TW201819069A - 具有燒結接合的熱耗散結構的微電子模組和其製造方法 - Google Patents

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拉克斯米拉萊恩 維斯瓦那森
艾利 A. 馬洛夫
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Abstract

用於產生含有燒結接合的熱耗散結構的高熱性能微電子模組的方法。在一個實施例中，所述方法包括在模組襯底中嵌入燒結接合的熱耗散結構。所述嵌入步驟可引起將含有金屬粒子的燒結前驅體材料施加到設置於所述模組襯底中的空腔中，且隨後在小於所述金屬粒子的熔點的最大處理溫度下燒結所述燒結前驅體材料，以產生接合到所述模組襯底的燒結金屬體。接著在燒結之前、在燒結之後或與燒結同時地將微電子裝置和散熱器附接到所述模組襯底，使得所述散熱器通過所述燒結接合的熱耗散結構熱聯接到所述微電子裝置。在某些實施例中，所述微電子裝置可在上覆於所述導熱結構的位置處接合到所述模組襯底。

Description

具有燒結接合的熱耗散結構的微電子模組和其製造方法
發明領域 本發明的實施例大體上涉及微電子封裝，且更具體地說，涉及含有燒結接合的熱耗散結構的高熱性能微電子模組，以及用於製造此類高熱性能微電子模組的方法。
發明背景 含有例如射頻(Radio Frequency，RF)半導體晶粒等高功率微電子裝置的微電子模組在操作期間常常產生餘熱。出於此原因，微電子模組通常製造為出於增強熱耗散的目的而含有銅或其它金屬結構。在某些狀況下，金屬結構可採用金屬結構的形式，例如嵌入於例如無芯襯底或印刷電路板(Printed Circuit Board，PCB)等模組襯底內的金屬段塞或“硬幣”。可通過圍繞金屬硬幣積累PCB層壓物來使金屬硬幣就地嵌入於多層PCB中。可替換的是，可在利用依序鍍敷工藝生產無芯襯底期間產生金屬結構。作為又一可能性，可例如通過將金屬硬幣壓合到通過機械或鐳射鑽孔形成穿過襯底的開口中來在模組襯底後安裝金屬硬幣。雖然含有嵌入的金屬硬幣的模組襯底可提供增強的局部熱耗散，但是此類襯底常常不合需要地製造起來昂貴，易受襯底翹曲影響(尤其是在無芯襯底的狀況下)，且與其它缺點相關聯。更一般地說，甚至當利用嵌入的硬幣襯底來成產時，微電子模組可仍在較高功率電平下操作時經歷不合需要地高的熱集中，較高功率電平例如超出1瓦特且可能接近或超出5瓦特的功率電平，如可在某些微波和RF應用中合乎需要。因此，對於具有增強的熱耗散能力且易受利用有效率、節約成本且耐翹曲的製造工藝的製造影響的微電子模組存在持續存在的需求。
依據本發明之一實施例，係特地提出一種用於製造微電子模組的方法，其特徵在於，包括：通過以下操作來在模組襯底中嵌入燒結接合的熱耗散結構：將含有金屬粒子的燒結前驅體材料施加到設置於所述模組襯底中的空腔中；以及在小於所述金屬粒子的熔點的最大處理溫度下燒結所述燒結前驅體材料，以產生接合到所述模組襯底的燒結金屬體；以及在燒結之前、在燒結之後或與燒結同時地將微電子裝置和散熱器附接到所述模組襯底，所述散熱器通過所述燒結接合的熱耗散結構熱聯接到所述微電子裝置。
較佳實施例之詳細說明 下面的具體實施方式在本質上僅僅是示例性的，且並不意圖限制本發明或本申請及本發明的用途。如貫穿本文出現的術語“示例性”與術語“例子”同義，且在下文反複利用以強調以下描述僅提供本發明的多個非限制性例子，且在任何方面不應被理解為限制本發明的範圍，如在申請專利範圍中陳述。如在本文中出現，當結構或主體具有超出5瓦特每米克耳文(W/mK)的導熱率時，結構主體被視為“導熱”的。
下文描述包括燒結接合的熱耗散結構的高熱性能微電子模組和用於成產此類微電子模組的方法。如由術語“燒結接合”指示，熱耗散結構至少部分地由接合到模組襯底的燒結材料構成，模組襯底例如無芯襯底等模組襯底的、印刷電路板(PCB)或含有或不具有導電佈線特徵的其它襯底。在某些實施例中，熱耗散結構可大體上完全由燒結材料組成，燒結材料可填充設置於模組襯底中的一或多個空腔。在其它實施例中，熱耗散結構可含有導熱片件(例如金屬段塞)或細長熱管道(例如熱管)，導熱片件或細長熱管道通過燒結材料附著於設置於襯底中的一或多個空腔內。在此類實施例中，可能通過燒結材料，熱耗散結構可將至少一個半導體晶粒或其它微電子裝置熱聯接到另外附接到襯底的散熱器。以此方式，熱耗散結構可提供促進從微電子裝置到散熱器的有效率熱傳導的穩固熱傳遞路徑，散熱器可由環境空氣、由加壓氣流或以另一方式對流冷卻。結果，可增強微電子模組的熱耗散能力。
除了提供增強的熱耗散以外，還可通過戰略性使用燒結材料以將熱耗散結構接合到模組襯底來實現多個益處。燒結材料被有利地調配，以形成具有模組襯底的(例如金屬化)表面的相對穩固的冶金接合，模組襯底例如鍍覆銅(Cu)或形成於選定襯底表面上的其它板金屬層。燒結材料還可被調配以具有相對高的延展性，從而通過熱循環降低接合分離或破裂的可能性；以具有受控(例如接近零)孔隙度；和以具有其它期望特性，如通過材料組成和工藝參數進行調整。可通過利用低溫燒結工藝來處理燒結前驅體材料來形成燒結材料，低溫燒結工藝通過施加較高熱、受控匯集壓力或熱和匯集壓力兩者來在有限最大處理溫度(例如小於300攝氏度(℃)的最大處理溫度)下執行。因為在相對低溫度下執行燒結工藝，所以緩解了置於模組組件上的材料約束，且緩和了與高溫處理相關聯的上文所描述的問題，例如襯底翹曲。此外，結合將熱耗散結構接合到模組襯底，可利用燒結工藝以將一或多個微電子裝置和/或散熱器同時燒結接合到模組襯底。因此提供高效、節約成本的製造工藝用於製造微電子模組，不論是串行地還是並行地。
在微電子模組的某些實施例中，除了提供遠離模組內含有的一或多個發熱微電子裝置的增強的熱傳遞以外，燒結接合的熱耗散結構還可發揮其它功能。舉例來說，燒結接合的熱耗散結構可在實施方案中電有源，並充當導電通孔，導電通孔提供通過模組襯底的功率和/或信號傳遞。在模組襯底採用具有一或多個內部配線層或圖案化金屬液面的多層PCB或多層無芯襯底形式的實施例中，配線層內的跡線或互連線可電接觸燒結接合的熱耗散結構。在其它實施例中，燒結接合的熱耗散結構可充當接地平面，和/或可將微電子模組接合到另一結構或裝置，例如第二微電子模組。在又另外的實施例中，除了包括熱耗散結構以外，亦微電子模組還可生產為包括其它燒結結構，例如燒結射頻(RF)屏蔽結構。現將結合圖1到6提供具有此類燒結金屬結構的微電子模組和用於生產此類微電子模組的方法的例子。
現轉而參看圖1，示出有是如根據本公開的示例性實施例所示出的微電子模組10 的簡化橫截面圖。在其它組件當中，微電子模組10 包括模組襯底12 、燒結接合的熱耗散結構14 、16 和散熱器18 ，以上各項以堆疊關係接合。熱耗散結構14 、16 在模組襯底12 與散熱器18 之間捕獲。更具體地說，熱耗散結構14 、16 含於設置於模組襯底12 的下表面中的中心襯底空腔20 內；也就是說，襯底12 的下部助面接合到散熱器18。中心開口22 設置於模組襯底12 的上部部分中。中心開口22 與襯底空腔20 相交，並允許從模組襯底12 的外部以物理方式近接燒結接合的熱耗散結構14 、16 。中心開口22 的俯視圖尺寸小於襯底空腔20 的俯視圖尺寸，由此向內部週邊壁架24 賦予模組襯底12 ，內部週邊壁架24毗鄰中心開口22且部分地覆蓋熱耗散結構14 、16 。
