专利名称：制造散热片的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及到集成电路封装件的冷却，更具体地说是涉及到采用散热片的冷却。
集成电路工艺中诸如降低电路电压和根据发热而有选择地修改电路工作之类的改善，已然有助于稍许减轻通常伴随越来越高的电路密度和工作频率而不断提高的热密度。尽管如此，集成电路的发热仍然是很成问题的。本技术领域有很多改善IC冷却的方法和器件，特别是涉及到采用散热片。
使用散热片来作IC冷却有许多困难。困难之一是如何将一个小的相当易碎的IC固定到一个更大的相对更结实的散热片上。热处理通常被用来将IC固定于一个相对小的载体。在热处理炉中要容纳一个固定于IC或载体的相当大的散热片，这可能延长工艺时间并引起困难的温度控制问题。
因此，现有技术包括改善散热片和IC之间或散热片和IC与载体组合件之间的机械固定或接触的热导率，其中的固定或接触可无需热处理。例如，授予M.D.Rostoker等人的美国专利5,311,1300描述了一种散热片，它在IC管心上方紧邻处有一个平坦表面，其间带有硅胶。管心安装在其下方的衬底上。这种管心/散热片固定的一个问题是邻近于散热片的管心的平面将不可避免地相对于散热片的平坦表面稍有倾斜，导致热导率下降。
授予L.R.Fox的美国专利5,184,211描述了一种安装于衬底的散热片，用衬底来支持管心。管心上方的散热片用机械固定方法被向下拉向衬底以达到与管心的紧密接触。在管心与衬底下方之间排列一个柔性垫层。用垫层作为弹簧似地将管心压向散热片，这样就较适应尺寸的变化。但由于管心还受到将IC连接于衬底的导电引线的限制，故弹簧状的作用必须很小。
由这些例子可见，有必要找出一种IC管心冷却的改进了的方法和设备。
本发明的一个目的是用散热片来改善IC管心的热耗散，这种散热片与用来将热从管心传送到散热片的一种元件之间具有机械固定。
根据本发明，用一种耗散热的装置达到了前述的和其他的目的，这种装置包括一个含有电子线路(“芯片”)的管心和一个邻接于芯片且有助于热传导的热传输元件(“HTE”)。此HTE有一面对着芯片。散热片有一个有助于匹配HTE面的表面。散热片面和HTE面被彼此紧密固定。
在本发明的另一种情况下，散热片面和HTE面整个地覆盖着芯片。
在又一种情况下，HTE面和散热片面基本上是平坦的，以致减小了其间的间隙从而改善了其间的热传输。
此装置还包括HTE面与散热片面之间的一薄层第一柔软导热材料以及管心与HTE之间的一薄层第二柔软导热材料。
在一个实施例中，衬底支持着管心并被固定于HTE，使管心紧贴于HTE。衬底的热膨胀系数与HTE的大致相同。
在装置的最佳实施例中，芯片的电路被连接于布线衬底的导体。第一柔软导热材料被加于热传输元件(“HTE”)。芯片被紧靠于第一柔软导热材料。对芯片、第一柔软导热材料、布线衬底和HTE进行加热。加热之后，散热片被紧贴于HTE固定。
在本方法的另一种情况下，在HTE上形成一个面，并在散热片上形成一个基本上与HTE上的面匹配的面。在向HTE加第一柔软导热材料时，是对着HTE面施加。在紧贴芯片时，是紧贴于对着HTE面的第一柔软导热材料。
在本方法的又一种情况下，第二柔软导热材料也可在加热之后加于HTE与散热片之间。第一和第二柔软导热材料二者都可倾向于用作粘合剂。或者，第一和第二柔软导热材料中的一个可倾向于用作粘合剂。或者二者都不倾向于用作粘合剂。
由于HTE与散热片的结构，使HTE可与散热片以密配方式紧密地固定，而且由于管心和HTE的尺寸较小，使HTE也可与管心一起被热处理，这是一个优点。这样就得到了从管心到HTE以及从HTE到散热片的良好的热传输。
