專利名稱：用于冷卻半導體集成電路芯片封裝的裝置和方法
技術領域：
本發(fā)明一般地涉及用于將半導體IC(集成電路)芯片與集成的冷卻模塊封裝在一起的裝置和方法。更具體地，本發(fā)明涉及用于將微通道冷卻模塊集成在包括多個高性能IC芯片的高密度芯片封裝和系統(tǒng)級組件模塊內的裝置和方法。
背景技術：
在設計和制造半導體IC芯片封裝和模塊(例如SCM(單芯片模塊)，MCM(多芯片模塊)等)時，必須使用能夠有效地消除由IC芯片例如微處理器或其它高性能芯片產(chǎn)生的熱量的機構，以確保IC芯片能夠持續(xù)可靠地運行。隨著芯片幾何尺寸的縮小以及運行速度的增大—這導致功率密度增大，有效的散熱變得越來越成問題。此外，由于芯片封裝或電子模塊因多個IC芯片緊密組裝在一起而變得更加緊湊，由如此接近的芯片運行所產(chǎn)生的增大的發(fā)熱強度會對集成電路元件產(chǎn)生不利影響，并且會由于封裝元件的熱膨脹之間的差別而對封裝結構造成物理損壞。因此，持續(xù)需要用于冷卻高密度和/或高性能IC芯片封裝和模塊的改進的裝置和方法。
例如標題為“System on a Package Fabricated on a Semiconductor orDielectric Wafer with Wiring on One Face，Vias Extending Through theWafer，and External Connections on the Opposing Face”的美國專利No.6593644中說明了一種密集封裝已知為“系統(tǒng)級組件”的高性能芯片的方法，該方法在芯片與陶瓷的第一級封裝之間使用具有電通孔的硅載體作為額外的中間封裝層以提供高密度和高性能的電互連，該專利已經(jīng)總體轉讓并在此被完全結合以作參考。該專利中所描述的封裝結構和方法提供了許多顯著的優(yōu)點，但是實際實現(xiàn)具有硅載體的封裝結構時應當考慮的一個關鍵因素是這種硅載體的尺寸和厚度。就可用的硅載體而言，載體的尺寸應大于將安裝在該載體上的芯片或芯片陣列的尺寸。例如，目前，高性能芯片的最大實際尺寸是約20mm×20mm。因此，為了安裝這種芯片的2×2陣列，硅載體的尺寸需要大于40mm×40mm。
在封裝結構中使用硅載體時應當考慮的另一個因素是硅載體的厚度。由于在形成電通孔、用導電材料填充該通孔以及使電互連的電感最小方面存在的困難，因此希望硅載體襯底盡可能薄。例如，如果硅載體厚0.2mm、寬40mm，則寬度/厚度的比值為200∶1。如該文獻中所公開的，實際的硅載體厚度主要受通孔的最終縱橫比限制。通常，遠大于大約10∶1的縱橫比是難以制造和具有高可靠性的。作為示例，過去五年，名稱為超先進電子技術聯(lián)盟(ASET)的主要由日本電子公司構成的社團已對硅載體通孔技術進行了深入的研究(見Takahashi K.等人的“Current Status ofResearch and Development of Three-dimensional Chip StackingTechnology”，Jpn.J.Appl.Phys.Vol.40，(2001)pp.3032-3037)，并且這種工作已得到一種據(jù)稱堅固耐用的工藝，其使用10μm寬的孔且載體厚度固定為50μm(見Takahashi K.等人的“Process Integration of 3D ChipStack with Vertical Interconnection”，Proc 54th Electron.Components andTechnol.Conf. Las Vegas，NV，June 2004，pp.601-609)。
面積大且薄的硅載體所遇到的一些實際困難包括在加工、接合或組裝期間硅載體碎裂的危險增加，以及難以提供可有效冷卻安裝在硅載體上的芯片的裝置。難以使用常規(guī)冷卻裝置例如連接到芯片背面的散熱膏層和散熱器，這是因為用于將散熱器保持在適當位置的力以及在組裝期間確保散熱膏層薄且均勻的較大的力會使硅載體碎裂。因此，非常需要這樣的結構和方法即其在提供高性能冷卻方案的同時可增大硅載體的剛度。

發(fā)明內容
本發(fā)明的示例性實施例一般地包括用于將半導體IC芯片與集成的冷卻模塊封裝在一起的裝置和方法。更具體地，本發(fā)明的示例性實施例包括用于將微通道冷卻模塊集成在包括多個高性能IC芯片的高密度電子模塊(例如芯片封裝、系統(tǒng)級組件等)內的裝置和方法。
通常，根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的電子模塊設計成高性能(高功率)IC芯片緊鄰集成的冷卻模塊(或冷卻板)設置以便有效地排熱。更具體地，本發(fā)明的示例性實施例包括電子模塊，所述電子模塊包括集成的冷卻模塊和直接接合在該冷卻模塊上的高性能IC芯片。例如，在本發(fā)明的一個示例性實施例中，可使用焊料、銀填充的環(huán)氧樹脂(silver filled epoxy)或類似的填充的聚合物(filled polymer)將IC芯片的無源表面剛性接合在微通道冷卻器裝置上。
