專利名稱：基于形狀記憶的機械啟動機構的制作方法
技術領域：
本發(fā)明各實施例一般涉及半導體制造領域，尤其涉及半導體封裝及其制造方法。
扭旦冃爾
半導體封裝在工作期間會經受機械沖擊和震動。通常，半導體封裝被
制造成能經受約50g的板級機械沖擊和3.13g的RMS板級隨機震動?？深A期半導體封裝將需要更多功率，而且由半導體封裝在工作時產生的散熱片質量的顯著增加將導致諸如處理器脫落和處理器插口焊點失效之類的失效機理。
在最大工作條件期間，機械損傷的關鍵驅動因素通常起因于所產生的散熱片質量水平和表面安裝組件的數(shù)量。此外，在半導體封裝中使用無鉛焊料的當前趨勢已使沖擊性能相對于上一代半導體封裝顯著降低。
附圖簡述在附圖的各圖中通過示例而不是限制說明了本發(fā)明，其中相同標記指示相同元件，且其中


圖1示出耦合到半導體封裝和電路板的未工作(disengaged)去耦組件的截面。
圖2示出耦合到半導體封裝和電路板的工作(engaged)去耦組件的截面。
圖3示出以設置在襯底上的半導體管芯以及設置在襯底上的已工作去耦組件為特征的半導體封裝的截面。
圖4示出以設置在襯底上的半導體管芯以及設置在襯底上的未工作去耦組件為特征的半導體封裝的截面。圖5是以夾緊裝置、形狀記憶合金桿、以及彈簧為特征的去耦組件的分解圖。
詳細描述
描述了一種用于以去耦組件為特征的封裝襯底的機械啟動解決方案。對于一個實施例，去耦組件設置在半導體封裝和電路板之間。對于該實施例，去耦組件響應于激勵(或多個激勵)而工作，以使半導體管芯從插口和電路板去耦。然而在適中的條件下，去耦組件不工作，半導體管芯保留在設置在電路板上的插口中。對于其它實施例， 一種半導體封裝以去耦組件為特征。對于這些實施例，去耦組件響應于激勵(或多個激勵)而工作，以使半導體管芯從封裝襯底去耦。對于一個實施例， 一種去耦組件包括夾緊裝置、彈簧、以及形狀記憶合金桿。對于各實施例，形狀記憶合金桿是執(zhí)行器，其可在被熱激發(fā)時產生往預先設計形狀的運動，以及/或施加力。一旦去除熱激發(fā)或其它激勵，形狀記憶合金桿趨向于返回到它們的原始形狀，從而解除所產生的負荷或運動。
對于各實施例，所描述的機械啟動解決方案改善了在沖擊和震動期間的微處理器性能，同時還改善了熱界面材料(TIM)的性能?？筛纳茻峤?br> 面材料(TIM)的性能以減少焊料蠕變(soldercreep)。除性能改善之外，還能實現(xiàn)形狀因數(shù)和重量的顯著減少，這將進一步增加使用高性能處理器的應用的數(shù)量。
圖1是安裝到電路板101的半導體封裝100的截面。對于所示實施例，去耦組件120設置在電路板101與集成散熱器102之間以解除由啟動和/或非啟動組件在半導體封裝100上引入的機械負荷。啟動組件是熱學地或機械地固定電子封裝的那些組件。在一個實施例中，螺桿、螺母、螺栓、以及散熱片是典型的啟動組件。非啟動組件是除了啟動電子封裝的電氣功能(而不是像螺桿、螺母等等物理功能)的啟動組件之外的組件，它們不起熱學地或機械地固定電子封裝的功能。術語"非啟動組件"還包括電子封裝本身。在一個實施例中，電壓調節(jié)器板、電源接線器、以及電子封裝是典型的非啟動組件。如圖1所示，半導體封裝100以通過熱界面材料109安裝到半導體管
芯103的集成散熱器102為特征。圖1還示出通過插針104耦合到插口 108的封裝襯底119。對于一個實施例，當去耦組件120不工作時，封裝襯底119保持耦合到插口 108。此外，示出了通過粘合劑、第二熱界面材料106設置在電路板101和集成散熱器102之間的兩個去耦組件120。去耦組件120以彈簧107、夾緊裝置105、以及執(zhí)行器110為特征。在去耦組件120不工作的情形期間，執(zhí)行器IIO保持被定義為執(zhí)行器110的長度的長度111。
