碳－碳及/或金屬－碳纖維複合物的熱散布體的製作方法
2023-05-18 10:31:41
專利名稱：碳－碳及/或金屬－碳纖維複合物的熱散布體的製作方法
背景技術：
發明領域本發明涉及一般半導體製造技術，更具體地說，涉及用於在半導體組件中散逸熱的熱散布體(heat spreader)技術。
相關技術描述對於給定集成電路(這裡也指器件)嵌入功能數目日趨增加。這樣導致了器件電路密度增加。隨著電路密度增加，人們又總希望數據處理速率加快；因此，也就要加快器件的時計速度。由於線路密度和時計速度都增大，器件所產生的熱量也增大。不幸地是，隨著器件承受熱量增加，器件可靠性和性能下降。因此，關鍵在於必須要有一個與集成電路相關的有效除熱體系。
圖1說明一種典型集成電路和相關組件。對集成電路103除熱的方法有許多，包括主動法如風扇或再循環冷卻劑(未示出)，或被動法如散熱片107和熱散布體105。由於器件103尺寸縮小，通常需要將小器件103產生的熱量均勻分配給較大的散熱片107，以消除器件中的「熱點」。這就是熱散布體105的功能。熱散布體是通過使用熱傳導材料104與集成電路103連接的。在器件103和熱散布結構105之間塗布了熱界面材料104，諸如含有改善熱傳導的金屬微粒的凝膠或潤滑脂，以增強從集成電路103至熱散布體105的傳熱。一般，這種熱散布結構105是用陶瓷材料或金屬如鋁或銅構造的。從成本觀點看，鋁是優選的，因為它生產容易和便宜；但是，在所需傳遞熱負荷增加時，所選金屬變為銅，因為銅傳熱特徵優異(Al導熱係數是250W/m·K，Cu導熱係數是395W/M·K)。在這種熱散布體四周一般都有一相鄰壁106，在基底101和熱散布體105之間起連接點和支撐的作用。通常使散熱片107與熱散布體105連接，以使高表面積的散熱片107有較高的冷卻能力。
隨散熱要求提高，必需改善熱散布體105及/或散熱片107的性能。儘管通過主動冷卻法如風扇或再循環液體提高散熱片的性能運行較好，但這種方案也存在許多相關缺點，包括體積龐大、成本高和噪音大。
增加集成電路組件的散熱能力的第二種方法是藉助於改善熱散布體的性能。目前熱散布體材料能使熱傳導(的導熱係數)達到80-400W/m-°K。圖2說明增大熱散布體201a、201b中熱傳導速率的一種方法。圖2a顯示散布器201a的頂視圖，圖2b說明同一熱散布體201b的橫截面圖。已知用碳樹脂或金屬203a、203b浸漬的高熱傳導碳素纖維202a、202b層的複合物，是非常有效的熱導體。這些材料也具備額外的優點，其重量比目前材料輕(如Cu基質複合物的密度為5.9克/毫升，而Cu密度為8.9克/毫升)、降低了組件重量及運輸費用，並提供了生產人員人機控制的便利。但是，這些材料缺點是，其熱流定向各向不相同，因此它們一般僅一個方向是高熱傳導的(＞500W/m-K°)。熱傳導方向遵循碳素纖維的縱向取向，因此單向熱流是由於複合物中大部分纖維定向於一個方向的結果。第二水平和垂直方向熱傳導不良的缺點常常超過上述這些優點。
因此，需要有一種用於增大所有三個方向熱傳遞速率的裝置，可以通過熱散布體快速散逸熱量至散熱片。
附圖簡要說明參照附圖通過實施例對本發明加以說明，而非對其限制，其中圖1顯示已有技術集成電路組件的一種設計。
圖2a顯示已有技術熱散布體的一種設計。
圖2b顯示已有技術熱散布體設計的橫截面。
圖3顯示一種集成電路組件橫斷面，包含利用碳素纖維多維分散熱量的熱散布體實施方案。
圖4a顯示利用碳素纖維多維分散熱量的熱散布體實施方案頂視圖。
圖4b顯示利用碳素纖維多維分散熱量的熱散布體實施方案橫截面。
圖5顯示利用碳素纖維多維分散熱量的熱散布體的一種不同實施方案。
圖6顯示一種利用碳素纖維多維分散熱量的熱散布體實施方案，在該熱散布體的頂部和底部有熱界面層，用以提高分散熱效能。
