專利名稱：用于提高熱耦合散熱和冷卻組件的可靠性的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明公開主要涉及散熱器領(lǐng)域，更具體地，涉及使用防護(hù)設(shè)備(containment device)來限制從集成電路封裝的泄露的領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
趨向于更高功率的微處理器和存儲(chǔ)器半導(dǎo)體的演進(jìn)已經(jīng)推動(dòng)了對(duì)用高傳導(dǎo)性金 屬熱界面材料(MTI)來提供芯片與散熱器之間的熱連接的興趣。金屬界面作為直接界面(半導(dǎo)體處理器與散熱器之間)或者作為間接界面(半 導(dǎo)體處理器與機(jī)蓋或熱擴(kuò)散帽或板之間，或者這種機(jī)蓋或帽或板與散熱器之間)的表現(xiàn)良 好。然而，為了獲得良好可靠的性能，經(jīng)構(gòu)圖的金屬熱界面必須經(jīng)受壓縮，其中壓縮壓強(qiáng)約 為IOOpsi (磅每平方英寸)。目前，很多高性能計(jì)算機(jī)處理器封裝很容易提供此級(jí)別的壓縮 荷載，其通常在100到300psi的范圍內(nèi)，在某些情況下高達(dá)IOOOpsi。高壓縮荷載的益處在PMTI的短期測(cè)試期間是很顯然的壓縮荷載越大，通過熱界 面的熱傳導(dǎo)就越好。然而，計(jì)算機(jī)封裝的壓力測(cè)試導(dǎo)致了 PMTI在產(chǎn)品壽命后期可能發(fā)生退 化這一弱點(diǎn)。具體地，其發(fā)生在劇烈的熱循環(huán)中，其中溫度在模擬計(jì)算機(jī)的大量開機(jī)和關(guān)機(jī) 操作的多個(gè)周期上、在室溫和較高操作溫度之間變動(dòng)。PMTI仍然是一項(xiàng)剛被引入計(jì)算機(jī)行業(yè)的非常新的技術(shù)。PMTI的高熱傳導(dǎo)性、易于 制造和重新加工，使得其作為高功率處理器芯片的冷卻封裝的關(guān)鍵部件非常有價(jià)值。而且， 重要的是其在計(jì)算機(jī)的壽命期間性能很可靠。我們已經(jīng)識(shí)別出在長(zhǎng)期操作之后、尤其是作為溫度瞬變結(jié)果而發(fā)生的潛在故障機(jī) 制，其中溫度瞬變例如發(fā)生在開機(jī)或關(guān)機(jī)操作期間。當(dāng)溫度改變時(shí)，歸因于熱膨脹，材料發(fā) 生膨脹或收縮。銅散熱器在開機(jī)操作期間將膨脹幾十微米。相比之下，硅芯片將僅膨脹幾 微米。盡管存在這樣的不一致運(yùn)動(dòng)，但是包括PMTI的可延展金屬的柔性是維持銅散熱器與 硅芯片之間良好可靠熱結(jié)合的關(guān)鍵。然而，經(jīng)過多個(gè)這種差速運(yùn)動(dòng)周期，部分PMTI材料慢慢地被擠出散熱器與芯片之 間的分界面狹窄空間。在重復(fù)的溫度周期下，這種擠出像尺蠖運(yùn)動(dòng)。其以不一致方式發(fā)生 在芯片中心處運(yùn)動(dòng)很慢，而在芯片周邊附近則較大。因而，作為芯片外圍處的PMTI材料稍 微稀薄的結(jié)果，這些位置處的界面先退化。然而，隨著時(shí)間推移，PMTI可能被擠出到一定程 度，使得熱結(jié)合在大部分芯片區(qū)域上基本上退化。已經(jīng)研究了若干解決方案，均獲得了不同程度的成功。一種解決方案是優(yōu)化壓縮 荷載，其減少壓縮荷載并減慢PMTI的擠出運(yùn)動(dòng)。然而，整體性能和可靠性也被降低了。另一種解決方案是使用較為堅(jiān)硬的PMTI材料，如錫或銦錫合金。這樣，降低了擠 出運(yùn)動(dòng)，但是由于材料更有限的可壓縮性，也降低了整體熱結(jié)合。對(duì)界面表面(散熱器或芯片)進(jìn)行構(gòu)圖對(duì)散熱器進(jìn)行構(gòu)圖可以幫助錨定PMTI材 料并且減慢尺蠖運(yùn)動(dòng)。然而，經(jīng)構(gòu)圖的表面的主要效果是通過在可延展金屬和表面之間提 供多個(gè)移位接觸點(diǎn)，以允許PMTI和表面之間更一致的結(jié)合。在其他應(yīng)用中，經(jīng)構(gòu)圖的結(jié)構(gòu)實(shí)際上促進(jìn)了材料的擠出，因此最小化了其厚度。這通常是期望的，因?yàn)闊峤Y(jié)合常常隨著界