一旦出現(xiàn)諸如但不限于熱激發(fā)、沖擊、或震動之類的閾值激勵，去耦組件120開始工作。在計算系統(tǒng)常規(guī)工作期間，上述激勵是常見的情況，而且會是其中多種失效機理的起源。對于一個實施例，去耦組件120響應于超過約125"C的熱激發(fā)激勵而工作。對于另一實施例，去耦組件120響應于超過50G的板級機械沖擊的沖擊激勵而工作。對于其它實施例，去耦組件120響應于超過3.13G的RMS板級隨機震動的震動激勵而工作。去耦組件120可響應于一個或多個上述激勵的組合而工作。
圖2示出當去耦組件120工作時安裝到電路板101的半導體封裝100的截面。如所示，去耦組件120使封裝襯底119與插口 108分開由間隙113限定的距離。對于各實施例，封裝襯底插針104和插口 108之間的分開距離也可限定間隙113。在去耦組件工作的情況期間，間隙113可擴大至約2.0mm，而對于一個實施例，間隙113擴大至約0.2mm。對于圖2中所示實施例，當去耦組件120工作時，半導體封裝100不與電路板101耦合從而不與其通信。 一旦去耦組件120不工作，封裝襯底119重新耦合至插口108，且半導體封裝IOO與電路板101恢復通信。
此外，當去耦組件120工作時，執(zhí)行器110獲得新長度112。對于一個實施例，長度112大于長度111，因為當去耦組件120工作時執(zhí)行器110的長度伸長，而當去耦組件120不工作時執(zhí)行器110的長度縮短。因此，當去耦組件120工作時執(zhí)行器110的長度112可比當去耦組件120不工作時執(zhí)行器110的長度111長從0至2.0mm的范圍。
當去耦組件120從工作向不工作狀態(tài)循環(huán)時(反之亦然)，執(zhí)行器110的寬度也會變化。例如，當去耦組件120不工作時執(zhí)行器110的寬度擴大，
7而當去耦組件120工作時執(zhí)行器110的寬度縮小。
當去耦組件120工作和不工作時，除執(zhí)行器110的尺寸變化之外，彈簧107的長度也會變化。例如，當去耦組件120工作時彈簧107的長度變長。此外，當去耦組件120不工作時，彈簧107可以是名義上被壓縮的，取決于半導體管芯103、封裝襯底119、熱界面材料109、集成散熱器102、以及耦合到去耦組件120的其它啟動和或非啟動組件的累積質量。除啟動和非啟動組件的累積質量之外，彈簧107的彈簧常數(shù)也對壓縮起作用。
圖3示出設置在半導體封裝300內的兩個去耦組件320。去耦組件可包括夾緊裝置305、彈簧307、以及連接到散熱器302和封裝襯底301的執(zhí)行器310。去耦組件320也能減少或防止由溫度升高、震動和/或沖擊引起的失效機理。如圖所示，去耦組件320工作，其被定義為當半導體管芯303從封裝襯底301去耦且當執(zhí)行器310完全伸長時的狀態(tài)。對于當去耦組件320工作時的實施例，執(zhí)行器310具有長度311。對于該實施例，長度311是執(zhí)行器310能達到的最大長度。而且，執(zhí)行器310的寬度在去耦組件320工作狀態(tài)期間可能是最窄的。此外，當去耦組件320從非工作狀態(tài)向工作狀態(tài)轉變時彈簧307的長度也會改變。
圖3示出間隙314，其定義了半導體管芯觸點313與封裝襯底觸點304之間的分開距離。間隙314的最大距離是1.0mm，對一個實施例來說，間隙314的距離是約0.5 mm。
對圖3中所示實施例來說，封裝襯底觸點304是焊區(qū)柵格陣列(LGA)技術中所采用的焊墊。對其它實施例來說，半導體管芯觸點313是插針而封裝襯底觸點304是根據(jù)針柵陣列(PGA)技術所采用的插針開口。
圖4示出包括未工作的去耦組件320的半導體封裝300的截面。對所示實施例來說，半導體管芯303通過觸點313、 304耦合到襯底301，以使半導體管芯303可與耦合到襯底301的電路板或任何其它設備通信。對所示實施例來說，當去耦組件320未工作時，執(zhí)行器310具有長度312。如前所述，當去耦組件320在工作或未工作狀態(tài)之間循環(huán)時，執(zhí)行器310的長度改變。因此長度312小于長度311 (圖3)，因為當去耦組件320未工作時執(zhí)行器310縮短，而當去耦組件320工作時執(zhí)行器310伸長。當去耦組
