CN104247007B - 使用外部和内部热容性材料的增强型封装热管理 - Google Patents

使用外部和内部热容性材料的增强型封装热管理 Download PDF

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Abstract

一种装置，所述装置具有用于增强型热封装管理的外部和/或内部热容性材料。所述装置包括具有发热器件的集成电路(IC)封装。所述装置还包括具有附接至所述IC封装的第一侧面的热扩散器。所述装置还包括接触所述热扩散器的所述第一侧面的热容性材料储存器。所述热容性材料储存器可以相对于所述发热器件而横向设置。

Description

使用外部和内部热容性材料的增强型封装热管理
技术领域
本公开内容总体上涉及集成电路(IC)。更具体地，本公开内容涉及使用外部和/或内部热容性材料的增强型热封装管理。
背景技术
3D封装可以包含垂直层叠的两个或更多个芯片(集成电路(IC))，使得其占据较少的底空间和/或具有较大的连接性。在一些新的3D封装中，穿硅过孔通过产生穿过芯片体的垂直连接来替代边缘布线。所得到的封装没有增加的长度或宽度。由于没有使用内插件，TSV 3D封装还能够比边缘布线的3D封装更平坦。此TSV技术有时也被称为TSS(穿硅层叠)。
热耗散对于使用管芯层叠的高端芯片(high end chip)是越来越有问题的。具体地，层叠两个或更多个芯片可以导致局部的热量热点(thermal hot spot)。由于局部的热量热点嵌入在叠层中，这可以降低冷却热点并且实现低结温的能力。用于实现低结温的常规冷却解决方案包括散热器、热扩散器、和/或改进的印刷电路板。简单地增大热扩散器和/或散热器的尺寸的常规技术在小形状因子设备(例如，智能电话)中是不切实际的。
发明内容
根据本公开内容的一个方面，描述了一种装置，所述装置包括用于增强型热封装管理的外部和/或内部热容性材料。所述装置包括具有发热器件的集成电路(IC)封装。所述装置还包括具有附接至所述IC封装的第一侧面的热扩散器。所述装置还包括接触所述热扩散器的所述第一侧面的热容性材料储存器。所述热容性材料储存器可以相对于所述发热器件而横向设置。
在本公开内容的进一步的方面中，描述了一种用于增强型热封装管理的方法。所述方法包括从集成电路封装内的发热器件横向扩散热量。所述方法还包括在相对于所述发热器件而横向设置的热容性材料储存器内吸收所述横向扩散的热量。
在本公开内容的另一个方面中，装置具有用于增强型热封装管理的单元。所述装置包括具有发热器件的集成电路(IC)封装。所述装置还包括具有附接至所述IC封装的第一侧面的热扩散器。所述装置还包括用于热管理热量的单元，所述单元接触所述热扩散器的所述第一侧面。用于热管理热量的所述单元可以相对于所述发热器件而横向设置。
这已经相当广泛地概述了本公开内容的特征和技术优点，以便可以更好地理解随后的详细描述。以下将描述本公开内容的另外的特征和优点。本领域技术人员应当意识到，本公开内容可以容易地作为用于修改或设计用于执行本公开内容的相同目的的其它结构的基础来加以利用。本领域技术人员还应认识到，所述等效结构没有脱离如所附权利要求所阐述的本公开内容的教导。当结合附图加以考虑时，根据下面的描述将更好地理解所述新颖特征连同进一步的目的和优点，就其组织和操作方法而言，所述新颖特征被认为是本公开内容的特性。然而，应当明确理解的是，附图中的每一个附图被提供为仅仅为了例示和描述的目的，并非旨在作为对本公开内容的范围的定义。
附图说明
为了更完全地理解本公开内容，现在结合附图来参考下面的描述。
图1示出了根据本公开内容的一个方面的例示了层叠的集成电路(IC)内的热流路径的横截面视图。
图2示出了根据本公开内容的一个方面的例示了被并入至无线设备中的图1中的层叠的IC封装的横截面视图。
图3A和图3B示出了根据本公开内容的一个方面的例示了包括外部热容性材料的层叠的IC封装的横截面视图和局部截面顶视图。
图4A和图4B示出了根据本公开内容的一个方面的例示了包括内部热容性材料的层叠的IC封装的横截面视图和局部截面顶视图。
