专利名称：包括可焊热界面的电子组件及其制造方法
技术领域：
本发明总的来说涉及电子封装。更具体地说，本发明涉及一种电子组件及其制造方法，该电子组件包含集成电路封装，集成电路封装包括集成电路和散热器之间的可焊热界面，散热器散掉在高速集成电路中产生的热。
背景技术：
一般通过将集成电路(ICs)物理和电连接到由有机或陶瓷材料制成的基板上，从而将集成电路组装到封装中，可以将一个或者多个IC封装物理和电连接到印刷电路板(PCB)上形成“电子组件”。该“电子组件”可以是“电子系统”的一部分。这里将“电子系统”广义上定义为包括“电子组件”的任何产品。电子系统的例子包含计算机(例如，桌上型电脑、膝上型电脑、手提式电脑、服务器等)、无线通讯设备(例如，蜂窝电话、无绳电话、寻呼机等)、与计算机相关的外围设备(例如，打印机、扫描仪、监视器等)、娱乐设施(例如，电视机、收音机、立体声系统、磁带和光盘播放机、录像机、MP3(移动图像专业组，音频层3)播放器等)等。
在电子系统的领域中，制造者之间一直存在不断的竞争压力，这驱动他们的设备性能不断改进同时成本不断降低。尤其是基板上ICs的封装更是如此，每新一代的封装必定提供增加的性能，同时通常尺寸上更小或更小型化。当高性能IC处理器的功率要求接近甚至超过每个芯片100瓦、局部功率密度超过200瓦/平方厘米时，IC封装的散热能力必须相应提高。
IC基板可以包括选择性布图的大量金属层和安装在基板的一个或者多个表面上的一个或者多个电子元件，金属层用于提供金属互连线(这里称为“布线(traces)”)。一个或者多个电子元件通过包含基板布线的导电通路体系与电子系统的其它元件功能性连接。基板布线一般载有在系统的电子元件例如ICs之间传输的信号。一些ICs具有相当大量的输入/输出(I/O)端子以及大量的电源和接地端子。
用于在基板上安装IC的一个常规方法是所谓的“控制压紧芯片连接”(C4)。在制造C4封装中，用回流焊料突起或球将IC元件的导电端或焊盘(通常称为“电接触”)直接焊接到基板表面上的相应焊盘上。由于其坚固耐用和简单，因此广泛使用C4工艺。
当ICs例如处理器的内部电路在越来越高的时钟频率下工作时，并且当ICs在越来越高的功率电平下工作时，由这种IC’s产生的热量会增加到不可接受的程度。
由于上述原因，并且由于下面当阅读和理解本说明书时对于本领域技术人员来说显而易见的其它原因，本领域迫切需求一种用于在基板上封装IC的方法和装置，使与高时钟频率和高功率密度相关的散热问题减少到最小。
附图的简要描述
图1是根据本发明一个实施例的电子系统的方框图，引入了至少一个带有可焊热界面的电子组件；图2说明了根据本发明一个实施例的集成电路封装的截面视图；图3说明了根据本发明一个实施例的芯片和盖或集成散热器之间的可焊热界面的截面视图；图4是根据本发明一个实施例的封装芯片的方法流程图。
本发明的实施例的详细描述在下面本发明实施例的详细描述中，参考形成本发明一部分的附图，其中示出的内容作为可以实施本发明的最佳实施例的具体说明。充分详细地描述了这些实施例以使本领域技术人员能够实施本发明，应理解可以利用其它的实施例，并且在不离开本发明的精神和范围的情况下可以作出逻辑的、机械的和电的改变。因此，下面的详细说明不是限制本发明，本发明的范围仅由附加的权利要求限定。
通过采用高传导焊料作为IC芯片和散热器之间的热界面，本发明提供了一种解决与现有技术的集成电路的封装有关的散热问题的技术方案，所述集成电路工作在高时钟速度和高功率电平下。这里说明和描述了各种实施例。
在一个实施例中，利用C4技术将IC芯片安装到有机焊盘栅格阵列(OLGA)基板上。在准备了适当的芯片和散热器之后，利用高传导的可焊热界面材料将集成的散热器附着到芯片的背面。由于与OLGA基板的热膨胀系数(TCE)相比硅芯片具有相当低的TCE，因此为了使封装中产生的热应力最小，选择具有相当低熔点的可焊热界面材料。通过减小热应力，当进行加热时，例如回流焊接过程中，封装很少发生翘曲。
可焊热界面材料也具有优异的导热性能。集成的散热器也可以连接到围绕芯片四周的OLGA基板上，芯片四周有适当的密封剂以便提供机械强度。
