CN112185906A - 用于直接液冷模块的经重量优化的加强件和密封结构 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及用于直接液冷模块的经重量优化的加强件和密封结构。公开了一种用于半导体器件的经重量优化的加强件。在一个示例中，由于AlSiC的重量和热特性，加强件由AlSiC制成。O形环在加强件的顶表面与半导体器件的部件之间提供密封，并且粘合剂在加强件的底表面与半导体器件的另一部件之间提供密封。加强件为无盖封装提供翘曲控制，同时实现芯片或衬底的直接液冷。

Description

用于直接液冷模块的经重量优化的加强件和密封结构
技术领域
本公开涉及用于直接液冷模块的经重量优化的加强件和密封结构。
背景技术
互补金属氧化物半导体(“CMOS”)电路存在于包括微处理器、电池和数码相机图像传感器的若干类型的电子部件中。CMOS技术的主要特点是低静态功耗和高抗噪性。
除了工业标准的芯片封装之外，专用硅的探索可能在服务器中导致高功率热源。此技术也可应用到图形处理单元(“GPU”)和定制专用集成电路(“ASIC”)。此外，诸如成像和人工智能(“AI”)等服务将可能需要高密度的大量计算资源，其中许多服务器彼此非常接近。全球各地的数据中心都被要求同时提高能效、整合运营和降低成本。为了适应这些高性能且高密度的服务器，数据中心运营商不仅必须设法解决不断提高的功率密度，还必须设法解决它们带来的热挑战。
因为液体在存储和传递热方面比空气擅长许多倍，所以液冷解决方案可为计算效率、密度和性能提供即时且可测量的益处。使用直接液冷模块可提高计算性能和密度，并降低能耗。
电子部件封装经受广范围的温差。由于各种封装部件的热膨胀系数(“CTE”)的差异，电子部件封装可能随着电子部件封装的温度改变而翘曲。
发明内容
本公开提供一种经重量优化的加强件，该经重量优化的加强件为无盖封装提供翘曲控制，同时实现芯片和/或衬底的直接液冷。加强件可由重量优化材料构成，并且其几何特征可进一步实现重量优化。加强件的重量优化减小其热质量以及在将加强件附接到电路组件期间的重量集中的影响。
本公开的一个方面提供一种装置，包括经重量优化的加强件，该经重量优化的加强件具有顶表面、底表面、不规则形状的外周边以及形成穿过顶表面和底表面的孔的内周边，其中该孔适用于接纳衬底的由粘合剂联接到加强件的底表面的一部分。加强件可由铝基质中的碳化硅颗粒形成。根据一些示例，该装置还可以包括由粘合剂联接到加强件的底表面的衬底，该衬底的一部分突起到加强件的孔中。例如，加强件的底表面可具有用于接纳衬底上的至少一个突起的至少一个凹部。根据其它示例，加强件的底表面具有从其延伸的多个突起，当衬底联接到加强件的底表面时，这些突起位于邻近衬底的外侧表面。该装置还可包括联接到加强件的顶表面的顶板以及用于在加强件与顶板之间提供密封的O形环。在加强件具有与顶板中的多个孔洞对应的多个孔洞的情况下，加强件中的多个孔洞中的每一个孔洞可与顶板中的多个孔洞中的相应的一个孔洞形成一对，多个孔洞的每一对孔洞适于接纳紧固件的穿过其中的一部分以用于将顶板联接到加强件。顶板可在其内表面中具有凹槽，该凹槽被构造成当顶板联接到加强件时保持O形环。
在一些示例中，该装置还可包括歧管，该歧管被构造成位于由衬底、加强件和顶板形成的封闭件内，该歧管被构造成将经冷却的液体引导到衬底。例如，当歧管处于由衬底、加强件和顶板形成的封闭件内时，歧管的一部分可位于加强件的孔内并与衬底直接接触。
本公开的另一方面提供一种组件，包括：经重量优化的加强件，该经重量优化的加强件具有顶表面、底表面、外周边以及形成穿过顶表面和底表面的孔的内周边；以及衬底，该衬底由粘合剂联接到加强件的底表面，该衬底的一部分突起到加强件的孔中。加强件可由铝基质中的碳化硅颗粒形成。加强件的底表面可具有用于接纳衬底上的至少一个突起的至少一个凹部以及从底表面延伸的多个突起，当衬底联接到加强件的底表面时，这些突起位于邻近衬底的外侧表面。在一些示例中，该组件还可包括联接到加强件的顶表面的顶板以及用于在加强件与顶板之间提供密封的O形环。
