(57)【要約】【課題】  パターン形成された金属熱インターフェース（ＰＭＴＩ）を含む集積回路パッケージの長期信頼性を改善するためのシステム及び方法を提供すること【解決手段】  パターン形成された金属熱インターフェース（ＰＭＴＩ）を含む集積回路パッケージの長期信頼性を改善するためのシステム及び方法であって、この方法は、ヒートシンクを熱源に結合すること、熱源とヒートシンクとの間にＰＭＴＩ材料を準備すること、ＰＭＴＩが受けた荷重下でその位置から寸動することを妨げるために、圧縮された展性金属の部分的な封じ込め部を設けることを含む。【選択図】      図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱源とヒートシンクとの間の熱結合の信頼性を改善するための方法であって、
前記熱源の第１の実質的に平坦な表面と前記ヒートシンクの第１の実質的に平坦な表面との間に展性伝導性材料を準備すること、
前記展性伝導性材料が圧縮荷重下でその位置から絞り出されることを妨げるために前記展性伝導性材料の部分的な封じ込め部を設けること、
前記展性伝導性材料の限定された量が絞り出されることを可能にするように、前記部分的な封じ込め部と前記熱源の前記第１の実質的に平坦な表面との間にギャップを設け、前記ギャップが前記限定された量の絞り出された前記展性伝導性材料によって狭められるようにすること、及び
前記熱源の前記第１の実質的に平坦な表面を前記ヒートシンクの前記第１の実質的に平坦な表面に結合すること
を含む方法。
【請求項２】
前記部分的な封じ込め部を設けることが、前記ヒートシンクと前記熱源との間に保持リングを形成することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記部分的な封じ込め部を設けることが、前記ヒートシンク内に浅いキャビティを形成し、前記熱源と前記ヒートシンクとの間の周縁部のギャップが組立の間及び組立後に圧力下で小さくなるようにすることを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記ヒートシンクの表面が、パターン形成された表面を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記パターン形成された表面が、圧縮荷重下で前記展性熱インターフェース材料を均等に分散させるために、チャネルを含む、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記部分的な封じ込め部が、前記熱源の横方向寸法の１パーセントから１０パーセントまでの間の小さい量だけ、前記熱源と重なる、請求項２に記載の方法。
【請求項７】
前記保持リングの水平面内の運動を拘束するために前記保持リングの隣に少なくとも１つの位置決め固定具を取り付けることをさらに含む、請求項２に記載の方法。
【請求項８】
前記少なくとも１つの位置決め固定具を取り付けることが、前記位置決め固定具を前記保持リングに取り付けることを含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記少なくとも１つの位置決め固定具を取り付けることが、前記少なくとも１つの位置決め固定具を前記ヒートシンクに取り付けることを含む、請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
前記熱源と前記展性伝導性材料との間に潤滑された面を設けることをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
１つの実質的に平坦な表面を備えたヒートシンク、
前記ヒートシンクの前記１つの実質的に平坦な表面と熱源の実質的に平坦な表面との間に配置された展性伝導性材料、
前記展性伝導性材料が圧縮荷重下でその位置から寸動することを妨げるための、前記展性伝導性材料の部分的な封じ込め部、及び
前記展性伝導性材料の制限された量が絞り出されることを可能にする、前記部分的な封じ込め部と前記熱源の前記実質的に平坦な表面との間のギャップであって、前記ギャップが前記限定された量の絞り出された前記展性伝導性材料によって狭められるようなっているギャップ
を含む、冷却組立体。
【請求項１２】
熱拡散蓋をさらに含む、請求項１１に記載の組立体。
【請求項１３】
前記部分的な封じ込め部が、前記ヒートシンクと前記熱源との間の保持リングを含む、請求項１１に記載の組立体。
【請求項１４】
前記部分的な封じ込め部が、前記ヒートシンク内の浅いキャビティを含む、請求項１１に記載の組立体。
【請求項１５】
前記保持リングが、前記ヒートシンクに結合している、請求項１３に記載の組立体。
【請求項１６】
前記ヒートシンクが、他のパターン形成された構造部を含む、請求項１１に記載の組立体。
【請求項１７】