图5示出了根据本公开内容的一个方面的形成包括内部/外部热容性材料的图3A和图3B以及图4A和图4B中的层叠的IC封装的工艺。
图6A-图6C示出了根据本公开内容的一个方面的例示了将包括内部热容性材料的图4A和图4B中的层叠的IC封装并入至无线设备中的横截面视图、局部截面顶视图、以及侧视图中。
图7A-图7C示出了根据本公开内容的一个方面的例示了包括被并入至无线设备中的内部热容性材料的图3中的IC封装的横截面视图、局部截面顶视图、以及侧视图。
图8是根据本公开内容的一个方面的例示了用于提供使用外部/内部热容性材料的增强型热封装管理的方法的框图。
图9是例示其中可以有利地采用本公开内容的一个方面的无线通信系统的框图。
具体实施方式
本公开内容的多个方面提供了用以减轻与在由TSS(穿硅层叠)、PoP(封装上封装)、或者涉及管芯或封装层叠的其它相似的技术而形成的三维(3D)封装内的热耗散有关的问题的技术。集成电路(IC)封装可以包括具有内表面和外表面的热扩散器，其中内表面接触IC封装。根据本公开内容的一个方面，通过在IC封装内使用热容性材料来提供增强型热封装管理。如本文所描述的，热容性材料可以包括但不限于相变材料、导热材料、或者适合于接收传导的热量(例如，横向传导的热量)并且将热量储存在其热储存器内的其它相似的热材料和热结构。
在本公开内容的一个方面中，热容性材料由相变材料构成，当热量接触并且活化相变材料时，相变材料转变为不同的状态(例如，随时间的过去，初始的固态转变为液态)，以用于热储存。在一个配置中，在低(或无)功率操作期间，还对储存在热容性材料储存器内的热量进行冷却，使相变材料随时间的过去而从液态转变为固态。在返回初始的固态之前，随着吸收的热量随时间的过去而冷却，相变材料可以转变为部分液体和部分固体的(中间的)状态。
在其中相变材料形成储存器的配置中，相变材料随时间使相从初始的固态变化为液态，相变材料具有在80000-20000焦耳每千克(J/kg)范围中的高的潜热吸收性，相变材料吸收并且储存增加的能量的量，从而降低热点温度。例如，相变材料可以在大约二十九摄氏度(29℃)的温度下开始从初始的固态转变，并且在二十九至三十七摄氏度(29℃至37℃)的范围中的温度下达到液态。在二十九至三十一摄氏度(29℃至31℃)的范围以下的温度下，相变材料可以是部分液体和部分固体的(中间的)状态。当系统中功率低或者不存在功率耗散时，相变材料将缓慢地冷却，并且开始转变为初始的固体形状。在一个配置中，用于冷却目的而附接至IC封装的热扩散器横向地清除(dispose)热量，以便活化相变材料。
在本公开内容的一个方面中，热容性材料包括相变材料(PCM)储存器，该相变材料(PCM)储存器接触散热器的内表面。在本公开内容的此方面中，PCM储存器相对于发热器件、芯片叠层等横向设置。在IC封装的一个配置中，将热容性材料添加至热扩散器的背面，以便进一步吸收并且储存由热扩散器传导的热量。在此配置中，热容性材料在封装外部，如参考图3A和图3B更详细地描述的。
在IC封装的进一步配置中，热容性材料在封装内部，例如在围绕IC叠层的封装模制化合物内部，以便吸收和/或储存来自热扩散器的热量，如参考图4A和图4B更详细地描述的。在此配置中，热容性材料被插入至封装模制化合物中并且充当储热器(heatcapacitor)。即，热容性材料可以被放置在封装模制化合物内部的槽形通道中。在此结构中，当放置在IC封装上的热扩散器将热量从IC封装内的热点扩散时，使热容性材料热活化。响应于与引导的(channeled)和/或传导的热量接触而使热容性材料活化，以用于储存在封装模制化合物内部的槽形通道的热容性材料储存器内，从而冷却热点。在此配置中，内部热容性材料在不增大设备的表面积或层叠的IC封装的总厚度的情况下扩充了有限形状因子设备的体积热储存能力。
