CN110498384A - 包括热延伸层的微电子模块和其制造方法 - Google Patents

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Abstract

提供了包含热延伸层的高热性能微电子模块以及用于制造这种微电子模块的方法。在各个实施例中，所述微电子模块包括具有衬底正面和衬底背面的模块衬底。至少一个微电子装置，如带有射频电路系统的半导体管芯，安装到所述衬底正面。热耦合到所述微电子装置的嵌入衬底的散热器至少部分地包含在所述模块衬底内并且延伸到所述衬底背面。热延伸层定位在所述衬底背面附近，并且背离所述衬底背面延伸以终止于模块安装平面处。所述热延伸层包含散热器延伸部，所述散热器延伸部结合到所述嵌入衬底的散热器并且与所述嵌入衬底的散热器热连通。

Description

包括热延伸层的微电子模块和其制造方法
技术领域
本公开的实施例总体上涉及微电子学，并且更具体地说，涉及包含热延伸层的高热性能微电子模块以及用于制造这种微电子模块的方法。
背景技术
高功率微电子模块，如包含RF半导体管芯和其它电路系统的模块在模块操作期间经常易于产生过多热量。在不存在用于充分消散来自模块的热量的热解决方案的情况下，微电子模块内可能产生升高的局部温度或“热点”并且所述升高的局部温度或热点可能使模块性能降低。由制造商实施的现有热解决方案通常依赖于以某种方式增加模块衬底内的金属含量；例如，通过在模块衬底的主体内形成条形过孔或者通过在形成于模块衬底中的空腔内安装预制金属体，如铜币或铜块。这种热解决方案通常在一定限度内有效地增强包含发热装置的微电子模块的散热。尽管如此，但是微电子工业中仍持续需要进一步增强微电子模块的散热能力。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种微电子模块，所述微电子模块包括：
模块衬底，所述模块衬底具有衬底正面和衬底背面；
微电子装置，所述微电子装置安装到所述衬底正面；
嵌入衬底的散热器，所述嵌入衬底的散热器热耦合到所述微电子装置、至少部分地包含在所述模块衬底内并且具有与所述衬底背面平行的下表面；以及
热延伸层，所述热延伸层处于所述衬底背面附近并且背离所述衬底背面延伸以终止于模块安装平面处，所述热延伸层包括结合到所述嵌入衬底的散热器并且与所述嵌入衬底的散热器热连通的散热器延伸部。
在一个或多个实施例中，所述微电子模块进一步包括：嵌入衬底的端，所述嵌入衬底的端包含在所述模块衬底中并且具有与所述衬底背面平行的下表面；
其中所述热延伸层进一步包括结合到所述嵌入衬底的端的端延伸部，所述微电子装置通过所述嵌入衬底的端电耦合到所述端延伸部。
在一个或多个实施例中，所述端延伸部的厚度基本上等于所述散热器延伸部的厚度，如沿着与所述衬底背面正交的轴线所取得。
在一个或多个实施例中，所述模块衬底以及所述端延伸部中的至少一个端延伸部包括引线框架的单切部分。
在一个或多个实施例中，所述散热器延伸部包括：
主体，所述主体位于所述嵌入衬底的散热器下面，如沿着与所述衬底背面正交的第一轴线所取得；以及
至少一个翼，所述至少一个翼从所述主体侧向延伸以覆盖所述嵌入衬底的端中的至少一个嵌入衬底的端，如沿着与所述衬底背面正交的第二轴线所取得。
在一个或多个实施例中，所述微电子模块进一步包括：导热结合层，所述导热结合层将所述散热器延伸部结合到所述嵌入衬底的散热器。
在一个或多个实施例中，所述散热器延伸部由直接电镀到所述嵌入衬底的散热器上的金属材料构成。
在一个或多个实施例中，所述微电子模块进一步包括：电接地路径，所述电接地路径从所述微电子装置延伸、穿过所述嵌入衬底的散热器并且到达所述散热器延伸部。
根据本发明的第二方面，提供一种微电子模块，所述微电子模块包括：
模块衬底，所述模块衬底具有衬底正面和衬底背面；
微电子装置，所述微电子装置安装到所述衬底正面；
嵌入衬底的散热器，所述嵌入衬底的散热器处于所述模块衬底内、热耦合到所述微电子装置中的至少一个微电子装置并且具有与所述衬底背面平行的下表面；以及
嵌入衬底的端，所述嵌入衬底的端电耦合到所述微电子装置并且具有与所述衬底背面平行的下表面；以及
热延伸层，所述热延伸层包括：
多个端延伸部，所述多个端延伸部电附接到所述嵌入衬底的端、背离所述衬底背面延伸并且终止于基本平行于所述衬底背面的模块安装平面处；以及
散热器延伸部，所述散热器延伸部电附接到所述嵌入衬底的散热器并且从所述衬底背面延伸以终止于所述模块安装平面处。
在一个或多个实施例中，所述多个端延伸部中的至少一个端延伸部包括焊料覆盖触点，所述焊料覆盖触点包括：
内芯，所述内芯具有第一热导率；以及
外壳，所述外壳由焊料构成并且具有第二热导率，所述第二热导率小于所述第一热导率。
在一个或多个实施例中，所述多个端延伸部包括延伸到所述模块衬底的外围的杆柱。
根据本发明的第三方面，提供一种用于制造微电子模块的方法，所述微电子模块包括模块衬底和嵌入衬底的散热器，所述嵌入衬底的散热器至少部分地包含在所述模块衬底内并且具有与所述模块衬底的背面平行的下部主表面，并且所述方法包括：
提供热延伸层，所述热延伸层处于所述模块衬底的所述背面附近并且背离所述背面延伸以终止于模块安装平面处，所述热延伸层包括结合到所述嵌入衬底的散热器的所述下部主表面的散热器延伸部；以及
在提供所述热延伸层之前或之后，将至少一个微电子装置安装到所述模块衬底的正面，使得当所述散热器延伸部结合到所述微电子装置时，所述散热器延伸部被放置成通过所述嵌入衬底的散热器与所述微电子装置热连通。
在一个或多个实施例中，所述微电子模块进一步包括至少部分地包含在所述模块衬底中的嵌入衬底的端，并且其中所述方法进一步包括将所述热延伸层形成为包括通过所述嵌入衬底的端电耦合到所述微电子装置的端延伸部。
在一个或多个实施例中，所述端延伸部的厚度基本上等于所述散热器延伸部的厚度，使得所述端延伸部与所述散热器延伸部共同终止于所述模块安装平面处。
在一个或多个实施例中，提供所述热延伸层包括：
当所述散热器延伸部和所述端延伸部在引线框架中互连时，将所述散热器延伸部和所述端延伸部定位在所述模块衬底的所述背面附近；
分别将所述散热器延伸部和所述端延伸部结合到所述嵌入衬底的散热器和所述嵌入衬底的端；以及
在结合之后，单切所述引线框架以使所述散热器延伸部与所述端延伸部电隔离。
在一个或多个实施例中，所述方法进一步包括在所述热延伸层与所述模块衬底之间形成导热结合层，所述导热结合层将所述散热器延伸部附接到所述嵌入衬底的散热器。
在一个或多个实施例中，形成所述导热结合层包括：
在所述散热器延伸部与所述嵌入衬底的散热器之间的界面处涂覆烧结前体材料；以及
烧结所述烧结前体材料以产生烧结结合层，所述烧结结合层将所述散热器延伸部附接到所述嵌入衬底的散热器。
在一个或多个实施例中，所述方法进一步包括通过将金属材料电镀到所述嵌入衬底的散热器的所述下部主表面上来形成所述散热器延伸部。
在一个或多个实施例中，所述散热器延伸部包括：
主体，所述主体位于所述嵌入衬底的散热器的至少一部分下面，如沿着与所述衬底背面正交的第一轴线所取得；以及
至少一个翼，所述至少一个翼从所述主体侧向凸出以在所述嵌入衬底的端中的至少一个嵌入衬底的端下方延伸，如沿着与所述衬底背面正交的第二轴线所取得。