圖7顯示一種利用碳素纖維多維分散熱量的熱散布體實施方案，其水平纖維層間裝有截短纖維。
圖8a顯示利用碳素纖維多維分散熱量的熱散布體實施方案的頂視和側視圖，其熱散布體已與支杆(standoffs)連接。
圖8b顯示在圖8a熱散布體上可用支杆的不同實施方案的頂視和側視圖。
圖9顯示一種集成電路組件，其含有利用碳素纖維多維分散熱的熱散布體的實施方案，該組件包含多個集成電路，詳細說明描述了一種通過熱散布體提高熱流速率的裝置。以下描述列舉了許多諸如材料類型、尺寸等具體細節，以利於對本發明的全面理解。但是，對本領域技術人員來說，顯然沒有這些具體細節也可以實施本發明。在其它情況下，對眾所周知的元件和處理技術沒有具體詳細說明，以免對本發明引起不必要的模糊認識。
描述了一種熱散布體，是由大量多方向定向的碳素纖維組成，並使碳或金屬基質物料分散於這些纖維四周。這些碳素纖維促使熱量分散離開較小的半導體器件而往上至較大的除熱器件如散熱片。
本討論主要限於有關從SMT或INT組件內安置的倒裝片(flipchip)背部除熱的要求。但是，應當承認，這樣集中關注只是為了描述目的，本發明裝置及方法是適用於其它類型電子器件及其它類型組件的。
圖3說明本發明一組實施方案中半導體組件的橫截面圖。此組件包括基底301，裝在基底301頂表面上的半導體器件303。在一組實施方案中，此基底301是一種印刷電路板。在另一實施方案中，此基底301可以是不同材料的，如矽或陶瓷。
在一組實施方案中，半導體器件303用機械及電方法經多個焊料凸接頭(solder bump connections)302與基底頂表面連接。在一組實施方案中，可用底層環氧樹脂材料(epoxy underfill material)(未示出)充填其間隙。基底301包含至少一層線路層(未示)，使該器件與沿基底301底表面設置的銷釘或球體(pins and balls)連接。
按照本發明，藉助一種柔順傳熱介質304使複合熱散布體305與倒裝片結構302、303底部進行熱連接。在一組實施方案中，此傳熱介質是熱潤滑脂。在另一實施方案中，可採用凝膠或其它專有配方。
對此熱散布體是用一種密封材料307使之進一步與基底連接的。密封材料307環饒器件303，並充填基底301和熱散布體305之間的間隙，形成內含器件303的完全封閉空腔。用密封材料307可使基底301與熱散布體305之間有更柔性的連接。在一組實施方案中，此密封材料可以是聚矽氧烷或其它專有密封材料。這種柔性連接有助於補償熱散布體與基底之間熱膨脹係數(CTE)的差異，使熱傳導路徑更一致。目前實施方案的第二個優點是，這種密封劑重量比已有技術相鄰壁設計(參見圖1，106)所用金屬的重量輕很多，而使組件更輕。
其次，利用熱界面材料308使散熱片306與熱散布體305連接。在一組實施方案中，此熱界面材料308是一種熱潤滑脂。散熱片306因增加了冷卻表面積應允許熱量散逸更快，如以上背景部分所述。
圖4a(頂視圖)和4b(橫斷面圖)進一步說明了圖3的熱散布體。該熱散布體305a、305b由一種複合材料組成，此複合材料包括用樹脂材料403a、403b(稱為碳/碳纖維複合材料)浸漬的碳素纖維402a、404a、405a、402b、404b、405b，或用金屬或金屬合金403a、403b(稱為金屬/碳纖維複合材料)浸漬的碳素纖維402a、404a、405a、402b、404b、405b的碳素纖維。在本發明的一組實施方案中，採用了一種碳/銅複合材料。但是，在另一實施方案中，該複合材料可採用不同熱傳導基體金屬如鋁或鎂、合金、陶瓷如碳化矽，或有機材料如樹脂。
選擇用什麼複合材料的一個要素可能是組件工藝中早先已用過何種材料。使金屬/複合材料與先前的熱散布體材料匹配，可允許使用與先前所用的同一膠粘劑或熱潤滑脂體系，從而簡化了從一種熱散布體材料變換為另一種材料的過程。考慮選用複合材料類型的第二個要素是基底材料的熱膨脹係數。熱散布體的熱膨脹係數與基底熱膨脹係數的較好匹配，生產更可靠的組件，是有可能的。