模組襯底12 可採用適合於在製造微電子模組10 期間充當支撐結構且熱耗散結構14 、16 可燒結接合到的任何形式。模組襯底12 可或可不含有導電佈線特徵。在所示出例子中，模組襯底12 採用多層襯底的形式，例如多層PCB或多層無芯襯底，其包括上部經圖案化金屬層26 和至少一個內部配線層(為清楚起見而未示出)。為了在採用多層PCB的形式時生產襯底12 ，可利用層壓工藝連續地積累多個PCB層，其中上部PCB層(或多個上部PCB層)具有限定模組中心開口22 的中心開口，且其中下部PCB層(或多個下部PCB層)具有限定襯底空腔20 的更大中心開口。可替換的是，為了在採用無芯襯底的形式時生產襯底12 ，可在未示出的載體或臨時襯底上方連續地形成多個積累層，在完成積累工藝之後隨後移除所述載體或臨時襯底。必要時，此類積累層可形成於例如金屬或陶瓷環等加固件內或周圍。通過將襯底12 作為多層無芯襯底而非多層PCB生產，可降低襯底12 的厚度。作為折衷，無芯襯底在高溫處理期間相對易受襯底翹曲影響；然而，至少部分地由於下文描述的低溫燒結工藝，這在本上下文中不是太大的問題。在又另外的實施例中，模組襯底12 可採用各種其它形式，包括相對薄單層PCB或不具有內部配線層的無芯襯底、內插件、或包括或不具有金屬佈線特徵的另一電介質結構的形式。舉例來說，作為又一可能性，可利用拼板工藝來生產襯底12 ，在拼板工藝中含有互連線的重布層(Redistribution Layer，RDL)結構在模制面板上方產生，模制面板隨後單一化成離散單元。
微電子裝置28 安裝到與散熱器18 相對的燒結接合的熱耗散結構14 、16 。舉例來說，微電子裝置28 可以是具有作用表面的半導體晶粒，在作用表面上定位接合墊32 的一或多個群組(例如行或集群)。在所示出例子中，接合墊32 通過導線接合34 電聯接到形成於經圖案化金屬層26 中的導電跡線。在其它實施例中，可利用不同電氣互連方法，包括例如在裝置28 和襯底12 上方形成含有互連線的一或多個RDL。此外，雖然在圖1的實施例中僅包括單個微電子裝置，但是微電子模組10 可在其它實施例中包括任何切實可行的數目個互連微電子裝置，在此狀況下模組10 可被視為系統級封裝(System-in-Package，SiP)。僅舉數個例子，可含於微電子模組10 中的其它微電子裝置的非窮盡性列表包括另外的半導體晶粒(例如記憶體晶粒或專用積體電路(Application Specification Integrated Circuit，ASIC)晶粒)、微機電系統(Microelectromechanical System，MEMS)裝置和表面安裝裝置(Surface Mount Device，SMD)，例如離散或無源電容器(例如片狀電容器)、電感器、電阻器和二極體。
散熱器18 由導熱率超出模組襯底12 的導熱率的材料構成。散熱器18 將常常由金屬材料構成，例如鋁(Al)、Cu或鎳(Ni)和其合金。然而，散熱器18 還可從具有相對高導熱率的某些複合材料和非金屬材料產生。此類材料可包括但不限於金剛石聚碳酸酯材料、金剛石金屬複合材料(例如金剛石Au、金剛石Ag和金剛石Cu)、熱解石墨、和含有碳的同素異形體的材料，例如石墨烯和碳納米管填充材料。散熱器18 有效地生產為具有大於模組襯底12 的材料體積的材料體積。在這點上，且如在圖1中指示，散熱器18 的厚度可以是TBP ，而模組襯底12 具有厚度TS ，如沿著與散熱器18 的上部助面正交的軸線測量。TBP 大於TS ，且可在實施例中，至少是TS 兩倍。散熱器18 可具有大體上單塊或分層的組成。在某些實施例中，散熱器18 還可包括鰭片、引腳鰭片或其它表面面積增大特徵的陣列。在所示出實施例中，且僅僅作為非限制性例子，散熱器18 採用相對大的金屬(例如Al)框或底板的形式。
燒結接合的熱耗散結構14 、16 具有大於襯底12 的導熱率。燒結接合的熱耗散結構14 、16 因此用來將來自微電子裝置28 的餘熱傳導到散熱器18 。燒結接合的熱耗散結構14 、16 可具有適合於此熱傳遞功能的各種不同結構形式和材料組成，其條件是熱耗散結構14 、16 的至少一些部分由本文所描述類型的燒結金屬材料構成。在某些實施中，燒結接合的熱耗散結構14 、16 可排他地由燒結金屬體構成，燒結金屬體完全或部分地填充襯底空腔20 。在其它實施方案中，燒結接合的熱耗散結構14 、16 可含有其它導熱預製的片件或部件，所述片件或部件定位於襯底空腔20 中且通過燒結金屬體接合到模組襯底12 。舉例來說，在某些實施例中，熱耗散結構14 、16 可生產為含有一或多個金屬硬幣、板或高導熱率段塞。如在本文中出現，術語“高導熱率段塞”指導熱率超出模組襯底的導熱率的預製固體主體或結構，例如圖1中示出的模組襯底12 。具體地說，在圖1的所示出實施例中，燒結接合的熱耗散結構14 、16 包括高導熱率(thermal conductivity，TC)段塞14 。高TC段塞14 可由金屬材料、非金屬材料或包括上文結合散熱器18 所論述的那些材料的複合材料構成。在實施例中，高TC段塞14 採用硬幣、板或框形式，硬幣、板或框形式主要或基本上完全由例如Cu等金屬或合金構成的；且其導熱率超出襯底12 的導熱率且有可能超出散熱器18 的導熱率。高TC段塞14 可具有單塊或分層式結構。必要時，高TC段塞14 的一或多個表面可以另一金屬鍍覆或包覆，或是粗糙的以在下文描述的燒結工藝期間促進與燒結金屬體或層16 接合。
圖2以分解視圖另外示出微電子模組10 (金屬化層26 、接合墊32 和導線接合34 未示出)。共同地參考圖1和2，且如在圖2中最明確地示出，高TC段塞14 可具有俯視圖形狀和大體上匹配襯底空腔20 的尺寸的尺寸。換句話說，高TC段塞14 可經塑形並設定大小來配合在襯底空腔20 中收納。嵌入襯底的燒結接合層16 還具有外部俯視圖形狀和大體上與襯底空腔20 的尺寸對應的尺寸。此外，燒結接合層16 在所示出的例子中是環狀或環形的，並包括尺寸大體上匹配襯底開口22 的中心開口的中心開口。在一個實施例中，燒結接合層16 可由環形燒結預製坯或預切割膜形成。在定位於襯底12 與段塞14 之間時，嵌入襯底的燒結接合層16 因此將高TC段塞14 的外部週邊部分接合到模組襯底12 的內部週邊壁架24 。為了促進形成堅固的冶金接合，週邊壁架24 的下表面或內部可金屬化或鍍覆(例如通過濺鍍沉積)以包括金屬層36 ，如在圖1中標識。
微電子裝置28 通過裝置接合層38 接合到高TC段塞14 。裝置接合層38 可由例如晶粒附接環氧樹脂的部分非燒結材料構成，非燒結材料在形成嵌入襯底的燒結接合層16 之前或之後沉積到高TC段塞14 上。然而，出於工藝效率的原因，可能有利的是從燒結材料形成裝置接合層38 ，燒結材料類似或大體上等同於組成嵌入襯底的燒結接合層16 的燒結材料。在這點上，嵌入襯底的燒結接合層16 和裝置接合層38 可從普通燒結前驅體材料形成，燒結前驅體材料作為圖案化層(例如作為施加膜或作為沉積膏狀物層)施加於高TC段塞14 的上表面上方，並接著燒結以同時形成層16 、18 。類似地，散熱器18 通過散熱器接合層40 接合到模組襯底12 和高TC段塞14 ，散熱器接合層40 也有利地(但不一定)從在組成上類似或等同於形成燒結接合層16 的材料的燒結材料形成。出於此原因，層16 、38 、40 在下文一起描述為“燒結接合層16 、38 、40 ” 。儘管如此，但強調層38 、40 在微電子模組10 的其它實施例中可能不從燒結材料形成。
