CN1801482A - 使用液态金属热界面进行芯片冷却的方法和装置 - Google Patents

Abstract

在一个实施例中，本发明是一种使用液态金属热界面进行芯片冷却的方法和装置。对于用于促进在集成电路芯片和热沉的相对表面之间的热接触的创造性热界面的一个实施例，所述热界面包括液体金属层，所述液体金属层包括导热液体金属材料。第一阻挡层将所述液态金属层粘接到所述集成电路芯片的表面，以及第二阻挡层将所述液态金属层粘接到所述热沉的表面。

Description

使用液态金属热界面进行芯片冷却的方法和装置

相关申请的交叉引用

本申请要求由Furman等人于2004年12月17日提出的美国临时专利申请系列号60/637,100以及也由Furman等人于2004年12月17日提出的美国临时专利申请系列号60/637,117的优先权，在此引入其整个内容作为参考。

技术领域

本发明一般涉及集成电路，更具体地说，涉及集成电路芯片的冷却。本发明尤其涉及用于芯片冷却的热界面。

背景技术

为防止过度发热引起的失效，集成电路(IC)器件的有效冷却必不可少。IC芯片的有效冷却在很大程度上取决于芯片与热沉或散热器之间的优良接触，因为大部分热阻预算消耗在芯片与热沉之间。

通常，通过提供在芯片与热沉单元的相对表面之间设置的热导胶或脂的薄层，促进芯片与热沉之间的热量传导。典型地，胶层约为100微米厚，并且机械顺从，以适应有时芯片和热沉的不规则表面。

在促进热量传导方面，这样的导热胶一般证明是可靠的；然而，常规胶的热导率通常是有限的(例如，典型的胶具有约10至100mm²·℃/W的热阻)。因此，这些胶仅在供相对低功率的IC芯片使用时实用。此外，大量的热循环可导致常规胶的不一致行为，或者可导致常规胶不能将芯片热粘接到热沉，产生热散失，也限制芯片冷却。

因此，对于热界面，需要能够建立可靠的热接触，并能够在半导体器件与热沉之间提供足够的热导率和机械顺从性。

发明内容

在一个实施例中，本发明是一种使用液态金属热界面进行芯片冷却的方法和装置。对于用于促进在集成电路芯片和热沉的相对表面之间的热接触的创造性热界面的一个实施例，所述热界面包括液体金属层，所述液体金属层包括导热液体金属材料。第一辅助层将所述液态金属层粘接到所述集成电路芯片的表面，而第二辅助层将所述液态金属层粘接到所述热沉的表面。所述第一和第二辅助层适于促进将所述液体金属材料粘附所述集成电路芯片和/或热沉，以及适于提供相对于所述液体金属材料的优良的润湿性，并适于提供将所述液态金属材料与所述集成电路芯片和/或热沉材料隔离的阻挡层。在一些实施例中，所述第一和第二辅助层可以由两个或多个子层构成。

附图说明

为了以得到和详细理解本发明的上述实施例的方式，已在上面简要总结的本发明，其更具体的说明可通过参考在附图中说明的本发明的实施例得到。然而，应注意，附图仅示出本发明的典型实施例，因此认为不是对本发明范围的限制，因为本发明可认可其它等同有效的实施例。

图1是示出了其中采用根据本发明的热界面的系统的一个实施例的示意图；

图2是图1中示出的热界面的截面图；以及

图3是流程图，示出了对IC芯片或热沉的表面施加至少部分液态金属(或焊料)热界面，例如如图1和2所示的热界面的方法的一个实施例。

为便于理解，在可能的地方使用相同的参考标号，以表示图中公共的相同元件。

具体实施方式

在一个实施例中，本发明是液态金属热界面，该液态金属热界面有助于在半导体器件(例如，IC芯片)与热沉之间提供优于常规导热胶界面的改善的热接触。该热界面以这样的方式装配：基本上防止液态金属中的材料与IC芯片和/或热沉中的材料之间的反应(例如，热沉材料的侵蚀)，并且将液态金属粘附到IC芯片和/或热沉的表面，并得到与IC芯片和热沉的表面的充分润湿(在许多实施例中，IC芯片的润湿比热沉的润湿更重要)。因此，本发明的热界面使得液态金属的采用成为实用的界面解决方法。

