CN113347805B 用于芯片组件的热管理的方法和热分配装置 （谷歌有限责任公司）

US9385060B1,2016.07.05US2009316360A1,2009.12.24US2016165755A1,2016.06.09用于芯片组件的热管理的方法和热分配装置本公开涉及用于芯片组件的热管理的方法装置。所述热分配装置可以包括具有第二CTE的加强件元件的第一材料的第一CTE可以大于热分2多个半导体芯片，所述多个半导体芯片覆盖在所述基加强件，所述加强件覆盖在所述基板上并且具有延伸穿使设置在所述中间过程单元与所述印刷电路板之间并且将所述中间过程单元与所述通过使用热界面材料来将热分配装置结合到所述多个半导体芯片，所热分配装置的所述盖和所述多个导热鳍片中的至少一个由热导率为394W/m2或更小的材3.根据权利要求2所述的方法，还包括将所述冷板的所述基部结合到所述加强件的顶其中，所述方法还包括将所述多个导热鳍片中的具有第一鳍片定位成覆盖在所述多个半导体芯片中的具有第一高度的至少一3入到所述热分配装置中和使流体从所述热分配装通过使接合材料回流来将所述多个中间过程单元接合到所述印刷电路料将在所述多个中间过程单元内的所述基板中的每一个的触点与所述印刷电路板的触点通过使高导热的热界面材料回流来将多个热分配装置中的每一个结合到在所述多个使所述多个热分配装置的入口和出口彼此结合，使得所述分配装置的入口和出口与所述多个热分配装置中的另一个热分配装置的入口和出口流体将对应多个热分配装置结合到所述多个中间过程单元，所述对多个导热鳍片、以及盖，其中所述热分配装置成，并且其中所述热分配装置的所述盖和所述多个导热鳍片中的至少一个由热导率为394将冷却回路组件接合到所述对应多个热分配装置中的每一个的入口16.根据权利要求15所述的方法，还包括在将所述对应多个热分配装置中的每一个的中的每一个的基部结合到所述多个中间过程单元中的对应中间过17.根据权利要求15所述的方法，还包括将所述对应多个热分配装置中的每一个的基部的底表面附接到所述多个中间过程单元中的每一个的至少一个微电18.根据权利要求17所述的方法，还包括使用热界面材料来将所述基部的底表面结合419.根据权利要求16所述的方法，其中，所述多个中间过程单元的每一个还包括加强括将所述对应多个热分配装置中的每一个的所述基部的底表面结合到所述路组件被结合到所述对应多个热分配装置中的每少一个已变薄，以便具有与所述多个微电子元件中的至少另一个微电子元件不同的高度，5[0002]本申请要求在2020年5月29日提交的、发明名称为“MethodsAndHeatDistributionDevicesForThermalManagementOfChipAssemblies”(用于芯片组件所述组件的微电子元件产生的热以及由在所述组件外部的[0004]除了工业标准芯片封装之外，对专用硅的探索还预期在服务器中产生高功率热[0006]当这些部件中的任何一个由于在芯片组件的制造或使用期间发生的温度变化而组件的操作还能够引起基板和/或芯片的翘曲以及在包括：提供中间过程单元(in-processunit)；以及然后将中间过程单元接合到印刷电路6的至少一些被定位成覆盖在多个半导体芯片中的具有第一高度的至少便使得能够将流体引入到热分配装置中并且使流体从热分配多个中间过程单元中的一个的入口和出口与多个中间过程单元中的另一个的入口和出口7导率大于394W/m2的材料构成，并且所述盖和导热鳍片中的至少一个由热导率为394W/m2或8片中的至少一个由热导率为400W/m2或更[0028]在这个方面的另一示例中，结合中间过程单元还能够包括提供多个中间过程单回流来将多个热分配装置结合到在多个中间过程单元中的每一个中的多个芯片中的每一少部分地包封在基部内的鳍片的盖。至少基部由具有大于394W/m2的第一热导率的第一材料形成。