前記展性伝導性材料が、インジウム、スズ、ビスマス、アンチモン、タリウム、ガリウム、銀、金、白金、鉛、アルミニウム、チタン、タンタル、タングステン、クロム、ニッケル、ワックス又はグリースのうちの少なくとも１つを含む、請求項１１に記載の組立体。
【請求項１８】
前記展性伝導性材料が、前記ヒートシンク及び前記熱源の上に展性ポリマー被膜の薄層を付与することによって、前記熱源表面と前記ヒートシンク表面との間のコンタクトをさらに最適化する、請求項１１に記載の組立体。
【請求項１９】
前記熱源をさらに含む、請求項１１に記載の組立体。
【請求項２０】
前記部分的な封じ込め部が、前記熱拡散蓋内の浅いキャビティを含む、請求項１２に記載の組立体。
【請求項２１】
前記ギャップが、時間をかけて絞り出される前記限定された量の前記展性伝導性材料に起因して最終的に閉じる、請求項１２に記載の組立体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
開示される発明は、広義にはヒートシンクの分野に関し、より詳細には集積回路パッケージからの漏出を制限するための封じ込め装置の使用の分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
よりハイパワーなマイクロプロセッサ及びメモリ半導体を目指した発展は、チップとヒートシンクとの間の熱的接続を提供するための高伝導性金属熱インターフェース材料（ＭＴＩ）に対する関心を駆り立ててきた。
【０００３】
金属インターフェースは、直接的なインターフェース（半導体プロセッサとヒートシンクとの間）として、又は間接的なインターフェース（半導体プロセッサと蓋、若しくはヒートスプレッダ・キャップ若しくはプレートとの間、又はそのような蓋若しくはキャップ若しくはプレートとヒートシンクとの間）として、十分に機能する。しかしながら、良好で信頼性の高い性能のためには、パターン形成された金属熱インターフェースは、圧縮下で、約１００ｐｓｉ（ポンド毎平方インチ）のオーダーの圧縮圧力で保持されなければならない。現在、多くの高性能コンピュータ・プロセッサ・パッケージは、このレベルの圧縮荷重、しばしば１００ｐｓｉから３００ｐｓｉの範囲内、ときには１０００ｐｓｉにという高さの圧縮加重を容易に与える。
【０００４】
高い圧縮荷重の利点は、ＰＭＴＩの短期試験の際に明白に現れ、圧縮荷重が大きいほど、熱インターフェースを通る熱伝導はより良好となる。しかしながら、コンピュータ・パッケージの応力試験を行うと、ＰＭＴＩの弱点は、製品寿命のもっと後の時点で生じる劣化という形で明るみに出る。特に、それは、コンピュータの電源オン及び電源オフ動作をシミュレートする多数回のサイクルにわたって温度が室温とより高い動作温度との間で変動する、激しい熱サイクルの下で生じる。
【０００５】
ＰＭＴＩは、コンピュータ産業に導入されたばかりのまだ非常に新しい技術である。その高い熱伝導性、製造及び再加工の容易さにより、ＰＭＴＩは、ハイパワー・プロセッサチップの冷却パッケージの主要な構成要素として非常に価値あるものとなる。コンピュータの耐用年数にわたって信頼性をもって機能することもまた必須である。
【０００６】
本発明者らは、長期にわたる動作の後に、特に、例えば電源オン又はオフ動作の際に生じる温度過渡の結果として発生する、潜在的な故障の機構を特定した。温度が変化するとき、材料は、熱膨張のために膨張又は収縮する。銅のヒートシンクは、電源オン動作の間に数十ミクロンも膨張することになる。対照的に、シリコンチップは数ミクロンしか膨張しない。ＰＭＴＩを含む展性金属のコンプライアンスが、この不均一な動きにも関わらず銅のヒートシンクとシリコンチップとの間で良好かつ信頼性の高い熱ボンドを維持するための鍵となる。
【０００７】
しかしながら、多数回にわたるこのような差動運動サイクルにわたって、ＰＭＴＩ材料のうちの幾らかは、ヒートシンクとチップとの間の界面の狭い容積からゆっくりと絞り出される。絞り出しは、繰り返される温度サイクルの下で尺取虫のような動きとして生じる。それは不均一な仕方で生じ、動きはチップの中央ではゆっくりであるが、チップの周縁部近くではもっと大きい。結果として、チップの周縁部においてＰＭＴＩ材料がわずかに薄くなる結果として、インターフェースは最初にそれらの位置において劣化する。しかしながら、時間が経つと、ＰＭＴＩは、熱ボンドがチップ領域の広い部分全体にわたって実質的に劣化するようなレベルまで、絞り出されることになる。
【０００８】
いくつかの解決法が探られ、それらは種々のレベルの成功をもたらしてきた。それらのうちの１つである圧縮荷重の最適化は、圧縮荷重を低減し、ＰＭＴＩの絞り出し運動を減速させる。しかしながら、全体としての性能及び信頼性もまた低下する。
【０００９】
