专利名称：集成电路纳米管基衬底的制作方法
技术领域：
本发明涉及集成电路器件及其方法，更具体地涉及采用纳米管材料的集成电路衬底。
背景技术：
衬底材料在电路制造和实现中起重要作用。例如，通常使用焊接型连接，将集成电路、倒装芯片型电路和其它电路安装在其中含有迹线的衬底上，以便将集成电路电连接和物理连接到衬底上。在用作支撑结构(如球栅阵列(BGA)或印制电路板(PCB)时，典型地，衬底保持和/或支撑电路，从而在与支撑结构连接的电路间，起到传送信号的作用。在一些应用中，PCB包括用于与其它电路连接的BGA。
典型的BGA(以及PCB，类似地)具有衬底型材料，在衬底型材料的一个或多个表面上，导电互连与导电焊盘连接。互连典型地包括与垂直导电通路、与通常设置成多层的迹线(trace)、与通路、不同导电焊盘间的各种连接相连的横向迹线(trace line)(迹线)。多个电子部件如倒装芯片管芯和其它部件通过导电焊盘与BGA连接。取决于实现，互连将不同的电路部件互相连接，和/或将其与连接BGA的其它电路进行连接。
BGA应用的一个示例包括采用倒装芯片集成电路器件的实现。BGA通过在BGA底部表面的焊接连接安装到外部电路。倒装芯片集成电路器件被焊接到BGA的上表面，并通过与BGA的上下表面连接的互连与外部电路连接。
随着电路密度增加以及功能增多、电路设计特性化，通常存在着对小面积上许多互连(和许多迹线和通路)的需求。另外，通常存在着对较大的功耗的需求以便对电路供电。电路密度增强和/或功耗增大一般会产生较多的热量，这对电路部件造成隐患。另外，由于电路配置(以及衬底，相应地)的尺寸减小，这些衬底通常置于增加的应力下。
发明内容
这些因素和其它困难对实现电路衬底的各种应用提出挑战。本发明的各方面包含衬底和/或可采用集成电路和其它器件实现的封装。本发明以多个实现和应用作为示例，以下就其中一些进行总结。
按照一个示例实施方式，在衬底中实现碳纳米管结构以便支撑和/或利用衬底的热传导。衬底的各种应用包括，如集成电路、电路板、球栅阵列(BGA)和针栅阵列(PGA)。
在一种实现中，碳纳米管结构按照BGA型衬底实现，以基本上加强衬底强度，并且相应地，支撑与之连接的电路。碳纳米管结构(例如网状配置、阵列配置或其它配置)在BGA型衬底间延伸，并提供支撑以抵抗材料扭曲、断裂和/或与此类衬底相关的其它应力型挑战。
在另一种实现中，碳纳米管结构被配置和设置成用于传输BGA型衬底中的热量。某些应用包括按照一定方式设置纳米管，以便沿特定方向传输热量，如通过沿着要求传输热量的特定方向取向纳米管结构(例如纳米管或纳米管分组，如纤维)。
在本发明的另一个示例实施方式中，集成电路芯片配置包括其中具有碳纳米管材料的支撑层的衬底。衬底具有厚度，并垂直于该厚度横向延伸，上表面层被设置成用于支撑电路。衬底中碳纳米管材料的支撑层在上表面层以下，并在结构上支撑该衬底，而且在上表面形成集成电路。
在本发明的另一个示例实施方式中，BGA型电路配置包括碳纳米管强化衬底，沿长度横向延伸，上下表面区域限定大体与该长度垂直的厚度。衬底上表面区域具有配置和设置成用于连接到集成电路芯片的导电焊盘。衬底下表面区域具有配置和设置成用于连接到外部电路的导电焊盘。导电互连系统在下表面上的导电焊盘和上表面上的导电焊盘之间延伸，并连接二者。这样，信号在导电焊盘之间传送(例如，在上表面区域处连接的芯片和连接下表面区域上的导电焊盘的电路之间)。
强化衬底包括垂直定位在上下表面之间、并在衬底的至少一部分上横向延伸的碳纳米管层。碳纳米管层包括一个或多个不同配置的碳纳米管，所述碳纳米管提供对衬底的结构支撑和衬底中的热量传输(以及，在适当设置时，向衬底外)之一或二者。设置电绝缘材料以便绝缘导电互连系统延伸穿过碳纳米管层的部分(互连和/或通路)。在一些应用中，电绝缘材料被物理地设置在碳纳米管层与互连系统之间，或层中的碳纳米管之间。在其它应用中，电绝缘材料散布于碳纳米管支撑层内，使得互连系统可以电连接碳纳米管，但碳纳米管层中的绝缘材料阻止碳纳米管层中的碳纳米管间的导电性。
