JP2005500668A - 高容量の熱インターフェイスを備えた電子組立体及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
本発明は、一般的に、電子回路の実装技術に関し、さらに詳細には、集積回路とヒートスプレッダーとの間に高性能集積回路が発生する熱を放散させるための高容量の熱インターフェイスを備えた集積回路パッケージを有する電子組立体及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
集積回路(IC)のパッケージへの組込みは、それらを有機またはセラミック材料の基板に物理的及び電気的に結合することにより行うのが一般的である。1またはそれ以上のICパッケージをプリント回路板(PCB)に物理的及び電気的に結合すると、「電子組立体」が形成される。「電子組立体」は「電子システム」の一部を構成することができる。「電子システム」は、本願において、広義に、「電子組立体」より成る任意の製品と定義する。電子システムの例として、コンピューター(例えば、デスクトップ、ラップトップ、ハンドヘルド、サーバーなど)、無線通信装置(例えば、セルラー電話、コードレス電話、ページャーなど)、コンピューター関連の端末装置(例えば、プリンター、スキャナー、モニターなど)、エンターテイメント装置(テレビジョン、ラジオ、ステレオ、テープ、コンパクトディスクプレイヤー、カセットレコーダー、MP3(Motion Picture Experts Group, Audio Layer 3)プレイヤー)等が含まれる。
【0003】
電子システム分野の製造者は、製造コストを削減しながら装置の性能を改善する競争圧力に絶えずさらされている。これは、特に基板上のICの実装についても言うことができ、実装技術の世代が代わる毎に、特にコンポーネント数の増加及びクロック周波数の増加のような性能が改善されると共にサイズが一般的に小型化またはコンパクト化される必要がある。IC密度及びクロック周波数が増加すると、発生する熱量が増加する。しかしながら、ICがさらされる温度が上昇するとその性能及び信頼性が低下することが知られており、そのため、ICパッケージを含むIC環境からの適切な放熱がますます重要になっている。
【0004】
IC基板は選択的にパターン形成された多数の金属層を有し、これらの金属層により、金属の配線(ここでは「トレース」と呼ぶ)と、基板の1またはそれ以上の表面上に取付けられた1またはそれ以上の電子コンポーネントが提供される。電子コンポーネントは、基板のトレースを含む導電パスの階層構造により電子システムの他のエレメントに機能的に接続される。基板のトレースは通常、システムのICのような電子コンポーネント間を伝送される信号を搬送する。一部のICは、比較的多数の入出力(I/O)端子(「ランド」と呼ぶ)と共に多数の電力及びアース端子またはランドを有する。
【0005】
プロセッサーのようなICの内部回路の動作周波数がますます高くなり、またICの動作電力レベルがますます増加するにつれて、かかるICが発生する熱量が増加するため、それらの動作温度が受け入れ不可のレベルになる可能性がある。
【0006】
上述した理由、及び当業者であれば本願明細書を読むと明らかになる他の理由により、高いクロック周波数及び高い電力密度に付随する放熱の問題を最小限に抑えるためのICを基板に実装する装置及び方法が、当該技術分野において求められている。
【発明を実施するための最良の形態】
【0007】
以下の詳細な説明において、本発明の特定の好ましい実施例を例示し、本願の一部を構成する添付図面を参照する。これらの実施例は、当業者が本発明を実施できるように十分に詳しく記載されている。他の実施例も利用可能であり、本発明の思想及び範囲から逸脱しないで構造的、機械的、組成的及び電気的な変形を行えることを理解されたい。従って、以下の詳細な説明は限定の意味で捉えるべきではなく、本発明の範囲は、頭書の特許請求の範囲をこの範囲に当然備わるべきである均等物の全範囲と共に正しく解釈することにより決定される。
【0008】
本発明は、回路密度が高く、高クロック速度及び高電力レベルで動作する集積回路の従来の実装方法に付随する放熱の問題を、1またはそれ以上のICとヒートスプレッダーとの間の熱インターフェイスとして高い熱容量の材料を用いることにより解決するものである。以下において、種々の実施例を説明する。
【0009】
1つの実施例において、ICダイの表側表面を、C4(controlled collapse chip connect)法により有機ランドグリッドアレイ(OLGA)基板上にフリップチップ方式で取付ける。ダイと集積型ヒートスプレッダー(IHS)との表面を適当に調製した後、高容量熱インターフェイスをダイの裏側表面とIHSの間に固着する。1つの実施例において、高容量熱インターフェイス材料は、ダイアモンド、ダイアモンド複合材またはグラファイトより成る。また、IHSの側壁を適当な熱封止材によりダイの周囲部の周りでOLGA基板に結合することにより、機械的強度だけでなく放熱をさらに増加することができる。
