TWI388971B - 液浸冷卻式多晶片模組 - Google Patents

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Description

液浸冷卻式多晶片模組
本發明係概括為關於一種液浸冷卻式多晶片模組(MCM,multichip module)，其中一些實施例可提供在多晶片模組中之更穩定且均勻的晶片冷卻。
自動化測試設備(ATE,automated test equipment)係於半導體裝置之製造而經常為擔任重要的任務。該種設備提供半導體製造業者具有能力於晶圓與封裝裝置的階層以測試各個裝置之功能。ATE經常包括具有多晶片模組(MCM)之電子電路板(經常稱為通道卡(channel card))，MCM係提供用於測試通道之電子電路。測試通道係施加訊號至(及捕捉訊號自)一或多個待測試裝置(DUT,device－under－test)。
MCM具有密集封裝的電路，其產生顯著的消耗量。習用而言，具有形成表面為構成以匹配各板表面拓撲架構之液體冷卻式冷板(cold plate)係適當。然而，隨著封裝更多的通道電路至板上的較小晶片之趨勢，關聯於晶片的散熱係可能遠超過針對於習用冷板之冷卻容量。甚者，冷板包含安裝至各板表面之金屬容器而傾向為重的。
對於使用冷板以冷卻MCM之一個可能的替代方式係運用浸入冷卻技術。冷卻劑(coolant)可流動通過MCM，經由晶片及/或散熱座，以冷卻該裝置。
儘管浸入冷卻技術係可提供較有效率的冷卻，於MCM(尤其是用於自動測試設備的彼等者)之高性能的現代電子晶片係有時對於溫度階層與變動為靈敏。流動跨於晶片之冷卻劑係隨著其流動而改變溫度且可能並非均勻流動，故有時將為非平均冷卻。欲改良此等晶片之性能，一穩定的溫度階層係期望為跨於一MCM之所有的晶片。因此，一種MCM係為所需，其能夠提供於該MCM的晶片之較為穩定與均勻的冷卻。
於一個實施例，提出一種液浸冷卻式多晶片模組，其包括：一基板，其具有被安裝於其上的晶片且其適以安裝於一印刷電路板。一封蓋(lid)適以固定至該印刷電路板，以安裝於該基板而形成於該封蓋與基板之間的一流體室，且致使該基板配接於印刷電路板。一支承(bolster)板於封蓋對面位在於印刷電路板之一側上，且封蓋被緊固至支承板以固定該封蓋至印刷電路板。位在於封蓋之內的一擋板(baffle)被構成以導引冷卻劑流通過該流體室。
於一些實施例，該擋板被構成以導引一冷卻劑流通過該封蓋，沿著具有一通向一過渡(transition)段的入站(inbound)段及隨後的一出站(outbound)段之一大概為U形的流動路徑。出站段供應冷卻劑流體為經過該等晶片，以提供一並聯流經過一第一組晶片及隨後的一串聯流經過一下游的晶片。入站段供應冷卻劑之一部分流側向跨越與第一組晶片相鄰之一晶片，以結合並聯流。可包括一流量分離器鄰近第一組晶片。
於一些實施例，該支承板係一曲弧(cambered)支承板。一些實施例包括：於該封蓋與基板之間的一O形環。封蓋可被用一螺紋緊固件(fastener)固定至曲弧支承板，以壓縮於封蓋與基板之間的O形環來密封該流體室。
於一些實施例，該擋板係被構成於該封蓋之內的一可移除擋板，以導引一冷卻劑流通過該流體室。該封蓋更包含一流體入口與一流體出口，該流體入口與流體出口係位在於該封蓋之一相同的周圍邊緣。於一些實施例，該擋板更包含被定位於與第一組晶片相鄰之一下坡(ramp down)區域。
本發明之特點與優點係關於上述說明、隨附申請專利範圍、與伴隨圖式而為較佳瞭解。
圖1係顯示一種MCM 100的分解立體圖。該MCM包括被固定至一基板120之晶片110。該等晶片110可包括散熱座110a。於基板120之背側的一連接機構(未顯示)被配接於一印刷電路板140上之一連接器130。該連接器係可為一插入器、或其他習知的連接機構，其可接觸於基板120之背側上的襯墊(pad)、接腳(pin)、或類似者。一封蓋150被固定至印刷電路板140。該封蓋150接觸一個用以包圍該等晶片的O形環160，且使該基板與連接器130安裝在一起。
一支承板170係位在於印刷電路板140之背側。諸如螺栓之緊固件(未顯示)被運用以固定該封蓋至該印刷電路板。
