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KR100933818B1 - 통합된 히트 스프레더를 위한 다층 폴리머-솔더 혼성 열 인터페이스 재료 및 그 제조 방법 - Google Patents

통합된 히트 스프레더를 위한 다층 폴리머-솔더 혼성 열 인터페이스 재료 및 그 제조 방법 Download PDF

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KR100933818B1
KR100933818B1 KR1020087031871A KR20087031871A KR100933818B1 KR 100933818 B1 KR100933818 B1 KR 100933818B1 KR 1020087031871 A KR1020087031871 A KR 1020087031871A KR 20087031871 A KR20087031871 A KR 20087031871A KR 100933818 B1 KR100933818 B1 KR 100933818B1
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아사이 대니
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인텔 코오퍼레이션
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Abstract

다층 열 인터페이스 재료를 제조하는 공정이 설명된다. 다층 열 인터페이스 재료(TIM)는 IHS(integrated heat spreader)와 다이 사이에 부착된다. 다층 열 인터페이스 재료의 공정은 스탬핑 또는 다른 압력 공정을 포함한다.
열 인터페이스 재료(TIM), 열 흐름, IHS(integrated heat spreader), 열 해결책, 접착

Description

통합된 히트 스프레더를 위한 다층 폴리머-솔더 혼성 열 인터페이스 재료 및 그 제조 방법{MULTI-LAYER POLYMER-SOLDER HYBRID THERMAL INTERFACE MATERIAL FOR INTEGRATED HEAT SPREADER AND METHOD OF MAKING SAME}
개시된 실시예들은 통합된 히트 스프레더를 위한 다층 열 인터페이스 재료(thermal interface material)에 관련된다.
집적 회로(IC) 다이(die)는 종종 프로세서, 디지털 신호 프로세서(DSP), 및 다양한 임무를 위한 다른 디바이스들로 제조된다. 그러한 다이들의 증가하는 전력 소비 때문에, 다이가 현장에서 사용될 때, 열 해결책 설계를 위한 열 예산들은 더 빠듯해진다. 따라서, 다이가 열을 보다 효율적으로 반사시키게 하기 위해 열 인터페이스가 종종 필요하다.
가장 흔한 열 인터페이스는 다이 뒷면에 연결되는 히트 스프레더와 같은 방열판을 채용할 수 있다. IHS(integrated heat spreader)를 사용할 때 직면하게 되는 문제들 중 하나는 다이에 대한 충분한 접착력과 다이의 냉각 요구조건들을 충족시키기에 충분히 높은 열 흐름 사이에서 균형을 잡는 것이다. 이 문제를 다루기 위해, 몇몇 접합 재료들이 시도되었고 다양한 결과들을 낳았다. 만약 접착력이 불충분하면, IHS는 열 인터페이스 재료(TIM)로부터 떨어져 나가 수율 문제 또는 불량(field failure)을 일으킬 수 있다. 직면하게 되는 전문적 사항 중 하나는 다이가 탑재되는 보드 및 다이로부터의 수용할만한 IHS의 균형점(standoff)을 획득하는 것이다.
일 실시예는 다층 폴리머-솔더 혼성(multi-layer polymer-solder hybrid) 열 전달 구조에 관련된다. 일 실시예는 다층 PSH(polymer-solder hybrid) 열 전달 구조를 포함하는 TIM 매개체를 포함하는 시스템에 관련된다. 일 실시예는 다층 PSH 열 전달 복합물을 만드는 공정에 관련된다. 일 실시예에서, 다층 PSH 열 전달 구조는 히트 스프레더와 다이 사이에 배치된다. 일 실시예는 기판 기준 공정(substrate-referenced process)의 반대로서 다이 기준(die-referenced process) 공정을 사용하는 다층 PSH 열 전달 복합물을 통하여 다이를 히트 스프레더에 접합시키는 방법을 포함한다.
본 발명에 따르면, 다이에 대한 충분한 접착력과 다이의 냉각 요구조건들을 충족시키기에 충분히 높은 열 흐름 사이에서 균형을 잡는 것이 가능하다.
다음의 기술은 설명하려는 목적만으로 사용되고, 한정하는 것으로 해석되지 말아야 할, 상부, 하부, 제1, 제2 등과 같은 용어들을 포함한다. 본원에 설명된 디바이스 또는 물품의 실시예들은 수많은 위치 및 방향으로 제조되고, 사용되고, 또는 수송될 수 있다. "다이" 및 "프로세서"라는 용어들은 다양한 공정 작업들에 의해 원하는 집적 회로 디바이스로 변화되는 기초적인 가공품인 물리적 대상을 일반적으로 가리킨다. 보드는 전형적으로, 다이에 대한 탑재 기판으로서 기능하는, 합성수지가 침투된 유리섬유(resin-impregnated fiberglass) 구조이다. 다이는 일반적으로 웨이퍼로부터 싱귤레이트되고(singulated), 웨이퍼들은 반도체, 비반도체, 또는 반도체와 비반도체 재료들의 조합들로 만들어질 수 있다.
이제 유사한 구조에 유사한 참조번호가 지정되는 도면들을 참조하자. 실시예들의 구조들을 가장 분명하게 보이기 위해, 본원에 포함된 도면들은 발명품의 개략적인 표현이다. 그래서, 제조된 구조들의 실제적인 외형은, 실시예들의 필수적인 구조들을 여전히 포함하고 있으면서, 예를 들면 포토마이크로그래프(photomicrograph)에서, 서로 다르게 나타날 수 있다. 게다가, 도면들은 실시예들을 이해하는 데 필요한 구조들만 보여준다. 본 기술분야에서 알려진 부가적인 구조들은 도면들의 명료함을 유지하기 위해 포함되지 않았다.
도 1a는 일 실시예에 따른 열 전달 서브시스템(100)의 측단면도이다. 열 전달 서브시스템(100)은 본원에 제시된 실시예들 및 그들의 기술분야에서 인정되는 등가물에 따른 다양한 칩 패키징 시스템들에 적용가능하다.
다양한 실시예들에 따르면, 열 전달 서브시스템(100)은 복수의 제1 열 전달 구조(110), 및 복수의 제1 열 전달 구조에 대한 매트릭스(matrix)로서 기능하는 제2 열 전달 구조(112)의 조합이다. 복수의 제1 열 전달 구조(110) 및 제2 열 전달 구조(112)는 열 전달 프리폼(preform)으로도 불린다. 솔더 프리폼(114)은 열 전달 서브시스템(100)을 완성한다. 일 실시예에서, 열 전달 서브시스템(100)은 제2 열 전달 구조(112)에 대한 폴리머 매트릭스, 및 복수의 제1 열 전달 구조(110)에 대한 금속 또는 합금을 포함한다. 제2 열 전달 구조(112)의 매트릭스는 다이의 뒷면과 같은 물질에 접착된다.
복수의 제1 열 전달 구조(110)는 제2 열 전달 구조(112)의 매트릭스를 통해 평균 열 전달계수를 증가시키는데 쓰인다. 열 인터페이스와 관련된 또 다른 실시예에서, 단독으로 또는 칩 패키지에 적용되어, 복수의 제1 열 전달 구조(110)는 제2 열 전달 구조(112)에 대해 약 0.1%에서 약 5%의 체적 범위로 제공된다. 또 다른 실시예에서, 복수의 제1 열 전달 구조(110)는 제2 열 전달 구조(112)에 대해 약 0%에서 약 0.1%까지의 체적 범위로 제공된다. 또 다른 실시예에서, 복수의 제1 열 전달 구조(110)는 제2 열 전달 구조(112)에 대해 약 0%에서 약 100%까지의 체적 범위로 제공된다. 또 다른 실시예에서, 복수의 제1 열 전달 구조(110)는 제2 열 전달 구조(112)에 대해 약 2%에서 약 10%까지의 체적 범위로 제공된다.
일 실시예에서, 복수의 제1 열 전달 구조(110)는 약 90W/m­K에서 약 700W/m­K 범위에 있는 열전도 계수를 갖는다. 복수의 제1 열 전달 구조(110)는 제2 열 전달 구조(112)의 매트릭스에 균일하게 분산된 것처럼 도시된다. 복수의 제1 열 전달 구조(110)는 패턴으로 정렬된 것처럼 도시되었지만, 무작위 분산을 포함하여, 다른 정렬들이 구현될 수 있는 것처럼, 이러한 패턴은 일 실시예일 뿐이다. 더욱이, 복수의 제1 열 전달 구조(110)는 반드시 일정 비율로 그려질 필요는 없다. 일 실시예에서, 도 1a에 도시된 열 전달 서브시스템(100)은 더 큰 물품으로부터 취해진 구간이다. 일 실시예에서, 소정의 제1 열 전달 구조(110)의 지름(또는 특성 치수)은 약 1㎛에서 약 1000㎛ 범위에 있다.