在本發(fā)明的其它示例性實施例中，電子模塊具有設置在載體襯底之間的冷卻模塊，所述載體襯底上安裝有多個IC芯片。在這種示例性實施例中，高性能IC芯片安裝在載體襯底的與冷卻模塊對準的表面區(qū)域內。在本發(fā)明的其它示例性實施例中，可形成穿過冷卻模塊(例如在微通道冷卻器的微散熱翅片內)的傳導孔(conductive via)以在載體襯底和/或安裝在載體襯底上的IC芯片之間提供穿過該冷卻模塊的電信號路徑。
在本發(fā)明的另一示例性實施例中，電子模塊包括第一層載體襯底和接合在該第一層載體襯底上的中間載體襯底，其中該中間載體襯底包括接合在其上的多個IC倒裝芯片。冷卻裝置例如微通道冷卻器利用剛性接合材料熱接合在安裝于該中間載體襯底上的每個IC芯片的無源表面上。冷卻裝置由這樣的材料制成，即該材料的熱膨脹與形成中間載體襯底的材料相匹配，以減小由熱膨脹的差別導致的機械應力。該微通道冷卻裝置為芯片提供冷卻，另外通過將該微通道冷卻器剛性接合到安裝在中間載體上的IC芯片的背面而增加了電子組件的結構完整性。此外，微通道冷卻器的重量輕并且接合材料適用于C4回焊(C4 reflow)，從而可在將中間載體封裝接合到第一層封裝上之前將微通道冷卻器組裝到帶有IC芯片的中間載體封裝中。
根據(jù)本發(fā)明的示例性封裝方法和結構可用于構建緊湊的計算機系統(tǒng)級組件，該組件包括多個IC處理器芯片、IC存儲芯片以及通信芯片和模塊，并與集成的冷卻模塊密集地封裝在一起。在這種實施例中，高性能IC處理器芯片設置成緊鄰集成的冷卻模塊以有效地排熱。
從下面結合附圖對示例性實施例的詳細說明中，可看出本發(fā)明的這些以及其它示例性實施例、方面、特征和優(yōu)點。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的電子模塊的示意性透視圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的另一示例性實施例的電子模塊的示意性透視圖；圖3A和3B示意性地示出可集成在根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的電子模塊內的微通道冷卻裝置；圖4示意性地示出可集成在根據(jù)本發(fā)明的另一示例性實施例的電子模塊內的微通道冷卻裝置；圖5示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的另一示例性實施例的電子模塊；圖6示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的另一示例性實施例的電子模塊。
具體實施例方式
圖1是根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的電子模塊的示意性透視圖。圖1示意性地示出電子模塊100的示例性實施例，該電子模塊包括集成的冷卻模塊101(例如微通道冷卻器)，高性能IC芯片102和103直接接合在冷卻模塊101上。冷卻裝置101包括具有多個冷卻劑入口/出口101a的微通道冷卻裝置，以使得冷卻劑可流入和流出冷卻裝置101。在一個示例性實施例中，電子模塊100包括一疊式芯片結構的計算機“系統(tǒng)級組件”，其中IC芯片102和103是處理器芯片(例如，CPU、微處理器等)。IC處理器芯片102和103的背面(無源表面)熱連接到冷卻裝置101的兩面。
此外，IC存儲芯片104和105的陣列是分別接合在IC處理器芯片102和103的有源表面上的倒裝芯片。應理解，根據(jù)應用，模塊100可具有任意數(shù)量和/或布置的連接到IC處理器芯片102和103上的IC存儲芯片。
電子模塊100還包括分別對應于IC處理器芯片102和103的分離的CIO(通信和輸入/輸出)模塊106和107。CIO模塊106經(jīng)由垂直插針或焊接柱陣列108連接到IC處理器芯片102，該垂直插針或焊接柱陣列安裝在CIO模塊106與IC處理芯片102之間；CIO模塊107經(jīng)由垂直插針或焊接柱陣列109連接到IC處理器芯片103，該垂直插針或焊接柱陣列109安裝在CIO模塊107與IC處理芯片103之間。
在本發(fā)明的一個示例性實施例中，每個垂直插針或焊接柱均由兩個分離的焊接凸塊形成，其中一個焊接凸塊源于IC處理器芯片，而另一個焊接凸塊源于對應的CIO模塊，這樣形成一有效“雙凸塊”托腳高度(”doublebump”standoff height)。此外，使用標準的背面研磨技術可使IC存儲芯片非常薄—例如厚度為100微米，而用于使IC存儲芯片與對應的IC處理器芯片相接合的C4的高度可被減小，從而可使用或多或少的標準凸塊形成技術來組裝模塊100。
如果CIO模塊106和107需要通過存儲芯片和IC處理器芯片散熱，則CIO模塊106和107可分別熱接合在IC存儲芯片陣列104和105中的存儲芯片的無源表面上。或者，如果CIO模塊106和107的功率較低，從而熱量容易散發(fā)到周圍環(huán)境中，則CIO模塊106和107不必接合在存儲芯片陣列104和105中的各個存儲芯片上。
