專利名稱：3d堆疊式裸片封裝的增強(qiáng)型熱管理的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的一些方面涉及3D堆疊式裸片封裝的增強(qiáng)型熱管理。
背景技術(shù)：
一般而言，電子封裝體是有源器件(諸如邏輯或者存儲器器件)以及無源器件(諸如電阻器和電容器)裝入其中的硬件部件。電子封裝體執(zhí)行電子系統(tǒng)的功能，諸如在移動電話、個人計(jì)算機(jī)、數(shù)字音樂播放器等以內(nèi)使用的功能。將常見電子封裝分類為倒裝芯片或者線焊封裝。在典型倒裝芯片電子封裝體中，如圖I中所示，單個裸片10通過可以封入下填材料160中的受控塌陷芯片連接(C4)凸塊130接合到陶瓷或者有機(jī)材料襯底100。蓋120為裸片10提供熱冷卻和機(jī)械保護(hù)。可以是彈性體、粘合劑、凝膠體或者金屬的熱界面材料(TIM) 150可以設(shè)置于芯片10與蓋120之間。鍵合劑170 (諸如彈性體、環(huán)氧樹脂或者機(jī)械緊固器)將蓋120附著到襯底100。襯底100可以經(jīng)由引線140進(jìn)一步耦合到印刷電路板·(PCB)110。為了增加帶寬和功能，如圖2中所示，將多個裸片11、12、13和14附著到多芯片襯底101來增強(qiáng)圖I中所示封裝體。這里，電子封裝在尺度上增長以容納多個裸片11、12、13和14并且?guī)沓杀?、與尺寸有關(guān)的和可靠性折衷。在圖3中所示又一配置中，多個裸片15-18豎直地堆疊到單個芯片襯底102上。由于可以在特定裸片堆疊中提供一組芯片、電阻器、電容器和/或存儲器單元，所以它可以是需要很少外部部件的完整功能單元。這樣，在空間有限的環(huán)境(諸如移動電話和計(jì)算機(jī))中使用裸片堆疊可以有價值。堆疊式裸片也可以提供增加的電互連密度而延時更少并且功率消耗更低，這可以增加系統(tǒng)性能。這對于其中有時難以向存儲器充分增加帶寬的“多芯”芯片尤其如此。然而，盡管豎直配置的裸片堆疊具有益處，它存在的問題在于上裸片沿著從裸片堆疊并且向冷卻蓋(例如圖I的蓋120)中的主要熱流動路徑提供熱阻。在正常操作期間，這一熱阻使裸片堆疊內(nèi)的電子芯片的內(nèi)部溫度與非堆疊式電子裸片的內(nèi)部溫度相比增加。因而可能降低具有裸片堆疊的電子封裝體的性能。已經(jīng)在通過引用將全部內(nèi)容結(jié)合于此的、名稱為“SEGMENTATION OF A DIE STACKFOR 3D PACKAGINGTHERMAL MANAGEMENT”的第12/177，194號美國專利申請中提出對這一問題的一種解決方案。在該情況下，充當(dāng)散熱器的蓋設(shè)置成與在豎直堆疊的底部的芯片的表面有熱傳遞關(guān)系，而頂部芯片一般小于底部芯片或者以別的方式分割成更小的塊。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種裸片堆疊封裝體并且該裸片堆疊封裝包括襯底；計(jì)算部件的堆疊；至少一個熱板，與堆疊熱連通；以及蓋，在襯底上被支撐以包圍堆疊和至少一個熱板以由此限定第一熱傳遞路徑以及第二熱傳遞路徑，該第一熱傳遞路徑經(jīng)由至少一個熱板和鰭從計(jì)算部件中的一個計(jì)算部件向蓋延伸，鰭耦合到蓋的表面和至少一個熱板，而該第二熱傳遞路徑從計(jì)算部件中的該一個計(jì)算部件向蓋表面延伸而未穿過至少一個熱板。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種組裝裸片堆疊封裝體的方法，并且該方法包括形成計(jì)算部件的堆疊；將至少一個熱板定位成與堆疊熱連通；并且用在襯底上支撐的蓋包圍堆疊和至少一個熱板以由此限定第一熱傳遞路徑以及第二熱傳遞路徑，該第一熱傳遞路徑經(jīng)由至少一個熱板和鰭從計(jì)算部件中的一個計(jì)算部件向蓋延伸，鰭耦合到蓋的表面和至少一個熱板，而該第二熱傳遞路徑從計(jì)算部件中的該一個計(jì)算部件向蓋表面延伸而未穿過至少一個熱板。