일 실시예에서, 열 전달 서브시스템(100)은 약 0.1mil에서 약 100mil 범위의 두께를 갖는다. 일 실시예에서, 제2 열 전달 구조(112)인 매트릭스 안에 복수의 제1 열 전달 구조(110)가 간격을 두고 떨어져 있는 것처럼 도시되었지만, 복수의 제1 열 전달 구조(110)는 조밀하게 채워진 구성으로 서로 닿을 수 있고, 제2 열 전달 구조(112)는 침입형(interstitial) 매트릭스처럼 기능할 수 있다.
일 실시예에서, 복수의 제1 열 전달 구조(110)에 대한 매트릭스를 형성하는 제2 열 전달 구조(112)는 열전도 계수가 약 30W/m­K에서 약 90W/m­K 범위에 있는 금속 합금이다. 금속 합금의 제2 열 전달 구조(112)는 금도금된 다이와 같은 도금된 다이에 접합하는 데 유용하다. 일 실시예에서, 제2 열 전달 구조(112)는 폴리머이고, 제1 열 전달 구조(110)는 금속 또는 금속 합금이다. 일 실시예에서, 제1 열 전달 구조(110)는 In이고 제2 열 전달 구조(112)는 폴리머이다. 일 실시예에 서, 제1 열 전달 구조(110)는 InSn 합금이고, 제2 열 전달 구조(112)는 폴리머이다. 일 실시예에서, 제1 열 전달 구조(110)는 주석이고, 제2 열 전달 구조(112)는 폴리머이다. 일 실시예에서, 제1 열 전달 구조(110)는 InAg 합금이고, 제2 열 전달 구조(112)는 폴리머이다. 일 실시예에서, 제1 열 전달 구조(110)는 SnAg 합금이고, 제2 열 전달 구조(112)는 폴리머이다. 일 실시예에서, 제1 열 전달 구조(110)는 SnAgCu 합금이고, 제2 열 전달 구조(112)는 폴리머이다.
일 실시예에서, 제2 열 전달 구조(112)는 금속 또는 금속 합금이고, 제1 열 전달 구조(110)는 다이아몬드 분말 또는 흑연 섬유(graphite fiber)와 같은 미립자이다. 일 실시예에서, 제1 열 전달 구조(110)는 인듐이고, 제2 열 전달 구조(112)는 다이아몬드 분말 또는 흑연 섬유와 같은 미립자이다. 일 실시예에서, 제1 열 전달 구조(110)는 인듐-주석 합금이고, 제2 열 전달 구조(112)는 다이아몬드 분말 또는 흑연 섬유와 같은 미립자이다. 일 실시예에서, 제1 열 전달 구조(110)는 주석이고, 제2 열 전달 구조(112)는 다이아몬드 분말 또는 흑연 섬유와 같은 미립자이다. 일 실시예에서, 제1 열 전달 구조(110)는 인듐-은 합금이고, 제2 열 전달 구조(112)는 다이아몬드 분말 또는 흑연 섬유와 같은 미립자이다. 일 실시예에서, 제1 열 전달 구조(110)는 주석-은 합금이고, 제2 열 전달 구조(112)는 다이아몬드 분말 또는 흑연 섬유와 같은 미립자이다. 일 실시예에서, 제1 열 전달 구조(110)는 주석-은-구리 합금이고, 제2 열 전달 구조(112)는 다이아몬드 분말 또는 흑연 섬유와 같은 미립자이다.
일 실시예에서, 솔더 프리폼(114)은 IHS 또는 금속 클래드(metal clad) IHS 에 접착하는 금속 또는 금속 합금이다. 일 실시예에서, 솔더 프리폼은 인듐 재료이다. 일 실시예에서, 솔더 프리폼은 인듐-주석 재료이다. 일 실시예에서, 솔더 프리폼은 주석 재료이다. 일 실시예에서, 솔더 프리폼은 인듐-은 재료이다. 일 실시예에서, 솔더 프리폼은 주석-은 재료이다. 일 실시예에서, 솔더 프리폼은 주석-은-인듐 재료이다.
일 실시예에서, 복수의 제1 열 전달 구조(110)는 금속 필라멘트들과 같은 고(high) 열전도도 섬유들을 포함한다. 일 실시예에서, 복수의 제1 열 전달 구조(110)는 유리 섬유들과 같은 고 열전도도 섬유들을 나타낸다. 일 실시예에서, 복수의 제1 열 전달 구조(110)는 흑연 섬유들을 포함하는 고 열전도도 섬유들을 나타낸다. 일 실시예에서, 복수의 제1 열 전달 구조(110)는 흑연 섬유들 및 금속 필라멘트들을 포함하는 고 열전도도 섬유들을 나타낸다. 일 실시예에서, 복수의 제1 열 전달 구조(110)는 흑연 섬유들 및 유리 섬유들을 포함하는 고 열전도도 섬유들을 나타낸다. 일 실시예에서, 복수의 제1 열 전달 구조(110)는 금속 필라멘트들 및 유리 섬유들을 포함하는 고 열전도도 섬유들을 나타낸다. 일 실시예에서, 금속, 유리 및 흑연 섬유들 셋 모두가 포함된다. 흑연, 금속, 및 유리 섬유 중 적어도 하나를 선택하고 도 1a에 도시된 매트릭스와 같은 제2 열 전달 구조(112)에 그들 중 하나를 고정시킴으로써 다양한 물품의 질이 획득될 수 있다.
일 실시예에서, 제2 열 전달 구조(112)의 매트릭스는 베어(bare) 단결정 실리콘과 같은 베어(bare) 다이에 대해 높은 접착력을 갖는 폴리머와 같은 유기 매트릭스이다.
복수의 제1 열 전달 구조(110) 및 제2 열 전달 구조(112)는, 일 실시예에서 폴리머-솔더 혼성물(PSH)인 제1 열 전달 복합물 형태를 만든다. 일 실시예에서, 제1 열 전달 복합물 형태는 본원에서 제시되었듯이 연속적으로, 반 연속적으로, 또는 일괄적으로 처리된 공급품(supply stock)으로부터 절단된다. 그래서 제1 열 전달 복합물 형태가 도 1a에서 도시된 것과 같이 보여질 때, 일부분이 절단된 후, 열 전달 서브시스템(100)인 솔더 프리폼(114)과 연결된다.
도 1b는 도 1a의 열 전달 서브시스템(100)을 공정 후 열 전달 복합물(101)로서 도시한 도면이다. 제2 열 전달 구조(112)의 매트릭스와 솔더 프리폼(114)을 혼합하도록 기능하는 인터페이스(102)가 이루어졌다.
인터페이스(102)는 임의의 형태 및 넓이로서 표현된다. 일 실시예에서, 제2 열 전달 구조(112)의 매트릭스와 솔더 프리폼(114)은 사실상 혼합되어 솔더-리치(solder-rich) 지대(114)가 폴리머-리치(polymer-rich) 지대(112)와 중첩한다. 일 실시예에서, 각각의 지대는, 솔더 리치 구배가 폴리머 농도가 증가하면서 폴리머-리치 구배와 혼합됨에 따라, 감소하는 솔더 농도로도 솔더-리치 구배(114)가 검출 가능한 상태까지 혼합된다.
열 전달 복합물(101)에 대한 인터페이스(102)를 얻기 위한 공정은 다양한 작업들로 행해질 수 있다. 일 실시예에서, 솔더 프리폼(114) 및 제2 열 전달 구조(112)는 열이 가해진 상태에서 압착된다. 일 실시예에서, 솔더 프리폼(114) 및 제2 열 전달 구조(112)는 콜드 스탬핑(cold stamp)된다.
도 2a는 일 실시예를 따른 열 전달 서브시스템(200)의 측단면도이다. 열 전 달 서브시스템(200)은 본원에서 제시된 실시예들 및 그들의 기술분야에서 인정되는 등가물들에 따른 다양한 칩 패키징 시스템들에 적용가능하다.
열 전달 서브시스템에 대한 본 명세서에서 제시된 다양한 실시예들에 따르면, 열 전달 서브시스템(200)은 복수의 제1 열 전달 구조(210)와 제2 열 전달 구조(212)의 조합이다. 게다가, 복수의 제1 미립자(211)는 제2 열 전달 구조(212) 안에 산재된다.
일 실시예에서, 복수의 제1 열 전달 구조(210)에 대한 매트릭스를 형성하는 제2 열 전달 구조(212)는 본원에서 제시된 다양한 실시예들에 따른 금속 합금이다.
일 실시예에서, 제2 열 전달 구조(212)는 본원에서 제시된 다양한 실시예들에 따른 유기 구성이다. 일 실시예에서, 복수의 제1 열 전달 구조(210)에 대한 매트릭스를 형성하는 제2 열 전달 구조(212)는 본원에서 제시된 다양한 실시예들에 따른 금속 합금이다. 일 실시예에서, 제2 열 전달 구조(212)는 본원에서 제시된 다양한 실시예들에 따른 유기 구성이다. 일 실시예에서, 복수의 제1 열 전달 구조(210)에 대한 매트릭스를 형성하는 제2 열 전달 구조(212)는 열전도 계수가 약 30W/m­K에서 약 90W/m­K 범위에 있는 금속 합금이다. 일 실시예에서, 제2 열 전달 구조(212)는 열전도 계수가 약 0.1W/m­K에서 약 1W/m­K 범위에 있는 고 열전도 폴리머와 같은 유기 구성이다.