【0010】
図1は、本発明の一実施例による高容量熱インターフェイスを有する少なくとも1つの電子組立体4を組込んだ電子システム1のブロック図である。電子システム1は、本発明を利用できる電子システムの一例にすぎない。この例の電子システム1は、種々のコンポーネントがシステムバス2により結合されたデータ処理システムより成る。システムバス2は、電子システム1の種々のコンポーネント間の通信リンクを提供し、単一バスとしてまたはバスの組合せとして若しくは他の任意適当な態様で実現することができる。
【0011】
電子組立体4はシステムバス2に結合されている。電子組立体4は、任意の回路または回路の組合せより成ることが可能である。1つの実施例において、電子組立体4は、任意タイプのプロセッサー6を有する。本願中の用語「プロセッサー」は、マイクロプロセッサー、マイクロコントローラー、複合命令セット計算(CISC)マイクロプロセッサー、縮小命令セット計算(RISC)マイクロプロセッサー、超長命令ワード(VLIW)マイクロプロセッサー、グラフィックスプロセッサー、デジタル信号プロセッサー(DSP)または他の任意タイプのプロセッサーまたは処理回路のような(それらに限定されない)任意のタイプの計算回路を意味する。
【0012】
電子組立体4に組込み可能な他のタイプの回路には、例えば、セルラー電話、ページャー、ポータブルコンピューター、二方向無線装置及び同様な電子システムのような無線装置に用いる1またはそれ以上の回路(例えば、通信回路7)のような特注回路、特定用途向けIC(ASIC)などがある。ICは他の任意タイプの機能を実行できる。
【0013】
電子システム1は外部メモリー10を備え、この外部メモリーは、ランダムアクセスメモリー(RAM)より成るメインメモリー12、1またはそれ以上のハードドライブ14、フロッピーディスケット、コンパクトディスク(CD)、デジタルビデオディスク(DVD)などのような取外し可能のメディア16のような特定のアプリケーションに適した1またはそれ以上の記憶装置を備えることができる。
【0014】
電子システム1はまた、ディスプレイ装置8、1またはそれ以上のスピーカー9、キーボード及び/またはコントローラー20を備えることが可能であり、コントローラーはマウス、トラックボール、ゲームコントローラー、音声認識装置またはシステムユーザーが電子システム1へ情報を入力するかまたはそのシステムから情報を受けるのを可能にする他の任意の装置を含むことができる。
【0015】
図2は、従来技術のICパッケージ30の断面図である。ICパッケージ30は、ICダイ40が、そのランド(図示せず)を下向きにして半田ボールまたはバンプ42により基板50の上方表面上の対応ランド52と結合させる「フリップチップ」方式で取付けられる典型的な従来型構造を表す。基板50は単層または多層ボードであり、別のパッケージ構造(図示せず)と接続するために反対側の表面に別のランド54を備えることができる。
【0016】
ダイ40はその下方表面近くの配線トレースを含む内部構造より熱を発生するが、発生した熱の大部分はその上方表面から放熱される。ダイ40内に集中する熱は、通常、銅またはアルミニウムのような金属製のヒートスプレッダー60により提供される、ダイ40と接触する大きな表面へ放熱される。ダイ40とヒートスプレッダー60との間の熱伝導性を改善するためには、ダイ40とヒートスプレッダー60との間に熱インターフェイス材料70を配設することが多い。熱インターフェイス材料70は通常、金属粒子を含む耐熱ゲルまたはグリースである。
【0017】
ヒートスプレッダー60からさらに放熱させるために、オプションとしてヒートフィン82を有するヒートシンク80をヒートスプレッダー60に結合することが多い。ヒートシンク80は周囲環境へ放熱する。
【0018】
IC上の電子デバイスの接合温度Tjが上昇すると、デバイスの動作寿命に悪影響が出る可能性がある。接合温度は、3つのファクター、即ち、接合・周囲間熱抵抗、電力消費及び周囲温度の関数である。Tjは式1で表すことができる。
【0019】
(式1) Tj=((ja x Pd)+Ta
上式において、Tj=接合温度(℃);
(ja=接合・周囲間熱抵抗(℃/ワット);
Pd=Tjにおける電力消費(ワット);及び
Ta=周囲温度(℃)。
【0020】
接合・周囲間熱抵抗(jaは式2で表すことができる。
【0021】
(式2) (ja=(jc+(jcs+(jsa
上式において、(jc=接合・ケース間熱抵抗(℃/ワット);
(jcs=ケース・シンク間熱抵抗(℃/ワット);
(jsa=シンク・周囲間熱抵抗(℃/ワット)。
【0022】
上記の定義において、ケースの適当な位置は、ICパッケージの一部を形成する任意のIHSを含むICパッケージの上部中心である。シンクの適当な位置は、ヒートシンクの幾何学的中心でありうる。
【0023】
図2のICパッケージ30は、接合・周囲間熱抵抗(jaで表される今日の高性能電子組立体の放熱条件を、大部分の目的のもとでもはや満足することができない。