图1是示出了其中采用根据本发明的热界面102的系统100的一个实施例的示意图。如图所示，为了在IC芯片104与热沉106之间提供优良的热接触，在IC芯片104与热沉106的相对表面之间采用热界面102。热沉106可以是任何种类的热沉或散热器，包括空气冷却叶片装置、液体冷却装置、热导管装置、蒸汽室等。如以下更详细的说明，在一个实施例中，热界面102包括导热液态金属材料。在可选实施例中，热界面102可以是焊料热界面。

图2是在图1中所示的热界面102的截面图。在一个实施例中，热界面102包括导热液态金属层200，该导热液态金属层200设置在与液态金属层200的第一表面接触的第一阻挡层202a和与液态金属层200的相反的第二表面接触的第二阻挡层202b(以下合称为“阻挡层202”)之间。

液态金属层200适于促进在IC芯片104与热沉106的相对表面之间的优良的热接触。液态金属层200包括金属(或金属合金)，该金属至少在典型的IC芯片工作温度的范围内(例如，约20℃至100℃)为液态，并且在一个实施例中包括镓-铟-锡合金，该镓-铟-锡合金具有比常规导热胶更高的热导率(约30W/m·K)。在另一个实施例中，为了调整液态金属合金的一个或多个特性，例如其熔点、抗蚀性、导热率或润湿性，可用材料代替液态金属合金或将材料添加到液态金属合金中。例如，可添加包括但不限于锌、铋、铂、钯、锰、镁、铜、银或金的材料，或用这些材料代替不同的材料。

在又一个实施例中，液态金属层200包括镓-铟-锡合金，该镓-铟-锡合金与惰性颗粒(例如，有机颗粒，如钨、碳、金刚石、二氧化硅、碳化硅、铬、钛、钼、氧化镓、氧化锡、氧化铟、塑性钽等)混合，以提高液态金属层200的粘性。例如，十重量百分比的约二微米尺寸的钨颗粒可与镓-铟-锡合金结合，以产生更粘滞的膏状液态金属层200，该膏状液态金属层200更容易施加和容纳。在其它实施例中，向镓-铟-锡合金添加的惰性颗粒的类型、尺寸和重量百分比取决于特定应用的目的(例如，希望的粘接线等)。另外，为了调整镓-铟-锡合金的抗蚀特性，可向镓-铟-锡合金少量添加抗蚀性材料，例如锌、钯、铂、金、锰和镁。

在一个实施例中，液态金属层200具有约十至一百微米的厚度。在另一个实施例中，液态金属层的厚度取决于希望的热阻和/或组件的机械容差。典型地，液态金属层200的厚度正比于热阻。例如，在一个实施例中，液态金属层200为约三十微米厚，并对应于约二mm²·℃/W的热阻。

在基本上防止液态金属层200的组件与IC芯片104和热沉106的组件之间的反应(例如，如热沉106的侵蚀)时，阻挡层202适于将液态金属层200粘接到IC芯片104和热沉106的相对表面。在一个实施例中，阻挡层202直接施加到IC芯片104和热沉106的相对表面(例如，通过蒸发、溅射、镀敷、粘接等)。阻挡层202至少部分由包括金属的材料形成，该包括金属的材料在液态金属层200的成分(例如镓、铟和锡)中具有低溶解度，并且是化学惰性的。对于本发明的目的，在液态金属层200的成分中具有“低溶解度”的材料是在液态金属层200中具有足够低的溶解度的材料，以致可合理地期望该材料在所关心的温度范围内随时间保持其完整性。

在一个实施例中，形成阻挡层202的材料也很好地粘附到铜、铝、硅、氮化硅和二氧化硅(例如，公共的热沉和/或IC芯片材料)。在一个实施例中，阻挡层202至少部分由包括铬、钽、钛、钨、钼和镍中的至少一种的材料形成。在又一个实施例中，阻挡层202至少部分由包括氧化物或氮化物，例如氧化硅、氮化硅、碳化硅、氮化钛和氮化钽的材料形成。在这些情况下，可希望包括在氮化物或氧化物阻挡层202与界面表面之间的界面表面沉积的(例如，在施加阻挡层202之前在界面表面上沉积的)附加的粘附层(例如铬)。在一个实施例中，各阻挡层202具有约2000至5000埃的厚度。

在一个实施例中，热界面102还包括至少一个在液态金属层200与阻挡层202中的一个或两个之间设置的润湿层204a或204b(以下合称为“润湿层204”)。润湿层204适于促进在液态金属层200与阻挡层202之间的金属至金属粘接。润湿层204至少部分由少量在液态金属层200的成分(例如镓、铟和锡)中可选地部分或完全溶解的材料形成，以允许在液态金属层200与阻挡层202之间的直接、坚固的金属粘接。

