专利名称：集成电路封装中的薄管芯薄热界面材料的方法、设备和系统的制作方法
技术领域：
本发明的实施例概要地涉及集成电路封装，具体来说，涉及集成 电路封装中的管芯与散热器之间的界面。
背景技术：
计算机和其它电子装置通常具有封入集成电路封装中的半导体 管芯。管芯往往具有用于执行电功能的集成电路。集成电路在工作时 产生热量。过度的热量可损坏集成电路。为了散热，管芯通常通过热 界面材料与散热器依附或接合。
为了集成电路提高的性能、可靠性和长使用寿命，将管芯与散热
器接合可涉及下列因素散热器与管芯之间的低的热膨胀系数(CTE) 失配，高接合质量，集成电路的低热阻，处理热界面材料的容易性， 与现有工艺的兼容性，以及〗氐成本。
在一些集成电路封装中，可能难以满足上述因素的大部分或全部。
发明内容
本发明提供一种方法，包括将热界面放置在管芯之上，所述热 界面包括铟和附加材料；将散热器放置在所述热界面和所述管芯之 上；以及将所述热界面与所迷管芯和所述散热器接合。
本发明还提供一种设备，包括管芯；散热器；以及热界面，与 所述管芯和所述散热器接合，其中所述热界面包括铟和附加材料。
本发明还提供一种系统，包括管芯；散热器；热界面，与所述 管芯和所迷散热器接合，其中所述热界面包括铟和附加材料；以及随机存取存储器装置，与所述管芯耦合。
图1示出根据本发明的实施例、在其装配之前的设备的分解示图。
图2示出根据本发明的实施例的设备。
图3是示出根据本发明的实施例的方法的流程图。
图4示出根据本发明的实施例的计算机系统。
具体实施例方式
图1示出根据本发明的实施例、在其装配之前的设备100的分解 示图。设备100可以是位于计算机或其它电子系统(如蜂窝电话)中 的集成电路封装的一部分。图1中，设备IOO包括放置在散热器120 与管芯130之间的热界面110。设备100的组件可按照箭头151和1" 所示的方向装配或接合在一起。在一些实施例中，设备100的组件可 通过特定工艺顺序来装配，以便改进热界面IIO、管芯130和散热器 120之间的对准(alignment)。例如，特定工艺顺序可包括在将散 热器120放置在热界面110和管芯130上面之前，将热界面110放置 在管芯130之上。此外，在一些实施例中，设备100的组件可按照某 个工艺顺序来装配，使得该工艺顺序与现有大规模制造(HVM)工艺兼
容，以便使现有装备的部分或全部可用于装配设备ioo。因此，可避
免使用大量新装备。
散热器120可包括覆盖散热器120的表面126的至少一部分的铜 层或者具有一层或多层其它金属的铜层。管芯130包括在其中形成集 成电路135的半导体材料。集成电路135可具有执行例如处理数据或 者存储数据或者它们两者的功能的电路。管芯130具有表面136。表 面136的至少一部分可用一层或多层材料(例如一层或多层金属)来 覆盖。如图1所示，管芯130具有厚度131。在一些实施例中，厚度131可以是大约50 jim(微米)。在其它实施例中，厚度131可以是大约300 um。在其它一些实施例中，厚度131可以在大约50 pm与大约300 iam之间。在其它实施例中，厚度131可小于50 (ani。热界面IIO在与管芯130和散热器120接合时，允许来自管芯130的部分热量M或散布到散热器120，以便保持设备100的适当热条件。
热界面110包括具有表面101和102的主层114、主层114的表面101上的覆盖层111以及主层114的表面102上的覆盖层112。图1示出覆盖层111仅覆盖表面101的一部分、而覆盖层112仅覆盖表面102的一部分的示例。在一些实施例中，覆盖层111可覆盖整个表面101;覆盖层112可覆盖整个表面102。
覆盖层111和112用于以下功能的一个或多个减少或防止对主层114的表面101、 102的氧化，从而增强润湿以提高散热器120与管芯130之间的接合质量；改进热界面110的处理；以及使热界面110能够在不同的工艺温度与散热器120和管芯130接合。