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種裸片堆疊封裝體，并且該裸片堆疊封裝包括襯底，電連接嵌入于其中的下填料設(shè)置于襯底上；熱板，設(shè)置于下填料上；粘合劑和計(jì)算部件的交替層的堆疊，設(shè)置于熱板上并且與電連接電連通；熱界面材料(TM)，設(shè)置于堆疊和熱 板的相應(yīng)表面上；以及蓋，粘附到襯底以包圍熱板和堆疊，該蓋包括與堆疊表面TIM熱連通的蓋表面和與熱板表面TIM熱連通的鰭。根據(jù)本發(fā)明的又一方面提供一種裸片堆疊封裝體，并且該裸片堆疊封裝包括襯底；計(jì)算部件的堆疊；熱板，設(shè)置于計(jì)算部件的堆疊內(nèi)；熱界面材料(TIM)，設(shè)置于堆疊和熱板的相應(yīng)表面上；以及蓋，粘附到襯底以包圍熱板和堆疊，該蓋包括與堆疊表面TIM熱連通的蓋表面和與熱板表面TIM熱連通的鰭。


在說明書篇尾的權(quán)利要求中具體地指出并且獨(dú)特要求保護(hù)視為本發(fā)明的主題內(nèi)容。從結(jié)合以下附圖進(jìn)行的下文具體描述中清楚本發(fā)明的前述和其它方面、特征以及優(yōu)
占-
^ \\\ 圖I是具有單個裸片的典型倒裝芯片電子封裝體的截面圖；圖2是水平布置于芯片載體上的多個裸片的透視圖；圖3是豎直布置于裸片堆疊上的多個裸片的透視圖；圖4示出了根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例的具有豎直裸片堆疊的電子封裝體的截面圖；圖5示出了根據(jù)本發(fā)明又一實(shí)施例的具有豎直裸片堆疊的電子封裝體的截面圖；圖6示出了根據(jù)本發(fā)明更多又一實(shí)施例的具有豎直裸片堆疊的電子封裝體的截面圖；并且圖7示出了根據(jù)本發(fā)明更多又一實(shí)施例的具有豎直裸片堆疊的電子封裝體的截面圖。
具體實(shí)施例方式根據(jù)本發(fā)明的一些方面，通過向裸片堆疊的底部或者向裸片堆疊的中部中添加熱板來提供一種用于裸片堆疊的獨(dú)立于架構(gòu)的冷卻解決方案。通過熱傳導(dǎo)粘合劑實(shí)現(xiàn)在裸片堆疊的芯片與熱板之間的互連的進(jìn)一步增強(qiáng)。蓋或者散熱器包括鰭，該鰭接觸熱板以提供用于裸片堆疊的附加冷卻路徑。鰭可以傾斜或者耦合到蓋的大區(qū)域，諸如通常是蓋的相對冷卻區(qū)域的那些區(qū)域。這樣，裸片堆疊冷卻的量或者程度僅受總封裝尺寸限制。此外，去耦合電容器和其它無源部件可以與熱板集成并且也被冷卻。在機(jī)械上相對強(qiáng)韌的熱界面材料(TIM)可以例如設(shè)置于熱板與鰭之間以尤其在襯底由有機(jī)材料形成時增加裸片堆疊的機(jī)械穩(wěn)定性。參照圖4，提供堆疊封裝體200。裸片堆疊封裝體200包括襯底210、熱板220、裸片堆疊230、熱界面材料(TM) 240和蓋250，裸片堆疊230包括計(jì)算部件231，諸如硅芯片之類的堆疊。熱板220具有與至少計(jì)算部件231并且可能也與襯底210和蓋250的熱膨脹系數(shù)(CTE)基本上匹配的CTE。襯底210可以由陶瓷和/或有機(jī)材料形成，并且可以被形成為將裸片堆疊封裝體200耦合到用于在計(jì)算設(shè)備中使用的PCB的印刷電路板(PCB)或者部件。襯底210具有下填料212設(shè)置于其上的大體上平面表面211。下填料212電絕緣、提供在熱板220與襯底 210之間的機(jī)械連接并且提供在熱板220與襯底210之間的熱橋。電連接213 (諸如焊接接頭和/或受控塌陷芯片連接(C4)凸塊)可以嵌入于下填料212內(nèi)，而下填料212在可能出現(xiàn)的任何熱膨脹期間為焊接接頭進(jìn)一步提供結(jié)構(gòu)制支撐。