CN1734754A - 集成电路封装结构及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种集成电路封装结构，其包括：一基板；一集成电路芯片设置于基板上；一集成散热片置于集成电路芯片上方，其边缘下端固定于基板上，该集成散热片包括一内表面及一外表面；及一碳纳米管阵列设置于上述集成电路芯片与散热器件之间；其中，该碳纳米管阵列是形成于集成散热片的内表面，其两端分别与集成散热片及集成电路芯片垂直接触，该碳纳米管中填充有高热传导系数的纳米金属材料。

Description

集成电路封装结构及其制造方法
【技术领域】
本发明涉及一种集成电路封装结构及其制造方法，尤其涉及一种应用碳纳米管阵列导热的集成电路封装结构及其制造方法。
【背景技术】
在半导体集成电路的封装领域，随着半导体集成电路不断在改进、发展，其在功能上不断提高的同时体积不断减小，密集程度不断增加，封装尺寸亦在不断变小。由于集成电路芯片工作时是在如此小的空间内进行运算处理，必将产生相当大的热量。所产生的热量必须通过适当的方式散出，以避免集成电路芯片因过热导致运算处理错误，严重时会造成硬件电路的损毁。因此，封装中的散热问题就越发关键。
传统的封装方式由于塑封料的导热系数不高，集成电路芯片产生的热量不能实时散发出去，导致芯片温度容易过高，降低了芯片能够支持的功率。为了解决该问题，请参阅图1所示，最初的方法是在基板3上粘结一散热片5，然后再用塑封胶7将芯片2、金线4、散热片5等塑封起来。散热片5位于芯片2上方，其上表面暴露于空气中，用于将芯片2产生的热量进行发散，防止芯片2温度过高。然而，其芯片2产生的热量需通过塑封胶体7的传导方能到达散热片5，再将热能散发掉。但由于塑封胶体7为不良导热体，致使其散热效果有限。
随着热界面材料的出现以及半导体封装工艺的发展，人们将热界面材料与半导体封装工艺相结合得到了更好的散热效果。请参阅图2，热界面材料6置于芯片2顶面与散热片5内部表面之间。集成电路工作时，芯片2所产生的热量可由直接与其相接触的热界面材料6传递至散热片5内部表面，被散热片5吸收，并藉由散热片5外部的其它散热装置将热量散发掉。然而，该种应用热界面材料的半导体集成电路封装方法受到热界面材料本身热传导能力的制约。
为改善热界面材料的性能，提高其热传导系数，各种材料被广泛试验。Savas Berber等人于2000年在美国物理学会上发表一篇名为“Unusually HighThermal Conductivity of Carbon Nanotubes”的文章指出，“Z”形(10，10)碳纳米管于室温下导热系数可达6600W/mK，具体内容可参阅文献Phys.Rev.Lett(2000)，Vol.84，P.4613。研究如何将碳纳米管用于热界面材料并充分发挥其优良的导热性成为提高热界面材料性能的一个重要方向。
美国专利第6,407,922号揭示一种利用碳纳米管导热的热界面材料，其将碳纳米管掺到银胶基体结成一体，通过注模方式制得热界面材料。该热界面材料的两导热表面的面积不等，其中与散热器接触一面的面积大于与热源接触一面的面积，该热界面材料应用于半导体封装能够提高其散热能力。但是，该方法制得的热界面材料有不足之处，其一，注模方式制得热界面材料厚度较大，虽该热界面材料的导热系数较高，但该热界面材料体积的增加，与器件向小型化方向发展的趋势不相适应，且该热界面材料缺乏柔韧性；其二，碳纳米管在基体材料中未有序排列，其在基体中分布的均匀性较难确保，因而热传导的均匀性亦受到影响，碳纳米管纵向导热的优势未充分利用，影响热界面材料的热传导系数。
