專利名稱：在網狀載體上的熱界面材料的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于從電子裝置中排出熱量的設備和方法。本發明尤其涉及一種包括網格框架的熱界面，該網格框架涂覆有熱界面材料，其中被涂覆的網格框架設置在產熱源和排熱裝置之間，產熱源例如為微電子電路小片，而排熱裝置例如放熱器或散熱片。
背景技術：
更高性能的、更低成本的、更小型化的集成電路部件以及集成電路的更大的排列密度是微電子和計算機工業的前進中的目標。當這些目標實現時，微電子電路小片變得更小。因此，在電路小片中的集成電路部件的功耗密度增大了，這又使得微電子電路小片的平均結溫增大了。如果微電子電路小片的溫度變得過高，微電子電路小片的集成電路可能會被損壞或破壞。
不同的設備和技術已被使用并正被使用，以便從微電子電路小片中排出熱量。其中的一種散熱技術涉及將散熱裝置裝接到微電子電路小片上。圖4示出了組件200，其包括微電子電路小片202(圖中為倒裝晶片)，該電路小片通過多個焊球206物理地且電氣地裝接到載體基板204上。散熱裝置208的背面216通過熱傳導粘接劑或低溫焊接部分214裝接到微電子電路小片202的背面212上。散熱裝置可以是如現有技術的熱管，或是由熱傳導材料構造的熱導管，熱傳導材料例如為銅、銅合金、鋁、和鋁合金等。
然而，當微電子電路小片202工作時其溫升到正常的工作溫度，而當其不工作時保持室溫，由于散熱裝置208和微電子電路小片202之間的熱膨脹系數(“CTE”)不匹配，所以剛性的熱傳導粘接劑或低溫焊接部分214的使用可能導致微電子電路小片202中的應力。由于CTE的不匹配而導致的應力將增大微電子電路小片202中的裂紋產生和擴展的可能性，這會導致微電子電路小片202的故障。此外，為了獲得將低溫焊接材料粘接到微電子電路小片背面212和散熱裝置背面216，金涂層將施加到兩個表面上，這是非常昂貴的。
在圖5所示的另一實施例中，插針格柵陣列式(“PGA”)微電子電路小片222置于安裝在載體基板204上的插座224中，其中從PGA微電子電路小片222延伸出的插針226使得與插座224中的導電線228電接觸。插座224又與載體基板204電接觸(未示出)。散熱裝置208(在圖中為帶翅片的散熱片，其具有多個翅片232)，該散熱裝置使用彈簧夾234與微電子電路小片222保持接觸，該彈簧夾橫跨散熱裝置208并連接到插座224上。導電油脂236置于微電子電路小片202和散熱裝置208之間。該構形實際上消除了CTE不匹配帶來的問題。
另外已知的是，圖5中的導電油脂236可由相變材料或基體來代替。當冷卻(例如室溫)時，這種材料是大致固相的(漿狀稠度)。當加熱(到工作溫度)時，相變材料變為大致的液相(油脂狀稠度)，以使得相變材料符合配合表面的表面不平度(而處于固相時相變材料不符合所有的翹曲)。因此，液相具有更好的接觸特性，與固相相比這導致了更好的散熱。這種材料中的一種是ThermflowTMT443，其包括在玻璃纖維載體(底板/底墊)中的相變材料，該載體可從美國的Chomerics，Woburn，MA獲得。
然而，當微電子電路小片的尺寸或“覆蓋區域”增大時，微電子電路小片和散熱裝置之間的接觸面積將減小，這將減小可用于傳導熱量的面積。這樣，隨著微電子電路小片的尺寸的減小，從散熱裝置的熱量散發的效率將降低。此外，當微電子電路小片的功率增大時，熱源的溫度上限將降低，或者周圍溫度的限制將升高。這樣，必須檢驗每個熱性能區域，以便獲得任何可能的強化。一個這種區域是微電子電路小片和散熱裝置之間的界面。當微電子電路小片變小時，該界面的傳熱性能成為更大的因素。這樣，現在可使用的導熱粘合劑、油脂和相變材料通常迅速地成為散熱的瓶頸。