覆盖层111和112可具有相同材料或不同材料。覆盖层lll、覆盖层112和主层114均可具有不同的材料。例如，覆盖层111可具有第一材料，覆盖层112可具有第二材料，而主层ll4可具有第三材料。
覆盖层111和112的每个可以仅包括单一材料或者多种材料的组合。主层114可以仅包括单一材料或者多种材料的組合。本文所述的多种材料的组合可以仅包括两种材料或者包括多于两种的材料。多种材料的组合可以是合金。在一些实施例中，合金可以是共晶合金。
在一些实施例中，用于主层114、覆盖层111和覆盖层112的每个的材料可包括铟、金、银和锡。在其它实施例中，用于主层1U、覆盖层111和覆盖层112的材料包括其它材料。在主层114仅包括两种材料的实施例中，材料可以是铟和银。铟-银重量比可以是大约97°/0的铟对大约3。/。的4艮(97In3Ag)。在一些实施例中，铟-4艮重量比可以不同于大约97%的铟对大约3%的银。
如图1所示，覆盖层111具有厚度161;覆盖层112具有厚度162。
7厚度161和厚度162的值可以彼此相同或者不同。在其它一些实施例中，厚度161和厚度162的每个可以是大约0. 1 jam。在其它实施例中，厚度161和厚度162的每个可以是大约0. 5 jLim。在其它一些实施例中，厚度161和厚度162的每个可以在大约0.1 jLim与大约O. 5jLim之间。主层114具有厚度164。在一些实施例中，厚度164可以是大约50 um。在其它实施例中，厚度164可以是大约100 pm。在其它一些实施例中，厚度164可以在大约50 pm与大约100 pm之间。主层114、覆盖层111和覆盖层112的每个的厚度值可以是与本文所述的厚度值不同的一些厚度值。
如上所述，热界面110可具有材料的不同组合以及一系列厚度值。因此，在一些实施例中，通过按照本文所述的材料和厚度来选择热界面110的材料和厚度，可改进接合之前的热界面110的处理。此外，在一些实施例中，通过结合如上述工艺顺序的工艺顺序来选择热界面110的材料和厚度，热界面IIO在接合之后可提供高接合质量，使得可消除热界面110与管芯130之间或者热界面与散热器120之间的分离。
在一些实施例中，在主层114的某些厚度尺寸和材料或者在某些处理条件下，主层114的质量和处理可以是可接受的，使得热界面IIO可以仅包括主层114，或者包括主层114仅加上覆盖层111和112其中之一。因此，在一些实施例中，可乂人热界面IIO省略覆盖层111和112其中之一或都省略。
在一些实施例中，将散热器120与管芯130接合可用焊剂来进行。在用焊剂进行接合时，如图1所示，可在将热界面110放置到表面136上之前，将第一焊剂171涂敷到管芯130与热界面IIO之间的区域，例如管芯130的表面136。可在将散热器120放置到热界面110上之前，将第二焊剂172涂敷到热界面n0与散热器120之间的区域，例如覆盖层112。如上所述，在一些实施例中，可从热界面110省略覆盖层111和112其中之一或都省略。在从热界面110省略了覆盖层
8112的实施例中，图l所示的焊剂172可直接涂敷到主层114的表面102。
在使用焊剂的一些实施例中，焊剂171和焊剂172中只有一个(而不是两个)可涂敷到设备100。因此，在一些实施例中，仅涂敷焊剂171而省略焊剂172，或者仅涂敷焊剂172而省略焊剂171。在一些实施例中，仅使用焊剂171和焊剂171其中之一与包括或省略覆盖层111和112无关。例如，当覆盖层111包含在热界面110中或者从热界面110省略时，可以仅使用焊剂171。对于另一个示例，当覆盖层112包含在热界面110中或者从热界面110省略时，可以仅使用焊剂172。