在一个或多个实施例中，所述方法进一步包括提供电接地路径，所述电接地路径从所述微电子装置延伸、穿过所述嵌入衬底的散热器并且到达所述散热器延伸部。
本发明的这些和其它方面将根据下文中所描述的实施例显而易见，且参考这些实施例予以阐明。
附图说明
下文将结合以下附图描述本发明的至少一个例子，在附图中，类似附图标记表示类似元件，并且：
图1是如根据本公开的示例性实施例所示出的系统衬底(部分示出)和高热性能微电子模块的等距视图，所述高热性能微电子模块包括被定位成抵靠并结合到系统衬底的预制热延伸层；
图2是图1中所示出的微电子模块的另外一个等距视图，所述微电子模块从模块背面呈现以更好地示出热延伸层；
图3是沿截面3-3(在图2中标识)截取的并且描绘有隐藏在视图之外的微电子装置的图1-2中所示出的微电子模块的横截面视图；
图4和5分别是被互连为多衬底条带或面板的多个模块衬底的正面视图和背面视图，所述多衬底条带或面板在用于并行地制造多个高热性能微电子模块的示例性方法期间被加工；
图6-8示出了如包含在图4-5中所示出的多衬底面板中并且在各个加工阶段期间示出的有限数量的互连模块衬底；
图9是如根据本公开的另外一个示例性实施例所示出的包括电镀热延伸层的高热性能微电子模块的横截面视图；并且
图10是标绘了将包含条形过孔的常规微电子模块的热性能与本文所描述的高热性能微电子模块的两个示例性实施方案的热性能进行比较的计算机模拟的结果的曲线图。
为了说明的简单和清晰起见，可以省略公知特征和技术的描述和细节，以避免不必要地模糊在随后的具体实施方式中描述的本发明的示例性和非限制性实施例。另外应理解的是，除非另有说明，否则附图中出现的特征或元件不一定按比例绘制。例如，附图中的某些元件或区域的尺寸可能相对于其它元件或区域被放大以提高对本发明实施例的理解。
具体实施方式
本文档中出现频率相对较低的缩略语在首次使用时定义，而在本文档中出现频率较高的缩略语定义如下。
Cu——铜；
PCB——印刷电路板；
RF——无线电频率；
MEMS——微机电系统；
SMD——表面贴装装置；
RF——无线电频率；以及
℃——摄氏度。
以下具体实施方式在本质上仅是示例性的并且不旨在限制本发明或者本发明的应用或用途。贯穿本文出现的术语“示例性的”与术语“例子”同义并且在下文中反复使用以强调以下描述仅提供本发明的多个非限制性例子并且不应被解释为在任何方面限制如权利要求中所述的本发明的范围。贯穿本文档出现的朝向术语，如“上部”、“下部”和“下方”是关于下文描述的模块衬底的正面和相对的背面而定义的。
定义
在整个本文档中，以下定义适用。此处或本文档中其它地方未明确定义的那些术语被赋予其在相关技术领域中的普通含义。
散热器延伸部——包含在热延伸层(在下文中定义)中、结合到嵌入衬底的散热器(也在下文中定义)并且与嵌入衬底的散热器热连通的导热结构。
金属材料——按重量百分比计，主要由金属成分构成的材料。
微电子装置——安装到模块衬底并且具有电子功能的任何小型装置或部件，无论在本质上是无源的还是有源的。微电子装置的非详尽列表包括：半导体管芯；传感器；RF天线结构；RF或电磁干扰(EMI)屏蔽结构；MEMS装置；以及呈离散电阻器、电感器、二极管和电容器形式的无源SMD，如芯片帽。
嵌入衬底的散热器——如整体式主体或复合结构等辅助通过模块衬底的散热并且基本上或完全嵌入在模块衬底中的导热结构。
导热——具有超过5瓦每米·开尔文(W/mK)的热导率。
热延伸层——定位于模块衬底的背面附近、总体上沿共同平面分布并且包括与如上文所定义的嵌入衬底的散热器热连通的至少一个结构(本文中，“散热器延伸部”)的任何数量的导热并且或许导电的结构。
概述
下文描述了包括热延伸层的高热性能微电子模块以及用于制造高热性能微电子模块的方法。如通过术语“高热性能”所指示的，下文描述的微电子模块包含增强由包含在给定模块内的微电子装置，如半导体(例如，RF)管芯和其它电路系统产生的过多热量的散热的独特结构或特征。这种结构将通常至少包括散热器延伸部，所述散热器延伸部包含在定位在模块衬底的背面附近的热延伸层中并且直接或间接结合到热延伸层。在实施例中，散热器延伸部可以结合到散热器的下部主表面，所述散热器嵌入模块衬底内并且具有与所述模块衬底的背面基本上共面的表面。在某些实施方案中，散热器延伸部可以通过例如以下直接结合到嵌入衬底的散热器：由直接沉积到嵌入衬底的散热器的暴露表面上的电镀材料(例如，电镀Cu)形成散热器延伸部。可替换的是，散热器延伸部可以以如引线框架的单切部件或离散放置的部件等通过导热材料结合到嵌入衬底的散热器的预制部件或零件的形式提供。
通过包括这种散热器延伸部，可以增加微电子模块的散热能力以促进将热流传导远离包含在模块内的一个或多个发热装置。另外，散热器延伸部和嵌入衬底的散热器可以协作或组合以形成高传导性热导管，所述热导管从模块衬底的上部(或许从衬底正面)延伸穿过衬底主体、穿过散热器延伸部并且到达模块的安装平面。因此，在模块操作期间产生的过多热量可以从模块内的一个或多个发热装置传导性地传递穿过嵌入衬底的散热器、穿过散热器延伸部并且到达微电子模块安装在其上的更大的系统衬底。最后，散热器延伸部以及更一般地说热延伸层可以是未封装的并且可以直接暴露于周围环境，以进一步促进来自模块的过多热量到周围环境的对流传递。由于这些原因，提供这种散热器延伸部可以有利地提高微电子模块的热性能。另外，散热器延伸部在至少一些实施例中可以是电活性的并且或许可以与嵌入衬底的散热器(以及可能地，其它电布线特征)协作以形成穿过模块衬底并且到达如带有RF电路系统的半导体管芯等安装到衬底正面的微电子装置的电接地路径。
在某些实施方案中，除了上述散热器延伸部之外，热延伸层还可以包括其它结构或特征，如多个导电接触桥或“端延伸部”。当包括在热延伸层中时，这种端延伸部可以接合到如接触焊盘等嵌入在模块衬底中的电气端。与嵌入衬底的端相反，端延伸部可以与散热器延伸部一起终止于共同平面处，所述共同平面在本文中被称为“模块安装平面”。这种结构配置允许将高热性能微电子模块安装到系统衬底并且与设置在系统衬底上的接触焊盘或其它端电互连，其方式与缺乏热延伸层的常规微电子模块基本上相同，由此使客户采用变得容易。在其它实施例中，热延伸层可以不包含端延伸部；例如，当利用如引线结合等不同的互连方法向包含在模块内的微电子装置供电、对所述微电子装置进行电接地和/或允许与所述微电子装置进行信号通信时，情况可能如此。现在将结合图1-9描述具有热延伸层的高热性能微电子模块以及用于制造微电子模块的方法的例子。
高热性能模块的示例性实施例
现在转到图1，示出了如根据本公开的示例性实施例所示出的系统衬底20(部分示出)的简化横截面视图，高热性能微电子模块22安装到所述系统衬底20。系统衬底20以概括性的方式描绘以强调微电子模块22可以与各种类型的系统衬底(没有限制)结合使用，条件是所选系统衬底能够支撑模块22并且或许充当散热器，从模块22提取的热量可以传导性地传递到所述散热器。衬底20有用地但非必须地包括互连线、金属迹线、接触或着陆焊盘和/或可以与模块22的端互连的其它导电布线特征(未示出)。再次，图1中仅示出了系统衬底20的有限部分，衬底20的未示出部分可能支撑任何数量和类型的另外的微电子装置、模块以及其它部件。
