專利名稱：用于壓擠系統板連接的結構增強的方法
技術領域：
本發明涉及一種壓擠系統板連接(compression system boardconnection)的凝膠封裝結構增強，具體地，涉及對在系統板上采用了LGA壓擠連接器技術的計算機系統的機械、電氣以及熱方面的改進。
背景技術：
在IBM Z系列系統以及例如IBM P系列的其它項目的現有構造中，利用機械封裝的多芯片模塊(Multi-chip module，MCM)結構和接點柵格陣列(Land Grid Array，LGA)型連接將MCM壓擠到主系統板中。隨著如上所述的大規模計算系統的出現，已經研發出在PCB系統板的構造中可識別出一個特殊的問題。當制造系統板時，在過孔或者鍍通孔(plated thru holes，PTH)的大型陣列區域內產生厚度上的改變。由于這一厚度上的改變，對于例如接點柵格陣列(LGA)的壓擠型連接配置的支撐會引起很多問題。舉例來說，在系統板與用于支撐的加固裝置或加強板(stiffener)之間會出現明顯的空間或間隙。該間隙則會引起板的不穩定或者撓曲，這是由于系統板的熱特性產生的膨脹和收縮。為了解決這個問題，由于MCM的I/O圖案的設計引起的系統板上高密度PTH的排列，會在系統板上引起一個不均勻的圖案。在低過孔密度區域，所述板不會在尺寸上收縮得與在高過孔密度區域中一樣。在目前IBM的Z系統系列和P系統系列的設計中，MCM上的I/O陣列被劃分為四個區域。這樣做有幾個原因，其中一個原因是為了允許制造用在MCM與系統板之間的LGA連接器。于是這又使得系統板具有不同的厚度來與I/O圖案相匹配。
由此產生的板進而使用置于板和用于支持的加固裝置之間的特殊絕緣體。目前，以堆疊模式排列的多層絕緣體的疊片結構被用來補償板的厚度改變。這一方法并不會提供完全支撐的結構，而且也受限于多大尺寸的間隙可以被填充。如果間隙超過了預定尺寸，則這個板就不能接受。在計算機系統裝配中使用多個堆疊的絕緣體設計是不可行的。目前，系統板然后要經過篩選，所以間隙具有特定尺寸，從而目前設計的堆疊絕緣體是可以使用的。
進一步來講，為了實現最佳機械界面和電氣連接，要求系統板及其加強板在LGA區域中盡可能的平。這一要求會顯著提高PCB供應商交付的板的總成本與生產計算機系統的全部成本。對板的平整度的嚴格要求將導致基于在生產后進行的測量的PCB板的揀選。另外，為了確保良好的機械界面，所有的支撐機械結構，如MCM安裝硬件，和加強板必須被控制在非常嚴格的公差范圍內。目前，系統板的底側與加強板之間有明顯的間隙。這是由于系統板在MCM界面區域的厚度改變造成的。
在LGA區域中印刷電路板(PCB)的厚度差異的主要原因是在所述區域中鍍通孔(PTH)或者過孔的數量。在任何給定區域有大量過孔的情況下，PCB板的兩側都產生收縮。在板的任何區域，過孔的數量越多就會產生相應更大的收縮區域。對于一些MCM設計，在MCM的底側以分開的陣列組來排列I/O陣列。在系統板上，將對鍍通孔作相應的排列以允許系統板之內的電連接，因此，系統板會在具有較少過孔或者沒有過孔的區域較厚而在具有大量過孔的區域較薄。因此取決于MCM的I/O位置的設計，系統板可能在LGA區域包含非均一的厚度或者具有波紋效應。目前，在系統板的上層、在MCM正下方的非平面區域是通過易彎曲的LGA連接器結構來進行部分補償的，但是在加強板一側MCM以下的區域完全不會被補償。盡管系統板與加強板之間有絕緣體，但是由LGA區域的厚度改變產生的空隙不會被補償。從機械分析得知，系統板會傾向于具有凹形彎曲或者最高達0.008英寸的厚度改變，而且在某些情況下會產生0.012英寸的較大間隙。在LGA區域中，所述板還可能具有形狀上波動的剖面。所述彎曲的形狀和尺寸是可變的而且并不總是均一的，因此該空隙在某些結構性設計不改變的情況下是不能被填充的。研究表明，系統板在高密度過孔區域傾向于形成一個碟形或凹形剖面。