盖和导热鳍片中的至少一个由具有小于394W/m2或更小的第二热导率的第二材料中的至少一个由具有小于400W/m2或更小的第二热导率的第二材鳍片长度的至少一些覆盖在多个半导体芯片中的具有第一高度的至9个芯片中的至少一个的相对侧的两个直接相邻的芯片。所述基部的底表面可以包括突起，该突起与所述至少一个芯片的顶表面相邻地延伸以适应多个半导体芯片中的至少一个的多个热分配装置中的每一个的每个基部的底表面附接到多个中间过程单元中的对应中间结合到多个中间过程单元中的每一个的至少一个微电子元在基板上并且围绕多个中间过程单元中的每一个的至少一个微电子元件的至少一部分延第二材料不同。加强件元件的第一材料的第一CTE可以大于热分配装置的第二材料的第二[0055]根据此方面的另一示例，第一材料的第一CTE可以比热分配装置的第二材料的第装置的第二材料具有第二热导率，热分配装置的第二热导率大于加强件元件的第一热导[0091]图14B是根据本公开的各方面的附接到示例服务器托盘的多个中间过程单元的透[0099]图22是根据本公开的各方面的在示例冷却回路中结合在一起的示例冷板的示意[0100]图23A是根据本公开的各方面的示例冷却组件的示例部件在与示例芯片封装接合[0101]图23B是根据本公开的各方面的示例冷却组件的示例部件在与示例芯片封装接合[0102]图23C是根据本公开的各方面的示例冷却组件的示例部件在与示例芯片封装接合[0103]图23D是根据本公开的各方面的示例冷却组件的示例部件在与示例芯片封装接合[0104]图24A是根据本公开的各方面的示例冷却组件的示例部件在与示例芯片封装接合[0105]图24B是根据本公开的各方面的示例冷却组件的示例部件在与示例芯片封装接合[0106]图25是根据本公开的各方面的示例冷却组件的示例部件在与示例芯片封装接合或多个部分变薄并且/或者修改热分配装置的结构以适应芯片的尺寸变化来解决增加的[0125]被选择来制造冷板的材料或材料组合还能够增强在芯片组件内的热分配装置的[0126]跨过微电子元件的后表面延伸的加强件和热分配装置可以用在芯片组件中以增中，组件100由印刷电路板110以及覆盖在印刷电路板110上的基板120支撑。相应的芯片件126电互连，并且诸如焊球127A的接合材料可以用于将插入件126与基板120电互连和结130在冷板150的基部160的底表面162与基板120的顶表面124之间延伸。基板120的底表面[0132]盖170覆盖在基部160上，使得盖170的底表面172与基部160的顶表面164直接相设置附加O形环178(图1)，以在入口176A及出口176B和可以连接到它们的部件之间提供密顶表面134能够用诸如粘合剂的接合材料(未示出)附接到冷板基部160的底表面162。孔径136相对于加强件130的外周边可以大致居中，但是在其他示例中，可以调整孔径136的位[0136]能够进一步修改加强件以提供沿着加强件130-1的至少一个边缘延伸的脊部137-1与相反的底表面132-1之间延伸的脊部137-1。脊部137-1允许气体在回流过程期间排出。加强件130-1能够替代地包括沿着加强件的至少一个边缘完全地延伸穿过加强件的厚度的[0139]插入件126可以是常规插入件，其被配置为在芯片140A-140C的接合焊盘146与设理解成意指具有被暴露以进行电互连的表面。触点本身可以部分地高于或低于基板的表件126可以包括在其顶表面125处的触点128、在其底表面127处的触点129以及在顶表面与直接结合和焊接到在插入件处的触点。芯片140A-140C的接合焊盘将通过导电通孔电连接[0140]可以通过使用焊球127C的阵列来将插入件接合到印刷电路板110。首先可以将焊[0141]图4是与图1相同的另一示例组件200，除了它还包括覆盖在加强件230上的弹簧290以外。如图所示，组件200包括基板220以及通过插入件226与基板220电连接的芯片和设置在凹部268内的鳍片266。