CN105600739A - 从光子器件的热移除 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及从光子器件的热移除。本描述的实施例涉及用于使热量通过微电子衬底从光子器件传递到热耗散器件的机构。在一个实施例中，微电子衬底可包括高导热介质材料。在另一实施例中，微电子衬底可包括在微电子衬底内的传导插入物，其中光子器件与接近微电子衬底的一个表面的传导插入物热接触，以及热耗散器件与接近微电子衬底的相对表面的传导插入物热接触。在又另一实施例中，具有基底部分和基架部分的阶梯式散热器具有穿过微电子衬底插入的基架部分，其中光子器件与接近微电子衬底的一个表面的基架部分热接触，且热耗散器件与基底部分热接触。

Description

从光子器件的热移除
技术领域
本描述的实施例通常涉及从微电子器件移除热，且更具体地涉及通过光子器件被安装到的衬底从光子器件移除热。
背景技术
集成电路部件的更高性能、更低成本、增加的小型化和集成电路的更大封装密度是微电子工业的正在进行中的目标。当这些目标被实现时，微电子器件变得更小。相应地，在微电子器件中的集成电路部件的功率消耗的密度已经增加了，这又增加了微电子器件的平均结温度。如果微电子器件的温度变得太高，则微电子器件的集成电路可被损坏或毁坏。这个问题关于光子器件变得更关键，因为其结温度限制是大约85℃，这比大约108℃的一般电子器件结温度显著小。这是由于光子器件使用光子、即激光而不是电子、即电发射来用于发送和接收信号，且激光发射可能在高温（例如大于大约85℃的温度）下变得不稳定。因此，存在对光子器件的一直更有效的热移除解决方案的需要。
附图说明
在说明书的结束部分中特别指出和清楚地要求保护本公开的主题。从结合附图理解的下面的描述和所附权利要求中，本公开的前述和其它特征将变得更充分明显。应理解，附图只描绘根据本公开的几个实施例，且因此不应被考虑为其范围的限制。将通过使用附图以附加的具体性和细节描述本公开，以便可更容易确定本公开的优点，其中：
图1是如在本领域中已知的光子器件的侧横截面视图。
图2是根据本描述的实施例的具有高导热衬底的光子器件的侧横截面视图。
图3是根据本描述的另一实施例的具有嵌入衬底中的高导热插入物的光子器件的侧横截面视图。
图4是根据本描述的又另一实施例的具有合并在衬底中的阶梯式散热器的光子器件的侧横截面视图。
图5是根据本描述的实施例的电子器件/系统。
具体实施方式
在下面的详细描述中，参考附图，其作为例证示出特定的实施例，其中所要求保护主张的主题可被实践。这些实施例足够详细地被描述以使本领域中的技术人员能够实践该实施主题。应理解，各种实施例虽然是不同的，但不一定是相互排他的。例如，在本文关于一个实施例描述的特定特征、结构或特性可在其它实施例内实现而不偏离所主张要求保护的主题的精神和范围。在这个说明书中对“一个实施例”或“实施例”的提及意指关于该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括于在本发明内包含的至少一个实现中。因此，短语“一个实施例”或“在实施例中”的使用并不一定指的是同一实施例。此外，应理解，在每个所公开的实施例内的个别元件的位置或布置可被修改，而不偏离所主张要求保护的主题的精神和范围。下面的详细描述因此不应在限制性意义上被理解，且主题的范围仅由所附权利要求限定，且由所附权利要求连同所附权利要求被给与权利到的等效形式的全部范围来适当地解释。在附图中，相似的数字遍及若干视图指的是相同或相似的元件或功能，以及在本文描绘的元件并不一定与彼此按比例，更确切地，个别的元件可被放大或减小，以便更容易在本描述的上下文中理解元件。
如在本文使用的术语“在…之上”、“到”和“在…上”可以指的是一层相对于其它层的相对位置。在另一层“之上”或“上”或接合“到”另一层的一层可以直接与该另一层接触或可具有一个或多个中间层。在层“之间”的一层可直接与层接触或可具有一个或多个中间层。
