，不應(yīng)將本發(fā)明解釋為限于使用C4封裝，而是可以采用任何其它類(lèi)型的IC封裝，在本發(fā)明內(nèi)所描述的特征具有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。
圖4說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的一種電子組件200的剖面圖，該電子組件包含具有大容量熱接觸面的多芯片IC封裝。雖然參考單一IC器件已經(jīng)描述了圖3中所示的實(shí)施例，本發(fā)明不限于封裝單個(gè)IC而可用于封裝多個(gè)IC。圖4中所示的一個(gè)實(shí)例是一種多芯片IC封裝或多芯片模決。
電子組件200包括以管芯241-244形式的多個(gè)IC，管芯241-244通過(guò)相應(yīng)的焊料球或凸起253安裝到襯底250(襯底250可以是OLGA襯底)的上表面256上的接合區(qū)252上。雖然示出了OLGA襯底，但本發(fā)明不限于使用OLGA襯底，本發(fā)明可以使用其它任何種類(lèi)的襯底。圖4中說(shuō)明的多芯片模塊可以形成圖1中所示的電子組件4的一部分。管芯241-244可以是任何類(lèi)型。在一個(gè)實(shí)施例中，管芯243是一個(gè)處理器。
管芯241-244中的一些管芯是高熱源，并且它們通過(guò)相應(yīng)的大容量熱接觸面被連接到IHS 220。例如，管芯241和243產(chǎn)生高熱輸出并且分別通過(guò)大容量熱接觸面205和210與IHS 220的下側(cè)面258熱耦合。通常，熱接觸面比管芯更寬，如實(shí)例的熱接觸面205。然而，熱接觸面的寬度可以替換為與管芯的寬度一樣或小于管芯的寬度，如實(shí)例的熱接觸面210。而且，熱接觸面的尺寸可以適應(yīng)管芯的熱點(diǎn)。例如，可以超過(guò)管芯熱點(diǎn)的相應(yīng)數(shù)量設(shè)置一個(gè)或多個(gè)熱接觸面。
IHS 220包含蓋222和側(cè)壁或支撐部件224。熱接觸面205和210與蓋222的下表面258接觸并且分別與管芯241和243的上表面接觸。
通過(guò)適合的密封劑266將支撐部件224連接到OLGA襯底250的上表面256能使IHS 220機(jī)械上可靠。如圖3所述，示出的支撐部件224位于IHS 220的周?chē)蝗欢?，在一個(gè)實(shí)施例中，IHS 220的蓋222可以延伸超過(guò)支撐部件224。為了進(jìn)一步增加從IHS 220的散熱速度，任何適合形狀、材料和尺寸的散熱板(未示出)可以任選地連接到IHS220的蓋222的上表面或形成為IHS 220的蓋222的上表面的一部分。
OLGA襯底250可以是任何類(lèi)型，包含多層襯底。OLGA襯底250可以被安裝到附加的襯底230例如印刷電路板(PCB)或卡上。例如，OLGA襯底250可以包括多個(gè)接合區(qū)226，接合區(qū)226可以通過(guò)適合的連接體例如球柵陣列(BGA)焊料球227機(jī)械和電連接到襯底230的相應(yīng)接合區(qū)228。
雖然圖4中說(shuō)明了用于將OLGA襯底250連接到襯底230的BGA排列225，但本發(fā)明不限于使用BGA排列，并且還可以采用任何其它類(lèi)型的封裝技術(shù)。而且，不應(yīng)將本發(fā)明解釋為限于使用C4封裝，并且可以采用任何其它類(lèi)型的IC封裝，本發(fā)明內(nèi)所描述的IC封裝通常具備一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。
在圖4所示的實(shí)施例中，僅對(duì)某些管芯例如241和243配置了單個(gè)熱接觸面，例如熱接觸面205和210，在多芯片模塊的另一個(gè)實(shí)施例中，可以在所有的管芯241-244和IHS 220的蓋222之間配置連續(xù)的熱接觸面層。這種熱接觸面具有基本上與蓋222的底表面相同的表面面積。
現(xiàn)在將描述包括大容量的熱接觸面的IC封裝的制造工藝。
