CN1171305C - 控制热界面间隙距离的装置 - Google Patents

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Abstract

借助浮动的密封结构调整芯片、基板和硬件尺寸中的公差，以确保设置在芯片和它的盖之间的柔性导热膏尽可能地平衡，以便减小膏的热阻，能够在冷却的温度下运行芯片。还优选使用支座以确保适当的膏间隙厚度。

Description

控制热界面间隙距离的装置
本发明一般涉及控制电子电路芯片和盖、热沉或其它冷却机构之间间隙厚度的结构和方法。具体地，本发明涉及控制电路芯片和盖或热沉之间间隙尺寸的系统，更具体地控制使所述间隙尽可能地小，不会有害地影响组装工艺或芯片集成度。本发明特别涉及控制设置在单个芯片或多芯片组件与它的盖或盖板之间的热膏材料的厚度。
随着器件集成水平的不断提高，更有效地冷却大功率电子电路芯片的解决方案变为获取需要的系统性能越来越重要的因素。由于热膏或凝胶的简便性和高度的热性能，因此使用热膏或凝胶冷却单芯片或多芯片组件非常理想。热膏也不受小颗粒杂质影响；因此，组件的组装可以在非净化室环境中完成，这是有助于减小组件组装成本的一个因素。此外，热膏的柔顺性使它们吸收与芯片高度以及硬件变化相关的机械容差。
有效地冷却电子电路芯片的另一方法是在芯片和它的相应组件盖之间使用焊料。此时，芯片背面金属化，焊料润湿盖和芯片表面，由此当回流芯片时，在芯片和盖之间获得接合，焊料的热导率约10倍于可得到的最好热膏的热导率；因此和热膏相比它显著地提高了热性能。然而，通过控制芯片和盖之间间隙中的膏厚度可以获得热膏的柔顺性优点，同时提高热传导性。
现已公知需要电子器件在低温下工作以增强性能和可靠性。这对CMOS器件特别适用，当温度减小10℃，系统速度增加约2％。
对于一级近似，通过以下一维方程得到芯片的温度：
T芯片＝T空气+P芯片×R内+P组件×R外
当为单芯片组件时，组件的功率等于芯片功率，以上的方程简化为：
T芯片＝T空气+P芯片×(R内+R外)
在以上方程中，R内表示组件的内部热阻，即从芯片向上穿过热膏到达组件盖的阻值，而R外表示组件外部的热阻，即盖与热沉界面加上热沉的阻值，包括空气加热效应。
内部热阻由三个阻值串联组成：
R内＝R芯片+R膏+R盖
由于盖通常由如铝等的高热导率材料制成，因此热膏的阻值对内部热阻R内影响最大。因此减小热膏电阻值为减小整个器件温度的重要因素。
膏的热阻由下面的方程给出：
R膏＝L间隙/(K膏×A芯片)
其中L间隙为芯片和组件盖之间的膏厚度，K膏为膏的热导率，A苾片为芯片的面积。从以上的表达式可以清楚仅通过(i)减小膏间隙尺寸和/或(ii)增加热膏的热导率就可以减小膏的热阻R膏。
目前的设计利用热膏的柔顺性调节热膏间隙中的变化。公差主要包括芯片厚度的公差、芯片焊料球的公差以及硬件和衬底的公差。这些公差的统计变化通常在±0.003到0.004英寸之间(即，±7.62×10-5～10.16×10-5m之间)。由于随着膏被挤入很小的间隙内，即挤入0.003英寸(7.62×10-5m)的间隙内，热膏的“挤压力”按指数规律上升，因此任何单芯片或多芯片组件应设计得能在正常条件下获得至少0.007英寸(17.78×10-5m)的热膏间隙。因此统计的最大膏间隙变为0.010到0.011英寸(2.54×10-4～2.794×10-4m)。