除了前面描述的优点之外，使用低熔点焊料作为热界面材料避免了许多与使用聚合热界面材料(例如那些包含银或铝的材料)有关的问题，例如树脂分离、除气、分层、抽空(pump-out)等等。
图1是根据本发明一个实施例的电子系统1的方框图，引入至少一个具有可焊热界面的电子组件4。电子系统1仅仅是使用本发明的电子系统的一个举例。在该例子中，电子系统1包括数据处理系统，数据处理系统包含系统总线2以便连接到系统的各个元件上。系统总线2提供了电子系统1的各个元件之间的通讯链接，并且可以实施为单总线、总线的组合或任何其它适当的方式。
将电子组件4连接到系统总线2。电子组件4可以包含任何电路或电路的组合。在一个实施例中，电子组件4包含可以是任何类型的处理器6。这里使用的“处理器”指的是任何类型的计算电路，例如微处理器、微控制器、复杂指令集计算微处理器(CISC)、精简指令集的计算微处理器(RISC)、超长指令字(VLIW)微处理器、图形处理器、数字信号处理器(DSP)或任何其它类型的处理器或处理电路，但不限于此。
例如，可以包含在电子组件4中的其它类型的电路是定制电路、专用集成电路(ASIC)等，例如用于无线设备像蜂窝电话、寻呼机、便携计算机、双向无线电设备和类似的电子系统的一个或者更多个电路(例如通讯电路7)。IC可以执行任何其它类型的功能。
电子系统1还可以包含外部存储器10，因此可以包含适于具体应用的一个或者多个存储器元件，例如随机存取存储器(RAM)形式的主存储器12、一个或者多个硬盘驱动器14和/或操纵可移动介质16的一个或者多个驱动器，可移动介质例如是软盘、光盘(CDs)、数字化视频光盘(DVD)等。
电子系统1还可以包含显示器8、扬声器9和键盘和/或控制器20，控制器20可以包含鼠标、跟踪球、游戏控制器、声音识别设备或允许系统用户输入信息和接收来自电子系统1的信息的任何其它的设备。
图2示出了根据本发明一个实施例的集成电路(IC)封装的截面视图。IC封装包括安装在有机焊盘栅格阵列(OLGA)基板54上的芯片50和盖或集成的散热器(IHS)52。虽然示出OLGA基板，但本发明不限于使用OLGA基板，可以使用任何其它类型的基板。
图2示出的IC封装可以形成图1所示的电子组件4的一部分。芯片50可以是任何类型的。在一个实施例中，芯片50是处理器。
在图2中，芯片50包括多个端接在芯片50底表面上的焊盘(未示出)中的信号导体(未示出)。这些焊盘可以通过适当的连接例如C4焊料突起66连接到OLGA基板54上代表信号、电源、或接地节点的相应焊盘68上。可以使用适当的底部填充62例如环氧树脂(epoxy)材料围绕C4焊料突起66，以便提供机械稳定性和强度。
仍然参考图2，盖或IHS52形成芯片50上的盖。通过适当的可焊热界面60将IHS52热连接到芯片50的表面上。这样芯片50可以通过热界面60将绝大部分热量散发到IHS52。可焊热界面60包括能够以相当高的速度导热且具有相当低熔点的材料，以便当加热时，例如在回流焊接过程中，使封装中的热应力最小。
可以通过将IHS52的壁部或支撑件53通过适当的密封剂64连接到OLGA基板54表面上来机械支撑IHS52。在一个实施例中，将壁部或支撑件53定位在IHS52的周围。然而，在其它的实施例中，IHS52可以延伸到支撑件53的外部。例如，可以将任何形状的散热器形成为IHS52的一部分或者附着到IHS52上，以便增加芯片50的散热速度。
OLGA基板54可以是包含多层基板在内的任何类型。OLGA基板54可以安装在另外的基板70上，例如印刷电路板(PCB)或卡上。OLGA基板54可以包括例如多个焊盘57，通过适当的连接体例如球栅阵列(BGA)焊料球58，可以将焊盘57机械和电连接到基板70的相应的焊盘59上。
虽然图2中说明了用于将OLGA基板54连接到基板70上的BGA结构56，本发明并不限于使用BGA结构，而是可以使用任何其它类型的封装技术，例如焊盘栅格阵列(LGA)、芯片规模封装(CSP)等。此外，本发明不限于使用C4封装，可以使用这里所描述的本发明特征可以为其提供好处的任何其它类型的IC封装。