图1示出了根据本公开内容的一个方面的例示了层叠的集成电路(IC)封装100内主要热流的横截面视图。代表性地，层叠的IC封装100包括利用互连112连接至封装基板110的印刷电路板(PCB)102。在此配置中，封装基板110包括导电层114和导电层116。在封装基板110上方是由模制化合物111包封的包括层叠的管芯122、管芯124、以及管芯130的3D芯片叠层120。在本公开内容的一个方面中，管芯130是具有层叠的输入/输出(I/O)管芯122和管芯124的移动站调制解调器(MSM)。如由箭头108所指示的，热量从3D芯片叠层120中的有源器件向上(108－1)和向下(108－2)耗散。如在图1中所示出的，主要热流路径由向下箭头108-2来指示，以及次要热流路径由向上箭头108-1来指示。
图2示出了根据本公开内容的一个方面的例示了被并入至无线设备200中的图1中的层叠的IC封装100的横截面视图。如本文所描述的，无线设备200可以包括但不限于智能电话、平板电脑、手持设备、或其它有限形状因子设备。代表性地，层叠的IC封装100被布置在包括显示器206的电话外壳204内。在此配置中，热界面材料(例如(TIM)海绵状物)242将热扩散器240连接至层叠的IC封装100。示出了可选的传导支柱246。如由箭头208所示出的，热量从3D芯片叠层120中的有源器件向上和向下耗散。即，热量从3D芯片叠层120内的有源器件向上(208-1)和向下(208-2)耗散。在此配置中，热扩散器240横向地耗散热量，以便提供由箭头208-1指示的主要热流路径，然而由向下箭头208-2指示次要热流路径。
图3A和图3B示出了根据本公开内容的一个方面的例示了包括外部热容性材料350的层叠的IC封装300的横截面视图370和局部截面顶视图380。如在图3A中所示出的，外部热容性材料350附接至热扩散器340(例如，在封装外)的第一侧面(例如，背面)342，以便进一步吸收并且储存由热扩散器340传导的热量。在此配置中，热界面材料344将热扩散器340附接至层叠的IC封装300的封装模制化合物311，封装模制化合物311包封3D芯片叠层320。如由箭头308所指示的，热量横向耗散至外部热容性材料350。
尽管将外部热容性材料350示出为不接触层叠的IC封装300的封装模制化合物311，但是在其它配置中，外部热容性材料350接触封装模制化合物311。取决于是否将其它部件放置在由封装模制化合物311包封的3D芯片叠层320附近，外部热容性材料350与层叠的IC封装300的封装模制化合物311之间的横向距离能够在零毫米(0mm)至封装模制化合物311与热扩散器340之间的距离的范围中。类似地，外部热容性材料350与封装基板110之间的间隙可以在0mm至1.2mm的范围中。图3B示出了如在沿着图3A中所示出的箭头372的x轴观察时所看到的穿过热扩散器340的局部截面顶视图380，其中3D芯片叠层320由热界面材料344掩盖。
在图3A和图3B中所示出的此配置中，3D芯片叠层320生成热量，所述热量被通过热界面材料344传导至散热器340。然后热扩散器340扩散或传导从3D芯片叠层320内的层叠的管芯所生成的热量，并且外部热容性材料350接收传导的热量。一旦热容性材料接收到传导的热量，热容性材料活化。一旦活化了，外部热容性材料350就通过在附接至热扩散器340的第一侧面342的外部热容性材料350内容性地储存热量来帮助降低在3D芯片叠层320处的温度结(temperature junction)。根据本公开内容的一个方面，外部热容性材料350通过使相发生变化以便储存潜热来降低在3D芯片叠层320处的温度结。
图4A和图4B示出了根据本公开内容的一个方面的例示了包括内部热容性材料的层叠的IC封装400的横截面视图470和局部截面顶视图480。在图4A中，内部热容性材料450被插入至至少部分地围绕3D芯片叠层420的封装模制化合物内部。在此配置中，内部热容性材料450在层叠的IC封装400的封装模制化合物411内部，封装模制化合物411包封3D芯片叠层420。即，内部热容性材料450可以被放置在封装模制化合物411内部产生的通道中。该通道可以通过诸如对封装模制化合物411的蚀刻之类的化学工艺或诸如钻入封装模制化合物411中以便形成通道之类的机械工艺来产生。图4B示出了如在沿着图4A中所示出的箭头472的x轴观察时所看到的穿过热扩散器440的局部截面顶视图480，其中3D芯片叠层420由热界面材料444掩盖。