燒結接合層16 、38 、40 從燒結前驅體材料產生，燒結前驅體材料在低溫燒結工藝期間緻密到大體上一致的團塊或層中。燒結接合層16 、38 、40 的特定組成將在實施例當中變化，這取決於燒結前驅體材料的初始調配和燒結工藝的參數。一般來說，燒結接合層16 、38 、40 可主要由至少一種金屬構成，如按重量百分比計(wt%)考慮。在一個實施例中，燒結接合層16 、38 、40 各自主要由Cu、Ag、Au或其混合物構成，再次如按重量計考慮。燒結接合層16 、38 、40 可或可不含有有機材料。在某些實施中，燒結接合層16 、38 、40 可基本上不含有機材料；如在本文中出現，術語“基本上不含”定義為含有小於1 wt%的有機材料。在其它實施例中，燒結接合層16 、38 、40 可含有選定的有機材料或填充劑以調整層30 、32 的屬性。舉例來說，在某些情況下，燒結接合層16 、38 、40 可含有環氧樹脂或另一有機材料。在一個實施方案中，至少燒結接合層16 和可能所有燒結接合層16 、38 、40 由燒結金屬(例如Ag)材料構成，所述材料具有超出50 W/mK的導熱率並可能具有等於或超出約70 W/mK的導熱率。
為了產生燒結接合層16 、38 、40，燒結前驅體材料在模組製造期間施加到模組10 的一或多個表面。具體地說，相對於嵌入襯底的燒結接合層16 ，燒結前驅體材料可施加到高TC段塞14 的外部週邊部分或施加到模組襯底12 的內部壁架24 的下表面。相對于燒結接合層38 ，燒結前驅體材料可施加到高TC段塞14 或施加到微電子裝置28 的下表面。在一個方法中，且如上文所指示，燒結前驅體材料在圖案化層中施加於高TC段塞14 的上表面上方，以在下文描述的燒結工藝期間形成燒結前驅體材料的隨後轉換成燒結接合層16 、38 的本體。最後，相對於燒結接合層40 ，在散熱器18 上方定位襯底12 和段塞14 之前，燒結前驅體材料可施加到模組襯底12 的下表面，施加到高TC段塞14 的下表面，和/或施加到散熱器18 的上表面。
燒結前驅體材料可以各種不同方式施加，包括濕態和乾態施加技術兩者。適合的濕態施加技術包括但不限於絲網印刷或模板印刷、刀片刮抹、噴灑、浸漬和細針施配技術。當使用濕態施加技術時，通過例如獨立生產或從第三方供應商購買來首先獲得可流動或濕態塗敷前驅體材料。除了金屬粒子(下文所描述)以外，濕態塗敷前驅體材料還含有其它成分(例如溶劑和/或介面活性劑)以促進濕定形施加，以調節前驅體材料的黏度、防止金屬粒子的過早附聚或發揮其它用途。在一個實施例中，濕態塗敷前驅體材料含有與黏合劑(例如環氧樹脂)結合的金屬粒子、分散劑和更薄或液體載劑。可調節塗敷前驅體材料內含有的溶劑或液體載劑的體積以將前驅體材料的黏度調整成選定的濕態施加技術。舉例來說，在通過網版印刷或刀片刮抹施加前驅體材料的實施例中，塗敷前驅體材料可含有充足的液體以產生膏狀物、料漿或塗料。在施加濕態塗敷材料之後，如果如此需要的話，那麼可執行乾燥工藝以從燒結前驅體材料移除過量液體。
在其它實施例中，可利用乾態施加技術來施加燒結前驅體材料。舉例來說，可使用膜傳遞工藝來將前驅體材料施加到適當的組件表面。在這點上，可通過首先使一或多個燒結前驅體材料沉積(例如網版印刷或以其它方式施配)到臨時襯底或載體上來首先製備乾膜，臨時襯底或載體例如塑膠(例如聚對苯二甲酸伸乙酯)膠帶背面。燒結前驅體材料可以濕、可流動狀態施加到載體，且接著被加熱或以其它方式乾燥以得到乾膜，乾膜傳送到適當的封裝組件表面。接著施加熱、壓力或熱和壓力兩者，以將含金屬粒子的前驅物層(乾膜)黏附到適當的組件表面。可接著通過物理移除(例如剝離)或通過化學溶劑中溶解來移除載體(例如膠帶背面)。適當時，可接著重複此工藝以將另外的燒結前驅體材料施加到其它組件表面。在又另外的實施例中，一或多個獨立式的薄膜可在堆疊或積累(在本文的上下文中還被視為“膜傳送”)期間僅僅定位於微電子模組組件之間。
在燒結前驅體材料內分散的金屬粒子可具有使得粒子能夠形成依照/依據下文描述的燒結工藝的大體上一致的粘著層的任何組成、形狀和大小。在一個實施例中，燒結前驅體材料含有Au、Ag或Cu粒子或其混合物。在另一實施例中，前驅體材料內含有的金屬粒子主要由Ag或Cu粒子組成。前驅體材料內含有的金屬粒子可或可不塗敷有有機材料。舉例來說，在一些實施方案中，金屬粒子可塗敷有有機分散劑，有機分散劑防止粒子之間的物理接觸以抑制過早附聚或粒子燒結。當存在時，任何此有機粒子塗覆可在下文描述的金屬燒結工藝期間燃燒掉或熱分解，不管完全地或部分地。在又另外的實施例中，不管目前已知還是以後開發，易受低溫燒結影響的其它材料系統可在模組製造工藝期間加以利用。
前驅體材料內含有的金屬粒子可具有任何形狀或形狀的組合，包括但不限於球形形狀、長方形形狀和血小板或薄層形狀。金屬粒子的平均尺寸將結合粒子形狀和工藝參數而變化。然而，一般來說，金屬粒子的平均最大尺寸(例如在球形時金屬粒子的直徑或在長方形時金屬粒子的主軸)可在實施例中介於圍繞100微米(μm)與約10納米(nm)之間。在其它實施例中，金屬粒子可具有大於或小於前述範圍的平均最大尺寸。在某些實施方案中，具有納米和微米兩者範圍內的平均最大尺寸的金屬粒子的混合物可在前驅體材料內存在。在其它實施方案中，僅納米粒子(也就是說，具有1 nm與1000 nm之間的平均最大尺寸的粒子)可含於燒結前驅體材料內。作為具體但非限制性的例子，在Ag或Cu納米粒子優選的實施例中，前驅體材料可含有Ag、Au或Cu納米粒子或微米大小的粒子中的至少一種。
如上文所提及，執行低溫燒結工藝以在施加燒結前驅體材料之後產生所要金屬燒結層。可在適合於將燒結前驅體材料轉換成金屬燒結層的任何處理條件下執行低溫燒結工藝，應注意，一些擴散可從前驅體材料發生，擴散到微電子模組的接觸組件中。燒結接合工藝因此有利地在接合接點介面處形成低應力、以機械方式堅固的固態冶金擴散接合。可在具有或不具有壓力的情況下、在具有或不具有加熱(雖然將通常施加某一程度的較高熱)的情況下和在任何適合的大氣(例如戶外或在存在例如氮氣等惰性氣體的情況下)中執行燒結工藝。作為強調點，在小於前驅體材料內含有的金屬粒子的熔點的最大處理溫度(TMAX )下執行燒結工藝。實際上，在多個實施例中，TMAX 將顯著地小於金屬粒子的熔點，且可能小於按絕對溫度比例(按克耳文)考慮的視為的熔點的二分之一。一般來說，TMAX 將大於室溫(在本文中視為20℃)且小於300℃。相對較，納米或微米大小範圍內的Ag、Au和Cu粒子的熔點將通常範圍介於大約950℃到1100℃之間。作為又一例子，TMAX 可在實施例中範圍介於大約170℃到300℃之間。在又另外的實施例中，TMAX 可大於或小於前述範圍，其條件是TMAX (結合其它工藝參數)足以引發金屬粒子的燒結，而不會使金屬粒子液化。