容納加壓的冷卻劑之封蓋150必須對該基板120形成一液體緊密的密封且不響應發展的液壓與夾持力量而危及該等電子器件與電氣連接。
於一些實施例，此係由位於該封蓋150與該基板120之間的一彈性O形環160、結合該支承板170而達成的。該O形環160可位於該基板及/或封蓋150中之一溝槽(未顯示)內，以密封該擋板室195。該支承板170係一小型面的彈簧，其隨著該等安裝螺絲(未顯示)傳送轉矩至一硬止部而扁平化。該支承板170具有一內部曲弧(凸)表面170s，其推抵著該印刷電路板140之背側以維持其之扁平度。其被設計為用以對抗被傳遞至該印刷電路板140之發展的液壓與夾持力量之組合效應。
螺旋壓縮彈簧結合肩部安裝螺絲(未被繪製於此)提供預先設定的O形環負載，其被需要以確保O形環之適當壓縮。一可移除的基板柵格陣列(LGA,land grid array)連接器130係位於該基板120與該印刷電路板140之間。印刷電路板之平面性允許該LGA達成適當連接，其為藉助於該曲弧支承板170而達成的。
該冷卻劑流體入口與出口180與185係位在於該封蓋150之一邊緣上。該封蓋150含有位於該封蓋150之內的擋板室195。針對於一特定的MCM架構，該封蓋150或擋板190本身係可交換的以修改通過該擋板室195之該冷卻劑流。於圖1所繪製的擋板190針對於圖示目的而被簡化。
圖2係顯示一種MCM200的簡化剖面俯視圖，其說明冷卻劑流205(以虛線與箭頭表示)通過該擋板室295。於此實施例，一並－串聯的流動擋板290引起冷卻劑流205的一部分205c與205d之並聯流動經過晶片2與晶片3上方，其等在離開該MCM 200之前經過晶片1上方結合下游流動。該冷卻劑流205採取通過該MCM 200之一大概為U形的路徑，透過該MCM 200，以透過鄰接於該入口280之出口285離開該MCM 200。
諸如係藉由排放(bleeding)或出入(porting)，允許於大概為U形之路徑的入口側上的一入站段292中之冷卻劑流205的一部分205a可以側向流動跨越晶片2。由於晶片2在接近一過渡部分294之起始處的曲線內側之位置具有較少的冷卻劑流，該側向流動部分205a改善了晶片2之冷卻。於該過渡部分294處，該主要流動路徑205b開始往回流向該出口285。因此，入站的冷卻劑流體之一部分被允許可以在其流動入站時，在該主要流動路徑205b轉向以開始其之並聯出站流動跨越晶片2與晶片3之前，側向地排放跨越晶片2。
如於圖2所示，一流動分離器298可被定位在晶片2與晶片3之前方且於其等之間，以確保主要流動路徑205b被分為子部分205c與205d，其等分別流動經過晶片2與晶片3上方。此係等化該冷卻劑流體流動為經過晶片2與晶片3。一下坡區域215延伸在晶片2與晶片3之前方，且減小該擋板室295之截面面積及導引該冷卻劑205c與205d至散熱座散熱片(fin)處。下坡區域215作用為降低經過MCM 200的壓力降，其係由於流動通過該等散熱片之冷卻劑流體所造成的。一上坡(ramp－up)區域225係位於晶片1與該出口285之間。上坡區域225提供冷卻劑流體至與入口280平行之出口285。
圖3係顯示一種MCM 300的簡化立體圖，其說明圖2之組合的並－串聯流動。該擋板390具有一入口380與一出口385。下坡區域315減小截面的面積及導入冷卻劑以將其引導以流動通過散熱座310a2 與310a3 。此提高在散熱座310a2 與310a3 之前的壓力，以補償發生於跨越該等散熱座310a2 、310a3 與310a1 的壓力降。
圖4顯示一種MCM 400之另一個實施例的簡化剖面俯視圖，其說明冷卻劑405流動(箭頭)通過擋板室495。如於圖4所示，於一個替代的實施例，可能具有一串聯流動擋板490以提供經過晶片3、晶片2、與晶片1上方之串聯流405。如同圖2之MCM實施例，於圖4中，入口480與出口485係位在於MCM之一邊緣。
該封蓋450可藉著一螺紋緊固件401固定於該印刷電路板(未顯示)之相對側的支承板(未顯示)。