【0024】
本発明は、接合・ケース間熱抵抗(jc及びケース・シンク間熱抵抗(jcsの両方を減少することによりデバイスの接合温度Tjを減少させる。高性能サーバーのプロセッサー組立体は、ダイの表面にわたって電力マップが非常に不均等である。即ち、ダイの表面にわたり熱束のばらつきが非常に大きい。三次元の熱マッピングによると、例えば、高温スポットがダイの上方表面にわたって山のピークとして現れる。通常、最も高い熱束領域の温度を特定の値またはそれ以下に保つ必要がある。シリコンのダイには横方向の熱の拡散がある程度あるが、ピーク温度をかなり減少させても十分とは言えない。
【0025】
高い熱伝導性を有する銅(シリコンの3倍より大きい)でも高温スポットに対処するには不十分である。既存の放熱構造では放熱が不十分でダイのピーク温度を特定の値以下に維持できないならば、温度に依存するプロセッサー電力制御プロセスに戻ることにより電子組立体の性能を落とす必要がある。そうしなければ、電子組立体は動作不具合になるかまたは壊滅的な故障を経験することになるであろう。従って、電子組立体の放熱条件の増加により、熱インターフェイス材料及び集積型ヒートスプレッダーの性能の実質的な改善が必要になっている。
【0026】
図3は、本発明の一実施例による高容量熱インターフェイス110を備えたICパッケージを有する電子組立体100の断面図である。ICパッケージは、有機ランドグリッドアレイ(OLGA)基板50上に取付けたダイ40と、集積型ヒートスプレッダー(IHS)120とより成る。OLGA基板を図示したが、本発明はOLGA基板の使用に限定されず、他の任意タイプの基板を用いることが可能である。図3に示すICパッケージは、図1に示す電子組立体4の一部を形成することができる。ダイ40は任意タイプのものでよい。1つの実施例において、ダイ40はプロセッサーである。
【0027】
図3において、ダイ40は、底面(図示せず)上の電気接点またはランドで終端する複数の信号導体(図示せず)を有する。これらのランドは、C4半田バンプ42のような適当な接続部によりOLGA基板50の上方表面56上の信号、電力またはアースノードを表す対応電気接点またはランドに結合することができる。エポキシ材料のような適当なアンダーフィル(図示せず)によりC4半田バンプ40を取囲んで、機械的安定性及び強度を与えることができる。
【0028】
引き続き図3を参照して、集積型ヒートスプレッダー(IHS)120はダイ40を覆うカバーを形成する。IHS120は、高容量熱インターフェイス110を介してダイ40の上方表面に熱的結合されている。このため、ダイ40は、実質的な量の熱を熱インターフェイス110を介して横方向及び垂直方向にIHS120へ放熱することが可能である。
【0029】
熱インターフェイス110は、高速で熱を伝導できる材料より成る。1つの実施例において、この熱インターフェイス110はダイアモンドより成る。ダイアモンドより成る熱インターフェイス110の層は、その層内の全ての方向で非常に高い熱伝導性を有する。他の実施例において、熱インターフェイス10を、ダイアモンド複合材またはグラファイトのような熱的性質がダイアモンドよりわずかに劣るにすぎない他の材料で構成してもよい。適当なダイアモンド複合材として、ダイアモンド粒子と、アルミニウムまたは銅のような他の物質の粒子との混合物より成るものがある。グラファイト材料は所与の平面内で優れた熱伝導性を示すが、1つの平面に垂直な方向では熱の良導体ではない。しかしながら、グラファイトは最適の放熱を必要としない用途では十分なものである。
【0030】
IHS120は、蓋122と、側壁または支持部材124とを有する。熱インターフェイス110は、蓋122の下方表面58及びダイ40の上方表面と接触している。1つの実施例において、熱インターフェイス110はダイ40及び/または蓋122に固着される。
【0031】
熱インターフェイス110は、少なくとも2つの異なる方法で形成することができる。図5に関してさらに説明するように、例えば、熱インターフェイス110を、蓋122の下方表面58上に成長させることができる。あるいは、熱インターフェイス110を、IHS120から離れた所で形成した後、図6及び7に関して説明するように、IHS120の蓋122に固着すればよい。
【0032】
1つの実施例において、熱インターフェイス110は蓋122の底面積と実質的に同じ表面積を有する。例えば、図3に示すように、熱インターフェイス110は蓋122の底面全体を実質的に覆う。熱インターフェイス110は、支持部材124と接触するように横方向に延びることができる。
【0033】
IHS120は、支持部材124を適当な封止材料66を介してOLGA基板50の上方表面56に結合することにより機械的に支持することができる。1つの実施例において、支持部材124はIHS120の周囲部に位置する。しかしながら、他の実施例では、IHS120の蓋122が支持部材124を越えて延びるようにしてもよい。
【0034】
