CN100479122C - 用于压挤系统板连接的结构增强的方法 - Google Patents

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Abstract

MCM系统板使用加强板的结构以通过将LGA压挤连接器并入计算机系统来增强机械、热以及电特性。IBM的大规模计算机系统(LSCS)的该设计使用附在系统板上并通过加强框架支撑在一起的MCM。由于制造系统板的性质，在板和加强板之间的MCM的安装区域会形成明显的间隙。所描述的方法不仅填充空隙，此外，还提高使过量热远离MCM的导热性，同时，促使增强MCM到系统板的LGA连接的电特性。

Description

用于压挤系统板连接的结构增强的方法
技术领域
本发明涉及一种压挤系统板连接(compression system boardconnection)的凝胶封装结构增强，具体地，涉及对在系统板上采用了LGA压挤连接器技术的计算机系统的机械、电气以及热方面的改进。
背景技术
在IBM Z系列系统以及例如IBM P系列的其它项目的现有构造中，利用机械封装的多芯片模块(Multi-chip module，MCM)结构和接点栅格阵列(Land Grid Array，LGA)型连接将MCM压挤到主系统板中。随着如上所述的大规模计算系统的出现，已经研发出在PCB系统板的构造中可识别出一个特殊的问题。当制造系统板时，在过孔或者镀通孔(plated thru holes，PTH)的大型阵列区域内产生厚度上的改变。由于这一厚度上的改变，对于例如接点栅格阵列（LGA)的压挤型连接配置的支撑会引起很多问题。举例来说，在系统板与用于支撑的加固装置或加强板(stiffener)之间会出现明显的空间或间隙。该间隙则会引起板的不稳定或者挠曲，这是由于系统板的热特性产生的膨胀和收缩。为了解决这个问题，由于MCM的I/O图案的设计引起的系统板上高密度PTH的排列，会在系统板上引起一个不均匀的图案。在低过孔密度区域，所述板不会在尺寸上收缩得与在高过孔密度区域中一样。在目前IBM的Z系统系列和P系统系列的设计中，MCM上的I/O阵列被划分为四个区域。这样做有几个原因，其中一个原因是为了允许制造用在MCM与系统板之间的LGA连接器。于是这又使得系统板具有不同的厚度来与I/O图案相匹配。
由此产生的板进而使用置于板和用于支持的加固装置之间的特殊绝缘体。目前，以堆叠模式排列的多层绝缘体的叠片结构被用来补偿板的厚度改变。这一方法并不会提供完全支撑的结构，而且也受限于多大尺寸的间隙可以被填充。如果间隙超过了预定尺寸，则这个板就不能接受。在计算机系统装配中使用多个堆叠的绝缘体设计是不可行的。目前，系统板然后要经过筛选，所以间隙具有特定尺寸，从而目前设计的堆叠绝缘体是可以使用的。
进一步来讲，为了实现最佳机械界面和电气连接，要求系统板及其加强板在LGA区域中尽可能的平。这一要求会显著提高PCB供应商交付的板的总成本与生产计算机系统的全部成本。对板的平整度的严格要求将导致基于在生产后进行的测量的PCB板的拣选。另外，为了确保良好的机械界面，所有的支撑机械结构，如MCM安装硬件，和加强板必须被控制在非常严格的公差范围内。目前，系统板的底侧与加强板之间有明显的间隙。这是由于系统板在MCM界面区域的厚度改变造成的。