可在燒結工藝期間使用多級加熱調度程序。在此狀況下，多級加熱調度程序可引起在部分製造狀態下歷時第一時間段而將微電子模組10 加熱到小於TMAX 的溫度(T1 )，將溫度工藝逐漸增大或提高到TMAX ，且接著歷時第二時間段而維持TMAX 。冷卻時間段可隨後發生。在一個實施例中，且僅作為非限制性例子，T1 可範圍介於大約100℃到200℃，而TMAX 大於T1 並範圍介於大約170℃到280℃。如下文所論述，所使用工藝參數可或可不受控制以在燒結工藝期間將任何有機材料從燒結前驅體材料完全分解。
在微電子模組製造方法的至少一些實施方案中，受控匯集壓力或壓縮力在燒結工藝期間跨越部分地製造的微電子模組施加。當施加時，匯集壓力可作為大體上恆定的力遞送，或替代地根據基於時間或基於溫度的調度程序而變化。可利用任何適合的機制以施加所要匯集壓力，包括體積重量、彈性偏壓裝置(例如彈簧負載柱塞或引腳)、鉗夾、液壓機等等。可基於各種因素而選擇所施加壓力，所述因素包括金屬燒結層的所要最終厚度、金屬燒結層的所要孔隙度和燒結前驅體材料的組成。在一個實施例中，且僅僅作為非限制性例子，在燒結工藝期間施加範圍介於約0.5兆帕斯卡(MPa)與約20 MPa之間的最大壓力(PMAX )。在其它實施例中，如果在燒結工藝期間施加壓力，那麼PMAX 可大於或小於前述範圍。
如先前所指示，依照/依據上文所描述的金屬燒結工藝所產生的燒結接合層(例如圖1和2中示出的接合層16 、38 、40 )可主要由一或多個燒結金屬構成。同樣，金屬燒結層可或可不含有有機材料。在一個實施例中，金屬燒結層主要由一或多個金屬(例如基本上是純Cu或基本上是純Ag)組成，且基本上不含有機材料(也就是說，含有小於1 wt%的有機材料)。在其它實施例中，金屬燒結層可含有樹脂或其它有機填充劑。舉例來說，在另一個實施方案中，金屬燒結層可含有提高易彎性的有機材料，例如環氧樹脂，以降低跨越熱循環的裂痕形成和傳播的可能性。取決於金屬燒結層的所要最終組成，可控制燒結工藝的參數以完全或部分地使有機材料從燒結前驅體材料分解。此外，金屬燒結層可產生為具有所要孔隙度，所要孔隙度在實施例中可按體積計範圍介於0%到30%。在另一實施例中，金屬燒結層可形成為各自按體積計具有小於1%的孔隙度。最後，金屬燒結層的厚度將在實施例當中變化，但可範圍介於約5微米與約100微米之間，且優選的是，在一個示例性和非限制性實施方案中範圍介於約15微米與約35 μm之間。在金屬燒結層基本上由純Ag或Cu構成的另一實施例中，金屬燒結層的厚度可以範圍介於約40微米到約100微米。
為了提供一種製造方法的更具體但非限制性的例子，可以以下方式生產微電子模組10 。開始製造工藝，跨越散熱器18 的上表面在連續層中施加第一層燒結前驅體材料。燒結前驅體材料可在濕態下作為塗料施加，塗料絲網印刷於散熱器18 的上表面上方。可替換的是，燒結前驅體材料可利用上述類型的膜傳送工藝來作為乾態(例如獨立式)膜施加到散熱器18 的上表面。接著利用例如取放工具來在散熱器18 上方定位高TC段塞14 。燒結前驅體材料的第二經圖案化層接著施加到與散熱器18 相對的高TC段塞14 的上表面。同樣，可利用乾態或濕態施加技術。在一個實施例中，使用網版印刷工藝(利用圖案化篩網)或細針施配(例如利用電腦控制器印刷頭)。接著利用取放工具來各自定位模組襯底12 和微電子裝置28 。如果尚未執行第一熱處理工藝以將第一層燒結前驅體材料轉換成燒結接合層40 ，那麼可執行普通熱處理或燒結工藝，以將第一層和第二層燒結前驅體材料分別轉換成燒結接合層16 、38 、40 。可接著執行導線接合以形成互連微電子裝置28 與模組襯底12 的佈線特徵的導線接合34 。適當時，還可執行另外的工藝步驟以完成微電子模組10 的製造。
以上文所描述的方式，微電子模組10 產生為以可靠且節約成本的方式包括模組襯底(例如襯底12 )和燒結接合的熱耗散結構(例如熱耗散結構14 、16 )。在某些實施例中，可利用普通熱處理工藝以同時將選擇性地施加的燒結前驅體材料轉換成燒結接合層16 、38 、40 。相比於其它常規製造工藝，可避免對散熱器18 的加工。此外，當在有限的最大溫度下執行上文所描述的燒結工藝時，緩解與襯底翹曲相關聯的問題。結果，可降低封裝製造成本。還可借助於上文所描述的製造工藝和模組結構實現其它優點。舉例來說，當用於RF應用中時，散熱器18 和微電子裝置28 (例如攜載RF電路的半導體晶粒)的相對定位可提供相對有效的RF接地，以在模組操作期間降低損耗。
微電子模組10 可在其它實施例中包括各種其它結構特徵。舉例來說，窗口框架可定位於周圍，且蓋子可定位於襯底12 上方以在微電子模組10 採用空氣腔封裝的形式時封閉微電子裝置28 。可替換的是，在實施方案中，密封劑主體44 (在圖1中以虛線示出)可形成於襯底12 上方和微電子裝置28 周圍。必要時，微電子模組10 還可產生為包括其它燒結金屬結構。舉例來說，如在圖1中以虛線另外示出，燒結金屬RF屏蔽層46 可形成於與微電子裝置28 相對的密封劑主體44 上方。當存在時，可通過沉積燒結前驅體材料並接著以先前描述的方式燒結前驅體材料來形成燒結金屬RF屏蔽層46 ；例如，在一個方法中，模具材料包覆模製於襯底12 和裝置12 上方以形成密封劑主體44 ，接著將一層燒結前驅體材料作為連續膏狀物層或傳送膜施加到主體44 的最上部表面，且接著執行燒結工藝以將燒結前驅體材料的層轉換成RF屏蔽層46 。
因此已描述包括燒結熱耗散結構的高熱性能微電子模組的實施例，連同用於生產此微電子模組的方法的實施例。如上文所提及，燒結熱耗散結構可嵌入於PCB、無芯襯底或其它模組襯底中，且可促進遠離由熱耗散結構支撐的一或多個發熱微電子裝置(例如半導體晶粒)的導熱流動。燒結熱傳遞結構可將熱傳導到另外包括於微電子模組中的對流冷卻的散熱器，例如金屬板或引腳鰭片陣列。在實施例中，燒結熱耗散結構可主要由燒結金屬體組成，燒結金屬體形成於設置於模組襯底中的空腔中。可替換的是，燒結熱傳遞結構可另外包括定位於空腔中且通過燒結金屬體接合到模組襯底的專用熱管道或熱散播器。在上文所描述的例子中，出於此目的而利用導熱片件或部件(例如高導熱率段塞14 )。在其它實施例中，燒結熱耗散結構可含有一或多個細長熱管，所述細長熱管通過燒結材料懸置於襯底空腔內。現將結合圖3和4描述包括燒結熱耗散結構的微電子模組的示例性實施例，燒結熱耗散結構含有呈細長熱管形式的一或多個專用熱管道。
圖3和4分別是如根據本公開的另一示例性實施例所示出的含有嵌入襯底、燒結接合的熱耗散結構52 的微電子模組50 的簡化橫截面和等角視圖。在此實施例中，微電子模組50 包括具有上部圖案化金屬層56 (僅在圖3中示出)的模組襯底54 。如先前的狀況，模組襯底54 可採用以下形式：單層或多層PCB、無芯襯底、包括在利用拼板工藝生產的模制主體上方積累的RDL的襯底、或含有或不具有佈線特徵的另一類型的襯底。燒結接合的熱耗散結構62 嵌入於模組襯底54 內，且具體地說，定位於通過襯底54 的中心部分設置的空腔60 內。燒結接合的熱耗散結構52 支撐微電子裝置62 (例如半導體晶粒)和散熱器64 (例如引腳-鰭片陣列)。如圖4中所示出，微電子裝置62 和散熱器64 以並排關係定位，且沿著由座標圖例66 標識的Y軸側向地間隔開。空腔60 和燒結接合的熱耗散結構62 同樣地沿著Y軸細長。熱耗散結構62 因此包括分別下伏於微電子裝置62 和散熱器64 的第一與第二相對端部。