在图4A和图4B所示出的配置中，当热扩散器440通过热界面材料444从3D芯片叠层420内的热点横向扩散热量时，使内部热容性材料450热活化。一旦活化了，内部热容性材料450就将在通道的内部热容性材料储存器450内引导和/或传导的热量储存在封装模制化合物内部。在此配置中，热界面材料444将包封3D芯片叠层420的封装模制化合物411附接至热扩散器440的第一侧面(例如，背面)442。如由箭头408所指示的，热量由热扩散器440横向耗散，以便活化内部热容性材料450，从而储存横向耗散的热量。在此配置中，内部热容性材料450在不增大设备的表面积或层叠的IC封装400的总厚度的情况下扩充了有限形状因子设备的体积热储存能力。
图5示出了根据本公开内容的一个方面的形成包括内部/外部热容性材料的图3A-图3B和图4A-图4B中的层叠的IC封装的工艺。在框501处，例如，热容性材料(例如，相变材料)附接至热扩散器的第一侧面，如在图3A和图3B中所示出的。在一个配置中，粘合剂将热容性材料附接至热扩散器的第一侧面。例如，如在图3A和图3B中所示出的，热容性材料可以直接附接或放置在管子/管道内部，所述管子/管道附接至热扩散器340的背面342。在框502处，例如，如在图3A和图3B中所示出的，使用热界面材料将热扩散器附接至层叠的IC封装。在此配置中，热容性材料是在层叠的IC封装外部的相变材料。
如在图5中进一步示出的，在框503处，在封装模制化合物中形成通道槽。在此配置中，例如，如图4A和图4B中所示出的，利用热容性材料(例如，相变材料)来填充槽，以便形成热容性材料储存器。在此配置中，例如，如图4A和图4B所示的，使用热界面材料将热扩散器附接至层叠的IC封装。在此配置中，热容性材料是在层叠的IC封装内部的相变材料。在此配置中，储存在热容性材料储存器内的热量在低(或者无)功率操作期间进一步冷却。相变材料能够在不到全部的外侧面上横向接触管芯。
图6A-图6C示出了根据本公开内容的一个方面的例示了将包括内部热容性材料的图4A和图4B中的层叠的IC封装400并入至无线设备600中的横截面视图670、局部截面顶视图680、以及侧视图690。如在图6A中所示出的，热界面材料644将包封3D芯片叠层620的封装模制化合物611附接至热扩散器640的第一侧面(例如，背面)642。如由箭头608所指示的，热量由热扩散器640横向耗散，以便活化内部热容性材料650，以用于储存横向耗散的热量。图6B示出了如在沿着图6A中所示出的箭头672的x轴观察时所看到的穿过热扩散器640的局部截面顶视图680，其中3D芯片叠层620由热界面材料644掩盖。
图6C例示了根据本公开内容的一个方面的包括内部热容性材料650的无线设备600的侧视图690。如图6A-图6C中所示出的，内部热容性材料650设置在形成在印刷电路板602上的封装610的封装模制化合物611内。代表性地，热界面材料644将包封包括3D芯片叠层620的封装模制化合物611耦合至热扩散器640的第一侧面642。在此配置中，内部热容性材料650的宽度大约为160微米。该容性材料可以接触管芯侧面(横向地)或者为分离的。
图7A-图7C示出了根据本公开内容的一个方面的例示了包括被并入至无线设备700中的包括外部热容性材料750的图3A和图3B中的层叠的IC封装300的横截面视图770、局部截面顶视图780、以及侧视图790。如在图7A中所示出的，热界面材料744将包封3D芯片叠层720的封装模制化合物711附接至热扩散器740的第一侧面(例如，背面)742。如由箭头708所指示的，热量由热扩散器740横向耗散，以便活化外部热容性材料750，从而储存横向耗散的热量。图7B示出了如在沿着图7A中所示出的箭头772的x轴观察时所看到的穿过热扩散器740的局部截面顶视图780，其中3D芯片叠层720由热截面材料744掩盖。
