CN107534029B - 多芯片模块 - Google Patents

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Abstract

多芯片模块的一个示例包括基板、半导体芯片和光收发器。基板具有第一面和与第一面相对的第二面。半导体芯片电耦接到基板的第一面。光收发器电耦接到基板的第二面。

Description

多芯片模块
背景技术
大焊盘数量集成电路(IC)可能会将超过一半的焊盘用于高速输入/输出(I/O)信号和相关联的接地。诸如开关专用集成电路(ASIC)或处理器的高基数芯片将大多数焊盘用于高速差分电信号和相关联的接地。128-通道开关芯片可能有超过2000个焊盘，并且处理器可能有超过3000个焊盘。
附图说明
图1示出了安装在系统中的夹层式多芯片模块(MCMezz)的一个示例的剖视图。
图2示出了安装在系统中的MCMezz的另一示例的剖视图。
图3示出了安装在系统中的MCMezz的另一示例的侧视图。
图4A示出了在MCMezz插座中安装之前，MCMezz的一个示例的顶部等距视图，图4B示出了底部等距视图。
图5A示出了MCMezz的一个示例的顶部等距视图，图5B示出了底部等距视图。
图6A示出了包括热幕的MCMezz的一个示例的底部等距视图，图6B示出了顶部等距视图。
图7A-7D示出了MCMezz的基板的示例层。
图8A和8B示出了包括热绝缘焊盘的基板的示例层。
具体实施方式
在下面的详细描述中，将参考组成本说明书的一部分的附图，附图中通过图示来示出能够实施本公开的具体示例。应当理解，在不背离本公开的范围的情况下，可以利用其它示例并且可以进行结构或逻辑上的改变。因此，以下详细描述不被认为是限制性的，并且本公开的范围由所附权利要求限定。应当理解，除非另有特别说明，本文所述的各种示例的特征可以部分或全部地彼此组合。
大焊盘数量封装可能引入机械、电气和成本挑战，使得可能无法有效地为容量和性能而扩展后代的IC。由于封装和热问题，不能为了I/O速度和/或密度而有效地扩展这些大焊盘数量IC。这些电气I/O问题可以通过将光收发器与IC封装共同封装并使用光连接器来输出高速信号而解决。然而，光收发器对高温敏感，并且当与大功率IC在相同的封装内工作时，具有显著的耗损可靠性问题。可以使用局部冷却方法(例如，热电冷却(TEC))或热隔离方法(例如专用散热器)，但是这些方法可能不实用、不可靠或不经济。另外，如果在IC封装中使用光收发器，则从IC封装出来的光纤可能阻碍通过IC的散热器的空气流。此外，当大量光纤连接到IC时，可能会出现用户友好性和连接可靠性问题。
因此，本公开描述了包括夹层式多芯片模块(MCMezz)的组件。MCMezz可以包括在基板的顶面上的半导体芯片(例如，ASIC芯片)和相关联的散热器以及在基板的底面上的光收发器芯片和相关联的散热器。基板的底面还可以包括用于电力、管理信号和高速信号的电连接器。MCMezz可以包括用于将MCMezz与系统的MCMezz插槽的光连接器对齐的盲插特征。可以从MCMezz的顶面和底面从MCMezz提取热量。MCMezz的不同热区可以被彼此隔离。
图1示出了安装在系统100a中的MCMezz 102a的一个示例的剖视图。MCMezz 102a包括基板108(例如，印刷电路板(PCB))、ASIC 110、光收发器112、光连接器114、第一散热器122、第二散热器116、电连接器118、热绝缘层120和支撑结构124。ASIC 110电耦接到基板108的顶表面，并且光收发器112和电连接器118电耦接到基板108的底表面。基板108包括用于将ASIC 110电耦接到每个光收发器112和每个电连接器118的信号迹线。
在一个示例中，ASIC 110基本上布置在基板108的中心，并且光收发器112被布置到ASIC 110的侧面并且与ASIC 110横向间隔开。光连接器114耦接到每个光收发器112，以将每个光收发器112光耦接到系统100a。第二散热器116热耦接到每个光收发器112。每个第二散热器116可围绕每个光收发器112和光连接器114。