本发明的另一优点是热可以沿芯片到HTE和散热片的直线并由此向外耗散。
在下列描述中提出了其它的目的、优点和新颖特点，对本技术领域熟练人员或本发明的实践者是显而易见的。其它的实施例都在本发明的构思与范围之中。借助于所附权利要求中指出的各种组合，可获得这些目的和实施例。本发明只受权利要求中条款的限制。
图1示出了本发明引线键合封装件的最佳实施例。
图2示出了本发明倒装片封装件的最佳实施例。
为了清楚地指出本发明的新颖特点，诸如引线键合和倒装片之类的芯片封装、诸如可能包括粘合剂使用及热处理之类的芯片至载体的固定、以及为达到金属部件上平坦面紧密配合而进行的机加工等对本技术领域熟练人员显而易见的常规特点在下列描述中从略或只简要地加以叙述。
参照图1，示出了本发明引线键合封装件的一个最佳实施例。含有集成电路的管心102被支持在由粘合剂106固定的热传输元件104上。借助于在炉子中对管心、HTE和粘合剂进行热处理，通常至少部分地在管心102和热传输元件(“HTE”)104之间获得了紧密配合和低的热阻。由于HTE明显地小于散热片，故比起散热片也包括在内的情况来，这一热处理可以执行得更迅速更可控和更可靠。
热传输元件104最好也由铜制成，这样就可加工得到基本上平坦的表面，例如偏差不超过20μm。这样，其上要固定管心102的热传输元件104的表面108以及要固定到散热片112的HTE 104的表面110的平坦度就可以在这一公差之内。
同样，散热片112最好由铜制成。这样，要固定到HTE 104表面110的散热片112的表面114的平坦度就可在这一公差之内，致使散热片112和热传输元件104可以在表面110和114的整个区域内形成基本上均匀的接触以改善其界面之间的热传输。同时，由于材料是相同的，故HTE和散热片的膨胀系数相同。尽管由于管心上电路的工作而发热，这仍然进一步促成了均匀接触。
由于热传输元件104和散热片112相当坚固，故可用插过散热片112并拧入热传输元件的螺钉116a-116e将它们紧紧地压在一起。这进一步改善了表面110和114之间接触的均匀性，从而改善了从热传输元件104跨过界面进入散热片112的热导。同时，在由管心102到最好由铜制成的嵌埋在将电路连接到管脚124的布线叠层中的金属导体(未示出)的引线键合连接118上，没有施加任何明显的应力。
显然，散热片112和热传输元件104也可以用插过HTE 104和散热片112二者的螺钉及螺帽来固定和紧压在一起，或者插过HTE 104并拧入散热片112，或用诸如夹子之类的其它固定方法来固定和压紧。
最佳实施例中表面110和114之间接触的均匀性还可用其间的一层诸如矿物油或导热胶之类的柔软导热材料122来加以提高。
布线叠层120最好由膨胀系数接近铜HTE的且不易导电而可导热的复合结构之类的材料构成。典型的管脚124包括用来铜焊连接到嵌埋在布线叠层120中的导体(未示出)的焊点。管脚124最好由铜或镀金的镍合金组成(这是一种良好的导电体且其膨胀系数接近于布线叠层、嵌埋的导体和HTE)，以便降低管心与布线叠层之间以及管脚与布线叠层之间的连接上的热应力。
图1只提供了一个沿单一平面(以下称之为垂直面)的剖面图。正如从图1只部分地可看到的那样，在水平面内，散热片112表面114整个地覆盖着热传输元件104表面110，且热传输元件104表面108整个地覆盖着管心102。亦即，如从散热片112、热传输元件104和管心102之上的水平面看到的那样，热传输元件表面110的周边伸出在管心周边之外。(当然，并不是在所有情况下都要求HTE完全覆盖管心，或散热片完全覆盖HTE。这些元件只要基本上彼此覆盖也是在本发明的构思之内)。