制造為了成功制造具有上述優(yōu)點(diǎn)的IC封裝，必須形成大容量的熱接觸面材料例如金剛石的層?？煽康貙⒋笕萘康臒峤佑|面附著到IHS的下側(cè)以及管芯的上表面同等重要。因此需要使管芯表面易于焊接。在一個(gè)實(shí)施例中，其中熱接觸面離開(kāi)IHS生長(zhǎng)，具有易于焊接的HIS同樣重要。還需要在熱接觸面上提供至少一個(gè)可焊表面。現(xiàn)在將足夠詳細(xì)地描述上述每一個(gè)因素以至本領(lǐng)域普通技術(shù)人員能夠理解并實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。
圖5說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，在IHS 120上形成的大容量熱接觸面的剖面圖。如前面所述，可以通過(guò)在蓋122的下表面58上生長(zhǎng)來(lái)形成熱接觸面110(圖3和5)。在一個(gè)實(shí)施例中，利用適合的化學(xué)淀積方法例如化學(xué)氣相淀積(CVD)在表面58上生長(zhǎng)一層非晶或多晶金剛石層。通常，多晶金剛石比非晶金剛石優(yōu)選，因?yàn)榍罢呔哂休^優(yōu)越的散熱特性。
為了在IHS 120的蓋122的裸露(未鍍敷)表面58上生長(zhǎng)金剛石層，一個(gè)或多個(gè)適合材料的粘附層131-133必須首先附著到表面58。假設(shè)在本實(shí)例中IHS 120由銅形成，但可以由除銅之外的其它材料形成。
一個(gè)或多個(gè)粘附層131-133可以包含鉻、金、鎳、鉑、銀、鈦、鎢和釩或它們合金的組中的金屬。因?yàn)橥ㄟ^(guò)CVD工藝生長(zhǎng)的金剛石與鈦附著性很好，所以鈦通常用作與金剛石的接觸層。然而，可以用鎢代替鈦。
首先在蓋122的表面58上形成一鎳層131。
接著在層131上形成鎳-釩層132。還可以用鉑或鉻來(lái)代替鎳-釩。
接著在層132上形成鈦層133。
接著在附著層133上例如采用CVD形成金剛石材料的熱接觸面層110。熱接觸面層110的形成厚度適合于IC封裝的熱要求。就是說(shuō)，在較高的散熱要求下，其厚度可以厚一些，在較少散熱要求下，其厚度可以薄一些。例如對(duì)于大的散熱熱接觸面110的厚度可以是500微米，對(duì)于較低的散熱熱接觸面的厚度可以是75微米。
為了在熱接觸面110的下表面上提供適合的焊接表面，添加一個(gè)或多個(gè)附加的附著層134-136。
在一個(gè)實(shí)施例中，首先將鈦層134附著到熱接觸面層110。
隨后，在層134上形成鎳-釩層135?？捎勉K或鉻替代鎳-釩。
最后，在層135上形成金層?？捎面囂娲?。
此外，為了提供適合的材料用于附著IHS 120的最下面的附著層136，可以在管芯40的上表面57上形成一個(gè)或多個(gè)附著層141-143。
在一個(gè)實(shí)施例中，在管芯40的上表面57上形成鈦層141。
隨后，在層141上形成鎳-釩層142?？捎勉K或鉻替代鎳-釩。
最后，在層142上形成金層?？捎面囂娲?。
在焊料回流進(jìn)行之前，在層136和層143的一層或者兩層加上適合的焊劑和焊膏，并且IHS 120沿箭頭117表示的方向移動(dòng)，以便層136與層143接觸。
在一個(gè)實(shí)施例中，鈦層厚度大約為200-500埃()；鎳-釩層大約為3500；并且金層大約為1000。
圖6說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，要附著到IHS 120的一大容量熱接觸面111的剖面圖。
如早先所述，熱接觸面111能離開(kāi)IHS 120形成，隨后附著到IHS120的蓋122的下表面58，如現(xiàn)在將參照?qǐng)D6和7的解釋。
可以通過(guò)任何適合的方法生長(zhǎng)非晶或多晶金剛石層111。層111的厚度可以根據(jù)IC封裝的熱要求而改變。在一個(gè)實(shí)施例中，層111有幾百微米厚；然而，本發(fā)明不限于任何具體的厚度。
