专利名称：集成的散热器盖的制作方法
技术领域：
本发明主要涉及电子元器件中的散热装置这一领域。
背景技术：
许多现代化的电气装置，例如计算机，包括具有许多在易碎的芯片或者“管芯”上制造的小电路元件的集成电路。在工作期间实际的电路元件产生热量。管芯上电路的复杂性、紧凑性和易碎性对于管芯散热装置的设计者来说提出了若干挑战。第一，散热装置必须要足够易于热量外散，以防止相关联的管芯达到过热的温度。第二，散热装置必须要与管芯上的电路电绝缘，不干扰电路的工作。第三，散热装置必须要具有足够的刚度，允许在随后的制造或者装配步骤中，例如在附接散热器的步骤中，能够操作易碎的管芯而不使其受到损坏。
用来应对上述挑战的一个传统的策略是将管芯封装在环氧或者其它密封剂材料中，所述环氧或者其它密封剂材料充填在散热器帽和管芯电联接到其上的下层基底板之间的空间。该传统策略的优点是，一厚层密封剂包围且保护着管芯并且还支撑和附接散热器帽。因为支撑散热器帽的密封剂层较厚，因此在剪应变上是相对顺性的，由此所述帽相对于基底板的热膨胀不存在边缘约束。由于帽和管芯之间的热膨胀系数(CTE)的失配而产生的热应力导致在靠近帽的中心产生应力，但是该由于帽和基底板之间的热膨胀系数(CTE)的失配而产生的应力通过厚密封剂层的剪切作用会被减轻。这显得很重要，一个原因是，一般管芯和基底板之间的温差比管芯和帽之间的温差要大。
然而，传统的芯片封装策略遇到了与在大规模制造环境中控制相对大量的预固化密封剂相关的实际问题和装配难度。降低该制造难度的一个传统策略是去掉该厚密封剂层，代之以通过在其周边形成一个唇板支撑和附接散热器，所述唇板通过粘接层直接粘接到基底板上，该粘接层的厚度比以前使用的密封剂层明显变薄了。如今，这种粘接层的厚度可小于0.25毫米。这种传统的散热器一般在其附接到管芯并且从组合件基底上抬起的中心区域上形成腔。或者通过直接接触或者通过设置在管芯和盖中腔的内表面之间的热界面材料，管芯与散热器盖热联接。围绕腔形成的隆起的周边唇板朝向基底板向下延伸，并且粘接到基底板上。可包括有增强向周围空气传热的金属散热片的被称为散热器的金属板可能通过导热粘合剂粘接到一般为平面的散热器盖的上表面上。
一般来说，管芯、基底、散热器盖和散热器不都具有相同的热膨胀系数。因此热膨胀系数的差异会导致工作时产生很大的应力。由于所有元件在装置工作时一般都经受温度的周期性变化，因此这种应力预期会周期性地变化。例如，计算机中的已经焊接到母板上的半导体组合件(semiconductor package)在计算机工作时一般经受温度的周期性变化。这种温度周期性变化的例子可以是，在环境温度(例如室温)和电气元件的最大工作温度(例如100℃)之间的温度变化。所产生的热应力的周期性变化最终会导致功能和/或结构性的损坏，包括管芯开裂、盖和基底板之间脱胶、和/或盖与将盖热联接到管芯的热界面材料之间的脱离。例如，周期性变化的热应力会引起散热器盖或者下层基底板的周期性翘曲，这进而又引起热界面材料从位于管芯和散热器盖之间的间隙中发生移动。热界面材料的这种移动(或者抽运)，会增加不希望有的管芯和散热器盖之间的绝热，因此会引起功能性故障。
散热器盖材料一般比下层的基底板具有更大的热膨胀系数。因此，当温度增加时，通过盖的边缘或者“唇板”与基底的粘接，盖的膨胀和变形受到约束。当盖膨胀时，通过盖的腔的中心区抬起脱离管芯而产生翘曲，或者会引起基底板的翘曲。这样的翘曲破坏了盖和管芯之间的界面，妨碍了热流动，并且在粘接层上产生了应力。如果温度的周期性变化足够大，那么盖和基底板之间的粘接就会失效，和/或盖会从热界面材料上脱离，导致系统的热性能恶化。
由于热膨胀对抗边缘约束而产生的显著翘曲是一个问题，该问题在具有散热器帽而缺少与基底粘接的唇板的封装微芯片组合件结构中并不存在。这是因为在这种封装微芯片组合件结构中，帽和基底之间的密封剂层很厚，因此在剪应变上是相对顺性的，从而基底对帽的热膨胀不存在边缘约束。
