CN1988139A - 用于形成增强的热界面的方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种用于提供增强的热界面的方法及相关装置。该界面通过在两个表面之间施加以固体形式嵌入在合金中的结构或箔而形成。一旦热从一个或两个表面被施加，合金就熔化，形成所期望的界面。

Description

用于形成增强的热界面的方法及装置

技术领域

本发明一般地涉及一种用于提供增强的热界面的方法和装置；并且更特别地涉及一种用于提供在计算环境的半导体封装中所使用的增强的热界面的方法和装置。

背景技术

半导体工业的发展引起了电子器件内部的电子部件的数目不断增加的工业趋势。致密性允许选择性地制作更吸引消费者的较小且较轻的器件。另外，由于在这些器件中较短的电距离，致密性还允许许多电路在较高的频率和较高的速度下工作。尽管有着与此工业目标相关的许多优点，但在小的占用空间中提供许多这样的部件却带来了对器件性能的许多挑战。一个这样的挑战是必须在不影响器件电导性和完整性的情况下来建立热界面。

为了提供良好的界面，所涉及的所有表面都必须是清洁的、光滑的且没有在制造工艺期间会形成的包括空气间隙或气泡的所有颗粒。因为在正常和连续的器件工作期间所施加的热和机械力会影响界面的完整性，所以也必须考虑这些热和机械力。在这点上，必须以在连续使用之后其不会轻易地恶化的方式来制作界面，且必须特别注意，任何这样的恶化或有关问题都可能潜在地引起总体上影响器件工作和完整性的电短路或其它这样的类似问题。

要制作和维持的更具有挑战性的这些界面中的一个是热界面，如在计算环境中所使用的例如在微处理器芯片和热沉(heat sink)之间的那些热界面。在此情形中，界面接合需要能够提供所需的热传递和散热，这对电路的速度和功率能力而言是关键的，并且需要满足没有剩留间隙以及其它所讨论的问题的要求。

现有技术使用了若干方法来提供改善的热界面。一种方法是使用热粘合剂。使用热粘合剂来填充在芯片背侧之间的间隙以提供这种界面。然而使用热粘合剂具有与之相关的多个问题。由于必须施加足够的粘合剂来完全地覆盖芯片，所以对具有热粘合剂部件的器件进行单个组装是困难的。另外，热粘合剂是粘性且难以处理的。模块部件的使用还必须与热粘合剂可化学兼容，以提供良好的粘附性。最后，粘合剂所填充的芯片必须具有要形成可靠结构的足够厚度。

提供良好热界面的另一尝试是通过在接合处之间直接施加合金。由于金属键具有很小的热阻，所以金属键是一种优选的热接合。如此类的金属展现高热导性。液态的金属展现高热导性并另外具有能够填充机械接合中的空隙的优点。然而，使这些接合有吸引力的同一特征还会引起器件完整性的问题。

由于在微处理器芯片和热沉之间的低熔点温度合金界面中固有的润湿不良(poor wetting)，而经常引起问题。由于此事实而出现了问题，即当低熔合金熔化，同时将其压在两个表面之间时，由于在低熔合金和芯片之间以及在低熔合金和热沉之间的润湿不良而引起的毛细管作用，所熔化的合金被挤出到界面之外。在没有熔化合金桥接间隙的情况下，冷却组件的热性能降低。被挤出到界面之外的熔化合金还会渗出并泄漏到其它区域，特别是容纳电部件的相邻区域，并可能引起系统恶化和故障。

因而，需要设计一种方法和装置，其可用于提供良好的热界面，同时利用通过在这些界面中使用熔化合金所提供的益处。

发明内容

通过用于提供增强的热界面的方法及相关装置，克服了现有技术的缺点并提供了附加的优点。待形成的界面优选地在热沉和芯片之间，且芯片的工作为熔化合金提供所需的热耗散。通过在两个表面之间施加以固体形式嵌入在合金中的结构或箔来形成界面。一旦如通过正常器件工作而生成热，则在该箔或结构中的合金熔化，形成所需界面。然而，该结构和箔防止合金泄漏和渗出到周围区域。在可选实施例中，该结构可具有如丝网(wire mesh)的孔径，以提供一定量的刚性和可压缩性。

