CN101517735A - 基于形状记忆的机械启动机构 - Google Patents

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Abstract

描述了半导体封装及其制造方法。去耦组件设置在封装衬底与电路板之间。去耦组件响应于激励而工作，以使半导体管芯从插口和电路板去耦。去耦组件响应于激励工作，以使半导体管芯从衬底去耦。一种去耦组件包括夹紧装置、弹簧、以及形状记忆合金杆。形状记忆合金杆是执行器，其可在被热激发时产生运动或预先设计的形状以施加力。当去除热激发或其它激励时，形状记忆合金杆趋向于返回它们的原始形状，从而解除任何所产生的负荷或运动。

Description

基于形状记忆的机械启动机构
技术领域
本发明各实施例一般涉及半导体制造领域，尤其涉及半导体封装及其制造方法。
背景
半导体封装在工作期间会经受机械冲击和震动。通常，半导体封装被制造成能经受约50g的板级机械冲击和3.13g的RMS板级随机震动。可预期半导体封装将需要更多功率，而且由半导体封装在工作时产生的散热片质量的显著增加将导致诸如处理器脱落和处理器插口焊点失效之类的失效机理。
在最大工作条件期间，机械损伤的关键驱动因素通常起因于所产生的散热片质量水平和表面安装组件的数量。此外，在半导体封装中使用无铅焊料的当前趋势已使冲击性能相对于上一代半导体封装显著降低。
附图简述
在附图的各图中通过示例而不是限制说明了本发明，其中相同标记指示相同元件，且其中：
图1示出耦合到半导体封装和电路板的未工作(disengaged)去耦组件的截面。
图2示出耦合到半导体封装和电路板的工作(engaged)去耦组件的截面。
图3示出以设置在衬底上的半导体管芯以及设置在衬底上的已工作去耦组件为特征的半导体封装的截面。
图4示出以设置在衬底上的半导体管芯以及设置在衬底上的未工作去耦组件为特征的半导体封装的截面。
图5是以夹紧装置、形状记忆合金杆、以及弹簧为特征的去耦组件的分解图。
详细描述
描述了一种用于以去耦组件为特征的封装衬底的机械启动解决方案。对于一个实施例，去耦组件设置在半导体封装和电路板之间。对于该实施例，去耦组件响应于激励(或多个激励)而工作，以使半导体管芯从插口和电路板去耦。然而在适中的条件下，去耦组件不工作，半导体管芯保留在设置在电路板上的插口中。对于其它实施例，一种半导体封装以去耦组件为特征。对于这些实施例，去耦组件响应于激励(或多个激励)而工作，以使半导体管芯从封装衬底去耦。对于一个实施例，一种去耦组件包括夹紧装置、弹簧、以及形状记忆合金杆。对于各实施例，形状记忆合金杆是执行器，其可在被热激发时产生往预先设计形状的运动，以及/或施加力。一旦去除热激发或其它激励，形状记忆合金杆趋向于返回到它们的原始形状，从而解除所产生的负荷或运动。
对于各实施例，所描述的机械启动解决方案改善了在冲击和震动期间的微处理器性能，同时还改善了热界面材料(TIM)的性能。可改善热界面材料(TIM)的性能以减少焊料蠕变(solder creep)。除性能改善之外，还能实现形状因数和重量的显著减少，这将进一步增加使用高性能处理器的应用的数量。
图1是安装到电路板101的半导体封装100的截面。对于所示实施例，去耦组件120设置在电路板101与集成散热器102之间以解除由启动和/或非启动组件在半导体封装100上引入的机械负荷。启动组件是热学地或机械地固定电子封装的那些组件。在一个实施例中，螺杆、螺母、螺栓、以及散热片是典型的启动组件。非启动组件是除了启动电子封装的电气功能(而不是像螺杆、螺母等等物理功能)的启动组件之外的组件，它们不起热学地或机械地固定电子封装的功能。术语“非启动组件”还包括电子封装本身。在一个实施例中，电压调节器板、电源接线器、以及电子封装是典型的非启动组件。
如图1所示，半导体封装100以通过热界面材料109安装到半导体管芯103的集成散热器102为特征。图1还示出通过插针104耦合到插口108的封装衬底119。对于一个实施例，当去耦组件120不工作时，封装衬底119保持耦合到插口108。此外，示出了通过粘合剂、第二热界面材料106设置在电路板101和集成散热器102之间的两个去耦组件120。去耦组件120以弹簧107、夹紧装置105、以及执行器110为特征。在去耦组件120不工作的情形期间，执行器110保持被定义为执行器110的长度的长度111。
一旦出现诸如但不限于热激发、冲击、或震动之类的阈值激励，去耦组件120开始工作。在计算系统常规工作期间，上述激励是常见的情况，而且会是其中多种失效机理的起源。对于一个实施例，去耦组件120响应于超过约125℃的热激发激励而工作。对于另一实施例，去耦组件120响应于超过50G的板级机械冲击的冲击激励而工作。对于其它实施例，去耦组件120响应于超过3.13G的RMS板级随机震动的震动激励而工作。去耦组件120可响应于一个或多个上述激励的组合而工作。
图2示出当去耦组件120工作时安装到电路板101的半导体封装100的截面。如所示，去耦组件120使封装衬底119与插口108分开由间隙113限定的距离。对于各实施例，封装衬底插针104和插口108之间的分开距离也可限定间隙113。在去耦组件工作的情况期间，间隙113可扩大至约2.0mm，而对于一个实施例，间隙113扩大至约0.2mm。对于图2中所示实施例，当去耦组件120工作时，半导体封装100不与电路板101耦合从而不与其通信。一旦去耦组件120不工作，封装衬底119重新耦合至插口108，且半导体封装100与电路板101恢复通信。
此外，当去耦组件120工作时，执行器110获得新长度112。对于一个实施例，长度112大于长度111，因为当去耦组件120工作时执行器110的长度伸长，而当去耦组件120不工作时执行器110的长度缩短。因此，当去耦组件120工作时执行器110的长度112可比当去耦组件120不工作时执行器110的长度111长从0至2.0mm的范围。