如果在芯片和组件盖之间使用焊料，那么仍需要考虑和仅有热膏时相同类型的设计公差。虽然焊料的膏间隙控制对热性能并不重要，但这里公开的控制热膏间隙的装置和方法也可用于获得最佳的焊缝形状，因为在热循环期间这对焊料的可靠性有影响。因此，通过本发明，热膏冷却变得更有效，焊料的热界面变得更可靠。(应该注意与仅使用热膏相比，较高的热导率的焊料能减小设计公差问题。)
本发明提供一种控制芯片和组件盖之间间隙同时将芯片和它的互连结构保持在密封环境中的结构和方法。需要密封的封装以防止特别是经过长时间之后潮气接触芯片。因此，如本发明中使用的热膏冷却变得更有效，以焊料为基础的冷却变得更可靠。
因此，本发明的一个目的是提供一种控制设置在芯片和单个芯片或多芯片组件的盖之间可塑的导热材料厚度的方法和装置。
本发明的另一目的是提高集成电路芯片器件的热流动。
本发明的又一目的是增加电子电路芯片器件的工作速度。
本发明的再一目的是提供焊料和热膏系统的热优点。
本发明的还一目的是减小组装的电子电路芯片组件中公差变化的统计效应。
本发明的另一目的是将导热盖和由盖密封的电子电路芯片之间的间隙减小到小于约2到3密耳(50.8×10-6～76.2×10-6m)的距离。
最后，但不限于此，本发明的再一目的是不仅减小而且控制设置在电子电路芯片和它们含有的封装之间热膏材料的厚度。
在本发明的优选实施例中，提供一种电子芯片组件以控制热膏厚度。特别是，具有电导体的基板与面朝下贴到基板的电子电路芯片一起提供，以进行电路芯片和基板上导电体之间的电接触。在电路芯片的非面朝下的一侧设置热膏。基本平坦的导热盖设置在芯片上并与膏热接触。在一个实施例中，盖的水平范围比芯片大，因此部分盖从芯片上延伸出来。此外从所述伸出的盖部分沿盖周边支撑着一个凸起的盖密封环。此外，在基板上提供对应的凹槽。所述槽有侧壁，密封剂设置在槽内，由此形成槽的侧壁和向下伸出的凸起盖密封环之间的密封。
在本发明的另一实施例中，代替在基板上使用凹槽，将凹槽设置在导热盖中，对应的凸起密封环设置在基板上。所述凸起密封环具有T形剖面，“T”形的垂直部分延伸到密封剂内，所述密封剂设置在密封环和盖部分中接收凹槽的侧壁之间。
在本发明另一实施例中，在盖中也使用了凹形槽，并且使用了T形凸起密封环。然而，在该实施例中，具有T形剖面的凸起密封环沿基板的外周边设置，并且“T”形的通常是垂直的部分设置在密封到基板的水平位置中。“T”形通常的水平剖面部分向上延伸到设置在凸起密封环和盖之间密封剂内。当盖延伸超出基板时，所述实施例特别有利。在所述实施例中，盖不仅伸出在芯片之外，也伸出在基板之外。当需要较大的热沉和散热能力时，本实施例特别有利。
在另一实施例中，凹槽提供在盖中，中间凸起环首先密封地贴到基板上，随后设置在盖的凹槽部分内。和以上相应的实施例中一样，固化形密封剂材料提供在凸起部分和设置在盖内的凹槽之间。这里密封剂可以为可固化的聚合物或合适的焊料。
在本发明的另一实施例中，不使用凹槽部分和凸起密封构件。取而代之，盖的侧壁制得很短，以便在盖和基板之间使用密封剂材料。
如这里和附带的权利要求书中使用的，以水平或垂直介绍提到的部分。然而，应该注意这些术语是相对的。这些结构实际上不是必须设置在图中示出的位置中，具体地它们可以颠倒或设置在与显示的旋转90°的方向中，或实际上可以旋转距图中显示的任何量。还应该注意这里电路芯片有两个边。一面是芯片平坦的背面，另一面为距制成的电连接面朝上。
本发明的主题特别指出并清楚地陈述在说明书的结束部分中。然而，通过参考下面结合附图的说明将更好地理解本发明的组织和实施方法以及其它的目的和优点。
图1为根据本发明的一个实施例使用分别提供的U形接收槽的侧视图；