图7C例示了根据本公开内容的一个方面的包括外部热容性材料750的无线设备700的侧视图790。代表性地，如在图7A和图7B中所示出的，围绕形成在印刷电路板701上的封装710形成外部热容性材料750，外部热容性材料750包括由热界面材料744耦合至封装模制化合物711的热扩散器740。在此配置中，将外部热容性材料附接至热扩散器740的背面742。在此配置中，外部热容性材料750的宽度大约为160微米，但是能够更厚，因为其不在封装710的模制化合物内部，并且可以基于印刷电路板701所容许的间隙而延伸。尽管将外部热容性材料750示出为围绕封装710，但是其能够相邻于封装710的不到全部的侧面。
在一个配置中，无线设备700包括用于热管理的单元，该单元相对于发热器件(例如，3D芯片叠层的有源器件)横向设置。在一个方面中，用于热管理的单元可以是图3A和图3B、图4A和图4B、图6A-图6C、以及图7A-图7C中的热容性材料350/450/650/750，热容性材料350/450/650/750被配置为执行关于热管理单元的所叙述的功能。在另一个方面中，前述单元可以是被配置为执行关于前述单元的所叙述的功能的任何器件或者任何层。
图8是根据本公开内容的一个方面的例示了用于使用外部/内部热容性材料提供增强型热封装管理的方法的框图。在框805处，热量从集成电路热点传导至热扩散器。在框801处，例如，如在图3A、图3B、图4A、图4B、图6A-图6C、以及图7A-图7C所示出的，热量从集成电路封装内的发热器件横向扩散(例如传导和/或引导)。在框812处，例如，如在图3A、图3B、图4A、图4B、图6A-图6C、以及图7A-图7C中所示出的，在热容性材料内吸收横向扩散的热量。
例如，如在图4A和图4B中所示出的，内部热容性材料450被插入封装模制化合物411中，并且充当储热器。在此配置中，当放置在包封3D芯片叠层420的封装模制化合物410上的热扩散器440从3D芯片叠层420内的热点扩散热量时，使内部热容性材料450热活化。即，当热量接触并且活化内部热容性材料450时，内部热容性材料450可以转变为不同状态(例如，液体)，以用于热量储存。在此配置中，储存在由内部热容性材料450形成的储存器内的热量在低(或者无)功率操作期间进一步冷却。当相变材料形成储存器时，相变材料使相随时间的过去而从初始固态变化为液态，相变材料具有高的潜热吸收性，以用于比在没有相变材料的情况下更有效地冷却封装。当系统中功率低或者不存在耗散的功率时，相变材料将缓慢地冷却，并且恢复其固体形状。通过附接(或去除)热扩散器，使相变材料“容器(pocket)”热活化(或者热不活化)。
图9是示出了其中可以有利地采用本公开内容的一个方面的示范性无线通信系统900的框图。为了例示的目的，图9示出了三个远程单元920、930和950以及两个基站940。将认识到，无线通信系统可以具有许多更远程的单元和基站。远程单元920、远程单元930、以及远程单元950包括IC器件925A、IC器件925C、以及IC器件925B，其包括热容性材料。将认识到，包含IC的任何设备还可以包括热容性材料，该任何设备包括基站、转换设备、以及网络设备。图9示出了从基站940至远程单元920、远程单元930、以及远程单元950的前向链路信号1080和从远程单元920、远程单元930、以及远程单元950至基站940的反向链路信号990。
在图9中，将远程单元920示出为移动电话，将远程单元930示出为便携式计算机，并且将远程单元950示出为无线本地环路系统中的固定位置远程单元。例如，远程单元可以是移动电话、手持式个人通信系统(PCS)单元、诸如个人数据助理之类的便携式数据单元、具备GPS功能的设备、导航设备、机顶盒、音乐播放器、视频播放器、娱乐单元、诸如仪表读数设备的固定位置数据单元、或者储存或取回数据或计算机指令的任何其它设备、或者其任何组合。尽管图9例示了根据本公开内容的教导的远程单元，但是本公开内容不限于这些示范性的例示的单元。本公开内容的方面可以适合地用于包括热容性材料的任何设备中。