2004年1月8日公开的美国专利申请第20040005736号揭示一种基于碳纳米管阵列的热界面材料，以及包括该热界面材料的半导体封装结构，其将热界面材料在封装时置于集成散热片(Integrated Heat Spreader，IHS)与集成电路芯片(DIE)之间，或者置于集成电路芯片与散热器(Heat Sink)之间。其中，该热界面材料是包括混合有聚合物基体材料的碳纳米管阵列，碳纳米管于聚合物基体材料中均匀分布有序排列，能够避免由于碳纳米管的无序排列而影响热界面材料的导热性，同时，碳纳米管阵列基本垂直于并延伸出热界面材料的接触表面，确保碳纳米管能直接与集成电路芯片或散热器件相接触。但是，基于该热界面材料的半导体封装结构有不足之处，其一，由于聚合物基体材料的导热性能不佳，因此，将碳纳米管与聚合物基体混合形成的热界面材料不能充分发挥碳纳米管的导热性能，且该热界面材料于应用时会由于芯片的不均匀发热导致热传导的不均匀性，进而影响整个热界面材料的热传导效率以及热传导的稳定性，更进一步地影响该封装结构的散热效果；其二，上述半导体封装结构中混合碳纳米管阵列于聚合物基体的热界面材料是形成于集成电路芯片(DIE)上，由于集成电路芯片不能承受形成碳纳米管阵列所需的高温，故需要预先形成该碳纳米管阵列热界面材料于基板上，再于该基板上制作集成电路芯片，制作与封装过程较为复杂，不利于推广应用。
因此，提供一种能充分发挥碳纳米管的热传导性能，散热效果好，制作简单的集成电路封装结构及其该封装结构的制造方法十分必要。
【发明内容】
为解决现有技术的技术问题，本发明的目的是提供一种能充分发挥碳纳米管的热传导性能，散热效果好，制作简单的集成电路封装结构。。
本发明的另一目的是提供此种集成电路封装结构的制造方法。
为实现本发明的目的，本发明提供一种集成电路封装结构，其包括：一基板；一集成电路芯片设置于基板上；一集成散热片置于集成电路芯片上方，其边缘下端固定于基板上，该集成散热片包括一内表面及一外表面；及一碳纳米管阵列设置于上述集成电路芯片与散热器件之间；其中，该碳纳米管阵列是形成于集成散热片的内表面，其两端分别与集成散热片及集成电路芯片垂直接触。
本发明的集成电路封装结构中，该碳纳米管中填充有高热传导系数的纳米金属材料。
该集成电路封装结构可进一步包括一碳纳米管阵列形成于集成散热片的外表面，应用时，该碳纳米管两端分别与集成散热片及外接散热装置垂直接触。该碳纳米管阵列同样可为管中填充有高热传导系数的纳米金属材料的碳纳米管阵列。
为实现本发明的另一目的，本发明还提供此种集成电路封装结构的制造方法，包括以下步骤：
提供一基板，其包括两相对表面；
提供一集成电路芯片并将该芯片粘接于基板的一表面上，再通过金线将集成电路芯片与基板上的电路进行电性连接；
提供一集成散热片，其包括一内表面与一相对的外表面；
通过化学方法在集成散热片的内表面生长碳纳米管阵列；
将集成散热片固定于基板上，使碳纳米管阵列位于集成散热片与集成电路芯片之间，并与集成电路芯片直接垂直接触；
在基板、集成电路芯片、集成散热片上做封胶材料的设置；
在基板相对于芯片的另一表面上焊贴锡球。
其中，本发明中碳纳米管阵列的生长方法包括以下步骤：
抛光欲生长碳纳米管阵列的集成散热片的表面；
在该集成散热片表面沉积催化剂；
通入碳源气，在集成散热片的表面生长碳纳米管阵列。
本发明的集成电路封装结构的制造方法中，该碳纳米管阵列进一步包括管中填充有高热传导系数的纳米金属材料的碳纳米管阵列。