这样，由于热可以通过热传输元件和散热片的导热材料从管心向上直接耗散并沿直接向上路径向外越出到所有方向，故管心102的热就更有效地从管心102传导到热传输元件104到散热片112。
现参照图2，示出了本发明倒装片封装件的最佳实施例。在此实施例中，含有集成电路的管心102被支持在衬底126上。导体(未示出)被嵌埋或就在衬底126的表面上，以便将管心102的电路连接到管脚104。衬底126最好是不易导电而导热良好的氧化铝陶瓷材料。管心102借助于本技术熟知的键合于衬底上焊点(未示出)的可控可崩塌芯片连接128而固定于衬底126。衬底用诸如可提供气密封的焊料130之类固定于HTE 104。HTE 104最好由铜钨合金组成，它也可加工得到基本平坦的表面，例如偏差不大于20μm。这样，HTE 104的表面108和110的平坦度就可在这一公差之内。
由于上述的材料选择，使HTE和衬底的膨胀系数基本上相同，以致降低了密封130上由管心上电路的工作发热所造成的应力。
注意在这一倒装片实施例中，正对着带有连接128的表面的管心102的表面由紧靠HTE 104的表面108的衬底126用其间的诸如硅胶的导热胶固定。
再者，正如图1的引线键合封装件的实施例中那8样，散热片112最好由铜制成。这样，固定于HTE 104表面110的散热片112表面114的平坦度就可在前述的公差之内，以致散热片112和HTE 104可在表面110和114的整个区域内形成基本上均匀的接触，以改善其界面之间的热传输。
由于HTE 104和散热片112相当紧固，故可用图2所示的插过散热片112与HTE 104二者的螺钉116a和116b以及螺母134紧压在一起，螺钉与螺母最好由铝制成。这进一步改善了表面110与114之间接触的均匀性，从而改善了从HTE 104跨过界面到散热片112的热导性。
注意在这种封装件中，螺钉116最好穿过散热片和HTE二者并用螺母134固定，而不要将螺钉拧在HTE或散热片中。而且，HTE和散热片中插入螺钉的孔的直径最好稍大于螺钉，以便散热片表面114和HTE表面110之间有一些横向运动的自由以适应散热片112和HTE 104的微小差别的膨胀。借助于其间的一层诸如矿物油或导热胶之类的柔软的导热材料122，也可提高最佳实施例中表面110与114之间接触的均匀性。借助于加入矿物油或薄层导热胶122，进一步便利了横向运动。
应该承认的是，如上所述，由于横向运动适应于热传输元件相对于散热片的微小差别的热膨胀，以致于尽管可能出现散热片112和HTE 104的微小差别发热和膨胀，在由管心102到嵌埋入或在衬底126表面上将电路连接到管脚122的金属导体(未示出)的连接(未示出)上的应力仍被明显地降低。另一方面，显然这一横向运动的自由受到了被螺钉116和螺母134紧压固定在一起的表面114和110的某些限制。螺钉和螺母必须适当地固紧以便在下列二个目的之间取得平衡1)将表面114和110紧固在一起；2)容许有一定量的相对于螺钉116的孔径所允许的横向运动。
虽然所示实施例是最佳实施例，但显然，散热片112和HTE 104也可以用插过HTE并拧入散热片112的螺钉、插过散热片112并拧入HTE 104的螺钉、或诸如夹子之类的其它固定方法来紧固在一起。但这些变通固定方法中的某些方法可能出现困难。例如，铜钨就不很适合于车螺纹。而且，发热所造成的适度横向膨胀应当由所使用的固定装置来适应。