通过本发明的技术实现了附加的特征和优点。此处将详细描述本发明的其它实施例和方面，且将它们视作所请求保护的本发明的一部分。参考说明书和附图，可以对具有优点和特征的本发明进行更好的理解。

附图说明

在说明书的结论的权利要求中具体地指出并清楚地请求保护了被视作本发明的主题。通过结合附图作出的以下详细描述，本发明的前述和其它目的、特征和优点将显而易见，在附图中：

图1是增强的热接合的横截面示图；

图2是在形成图1的实施例的热界面中使用丝网结构的本发明的一个实施例的横截面示图；以及

图3是在形成图1的实施例的热界面中使用合金嵌入箔的本发明的一个可选实施例的横截面示图。

具体实施方式

图1提供了增强的热界面的横截面示图。如图1所示，提供分别被标记为110和120的第一和第二表面，而在它们之间将要形成热界面。在本发明的优选实施例中，表面110和120是计算环境的芯片和热沉部件，但这不是必需的。

此后，在表面110和120之间形成热界面，如130所示。热界面130优选地包括金属合金。如所示，没有出现空气间隙或其它表面不规则，且热界面130被限制到受限于第一和第二表面110和120的区域，而界面130的任何部分都没有从其任何一侧渗出或泄露到其周围和/或相邻区域。

如以下所述，可首先通过施加固体形式的合金来形成界面130。当选择适当的材料用于界面合金时，使从计算环境(或可选地，第一和第二部件110和120)所散出的热将可以熔化该合金，促使得到如图1中所示的光滑热界面130。

对计算环境尤其是那些涉及大且复杂的环境的设计者而言，散热是一个重要的挑战。然而，无论何种尺寸的环境，如果不解决散热，都会引起将影响整体系统性能的电子和机械故障。容易理解，散热随着封装密度增加而增加。在较大计算系统环境中，不仅热生成电子部件的数目多于较小环境中的热生成电子部件的数目，而且由于散热会造成各种其它似乎无关的问题，所以必须提供热管理解决方案，以考虑系统环境的其它需求。具体而言，这就是为何在这些环境中关注热界面的原因。

实际上，从在任何计算环境中所使用的集成电路封装中有效地提取热，表现出对这些电路的设计能力的非常显著的限制。每当需要通过传导从一个物体向另一个物体传递或散出热时，关键的因素是对表面之间的接合的维持。

从如微处理器硅芯片之类的热产生器件有效地去除热，需要该热产生器件与如热沉之类的散热器件紧密接触。然而，在这样的界面中，表面的光滑性以及甚至有时需要连续地施加到接合处的压力的某种测量都会成为维持良好接合的关键。

在这点上，可以维持啮合表面平坦且施加压力以将它们保持在一起。然而不幸的是，不管怎样，微观上总是呈现表面不规则，这种与制造工艺步骤相结合的不规则性在芯片和热沉之间造成了空气间隙，其严重地恶化了热传递性能。可增强这种接合的公知材料是粘合剂和润滑脂，它们或是难以施加，或是会减小所讨论的接触表面的热阻。

用于形成无空气间隙和其它不规则的光滑接合表面的另一公知的解决方案为，利用在正常工作温度下可以为液态甚至为固态的低熔点合金来填充这样的间隙。问题在于当该低熔点合金熔化以适应间隙时，如果在低熔点合金和间隙表面之间存在润湿不良，则表面张力将使液体合金挤到间隙之外。

使界面表面非常清洁并易于被低熔点合金润湿是不容易的。同样，可置于界面处的低熔点合金的箔具有在存储期间在其上所形成的表面氧化物。不完全清洁的界面表面和在低熔合金箔上的氧化物引起低熔合金的润湿不良。因此，需要一种装置，用于将低熔合金保持在其预期的位置中，如前所述地填充界面间隙并在芯片和热沉之间提供热桥。

本发明提供一种装置，即使当低熔合金没有使芯片和热沉润湿时，也可以通过低熔合金桥接芯片和热沉之间的间隙。在没有良好润湿的情况下，毛细管作用将迫使所熔化的合金离开间隙。本发明提供一种装置，即使当润湿不良时，通过其也可以使低熔合金停留在间隙中。借助于以下结合图2和图3所提供的示例可进一步地研究合金130的精确结构。