CIO模塊106和107構造成包括需要的電互連部、接合焊盤(bondingpad)、集成電路/器件、I/O元件等，以便可與其它電子元件、器件、模塊、電源等電連接/通信。IC處理器芯片102和103可通過由柔性電纜110提供的通信線路直接通信。電纜110的各端分別焊接(solder)在IC處理器芯片102和103之一上，并沿模塊100的側面設置。
對于圖1的示例性封裝結構，冷卻裝置101直接熱連接在IC處理器芯片102和103上，以增大對模塊100的冷卻能力。實際上，高性能的IC芯片例如計算機處理器通常具有較高的平均功率密度，并且可能包含熱通量(功率/單位面積)較大(大于平均值)的“熱點”區(qū)域。IC處理器芯片102和103與冷卻裝置101的直接連接提供了低熱阻的導熱路徑，從而可增強冷卻。另外，IC處理器芯片102和103由導熱材料(例如硅)形成，并用作用于從低功率密度芯片104和105吸取熱量并將熱量傳導至冷卻模塊101的散熱器。
在一個示例性實施例中，IC處理器芯片102和103的無源表面利用銀填充的環(huán)氧樹脂、填充的聚合物粘合劑、填充的熱塑性塑料(filledthermoplastic)或焊料、或者其它具有低熱阻的導熱接合材料剛性接合在冷卻裝置101上。為了減小機械應力，冷卻裝置101的材料選擇為其TCE(熱膨脹系數(shù))與IC處理器芯片102和103的材料的TCE緊密匹配。有效使用剛性接合的能力不僅受到形成冷卻裝置101和IC芯片的材料的TCE的差別的限制，而且受到半導體封裝所運行或所暴露的溫度范圍(循環(huán))以及其上將形成剛性接合的區(qū)域的大小的限制。
在一個示例性實施例中，冷卻裝置101包括這樣的微通道冷卻裝置，即其具有多個冷卻劑入口/出口101a以使得冷卻劑可流入和流出冷卻裝置101。微通道冷卻裝置可用于有效冷卻處于較大熱通量/高功率密度(功率/單位面積)例如～800W/cm2的條件下的電子器件。圖3A和3B是示出可用于實施圖1中的冷卻裝置101的微通道冷卻裝置300的示意圖。圖3B示出沿線3B-3B的圖3A的橫截面圖。如圖所示，示例性微通道冷卻裝置300包括一平面襯底301(例如硅襯底)，該襯底被蝕刻以形成凹入?yún)^(qū)域302，該區(qū)域包含多個并行的、微小的導熱翅片303，所述導熱翅片限定了多個通道304。第二襯底305(例如硅襯底)或蓋板接合到襯底301的蝕刻面以及翅片303的頂部，從而在入口I和出口O之間為通過通道304的冷卻劑(例如水)流限定了一室。通過翅片303與流過通道304的冷卻劑流體之間的熱接觸來實現(xiàn)散熱。
應理解，圖3A和3B中所示的冷卻裝置300僅是圖1的冷卻裝置101的一個示例性實施例，可提供和定制本技術領域內的普通技術人員已知的任何合適的微通道冷卻裝置和方法，以用于預期應用。例如，盡管示例性冷卻裝置300示出為具有兩個入口/出口管，但是應理解，冷卻裝置的入口/出口的數(shù)量和定向可根據(jù)具體設計而改變。此外，冷卻裝置300可形成為具有兩個分離的室，以允許冷卻劑沿相對的方向在這兩個室內流動。
圖2是根據(jù)本發(fā)明另一示例性實施例的電子模塊的示意性透視圖。圖2是電子模塊200的一個示例性實施例，該電子模塊設計為在載體襯底之間設置冷卻模塊，所述載體襯底上安裝有多個IC芯片。特別地，圖2示意性地示出包括冷卻裝置201的電子模塊200，該冷卻裝置201設置在第一載體襯底202和第二載體襯底203(例如硅襯底)之間。冷卻裝置201包括一微通道冷卻裝置，該微通道冷卻裝置具有多個冷卻劑入口/出口201a以使得冷卻劑可流入和流出冷卻裝置201。例如，下面將參照圖4說明冷卻裝置201的示例性實施例。
在一個示例性實施例中，電子模塊200包括一計算機“系統(tǒng)級組件”，其中第一載體襯底202包括安裝在其表面上的IC處理器芯片陣列204和IC存儲芯片陣列206及207，第二載體襯底203包括安裝在其表面上的IC處理器芯片陣列205和IC存儲芯片陣列208及209。高性能處理器芯片陣列204和205以有源區(qū)向下的方式安裝在與冷卻模塊201對準的相應載體襯底202和203的表面區(qū)域內。載體襯底202和203包括一個或多個金屬化層，以提供IC存儲芯片和處理器芯片之間的信號傳輸所需的導線和互連部。
此外，在圖2的示例性實施例中，陣列206～209中的IC存儲芯片垂直安裝在相應載體襯底202和203上，以提供高密度的垂直芯片封裝。在這種實施例中，可將IC存儲芯片設計成在接合于襯底的IC存儲芯片的邊緣形成信號和電源連接部。用于將IC芯片垂直安裝在載體襯底上的方法是本技術領域內的普通技術人員公知的。例如，可實施標題為“VerticalSemiconductor Integrated Circuit Chip Packaging”的美國專利No.4266282中所述的方法，以便形成載體襯底202和203并將IC存儲芯片垂直安裝在該襯底上，該專利已被整體轉讓并在此被完全結合以作參考。