本公开的又一方面提供一种组装半导体器件的方法，该半导体器件用于向直接液冷模块提供翘曲控制提供。该方法包括：提供经重量优化的加强件，该经重量优化的加强件具有顶表面、底表面、外周边以及形成穿过顶表面和底表面的中心孔的内周边；提供具有顶表面的衬底，该衬底在顶表面的至少第一区域上包括电路；以及将衬底的顶表面联接到加强件的底表面，使得衬底的顶表面的第一区域可穿过加强件的孔接近。
附图说明
图1是包括芯片的子组件的透视图，该芯片利用安装到加强件的螺纹硬件而被结合到加强件。
图2A到图2D示出图1的子组件的示范性制造方法。
图3A是图1的具有所安装的硬件的加强件的下侧的透视图。
图3B是图1的子组件的下侧的透视图。
图4A是示例性芯片的透视图。
图4B是图4A的芯片的立体图，该芯片被示出为结合到加强件的下侧。
图5是示例性铝碳化硅(“AlSiC”)复合物的放大照片，示出了铝基质中的碳化硅颗粒。
图6是考虑到由AlSiC制成的加强件的特定材料的热比较图表。
图7A是包括固定到图1的子组件的顶板的配合组件的组装图。
图7B是图7A的配合组件的分解透视图。
图7C是图7A的配合组件的另一分解图的侧视图。
图7D是图7C的分解侧视图沿着线A-A截取的截面图，该线A-A限定顶板的较短侧表面的中点。
具体实施方式
图1是半导体器件的封装子组件100的透视图，该封装子组件包括利用安装到该加强件的紧固件或螺纹硬件18而被结合到加强件140的衬底1200。
加强件140具有顶表面、底表面以及穿过顶表面和底表面的孔。孔可相对于加强件140的外周边大体上居中，但是在其它示例中，孔的位置可被调整。例如，孔的大小、形状和位置可基于下面的衬底120要穿过孔暴露的电路来调适。
衬底120可诸如由粘合剂或其它结合技术联接到加强件的底表面。当衬底联接到加强件的底表面时，加强件140的一部分可覆盖衬底120的一部分。例如，衬底可在其顶表面上的至少第一区域上包括电路。仅举例来说，电路可包括微处理器、存储器或其它芯片或部件。当衬底与加强件组装在一起时，衬底的包括电路的第一区域可穿过加强件的孔来接近。衬底的由加强件覆盖的部分可以是例如不需要可接近的无效空间或电路。
根据下文进一步描述的一些示例，加强件140和衬底120可被包括在组件中，其中顶板联接到加强件的顶表面，并且O形环在加强件与顶板之间提供密封。
图2A到2D示出子组件100的示例组装方法。在图2A中，将加强件140烧结在一起。作为一个示例，加强件可由铝基质中的碳化硅颗粒形成。完成后处理，诸如，精修加强件的周边，打磨其顶表面或底表面，或确保孔洞和孔符合规格。在图2B中，将螺纹硬件180安装到加强件140的顶表面142。在图2C中，将衬底和/或芯片结合到加强件140的底表面或下侧144。在图2D中，在将子组件100焊接到母板之前对子组件100进行溅射涂覆。虽然图2A到图2D提供一个示例，但应理解的是，可做出变化。例如，可使用除结合之外的联接技术，可使用不同涂覆技术等。例如，加强件可涂覆或镀覆有不同金属或聚合物，以提高粘合。在其它实例中，可使加强件兼容使用基于焊料或基于聚合物粘合剂的结合。
图3A是加强件140的下侧144的透视图。加强件140的下侧144可具有用于接纳从芯片和/或衬底延伸的至少一个突起的至少一个凹槽。例如，加强件中的第一凹槽和第二凹槽可被构造成接纳衬底的相应的第一突起和第二突起。
根据一个示例，从下侧144延伸的突起可各自平行于加强件的中心孔的边缘。当衬底联接到加强件的底表面时，多个突起中的每一个突起可位于邻近衬底的相应外侧表面。在一个示例中，加强件可具有四个突起，其中每个突起被构造成当衬底联接到加强件的底表面时，位于邻近于衬底上的矩形芯片的相应的外表面侧。在其它示例中，可包括附加突起或较少突起。