因此，開發出用于在熱源和散熱裝置的之間的界面處提高傳熱效率的技術和設備是有利的。
盡管本說明書以特別指明的且清晰要求的本發明的權利要求書來結束，但是參照附圖結合閱讀本發明的以下描述可更容易地確定本發明的優點，在附圖中圖1是本發明的網格框架的實施形式的斜視圖；圖2是本發明的涂覆有焊料材料的網格框架的實施形式的側截面圖；圖3是本發明的具有經涂覆的網格框架熱界面的微電子組件的實施形式的側截面圖；圖4是現有技術的裝接到微電子電路小片上的散熱裝置的側截面圖；和圖5是現有技術的夾持到PGA微電子電路小片上的散熱裝置的側截面圖。
具體實施例方式
盡管附圖示出了本發明的不同視圖，但是這些附圖不意味著用于以精確詳細的方式來描述微電子組件。這些附圖而是以清晰地體現出本發明理念的方式示出了微電子組件。此外，附圖之間相同的部件由相同的附圖標記來表示。
盡管本發明以微電子電路小片和微電子式的散熱裝置的形式來描述，但是本發明并不限于此。本發明可用作任何適用的熱源和散熱機構之間的界面。
圖1示出了本發明的網格框架102。網格框架102由導熱材料制成，該材料包括鋁、銅、鎳、和不銹鋼等，但不限于這些材料。網格框架102優選為通過提供金屬箔并經其設置切口/開孔來制成。該金屬箔延伸/展開并被輥壓平。然而，應當理解，可使用多個制造技術來制造網格框架102，這對于本領域的普通技術人員是顯然的。此外，盡管在網格框架102中的開口104在圖中是正方形的，但它們可以是取決于制造技術的任何形狀，其包括三角形、矩形、圓形、橢圓形等，但不限于這些形狀。
網格框架102隨后被涂覆導熱界面材料106。圖2示出了網格框架102的截面圖，該網格框架涂覆有導熱界面材料106以形成涂覆過的網格框架108。導熱界面材料106具有的熔點溫度優選為處于或低于緊靠涂覆過的網格框架108的熱源的溫度。當然，應當理解，涂層的實際型面和厚度取決于選擇的導熱界面材料106和網格框架102的開口104的尺寸(見圖1)。
圖3示出了涉及本發明的一個實施例的微電子部件的組件110。該微電子部件的組件110包括微電子裝置插件118，其包括微電子電路小片112，該電路小片裝接到插入基板114的第一表面116上并與之電接觸。借助于在微電子電路小片112上的觸點124和在插入基板第一表面116上的觸點126之間延伸的多個小焊球122，以實現該裝接和電接觸。插入基板第一表面的觸點126借助于經插入基板114延伸的多個導電跡線(未示出)與在插入基板114的第二表面136上的觸點134不連續地電接觸。
微電子裝置插件118與載體基板(例如母板)142的電接觸借助于多個焊球144來實現，該焊球形成(軟熔)在插入基板的第二表面的觸點上134。焊球144在插入基板的第二表面的觸點134和在載體基板142的第一表面148上的觸點146之間延伸，以形成其間的電接觸。
支承結構152包括框架154、支持板156、散熱板158和多個保持裝置(在圖中為螺栓162和螺母164)。支持板156設置成鄰接載體基板142的第二表面166。框架154設置成鄰接載體基板的第一表面148并且至少部分地包圍微電子裝置插件118。
經涂覆的網格框架108設置在散熱板158和微電子電路小片112之間。散熱板158在框架154之上延伸。螺栓162經支持板156、框架154和散熱板158延伸，并且由其上設有螺紋的螺母164來保持。散熱板158由極佳的導熱材料制成，該材料包括鋁、鋁合金、銅和銅合金，但不限于這些材料。散熱板158散發出由微電子電路小片112產生的熱量。當然，應當理解，例如夾子等的其它保持機構可作為支承結構152來使用。