別の解決法は、スズ又はインジウム−スズ合金のようなより剛直なＰＭＴＩ材料を使用することである。この場合、絞り出し運動は低減するが、材料の圧縮性がより制限されるので全体としての熱ボンドも低減する。
【００１０】
インターフェース面（ヒートシンク又はチップ）にパターン形成すること、ヒートシンクにパターン形成することは、ＰＭＴＩ材料の固定を助け、尺取虫運動を減速させる助けとなることができる。しかしながら、パターン形成された表面の主要な効果は、展性金属と表面との間に多くの非局在化された接点を設けることによって、ＰＭＴＩと表面との間により均一な接合を可能にすることである。別の用途において、パターン形成された構造は、実際には、その厚さを最小化するように、材料の絞り出しを促進する。熱ボンドはインターフェースの厚さが減少するにつれて改善されることが多いので、これは一般に望ましい。しかしながら、最小厚さレベルを超えると、特にＰＭＴＩの場合には、熱ボンドは劣化する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
従って、上述の欠点に対する解決法が依然として必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
簡単に述べると、本発明の実施形態によれば、熱源とヒートシンクとの間の熱結合の信頼性を改善するための方法は、熱源の第１の実質的に平坦な表面とヒートシンクの第１の実質的に平坦な表面との間に展性の伝導性材料を準備するステップ又は行為、高荷重下で材料がその位置から寸動する（inch-out）（絞り出される）ことを防ぐために、圧縮された展性材料の部分的な封じ込め部を設けるステップ又は行為、及び、ヒートシンクの第１の実質的に平坦な表面を熱源の第１の実質的に平坦な表面に結合するステップ又は行為を含む。ヒートシンクの実質的に平坦な表面は、随意的にパターン形成された金属であり、この場合、金属表面は、圧縮された材料の寸動をさらに妨げるためのチャネルでパターン形成される。
【００１３】
本発明の別の実施形態によれば、冷却組立体は、１つの実質的に平坦な表面を備えたヒートシンクと、ヒートシンクの１つの実質的に平坦な表面（すなわち、完全な平面から、当業者が実質的であると考えない量だけ外れる）と熱源の実質的に平坦な表面との間に配置された展性伝導性材料と、圧縮荷重下で展性伝導性材料がその位置から寸動するのを妨げるための、展性伝導性材料の部分的な封じ込め部とを含む。
【００１４】
前述及びその他の例示的な目的、態様及び利点を説明するために、以下の本発明の例示的な実施形態の詳細な説明を、図面を参照して用いる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】電気的及び熱的パッケージングを備えた、典型的な随意に蓋付きのプロセッサチップの断面図を示す。
【図２】半導体プロセッサの潤滑された表面上を摺動するＰＭＴＩ及び銅箔を備えたヒートシンクを示す。
【図３】本発明の実施形態による、集積回路パッケージ内に配置された封じ込めリングを示す。
【図４】封じ込めリングがヒートシンクの一体化された部分である、本発明の別の実施形態を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
特許請求される本発明は、改変して代替的な形態とすることができるが、その特定の実施形態を例示として図面に示し、本明細書において詳細に説明する。しかしながら、図面及びそれに対する詳細な説明は、本発明を開示された特定の形態に限定することを意図するものではなく、その反対に、本発明は、本発明の範囲内にある全ての改変、等価物及び代替に及ぶべきであることを理解されたい。
【００１７】
以下の説明において、本発明のより完全な説明を提供するために、多数の特定の詳細が例示的な実施形態として記述される。しかしながら、本発明はこれらの具体的な詳細がなくても実施することができることが当業者には明らかである。他の場合において、周知の特徴は、本発明を不明瞭にしないように、詳細には記載しない。特に指定のない限り、明細書及び特許請求の範囲における語句は、適用可能な技術分野の当業者によって理解されるような通常かつ慣例的な意味を与えられるものであることが意図される。他の意味が意図される場合には、本明細書は、特別な意味が語句に適用されることを明確に言明する。
【００１８】
パターン形成された金属熱インターフェースの長期信頼性を改善するための方法が開示される。特に、高荷重下で展性材料がその位置から寸動することを防ぐ、圧縮された展性金属の封じ込め部が設けられる。図１は、電気的及び熱パッケージングを備えた、典型的な随意的に蓋付きのプロセッサチップ１０２の断面図を示す。プロセッサ１０２はヒートシンク１０４に結合され、パターン形成された金属熱インターフェース（ＰＭＴＩ）１０６が、プロセッサ１０２とヒートシンク１０４との間に配置される。図１はＰＭＴＩの不均一な寸動を示しており、プロセッサ１０２の周縁部に沿ってより大きい寸動が生じている。