管心、HTE和散热片中间的覆盖基本上如同图1的实施例。由于图2只提供沿垂直面的剖面图，在图2中也只能看到部分的覆盖范围。虽然，对于图2所示的实施例，散热片112表面114在水平面内整个地覆盖了HTE104表面110，且HTE 104表面108在水平面内整个地覆盖了管心102。亦即，如同从散热片112、HTE 104和管心102之上的水平面所看到的那样， HTE表面110的周边延伸于管心102的周边之外。这样，由于热可以通过HTE和散热片的导热材料从管心直接向上并且还沿直接向上路径向外越出到所有方向，管心102的热就更有效地从管心102被传导到了HTE104和散热片112。笼统地说，计算表明，图2的封装件可适应温升约为50℃时100W芯片的工作。
虽然已详细地描述了本发明及其优点，但显然，可做出各种改变、替换和变通而不超越下列权利要求所规定的本发明的构思与范围。例如，如前所述，并不是在所有情况下都要求HTE完全覆盖管心或散热片完全覆盖HTE。这些元件只要基本上彼此覆盖也是在本发明的构思之中的。还例如，此处所述的材料也可改变，只要它们的性质例如热膨胀度、热导率和电导率同样匹配良好即可。
权利要求
1.一种散热装置，它包含一个含有电子线路(“芯片”)的管心；一个紧靠芯片且有助于导热的热传输元件(“HTE”)；一个散热片；其中的HTE有一个对着芯片的表面，散热片有一个易于匹配HTE表面的表面，且散热片表面和HTE表面彼此被紧固。
2.权利要求1的装置，其特征是包含一个用来固定散热片和HTE，使散热片表面紧固于HTE表面的固定装置。
3.权利要求2的装置，其特征是散热片表面和HTE表面整个地覆盖芯片，致使热可以沿从芯片到HTE和散热片的直线以及由此向外耗散。
4.权利要求3的装置，其特征是HTE表面和散热片表面基本上是平坦的，致使减小了其间的间隙且改善了其间的热传输。
5.权利要求4的装置，其特征是散热片和HTE用若干螺钉固定在一起。
6.权利要求4的装置，其特征是在HTE表面与散热片表面之间包含一薄层第一柔软导热材料，并在管心和HTE之间包含一薄层第二柔软导热材料。
7.权利要求6的装置，其特征是包含一个支持管心并固定于HTE致使管心紧固于HTE的衬底。
8.一种从含有电子线路(“芯片”)的管心散热的方法，它包含下列步骤a)将芯片电路连接到布线衬底的导体；b)将第一柔软导热材料加于热传输元件(“HTE”)；c)将芯片紧贴于第一柔软导热材料；d)对芯片、第一柔软导热材料、布线衬底和HTE进行加热；e)在步骤d)之后，将散热片固紧到HTE。
9.权利要求8的方法，其特征是包含步骤f)在步骤e)之前，将第二柔软导热材料加在HTE和散热片之间。
10.权利要求9的方法，其特征是第一和第二柔软导热材料二者都适于用作粘合剂。
11.权利要求10的方法，其特征是第一和第二柔软导热材料中的一个适于用作粘合剂。
12.权利要求11的方法，其特征是第一和第二柔软导热材料都不适于用作粘合剂。
13.权利要求9的方法，其特征是包含下列步骤g)在HTE上制作一个表面；以及h)在散热片上制作一个与HTE上的表面基本上匹配的表面；其中，在c)中，第一柔软导热材料被加于正对着的HTE表面，而在d)中，芯片被紧贴于对着HTE表面的第一柔软导热材料。
全文摘要
散热装置,包括含有芯片的管心和紧靠于芯片且有助于导热的热传输元件HTE。HTE有对着芯片的表面。散热片有易于匹配HTE表面的表面。散热片表面和HTE表面彼此紧固并整个地覆盖着芯片,使热可以沿从芯片到HTE和散热片的直线向外耗散。用于装置的最佳方法,芯片电路连接到布线衬底的导体。第一柔软导热材料加于HTE。芯片紧贴于第一柔软导热材料。对芯片、第一柔软导热材料、布线衬底和HTE进行加热。之后,散热片被紧固于HTE。
文档编号H01L23/34GK1181630SQ97119600
公开日1998年5月13日 申请日期1997年9月29日 优先权日1996年10月31日
发明者莱昂·L·吴 申请人:国际商业机器公司