雙側除熱系統的製作方法
2023-05-15 17:24:06
專利名稱：雙側除熱系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及計算機系統中的除熱。更具體地，本發明涉及用於平行安裝到基片上的微電子器件的雙側散熱器。
背景技術：
隨著現代微電子器件的速度和元件密度的不斷增長，由這些微電子器件所產生的熱量也普遍地增加。因此，希望有更好地將來自微電子器件，特別是具有更高性能的器件的熱量耗散掉的技術。在本公開所使用中的術語「微電子器件」確定為寬泛意義的，並且包括，但不局限於，電子和光電子器件，如微處理器、專用集成電路(ASICs)、晶片組和類似器件。儘管為了清楚起見，術語「微電子器件」用單數表示，但也可確定為包括多個單個的器件。
實際上，在利用電子元件的所有系統中，微電子器件安裝在基片上，該基片有利於微電子器件和其他系統元件之間電信號以及功率和接地的分配。但是，該基片通常不是由特別好的熱導體材料製成的。這種基片的例子包括有機焊盤格柵陣列(OLGAs)、塑料焊盤格柵陣列(PLGAs)和印刷電路板(PCBs)。但是本發明並不是要限定在利用任何特定基片材料或器件安裝結構的實施方案。
希望能夠在器件的兩個側面都提供冷卻，同時除去基片的較大的熱障。
圖1描述了通過利用插座連接安裝在基片上的微電子器件和散熱器的橫截面。
圖2描述了利用插入構件安裝在基片上的微電子器件和散熱器。
圖3示出了根據本發明的實施方案，安裝在具有兩個散熱器的基片上的微電子器件和插入構件。
圖4示出了根據本發明實施方案的另一個雙散熱器組件。
圖5示出了根據本發明實施方案的第三個雙散熱器組件。
具體實施例方式
本發明在具有平行安裝到基片上的微處理器的系統中提供雙側散熱器，使得可達到現有技術中的熱耗散的兩倍。基片通常是差的熱導體，所以不易在基片方向上耗散熱量。圖1描述了用來將微電子器件4安裝在基片6上的一種結構2的橫截面。通常使用插座8以將微電子器件4以電氣和機械的方式耦合到基片6上。考慮到基片6導熱性相對較差，可以很容易地看出，大部分由微電子器件10在結構2中產生的熱量將通過散熱器12耗散掉。散熱器(如散熱器12)的設計對本領域中的普通技術人員是公知的，而且本發明不打算被限定到任何特定的散熱器設計細節上，特定的散熱器設計細節如，但並不局限於，用於散熱器的材料或幾何結構。
本發明使用用於安裝微電子器件的插入構件(interposer)裝置，該插入構件裝置下面將進一步討論，以及在基片中的開口，該開口允許一個第二散熱器被包括在具有微電子器件的基片側上。
在安裝微電子器件領域中的一項近來的進展是採用在微電子器件4和基片6之間的插入構件。就當前公開的目的而言，術語「插入構件」被用於最寬泛的意義插入或位於微電子器件4和基片6之間的裝置。在這個意義上，圖1中的插座8是插入構件的一種形式。為了用在本發明中，所述插入構件優選地具有高導熱性，下面將解釋其原因。注意，對本發明的目的來說，特定插入構件的內部設計細節不是重要的。此外，本發明不打算限定於使用任何特定插入構件設計，如果它是導熱的話。本發明的主題也不是插入構件的設計，而僅僅是如上面所寬泛定義的插入構件被用於本發明。記住這一點，當前的公開將功能性地描述許多種可能的插入構件設計中的少數幾種，用以更好地理解本發明的內容，並且決不打算將本發明的範圍限定到使用所描述的插入構件。
利用插座8連接微電子器件4和基片6已經成為習慣做法很多年了。但是，傳統上插座8僅是機械和電連接的一種手段，其不是處理或轉換電信號或功率的元件，而是信號「經過」的元件。隨著微電子器件4在更低電壓下工作時的速度和一般處理能力方面的發展，更好地控制微電子器件4的功率以及輸入和輸出(I/O)信號的質量的需要變得明顯。例如，不希望在大電流和低電壓情況下，特別是在具有高dI/dT信號的情況下出現IR降，並且該IR降使處理器的性能降低。現有技術中對這種「功率問題」的解決辦法通常是利用如焊盤側電容器(land side capacitors)的技術，該電容器直接設置在基片6上用於功率去耦。
一種能改善提供給處理器的功率信號的質量的功率問題解決方案是提供插入構件，該插入構件直接耦合到微電子器件4，包含電壓調節(VR)系統。這樣，可以將相對較高的電壓提供給緊靠著處理器的插入構件裝置，並且在插入構件內電壓被減小並被分配給微電子器件4。