藉著一種可交換的擋板，藉由改變該封蓋或藉由改變於該封蓋中之一擋板插入件，流體流動可被定製以提供於MCM之特定晶片組的適當散熱。因此，若為期望，冷卻劑流可首先被指向於最熱的晶片。再者，該流係可導向針對於任何晶片佈局之散熱座散熱片、或甚至是於一晶片上之一或多個特定位置。
圖5係顯示一種自動化測試器600之一個可能實施例的方塊圖。於圖示的實施例中，該測試器600包括一測試器大型電腦602與一用於經由一裝置介面板606測試一DUT 604的測試頭608。於自動化測試器600之一些實施例，一或多個MCM(關於圖1至圖4所示)係可位在於一通道卡上之測試頭608，且包括：接腳(pin)電子電路、圖案(pattern)產生電路、與其他電路。MCM亦可為位在於大型電腦602或其他的大型主機電腦、或需要MCM冷卻之其他的計算裝置。
儘管已描述本發明以及相關連之若干個實施例，然，修改例將為熟悉此技術之人士所思及。因此，本發明將不受限於揭示的實施例，除了隨附的申請專利範圍所要求者之外。
100．．．多晶片模組(MCM)
110．．．晶片
110a．．．散熱座
120．．．基板
130．．．連接器
140．．．印刷電路板
150．．．封蓋
160．．．O形環
170．．．支承板
170s．．．內部曲弧表面
180．．．冷卻劑流體入口
185．．．冷卻劑流體出口
190．．．擋板
195．．．擋板室
200．．．多晶片模組(MCM)
205．．．冷卻劑流動
205a．．．側向流動部分
205b．．．主要流動路徑
205c、205d．．．子部分(冷卻劑)
215．．．下坡區域
225．．．上坡區域
280．．．入口
285．．．出口
290．．．擋板
292．．．入站段
294．．．過渡部分
295．．．擋板室
298．．．流量分離器
300．．．多晶片模組(MCM)
310a1 、310a2 、310a3 ．．．散熱座
315．．．下坡區域
380．．．入口
385．．．出口
390．．．擋板
395．．．擋板室
400．．．多晶片模組(MCM)
401．．．螺紋緊固件
405．．．冷卻劑(串聯流)
450．．．封蓋
480．．．入口
485．．．出口
490．．．擋板
495．．．擋板室
600．．．自動化測試器
602．．．測試器大型主機
604．．．待測試裝置(DUT)
606．．．裝置介面板
608．．．測試頭
圖1係顯示一種多晶片模組的分解立體圖。
圖2係顯示一種多晶片模組的簡化剖視俯視圖，其說明冷卻劑流動通過一擋板室。
圖3係顯示一種多晶片模組的簡化立體圖，其說明圖2之組合的並聯－串聯流動。
圖4係顯示一種多晶片模組之另一個實施例的簡化剖視俯視圖，其說明冷卻劑流動通過一擋板室。
圖5係顯示一種自動化測試器之一個可能實施例的方塊圖。
100．．．多晶片模組(MCM)
110．．．晶片
110a．．．散熱座
120．．．基板
130．．．連接器
140．．．印刷電路板
150．．．封蓋
160．．．O形環
170．．．支承板
170s．．．內部曲弧表面
180．．．冷卻劑流體入口
185．．．冷卻劑流體出口
190．．．擋板
195．．．擋板室

Claims (20)

  1. 一種液浸冷卻式多晶片模組，其包含：(a)一印刷電路板；(b)一基板，其具有被安裝於其上的複數個晶片，且為適以與該印刷電路板安裝在一起；(c)一封蓋，其適以被固定至該印刷電路板，以與該基板安裝在一起，以形成於該封蓋與基板之間的一流體室，且致使該基板能夠配接於該印刷電路板；(d)一支承板，其相對於該封蓋於該印刷電路板之一側上，該封蓋被緊固至該支承板以固定該封蓋至該印刷電路板；及(e)一擋板，其被構成於該封蓋之內，以導引通過該流體室的冷卻劑流動，該擋板被構成以導引一冷卻劑流動通過該封蓋沿著一具有一通向一過渡段之入站段及隨後的一出站段之大概為U形的流動路徑，該出站段供應冷卻劑流體經過該複數個晶片之上方，以提供一並聯流經過一第一組晶片且隨後的一串聯流經過一下游的晶片上方，該入站段供應冷卻劑之一部分流側向跨越與第一組晶片相鄰的一晶片，以結合該並聯流。
  2. 如申請專利範圍第1項之多晶片模組，其中，該支承板係一曲弧支承板。