8件320從工作狀態(tài)向非工作狀態(tài)轉變時執(zhí)行器310的寬度也會改變。對一個實施例來說，當去耦組件320工作時執(zhí)行器310的寬度縮小，而當去耦組件320未工作時執(zhí)行器310的寬度擴大。此外，在去耦組件320從工作狀態(tài)向非工作狀態(tài)轉變期間，彈簧307的長度會改變。
圖5示出去耦組件500內的組件分解圖。對所示實施例來說，去耦組件500包括執(zhí)行器502、彈簧403、以及夾緊裝置501、 504。對一個實施例來說，夾緊裝置501、 504在去耦組件內用于將執(zhí)行器502和彈簧503裝在正確的位置。當去耦組件工作以將半導體管芯從封裝襯底去耦或將半導體封裝從電路板去耦時，彈簧503可提供反向負荷。
對一個實施例來說，執(zhí)行器502有助于將半導體管芯耦合至封裝襯底或將封裝襯底耦合至電路板。執(zhí)行器502的長度響應于激勵而縮短或伸長，這將使半導體管芯耦合至襯底或與之去耦，或使半導體封裝耦合至電路板或與之去耦。對多個實施例來說，執(zhí)行器502響應于熱、沖擊、或震動激勵。對執(zhí)行器502響應于高于或等于約125"C溫度時的熱激勵時的各實施例來說，執(zhí)行器502伸長至預先設計的長度和形狀以提供力，而一旦溫度下降至約12(TC以下時其縮短。通常，執(zhí)行器502的溫度在耦合到去耦組件的半導體封裝或半導體管芯的溫度的+/-5°(:內。
對其它實施例來說，執(zhí)行器502響應于沖擊或震動激勵，以使執(zhí)行器502縮短或伸長至預定水平。在間歇的沖擊時段期間執(zhí)行器502可改善處理器性能，同時還能通過減少焊料蠕變改善熱界面材料(TIM)的性能。對一個實施例來說，執(zhí)行器502 —旦感測到50G的沖擊和超過3.13G的震動水平就伸長。對各實施例來說，執(zhí)行器502所經受的沖擊水平與耦合到去耦組件的半導體封裝或半導體管芯所經受的沖擊水平幾乎相匹配。
對其它實施例來說，執(zhí)行器502響應于熱/沖擊的混合激勵。對這些實施例來說，執(zhí)行器502 —旦感測到125匸的溫度閾值以及50G的沖擊水平閾值就伸長。
對各實施例來說，執(zhí)行器502是一組形狀記憶合金線，其使半導體管芯耦合至襯底或與之去耦，或使半導體封裝耦合至電路板或與之去耦。對這些實施例來說，執(zhí)行器502在工作時配置成奧氏體狀態(tài)，而在未工作時
9配置成馬氏體狀態(tài)。此外，由一組形狀記憶合金線構成的執(zhí)行器502在受激勵時能產生往預先設計的形狀的運動并施加力。對各實施例來說，由一
組形狀記憶合金線構成的各個執(zhí)行器502能承受至少70 N的力。常規(guī)半導體封裝具有約300 N的預加負荷。因此，五個去耦組件應當足以支承常規(guī)半導體封裝。對多個實施例來說，半導體封裝具有設置在其中的4至10個去耦組件。對其它實施例來說，在半導體封裝和電路板之間設置了 4至10個去耦組件。去耦組件可固定在封裝襯底和集成散熱器的外圍、中央、禾口/或內部區(qū)域。
執(zhí)行器502具有與彈簧503形狀互補的形狀，以在彈簧503內容納裝配的執(zhí)行器502。對一個實施例來說，執(zhí)行器502和彈簧503具有同心形狀。對于執(zhí)行器502具有同心形狀的該實施例來說，執(zhí)行器502的直徑約為40微米。不過對其它實施例來說，執(zhí)行器502和彈簧503具有非同心形狀，只要執(zhí)行器502裝配在彈簧503的內部即可。
在上述說明書中，已參考本發(fā)明的具體的示例性實施例描述了本發(fā)明。顯然可對其作出各種修改而不背離如所附權利要求所陳述的本發(fā)明更寬的精神和范圍。因此，說明書和附圖應被認為是說明性的含義而非限制性意義。
權利要求
1.一種裝置，包括封裝襯底；在所述封裝襯底上的半導體管芯；在所述半導體管芯上的散熱器；以及連接到所述封裝襯底以及所述散熱器的去耦組件，其中所述去耦組件包括彈簧懸掛和執(zhí)行器。