電子模塊200還包括分別對應于IC處理器芯片陣列204和205的分離的CIO模塊210和211。CIO模塊210通過焊接插針或焊接柱212連接到載體襯底202，CIO模塊211通過焊接插針或焊接柱213連接到載體襯底203?；蛘撸珻IO模塊210和211可通過本技術領域內的普通技術人員公知的插針和插孔連接而連接到相應的載體襯底202和203。CIO模塊210和211構造成包括需要的電互連部、接合焊盤、集成電路/器件、I/O元件等，以便可與其它電子元件、器件、模塊、電源等電連接/通信。在圖2的示例性實施例中，載體襯底202和203提供用于將熱量從安裝在其上的IC處理器芯片和IC存儲芯片引導至冷卻裝置201的熱路徑。在本發(fā)明的一個示例性實施例中，載體襯底202和203的厚度在約50微米至約400微米的范圍內。冷卻裝置201設置在載體襯底202與203之間，并與載體襯底的安裝有IC處理器芯片陣列204和205的表面區(qū)域對準—所述區(qū)域的熱密度最大。高密度IC存儲芯片陣列206～209設置在相應載體襯底上的與高性能IC處理器芯片陣列相鄰的區(qū)域內，該區(qū)域延伸超過冷卻裝置201。IC存儲芯片可通過載體襯底和形成在IC存儲芯片之間的空氣柱的散熱能力而被有效地冷卻。載體襯底202和203的延伸超過冷卻裝置201的部分由相應的機械支承結構214和215支承。
在另一個示例性實施例中，可使冷卻裝置201的大小與載體襯底202和203相同，這樣將不需要機械支承結構214和215。對于此示例性實施例，由于存儲器區(qū)域內的功率消耗率通常較低，所以可將冷卻裝置201內的冷卻通道相應設計成在處理器區(qū)域處理較高的功率密度而在存儲器區(qū)域處理較低的功率密度。
在一個示例性實施例中，載體襯底202和203利用銀填充的環(huán)氧樹脂、填充的聚合物粘合劑、填充的熱塑性塑料或焊料、或者其它具有低熱阻的導熱接合材料剛性接合在冷卻裝置201上。為了減小由熱膨脹/收縮導致的冷卻模塊201與載體襯底202及203的熱界面之間的機械應力，將冷卻裝置201的材料選擇為其TCE與載體襯底202和203的材料的TCE緊密匹配。此外，通過將冷卻裝置201的大小限制為僅與高性能IC處理器芯片對準來減小冷卻模塊201與載體襯底202及203的熱界面之間的機械應力。特別地，冷卻裝置201小于載體襯底202及203，從而冷卻裝置與載體襯底之間的剛性接合(或其它熱界面)的表面積是有限的(與將冷卻裝置201形成為其平面尺寸與載體襯底相同的情況相比)。
在本發(fā)明的另一個示例性實施例中，冷卻裝置201構造成具有在第一與第二載體襯底202和203之間提供連接通路的多個傳導通孔。在此示例性實施例中，載體襯底202和203的與冷卻模塊201對準的表面區(qū)域具有接合焊盤/連接器，所述接合焊盤/連接器可(經(jīng)由焊球)接合在相應的冷卻模塊201配合面上的傳導通孔(或其它互連部)的暴露部分上，以在不同硅襯底上的IC芯片之間提供電連接。此外，可通過用額外的焊球(即熱通路)盡可能多地填充處理器芯片與硅載體之間的焊球接合部中的空間、以及通過使用導熱、電絕緣的底層填料，來增強從高性能處理器芯片陣列204和205到它們的相應硅襯底202和203的熱傳導。如本技術領域內的普通技術人員已知的，可形成與所述額外的焊球對準的另外的結構以降低硅載體和芯片金屬化層內的導熱性。
應理解，在一個示例性實施例中，當IC存儲芯片和載體襯底202及203由硅(或其它TCE匹配的材料)制成時，可增大單個焊接連接部的表面密度并且/或者減小焊接連接部的高度，以進一步減小IC存儲芯片陣列204和205與它們的相應載體襯底202和203間的熱阻。實際上，保持熱阻盡可能小以避免較大的ΔT(delta T)是有利的，該ΔT是芯片和載體間的應力的主要因素(假設TCE匹配)。此方法對于間距低到“1/2(1on 2)”密耳的高密度微連接是有用的。
圖4示意性地示出圖2的冷卻裝置201的一個示例性實施例，其具有穿過冷卻模塊的導電孔，以便在硅襯底202和203之間提供電信號路徑。特別地，圖4示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的微通道冷卻裝置400，其包括被蝕刻以形成冷卻劑室的襯底401(例如硅襯底)，該冷卻劑室具有通過常規(guī)硅蝕刻技術形成的多個通道壁402和窄通道403的微通道圖案。通道壁402內形成有多個傳導通孔404。冷卻流體從入口管路405流入微通道冷卻裝置400，并由分流器406分流到通道403。接著，冷卻劑通過從通道壁402吸收熱量被加熱，然后流出微通道冷卻裝置400并從出口管路407離開。箭頭指示冷卻劑的流動方向。沿著設有通孔404的通道壁402存在周期性變寬的部分。有利地，通孔404不僅提供了用于在載體襯底之間進行信號傳輸?shù)亩痰耐ㄐ怕窂?，而且可由于傳導通孔與流經(jīng)微通道403的冷卻流體非常接近而增強了對模塊200的冷卻。