电连接器118电耦接到基板108的底表面并从基板108的底表面延伸。每个电连接器118用于将MCMezz 102a电耦接到系统100a。在一个示例中，电连接器118在系统100a和MCMezz 102a之间传递电力、管理信号和高速信号。在另一示例中，电连接器118在系统100a和MCMezz 102a之间仅传递电力和管理信号。绝热层120布置在每个光收发器112和电连接器118上的基板108的顶表面上，以使光收发器112与ASIC 110热绝缘。每个绝热层120可以包括石墨烯或另一种合适的绝热材料。第一散热器122热耦接到ASIC 110以从ASIC 110提取热量。在一个示例中，第一散热器122可以包括用于强制空气冷却的散热片。在另一示例中，第一散热器122可以包括用于液体冷却的冷板(未示出)接触的平坦表面。支撑结构124接触第一散热器122并支撑基板108。在一个示例中，支撑结构124包括将MCMezz 102a盲插到MCMezz插座104a的对齐特征。
系统100a包括系统板106a和MCMezz插座104a。MCMezz插座104a机械地和电气地耦接到系统板106a。MCMezz插座104a包括光连接器130、光缆132、电连接器134和支撑结构136。每个光连接器130与MCMezz 102a的对应光连接器114配合。每个光连接器130光耦接到光缆132，以在系统100a和MCMezz 102a之间传送光信号。在一个示例中，每个光连接器130和/或光连接器114包括用于将每个光连接器130盲插到对应的光连接器114的对齐特征。在另一示例中，具有光缆132的每个光连接器130可以在将MCMezz 102a与MCMezz插座104a配合之前，手动配合到对应的光连接器114。
每个电连接器134与MCMezz 102a的对应电连接器118配合。每个电连接器134电耦接到系统板106a，以在系统100a和MCMezz 102a之间传送电信号，例如电力、管理信号和高速信号。在一个示例中，每个电连接器134和/或电连接器118包括用于将每个电连接器134盲插到对应的电连接器118的对齐特征。支撑结构136与MCMezz 102a的支撑结构124接触，并可设置MCMezz 102a与系统板106a之间的间距。在一个示例中，支撑结构136包括将MCMezz 102a盲插到MCMezz插座104a的对齐特征。
通过在基板108的顶面布置ASIC 110和第一散热器122以及在基板108的底面上布置具有第二散热器116的光收发器112，MCMezz 102a将由区域140指示的高热区与由区域142指示的低热区分离。低热区142使热敏光收发器112能够与大功率ASIC 110分离地冷却。
图2示出了安装在系统100b中的MCMezz 102b的另一示例的剖视图。除了MCMezz102b包括热棒150之外，MCMezz 102b与先前参考图1描述并示出的MCMezz 102a相似。热棒150热耦接到基板108的与ASIC 110相对的底表面，以排出来自基板108内的电力和/或接地岛的热量。热棒150可延伸穿过系统板106b。在该示例中，从基板108的顶面通过第一散热器122并从基板108的底面通过热棒150冷却ASIC 110。
除了系统100b包括具有开口107的系统板106b，MCMezz 102b的热棒150通过该开口延伸之外，系统100b与先前参考图1描述并示出的系统100a相似。除了MCMezz插座104b包括用于容纳MCMezz 102b的热棒150的中心圆柱138之外，MCMezz插座104b与先前参考图1描述并示出的MCMezz插座104a相似。可以将绝热材料(未示出)施加或缠绕在中心圆柱138上，以将光收发器112与热棒150热绝缘，当压力由于第一散热器122而施加于ASIC 110时，中心圆柱138和支撑结构136支撑MCMezz 102b。
图3示出了安装在系统200中的MCMezz 202的另一示例的侧视图。图4A示出了在MCMezz插座204中安装之前，MCMezz 202的一个示例的顶部等距视图，图4B示出了底部等距视图。MCMezz 202包括基板208(例如，PCB)、ASIC 210、光收发器212(在图4A中示出了光收发器212，在图4A中一个光收发器在基板208的透明视图中的基板208的底面上示出，在图6A中也示出了光收发器212)、光连接器214、第一散热器222、第二散热器216、电连接器218、散热板221和散热器保持机构224。
如图3所示，ASIC 210电耦接到基板208的顶表面，并且光收发器212电耦接到基板208的底表面。基板208可以实现通过基板208从基板208的顶表面上的ASIC 210经由热传导通道209到基板208的底表面的热传导。可以通过系统板206的开口207(图4B)和MCMezz插座204的中心圆柱238(图4A)来冷却基板208的底面的中心部分。