加强件140具有不规则形状的外周边或周界146。孔150限定内周边或周界148。孔150延伸穿过加强件140的顶表面142和底表面144。加强件的底表面144可在其中包括至少一个凹槽152。
图3A示出具有两个凹部或凹槽152的加强件140，该两个凹部或凹槽邻近内周边148的较长侧。还设置从加强件140的底表面144朝向顶表面142延伸的斜坡表面149。斜坡表面149邻近内周边148的较短侧中的每一个较短侧。还设置从加强件140的底表面144向外延伸的突起156。两个突起156被示出为在加强件140的每一侧上形成一对突起156，总共八个突起156从加强件140的底表面向外延伸。加强件140还包括延伸穿过其顶表面142和底表面144的周边孔160。如图2A所示，加强件140包括八个周边孔160。这只是加强件140可具有的凹部或凹槽152、突起156和周边孔160的数量的一个示例。在其它示例中，加强件140可具有多于或少于两个的凹部或凹槽152、多于或少于两个的突起156以及多于或少于八个的周边孔160。
加强件140的不规则形状的外周边146可提供重量优化。代替矩形外周边，加强件140设计有围绕每个周边孔160的周边曲线162。加强件的侧表面上的每条曲线可以是约180°，而加强件的拐角上的每条曲线可以是约270°。图3A所示的元件162的引线到加强件140的外周边146的拐角，而邻近于此拐角的曲线在加强件140的前述侧表面上。每条邻近曲线162之间的空白空间在仍提供控制翘曲所需的结构区域的同时，减小加强件的重量。
硬件180穿过加强件140的周边孔160中的每一个周边孔而被安装。每个紧固件或硬件180具有基部184、轴186和螺纹孔洞188。为了将每个硬件180联接到加强件140，轴186从底表面144被插入，穿过孔洞188并穿过加强件140的顶表面142，直到基部184与底表面144直接接触为止。根据一些示例，加强件中的每个紧固件孔或孔洞对应于顶板中的相应孔或孔洞。例如，加强件中的多个孔洞中的每一个孔洞与顶板中的多个孔洞中的相应的一个孔洞形成一对。多个孔洞中的每一对孔洞适于接纳紧固件的穿过其中的一部分以用于将顶板联接到加强件。
可利用硬件180，该硬件可附接到微处理器，以使得它能够在直接液冷状态下处置压力负载，同时仍足够轻以焊接到母板上并在大批量生产环境中处置。例如，歧管可被构造成位于由衬底、加强件和顶板形成的封闭件内。歧管可被构造成将经冷却的液体供应到衬底。当歧管在由衬底、加强件和顶板形成的封闭件内时，歧管的一部分可位于加强件的中心孔内，并与衬底直接接触。
如图3B和图4B所示，衬底120联接到加强件140的底表面144。子组件100包括衬底120，该衬底还包括也可被称为芯片的管芯130。管芯130可以是集成电路(“IC”)芯片、片上系统(“SoC”)或其一部分，它们可包括各种无源和有源微电子装置，诸如，电阻器、电容器、电感器、二极管、金属氧化物半导体场效应晶体管(“MOSFET”)、CMOS晶体管、双极结型晶体管(“BJT”)、横向扩散金属氧化物硅(“LDMOS”)晶体管、高功率MOS晶体管、其它类型的晶体管或其它类型的装置。作为示例，管芯130可包括存储器装置、逻辑装置或其它类型的电路。管芯130被示出为结合到载体衬底或衬底120。衬底120可以是例如硅衬底、塑料衬底、具有例如聚酰亚胺和铜层的柔性衬底、层压衬底、陶瓷衬底、插入物或任何其它合适支撑结构。
衬底120包括顶表面122、底表面124以及在顶表面122与底表面124之间延伸的侧表面126。顶表面122还包括向外延伸的斜坡表面128，该斜坡表面形成芯片130的周界。邻近芯片130的较长侧的是突起132，这些突起也从衬底120的顶表面122向外延伸。