虽然改变设计，在散热器盖的唇板和非封装微芯片组合件中的基底之间使用顺性更大的粘接以减轻热应力，但是这样做会带来其它的实际问题。具体而言，在精密加工环境中使用软粘合剂，会减弱对部件最终位置的控制和/或减小附件的坚固性，并且会引起污染、释气等等，这些都是不能接受的。需要的是一种散热器盖，其具有可以通过用在典型的非封装芯片组合件中的常规方法来粘接到基底板上的唇板，然而该唇板还会产生可靠性改善了的热循环。
发明内容
一种散热器盖，联接到下层电子元件上，所述下层电子元件被电连接到基底板上，该散热器盖包括中心区域、包括适合于粘接到基底板上的唇板的外周边区域、以及位于该中心区域和该外周边区域之间的应变隔离区。
图1是根据本发明的一个实施例的包括集成散热器盖的半导体组合件的横截面图，其中具有盖的厚度减小的区域；图2是根据本发明的一个实施例的具有通槽的集成散热器盖的俯视图，图中示出了覆盖了半导体组合件；图3是具有通槽的本发明另一个实施例的底部透视图；图4是具有盖的厚度减小的区域的本发明一实施例的底部透视图；和图5是根据本发明的一个可选实施例的包括集成散热器盖的半导体组合件的横截面图，其具有盖的厚度减小的区域。
在这些图中，同样的附图标记表示同样的部件。应该理解，图中不同部件的大小不能用来测量或者不具有精确的比例，而只是用于视觉上清楚地显示和解释的目的。
具体实施例方式
公开了一种用于电子电路元件的散热器。参见图1，半导体组合件包括基底10、管芯12以及可选的热界面材料14。通过粘接层18将散热器盖16粘接到基底板10上，并且通过热界面材料14使盖16与管芯12热联接。热界面材料14是可选的；通过盖和下层电子元件的直接物理接触，或者通过盖和从下层的电子元件上传热的热界面材料的物理接触，可以实现所需的热联接。许多导热材料都适于用作热界面材料。典型的热界面材料包括掺杂铝、银、氮化硼、或者氮化铝的硅氧烷基或者聚合物基粘合剂。典型的热界面材料还包括在重熔金属界面中所使用的铅、金、或者锡焊料。一般地，热界面材料层的厚度在从零到0.2毫米的范围内变动，厚度为零时即为直接接触热联接。粘接层18一般为胶粘层，厚度一般小于0.75毫米。唇板9形成在靠近散热器盖16的外周边，使得盖能够被粘接到下层的基底板10上。
散热器盖16一般包含高热导率材料例如铜、铝、或者热导率超过100瓦/米·开(W/m°K)的金属母体复合材料。铜散热器盖可镀有另一种金属例如镍，用于防腐蚀。散热器盖的尺寸由下层的管芯和邻接部件的尺寸，和所产生的热量(影响上覆散热器的尺寸)决定。容纳现代中央处理器(CPU)集成电路管芯的典型尺寸是18毫米×18毫米到45毫米×45毫米，然而为了适应不同的组合件策略，不同的电气部件，或者未来的同样类型的电气部件，也要求其它的尺寸和形状。包括有促进过热迅速对流的金属散热片的金属部件(图1中未示出)被称为散热器，一般通过夹子或者可能通过导热粘合剂被粘接到散热器盖16的顶面20上。
用于制造散热器盖16的工艺包括若干步骤，包括落料、精压、穿孔、修边、清洗、电镀和检验。总而言之，这些步骤将取自铜卷材的原材料转变成成品。在制造工艺中可以重复使用一个或多个这些步骤，例如清洗和检验步骤。虽然铜卷材或者铜带在该工艺说明中参考作为原材料，但是应该理解成也可以用另一种合适的导热材料来取代铜。
制造工艺中的第一主步骤通常是从铜带材上切下正方形或者矩形的半制品。在高速压机中使用累进的下料模可以完成第一主步骤。
制造工艺的第二主步骤通常是精压该半制品，形成具有靠近周边的唇板和位于中心区域的腔的盖。在精压步骤之前，半制品表面涂上机油。
制造工艺的第三步骤是形成根据本发明构造的应变隔离区，从而在初期落料和精压步骤期间不构成这样的区域。至于包括通槽的应变隔离区，优选使用冲孔机冲出通槽。