在LGA区域中印刷电路板(PCB)的厚度差异的主要原因是在所述区域中镀通孔(PTH)或者过孔的数量。在任何给定区域有大量过孔的情况下，PCB板的两侧都产生收缩。在板的任何区域，过孔的数量越多就会产生相应更大的收缩区域。对于一些MCM设计，在MCM的底侧以分开的阵列组来排列I/O阵列。在系统板上，将对镀通孔作相应的排列以允许系统板之内的电连接，因此，系统板会在具有较少过孔或者没有过孔的区域较厚而在具有大量过孔的区域较薄。因此取决于MCM的I/O位置的设计，系统板可能在LGA区域包含非均一的厚度或者具有波纹效应。目前，在系统板的上层、在MCM正下方的非平面区域是通过易弯曲的LGA连接器结构来进行部分补偿的，但是在加强板一侧MCM以下的区域完全不会被补偿。尽管系统板与加强板之间有绝缘体，但是由LGA区域的厚度改变产生的空隙不会被补偿。从机械分析得知，系统板会倾向于具有凹形弯曲或者最高达0.008英寸的厚度改变，而且在某些情况下会产生0.012英寸的较大间隙。在LGA区域中，所述板还可能具有形状上波动的剖面。所述弯曲的形状和尺寸是可变的而且并不总是均一的，因此该空隙在某些结构性设计不改变的情况下是不能被填充的。研究表明，系统板在高密度过孔区域倾向于形成一个碟形或凹形剖面。
目前已经提出了许多建议，其中包括刚性的预先形成的拱起(crowned)衬垫，其额外插入到绝缘体与系统板之间，或者用于拱起区域中的形成堆叠的附加聚酯薄膜。使用这种预先形成的拱起衬垫或者任何其他这种设计来补偿LGA区域的不规则会对一种尺寸的碟形或凹形起作用，但是对于不均匀或带有多种布局差异的结构是不起作用的。在系统板上自然产生空隙或碟形的情况下，必需在总体设计中非常注意，以确保部件和机械的完整性。为了帮助防止MCM模块被破坏，在功能封装的装配中必须控制所有机械上的不确定性和公差。为了确保LGA界面结构处于最佳电接触，即，低接触阻抗，系统板和加强板之间的支撑区域必须尽可能的刚性和坚固。如果对于安装MCM和电界面来说，机械系统被不正确地补偿，则系统板上的间隙可能引起严重的模块损伤或电接触问题。这将包括MCM破裂或通过LGA界面的电连接不良。目前，所有的建议都无法解决这些问题。
发明内容
根据本发明，开发了一种糊状或凝胶状或凝胶膏状材料的凝胶封装，由内封不可压缩的凝胶膏的第一层薄膜和第二层薄膜形成所述凝胶封装，当施加的压力使所述第一和第二层压挤所述不可压缩的凝胶膏时，所述不可压缩的凝胶膏会变硬。这种凝胶封装可以单独或连同其框架与本发明的MCM最终组件一起生产和使用，其中，压力的施加是当本发明的凝胶封装被放置在PCB系统板和机械加强板之间，并且MCM模块和机械加强板被拉到一起、朝向PCB系统板压挤凝胶封装时，通过抵靠机械加强板将MCM模块安装到PCB系统板时引起的压挤。
凝胶封装能够补偿由于系统板的设计引起的不规则厚度改变。凝胶封装允许使用本发明人开发并将描述的使用凝胶封装的新方法。本发明用不可压缩的凝胶或者合适的绝缘物质的封装填充系统板和它的支撑硬件之间的间隙。正如也将阐述的，本发明人已经提出在封装中使用不可压缩的流体类材料，用作在系统板与其加强板之间所使用的绝缘薄膜的替代物。这一绝缘体封装可以由封装不可压缩的材料的聚酯薄膜，聚酰亚胺薄膜，或者一些其他合适的材料的叠片构成，所述不可压缩的材料包括但不限于用于MCM上IC芯片间的导热膏，诸如Dow Corning TC-5022或导热低温固化环氧树脂。另外，不可压缩的材料可以由任何无毒的绝缘凝胶构成，此绝缘凝胶具有期望的特性，所述特性保证系统板与机械加强板之间充分的接触支撑。这一绝缘材料封装应适应系统板和机械加强板之间出现的所有不规则，所述机械加强板用于支撑板和MCM部件。另外，如果使用导热膏，则可在MCM区域从系统板底部除热。如果凝胶或树脂材料具有低温固化特性，则在加电系统中当通过板的温度上升加热凝胶或树脂材料时会使其变硬，在板和加强板之间会形成固态结构。如果要将板从加强板移开，则所述变硬的绝缘封装则在以后需要使用新的缓冲器(cushion)。这一新的设置增强了MCM-LGA-系统板-加强板设计的总体结构。同时，这提供了MCM互连的电气特性的增强，而且增强了去除MCM下产生的热的能力。这也减少了昂贵的拣选PCB板的需要，同时减少了加工MCM结构的额外的昂贵费用。因此可放宽装配需要的公差，减少完成系统需要的总成本。