熱板220設(shè)置于下填料212上。熱板220可以是具有平面表面的基本上平坦構(gòu)件，并且可以被形成為限定硅通孔(TSV) 221，通過該TSV，信號可跨越熱板220和在裸片堆疊230與電連接213之間傳輸。熱板220包括硅、金剛石、金屬材料和/或金屬合金中的至少一種材料。可以根據(jù)襯底210的材料選擇熱板220的材料，以便在必要時提供CTE匹配和/或機(jī)械強(qiáng)度。例如當(dāng)襯底210由有機(jī)材料形成時，熱板可以由與有機(jī)材料CTE匹配的高強(qiáng)度材料形成，從而允許裸片堆疊封裝體200的熱膨脹，但是由于通過熱板220的附加耦合而減少翹曲和/或非共面性。取而代之，對于有機(jī)襯底210，熱板220的CTE可以與有機(jī)襯底210的CTE或者裸片堆疊230的CTE匹配。這里，任一選擇具有的益處在于與裸片堆疊230CTE的匹配提高裸片堆疊230及其互連的可靠性，而與襯底210的匹配增強(qiáng)總封裝體共面性。當(dāng)襯底210由陶瓷材料形成時，熱板220可以由與襯底210的CTE和裸片堆疊230的CTE 二者匹配的相對低CTE材料形成。裸片堆疊230形成為粘合劑232和計(jì)算部件231的交替層的堆疊。粘合劑232可以包括熱傳導(dǎo)粘合劑，并且如同下填料212可以支撐嵌入于其中的附加電連接233。例如，粘合劑232可以是彈性體、由非電傳導(dǎo)粒狀物質(zhì)(諸如氧化鈹)填充的樹脂或者這些或者相似材料的某一組合。計(jì)算部件231在形狀和尺寸上基本上相似，并且這樣，每個計(jì)算部件231可以在操作上彼此互換。也就是說，可以運(yùn)用每個計(jì)算部件231作為中央處理單元(CPU)、存儲器/存儲設(shè)備或者其某一組合。這樣，也有可能的是每個計(jì)算部件231可以有不同或者唯一形狀和尺寸，其中一些是單一單元而其它被分割。在這一情況下，除了這里描述的熱路徑之外的附加熱路徑可以形成于裸片堆疊230與蓋250之間?？傮w上，裸片堆疊230設(shè)置于熱板220上或者有熱板220插入于其中并且與電連接213電連通。這樣，在計(jì)算部件231的計(jì)算操作期間，可以例如通過熱板220的TSV 221和附加電連接233從計(jì)算部件231中的每個計(jì)算部件向電連接213傳輸信號以及相反地傳
輸信號。如圖4中所示，裸片堆疊230由附加電連接233嵌入于其中的粘合劑232的最低層234、包括最低計(jì)算部件231的第二層235、粘合劑232和附加電連接233的第三層236、中間計(jì)算部件231的第四層237、粘合劑232和附加電連接233的第五層238以及最高計(jì)算部件231的第六層239形成。就這一配置而言，最低層234的粘合劑232和附加電連接233介于熱板220的頂表面2200與第二層235的最低計(jì)算部件231的底表面2350之間。信號也通過附加電連接233在每層的計(jì)算部件231之間可傳輸。豎直暴露第六層239的最高計(jì)算部件231的頂表面2390以用于形成熱路徑?？梢岳斫猓瑘D4和其它圖的配置僅為示例并且其它相似配置是可能的。例如，可以有計(jì)算部件231和粘合劑232的附加層以及在裸片堆疊封裝體200或者裸片堆疊230內(nèi)的各種位置設(shè)置的可能的附加熱板220，具體如圖7中所示。計(jì)算部件213也可以在如上文描述的一些實(shí)施例中具有不同形狀或者尺寸，或者可以被分割并且在給定層內(nèi)從彼此移位。計(jì)算部件231可以具有相似或者不同豎直厚度，并且可以在基本上豎直方向上堆疊或者從彼此偏移。另外，可以根據(jù)特定應(yīng)用要求在單個裸片堆疊230中使用不同類型的粘合劑232。例如，裸片堆疊230可以要求粘合劑232隨著構(gòu)建裸片堆疊230而表現(xiàn)強(qiáng)度和/或膨脹能力的梯度。