应注意，尽管如本领域技术人员所认识到的那样，可实现各种不同的实施例，但以下在图2和图3中提供一对这样的实施例，应理解为提供它们只是用于讨论的目的，因此并不对本发明的主题进行限制。现在将更详细地研究两种这样的装置。

图2是本发明的第一实施例的横截面示图。在图2中，图示了第一种嵌入结构200。该结构优选地包括金属，且具有如有孔径的形式，使得其在变得能够嵌入到合金210中的同时，保持一定水平的结构完整性和刚性，正如将讨论的那样。

尽管存在一些期望的结构刚性，但在某些情况中，所涉及的界面和结构200要求其结构刚性以维持某一水平的灵活性和可压缩性。在这点上应注意，通过增加或减少表面孔径的水平，可以选择性地实现、维持或增加刚性(甚或可压缩性)的水平。在本发明的一个实施例中，结构200具有网状结构，以同时提供刚性和可压缩性。在优选实施例中，结构200是可易于包含所示合金210的丝网。

所使用的合金210优选为低熔合金。另外，用于低熔合金和有孔径的结构200的材料必须使得它们不易于相互发生反应。

如其中采用了丝网(200)的图2的优选实施例中所示，将丝网嵌入在低熔合金210中。如前所述，任何可以将合金保持在熔化形式且可以被嵌入在该合金中的材料都可以用作丝网。

在优选实施例中，在将丝网或其它这样的材料嵌入合金中之前，通过本领域技术人员公知的方式对其进行良好清洁。在一个实施例中，在施加低熔合金之前通过溅射蚀刻来清洁丝网。

应注意，合金嵌入结构(200)的厚度依赖于对其施加多少金属合金，且可选择性地改变以满足不同的目的。还可以通过本领域技术人员公知的各种方法来施加低熔合金。例如可将金属合金溅射在丝网或其它这样的结构上，或可选地使用化学或物理汽相淀积技术淀积在丝网上。应将合金至少施加到结构200的两侧201和202，而当结构200在其设计中提供了这样的孔径时，应优选地将合金淀积在结构的所有侧上，包括在孔径之间。

回到图1，然后优选地以固体或基本固体的形式，将图2的嵌入结构200施加在两个表面110和120之间。如前所述，在引起散热的正常器件工作期间，从计算环境或从不是计算环境的表面所散出的热又使合金熔化，并形成图1的无间隙、无气泡的界面130。

结构200的结构刚性将保持熔化的合金在适当的位置，并防止其受到由于如前所讨论的润湿不良而引起的毛细管作用的影响。在这点上应注意，结构200的结构刚性还提供施加的便利。制造结构200的工艺并非成本昂贵，而且该工艺灵活。该制造工艺可容易地结合在该环境中将使用的其它半导体部件的制造工艺。因此，在其形成中可使用现有的制造工艺和部件。

图3提供了本发明的一个可选实施例。在图3中，提供了使用箔300用于形成图1的界面130的第二实施例的横截面示图。将箔300嵌入在所示的低熔合金310中。如前所述，箔300和低熔合金310的材料必须使得它们不易于相互发生反应。

在优选实施例中，在将箔300并入在合金310中之前，通过本领域技术人员所公知的方式对其进行良好清洁。为此，在优选实施例中，通过上述的溅射蚀刻来清洁箔300。

合金嵌入结构(300)的厚度可选择性地进行改变。在此情形中，该厚度可以是箔300或所施加的合金310的厚度的组合。还可以如前所讨论的那样，将低熔合金通过本领域技术人员所公知的各种方法来进行施加。例如，可将金属溅射在箔上，或可选地使用化学或物理汽相淀积技术淀积在箔上。应将合金310至少施加到将形成界面的箔300的两侧310和302，但也可淀积在所示的箔300的所有侧上。

回到图1，如前面那样，然后将图3的嵌入结构300以固体或基本固体的形式施加在两个表面110和120之间。如以上讨论的那样，在正常器件工作期间从计算环境或表面110和120所散出的热将熔化合金并形成如结合图1所讨论的无间隙、无气泡的界面。