在一些实施例中，将散热器120与管芯130接合可在没有焊剂的情况下进行。因此，在一些实施例中，焊剂171和第二焊剂U2均从设备IOO被省略。在一些实施例中，两个焊剂171和焊剂172的省略与包括或省略覆盖层111和112无关。例如，当两个覆盖层111和112包含在热界面110中时，两个焊剂171和焊剂172可^f皮省略。对于另一个示例，当覆盖层111和112中只有一个包含在热界面110中时，可^^人热界面IIO省略两个焊剂171和焊剂172。
设备100在装配之后可具有如图2所示的结构。
图2示出根据本发明的实施例的设备200。在一些实施例中，设备200包括图1的设备100装配在一起之后设备100的实施例。图2中，设备200包括封装衬底240以及与散热器220和管芯230接合的热界面210。在一些实施例中，封装衬底24G包括有机村底。
散热器220包括层225以及覆盖层225的层227和228。图2示出仅覆盖层225的表面226的一部分的层227和228。在一些实施例中，层227、层228或者两个层227和228可覆盖整个表面2M。在一些实施例中，层225可包括铜，层227可包括4^,而层228可包括金。对于层225、 227和228可使用其它材料。
管芯230包括表面251、 252以及放置在管芯230的活性面(active side)的集成电路235。图2中，活性面指的是具有表面251的一面，它具有多个导电垫260以允许对集成电路235传递电信号。管芯230还包括与活性面相对的背面。图2中，背面指的是具有表面252的一面。集成电路235比表面"W在背面上)更接近表面251(在活性面上)。在一些实施例中，集成电路235在管芯230中的位置可改变。
管芯230还包括管芯230的表面252 (在背面上)上的金属化结构236。金属化结构236包括层231和232的叠层。层231可包括镍或者具有镍的合金。层232可包括金。金属化结构236可包括其它材料来代替镍和金。在一些实施例中，金属化结构236可包括比两个层更少或更多的层。
热界面210包括主层214、覆盖层211和覆盖层212。在一些实施例中，热界面210包括图1的热界面IIO的实施例。因此，在接合到一起之前或之后，图2的热界面210的组件可包括图1所示的热界面IIO的材料和厚度尺寸。
在一些实施例中，可从设备200省略两个覆盖层211和212,使得主层214直接接触散热器220和管芯230。在其它实施例中，仅从设备200省略覆盖层211和212其中之一，使得主层214仅直接接触散热器220或者仅直接接触管芯230。
图2中，为了便于说明，以放大的尺寸示出设备200的组件。在一些实施例中，设备200的一些组件的材料可组合以形成具有金属间结构的材料的組合。例如，热界面210的组件的材料以及散热器220和管芯230的组件中的至少一个的材料可组合以形成这些材料的金属间结构。
图2中，热界面210可使用或者不使用焊剂与散热器220和管芯230接合。
在使用焊剂的接合工艺中，散热器22 0与管芯2 30之间的界面(即包括热界面210的界面)可以是基本上无空隙的。基本上无空隙表示不存在空隙，或者如果存在任何空隙，则这些空隙在体积上小于大约 1%。空隙比值能通过任何已知技术来确定。例如，空隙比值能通过阿 基米德方法来确定，它确定给定材料的已知密度。对于另一个示例，
空隙比值还能使用扫描声学显微镜(SAM)来确定。
在没有使用焊剂的接合工艺中，散热器220与管芯230之间的界 面(即包括热界面210的界面)是基本上无有机焊剂或有机焊剂残留 物的。术语"基本上无"意味着，在接合工艺期间使用的洁净室条件 下，以热界面210的等级的设备200的分析评估将导致没有可检测的 焊剂或焊剂残留物，没有误报(false positive)。没有可检测的焊剂 ,味着，如果存在任何有机焊剂，则它将会检测不到，以及如果不是 检测不到，则它将会追溯到污染而不是所使用的工艺的残留。
在一些实施例中，通过按照本文所述的材料和厚度来选择热界面 210的材料和厚度，设备200可具有散热器220与管芯230之间较低 的CTE失配。