일 실시예에서, 복수의 제1 미립자(211)는 제2 열 전달 구조(212)의 유기 매트릭스 안의 금속성인 무기물을 포함한다. 본 실시예에서, 열 전달 서브시스템(200)의 전체 열전도 계수는 약 0.1W/m­K에서 약 600W/m­K이하의 범위에 있다.
일 실시예에서, 복수의 제1 미립자(211)는 제2 열 전달 구조(212)의 금속성 매트릭스 안의 금속성인 무기물들을 포함한다. 본 실시예에서, 열 전달 서브시스템(200)의 전체 열전도 계수는 약 20W/m­K에서 약 600W/m­K보다 작거나 같은 범위에 있다.
일 실시예에서, 복수의 제1 미립자(211)는 제2 열 전달 구조(212)의 유기 매트릭스 안의 유전체들인 무기물들을 포함한다. 본 실시예에서, 열 전달 서브시스템(200)의 전체 열전도 계수는 약 10W/m­K에서 약 90W/m­K 범위에 있다.
일 실시예에서, 복수의 제1 미립자(211)는 제2 열 전달 구조(212)의 금속성 매트릭스 안의 유전체들인 무기물들을 포함한다. 본 실시예에서, 열 전달 서브시스템(200)의 전체 열전도 계수는 약 20W/m­K에서 약 600W/m­K보다 작거나 같은 범위에 있다.
일 실시예에서, 복수의 제1 미립자(211)가 모나고, 중심을 벗어난 모양들로 도시되었지만, 복수의 제1 미립자(211)는 다른 형태들이 될 수 있다. 일 실시예에서, 복수의 제1 미립자(211)는 약 0.1㎛에서 약 10㎛ 범위의 평균 직경을 갖는 거의 구형인 분말이다. 일 실시예에서, 단축 대 장축의 비율에 의해 측정된 미립자들(211)의 이심률은 약 1에서 약 10까지의 범위에 있다. 일 실시예에서, 이심률은 10보다 크다.
복수의 제1 열 전달 구조(210), 제2 열 전달 구조(212), 및 복수의 제1 미립자(211)의 조합은 제2 열 전달 구조(212)의 일 표면에서 그의 반대쪽 표면까지의 집단적인 채널을 제공한다. 이렇듯, 매트릭스를 통한 열 전달이 기술되었다.
도 2b는 도 2a의 열 전달 서브시스템(200)의 공정 후 열 전달 복합물(201)로서의 도시이다. 제2 열 전달 구조(212)의 매트릭스와 솔더 프리폼(214)을 혼합하는 인터페이스(202)가 이루어졌다.
인터페이스(202)는 임의의 형태 및 넓이로서 표현된다. 일 실시예에서, 제2 열 전달 구조(212)의 매트릭스와 솔더 프리폼(214)은 사실상 혼합되어, 솔더-리치 지대(214)가 폴리머-리치 지대(212)와 중첩한다. 일 실시예에서, 각각의 지대는 증가하는 폴리머 농도를 갖는 폴리머-리치 구배(212)로 혼합될 때, 감소하는 솔더 농도를 갖는 솔더-리치 구배(214)가 검출 가능할 때까지 더 혼합된다.
열 전달 복합물(201)에 대한 인터페이스(202)를 획득하기 위한 공정은 다양한 작업들로 행해질 수 있다. 일 실시예에서, 솔더 프리품(214) 및 제2 열 전달 구조(212)는 열이 가해진 상태에서 압착된다. 일 실시예에서, 솔더 프리폼(214) 및 제2 열 전달 구조(212)는 콜드 스탬핑된다.
도 3a는 일 실시예를 따른 열 전달 서브시스템(300)의 측단면도이다. 도시된 열 전달 서브시스템(300)은 본원에서 제시된 실시예들 및 그들의 기술분야에서 인정되는 등가물들에 따른 다양한 칩 패키징 시스템들에 적용가능하다.
열 전달 서브시스템들에 대해 본 명세서에서 제시된 다양한 실시예들에 따르면, 열 전달 서브시스템(300)은 복수의 제1 열 전달 구조(310)와, 복수의 제1 열 전달 구조(310)에 대한 매트릭스로서 기능하는 제2 열 전달 구조(312)의 조합이다. 복수의 제1 미립자(311)는 제2 열 전달 구조(312) 안에 산재된다. 게다가, 복수의 제2 미립자(316)도 제2 열 전달 구조(312) 안에 산재된다. 복수의 제1 미립 자(311)와 마찬가지로, 복수의 제2 미립자(316)는 이심률을 갖는다. 두 개의 이심률은 서로 관련될 수도 있고 서로 독립적일 수도 있다.
일 실시예에서, 복수의 제1 열 전달 구조(310)에 대한 매트릭스를 형성하는 제2 열 전달 구조(312)는 본원에서 제시된 다양한 실시예들에 따른 금속 합금이다. 일 실시예에서, 제2 열 전달 구조(312)는 본원에서 제시된 다양한 실시예들에 따른 유기 구성물이다.
일 실시예에서, 복수의 제1 미립자(311)는 제1 금속이고, 복수의 제2 미립자(316)는 제2 금속이다. 본 실시예에서, 열 전달 서브시스템(300)의 전체 열전도 계수는 약 20W/m­K에서 약 600W/m­K보다 작거나 같은 범위에 있다.
일 실시예에서, 복수의 제1 미립자(311)는 제1 유전체이고, 복수의 제2 미립자(316)는 제2 유전체이다. 본 실시예에서, 열 전달 서브시스템(300)의 전체 열전도 계수는 약 5W/m­K에서 약 600W/m­K보다 작거나 같은 범위에 있다.
일 실시예에서, 복수의 제1 미립자(311)는 유전체이고, 복수의 제2 미립자(316)는 금속이다. 본 실시예에서, 열 전달 서브시스템(300)의 전체 열전도 계수는 약 20W/m­K에서 약 600W/m­K보다 작거나 같은 범위에 있다.
일 실시예에서, 복수의 제1 미립자(311)는 금속이고, 복수의 제2 미립자(316)는 유전체이다. 본 실시예에서, 열 전달 서브시스템(300)의 전체 열전도 계수는 약 20W/m­K에서 약 600W/m­K보다 작거나 같은 범위에 있다.
복수의 제1 미립자(311) 및 복수의 제2 미립자(316)의 형태가 각각 이심적이고 둥근 것처럼 도시되었지만, 이러한 모양들은 두 미립자들의 유형을 구별하기 위 해 도시되었다.
복수의 제1 열 전달 구조(310), 제2 열 전달 구조(312), 복수의 제1 미립자(311), 복수의 제2 미립자(316)의 조합은 제2 열 전달 구조(312)의 일 표면에서 그의 반대쪽 표면까지의 집단적인 채널을 제공한다. 이렇게 해서, 매트릭스를 통한 열 전달이 기술되었다.
도 3b는 도 3a의 열 전달 서브시스템(300)의 공정 후 열 전달 복합물(301)로서의 도시이다. 제2 열 전달 구조(312)의 매트릭스와 솔더 프리폼(314)을 혼합하는 인터페이스(302)가 이루어졌다. 인터페이스(302)는 임의의 형태 및 넓이로서 표현된다. 일 실시예에서, 제2 열 전달 구조(312)의 매트릭스와 솔더 프리폼(314)은 사실상 혼합되어, 솔더-리치 지대(314)가 폴리머-리치 지대(312)와 중첩한다. 일 실시예에서, 각각의 지대는 증가하는 농도를 갖는 폴리머-리치 구배(312)로 혼합될 때, 감소하는 솔더 농도를 갖는 솔더-리치 구배(314)가 검출 가능할 때까지 더 혼합된다.
열 전달 복합물(301)에 대한 인터페이스(302)를 획득하기 위한 공정은 다양한 작업들로 행해질 수 있다. 일 실시예에서, 솔더 프리폼(314) 및 제2 열 전달 구조(312)는 열이 가해진 상태에서 압착된다. 일 실시예에서, 솔더 프리폼(314) 및 제2 열 전달 구조(312)는 콜드 스탬핑(cold stamp)된다.
도 4는 일 실시예에 따른 열 전달 복합물(401)의 단면도이다. 이 단면도는 본원에서 제시된 다양한 실시예들에 따른 복수의 제1 열 전달 구조(410), 및 복수의 제1 열 전달 구조(410)에 대한 매트릭스로서 기능하는 제2 열 전달 구조(412)를 드러낸다.
