专利名称：高性能可再加工散热器和封装结构及其制造方法
技术领域：
本发明总体涉及数据处理领域，更具体涉及一种具有焊料释放层的高性能可再加工散热器和封装结构，以及制造高性能可再加工散热器和封装结构的方法。
背景技术：
由Bartley等人于2000年7月4日提交的并转让给本受让人的美国专利6,084,775公开了一种具有可熔释放层的散热器和封装结构。铝散热器被镀以可软焊层，并在上面镀以焊料释放层。释放层包括锡-铅-铟合金。将散热器安装在单独的IC模块或IC模块堆上，其互连到印刷电路板。机械地顺应的、导热的粘合剂被用于连接散热器到该模块。在释放层上形成的氧化物很容易与导热粘合剂连接。当散热器需要被移除以修理或再加工模块时，可以施加局部热量来熔化释放层以移除散热器，而不需要显著施加转矩和法向力。因为释放层具有避免容易从粘合层分离的低熔点，因此从散热器移除处理中消除了组件分层和对相邻组件上的焊点的部分回流或熔化。
现在的高性能半导体模块增加了对于冷却在模块中的半导体晶片的需要。结果，在工业中应用外来的、复杂的和因此昂贵的热解决方案。
很多当前解决方案都要求使用非常易碎、特别薄的热接口材料粘合层，其将复杂的冷却装置例如散热器处理蒸汽室或集成的热管热耦合到电子组件，以增大冷却效率。
当前解决方案的一个很大的问题是在冷却装置和电子组件之间的热接口是非常薄的且非常不牢固。由于这种薄的粘合层几何结构以及缺少高性能粘合层材料的内在强度，因此在热接口上的高应力会使得这些材料倾于材料运动，其最终导致了热降解和器件故障。
为了防止这些产生高粘合强度，可以使用薄的粘合层热接口粘合剂，但是它们的连接通常是永久的，由于缺乏可再加工性，不允许形成可制造性封装配置。
因此非常需要创造一种封装的结构，其容易产生高性能高可靠性热接口结构，同时其容易分离以方便模块和电路板的修理。
发明内容
本发明的主要方面是提供一种具有焊料释放层的高性能可再加工散热器和封装结构，以及一种制造这种结构的方法。本发明的其它重要方面是提供了这种具有焊料释放层的高性能可再加工散热器和封装结构，以及直接制造这种结构的方法，而没有负作用，且其克服了现有技术配置的很多缺点。
简单地，提供了一种制造方法，以及具有焊料释放层的高性能可再加工散热器和封装结构。散热器结构包括散热器底架。热管或蒸汽室中的选定之一以及多个平行散热片被焊接到散热器底架。焊料释放层被施加在散热器底架的外表面。相比于用于将热管或蒸汽室的选定之一、以及多个平行散热片固定到散热器底架的每种焊料，焊料释放层具有更低的熔化温度范围。在施加焊料释放层后，热管和蒸汽室被充入选定热传输介质。
根据本发明的特征，相比于用于将热管或蒸汽室、以及多个平行散热片附接到散热器底架的其它较高熔点的焊料，焊料释放层具有较低的熔化温度范围。例如，较高熔点焊料包括通常用于例如富Sn、Sn-Cu-Ag焊料组合物的表面安装技术(SMT)组件的Sn-Pb合金或无铅合金组合物的选定的一个。焊料释放层是较薄的层，且通过喷焊、波焊或选择性焊镀操作中的选定之一而施加。蒸汽室和热管是铜焊单元，可选地包括镍镀。散热器底架和散热片由铜形成。利用在焊料释放层和模块结构之间施加的高性能高粘合强度热接口材料(TIM)，将散热器结构附接在模块结构上。
通过下文详细描述附图中所示的本发明的优选实施例，可以更好地理解本发明以及以上及其它目的和优点，其中图1是根据一个优选实施例的不按比例的包括蒸汽室的示例散热器结构的示意侧视截面图；图2是根据另一个优选实施例的不按比例的包括热管的示例高性能可再加工散热器和封装结构的示意侧视截面图；图3是根据一个优选实施例的不按比例的包括图1的高性能可再加工散热器结构的示例高性能可再加工散热器和封装结构的示意侧视截面图；图4是根据一个优选实施例的不按比例的示出对图2和图3的高性能可再加工散热器和封装结构的局部热施加的示意侧视截面图；以及图5是根据优选实施例的示出用于制造包括图1的散热器结构的高性能可再加工散热器和图3的封装结构的示例步骤的流程图。
具体实施例方式