图2示出了本发明的另一实施例的剖面侧视图，其中U形接收槽提供在盖结构中；
图3为本发明一个实施例的剖面侧视图，其中既没有使用槽也没有使用凸起密封环，而是依靠可塑性密封剂材料。
图4为本发明一个实施例的剖面侧视图，其中接收槽提供在盖中；
图5为类似于图4的本发明一个实施例的剖面侧视图，除了凸起密封环结构设置在基板的周边附近，由此为盖延伸伸出芯片和基板提供可能。
本发明增强了设计用于器件集成度、速度和密度的增加所需的越来越高的功率水平的电子组件封装的热性能。具体地本发明提供一种减小密封的电子组件或封装中热膏间隙的方法和装置。本发明的优点在于使用直接的热间隙方式，通过芯片器件和组件盖之间较短的热传输路径，提高组件的热性能。密封的组件满足了所有产品的性能和可靠性的要求。
在本发明中最好借助机械支座(standoff)来控制盖和芯片器件表面之间的区域，并使组件用可变高度的密封接缝加以包封。当芯片器件和盖表面直接借助这些机械支座定位时，减小了“累积公差”的水平。在不提供可变高度密封接缝的组件设计中，芯片和盖间隙可能有较大的统计公差，例如±0.003到0.004英寸(即，±7.62×10-5～10.16×10-5m之间)。然而，使用这里的直接间隙方式，芯片和盖之间的公差可以减小到约±0.0005英寸(1.27×10-5m)。标定的间隙尺寸由以前的0.007英寸(17.78×10-5m)减小到0.003到0.004英寸(7.62×10-5～10.16×10-5m)。所述间隙尺寸和公差减小转变成显著的热改善，特别是对高功率的芯片。例如，如果假设每边12mm的芯片散热60瓦，热膏的热导率为3瓦每米-开尔文，那么电流间隙设计(在0.010英寸(即2.54×10-4m))在热膏界面产生35°的温度下降，即芯片比盖温度高35°。然而，使用本发明提供的结构产生约0.004英寸(10.16×10-5m)的最大膏间隙，在膏上转变为仅14°的温度下降。即，芯片温度减小20°以上。这对应于增加约4％可使用的系统速度。
在本发明中有几个实施例。在一个实施例中，提供一种柔性热界面，使用芯片器件和盖之间的热膏，同时使用U形槽作为可变高度的密封接缝。在另一实施例中，使用如焊料等的金属热界面材料，盖具有一提供可变高度密封接缝的槽结构。使用金属热界面材料，增强了热导率。例如，与仅具有小于5瓦每米-开尔文的热导率的柔性热膏材料相比，焊料具有约30瓦每米-开尔文的热导率。然而，这些实施例都提供了具有气密或非气密密封的组件。如果热间隙支座结构的公差很小，对于密封接头，可以避免使用可变高度的密封接缝，因为焊料可以跨越基板和盖之间的高度公差间隙，如第三实施例中所示。
图1示出了使用了单芯片组件(SCM)的本发明的优选实施例，其中为了环境和操作保护，器件16连接到基板10和盖20。图1中的实施例特别示出了用“芯片朝上”制造的SCM的组装工艺。热沉50用导电粘合剂51粘贴到盖20，以进一步加强组件的冷却。通常，芯片器件16通过焊料球14和基板焊盘12固定到基板10。基板10通常也包括一个或多个分立器件，例如电容器、电阻等。以和芯片器件16相同的方式，这些器件借助它们自己的焊料球14和基板焊盘12固定。由于在热循环期间材料的热膨胀系数(CTE)不匹配，器件底膜材料13施加到焊料球14或器件互连，以增加焊料接缝的疲劳寿命。基板互连(管脚)31用于直接固定到卡组件30或印刷电路板(PCB)。为了方便、简单和易于理解的目的，热沉50和卡组件30在图2-5中没有具体地示出，当然它们其中的内含物也不容易看出。