도 4는 제2 열 전달 구조(412) 안에 개별적으로 배치된 복수의 제1 열 전달 구조(410)들의 패턴을 본 실시예에서 포함하는 열 전달 복합물(401)을 도시한다. 열 전달 서브시스템(400)의 집중 영역(440)이 도 4에 추가로 도시된다. 집중 영역(440)에서, 복수의 제1 열 전달 구조(410)에 대한 더 높은 밀도가 발생한다. 일 실시예에서, 집중 영역(440)은 열 제거를 촉진하기 위해 다이의 과도하게 뜨거운 영역 근처에 위치되도록 구성된다. 예를 들면, 레벨 제로 캐시("L0 캐시")는 고 주파수의 액세스를 갖고 열 발생을 수반하는 다이 상에 위치될 수 있다. 더 활동적인 영역에서 다이와 정렬될 집중 영역(440)에 더 많은 복수의 열 전달 구조들(410)을 집중함에 의해, 보다 효율적인 열 전달 도관(conduit)이 제공되지만, 다이에 접착하고 있는 제2 열 전달 구조(412)의 충분한 양 때문에 열 전달 서브시스템(400)의 다이 및 방열판에 대한 접착력은 손상되지 않는다. 집중 영역(440)의 이러한 보다 큰 열 전달 능력은 열을 발생하는 다이와 열을 제거하는 히트 스프레더 사이의 열 흐름에 대한 낮춰진 저항을 표현한다.
도 5a는 일 실시예에 따른 열 전달 서브시스템(500)의 측단면도이다. 열 전달 서브시스템(500)은 본원에서 제시된 다양한 실시예들 및 그들의 기술분야에서 인정되는 등가물들에 따른 다양한 칩 패키징 시스템들에 적용가능하다.
본 명세서에서 제시된 다양한 실시예들에 따르면, 열 전달 서브시스템(500)은 복수의 제1 열 전달 구조들(510)과, 복수의 제1 열 전달 구조(510)에 대한 매트릭스로서 기능하는 제2 열 전달 구조(512)의 조합을 포함한다. 제2 열 전달구 조(512)는 솔더 프리폼(514) 및 중간 열 전달 구조(518)에 부가된다. 중간 열 전달 구조(518)는 제1 열 전달 구조(510)와 제2 열 전달 구조(512)의 매트릭스가 혼합된 재료들과 솔더 프리폼(514)의 재료 사이에서 이산적 근사(discrete approximation)로 접근하는 재료들의 조합을 포함한다.
도 5b는 도 5a의 열 전달 서브시스템(500)의 공정 후 열 전달 복합물(501)로서의 도시이다. 솔더 프리폼(514)을 중간 열 전달 구조(518)와 혼합하는 제1 인터페이스(502)가 이루어졌다. 제1 인터페이스(502)는 임의의 형태 및 넓이로서 표현된다. 일 실시예에서, 솔더 프리폼(514)과 중간 열 전달 구조(518)는 사실상 혼합되어, 솔더-리치 지대(514)가 감소하는 솔더 농도 구배만큼 폴리머-솔더 지대(518)와 중첩한다. 중간 열 전달 구조(518)와 제2 열 전달 구조(512)의 매트릭스를 혼합하는 제2 인터페이스(504)가 이루어졌다. 일 실시예에서, 제2 열 전달 구조(512)와 중간 열 전달 구조(518)는 사실상 혼합되어 솔더-폴리머 지대(518)가 폴리머-리치 지대(512)와 중첩한다. 일 실시예에서, 각각의 지대는, 증가하는 폴리머 농도를 갖는 폴리머-리치 구배(512)로 혼합될 때, 감소하는 솔더 농도를 갖는 솔더-폴리머 농도 구배(518)가 검출 가능할 때까지 더 혼합된다.
열 전달 복합물(501)에 대한 인터페이스들(502 및 504)을 획득하기 위한 공정은 다양한 작업들로 행해질 수 있다. 일 실시예에서, 솔더 프리폼(514), 중간 열 전달 구조(518), 및 제2 열 전달 구조(512)의 매트릭스는 열이 가해진 상태에서 압착된다. 일 실시예에서, 이들 구조들은 콜드 스탬핑될 수 있다.
도 6a는 일 실시예에 따른 열 전달 서브시스템(600)의 측단면도이다. 열 전 달 서브시스템(600)은 본원에서 제시된 실시예들 및 그들의 기술분야에서 인정되는 등가물들에 따른 다양한 칩 패키징 시스템들에 적용가능하다.
본 명세서에서 제시된 다양한 실시예들에 따르면, 열 전달 서브시스템(600)은 복수의 제1 열 전달 구조(610)와 복수의 제1 열 전달 구조(610)에 대한 매트릭스로서 기능하는 제2 열 전달 구조(612)의 조합을 포함한다. 제2 열 전달 구조(612)는 솔더 프리폼(614) 및 중간 열 전달 구조(618)에 부가된다. 중간 열 전달 구조(618)는 제1 열 전달 구조(610)와 제2 열 전달 구조(612)의 매트릭스가 혼합된 재료들과 솔더 프리폼(614)의 재료 사이에서 이산적 근사로 접근하는 재료들의 조합을 포함한다.
본 실시예에서, 하부 타이층(lower tie layer)(620)이 제2 열 전달 구조(612)와 중간 열 전달 구조(618) 사이에 배치된다. 일 실시예에서 공정 동안 중간 구조에 대한 접착제로서 기능하는 하부 타이층(620)은 중간 구조를 용이하게 형성한다. 일 실시예에서, 하부 타이층(620)은 가열된 공정 동안 사라지는 물질이 되는 유기 접착제이다. 일 실시예에서, 하부 타이층(620)은 열 전달 복합물(601)에 남아있는 유기 접착제이다(도 6b). 일 실시예에서, 하부 타이층(620)은 공정 동안 젖음(wetting)을 촉진하는 솔더와 같은 금속이다.
도 6b는 도 6a의 열 전달 서브시스템(600)의 공정 후 열 전달 복합물(601)로서의 도시이다. 솔더 프리폼(614)과 중간 열 전달 구조(618)를 혼합하는 제1 인터페이스(602)가 이루어졌다. 제1 인터페이스(602)는 임의의 형태 및 넓이로서 표현된다. 일 실시예에서, 솔더 프리폼(614)과 중간 열 전달 구조(618)는 사실상 혼합 되어, 솔더-리치 지대(614)가 감소하는 솔더 농도 구배만큼 폴리머-솔더 지대(618)와 중첩한다. 중간 열 전달 구조(618)와 제2 열 전달 구조(612)의 매트릭스를 혼합하는 제2 인터페이스(604)가 이루어졌다. 일 실시예에서, 제2 열 전달 구조(612)의 매트릭스와 중간 열 전달 구조(612)는 사실상 혼합되어, 솔더-폴리머 지대(618)가 폴리머-리치 지대(612)와 중첩한다. 일 실시예에서, 각각의 지대는 폴리머 농도가 증가하는 폴리머-리치 구배(612)와 혼합될 때, 솔더 농도가 감소하는 솔더-폴리머 농도 구배(618)가 검출 가능할 때까지 더 혼합된다.
열 전달 복합물(601)에 대한 인터페이스들(602 및 604)을 획득하기 위한 공정은 다양한 작업들로 행해질 수 있다. 일 실시예에서, 솔더 프리폼(614), 중간 열 전달 구조(618), 및 제2 열 전달 구조(612)의 매트릭스는 열이 가해진 상태에서 압착된다. 일 실시예에서, 이러한 구조들은 콜드 스탬핑된다. 제1 타이층(620)은, 일 실시예에서, 열이 가해진 상태에서 제거되거나, 또 다른 실시예에서 열 전달 복합물(601)과 사실상 혼합되기 때문에 도 6b에 도시되지 않는다.
도 7a는 일 실시예에 따른 열 전달 서브시스템(700)의 측단면도이다. 열 전달 서브시스템(700)은 본원에서 제시된 실시예들 및 그들의 기술분야에서 인정되는 등가물들에 따른 다양한 칩 패키징 시스템들에 적용가능하다.
본 명세서에서 제시된 다양한 실시예들에 따르면, 열 전달 서브시스템(700)은 복수의 제1 열 전달 구조(710)와 복수의 제1 열 전달 구조(710)에 대한 매트릭스로서 기능하는 제2 열 전달 구조(712)의 조합을 포함한다. 제2 열 전달 구조(712)는 솔더 프리폼(714) 및 중간 열 전달 구조(718)에 부가된다. 중간 열 전 달 구조(718)는 제1 열 전달 구조(710)와 제2 열 전달 구조(712)의 매트릭스가 혼합된 재료들과 솔더 프리폼(714)의 재료 사이에서 이산적 근사로 접근하는 재료들의 조합을 포함한다.
일 실시예에서, 상부 타이층(722)은 솔더 프리폼(714)과 중간 열 전달 구조(718) 사이에 배치된다. 일 실시예에서 공정 동안 중간 구조(700)에 대한 접착제로서 기능하는 상부 타이층(722)은 중간 구조(700)를 용이하게 형성한다. 일 실시예에서, 상부 타이층(722)은 가열된 공정 동안 사라지는 물질이 되는 유기 접착제이다. 일 실시예에서, 상부 타이층(722)은 열 전달 복합물(701)에 남아있는 유기 접착제이다(도 7b). 일 실시예에서, 상부 타이층(722)은 공정 동안 젖음을 촉진하는 솔더와 같은 금속이다.
