专利名称：使用纳米管冷却管芯并使其接地的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及包含至少一个管芯的集成电路封装件的热管理，具体而言，涉及使用一组碳纳米管提供管芯和热管理辅助装置之间的热连接和电连接。
图1是根据本发明的实施例的集成电路封装件的正视图，示出了与热管理辅助装置热耦合的管芯；图2是示出管芯、热管理辅助装置和界面层的正视图；图3是示出半导体管芯、热管理辅助装置和界面层的正视图；图4是图3中除去热管理辅助装置的界面层的放大透视正视图；图5是示出本发明的另一实施例的示意性正视图，其中，热界面物质还提供了半导体管芯上的有源元件的接地连接；图6是示出本发明的一个实施例的集成电路封装件的正视图，示出了热耦合和电耦合到热管理辅助装置的管芯，还示出了通过改进的总热量分布器和插座的提供接地；图7是用于将管芯耦合至热管理辅助装置的过程的流程图；以及图8是用于提供管芯和热管理辅助装置的热路径的过程的流程图。
本发明公开了用于提供对半导体管芯的冷却和接地的方法和集成电路封装件。在以下描述中，阐述了许多具体细节，以提供对本发明的各个实施例的透彻理解。然而，对本领域的技术人员来说显然的是，不利用这些具体细节也可实现本发明的各方面。在其它实例中，为了避免对本发明的实施例造成模糊，没有详细描述已知材料和工艺。
图1是用于安装和冷却由安装结构20支持的发热元件12的封装件10的实施例的简化示意性正视图。
在一个实施例中，元件12也可包括至少一个有源元件，例如在元件12(可以是半导体管芯12)的正面14上形成的元件、模块、或有源电路。在叙述有源元件在管芯正面上形成时，将理解，电路也可位于所提到的表面上方、上面、之中、或稍低于所提到的平面。在图1中所示的实施例中，管芯12的正面14通过球栅组件固定到插座20，该球栅组件包括多个结合到管芯12的表面14的焊球22。所示出的管芯12的另一表面即背面连接到热管理辅助装置，例如图1中的实施例中所示的集成散热器24。其它热管理辅助装置可包括散热装置或其它类似结构。典型的热管理辅助装置由例如铜或铜合金等较软的导电材料制成。
图2是位于管芯12的背面16和例如集成散热器24等热管理辅助装置之间的界面层26的放大的细节正视图。为了提供从管芯12到散热器24的有效的热传递，在一个实施例中具有非常高的热导率的热界面层26插在元件12和24之间。在图2中所示的实施例中，热界面层26包括碳纳米管28阵列，该碳纳米管28与散热膏混合，涂覆在管芯12的背面16和热管理辅助装置24之间。
选择纳米管的长度分布以允许纳米管28的相当大的百分比桥接管芯12和散热器24之间的间隙，并形成提供管芯12和散热器24之间的最佳热耦合的直接通路。图2以非常放大和扩大的形式示出纳米管28的长度和界面层26的厚度之间的关系。典型地，纳米管具有1纳米左右的直径。界面层26的厚度从几十纳米到几百纳米，这取决于可用的纳米管长度。在一个实施例中的纳米管长度稍大于界面层26的厚度，且热界面层的厚度小于约0.01到0.10mm。
图3示出也具有碳纳米管阵列的界面层26的另一实施例，该碳纳米管阵列在此实施例中设置在纳米管束38的各束中。在此实施例中，使用化学气相淀积(CVD)工艺直接在管芯12的背面16上生长纳米管38。建立并控制此工艺，以产生纳米管束38，每束的纵轴都垂直于管芯12的表面。当热状况沿纳米管38的轴线最佳时，这种定向是最佳的，且与铜的约为400的值相比，高达6000W/mK。纳米管束38的长度在几微米的量级。
如果如图4的透视图所示纳米管38成束生长，则各束的机械强度相对于单独的纳米管得到极大提高，从而更易于从例如管芯12的表面等表面形成纳米管。为了提供机械强度给界面层24，在生长纳米管38后可将填隙物质40应用于纳米管束38。多种散热膏或聚合物可用作适合的填隙物质40。
在一个实施例中，通过机械研磨管芯背面或以其它方式从管芯的不包含有源元件的表面使管芯变薄，使从管芯正面上的有源元件到热管理辅助装置的导热性进一步减小。