如上所述，系统衬底20可以采取适合于支撑微电子模块22的任何形式，如无芯衬底。在所示出的例子中，系统衬底20被实现为多层PCB并且因此在下文中被称为“PCB 20”。PCB 20可以包括任何实际数量的图案化的金属层或接线层，为了说明清楚，所述金属层或布线层在图1中隐藏于视图之外。通常，PCB 20将包括形成于PCB正面24上的至少一个图案化的金属层(layer/level)，所述金属层限定互连线(例如，Cu迹线)、接触焊盘和其它这种布线特征。可以在PCB 20的背面上形成另外的金属层或接线层，并且当PCB 20由多个层或层压体构成时，可以在PCB 20内形成任何实际数量的内部接线层。PCB 20还可以包含提供完全或部分穿过PCB 20的厚度的导电路径的多个电镀过孔、金属插塞或类似的导电结构；如本文出现的术语“厚度”是指沿着与模块衬底28的背面正交的轴线测量的尺寸(例如，在PCB 20的正面24与背面之间或者在模块22的正面24与背面之间延伸的尺寸)。在某些情况下，PCB 20还可以被形成为包括一个或多个充当散热器的导热结构，从微电子模块22提取的过多热量传导性地传递到所述散热器。这种可能性在图1中由虚线区域26表示，所述虚线区域26一般表示导热结构(例如，过孔场或导热块，如由Cu或另一种导热材料构成的硬币)，微电子模块22可以安装在所述导热结构上方。因此，在至少一些实施方案中，这种导热结构(例如，过孔场或硬币)既可以充当微电子模块22的散热器，又用于提供模块22内的装置的电接地。
微电子模块22包含模块衬底28、热延伸层30和多个微电子装置32、34。微电子装置32、34跨衬底正面36分布在各个位置处。微电子装置32、34可以利用任何类型的互连特征进行电互连，所述互连特征未在图1中示出以避免使附图混乱。这种互连结构将通常采取金属(例如，Cu)迹线和焊盘的形式，所述金属迹线和焊盘利用光刻和金属化过程形成于PCB正面24上。然而，可以等效地利用沿着衬底28以及或许装置32、34的表面适形地延伸的其它类型的互连特征，包括引线结合和/或三维打印的金属迹线(例如，如可以利用包含金属颗粒的墨水打印的)。微电子装置32、34互连的特定方式可以根据微电子模块22的期望功能而变化，模块22中包含的装置32、34的类型也是如此。通常，仅举几例，微电子装置32、34可以包括任何数量和类型的半导体管芯(例如，存储器管芯或专用集成电路(ASIC)管芯)、MEMS装置以及SMD，如离散或无源电容器(例如，芯片帽)、电感器、电阻器和二极管。在所描绘的实施例中，并且通过非限制性说明的方式，微电子装置32采取电路承载(例如，RF)半导体管芯的形式，而微电子装置34采取无源SMD的形式，如离散电容器、电阻器或电感器。
现在组合图1参考图2和3，将更详细地描述微电子模块22。关于第一衬底28，模块衬底28可以采取适合于支撑微电子装置32、34的任何形式，如PCB或无芯衬底。模块衬底28有用地包含电布线特征，如导电迹线；然而，这并非在所有实施例中都是必需的。在图1-3的示例性实施例中，具体地说，模块衬底28被实现为包含多个内部接线层或金属层的多层PCB。通过参考图3可以最容易地理解这一点，所述图3是沿着图2中的线3-3截取的模块22的横截面视图。因此，模块衬底28包括电介质主体46和多个金属层或接线层48(本文中也被称为“电布线特征”)，所述多个金属层或布线层48包含在主体46内、沿着模块22的中心线(平行于由图3中的坐标图例62标识的Y轴)间隔开并且通过电镀过孔、金属插塞或类似结构互连。因此，在所示出的实施例中，电介质主体46具有多层构造。电介质主体46可以由树脂、聚合材料(例如，聚酰亚胺或聚四氟乙烯(PTFE))和各种其它介电材料构成。
在图3中示出了安装到模块衬底28的正面36的微电子装置32之一。另外示出了结合线45，所述结合线45将所示装置32的结合焊盘电耦合到设置于衬底正面36上的对应触点。在至少一些实例中，如图3中通过虚线所示出的，微电子装置32和图1中所示出的其它微电子装置32、34可以被某种形式的外壳47围绕。在某些实施例中，外壳47可以采取包覆模制主体的形式，所述包覆模制主体由注射在模块衬底28上方的模制化合物(或其它可模制介电材料)构成。在其它实施例中，外壳47可以采取盒状结构的形式，所述盒状结构包括由盖子或封盖封闭的外围侧壁。因此，外围侧壁和盖子可以限定微电子装置32、34定位于其中的空气腔。而在其它实施例中，外壳47可以采取不同的形式或者可以从微电子模块22中省略。
如图3中另外示出的，嵌入衬底的散热器50包含在电介质主体46内。在某些实施例中，嵌入衬底的散热器50可以采取电镀金属体或块的形式，所述电镀金属体或块在用于连续形成接线层48的金属化过程期间逐层编辑。可替换的是，嵌入衬底的散热器50可以采取预制结构或离散零件的形式，所述预制结构或离散零件安装在设置于模块衬底28中的中心腔内并通过压入配合和/或利用合适的结合材料固定在适当位置。在后一种情况下，嵌入衬底的散热器50可以被制造成具有整体式结构、复合结构或分层结构。例如，在某些实施方案中，嵌入衬底的散热器50可以采取导热部件(例如，金属块)或细长热导管(例如，热管)的形式，所述导热部件或细长热导管利用导热结合材料，如下文描述的类型的烧结结合层附连在设置于衬底28中的所述一个或多个空腔内。对适合用作散热器50的导热结构的另外描述可以在以下文献中找到，所述文献通过引用并入：美国专利申请公开号2018/0153030，其标题为“具有烧结结合的散热结构的微电子模块和其制造方法(MICROELECTRONICMODULESWITH SINTER-BONDED HEAT DISSIPATIONSTRUCTURES AND METHODS FOR THE FABRICATIONTHEREOF)”并且于2016年11月19日提交美国专利及商标局(United States PatentandTrademark Office，USPTO)。
嵌入衬底的散热器50将通常由热导率超过电介质主体46的热导率的材料或材料组合构成，而无论其采取的特定形式如何。在许多情况下，嵌入衬底的散热器50将由金属材料，如Cu、铝(A1)或镍(Ni)及其合金构成。在其它实施例中，并且如上文简要提及的，嵌入衬底的散热器50可以由具有相对高的热导率的复合材料或非金属材料制成。这种材料包括但不限于金刚石聚碳酸酯材料、金刚石-金属复合材料(例如，金刚石金(Au)、金刚石银(Ag)和金刚石Cu)、热解石墨和含有碳的同素异形体的材料，如石墨烯和碳纳米管填充材料。在一个具体但非限制性的例子中，嵌入衬底的散热器50被形成为电镀金属块，所述电镀金属块的体积等于或大于模块衬底28的体积的一半。在其它实施例中，嵌入衬底的散热器50可以以不同的方式形成或提供和/或其体积可以小于衬底28的体积的一半。
如图2和3所示，微电子模块22另外包括多个接触焊盘或端52，所述接触焊盘或端52至少部分地嵌入在模块衬底28中并且在下文中被称为“嵌入衬底的端52”。与嵌入衬底的散热器50一样，嵌入衬底的端52暴露于衬底背面38处和/或基本上延伸到衬底背面38或基本上延伸到衬底背面38之外。嵌入衬底的端52可以具有与嵌入衬底的散热器50的下部主表面或背面66基本上共面的下部主表面。嵌入衬底的端52可以以各种不同的方式提供，包括以预制导电部件的形式提供，所述预制导电部件放置在期望位置处并且当利用包覆模制过程形成时被电介质主体46包围。可替换的是，当如图所示，模块衬底28采取多层PCB的形式时，嵌入衬底的端52可以在用于在模块衬底28内形成一个或多个下部金属层的金属化过程期间形成。在任一种情况下，嵌入衬底的端52可以通过包含在模块衬底28中的电布线特征或接线层48电耦合到微电子装置32、34。如图6中最佳示出的(在下文描述)，嵌入衬底的端52可以分布在嵌入衬底的散热器50的下部外围周围，同时在空间上偏离所述下部外围并且通过电介质主体46的中间部分电隔离。在其它实施例中，嵌入衬底的端52的空间分布可以变化，端52和/或散热器50的形状和尺寸也可以变化。