目前已經提出了許多建議，其中包括剛性的預先形成的拱起(crowned)襯墊，其額外插入到絕緣體與系統板之間，或者用于拱起區域中的形成堆疊的附加聚酯薄膜。使用這種預先形成的拱起襯墊或者任何其他這種設計來補償LGA區域的不規則會對一種尺寸的碟形或凹形起作用，但是對于不均勻或帶有多種布局差異的結構是不起作用的。在系統板上自然產生空隙或碟形的情況下，必需在總體設計中非常注意，以確保部件和機械的完整性。為了幫助防止MCM模塊被破壞，在功能封裝的裝配中必須控制所有機械上的不確定性和公差。為了確保LGA界面結構處于最佳電接觸，即，低接觸阻抗，系統板和加強板之間的支撐區域必須盡可能的剛性和堅固。如果對于安裝MCM和電界面來說，機械系統被不正確地補償，則系統板上的間隙可能引起嚴重的模塊損傷或電接觸問題。這將包括MCM破裂或通過LGA界面的電連接不良。目前，所有的建議都無法解決這些問題。
發明內容
根據本發明，開發了一種糊狀或凝膠狀或凝膠膏狀材料的凝膠封裝，由內封不可壓縮的凝膠膏的第一層薄膜和第二層薄膜形成所述凝膠封裝，當施加的壓力使所述第一和第二層壓擠所述不可壓縮的凝膠膏時，所述不可壓縮的凝膠膏會變硬。這種凝膠封裝可以單獨或連同其框架與本發明的MCM最終組件一起生產和使用，其中，壓力的施加是當本發明的凝膠封裝被放置在PCB系統板和機械加強板之間，并且MCM模塊和機械加強板被拉到一起、朝向PCB系統板壓擠凝膠封裝時，通過抵靠機械加強板將MCM模塊安裝到PCB系統板時引起的壓擠。
凝膠封裝能夠補償由于系統板的設計引起的不規則厚度改變。凝膠封裝允許使用本發明人開發并將描述的使用凝膠封裝的新方法。本發明用不可壓縮的凝膠或者合適的絕緣物質的封裝填充系統板和它的支撐硬件之間的間隙。正如也將闡述的，本發明人已經提出在封裝中使用不可壓縮的流體類材料，用作在系統板與其加強板之間所使用的絕緣薄膜的替代物。這一絕緣體封裝可以由封裝不可壓縮的材料的聚酯薄膜，聚酰亞胺薄膜，或者一些其他合適的材料的疊片構成，所述不可壓縮的材料包括但不限于用于MCM上IC芯片間的導熱膏，諸如Dow Corning TC-5022或導熱低溫固化環氧樹脂。另外，不可壓縮的材料可以由任何無毒的絕緣凝膠構成，此絕緣凝膠具有期望的特性，所述特性保證系統板與機械加強板之間充分的接觸支撐。這一絕緣材料封裝應適應系統板和機械加強板之間出現的所有不規則，所述機械加強板用于支撐板和MCM部件。另外，如果使用導熱膏，則可在MCM區域從系統板底部除熱。如果凝膠或樹脂材料具有低溫固化特性，則在加電系統中當通過板的溫度上升加熱凝膠或樹脂材料時會使其變硬，在板和加強板之間會形成固態結構。如果要將板從加強板移開，則所述變硬的絕緣封裝則在以后需要使用新的緩沖器(cushion)。這一新的設置增強了MCM-LGA-系統板-加強板設計的總體結構。同時，這提供了MCM互連的電氣特性的增強，而且增強了去除MCM下產生的熱的能力。這也減少了昂貴的揀選PCB板的需要，同時減少了加工MCM結構的額外的昂貴費用。因此可放寬裝配需要的公差，減少完成系統需要的總成本。
在本說明書的結尾處的權利要求書中具體指出并明確要求保護被認為是本發明的主題。通過下面結合附圖所進行的詳細描述，本發明的上述和其它目的、特征和優點將變得清楚，在附圖中圖1a示出在系統板和具有板下的標準堆疊絕緣體的機械加強板之間形成的不規則的一示例；圖1b示出在系統板和充滿不可壓縮的凝膠封裝的機械加強板之間形成的不規則的一示例；