2. 如權利要求1所述的裝置，其特征在于，當所述去耦組件未工作時， 所述半導體管芯連接到所述封裝襯底。
3. 如權利要求1所述的裝置，其特征在于，當所述去耦組件工作時，所 述半導體管芯從所述封裝襯底斷開。
4. 如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述執(zhí)行器響應于從包括熱 激勵、沖擊激勵、以及震動激勵的組中所選出的激勵。
5. 如權利要求l所述的裝置，其特征在于，所述執(zhí)行器支承70牛頓的最 小負荷。
6. 如權利要求1所述的裝置，其特征在于，當所述去耦組件未工作時所 述執(zhí)行器伸長，而當所述去耦組件工作時所述執(zhí)行器縮短。
7. —種計算系統(tǒng)，包括 電路板；安裝到所述電路板的插口；安裝到所述電路板的去耦組件，其中所述去耦組件包括彈簧和執(zhí)行器； 在所述去耦組件上的半導體封裝，其中當所述去耦組件工作時所述半導體 封裝在所述插口上對準以便裝配在所述插口內。
8. 如權利要求7所述的計算系統(tǒng)，其特征在于，在所述電路板和所述半 導體封裝之間設置了至少八個去耦組件。
9. 如權利要求7所述的計算系統(tǒng)，其特征在于，所述執(zhí)行器包括鎳和鈦。
10. 如權利要求7所述的計算系統(tǒng)，其特征在于，當所述去耦組件未工作 時所述執(zhí)行器處于馬氏體狀態(tài)，而當所述去耦組件工作時所述執(zhí)行器處于奧氏體狀態(tài)。
11. 一種電子系統(tǒng)，包括 電路板；安裝到所述電路板的插口；耦合到所述電路板的去耦組件，其中所述去耦組件包括彈簧懸掛和形狀記 憶合金桿；耦合到所述去耦組件的散熱器；以及耦合到所述散熱器的半導體封裝，其中當所述去耦組件工作時所述半導體 封裝在所述插口上對準以便裝配在所述插口內。
12. 如權利要求11所述的電子系統(tǒng)，其特征在于，所述去耦組件還包括 安裝到所述電路板和所述散熱器的夾緊裝置，以將所述去耦組件耦合到所述電 路板和所述散熱器。
13. 如權利要求11所述的電子系統(tǒng)，其特征在于，加速度計被耦合到所述夾緊裝置。
14. 一種半導體封裝，包括襯底；在所述襯底上的半導體管芯； 耦合到所述半導體管芯的散熱器；以及耦合到所述襯底和所述散熱器的去耦組件，其中所述去耦組件包括彈簧懸 掛和形狀記憶合金桿。
15. 如權利要求14所述的半導體封裝，其特征在于，還包括設置在所述 半導體管芯上的處理器保持機構、處理器夾、以及處理器風扇。
16. 如權利要求14所述的半導體封裝，其特征在于，所述半導體管芯是 從包括存儲器芯片或邏輯芯片的組中選擇的處理器。
17. —種形成電子系統(tǒng)的方法，包括 將插口安裝到電路板； 將一組去耦組件安裝到所述電路板；將半導體封裝耦合到所述一組去耦組件，其中所述半導體封裝與所述插口 對準。
18. 如權利要求17所述的方法，其特征在于，通過從包括PGA和LGA 的組中選擇的技術將所述插口安裝到所述電路板。
19. 如權利要求17所述的方法，其特征在于，所述組包括四到十個去耦 組件。
20. 如權利要求17所述的方法，其特征在于，通過熱界面材料將所述半 導體封裝耦合到所述一組去耦組件。
全文摘要
描述了半導體封裝及其制造方法。去耦組件設置在封裝襯底與電路板之間。去耦組件響應于激勵而工作，以使半導體管芯從插口和電路板去耦。去耦組件響應于激勵工作，以使半導體管芯從襯底去耦。一種去耦組件包括夾緊裝置、彈簧、以及形狀記憶合金桿。形狀記憶合金桿是執(zhí)行器，其可在被熱激發(fā)時產生運動或預先設計的形狀以施加力。當去除熱激發(fā)或其它激勵時，形狀記憶合金桿趨向于返回它們的原始形狀，從而解除任何所產生的負荷或運動。
文檔編號H01L23/34GK101517735SQ200780035781
公開日2009年8月26日 申請日期2007年9月25日 優(yōu)先權日2006年9月29日
發(fā)明者S·加納帕斯索伯曼尼安, S·塞恩 申請人:英特爾公司