制造工艺的第四步骤是修边、清洗和干燥盖。如果必要的话，可在修边步骤之前进行研磨步骤，使得盖具有符合规格要求的平整度。在这些步骤之后，盖会被侵蚀，然后镀上例如镍的材料。附加的清洗和检验步骤可以在上面描述的任何步骤之前或之后进行。在将盖装配到半导体组合件的过程中，可以在盖的一些或者所有唇板上涂上粘接剂，使其更加容易地粘接到基底板上。
设置散热器的目的是保护管芯，并且分散管芯在工作中产生的热量。一般用比下层基底板具有更大热膨胀系数的高导热材料来制造盖。当非封装半导体组合件受热时，盖会膨胀，但是它的膨胀由于粘接层18而受周边的约束，粘接层18围绕盖16的整个边缘。如果是传统的盖，这种周边约束就会导致在膨胀的盖16中产生应力，从而引起中心部分脱离管芯方式的翘曲，或者引起下层基底板10产生偏斜。盖与管芯12分离将降低它们之间的热联接，因此减弱管芯上的热传递，这可能会削弱系统的性能。热致翘曲还会在粘接层上产生应力。如果非封装半导体组合件产生了足够的热量，并且盖和基底的热膨胀系数之间存在足够大的差异，就会导致粘接层产生灾难性的结构损坏。而且，循环的热载荷会引起循环翘曲，从而会从位于传统的盖和管芯之间的界面中泵出热界面材料。
根据本发明可以减小这种热致翘曲以及它在系统性能上的潜在的副作用。根据本发明的一实施例，多个应变隔离区，例如图1中所示的厚度减小区域24，可以减小热致应力并且隔绝散热器盖16上的热致应变。根据本发明的一实施例，在制造散热器盖的过程中，形成通槽和/或厚度减小的区域，部分地或者完全地贯穿该盖。这些区域优选围绕盖的周边布置，以便加强应力消除和隔绝应变，同时大体上维持盖的热散布能力。靠近用于应变隔离区周边的设置，有助于避免从盖中心区域的中央区传递来的热的干涉，在该中心区域管芯经常产生大量的热。
图2示出了本发明另一个实施例。在俯视图中示出了散热器盖28被粘接到基底10上。多个通槽30设置在中心区域32和包括唇板的外周边区域34之间。在这一实施例中，中心区域32通过四个连接装置或者连接区域36保持连接在外周边区域34上。在现今的应用中，盖中间区域32的厚度一般地选择在0.5毫米到8毫米的范围内。用适当的填充材料如聚合物材料可以部分地或者完全地密封通槽30。通槽30的宽度一般选择为小于本发明四槽实施例中的盖的厚度的一半。本发明四槽实施例中连接装置36的宽度一般选择在0.5毫米到15毫米的范围内。
图3示出了利用通槽的本发明另一个实施例的透视图。相对于包括唇板的外周边区域46，在中心区域44的凹槽中形成了腔。这些腔一般足够深，以包住管芯12和热界面材料14。例如，一个现代的CPU管芯需要大约0.6毫米的模腔深度。粘接层18附在外周边区域46上。多个通槽42设置在中心区域44和外周边区域46之间。在该实施例中，中心区域44通过四个连接装置或者连接区域48保持连接在外周边区域46上。
图4的透视图中示出了本发明的另一个实施例。相对于包括唇板的外周边区域56，在中心区域52的凹槽中形成了腔。这些腔一般足够深，以包住管芯12和热界面材料14。粘接层(未示出)附在外周边区域56上。单个盖厚度减小的区域54设置在中心区域52和外周边区域56之间。在这个实施例中，盖厚度减小的区域54包括单个始终围绕中心区域52的邻接槽。这种槽的深度一般选择为中间区域52中盖的平均厚度的20％到80％的范围之内。槽深常常小于2毫米。在另一个实施例中(未示出)，使用多个非邻接槽。该槽的宽度一般选择为在其一半深度到其八倍深度的范围内，这种情况下，槽被制成具有平底。如果盖的厚度减小的一个区域(或者多个区域)被切削或者腐蚀，使得底部截面呈V形或者相反的锥形，例如图1中所示的厚度减小的区域24的截面图，这种区域的宽度一般就会选择在1倍深度到15倍深度的范围之内。