在可选实施例中，润湿层204至少部分由直接润湿的材料(例如碳化硅、氮化硅或氧化硅)，代替如上所述的促进液态金属层200与阻挡层202之间的金属至金属粘接的材料形成。在本发明的上下文中，“直接润湿”的材料是相对于液态金属材料具有优良的表面能的材料，以致不需要促进金属至金属粘接的润湿层。

此外，润湿层204的成分应选自不负面影响液态金属层200的功能的材料，例如，通过与液态金属材料发生化学反应或者改变液态金属材料的合金特性的负面影响。在一个实施例中，以基本上防止在阻挡层202上形成氧化物(例如，通过溅射)的方式将润湿层204直接施加到阻挡层202。在一个实施例中，润湿层204至少部分由至少一种贵金属(例如铂或金)形成，该贵金属一经接触即溶解到液态金属层200中，允许在液态金属层200与阻挡层202之间的直接金属粘接。在一个实施例中，各润湿层204具有足够小的厚度，以避免负面影响液态金属层的特性。在一个实施例中，润湿层204的厚度为约30,000埃，但根据需要可更薄或更厚。例如，IC芯片或热沉表面的表面粗糙度可决定润湿层204的厚度(例如，为了得到不透氧覆层，较粗糙表面可能需要厚于平滑表面的润湿层204)。

在一个实施例中，阻挡层202和相应的润湿层204中的至少一个可形成为例如至少部分由铬或镍形成的单个、组合阻挡层和润湿层。

本领域的技术人员将理解，在一些实施例中，根据所讨论的层是否适于与IC芯片104或与热沉106邻接，第一阻挡层202a和第二阻挡层202b以及各润湿层204可包括不同的材料和厚度。

本领域的技术人员将认可，可实施多种方法以横向限制液态金属层200(例如，防止液态金属材料“泄漏”)。在一个实施例中，通过小间隙毛细管作用实现对液态金属层200的横向限制。在另一实施例中，通过在IC芯片104与热沉106之间或相对它们插入垫圈，横向限制液态金属层200。在又一个实施例中，在边缘连接第一和第二阻挡层202，以形成围栏包容液态金属层200。

因而，本发明提供实用的液态金属热界面102，该液态金属热界面102容易地用于IC芯片104与热沉106之间。阻挡层202防止液态金属层200中的材料与构成热沉106和IC芯片104的材料发生反应。此外，润湿层204容易地溶解到液态金属层200中，从而促进在液态金属层200与阻挡层202之间直接的金属至金属接触。这样，在提供优于常规导热胶的改善的热接触的同时，可以避免与IC芯片104和热沉106发生负面化学反应并得到与IC芯片104和热沉106的充分润湿的方式，采用液态金属热界面层102。

例如，在一个实施例中，由铬形成的约2000埃的阻挡层202被溅射到IC芯片104和/或热沉106上，随后用包括约300埃的金或铂的润湿层204溅射覆盖，以防止表面氧化。然后在被覆盖的IC芯片104与热沉106之间采用液态金属层202。在一个实施例中，该配置得到在高达约150℃的温度范围内的坚固性能。

在另一个实施例中，在IC芯片104和/或热沉106的表面上顺序溅射约300埃的铬，2500埃的钛、钨或氮化钽覆盖的钽，以及300埃的铂或金。在一个实施例中，该配置提供了在高温(例如，超过约150℃的温度)下对镓、铟和锡扩散的提高的抵抗性。

然而，本领域的技术人员将理解，所选的用阻挡层和/或润湿层202和204覆盖IC芯片104和热沉106的表面的方法，以及所选的阻挡层和润湿层202和204的厚度通常是与施加相关的。也就是说，覆盖方法和厚度通常取决于在阻挡层和润湿层202和204中的沉积应力以及希望的覆盖均匀性。例如，如果IC芯片104或热沉106的表面粗糙，可通过溅射施加阻挡层和/或润湿层202和204以得到基本上均匀的覆层。通过溅射的施加也有助于在膜中引起小于其它施加方法的应力。在一些实施例中，根据合适的覆盖方法，可施加用于阻挡层和/或润湿层202和204的薄籽晶层，随后在其上镀覆较厚的层。