在一些实施例中，设备200可具有较低的热阻。例如设备200的 封装的热阻部分地通过封装的结到壳热阻(RjJ来确定。封装的Rj。通 常是封装中的结(例如管芯的顶面和底面)与参考点(例如封装的顶部 或底部)之间的热阻的测量。图2中，例如，Rje可以是管芯230与其 上方的参考点(例如散热器220上方的某个点)之间的热阻。设备 200的Rje测量可在不同位置进行，例如在设备200的中心和角。因此， 设备200可具有中心Rj。测量和角Ri。测量。通过根据本文所述的材料 和厚度来选择热界面210的材料和厚度，设备200可具有较低的中心 Rjc和较低的角因此，分歉来自管芯230的热量可以更为有效。
在一些实施例中，设备200的中心Rj。大约为0.071 。C/W。在其 它实施例中，设备200的中心Rj。大约为0.08 。C/W。在其它一些实施 例中，设备200的中心Rj。在大约0. 071 。C/W与大约0. 08。C/W之间。 在一些实施例中，设备200的角Rj。大约为0.0054 。C/W。在其它实施 例中，设备200的角Rj。大约为0.042 。C/W。在其它一些实施例中，
ii设备200的角Rj。在大约0. 0054 。C/W与大约0.042 。C/W之间。
图3是示出根据本发明的实施例的方法的流程图。方法3 0 0以示 意形式示出，其中，某些动作被描述，但为了清晰起见在图3中^L省 略动作。方法300可用于图1和图2所示的实施例中。
方法300的动作310将热界面放置在管芯之上。方法300中的热 界面和管芯可包括图1、图2所述的热界面和管芯的实施例。因此， 在一些实施例中，方法300中的热界面和管芯可具有图1、图2的热 界面IIO、热界面210、管芯130和管芯230的材料及厚度尺寸。
方法300的动作320将散热器放置在热界面和管芯之上。散热器 可包括图1的散热器120和图2的散热器220的实施例。
方法300的动作330在接合工艺中将热界面与散热器和管芯接合。
在一些实施例中，方法30(H吏用焊剂或者不^f吏用焊剂来将热界面 与散热器和管芯接合。
在使用焊剂的一些实施例中，焊剂可涂敷到管芯与热界面之间的 区域以及热界面与散热器之间的区域。例如，可在将热界面放置到管 芯的表面上之前，将第一焊剂涂敷到管芯的表面；以及可在将散热器 放置到热界面和管芯上面之前，将第二焊剂涂敷到热界面的表面。在 这个示例中，在将热界面放置到管芯上面之后，第一焊剂接触管芯以 及热界面的第一表面；在将散热器放置到热界面和管芯上面之后，第 二焊剂接触热界面的第二表面以及散热器。在使用焊剂的其它实施例 中，焊剂可以仅涂敷到管芯与热界面之间的区域或者仅涂敷到热界面 与散热器之间的区域。
在使用焊剂的实施例中，动作330中的接合可在真空炉或者在炉 内压力低于炉外压力的炉中执行。例如，动作330中的接合可在炉内 压力低于大气压力的炉中执行。理解到，平均大气压力是一个大气压 (1 amt或760 Torr)。在一些实施例中，动作330中的接合可在炉中 的压力大约为50 Torr至大约100 Torr的炉中执行。在一些实施例中，可以仅在动作330中的接合工艺的一小部分时间向炉施加低于大 气压力的压力。在其它实施例中，可在动作330中的接合工艺的整个 时间向炉施加低于大气压力的压力。使炉内压力低于大气压力可偵:得 能够从管芯与散热器和热界面之间的界面(即包括热界面的界面)吸 取或抽取焊剂残留物或焊剂的挥发物和化学反应生成物。吸取可在接 合工艺完成之后减少管芯与散热器之间的界面中的空隙度或空隙。
在没有焊剂的一些实施例中，动作330中的接合可在无氧环境 (例如氮环境)中执行。在没有焊剂的一些实施例中，动作330中的接 合可包括从热界面、散热器、管芯的表面或者这些表面的任何组合中 去除氧化或者表面氧化物。在一些实施例中，可将某种物质引入炉中 以去除表面氧化物。用于去除表面氧化物的物质可以是气体或等离子 体。例如，氟气或等离子体可用于去除表面氧化物。可使用除氟之外 的其它物质。在没有焊剂的一些实施例中，动作330中的接合可在炉 内压力可低于大气压力的炉中执行。比大气压力更低的炉内压力可在 接合工艺完成之后减少管芯与散热器之间的界面中的空隙。