在本發明的一個實施例中(再參照圖2)，網格框架102包括銅網，其具有約5密耳的線寬度172以及約1.5密耳的總厚度174。獨立的網格(見圖1和2)具有約50密耳的間隔176。應當注意，該網應當盡量的薄。
導熱界面材料106如此選擇，即，以使其在微電子電路小片112的正常工作溫度下或在低于該溫度下熔化。在本實施例中，導熱界面材料是焊料(并且在下文中由附圖標記106來表示)，該焊料具有約60攝氏度的熔點溫度。可能的焊料材料包括具有約49％的Bi、約21％的In、約18％的Pb、以及約12％的Sn的鉛焊料；和具有約51％的In、約32.5％的Bi、以及約16.5％的Sn的無鉛焊料，但不限于這些材料。該示例性的鉛焊料和無鉛焊料均具有約60攝氏度的熔點溫度。通過熔化焊料并將網格框架102浸在熔化的焊料106中，以使網格框架102涂覆有焊料106，以便使焊料106完全地涂覆在網格框架102上。當然，應當理解，對于本領域的普通技術人員明顯的是，可使用多種技術來將焊料106涂覆在網格框架102上。經涂覆的網格框架108隨后置于散熱板158和微電子電路小片112之間，其中由支承結構152在其間產生正壓力。
當微電子電路小片112通電啟動時，其產生熱量，以使其溫度上升。這樣，當微電子電路小片112的溫度上升超過焊料106的熔點溫度時，焊料106熔化并在微電子電路小片112和散熱板158之間以緊密的且低熱阻的方式接觸，從而與微電子電路小片112和散熱板158相配。這強化了從微電子電路小片112到散熱板158的熱傳遞。網格框架102機械地防止焊料106從微電子電路小片112與散熱板158之間的界面耗散。通常認為，焊料的內聚力使熔化的焊料106保持在網格框架102上，而不是焊料粘接在網格框架上。當熔化的焊料106不浸潤微電子電路小片112或不浸潤散熱板158時，在沒有網格框架102的情況下熔化的焊料106趨向于完全地流出微電子電路小片112與散熱板158之間的界面。
當微電子電路小片112冷卻到焊料106的熔點溫度以下時，焊料106凝固。焊料106的熔點溫度優選為處于室溫或高于室溫(即約72攝氏度)。當焊料冷卻時，在焊料106與微電子電路小片112之間或在焊料106與散熱板158之間形成弱的粘附力。因此，不匹配的CTE(熱膨脹系數)導致微電子電路小片112與散熱板158的分離，由此消除由CTE不匹配而造成的應力。換言之，凝固后的焊料106與微電子電路小片和/或與散熱板158分離。此外，不需要用于微電子電路小片112和/或散熱板158的特殊的涂層。
將上述的帶有鉛焊料涂層(約49％的Bi、約21％的In、約18％的Pb、以及約12％的Sn)的網格框架(即1.5密耳的銅，間距為50密耳)與市場上可獲得的ThermflowTMT443相比較，本發明的實施例顯示出約0.3℃/W的低熱阻，而ThermflowTMT443顯示出約0.9℃/W的熱阻。因此，本發明的實施例相比于ThermflowTMT443在導熱方面具有明顯優點。
雖然詳細地描述了本發明的實施形式，應當理解，由后附的權利要求限定的本發明不限于以上描述的具體詳細形式，在不脫離本發明的精神和范圍的情況下可作出不同的變型。
權利要求
1.一種熱界面，其包括網格框架；和大致涂覆在所述網格框架上的導熱焊料材料。
2.如權利要求1所述的熱界面，其特征在于，所述網格框架包括導熱材料。
3.如權利要求2所述的熱界面，其特征在于，所述導熱材料從包括鋁、銅、鎳和不銹鋼的一組材料中選擇。