在一个示例中，ASIC 210基本上布置在基板208的中心，并且光收发器212被布置到ASIC 210的侧面并且与ASIC 210横向间隔开。光连接器214耦接到每个光收发器，以将每个光收发器212光耦接到系统200。第二散热器216热耦接到每个光收发器212。每个第二散热器216可围绕每个光收发器212。在如图4B所示的一个示例中，光收发器212和相关联的光连接器214和第二散热器216布置在ASIC 210的四个侧面中的每一侧面上。
每个电连接器218与MCMezz插座204的电连接器234配合。每个电连接器218电耦接到基板208，以在MCMezz 202和系统200之间传送电信号，例如电力、管理信号和高速信号。在如图4B所示的一个示例中，MCMezz 202包括两个电连接器218，其中一个电连接器213在基板208的第一角中电耦接到基板208，而另一个电连接器218在基板208的与第一角相对的第二角中电耦接到基板208。
散热板221热耦接到ASIC 210的顶表面。在一个示例中，散热板221以ASIC 210为中心。第一散热器222热耦接到散热板221的顶表面。在一个示例中，第一散热器222以散热板221为中心。诸如螺钉或其它合适的紧固件的散热器保持机构224将第一散热器222机械地耦接到系统板206，并且可以保持MCMezz 202和MCMezz插座204之间的电和光耦接。
系统200包括系统板206和MCMezz插座204。MCMezz插座204机械地和电气地耦接到系统板206。如图4A所示，MCMezz插座204包括光连接器230、光缆232、电连接器234和支撑结构236。在一个示例中，MCMezz插座204还包括可拆卸的侧壁部分237。每个光连接器230与MCMezz 202的对应的光连接器214配合。每个光连接器230光耦接到对应的光缆232，以在系统200和MCMezz 202之间传送光信号。
每个电连接器234与MCMezz 202的对应的电连接器218配合。每个电连接器234电耦接到系统板206，以在系统200和MCMezz 202之间传送电信号，例如电力、管理信号和高速信号。
支撑结构236与MCMezz 202的基板208接触，并且可以利用安装在系统200中的MCMezz 202设置MCMezz 202和系统板206之间的间隔。在一个示例中，支撑结构236包括可拆卸的侧壁部分237，侧壁部分237可以从用于光缆管理和/或用于控制通过MCMezz插座204的气流路径的支撑结构236安装或移除。支撑结构236可以包括将MCMezz 202盲插到MCMezz插座204的对齐特征。
图5A示出了MCMezz 202的一个示例的顶部等距视图，图5B示出了底部等距视图。如前所述，MCMezz 202包括热耦接到ASIC的散热板221。如图5A所示，散热板221可以在基板208的顶面上以ASIC为中心。如图5B所示，MCMezz 202还可以包括热幕217。如下面将参考图6A和图6B进一步描述的，热幕217从基板208内的功率平面岛提取热量。热幕217可以布置在光收发器的下游空气流动路径中。
图6A示出了包括热幕217而移除了光连接器214和第二散热器216的MCMezz 202的一个示例的底部等距视图。图6B示出移除了散热板221和第一散热器222的MCMezz 202的一个示例的顶部等距视图。MCMezz 202包括基板208内的多个功率平面岛250，以使ASIC 210和光收发器212之间的基板208中的热传导最小化。在一个示例中，基板208包括用于ASIC210的基板208内的一个功率平面岛、用于每个光收发器212的基板208内的一个功率平面岛、以及用于每个电连接器218的基板208内的一个功率平面岛。在一个示例中，功率平面岛250是通过接地桥252彼此电耦接的接地平面。接地桥252在ASIC 210和每个光收发器212之间实现阻抗控制的高速信号耦接迹线(未示出)。
在该示例中，MCMezz 202包括两个热幕217，这两个热幕217包括与第一光收发器212相邻的第一热幕217和与第一光收发器相对的第二光收发器212相邻的第二热幕217。每个热幕217从基板208内的功率平面岛250转移和提取热量。每个热幕217可以布置在对应的光收发器212的下游空气流动路径中。尽管图5B示出了一个热幕，而图6A和图6B示出了两个热幕，但在其它示例中，MCMezz 202可以包括另外合适数量的热幕，每个热幕用于从基板208内的功率平面岛250转移和提取热量。