圖1c詳細示出在系統板和具有板下的標準堆疊絕緣體的機械加強板之間形成的不規則；圖2示出絕緣凝膠封裝的一個優選實施例；圖3示出完整裝配的分解圖的一示例；圖4a示出凝膠封裝的一示例，其中使用雙框架來支撐凝膠封裝；圖4b示出凝膠封裝的一示例，其中使用雙框架來支撐系統中所使用的凝膠封裝；圖5a示出凝膠封裝的一示例，其中使用單框架來支撐凝膠封裝；圖5b示出凝膠封裝的一示例，其中使用單框架來支撐具有微通道的系統中使用的凝膠封裝；圖5c示出擴展通道的細節；圖6示出凝膠封裝的一示例，其中使用雙框架來支撐具有微通道的系統中使用的凝膠封裝；圖7示出凝膠封裝的一示例，其中使用雙框架來支撐具有微通道的系統中所使用的凝膠封裝并使用螺絲來進行壓力/體積調節；圖8示出具有環氧樹脂固化材料的內嵌封裝的凝膠封裝的一示例以及通過機械螺絲進行激活的方法；圖9示出具有固化材料的內嵌封裝的凝膠封裝的一示例以及通過來自裝配力的壓力進行激活的方法。
具體實施例方式
如圖1a所示，當前裝配技術在系統板(20)和加強板(10)之間的LGA(30)接觸圖案區以下需要絕緣體(80)和襯墊疊層(81)。在該示例中的PCB板(20)在LGA安裝區域中具有凹入或碟形的形狀(21)。這種非均勻或碟形形狀(21)在板的制造過程期間產生，并且它的形狀和大小部分地由板的電源/信號交叉引起。這種厚度上的改變也取決于設計進板內的過孔(25)和交叉支撐的數量。如可從圖1c中詳細看到的那樣，當絕緣體堆疊在彼此上時，存在階梯效應。隨著過孔(25)的密度增加，間隙的高度也將改變。如圖1b所示，對于先前描述的問題的解決方案將是用不可壓縮的凝膠封裝(60)取代絕緣體(80)和襯墊疊層(81)。這將使系統板(20)與加強板(10)絕緣，并且提供適應系統板(20)和加強板(10)之間的所有不規則的機械支撐結構。
使用所提出的解決方案，加強板(10)和系統板(20)之間的間隙(21)充滿如圖2所示的自適應(self-conforming)絕緣體結構(60)，其形狀像襯墊。該緩沖器(60)包括兩個分離的絕緣材料層(64，65)。在圖2中，該絕緣材料是諸如聚酯薄膜或聚酰亞胺薄膜的材料，該包層充滿諸如硅凝膠、導熱膏或環氧樹脂類物質(63)的不可壓縮的凝膠膏材料，其在裝配之后適應所有不規則并且在板表面上施加相等的接觸壓力。在優選實施例中，凝膠或樹脂材料(63)可包括低溫固化環氧樹脂，從而當其在加電的系統中由于板的溫度上升而被加熱時將變硬。此后，如果要將板(20)從加強板(10)移開，則將使用新的緩沖器(60)。本實施例的優點在它的幾個可選擇實施例中為增強MCM-LGA-系統板-加強板設計的總體結構，從而，增強了互連的電氣特性，并且增強了MCM之下產生的熱的散去。這一應用還將減少對PCB板的昂貴的揀選，同時，對于具有裝配所需的公差的MCM結構的昂貴的加工也可以放寬要求。因此，將減少完整系統的總成本。