图1示出如在本领域中已知的光子封装100。光子封装100可包括安装在微电子衬底110上的至少一个光子器件120，例如硅光子器件。微电子衬底110可以是具有第一表面112和相对的第二表面114的任何适当的衬底，例如插入机构、母板、子板等。微电子衬底110可具有包括至少一个光子器件附着接合焊盘116的多个焊盘。微电子衬底110可包括介质材料117，其具有穿过其形成的多个传导路线118（被示为虚线），其中传导路线118可形成在光子器件附着接合焊盘116和附着到微电子衬底110的其它微电子器件（未示出）和/或外部器件（未示出）之间的连接。在本描述的一个实施例中，介质材料117可以是多个层（未示出）。
微电子衬底介质材料117可包括任何适当的介质材料，包括但不限于液晶聚合物、环氧树脂、双马来酰亚胺三嗪树脂、FR4、聚酰亚胺材料等。传导路线118可由任何适当的传导材料（包括但不限于铜、银、金、镍及其合金）形成。应理解，微电子衬底110可由任何数量的介质层形成，可包含刚性核心（未示出），并可包含在其中形成的有源和/或无源微电子器件（未示出）。进一步理解，传导路线118可在微电子衬底110内和/或与附加的外部部件（未示出）一起形成任何期望电子路线。用于形成微电子衬底110的工艺是本领域中的技术人员公知的，且为了简洁和简明起见将不在本文被描述或示出。
如在图1中进一步示出的，光子器件120的背表面124可附着到具有导热附着材料134例如传导填充环氧树脂的微电子衬底第一表面112。光子器件120可使用至少一个接合线132电连接到微电子衬底110，接合线132在光子器件120的活性表面122中或其上形成的至少一个接合焊盘126和微电子衬底110的至少一个光子器件附着接合焊盘116之间延伸。应理解，光子器件接合焊盘126可与在光子器件120内的集成电路（未示出）电通信。
为了本描述的目的，光子器件120可被定义为将电信号转换成光子信号（即发射器件）和/或将光子信号转换成电信号（即接收器件）的器件。因此，光传输线（通常被示为线128）也将耦合到光子器件120。
热耗散器件140可以与微电子衬底第二表面114热接触。热耗散器件140可具有基底部分142和从基底部分142延伸以改进热耗散器件140的热耗散性质的多个高表面区域突出物144例如鳍状物或支柱，基底部分142具有与微电子衬底第二表面114热接触的表面146，如本领域中的技术人员将理解的。热耗散器件140可由任何适当的导热材料例如金属和合金（包括但不限于铜、铝等）制成。热界面材料136例如导热油脂或聚合物可设置在热耗散器件基底表面146和微电子衬底第二表面114之间。
如在图1中进一步示出的，多个导热通孔138可穿过微电子衬底110而形成，从微电子衬底第一表面112延伸到微电子衬底第二表面114以将热量从光子器件110传导到热耗散器件140。导热通孔138可由任何适当的材料（包括但不限于铜、铝、传导聚合物等）形成。用于形成导热通孔138的工艺是本领域中的技术人员公知的，且为了简洁和简明起见将不在本文被描述或示出。
虽然导热通孔138可减小微电子衬底110的热阻，微电子衬底110仍然可构成总热阻的大约30%或更多。此外，当铜镀被使用时，导热通孔138的制造可引起在微电子衬底第一表面112和微电子衬底第二表面114处的高度变化中的一直到大约20μm，且当填充环氧树脂材料被使用时，不均匀的表面例如凸起和微坑可出现在可能有环氧树脂形成空隙的潜在风险的微电子衬底第一表面112和微电子衬底第二表面114处。
在应用例如服务器中，多个光子封装10可并排和/或背靠背对齐。这样的应用限制了热耗散器件140的高度H，因而热耗散器件高度H需要减小。因此，使用在硅光子器件120和热耗散器件140之间的热导率的改进来改进光子封装100的热管理以便减小热耗散器件高度H是重要的。
本描述的实施例涉及用于使热穿过微电子衬底从硅光子器件传递到热耗散器件的更有效机构。在一个实施例中，如图2所示，可在高传导微电子衬底152的形成的情况下消除图1所示的导热通孔138。与目前在工业中使用的相对低的导热材料比较，微电子衬底110可由高导热介质材料154形成。在实施例中，微电子衬底介质材料154可以是陶瓷材料，包括但不限于氧化铝、氮化铝、氧化铍等。例如，氧化铝例如矾土94（94%纯度）可具有大约18W/mK或更大的热导率。当与目前在微电子衬底的制造中使用的材料例如可具有0.3W/mK或更小的热导率的FR4比较时，可看到，微电子衬底152可在光子器件120和热耗散器件140之间有效地传递热，而不需要图1所示的导热通孔138。