도 7b는 도 7a의 열 전달 서브시스템(700)의 추가 공정 후 열 전달 복합물(701)로서의 도시이다. 솔더 프리폼(714)을 중간 열 전달 구조(718)와 혼합하는 제1 인터페이스(702)가 이루어졌다. 제1 인터페이스(702)는 임의의 형태 및 넓이로서 표현된다. 일 실시예에서, 솔더 프리폼(714)과 중간 열 전달 구조(718)는 사실상 혼합되어, 솔더-리치 지대(714)가 감소하는 솔더 농도 변화만큼 폴리머-솔더 지대(718)와 중첩한다. 중간 열 전달 구조(718)를 제2 열 전달 구조(712)의 매트릭스와 혼합하는 제2 인터페이스(704)가 이루어졌다. 일 실시예에서 제2 열 전달 구조(712)의 매트릭스와 중간 열 전달 구조(718)는 사실상 혼합되어, 솔더-폴리머 지대(718)가 폴리머-리치 지대(712)와 중첩한다. 일 실시예에서, 각각의 지대는 증가하는 폴리머 농도를 갖는 폴리머-리치 구배(712)와 혼합될 때, 감소하는 솔더 농 도를 갖는 솔더-폴리머 농도 구배(718)가 검출 가능할 때까지 더 혼합된다.
열 전달 복합물(701)에 대한 인터페이스들(702 및 704)를 얻기 위한 공정은 다양한 작업들로 행해질 수 있다. 일 실시예에서, 솔더 프리폼(714), 중간 열 전달 구조(718) 및 제2 열 전달 구조(712)의 매트릭스는 열이 가해진 상태에서 압착된다. 일 실시예에서, 이들 구조들은 콜드 스탬핑된다. 상부 타이층(722)은 일 실시예에서, 열이 가해진 상태에서 제거되거나 또 다른 실시예에서 열 전달 복합물(701)로 사실상 혼합되기 때문에 도 7b에 도시되지 않는다.
도 8a는 일 실시예에 따른 열 전달 서브시스템(800)의 측단면도이다. 열 전달 서브시스템(800)은 본원에서 제시된 실시예들 및 그들의 기술분야에서 인정되는 등가물들에 따른 다양한 칩 패키징 시스템들에 적용가능하다.
본 명세서에서 제시된 다양한 실시예들에 따르면, 열 전달 서브시스템(800)은 복수의 제1 열 전달 구조(810)와 복수의 제1 열 전달 구조(810)에 대한 매트릭스로서 기능하는 제2 열 전달 구조(812)의 조합을 포함한다. 제2 열 전달 구조(812)는 솔더 프리폼(814) 및 중간 열 전달 구조(818)에 부가된다. 중간 열 전달 구조(818)는 제1 열 전달 구조(810)의 재료와 제2 열 전달 구조(812)의 매트릭스가 혼합된 재료와 솔더 프리폼(814)의 재료 사이에서 이산적 근사로 접근하는 재료들의 조합을 포함한다.
본 실시예에서, 상부 타이층(822)은 솔더 프리폼(814)과 중간 열 전달 구조(818) 사이에 배치된다. 게다가, 하부 타이층(820)은 제2 열 전달 구조(812) 및 중간 열 전달 구조(818) 사이에 배치된다. 각각의 상부 및 하부 타이층(822 및 820)은 본 명세서에서 제시된 것과 같이 일 실시예에서 각각 접착제로서 기능하여 중간 구조(800)를 용이하게 형성한다. 일 실시예에서, 상부 타이층(822)은 유기 접착제이고 하부 타이층(820)은 유기 접착제이다. 일 실시예에서, 상부 타이층(822)은 유기 접착제이고 하부 타이층(820)은 금속성 재료이다. 일 실시예에서, 상부 타이층(822)은 금속성 재료이고 하부 타이층(820)은 유기 접착제이다. 일 실시예에서, 상부 타이층(822)은 금속성 재료이고 하부 타이층(820)은 금속성 재료이다.
도 8b는 도 8a의 인터페이스 서브시스템(800)의 추가 공정 후 열 전달 복합물(801)로서의 도시이다. 솔더 프리폼(814)을 중간 열 전달 구조(818)와 혼합하는 제1 인터페이스(802)가 이루어졌다. 제1 인터페이스(802)는 임의의 형태 및 넓이로서 표현된다. 일 실시예에서, 솔더 프리폼(814)과 중간 열 전달 구조(818)는 사실상 혼합되어, 솔더-리치 지대(814)는 감소하는 솔더 농도 구배만큼 폴리머-솔더 지대(818)에 중첩한다. 중간 열 전달 구조(818)와 제2 열 전달 구조(812)의 매트릭스를 혼합시키는 제2 인터페이스(804)가 달성되었다. 일 실시예에서, 제2 열 전달 구조(812)의 매트릭스와 중간 열 전달 구조(812)는 사실상 혼합되어, 솔더-결핍(solder-lean), 폴리머-결핍(polymer-lean) 지대(814)가 폴리머-리치 지대(812)와 중첩한다. 일 실시예에서, 각각의 지대는 증가하는 폴리머 농도를 갖는 폴리머-리치 구배(812)와 혼합될 때, 감소하는 솔더 농도를 갖는 솔더-폴리머 농도 구배(818)가 검출가능할 때까지 더 혼합된다.
열 전달 복합물(801)에 대한 인터페이스들(802 및 804)을 얻기 위한 공정은 다양한 작업들로 행해질 수 있다. 일 실시예에서, 솔더 프리폼(814), 중간 열 전달 구조(818), 및 제2 열 전달 구조(812)의 매트릭스는 열이 가해진 상태에서 압착된다. 일 실시예에서, 이러한 구조들은 콜드 스탬핑될 수 있다. 상부 및 하부 타이층들(822 및 820)은 각각, 일 실시예에서 열이 가해진 상태에서 제거되거나, 또 다른 실시예에서 열 전달 복합물(801)과 사실상 혼합되기 때문에 도 8b에 도시되지 않았다.
일 실시예에서, 임의의 개시된 열 전달 복합물은 집중 영역(440)의 적어도 일 실시예와 결합된다(도 4). 일 실시예에서, 집중 영역(440)은 다양한 실시예들을 따라 제2 열 전달 구조의 빈 표면에서 솔더 프리폼으로의 이방성 열 채널을 생성하는 정렬된 탄소 섬유들을 포함한다.
도 9는 공정 실시예의 개략도이다. 일 실시예에서, 도 1a에 도시된 제1 열 전달 구조(110) 및 제2 열 전달 구조(112)와 같은, 제1 열 전달 구조 및 제2 열 전달 구조의 매트릭스가 공압출(co-extrusion) 및 슬라이싱(slicing) 공정을 거친다. 미립자 공급재(feed)(910) 및 매트릭스 공급재(920)가 압출기(930)에 공급된다. 압출기(930)는 열 전달 프리폼(950)으로 얇게 잘라지는 혼합된 배출물(940)을 배출한다. 공정은 매트릭스 물질의 가열 및 중간 경화를 포함한다.
일 실시예에서, 혼합된 배출물(940)은 혼합기 안에서 만들어진다. 그것은 혼합되고, 소정의 형태로 주조되고, 경화되고, 슬라이싱된다.
도 10은 방법 실시예의 개략도이다. 도 10은 일 실시예에 따른 스탬핑 공정 및 조립 방법(1000)을 도시하는 조립품의 측입면도이다. 일 실시예에서, 예비 형 성된(pre-formed) 히트 스프레더 기판(1010)은 스탬핑 공정 및 조립 방법에 앞서 특정한 형태를 취한다. 본 실시예에서, IHS(1010)가 도시된다. 제2 열 전달 구조(112)의 매트릭스와 유사하게 열 전달 프리폼(1012)을 운반하는 프레스 포지티브(press positive)(1020)는 솔더 프리폼(1014)에 대해 스탬프된다. 두꺼운, 아래로 향하는 수직 화살표가 가리키는 프레스(1022)의 작동에 의해 프레스 포지티브(1020)는 솔더 프리폼(1014)에 대해 교합(articulate)된다. IHS(1010)이 상당한 치수들을 갖기 때문에, 솔더 프리폼(1014)은 IHS(1010)의 립(lip) 부분들(1011) 사이에 배치돠고, 프레스 포지티브(1020)는 IHS(1010)에 대해 립 부분들(1011)에 대한 손상 없이 압착한다.
일 실시예에서, 프레스(1022)는 지지대(1032)를 포함한다. 지지대(1032)는 제2 열 전달 구조(1012)를 솔더 프리폼(1014)에 대해, IHS(1010) 위로 스탬핑하는 동안 IHS(1010)를 유지하기 위해 사용된다. 일 실시예에서, 지지대(1032)는 본원에서 설명된 공정을 위한 열원이다. 방법 실시예가 공정 중의 솔더 프리폼(1014) 및 제2 열 전달 구조(1012)를 도시하지만, 본원에 도시된 전체 열 전달 서브시스템 및/또는 열 전달 복합물 및 그들의 기술분야에서 인정되는 등가물들이 본 방법 실시예에서 고려된다.