面厚度的減小而增強(qiáng)。然而，超過最小厚度水平，熱結(jié)合接著就退化，尤其是對(duì)于PMTI而言。因此，仍然需要一種針對(duì)上述缺陷的解決方案。

發(fā)明內(nèi)容
簡(jiǎn)要地說，根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式，一種用于提高熱源與散熱器之間的熱耦合 的可靠性的方法，包括步驟或動(dòng)作在熱源的第一基本平坦表面與散熱器的第一基本平坦 表面之間提供可延展傳導(dǎo)材料；提供被壓縮的可延展材料的局部防護(hù)，以防止材料在高荷 載下從其位置移出(擠出)；以及將散熱器的第一基本平坦表面耦合至熱源的第一基本平 坦表面。散熱器的基本平坦表面可選地是經(jīng)構(gòu)圖的金屬，其中金屬表面被構(gòu)圖成溝槽，以進(jìn) 一步阻止被壓縮材料的移出。根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施方式，一種冷卻組件，包括具有一個(gè)基本平坦表面的散熱 器；布置在散熱器的該一個(gè)基本平坦表面(也即，離完全平坦有一定量，但本領(lǐng)域技術(shù)人員 認(rèn)為這不是實(shí)質(zhì)性的)和熱源的基本平坦表面之間的可延展傳導(dǎo)材料；可延展傳導(dǎo)材料的 局部防護(hù)，以阻止可延展傳導(dǎo)材料在壓縮荷載下從其位置被移出。


為了描述前述以及其他示例性目的、方面和優(yōu)勢(shì)，使用參考附圖對(duì)本發(fā)明示例性 實(shí)施方式進(jìn)行的下述詳細(xì)描述，其中圖1示出了具有電和熱封裝的典型可選加蓋的處理器芯片的橫截面圖；圖2示出了在半導(dǎo)體處理器的潤滑表面上滑動(dòng)的銅片、PMTI和散熱器；圖3示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的布置在集成電路封裝中的防護(hù)環(huán)；以及圖4示出了本發(fā)明的另一實(shí)施方式，其中防護(hù)環(huán)是散熱器的組成部分。請(qǐng)求保護(hù)的本發(fā)明可以修改成若干備選形式，其特定實(shí)施方式通過示例方式在附 圖中示出并將在下文中詳細(xì)描述。然而，應(yīng)當(dāng)理解，附圖及對(duì)其的詳細(xì)描述的意圖不在于將 本發(fā)明限制于所公開的具體形式，相反，本發(fā)明覆蓋落入本發(fā)明范圍內(nèi)的所有修改、等效物 和備選方案。
具體實(shí)施例方式在以下描述中，通過示例性實(shí)施方式闡述了若干特定細(xì)節(jié)，以便提供對(duì)本發(fā)明更 全面的描述。然而，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，很顯然，本發(fā)明可以不需要這些特定細(xì)節(jié)而 實(shí)現(xiàn)。在其他實(shí)例中，未對(duì)公知的特征進(jìn)行詳細(xì)描述，以免模糊本發(fā)明。除非特別指出，否 則說明書和權(quán)利要求書中的詞語和短語旨在于被賦予可應(yīng)用領(lǐng)域的技術(shù)人員所理解的通 常慣用的含義。如果旨在任何其他含義，則說明書將特別說明特殊含義正應(yīng)用于某詞語或 短語。公開了一種用于提高經(jīng)構(gòu)圖的金屬熱界面的長(zhǎng)期可靠性的方法。具體地，針對(duì)被 壓縮可延展金屬提供了防護(hù)，其防止可延展金屬在高荷載下從其位置被移出。圖1示出了 具有電封裝和熱封裝的典型可選加蓋的處理器芯片102的橫截面圖。處理器102耦合到散熱器104，經(jīng)構(gòu)圖的金屬熱界面(PMTI) 106布置在處理器102和散熱器104之間。圖1示出 了 PMTI的不一致移出，其中在處理器102周邊沿線處出現(xiàn)了較大的移出。參考圖2，其示出了集成電路封裝200的橫截面，其中散熱器104、PMTI 106和銅 片220在半導(dǎo)體處理器的潤滑表面上滑動(dòng)。