根据优选实施例的特征，在蒸汽室或热管散热器结构上形成焊料释放层。这种释放层接口材料必须符合所有的制造要求和附接结合在散热器结构中的操作，并要求具有相对于室的合适的熔化层的释放焊料材料的选择、用于形成散热器组件的热管和散热片附接操作，且还具有在固态中的足够的工作范围，以提供与其散热器结构被附接的电子组件形成的可靠接口以及表现出互连平衡的兼容性，所述互连用来将模块固定到电路板。
根据优选实施例的特征，在形成散热器结构之后，利用在散热器的底部的焊料释放层和模块/晶片之间的出现的高性能高粘合强度热接口材料(TIM)，将散热器置于并附接在电子模块器件表面上。如果需要移除散热器，对组件充分加热，以促动对在散热器上的焊料释放层的熔化，来允许从粘合剂TIM粘合层移除散热器。图1示出了示例优选蒸汽室散热器结构。还如图2所示，示例散热器和封装结构包括利用非影响紧固件(NIF)硬件配置而机械固定的热管散热器结构。还如图3所示，示例散热器和封装结构包括图1的蒸汽室散热器结构。
现在参考附图，在图1中，示出了根据一个优选实施例的通常由参考标记100表示的示例散热器结构。散热器结构100包括散热器底架104、优选实施例的蒸汽室106和多个平行的散热片108。焊料释放层110形成在散热器结构100的外部和下部表面上。
高性能散热器结构100的焊料释放层110可以允许移除散热器结构，或者允许可再加工性。在首先形成散热器底架104、以及将蒸汽室106和散热片108附接在散热器底架104之后，施加焊料释放层110。散热器底架104、蒸汽室106和散热片108通常由铜形成的。Cu焊蒸汽室106可选地包括Ni镀。镀Ni的Al框架可以用于散热器底架104。
首先的附接步骤包括利用选定焊料114来将蒸汽室106焊接到散热器底架104，以及利用选定焊料112来将散热片108焊接到散热器底架104和蒸汽室106的顶部表面。这可以利用更高熔点焊料通过单一的附接操作或分步的两个步骤的焊接操作来完成，所述更高熔点焊料例如为Sn-Pb合金或无铅合金合成物，所述无铅合金合成物通常用于表面安装技术(SMT)组件，例如为富Sn、Sn-Cu-Ag焊料合成物。
现在参考图2，示出了根据另一个优选实施例通常由参考标记200表示的示例高性能可再加工散热器和封装结构。高性能可再加工散热器和封装结构200包括通常由202表示的散热器结构。
散热器结构202包括散热器底架204、热管206和多个平行散热片208。在散热器底架204的下部表面上形成低熔点焊料释放层210。类似的操作还可以用在散热器结构202中，所述散热器结构202具有热管206以代替高性能散热器结构100的蒸汽室106。散热片208利用选定焊料212被焊接到散热器底架204，且热管206利用选定焊料214被焊接到散热器底架204。散热器底架204、热管206和散热片208通常由铜形成。Cu焊的热管206可选地包括Ni镀。散热器底架204可以是铜或者镀Ni的Al。
根据优选实施例的特征，在制造且嵌入体散热器100和202之后，将其焊接在蒸汽室104或热管206中，且利用焊料将散热片108、208附接在位，将低熔点焊料释放层110、210施加到全部或部分的散热器底架104、204。这种释放层110、210通常非常薄，例如小于200微英寸，且可以以多种方式施加，包括喷焊、波焊或选择性焊镀操作。在一些情况下，还希望，具有由阻挡材料预电镀的散热器底架104、204，例如Ni，以避免长期升高的温度基底金属到焊料释放层相互扩散。