对本发明的以上概述并不是旨在描述每一个举例说明的实施方式或本发明的每一个实现。以下的附图和详细描述更具体地给出这些实施方式的例子。
结合附图考虑下文对本发明的各种实施方式的详细描述，可以更全面地理解本发明，其中图1示出按照本发明的示例实施方式，BGA配置的断面图；图2是按照本发明的另一个示例实施方式，具有垂直设置的碳纳米管结构的衬底设置的截面视图；图3是按照本发明的另一个示例实施方式，垂直和水平碳纳米管导电结构相结合的PCB配置的截面视图；图4示出按照本发明的另一个示例实施方式，具有基于纳米管的散热结构的电路配置的截面视图，该基于纳米管的散热结构与导电互连和通路相邻，并与导电互连和通路绝缘；具体实施方式
尽管本发明可应用于各种修改和替代的形式，但其特性已经在图中以示例的方式示出，并将被详细描述。然而应当理解，本发明并不局限于本文所描述的特定实施方式。相反，本发明涵盖所有附加权利中所限定的本发明范围内的所有修改、等价物和替代物。
相信本发明可应用于包括衬底的各种电路和方法，和/或得益于该衬底，特别是得益于表现出所需强度和导热性的衬底。尽管不必将本发明局限于这些应用，但在这种环境中通过对示例的讨论可最佳地获得对本发明的各方面的理解。
按照本发明的一个示例实施方式，用于电路配置的衬底，如球栅阵列(BGA)、印制电路板(PCB)或其它配置，可采用包括碳纳米管的衬底实现。这些碳纳米管例如可包括碳纳米管纤维以及单壁碳纳米管和多壁碳纳米管二者。
在一种实施方式中，碳纳米管用于支撑或硬化衬底。然后，碳纳米管硬化的衬底可用于支撑电路，如电路互连、迹线和通路或半导体晶片中的有源电路层。
可选择衬底中的碳纳米管数量以适合特定的应用。例如，在要求电绝缘的衬底的情况下，碳纳米管数量限于衬底大体不导电的衬底中的浓度，对于特定的应用预期衬底如此。在一些应用中，碳纳米管可与其它填充材料共同使用，如二氧化硅(silica)，以构成衬底。可选择碳纳米管与二氧化硅(或其它衬底材料)的比例以达到所要求的导电性(即在促进热传导的同时阻止导电)。
在其它应用中，电绝缘材料选择性放置在衬底中以便将电路与碳纳米管电绝缘。该方法便于使用相对高浓度的碳纳米管，不采用电绝缘材料，可向电路或从电路导电。如此相对高浓度的碳纳米管便于在衬底中和/或从衬底向外导热。
在一些示例中，碳纳米管为衬底提供基本支撑。例如，在一些应用中，碳纳米管提供贡献于衬底的至少20％的硬度。在其它应用中，由碳纳米管提供的基本支撑提供贡献于衬底的超过50％的硬度。在仍有其它应用中，由碳纳米管提供的基本支撑提供贡献于衬底达的超过75％的硬度。
在另一实施方式中，所实现的碳纳米管用于传导例如由衬底中的电路和/或与衬底连接的电路产生的热能，如集成电路部件。碳纳米管在用于电路衬底的封装中实现，如采用衬底自身和/或采用其它部分实现，如采用用于将电路封装部件键合在一起的材料实现。
为了用作硬化和/或散热，按照不同的方式设置碳纳米管。例如，在诸如硅的整个衬底材料上，碳纳米管可随机或均匀地混和。再例如，碳纳米管可沿特定的方向设置，以达到某种硬度和/或导热条件。例如，在要求阻止支撑衬底如BGA衬底的弯曲或扭曲的情况下，将碳纳米管设置成可通过抵抗沿碳纳米管长度的压缩从而阻止弯曲或扭曲。在一些应用中，如此设置碳纳米管以便沿多于一个的方向提供硬度，如通过将碳纳米管设置成束型或多方向的配置。
在本发明的其它示例实施方式中，碳纳米管的矩阵封装在衬底型材料中，如环氧材料。衬底型材料可包括，例如FR4环氧材料和/或双马来酰亚胺三嗪(Bismaleimide triazin)(BT)树脂。相应地，封装的矩阵可接受金属化和成孔工艺，用于产生BGA和PCB衬底。