对于设计/制造过程的固件和/或软件实现方式，所述方法可以实现为执行本文所描述功能的模块(例如，过程、功能等等)。有形地包含指令的任何机器可读介质都可以用于实现本文所描述的方法。例如，软件代码可以储存在存储器中，并且由处理器单元来执行。存储器可以在处理器单元内或者处理器单元外实现。本文所使用的术语“存储器”指代任何类型的长期、短期、易失性、非易失性、或者其它存储器，而不限于任何特定类型的存储器或特定数量的存储器、或者任何特定类型的其上储存了存储器的介质。
尽管已经详细描述了本公开内容和其优点，但是应当理解的是，在不脱离如由所附权利要求书所限定的本公开内容的技术的情况下，本文能够做出各种变化、替换以及变更。例如，相对于基板或电子器件使用了诸如“之上”和“之下”之类的关系术语。当然，如果使基板或电子器件倒置，之上就变为之下，反之亦然。另外，如果向侧面定向，之上和之下就可以指代基板或者电子器件的侧面。而且，本申请的范围并非旨在局限于说明书中所描述的过程、机器、制造、物质的成分、单元、方法以及步骤的特定实施例。本领域技术人员将很容易从本公开内容意识到，根据本公开内容，可以利用当前存在或者以后研发的过程、机器、制造、物质的成分、单元、方法、或步骤，其执行与本文所描述的相应实施例基本上相同的功能，或者实现与本文所描述的相应实施例基本上相同的结果。相应地，所附权利要求旨在将所述过程、机器、制造、物质的成分、单元、方法、或步骤包括在它们的范围内。

Claims (12)

1.一种封装装置，包括：
集成电路(IC)封装，所述集成电路(IC)封装包括发热器件，所述发热器件具有水平表面和基本垂直于所述水平表面的一个或多个侧表面；
热扩散器，所述热扩散器具有耦合至所述发热器件的所述水平表面的水平表面；
模制化合物，所述模制化合物包封所述集成电路封装的至少一部分；
多个热材料储存器，所述多个热材料储存器位于所述模制化合物内并且接触所述热扩散器的所述水平表面，所述热材料储存器至少部分地围绕所述发热器件的所述一个或多个侧表面；以及
能够在固态与液态之间进行相变的热材料，所述热材料储存在所述热材料储存器中的至少一个热材料储存器中。
2.根据权利要求1所述的封装装置，其中，所述热材料储存器接触所述发热器件的所述一个或多个侧表面中的至少一个。
3.根据权利要求1所述的封装装置，其中，所述热材料储存器被设置在所述集成电路封装外部。
4.根据权利要求3所述的封装装置，其中，所述热材料储存器接触所述集成电路封装。
5.根据权利要求1所述的封装装置，其中，所述热材料储存器被设置在所述发热器件的所述一个或多个侧表面中的任何侧表面或全部侧表面上。
6.根据权利要求1所述的封装装置，所述装置被并入至娱乐单元、导航设备、通信设备、个人数字助理(PDA)、固定位置数据单元、以及计算机中的至少一个中。
7.一种封装装置，包括：
集成电路(IC)封装，所述集成电路(IC)封装包括发热器件，所述发热器件具有水平表面和基本垂直于所述水平表面的一个或多个侧表面；
热扩散器，所述热扩散器具有耦合至所述发热器件的所述水平表面的水平表面；
模制化合物，所述模制化合物包封所述集成电路封装的至少一部分；以及
用于热管理热量的单元，所述单元位于所述模制化合物内并且接触所述热扩散器的水平表面，用于热管理热量的所述单元至少部分地围绕所述发热器件的所述一个或多个侧表面，其中用于热管理热量的所述单元还包括用于储存能够在固态与液态之间进行相变的热材料的单元。
8.根据权利要求7所述的封装装置，其中，用于热管理热量的所述单元接触所述发热器件的所述一个或多个侧表面中的至少一个。
9.根据权利要求7所述的封装装置，其中，用于热管理热量的所述单元被设置在所述集成电路封装外部。
10.根据权利要求9所述的封装装置，其中，用于热管理热量的所述单元接触所述集成电路封装。
11.根据权利要求7所述的封装装置，其中，用于热管理热量的所述单元被设置在所述发热器件的所述一个或多个侧表面中的任何侧表面或全部侧表面上。
12.根据权利要求7所述的封装装置，所述装置被并入至娱乐单元、导航设备、通信设备、个人数字助理(PDA)、固定位置数据单元、以及计算机中的至少一个中。
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