图3是流程图，示出了对IC芯片或热沉的表面施加至少部分液态金属(或焊料)热界面，例如如图1和2所示的热界面102的方法300的一个实施例。具体地说，图3示出了对界面表面(例如，将通过热界面102邻接的IC芯片104或热沉106的表面)施加阻挡层和/或润湿层的方法300。该方法300在步骤302开始，并进行到步骤304，其中制备包括润湿层206(例如，包括如铂或金的润湿材料)和/或阻挡层204(例如，包括如钛、钽、钨、铬或镍的阻挡层材料)的粘接条。在一个实施例中，通过在聚合物底膜(例如，如EI Dupont de Nemours & Company的Mylar的聚对苯二甲酸乙二醇酯膜，或者如仍为EI Dupont de Nemours & Company的Teflon的聚四氟乙烯)上顺序蒸发润湿层206和阻挡层204以形成至少覆盖部分聚合物底膜的双层金属膜，形成粘接条。在可选实施例中，在聚合物底膜上蒸发组合阻挡层/润湿层或金属膜(例如，包括铬)以形成单层金属膜。在一个实施例中，金属膜的厚度在至少约1000埃的数量级。

在又一个可选实施例中，通过剥离阻挡层薄片(例如，由阻挡层材料形成的金属薄片)的氧化物，然后用润湿材料覆盖剥离薄片的表面以形成双层金属膜，形成粘接条。在一个实施例中，金属膜具有约一至二十微米的厚度。

在一个实施例中，粘接条的阻挡层还覆盖有粘合促进剂(例如，如商业可得的硅化(silated)或非硅化的促进剂的有机粘合促进剂)。

在步骤306中，为粘接制备IC芯片104或热沉106的界面表面。在一个实施例中，界面表面的制备包括对界面表面施加粘合剂。在一个实施例中，所施加的粘合剂是这样的材料，该材料促进界面表面与粘接条的优良粘结，是稳定的，能够形成薄(例如，如亚微米薄的)粘接线，并能够承受高温(例如，高达约250℃)以允许焊料回流操作。在一个实施例中，粘合剂包括商业可得的低粘性的丙烯酸酯或环氧树脂或低熔点焊料(例如，基于铟的焊料)。在又一个实施例中，在施加粘合剂之前，对界面表面施加粘合促进剂，该粘合促进剂具有一种或多种与粘合剂本身相同的必备特性。

在步骤308中，将粘接条(例如，覆盖的聚合物底膜或覆盖的阻挡层薄片)压到界面表面上，以使在粘接条上的金属膜的阻挡层204接触界面表面上的粘合剂。在一个实施例中，将粘合剂压到约1000埃的粘接线上(例如，通过滚压或其它合适的方法)。小粘接线允许界面保持高热导率。

在步骤310中，固化粘合剂(例如，通过加热、光照或热回流循环)，将阻挡层(以及相应的润湿层)直接粘接到界面表面上。在一个实施例中，在至少约250℃的温度下固化粘合剂。在一个实施例(例如，其中粘接条包括被覆盖的聚合物底膜)中，方法300进行到步骤312，去除聚合物底膜，留下粘接到界面表面的金属膜(例如，阻挡层和润湿层)。步骤304-312可重复任意次，以将任意数量的金属膜粘接到界面表面。方法300在步骤314结束。

从而，可为液态金属或焊料热界面材料(例如镓-铟-锡合金或其它基于导热金属的界面材料)的直接施加，制备IC芯片或热沉的表面(或需要与另一个对象的热界面的其它表面)。方法300以这样的方式使得能够采用液态金属(或焊料)热界面，在一些实施例中，比在界面表面直接溅射、镀覆或蒸发阻挡层和/或润湿层更容易且更成本有效。

因此，本发明在IC芯片冷却的领域中代表重要的改进。提供液态金属热界面，该液态金属热界面有助于IC芯片与热沉之间提供优于常规导热胶界面的改善的热接触。热界面以这样的方式装配：基本上防止液态金属中的材料与IC芯片和/或热沉中的材料之间的反应，并且得到与IC芯片和热沉表面的充分润湿。从而，本发明的热界面使得液态金属的采用成为实用的界面解决方法。此外，本发明提供一种简单的、成本有效的在IC芯片与热沉之间(或者在任何两个需要优良的热接触的表面之间)采用液态金属热界面的方法。

虽然上述内容是针对本发明的优选实施例，只要不脱离其基本范围，可以设计出本发明的其它和进一步的实施例，本发明的范围通过下面的权利要求确定。

Claims (20)