在另一实施例中，如图3所示，在光子封装160的形成中，传导插入物162可被定位于微电子衬底110内。传导插入物162可具有第一表面164、相对的第二表面166以及在传导插入物第一表面164和传导插入物第二表面166之间延伸的至少一个侧壁168。传导插入物第一表面164可基本上对于微电子衬底第一表面112是平面的，传导插入物第二表面166可基本上对于微电子衬底第二表面114是平面的，以及传导插入物（多个）侧壁168可邻接微电子衬底110。传导插入物162可由任何适当的传导材料（包括但不限于金属（例如铜、铝、其合金等）和陶瓷（例如氮化铝、氧化铝、氧化铍等））制成。传导插入物162也可包括诸如蒸汽室（未示出）的结构，如本领域中的技术人员将理解的。传导插入物162可以合并到微电子衬底110内，可以本领域中任何已知的手段，包括但不限于在微电子衬底110中切割开口并将传导插入物162插入其中或在传导插入物162周围形成微电子衬底110，如本领域中的技术人员将理解的。
在又另一实施例中，如图4所示，在光子封装170的形成中，可以与微电子衬底110一起利用阶梯式散热器172。阶梯式散热器172可包括基底部分174和从阶梯式散热器基底部分174延伸的基架部分176。阶梯式散热器基底部分174可包括邻近于阶梯式散热器基架部分176的第一表面184和相对的第二表面186。阶梯式散热器基架部分176可具有第一表面182和以及在阶梯式散热器基底部分第一表面184和阶梯式散热器基架部分第一表面182之间延伸的至少一个侧壁178。阶梯式散热器基架部分第一表面182可基本上对于微电子衬底第一表面112是平面的，且阶梯式散热器基架部分（多个）侧壁178可邻接微电子衬底110。阶梯式散热器基底部分第一表面184可基本上对于微电子衬底第二表面114是平面的，且热界面附着材料190可设置在阶梯式散热器基底部分第一表面184与微电子衬底第二表面114之间。在一个实施例中，热界面附着材料190可以是相变热界面材料，其可具有高粘附粘性。阶梯式散热器172可由任何适当的传导材料（包括但不限于金属（例如铜、铝、其合金等）和陶瓷（例如氮化铝、氧化铝、氧化铍等））制成。阶梯式散热器172还可包括诸如蒸汽室（未示出）的结构，如本领域中的技术人员将理解的。阶梯式散热器172可以合并到微电子衬底110内，可以本领域中任何已知的手段，包括但不限于在微电子衬底110中切割开口并将阶梯式散热器基架部分176插入其中，如本领域中的技术人员将理解的。
如在图4中进一步示出的，热耗散器件基底表面146可与阶梯式散热器基底部分第二表面186热接触，热界面材料192设置在其间。
使用图1所示的已知设计，结到外壳温度差可以是大约11.4℃，其中结温度被定义为光子器件120内的激光的温度，而外壳温度是在热耗散器件基底表面146的中心部分中的温度。图2、3和4的实施例中的每一个示出大约8℃的结到外壳温度差，其是大约30%的温度差减小。因此，如本领域中的技术人员将理解的，热耗散器件140的高度可减小，同时维持相同的结温度。此外，在图2、3和4的实施例中的图1的传导通孔138的消除将消除由图1的传导通孔138引起的高度变化，这可帮助减小总光子器件150、160和170的高度。
图5示出根据本描述的一个实现的电子系统200，例如服务器装配部件。电子系统200可包括母板202。母板202可包括多个光子器件（通常被示为光子器件204A、204B、204C和204D）。母板202还可包括多个部件，包括但不限于通信器件、控制器件、存储器件和处理器件（通常被示为通信/控制/存储/处理器件208A、208B和208C）和电耦合到母板202的板载电源210。在本描述的一些实现中，通信/控制/存储/处理器件208A、208B和208C中的至少一个可通过母板202电耦合到通信/控制/存储/处理器件208A、208B和208C中的至少另一个和/或光子器件204A、204B、204C、204D中的至少一个。如在图5中进一步示出的，光缆206可与光子器件204A、204B、204C、204D进行光子通信用于与外部器件（未示出）通信。光子器件204A、204B、204C、204D中的至少一个可合并关于图2、3和4讨论的热解决方案。