일반적인 실시예에서, 다양한 실시예들에 따라 열 전달 서브시스템을 통해 IHS(1010)를 다이와 중간 접촉시킨 후, 열 전달 서브시스템을 접합하는 것은 제2 열 전달 구조(1012)의 금속 실시예를 리플로우하는 것(reflowing) 및/또는 제2 열 전달 구조(1012)의 유기 실시예를 경화시키는 것을 포함한다. 열 전달 서브시스템 을 접합시키는 것이 유기재료를 포함하는 경우, 구조들을 결합시킨 후 경화 및/또는 고화(hardening) 공정이 실행될 수 있다. 열 전달 서브시스템을 접합시키는 것이 유기/무기 복합물을 포함하는 경우, 구조들을 결합시킨 후 경화, 고화 및/또는 리플로우가 실행될 수 있다.
도 10에 도시된 실시예들에 대해, 공정 조건은 주위 온도와 약 160℃ 사이의 온도범위를 포함한다. 일 실시예에서, 스탬핑 전에, IHS(1010) 또는 일반적으로, 히트 스프레더 기판은 주위보다 높게 가열된다. 일 실시예에서, 근사(TTIM-TAMB)/2를 따른 열 전달 서브시스템에 대한 온도에서 스탬핑이 실행된다. 이러한 온도 근사에서, TTIM은 열 전달 서브시스템 안의 복수의 또는 다량의 금속들의 녹는 섭씨 온도이다. 더욱이, TAMB는 주위의 섭씨 온도이고 전형적으로 약 25℃이다.
스탬핑 압력은 열 전달 서브시스템의 재료 및 클래딩(cladding)층이 있는지 여부에 의존할 수 있다. 일 실시예에서, 제곱인치 당 약 200 파운드중(pounds force)의 압력이 사용된다. 일 실시예에서, 제곱인치 당 약 400 파운드중의 압력이 사용된다. 일 실시예에서, 제곱인치 당 약 200 파운드중에서 약 400 파운드중의 범위에 있는 압력이 사용된다.
예시 1
도 10 및 도 12를 참조한다. 제1 예시에서, IHS 급(grade)의 구리 히트 스프레더 기판(1224)은 니켈 클래딩 층(1225)에 의해 클래딩된다. 인듐-솔더 프리폼(1014)은 프레스(1022)에 공급되고, 프레스 포지티브(1020)는 솔더 프리폼(1014) 에 대한 스탬핑 운동으로 교합된다. 솔더 프리폼(1014)은 지지대(1032)에 의해 약 86℃로 예열되고, 프레스 포지티브(1020)는 제곱인치 당 약 400 파운드중의 힘을 가한다. 본 예시에서, 제2 열 전달 구조(1012)도 솔더 프리폼(1014)과 동시에, 또는 차례로 스탬프된다. 스탬핑 공정 후에, 히트 스프레더 기판(1224) 및 TIM(1238)을 포함하는 방열판 조립품이 얻어진다.
예시 2
도 5a 및 도 5b를 참조한다. 제2 예시에서, IHS 급의 구리 히트 스프레더 기판은 인듐 솔더 프리폼(514)과 스탬핑된다. 인듐 솔더 프리폼(514)은 프레스에 제공되고, 프레스 포지티브는 솔더 프리폼(514)에 대한 스탬핑 운동으로 교합된다. 솔더 프리폼(514)는 지지대에 의해 약 86℃로 예열되고, 프레스 포지티브는 제곱인치 당 400 파운드중의 힘을 가한다.
스탬핑 공정 후, IHS에 접합된 열 전달 복합물(501)을 포함하는 방열판 조립품이 얻어진다.
도 11은 일 실시예에 따른 패키지의 측단면도이다. 이 패키지는 본 명세서에서 제시된 몇몇 실시예들 중 임의의 것을 따른 열 전달 복합물(1111)을 포함한다. 열 전달 복합물(1111)은 두께가 과장되어 도시된다. 패키지는 활성 표면(1120) 및 뒷면(1122)을 갖는 다이(1117)를 포함한다. 다이(1117)는 열 관리 디바이스에 접속된다. 일 실시예에서, 열 관리 디바이스는 다이(1117)의 뒷면(1122) 위에 배치되는 IHS(1124)이다. 개시된 열 전달 복합물 중 임의의 것과 같은, TIM의 형태인, 열 전달 복합물(1111)은 그들의 다양한 실시예들에서, 다이(1117)의 뒷 면(1122)과 IHS(1124) 사이에 배치된다. 또 다른 실시예에서, 다양한 구조들이 솔더-리치 구간(1114), 폴리머-솔더 구간(1118) 및 폴리머-리치 구간(1112)과 같은 인터페이스들로 구성된다. 또 다른 실시예에서, 열 전달 복합물(1111)은 솔더-리치 지대(1114), 폴리머-솔더 지대(1118) 및 폴리머-리치 지대(1112)에 대한 구배들을 포함한다.
IHS(1124)는 IHS(1124)의 립 부분(1130)을 고착시키는 접합 물질(1128)로 탑재 기판(1126)에 부착된다. 탑재 기판(1126)은 메인 보드, 마더보드, 메자닌 보드, 확장 카드, 또는 특정한 응용의 또 다른 탑재 기판과 같은 PCB(printed circuit board)이다.
일 실시예에서, 열 관리 디바이스는 간단한 평면형 방열판과 같은 립 구조 없는 방열판이다. 일 실시예에서, 열 관리 디바이스는 열 파이프 구성을 포함한다. 다이(1117)는 일련의 접합 패드들(1134)에 각각 차례로 탑재되는 일련의 전기적 범프들(1132)과 열 전달 복합물(1111) 사이에 배치된다. 전기적 범프들(1132)은 다이(1117)의 활성 표면(1120)과 접촉한다. 게다가, 전기적 범프들(1132)은 본 기술분야에서 알려진 바와 같이 볼 그리드 어레이로 도시된다.
대조적으로, 열 전달 복합물(1111)은 다이(1117)의 뒷면(1122)과 열적으로 접촉한다. 접합선 두께(BLT)(1138)가 도시된다. BLT(1138)는 열 전달 복합물(1111)의 두께이다. 일 실시예에서, BLT(1138)는 약 100Å에서 약 1000㎛ 사이의 범위에 있다.
다이(1117)를 갖는 열 전달 복합물(1111)의 금속성의 부분들의 리플로우는 열 공정으로 실행될 수 있다. 만약 존재한다면, 활성 원소 재료들이 베이스 솔더의 녹는 구역에 도달하도록 열은 종래의 공정들에 의해 가해질 수 있다. 예를 들면, 베이스 솔더가 인듐을 포함하는 경우, 약 150℃에서 약 200℃의 범위의 가열이 실행된다.
열 전달 복합물(1111)의 금속성 부분들의 리플로우 동안, 만약 존재한다면, 활성 원소(들)은, 분해되고 다이(1117)의 뒷면(1122)으로 확산한다. 일 실시예에서, 다이(1117)와 복수의 제1 열 전달 물질들(예를 들면 도 1b의 항목(112)) 사이에 형성된 솔더 접합점은 약 1000psi 에서 약 2000psi의 범위에 있는 접합력을 형성한다.
도 12는 일 실시예에 따른 패키지의 측단면도이다. 패키지는 본원에서 제시된 일 실시예에 따른 열 전달 복합물(1211)을 포함한다. 패키지는 활성 표면(1220) 및 뒷면(1222)을 갖는 다이(1217)를 포함한다. 다이(1217)는 열 관리 디바이스에 접속된다. 일 실시예에서, 열 관리 디바이스는 다이(1217)의 뒷면(1222) 위에 배치된 IHS(1224)이다. 게다가, IHS(1224)는 클래딩 층(1225)을 포함한다. 또 다른 실시예에서, 다양한 구조들이 솔더-리치 구간(1214), 폴리머-솔더 구간(1218) 및 폴리머-리치 구간(1212)으로서의 인터페이스들을 가지고 구성된다. 또 다른 실시예에서, 열 전달 복합물(1211)은 솔더-리치 지대(1214), 폴리머-솔더 지대(1218), 및 폴리머-리치 지대(1212)에 대한 구배들을 포함한다.
열 전달 복합물 중 임의의 것과 같은, TIM의 형태인, 열 전달 복합물(1211)은 다양한 실시예들에서, 다이(1217)의 뒷면(1222)과 IHS(1224) 사이에 배치된다. 일 실시예에서, 클래딩 층(1225)이 금인 경우, 열 전달 복합물(1211)의 솔더 프리폼 부분은 솔더 재료이다.
IHS(1224)는 IHS(1224)의 립 부분(1230)을 고착시키는 접합 물질(1228)로 탑재 기판(1226)에 부착된다. 다이(1217)는 일련의 접합 패드들(1234)에 각각 차례로 탑재되는 일련의 전기적 범프들(1232)과 열 전달 복합물(1211) 사이에 배치된다. 전기적 범프들(1232)은 다이(1217)의 활성 표면(1220)에 접촉한다. 게다가, 전기적 범프들(1232)은 본 기술분야에서 알려진 바와 같은 BGA로 도시된다.