各种焊料释放层备选材料形成焊料释放层110、210，所述材料包括各种适合的合金备选材料，其具有一般接近117-125℃的熔点范围，包括由美国的Indium公司制造和销售、并由Indalloy数标明的多种合金。例如，包括50/50wt％的Sn-In合金和熔化范围为118-125℃的Indalloy数1可以形成焊料释放层110、210。再例如，包括58/42wt％的Bi-Pb合金和熔化范围(MR)为124-126℃的Indalloy数67可以形成焊料释放层110、210。具有一组在117-133℃之间的选择温度范围中的熔化范围、用于焊料释放层110、210的其它适合的合金备选包括Indalloy数13 70/15/9.6/5.4wt％ In-Sn-Pb-Cd合金 MR 125℃；Indalloy数62 55/44/1wt％ Bi-Pb-Sn合金 MR 117-126℃；Indalloy数64 55/44/1wt％ Bi-Pb-Sn合金 MR 120-121℃；Indalloy数70 40/40/20wt％ In-Sn-Pb合金 MR 121-130℃；Indalloy数71 52/48wt％ Sn-In合金 MR 118-131℃；Indalloy数73 58.84/41.16/2wt％ Bi-Sn-Pb合金 MR 128-133℃；Indalloy数255 55.5/44.5wt％ Bi-Pb合金 MR 124℃；Indalloy数1E 52/48wt％ In-Sn合金 MR 118℃。
在施加焊料释放层110、112之后，然后对散热器结构100的蒸汽室106和散热器结构202的热管206充满适合的热传输介质，通常是水，且接着利用例如局部铜焊操作来封装。
根据优选实施例的特征，完成了散热器结构100、202，且接着利用高性能高粘合强度热接口材料(TIM)将其粘合地附接在模块表面。如果要求施加应变缓解以支持散热器和封装周围的机械硬件，则随后施加，以提供例如图2和3所示的各个结构200、300。
高性能可再加工散热器和封装结构200包括相关联的模块结构220，其包括由通过诸如焊料柱228的多个连接引脚安装到印刷电路板226的一个或多个模块224承载的一个或多个电子模块器件222。利用位于散热器结构202的底部和模块器件或芯片222之间的高性能高粘合强度热接口材料(TIM)230，将散热器结构202附接到模块器件222的芯片表面。位于印刷电路板226和散热器结构202之间的总体表示为232的承载架配置定位和保持散热器结构。多个螺钉234将承载架配置232和加强部件236紧固到印刷电路板226。利用多个紧固件238的非影响紧固件(NIF)硬件配置，将热管散热器结构202机械地附接到承载架配置232。
现在参考图3，示出了根据一个优选实施例的总体由参考标记300表示的示例高性能可再加工散热器和封装结构。高性能可再加工散热器和封装结构300包括图1的高性能可再加工散热器结构100和相关联的模块结构302。高性能可再加工散热器和封装结构300包括由例如通过球栅阵列(BGA)328安装到印刷电路板326的一个或多个模块324承载的一个或多个电子模块器件322。利用位于散热器结构100的底部和模块器件或芯片322之间的高性能高粘合强度热接口材料(TIM)330，将散热器结构100附接在模块器件322的芯片表面。总体由332表示的机械紧固配置位于印刷电路板326之间，并由固定在散热器底架104的多个对准杆334组成，其延伸通过印刷电路板326，并附接到加强部件336。
图4示意性地示出了具有高性能可再加工散热器100和模块结构302的总体由参考标记400表示的局部热施加。局部热施加400由分别标记为A和B的多个箭头指示，用于在需要时的对散热器的移除，例如，以方便再应用或从电路板移除模块。组件被加热到高于焊料释放层110、210熔点的温度，从而可以发生高性能高粘合强度TIM230、330的脱粘。
现在参考图5，示出了根据优选实施例的，用于制造例如图2和3所示的结构200、300的高性能可再加工散热器和封装结构的示例步骤。应该理解的是，为了简单化而仅仅示出了蒸汽室散热器结构100，同时相同的制造方法同样应用于热管散热器结构204。
如框500所示，加工第一铜散热器(HS)底架104，以方便附接在铜蒸汽室106和铜散热片108。下一步如框502所示，将未填充的蒸汽室106固定到HS底架104，以及将散热片108固定到铜HS底架104和蒸汽室106上。下一步如框504所示，施加助焊剂或焊料以附接。在框504的附接步骤可以是1或2步操作。蒸汽室106可以用铜、镀镍的铜形成。