图1中的本发明示出了减小并控制密封组件中热间隙变化和公差的工艺。通过在芯片器件16和盖20之间引入支座21可以较好地控制热间隙18。支座21例如可以是组装期间放置在芯片器件16和盖20之间独立的圆盘或者它们实际上为盖20整体的一部分。实际上，支座21可以为任何常规形状。当使用支座21时，仅基于本发明的直接热间隙控制仅为支座21的公差。然而为了提供组件周围的密封，使用了用密封材料41贴到基板10上的U形槽40。所述密封材料优选包括如Sylguard等可以买到的材料。柔性热界面材料17施加到设置芯片器件16的盖20上的位置。然后具有潜在一体的支座21的盖20放置到位，盖的周边凸起边缘密封部分44在含有气密或非气密密封剂的U形槽40内“浮动”。对于焊料密封剂，组件进行炉回流工艺，焊料48气密地密封组件。所述密封的SCM可以是气密密封或非气密密封的组件。
在非气密密封的实施例中，组件放置在施加负荷70的夹具中，组件在盒形对流型烘箱或其它加热/冷却装置中固化。在气密组件中，图2中的基板密封区域45例如使用镍或金金属化。U形槽40优选由铁镍钴合金制成，并镀金，用例如金锡焊料等的焊料粘贴到基板密封区域45。如铅锡焊料等的低温焊料放置在U形槽40内用于以后的气密密封。盖密封区域44优选用镍或金金属化，盖放置在U形槽40内并焊接在原位形成气密密封。夹具组合件将负载70施加到组件，然后在炉中加热组件，作为回流工艺的一部分气密密封组件。使用较高熔点的焊料将U形槽40粘贴到基板10，使用低熔点焊料最后密封单元，以减小在焊料界面上进行组件密封的复杂性(U形槽40与基板10，盖20与U形槽40)。
图2示出了本发明特别优选的实施例，其中在芯片器件16和盖20之间使用金属热界面材料19。这是制造期间以芯片朝下方式处理单芯片组件的另一组装工艺。该方法的优点是较好地控制金属热界面材料19(焊料)，防止在回流接合期间在芯片器件16和盖20之间留下热界面间隙18。通过焊料球14将芯片器件16连接到基板10上的基板焊盘12。附加的分立器件15也可以使用相同的焊料球技术贴到基板焊盘12和基板10。芯片器件16的背面优选用例如镍和金金属化(16a)以提高可焊性。
对于非气密密封的组件，密封环43优选包括铝。密封环43借助基板密封材料41(见图2)粘贴到基板10。盖20有用镍和选择性金电镀金属化的区域20a。所述区域与芯片器件16具有相同的图象尺寸和位置，用于提高可焊性。盖20在压力下贴到基板10上，并送到炉回流工艺，以便金属热界面材料粘贴到盖20和芯片器件16上。施加覆盖密封材料42，在加热工艺中固化组件，以形成非气密密封。
对于气密密封的组件，密封环43优选包括如铁镍钴合金等的材料，并用镍和金电镀以提高可焊性。密封环43和芯片器件16和分立器件15同时粘贴到基板。如果存在可能的芯片器件再加工工艺，那么用低温焊料连接芯片器件16而不是施加到焊料球14之后，可以加入密封环43。盖20包括用镍和选择性金电镀覆盖的金属化区域22a，和芯片器件16相同的尺寸和图象位置。同样用于提高可焊性。密封区域44也金属化，并用焊料镀锡用于以后组件的密封。组件放置在压力施加夹具中，金属热界面材料19(例如盖和焊料)同时熔化，在对流或红外线带炉回流操作期间，将盖20结合到芯片器件16，并将密封环43结合到盖密封区域44。
除同时粘贴金属焊料界面材料和气密密封的组件之外，还可以分别地进行这些步骤。此时，盖20粘贴到器件16之后，可以使用低温焊料形成盖密封。