為了容易地將熱接觸面層111附著到IHS 120的下表面58，可以在蓋122的下側(cè)58上形成一個(gè)或多個(gè)適合材料的附著層121。此外，可以在熱接觸面層111的上表面上形成一個(gè)或多個(gè)適合材料的附著層151-153。此外，可以在熱接觸面111的下表面上形成一個(gè)或多個(gè)適合材料的附著層154-156以便提供用于與管芯40的上表面連接的適合接合平臺(tái)(圖5)。
附著層121和151-156可以包括鉻、金、鎳、鉑、銀、鈦、鎢和釩或其合金的組中的金屬。在一個(gè)實(shí)施例中，層151和154包括鈦；層152和155包括鎳-釩；并且層121、153和156包括金。然而，如參照?qǐng)D5中所述，可以用其它材料來(lái)替代這些具體的材料。
在焊料回流之前，將適合的焊劑和焊膏提供到層121和153之一或兩層上，并且熱接觸面層111沿箭頭118表示的方向上移動(dòng)，以便層153與層121接觸。
在圖5和6說(shuō)明的實(shí)施例中，通過(guò)使用焊料將熱接觸面110附著到IHS 120和管芯40，還可以采用其它附著技術(shù)。
上述層的組分、尺寸、數(shù)量和排序僅僅是本實(shí)施例說(shuō)明的實(shí)例，并不意味對(duì)它們進(jìn)行限制。
圖7是根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的一種金剛石熱接觸面材料的晶片140的視圖，它是離開(kāi)IHS生長(zhǎng)的，以及在附著到IHS前的一部分145。
圖6中說(shuō)明的包含任一附著層151-156的熱接觸面111，典型地形成在大尺寸晶片140上，晶片140包括多個(gè)單個(gè)導(dǎo)熱元件144。這些元件可以與晶片140分開(kāi)。例如，元件145已與晶片140分開(kāi)。
圖8是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的制造IC封裝的方法的流程圖。方法在300步驟開(kāi)始。
在302步驟中，一導(dǎo)熱材料層附著到集成散熱器(IHS)(例如圖3的120)下表面(例如，圖3的58)。為了更加詳細(xì)地說(shuō)明這個(gè)操作步驟，下面將參照?qǐng)D9和它的說(shuō)明。
在320步驟中，在一個(gè)襯底(例如圖3的50)上裝配至少一個(gè)管芯(例如圖3的40)，以便管芯下表面上的電接觸耦合到襯底上表面(例如圖3的56)上的相應(yīng)接觸(例如圖3的52)。
在322步驟中，在至少一個(gè)管芯上裝配IHS，以便導(dǎo)熱材料與管芯的上表面接觸。
在324步驟中，IHS側(cè)壁(例如圖3的124)用導(dǎo)熱材料(例如圖3的66)連接到襯底的上表面。
現(xiàn)在將參照?qǐng)D3描述用于進(jìn)行322和324的適合工藝。首先將焊膏提供到管芯40的背面。此外，可以將焊膏提供到面對(duì)管芯的背面的導(dǎo)熱元件110的表面上。然后，將適合的密封劑66提供到OLGA襯底50，當(dāng)密封劑66位于管芯40之上時(shí)，就在IHS 120的周?chē)蜻吘壭纬山佑|。
隨后，對(duì)準(zhǔn)IHS 120并施加適當(dāng)?shù)牧?，例如在此位置利用彈簧固定IHS 120。然后，將該封裝放到適合的加熱環(huán)境中，例如流動(dòng)爐中，用于焊料回流。在熱接觸面的焊料接合后，在常規(guī)烘箱中固化IHS邊緣的密封劑。經(jīng)過(guò)固化后，去除固定的彈簧。
圖8中說(shuō)明的方法在步驟326結(jié)束。
圖9是將導(dǎo)熱材料層附著到集成散熱器(IHS)的兩種可選方法的流程圖。圖9在圖8的步驟302上進(jìn)行詳細(xì)闡述。
在步驟304中，決定是否在IHS的下表面上生長(zhǎng)導(dǎo)熱材料層。如果是，該方法就到步驟306；否則，進(jìn)行到步驟310。
在步驟306中，在IHS表面上形成一附著層(例如圖5的一個(gè)或多個(gè)層131-133)。
在步驟308中，在IHS表面的附著層上生長(zhǎng)導(dǎo)熱材料層(例如圖5的110)。材料選自金剛石、合成金剛石和石墨構(gòu)成的組。