基部260可以直接覆盖在芯片240A、240B、240的后表面所示，支柱292可以被定位在加强件230的拐角处并且从加强件230的顶表面234向外延伸。弹簧290可以缠绕在支柱292周围。弹簧290能够向基板提供附加压力以使组件的翘曲最小[0143]图6提供根据本公开的各方面的另一示例组件300。组件300与在先示例的类似之此组件400与先前公开的组件相似，不同之处在于微电子元件在没有插入件的情况下直接板和垫板412的组件400的子组件400-A的分解透视图。子组件400-A(也示出在图8中)能够440A-440E上的接合焊盘可以通过诸如球栅阵列的焊料连接而结合到在基板420上的触点。加强件430覆盖在基板420上。芯片440A-440E和基部460的底表面462的一部分被定位在加[0145]图10A-10B图示加强件430、基板420、和在加强件430的孔径436内的芯片440A-件430的孔径436内设置填隙片438。填隙片438能够围绕芯片440A-440E的最外边缘表面延[0151]在图12C中，加强件530可以附接到基板520的顶表面524。能够使用粘合剂(未示[0152]图12C所示的所得的子组件是能够由例如外包半导体组装和测试(OSAT)市场公司在基板520的底表面522处的触点518能够与在印刷电路板510的顶表面508处暴露的触点弹簧之外，所述制造方法在其他方面与图12A-12I中讨论的方法相同。如在在先示例中一互对准)或两个步骤(首先是插入件到基板的焊料回流，然后是插入件到芯片的焊料回流)在基板620的底表面622处的触点618能够与在印刷电路板610的顶表面608处的触点606对[0165]图13H图示最终组件600。能够使用各种形式的附接件来将盖670附接到基部66入件和芯片640A-640C的组合结合到基板[0168]图14A至图18图示附接TIM材料以在服务器托盘级形成本文描述的组件的各种方论的，中间过程单元700-1能够包括基板720、插入件726、以及附接到插入件726的芯片回流以将每个中间过程单元700-1附接和接[0171]如先前讨论的，该过程的下一个阶段是为了将冷板附接到相应的中间过程单元以及为了图示和讨论目的以透明形式示出配重758的图16A的放大视图所示，配重758可以是实心的部分。配重能够呈各种形状、尺寸和配置。在一个示例中，配重758包括顶表面重758的相反的底表面759B还能够包括沿着底表面759B居中定位的延伸部分EP。延伸部分伸跨过中间过程单元700-1的整个后表面，而是可以替代地被配置为使得它仅覆盖在中间置在冷板上并且远离冷板延伸的孔口或立柱750B。孔口或立柱750B能够引导配重758以确到的，还能够与配重758的基部和中间过程单元700-1直接相邻地设置固定件752。固定件752能够包括被适配成在托盘710上容纳间隔件或螺栓的所述孔径被配置成容纳孔口或立柱750A-1，所述孔口或立柱750A-1将加压板761放置到适示出了仅四个芯片组件，但是可以使用任何数目的芯片组件并且将其布置在服务器托盘间过程单元，所述相应的芯片组件或中间过程单元附接到服务器托盘510-1。在一个示例够将冷板盖570D附接到在组件500-D内的其相应的冷板基部(未示出)。组装的次序当然能侧的出口576B-A离开组件570A。回路582的这种相同模式将继续通过每个剩余组件500-B、却回路单元然后能够附接到相应的冷板基部560。一旦形成了整个预先连接的回路组件一旦被组装，冷板基部、冷板盖和冷板回路的组合就能够作为单个单元直接附接到芯片[0184]在图23A-C、图24A-B和图25中示出了冷却回路组件的附加三维(3D)视图和示示例中，诸如本文先前讨论的示例中间过程单元已经被示出为被焊接到电路板(参见例如中间过程单元和电路板之前附接到冷板盖和/或冷却回路中的任何一者或两者。