图3示出了使用气密密封的单芯片组件的本发明另一优选实施例，其中盖20不用密封环结合到基板10，并且借助支座21控制热间隙尺寸。通过焊料球14将芯片器件16结合到基板10上的基板焊盘12。也可以使用附加的分立器件，并如上所述连接。可塑的热界面材料17，即热膏施加在要设置芯片器件16的盖20上的间隙18中。然后使用施加约2磅负荷70的夹具将盖20放置在芯片器件16和基板10上。然后夹具组件送到炉回流工艺，焊料48气密地密封组件。
要提高SCM的热性能，要在盖20和芯片器件16之间放置金属热界面材料。此时，用镍和金金属化盖20的区域和芯片器件16，以提高可焊性。如铅锡焊料等的焊料镀锡到芯片16和基板区域45上。然后将盖20放置在芯片16和基板10上，夹具施加约2磅(0.9kg)的负荷。然后组件进行炉回流工艺，焊料气密地密封组件。
在以上所有的实施例中，单芯片组件仅作为一个例子。然而，具有多于一个芯片的多芯片组件(MCM)也可以从这里使用的直接热间隙控制方法中受益，以提高组件的热性能。具体地，甚至可以使用位于一些或所有芯片上的支座提供控制的热间隙，以气密或非气密密封多芯片组件。
具体参考图4，从中可以看出具有T形剖面的密封环52借助密封剂53密封地粘贴到基板10。如图所示，密封环52具有倒置的“T”形结构，它的凸起部分延伸到设置在盖20中的U形槽55内的密封剂材料42内。U形槽55具有侧壁46和底部50。类似地，在图5中，示出了类似的结构，除了使用密封环47，同时类似地具有T形剖面，T的一个臂设置在向上的方向中，延伸到盖20的槽50内，图5中的水平延伸大于图4中的盖20。此时，盖20作为散热器。
虽然这里根据本发明的某些优选实施例详细地介绍了本发明，但本领域的技术人员可以进行许多修改和变形。因此，由附带的权利要求书覆盖在本发明实际的精神和范围内的所有的修改和变形。

Claims (36)

1.一种电子芯片组件，可以控制热膏的厚度，所述组件包括：
其上具有导电体的基板；
电子电路芯片，面朝下粘贴到所述基板，以与所述导体电连接；
设置在所述芯片的非朝下面上的热膏；
平坦的导热盖，设置在所述芯片上，与所述膏热接触，所述盖的水平范围比所述芯片大，因此具有伸出部分，支持从所述盖周边凸起的盖密封环；
设置在所述盖和所述芯片的非面朝下面之间的至少一个间隔结构；
具有侧壁的凹槽，所述槽设置在所述基板上或基板内，用于接收所述凸起密封环；以及
密封剂材料，设置在所述凹槽的所述侧壁和所述凸起的盖密封构件之间的所述凹槽内。
2.根据权利要求1的芯片组件，其中所述间隔结构为所述盖的一体部分。
3.根据权利要求1的芯片组件，其中用做所述间隔结构的材料选自塑料、金属和陶瓷构成的组。
4.根据权利要求1的芯片组件，其中所述间隔结构包括多个分立的间隔元件。
5.根据权利要求1的芯片组件，其中所述间隔结构为所述芯片定制。
6.根据权利要求1的芯片组件，其中所述槽在所述芯片周围的路径中延伸。
7.根据权利要求6的芯片组件，其中所述路径封闭。
8.根据权利要求1的芯片组件，其中所述槽为可密封地粘贴到所述基板的分离结构。
9.一种电子芯片组件，可以控制热膏的厚度，所述组件包括：
其上具有导电体的基板；
电子电路芯片，面朝下粘贴到所述基板，以与所述导体电连接；
设置在所述芯片的非朝下面上的热膏；
平坦的导热盖，设置在所述芯片上，与所述膏热接触，所述盖的水平范围比所述芯片大，因此所述盖具有伸出部分，所述盖还具有设置在所述伸出部分中的凹槽，所述凹槽具有侧壁；
设置在所述盖和所述芯片的非面朝下面之间的至少一个间隔结构；
凸起密封环，设置在所述基板上，由此位于所述槽上与之面对，至少部分设置在所述槽内；以及
密封剂材料，设置在所述侧壁和所述凸起的密封环之间的所述凹槽内。