当温度增加且散热器盖膨胀时，应变隔离区提供了应力消除，导致在盖和基底之间的粘接处形成较低的机械载荷。这样就减少了灾难性的机械故障的机会并且增加了装置的预期寿命。当温度增加并且散热器盖膨胀时，应变隔离区提供了应力消除，导致盖或者下层基底板上产生较小的热翘曲。在以周期性温度变化为特征的环境中，热翘曲的减少导致可选的热界面材料的移动减少，这些材料有助于将盖热联接到管芯上。那些因素进而导致了更加耐用的长期功能性并且改善了可靠性。
图5中半导体组合件的剖视图示出了本发明的具有盖厚度减小的区域的另一可选实施例。图中，位于外周边区域62上的唇板60的厚度没有中间区域64的盖厚。然而，唇板60仍然足够地从外周边区域62突出，以便于利用非封装微芯片组合件结构的传统方法粘接到基底板10上。
应该理解，本发明不局限于这里所描述的特定参数、材料和实施例。在本发明范围内可以进行各种改进和变型。
权利要求
1.一种散热器盖，与电连接到基底板上的下层电子元件相联接，所述散热器盖包括中心区域；包括适合于粘接到基底板上的唇板的外周边区域；和位于中心区域和外周边区域之间的应变隔离区。
2.根据权利要求1所述的散热器盖，其中所述应变隔离区包括一个或多个通槽。
3.根据权利要求1所述的散热器盖，其中所述应变隔离区包括一个或多个盖厚度减小的区域。
4.根据权利要求2所述的散热器盖，其中所述通槽被填充材料部分地或者完全地密封。
5.根据权利要求2所述的散热器盖，具有一个以上的通槽，这些通槽被连接区域互相隔开。
6.根据权利要求3所述的散热器盖，其中盖厚度减小的单个区域围绕着中心区域。
7.根据权利要求3所述的散热器盖，其中盖厚度减小的区域包括一个或多个槽。
8.根据权利要求5所述的散热器盖，其中散热器盖在至少一个连接区域的位置上的厚度相对于散热器盖在中间区域的厚度减小了。
9.根据权利要求5所述的散热器盖，其中至少一个连接区域的宽度小于15毫米。
10.根据权利要求5所述的散热器盖，其中至少一个通槽的宽度大于散热器盖在中间区域的厚度的一半。
11.根据权利要求5所述的散热器盖，其中至少一个通槽是孔。
12.根据权利要求5所述的散热器盖，其中至少一个通槽是弯曲的通槽。
13.根据权利要求5所述的散热器盖，具有四个通槽，第一通槽和第三通槽以散热器盖的横向中心线为中心。
14.根据权利要求7所述的散热器盖，其中至少一个槽小于2毫米深。
15.根据权利要求7所述的散热器盖，其中至少一个槽的深度至少是中间区域盖的平均厚度的20％，但是最多是中间区域盖的平均厚度的80％。
16.根据权利要求7所述的散热器盖，其中至少一个槽的宽度大于其深度，但是小于其深度的十五倍。
17.根据权利要求13所述的散热器盖，其中至少一个通槽是圆孔。
18.一种半导体组合件，包括半导体管芯；基底板；散热器盖，所述散热器盖包括；外周边区域，其包括附接到基底板上的唇板；中心区域；和位于中心区域和外周边区域之间的应变隔离区。
19.根据权利要求18所述的半导体组合件，其中所述应变隔离区包括至少一个通槽。
20.根据权利要求18所述的半导体组合件，其中所述应变隔离区包括至少一个盖厚度减小的区域。
21.根据权利要求19所述的半导体组合件，具有一个以上的通槽，这些通槽被连接区域互相隔开。
22.根据权利要求19所述的半导体组合件，其中至少一个通槽的宽度大于散热器盖在中间区域的厚度的一半。
23.根据权利要求20所述的半导体组合件，其中盖厚度减小的区域包括一个或多个槽。
24.根据权利要求21所述的半导体组合件，其中散热器盖在至少一个连接区域的位置上的厚度相对于散热器盖在中间区域的厚度减小了。
25.根据权利要求21所述的半导体组合件，其中至少一个连接区域的宽度小于15毫米。
26.根据权利要求21所述的半导体组合件，具有四个通槽，第一通槽和第三通槽以散热器盖的横向中心线为中心。
27.根据权利要求23所述的半导体组合件，其中至少一个槽小于2毫米深。
28.根据权利要求23所述的半导体组合件，其中至少一个槽的深度至少是盖在中间区域的平均厚度的20％，但是最多是盖在中间区域的平均厚度的80％。