대조적으로, 열 전달 복합물(1211)은 다이(1217)의 뒷면(1222)과 열적으로 접촉한다. BLT(1238)가 도시된다. 일 실시예에서, BLT(1238)는 약 100Å에서 약 1000㎛ 사이의 범위에 있다.
도 13은 일 실시예에 따른 패키지의 측단면도이다. 패키지는 본원에 제시된 일 실시예에 따른 열 전달 복합물(1311)을 포함한다. 패키지는 활성 표면(1320) 및 뒷면(1322)을 갖는 다이(1317)를 포함한다. 다이(1317)는 열 관리 디바이스에 접속된다. 일 실시예에서, 열 관리 디바이스는 다이(1317)의 뒷면(1322) 위에 배치된 IHS(1324)이다. 게다가, 다이(1317)는 클래딩 층(1319)을 포함한다. 또 다른 실시예에서, 다양한 구조들이, 솔더-리치 구간(1314), 폴리머-솔더 구간(1318) 및 폴리머-리치 구간(1312)으로서 인터페이스들을 가지고 구성된다. 또 다른 실시예에서, 열 전달 복합물(1311)은 솔더-리치 지대(1314), 폴리머-솔더 지대(1318) 및 폴리머-리치 지대(1312)에 대한 구배들을 포함한다.
개시된 열 전달 복합물 중 임의의 것과 같은, TIM의 형태인, 열 전달 복합 물(1311)은 다양한 실시예들에서, 다이(1317)의 뒷면(1322)과 IHS(1324) 사이에 배치된다. 일 실시예에서, 클래딩 층(1319)이 금인 경우, 열 전달 복합물(1311)의 매트릭스 부분은 솔더 재료이다. 일 실시예에서, 클래딩 층(1319)이 니켈인 경우, 열 전달 복합물(1311)의 매트릭스 부분은 폴리머 재료이다.
IHS(1324)는 IHS(1324)의 립 부분(1330)을 고착시키는 접합 물질(1328)로 탑재 기판(1326)에 부착된다. 다이(1317)는 일련의 접합 패드들(1334)에 각각 차례로 탑재되는 일련의 전기적 범프들(1332)과 열 전달 복합물(1311) 사이에 배치된다. 전기적 범프들(1332)은 다이(1317)의 활성 표면(1320)에 접촉한다. 게다가, 전기적 범프들(1332)은 본 기술분야에서 알려진 바와 같은 BGA로 도시된다.
대조적으로, 열 전달 복합물(1311)은 다이(1317)의 뒷면(1322)과 열적으로 접촉한다. BLT(1338)가 도시된다. 본 실시예에서, BLT(1338)는 약 100Å에서 약 1000㎛ 사이의 범위에 있다.
도 14는 일 실시예에 따른 패키지의 측단면도이다. 패키지는 본원에 제시된 일 실시예에 따른 열 전달 복합물(1411)을 포함한다. 패키지는 활성 표면(1420) 및 뒷면(1422)을 갖는 다이(1417)를 포함한다. 다이(1417)는 열 관리 디바이스에 접속된다. 일 실시예에서, 열 관리 디바이스는 다이(1417)의 뒷면(1422) 위에 배치된 IHS(1424)이다. 게다가, 다이(1417)는 클래딩 층(1419)을 포함하고IHS(1424)는 클래딩 층(1425)을 포함한다. 또 다른 실시예에서, 다양한 구조들이, 솔더-리치 구간(1414), 폴리머-솔더 구간(1418) 및 폴리머-리치 구간(1412)과 같은 인터페이스들을 가지고 구성된다. 또 다른 실시예에서, 열 전달 복합물(1411)은 솔더-리치 지대(1414), 폴리머-솔더 지대(1418), 및 폴리머-리치 지대(1412)에 대한 구배들을 포함한다.
개시된 열 전달 복합물 중 임의의 것과 같은, TIM의 형태인, 열 전달 복합물(1411)은 다양한 실시예들에서, 다이(1417)의 뒷면(1422)과 IHS(1424) 사이에 배치된다. 일 실시예에서, 클래딩 층(1419)이 금인 경우, 열 전달 복합물(1411)의 매트릭스 부분은 솔더 재료이다. 일 실시예에서, 클래딩 층(1419)이 니켈인 경우, 열 전달 복합물(1411)의 매트릭스 부분은 폴리머 재료이다.
IHS(1424)는 IHS(1424)의 립 부분(1430)을 고착시키는 접합 물질(1428)로 탑재 기판(1426)에 부착된다. 다이(1417)는 일련의 접합 패드들(1434)에 각각 차례로 탑재되는 일련의 전기적 범프들(1432)과 열 전달 복합물(1411) 사이에 배치된다. 전기적 범프들(1432)은 다이(1417)의 활성 표면(1420)에 접촉한다. 게다가, 전기적 범프들(1432)은 본 기술분야에서 알려진 바와 같은 BGA로 도시된다.
대조적으로, 열 전달 복합물(1411)은 다이(1417)의 뒷면(1422)과 열적으로 접촉한다. BLT(1438)가 도시된다. 본 실시예에서, BLT(1438)는 약 100Å에서 약 1000㎛ 사이의 범위에 있다.
도 15는 일 실시예에 따른 컴퓨팅 시스템의 개략도이다. 본 명세서에서 제시된 몇몇 실시예들은, 첨부 도면들에서 보여진 바와 같이 IHS와 다이에 접합된 열 전달 복합물과 탑재 기판을 가지고 패키징된, 집적 회로 플립 칩(flip chip) 구성의 이용과 관련하여 주로 설명되었다. 그러나, 단지 이러한 특정한 구성에 한정되지 않는 다른 실시예들이 채용될 수 있고, 청구된 본 발명은 마이크로일렉트로 닉(microelectronic) 패키지들의 다른 유형에도 적용가능하다. 예를 들면, 청구된 본 발명에 따르는 마이크로일렉트로닉 패키지들은 예를 들면, 핀 그리드 어레이(PGA), BGA, 핀드(pinned) 인터포저(interposer)들을 갖는 BGA 및 와이어 접합(wire bonding)과 같은 가지각색의 폼 팩터(form factor)들을 갖는 패키지들을 포함할 수 있다.
하나 이상의 전술한 마이크로일렉트로닉 패키지의 실시예들은 도 15의 컴퓨팅 시스템(1500)과 같은 컴퓨팅 시스템에 활용될 수 있다. 컴퓨팅 시스템(1500)은 열 전달 복합물 및 IHS(1510), 또는 열 전달 복합물 및 히트 스프레더 기판(1510) 아래의 적어도 하나의 프로세서(도시되지 않음)를 포함한다. 게다가, 컴퓨팅 시스템(1500)은 예를 들면, 데이터 저장 시스템(1512), 키보드(1514)와 같은 적어도 하나의 입력 디바이스 및 모니터(1516)와 같은 적어도 하나의 출력 디바이스를 포함한다. 일 실시예에서, 컴퓨팅 시스템(1500)은 데이터 신호들을 처리하는 프로세서를 포함하고, 예를 들면, 인텔 주식회사로부터 얻을 수 있는 마이크로프로세서를 포함할 수 있다. 키보드(1514) 이외에, 일 실시예의 컴퓨팅 시스템(1500)은 예를 들면, 마우스(1518)와 같은 또 다른 사용자 입력 디바이스를 포함한다. 일 실시예에서, 컴퓨팅 시스템(1500)은 하나 이상의 전술된 실시예들에서 기술된 것과 같은 하나 이상의 패키지들을 이용한다. 본 발명의 목적을 위해, 청구된 본 발명에 따른 구성요소들을 채용하는 컴퓨팅 시스템(1500)은 예를 들면, DRAM(dynamic random access memory), 폴리머 메모리(polymer memory), 플래시 메모리(flash memory) 및 상 변화 메모리(phase-change memory)와 같은 데이터 저장 디바이스를 포함할 수 있는 마이크로일렉트로닉 패키지를 이용하는 임의의 시스템을 포함할 수 있다. 마이크로일렉트로닉 패키지는 디지털 신호 프로세서(digital signal processor, DSP), 마이크로컨트롤러(micro controller), 주문형 반도체(application specific integrated circuit, ASIC), 또는 마이크로프로세서를 담고 있는 다이도 포함할 수 있다. 이제 본 명세서에 제시된 실시예들이 전통적인 컴퓨터 이외의 디바이스들 및 장치들에 적용될 수 있다는 것이 이해될 수 있다. 예를 들면, 다이는 열 전달 복합물의 일 실시예로 패키징되고 무선 통신기와 같은 휴대용 디바이스 또는 PDA(personal data assistant) 등과 같은 핸드헬드 디바이스(hand-held device)에 장착될 수 있다. 다른 예시는 열 전달 복합물의 일 실시예로 패키징되고 자동차, 기관차, 선박, 항공기 또는 우주선과 같은 수송 수단에 장착될 수 있는 다이이다.