现在将描述包括可焊热界面60的IC封装的制造。
制造为了顺利制造具有上述优点的IC封装，重要的是具有容易焊接的芯片表面。具有容易焊接的IHS也是重要的。此外，重要的是使用适当的焊接材料。此外，重要的是使用在芯片和IHS之间形成可靠热界面的适当的工艺。现在将更详细地描述上述因素，以使本领域普通技术人员能够理解和实施本发明。
图3示出了根据本发明一个实施例的芯片50和盖或集成的散热器(IHS)52之间的热界面(这里也称为导热元件)60的截面视图。
根据本发明的一个实施例，为了使热界面60与芯片50具有好的可焊性，一个或者多个金属层82、84和86淀积在通过热界面60连接到IHS52上的芯片表面上。在淀积一个或者多个金属层82、84和/或86之前，如果需要，晶片表面可以制备有溅镀蚀刻，以便提高粘接层82对芯片表面的粘接；然而，溅镀蚀刻不是必要的。晶片表面的条件也不是必要的。可以不抛光或抛光晶片表面，或者使用具有底色(back-ground form)的晶片表面。
然后，将与硅、氧化硅或氮化硅粘结良好的金属粘结层82例如钛(Ti)层淀积到蚀刻的表面上。在一个实施例中，将500埃的钛层溅射到蚀刻的表面上。铬(Cr)、钒(V)或者锆(Zr)可以代替Ti。
然后，淀积第二金属层84，例如镍-钒(NiV)。在一个实施例中，将3500埃的NiV层溅射到Ti层上。层84是作为扩散阻挡层，防止热界面60中的焊料与粘结层82发生任何反应，这种反应可能会导致热界面60从芯片50分层。层84不是必须的，根据粘结层82的成份、热界面60中的焊料和回流操作过程中的热处理而定。
然后，淀积第三金属层86例如金(Au)。在一个实施例中，将600埃的Au层溅射到NiV层上。可以用能“润湿”选择的热界面60中的焊料的任何金属代替金。镍是一个例子。
为了热界面60与盖或IHS52具有好的可焊性，将一个或者多个金属或可焊有机层88淀积到IHS52的适当表面上。在一个实施例中，IHS52包括铜(Cu)；在另一个实施例中，IHS52包括铝-硅-碳化物(AlSiC)。对于包括Cu或者AlSiC的IHS52来说，将2-5微米厚的Ni层88淀积到IHS52的下表面上。利用中等强度的(medium force)溶液在Niklad767电镀槽中进行无电Ni的电镀。可以用用“润湿”选择的热界面60中的焊料的任何金属代替镍。金是一个例子。也可以用金属的组合或者合金代替图3所示的单层88。
对于适当的焊料来说，表1所列的任何焊料合金或其组合都是有效的。这些焊料可以从Indium Corporation of America，Utica，NY under the correspondingIndalloy No.买到。在一个实施例中，焊料可以与不用清洗的焊剂形成一个整体，以便形成焊膏，焊膏含有89％的选择的焊料合金。
表1现在将描述在芯片和IHS之间形成可靠的可焊热界面的适当方法。首先将焊膏涂覆到芯片的背面。也可以将焊膏涂覆到面对芯片背面的IHS52的表面。然后，将适当的密封剂(64，图2)涂覆到OLGA基板54上的当IHS52定位在芯片50之上时IHS52的周边或边界将一个基板54接触的位置。然后，放置IHS52，例如可以使用弹簧施加适当的压力，以便定位IHS52。然后，将封装放入适当的加热环境当中，例如流动炉，使焊料回流。在方法的一个实施例中，在焊料回流过程中，将炉中最高温区的温度保持在焊料的液相线+30(C，液相线上的时间大约为60秒。热界面的焊料结合之后在常规炉中固化IHS边界处的密封剂。
对于本领域普通技术人员来说，上述材料、几何尺寸、层数、蚀刻、淀积和组件的选择都是可以变化的，以便优化封装的热性能。然而，已经说明了本发明的未优化的实施例，以便为在高时钟频率和高功率电平下工作的IC’s提供基本的热裕度，而对封装的可靠性没有任何负面影响。
可以使用用于淀积金属层的任何适当的方法或不同方法的组合，例如溅射法、汽相法、电的方法、丝网印刷、蜡烛印刷、包含化学汽相淀积(CVD)的化学法、真空等等。