公開了散熱器104與處理器芯片102之間的補(bǔ) 充插入件。選擇25微米的銅片220用作補(bǔ)充插入件的核心，油240用作有機(jī)層(沒有濕潤 層)。油240布置在補(bǔ)充銅片220和處理器芯片102之間，用作潤滑界面。應(yīng)當(dāng)注意，在此 討論中，可互換地使用術(shù)語“處理器”、“半導(dǎo)體”和“芯片”來指代熱源。包括散熱器104加上PMTI 106再加上補(bǔ)充銅片220的三部件組件可以視為相當(dāng) 同質(zhì)(homogeneous)的組件，如圖2所示。隨著溫度的上升和下降，這三個(gè)部件相當(dāng)一致地 膨脹和收縮，因?yàn)橥饷鎯蓚€(gè)部件104和220由相同材料(銅)構(gòu)成，處于基本上相同的溫度， 并且通過延展性相當(dāng)好的材料106接合。另一方面，半導(dǎo)體處理器102在溫度擺動(dòng)期間膨 脹非常小。因此，使這三個(gè)部件104、106和220經(jīng)由薄油膜240而跨在半導(dǎo)體處理器102 非常平坦的表面上。這些部件膨脹或收縮，伴隨著在半導(dǎo)體102的表面上的滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)。這 最小化了經(jīng)構(gòu)圖的銦106相對(duì)于其兩個(gè)銅側(cè)面104和220的尺蠖運(yùn)動(dòng)，并且因此最小化了 銦材料106的擠出和變薄。傳導(dǎo)材料106可以是任何材料，諸如但不限于，銦、錫、鉍、銻、鉈、鎵、銀、金、鉬、 鉛、鋁、鈦、鉭、鎢、鉻、鎳、蠟和油。傳導(dǎo)材料106優(yōu)選地被構(gòu)圖成溝槽，以便在壓縮荷載下均 勻地分布可延展材料106。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，討論通過使用防護(hù)方法來抑制PMTI材料106的擠出 的方法，雖然是局部防護(hù)，卻是非常有效的防護(hù)。出于下列原因，提供墊圈形式的完整防護(hù) 是相當(dāng)?shù)托У?)PMTI材料對(duì)這種墊圈所施加的壓力隨著各個(gè)擠出周期而逐漸增大；2)壓 力變得大于簡(jiǎn)單的繃緊墊圈(通常由有機(jī)材料制成)在不損失大部分PMTI材料的情況下 可以承受的壓力；以及3)硬金屬墊圈不應(yīng)與相對(duì)易碎的半導(dǎo)體處理器相接觸。因此，我們 依靠局部防護(hù)系統(tǒng)，其由適當(dāng)硬的材料制成，是自密封的并且有效地最小化PMTI材料的擠 出。圖3和圖4示出了兩個(gè)實(shí)施方式?，F(xiàn)在參考圖3，其示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的具有防護(hù)環(huán)370的封裝300的 橫截面。有限量的PMTI材料106被擠出，直到縫隙350小到足以限制PMTI材料106的進(jìn) 一步逃逸?？p隙350將變得足夠小，通常從100多微米到大約50微米或更小，此時(shí)材料的 擠出呈指數(shù)減慢下來。環(huán)370確保了兩件事1)足夠的PMTI材料106留在芯片102和散熱 器104的大部分之間，以便在芯片102和散熱器104之間提供所需的緩沖(可變形且熱傳 導(dǎo))；以及2)芯片102邊緣處的導(dǎo)電性相比于芯片102的其余部分沒有退化。利用環(huán)370， 壓力在芯片102的邊緣處最大，這幫助在該處保持良好的熱傳導(dǎo)性。環(huán)370充當(dāng)局部防護(hù)系統(tǒng)。環(huán)370由硬材料(諸如不銹鋼或鎳或銅)制成，其厚 度通常在50到150微米。其部分地覆蓋在半導(dǎo)體芯片102上，通常不超過1mm。幾個(gè)定位 固定裝置312用于緊固環(huán)370，其可以是環(huán)370的一部分或者是散熱器104的一部分。定位 固定裝置312將環(huán)370保持就位，并且防止環(huán)370在水平平面上滑動(dòng)(左右滑動(dòng)或前后滑 動(dòng))。