在步驟310中，離開(kāi)IHS表面生長(zhǎng)導(dǎo)熱材料層(例如圖5的111)。該材料選自金剛石、合成金剛石和石墨組成的組。該層可以以晶片的形式生長(zhǎng)(圖7的140)。
在步驟312中，在導(dǎo)熱材料層的至少一個(gè)表面上形成附著層(例如圖6的一個(gè)或多個(gè)層151-156)。
在步驟314中，各個(gè)導(dǎo)熱元件從生長(zhǎng)的層中分離。
在步驟316中，各個(gè)導(dǎo)熱元件被固定到每個(gè)IHS(例如圖6的120)的下側(cè)。方法在步驟318中結(jié)束。
上述說(shuō)明的關(guān)于圖8和9中方法的操作可以用與這里描述的不同次序進(jìn)行。
本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以改變上述所選的材料；幾何結(jié)構(gòu)；層的數(shù)量、次序、尺寸和組分；用于附著的機(jī)理；以及裝配次序以便優(yōu)化封裝的熱性能。
可以采用用于淀積金屬層的任何適合的方法或不同方法的組合，例如鍍敷方法、濺射方法、蒸發(fā)方法、電學(xué)方法、掩蔽方法、模版方法、包含化學(xué)氣相淀積(CVD)的化學(xué)方法、真空方法，等等。
在一個(gè)或多個(gè)金屬層的淀積之前，如果需要，可以用濺射刻蝕制備管芯表面以便改善附著層與管芯表面的附著性；然而，濺射刻蝕不是必須的。該晶片表面的條件也不是必須的。該晶片表面可以為非拋光、拋光、或背面接地形式。
在取向、尺寸、數(shù)量、次序和構(gòu)成元件的組分方面，IC封裝的具體實(shí)施是非常靈活的。本發(fā)明的各種實(shí)施例可以利用襯底技術(shù)、IHS技術(shù)、大容量熱接觸面材料、附著材料和密封劑的各種組合來(lái)實(shí)施以便實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)電子組件構(gòu)成的需要可以以更多樣的各種實(shí)施例來(lái)實(shí)現(xiàn)IC封裝的結(jié)構(gòu)、包含使用的材料種類(lèi)、尺寸、布局、幾何結(jié)構(gòu)，等等。
圖3-7僅僅是代表性的并不按比例繪制。其中某些部分可能被放大，而其他部分可能被縮小。圖3-7說(shuō)明可由本領(lǐng)域普通技術(shù)人員理解并適當(dāng)實(shí)施的本發(fā)明各種實(shí)施例。
結(jié)論本發(fā)明提供一種電子組件及其制造方法，該電子組件使與大功率傳輸相關(guān)的散熱問(wèn)題最小化。結(jié)合利用本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)電子組件的電子系統(tǒng)和/或數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)能處理與高性能集成電路相關(guān)的相對(duì)大功率密度，由此該系統(tǒng)更具有商業(yè)吸引力。
基本上通過(guò)增加高性能電子組件的散熱，這種電子設(shè)備就可以在提高的時(shí)鐘頻率下工作。或者，為了提高可靠性這種設(shè)備可以在降低的時(shí)鐘頻率下工作，但具有較低的工作溫度。
正如在此所述，可以以多種不同的實(shí)施例實(shí)施本發(fā)明，它們包含散熱結(jié)構(gòu)、集成電路封裝、電子組件、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)形式的電子系統(tǒng)和IC封裝的各種制造方法。其它實(shí)施例對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員是顯而易見(jiàn)的?？梢愿淖?cè)⒉牧?、幾何結(jié)構(gòu)、尺寸和操作順序以滿足具體封裝的需要。
雖然在此已經(jīng)描述了相對(duì)于“上”和“下”表面的某些操作，應(yīng)當(dāng)理解這些描述是相對(duì)的，即如果IC封裝倒置它們就將反向。因此，這些術(shù)語(yǔ)不是限制性的。