燒結接合的熱耗散結構62 含有燒結金屬體66 ，燒結金屬體66 在圖3中以橫截面示出，且在圖4中以剖視圖示出。燒結金屬體66 接合到模組襯底54 的限定襯底空腔60 的內表面，所述內表面可金屬化(例如以銅或另一金屬鍍覆)以促進接合，如在圖3中由圖形68 指示。在一個實施方案中，燒結金屬體66 可基本上全部填充60 ，使得熱耗散結構62 基本上由燒結金屬體66 組成。可替換的是，熱耗散結構62 可包括一或多個專用熱管道，專用熱管道通過燒結金屬體66 接合到模組襯底54 ，並可能嵌入或埋入於主體66 內。舉例來說，如在圖3和4中指示，一或多個細長熱管70 可嵌入於燒結金屬體66 內，且可沿著空腔60 的長度的至少大部分延伸。熱管70 可各自採用含有工作流體(例如氨氣、乙醇和/或水混合物)的氣密封閉的管道或盲管的形式，工作流體以熱有效率方式將熱從管的一端傳遞到另一端。熱管內的流體經受相變，且具體地說，可吸收潛熱並在熱管的熱介面(例如第一封閉端)處汽化；汽相接著流動到熱管的冷卻介面(例如相對封閉端)並冷凝，由此釋放潛熱；且液相接著返回到熱介面以完成熱傳遞回路。如在圖3中指示，熱管70 可或在內部加襯有芯吸材料72 ，芯吸材料72 通過毛細作用促進液相從低溫介面到熱介面的流動。雖然決不限於特定形狀或材料，但是每一熱管70 的殼74 可採用從例如Cu或Al等高度導電金屬或合金製造的細長盲管的形式。
作為非限制性例子，可如下生產微電子模組50 。首先，熱管70 和燒結前驅體材料定位於襯底空腔60 中。在某些實施例中，熱管70 可首先定位於襯底空腔60 內且接著是濕態燒結前驅體材料，例如含金屬粒子的膏狀物，可接著施配到空腔60 中以填充熱管70 與模組襯底54 的限定空腔60 的內表面之間的剩餘自由空間或空隙。在其它實施例中，熱管70 可首先嵌入於燒結前驅體材料中(例如粉末燒結前驅體材料可圍繞管道70 按壓)，使得前驅體材料和熱管70 共同地定位於空腔60 中。在某些實施例中，可接著執行燒結工藝以將燒結前驅體材料轉換成金屬燒結主體66 ，並由此得到嵌入襯底、燒結接合的熱耗散結構52 。在此狀況下，微電子裝置62 和散熱器64 可隨後附接到熱耗散結構52 的相對端部。然而，出於工藝效率的原因，可能需要在燒結之前將微電子裝置62 和/或散熱器64 安放於燒結前驅體材料上。可接著執行燒結工藝以形成燒結金屬體66 ，同時通過金屬主體66 將微電子裝置62 和/或散熱片64 接合到模組襯底54 。可接著在適當時執行另外的步驟以完成微電子模組50 的製造，包括在裝置62 與模組50 內的對應佈線特徵之間形成電互連件；例如形成於襯底54 上方的未示出跡線。
因此已描述了含有嵌入襯底、燒結接合的熱耗散結構的微電子模組的另一示例性實施例。在上文所描述的實施例中，通過將熱耗散結構形成為包括至少部分地嵌入於燒結金屬體中的一或多個專用熱管道來增強從發熱微電子裝置(例如半導體晶粒)到散熱器的熱傳遞。熱管道可以是具有相對高導熱率的材料的細長條或桿、金屬絲編織帶或網狀網等等。可替換的是，熱管道可以是細長熱管，在此狀況下微電子裝置和散熱器可在熱管的相對端在上方或鄰近而定位。熱管道可在製造模組期間連同燒結前驅體材料定位於襯底空腔內。在一個方法中，含金屬粒子的膏狀物在熱管道上方和周圍，以至少相當大部分地填充熱管道與襯底的限定襯底開口的側壁之間的一或多個空隙。可接著執行燒結工藝以將燒結前驅體材料轉換成將熱管道接合到模組襯底的燒結金屬體。借助以此和上文所描述的其它工藝步驟，微電子模組可產生為包括嵌入襯底、燒結接合的熱耗散結構，這可顯著地增強所得模組的熱耗散能力。在又另外的實施例中，燒結接合的熱耗散結構可執行其它功能，和/或所得模組可在堆疊配置中接合到第二模組。現將結合圖5而提供這點上的另外的描述。
圖5是如根據本公開的又一示例性實施例所示出的如通過燒結接地平面82 倒置且接合到第二微電子模組80 的微電子模組50 (圖3和4)的簡化橫截面圖。微電子模組82 含有在其中具有數個開口或空腔的模組襯底84 ，例如PCB或無芯襯底。每一襯底空腔填充有燒結材料以形成多個燒結填充的通孔86 、88 、90 。微電子模組82 另外含有三個微電子裝置：(i)具有球形柵格陳列(Ball Grid Array，BGA)94 的第一晶粒92 、(ii)具有BGA98 的第二晶粒96 和(iii)堆疊到第一晶粒92 上的SMD100 。第一晶粒92 通過BGA94 和燒結填充的通孔86 電聯接到燒結接地平面82 。第二晶粒96 通過BGA98 和燒結填充的通孔86 電聯接到燒結接地平面82 。此外，一或多個導線接合104 通過燒結填充的通孔90 將晶粒94 電聯接到燒結接地平面82 。可利用含有沉積的互連線RDL結構；通過導線接合，例如晶粒92 、96 之間示出的導線接合102 ；或以另一方式來形成第一晶粒92 、第二晶粒96 與SMD100 之間的互連件。在某些實施例中，由模組50 攜載的微電子裝置62 還可通過熱耗散結構52 的燒結金屬體66 電聯接到接地平面82 。燒結接地平面82 可因此發揮接合微電子模組50 、80 以及提供由模組50 、80 兩者攜載的裝置電連接到的共同接地平面的雙重用途。此外，在廣義上，燒結接地平面82 還可充當散熱器，而燒結填充的通孔86 、88 充當分別提供從晶粒92 、96 到接地平面82 的有效率傳導熱傳遞路徑的嵌入式熱耗散結構。
可利用類似于上文所描述的工藝的工藝來製造微電子模組80 (圖5)。具體地說，相對於燒結填充的通孔86 、88 、90 ，可利用乾態或濕態施加技術將燒結前驅體材料施加到通過模組襯底84 提供的開口或空腔中；例如，含金屬粒子的膏狀物可通過電腦控制細針施配或通過絲印應用程序施配到襯底空腔中。可接著執行低溫燒結工藝以將燒結前驅體材料轉換成佔據空腔燒結金屬本體，並由此得到燒結填充的通孔86 、 88 、 90 。微電子晶粒92 、96 可在燒結之後或與燒結同時地接合到燒結填充的通孔86 、 88 。在一個實施例中，微電子晶粒92 、96 在燒結之前安放於沉積的燒結前驅體材料上，使得利用燒結工藝以同時形成燒結填充的通孔86 、88 、90 並出於提高的工藝效率而附接晶粒92 、96 。可接著利用取放工具來定位SMD100 (和在圖5的橫截面圖中未見的可能其它微電子裝置)。晶粒92 、96 、SMD100 和包括於模組80 中的任何其它微電子裝置可隨後通過例如導線接合互連。可通過形成燒結接地平面82 來將現在完成或接近完成狀態下的微電子模組80 接合到模組50 。燒結接地平面82 可通過以下操作形成：將一層燒結前驅體材料(例如作為連續膏狀物層或膜)施加到微電子模組50 或微電子模組80 的背側表面；以背靠背關係定位模組50 、80 ；和接著通過施加熱和/或滙集壓力來執行燒結工藝。在其它實施例中，可在完成微電子模組50 或微電子模組80 之前形成燒結接地平面82 ，使得一個模組可充當在上方製造另一模組的襯底。