根据本发明，提供了一种增强用于多芯片模块(MCM)的印刷电路板(PCB)系统板的机械结构的方法，包括：向所述PCB系统板提供机械加强板，以便去除从所述MCM到所述机械加强板的过量热；以及在所述PCB系统板和所述机械加强板之间施加不可压缩的导热凝胶膏材料的凝胶封装并在所述凝胶封装内提供环氧树脂固化剂，以便在PCB系统板和机械加强板之间形成环氧树脂界面，其还充当从MCM到机械加强板的过量热的热路径。
附图说明
在本说明书的结尾处的权利要求书中具体指出并明确要求保护被认为是本发明的主题。通过下面结合附图所进行的详细描述，本发明的上述和其它目的、特征和优点将变得清楚，在附图中：
图1a示出在系统板和具有板下的标准堆叠绝缘体的机械加强板之间形成的不规则的一示例；
图1b示出在系统板和充满不可压缩的凝胶封装的机械加强板之间形成的不规则的一示例；
图1c详细示出在系统板和具有板下的标准堆叠绝缘体的机械加强板之间形成的不规则；
图2示出绝缘凝胶封装的一个优选实施例；
图3示出完整装配的分解图的一示例；
图4a示出凝胶封装的一示例，其中使用双框架来支撑凝胶封装；
图4b示出凝胶封装的一示例，其中使用双框架来支撑系统中所使用的凝胶封装；
图5a示出凝胶封装的一示例，其中使用单框架来支撑凝胶封装；
图5b示出凝胶封装的一示例，其中使用单框架来支撑具有微通道的系统中使用的凝胶封装；
图5c示出扩展通道的细节；
图6示出凝胶封装的一示例，其中使用双框架来支撑具有微通道的系统中使用的凝胶封装；
图7示出凝胶封装的一示例，其中使用双框架来支撑具有微通道的系统中所使用的凝胶封装并使用螺丝来进行压力/体积调节；
图8示出具有环氧树脂固化材料的内嵌封装的凝胶封装的一示例以及通过机械螺丝进行激活的方法；
图9示出具有固化材料的内嵌封装的凝胶封装的一示例以及通过来自装配力的压力进行激活的方法。
具体实施方式
如图1a所示，当前装配技术在系统板(20)和加强板(10)之间的LGA(30)接触图案区以下需要绝缘体(80)和衬垫叠层(81)。在该示例中的PCB板(20)在LGA安装区域中具有凹入或碟形的形状(21)。这种非均匀或碟形形状(21)在板的制造过程期间产生，并且它的形状和大小部分地由板的电源/信号交叉引起。这种厚度上的改变也取决于设计进板内的过孔(25)和交叉支撑的数量。如可从图1c中详细看到的那样，当绝缘体堆叠在彼此上时，存在阶梯效应。随着过孔(25)的密度增加，间隙的高度也将改变。如图1b所示，对于先前描述的问题的解决方案将是用不可压缩的凝胶封装(60)取代绝缘体(80)和衬垫叠层(81)。这将使系统板(20)与加强板(10)绝缘，并且提供适应系统板(20)和加强板(10)之间的所有不规则的机械支撑结构。
使用所提出的解决方案，加强板(10)和系统板(20)之间的间隙(21)充满如图2所示的自适应(self-conforming)绝缘体结构(60)，其形状像衬垫。该缓冲器(60)包括两个分离的绝缘材料层(64，65)。在图2中，该绝缘材料是诸如聚酯薄膜或聚酰亚胺薄膜的材料，该包层充满诸如硅凝胶、导热膏或环氧树脂类物质(63)的不可压缩的凝胶膏材料，其在装配之后适应所有不规则并且在板表面上施加相等的接触压力。在优选实施例中，凝胶或树脂材料(63)可包括低温固化环氧树脂，从而当其在加电的系统中由于板的温度上升而被加热时将变硬。此后，如果要将板(20)从加强板(10)移开，则将使用新的缓冲器(60)。本实施例的优点在它的几个可选择实施例中为增强MCM-LGA-系统板-加强板设计的总体结构，从而，增强了互连的电气特性，并且增强了MCM之下产生的热的散去。这一应用还将减少对PCB板的昂贵的拣选，同时，对于具有装配所需的公差的MCM结构的昂贵的加工也可以放宽要求。因此，将减少完整系统的总成本。