当去耦组件120从工作向不工作状态循环时(反之亦然)，执行器110的宽度也会变化。例如，当去耦组件120不工作时执行器110的宽度扩大，而当去耦组件120工作时执行器110的宽度缩小。
当去耦组件120工作和不工作时，除执行器110的尺寸变化之外，弹簧107的长度也会变化。例如，当去耦组件120工作时弹簧107的长度变长。此外，当去耦组件120不工作时，弹簧107可以是名义上被压缩的，取决于半导体管芯103、封装衬底119、热界面材料109、集成散热器102、以及耦合到去耦组件120的其它启动和或非启动组件的累积质量。除启动和非启动组件的累积质量之外，弹簧107的弹簧常数也对压缩起作用。
图3示出设置在半导体封装300内的两个去耦组件320。去耦组件可包括夹紧装置305、弹簧307、以及连接到散热器302和封装衬底301的执行器310。去耦组件320也能减少或防止由温度升高、震动和/或冲击引起的失效机理。如图所示，去耦组件320工作，其被定义为当半导体管芯303从封装衬底301去耦且当执行器310完全伸长时的状态。对于当去耦组件320工作时的实施例，执行器310具有长度311。对于该实施例，长度311是执行器310能达到的最大长度。而且，执行器310的宽度在去耦组件320工作状态期间可能是最窄的。此外，当去耦组件320从非工作状态向工作状态转变时弹簧307的长度也会改变。
图3示出间隙314，其定义了半导体管芯触点313与封装衬底触点304之间的分开距离。间隙314的最大距离是1.0mm，对一个实施例来说，间隙314的距离是约0.5mm。
对图3中所示实施例来说，封装衬底触点304是焊区栅格阵列(LGA)技术中所采用的焊垫。对其它实施例来说，半导体管芯触点313是插针而封装衬底触点304是根据针栅阵列(PGA)技术所采用的插针开口。
图4示出包括未工作的去耦组件320的半导体封装300的截面。对所示实施例来说，半导体管芯303通过触点313、304耦合到衬底301，以使半导体管芯303可与耦合到衬底301的电路板或任何其它设备通信。对所示实施例来说，当去耦组件320未工作时，执行器310具有长度312。如前所述，当去耦组件320在工作或未工作状态之间循环时，执行器310的长度改变。因此长度312小于长度311(图3)，因为当去耦组件320未工作时执行器310缩短，而当去耦组件320工作时执行器310伸长。当去耦组件320从工作状态向非工作状态转变时执行器310的宽度也会改变。对一个实施例来说，当去耦组件320工作时执行器310的宽度缩小，而当去耦组件320未工作时执行器310的宽度扩大。此外，在去耦组件320从工作状态向非工作状态转变期间，弹簧307的长度会改变。
图5示出去耦组件500内的组件分解图。对所示实施例来说，去耦组件500包括执行器502、弹簧403、以及夹紧装置501、504。对一个实施例来说，夹紧装置501、504在去耦组件内用于将执行器502和弹簧503装在正确的位置。当去耦组件工作以将半导体管芯从封装衬底去耦或将半导体封装从电路板去耦时，弹簧503可提供反向负荷。
对一个实施例来说，执行器502有助于将半导体管芯耦合至封装衬底或将封装衬底耦合至电路板。执行器502的长度响应于激励而缩短或伸长，这将使半导体管芯耦合至衬底或与之去耦，或使半导体封装耦合至电路板或与之去耦。对多个实施例来说，执行器502响应于热、冲击、或震动激励。对执行器502响应于高于或等于约125℃温度时的热激励时的各实施例来说，执行器502伸长至预先设计的长度和形状以提供力，而一旦温度下降至约120℃以下时其缩短。通常，执行器502的温度在耦合到去耦组件的半导体封装或半导体管芯的温度的+/-5℃内。
对其它实施例来说，执行器502响应于冲击或震动激励，以使执行器502缩短或伸长至预定水平。在间歇的冲击时段期间执行器502可改善处理器性能，同时还能通过减少焊料蠕变改善热界面材料(TIM)的性能。对一个实施例来说，执行器502一旦感测到50G的冲击和超过3.13G的震动水平就伸长。对各实施例来说，执行器502所经受的冲击水平与耦合到去耦组件的半导体封装或半导体管芯所经受的冲击水平几乎相匹配。
对其它实施例来说，执行器502响应于热/冲击的混合激励。对这些实施例来说，执行器502一旦感测到125℃的温度阈值以及50G的冲击水平阈值就伸长。
对各实施例来说，执行器502是一组形状记忆合金线，其使半导体管芯耦合至衬底或与之去耦，或使半导体封装耦合至电路板或与之去耦。对这些实施例来说，执行器502在工作时配置成奥氏体状态，而在未工作时配置成马氏体状态。此外，由一组形状记忆合金线构成的执行器502在受激励时能产生往预先设计的形状的运动并施加力。对各实施例来说，由一组形状记忆合金线构成的各个执行器502能承受至少70N的力。常规半导体封装具有约300N的预加负荷。因此，五个去耦组件应当足以支承常规半导体封装。对多个实施例来说，半导体封装具有设置在其中的4至10个去耦组件。对其它实施例来说，在半导体封装和电路板之间设置了4至10个去耦组件。去耦组件可固定在封装衬底和集成散热器的外围、中央、和/或内部区域。
执行器502具有与弹簧503形状互补的形状，以在弹簧503内容纳装配的执行器502。对一个实施例来说，执行器502和弹簧503具有同心形状。对于执行器502具有同心形状的该实施例来说，执行器502的直径约为40微米。不过对其它实施例来说，执行器502和弹簧503具有非同心形状，只要执行器502装配在弹簧503的内部即可。
在上述说明书中，已参考本发明的具体的示例性实施例描述了本发明。显然可对其作出各种修改而不背离如所附权利要求所陈述的本发明更宽的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的含义而非限制性意义。