为了避免对在管芯12上的有源元件造成损坏，根据本发明的实施例，在管芯12上生长纳米管束的CVD工艺应当在管芯12上制造有源电路之前进行，以避免将有源元件暴露于CVD工艺中的高温。
在一些实施例中，纳米管的高张力强度使其尖端嵌在例如集成散热器的散热装置等软的热管理辅助装置的表面中(如果使得它们伸出填隙物质的表面)。
在一些实施例中，热管理辅助装置的材料是铜或铜含量很高的铜合金。这使得热界面层补偿了热管理辅助装置或管芯的表面粗糙部分。另外，纳米管伸出填隙物质的表面使得纳米管的尖端侵入表面中“谷”中的热管理辅助装置的表面，该“谷”是表面粗糙的结果。
在一些实施例中，纳米管的尖端可通过覆盖表面的焊料层进入热管理辅助装置的表面。在其它实施例中，纳米管通过覆盖表面的一层焊料侵入热管理辅助装置。该焊料可以比热管理辅助装置的表面软。在其它实施例中，热管理辅助装置的表面可具有镍或镍合金层，在该层上存在镀锡的焊料层，以接收纳米管的伸出的尖端。
在另一实施例中，加热集成散热器，以使其部分在表面连接到从填隙层凸出的纳米管时熔化。在此实施例中，减小了插入热管理辅助装置的软表面的纳米管上的机械应力。
由于碳纳米管28和38是高度导电和导热的，所以在一个实施例中，界面层26也可用于提供管芯12和元件插座20之间的接地连接。提供这样的连接补充了通过焊球连接到安装插座的接地连接，并使得封装尺寸减小，因为不需要将很多地方用于提供多个传统的接地连接。
图5示意性地示出提供通过界面层24的接地连接。在此实施例中，有源元件电路位于管芯12的正面54上。通过管芯12从正面上的有源元件到管芯12背面57设置多个通路56，其中在此实施例中，管芯12的表面至少部分金属化，以改进从管芯12正面上的有源元件到管芯背面的接地通路。
图6示出用于支承管芯并提供从管芯到插座的电通路的插座。在此实施例中，另外的触点58设置在插座20上，以接合集成散热器24的至少一侧，并使电流传导到连接器60，该连接器60将通过导电通路62连接到插座20外部的另一电路。在一个实施例中，连接器连接到例如地等参考电位源。
图7是用于将管芯耦合至热管理辅助装置的过程的实施例的流程图。在管芯表面上形成纳米管阵列72，且与纳米管阵列接触安装热管理辅助装置79。
在另一实施例中，沿纳米管的相当大部分的基本上整个长度封装(encapsulate)纳米管阵列74，仅留纳米管的尖端伸出填隙物质的表面，以便于将尖端嵌入表面中，和嵌入热管理溶液的表面粗糙部分中，以形成界面层。
在另一实施例中，可从管芯上的一个或多个有源元件到管芯76的表面设置电连接，并使管芯通过热管理辅助装置电连接到参考电势源78。
图8是提供从管芯到热管理辅助装置的导热通路的工艺的流程图。该工艺包括在管芯表面上形成纳米管阵列82，并与纳米管阵列接触安装热管理辅助装置84，以将纳米管阵列耦合到热管理辅助装置。
在又一实施例中，该工艺还包括用填隙物质沿纳米管的相当大部分的基本上整个长度封装纳米管层86，仅留纳米管的尖端伸出填隙物质的表面，以便于将尖端嵌入表面中，和嵌入热管理溶液的表面粗糙部分中。
应当理解，前述只是本发明的一些实施例的详细描述，可根据所公开的内容对所公开的实施例做出各种改变，而不偏离本发明的精神或范围。因此，前面的描述不意味着限制本发明的范围。相反，本发明的范围完全由所附权利要求及其等价物所确定。
权利要求
1.一种集成电路封装件，包括管芯；安装在所述管芯上方的热管理辅助装置；以及热耦合所述管芯和所述热管理辅助装置的界面层，所述界面层还包括碳纳米管阵列。
2.根据权利要求1所述的集成电路封装件，其中碳纳米管阵列封装在填隙物质基体中。
3.根据权利要求2所述的集成电路封装件，其中所述热界面层的厚度小于约0.01mm到0.10mm。
4.根据权利要求2所述的集成电路封装件，其中所述纳米管的相当大部分的长度稍大于所述填隙物质的厚度，使得所述纳米管的相当大部分夹在所述管芯和所述热管理辅助装置之间，以使热从所述管芯主要通过所述纳米管而不是周围的填隙物质传导。