29.根据权利要求23所述的半导体组合件，其中至少一个槽的宽度大于其深度，但是小于其深度的十五倍。
30.一种散热器盖，用于散布由电连接到基底板上的下层电子元件产生的热量，所述散热器盖包括中心区域；将中心区域热联接到下层电子元件上的联接装置；包括唇板的外周边区域；将唇板粘接到基底板上的粘接装置；和限制中心区域热致变形的装置。
31.一种散热器盖的制造方法，该散热器盖用于散布由电连接到基底板上的下层电子元件产生的热量，所述方法包括以下步骤从一块大于半制品的原材料上分离下所需要的大小与形状的半制品；在盖的周边产生唇板，以适于将盖粘接到基底板上；以及在盖的接近周边的位置上形成至少一个应变隔离区，该位置相对于中心来说更靠近周边。
32.根据权利要求31所述的制造方法，其中所述块原材料包括至少一种具有至少为100W/m°K的热导率的材料。
33.根据权利要求31所述的制造方法，其中分离和成形步骤是同时完成的。
34.根据权利要求31所述的制造方法，其中产生和成形步骤是同时地完成的。
35.根据权利要求31所述的制造方法，其中产生步骤通过精压来完成。
36.根据权利要求31所述的制造方法，其中成形步骤通过钻孔来完成。
37.根据权利要求31所述的制造方法，包括至少一个电镀的步骤。
38.一种包括管芯和基底板的半导体组合件的装配方法，包括以下步骤将管芯电连接到基底板上；以及将散热器盖附接到基底板上，散热器盖在盖的周边具有唇板，在盖的接近周边的位置上具有至少一个应变隔离区，该位置相对于中心来说更加接近周边，其中附接步骤包括将散热器盖的唇板粘接到基底板上。
39.根据权利要求38所述的装配方法，其中附接步骤包括至少一个在唇板上放置粘接材料的步骤。
40.根据权利要求38所述的装配方法，包括将散热器附接到散热器盖的表面上的附加步骤。
41.一种散热器盖，联接到与基底板电连接的下层电子元件上，所述散热器盖包括中心区域；外周边区域；和至少一个设置在中心区域和外周边区域之间的槽，槽的深度至少是盖在中间区域的平均厚度的20％，但是最多是盖在中间区域的平均厚度的80％。
42.根据权利要求41所述的散热器盖，包括宽度大于其深度，但是小于其深度的十五倍的槽。
43.根据权利要求41所述的散热器盖，包括深度小于2毫米的槽。
44.一种半导体组合件，包括与基底板电连接的半导体管芯；与半导体管芯联接的散热器盖，所述散热器盖包括；外周边区域；中心区域；和至少一个设置在中心区域和外周边区域之间的槽，槽的深度至少是盖在中间区域的平均厚度的20％，但是最多是盖在中间区域的平均厚度的80％。
45.根据权利要求44所述的半导体组合件，其中散热器盖包括宽度大于其深度，但是小于其深度的十五倍的槽。
46.根据权利要求44所述的半导体组合件，其中散热器盖包括深度小于2毫米的槽。
全文摘要
一种散热器盖包括具有用于粘接到下层基底板上的唇板的外周边区域、中心区域、和一个或多个应变隔离区。应变隔离区位于中心区域和外周边区域之间，并且包括多个被切成部分地或者完全地贯通盖的槽，以一种图案围绕或者部分地围绕中心区域。即使由于粘接的唇板而被它的周边约束，但是由于盖的热膨胀而在盖上产生应力和应变，该应变隔离区提供了应变隔离和应力消除，使得中心区域产生更小的热致翘曲、在唇板和基底板之间的粘接处产生更小的热应力、和/或在基底板上产生更小的热致偏斜。翘曲、应力、和/或偏斜的减小，通过减弱盖和管芯之间的界面上的分层或者分离倾向，和/或通过减少盖和基底板之间的粘接处结构损坏的机会，增强了系统的可靠性。
文档编号H01L23/34GK1799141SQ200480014840
公开日2006年7月5日 申请日期2004年5月25日 优先权日2003年5月30日
发明者J·比什, K·汉拉汉, D·布林克 申请人:霍尼韦尔国际公司