将热界面与散热器和管芯接合可在工艺温度进行。在热界面包括 铟的实施例中，可使用较低的工艺温度。在一些实施例中，工艺温度 大约为热界面材料的熔点或共晶点。在其它实施例中，工艺温度大约 为热界面材料的熔点或者大约为其共晶点加上增加的温度范围。在一 些实施例中，该增加的温度范围大约为(5X+1)。C至大约5Y。C,其中X 》0以及Y-X+1。例如，工艺温度大约为热界面材料的熔点或者大约 为其共晶点加上增加的温度范围l。C至5。C(X=0) 、 6°C至10°C(X=1) 或ll。C至15。C(X-2)。在一些实施例中，动作330中的处理温度在大 约143°C与大约180°C之间。
在一些实施例中，动作330中的接合工艺可执行大约两分钟至大 约一个半小时。在一些实施例中，方法300可使用装置来通过夹力 (clip force)将散热器、热界面和管芯夹在一起，以改善接合。
在方法300中，动作310、 320和330其中之一的一些实施例或示例可包含在其它动作的实施例或示例中或者取^f戈它们。
图l至图3仅作为示例描述了某些材料、厚度尺寸、工艺顺序和 工艺参数，例如时间、温度和压力。可使用其它的材料、厚度尺寸、 工艺顺序和工艺参数。但是，对于一些实施例，本文所述的材料、厚 度尺寸、工艺顺序和工艺参数在以下一个或多个方面可以比其它材 料、厚度尺寸、工艺顺序和工艺参数更为有效减少管芯与散热器之 间的CTE失配，降低热阻Rj"增强接合期间的润湿，提高管芯与散 热器之间的界面的接合质量，降低管芯与散热器之间的界面中的空隙 度，改进热界面的处理，实现用于接合的低工艺温度，以及降低成本。
图4示出根据本发明的实施例的计算机系统。系统400包括处理 器410、存储器装置420、存储控制器430、图形控制器440、输入和 输出(1/0)控制器450、显示器452、键盘454、定点装置(pointing device) 456、外围装置458和总线460。
处理器410可以是通用处理器或专用集成电路(ASIC) 。 I/O控制 器450可包括用于有线或无线通信的通信模块。存储器装置420可以 是动态随机存取存储器(DRAM)装置、静态随机存取存储器(SRAM)装 置、闪速存储器装置或者这些存储器装置的组合。因此，在一些实施 例中，系统400中的存储器装置420无需包括DRAM装置。
系统400中所示的组件的一个或多个可包含在一个或多个集成 电路封装中。例如，处理器410或存储器装置420或者I/O控制器 450的至少一部分或者这些组件的组合可包含在包括图l至图3所述 的物品或设备的至少一个实施例的集成电路封装中。因此，系统400 中所示的组件的一个或多个可包括如图l至图3所述的管芯、散热器 和热界面的至少一个或者组合。
系统400可包括计算机(例如台式、膝上型、手持、服务器、万 维网设备、路由器等)、无线通信装置(例如蜂窝电话、无绳电话、寻 呼机、个人数字助理等)、计算机相关外设(例如打印机、扫描仪、监 -阮器等)、娱乐装置(例如电视机、收音机、立体声系统、》兹带或光盘
14播放器、盒式录像机、便携摄像机、数码相机、MP3(运动图像专家小 組，音频第3层)播放器、视频游戏、手表等)等等。
以上描述和附图充分说明本发明的一些具体实施例，使本领域的 技术人员能够实施本发明的实施例。其它实施例可结合结构的、逻辑 的、电气的、工艺的和其它变更。附图中，相似的特征或相似的标号 在若干视图中描述基本上相似的特征。示例只代表可能的变更。 一些 实施例的部分和特征可包含在其它实施例的部分或特征中，或者作为 其替代。通过阅读和理解以上描述，本领域的技术人员将会清楚地知 道其它许多实施例。因此，各种实施例的范围由所附权利要求以及这 些权利要求要求的全部等同物共同确定。