封止材料66は、耐熱グリースまたはゲルのような熱伝導性材料または熱硬化性樹脂またはエポキシのような熱硬化性材料より成るものでよい。熱伝導性材料は金属または他の熱伝導性物質の粒子より成る。
【0035】
IHS120からの放熱速度をさらに増加するには、任意適当な形状(オプションとしてのヒートフィン82を含む)、材料及びサイズのヒートシンク80をオプションとしてIHS120の蓋122の上方表面に結合するかまたはその一部として形成することができる。
【0036】
OLGA基板50は、多層基板を含む任意タイプのものでよい。OLGA基板50は、プリント回路板(PCB)またはカードのような別の基板130に装着可能である。OLGA基板50は、例えば、ボールグリッドアレイ(BGA)半田ボール127のような適当な接続手段により基板130の対応ランド128に機械的及び電気的に結合可能な複数のランド126を備えることができる。
【0037】
図3は、OLGA基板50を基板130に結合するBGA装置125を示すが、本発明はBGA装置の利用に限定されず、他の任意タイプの実装技術を用いることができる。さらに、本発明はC4パッケージの使用に限定されると解釈すべきでなく、本願で述べる本発明の特徴により利点が得られる他の任意タイプのICパッケージに使用することができる。
【0038】
図4は、本発明の別の実施例による、高容量熱インターフェイスを備えたマルチチップICパッケージより成る電子組立体200の断面図である。図3の実施例を単一のICデバイスに関連して説明したが、本発明は単一のICの実装に限定されず、多数のICの実装にも利用できる。一例として図4に示すマルチチップICモジュールがある。
【0039】
電子組立体200は、ダイ241−244より成る複数のICにより構成され、これらのICは対応の半田ボールまたはバンプ253により基板250(OLGA基板でよい)の上方表面256上のランド252に取付けられている。OLGA基板を示すが、本発明はOLGA基板の使用に限定されず、他の任意タイプの基板を用いることができる。図4に示すマルチチップモジュールは、図1の電子組立体4の一部を形成することができる。ダイ241−244は任意タイプのものでよい。1つの実施例において、ダイ243はプロセッサーである。
【0040】
ダイ241−244のうちのあるものは大きな発熱体であり、それらは対応の高容量熱インターフェイスを介してIHS220に結合されている。例えば、ダイ241、243は大きな熱出力を発生し、高容量熱インターフェイス205、210を介してそれぞれIHS220の下方表面258に熱的結合されている。通常、熱インターフェイスは、熱インターフェイス205に示すようにダイより幅が広いが、熱インターフェイス210により示すように、熱インターフェイスはダイと同じ幅かダイの幅より小さいことがありうる。さらに、熱インターフェイスの寸法はダイの高温スポットに合わせることができる。例えば、1またはそれ以上の熱インターフェイスを対応する数のダイの高温スポット上に配置することが可能である。
【0041】
IHS220は、蓋222と、側壁または支持部材224を有する。熱インターフェイス205、210はそれぞれ、蓋222の下方表面258及びダイ241、243の上方表面と接触する。
【0042】
IHS220は、適当な封止材料266を介して支持部材224をOLGA基板250の上方表面256に結合することにより、機械的に固定できる。図3に関連して述べたように、支持部材224をIHS220の周囲部に位置するとして示したが、他の実施例では、IHS220の蓋222が支持部材224を越えて延びることがある。IHS220からの放熱速度をさらに増加させるには、任意適当な形状、材料及びサイズのヒートシンクをIHS220の蓋222の上方表面に、オプションとして、結合するかその一部として形成することができる。
【0043】
OLGA基板250は、多層基板を含む任意タイプのものでよい。OLGA基板250は、プリント回路板(PCB)またはカードのような基板230に取付けることができる。OLGA基板250は例えば複数のランド226を有し、これらのランドはボールグリッドアレイ(BGA)半田ボール227のような適当な接続手段により基板230の対応ランド228に機械的及び電気的に結合することができる。
【0044】
図4は、OLGA基板250を基板230に結合するBGA装置225を示すが、本発明はBGA装置の利用に限定されず、他の任意タイプの実装技術を用いることができる。さらに、本発明はC4パッケージの使用に限定されると解釈すべきでなく、本願で述べる本発明の特徴により利点が得られる他の任意タイプのICパッケージに使用することができる。
【0045】
図4の実施例では熱インターフェイス205、210のような個々の熱インターフェイスがダイ241及び243のようなある特定のダイに限り設けられているが、マルチチップモジュールの別の実施例では、全てのダイ241−244とIHS220の蓋222との間に連続する熱インターフェイス層を設けることが可能である。かかる熱インターフェイスは、蓋222の底面領域と実質的に同延な表面領域を有する。