本发明填充有纳米金属材料的碳纳米管阵列的形成方法包括以下步骤：
在需生长碳纳米管阵列的散热片表面布上一规则图案化的催化剂层；
以激光蒸发法(Laser Ablation)将含金属元素的石墨棒以高能激光瞬间气化；
在500Torr的氩气气氛下以流动的氩气将气化的碳基金属蒸气传送至已布有催化剂的散热片表面；
冷却得到填充有纳米金属材料的碳纳米管阵列。
与现有技术相比较，本发明基于碳纳米管阵列导热的集成电路封装结构具以下优点：其一，碳纳米管阵列是封装以前直接生长于集成散热片表面，方法简单，且可避免生长时对集成电路芯片的影响；其二，应用时该碳纳米管阵列能够直接与集成散热片及集成电路芯片接触，或与外接散热装置直接垂直相接触，形成多个导热信道，能够极好地发挥碳纳米管的优异导热性能；其三，碳纳米管中填充有纳米金属材料，在热源发热不均匀亦时能够提供均匀散热，因而能够有效地改善其热传导的效率以及热传导的稳定性。
【附图说明】
图1是现有技术的半导体集成电路封装结构的示意图。
图2是现有技术的封装有散热片半导体集成电路封装结构的示意图。
图3是本发明集成电路封装结构的第一实施方式的示意图。
图4是第三图的局部放大示意图。
图5是本发明集成电路封装结构的第二实施方式的示意图。
图6是本发明集成电路封装结构的制造方法的流程示意图。
【具体实施方式】
下面将结合附图及具体实施例对本发明进行详细说明。
请参阅图3与图4，本发明提供一种集成电路封装结构10，其包括：一基板11；一集成电路芯片(DIE)12粘结于基板11上，并通过金线121与基板电性连接；一集成散热片(Integrated Heat Spreader，IHS)13设置于集成电路芯片12上方，该集成散热片13包括一内表面及一外表面，其边缘下端131粘接于基板11之上，该集成散热片起到密封与保护集成电路芯片12的作用，同时，集成散热片13边缘下端131通过电路与基板11地极电性相连，起到静电屏蔽的作用；一碳纳米管阵列14形成于集成散热片13的内表面，该碳纳米管阵列14包括多个分布均匀且彼此平行的碳纳米管141，该碳纳米管141两端分别与集成电路芯片12及集成散热片13垂直接触，构成多个导热信道。其中，该碳纳米管阵列14是直接生长于集成散热片13上，相当于一层热界面材料。碳纳米管阵列14的高度可通过控制其生长时间来控制，本发明碳纳米管阵列14的高度为0.01～0.1毫米。优选地，本发明形成的碳纳米管141中皆填充有高热导率的纳米金属材料，应用时能够更好地提高其热传导的效率，显著改善热传导的稳定性，本发明的纳米金属材料包括纳米铜材料。另外，本发明基板11可通过连接器16与主机板17电性连接，从而可以完成与主机板17上其它电子组件连接的功能。
请参阅图5，为了取得更好地散热效果，在实际应用中，可以进一步在集成散热片13的外表面以同样的方法形成一碳纳米管阵列15，藉此将从集成电路芯片12传递至集成散热片13上的热量更好地传递给外接散热器18并迅速发散，从而有效地降低集成电路芯片12的工作温度。本实施方式的外接散热器18选自鳍片式散热器。
请参阅图6，本发明集成电路封装结构的制造方法包括如下步骤：
步骤100是提供一基板，其包括两相对表面；
步骤200是提供一集成电路芯片并将该芯片粘接于基板的一表面上，再通过金线将集成电路芯片与基板上的电路形成电性连接；
步骤300，提供一集成散热片，其包括一内表面与一相对的外表面，该散热片的材料包括金属铜；
步骤400，通过化学方法在集成散热片的内表面生长碳纳米管阵列，该碳纳米管阵列的厚度为0.01～0.1毫米；