先于将衬底120的顶表面122结合到加强件的底表面144之前，可以将粘合剂170层施加到衬底120的顶表面和/或加强件140的底表面144。作为示例，图4A示出被施加到衬底120的顶表面122的粘合剂170。粘合剂用于将衬底120和加强件140机械联接在一起。可使用工业中使用的任何类型的粘合剂，包括但不限于天然粘合剂、合成粘合剂、干燥粘合剂、热塑性粘合剂、反应性粘合剂、压敏粘合剂或任何其它常用粘合剂。
当先于这些部件的结合而将衬底120相对于加强件140定位时，衬底的突起132被定位在加强件140的凹槽152内，并且衬底120的侧表面126被定位成邻近于加强件140的突起132，如图3B和图4B所示。衬底120的斜坡表面128也被定位成与加强件140的对应斜坡表面149接触。
图4B提供结合到加强件140的衬底120的透明度，其示出了加强件的中心孔150，即使当衬底120结合到加强件140时，至少衬底120的芯片130覆盖中心孔150。
子组件100可根据特定规格来设计。例如，子组件100的重量应总计小于130g，使得球栅阵列(“BGA”)在焊料回流期间不会被压碎。在一个示例中，加强件140加上硬件或铆钉螺母180的优化的重量小于50g。在衬底120或印刷电路板(PCB)上的芯片130小于25g并且用于将衬底120和芯片130结合到加强件140的粘合剂重量小于5g的情况下，子组件100的总封装重量为约80g，这远低于总封装的最大130g重量规格。在其它示例中，加强件140加上硬件180可大于或小于50g，衬底120上的芯片130可大于或小于25g，并且用于将加强件140结合到衬底120的粘合剂可大于或小于5g。
在设计子组件100的部件时，总热质量应该低，并且传导率应该高，以使得在不损坏其它部件的情况下，热可从上方施加以使下方焊料熔融。子组件100的外周边可被设计成适配在现有托盘上。粘合剂和O形环接头/表面应针对液态水为组件100提供密封。子组件100的设计不应促进电解连接的部件之间的任何电偶腐蚀。出于最小化热应力的目的，子组件100的热膨胀应与其所结合到的衬底的系数紧密匹配。
根据一些示例，加强件140可由AlSiC制成。螺纹硬件180可在AlSiC被制造之后附接。AlSiC是由金属陶瓷复合材料，由分散在铝合金基质(A)中的碳化硅颗粒(SiC)组成，如例如图5所示。铝基质含有大量位错，对材料的强度负责。由于位错的不同热膨胀系数，位错可由SiC颗粒在冷却期间引入。
AlSiC结合金属的高导热性(180W/m K到200W/m K)和陶瓷的低CTE的优点。由于AlSiC的复合特性，AlSiC是一种用于高技术热管理的先进封装材料。AlSiC的热膨胀可被调整成匹配其它材料，例如，硅和砷化镓芯片和各种陶瓷。当在微电子器件中用作功率半导体器件和高密度多芯片模块的衬底时，AlSiC有助于去除废热。
图6是考虑到由AlSiC制成的加强件140的特定材料的热比较图。如可看出的，AlSiC的热膨胀系数是例如平面电路板(平面中)、304不锈钢和铜的热膨胀系数的至少一半。AlSiC具有不到铜的一半的导热率，但是具有比电路板或304不锈钢高得多的导热率。还在这些材料之间突显根据百分比的+50℃时的应变和相对应变。
上文论述的图2A陈述了加强件140被烧结在一起。AlSiC零件也可通过近净形法制造，通过SiC-粘结剂浆料的金属注射成型来创建SiC预制件，烧制以移除粘结剂，并且然后在压力下用熔融铝渗透。零件可被制造成具有足够低的公差，以不需要进一步加工。根据其它示例，可执行加强件140的进一步处理以满足某些规格。
AlSiC是完全致密的，没有空隙，并且是气密的。AlSiC可通过热喷涂而镀覆有镍和镍金或其它金属。陶瓷和金属嵌入件可在铝渗透之前插入到预制件中，导致气密密封。AlSiC也可通过机械合金化来制备。当使用较低程度的SiC含量时，可从AlSiC片材冲压零件。