在其构成要素的定向、尺寸、数量和成份方面，IC封装的具体实施是非常灵活的。利用基板技术、HIS技术、热界面材料和密封剂的各种组合可以实施本发明的各种实施例，以便获得本发明的优点。根据作为其一部分的电子组件的要求，可以在广泛的各种实施例中建立IC封装的结构，其包含所用材料的类型、尺寸、布局、几何形状等等。
图2和图3仅仅是为了显示，没有按比例制图。某些部分可能被放大，而其它部分可能是最小的。图2和图3是要说明本发明的各种实施方式，这些实施方式可以被本领域普通技术人员理解并适当地实施。
图4是根据本发明一个实施例的封装芯片的方法流程图。该方法从100开始。
在101中，至少一个金属层形成在芯片的表面上。在一个实施例中，如上所述，在芯片50的上表面上，依次淀积钛、镍-钒和金的单层(图3)。也可以使用这些金属的一种或者多种合金。
在103中，至少一个金属层形成在盖的表面上。在一个实施例中，如上所述，在盖或IHS52的下表面上淀积镍层(图3)。
在105中，将芯片安装到基板上。在一个实施例中，如上所述，基板是有机基板，芯片是利用焊盘栅格阵列(LGA)结构安装的C4。应注意基板包括一种或多种有机材料，例如，环氧树脂、丙烯酸脂、聚酰亚胺、聚亚安酯、聚硫化物、树脂-玻璃编织物(例如FR-4)、尼龙和其它类似的材料，这样的基板与芯片相比具有相当高的热膨胀系数。
在107中，将具有相当高热传导率和相当低熔点的焊料施加到芯片的至少一个金属层上。在HIS固定到芯片的过程中，希望采用具有相当低熔点的焊料，以便当对封装进行加热时使翘曲问题最小化。在一个实施例中，如上所述，焊料是表1所列的任何一种焊料；然而，可以使用除了表1所列之外的其它焊料，只要它们具有前面描述的质量即可。也可以将焊料施加到盖表面上的至少一个金属层上。可以在制造工艺的任何适当阶段施加焊料。
在109中，将适当的密封剂涂覆到基板的表面上的IHS52的支撑件53(图2)将与其接触的位置。
在111中，放置和对准HIS，使得HIS的内表面接触焊料层，同时，IHS52的支撑件53接触密封剂。还放置弹簧(未示出)以便固定相对于组件载体(未示出)的组件。
在113中，通过加热使焊料熔融或回流，使得当冷却时将IHS52物理和热连接到芯片50上的顶部金属层86(图3)的上表面上。
在115中，例如通过加热固化密封剂，以便提供组件的机械连接。固化后，从组件载体除去固定弹簧。该方法在120中结束。
上述关于图4所示方法的操作可以按与这里所描述的顺序不同的顺序进行。例如，本领域普通技术人员应理解可以在101之前进行103，在105之前进行107，在107之前进行109。
结论本发明提供了一种电子组件及其制造方法，使与高功率传输相关的散热问题最小化。引入一个或者多个利用本发明的电子组件的电子系统和/或数据处理系统可以处理与高性能集成电路相关的相当高功率密度，因此这种系统在商业上更具吸引力。
如这里所示出的，本发明可以以大量的不同实施例包括用于芯片的组件、集成电路封装、电子组件、电子系统、数据处理系统和用于封装集成电路的方法。其它实施例对于本领域普通技术人员来说也是显而易见的。部件、材料、形状、尺寸和操作顺序都是可以改变的，以满足具体的封装要求。
尽管这里已经示出和说明了具体的实施例，但本领域普通技术人员应理解，为得到相同的目的的任何结构都可以代替示出的具体实施例。本申请是要覆盖本发明的任何适用的情况或变化。因此，很显然，本发明仅由权利要求及其等同的技术方案限定。
权利要求
1.一种用于芯片的组件，包括盖；和可焊导热元件，以便连接芯片和盖。
2.如权利要求1所述的组件，其中盖包括选自铜和铝-硅-碳化物构成的组中的材料。
3.如权利要求1所述的组件，其中可焊导热元件包括包含选自锡、铋、银、铟和铅构成的组中的一种或多种合金的材料。
4.如权利要求1所述的组件，其中盖包括可以将导热元件连接到其上的至少一个金属或有机层。
5.如权利要求4所述的组件，其中至少一个金属或有机层包括镍或金。