圖5是根據(jù)本發(fā)明的另一示例性實施例的電子模塊的示意性橫截面圖。更具體地，圖5示意性地示出電子模塊500，該模塊用于將微通道冷卻器與面向下安裝在高密度布線載體例如硅載體上的IC芯片集成在一起。特別地，該示例性封裝包括第一層封裝載體501(例如陶瓷襯底)，該載體具有用于將該襯底501接合到插件板或印刷電路板(未示出)的大(～1mm的間距)焊球陣列B1(例如BGA，球柵陣列)。模塊500還包括中間(或第二層)載體襯底502(例如硅襯底)，該襯底具有多個IC芯片503和504，這些芯片是接合在該襯底上的倒裝芯片。中間載體襯底502經(jīng)由微小間距(～0.2mm的間距)的焊球陣列B2—例如C4—接合到第一層載體襯底501上。
載體襯底502構造成在其上表面上具有高密度布線，以便分別經(jīng)由高密度焊接凸塊陣列B3和B4(～0.05mm的間距)提供與IC芯片503和504的電互連。此外，中間層載體襯底502包括多個穿過載體襯底502的傳導孔，以便能夠經(jīng)由焊接凸塊陣列B2與第一層封裝襯底501電連接。中間載體襯底502和陶瓷襯底501設計成在電連接部之間提供空間轉換并使中間載體襯底502上的多個芯片互連，所述電連接部位于微小間距的焊球陣列B3和B4與印刷電路板的焊球陣列B1之間。
電子模塊500還包括集成的微通道冷卻裝置505，該冷卻裝置經(jīng)由相應的剛性熱接合部B5和B6熱接合到IC芯片503和504的無源表面。用于剛性熱接合部B5和B6的接合材料可包括具有低熱阻率的任何合適的材料—例如焊料、金屬層、銀膠(Ag epoxy)或填充的聚合物，從而允許從芯片到微通道板506進行充分的熱傳導。只要接合厚度足夠小并且符合冷卻需求，可以使用低熱阻的接合，例如金屬接合、焊接或諸如銀膠的填充的熱粘合或者其它接合方式。此外，希望接合部B5和B6是可再加工的，從而可在必要時將微通道冷卻器505從芯片上去除，以便更換微通道冷卻器505或更換一個或多個芯片503和504。
在一個示例性實施例中，微通道冷卻器模塊505包括經(jīng)由接合部B7連接到集管板507的微通道板506。微通道冷卻器裝置505在IC芯片上延伸，并且其大小大致等于或稍大于中間載體襯底502。微通道板506和集管板507可由硅襯底或其它的TCE與形成IC芯片503和504的材料的TCE匹配的材料形成。微通道板506包括多個限定通道506b的微翅片506a，所述微翅片形成在微通道板506的與IC芯片503和504對齊的表面區(qū)域內。此外，接合在微通道板506上的集管板507(或集管蓋)中形成有多個流體集管，其中每個流體集管包括在集管板507的一個表面內形成的對應集管通道507b以及對應樣式/系列的流體通路507a，該流體通路形成從集管板507的相對表面沿對應的集管通道507b延伸到不同位置的開口。
可使用2004年7月1日提交的標題為“Apparatus and Methods forMicrochannel Cooling of Semiconductor Integrated Circuit Packages”的美國專利申請No.10/883392中所述的方法來形成微通道板506和集管板507，該專利申請被整體轉讓并在此被全部結合以作參考。一般地，該申請說明了用于構造集成的微通道冷卻器裝置的方法，該冷卻器裝置包括供給/返回集管和微通道/微翅片，所述供給/返回集管和微通道/微翅片以能使壓力降最小、可沿冷卻劑流動路徑增加流體流的均勻性和分布、并能保持集管板的結構完整性以防止在制造期間破損的方式來構造、形成樣式、形成尺寸和/或設置。例如，如美國申請No.10/883392中詳細說明的，集管板507設計成使得用于給定的集管通道507b的入口/出口507a形成為以之字形圖案布置的一連串圓形開口或具有弄圓的角部的開口，以減小制造期間的晶片碎裂。集管通道507b包括在朝向微通道的板表面上的圓形開口之間形成的錐形通道段。集管設計成通過利用圓形開口使可作為碎裂核心部位的應力集中最小、通過將微通道圖案的凹入?yún)^(qū)域用作與集管通道結合的集管以使通道集管的總空腔面積最小、以及通過防止空腔沿硅裂開面對準，來降低晶片破損的可能。在本發(fā)明的另一個示例性實施例中，集成的微通道冷卻器裝置505可由單個板形成，該單個板通過上面所結合的申請中提到的方法而構造成具有微通道和供給/返回集管。
微通道板506和集管板507利用足以提供防水密封的接合材料相接合，但是接合部B7不必具有低熱阻。因此，可使用例如直接晶片鍵合(directwafer bonding)、熔接(fusion bonding)、陽極接合、玻璃介質鍵合(glassfrit bonding)、焊接、聚合物粘合劑接合，或任何其它合適的接合方法，來將微通道板506和集管板507相接合。
電子模塊500還包括墊片508和封裝蓋509。封裝蓋509包括與微通道冷卻器裝置505的對應入口/出口507a對準的流體入口/出口集管509a。封裝蓋509經(jīng)由墊片508連接到微通道冷卻器505的背面。在一個示例性實施例中，墊片508使用高溫環(huán)氧樹脂或其它合適的粘合劑粘附到微通道冷卻器505和封裝蓋509上。在圖5的示例性實施例中，封裝蓋509設計成流體分配集管，以用于分送去往/來自集成的微通道冷卻器裝置505的冷卻劑流體?？墒褂蒙厦娼Y合的美國專利申請No.10/883392中說明的方法來設計封裝蓋509的集管結構。