图7A是配合组件300的组装图，而图7B是配合组件300的分解图，该分解图示出了配合组件的部件中的每一个部件。配合组件300包括子组件100的部件，即，衬底120和芯片130、加强件140、粘合剂170和硬件180，以及O形环190、歧管200、顶板220和紧固件280的附加部件。
加强件140中的每个紧固件孔或孔洞160对应于顶板220中的相应的孔或孔洞260。例如，加强件140中的多个孔洞160中的每一个孔洞与顶板220中的多个孔洞260中的相应的一个孔洞形成一对。如图7A所示，该多个孔洞260的每对孔洞适于接纳紧固件280的穿过其中的一部分，以用于接合螺纹硬件180并将顶板220联接到加强件140。
顶板220具有如图7A所示的顶部222以及可在图7D的截面图中至少部分地看到的底部224。在图4A中有指向顶部222的箭头，该箭头表示将延伸穿过顶部222和底部224的流动状态或通道，该顶部和该底部未关于顶板220示出。凹槽230形成在顶板220的底部224中。凹槽230被构造成当顶板220联接到加强件140时保持O形环190。在如图7C所示的配合组件300的分解侧视图中，并且如图7D的对应截面图所示，可看到O形环190相对于中心孔150的位置及其在加强件140上的大致定向。
图7D还示出封闭件的分解图，歧管200被构造成位于该封闭件内。如图7A所示，当衬底120、加强件140和顶板220联接在一起时，形成封闭件。歧管200被设计成在微处理器上引导流动，以便显著改进微处理器与工作流体之间的热传递。歧管200的一部分被设计成当歧管200在由衬底120、加强件140和顶板220形成的封闭件内时，位于加强件140的中心孔150内，并与衬底120的芯片130直接接触。歧管200坐置于具有流动通道的芯片130的顶部上。歧管被设计成具有用于冷却剂的复杂交叉流动路径，从而导致了芯片130与工作流体之间的改进的交叉流动路径。经冷却的流体或液体流动穿过歧管200中的入口通道205并到芯片130上。先前已经用于冷却芯片130的液体穿过出口通道215排出。
当配合组件300如图7A所示完全组装时，经重量优化的加强件140可通过使用O形环190而在其顶表面142上提供密封，并通过使用粘合剂170在其底表面144上提供密封。顶板在其内表面中具有凹槽，该凹槽被构造成当顶板联接到加强件时保持O形环。
加强件140在实现芯片130和/或衬底120的直接液冷的同时，为无盖封装提供翘曲控制。加强件包括重量优化材料(诸如，AlSiC)和几何特征(诸如，不规则形状的外周边146)。加强件140的重量优化减小其热质量以及在将加强件140附接到例如主板期间的重量集中的影响。
除非另有陈述，否则前述替代示例并不相互排斥，而是可以各种组合实施，以实现独特优点。因为可利用上文所论述的特征的这些和其它变化和组合，而不脱离权利要求所限定的主题，所以前述描述应是以说明权利要求所限定的主题的方式进行，而不是以对其加以限制的方式进行。此外，本文所述的示例的提供以及以用措词为“诸如”、“包括”等描述的短句不应被解释为将权利要求的主题限制到具体实例；相反，这些实例旨在仅说明许多可能实施方式中的一种。此外，不同附图中的相同附图标记可标识相同或相似元件。

Claims (20)

1.一种装置，包括：
经重量优化的加强件，所述经重量优化的加强件具有顶表面、底表面、不规则形状的外周边以及形成穿过所述顶表面和所述底表面的孔的内周边，
其中，所述孔适于接纳衬底的由粘合剂联接到所述加强件的所述底表面的一部分。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述加强件由铝基质中的碳化硅颗粒形成。
3.根据权利要求1所述的装置，进一步包括：
所述衬底，所述衬底由粘合剂联接到所述加强件的所述底表面，所述衬底的一部分突起到所述加强件的所述孔中。