如將在為上述目的從諸如硅凝膠、導熱膏或環氧樹脂類物質(63)的不可壓縮的凝膠膏材料(所述不可壓縮的凝膠膏材料在裝配之后適應所有不規則并且在板表面上施加相等的接觸壓力)形成的不可壓縮的凝膠膏的各種實施例中所看到的，凝膠膏(可以是凝膠或膏狀粘性物)補償由于系統板的設計引起的不規則厚度改變。借助凝膠封裝，本發明用不可壓縮的凝膠或適當的絕緣物質填充系統板和它的支撐機械加強板之間產生的間隙。所述絕緣體封裝包括由兩片薄膜形成的疊片，用于形成包層，所述薄膜諸如是聚酰亞胺薄膜或聚酯薄膜材料的薄膜，其包圍并封住例如導熱膏的不可壓縮的絕緣物質。在優選實施例中，這種結構被保持在支撐框架之內。該產生的封裝用于系統板和當前稱為加強板或機械加強板的支撐機械硬件之間。該解決方案的優點在于以下情況可以獨立于固定的分隔尺寸或者在有多個不同大小的間隙的情況下填充由系統板的設計產生的所有間隙。如圖2示出的優選實施例所示，為了補償由于系統板的設計引起的不規則厚度改變，本發明提供也是包括兩個疊片(64，65)的封裝(60)，使用框架(66)來支撐并將所述疊片保持在一起。在兩個絕緣層之間，堆積著諸如導熱膏或未固化的環氧樹脂的不可壓縮材料(63)。該圖2的封裝(60)的設計可使用與圖1b和圖3所示的LGA連接器系統相同的設計，以便于與本實施例的應用的裝配。框架(66)(框架的一個或兩個元件)可在焊接區域之內具有擠壓區，以便當壓擠發生時，為凝膠膏提供小型釋放區域。由圖2中框架(66)的凝膠膏區域周圍的線條示出這種替換方案。該應用支持但并不限制于當前描述的替換實施例。還可預見，作為示例，所述應用可用作不同結構之間的絕緣防震構件以補償機械運動和設計失配。
圖3示出板(20)、加強板(10)、MCM(40)以及適應性凝膠封裝結構(60)的一示例的完整結構的分解圖。
說明對于負載補償凝膠封裝(60)的設計，必須關注如何處理不可壓縮材料(63)的過量體積，以及提供凝膠封裝(60)的結構完整性。可使用的方法有多種。第一種如下參照圖4a，以下面的方式來進行封裝的構造將封裝的外層框架設計為高度上稍低一些，作為凝膠補償器的頂冠(crown)。以下面的方式來進行框架設計(50)框架的厚度在凝膠封裝(60)的兩側相等。當凝膠補償器(60)安裝在加強板(10)和系統板(20)之間并且受到MCM(40)和LGA(30)的組合的壓擠時，過量的凝膠將擴展到外層框架(50)上的擋板(52)。以下面的方式來進行所述框架的總體設計預先確定0.008英寸的遠離距離(stand off)。因此，使用中心處總高度為0.010英寸的凝膠封裝；然后，圖2所示的封裝(61)的橢圓形狀將重新形成圖4b所示的形狀。將以下面的方式來加工加強板(10)在LGA區域具有小的下降(12)用于容納凝膠封裝(60)，從而每當需要時，將對系統板(20)提供支撐。
如圖5a所示，另一設計將使用以凝膠封裝(60)的一側上的框架(51)用于支撐的方式來構造凝膠封裝(60)。這一設計的優點在于整體制造考慮。然后，將以下面的方式來碾磨加強板(10)在LGA連接器區域和框架的最外層夾持區域之間的區域中形成通道(11)，如圖5b所示。由于碾磨小型通道(11)而產生的臺階(15)將充當凝膠封裝(60)的框架的一部分。如圖5c所示，在MCM(40)的安裝期間，凝膠封裝(60)被壓擠，過量的凝膠材料(62)將自身找齊并填充通道(11)的空隙(14)。最后的結果也將向系統板(20)提供穩固支持。使用通道的一個優點將在于減少加強板(10)和系統板(20)之間需要的高度，并在封裝(60)中允許更大體積的凝膠(62)。
圖6所示的第三種預見到的設計是使用如圖4a和圖4b所示的雙框架補償器(50)，并且使用切入加強板(10)的通道(11)。以下面的方式來加工加強板(10)在LGA區域之外支撐系統板(20)，并且切割通道(11)以完整構架LGA支撐區域。于是凝膠封裝(60)上的框架(50)將位于所述通道(11)之內，其高度將與加強板(10)到系統板(20)的高度相同。當MCM(40)被壓擠到系統板的前側(23)時，凝膠將補償系統板的底側(22)的不均勻表面。過量的凝膠(62)將隨后填充凝膠封裝框架(50)和切割的通道(11)之間的空腔(14)。同樣，可以將較大體積的材料用于該設計中以覆蓋較大間隙，由此允許機械公差的明顯減緩。在圖7中示出用于控制凝膠封裝的壓力和體積的另外的實施例。在凝膠封裝放置區域周圍的一個位置或各個位置將調節螺絲(70)并入加強板(10)。這將允許對流體系統的微調節以保證最優化凝膠或其它這樣的材料以將系統板支撐到加強板界面。這一技術將保證凝膠封裝的正壓力被保持。