图案化的导热结合层54将热延伸层30接合到嵌入衬底的散热器50和嵌入衬底的端52。导热结合层54可按包括散热器接触部分56和多个端接触部分58的图案沉积或以其它方式涂覆。散热器接触部分56将散热器延伸部40结合到嵌入衬底的散热器50的下部主表面或背面66，而端接触部分58将端延伸部42结合到嵌入衬底的端52。然而，图案化的导热结合层54不需要将包含在热延伸层30中的所有结构附接到模块衬底28。在一些实施方案中，包含在热延伸层30中的结构中的一个或多个结构可以被赋予焊料面层(finish)，所述焊料面层回流以在部件之间形成期望接头。在图2中指示了这种可能性，在图2中，端延伸部44被描绘为焊料覆盖触点，所述焊料覆盖触点在微电子模块22的制造期间通过焊料回流而以电气和机械方式附接到对应的一对嵌入衬底的端52。端延伸部44各自可以采取焊料覆盖球形触点或球的形式，所述焊料覆盖球形触点或球各自包含具有第一热导率的内(例如，Cu或Au)芯(在图2中由虚线圆圈59表示)并且另外包含外壳，所述外壳由具有第二热导率的焊料材料构成，所述第二热导率小于第一热导率。而在其它实施例中，包含在热延伸层30中的所有结构可以通过焊料回流(无论是以浆料还是面层的形式涂覆)接合到模块衬底28。
导热结合层54可以由提供期望机械结合强度、同时具有相对高的热导率——例如超过30W/mK的热导率——的各种材料构成。另外，当用于提供电连接时，结合层54也有用地具有相对高的电导率。候选材料包括但不限于金属填充的(例如，Cu填充的、Au填充的和Ag填充的)环氧树脂、焊接材料(例如，沉积的焊膏)以及具有上述特性的其它管芯附接材料。在一组实施例中，按重量百分比(wt％)计，导热结合层54由主要由一种或多种金属成分构成的烧结金属材料形成。有利的是，当如此构成时，导热结合层54可以实现相对高的热导率并且可以利用低温烧结过程由含金属颗粒的前体材料形成。鉴于这些优点，下文中将主要把导热结合层54描述为“烧结结合层54”。然而，应再次强调的是，这种描述仅通过非限制性说明的方式提供，并且在替代性实施例中，结合层54可以由各种其它导热结合材料构成。
如上所述，如按wt％考虑，烧结结合层54可以主要由至少一种金属构成。在一个实施例中，再次，如按wt％考虑，烧结结合层54主要由Cu、Ag、Au或其混合物构成。烧结结合层54可以或可以不含有机材料。例如，在某些实施方案中，烧结结合层54可以基本上不含有机材料；如本文出现的，术语“基本上不含”被定义为含有少于1wt％的有机材料。在其它实施例中，烧结结合层54可以含有用于定制结合层54的性质的所选有机材料或填料。例如，在某些实例中，烧结结合层54可以含有环氧树脂或另一种有机材料。在一个实施方案中，烧结结合层54由热导率超过50W/mK，并且或许等于或超过约70W/mK的烧结金属(例如，Ag)材料构成。另外，烧结结合层54可以被产生为具有期望孔隙度，在一个实施例中，所述孔隙度的范围可以为0体积％到30体积％。在另一实施例中，烧结结合层54可以被形成为各自具有小于1体积％的孔隙度。
继续参考图1-3，散热器延伸部40和端延伸部42、44的相应下表面基本上共面并且因此共同终止于模块安装平面60处(图3)。模块安装平面60基本上平行于衬底背面38延伸，同时与衬底背面38偏离预定距离。延伸部40、42、44各自从模块背面38附近的点凸出到模块安装平面60。散热器延伸部40和端延伸部42、44具有基本相等的厚度，如沿着与衬底背面38正交的轴线测量的；也就是说，沿着与坐标图例62(图3)的Y轴平行的轴线测量的。在实施例中，散热器延伸部40和端延伸部42、44各自的厚度可以处于约1000微米(μm)到约100,000μm或更优选地400μm到40,000μm的范围内。在其它实施例中，延伸部40、42、44的厚度可以大于或小于前述范围，如下文结合图10更全面地讨论的。尽管如此，但是在所有实施例中，延伸部40、42、44不需要具有相等的厚度或不需要终止于共同安装平面处，并且可以补充更复杂的安装方案，在所述安装方案中，延伸部40、42、44中的一个或多个可以根据模块22与系统衬底20(图1)之间的界面而凸出到模块安装平面60之外。
如上文简要指出的，散热器延伸部40可以采取任何预制结构或部件的形式，所述预制结构或部件具有超过电介质体46的热导率的相对高热导率。在许多情况下，散热器延伸部40将拥有基本等于或大于嵌入衬底的散热器50的热导率的相对高热导率。通常，散热器延伸部40可以由具有相对高热导率，例如接近或超过50W/mK的热导率的金属材料、非金属材料或复合材料构成。合适的金属材料包括Al、Cu和Ni及其合金。合适的非金属材料和复合材料包括金刚石聚碳酸酯材料、金刚石-金属复合材料(例如，金刚石Au、金刚石Ag和金刚石Au)、热解石墨以及含有碳的同素异形体的材料，如石墨烯和碳纳米管填充材料。在图1-3中所示出的示例性实施例中，散热器延伸部40以预制结构的形式提供，并且具体地说，以引线框架的单切部件的形式提供。在所示出的例子中，端延伸部42同样以引线框架的单切部件的形式提供，如下文结合图8另外描述的。在其它实施例中，散热器延伸部40可以不以引线框架的单切部件的形式提供；并且相反可以采取离散的预制零件，如金属块或硬币的形式，如下文另外描述的。
在微电子模块22的至少一些实施例中，散热器延伸部40可以是电活性的。在这种实施例中，散热器延伸部40可以与嵌入衬底的散热器50以及或许微电子模块22的其它导电特征(例如，电布线特征48)组合以允许向任何数量的微电子装置32、34(图1)供电、对微电子装置32、34进行电接地和/或与微电子装置32、34进行信号通信。例如，在实施例中，可以提供从微电子装置32、34中的一个或多个起、穿过嵌入衬底的散热器50、穿过烧结结合层54的中心(散热器接触)部分56、穿过散热器延伸部40并且到达模块安装平面60的电接地路径。以此方式，微电子装置32、34中的一个或多个可以通过低电阻率电气通路耦合到接地，所述低电阻率电气通路主要由嵌入衬底的散热器50和散热器延伸部40形成。更具体地说，在一个非限制性实施方案中，微电子装置32可以采取带有RF电路系统的半导体管芯的形式，所述半导体管芯通过嵌入衬底的散热器50和散热器延伸部40电耦合到PCB 20的电接地特征(例如，如以过孔场、嵌入式硬币或压入配合硬币的形式提供的图1中所示出的虚线区域26中的导热结构)。