为了容易[0185]图23A提供了示出系统的在将冷板回流和附接到中间过程单元之前的部件的示例如焊料等的高导热材料来将每个冷板基部860附接到相应的中间过程单元800-A、800-B、800-C、800-D中的每一个，这可能由将冷板基部860直接附接到每个中间过程单元800-A、连同加压板组件867一起附接到基部860，从而覆盖在每个相应的中间过程单元800-A至每一个，然后相应的冷板盖870、冷却回路882和加压板组件867(其包括加压板861和弹簧的入口和出口以形成子组件895，所述子组件包括盖870、冷却回路组件882和加压板组件[0189]图24A图示首先将冷板盖870、冷板基部860和加压组件867作为子组件850结合在导热界面材料来将每个子组件850接合到中间过程单元800-C和托盘810，包括使用焊料来有比铜的热导率(394W/mk)显著更大的热导率的银金刚石(AgD)(900W/mK)是超高导热(k)单独或与诸如本文公开的那些的TIM和/或结构结合地选择用于构成冷板的超高导热材料相同材料来制造冷板的基部160的鳍片166。为了将冷板150的基部160附接到芯片140A-[0199]进行了在其中改变用于将冷板附接到芯片140A-140C的TIM厚度以及用于形成冷[0200]图26示出与不同的TIM材料和厚度及热导率结合的、与银金刚石(超高K)比较的、具有由银金刚石形成的冷板基部和冷板鳍片的热分配装置能够实现7.2w/mm2的最大热通封装1000的一部分的示意图。封装1000能够包括印刷电路板1010、基板1020、硅插入件如本文先前讨论的，基部1060能够通过包括低熔点金属的导热界面材料1080结合到芯片冷板基部1060-1的底表面1062类许突起P-1A和P-1B覆盖在变薄的芯片1040A-12和1040C-2上。可以通过使用TIM1080来将热材料1115可以具有与芯片1140B的后表面1144B对准或齐平的顶表面1117。在其他示例中，材料1115的顶表面1117可以凹进低于芯片1140B的后表面1144B，或者延伸超过芯片[0208]在图32所示的另一示例芯片组件1100B中，材料1115-1的顶表面1117-1延伸超过1140B-1和整个芯片组件1100B向外分配热。能够将高或超高导热材料1115-1沉积到空腔[0210]在此示例中，不是用导热材料填充空腔1214，而是能够用TIM1280将冷板基部部1260能够包括阶梯状且非平面的底表面1262。基部1260的阶梯状或突起P能够直接突出[0212]可以通过对用于形成热分配装置的材料或材料组合的选择以及用于形成加强件在所述组件内的布置与对材料的选择相结合能够优化基板和微电子器件的热分配和翘曲[0214]加强件元件可以围绕芯片2040延伸并且覆盖在基板2020上。粘合剂2038A可以将任何其他期望的形状。如图所示，加强件元件2030能够包括底表面2032、相反的顶表面2034、在底表面2032与顶表面2034之间延伸的外边缘表面2036、在底表面2032与顶表面括底表面2062、顶表面2064、以及在底表面2062与顶表面2064之间延伸的最外边缘表面2066。在此示例中，热分配装置2050的两个最外边缘2066与加强件元件2030的最外边缘[0218]在一些示例中，将加强件2030的底表面结合到基板2020的第一粘合剂2038A可以括在热分配装置2050与基板2020和/或加强件元件2030之间的任何示例中，示例性实施例将是其中第一粘合剂2038A的弹性模量被选择为大于第二粘合剂2038B选择相同或类似的弹性模量，以便单独地或与封装的其他部件相结合地依赖于为加[0220]不同的粘合剂还能够帮助实现增强的翘曲控制、并且补偿在加强件与散热器和/[0222]为了允许实现组件内增强的热分配以及增强的翘曲控制，以防止芯片和/或基板件2030的材料以相互补偿。