应理解，本描述的主题并不一定限于图1-5中所示的特定应用。主题可应用于其它微电子器件和组件应用以及任何适当的热移除应用，如本领域中的技术人员将理解的。
下面的示例涉及另外的实施例，其中示例1是光子封装，其包括具有第一表面和相对的第二表面的微电子衬底；接近于微电子衬底第一表面的光子器件，其中光子器件包括活性表面和相对的背表面；阶梯式散热器，其包括基底部分和从基底部分延伸的基架部分，其中基架部分延伸穿过微电子衬底；其中阶梯式散热器基底部分接近微电子衬底第二表面，且其中阶梯式散热器基架部分包括基本上对于微电子衬底第一表面是平面的第一表面；以及其中光子器件背表面与阶梯式散热器基架部分第一表面热接触。
在示例2中，示例1的主题可以可选地包括光子器件背表面，其使用导热附着材料热附着到阶梯式散热器基架部分第一表面。
在示例3中，示例1或2的主题可以可选地包括阶梯式散热器基底部分，其包括邻近阶梯式散热器基架部分的第一表面和与第一表面相对的第二表面。
在示例4中，示例3的主题可以可选地包括热耗散器件，其热附着到阶梯式散热器基底部分第二表面。
在示例5中，示例3或4的主题可以可选地包括阶梯式散热器基底部分第一表面，其附着到微电子衬底第二表面。
在示例6中，示例1到5中的任一个的主题可以可选地包括电连接到微电子衬底的光子器件。
在示例7中，示例6的主题可以可选地包括通过从光子器件活性表面延伸到微电子衬底第一表面的至少一个接合线电连接到微电子衬底第一表面的光子器件。
在示例8中，示例1到7中的任一个的主题可以可选地包括耦合到光子器件的光传输线。
下面的示例涉及另外的实施例，其中示例9是光子封装，其包括具有第一表面和相对的第二表面的微电子衬底；位于微电子衬底内的传导插入物，其中传导插入物包括基本上对于微电子衬底第一表面是平面的第一表面和基本上对于微电子衬底第二表面是平面的第二表面；接近微电子衬底第一表面的光子器件，其中光子器件包括活性表面和相对的背表面；以及接近微电子衬底第二表面的热耗散器件；其中光子器件背表面与传导插入物第一表面热接触，以及其中热耗散器件与传导插入物第二表面热接触。
在示例10中，示例9的主题可以可选地包括光子器件背表面，其使用导热附着材料热附着到传导插入物第一表面。
在示例11中，示例9或10的主题可以可选地包括在热耗散器件和传导插入物第二表面之间的热界面材料。
在示例12中，示例9到11中的任一个的主题可以可选地包括电连接到微电子衬底的光子器件。
在示例13中，示例12的主题可以可选地包括通过从光子器件活性表面延伸到微电子衬底第一表面的至少一个接合线电连接到微电子衬底第一表面的光子器件。
在示例14中，示例9到13中的任一个的主题可以可选地包括耦合到光子器件的光传输线。
下面的示例涉及另外的实施例，其中示例15是光子封装，其包括具有第一表面和相对的第二表面的微电子衬底，其中微电子衬底包括多个传导路线和具有大约18W/mK或更大的热导率的介质材料；包括活性表面和相对的背表面的光子器件，其中光子器件背表面热附着到微电子衬底第一表面；以及热附着到微电子衬底第二表面的热耗散器件。
在示例16中，示例15的主题可以可选地包括微电子衬底，其包括陶瓷材料。
在示例17中，示例16的主题可以可选地包括微电子衬底，其包括氧化铝。
在示例18中，示例15到17中的任一个的主题可以可选地包括光子器件背表面，其使用导热附着材料热附着到微电子衬底第一表面。
在示例19中，示例15到18中的任一个的主题可以可选地包括在热耗散器件和微电子衬底第二表面之间的热界面材料。
在示例20中，示例15到19中的任一个的主题可以可选地包括电连接到微电子衬底的光子器件。
在示例21中，示例20的主题可以可选地包括通过从光子器件活性表面延伸到微电子衬底第一表面的至少一个接合线电连接到微电子衬底第一表面的光子器件。
在示例22中，示例15到22中的任一个的主题可以可选地包括耦合到光子器件的光传输线。