4.如權利要求1所述的熱界面，其特征在于，所述網格框架包括一平面的導熱網，該網具有限定出大致正方形開口的網線。
5.如權利要求4所述的熱界面，其特征在于，所述網線包括銅材料的線，其間距為50密耳，并且具有約5密耳的寬度和約1.5密耳的厚度。
6.如權利要求1所述的熱界面，其特征在于，所述導熱焊料材料包括約49％的Bi、約21％的In、約18％的Pb、以及約12％的Sn。
7.如權利要求1所述的熱界面，其特征在于，所述導熱焊料材料包括約51％的In、約32.5％的Bi、以及約16.5％的Sn。
8.一種裝置組件，其包括熱源；散熱裝置；和熱界面，該熱界面設置在所述熱源和所述散熱裝置之間，其包括大致涂覆有導熱焊料材料的網格框架。
9.如權利要求8所述的裝置組件，其特征在于，所述導熱焊料材料在所述熱源的溫度下或在低于所述熱源的溫度下熔化。
10.如權利要求8所述的裝置組件，其特征在于，所述網格框架包括導熱材料。
11.如權利要求10所述的裝置組件，其特征在于，所述導熱材料從包括鋁、銅、鎳和不銹鋼的一組材料中選擇。
12.如權利要求8所述的裝置組件，其特征在于，所述網格框架包括一平面的導熱網，該網具有限定出大致正方形開口的網線。
13.如權利要求12所述的裝置組件，其特征在于，所述網線包括銅材料的線，其間距為50密耳，并且具有約5密耳的寬度和約1.5密耳的厚度。
14.如權利要求8所述的裝置組件，其特征在于，所述導熱焊料材料包括約49％的Bi、約21％的In、約18％的Pb、以及約12％的Sn。
15.如權利要求8所述的裝置組件，其特征在于，所述導熱焊料材料包括約51％的In、約32.5％的Bi、以及約16.5％的Sn。
16.一種微電子裝置組件，其包括微電子電路小片；散熱裝置；和熱界面，該熱界面設置在所述熱源和所述散熱裝置之間，其包括大致涂覆有導熱焊料材料的網格框架。
17.如權利要求16所述的微電子裝置組件，其特征在于，所述導熱焊料材料在所述微電子電路小片的工作溫度下或在低于所述微電子電路小片的工作溫度下熔化。
18.如權利要求16所述的微電子裝置組件，其特征在于，所述導熱界面材料在室溫下大致呈固體。
19.如權利要求16所述的裝置組件，其特征在于，所述網格框架包括導熱材料。
20.如權利要求16所述的微電子裝置組件，其特征在于，所述導熱材料從包括鋁、銅、鎳和不銹鋼的一組材料中選擇。
21.如權利要求16所述的微電子裝置組件，其特征在于，所述網格框架包括一平面的導熱網，該網具有限定出大致正方形開口的網線。
22.如權利要求21所述的微電子裝置組件，其特征在于，所述網線包括銅材料的線，其間距為50密耳，并且具有約5密耳的寬度和約1.5密耳的厚度。
23.如權利要求16所述的微電子裝置組件，其特征在于，所述導熱焊料材料包括約49％的Bi、約21％的In、約18％的Pb、以及約12％的Sn。
24.如權利要求16所述的微電子裝置組件，其特征在于，所述導熱焊料材料包括約51％的In、約32.5％的Bi、以及約16.5％的Sn。
25.如權利要求16所述的微電子裝置組件，其特征在于，其還包括支承結構，該支承結構包括在該散熱裝置和該微電子電路小片之間的正壓力。
全文摘要
一種熱界面，其包括網格框架，該網格框架具有涂覆在其上的導熱界面材料。該熱界面設置在熱源和散熱裝置之間，其中導熱材料優選為在該熱源的溫度下或在低于該熱源的溫度下熔化。
文檔編號H05K7/20GK1457512SQ01813774
公開日2003年11月19日 申請日期2001年7月20日 優先權日2000年7月31日
發明者C·P·朝, G·索爾布雷肯, C·西蒙斯 申請人:英特爾公司