在本實施方案中，熱散布體含有定向於該裝置的x-y平面內的水平層纖維束402a、404a和402a、404b，由被編織成一薄片的兩正交纖維束組成。這些編織纖維束促進在x-y平面中的熱傳導。此外，還有第二組纖維束405a，405b，基本定向垂直於第一組。此基本垂直的纖維束有助於促進z-軸方向的熱傳導。
在本實施方案中，這些纖維束由被纏繞成一束纖維束的約1000株碳素纖維組成。然後這些纖維束又被編織成片。本發明中的編織物應是平整均衡的，以便形成較平坦的熱散布體。盡力保證整個織物x-y平面上纖維上下針數基本相同，可使編織物達到平整均衡。在一組實施方案中，各株碳素纖維直徑約10微米，密度約2.2克/毫升。在這個實施方案中，纖維導熱係數可以高達1000W/mK。市場可供應的碳素纖維的一個實例是Amoco K11002KTM。儘管在此實施方案中討論了碳素纖維，但其它類型的高熱傳導性(＞500W/mK)的纖維或金屬絲、基於諸如聚合物、金屬或陶瓷的材料，也可進入本發明。在一不同實施方案中，這些纖維可具有非常不同的物理和空間特性，上述熱和物理性能不應被解釋為對所用纖維材料特性的限制。
如上所述，然後用金屬、金屬合金、碳或陶瓷基質材料浸漬這些編織纖維薄片。可用許多不同方法，使此基質材料分散於編織片的周圍。在此實施方案中，採用壓縮成型方法。在另一實施方案中，可用注射成型、或本領域所實行的許多成型方法中任一種。先使這種成型材料固化，然後如有必要可將其切割為準確尺寸。在一組實施方案中，可採用雷射器切割複合材料。在另一實施方案中，可採用機械法如鋸切或碾壓。
本發明中的熱散布體在z-軸方向具有較好的熱傳導性能，其導熱係數可能在500-1000W/mK範圍。在本實施方案中，可使翅片散熱器連接熱散布體的頂表面。通過使用定向於z-軸方向的纖維，能穿過這種熱散布體使熱量向上傳導給散熱片，並可藉助外界空氣或主動冷卻方法，冷卻散熱片，使熱量散逸於周圍環境，如背景部分中所述。
此外，定向於x-y平面內的纖維402a、402b、403a和403b允許熱徑向散逸，因此防止了局部熱點的形成。局部加熱會縮小有效傳熱面積，也減小了器件的總熱通量。在x-y平面內的纖維402a、402b、403a和403b允許所傳導的熱量從器件聯結點上較小的接觸面積迅速散逸給其熱散布體，實際上散逸給熱散布體的整個(較大)面積。這意味著能夠有效除去多得多的熱量。
圖5說明纖維在z-軸方向的定向可不同於上述基本垂直的定向。在這個實施方案中，可使z-軸的纖維502定向於與x-y平面纖維503成約+/-30度的角度。但是，應當明白，z-軸方向的相對定向可包括與x-y平面成0至+/-90度間的任何角度。
在本發明第三實施方案中，可能最好在該熱散布體的頂和底部表面上包括一層較高密度的熱界面層，如圖6所示。在這個實施方案中，此熱界面層601可包括與以上發明所用的相同碳素纖維材料603，只不過纖維密度比熱散布體603主體所用的纖維密度有所增加。在一組實施方案中，熱界面層601中纖維密度可4倍於主體603中的纖維密度。儘管這個實施方案可採用與以上實施方案相同的纖維，但應當明白，其它熱傳導的材料也可用作為熱界面材料，包括非複合材料。此外，較高密度的碳素纖維層可由截短纖維組成，如下圖7所討論。在一組實施方案中，密度增大的纖維601可能達到甚至更高熱傳導能力，並可用於使在器件303/熱散布體305界面區熱點的熱量沿x-y方向更迅速地散逸，此外還可通過頂層602，使從熱散布體303至散熱片(未顯示)間的熱傳導更快。
在本發明另一實施方案中，用截短纖維替換基本定向於z-軸方向的纖維。在一組實施方案中，此截短纖維由用機械法打斷或切割為長度小於0.5mm節段的碳素纖維組成。但是，截短纖維長度可明顯不同於這個數值，上述尺寸不應被解釋為對允許截短纖維長度的限制。此外，另一實施方案可採用其它類型的高熱傳導的纖維材料，而非碳素纖維，如上圖4中所討論。