将散热片108和蒸汽室106焊接到底架104的单步操作包括，利用具有大约180-260℃范围的熔化特性的焊料，将散热片108和室106同时安装到底架。用于同步附接散热片108和室106的焊料112、114可以是各种合金，例如a.具有183-257℃熔化范围的70/30wt％Sn-Pb合金；b.共晶Sn-Pb(63-37％)MP 183℃，或者具有大约183-190℃熔化范围的60/40Sn-Pb焊料；c.具有大约217-225℃熔化范围的无铅合金，例如95％Sn、4％Ag和1％Cu；d.具有大约190-197℃熔化范围的无铅合金，例如89％Sn、8％Zn和3％Bi。
两步操作要求焊料熔化分层，其中首先在将蒸汽室106安装或焊接到HS底架104中，利用焊料(a.)70/30wt％Sn-Pb，(熔化范围183-257℃)；或者利用焊料(c.)具有大约217-225℃的熔化范围的无铅合金，例如95％Sn、4％Ag和1％Cu用于无铅附接。第二，在已经将蒸汽室106附接在底架之后的在将散热片108附接在底架104中，利用焊料(b.)共晶Sn-Pb(63-37％)MP 183℃；或者具有大约183-190℃熔化范围的60/40Sn-Pb焊料；或者使用焊料(d.)具有大约190-197℃的熔化范围的无铅合金，例如无铅合金，例如89％Sn、8％Zn和3％Bi用于无铅附接。
下一个可选步骤如框506所示，如果蒸汽室底部106不够平坦，如果需要，加工平面化散热器蒸汽室106的底部。
接着将薄焊料释放层110施加到蒸汽室底部或散热器结构100的外表面，如框508所示。薄焊料释放层110例如是具有118-125℃熔化范围的50/50wt％Sn-In合金。薄焊料释放层110可以通过如下施加将散热器结构100固定到具有气刀的波焊机上，以吹掉多余的焊料，或者可以利用焊料口或喷口和用于移除大块材料的橡皮刷帚来施加，以提供薄焊料释放层涂覆。
如框510所示，接着用适当体积的热传导流体(通常是水)填充蒸汽室106。接着如框512所示，密封蒸汽室填充口，例如，利用选定焊料，通过局部加热和局部焊料进行压接和焊接，其中任意的以上示例的焊料都可以使用。这样完成了蒸汽室散热器结构100。接着将蒸汽室散热器结构100附接到模块结构302，以完成高性能可再加工散热器和封装结构300，如框514所示。
尽管参考附图中所示的发明的实施例的细节描述了本发明，这些细节不意味着限制所附权利要求书所要求的本发明的范围。
权利要求
1.一种高性能可再加工散热器和封装结构，包括散热器结构，用于附接到模块结构；所述散热器结构包括散热器底架；热管或蒸汽室的选定之一，其被焊料附接在所述散热器底架；多个平行散热片，其被焊料附接在所述散热器底架；以及焊料释放层，其被施加到所述散热器结构的外表面；相比于用于将所述热管或所述蒸汽室的选定之一、以及所述多个平行散热片附接到所述散热器底部的每种焊料，所述焊料释放层具有更低的熔化温度范围。
2.如权利要求1所述的高性能可再加工散热器和封装结构，其中每个所述热管和所述蒸汽室包括选定热传输介质；在所述焊料释放层被施加之后，所述热管和所述蒸汽室被充入所述选定热传输介质。
3.如权利要求1所述的高性能可再加工散热器和封装结构，其中所述焊料释放层由选定熔化范围在117-133℃之间的选定合金形成。
4.如权利要求3所述的高性能可再加工散热器和封装结构，其中所述选定合金包括选自于如下的一个Sn-In合金；Bi-Pb合金；In-Sn-Pb-Cd合金；Bi-Pb-Sn合金；In-Sn-Pb合金；Bi-Sn-Pb合金；Bi-Pb合金和In-Sn合金。
5.如权利要求1所述的高性能可再加工散热器和封装结构，其中所述用于将所述热管或所述蒸汽室的选定之一以及所述多个平行散热片附接到所述散热器底部的所述每种焊料，是由选定熔化范围在183-257℃之间的选定合金形成。