作為又一例子，可能需要變化粘合劑232以考慮不同半導(dǎo)體技術(shù)(硅鍺 (SiGe)器件、藍(lán)寶石上硅器件、硅(Si)器件等)。TIM 240設(shè)置于裸片堆疊230和熱板220的相應(yīng)表面上。具體如圖4中所示，TM240設(shè)置于熱板220的頂表面和第六層239的最高計(jì)算部件231的頂表面2390上。TM240可以包括任何熱傳導(dǎo)材料，但是在一些實(shí)施例中并且尤其在襯底210由有機(jī)材料形成時，TIM 240可以包括機(jī)械上相對強(qiáng)韌的材料以便為裸片堆疊封裝體200提供總支撐。蓋250或者散熱器經(jīng)由密封粘合劑260粘附到襯底210以包圍熱板220和裸片堆疊230。為此，蓋250包括與設(shè)置于裸片堆疊230的相應(yīng)表面上的TM 240熱連通的蓋表面2500、與設(shè)置于熱板220的相應(yīng)表面上的TM 240連通的鰭2501和在襯底210上支撐蓋表面2500的側(cè)壁2502。參照圖4、圖5、圖6和圖7并且根據(jù)本發(fā)明的更多實(shí)施例，可以用變化的形狀和尺寸形成鰭2501，并且熱板220可以定位于蓋250內(nèi)的變化位置。例如，如圖4、圖6和圖7中所示，鰭2501可以從相對于熱板220的法線方向傾斜。作為又一例子，如圖5中所示，鰭2501可以接觸蓋表面2500和側(cè)壁2502。以該方式，鰭2501可以占據(jù)蓋250內(nèi)的空間的相對大部分并且事實(shí)上可以具有如下尺寸，該尺寸僅限于封裝體200的所需總尺寸、重量和制造成本。作為又一例子，如圖6中所示，熱板可以在粘合劑232和計(jì)算部件的層231之間定位于裸片堆疊230內(nèi)，而鰭2501傾斜。此外，鰭2501可以在熱板220的外圍周圍延伸，從而熱板220的相對大的表面區(qū)域與鰭2501接觸。取而代之，鰭2501可以成形為擋板并且可以僅落在熱板220的一側(cè)上。在這一情況下，可以運(yùn)用多個鰭2501以相互分離地落在熱板220的多側(cè)上。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種組裝裸片堆疊封裝體200的方法。該方法包括形成計(jì)算部件231和粘合劑232的層的裸片堆疊230 ;將至少一個熱板220定位成與裸片堆疊230熱連通；并且用襯底210上支撐的蓋250包圍裸片堆疊230和至少一個熱板220。以這一方式，該包圍由此限定第一熱傳遞路徑和第二熱傳遞路徑。第一熱傳遞路徑經(jīng)由至少一個熱板220和鰭2501從計(jì)算部件231之一向蓋250延伸，該鰭耦合到蓋250的表面2500和至少一個熱板220。第二熱傳遞路徑從計(jì)算部件231之一向蓋表面2500延伸而未穿過至少一個熱板220。盡管已經(jīng)參照示例實(shí)施例描述公開內(nèi)容，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解可以進(jìn)行各種改變并且其要素可以替換為等效要素而未脫離公開內(nèi)容的范圍。此外，可以進(jìn)行許多修改以使特定情形或者材料適應(yīng)公開內(nèi)容的教導(dǎo)而未脫離其實(shí)質(zhì)范圍。因此旨在于公開內(nèi)容不限于作為設(shè)想的用于實(shí)現(xiàn)本公開內(nèi)容的最佳實(shí)施方式而公開的具體示例實(shí)施例而是公開內(nèi)容將包括落入所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)的所有實(shí)施例。工業(yè)適用性本發(fā)明發(fā)現(xiàn)在3D堆疊式裸片封裝體的制作中的效用?！?br> 權(quán)利要求