如图2中最清楚地示出的，图2示出了系统衬底20和热延伸层30，其中模块衬底28被移除，散热器延伸部40可以包括中心部分或主体64，所述中心部分或主体64的平面尺寸总体上对应于嵌入衬底的散热器50的下部主表面66(在图3中标识)的平面尺寸。散热器延伸部40还可以包括一个或多个外围凸出部或翼68，所述外围凸出部或翼68从主体64沿横向方向凸出；也就是说，沿着坐标图例62(图3)的X-Z平面凸出。当提供翼68时，翼68可以在嵌入衬底的端52中的所选端下面延伸，并且或许可以被放置成通过结合层54的端接触部分58与所述端电气和热连通。例如，在散热器延伸部40被电接地的实施例中，翼68可以在某些同样被电接地的嵌入衬底的端52下面延伸、结合到嵌入衬底的端52并且与嵌入衬底的端52电连通。另外或可替换的是，散热器延伸部40的一个或多个翼68可以在包括在嵌入衬底的端52中的非电活性或“虚设(dummy)”端下面延伸并且结合到所述端。翼68被有用地形成为增加散热器延伸部40的整体散热能力并且由此进一步提高模块22的散热能力。另外，在至少散热器延伸部40以引线框架的单切部件的形式提供的实施例中，可以将翼68用作初始地将延伸部40的主体64连接到较大引线框架的杆柱或系杆，如下文结合图8更全面地讨论的。在其它实施例中，如当散热器延伸部40以离散放置的部件(而不是以引线框架形式)的形式提供时，散热器延伸部40可以缺少翼68。
嵌入衬底的散热器50和散热器延伸部40的最大厚度在图3中分别用双头箭头T1和T2表示。当以预制结构的形式提供时，散热器延伸部40可以被赋予的最大厚度等于或大于嵌入衬底的散热器50的厚度，使得在某些实例中，T1＜T2。在其它实施例中，散热器延伸部40可以比散热器50薄。通过非限制性例子的方式，在实施例中，嵌入衬底的散热器50的最大厚度(T1)的范围可以介于8毫米(mil)与50mil之间，而散热器延伸部40的最大厚度(T2)的范围介于2mil与100mil之间。在又其它实施方案中，散热器50和/或散热器延伸部40可以比前述范围厚或薄。相比而言，模块衬底28的最大厚度(在图3中由双头箭头T3标识)将通常大于或等于散热器50的最大厚度(T1)，这取决于散热器50是否延伸穿过整个衬底28以破坏衬底正面36和衬底背面38。最后，在示例性实施例中，烧结结合层54的厚度(由双头箭头T4标识)的范围可以介于5μm与100μm之间。
提供散热器延伸部40以及更一般地热延伸层30可以有利地以多种方式提高微电子模块22的散热能力。第一，总体而言，散热器延伸部40提高微电子模块22的整体散热能力，以使热梯度更均匀地分布于模块22上。第二，并且如之前所述，散热器延伸部40和嵌入衬底的散热器50协作或组合以形成高传导性热导管，所述高传导性热导管从模块衬底28的上部延伸穿过电介质主体46、穿过散热器延伸部40并且到达模块安装平面60。因此，当安装到系统衬底20(图1)时，由微电子装置32、34(图1)产生的过多热量可以传导性地传递穿过嵌入衬底的散热器50、穿过散热器延伸部40并且到达衬底20，以便以高效方式去除来自模块22的过多热量。第三，如图1-3所示，可以使热延伸层30处于未封装状态并且直接暴露于周围环境，以进一步促进将来自模块22，具体地说来自散热器延伸部40的过多热量对流传递到周围环境。如果期望的话，可以通过引导强制气流通过或以其它方式冷却热延伸层30来进一步促进这种对流热传递。通过更有效地移除或消散来自模块22的过多热量，微电子装置32、34可以以更高的功率水平操作，而几乎不会产生性能下降。这是非常令人期望的，特别是当微电子装置32、34提供高功率RF功能时。
微电子模块制造方法的例子
现在将结合图4-8描述用于制造图1-3中所示出的微电子模块22的示例性制造过程以及多个相同模块。如果期望的话，可以加工多衬底面板以并行地产生多个微电子模块22，从而提高过程效率。在图4和5中示出了这种多衬底面板70的例子，所述图4和5分别示出了面板70的正面和背面。在这个例子中，多衬底面板70具有带状形状因数并且包含多个模块衬底28，所述多个模块衬底28在当前制造时刻被连接并且被布置成两个栅格72。为了便于描述，下文将重点关注对包含在分别出现在图4和5中的虚线矩形74中的四个互连模块衬底28的加工。然而，应当理解的是，将跨面板70全局地对所有互连模块衬底28执行下文描述的过程步骤，以产生相对大量的微电子模块22。此外，在其它实施例中，所描绘的微电子模块可以单独制造或利用不同的制造方法制造。此外，下文描述的过程步骤仅通过非限制性例子的方式提供。在替代性实施方案中，可以以替代性顺序执行下文描述的过程步骤、可以省略某些步骤并且可以将各种其它过程步骤引入到所述制造过程中。
参考图6，示出了在附接热延伸层30之前的包括在多衬底面板70(图3-4)中的四个模块衬底28的背面38。此处，可见，通过互连衬底28的相应背面38可以看到嵌入衬底的散热器50和嵌入衬底的端52的下部主表面。另外，图6中标识了多个交叉锯道(saw lane)76。如下文所讨论的，多衬底面板70和下文描述的延伸层引线框架可以在单切期间沿锯道76切割或以其它方式分离，以将微电子模块22分离成离散单元。在图6中，并且也在图7-8中，撇号(`)被附加到指定处于未完成状态或过渡状态的结构元件或项目的那些附图标记。例如，在图6-8中的每个图中，所示出的微电子模块以部分完成的状态示出并且因此利用附图标记“22`”来标识。
前进到图7，结合层前体材料54`(由点画表示)涂覆在嵌入衬底的散热器50和嵌入衬底的端52的暴露表面上。在所示出的例子中，结合层前体材料54`以包括散热器接触部分56`的预定图案沉积到面板70上，所述散热器接触部分56`沉积到嵌入衬底的散热器50上；所述端接触部分58`沉积到嵌入衬底的端52上。结合层前体材料54`可以由管芯附接环氧树脂、焊膏、管芯附接材料或可以被加工(例如，通过热固化或紫外线固化)以产生上文所讨论的类型的导热结合层的另一这种材料构成。例如，在实施例中，结合层前体材料54`可以以干燥状态以例如薄膜或B阶环氧树脂的形式涂覆。可替换的是，在其它实施例中，可以利用湿态涂覆过程，如丝网印刷或细针分配以期望图案沉积结合层前体材料54`。作为仍另外的可能性，反而可以通过浸渍、图案化分配(例如，丝网印刷)、以干膜的形式或利用另一种方法将结合层前体材料54`涂覆到下文描述的延伸层引线框架的合适表面；并且，然后当引线框架被定位抵靠多衬底面板70时，可以使结合层前体材料54`与嵌入衬底的散热器50和嵌入衬底的端52的暴露表面接触，如下文所述。
转到图8，接下来将延伸层引线框架78(部分示出)定位在多衬底面板70上方并且抵靠多衬底面板70。延伸层引线框架78包含多个热延伸层30，所述多个热延伸层30通过被称为“系杆80”的中间框架状结构互连。具体地说，如图8所示，在单切引线框架78之前，系杆80物理地连接到端延伸部42并且通过散热器延伸部40的翼连接到散热器延伸部40。在另外的实施例中，延伸层引线框架78可以具有各种其它形状因数，这取决于模块22`的设计。此外，在某些实施方案中，延伸层引线框架78可以用于仅提供包括在热延伸层30中的特征的子集。例如，如图8所示，包括在热延伸层30中的端延伸部44(例如，焊料覆盖球)可以具有焊料面层并且独立于引线框架78放置；例如，利用拾放工具或固定装置，如具有用于收纳和定位端延伸部44以及或许散热器延伸部40的开口的模板来放置。此外，在结合层前体材料54`由含金属颗粒的前体材料构成的实施例中，如下所述，可以利用一般过程来回流延伸部44的焊料面层，同时还对前体材料54`执行低温烧结。在又另外的实施例中，嵌入衬底的散热器50和嵌入衬底的端52同样可以以离散放置的部件或零件的方式提供，而不是以较大引线框架的一部分的形式提供。