Claims (20)

1.一种装置，包括：
封装衬底；
在所述封装衬底上的半导体管芯；
在所述半导体管芯上的散热器；以及
连接到所述封装衬底以及所述散热器的去耦组件，其中所述去耦组件包括弹簧悬挂和执行器。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，当所述去耦组件未工作时，所述半导体管芯连接到所述封装衬底。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，当所述去耦组件工作时，所述半导体管芯从所述封装衬底断开。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述执行器响应于从包括热激励、冲击激励、以及震动激励的组中所选出的激励。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述执行器支承70牛顿的最小负荷。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，当所述去耦组件未工作时所述执行器伸长，而当所述去耦组件工作时所述执行器缩短。
7.一种计算系统，包括：
电路板；
安装到所述电路板的插口；
安装到所述电路板的去耦组件，其中所述去耦组件包括弹簧和执行器；
在所述去耦组件上的半导体封装，其中当所述去耦组件工作时所述半导体封装在所述插口上对准以便装配在所述插口内。
8.如权利要求7所述的计算系统，其特征在于，在所述电路板和所述半导体封装之间设置了至少八个去耦组件。
9.如权利要求7所述的计算系统，其特征在于，所述执行器包括镍和钛。
10.如权利要求7所述的计算系统，其特征在于，当所述去耦组件未工作时所述执行器处于马氏体状态，而当所述去耦组件工作时所述执行器处于奥氏体状态。
11.一种电子系统，包括：
电路板；
安装到所述电路板的插口；
耦合到所述电路板的去耦组件，其中所述去耦组件包括弹簧悬挂和形状记忆合金杆；
耦合到所述去耦组件的散热器；以及
耦合到所述散热器的半导体封装，其中当所述去耦组件工作时所述半导体封装在所述插口上对准以便装配在所述插口内。
12.如权利要求11所述的电子系统，其特征在于，所述去耦组件还包括安装到所述电路板和所述散热器的夹紧装置，以将所述去耦组件耦合到所述电路板和所述散热器。
13.如权利要求11所述的电子系统，其特征在于，加速度计被耦合到所述夹紧装置。
14.一种半导体封装，包括：
衬底；
在所述衬底上的半导体管芯；
耦合到所述半导体管芯的散热器；以及
耦合到所述衬底和所述散热器的去耦组件，其中所述去耦组件包括弹簧悬挂和形状记忆合金杆。
15.如权利要求14所述的半导体封装，其特征在于，还包括设置在所述半导体管芯上的处理器保持机构、处理器夹、以及处理器风扇。
16.如权利要求14所述的半导体封装，其特征在于，所述半导体管芯是从包括存储器芯片或逻辑芯片的组中选择的处理器。
17.一种形成电子系统的方法，包括：
将插口安装到电路板；
将一组去耦组件安装到所述电路板；
将半导体封装耦合到所述一组去耦组件，其中所述半导体封装与所述插口对准。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，通过从包括PGA和LGA的组中选择的技术将所述插口安装到所述电路板。
19.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述组包括四到十个去耦组件。
20.如权利要求17所述的方法，其特征在于，通过热界面材料将所述半导体封装耦合到所述一组去耦组件。
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