热分配装置2050(和TIM2080)能够控制组件2000内的热分配，附加地，加强件元件2030与具有比第二粘合剂2038B的弹性模量更高的弹性模量的第一粘2030的材料的热导率，但是用于形成热分配装置2050的材料的CTE可以低于用于形成加强件元件的CTE可以是热分配装置2050的CTE的至分配装置2050的第二粘合剂2038B相结合，加强件2030还能够帮助补偿热分配装置和加强故障。在至少本文公开的结构中选择与银金刚石比具有更大的CTE的材料能够更好地帮助2030和银金刚石热分配装置2050的组合能够帮助在芯片封装中实现最佳热导率和翘曲控的翘曲是大约201微米。组件B中的基板B1的与铜加强件B3以及第一粘合剂B1A和第二粘合剂B1B相结合地使用组合的平面的银金刚石热分配装置B2所产生的翘曲是大约133微米。在此模拟中，第一粘合剂2038A的弹性模量大于第二粘合剂2038B的弹性模量。与利用全铜和金刚石热分配装置B2和铜加强件B3的组件B中的基板B2的翘曲方面示出类似性。[0229]这些测试结果揭示了由这样的组合的银金刚石热分配装置和铜加强件的使用产[0231]还通过银金刚石和铜的组合实现制造的容易性。通过使用平面的热分配装置具有高CTE的加强件，所述高CTE能够与形成散热器的材料的CTE匹配或者超过形成散热器合到基板2120的顶表面2124。第二粘合剂2138B将加强件2130的顶表面2134结合到热分配[0234]组件2100中的部件相对于该组件中的其他部件拥有与图35中的组件2000相同的加强件元件2130的边缘2136横向地间隔开距离2168A和2168B。在此示例中，距离2168A和置的另一个边缘2166可以与加强件元件2130的边缘2二粘合剂2238B能够将加强件2230的顶表面2234结合和接合到热分配装置2250的底表面[0236]图39-40提供根据本公开的各方面的另一示例微电子装置组件2300。该装置组件2332结合到基板2120的顶表面2324。第二粘合剂2338B能够将加强件2330的顶表面2334结[0237]组件2300中的部件相对于该组件中的其他部件拥有与图35中的组件2000相同的边缘2372延伸超过加强件元件2330的内部边缘2337，使得在诸如图39所示的俯视平面图[0239]可以在图37-40中公开的附加芯片组件中的任一个以及本文先前公开的组件中的[0245]在将热分配装置结合到多个半导体芯片的后表面之前，将TIM设置在半导体芯片导热鳍片中的具有第一鳍片长度的至少一些定位成覆盖在多个半导体芯片中的具有第一装置的入口和出口与多个热分配装置中的另一个热分配装置的入口和出口流体连接；和/或m2或更小的第二热导率的第二材料形成；热[0262]导热材料与多个微电子元件中的至少一个的至少一个表面齐平或定位为低于在片中的至少一些的第一鳍片长度大于多个导热鳍片中的剩余鳍片的第二鳍片长度，其中，[0270]多个半导体芯片包括多个半导体芯片中的至少一个以及定位在所述多个半导体突起与所述至少一个芯片的顶表面相邻地延伸以适应所述多个半导体芯片中的至少一个[0271]根据本公开的第五方面，一种将冷却回路组件组装[0275]将对应多个热分配装置中的每一个的基部的底表面附接到多个中间过程单元中[0276]使用热界面材料来将基部的底表面结合到多个中间过程单元中的每一个的至少个热分配装置中的每一个的结合包括将对应多个热分配装置中的每一个的基部的底表面[0282]至少一个中间过程单元的至少一个微电子元件包括多个元件覆盖在基板上并且围绕微电子元件延伸，该加强件元件由具有第一热膨胀系数[0286]第一弹性模量范围为从10MPa到100MPa，并且第二弹性模量范围为从0.10MPa到[0287]第一材料的第一CTE比所述热分配装置的第二材料的第二CTE大至少50和/或[0295]热分配装置包括跨过加强件元件的整个表面和微电子元件的整个后表面延伸的[0306]热分配装置包括跨过加强件元件和微电子元件的整个后表面延伸的平面表面；