如将在为上述目的从诸如硅凝胶、导热膏或环氧树脂类物质(63)的不可压缩的凝胶膏材料(所述不可压缩的凝胶膏材料在装配之后适应所有不规则并且在板表面上施加相等的接触压力)形成的不可压缩的凝胶膏的各种实施例中所看到的，凝胶膏(可以是凝胶或膏状粘性物)补偿由于系统板的设计引起的不规则厚度改变。借助凝胶封装，本发明用不可压缩的凝胶或适当的绝缘物质填充系统板和它的支撑机械加强板之间产生的间隙。所述绝缘体封装包括由两片薄膜形成的叠片，用于形成包层，所述薄膜诸如是聚酰亚胺薄膜或聚酯薄膜材料的薄膜，其包围并封住例如导热膏的不可压缩的绝缘物质。在优选实施例中，这种结构被保持在支撑框架之内。该产生的封装用于系统板和当前称为加强板或机械加强板的支撑机械硬件之间。该解决方案的优点在于以下情况：可以独立于固定的分隔尺寸或者在有多个不同大小的间隙的情况下填充由系统板的设计产生的所有间隙。如图2示出的优选实施例所示，为了补偿由于系统板的设计引起的不规则厚度改变，本发明提供也是包括两个叠片(64，65)的封装(60)，使用框架(66)来支撑并将所述叠片保持在一起。在两个绝缘层之间，堆积着诸如导热膏或未固化的环氧树脂的不可压缩材料(63)。该图2的封装(60)的设计可使用与图1b和图3所示的LGA连接器系统相同的设计，以便于与本实施例的应用的装配。框架(66)(框架的一个或两个元件)可在焊接区域之内具有挤压区，以便当压挤发生时，为凝胶膏提供小型释放区域。由图2中框架(66)的凝胶膏区域周围的线条示出这种替换方案。该应用支持但并不限制于当前描述的替换实施例。还可预见，作为示例，所述应用可用作不同结构之间的绝缘防震构件以补偿机械运动和设计失配。
图3示出板(20)、加强板(10)、MCM(40)以及适应性凝胶封装结构(60)的一示例的完整结构的分解图。
说明：
对于负载补偿凝胶封装(60)的设计，必须关注如何处理不可压缩材料(63)的过量体积，以及提供凝胶封装(60)的结构完整性。可使用的方法有多种。第一种如下：参照图4a，以下面的方式来进行封装的构造：将封装的外层框架设计为高度上稍低一些，作为凝胶补偿器的顶冠(crown)。以下面的方式来进行框架设计(50)：框架的厚度在凝胶封装(60)的两侧相等。当凝胶补偿器(60)安装在加强板(10)和系统板(20)之间并且受到MCM(40)和LGA(30)的组合的压挤时，过量的凝胶将扩展到外层框架(50)上的挡板(52)。以下面的方式来进行所述框架的总体设计：预先确定0.008英寸的远离距离(stand off)。因此，使用中心处总高度为0.010英寸的凝胶封装；然后，图2所示的封装(61)的椭圆形状将重新形成图4b所示的形状。将以下面的方式来加工加强板(10)：在LGA区域具有小的下降(12)用于容纳凝胶封装(60)，从而每当需要时，将对系统板(20)提供支撑。
如图5a所示，另一设计将使用以凝胶封装(60)的一侧上的框架(51)用于支撑的方式来构造凝胶封装(60)。这一设计的优点在于整体制造考虑。然后，将以下面的方式来碾磨加强板(10)：在LGA连接器区域和框架的最外层夹持区域之间的区域中形成通道(11)，如图5b所示。由于碾磨小型通道(11)而产生的台阶(15)将充当凝胶封装(60)的框架的一部分。如图5c所示，在MCM(40)的安装期间，凝胶封装(60)被压挤，过量的凝胶材料(62)将自身找齐并填充通道(11)的空隙(14)。最后的结果也将向系统板(20)提供稳固支持。使用通道的一个优点将在于减少加强板(10)和系统板(20)之间需要的高度，并在封装(60)中允许更大体积的凝胶(62)。