如果需要的話，為了去除MCM之下產生的過量熱，凝膠封裝可包含類似于用于將芯片連接到散熱片的膏的導熱膏。當用于先前定義的任何應用時，所述的膏將幫助保持去除到加強板的過量熱的熱路徑。因為連接器區域中的MCM的操作溫度將在更好的控制下，所以系統的系統可靠性將增強，因此，系統速度增加并且可增強可靠性。
在特定應用中，會具有促使凝膠封裝形成對系統板的永久密封的優點。這可通過將低溫固化環氧樹脂作為凝膠封裝設計的一部分來實現。這將實際上成為導熱環氧樹脂。當系統加電時，由于通過過孔的電流以及MCM和系統板之間的接觸的散熱效應，板的底部的溫度將增加。然后，這一熱增加將導致樹脂以與加強板和板之間的間隙一致的形狀來固化和變硬，提供增強的機械和熱結構。此外，可調整環氧樹脂硬度的量，從而環氧樹脂可以盡可能地硬或者非常具有彈性。彈性越高，該結合物越像橡膠，因此，該粘合越柔韌。當用于提出的解決方案中時，這將允許環氧樹脂的不同應用。當由于溫度或應力影響而造成表面彎曲時，上述內容尤其重要。
一種構思將使用圖8所示的調節螺絲(71)來激活較大凝膠封裝之內的固化劑(curing agent)的小型封裝(72)。這可通過使用附在凝膠封裝(60)的外層(65)的內側的小銳利點來實現。在整個封裝(60)的裝配期間，固化劑封裝(72)將作為嵌入物(decal)放置在銳利點上。嵌入物還可包含銳利的激活點以增強環氧樹脂封裝(60)的裝配。當螺絲(71)向內調節時，銳利點隨后將穿破固化劑的小型封裝(72)，由此將其釋放到填充環氧樹脂的封裝(60)。這隨后將促使環氧樹脂變硬，并在系統板(20)和加強板(10)之間形成固態的界面。環氧樹脂還可具有與導熱膏類似的導熱性。這將允許在系統運行期間從MCM之下去除過量熱，同時在系統板(20)和加強板(10)之間形成隆起的支撐。
如圖9所示，另一構思將在凝膠封裝(60)之內包括激活劑封裝(74)，其將包含環氧樹脂固化劑(75)。可將這一封裝(74)設計為當在將MCM組裝到系統板(20)和加強板(10)期間壓擠力超過預定值時，封裝(74)破裂。固化劑(75)將隨后注入環氧樹脂封裝(60)，由此促使環氧樹脂硬化成固態的形式，其將適應系統板(20)不規則。
第三構思將使用壓力敏感固化環氧樹脂，當承受例如當MCM(40)被壓擠到系統板(20)時產生的壓力時，所述壓力敏感固化環氧樹脂將會自激活。
除了如圖8和圖9所示的固化劑的機械激活之外，可通過由裝配人員對凝膠封裝(60)的物理操作將內封的激活固化劑(75)分配到凝膠封裝(60)中。也就是說，操作人員可手動擠壓凝膠封裝(60)以促使內封的固化劑封裝(74)破裂。這將允許操作人員在裝配之前將環氧樹脂和固化劑相互混合在一起，由此保證固化劑與環氧樹脂較好地混合。
由于系統板在LGA區域得到均勻的支撐，所以MCM和LGA連接器之間的電界面顯著增強。由于不會因為PCB材料的熱流動而產生系統板的運動，所以LGA連接器處于與MCM的最佳可能接觸狀況。由于實現了LGA連接器的更好接觸，所以陣列的最內側LGA連接的接觸阻抗將降低。隨著更低的信號網絡的信號幅度損失，更低的電壓下降以及更好的電源連接的功率分布，可提高系統性能。在用于現在和以后機器的傳輸率上，由于功率損失或信號完整性引起的每個沖擊均影響傳遞的系統性能，因此，由本申請實現的上述改進將增強系統性能。