在将延伸层引线框架78定位成抵靠结合层前体材料54`之后，可以根据需要使前体材料54`经历固化。如本文出现的，烧结过程被认为是一种类型的“固化”，涉及施加热量、压力和/或特定波长的光的用于将材料加工成其最终形式或组合物的其它技术(包括焊料回流)也一样。因此，在结合层前体材料54`是含金属颗粒的糊浆的实施例中，可以执行低温烧结过程以将前体材料54`转化为烧结结合层54。将在下文中描述这种低温烧结过程的例子，并且可以在以下文献中找到对这种烧结过程的另外的讨论，所述文献在此通过引用并入：美国专利申请序号15/832,479，其标题为“具有集成散热柱的微电子部件、包括所述部件的系统和其制造方法(MICROELECTRONIC COMPONENTS HAVING INTEGRATED HEATDISSIPATION POSTS，SYSTEMS INCLUDING THE SAME，AND METHOD S FOR THE FABRICATIONTHEREOF)”并且于2017年12月5日提交USPTO。
如上文所述，在实施例中，结合层前体材料54`可以是烧结前体材料。在这种实施例中，烧结前体材料可以以各种不同的方式涂覆，包括湿态和干态涂覆技术二者。合适的湿态涂覆技术包括但不限于丝网印刷或镂空版印刷、刀片刮抹、喷涂、浸渍和细针分配技术。当采用湿态涂覆技术时，可流动的或湿态涂层前体材料初始地通过例如独立生产或从第三方供应商购买而获得。除了金属颗粒(在下文描述)之外，湿态涂层前体材料还包含其它成分(例如，溶剂和/或表面活性剂)以促进湿凝固涂覆、调整前体材料的粘度、防止金属颗粒过早结块或实现其它目的。在一个实施例中，湿态涂层前体材料含有金属颗粒与粘合剂(例如，环氧树脂)、分散剂和稀释剂或液体载体的组合。可以调整涂层前体材料中包含的溶剂或液体载体的体积，以针对所选湿态涂覆技术定制前体材料的粘度。例如，在通过丝网印刷或刀片刮抹涂覆前体材料的实施例中，涂层前体材料可以含有足够的液体以产生糊浆、浆料或涂料。在涂覆湿态涂层材料之后，如果需要，可以进行干燥过程以从烧结前体材料中去除过多液体。
在另外的实施例中，可以利用干态涂覆技术来涂覆烧结前体材料。例如，可以采用薄膜转移过程将前体材料涂覆到合适的部件表面。在这方面，首先可以通过例如初始地将一种或多种烧结前体材料沉积(例如，丝网印刷或以其它方式分配)到临时衬底或载体，如塑料(例如，聚对苯二甲酸乙二醇酯)带背衬上来制备干膜。可以以湿的可流动状态将烧结前体材料涂覆到载体，并且然后对所述烧结前体材料进行加热或以其它方式干燥以产生干膜，所述干膜转移到合适的封装部件表面。然后，施加热量、压力或热量和压力两者以将含金属颗粒的前体层(干膜)粘附到适当的部件表面。然后，可以通过物理去除(例如，剥离)或通过溶解在化学溶剂中来去除载体(例如，带背衬)。然后，可以根据情况重复此过程以将另外的烧结前体材料涂覆到其它部件表面。而在另外的实施例中，可以在堆叠或堆积期间简单地将一个或多个独立薄膜定位在微电子模块部件之间(在本文档的上下文中也被考虑为“薄膜转移”)。
分散在烧结前体材料内的金属颗粒可以具有使颗粒能够按照下文描述的烧结过程形成基本上一致的粘合层的任何组成、形状和大小。在一个实施例中，烧结前体材料包含Au、Ag或Cu颗粒或其混合物。在另一个实施例中，包含在前体材料内的金属颗粒基本上由Ag或Cu颗粒组成。包含在前体材料内的金属颗粒可以或可以不涂有有机材料。例如，在一些实施方案中，金属颗粒可以涂有有机分散剂，所述有机分散剂防止颗粒之间的物理接触以抑制过早结块或颗粒烧结。当存在任何这种有机颗粒涂层时，可以在下文描述的金属烧结过程期间将其完全或部分烧掉或热分解。而在另外的实施例中，可以在模块制造过程期间使用其它经得起低温烧结的材料系统，无论是目前已知的还是稍后开发的。
包含在前体材料内的金属颗粒可以具有任何形状或形状组合，包括但不限于球形、长方形以及薄片或薄层形状。金属颗粒的平均尺寸将结合颗粒形状和过程参数而变化。然而，通常，在一个实施例中，金属颗粒的平均最大尺寸(例如，当为球形时，金属颗粒的直径；或者当为长方形时，金属颗粒的长轴)可以介于约100μm与约10纳米(nm)之间。在其它实施例中，金属颗粒的平均最大尺寸可以大于或小于上述范围。在某些实施方案中，前体材料内可以存在平均最大尺寸处于纳米和微米范围内的金属颗粒的混合物。在其它实施方案中，烧结前体材料内仅可以包含纳米颗粒(即，平均最大尺寸介于1nm与1000nm之间的颗粒)。作为具体但非限制性的例子，在一个实施例中，前体材料可以包含Ag、Au或Cu纳米颗粒或微米级颗粒中的至少一种，其中Ag或Cu纳米颗粒是优选的。
如上所述，在涂覆烧结前体材料之后，执行低温烧结过程以产生期望的金属烧结层。低温烧结过程可以在适合于将烧结前体材料转化为金属烧结层的任何过程条件下进行，注意，可能发生前体材料在某种程度上扩散到微电子模块的接触部件中。因此，烧结结合过程有利地在结合接头界面处形成低应力的机械鲁棒的固态冶金扩散结合。可以在有压力或没有压力、有加热或没有加热(尽管通常将施加一定程度的高热量)以及在任何适当的大气中(例如，露天或存在如氮气等惰性气体的情况下)执行烧结过程。作为重点，烧结过程在最大加工温度(TMAx)下进行，所述最大加工温度低于包含在前体材料内的金属颗粒的熔点。实际上，在许多实施例中，根据绝对温标(以开尔文为单位)考虑，TMAx将显著小于金属颗粒的熔点并且或许小于颗粒熔点的一半。通常，TMAx将大于室温(本文中考虑为20℃)且小于300℃。相比而言，处于纳米或微米大小范围内的Ag、Au和Cu颗粒的熔点的范围将通常介于约950℃到1100℃之间。为了提供仍另外的例子，在一个实施例中，TMAX可以介于约170℃与300℃之间。而在另外的实施例中，TMAX可以大于或小于前述范围，条件是TMAX(结合其它过程参数)足以引起金属颗粒的烧结而不会使金属颗粒液化。
在烧结过程期间可以采用多级加热时间表。在这种情况下，多级加热时间表可能需要在第一时间段内将处于部分制造状态的微电子模块22加热到小于TMAX的第一温度(T1)，将温度过程逐渐升高或斜升到TMAX，并且然后保持TMAX持续第二时间段。随后可以是冷却期。在一个实施例中，并且仅通过非限制性例子的方式，T1的范围可以为约100℃到200℃，而TMAX大于T1并且其范围为约170℃到280℃。如下文所讨论的，所采用的过程参数可以或可以不受控制，以在烧结过程期间从烧结前体材料中完全分解任何有机材料。
在微电子模块制造方法的至少一些实施方案中，在烧结过程期间跨部分制造的微电子模块施加受控的会聚压力或压缩力。当施加会聚压力时，会聚压力可以以基本恒定的力的形式递送，或者相反，可以根据基于时间或者基于温度的时间表而变化。可以利用任何适当的机构施加期望的会聚压力，包括大型配重、弹性偏置装置(例如，弹簧加载的活塞或销)、夹具、液压机等。所施加的压力可以基于各种因素选择，包括金属烧结层的期望最终厚度、金属烧结层的期望孔隙度以及烧结前体材料的组成。在一个实施例中，并且仅通过非限制性例子的方式，在烧结过程期间施加范围介于约0.5与约20兆帕(Mpa)之间的最大压力(PMAX)。在其它实施例中，如果在烧结过程期间施加压力，则PMAX可以大于或小于上述范围。