圖2說明了一種具有安裝在微電子器件4和基片6之間的薄插入構件16和散熱器12的配置。儘管圖2中示出的微電子器件4和插入構件16具有大致相同的尺寸，但不要求它們一定要這樣。在基片6和微電子器件4之間傳送的信號可以在插入構件16的平面內路由(route)或在圖2中的「水平」面中路由，比如到VR系統或來自VR系統，以及「垂直地」通過插入構件16內的通路(vias)。
本發明利用插入構件16的能力在其平面內分配電信號，並允許在基片6內設開口，該開口還可以為第二散熱器提供方便。圖3示出了本發明的實施方案，該實施方案具有通過基片6內的開口20安裝的第二散熱器18。在這個實施方案中，有兩條到兩個散熱器12和18的主要熱傳遞路徑，這顯著地提高了耗散來自微電子器件4的熱量的能力。散熱器12和18可以是類似的，或者它們可以使用不同的材料和/或結構。通過提供用於微電子器件4和基片6之間的電信號路徑，以及提供對微電子器件4的機械支撐，插入構件16允許在基片6內形成開口20，以用於通過基片6的第二熱傳遞路徑。因此，本發明可以採用插入構件16來解決「功率問題」和「熱問題」。
圖4說明了本發明的另一個實施方案，該實施方案具有安裝在插入構件16下面並通過基片6內的開口20的微電子器件4，還具有在基片6的相對側上的兩個散熱器12和18。基片6和插入構件16之間的電連接22優選為鍍金銅焊盤(pads)，並在微電子器件4和插入構件16之間具有銅對銅連接24。在這個實施方案中使用彈簧片26和連接杆28可允許形成所述元件的無插座(socket-less)壓配組件，同時提供安全的電連接。與微電子器件4和插入構件16接觸的散熱器12和18的表面優選地是由高導熱性熱界面材料(TIM)如聚合物基的、焊料基的或金剛石的膏來製備的。這些TIM對於本領域中的普通技術人員是公知的。注意，圖4中所示的實施方案僅僅是許多種能夠允許散熱器位於基片6兩側而對微電器件4和插入構件16進行配置的方式當中的一種，並且本發明並不打算限定到任何特定的設計細節上。
插入構件16的設計並不打算限定於幫助電壓調節和機械地橋接開口20。本發明其他的實施方案還可以結合存儲器、光信號傳播器件以及插入構件16內的元件，如電容器和電感器。圖5示出了本發明的一個實施方案，在該實施方案中，在插入構件16內嵌入有兩個矽片(dice)30和32。嵌入的片30和32在芯38內優選地是被封裝材料34包圍並通過該封裝材料34被定位。在插入構件16的微電子器件4一側上的增加層36與插入構件16內以及連接組22和24之間的功率和I/O信號相接觸。微電子器件4以及嵌入在插入構件內的片30和32的相關尺寸可改變，並可以通過選擇使插入構件16的電和熱性能最優。圖5示出了在基片6和插入構件16之間的觸點22的兩種不同的結構，分別是插針(pins)和接觸焊盤(pads)，以說明電耦合所述兩個元件的許多種可能方式中的兩種。但是，本發明除了由權利要求書的條款所做的限定之外，不打算被限定於任何特定的電連接，或者任何其他的設計細節。
與無源插座8不同，具有有源元件的插入構件16會產生熱量，雖然這些熱量通常遠低於由微電子器件4產生的熱量。本發明的雙散熱器(12和18)提供的熱解決方案，不僅提供了用於來自插入構件16的熱負載的熱路經，還典型地通過插入構件16將來自微電子器件4的部分熱量耗散到第二散熱器。分別對微電子器件4和插入構件16使用120瓦和30瓦的熱負載進行試驗，顯示出通過連接到插入構件16的散熱器耗散掉了大約40％來自微電子器件4的熱量。這個第二熱傳遞路徑可以顯著地降低微電子器件4和插入構件16的工作溫度，從而提高兩者的性能。
儘管以上公開的內容提供了用於說明的本發明目的各種實施方案和實施例，但這些實施方案和實施例並不打算成為本發明所有的可能實現情況的窮舉清單，並且不應該被解釋為是用來限定本發明的。本領域中的普通技術人員應該認識到，利用本發明公開的內容，本發明可以用對本公開內容中的詳細細節的多種修改和改變來實施。同樣，為了避免照搬本發明，沒有示出所有的細節、公知的結構、器件以及對於本領域的普通技術人員公知的技術。但是，本發明意在覆蓋較寬範圍的技術、器件和公知的結構。因此，本發明意在限定在僅由所附權利要求書的範圍所限定的範圍內。
權利要求