所使用的定位固定裝置312的類型和固定裝置312的數(shù)量并不重要；它們可以是散 熱器104的一部分，諸如機(jī)械加工的支柱，或者可以是某些額外插入的塑料固定裝置。環(huán)370自身抑制了 PMTI材料106 —定程度的外流。隨著一些材料106被擠出，縫隙350接近這樣的程度，即，粘性PMTI材料106的附加流變得微不足道。因此，縫隙350變 為自密封的。環(huán)370也可以被結(jié)合(鍛接、焊接或用環(huán)氧樹脂粘合)到兩個(gè)表面之一，優(yōu)選 地是散熱器104，以便更持久地定位環(huán)370。圖4示出了本發(fā)明的另一實(shí)施方式400(也以橫截面示出)；其中圖3的環(huán)370作 為熱擴(kuò)展蓋404的組成部分而被結(jié)合(模壓)到熱擴(kuò)展蓋404中。熱擴(kuò)散蓋404具有凹腔 430，并且腔430的邊緣充當(dāng)防護(hù)環(huán)。腔430可以由各種制造技術(shù)制成，包括模壓或機(jī)械加 工(銑削)。腔430的深度在10微米到1000微米之間。目前，多數(shù)計(jì)算機(jī)處理器封裝在處 理器和散熱器之間包括熱擴(kuò)散蓋。在這些情形下，我們的解決方案也適用于處理器和熱擴(kuò) 散蓋之間的經(jīng)構(gòu)圖的銦界面。圖4的實(shí)施方式相對(duì)于之前的實(shí)施方法(圖3)具有若干優(yōu)勢(shì)在半導(dǎo)體102的周 邊處僅有一個(gè)小縫隙450 ；并且在半導(dǎo)體105的周邊處有良好的熱路徑，而在芯片102的邊 緣處、芯片102與散熱器404之間僅有一個(gè)界面。在此實(shí)施方式中，與熱擴(kuò)散蓋的更近接近 以及PMTI材料106的額外壓力有助于改善半導(dǎo)體102的周圍與熱擴(kuò)散蓋之間的傳導(dǎo)性。因此，盡管已經(jīng)描述了目前認(rèn)為是優(yōu)選的實(shí)施方式，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)理 解，在本發(fā)明的精神內(nèi)可以做出其他修改。對(duì)實(shí)施方式的上述描述不旨在于窮盡或限制范 圍。選擇所描述的實(shí)施方式是為了解釋本發(fā)明的原理，示出其實(shí)際應(yīng)用，并且使得本領(lǐng)域普 通技術(shù)人員能夠理解如何制造和使用本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明不限于上述實(shí)施方式，而是 應(yīng)當(dāng)在所附權(quán)利要求的完整含義和范圍內(nèi)進(jìn)行解讀。
權(quán)利要求
一種用于提高熱源與散熱器之間的熱耦合的可靠性的方法，所述方法包括在所述熱源的第一基本平坦表面與所述散熱器的第一基本平坦表面之間提供可延展傳導(dǎo)材料；提供所述可延展傳導(dǎo)材料的局部防護(hù)，以防止所述可延展傳導(dǎo)材料在壓縮荷載下從其位置擠出；在所述局部防護(hù)和所述熱源的第一基本平坦表面之間提供縫隙，以允許有限量的所述可延展傳導(dǎo)材料被擠出，使得被擠出的所述有限量的所述可延展傳導(dǎo)材料使所述縫隙變窄；以及將所述熱源的第一基本平坦表面耦合至所述散熱器的第一基本平坦表面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中提供所述局部防護(hù)包括在所述散熱器和所述熱源之 間形成護(hù)環(huán)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中提供所述局部防護(hù)包括在所述散熱器中形成淺腔，使 得所述熱源與所述散熱器之間的外圍縫隙在組件受壓力期間以及之后縮小。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中所述散熱器的表面包括經(jīng)構(gòu)圖的表面。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中所述經(jīng)構(gòu)圖的表面包括溝槽，用以在所述壓縮荷載下 均勻分布可延展熱界面材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中所述局部防護(hù)覆蓋少量的所述熱源，所述少量介于所 述熱源橫向維度的百分之一到百分之十。