1.一种用于促进在集成电路芯片表面与热沉表面之间的热接触的热界面，所述热界面包括：

液态金属层，包括液态金属材料；

第一阻挡层，与所述液态金属层的第一表面接触，所述第一阻挡层用于将所述液态金属层粘接到所述集成电路芯片表面；以及

第二阻挡层，与所述液态金属层的第二表面接触，所述第二阻挡层用于将所述液态金属层粘接到所述热沉表面。

2.根据权利要求1的热界面，其中所述液态金属层包括金属，所述金属至少在约二十至一百摄氏度的范围内为液态。

3.根据权利要求1的热界面，其中所述液态金属层包括材料，所述材料包括以下的至少一种：镓、铟、锡、锌、铅、铋、铂、钯、锰、镁、铜、银或金。

4.根据权利要求3的热界面，其中所述材料与惰性颗粒混合。

5.根据权利要求4的热界面，其中所述惰性颗粒包括以下的至少一种：钨、碳、金刚石、二氧化硅、碳化硅、铬、钛、钼、氧化镓、氧化锡、氧化铟、塑胶或钽。

6.根据权利要求1的热界面，其中所述液态金属层具有约十至一百微米的厚度。

7.根据权利要求1的热界面，其中所述第一阻挡层和所述第二阻挡层各包括至少一种在所述导热液态金属材料中具有低溶解度的材料。

8.根据权利要求7的热界面，其中所述第一阻挡层和所述第二阻挡层各还包括至少一种与以下的至少一种粘附很好的材料：铜、铝、硅、氮化硅或二氧化硅。

9.根据权利要求8的热界面，其中所述第一阻挡层和所述第二阻挡层各至少部分由以下的至少一种形成：铬、钽、钛、钨、钼、镍、氧化硅、氮化硅、碳化硅、氮化钛或氮化钽。

10.根据权利要求9的热界面，其中所述第一阻挡层和所述第二阻挡层各还包括粘合剂层，所述粘合剂层用于分别将所述第一阻挡层和所述第二阻挡层粘附到所述集成电路芯片表面和所述热沉表面。

11.根据权利要求1的热界面，其中所述第一阻挡层和所述第二阻挡层中的至少一层具有至少约二百埃的厚度。

12.根据权利要求1的热界面，其中所述热界面还包括：

第一润湿层，设置在所述液态金属层与所述第一阻挡层之间，所述第一润湿层用于将所述液态金属层粘接到所述第一阻挡层；以及

第二润湿层，设置在所述液态金属层与所述第二阻挡层之间，所述第二润湿层用于将所述液态金属层粘接到所述第二阻挡层。

13.根据权利要求12的热界面，其中所述第一润湿层和所述第二润湿层中的至少一层具有约三百埃的厚度。

14.根据权利要求12的热界面，其中所述第一润湿层和所述第二润湿层各包括至少一种在所述液态金属材料中至少部分可溶解的材料。

15.根据权利要求14的热界面，其中所述第一润湿层和所述第二润湿层各至少部分由贵金属形成。

16.根据权利要求15的热界面，其中所述第一润湿层和所述第二润湿层各至少部分由铂或金形成。

17.根据权利要求12的热界面，其中所述第一润湿层和所述第二润湿层分别与所述第一阻挡层和所述第二阻挡层结合，以形成第一组合层和第二组合层。

18.一种用于促进在集成电路芯片表面与热沉表面之间的热接触的热界面，所述热界面包括：

液态金属层，包括液态金属材料；

第一辅助层，与所述液态金属层的第一表面接触，所述第一辅助层用于将所述液态金属层粘附到所述集成电路芯片表面，并使所述液态金属材料与所述集成芯片表面隔离；以及

第二辅助层，与所述液态金属层的第二表面接触，所述第二辅助层用于将所述液态金属层粘附到所述热沉表面，并使所述液态金属材料与所述热沉表面隔离。

19.根据权利要求18的热界面，其中所述第一辅助层和所述第二辅助层各包括：

第一子层，用于将所述液态金属材料与所述集成电路芯片表面或所述热沉表面隔离；以及

第二子层，用于促进在所述第一子层与所述液态金属层之间的粘接。

20.一种用于将集成电路芯片表面热邻接到相对的热沉表面的方法，包括以下步骤：

对所述集成电路芯片表面施加第一阻挡层，所述第一阻挡层用于将所述集成电路芯片表面粘接到液态金属；

对所述热沉表面施加第二阻挡层，所述第二阻挡层用于将所述热沉表面粘接到液态金属；以及

在所述第一阻挡层与所述第二阻挡层之间提供液态金属层，所述液态金属层包括液态金属材料。

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