6.如权利要求5所述的高性能可再加工散热器和封装结构，其中所述选定合金包括选自于如下的一个a.熔化范围为183-257℃的70/30wt％Sn-Pb合金；b.熔点为大约183℃的共晶Sn-Pb(63-37％)，或者熔化范围为大约183-190℃的60/40Sn-Pb焊料合金；c.熔化范围为大约217-225℃的95％Sn、4％Ag和1％Cu的无铅合金；以及d.熔化范围为大约190-197℃的89％Sn、8％Zn和3％Bi的无铅合金。
7.如权利要求1所述的高性能可再加工散热器和封装结构，其中所述热管和所述蒸汽室的每一个由铜形成。
8.如权利要求1所述的高性能可再加工散热器和封装结构，其中所述热管和所述蒸汽室的每一个由镀镍的铜形成。
9.如权利要求1所述的高性能可再加工散热器和封装结构，其中所述散热器底架由铜、镀镍的铜和镀镍的铝的选定之一形成。
10.如权利要求1所述的高性能可再加工散热器和封装结构，其中所述多个平行散热片由铜形成。
11.如权利要求1所述的高性能可再加工散热器和封装结构，其中利用高性能高粘合强度热接口材料(TIM)，所述散热器结构被附接在所述模块结构。
12.一种制造高性能可再加工散热器和封装结构的方法，包括以下步骤形成散热器结构，用于附接到模块结构；形成所述散热器结构包括提供散热器底架；将热管或蒸汽室的选定之一焊接到所述散热器底架；将多个平行散热片焊接到所述散热器底架；以及将焊料释放层施加到所述散热器结构的外表面的至少部分；相比于用于将所述热管或所述蒸汽室的选定之一、以及所述多个平行散热片附接到所述散热器底架的每种焊料，所述焊料释放层具有更低的熔化温度范围；以及利用施加在所述焊料释放层和所述模块结构之间的高性能高粘合强度热接口材料(TIM)，将所述散热器结构附接到所述模块结构。
13.如权利要求12所述的制造高性能可再加工散热器和封装结构的方法，包括以下步骤在施加所述焊料释放层之后，用预定量的热传导流体填充所述热管或蒸汽室的选定之一。
14.如权利要求12所述的制造高性能可再加工散热器和封装结构的方法，其中施加所述焊料释放层包括，选择选定熔化范围在117-133℃之间的焊料合金。
15.如权利要求12所述的制造高性能可再加工散热器和封装结构的方法，其中将所述热管或蒸汽室的选定之一焊接到所述散热器底架、和将所述多个平行散热片焊接到所述散热器底架的步骤包括选择选定熔化范围在183-257℃之间的焊料合金。
16.如权利要求15所述的制造高性能可再加工散热器和封装结构的方法，包括从以下之一选择所述焊料合金a.熔化范围为183-257℃的70/30wt％Sn-Pb合金；b.熔点为大约183℃的共晶Sn-Pb(63-37％)，或者熔化范围为大约183-190℃的60/40Sn-Pb焊料合金；c.熔化范围为大约217-225℃的95％Sn、4％Ag和1％Cu的无铅合金；以及d.熔化范围为大约190-197℃的89％Sn、8％Zn和3％Bi的无铅合金。
17.如权利要求15所述的制造高性能可再加工散热器和封装结构的方法，包括选择用于将所述热管或蒸汽室的选定之一焊接到所述散热器底架的第一所述焊料合金；以及选择用于将所述多个平行散热片焊接到所述散热器底架的第二所述焊料合金。
18.如权利要求12所述的制造高性能可再加工散热器和封装结构的方法，其中施加所述焊料释放层包括，施加厚度小于200微英寸的薄焊料释放层。
全文摘要
提供了一种具有焊料释放层的高性能可再加工散热器和封装结构，及其制造方法。散热器结构包括散热器底架。将热管或蒸汽室的选定之一以及多个平行散热片焊接到散热器底架。将焊料释放层施加到散热器底架的外表面。与用于将热管或蒸汽室之一、以及多个平行散热片固定到散热器底架的每个焊料相比，焊料释放层具有更低的熔化温度范围。在施加焊料释放层之后，对热管或蒸汽室充入选定热传输介质。
文档编号H01L23/373GK1988138SQ20061014952
公开日2007年6月27日 申请日期2006年11月14日 优先权日2005年12月22日
发明者M·K·霍夫迈尔, J·L·科尔伯特 申请人:国际商业机器公司