7.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，進(jìn)一步包括附加至少一個(gè)定位固定裝置以靠近所述護(hù)環(huán)， 以抑制所述護(hù)環(huán)在水平平面中的運(yùn)動(dòng)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中附加所述至少一個(gè)定位固定裝置包括將所述定位固 定裝置附加到所述護(hù)環(huán)。
9.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中附加所述至少一個(gè)定位固定裝置包括將所述至少一 個(gè)定位固定裝置附加到所述散熱器。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，進(jìn)一步包括在所述熱源與所述可延展傳導(dǎo)材料之間提供 潤滑表面。
11.一種冷卻組件，包括具有一個(gè)基本平坦表面的散熱器；布置在所述散熱器的所述一個(gè)基本平坦表面與熱源的基本平坦表面之間的可延展傳 導(dǎo)材料；所述可延展傳導(dǎo)材料的局部防護(hù)，用于阻止所述可延展傳導(dǎo)材料在壓縮荷載下從其位 置移出；以及在所述局部防護(hù)與所述熱源的基本平坦表面之間的縫隙，用于允許有限量的所述可延 展傳導(dǎo)材料被擠出，使得被擠出的所述有限量的所述可延展傳導(dǎo)材料使所述縫隙變窄。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的組件，進(jìn)一步包括熱擴(kuò)散蓋。
13.根據(jù)權(quán)利要求11的組件，其中所述局部防護(hù)包括在所述散熱器和所述熱源之間的 護(hù)環(huán)。
14.根據(jù)權(quán)利要求11的組件，其中所述局部防護(hù)包括在所述散熱器中的淺腔。
15.根據(jù)權(quán)利要求13的組件，其中所述護(hù)環(huán)結(jié)合到所述散熱器。
16.根據(jù)權(quán)利要求11的組件，其中所述散熱器包括其他構(gòu)圖特征。
17.根據(jù)權(quán)利要求11的組件，其中所述可延展傳導(dǎo)材料包括以下至少之一銦、錫、鉍、 銻、鉈、鎵、銀、金、鉬、鉛、鋁、鈦、鉭、鎢、鉻、鎳、蠟和油脂。
18.根據(jù)權(quán)利要求11的組件，其中通過應(yīng)用涂覆在所述散熱器和熱源上的可延展聚合 物薄層，所述可延展傳導(dǎo)材料進(jìn)一步優(yōu)化所述熱源表面與散熱器表面之間的接觸。
19.根據(jù)權(quán)利要求11的組件，進(jìn)一步包括所述熱源。
20.根據(jù)權(quán)利要求12的組件，其中所述局部防護(hù)包括在所述熱擴(kuò)散蓋中的淺腔。
21.根據(jù)權(quán)利要求12的組件，其中由于所述有限量的所述可延展傳導(dǎo)材料隨時(shí)間的擠 出，所述縫隙最終閉合。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于提高熱耦合散熱與冷卻組件的可靠性的方法。具體地，公開了一種用于提高包含經(jīng)構(gòu)圖的金屬熱界面(PMTI)的集成電路封裝的長(zhǎng)期可靠性的系統(tǒng)和方法，該方法包括將散熱器耦合到熱源；在熱源和散熱器之間提供PMTI材料；提供被壓縮的可延展金屬的局部防護(hù)，以阻止PMTI在承受的荷載下從其位置移出。
文檔編號(hào)H01L23/373GK101989584SQ201010242838
公開日2011年3月23日 申請(qǐng)日期2010年7月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月31日
發(fā)明者T·G·范科塞爾, Y·C·馬丁 申請(qǐng)人:國際商業(yè)機(jī)器公司