例如，可按以下方式來設計流體分配集管509a，即利用橫截面可變的流體供給/返回通道來使總的系統(tǒng)壓力降最小，所述通道用于分送去往/來自集成的微通道冷卻器裝置的冷卻劑流體。此外，對于圖5中所示的示例性微通道冷卻裝置505，流體通路507a形成在集管板507的用以向集成的微通道冷卻器裝置輸入/從集成的微通道冷卻器裝置輸出冷卻劑流體的背面上，這使得微通道冷卻裝置505的尺寸能夠不會大大延伸超過將被冷卻的芯片陣列的面積。
圖6是根據(jù)本發(fā)明的另一示例性實施例的電子模塊600的示意性橫截面視圖。特別地，電子模塊600是與圖5的電子模塊500類似的可選實施例，但是其中厚度不同的高性能處理器芯片601和存儲芯片602及603是安裝在中間載體襯底604上的倒裝芯片。在圖6的示例性實施例中，功率密度大于存儲芯片602及603的處理器芯片601安裝在中間載體襯底604的中心區(qū)域內，而功率密度較低的存儲芯片(或其它芯片)沿載體604的周向區(qū)域安裝。芯片601、602和603分別經(jīng)由剛性熱接合部B1、B2和B3剛性接合到微通道冷卻器裝置605。
對于功率密度較高的芯片601，希望芯片601與微通道冷卻器裝置605之間的熱接合部B1中的總熱阻較低，以保持與功率密度較低的芯片602和603相同的最大結溫。特別地，當如圖6的示例性實施例中所示的在載體604上的多個芯片601～603上組裝微通道冷卻器605時，希望確保高功率芯片601具有最薄的導熱材料接合層以將芯片601連接到微通道冷卻器605上。例如，在圖6中，如果存儲芯片602和603都比處理器芯片601厚，則用于將處理器芯片601連接到微通道冷卻器605上的導熱材料接合層B1的厚度應大于接合層B2和B3的厚度。因此，在圖6的示例性實施例中，與高功率處理器芯片601相比，功率密度較低的存儲芯片602和603稍薄，以確保接合層的厚度由處理器芯片601的背面確定。在2004年8月18日提交的標題為“Multiple Power Density Chip Structure”的美國專利申請No.10/711023中，說明了用于使功率較低的芯片變薄以適應不同的功率密度同時保持簡單的帽或蓋結構的方法，該專利申請被整體轉讓并在此被全部結合以作參考。在確定充分冷卻芯片所需的熱阻時，芯片的功率密度以及芯片上的預期的結溫或功率分配是需要考慮的因素。下面將說明用于組裝其結構類似于圖5和6中的示例性實施例所示的結構的電子模塊的各種方法。一種示例性的組裝方法首先是使用本技術領域內的普通技術人員已知的任何合適的倒裝芯片接合方法將芯片陣列安裝到中間硅載體上。任選地，所安裝的芯片可以不填充滿(under filled)，并且/或者可通過拋光、研磨或磨削來使芯片的背面平坦。然后，可使用焊料、金屬層、銀膠、填充的聚合物或其它剛性導熱接合方法來將事先組裝好并經(jīng)過壓力測試的硅微通道冷卻器裝置接合到安裝在載體上的芯片的背面。然后可使用C4法將硅載體、芯片和微通道冷卻器封裝組裝到第一層封裝。最后，使用墊片將具有相應設計的流體入口/出口集管的封裝蓋連接到微通道冷卻器的背面?？墒褂酶邷丨h(huán)氧樹脂或其它合適的粘合劑將該墊片粘附在微通道冷卻器和蓋上。在可選擇實施例中，可在使用C4法將芯片和硅載體組裝到第一層封裝上后，將微通道冷卻器連接到芯片和硅載體上。
如上所述，使用硅載體可帶來很多顯著的優(yōu)點，例如使用間距更微小的到芯片的電連接來提供較大的電信號輸送能力和較大的布線能力。但是，硅載體因其厚度有限并且面積較大而難以使用常規(guī)方法冷卻。典型的硅載體的厚度在約50微米至約200微米之間(厚度可以為500微米)，但是沿每個邊緣的橫向尺寸可以為4cm或5cm。
根據(jù)本發(fā)明的圖5和圖6的將硅載體和微通道冷卻器集成在一起的示例性封裝結構可提供許多顯著的優(yōu)點，包括例如為集成的微通道冷卻器提供低熱阻路徑，以及將微通道冷卻器用作向薄的硅載體提供額外的機械強度的裝置以防止在隨后的處理和操作期間發(fā)生破裂。盡管已參照

了示例性實施例，但是應理解，本發(fā)明的系統(tǒng)和方法并不限于這些具體的實施例，本技術領域內的技術人員可實現(xiàn)多種其它的改變和變型，而不會背離本發(fā)明的范圍和精神。所有這些改變和變型都將包括在由所附權利要求限定的本發(fā)明的范圍內。
權利要求
1.一種電子模塊，包括包括至少一個冷卻劑入口和出口的冷卻模塊；以及第一和第二IC芯片，其中，該冷卻模塊以及第一和第二IC芯片以層疊形式設置，其中該第一IC芯片緊鄰該冷卻模塊的第一表面設置，而該第二IC芯片緊鄰該冷卻模塊的與該第一表面相對的第二表面設置。
2.根據(jù)權利要求1所述的電子模塊，其特征在于，還包括緊鄰所述第一IC芯片設置的第一CIO模塊，從而第一IC芯片設置在該第一CIO模塊與所述冷卻模塊之間；以及緊鄰所述第二IC芯片設置的第二CIO模塊，從而第二IC芯片設置在該第二CIO模塊與所述冷卻模塊之間。