"摘要"是根据要求允许读者快速确定技术公开的性质和要点的 摘要的37 C. F. R. § 1.72(b)来提供的。应当理解，提交"摘要，，并不 是用于解释或限制权利要求的范围或含意。
权利要求
1. 一种方法，包括将热界面放置在管芯之上，所述热界面包括铟和附加材料；将散热器放置在所述热界面和所述管芯之上；以及将所述热界面与所述管芯和所述散热器接合。
2. 如权利要求1所述的方法，其中，所述热界面的所述附加材 料包括银。
3. 如权利要求2所述的方法，其中，在用于将所述热界面与所 述管芯和所述散热器接合的时间的至少一小部分期间，在炉内的压力 小于大气压力的炉中进行接合。
4. 如权利要求l、 2或3所述的方法，还包括 在将所述热界面放置到所述管芯上之前，将第一焊剂涂敷到所述管芯上，使得在将所述热界面放置到所述管芯上之后，所述第一焊剂 接触所述管芯以及所述热界面的第一表面；以及在将所述散热器放置到所述热界面上之前，将第二焊剂涂敷到所 述热界面的第二表面。
5. 如权利要求1或2所述的方法，其中，所述铟和银形成铟银 合金，其中铟-银重量比为大约97%的铟对大约3%的银。
6. 如权利要求1或2所述的方法，其中，所述热界面的厚度为 大约50 nm至大约100 jam，以及其中所述管芯的厚度为大约50拜 至大约300 jim。
7. 如权利要求1、 2或3所述的方法，还包括 仅将焊剂涂敷到所述管芯与所述热界面之间的区域以及所述热界面与所述散热器之间的区域其中之一。
8. 如权利要求1所述的方法，其中，热界面包括具有第一表面 和第二表面的主层，其中所述铟和所述附加材料处于所述主层中，其 中所述附加材料包括银，其中所述热界面还包括覆盖层，以及其中所述覆盖层覆盖所述第一表面的至少一部分以及所述第二表面的至少 一部分。
9. 如权利要求2所述的方法，其中，在没有焊剂的情况下进行 接合。
10. 如权利要求9所述的方法，还包括 在接合之前从所述热界面的表面去除氧化。
11. f种设备，包括 管芯；散热器；以及热界面，与所述管芯和所述散热器接合，其中所述热界面包括铟 和附加材料。
12. 如权利要求11所述的设备，其中，所述热界面的所述附加 材料包括银与铟的合金。
13. 如权利要求12所述的设备，其中，所述热界面的厚度为大 约50 nm至大约100 jam,以及其中所述管芯的厚度为大约50 jnm 至大约300 |im。
14. 如权利要求11所述的设备，其中，所述热界面存在焊剂残 留物。
15. 如权利要求14所述的设备，其中，所述热界面存在体积上 小于1°/ 的空隙。
16. 如权利要求11所述的设备，其中，所述热界面基本上无焊 剂残留物。
17. 如权利要求11所述的设备，其中，所述管芯包括直接与所 述热界面接触的金层，并且其中所述散热器包括直接与所述热界面接触的金层。
18. —种系统，包括管芯； 散热器；热界面，与所述管芯和所述散热器接合，其中所述热界面包括铟和附加材料；以及随机存取存储器装置，与所述管芯耦合。
19. 如权利要求18所述的系统，其中，所述热界面的所述附加 材料和铟形成共晶合金。
20. 如权利要求19所述的系统，其中，所述管芯、所述散热器 和所述热界面位于第一集成电路封装中，而其中所述随机存取存储器 装置位于第二集成电路封装中。
全文摘要
本发明的一些实施例包括散热器与管芯之间的热界面。热界面可包括单一材料或者多种材料的组合的主层。热界面可包括覆盖主层的一个或多个表面的一个或多个附加层。热界面可使用焊剂或者不使用焊剂在低温与管芯和散热器接合。描述了其它实施例并要求其权利。
文档编号H01L23/36GK101467247SQ200780021664
公开日2009年6月24日 申请日期2007年6月7日 优先权日2006年6月12日
发明者D·卢, E·扎博克, W·施 申请人:英特尔公司