由此已经详细描述了本发明的实施例，应理解，由所附权利要求限定的本发明不应由在上面的描述中阐述的特定细节限制，因为其很多显而易见的变化是可能的，而不偏离其精神或范围。

Claims (22)

1.一种光子封装，其包括：
微电子衬底，其具有第一表面和相对的第二表面；
光子器件，其接近于所述微电子衬底第一表面，其中所述光子器件包括活性表面和相对的背表面；
阶梯式散热器，其包括基底部分和从所述基底部分延伸的基架部分，其中所述基架部分延伸穿过所述微电子衬底；
其中所述阶梯式散热器基底部分接近所述微电子衬底第二表面，以及其中所述阶梯式散热器基架部分包括基本上对于所述微电子衬底第一表面是平面的第一表面；以及
其中所述光子器件背表面与所述阶梯式散热器基架部分第一表面热接触。
2.如权利要求1所述的光子封装，其中所述光子器件背表面使用导热附着材料热附着到所述阶梯式散热器基架部分第一表面。
3.如权利要求1和2中的一项所述的光子封装，其中所述阶梯式散热器基底部分包括邻近所述阶梯式散热器基架部分的第一表面和与所述第一表面相对的第二表面。
4.如权利要求3所述的光子封装，还包括热耗散器件，其热附着到所述阶梯式散热器基底部分第二表面。
5.如权利要求3所述的光子封装，其中所述阶梯式散热器基底部分第一表面附着到所述微电子衬底第二表面。
6.如权利要求1所述的光子封装，其中所述光子器件电连接到所述微电子衬底。
7.如权利要求6所述的光子封装，其中所述光子器件通过从所述光子器件活性表面延伸到所述微电子衬底第一表面的至少一个接合线电连接到所述微电子衬底第一表面。
8.如权利要求1、2、6和7中的一项所述的光子封装，还包括耦合到所述光子器件的光传输线。
9.一种光子封装，包括：
微电子衬底，其具有第一表面和相对的第二表面；
传导插入物，其被定位于所述微电子衬底内，其中所述传导插入物包括基本上对于所述微电子衬底第一表面是平面的第一表面和基本上对于所述微电子衬底第二表面是平面的第二表面；
光子器件，其接近所述微电子衬底第一表面，其中所述光子器件包括活性表面和相对的背表面；以及
热耗散器件，其接近所述微电子衬底第二表面；
其中所述光子器件背表面与所述传导插入物第一表面热接触，以及其中热耗散器件与所述传导插入物第二表面热接触。
10.如权利要求9所述的光子封装，其中所述光子器件背表面使用导热附着材料热附着到所述传导插入物第一表面。
11.如权利要求9和10中的一项所述的光子封装，还包括在所述热耗散器件和所述传导插入物第二表面之间的热界面材料。
12.如权利要求9所述的光子封装，其中所述光子器件电连接到所述微电子衬底。
13.如权利要求12所述的光子封装，其中所述光子器件通过从所述光子器件活性表面延伸到所述微电子衬底第一表面的至少一个接合线电连接到所述微电子衬底第一表面。
14.如权利要求9所述的光子封装，还包括耦合到所述光子器件的光传输线。
15.一种光子封装，包括：
微电子衬底，其具有第一表面和相对的第二表面，其中所述微电子衬底包括多个传导路线和具有大约18W/mK或更大的热导率的介质材料；
光子器件，其中包括活性表面和相对的背表面，其中所述光子器件背表面热附着到所述微电子衬底第一表面；以及
热耗散器件，其热附着到所述微电子衬底第二表面。
16.如权利要求15所述的光子封装，其中所述微电子衬底包括陶瓷材料。
17.如权利要求16所述的光子封装，其中所述微电子衬底包括氧化铝。
18.如权利要求15到17中的一项所述的光子封装，其中所述光子器件背表面使用导热附着材料热附着到所述微电子衬底第一表面。
19.如权利要求15到17中的一项所述的光子封装，还包括在所述热耗散器件和所述微电子衬底第二表面之间的热界面材料。
20.如权利要求15到17中的一项所述的光子封装，其中所述光子器件电连接到所述微电子衬底。
21.如权利要求20所述的光子封装，其中所述光子器件通过从所述光子器件活性表面延伸到所述微电子衬底第一表面的至少一个接合线电连接到所述微电子衬底第一表面。
22.如权利要求15到17中的一项所述的光子封装，还包括耦合到所述光子器件的光传输线。
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