3.根據(jù)權利要求1所述的電子模塊，其特征在于，所述冷卻模塊包括微通道冷卻器裝置。
4.根據(jù)權利要求1所述的電子模塊，其特征在于，所述冷卻模塊包括在該冷卻模塊的第一與第二表面之間穿過該冷卻模塊延伸的一個或多個導電孔。
5.根據(jù)權利要求4所述的電子模塊，其特征在于，所述一個或多個導電孔在所述第一與第二IC芯片之間提供電連接。
6.根據(jù)權利要求1所述的電子模塊，其特征在于，所述第一IC芯片的無源表面熱接合在所述冷卻模塊的第一表面上，所述第二IC芯片的無源表面熱接合在所述冷卻模塊的第二表面上。
7.根據(jù)權利要求6所述的電子模塊，其特征在于，還包括安裝在所述第一IC芯片的有源表面上的第三IC芯片。
8.根據(jù)權利要求7所述的電子模塊，其特征在于，所述第一IC芯片包括處理器芯片，所述第三IC芯片包括存儲芯片。
9.根據(jù)權利要求1所述的電子模塊，其特征在于，還包括在所述第一與第二IC芯片之間提供電連接的柔性電纜。
10.根據(jù)權利要求1所述的電子模塊，其特征在于，還包括第一載體襯底和第二載體襯底，其中，該第一載體襯底設置在所述第一IC芯片與所述冷卻模塊的第一表面之間，該第二載體襯底設置在所述第二IC芯片與所述冷卻模塊的第二表面之間。
11.根據(jù)權利要求10所述的電子模塊，其特征在于，所述第一和第二載體襯底分別直接接合在所述冷卻模塊的第一和第二表面上，所述第一和第二IC芯片分別面安裝在所述第一和第二載體襯底上。
12.根據(jù)權利要求11所述的電子模塊，其特征在于，所述第一和第二載體襯底延伸超過所述冷卻模塊的周向邊緣。
13.根據(jù)權利要求12所述的電子模塊，其特征在于，在所述第一和第二載體襯底的延伸超過所述冷卻模塊的周向邊緣的部分上分別安裝有第一和第二IC芯片陣列，該第一和第二IC芯片陣列中的IC芯片垂直安裝或成角度安裝。
14.根據(jù)權利要求11所述的電子模塊，其特征在于，所述冷卻模塊包括集成的微通道冷卻裝置，該集成的微通道冷卻裝置在其通道壁內形成有導電孔以允許電信號在所述第一與第二載體襯底之間通過該集成的微通道冷卻裝置。
15.根據(jù)權利要求10所述的電子模塊，其特征在于，還包括分別通過柱和插腳連接在所述第一和第二載體襯底上的第一和第二CIO模塊，所述第一和第二CIO模塊分別熱接合在所述第一和第二IC芯片的無源表面上。
16.根據(jù)權利要求12所述的電子模塊，其特征在于，還包括機械支承件，以支承所述第一和第二載體襯底的延伸超過所述冷卻模塊的周向邊緣的部分。
17.根據(jù)權利要求11所述的電子模塊，其特征在于，所述冷卻模塊包括微通道冷卻裝置，該微通道冷卻裝置內形成有多個微通道，所述微通道設置和構造成根據(jù)分別安裝在所述第一和第二載體襯底上的所述第一和第二IC芯片的熱量消散速率提供不同的局部冷卻能力。
18.根據(jù)權利要求11所述的電子模塊，其特征在于，所述冷卻模塊包括至少一組冷卻劑入口和冷卻劑出口。
19.根據(jù)權利要求11所述的電子模塊，其特征在于，所述冷卻模塊包括多個分流器結構，以指引冷卻劑在冷卻模塊內的流動。
20.一種電子模塊，包括包括至少一個冷卻劑入口和出口的冷卻模塊；第一IC處理器芯片，該芯片的無源表面接合在該冷卻模塊的第一表面上；第二IC處理器芯片，該芯片的無源表面接合在該冷卻模塊的與其第一表面相對的第二表面上；安裝在該第一IC處理器芯片的有源表面上的第一IC存儲芯片陣列；以及安裝在該第二IC處理器芯片的有源表面上的第二IC存儲芯片陣列。
21.根據(jù)權利要求20所述的電子模塊，其特征在于，還包括緊鄰所述第一IC存儲芯片陣列設置的第一CIO模塊，從而第一IC存儲芯片陣列設置在該第一CIO模塊與所述冷卻模塊之間；以及緊鄰所述第二IC存儲芯片陣列設置的第二CIO模塊，從而第二IC存儲芯片陣列設置在該第二CIO模塊與所述冷卻模塊之間。
22.根據(jù)權利要求21所述的電子模塊，其特征在于，所述第一和第二CIO模塊通過插針或焊接柱分別連接在所述第一和第二IC處理器芯片上。
23.根據(jù)權利要求20所述的電子模塊，其特征在于，所述冷卻模塊包括微通道冷卻器裝置。
24.根據(jù)權利要求20所述的電子模塊，其特征在于，所述冷卻模塊包括在該冷卻模塊的第一和第二表面之間穿過該冷卻模塊延伸的一個或多個傳導孔。
25.根據(jù)權利要求20所述的電子模塊，其特征在于，還包括在所述第一與第二IC處理器芯片之間提供電連接的柔性電纜。
26.根據(jù)權利要求20所述的電子模塊，其特征在于，形成所述冷卻模塊和形成所述IC處理器及存儲芯片的材料的熱膨脹系數(shù)基本相同。
27.根據(jù)權利要求21所述的電子模塊，其特征在于，所述第一和第二CIO模塊分別熱接合在所述第一和第二IC存儲芯片陣列中的存儲芯片的無源表面上。
28.根據(jù)權利要求20所述的電子模塊，其特征在于，所述冷卻模塊包括多個分流器結構，以指引冷卻劑在冷卻模塊內的流動。
29.根據(jù)權利要求20所述的電子模塊，其特征在于，所述IC處理器及存儲芯片和冷卻模塊由硅形成。