【0046】
高容量熱インターフェイスを有するICパッケージの製造方法について以下に説明する。
【製造】
【0047】
上述した利点を有するICパッケージを成功裏に製造するには、ダイアモンドのような高容量熱インターフェイス材料の層を形成する必要がある。また、高容量熱インターフェイス層をIHSの上側だけでなく下側にも固定することが重要である。そうするためには、ダイの表面を半田付けが容易な状態にすることが必要である。熱インターフェイスをIHSから離れた所で成長させる実施例でも、半田付けが容易なIHSを用いることが必要である。また、熱インターフェイス上に少なくとも1つの半田付け可能な表面を用意することが望ましい。上述の各ファクターについて、当業者が本発明を理解し実施できるに十分な程度詳細に説明する。
【0048】
図5は、本発明の一実施例による、IHS120上に形成された高容量熱インターフェイス110の断面図である。上述したように、熱インターフェイス110(図3を参照)は、蓋122の下側表面58上で成長させて形成することができる。一実施例において、非晶質またな多結晶ダイアモンドの層を、化学的気相成長(CVD)のような適当な化学的付着法により表面58上に成長させる。一般的に、多結晶ダイアモンドが非晶質ダイアモンドよりも好ましいが、その理由は前者の放熱特性が優れているからである。
【0049】
ダイアモンド層をIHSの蓋122の裸の(メッキなしの)表面58上に成長させるには、適当な材料の1またはそれ以上の接着層131−133を最初に表面58に固着しなければならない。IHS120は、この例では銅より成るものと想定するが、銅とは異なる材料で形成してもよい。
【0050】
1またはそれ以上の接着層131−133は、クロム、金、ニッケル、白金、銀、チタン、タングステン及びバナジウムまたはそれらの合金を含む群から選択される材料で形成できる。CVD法により成長させたダイアモンドはチタンとの接着性に優れているため、ダイアモンドと接触する層としては一般的にチタンを使用する。しかしながら、チタンの代わりにタングステンを用いてもよい。
【0051】
ニッケル層131を、最初に蓋112の表面58上に形成する。
【0052】
次いで、ニッケル−バナジウムの層132を層131上に形成する。ニッケル−バナジウムの代わりに白金かクロムを用いてもよい。
【0053】
次に、チタンの層133を層132上に形成する。
【0054】
次いで、ダイアモンド材料の熱インターフェイス層110を接着層133上に、例えば、CVDにより形成する。熱インターフェイス層110は、ICパッケージの熱的条件にとって好適な厚さに形成することができる。即ち、放熱条件が高ければ高いほど厚くすればよく、または放熱条件が低ければ薄くすればよい。熱インターフェイス110の厚さは、例えば、高放熱条件で500ミクロン、低放熱条件で75ミクロンでよい。
【0055】
熱インターフェイス110の下側表面上に適当な半田付け可能な表面を用意するには、1またはそれ以上の別の接着層134−136を設ける。
【0056】
一実施例において、チタン層134を最初に熱インターフェイス層110に適用する。
【0057】
次に、ニッケル−バナジウム層135を層134上に形成する。ニッケル−バナジウムの代わりに白金またはクロムを用いてもよい。
【0058】
最後に、金の層136を層135上に形成する。金の代わりにニッケルでもよい。
【0059】
さらに、1またはそれ以上の接着層141−143をダイ40の上側表面57上に形成することにより、IHS120の最も下側の接着層136を固着するための適当な材料を用意することができる。
【0060】
一実施例において、チタン層141をダイ40の上側表面57上に形成する。
【0061】
次に、ニッケル−バナジウム層142を層141上に形成する。ニッケル−バナジウムの代わりに白金またはクロムを用いても良い。
【0062】
最後に、金の層143を層142上に形成する。金の代わりにニッケルを用いてもよい。
【0063】
半田のリフローを受ける前に、層136及び143のうちの一方または両方に適当なフラックスまたは半田ペーストを適用し、IHS220を矢印117の方向に移動させて、層136を層143と接触させる。
【0064】
一実施例において、チタン層の厚さは約200−500オングストローム、ニッケル−バナジウム層の厚さは約3500オングストローム、また金の層の厚さは約1000オングストロームである。
【0065】
図6は、本発明の別の実施例による、IHS120に固着される高容量熱インターフェイス111を示す断面図である。
【0066】
上述したように、熱インターフェイス111をIHS120とは離れた所で形成した後、図6及び7に関連して説明するように、IHS120の蓋122の下側表面58に固着することができる。
【0067】
非晶質または多結晶ダイアモンド層111は、任意適当な方法で成長可能である。層111の厚さは、ICパッケージの熱的条件に応じて異なる。1つの実施例において、層111の厚さは数百ミクロンであるが、本発明は任意特定の厚さに限定されない。