在将热延伸层30结合到模块衬底28之后，执行单切以将微电子模块22`分离成单独的单元。如上文所指出的，可以通过沿着锯道76(图6和7)引导合适的切割工具(例如，切割锯)来执行单切，以将多衬底面板70分离成单独的衬底28并且切断散热器延伸部40、端延伸部42和系杆80之间的连接。这进而产生散热器延伸部40与端延伸部42之间的电隔离，所述散热器延伸部40与端延伸部42可以包括延伸到每个模块22的外围的杆柱。有利地，在面板单切之前执行微电子装置32、34(图1)的附接和互连，但是这并非在所有实施例中都是必需的。最终结果是与图1-3中所示出的微电子模块类似或基本相同的如前文所描述的多个完成的微电子模块22。
包括热延伸层的微电子模块的替代性实施例
图9是如根据本公开的另外一个示例性实施例所描绘的高热性能微电子模块90的横截面视图。在许多方面，微电子模块90类似于上文结合图1-8所描述的模块22。例如，与微电子模块22一样，高热性能微电子模块90包括模块衬底92，任何数量和类型的微电子装置可以安装到所述模块衬底92并且用模块衬底92的布线特征互连到所述模块衬底92。在这方面，如半导体管芯等微电子装置93可以附接到衬底92并利用结合线95电互连。微电子模块90还可以包含任何实际数量和类型的另外的微电子装置，所述另外的微电子装置在图9的横截面中隐藏于视图之外。在至少一些实施方案中，可以另外提供外壳97(例如，限定空气腔的包覆模制主体或有盖容器)以容纳微电子装置93和包含在微电子模块90中的任何其它装置。
模块衬底92采取PCB的形式，所述PCB包括包含在电介质主体96中的多个金属层或接线层94。在电介质主体96的中心部分中再次设置有嵌入衬底的散热器98，并且再次设置有围绕散热器98的下部外围间隔开的多个嵌入衬底的端100。与前文中的情况一样，热延伸层102定位在模块衬底92的背面104附近并且结合到所述背面104。具体地说，热延伸层102包括结合到嵌入衬底的散热器98的下部主表面的散热器延伸部106，所述下部主表面与模块衬底92的背面104基本上共面。另外，热延伸层102包括端延伸部108，所述端延伸部108结合到嵌入衬底的端100的下表面。再次，延伸部106、108具有基本相等的厚度并且从衬底背面104附近的点延伸以终止于模块安装平面110处。
与微电子模块22(图1-3)的热延伸层30相反，热延伸层102的结构通过将导热材料沉积在嵌入衬底的散热器98和嵌入衬底的端100的暴露于模块衬底92的背面104处的表面上方而产生。在一个实施例中，基本上由Cu组成或含有Cu作为主要成分的合金被电镀在散热器98和端100的暴露表面上方。延伸部106、108被电镀或以其它方式沉积的特定厚度将因实施例而不同，但在一个非限制性的例子中，所述厚度的范围可以介于5mil与20mil之间。因此，电镀的热延伸层102可以以与上文结合图1-3所描述的方式类似的方式提高微电子模块90的排热能力。此外，还可以组合上述方法以产生高热性能微电子模块的另外的实施例。例如，在又其它实施例中，可以通过初始地将呈散热器延伸部和/或端延伸部的形式的预制结构附接到模块衬底92来产生热延伸层102，并且然后，如果期望的话，可以在所述热延伸层102上方形成一个或多个电镀层。相反，可以通过以下形成热延伸层102：首先电沉积图案化的电镀层，如图9所示，并且然后以上文所述的方式利用导热结合层将一个或多个预制结构附接到新沉积的电镀层。
结论
因此，前文提供了包括热延伸层的高热性能微电子模块以及用于制造高热性能微电子模块的方法。如上所述，微电子模块包含增强由包含在给定模块内的微电子装置，如半导体(例如，RF)管芯和其它电路系统产生的过多热量的散热的独特结构或特征。这种结构将通常包括至少一个散热器延伸部，所述散热器延伸部包含在定位在模块衬底的背面附近的热延伸层中并且直接或间接结合到热延伸层。因此，提供散热器延伸部提高了微电子模块的整体散热能力。另外，散热器延伸部以及更一般地说热延伸层可以是未封装的并且因此可以直接暴露于周围环境，以进一步促进来自模块的过多热量到周围环境的对流传递。这进而允许显著提高微电子模块的整体热性能，而制造成本和模块厚度仅适度增加。
执行了计算机模拟，所述计算机模拟展示了通过高热性能微电子模块的实施例可能实现的热性能提高。在图10中以图形方式阐述了一个这种计算机模拟的结果。系统热阻沿横坐标(纵轴)标绘并且表示为与穿过包含条形过孔的常规衬底的基线热流度量(由迹线112表示)相比的，系统范围的热阻(以摄氏度每瓦特为单位测量)的降低的百分比。在这个例子中，另外在图10中沿纵坐标(横轴)标绘了PCB厚度，并且所述PCB厚度的范围为2mil到3.5mil。作为第一比较点，对于由Cu构成、厚度为5mil厚度并且通过Ag烧结层附接到嵌入衬底的散热器的散热器延伸部，实现了约10％到约11.5％的系统热阻率降低(由迹线114表示)。相比而言，作为第二、第三和第四点，示例性模拟表明，对于相同的散热器延伸部配置，但厚度分别为20mil、35mil和50mil，看到了约16％到约20％的系统热阻降低。因此，可以看出，超过约50mil的散热器延伸厚度增加提供相对少的系统热阻率降低。因此，在一个实施例中，散热器延伸部以及更一般地热延伸层可以被赋予范围为5mil到50mil(包括端值)的厚度，并且更优选地，范围为5mil到20mil(包括端值)的厚度。在其它实施例中，散热器延伸部和热延伸层可以比前述范围厚或薄。
如上所述，包含在热延伸层中的各种结构可以以离散预制部件的形式提供，或者相反可以利用例如电镀过程来沉积。当采取预制部件的形式时，热延伸层的结构便利地但不一定初始地以引线框架形式提供。散热器延伸部还可以以引线框架形式提供，而端延伸部(如果包括在热延伸层中)以离散部件或结构的形式提供。在后一方面，端延伸部可以以离散放置的部件的形式提供，所述离散放置的部件具有任何期望形状(例如，杆、立方体或球体)并且利用合适的导电结合材料结合到嵌入衬底的端的暴露表面。例如，当端延伸部(以及可能地，散热器延伸部)以离散结构的形式提供时，端延伸部可以具有可焊接表面(以及或许，焊料镀层)，所述可焊接表面通过焊接接合到嵌入衬底的端的暴露表面。可以利用具有与端延伸部的期望空间布置相对应的开口的模板来改进端延伸部的放置，但是如果期望的话，也可以执行延伸部的单独放置(例如，利用拾放工具)。在一种方法中(其在图2-3中一般性地示出)，端延伸部44可以通过由焊料构成的层部分58接合到嵌入衬底的端或接触焊盘52，而散热器延伸部40通过由烧结(例如，Ag)材料构成的层部分56接合到嵌入衬底的散热器50。这种方法提供了温度能力优势(通常避免可能限制最大焊接温度的焊接疲劳问题)和提高的热导率。