1.一種裸片堆疊封裝體(200)，包括 襯底(210)； 計(jì)算部件(231)的堆疊； 至少一個熱板(220)，與所述堆疊熱連通；以及 蓋(250)，在所述襯底上被支撐以包圍所述堆疊和所述至少一個熱板以由此限定 第一熱傳遞路徑，經(jīng)由所述至少一個熱板和鰭(2501)從所述計(jì)算部件中的一個計(jì)算部件向所述蓋延伸，所述鰭(2501)耦合到所述蓋的表面(2500)和所述至少一個熱板，以及第二熱傳遞路徑，從所述計(jì)算部件中的所述一個計(jì)算部件向所述蓋表面延伸而未穿過所述至少一個熱板。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裸片堆疊封裝體，其中所述計(jì)算部件具有相似尺寸和形狀。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裸片堆疊封裝體，其中至少所述計(jì)算部件和所述至少一個熱板在熱膨脹系數(shù)(CTE)上匹配。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裸片堆疊封裝體，其中所述鰭從相對于所述至少一個熱板的法線方向傾斜。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裸片堆疊封裝體，其中所述鰭接觸所述蓋表面和在所述襯底上支撐所述蓋表面的蓋側(cè)壁(2502)。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裸片堆疊封裝體，其中所述至少一個熱板介于所述裸片堆疊與所述襯底之間。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裸片堆疊封裝體，其中所述至少一個熱板介于所述堆疊中的計(jì)算部件之間。
8.一種組裝裸片堆疊封裝體(200)的方法，包括 形成計(jì)算部件(231)的堆疊； 將至少一個熱板(220)定位成與所述堆疊熱連通；以及用在襯底(210)上支撐的蓋(250)包圍所述堆疊和所述至少一個熱板以由此限定第一熱傳遞路徑，經(jīng)由所述至少一個熱板和鰭(2501)從所述計(jì)算部件中的一個計(jì)算部件向所述蓋延伸，所述鰭(2501)耦合到所述蓋的表面(2500)和所述至少一個熱板，以及第二熱傳遞路徑，從所述計(jì)算部件中的所述一個計(jì)算部件向所述蓋表面延伸而未穿過所述至少一個熱板。
9.一種裸片堆疊封裝體(200)，包括 襯底(210)，具有嵌入于其中的電連接(213)的下填料(212)設(shè)置于所述襯底(210)上； 熱板(220)，設(shè)置于所述下填料上； 粘合劑和計(jì)算部件(231，232)的交替層的堆疊，設(shè)置于所述熱板上并且與所述電連接電連通； 熱界面材料(TM) (240)，設(shè)置于所述堆疊和所述熱板的相應(yīng)表面上；以及蓋(250)，粘附到所述襯底以包圍所述熱板和所述堆疊，所述蓋包括與所述堆疊表面TM熱連通的蓋表面(2500)和與熱板表面TM熱連通的鰭(2501)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裸片堆疊封裝體，其中所述襯底包括有機(jī)和陶瓷材料中的至少一種材料。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裸片堆疊封裝體，其中至少所述計(jì)算部件和所述熱板在熱膨脹系數(shù)(CTE)上匹配。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裸片堆疊封裝體，其中所述熱板包括硅、金剛石、金屬材料和金屬合金中的至少一種材料并且被形成為限定硅通孔(TSV) (221)，通過所述硅通孔(TSV) (221)，信號可在所述堆疊與所述電連接之間傳輸。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裸片堆疊封裝體，其中所述計(jì)算部件具有相似形狀和尺寸。