在這個實施方案中，示於圖7，截短纖維701被置於編織片702之間，即定向於x-y平面的，形成分層結構。然後，用碳或金屬基的基質703浸漬截短纖維701和編織片702，形成一種複合材料。截短纖維701會有助於z-軸導熱係數增大，很象前述實施方案所述的定向纖維。用截短纖維701可使熱散布體的生產具有上述的成本降低的許多優點。在進一步實施方案中，可同時刪去編織片702，而可採用截短纖維701或其它類型的碳材料如碳碎片，將其分散於整個熱散布體中，以促進通過基質的熱傳導。
再回顧一下圖3的討論，用密封材料307使熱散布體305與基底301連接。這樣使兩種結構之間的聯結點更柔性和重量更輕。但是，有時可能希望組件剛性更大。圖8a和8b說明可以怎樣通過本發明獲得更剛性的結構。在這個實施方案中，對熱散布體305a增加了許多支杆802a，作為在粘接熱散布體305a與基底(圖3中的301)時起附加支撐和聯結點的作用。在此說明中，示出了4個圓柱形支杆。應當明白，支杆數和其形狀可根據應用場合而變化。參照圖8b，其它形狀可包括，但不局限於，矩形支杆801b、相鄰壁802b、非相鄰壁803b、有孔眼的矩形支杆804b或有底座的矩形支杆805b。基底對這些結構的關係有806b表明。在一組實施方案中，以上結構高約0.63毫米。但是，應該明白，這些結構的高度會隨不同應用而變化，上述尺寸不應被解釋為對該結構的限制。
再參看圖8A，可用各種材料和方法構造支杆802a。在一組實施方案中，它們由聚合材料構造。這種材料的一個實例是高模數環氧樹脂。
用高模數環氧樹脂生產支杆的一種方法可以是注射成型法。但是，還有許多其它方法可用於構成支杆，這取決於所用的材料。這些包括，但不局限於機加工、液態樹脂成型和熱成型。
對支杆802a，可通過粘結方法使之與熱散布體305a連接。粘結類型的實例可包括利用膠粘劑諸如環氧樹脂膠粘劑，或焊接。為了提高根腳/熱散布體粘接強度，有可能需要對熱散布體聯結點的表面打毛，這取決於支杆所用材料類型和粘結法類型。雖然可採用的方法許多，但用於打毛方法的實例可包括機械法或雷射器印痕法。
儘管前述實施方案集中於含單一器件的倒裝片組件，但是本發明也可用於與多集成電路器件連接的組件基底。如圖9所示，這些組件可能具有一種類似於單晶片組件的結構，包含通過球網排列(ball-grid arrays)302使多器件303與基底301連接，和利用柔順傳熱介質304，通過加熱，使之與碳/碳或金屬/碳熱散布體305連接。對該熱散布體305，利用密封材料307或通過密封材料與支杆組合的方法，使之與基底連接，如圖8所述。對此熱散布體，可進一步使之連接在散熱片306上，以促進通過熱散布體305的除熱。所有上述實施方案在熱散布體構造方面也可應用於多芯(multi-chip)片結構。
因此，現已描述的是一種散逸從組合半導體器件的背部除去熱量的裝置。在前述詳細說明中，已經參考其具體示範實施方案，對本發明的裝置進行了描述。但是，顯然在不偏離本發明廣泛的精神和範圍下，可進行各式各樣的改進和變化。因此，本說明書和附圖均應被看成是說明性的而非限制性的。
權利要求
1.一種包括以下步驟的方法將多元纖維置於模具中，這些纖維是近似定向於x與y方向的；添加第二多元纖維；沿這些纖維四周放置熱傳導材料，和固化此熱傳導材料。
2.按照權利要求1的方法，其中纖維是編織的。
3.按照權利要求1的方法，其中纖維由碳組成。
4.按照權利要求1的方法，其中第二多元纖維是近似定向於垂直方向。
5.按照權利要求1的方法，其中第二多元纖維是被截短的。