  3. 如申請專利範圍第1項之多晶片模組，其中，該擋板更包含一被定位於鄰接第一組晶片處之下坡區域。
  4. 如申請專利範圍第1項之多晶片模組，其中，該擋板更包含一鄰接第一組晶片之流量分離器。
  5. 如申請專利範圍第1項之多晶片模組，其更包含：於該封蓋與基板之間的一O形環，及其中，該封蓋被以一螺紋緊固件固定至該支承板，以壓縮於該封蓋與該基板之間的O形環來密封該流體室。
  6. 如申請專利範圍第1項之多晶片模組，其中，該封蓋更包含一流體入口與一流體出口，該流體入口與流體出口係位在於該封蓋之一相同周圍邊緣。
  7. 一種液浸冷卻式多晶片模組，其包含：(a)一印刷電路板；(b)一基板，其具有複數個被安裝於其上的晶片，且為適以與該印刷電路板安裝在一起；(c)一封蓋，其適以被固定至該印刷電路板，以便與該基板安裝在一起，以形成於該封蓋與基板之間的一流體室，且致使該基板配接於該印刷電路板；(d)一曲弧支承板，其於該封蓋之對面於該印刷電路板之一側上，該封蓋被緊固至該曲弧支承板以固定該封蓋至該印刷電路板；及(e)該封蓋包含於其中的一擋板，其被構成以導引一冷卻劑流動通過該流體室，該擋板被構成以導引一冷卻劑流通過該封蓋經過該等複數個晶片上方，以提供一經過一第一組晶片的並聯流及隨後的一經過一下游晶片的串聯流。
  8. 如申請專利範圍第7項之多晶片模組，其中，該擋板更包含一被定位於鄰接第一組晶片之下坡區域。
  9. 如申請專利範圍第7項之多晶片模組，其中，該擋板更包含一鄰接第一組晶片之流量分離器。
  10. 如申請專利範圍第7項之多晶片模組，其更包含：於該封蓋與基板之間的一O形環，且其中，該封蓋被以一螺紋緊固件固定至該曲弧支承板，以壓縮於該封蓋與基板之間的O形環來密封該流體室。
  11. 如申請專利範圍第7項之多晶片模組，其中，該封蓋更包含一流體入口與一流體出口，該流體入口與流體出口係位在於該封蓋之一相同周圍邊緣。
  12. 如申請專利範圍第7項之多晶片模組，其中，該擋板係可自該封蓋移除的。
  13. 一種液浸冷卻式多晶片模組，其包含：(a)一印刷電路板；(b)一基板，其具有被安裝於其上的複數個晶片，且其適以與該印刷電路板安裝在一起；(c)一封蓋，其適以被固定至該印刷電路板，以與該基板安裝在一起，以形成於該封蓋與基板之間的一流體室，且致使該基板配接於該印刷電路板；(d)一支承板，其於該封蓋之對面為於該印刷電路板之一側，該封蓋被緊固至該曲弧支承板，以固定該封蓋至該印刷電路板；(e)一冷卻劑流體入口與出口，其等位在於該封蓋之一相同周圍邊緣；及(f)一可移除的擋板，其被構成於該封蓋之內，以導引一冷卻劑流通過該流體室。
  14. 如申請專利範圍第13項之多晶片模組，其中，該支承板係一曲弧支承板。
  15. 如申請專利範圍第13項之多晶片模組，其中，該擋板更包含一被定位於相鄰該等複數個晶片處之下坡區域。
  16. 如申請專利範圍第13項之多晶片模組，其更包含：於該封蓋與基板之間的一O形環，該封蓋被以一螺紋緊固件固定至該支承板，以壓縮於該封蓋與基板之間的O形環來密封該流體室。
  17. 如申請專利範圍第13項之多晶片模組，其中，該封蓋更包含一流體入口與一流體出口，該流體入口與流體出口係位在於該封蓋之一相同周圍邊緣。
  18. 如申請專利範圍第13項之多晶片模組，其中，該擋板被構成以導引冷卻劑流通過該封蓋經過該等複數個晶片之上方，以提供一經過一第一組晶片上方的並聯流及隨後一經過一下游的晶片上方的串聯流。
  19. 如申請專利範圍第13項之多晶片模組，其中，該擋板被構成以導引一冷卻劑流通過該封蓋而沿著具有一通向一過渡段的入站段及一隨後之出站段之一概括為U形的流動路徑，該出站段供應冷卻劑流體經過該複數個晶片，以提供一並聯流經過一第一組晶片及隨後一串聯流動經過一下游的晶片，該入站段供應冷卻劑之一部分流側向跨越一與第一組晶片相鄰之晶片，以結合該並聯流。
  20. 如申請專利範圍第13項之多晶片模組，其中，該擋板被構成以導引一冷卻劑流通過該封蓋經過該等複數個晶片上方，以便提供一經過該等複數個晶片上方的串聯流。
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