应注意，在需要时可按待冷却的芯片的尺寸和形状来容易地提供图2和图3的结构200和箔300。一旦置于芯片和热沉之间的适当位置，当芯片通电时，例如，所加热的芯片就可单独地提供所期望的对低熔合金的熔化，然后桥接在芯片和热沉之间的间隙。

可提出不同的结构需求，导致使用上述结构或箔中的一种形式。换句话说，针对不同的原因可选择性地使用图2的丝网结构和图3的箔结构。例如，当在热沉和芯片之间存在高压力时，图2的丝网支持的界面结构200是有益的。界面间隙被控制为丝线(wire)厚度的两倍。因此，所熔化的界面合金很少由于压力而被挤出。可按这种方式来制作结构200，以按需地提供或多或少的压力。图3的箔300可用于其中期望箔的较大柔性的情况，因为明显地箔可以用比图2的结构200的刚性小的方式来制作。

以此方式，通过提出一种结构和方法，即使当低熔合金没有使芯片和热沉润湿时，也可以通过低熔合金桥接芯片和热沉之间的间隙，本发明解决了在微处理器芯片和热沉之间的低熔点温度合金界面中固有的润湿不良的问题。

尽管描述了本发明的优选实施例，但本领域技术人员将理解，现在和将来都可以对本发明进行各种落入所附权利要求范围的改进和增强。应认为这些权利要求保持对首次描述的本发明的适当保护。

Claims (20)

1.一种用于形成热界面的装置，所述热界面包括在低熔合金中嵌入的第一结构，所述熔化的合金不能够易于与所述第一结构的材料发生反应，所述嵌入的第一结构和所述熔化的合金可按固体形式施加于界面而不形成键合界面，而是在器件工作期间通过由器件所散出的热来形成这种键合热界面。

2.根据权利要求1的装置，其中所述第一结构是有孔径的。

3.根据权利要求2的装置，其中所述第一结构是金属化的。

4.根据权利要求3的装置，其中所述第一结构是丝网。

5.根据权利要求3的装置，其中所述第一结构为刚性的，且其刚性与表面孔径的水平选择性地成比例。

6.根据权利要求1的装置，其中所述结构用于在半导体器件的热沉和芯片之间提供热接合。

7.根据权利要求6的装置，其中所述结构的尺寸可根据所述芯片的尺寸选择性地改变。

8.根据权利要求7的装置，其中在所述芯片和所述热沉之间以固体形式布置所述合金嵌入结构，且所述热沉的工作将熔化所述合金并形成所期望的热界面。

9.根据权利要求3的装置，其中所述合金被施加到所述结构的所有侧。

10.根据权利要求9的装置，其中所述合金被施加到包括孔径之间的所述结构的所有侧。

11.根据权利要求9的装置，其中所述合金嵌入结构的厚度依赖于对所述结构侧所施加的合金的量。

12.根据权利要求9的装置，其中所述合金被溅射在所述结构的所有侧上。

13.根据权利要求9的装置，其中所述合金被至少溅射到其中待形成热界面的所述结构的两侧。

14.根据权利要求9的装置，其中使用物理或化学汽相淀积技术将所述合金淀积在所述结构上。

15.一种用于形成热接合的装置，所述热接合包括在低熔合金中所嵌入的金属箔，所述熔化的合金不能够易于与所述箔发生反应，所述嵌入的箔和所述熔化的合金可按固体形式来施加而不形成键合界面，而是仅在施加正常器件工作期间所形成的散热的热之后才形成这种界面。

16.根据权利要求15的装置，其中所述箔用于在半导体器件的热沉和芯片之间提供热接合。

17.根据权利要求16的装置，其中所述箔的尺寸可根据所述芯片的尺寸选择性地改变。

18.根据权利要求17的装置，其中所述合金嵌入箔以固体形式布置在所述芯片和所述热沉之间，且所述热沉的工作将熔化所述合金并形成所期望的热界面。

19.根据权利要求18的装置，其中所述合金施加到所述箔的所有侧。

20.一种在半导体器件中用于在计算环境中形成热界面的方法，包括：将金属结构嵌入在低熔合金中，所述熔化的合金不能够易于与所述结构发生反应；将所述嵌入的结构以固体形式布置在热沉和芯片之间，使得仅在正常器件工作期间从所述芯片散出的热熔化所述合金之后，形成这种热界面及键合。