도 16은 일 실시예에 따른 공정 흐름도(1600)이다. 1610에서, 공정은 복수의 제1 열 전달 구조와 제2 열 전달 구조를 이용하여 다이 접착 열 전달 매트릭스를 형성하는 단계를 포함한다. 제한되지 않는 예시에 따르면, 도 9는 제1 열 전달 구조 및 제2 열 전달 구조의 매트릭스의 형성을 도시한다. 이 구조들은 도 1a에 도시된 제1 열 전달 구조(110) 및 제2 열 전달 구조(112)로 공압출된다.
1620에서, 공정은 열 전달 복합물 형태를 형성하기 위해 공압출된 재료의 일부분을 절단함으로써 계속된다. 제한되지 않는 예시에 따르면, 도 9는 슬라이스되거나 또는 다른 방법으로 공압출된 재료에서 분리된 프리폼(950)을 도시한다.
1630에서, 공정은 계속 열 전달 서브시스템을 형성한다. 다이-접착 열 전달 매트릭스 및 히트 스프레더 접착 솔더 프리폼은 열 전달 서브시스템을 형성하기 위해 적층된다. 제한되지 않는 예시에 따르면, 도 1a는 제2 열 전달 구조의 매트릭스(112) 안의 복수의 제1 열 전달 구조(110)에 적층된 솔더 프리폼(114)과 함께 열 전달 서브시스템(100)을 도시한다.
1640에서 공정은 열 전달 서브시스템을 압착함으로써 계속된다. 제한되지 않는 예시에 따르면, 도 10은 압착 공정을 도시한다. 압착 공정은 열이 지원될 수 있다.
1642에서, 프레스 공정은 전구 재료들(precursor materials) 사이의 적어도 하나의 인터페이스를 갖는 열 전달 구조를 얻도록 행해질 수 있다. 제한되지 않는 예시에 따르면, 도 1b는 제2 열 전달 구조(112)의 매트릭스와 솔더 프리폼(114)을 혼합하도록 얻어진 인터페이스(102)를 포함한다.
1644에서, 매트릭스와 프리폼 사이에 농도 구배를 갖는 열 전달 구조를 획득하기 위해 프레스 공정이 행해질 수 있다. 제한되지 않는 예시에 따르면, 도 11은 제2 열 전달 구조(1112) 안으로 다시 혼합되는 중간 열 전달 구조(1118)로 혼합되는 솔더 프리폼(1114)을 포함하는, 열 전달 복합물(1111) 내의 농도 구배를 설명한다.
도 17은 일 실시예에 따른 방법 흐름도이다. 방법은 열 전달 복합물 실시예를 사용하는 패키지를 조립하는 단계를 포함한다.
1710에서 방법은 열 관리 디바이스를 열 전달 복합물과 결합하는 단계를 포함한다. 제한되지 않는 예시에 따르면, 도 10은 열 전달 복합물과 IHS가 열 전달 유닛을 형성하기 위해 압착되는 프레스 공정을 도시한다.
1712에서, 열 전달 유닛은 패키지를 형성하기 위해 다이에 부착된다.
다른 방법도 도시된다.
1720에서, 열 전달 복합물은 다이 유닛을 형성하기 위해 다이에 연결된다.
1722에서 다이 유닛은 패키지를 형성하기 위해 IHS와 결합된다.
독자가 기술적인 명세서의 특징과 요지를 신속하게 알아내도록 할 요약서를 요구하는 제37조 C.F.R. §1.72(b)를 따르기 위해 요약서가 제공된다. 그것은 청구항들의 범위 또는 의미를 해석하거나 제한하려고 사용되지 않을 것이라는 이해와 함께 제출되었다.
전술된 상세한 설명에서, 명세서를 간소화하려는 목적으로 하나의 실시예에 다양한 특성들이 함께 묶어졌다. 이러한 개시 방법은 본 발명의 청구된 실시예들이 각 청구항에서 명백히 열거된 것 이상의 특성들을 요구한다는 의도를 반영하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 오히려, 다음의 청구항들이 반영하듯, 본 발명은 개시된 단일 실시예의 모든 특성보다 적다. 그래서 각 청구항이 개별적인 바람직한 실시예로서 독자적인 다음의 청구항들은 상세한 설명에 통합되어 있다.
본 발명의 특징을 설명하기 위해 기술되고 예시된 세부사항, 재료 및 부품 및 방법 단계의 배열에서 다양한 다른 변경들이 첨부된 청구항들에 표현된 것과 같은 발명의 원리들 및 범위로부터 벗어나지 않고 만들어질 수 있다는 것이 본 기술분야의 당업자에게 쉽게 이해될 것이다.
실시예들이 얻어지는 방식을 이해하기 위해서, 앞서 간단하게 설명된 본 발명의 다양한 실시예들에 대한 보다 특별한 설명이 첨부된 도면들을 참고하여 제공될 것이다. 이러한 도면들에 도시된 실시예들은 비율대로 그려지지 않았고 그 범위가 제한된다고 여겨지지 않는다. 소정의 실시예들은 첨부하는 도면들의 사용을 통하여 추가적인 특성 및 세부사항을 가지고 기술 및 설명될 것이다.
도 1a는 일 실시예에 따른 열 전달 서브시스템(heat transfer subsystem)의 측단면도이다.
도 1b는 추가 공정 후 도 1a의 열 전달 복합물을 도시한다.
도 2a는 일 실시예에 따른 열 전달 서브시스템의 측단면도이다.
도 2b는 추가 공정 후 도 2a의 열 전달 복합물을 도시한다.
도 3a는 일 실시예에 따른 열 전달 서브시스템의 측단면도이다.
도 3b는 추가 공정 후 도 3a의 열 전달 복합물을 도시한다.
도 4는 일 실시예에 따른 열 전달 복합물의 하단면도이다.
도 5a는 일 실시예에 따른 열 전달 서브시스템의 측단면도이다.
도 5b는 추가 공정 후 도 5a의 열 전달 복합물을 도시한다.
도 6a는 일 실시예에 따른 열 전달 서브시스템의 측단면도이다.
도 6b는 추가 공정 후 도 6a의 열 전달 복합물을 도시한다.
도 7a는 일 실시예에 따른 열 전달 서브시스템의 측단면도이다.
도 7b는 추가 공정 후 도 7a의 열 전달 복합물을 도시한다.
도 8a는 일 실시예에 따른 열 전달 서브시스템의 측단면도이다.
도 8b는 추가 공정 후 도 8a의 열 전달 복합물을 도시한다.
도 9는 공정 실시예의 개략도이다.
도 10은 방법 실시예의 개략도이다.
도 11은 일 실시예에 따른 패키지의 측단면도이다.
도 12는 일 실시예에 따른 패키지의 측단면도이다.
도 13은 일 실시예에 따른 패키지의 측단면도이다.
도 14는 일 실시예에 따른 패키지의 측단면도이다.
도 15는 일 실시예에 따른 컴퓨팅 시스템의 개략도이다.
도 16은 일 실시예에 따른 공정 흐름도이다.
도 17은 일 실시예에 따른 방법 흐름도이다.

Claims (6)

  1. 제2 열 전달 구조의 매트릭스(matrix) 안에 배치된 복수의 제1 열 전달 구조;
    상기 매트릭스 상에 배치된 솔더 프리폼(solder preform); 및
    상기 매트릭스와 상기 솔더 프리폼 사이의 천이부(transition part)
    를 포함하고,
    상기 천이부는 농도 구배(concentration gradient)인 물품.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 매트릭스는 폴리머이고, 상기 복수의 제1 열 전달 구조는 흑연(graphite), 다이아몬드 분말, 무기 유전체 입자들 및 금속 입자들에서 선택되는 물품.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 매트릭스와 상기 솔더 프리폼 사이에 배치된 중간 열 전달 구조를 더 포함하고, 상기 중간 열 전달 구조는 상기 매트릭스의 혼합 성분들(blended compositions)과 상기 솔더 프리폼의 성분 간에서 천이하는(transitional) 성분을 포함하는 물품.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 매트릭스와 상기 솔더 프리폼 사이에 배치된 중간 열 전달 구조를 더 포함하고,
    상기 중간 열 전달 구조는 상기 매트릭스의 성분과 상기 솔더 프리폼의 성분 간에서 천이하는 성분을 포함하고,
    상기 매트릭스와 상기 솔더 프리폼 사이의 상기 천이부는 상기 솔더 프리폼과 상기 중간 열 전달 구조 사이의 제1 인터페이스 및 상기 중간 열 전달 구조와 상기 매트릭스 사이의 제2 인터페이스를 포함하는 물품.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 제1 열 전달 구조 이외에 상기 매트릭스 안에 적어도 하나의 미립자 물질을 더 포함하는 물품.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 제1 열 전달 구조는 상기 매트릭스의 일부분에 집중 영역(concentration region)을 가지며, 상기 집중 영역에는 상기 매트릭스의 다른 영역들보다 높은 밀도로 제1 열 전달 구조들이 배치되는 물품.
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