【0068】
熱インターフェイス層111のIHS120の下側表面58への固着を容易にするには、適当な材料の1またはそれ以上の接着層121を蓋122の下側表面58に形成することができる。さらに、適当な材料の1またはそれ以上の接着層151−153を熱インターフェイス111の上側表面に形成することができる。さらに、適当な材料の1またはそれ以上の接着層154−156を熱インターフェイス層111の下側表面上に形成して、ダイ40の上側表面(図5を参照)に接続するための適当なボンディングプラットフォームを提供することができる。
【0069】
接着層121及び151−156は、クロム、金、ニッケル、白金、銀、チタン、タングステン及びバナジウムまたはそれらの合金を含む群から選択される金属により形成できる。1つの実施例において、層151及び154はチタンより成り、層152及び155はニッケル−バナジウム、層121、153及び156は金より成る。しかしながら、図5に関連して述べたように、これら特定の材料の代わりに他の材料を用いてもよい。
【0070】
半田リフローを受ける前に、層121及び153の一方または両方に適当なフラックス及び半田ペーストを適用し、熱インターフェイス111を矢印118の方向に移動させて、層153を層121に接触させる。
【0071】
図5及び6に示す実施例では、熱インターフェイス110を半田によりIHS120及びダイ40に固着するものとして説明したが、他の固着法を用いることも可能である。これらの層の上述した組成、寸法、数及び順序は図示の実施例の単なる例示にすぎず、限定の意味を持たない。
【0072】
図7は、本発明の別の実施例に従ってIHSとは別個に成長させたダイアモンドの熱インターフェイス材料のウェファー及びIHSに固着する前のセグメント145を示す。
【0073】
任意の接着層151−156を含む、図6で説明した熱インターフェイス111は通常、複数の個々の熱伝導性要素144より成る大型ウェファー140の形に形成される。これらの要素をウェファー140から分離する。例えば、要素145はウェファー140から分離したものである。
【0074】
図8は、本発明の一実施例によるICパッケージ製造方法を示す流れ図である。この方法は300でスタートする。
【0075】
302において、熱伝導性材料の層を集積型ヒートスプレッダー(IHS)(例えば、図3の120)の下側表面(例えば、図3の58)に固着する。この操作の詳細については、図9及び以下の説明を参照されたい。
【0076】
320において、ダイの下側表面上の電気接点が基板の上側表面(例えば、図3の56)上の対応する接点(例えば、図3の52)に結合されるように、少なくとも1つのダイ(例えば、図3の40)を基板(例えば、図3の50)上に取付ける。
【0077】
322において、熱伝導性材料がダイの上側表面と接触するように、IHSを少なくとも1つのダイの上に取付ける。
【0078】
324において、IHSの壁部(例えば、図3の124)を熱伝導性材料(例えば、図3の66)により基板の上側表面に結合する。
【0079】
322及び320を実施する適当なプロセスを、図3を参照して説明する。最初に、半田ペーストをダイ40の裏側表面に適用する。あるいは、半田ペーストをダイの裏側表面に対向する熱伝導性要素110の表面に適用してもよい。その後、IHS120をダイ40上に配置するとそのIHS120の周囲部または境界部が接触するOLGA基板50の所に、適当な封止材料を適用する。
【0080】
次に、IHS120を整列させ、例えば、ばねを用いて適当な力を印加することによりIHS120を定位置に保持する。その後、パッケージをフロー炉のような適当な加熱環境内に置いて半田をリフローさせる。熱インターフェイスの半田接合が完了すると、IHSの境界部における封止材料を従来型オーブンで硬化させる。硬化後、固定ばねを取り外す。
【0081】
図8に示す方法は326で終了する。
【0082】
図9は、熱伝導性材料の層を集積型ヒートスプレッダー(IHS)に固着する2つの別の方法を示す流れ図である。図9は図8の302についてさらに詳しく説明するものである。
【0083】
304において、熱伝導性材料の層をIHSの下側表面上に成長させるべきか否かの決定を行う。イエスであれば、方法は306へ進み、そうでなければ310へ進む。
【0084】
306において、接着層(例えば、図5の1またはそれ以上の層131−133)をIHSの表面上に形成する。
【0085】
308において、熱伝導性材料の層(例えば、図5の110)をIHSの表面の接着層上に形成する。その材料は、ダイアモンド、ダイアモンド複合材及びグラファイトより成る群から選ぶ。
【0086】
310において、熱伝導性材料の層(例えば、図5の111をIHSの表面とは離れた所で成長させる。材料は、ダイアモンド、ダイアモンド複合材及びグラファイトより成る群から選択する。その層はウェファー(図7の140)の形に成長させることができる。
【0087】