30.一種電子模塊，包括包括至少一個冷卻劑入口和出口的冷卻模塊；接合在該冷卻模塊的第一表面上的第一載體襯底；接合在該冷卻模塊的與其第一表面相對的第二表面上的第二載體襯底；在與該冷卻模塊對準的表面區(qū)域內接合在該第一載體襯底上的第一IC處理器芯片陣列；在與該冷卻模塊對準的表面區(qū)域內接合在該第二載體襯底上的第二IC處理器芯片陣列；與該第一IC處理器芯片陣列相鄰地接合在第一載體襯底上的第一IC存儲芯片陣列；以及與該第二IC處理器芯片陣列相鄰地接合在第二載體襯底上的第二IC存儲芯片陣列，其中，該第一和第二載體襯底均包括至少一個布線層，該布線層包括接合在相應載體襯底上的IC處理器芯片及存儲芯片之間的電互連。
31.根據(jù)權利要求30所述的電子模塊，其特征在于，還包括緊鄰所述第一IC處理器芯片陣列設置的第一CIO模塊，從而第一IC處理器芯片陣列設置在該第一CIO模塊與所述第一載體襯底之間；以及緊鄰所述第二IC處理器芯片陣列設置的第二CIO模塊，從而第二IC處理器芯片陣列設置在該第二CIO模塊與所述第二載體襯底之間。
32.根據(jù)權利要求30所述的電子模塊，其特征在于，所述第一和第二IC存儲芯片陣列包括垂直安裝的存儲芯片的陣列。
33.根據(jù)權利要求32所述的電子模塊，其特征在于，所述第一和第二IC存儲芯片陣列分別安裝在所述第一和第二載體襯底的延伸超過所述冷卻模塊的周向邊緣的部分上。
34.根據(jù)權利要求33所述的電子模塊，其特征在于，還包括機械支承件，以支承所述第一和第二載體襯底的延伸超過所述冷卻模塊的周向邊緣的部分。
35.根據(jù)權利要求30所述的電子模塊，其特征在于，所述冷卻模塊包括一個或多個傳導孔，所述傳導孔穿過該冷卻模塊以在所述第一與第二載體襯底之間提供電連接。
36.根據(jù)權利要求35所述的電子模塊，其特征在于，所述冷卻模塊包括微通道冷卻器模塊，所述傳導孔形成在通道壁內。
37.根據(jù)權利要求30所述的電子模塊，其特征在于，形成所述冷卻模塊和形成所述第一及第二載體襯底的材料的熱膨脹系數(shù)基本相同。
38.根據(jù)權利要求37所述的電子模塊，其特征在于，所述冷卻模塊和第一及第二載體襯底均由硅形成。
39.根據(jù)權利要求31所述的電子模塊，其特征在于，所述第一和第二CIO模塊分別熱接合在所述第一和第二IC處理器芯片陣列中的IC處理器芯片的無源表面上。
40.一種電子模塊，包括第一載體襯底；由硅形成的第二載體襯底，該第二載體襯底接合在該第一載體襯底上；倒裝接合在該第二載體襯底上的多個IC芯片，由硅形成的微通道冷卻裝置，該微通道冷卻裝置包括熱接合在每個IC芯片的無源表面上的第一表面，該微通道冷卻裝置在與該第一表面相對的第二表面內形成有多個冷卻劑入口和出口集管；通過柔性密封連接在該微通道冷卻裝置的第二表面上的封裝蓋，該封裝蓋包括與微通道冷卻裝置的對應入口和出口集管對準的流體分配集管。
41.根據(jù)權利要求40所述的電子模塊，其特征在于，所述第一載體襯底包括陶瓷封裝襯底。
42.根據(jù)權利要求40所述的電子模塊，其特征在于，所述第二載體襯底的厚度小于約0.5mm，所述第二載體襯底包含導電通孔。
43.根據(jù)權利要求40所述的電子模塊，其特征在于，所述第二載體襯底的厚度在約50微米至約200微米的范圍內，所述第二載體襯底包含導電通孔。
44.根據(jù)權利要求40所述的電子模塊，其特征在于，所述第二載體襯底與所述IC芯片之間的電互連部的間距小于或等于約300微米，更優(yōu)選地小于約100微米。
45.根據(jù)權利要求40所述的電子模塊，其特征在于，所述微通道冷卻裝置的第一表面通過剛性接合材料熱接合在每個所述IC芯片的無源表面上。
46.根據(jù)權利要求45所述的電子模塊，其特征在于，所述剛性接合材料包括焊料、金屬、銀填充的環(huán)氧樹脂或填充的聚合物材料。
47.根據(jù)權利要求40所述的電子模塊，其特征在于，在接合到所述微通道冷卻裝置上之前，將所述安裝在所述第二載體襯底上的一個或多個IC芯片的無源表面整平。
48.根據(jù)權利要求45所述的電子模塊，其特征在于，所述芯片的無源表面與所述微通道冷卻裝置的第一表面之間的剛性接合材料的厚度針對于不同的芯片根據(jù)IC芯片所需的熱阻而改變。
全文摘要
本發(fā)明提供了用于將微通道冷卻模塊集成在包括多個高性能IC芯片的高密度電子模塊(例如芯片封裝、系統(tǒng)級組件模塊等)內的裝置和方法。電子模塊設計成，高性能(高功率)IC芯片緊鄰集成的冷卻模塊(或冷卻板)設置以便有效地排熱。此外，包括具有多個面安裝在其上的芯片的表面積很大的硅載體的電子模塊設計成，集成的硅冷卻模塊剛性接合在這種芯片的背面上以增大硅載體的結構完整性。
文檔編號H01L23/473GK1790705SQ20051011490
公開日2006年6月21日 申請日期2005年11月11日 優(yōu)先權日2004年11月12日
發(fā)明者P·S·安德里, E·G·科爾根, L·S·莫克, C·S·帕特爾, D·E·西格 申請人:國際商業(yè)機器公司