6.如权利要求1所述的组件，进一步包括芯片，包括可以将可焊导热元件连接到其上的至少一个金属层。
7.如权利要求6所述的组件，其中至少一个金属层包括包含选自钛、铬、锆、镍、钒和金构成的组中的一种或者多种合金的材料。
8.一种集成电路封装，包括基板；定位在基板表面上的芯片；定位在芯片上的盖；和连接芯片和盖的可焊导热元件。
9.如权利要求8所述的集成电路封装，其中盖包括与基板连接的支撑件。
10.如权利要求8所述的集成电路封装，其中盖包括选自铜和铝-硅-碳化物构成的组中的材料。
11.如权利要求8所述的集成电路封装，其中盖包括将导热元件连接到其上的至少一个金属或有机层。
12.如权利要求11所述的集成电路封装，其中至少一个金属或有机层包括镍或金。
13.如权利要求8所述的集成电路封装，其中可焊导热元件包括包含选自锡、铋、银、铟和铅构成的组中的一种或者多种合金的材料。
14.如权利要求8所述的集成电路封装，其中基板是有机基板，其中芯片通过焊盘栅格阵列连接到基板。
15.如权利要求8所述的集成电路封装，其中芯片包括将导热元件连接到其上的至少一个金属层。
16.如权利要求15所述的集成电路封装，其中至少一个金属层包括包含选自钛、铬、锆、镍、钒和金构成的组中的一种或者多种合金的材料。
17.一种电子组件，包括至少一个集成电路封装，集成电路封装包括基板；定位在基板表面上的芯片；定位在芯片上的盖；和连接芯片和盖的可焊导热元件。
18.如权利要求17所述的电子组件，其中盖包括与基板连接的支撑件。
19.如权利要求17所述的电子组件，其中可焊导热元件包括包含选自锡、铋、银、铟和铅构成的组中的一种或者多种合金的材料。
20.如权利要求17所述的电子组件，其中基板是有机基板，其中芯片通过焊盘栅格阵列连接到基板。
21.一种电子系统，包括具有至少一个集成电路封装的电子组件，集成电路封装包括基板；定位在基板表面上的芯片；定位在芯片上的盖；和连接芯片和盖的可焊导热元件。
22.如权利要求21所述的电子系统，其中可焊导热元件包括包含选自锡、铋、银、铟和铅构成的组中的一种或者多种合金的材料。
23.如权利要求21所述的电子系统，其中基板是有机基板，其中芯片通过焊盘栅格阵列连接到基板，和其中盖包括连接到基板的支撑件。
24.一种数据处理系统，包括数据处理系统中的总线连接部件；连接到总线的显示器；连接到总线的外部存储器；和连接到总线且包括电子组件的处理器，电子组件包括至少一个集成电路封装，集成电路封装包括基板；定位在基板表面上的芯片；定位在芯片上的盖；和连接芯片和盖的可焊导热元件。
25.如权利要求24所述的数据处理系统，其中可焊导热元件包括包含选自锡、铋、银、铟和铅构成的组中的一种或者多种合金的材料。
26.如权利要求24所述的数据处理系统，其中基板是有机基板，其中芯片通过焊盘栅格阵列连接到基板。
27.一种制造集成电路封装的方法，该方法包括在芯片表面上形成至少一个金属层；在基板上安装芯片；定位与焊料层相邻的盖的表面；和在至少一个金属层和盖的表面之间施加焊料；熔融焊料以便物理连接盖和芯片。
28.如权利要求27所述的方法，其中焊料具有相当高的导热率和相当低的熔点。
29.如权利要求27所述的方法，其中基板包括有机材料，该有机材料相对于芯片具有相当高的热膨胀系数。
30.如权利要求27所述的方法，进一步包括在施加焊料之前，在盖的表面上形成至少一个金属或有机层。
全文摘要
为了适应与高性能集成电路相关的高功率密度，热通过可焊热界面从芯片的表面散发到盖或集成的散热器。在一个实施例中，芯片通过C4和焊盘栅格阵列结构安装到有机基板上。当进行加热时，由于芯片和有机基板之间的热膨胀系数差异而使封装翘曲最小的同时，为了使从芯片散发的热最大，使用除了具有相当高的导热率之外还具有相当低熔点的热界面。还描述了制造方法以及封装在电子组件、电子系统和数据处理系统中的应用。
文档编号H01L23/42GK1449582SQ01814753
公开日2003年10月15日 申请日期2001年8月29日 优先权日2000年8月31日
发明者T·沃尔克曼, B·苏尔, N·沃德拉哈利 申请人:英特尔公司