在一个实施例中，上述微电子模块包括：模块衬底，所述模块衬底具有衬底正面和衬底背面；以及微电子装置，所述微电子装置安装到所述衬底正面。嵌入衬底的散热器热耦合到所述微电子装置、至少部分地包含在所述模块衬底内并且具有与所述衬底背面基本平行的下部主表面。例如，所述嵌入衬底的散热器延伸到所述衬底背面之外、相对于所述衬底背面凹进一定量或延伸到所述衬底背面(在这种情况下，所述散热器的所述下部主表面可以与所述衬底背面基本上共面)。所述微电子模块另外包含热延伸层，所述热延伸层定位于所述衬底背面附近并且背离所述衬底背面延伸以终止模块安装平面。所述热延伸层包括散热器延伸部，所述散热器延伸部结合到所述嵌入衬底的散热器并且被放置成与所述嵌入衬底的散热器热连通。在某些实施例中，所述散热器延伸部可以包括主体，一个或多个翼从所述主体侧向延伸以例如覆盖包含在所述模块衬底中的一个或多个嵌入衬底的端。在这种实施例中，所述一个或多个翼可以电耦合到所述嵌入衬底的端，可能地其中所述嵌入衬底的端和所述散热器延伸部耦合到电接地。在其它实施方案中，所述散热器延伸部可以不包括任何这种翼。
在另一实施例中，所述微电子模块包括：模块衬底，所述模块衬底具有衬底正面和衬底背面；微电子装置，所述微电子装置以安装到所述衬底正面；以及嵌入衬底的散热器，所述嵌入衬底的散热器至少部分地包含在所述模块衬底内、热耦合到所述微电子装置中的至少一个微电子装置并且具有与所述衬底背面平行(并且或许共面)的下部主表面。嵌入衬底的端电耦合到所述微电子装置并且同样具有与所述衬底背面平行(并且或许共面)的下部主表面。例如，在实施例中，所述嵌入衬底的散热器和所述嵌入衬底的端各自可以延伸到所述衬底背面。热延伸层包括多个端延伸部和散热器延伸部。所述端延伸部电附接到所述嵌入衬底的端并且背离所述衬底背面延伸以终止于基本平行于所述衬底背面的模块安装平面处。所述散热器延伸部电附接到所述嵌入衬底的散热器、背离所述衬底背面延伸以终止并且进一步终止于所述模块安装平面处。在某些实施方案中，所述多个端延伸部中的至少一个端延伸部采取焊料覆盖触点的形式，所述焊料覆盖触点包括(i)内芯，所述内芯具有第一热导率；以及(ii)外壳，所述外壳由焊料构成并具有第二热导率，所述第二热导率小于所述第一热导率。
另外提供了用于制造微电子模块的方法。根据这种方法产生的微电子模块可以包括模块衬底和嵌入衬底的散热器，所述嵌入衬底的散热器至少部分地包含在所述模块衬底内并且具有与所述模块衬底的下部主表面或背面基本平行(并且或许共面)的下部主表面。在各个实施例中，所述方法包括提供热延伸层，所述热延伸层处于所述模块衬底的所述背面附近并且背离所述背面延伸以终止模块安装平面。所述热延伸层包含散热器延伸部，所述散热器延伸部结合到所述嵌入衬底的散热器的所述下部主表面。在提供所述热延伸层之前或之后，将至少一个微电子装置安装或附接到所述模块衬底的正面，使得当所述散热器延伸部结合到所述微电子装置时，所述散热器延伸部被放置成通过所述嵌入衬底的散热器与所述微电子装置热连通。
虽然前述具体实施方式已经呈现了至少一个示例性实施例，但是应理解的是，存在大量变体。还应理解的是，所述一个或多个示例性实施例只是例子并且不旨在以任何方式限制本发明的范围、适用性或配置。相反，前述具体实施方式将为本领域的技术人员提供用于实施本发明的示例性实施例的便捷路线图。应理解的是，可以在不背离所附权利要求中所阐述的本发明的范围的情况下对示例性实施例中描述的元件的功能和布置做出各种改变。
如在前述具体实施方式中出现的，如“包括(comprise/include)”、“具有(have)”等术语旨在覆盖非排他性包括，使得包括一系列元件的过程、方法、物品或设备不一定限于那些元件，而是可以包括未明确列出的或这种过程、方法、物品或设备固有的其它元件。如本文中另外出现的，如“在......上方”，“在......下方”，“在......上”等术语用于指示两个结构元件或层之间的相对位置并且不一定表示结构元件或层之间的物理接触。因此，第一结构或层可以被描述为制造于第二结构、层或衬底“上方”或“上”，而不表示第一结构或层必然接触第二结构、层或衬底，由于例如存在一个或多个中间层。

Claims (10)

1.一种微电子模块，其特征在于，所述微电子模块包括：
模块衬底，所述模块衬底具有衬底正面和衬底背面；
微电子装置，所述微电子装置安装到所述衬底正面；
嵌入衬底的散热器，所述嵌入衬底的散热器热耦合到所述微电子装置、至少部分地包含在所述模块衬底内并且具有与所述衬底背面平行的下表面；以及
热延伸层，所述热延伸层处于所述衬底背面附近并且背离所述衬底背面延伸以终止于模块安装平面处，所述热延伸层包括结合到所述嵌入衬底的散热器并且与所述嵌入衬底的散热器热连通的散热器延伸部。
2.根据权利要求1所述的微电子模块，其特征在于，所述微电子模块进一步包括：嵌入衬底的端，所述嵌入衬底的端包含在所述模块衬底中并且具有与所述衬底背面平行的下表面；
其中所述热延伸层进一步包括结合到所述嵌入衬底的端的端延伸部，所述微电子装置通过所述嵌入衬底的端电耦合到所述端延伸部。
3.根据权利要求2所述的微电子模块，其特征在于，所述端延伸部的厚度基本上等于所述散热器延伸部的厚度，如沿着与所述衬底背面正交的轴线所取得。
4.根据权利要求2所述的微电子模块，其特征在于，所述模块衬底以及所述端延伸部中的至少一个端延伸部包括引线框架的单切部分。
5.根据权利要求2所述的微电子模块，其特征在于，所述散热器延伸部包括：
主体，所述主体位于所述嵌入衬底的散热器下面，如沿着与所述衬底背面正交的第一轴线所取得；以及
至少一个翼，所述至少一个翼从所述主体侧向延伸以覆盖所述嵌入衬底的端中的至少一个嵌入衬底的端，如沿着与所述衬底背面正交的第二轴线所取得。
6.根据权利要求1所述的微电子模块，其特征在于，所述微电子模块进一步包括：导热结合层，所述导热结合层将所述散热器延伸部结合到所述嵌入衬底的散热器。
7.根据权利要求1所述的微电子模块，其特征在于，所述散热器延伸部由直接电镀到所述嵌入衬底的散热器上的金属材料构成。
8.根据权利要求1所述的微电子模块，其特征在于，所述微电子模块进一步包括：电接地路径，所述电接地路径从所述微电子装置延伸、穿过所述嵌入衬底的散热器并且到达所述散热器延伸部。
9.一种微电子模块，其特征在于，所述微电子模块包括：
模块衬底，所述模块衬底具有衬底正面和衬底背面；
微电子装置，所述微电子装置安装到所述衬底正面；
嵌入衬底的散热器，所述嵌入衬底的散热器处于所述模块衬底内、热耦合到所述微电子装置中的至少一个微电子装置并且具有与所述衬底背面平行的下表面；以及
嵌入衬底的端，所述嵌入衬底的端电耦合到所述微电子装置并且具有与所述衬底背面平行的下表面；以及
热延伸层，所述热延伸层包括：
多个端延伸部，所述多个端延伸部电附接到所述嵌入衬底的端、背离所述衬底背面延伸并且终止于基本平行于所述衬底背面的模块安装平面处；以及
散热器延伸部，所述散热器延伸部电附接到所述嵌入衬底的散热器并且从所述衬底背面延伸以终止于所述模块安装平面处。
10.一种用于制造微电子模块的方法，其特征在于，所述微电子模块包括模块衬底和嵌入衬底的散热器，所述嵌入衬底的散热器至少部分地包含在所述模块衬底内并且具有与所述模块衬底的背面平行的下部主表面，并且所述方法包括：
提供热延伸层，所述热延伸层处于所述模块衬底的所述背面附近并且背离所述背面延伸以终止于模块安装平面处，所述热延伸层包括结合到所述嵌入衬底的散热器的所述下部主表面的散热器延伸部；以及
在提供所述热延伸层之前或之后，将至少一个微电子装置安装到所述模块衬底的正面，使得当所述散热器延伸部结合到所述微电子装置时，所述散热器延伸部被放置成通过所述嵌入衬底的散热器与所述微电子装置热连通。
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