现在转至附图，图1示出按照本发明的另一示例实施方式，具有衬底110的BGA配置100的断面图，衬底110在其一部分中具有碳纳米管层120。BGA配置100在其上下表面还包括导电焊盘。图1的断面图示出上表面处的焊盘130和132以及下表面处的焊盘134和136。导电触点(例如，焊料球)140和142与焊盘134和136连接，从而进一步适于与相邻电路连接。上表面处的焊盘130和132通过电导线与电路部件150连接。例如，可实现电路部件150用作集成电路芯片。焊盘130和132通过焊盘134和136以及衬底110中的互连与将电路部件150连接到触点140和142。
通过示例方式，按照大体横向的配置示出多个碳纳米管束122-124；多数碳纳米管束和纳米管配置可用作碳纳米管层120，如图所示以及其它的方式。例如，碳纳米管层120中的碳纳米管可以按照不同的方式取向以适应特定应用。在各种实施方式中，碳纳米管在衬底110的碳纳米管层120中随机取向(例如在衬底的环氧层中)。在一些示例实施方式中，按照便于沿特定方向导热和/或耗散衬底110中的热量的方式设置碳纳米管。在其它示例的实施方式中，按照沿特定方向提供结构支撑的方式设置碳纳米管。
在一种实现中，碳纳米管层120包括大体水平的纳米管线纱网和/或在树脂中嵌入的线。相对于图1的BGA配置100的取向，大体水平特性的碳纳米管层120有助于水平散热。
在另一个实现中，碳纳米管的垂直列阵列(vertical column array)嵌入环氧树脂中。例如采用图1中的碳纳米管层120，可实现碳纳米管的垂直列阵列。该垂直列方法有利于沿垂直方向导热，即从衬底110的上表面附近的电路，朝衬底的下表面向外导热。
在其它实现中，垂直碳纳米管结构被设置成相对窄的列(例如以1∶1的高宽比，或更大)，以便于沿大体垂直的方向导热。参照图1，该大体垂直的导热是例如相对于沿大体横向(如图示水平的)的导热，如同采用相对宽的碳纳米管层120所起的作用那样。
在另一实施方式中，碳纳米管层基本上占据整个集成衬底，如上面讨论的那样，碳纳米管大体在整个衬底上并保持在一起(例如利用环氧材料)。再次参照图1作为示例，碳纳米管层120可扩展到包围整个衬底110，在碳纳米管层形成各种电路部件(例如焊盘130-136和焊盘间的互连/通路)。
这一实施方式中，电路部件与碳纳米管层绝缘。在一些应用中，在碳纳米管层之间形成绝缘层{例如包含纳米管的环氧材料)和电路部件。再次参照图1，焊盘130-136以及其间的互连和通路可采用绝缘材料形成衬里。在其它应用中，将碳纳米管层本身形成为非导电的，在其中应用碳纳米管层的特定应用中，利用足够低浓度的碳纳米管阻止导电。
图2示出按照本发明的另一示例实施方式，采用垂直碳纳米管配置的衬底200的一部分的断面图。衬底200可应用于各种电路结构，如PCB、BGA、半导体衬底(如用于集成电路芯片或倒装芯片)和其它。在这方面，用作衬底200的材料可以是一种或多种不同的材料，如环氧材料、树脂或含硅材料。
碳纳米管相对窄的列220、222和224有助于垂直导热，例如作为衬底200中的热通路。这种垂直配置可从某些衬底区域和/或某些电路元件导热，如衬底200中的通路或衬底上表面附近的电路元件(在此，以示例的方式示出为元件230、232和234)。
当衬底200被当作BGA型衬底时，可设置碳纳米管列220、222和/或224以便有利于从衬底上表面附近的互连垂直导热。当衬底200用作集成电路型衬底时，可将碳纳米管列220、222和/或224设置在衬底中的逻辑型电路部件和/或有源区域附近，以便有利于从这些部件和/或区域导热。在这方面，可特别调整碳纳米管列如列220、222和224的形状、尺寸和位置，以便从衬底中的特定位置沿特定方向导热。例如，可配置一个或多个列以便从电路元件向外导热，如元件230、232和/或234。
在更一步的实现中，热沉240与一个或多个碳纳米管结构连接，如图2所示，可选地与碳纳米管列220、222和224连接。热沉240包括导热材料，并被设置成从碳纳米管列导热，并将热量传导出衬底200。在一些例子中，利用例如传导导热、对流导热或其它方法，进一步地冷却热沉240。