步骤500，将集成散热片固定于基板上，使碳纳米管阵列位于集成散热片与集成电路芯片之间，并与集成电路芯片直接垂直接触，同时，该集成散热片与基板电性相连以起到静电屏蔽的作用；
步骤600，在基板、集成电路芯片、集成散热片上做封胶材料的设置，其中封胶设置的方法包括压模法(Transfer，Molding)、点胶(Dispensing)及真空印刷法(Vacuum Printing)；
步骤700，在基板相对于芯片的另一表面上焊贴锡球，以连接连接器，并通过连接器与主机板电性相连。
其中，本发明可进一步生长碳纳米管阵列于散热片的外表面，应用时，使得该碳纳米管阵列位于散热片与外接散热器之间，有利于热量更好地传递。
优选地，本发明形成的碳纳米管阵列包括填充有高热导率纳米金属材料的碳纳米管阵列，本实施方式的纳米金属材料选自纳米铜材料。
本发明生长碳纳米管阵列于散热片的方法包括以下步骤：
首先，在散热片的表面作一化学机械研磨抛光处理(Chemical MechanicalPolish，CMP)，使其表面粗糙度降低至5～10埃，并洗净该表面；
其次，在已处理的散热片的表面沉积一催化剂层，催化剂层的厚度为5～30纳米，催化剂层沉积的方法可选用真空热蒸镀挥发法，亦可选用电子束蒸发法。催化剂的材料可选用铁、钴、镍或其合金，本实施方式选用铁作为催化剂材料，其沉积的厚度为10纳米；
最后，将带有催化剂层的散热器置于空气中，在300℃下退火，以使催化剂层氧化、收缩成为纳米级的催化剂颗粒。待退火完毕，再将分布有催化剂颗粒的散热片的表面置于反应室内，通入碳源气乙炔，利用低温热化学气相沉积法，在上述催化剂颗粒上生长碳纳米管，形成碳纳米管薄膜，碳源气亦可选用其它含碳的气体，如乙烯等。当前，碳纳米管阵列的生长方法已较为成熟，具体可参阅文献Science，1999，283，512-414与文献J.Am.Chem.Soc，2001，123，11502-11503。本发明碳纳米管阵列的高度为0.01～0.1毫米，本实施方式生长的碳纳米管的直径为20纳米，高度为50微米，间距为100纳米。
本发明的优选方式中，生长填充有纳米金属铜材料的碳纳米管阵列的方法包括以下步骤：
首先，在需生长碳纳米管阵列的散热片表面作一化学机械研磨抛光处理(Chemical Mechanical Polish，CMP)，使其表面粗糙度降低至5～10埃，并于已处理的散热片的表面布上一规则图案化的催化剂层，具体方法为先按照预定图案依次通过软烘、曝光、显影布上光阻，再以真空溅镀或挥发镀膜法布上催化剂。催化剂的材料可选用铁、钴、镍或其合金，本实施方式选用铁作为催化剂材料，其沉积的厚度为10纳米；
其次，以激光蒸发法(Laser Ablation)将含金属元素的石墨棒以高能激光瞬间气化，其中，高能激光选自掺钕钇铝石榴石激光(Nd YAG Laser)，本实施方式的金属元素选自金属铜；
再次，在500Torr的氩气气氛下以流动的氩气将气化的碳基金属蒸气传送至已布有催化剂的散热片表面，其中，金属元素的含量不少于1％；
最后，冷却得到填充有金属材料的碳纳米管阵列。
本发明的集成电路封装结构于应用时，由于碳纳米管是与散热片及集成电路芯片直接接触，进一步地，当碳纳米管阵列设置于散热片与外接散热装置之间时，该碳纳米管与散热片及外接散热装置直接接触，因而能够充分发挥碳纳米管的优异导热性能，能够很好地将集成电路芯片散发出来的热量传递给集成散热片并通过外接散热装置迅速发散，具有优异的散热效果。另外，由于碳纳米管中填充有纳米金属材料，可进一步改善热传导效率以及热传导的稳定性。