6.一種熱散布體，包括定向於近似沿水平軸的多元纖維；定向於近似沿第二水平軸並近似垂直於第一組纖維的第二多元纖維；部分或全部定向於近似垂直方向，並近似垂直於第一及第二組纖維的第三多元纖維，和沿這些纖維四周放置的一種熱傳導材料。
7.按照權利要求6的方法，其中纖維由碳組成。
8.按照權利要求6的方法，其中纖維是編織的。
9.按照權利要求6的方法，其中第三多元纖維是被截短的。
10.一種熱散布體，包括第一層纖維，近似沿水平軸定向；第二層纖維，近似沿同一水平軸定向，第二層纖維密度不同於第一層的；第二層中的第二多元纖維，近似沿第二水平軸定向，並近似垂直於第二層中第一組纖維；第二層中的第三多元纖維，近似沿垂直方向定向，並近似垂直於第二層中第二組纖維；第三層纖維，其纖維密度不同於第二層纖維密度；沿這些纖維四周放置的一種熱傳導材料。
11.按照權利要求10的熱散布體，其中第一和第三層具有比第二層更高的纖維密度。
12.按照權利要求10的熱散布體，其中第一和第三層纖維密度相同。
13.按照權利要求10的熱散布體，其中纖維由碳組成。
14.按照權利要求10的熱散布體，其中纖維是編織的。
15.按照權利要求11的熱散布體，其中第一和第三層是被截短的。
16.一種半導體組件，包括一種具有頂表面的基底；至少一個與所述基底的所述頂表面連接的半導體器件；一層被固定在所述基底上其間構成一個空間的覆蓋層，所述半導體器件處於所述空間內，所述覆蓋層具有一個平坦的頂表面和一個底表面的周邊；被置於整個所述覆蓋層上的第一多元纖維，被置於沿所述覆蓋層基本水平方向的所述第一多元纖維結構；和被置於整個所述覆蓋層上的第二多元纖維結構，被置於沿所述覆蓋層基本垂直方向的所述第二多元纖維。
17.按照權利要求16的半導體組件，其中覆蓋層另外由一種複合材料組成。
18.按照權利要求16的半導體組件，其中纖維另外由碳組成。
19.按照權利要求16的半導體組件，另外包括與該覆蓋層的平坦頂表面連接的散熱片。
20.按照權利要求16的半導體組件，其中覆蓋層是用密封劑將其固定在基底上的。
21.按照權利要求16的半導體組件，另外包括設置於基底和墊板之間的多個支柱(posts)，對該覆蓋層提供支撐。
22.按照權利要求21的半導體組件，其中支柱由聚合材料組成。
23.一種半導體組件，包括一種具有頂表面的基底；至少一個與所述基底的所述頂表面連接的半導體器件；一層被固定在所述基底上其間構成一個空間的覆蓋層，該半導體器件處於所述空間內，該覆蓋層具有平坦的頂表面和底表面的周邊；該頂表面和底表面的周邊是由一種熱界面材料建造的；被置於整個覆蓋層的第一多元纖維，被置於沿該覆蓋層近似水平方向的第一多元纖維；和被置於整個覆蓋層的第二多元纖維，被置於沿該覆蓋層近似垂直方向的第二多元纖維。
24.按照權利要求23的半導體組件，其中所述覆蓋層另外由一種複合材料組成。
25.按照權利要求23的半導體組件，其中纖維另外由碳組成。
26.按照權利要求23的半導體組件，其熱界面材料由與該複合材料相同的材料組成。
27.按照權利要求26的半導體組件，另外包括與覆蓋層平坦頂表面連接的散熱片。
28.按照權利要求23的半導體組件，其中界面材料由複合材料組成，其中纖維的密度高於覆蓋層纖維密度。
29.按照權利要求24的半導體組件，另外包括設置於所述基底與所述墊板之間的多個支柱(posts)，對所述覆蓋層提供支撐。
30.按照權利要求29的半導體組件，其中所述支柱由聚合材料組成。
全文摘要
描述了一種由多方位定向的大量碳素纖維組成的熱散布體(305)，以碳或金屬基質材料分散於這些纖維的四周。這些碳素纖維促進了熱的散逸遠離較小半導體器件(303)而去向較大的除熱器件如散熱片(306)。
文檔編號H01L23/373GK1635950SQ01819091
公開日2005年7月6日 申請日期2001年9月26日 優先權日2000年9月29日
發明者S·霍勒, G·克裡斯勒, P·科寧 申請人:英特爾公司