图3示出按照本发明的另一示例实施方式，PCB(印制电路板)衬底配置300的截面视图，采用垂直和水平设置的导热结构二者。PCB衬底结构300具有衬底310，以示例的方式标识为包括BT树脂，分别具有上和下碳纳米管网状结构320和322。相对垂直的碳纳米管传导结构330、332、334、336和338在上和下碳纳米管网状结构320和322之间延伸，并在其间传导热。在图3中，以示例的方式示出碳纳米管结构的尺寸、配置和数量；然而，对于各种应用，在这些和其它相关的条件方面有许多变化(例如增加垂直碳纳米管结构)。
上碳纳米管网状结构320从与衬底310的上表面312连接的电路和/或衬底导热。通过垂直碳纳米管传导结构330-338从上碳纳米管网状结构320进一步导热，并且向下碳纳米管网状结构322导热。相反地，热量也可按照相反的方向传输，即通过垂直碳纳米管传导结构330-338从下碳纳米管网状结构322向上碳纳米管网状结构320导热。
可采用衬底配置300实现各种电路。例如，以示例方式示出的半导体芯片340可以使用上述图1所讨论的焊盘连接到衬底310。借助于衬底中的互连和/或通路，焊盘将半导体芯片340电连接到衬底310的下表面314上的触点(例如，焊料球351-357)。衬底配置300中的电路互连和通路形成半导体芯片340和触点之间的电连接。在一些应用中，衬底310中的碳纳米管传导结构按照有利于从其导出热量的方式设置在互连和/或通路附近。
图4示出按照本发明的另一示例实施方式，电路配置400的截面视图，基于纳米管的散热结构与导电互连和通路相邻并与之绝缘。BT树脂型衬底410包括大体横跨衬底410而延伸的传导碳纳米管结构420-428。各个碳纳米管结构420-428包括碳纳米管和环氧型材料的混和物。
许多导电迹线和通路从衬底410的上表面区域412向衬底的下表面区域414延伸。所显示的通路包括通路440-446，所显示的迹线(或焊盘)包括上表面区域412处的迹线450-453和下表面区域414处的迹线454-457。以示例的方式，示出下表面414处的迹线或焊盘454-457与焊料球连接。
上表面412处的迹线450-453通过键合线连接和/或直接与上表面上的电路部件连接。一种这样的电路部件显示的是硅芯片460，通过键合线连接到迹线450-453中的每一个。可选地，硅芯片460的下部分461直接与迹线451或452连接(或其它，例如位于沿大大体垂直于所显示的截面的方向)。
以上所描述和图中显示的各种实施方式只是以举例说明的方式提供，不应被认为限制本发明。基于上述讨论和说明，本领域的技术人员将容易地认识到对本发明可以作各种更改和改变，不必严格地遵从本文说明和描述的示例实施方式和应用。例如，可采用与碳不同的其它材料如硼或附加该材料，实现碳纳米管。此外，以示例的方式讨论的衬底型材料可采用许多不同的材料实现，单独使用和/或结合另一种材料或结合上述材料使用。此类更改和改变并不背离本发明的实质和范围。
权利要求
1.一种集成电路芯片配置(100)，包括具有厚度并且垂直于该厚度横向延伸的衬底(110)；配置成用于支撑电路的上表面层(110)；以及位于衬底中并且在上表面层下方的碳纳米管材料的支撑层(120)，该支撑层被配置和设置成结构支撑该衬底和在上表面层处形成的集成电路。
2.根据权利要求1的配置，其中支撑层包括碳纳米管矩阵。
3.根据权利要求2的配置，其中碳纳米管矩阵包括基本上横跨全部衬底而延伸的许多碳纳米管。
4.根据权利要求1的配置，其中支撑层被配置和设置成经衬底散热。
5.根据权利要求1的配置，其中衬底包括上表面层。
6.根据权利要求1的配置，其中支撑层基本上横跨过整个衬底而延伸。
7.根据权利要求1的配置，其中碳纳米管材料的支撑层被配置和设置成用于耗散衬底中的热量。
8.根据权利要求7的配置，其中支撑层被配置和设置成用于从衬底中的电路去除热量。
9.根据权利要求7的配置，其中支撑层被配置和设置成用于从与衬底连接的电路去除热量。
10.根据权利要求1的配置，其中支撑层与衬底中的电路电绝缘。