盡管在此已經(jīng)說(shuō)明并描述了具體的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)清楚，經(jīng)計(jì)算能獲得相同效果的任何排列可以代替已經(jīng)表示出的具體的實(shí)施例。本申請(qǐng)意在覆蓋本發(fā)明的任何修改或變化。因此，很明顯，本發(fā)明僅由權(quán)利要求書(shū)和它的等效內(nèi)容限定。
權(quán)利要求
1.一種用于集成電路管芯的散熱結(jié)構(gòu)，包括一蓋；一連接到該蓋并包括與襯底連接的一表面的側(cè)壁；一導(dǎo)熱元件，包括連接到該蓋的第一表面和與集成電路管芯連接的第二表面，該導(dǎo)熱元件選自由金剛石、合成金剛石和石墨組成的組。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的散熱結(jié)構(gòu)，還包括在蓋和導(dǎo)熱元件之間的一附著層。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的散熱結(jié)構(gòu)，其中附著層由選自由鉻、金、鎳、鉑、銀、鈦、鎢和釩組成的組中的材料形成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的散熱結(jié)構(gòu)，其中導(dǎo)熱元件包括至少一個(gè)可焊層。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的散熱結(jié)構(gòu)，其中至少一個(gè)可焊層由選自由鉻、金、鎳、鉑、銀、鈦、鎢和釩組成的組中的材料形成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的散熱結(jié)構(gòu)，其中導(dǎo)熱元件具有一與蓋的表面區(qū)域基本上相同的表面區(qū)域。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的散熱結(jié)構(gòu)，其中導(dǎo)熱元件接觸側(cè)壁。
8.一種集成電路封裝，包括一襯底；至少一個(gè)管芯，位于該襯底的一表面上；一蓋，位于至少一個(gè)管芯之上；連接到該蓋并包括連接到該襯底的一表面的一側(cè)壁；以及一導(dǎo)熱元件，連接在該蓋和至少一個(gè)管芯之間，該導(dǎo)熱元件包括選自由金剛石、合成金剛石和石墨組成的組中的材料。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的集成電路封裝，還包括；在蓋和導(dǎo)熱元件之間的一附著層。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的集成電路封裝，其中附著層由選自由鉻、金、鎳、鉑、銀、鈦、鎢和釩組成的組中的材料形成。
11.根據(jù)權(quán)利要求8的集成電路封裝，其中導(dǎo)熱元件包括至少一個(gè)可焊層。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的集成電路封裝，其中至少一個(gè)可焊層由選自由鉻、金、鎳、鉑、銀、鈦、鎢和釩組成的組中的材料形成。
13.根據(jù)權(quán)利要求8的集成電路封裝，其中導(dǎo)熱元件具有個(gè)與蓋的表面區(qū)域基本上相同的表面區(qū)域。
14.根據(jù)權(quán)利要求8的集成電路封裝，其中導(dǎo)熱元件接觸側(cè)壁。
15.根據(jù)權(quán)利要求8的集成電路封裝，其中襯底是有機(jī)襯底，并且其中至少一個(gè)管芯通過(guò)接合區(qū)格柵陣列置于襯底上。