圖6是如根據本公開的另一示例性實施例所示出的微電子模組110 的橫截面圖。在許多方面中，微電子模組110 類似于上文結合圖1和2描述的微電子模組10 。舉例來說，微電子模組110 包括上表面114 和相對的下表面116 的模組襯底112 。襯底112 可以是例如PCB、無芯襯底或按體積計主要由有機材料構成的包芯襯底。中心腔室118 設置於模組襯底112 中且通過下部表面116 暴露。如先前的狀況，空腔118 具有限定內部週邊機箱或壁架120 的階梯形橫截面幾何形狀，如在與上表面114 正交地延伸的橫截面平面中考慮。燒結接合的熱耗散結構122 、124 嵌入於空腔118 內，且含有至少部分地埋入於燒結金屬體124 內的導熱主體或高TC段塞122 。燒結金屬體124 包括中間部分124(b) ，中間部分124(b) 將高TC段塞122 接合到模組襯底112 的內表面。模組襯底112 的限定空腔118 的選定表面134 可金屬化以促進襯底112 與燒結金屬體124 之間的冶金接合。燒結金屬體124 還包括上部部分124(a) ，上部部分124(a) 通過熱耗散結構122 、124 將微電子裝置126 接合到襯底112 。最後，燒結金屬體還包括將襯底112 接合到散熱器132 的下部部分124(c) 。在其它實施例中，散熱器132 可被不同結構或裝置替換，例如第二模組。必要時，燒結金屬體124 的下部部分124(c) 可不延伸到模組110 的邊緣來在模組襯底112 與散熱器132 之間提供未填充的空氣間隙136 ，這可提高散熱器132 的對流冷卻表面面積和/或可防止襯底112 的下部表面116 上存在的任何電氣特徵的橋接。
如上文所提及，燒結金屬體124 將微電子裝置126 接合或附接到模組襯底112 。微電子裝置126 可以是例如具有接合墊138 的半導體晶粒，接合墊138 利用線接合130 或另一互連方法與襯底112 上設置的上部配線層或圖案化金屬層128 電互連。如圖1和2中示出的微電子模組10 的狀況，微電子裝置126 上覆於高TC段塞122 ，如沿著微電子模組110 的中心線140 取得。中心線140 還與裝置126 和段塞122 兩者相交。燒結金屬體124 和高TC段塞122 各自的導熱率超出模組襯底112 的導熱率，並集合地提供從微電子裝置126 的下表面延伸、通過燒結金屬體124 的上部部分124(a) 、通過高TC段塞122 、通過燒結金屬體124 的下部部分124(c) 且延伸到散熱器132 的高度堅固且直接的熱傳遞路徑。相比於微電子模組10 (圖1和2)，高TC段塞122 具有更複雜的橫截面形狀，其增大寬度(定義垂直於中心線140 的尺寸)，同時增加對散熱器132 和模組襯底112 的下部表面116 的鄰近度，如在通過段塞122 取得的橫截面平面中考慮。具體地說，在圖6中示出的示例性實施例中，高TC段塞122 產生為具有階梯形幾何形狀，其大體上與階梯形空腔118 的內部幾何形狀對應或相符。通過為高TC段塞122 賦予此幾何形狀，高TC段塞122 可更好地在散熱器132 的上部中心部分上方散播遠離裝置126 傳導的熱。此外，此幾何形狀可增加高TC段塞122 的可供用於接合的累積表面面積。在其它實施例中，高TC段塞122 可具有同樣地增加寬度同時增加對散熱器132 到鄰近度的不同形狀，例如梯形橫截面幾何形狀。
作為非限制性例子，可如下執行適合於生產微電子模組110 的一種製造方法。首先，可獲得模組襯底112 ，同時以面板形式與數個其它襯底互連。數個高導熱率段塞，包括高TC段塞122 ，可定位于設置於襯底112(圖6)中的空腔118和設置於其它未示出的襯底中的類似空腔內。結合在空腔118 中定位高TC段塞122 或在空腔118 中定位高TC段塞122 之前，可利用上文所描述的施加技術中的一或多種來將燒結前驅體材料施加到段塞122和/或空腔118 的內表面。可施加燒結前驅體材料以在燒結時形成燒結金屬體124 的所有部分124(a) 到124(c) ，或替代地，可在不同階段中或在製造工藝的不同步驟時施加部分124(a) 到124(c) 。在一個實施例中，施加燒結前驅體材料以形成燒結金屬體124 的部分124(b) ，執行低溫燒結以將高TC段塞122 附接到模組襯底112 ，並接著(例如通過鋸割、鐳射切割、沖壓刻劃等等)執行面板單一化來使襯底112 從其它未示出的襯底分離。可接著施加對應於燒結金屬體124 的下部部分124(c) 的燒結前驅體材料，可使襯底112 與散熱器132 接觸，並可接著執行第二低溫燒結工藝。最後，可執行晶粒附接，以通過將燒結前驅體材料施加到段塞122 的上表面、定位裝置126 並接著執行第三低溫燒結工藝來在高TC段塞122 上方安裝裝置126 。可接著執行各種另外的步驟(例如用以形成導線接合130 的球形接合)，以完成微電子模組110 的製造。
在用以生產微電子模組110 (圖6)的製造工藝的其它實施方案中，可通過在單個步驟中施加和/或熱處理燒結金屬體124 的兩個或多於兩個部分124(a) 到(c) 來提升工藝效率。在任一狀況下，低溫燒結工藝優選地由介於175℃與300℃之間，且在實施例中更佳地介於200℃與250℃之間的最大工藝溫度表徵。在其它實施例中，燒結工藝期間的最大工藝溫度可大於或小於前述範圍。此外，雖然示出為在圖6的實施例中僅含有線接合130 ，但是應瞭解，在其它實施例中，除了導線接合130 以外或代替導線接合130 ，微電子模組110 可產生為還包括各種其它類型的互連結構(例如鍍覆金屬線)。一般來說，接著應理解，模組110 和本文中所描述的其它微電子模組可含有提供微電子模組內含有的微電子裝置(例如模組110 中含有的裝置126 )之間的所要電氣互連的導電佈線特徵、其它導電佈線特徵(例如模組110 的配線層128 )和可另外包括於上文所描述的微電子模組的實施例中的任何輸入/輸出結構(例如球形柵格陳列、引腳柵格陣列、引線等等)的任何類型和組合。
因此已提供用於生產包括燒結金屬結構的高熱性能微電子模組的製造工藝。在實施例中，微電子模組包括嵌入於模組襯底內的至少一個燒結接合的熱耗散結構，模組襯底例如PCB、無芯襯底、含有RDL結構的襯底、或包括或不具有佈線特徵的另一襯底。在調變操作期間，燒結接合的熱耗散結構促進遠離由襯底支撐的一或多個發熱微電子裝置(例如半導體晶粒)的導熱流動。燒結接合的熱耗散結構含有燒結金屬體，燒結金屬體至少部分地填充設置於襯底中的空腔。在某些實施例中，燒結接合的熱耗散結構可全部或基本上全部由燒結金屬體組成。在其它實施例中，燒結接合的熱耗散結構可另外包括通過燒結金屬體接合到襯底的導熱主體，例如金屬(例如Cu)段塞或熱管。在模組操作期間，燒結接合的熱耗散結構可將熱傳導到另外包括於微電子模組中的對流冷卻的散熱器，例如金屬板或引腳鰭片陣列。散熱器可附接到與由襯底支撐的微電子裝置相對的襯底，以與由襯底支撐的微電子裝置並排的關係接合到襯底，或以其它方式定位於微電子模組中。可通過提供此散熱器和嵌入襯底、燒結接合的熱耗散結構來明顯地增強微電子模組的熱性能。此外，在一些實施方案中，燒結接合的熱耗散結構還可充當電有源結構，例如向襯底且可能向襯底內含有的不同配線層提供信號或功率傳遞的導電通孔。