1.在具有平行安裝到基片上的微電子器件的組件中的一種雙側除熱裝置，所述除熱裝置包括電耦合到微電子器件和基片的插入構件，用於在微電子器件和基片之間傳遞電信號；熱耦合到所述微電子器件並通過所述基片中的開口延伸的用於耗散熱量的第一散熱器；以及熱耦合到所述插入構件用於耗散熱量的第二散熱器。
2.根據權利要求1的裝置，其中所述第一和第二散熱器中的至少一個基本上由鋁製成。
3.根據權利要求1的裝置，其中所述第一和第二散熱器中的至少一個基本上由銅製成。
4.根據權利要求1的裝置，其中所述第一和第二散熱器中的至少一個基本上由鋁銅複合物製成。
5.根據權利要求1的裝置，其中所述第一和第二散熱器基本上由導熱性複合材料製成。
6.根據權利要求1的裝置，其中所述插入構件包括電壓調節(VR)系統。
7.根據權利要求1的裝置，其中所述插入構件包括存儲器。
8.根據權利要求1的裝置，其中所述插入構件包括光信號系統。
9.根據權利要求1的裝置，其中所述插入構件和所述微電子器件通過無插座電連接耦合。
10.根據權利要求9的裝置，其中所述插入構件和所述基片通過無插座電連接耦合。
11.根據權利要求1的裝置，其中所述插入構件包含電有源元件。
12.在具有平行安裝到基片上的微電子器件的組件中的一種雙側除熱裝置，所述除熱裝置包括電耦合到微電子器件和基片的插入構件，用於在微電子器件和基片之間傳遞電信號；熱耦合到所述插入構件並通過所述基片中的開口延伸的用於耗散熱量的第一散熱器；以及熱耦合到微電子器件用於耗散熱量的第二散熱器。
13.根據權利要求12的裝置，其中所述第一和第二散熱器中的至少一個基本上由鋁製成。
14.根據權利要求12的裝置，其中所述第一和第二散熱器中的至少一個基本上由銅製成。
15.根據權利要求12的裝置，其中所述第一和第二散熱器中的至少一個基本上由鋁銅複合物製成。
16.根據權利要求12的裝置，其中所述第一和第二散熱器基本上由導熱性複合材料製成。
17.根據權利要求12的裝置，其中所述插入構件包括電壓調節(VR)系統。
18.根據權利要求12的裝置，其中所述插入構件包括存儲器。
19.根據權利要求12的裝置，其中所述插入構件包括光信號系統。
20.根據權利要求12的裝置，其中所述插入構件和微電子器件通過無插座電連接耦合。
21.根據權利要求20的裝置，其中所述插入構件和所述基片通過無插座電連接耦合。
22.根據權利要求12的裝置，其中所述插入構件包含電有源元件。
23.一種用於耗散來自安裝在基片上的微電子器件的熱量的裝置，所述裝置包括在微電子器件的基片側上熱耦合到微電子器件用於耗散來自微電子器件的熱量的第一散熱器；並且其中所述第一散熱器通過基片內的開口延伸。
24.根據權利要求23的裝置，進一步包括熱耦合到插入構件用於耗散熱量的第二散熱器。
25.一種用於耗散來自微電子器件的熱量的裝置，該微電子器件通過插入構件連接到基片，所述裝置包括在矽插入構件的基片側上熱耦合到插入構件的第一散熱器。
26.根據權利要求25的裝置，進一步包括熱耦合到微電子器件用於耗散熱量的第二散熱器。
27.一種冷卻微電子器件的方法，包括通過插入構件將微電子器件電連接到基片上；將所述微電子器件和所述插入構件安裝到所述基片內的開口上方；將所述微電子器件和所述插入構件熱連接到一對散熱器；並且其中所述一對散熱器中之一延伸通過基片內的開口。
28.根據權利要求27的方法，進一步包括通過所述插入構件調節提供給所述微電子器件的電功率。
29.一種冷卻微電子器件的方法，包括通過一對散熱器耗散來自微電子器件和插入構件單元的熱量，所述一對散熱器位於由基片所界定的平而的相對側上；以及通過所述基片中的開口將所述散熱器對中的第一個散熱器連接到所述微電子器件和插入構件單元。
30.根據權利要求29的方法，進一步包括將所述散熱器對中的第二個散熱器在與基片相對的一側上連接到所述微電子器件和插入構件單元。
全文摘要
本發明描述了將微電子器件平行安裝到基片上的方法和裝置，所述基片具有插入構件和兩個散熱器，所述基片的每一側上各有一個所述的散熱器。
文檔編號H05K1/18GK1663043SQ03813979
公開日2005年8月31日 申請日期2003年3月27日 優先權日2002年4月19日
發明者吉爾羅伊·范登託普, 邱嘉斌, 拉金德然·奈爾, 李延良 申請人:英特爾公司