14.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裸片堆疊封裝體，其中 所述堆疊中的最低計(jì)算部件的底表面(2350)與所述熱板的頂表面(2200)相向， 所述熱板表面TM設(shè)置于所述熱板的所述頂表面上，并且 所述堆疊表面TM設(shè)置于所述堆疊中的最高計(jì)算部件的頂表面(2390)上。
15.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裸片堆疊封裝體，其中所述鰭從相對于所述熱板的法線方向傾斜。
16.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裸片堆疊封裝體，其中所述鰭接觸所述蓋表面和在所述襯底上支撐所述蓋表面的蓋側(cè)壁(2502)。
17.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裸片堆疊封裝體，還包括設(shè)置于所述堆疊內(nèi)的附加熱板(220)。
18.一種裸片堆疊封裝體(200)，包括 襯底(210)； 計(jì)算部件(231)的堆疊； 熱板(220)，設(shè)置于所述計(jì)算部件的堆疊內(nèi)； 熱界面材料(TM) (240)，設(shè)置于所述堆疊和所述熱板的相應(yīng)表面上；以及 蓋(250)，粘附到所述襯底以包圍所述熱板和所述堆疊，所述蓋包括與所述堆疊表面TM熱連通的蓋表面(2500)和與熱板表面TM熱連通的鰭(2501)。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的裸片堆疊封裝體，其中所述襯底包括有機(jī)和陶瓷材料中的至少一種材料。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的裸片堆疊封裝體，其中至少所述計(jì)算部件和所述熱板在熱膨脹系數(shù)(CTE)上匹配。
21.根據(jù)權(quán)利要求18所述的裸片堆疊封裝體，其中所述熱板包括硅、金剛石、金屬材料和金屬合金中的至少一種材料并且被形成為限定硅通孔(TSV) (221)。
22.根據(jù)權(quán)利要求18所述的裸片堆疊封裝體，其中所述計(jì)算部件具有相似形狀和尺寸。
23.根據(jù)權(quán)利要求18所述的裸片堆疊封裝體，其中所述熱板表面TIM設(shè)置于所述熱板的頂表面上，并且所述堆疊表面TIM設(shè)置于所述堆疊中的最高計(jì)算部件的頂表面(2390)上。
24.根據(jù)權(quán)利要求18所述的裸片堆疊封裝體，其中所述鰭從相對于所述熱板的法線方向傾斜。
25.根據(jù)權(quán)利要求18所述的裸片堆疊封裝體，還包括所述計(jì)算部件的堆疊耦合到的附加熱板(220)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種裸片堆疊封裝體并且該裸片堆疊封裝體包括襯底；計(jì)算部件的堆疊；至少一個熱板，與堆疊熱連通；以及蓋，在襯底上被支撐以包圍堆疊和至少一個熱板以由此限定第一熱傳遞路徑，經(jīng)由至少一個熱板和鰭從計(jì)算部件中的一個計(jì)算部件向蓋延伸，鰭耦合到蓋的表面和至少一個熱板；以及第二熱傳遞路徑，從計(jì)算部件中的該一個計(jì)算部件向蓋表面延伸而未穿過至少一個熱板。
文檔編號H01L23/34GK102971846SQ201180033724
公開日2013年3月13日 申請日期2011年6月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月8日
發(fā)明者G·K·巴特利, D·R·莫施曼, K·K·?？? J·A·瓦基爾, 魏小進(jìn), 鄭見濤 申請人:國際商業(yè)機(jī)器公司