图7A-7D示出了诸如MCMezz 202的基板208(在图6A-6B中示出)的MCMezz的基板的示例层。MCMezz 202的基板208可以包括图7A-7D中未示出的另外的层。图7A示出了底部基板层300的一个实例。底部基板层300包括用于电耦接到光收发器芯片的光收发器焊盘302、用于电耦接到热幕的热幕触点304、用于电耦接到电连接器的电连接器焊盘306、用于从基板的功率平面岛提取热量的导热焊盘308、以及热槽310。热槽310是用于防止基板内的从ASIC向光收发器的热传导的、穿过基板层的物理空隙。
图7B示出了内基板层320的一个实例。内基板层320包括接地岛322和将接地岛322互相电连接的接地桥324。如先前参考图6B所描述和示出的，每个光收发器、每个电连接器和ASIC各自具有它们自己的接地岛322。如先前参考图7A所描述和示出的，内基板层320还包括热幕触点304和热槽310。
图7C示出了顶部基板层340的一个示例的顶视图。ASIC电耦接到基板的顶部基板层340和内层，并且散热板342热耦接到ASIC的顶表面。图7D示出了底部基板层360的一个示例的底视图。光收发器电耦接到基板的底部基板层360和内层。对应的光连接器362和散热器364耦接到每个光收发器。电连接器366电耦接到底部基板层360。热幕368热耦接到底部基板层360。
图8A和图8B示出了包括绝热垫的、诸如MCMezz 202的基板208的基板的示例层。图8A示出了包括多个绝热垫402的基板层400的一个示例。每个热绝缘垫402可包括石墨烯或另一种合适的绝热材料。每个绝热垫402布置在基板层400中并分别与每个光收发器的每个功率岛对齐。每个绝热垫402将每个相应的光收发器与ASIC热绝缘。图8B示出了包括绝热垫412的基板层410的一个示例。在该示例中，绝热垫412在基板的功率岛的上方延伸。绝热垫412可以包括石墨烯或另一种合适的绝热材料。绝热垫412将光收发器与ASIC热绝缘。
如本文所述的MCMezz可以提供对高功率和高热ASIC的更有效的冷却。例如，散热器可以独立于光收发器而针对ASIC进行优化，并且没有光缆阻挡到散热器的空气路径。MCMezz可以为温度敏感的光收发器提供更有效的冷却。例如，MCMezz的不同热区可以彼此隔离，以允许光收发器具有更高的终身可靠性。此外，更易于可靠地管理MCMezz下面的光缆。
此外，电力和/或地供应和管理信号可以由电连接器中更鲁棒和/或更厚的触点支撑。对于相同电流强度来说，与BGA和LGA型触点相比，较大的触点具有较低的电流密度，因此能够使用更少的电源和/或接地触点。低速管理信号可以容忍长时间的接触擦拭，从而当与光连接器配合时提供更可靠的连接。因为系统板不必路由来自MCMezz的全部或大量差分电信号，所以系统板可以使用较少的PCB层。由于迹线位于MCMezz内，所以可以在ASIC和光收发器之间使用具有最小信号调节特征的较低功耗串行器/解串器。可以为MCMezz和系统板独立地优化PCB材料。此外，通过允许在系统中使用不同的ASIC和相关的光收发器和光基础设施，MCMezz实现灵活的系统配置。
尽管这里已经示出和描述了具体的示例，但是在不脱离本公开的范围的情况下，各种替代和/或等效实现可以替代所示出和描述的具体示例。本申请旨在涵盖本文讨论的具体示例的任何修改或变化。因此，本公开旨在仅由权利要求及其等同物来限制。

Claims (4)

1.一种多芯片模块，包括：
具有第一面和与所述第一面相对的第二面的基板；
电耦接到所述基板的所述第一面的半导体芯片；
电耦接到所述基板的所述第二面的光收发器，其中所述基板进一步包括在所述基板的所述第二面上耦接到所述光收发器的光连接器；
热棒，所述热棒热耦接到所述基板的所述第二面、与所述半导体芯片相对，并且被配置为排出来自所述基板的热量并冷却所述半导体芯片；以及
在所述基板的所述第二面上耦接到所述半导体芯片的电连接器，其中所述光收发器在所述基板的所述第二面上相对于所述半导体芯片横向偏移，以提供空间用于将所述热棒放置在所述半导体芯片的正下方。
2.根据权利要求1所述的多芯片模块，进一步包括：
热耦接到所述基板的所述第一面上的所述半导体芯片的第一散热器；和
热耦接到所述基板的所述第二面上的所述光收发器的第二散热器。
3.根据权利要求1-2中任一项所述的多芯片模块，
其中，所述热棒热耦接到接地岛并且从所述基板的所述第二面延伸。
4.根据权利要求1所述的多芯片模块，进一步包括：
热耦接到接地岛并且从所述基板的所述第二面延伸的热幕。
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