312において、接着層(例えば、図6の1またはそれ以上の層151−156)を熱伝導性材料の層の少なくとも1つの表面上に形成する。
【0088】
314において、それぞれ独立の熱伝導性要素(例えば、図7の145)を、成長させた層から分離する。
【0089】
316において、それぞれ別個の熱伝導性要素を各IHS(例えば、図6の120)の下側表面に固定する。この方法は318で終了する。
【0090】
図8及び9に示す方法について説明した操作は、上述したものとは異なる順序で行うことが可能である。
【0091】
層の材料、幾何学的形状、数、順序、寸法及び組成、固着機構及び組立て順序についての上述した選択は、パッケージの熱的性能を最適化するために当業者により変更可能である。
【0092】
金属層を付着させる任意適当な方法及び異なる方法の組合せを用いることができるが、それらには、例えば、メッキ、スパッタリング、気相成長、スクリーニング、ステンシリング、化学的気相成長(CVD)を含む化学的方法、真空などなどがある。
【0093】
1またはそれ以上の金属層を付着させる前に、所望であればダイの表面をスパッタエッチングにより調製してダイ表面に対する接着層の接着性を改善することができるが、スパッタエッチングは必須ではない。ウェファーの表面条件も必須のものではない。ウェファーの表面は未研磨、研磨済みまたはバックグラウンド状態でよい。
【0094】
ICパッケージの特定の実施例は、その構成要素の配向、サイズ、数、順序及び組成の点で高い柔軟性を有する。本発明の種々の実施例は、本発明の利点を得るために、基板技術、IHS技術、高容量熱インターフェイス材料、接着材料及び封止材料の種々の組合せを用いて実現できる。使用材料、寸法、レイアウト、幾何学的形状などを含むICパッケージの構造は、それが一部となる電子組立体の条件に応じて多種多様な実施例において実現できる。
【0095】
図3−7は例示にすぎず、実尺ではない。ある特定の比率、面積などは誇張したものであり、最小化したものもある。図3−7は、当業者であれば理解し適当に実施できる本発明の種々の実施例を説明するためのものである。
【結論】
【0096】
本発明は、高電力の搬送に付随する放熱問題を最小限に抑える電子組立体及びその製造方法を提供する。本発明を利用する1またはそれ以上の電子組立体を組込んだ電子システム及び/またはデータ処理システムは、高性能集積回路に付随する比較的高電力密度に対処することが可能であり、そのため、かかるシステムは商業上非常に魅力あるものとなる。
【0097】
高性能電子組立体からの放熱を実質的に増加させることにより、かかる電子装置を高いクロック周波数で動作させることができる。あるいは、信頼性を増加させるために、かかる装置を低いクロック周波数で、しかしながら低い動作温度で作動させてもよい。
【0098】
上述したように、本発明は、放熱構造、集積回路パッケージ、電子組立体、データ処理システムの形の電子システム及びICパッケージの種々の製造方法を含む多数の異なる実施例で実施可能である。他の実施例も当業者にとって容易に明らかになるであろう。要素、材料、幾何学的形状、寸法及び操作順序は、特定の実装条件に合うように全て変更可能である。
【0099】
ある特定の操作を上側表面及び下側表面に関連して述べたが、これらの説明は相対的なものであり、ICパッケージを逆向きにすればそれらは互いに反対であることを理解されたい。従って、これらの用語に限定的な意図はない。
【0100】
特定の実施例について説明したが、当業者は同一目的を達成するように意図された任意構成を図示の特定の実施例の代わりに使用できることが明らかである。本願は、本発明の任意の変形例または設計変更を包含するものと意図されている。従って、本発明は、頭書の特許請求の範囲及びその均等物によってのみ限定されることが明らかである。
【図面の簡単な説明】
【0101】
【図1】本発明の一実施例による高容量熱インターフェイスを備えた少なくとも1つの電子組立体を有する電子システムのブロック図である。
【図2】従来技術のICパッケージの断面図である。
【図3】本発明の一実施例による高容量熱インターフェイスを備えたICパッケージを有する電子組立体の断面図である。
【図4】本発明の別の実施例による高容量熱インターフェイスを備えたマルチチップICパッケージを有する電子組立体の断面図である。
【図5】本発明の一実施例による、集積型ヒートスプレッダー上に形成された高容量熱インターフェイスを示す断面図である。
【図6】本発明の別の実施例による、集積型ヒートスプレッダーに固着された高容量熱インターフェイスの断面図である。
【図7】本発明の別の実施例による、IHSとは別に成長されたダイアモンドの熱インターフェイス材料のウェファーと、IHSに固着する前のそのセグメントを示す図である。
【図8】本発明の一実施例によるICパッケージの製造方法を示す流れ図である。
【図9】熱伝導性材料の層を集積型ヒートスプレッダー(IHS)に固着する2つの別の方法を示す流れ図である。
Claims (30)
- 集積回路ダイの放熱構造であって、
蓋と、
蓋に結合され、基板に結合する表面を有する壁部と、