图6所示的第三种预见到的设计是使用如图4a和图4b所示的双框架补偿器(50)，并且使用切入加强板(10)的通道(11)。以下面的方式来加工加强板(10)：在LGA区域之外支撑系统板(20)，并且切割通道(11)以完整构架LGA支撑区域。于是凝胶封装(60)上的框架(50)将位于所述通道(11)之内，其高度将与加强板(10)到系统板(20)的高度相同。当MCM(40)被压挤到系统板的前侧(23)时，凝胶将补偿系统板的底侧(22)的不均匀表面。过量的凝胶(62)将随后填充凝胶封装框架(50)和切割的通道(11)之间的空腔(14)。同样，可以将较大体积的材料用于该设计中以覆盖较大间隙，由此允许机械公差的明显减缓。在图7中示出用于控制凝胶封装的压力和体积的另外的实施例。在凝胶封装放置区域周围的一个位置或各个位置将调节螺丝(70)并入加强板(10)。这将允许对流体系统的微调节以保证最优化凝胶或其它这样的材料以将系统板支撑到加强板界面。这一技术将保证凝胶封装的正压力被保持。
如果需要的话，为了去除MCM之下产生的过量热，凝胶封装可包含类似于用于将芯片连接到散热片的膏的导热膏。当用于先前定义的任何应用时，所述的膏将帮助保持去除到加强板的过量热的热路径。因为连接器区域中的MCM的操作温度将在更好的控制下，所以系统的系统可靠性将增强，因此，系统速度增加并且可增强可靠性。
在特定应用中，会具有促使凝胶封装形成对系统板的永久密封的优点。这可通过将低温固化环氧树脂作为凝胶封装设计的一部分来实现。这将实际上成为导热环氧树脂。当系统加电时，由于通过过孔的电流以及MCM和系统板之间的接触的散热效应，板的底部的温度将增加。然后，这一热增加将导致树脂以与加强板和板之间的间隙一致的形状来固化和变硬，提供增强的机械和热结构。此外，可调整环氧树脂硬度的量，从而环氧树脂可以尽可能地硬或者非常具有弹性。弹性越高，该结合物越像橡胶，因此，该粘合越柔韧。当用于提出的解决方案中时，这将允许环氧树脂的不同应用。当由于温度或应力影响而造成表面弯曲时，上述内容尤其重要。
一种构思将使用图8所示的调节螺丝(71)来激活较大凝胶封装之内的固化剂(curing agent)的小型封装(72)。这可通过使用附在凝胶封装(60)的外层(65)的内侧的小锐利点来实现。在整个封装(60)的装配期间，固化剂封装(72)将作为嵌入物(decal)放置在锐利点上。嵌入物还可包含锐利的激活点以增强环氧树脂封装(60)的装配。当螺丝(71)向内调节时，锐利点随后将穿破固化剂的小型封装(72)，由此将其释放到填充环氧树脂的封装(60)。这随后将促使环氧树脂变硬，并在系统板(20)和加强板(10)之间形成固态的界面。环氧树脂还可具有与导热膏类似的导热性。这将允许在系统运行期间从MCM之下去除过量热，同时在系统板(20)和加强板(10)之间形成隆起的支撑。
如图9所示，另一构思将在凝胶封装(60)之内包括激活封装(74)，其将包含环氧树脂固化剂(75)。可将这一封装(74)设计为：当在将MCM组装到系统板(20)和加强板(10)期间压挤力超过预定值时，封装(74)破裂。固化剂(75)将随后注入环氧树脂封装(60)，由此促使环氧树脂硬化成固态的形式，其将适应系统板(20)不规则。
第三构思将使用压力敏感固化环氧树脂，当承受例如当MCM(40)被压挤到系统板(20)时产生的压力时，所述压力敏感固化环氧树脂将会自激活。