11.根据权利要求1的配置，还包括穿过支撑层的至少一部分而延伸的至少一个电路；以及被配置和设置成用于将支撑层中的碳纳米管与该至少一个电路电绝缘的绝缘材料。
12.根据权利要求1的配置，其中衬底包括被配置成用于引导热量离开衬底的选定部分的碳纳米管。
13.根据权利要求12的配置，其中碳纳米管具有长度大于宽度的大体管状结构，并且，其中所述碳纳米管被配置成沿其长度方向引导热量离开所述选定部分。
14.根据权利要求1的配置，其中碳纳米管材料的支撑层包括多个具有长度大于宽度的大体管状结构的碳纳米管，并且，其中碳纳米管被配置成使得碳纳米管的长度在压缩中提供对结构的基本支撑。
15.根据权利要求1的配置，还包括热沉，该热沉与碳纳米管材料的支撑层热连接，并且被配置成碳纳米管材料从衬底去除热量。
16.一种电路配置(400)，包括具有厚度并且垂直于该厚度而横向延伸的衬底(410)；具有导电焊盘(450、451、451、453)的衬底的上表面区域(412)，所述导电焊盘(450、451、451、453)被配置和设置成用于连接到集成电路芯片；具有导电焊盘(454、455、456、457)的衬底的下表面区域(414)，所述导电焊盘(454、455、456、457)被配置和设置成用于连接到外部电路；导电互连系统(440、442、444、446)，在下表面上的导电焊盘和上表面上的导电焊盘之间延伸并连接二者，并且被配置和设置成可在导电焊盘之间传送信号；碳纳米管层(420、422、424、426、428)，在衬底中垂直位于上和下表面之间，并且跨越衬底的至少一部分横向延伸，该碳纳米管层包括碳纳米管，所述碳纳米管被配置和设置成用于以下作用之一结构支撑衬底，以及传导衬底中的热量；具有互连(440、442、444、446)的导电互连系统，互连(440、442、444、446)穿过支撑层而延伸并与碳纳米管电绝缘。
17.根据权利要求16的配置，其中碳纳米管被配置和设置成用于从衬底的选定区域向外导热。
18.根据权利要求17的配置，其中碳纳米管被配置和设置成用于从穿过支撑层而延伸的互连向外导热。
19.根据权利要求16的配置，其中在互连穿过其而延伸的位置处，碳纳米管层包括绝缘材料，该绝缘材料被配置和设置成将碳纳米管与互连电绝缘。
20.根据权利要求16的配置，其中碳纳米管层被配置和设置成为衬底提供基本的结构支撑。
21.根据权利要求16的配置，其中碳纳米管层包括基本上整个衬底，并且，其中导电互连系统位于碳纳米管层中。
22.一种用于制造传输热量的集成电路衬底的方法，该方法包括表征集成电路衬底的热产生部件(230、232、234)；以及在衬底中设置碳纳米管结构(220、222、224)以便从所述热产生部件向外传输热量。
23.根据权利22的方法，其中在衬底中配置碳纳米管结构以便从所述热产生部件向外传输热量包括，紧邻热产生部件设置碳纳米管结构的第一端，以及在适于从衬底去除热量的位置处设置碳纳米管结构的第二端。
24.根据权利23的方法，还包括，沿着大体平行于所述第一端和第二端之间的方向的方向，在碳纳米管结构中设置长度基本上大于宽度的碳纳米管，以便沿碳纳米管的长度方向传输热量。
全文摘要
碳纳米管材料用于集成电路衬底中。按照示例实施方式，集成电路配置(100)包括其中具有碳纳米管结构(120)的衬底(110)。按照一种或多种不同的方式设置碳纳米管结构，以提供结构支撑和/或导热性。在一些例子中，碳纳米管结构被设置成为集成电路配置提供基本上全部的结构支撑。在其它例子中，碳纳米管结构被设置成用于在整个衬底上散热。在另外的其它例子中，碳纳米管结构被设置成用于从碳纳米管衬底的选定部分去除热量。
文档编号H01L23/538GK101095226SQ200580045604
公开日2007年12月26日 申请日期2005年11月4日 优先权日2004年11月4日
发明者克里斯·怀兰德 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司