5.根据权利要求2所述的集成电路封装件，其中所述热管理辅助装置由柔软度远小于所述纳米管的硬度的材料制成，且其中，所述填隙物质封装除了所述纳米管的至少一些的尖端外的所述纳米管阵列的至少部分的长度的相当大部分，纳米管被构造和设置为伸出所述填隙物质的表面，且具有便于将所述纳米管的末端嵌入所述热管理辅助装置的表面中的直径。
6.根据权利要求2所述的集成电路封装件，其中所述界面层是导电的，以将所述管芯表面耦合到由所述热管理辅助装置承载的参考电势源。
7.根据权利要求6所述的集成电路封装件，其中所述参考电势源是连接到电气接地的端子。
8.根据权利要求7所述的集成电路封装件，其中所述管芯表面耦合到所述管芯内的至少一个有源元件的至少一个接地端子。
9.根据权利要求2所述的集成电路封装件，其中所述填隙物质是导热膏。
10.根据权利要求2所述的集成电路封装件，其中所述热管理辅助装置是散热装置。
11.根据权利要求2所述的集成电路封装件，其中所述热管理辅助装置是集成散热器。
12.一种在制造包含管芯和热管理辅助装置的电路封装件中用作中间物的热界面层，所述层包括碳纳米管阵列，相当大比例的纳米管的纵轴具有大致相同的定向，以形成从其第一表面到第二表面的直接通路；以及填隙物质基体，用于基本上封装所述纳米管，仅留所述纳米管的尖端伸出其第一和第二表面的至少之一，以嵌入所述热管理辅助装置和所述管芯的至少之一中。
13.根据权利要求12所述的中间物，其中所述碳纳米管阵列的相当大比例的纳米管的具有大致相同的定向，其纵向形成从第一到第二表面的直接热通路。
14.根据权利要求12所述的中间物，其中所述碳纳米管阵列包括伸出所述管芯表面的具有类似排列的碳纳米管束。
15.根据权利要求12所述的中间物，其中所述纳米管阵列是多个单独的碳纳米管。
16.一种用于使管芯耦合到热管理辅助装置的方法，包括在所述管芯表面上形成纳米管阵列；以及邻近纳米管阵列并与纳米管阵列接触安装热管理辅助装置，以将所述管芯耦合到所述热管理辅助装置。
17.根据权利要求16所述的方法，还包括用填隙物质沿纳米管的相当大部分的基本上整个长度封装纳米管层，仅留纳米管的尖端伸出填隙物质的表面，以便于将尖端嵌入表面中，和嵌入热管理溶液的表面粗糙部分中。
18.根据权利要求16所述的方法，其中形成所述纳米管阵列包括在所述管芯表面上生长纳米管束。
19.根据权利要求16所述的方法，还包括提供从所述管芯上的至少一个有源电路到所述管芯表面的电连接，并利用所述界面层使所述管芯通过所述热管理辅助装置电连接到参考电势源。
20.根据权利要求16所述的方法，其中形成所述纳米管阵列包括在散热膏中混合多个碳纳米管，并将所述散热膏涂覆在所述管芯表面和所述热管理辅助装置之间。
21.根据权利要求16所述的方法，其中所述管芯被研磨，将所述表面移动靠近所述管芯内的至少一个有源电路。
22.根据权利要求16所述的方法，其中在所述管芯背面上形成纳米管层是在所述管芯正面上制造有源器件之前进行。
23.一种用于提供从电路管芯到热管理辅助装置的导热通路的方法，所述方法包括邻近所述管芯设置所述热管理辅助装置；以及在所述管芯表面和所述热管理辅助装置之间形成纳米管阵列，所述纳米管层提供所述管芯和所述热管理辅助装置之间的导热通路。
24.根据权利要求23所述的方法，其中形成所述纳米管阵列包括在散热膏中混合多个纳米管，并将混合物涂覆到所述管芯表面。
25.根据权利要求23所述的方法，其中形成所述纳米管阵列包括在所述管芯表面上形成多个纳米管束。
26.根据权利要求25所述的方法，其中所述形成多个纳米管束的方法包括化学气相淀积工艺。
全文摘要
在说明书和附图中描述和示出的本发明的实施例是使用在管芯和热管理辅助装置之间的热界面层中的碳纳米管便于对半导体管芯冷却和接地的工艺和封装。所公开的实施例将所述碳纳米管定位和使其具有一定尺寸，以利用其高导热性和导电性，便于使热和电流流到热管理辅助装置。所公开的一个实施例使碳纳米管在散热膏基体被涂覆之前与散热膏基体混合。所公开的另一实施例使碳纳米管在半导体管芯表面上生成。
文档编号H01L23/433GK1666335SQ03815754
公开日2005年9月7日 申请日期2003年7月2日 优先权日2002年7月2日
发明者D·西尔斯, T·迪松, J·杰克逊 申请人:英特尔公司