除了如图8和图9所示的固化剂的机械激活之外，可通过由装配人员对凝胶封装(60)的物理操作将内封的激活固化剂(75)分配到凝胶封装(60)中。也就是说，操作人员可手动挤压凝胶封装(60)以促使内封的固化剂封装(74)破裂。这将允许操作人员在装配之前将环氧树脂和固化剂相互混合在一起，由此保证固化剂与环氧树脂较好地混合。
由于系统板在LGA区域得到均匀的支撑，所以MCM和LGA连接器之间的电界面显著增强。由于不会因为PCB材料的热流动而产生系统板的运动，所以LGA连接器处于与MCM的最佳可能接触状况。由于实现了LGA连接器的更好接触，所以阵列的最内侧LGA连接的接触阻抗将降低。随着更低的信号网络的信号幅度损失，更低的电压下降以及更好的电源连接的功率分布，可提高系统性能。在用于现在和以后机器的传输率上，由于功率损失或信号完整性引起的每个冲击均影响传递的系统性能，因此，由本申请实现的上述改进将增强系统性能。
可通过在稍作修改或不加修改的情况下使用上述任何一种方法来实现使用LGA连接界面的计算机系统的改进。理想地，可以由自补偿凝胶封装来取代当前在所有LGA系统设计上使用的绝缘体。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但是可以理解，本领域的技术人员现在以及将来可以做出落入后附权利要求的范围的各种改进和增强。这些权利要求应该被解释为维护对上面所描述的本发明的适当保护。

Claims (12)

1、一种增强用于多芯片模块MCM的印刷电路板PCB系统板的机械结构的方法，包括：
向所述PCB系统板提供机械加强板，以便去除从所述MCM到所述机械加强板的过量热；以及在所述PCB系统板和所述机械加强板之间施加由内封不可压缩的凝胶膏状低温固化环氧树脂材料的两个绝缘层形成的凝胶封装并在所述凝胶封装内提供环氧树脂固化剂，以便在PCB系统板和机械加强板之间形成环氧树脂界面，其还充当从MCM到机械加强板的过量热的热路径。
2、如权利要求1所述的方法，其中，向凝胶封装提供存在于所述凝胶封装之内的激活封装，该激活封装包含所述环氧树脂固化剂。
3、如权利要求1所述的方法，其中，向凝胶封装提供环氧树脂固化剂，其对于压力敏感，并且当在装配期间在PCB系统板和机械加强板之间压挤所述封装时，环氧树脂固化剂被激活。
4、如权利要求1所述的方法，其中，向凝胶封装提供自身包含在凝胶封装之内的闭合封装中的环氧树脂固化剂。
5、如权利要求1所述的方法，其中，向凝胶封装提供环氧树脂固化剂，通过进行调节以便释放环氧树脂固化剂并使所述凝胶膏状低温固化环氧树脂在凝胶封装内固化，而将所述环氧树脂固化剂释放在凝胶封装之内。
6、如权利要求1所述的方法，其中，所述凝胶膏状低温固化环氧树脂通过由在所述MCM之内运行的电路产生的热来进行固化。
7、如权利要求1所述的方法，其中，所述凝胶膏状低温固化环氧树脂在所述PCB系统板和所述机械加强板之间形成刚性的环氧树脂界面。
8、如权利要求7所述的方法，其中，所述凝胶膏状低温固化环氧树脂的所述刚性的界面减少系统运行期间所述系统板的有效热流。
9、如权利要求1所述的方法，其中，所述凝胶膏状低温固化环氧树脂具有导热性。
10、如权利要求4所述的方法，其中，当所述闭合封装由于在装配期间产生的压力而破裂时，所述固化剂被释放到所述凝胶膏状低温固化环氧树脂中。
11、如权利要求4所述的方法，其中，当所述闭合封装在装配期间通过物理操作被锐利点激活器穿破时，所述固化剂被释放到所述凝胶膏状低温固化环氧树脂中。
12、如权利要求4所述的方法，其中，当第二封装在装配期间被内嵌的嵌入物的物理操作穿破时，所述固化剂的所述闭合封装将所述固化剂释放到所述凝胶膏状低温固化环氧树脂中以便与其相混合。
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