16.一種電子組件，包括至少一個(gè)集成電路封裝，該集成電路封裝包括一襯底；至少一個(gè)管芯，其被置于該襯底的一表面上；一蓋，該蓋被置于至少一個(gè)管芯之上；連接到該蓋并包括連接到該襯底的一表面的一側(cè)壁，；以及一導(dǎo)熱元件，連接在該蓋和至少一個(gè)管芯之間，該導(dǎo)熱元件包括選自由金剛石、合成金剛石和石墨組成的組中的材料。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的電子組件，還包括；在蓋和導(dǎo)熱元件之間的一附著層。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的集成電路封裝，其中附著層由選自由鉻、金、鎳、鉑、銀、鈦、鎢和釩組成的組中的材料形成。
19.根據(jù)權(quán)利要求16的集成電路封裝，其中導(dǎo)熱元件具有一與蓋的表面區(qū)域基本上相同的表面區(qū)域。
20.根據(jù)權(quán)利要求16的集成電路封裝，其中導(dǎo)熱元件接觸側(cè)壁。
21.一種數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，包括在該數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中連接元件的總線；連接到該總線的顯示器；連接到該總線的外設(shè)存儲(chǔ)器；以及連接到該總線并且包括一電子組件的一處理器，該電子組件包含至少一個(gè)集成電路封裝，該集成電路封裝包括一襯底；至少一個(gè)管芯，位于該襯底的表面上；一蓋，位于至少一個(gè)管芯之上；連接到該蓋并包括連接到該襯底的一表面的一側(cè)壁，；以及一導(dǎo)熱元件，連接在該蓋和至少一個(gè)管芯之間，該導(dǎo)熱元件包括選自金剛石、合成金剛石和石墨組成的組的材料。
22.根據(jù)權(quán)利要求21的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，還包括；在蓋和導(dǎo)熱元件之間的一附著層。
23.根據(jù)權(quán)利要求21的集成電路封裝，其中導(dǎo)熱元件具有一與蓋的表面區(qū)域基本上相同的表面區(qū)域，并且其中導(dǎo)熱元件接觸側(cè)壁。
24.一種集成電路封裝的制造方法，該方法包括將一導(dǎo)熱材料層附著到一集成散熱器(IHS)的下表面，該材料選自由金剛石、合成金剛石和石墨組成的組；在襯底上裝配管芯，以便該管芯的下表面上的電接觸連接到該襯底的上表面上的電接觸；以及在該管芯之上裝配該IHS，以便該導(dǎo)熱材料與該管芯的上表面接觸。
25.根據(jù)權(quán)利要求24的方法，其中附著包括在IHS表面上生長(zhǎng)導(dǎo)熱材料層。
26.根據(jù)權(quán)利要求25的方法，還包括在IHS表面上形成金屬層，該金屬層選自由鉻、金、鎳、鉑、銀、鈦、鎢和釩組成的組。
27.根據(jù)權(quán)利要求24的方法，還包括離開(kāi)IHS表面生長(zhǎng)導(dǎo)熱材料層。
28.根據(jù)權(quán)利要求27的方法，還包括在導(dǎo)熱材料層的至少一個(gè)表面上形成金屬層，該金屬層選自鈦和鎢組成的組。
29.根據(jù)權(quán)利要求24的方法，其中IHS包括一側(cè)壁，該方法還包括將IHS側(cè)壁連接到襯底的上表面。
30.根據(jù)權(quán)利要求29的方法，其中IHS側(cè)壁用導(dǎo)熱材料連接到襯底的上表面。
全文摘要
為了與高性能集成電路相關(guān)的高功率密度相適應(yīng)，集成電路封裝包括一種散熱結(jié)構(gòu)，其中熱從一個(gè)或多個(gè)管芯(40)的表面通過(guò)由金剛石、合成金剛石或石墨形成的大容量熱接觸面(110)散熱到集成散熱器(IHS)。在一個(gè)實(shí)施例中，在IHS(122)上生長(zhǎng)一金剛石層。在另一個(gè)實(shí)施例中，金剛石層被單獨(dú)形成并附著到IHS。本發(fā)明還說(shuō)明了制造方法以及該封裝在電子組件和電子系統(tǒng)中的應(yīng)用。
文檔編號(hào)H01L23/373GK1554120SQ01822648
公開(kāi)日2004年12月8日 申請(qǐng)日期2001年11月20日 優(yōu)先權(quán)日2000年12月14日
發(fā)明者G·M·克萊斯勒, G M 克萊斯勒, A·A·瓦特維, 瓦特維 申請(qǐng)人:英特爾公司