4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述加强件的所述底表面具有用于接纳所述衬底上的至少一个突起的至少一个凹部。
5.根据权利要求3所述的装置，其中，所述加强件的所述底表面具有从其延伸的多个突起，当所述衬底联接到所述加强件的所述底表面时，所述多个突起位于邻近所述衬底的外侧表面。
6.根据权利要求3所述的装置，进一步包括：
顶板，所述顶板联接到所述加强件的所述顶表面；以及
O形环，所述O形环用于在所述加强件与所述顶板之间提供密封。
7.根据权利要求6所述的装置，其中，所述加强件具有与所述顶板中的多个孔洞对应的多个孔洞，所述加强件中的所述多个孔洞中的每一个孔洞与所述顶板中的所述多个孔洞中的相应的一个孔洞形成一对，每一对孔洞适于接纳紧固件的穿过其中的一部分以用于将所述顶板联接到所述加强件。
8.根据权利要求6所述的装置，进一步包括：
歧管，所述歧管被构造成位于由所述衬底、所述加强件和所述顶板形成的封闭件内，所述歧管被构造成将经冷却的液体引导到所述衬底。
9.根据权利要求8所述的装置，其中，当所述歧管在由所述衬底、所述加强件和所述顶板形成的所述封闭件内时，所述歧管的一部分位于所述加强件的所述孔内并与所述衬底直接接触。
10.根据权利要求6所述的装置，其中，所述顶板在其内表面中具有凹槽，所述凹槽被构造成当所述顶板联接到所述加强件时保持所述O形环。
11.一种组件，包括：
经重量优化的加强件，所述经重量优化的加强件具有顶表面、底表面、外周边以及形成穿过所述顶表面和所述底表面的孔的内周边，
衬底，所述衬底由粘合剂联接到所述加强件的所述底表面，所述衬底的一部分突起到所述加强件的所述孔中。
12.根据权利要求11所述的组件，其中，所述加强件由铝基质中的碳化硅颗粒形成。
13.根据权利要求11所述的组件，其中，所述加强件的所述底表面具有用于接纳所述衬底上的至少一个突起的至少一个凹部。
14.根据权利要求11所述的组件，其中，所述加强件的所述底表面具有从其延伸的多个突起，当所述衬底联接到所述加强件的所述底表面时，所述多个突起位于邻近所述衬底的外侧表面。
15.根据权利要求12所述的组件，进一步包括：
顶板，所述顶板联接到所述加强件的所述顶表面；以及
O形环，所述O形环用于在所述加强件与所述顶板之间提供密封。
16.根据权利要求15所述的组件，其中，所述加强件具有与所述顶板中的多个孔洞对应的多个孔洞，所述加强件中的所述多个孔洞中的每一个孔洞与所述顶板中的所述多个孔洞中的相应的一个孔洞形成一对，每一对孔洞适于接纳紧固件的穿过其中的一部分以用于将所述顶板联接到所述加强件。
17.根据权利要求15所述的组件，进一步包括：
歧管，所述歧管被构造成位于由所述衬底、所述加强件和所述顶板形成的封闭件内，所述歧管被构造成将经冷却的液体引导到所述衬底。
18.根据权利要求17所述的组件，其中，当所述歧管在由所述衬底、所述加强件和所述顶板形成的所述封闭件内时，所述歧管的一部分位于所述加强件的所述孔内，并且所述歧管的底表面与所述衬底直接接触。
19.根据权利要求15所述的组件，其中，所述顶板在其内表面中具有凹槽，所述凹槽被构造成当所述顶板联接到所述加强件时保持所述O形环。
20.一种组装半导体器件的方法，所述半导体器件用于向直接液冷模块提供翘曲控制，所述方法包括：
提供经重量优化的加强件，所述经重量优化的加强件具有顶表面、底表面、外周边以及形成穿过所述顶表面和所述底表面的中心孔的内周边；
提供具有顶表面的衬底，所述衬底在所述顶表面的至少第一区域上包括电路；以及
将所述衬底的所述顶表面联接到所述加强件的所述底表面，使得能够穿过所述加强件的所述孔接近所述衬底的所述顶表面的所述第一区域。
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