可通過在稍作修改或不加修改的情況下使用上述任何一種方法來實現使用LGA連接界面的計算機系統的改進。理想地，可以由自補償凝膠封裝來取代當前在所有LGA系統設計上使用的絕緣體。
盡管已描述了本發明的優選實施例，但是可以理解，本領域的技術人員現在以及將來可以做出落入后附權利要求的范圍的各種改進和增強。這些權利要求應該被解釋為維護對上面所描述的本發明的適當保護。
權利要求
1.一種增強用于多芯片模塊(MCM)的印刷電路板(PCB)系統板的機械結構的方法，包括向所述PCB系統板提供機械加強板，以便去除從所述MCM到所述機械加強板的過量熱；以及在所述PCB系統板和所述機械加強板之間施加低溫固化環氧樹脂，以便在PCB系統板和機械加強板之間形成環氧樹脂界面，其還充當從MCM到機械加強板的過量熱的熱路徑。
2.如權利要求1所述的方法，其中，將所述低溫固化環氧樹脂施加為包括不可壓縮的環氧樹脂的凝膠封裝。
3.如權利要求2所述的方法，其中，向凝膠封裝提供存在于所述凝膠封裝之內的激活劑，其促使環氧樹脂在激活劑被有效激活時固化。
4.如權利要求2所述的方法，其中，向凝膠封裝提供環氧樹脂固化劑，其對于壓力敏感，并且當在裝配期間在PCB系統板和機械加強板之間壓擠所述封裝時，環氧樹脂固化劑被激活。
5.如權利要求2所述的方法，其中，向凝膠封裝提供自身包含在凝膠封裝之內的閉合封裝中的環氧樹脂固化劑。
6.如權利要求2所述的方法，其中，向凝膠封裝提供環氧樹脂固化劑，通過進行調節以便釋放環氧樹脂固化劑并使環氧樹脂在凝膠封裝內固化，而將所述環氧樹脂固化劑釋放在凝膠封裝之內。
7.如權利要求2所述的方法，其中，所述低溫環氧樹脂通過由在所述MCM之內運行的電路產生的熱來進行固化。
8.如權利要求1所述的方法，其中，所述低溫固化環氧樹脂在所述PCB系統板和所述機械加強板之間形成剛性的環氧樹脂界面。
9.如權利要求8所述的方法，其中，所述環氧樹脂的所述剛性的界面減少系統運行期間所述系統板的有效熱流。
10.如權利要求1所述的方法，其中，所述環氧樹脂具有導熱性。
11.如權利要求5所述的方法，其中，當所述閉合封裝由于在裝配期間產生的壓力而破裂時，所述固化劑被釋放到所述環氧樹脂中。
12.如權利要求5所述的方法，其中，當所述閉合封裝在裝配期間通過物理操作被銳利點激活器穿破時，所述固化劑被釋放到所述環氧樹脂中。
13.如權利要求5所述的方法，其中，當第二封裝在裝配期間被內嵌的嵌入物的物理操作穿破時，所述固化劑的所述閉合封裝將所述固化劑釋放到所述環氧樹脂中以便與其相混合。
全文摘要
MCM系統板使用加強板的結構以通過將LGA壓擠連接器并入計算機系統來增強機械、熱以及電特性。IBM的大規模計算機系統(LSCS)的該設計使用附在系統板上并通過加強框架支撐在一起的MCM。由于制造系統板的性質，在板和加強板之間的MCM的安裝區域會形成明顯的間隙。所描述的方法不僅填充空隙，此外，還提高使過量熱遠離MCM的導熱性，同時，促使增強MCM到系統板的LGA連接的電特性。
文檔編號H01L21/50GK1941305SQ200610128189
公開日2007年4月4日 申請日期2006年9月6日 優先權日2005年9月26日
發明者邁克爾·F·邁克阿里斯特, 哈羅德·普羅斯, 格哈德·魯赫勒, 格哈德·舒爾, 沃爾夫岡·舒爾茨 申請人:國際商業機器公司