如上文所指示，燒結熱耗散結構可含有或可主要由燒結金屬體組成。在實施例中，通過首先將燒結前驅體材料施加到微電子模組的選定區域並接著施加到襯底空腔中來形成燒結金屬體。利用低溫燒結工藝來接著將燒結前驅體材料轉換成燒結材料，低溫燒結工藝通過施加較高熱、受控匯集壓力或熱和匯集壓力兩者來在有限最大處理溫度(例如小於300℃的最大處理溫度)下執行。在燒結之前，燒結前驅體材料可通過例如薄膜傳送、網版印刷或利用另一施加技術來施加到微電子模組的選定區域。燒結前驅體材料含有一或多種類型的金屬粒子，例如Ag、Cu或Au金屬粒子，所述金屬粒子在燒結工藝期間接合且致密。所得燒結金屬體可產生為具有極少到不具有空隙，具有受控制孔隙度，並包括或不具有有機材料。在實施例中，燒結金屬體主要由例如燒結銀等金屬材料構成且可能主要由金屬材料組成；及/或具有超出50 W/mK的導熱率。因為在相對低溫度下執行燒結工藝，所以緩解了置於封裝組件上的材料約束，且緩和了與高溫處理相關聯的上文所描述的問題(例如襯底翹曲)。結果，可有利地降低生產成本。還可利用類似方法來產生另外的燒結金屬結構或層。舉例來說，在某些實施例中，可形成燒結RF屏蔽結構。在一個實施例中，微電子模組可包括通過燒結接合層按堆疊或豎直集成關係接合的兩個子模組，如果如此需要的話，那麼可潛在地利用燒結接合層以用作接地平面。
在一個實施方案中，上文所描述的模組製造方法包括至少通過以下操作來在模組襯底中嵌入燒結接合的熱耗散結構的步驟或過程：(i)將含有金屬粒子的燒結前驅體材料施加到設置於所述模組襯底中的空腔中；以及(ii)將含有金屬粒子的燒結前驅體材料施加到設置於所述模組襯底中的空腔中；以及隨後在小於所述金屬粒子的熔點的最大處理溫度下燒結所述燒結前驅體材料，以產生接合到所述模組襯底的燒結金屬體。接著在燒結之前、在燒結之後或與燒結同時地將微電子裝置和散熱器附接到所述模組襯底，使得所述散熱器通過所述燒結接合的熱耗散結構熱聯接到所述微電子裝置；例如，所述裝置與所述散熱片之間的最直接且有效率的熱傳導路徑可以是通過所述熱耗散結構。在某些實施例中，所述微電子裝置可在上覆於所述導熱結構的位置處接合到所述模組襯底，如沿著與所述模組襯底的上部助面大體上正交的軸線取得。在此類實施例中，可將所述微電子裝置放置為與所述燒結前驅體材料接觸，使得在所述燒結前驅體材料的燒結之後，所述燒結金屬體將所述微電子裝置接合到所述模組襯底。
在另一實施例中，所述方法包括在其中具有空腔的模組襯底上方定位微電子裝置的步驟或過程。在所述模組襯底上方定位所述微電子裝置之前，將含有金屬粒子的燒結前驅體材料施加到所述模組襯底的選定區域且施加到所述空腔中。接著在小於所述金屬粒子的熔點的最大處理溫度下燒結所述燒結前驅體材料，以產生至少部分地填充所述空腔並將所述微電子裝置接合到所述模組襯底的燒結金屬體。在燒結之前、在燒結之後或與燒結同時地在熱接觸所述燒結金屬體的位置處將散熱器接合到所述模組襯底。在實施例中，燒結可引起形成所述燒結金屬體以將所述散熱器和所述微電子裝置兩者接合到所述模組襯底。所述散熱器與所述微電子裝置可以並排關係定位，使得所述散熱器上覆於所述燒結金屬體的第一端部(沿著與所述模組襯底的上部助面大體上正交的軸線取得)，同時所述微電子裝置上覆於所述燒結金屬體的第二相對端部。在某些實施中，可在所述導熱結構上方和周圍施配含金屬粒子的膏狀物，以至少相當大部分地填充所述導熱結構與所述模組襯底的限定開口的側壁之間的一或多個空隙。必要時，且如前文所述，可以例如Cu、Ag或Au層鍍覆所述襯底的所述側壁，以促進穩固冶金接點在燒結主體-襯底介面處的形成。
在又一實施例中，所述方法包括在其中具有空腔的模組襯底上方定位微電子裝置。在所述模組襯底上方定位所述微電子裝置之前，將含有金屬粒子的燒結前驅體材料施加到所述模組襯底的選定區域且施加到所述空腔中。接著在小於所述金屬粒子的熔點的最大處理溫度下燒結所述燒結前驅體材料，以產生至少部分地填充所述空腔並將所述微電子裝置接合到所述模組襯底的燒結金屬體。在與所述微電子裝置相對的所述模組襯底上形成燒結接地平面。所述微電子裝置通過所述燒結金屬體電聯接到所述接地平面。
在又一實施例中，所述方法包括在設置於襯底中的空腔中定位熱管道。所述熱管道可以是例如導熱材料的框或熱管。將含有金屬粒子的燒結前驅體材料施加到所述空腔中，使得所述燒結前驅體材料至少部分地填充襯底與所述熱管道之間的空隙。接著在小於所述金屬粒子的熔點的最大處理溫度下燒結所述燒結前驅體材料，以產生將所述熱管道接合到所述襯底的燒結金屬體。在燒結之前、在燒結之後或與燒結同時地將微電子裝置和散熱器附接到所述模組襯底，使得所述散熱器與所述微電子裝置通過所述熱管道熱聯接。
還提供了一種微電子模組的實施例。在一個實施例中，所述微電子模組包括模組襯底，所述模組襯底具有空腔和第一(例如上部)助面。燒結接合的熱耗散結構嵌入於所述模組襯底中，並至少部分地填充所述空腔。散熱器和微電子裝置(例如半導體晶粒)定位於所述燒結接合的熱耗散結構上方，如沿著與所述第一助面正交的軸線取得。所述微電子裝置通過所述燒結接合的熱耗散結構熱聯接到所述散熱器；例如，從所述裝置到所述散熱器的最直接且有效率的熱傳遞路徑可以是通過所述熱耗散結構。在某些實施例中，所述燒結接合的熱耗散結構可包括接合到模組襯底的燒結金屬體，和埋入於所述燒結金屬體中的細長熱管道，例如熱管。所述細長熱管道可具有下伏於所述微電子裝置的第一端部，以及下伏於所述散熱器的第二端部。在所述模組襯底包括與所述第一助面相對的第二(例如下部)助面的另一實施例中，所述微電子模組可另外含有形成於所述第二助面上方的燒結接地平面。所述微電子裝置可有可能通過所述燒結接合的熱耗散結構電聯接到所述燒結接地平面。
儘管以上詳細描述中已呈現至少一個示例性實施例，但應瞭解，存在大量變化。還應瞭解，所述示例性實施例僅僅是例子，且並不意圖以任何方式限制本發明的範圍、適用性或配置。實際上，前述詳細描述將向本領域的技術人員提供用於實施本發明的示例性實施例的方便的指南。應瞭解，在不脫離如在所附申請專利範圍中闡述的本發明的範圍的情況下，可對在示例性實施例中描述的元件的功能和佈置作出各種改變。
如在前述詳細描述中出現，例如“包括(comprise/include)”、“具有”等等術語意圖涵蓋非排他性包括，使得包括一系列元件的過程、方法、物件或設備不一定限於那些元件，而是可包括未明確地列出的或此類過程、方法、物件或設備所固有的其它元件。如在本文中又另外出現，例如“在...上方”、“在...下”、“在...上”等等術語用以指示兩個結構元件或層之間的相對位置，並不一定指示結構元件或層之間的物理接觸。因此，第一結構或層可描述為“在”第二結構、層或襯底“上方”或“上”，而不指示結構或層必定由於例如存在一或多個插入層而與第二結構、層或襯底接觸。如在本文中另外出現，術語“微電子裝置”在廣義上用以指按相對小比例生產且以上文所描述的方式易受封裝影響的電子裝置、元件或結構。僅舉數個例子，微電子裝置包括但不限於：形成於半導體晶粒上的積體電路、MEMS裝置、無源電子微電子組件、光學裝置、和能夠提供處理、記憶體、感測、射頻、光學和致動器功能性的其它小比例尺電子裝置。
10、50、80、110‧‧‧微電子模組
12‧‧‧模組襯底
14‧‧‧熱耗散結構；TC段塞；高導熱率段塞
16‧‧‧熱耗散結構；燒結接合層
18‧‧‧散熱器
20‧‧‧襯底空腔
22‧‧‧中心開口
24‧‧‧內部週邊壁架
26、36‧‧‧金屬層
28、126‧‧‧微電子裝置
32‧‧‧接合墊；調整層
34‧‧‧導線接合
38‧‧‧裝置接合層；燒結接合層
40‧‧‧散熱器接合層；燒結接合層
44‧‧‧密封劑主體
46‧‧‧RF屏蔽層
52‧‧‧熱耗散結構
54‧‧‧模組襯底
56‧‧‧金屬層
60‧‧‧空腔
62‧‧‧熱耗散結構；微電子裝置
64‧‧‧散熱器
66‧‧‧燒結金屬體
68‧‧‧圖形
70‧‧‧熱管