10.根据权利要求9的芯片组件，其中所述间隔结构为所述盖的一体部分。
11.根据权利要求9的芯片组件，其中用做所述间隔结构的材料选自塑料、金属和陶瓷构成的组。
12.根据权利要求9的芯片组件，其中所述间隔结构包括多个分立的间隔元件。
13.根据权利要求9的芯片组件，其中所述间隔结构为所述芯片定制。
14.根据权利要求9的芯片组件，其中所述槽在所述芯片周围的路径中延伸。
15.根据权利要求9的芯片组件，其中所述路径是封闭的。
16.根据权利要求9的芯片组件，其中凸起密封环设置在所述基板周边附近。
17.根据权利要求16的芯片组件，其中所述凸起密封环具有T形剖面。
18.根据权利要求9的芯片组件，还包括与所述盖热接触的热沉。
19.根据权利要求1的芯片组件，还包括与所述盖热接触的热沉。
20.一种电子芯片组件，可以控制热膏的厚度，所述组件包括：
其上具有导电体的基板；
电子电路芯片，面朝下粘贴到所述基板，以与所述导体电连接；
设置在所述芯片的非朝下面上的热膏；
平坦的导热盖，设置在所述芯片上，热接触所述膏，所述盖的水平范围比所述芯片和所述基板大，因此具有伸出部分，所述盖还具有设置于其内的凹槽，所述凹槽具有侧壁；
设置在所述盖和所述芯片的非面朝下面之间的至少一个间隔结构；
凸起密封环，密封地设置在所述基板的周边附近，所述密封剂材料设置在所述凹槽的所述侧壁和垂直的所述凸起的密封环之间的所述凹槽内，所述环的垂直凸起部分至少部分延伸到所述槽内。
21.根据权利要求20的芯片组件，其中所述间隔结构为所述盖的一体部分。
22.根据权利要求20的芯片组件，其中用做所述间隔结构的材料选自塑料、金属和陶瓷构成的组。
23.根据权利要求20的芯片组件，其中所述间隔结构包括多个分立的间隔元件。
24.根据权利要求20的芯片组件，其中所述间隔结构为所述芯片定制。
25.根据权利要求20的芯片组件，其中所述槽在所述芯片周围的路径中延伸。
26.根据权利要求20的芯片组件，其中所述路径是封闭的。
27.根据权利要求20的芯片组件，其中所述槽为可密封地粘贴到所述基板的分离结构。
28.根据权利要求20的芯片组件，还包括与所述盖热接触的热沉。
29.一种电子电路芯片组件，可以控制热膏的厚度，所述组件包括：
其上具有导电体的基板；
电子电路芯片，面朝下粘贴到所述基板，以与所述导体电连接；
设置在所述芯片的非朝下面上的热膏；
平坦的导热盖，设置在所述芯片上，与所述膏热接触，所述盖的水平范围比所述芯片大，因此所述盖具有伸出部分，所述盖还具有设置在所述伸出部分中的凹槽，所述凹槽具有侧壁；
设置在所述盖和所述芯片的非面朝下面之间的至少一个间隔结构；
中间凸起密封环，至少部分位于所述槽内，并密封地粘贴到所述基板；以及
密封剂材料，设置在所述侧壁和所述凸起的密封环之间的所述凹槽内。
30.根据权利要求29的芯片组件，其中所述间隔结构为所述盖的一体部分。
31.根据权利要求29的芯片组件，其中用做所述间隔结构的材料选自塑料、金属和陶瓷构成的组。
32.根据权利要求29的芯片组件，其中所述间隔结构包括多个分立的间隔元件。
33.根据权利要求29的芯片组件，其中所述间隔结构为所述芯片定制。
34.根据权利要求29的芯片组件，其中所述槽在所述芯片周围的路径中延伸。
35.根据权利要求34的芯片组件，其中所述路径是封闭的。
36.根据权利要求29的芯片组件，还包括与所述盖热接触的热沉。
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