Claims (15)

1.一种集成电路封装结构，其包括一基板，一集成电路芯片设置于基板上，一集成散热片置于集成电路芯片上方，其边缘下端固定于基板上，该集成散热片包括一内表面及一外表面，一碳纳米管阵列设置于上述集成电路芯片与集成散热片之间，其特征在于：该碳纳米管阵列形成于集成散热片的内表面，其两端分别与集成散热片及集成电路芯片垂直接触。
2.如权利要求1所述的集成电路封装结构，其特征在于该纳米碳管中进一步填充有高热传导系数纳米金属材料。
3.如权利要求1所述的集成电路封装结构，其特征在于进一步包括一碳纳米管阵列形成于集成散热片的外表面，该纳米碳管两端分别与集成散热片及外接散热装置垂直接触。
4.如权利要求1所述的集成电路封装结构，其特征在于该碳纳米管阵列之高度为0.01～0.1毫米。
5.如权利要求2所述的集成电路封装结构，其特征在于高热传导系数纳米金属材料包括纳米金属铜材料。
6.一种集成电路封装结构的制造方法，其包括以下步骤：
提供一基板，其包括两相对表面；
提供一集成电路芯片并将该芯片粘接于基板的一表面上，再通过金线将集成电路芯片与基板上的电路进行电性连接；
提供一集成散热片，其包括一内表面与一相对的外表面；
通过化学方法在集成散热片的内表面生长碳纳米管阵列；
将集成散热片固定于基板上，使碳纳米管阵列位于集成散热片与集成电路芯片之间，并与集成电路芯片直接垂直接触；
在基板、集成电路芯片、集成散热片上做封胶材料的设置；
在基板相对于芯片的另一表面上焊贴锡球。
7.如权利要求6所述的集成电路封装结构的制造方法，其特征在于该纳米碳管中进一步填充有高热传导系数纳米金属材料。
8.如权利要求7所述的集成电路封装结构的制造方法，其特征在于进一步包括形成一同样填充有纳米金属材料的碳纳米管阵列于集成散热片的外表面。
9.如权利要求6所述的集成电路封装结构的制造方法，其特征在于该碳纳米管阵列的生长方法包括以下步骤：
抛光欲生长碳纳米管阵列的集成散热片的表面；
在该集成散热片表面沉积催化剂；
通入碳源气，在集成散热片的表面生长碳纳米管阵列。
10.如权利要求7所述的集成电路封装结构的制造方法，其特征在于该填充有纳米金属材料的碳纳米管阵列的形成方法包括以下步骤：
抛光欲生长碳纳米管阵列的集成散热片的表面；
在处理后的散热片表面布上一规则图案化的催化剂层；
以激光蒸发法(Laser Ablation)将含金属元素的石墨棒以高能激光瞬间气化；
在500Torr的氩气气氛下以流动的氩气将气化的碳基金属蒸气传送至已布有催化剂的散热片表面；
冷却得到填充有纳米金属材料的碳纳米管阵列。
11.如权利要求10所述的集成电路封装结构的制造方法，其特征在于该图案化的催化剂层的形成方法包括先按照预定图案于集成散热片表面依次通过软烘、曝光、显影布上光阻，再以真空溅镀或挥发镀膜法布上催化剂。
12.如权利要求10所述的集成电路封装结构的制造方法，其特征在于该纳米金属材料包括纳米金属铜材料。
13.如权利要求10所述的集成电路封装结构的制造方法，其特征在于该碳基金属蒸气中金属元素的含量不少于1％。
14.如权利要求10所述的集成电路封装结构的制造方法，其特征在于该高能激光选自掺钕钇铝石榴石激光。
15.如权利要求10所述的集成电路封装结构的制造方法，其特征在于该碳纳米管阵列的高度为0.01～0.1毫米。
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