72‧‧‧芯吸材料
74‧‧‧殼
82‧‧‧接地平面；微電子模組
84‧‧‧模組襯底
86、88、90‧‧‧通孔
92‧‧‧第一晶粒
94、98‧‧‧球形柵格陳列(Ball Grid Array，BGA)
96‧‧‧第二晶粒
100‧‧‧SMD
102、104‧‧‧導線接合
112‧‧‧模組襯底
114‧‧‧上表面
116‧‧‧下部表面
118‧‧‧腔室；空腔
120‧‧‧內部週邊機箱或壁架
122‧‧‧熱耗散結構，導熱主體或高TC段塞
124‧‧‧熱耗散結構；燒結金屬體
124(a)‧‧‧上部部分
124(b)‧‧‧中間部分
124(c)‧‧‧下部部分
128‧‧‧金屬層；配線層
130‧‧‧線接合：導線接合
132‧‧‧散熱器
134‧‧‧表面
136‧‧‧空氣間隙
138‧‧‧接合墊
140‧‧‧中心線
將結合附圖在下文描述本發明的至少一個例子，其中相同數字表示相同元件，且：
圖1和2分別是如根據本公開的示例性實施例所示出的包括嵌入於模組襯底內的燒結接合的熱耗散結構的微電子模組的簡化橫截面和分解視圖；
圖3和4分別是如根據本公開的另一示例性實施例所示出的含有定位於襯底空腔中且嵌入於燒結金屬體中的至少一個熱管的微電子模組的簡化橫截面和等角視圖；
圖5是如根據本公開的又一示例性實施例所示出的如通過燒結接地平面倒置且接合到第二微電子模組的圖3和4中示出的微電子模組的簡化橫截面圖；且
圖6是如根據本公開的又一示例性實施例所示出的包括嵌入模組襯底於內的燒結接合的熱耗散結構的微電子模組的簡化橫截面圖。
為示出簡單和清晰起見，可省略熟知特徵和技術的描述和細節以避免不必要地混淆在後續詳細描述中描述的本發明的示例性和非限制性實施例。應另外理解，除非另外陳述，否則附圖中出現的特徵或元件不一定按比例繪製。舉例來說，圖中某些元件或區域的尺寸可以相對於其它元件或區域而放大，以改進對本發明的實施例的理解。

Claims (20)

  1. 一種用於製造微電子模組的方法，其特徵在於，包括： 通過以下操作來在模組襯底中嵌入燒結接合的熱耗散結構： 將含有金屬粒子的燒結前驅體材料施加到設置於所述模組襯底中的空腔中；以及 在小於所述金屬粒子的熔點的最大處理溫度下燒結所述燒結前驅體材料，以產生接合到所述模組襯底的燒結金屬體；以及 在燒結之前、在燒結之後或與燒結同時地將微電子裝置和散熱器附接到所述模組襯底，所述散熱器通過所述燒結接合的熱耗散結構熱聯接到所述微電子裝置。
  2. 如請求項1所述的方法，其特徵在於，附接包括在上覆於所述導熱結構的位置處將所述微電子裝置接合到所述模組襯底，如沿著與所述模組襯底的上部助面大體上正交的軸線取得。
  3. 如請求項2所述的方法，其特徵在於，接合包括將所述微電子裝置放置為與所述燒結前驅體材料接觸，使得在所述燒結前驅體材料的燒結之後，所述燒結金屬體將所述微電子裝置接合到所述模組襯底。
  4. 如請求項1所述的方法，其特徵在於，所述散熱器包括金屬底板，且其中附接包括將所述金屬底板接合到與所述微電子裝置相對的所述模組襯底。
  5. 如請求項1所述的方法，其特徵在於，另外包括選擇所述模組襯底以包括部分地限定所述空腔並上覆於所述燒結接合的熱耗散結構的一部分的內部週邊壁架。
  6. 如請求項1所述的方法，其特徵在於，在所述模組襯底中嵌入所述燒結接合的熱耗散結構另外包括： 在所述空腔中定位段塞，所述段塞的導熱率超出所述模組襯底的導熱率；以及 形成所述燒結金屬體以將所述段塞接合到所述模組襯底。
  7. 如請求項6所述的方法，其特徵在於，施加包括將環形燒結預製坯放置為與所述段塞的外部週邊部分接觸。
  8. 如請求項6所述的方法，其特徵在於，另外包括： 選擇所述段塞以具有第一導熱率；以及 另外選擇所述散熱器以包括具有小於所述第一導熱率的第二導熱率的金屬底板。
  9. 如請求項1所述的方法，其特徵在於，在所述模組襯底中嵌入所述燒結接合的熱耗散結構另外包括： 在所述空腔中定位細長熱管；以及 形成所述燒結金屬體以將所述細長熱管接合到所述模組襯底。
  10. 如請求項9所述的方法，其特徵在於，所述細長熱管包括第一端部和與所述第一端部相對的第二端部，且其中所述方法另外包括定位所述細長熱管，使得所述微電子裝置和所述散熱器分別鄰近於所述第一端部和所述第二端部而定位。
  11. 如請求項1所述的方法，其特徵在於，另外包括： 在燒結之後，在所述微電子裝置上方形成密封劑主體，所述密封劑主體具有與所述微電子裝置相對的上表面；以及 在所述密封劑主體的所述上表面上方產生燒結射頻(RF)屏蔽層。
  12. 如請求項1所述的方法，其特徵在於，另外包括選擇所述金屬粒子以包括銀粒子、金粒子和銅粒子中的至少一種。
  13. 如請求項1所述的方法，其特徵在於，另外包括以並排關係定位所述散熱器與所述微電子裝置，使得所述散熱器上覆於所述燒結金屬體的第一端部，同時所述微電子裝置上覆於所述燒結金屬體的第二相對端部。
  14. 如請求項13所述的方法，其特徵在於，施加包括在所述導熱結構上方和周圍施配含金屬粒子的膏狀物，以至少相當大部分地填充所述導熱結構與所述模組襯底的限定開口的側壁之間的一或多個空隙。
  15. 一種用於製造微電子模組的方法，其特徵在於，包括： 在其中具有空腔的模組襯底上方定位微電子裝置； 在所述模組襯底上方定位所述微電子裝置之前，將含有金屬粒子的燒結前驅體材料施加到所述模組襯底的選定區域且施加到所述空腔中； 在小於所述金屬粒子的熔點的最大處理溫度下燒結所述燒結前驅體材料，以產生至少部分地填充所述空腔並將所述微電子裝置接合到所述模組襯底的燒結金屬體；以及 形成接合到與所述微電子裝置相對的所述模組襯底的燒結接地平面，所述微電子裝置通過所述燒結金屬體電聯接到所述燒結接地平面。
  16. 如請求項15所述的方法，其特徵在於，形成包括： 在所述模組襯底的表面上方施加另外的燒結前驅體材料；以及 利用普通燒結工藝以燒結所述燒結前驅體材料和所述另外的燒結前驅體材料，以分別同時形成所述燒結金屬體和所述燒結接地平面。
  17. 一種微電子模組，其特徵在於，包括： 模組襯底，所述模組襯底具有空腔和第一助面； 燒結接合的熱耗散結構，所述燒結接合的熱耗散結構嵌入於所述模組襯底中並至少部分地填充所述空腔； 散熱器，所述散熱器定位於所述燒結接合的熱耗散結構上方，如沿著與所述第一助面正交的軸線取得；以及 微電子裝置，所述微電子裝置另外定位於所述燒結接合的熱耗散結構上方，如沿著與所述第一助面正交的軸線取得，所述微電子裝置通過所述燒結接合的熱耗散結構熱聯接到所述散熱器。
  18. 如請求項17所述的微電子模組，其特徵在於，所述燒結接合的熱耗散結構包括： 燒結金屬體，所述燒結金屬體接合到所述模組襯底；以及 細長熱管道，所述細長熱管道埋入於所述燒結金屬體中，所述細長熱管道具有下伏於所述微電子裝置的第一端部並具有下伏於所述散熱器的第二端部。
  19. 如請求項17所述的微電子模組，其特徵在於，所述細長熱管道包括熱管。
  20. 如請求項17所述的微電子模組，其特徵在於，所述模組襯底另外包括與所述第一助面相對的第二助面，其中所述微電子模組另外包括形成於所述第二助面上方的燒結接地平面，且其中所述微電子裝置電聯接到所述燒結接地平面
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