蓋に結合された第1の表面及び集積回路ダイに結合される第2の表面を有し、ダイアモンド、ダイアモンド複合材及びグラファイトより成る群を材料とする熱伝導性要素とより成る集積回路ダイの放熱構造。 - 蓋と熱伝導性要素との間の接着層をさらに備えた請求項1の放熱構造。
- 接着層はクロム、金、ニッケル、白金、銀、チタン、タングステン及びバナジウムより成る群から選択された材料により形成される請求項2の放熱構造。
- 熱伝導要素は少なくとも1つの半田付け可能な層より成る請求項1の放熱構造。
- 少なくとも1つの半田付け層は、クロム、金、ニッケル、白金、銀、チタン、タングステン及びバナジウムより成る群から選択された材料により形成される請求項4の放熱構造。
- 熱伝導要素は、蓋の表面積と実質的に同じ表面積を有する請求項1の放熱構造。
- 熱伝導性要素は壁部と接触する請求項1の放熱構造。
- 基板と、
基板の表面上の少なくとも1つのダイと、
少なくとも1つのダイの上方の蓋と、
蓋に結合され、基板に結合された表面を有する壁部と、
蓋と少なくとも1つのダイとの間に結合され、ダイアモンド、ダイアモンド複合材及びグラファイトより成る群の材料の熱伝導性要素とより成る集積回路パッケージ。 - 蓋と熱伝導性要素との間の接着層をさらに備えた請求項8の集積回路パッケージ。
- 接着層はクロム、金、ニッケル、白金、銀、チタン、タングステン及びバナジウムより成る群から選択された材料により形成される請求項9の集積回路パッケージ。
- 熱伝導要素は少なくとも1つの半田付け可能な層より成る請求項8の集積回路パッケージ。
- 少なくとも1つの半田付け層は、クロム、金、ニッケル、白金、銀、チタン、タングステン及びバナジウムより成る群から選択された材料により形成される請求項11の集積回路パッケージ。
- 熱伝導要素は、蓋の表面積と実質的に同じ表面積を有する請求項8の集積回路パッケージ。
- 熱伝導性要素は壁部と接触する請求項8の集積回路パッケージ。
- 基板は有機基板であり、少なくとも1つのダイは基板上にランドグリッドアレイを介して配置されている請求項8の集積回路パッケージ。
- 少なくとも1つの集積回路パッケージが、
基板と、
基板の表面上の少なくとも1つのダイと、
少なくとも1つのダイの上方の蓋と、
蓋に結合され、基板に結合された表面を有する壁部と、
蓋と少なくとも1つのダイとの間に結合され、ダイアモンド、ダイアモンド複合材及びグラファイトより成る群の材料の熱伝導性要素とより成る電子組立体。 - 蓋と熱伝導性要素との間の接着層をさらに備えた請求項16の電子組立体。
- 接着層はクロム、金、ニッケル、白金、銀、チタン、タングステン及びバナジウムより成る群から選択された材料により形成される請求項17の電子組立体。
- 熱伝導要素は、蓋の表面積と実質的に同じ表面積を有する請求項16の電子組立体。
- 熱伝導性要素は壁部と接触する請求項16の電子組立体。
- データ処理システムであって、
データ処理システムのコンポーネントを結合するバスと、
バスに結合されたディスプレイと、
バスに結合された外部メモリーと、
バスに結合され、少なくとも1つの集積回路パッケージを含む電子組立体より成る電子プロセッサーとより成り、少なくとも1つの集積回路パッケージは、
基板と、
基板の表面上の少なくとも1つのダイと、
少なくとも1つのダイの上方の蓋と、
蓋に結合され、基板に結合された表面を有する壁部と、
蓋と少なくとも1つのダイとの間に結合され、ダイアモンド、ダイアモンド複合材及びグラファイトより成る群の材料の熱伝導性要素とより成るデータ処理システム。 - 蓋と熱伝導性要素との間の接着層をさらに備えた請求項21のデータ処理システム。
- 熱伝導要素は、蓋の表面積と実質的に同じ表面積を有し、熱伝導性要素は壁部と接触する請求項21のデータ処理システム。
- 集積回路パッケージの製造方法であって、
ダイアモンド、ダイアモンド複合材及びグラファイトより成る群の熱伝導性材料の層を集積型ヒートスプレッダー(IHS)の下側表面に固着し、
ダイの下側表面上の電気接点が基板の上側表面上の電気接点に結合されるようにダイを基板上に取付け、
熱伝導性材料がダイの上側表面と接触するようにIHSをダイ上に取付けるステップより成る集積回路パッケージの製造方法。 - 固着ステップはIHSの表面上に熱伝導性材料の層を成長させるステップより成る請求項24の方法。
- 金属の層をIHSの表面上に形成するステップをさらに含む請求項25の方法。
- IHSの表面から離れた所で熱伝導性材料の層を成長させるステップをさらに含む請求項24の方法。
- 熱伝導性材料の層の少なくとも1つの表面上にチタン及びタングステンより成る群からの金属の層を形成するステップをさらに含む請求項27の方法。
- IHSは壁部を有し、基板の上側表面にIHSの壁部を結合するステップをさらに含む請求項24の方法。
- IHSの壁部は熱伝導性材料により基板の上側表面に結合される請求項29の方法。
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