【００１９】
図２を参照すると、半導体プロセッサの潤滑された表面上を摺動するＰＭＴＩ１０６及び銅箔２２０を備えたヒートシンク１０４を有する集積回路パッケージ２００の断面図が示される。ヒートシンク１０４とプロセッサチップ１０２との間の補助挿入部が開示される。２５ミクロンの銅箔２２０が補助挿入部のコアのために選択され、オイル２０４が有機層のために選択される（湿潤層はない）。オイル２４０は、補助的な銅箔２２０とプロセッサチップ１０２との間に配置され、潤滑されたインターフェースとしての役割を果たす。この議論において、「プロセッサ」、「半導体」及び「チップ」という用語は、熱源を指すために交換可能に使用されることに留意されたい。
【００２０】
図２に示されるように、ヒートシンク１０４とＰＭＴＩ１０６と補助的な銅箔２２０とを含む三要素組立体は、ほとんど均質な組立体とみなすことができる。二つの外側要素１０４及び２２０は同じ材料（銅）から形成され、実質的に同じ温度であり、かつ、かなり展性の材料１０６によって接合されているので、温度が上下につれて、三要素はほとんど均一に膨張及び収縮する。一方、半導体プロセッサ１０２は、温度が変動する間にごくわずかしか膨張しない。従って、三要素１０４、１０６及び２２０は、薄いオイル膜２４０を介して半導体プロセッサ１０２の非常に平坦な表面上に載せられる。これらの要素は、半導体１０２の表面上で摺動運動を行いながら膨張及び収縮する。このことが、パターン形成されたインジウム１０６の、その二つの銅の側部１０４及び２２０に対する尺取虫運動を最小化し、従って、インジウム材料１０６の絞り出し及び薄化が最小化される。
【００２１】
伝導性材料１０６は、インジウム、スズ、ビスマス、アンチモン、タリウム、ガリウム、銀、金、白金、鉛、アルミニウム、チタン、タンタル、タングステン、クロム、ニッケル、ワックス及びオイルのような任意の材料とすることができるが、それらに限定されない。伝導性材料１０６は、好ましくは、圧縮荷重下で展性材料１０６を均一に分散させるためにチャネルでパターン形成される。
【００２２】
本発明の実施形態に従って、部分的な封じ込めであるにもかかわらず非常に効果的な封じ込め方法を用いることによって、ＰＭＴＩ材料１０６の絞り出しを抑制する方法を論じる。ガスケットの形態の完全な封じ込め部を設けることは、１）ＰＭＴＩ材料によってこのようなガスケットに及ぼされる圧力は、種々の絞り出しサイクルにわたって増大すること、２）その圧力は単純な密着ガスケット（通常は有機材料から作られる）が多量のＰＭＴＩ材料を失うことなく抵抗することができる圧力よりも大きくなること、及び３）硬質金属ガスケットは比較的脆弱な半導体プロセッサと接触させるべきではない、という理由のためそれほど効果的ではない。従って、本発明者らは、かなり硬い材料から作られ、自己封止し、かつＰＭＴＩ材料の絞り出しを効果的に最小化する、部分的な封じ込めシステムに依拠する。図３及び図４は、２つの実施形態を例示する。
【００２３】
ここで図３を参照すると、本発明の実施形態による封じ込めリング３７０を備えたパッケージ３００の断面図が示される。ギャップ３５０が十分小さくなってＰＭＴＩ材料１０６がそれ以上漏れ出ることを制限するまで、限定された量のＰＭＴＩ材料１０６が絞り出される。ギャップ３５０は、典型的には１００ミクロン又はそれ以上から、約５０ミクロン又はそれ以下まで、十分に小さくなり、そのとき、材料の絞り出しは指数関数的に減速する。リング３７０は、１）チップ１０２とヒートシンク１０４との間に必要なクッション（変形可能であり、かつ熱伝導性である）を設けるために、十分なＰＭＴＩ材料１０６がチップ１０２の大部分とヒートシンク１０４との間に留まること、及び２）チップ１０２の縁部における伝導性がチップ１０２の残りの部分と比べて劣化しないこと、という２つの事柄を保証する。リング３７０を用いると、圧力はチップ１０２の縁部において最大となり、これが、そこでの良好な熱伝導を保つ助けとなる。
【００２４】
リング３７０は、部分的な封じ込めシステムとしての役割を果たす。リング３７０は、硬い材料（例えば、ステンレス鋼、又はニッケル、又は銅）から作られ、典型的には５０と１５０ミクロンとの間の厚さを有する。リング３７０は、半導体チップ１０２の上に部分的に、典型的には１ｍｍ未満だけ、重なる。リング３７０を取り付けるためのいくつかの位置決め固定具３１２は、リング３７０の一部又はヒートシンク１０４の一部のいずれかとすることができる。位置決め固定具３１２は、リング３７０を正しい位置に保持し、リング３７０が水平面内（左右又は前後）で摺動することを防ぐ。位置決め固定具３１２の種類及び用いられる固定具３１２の数は重要ではなく、それらは、機械加工されたポストといったヒートシンク１０４の部品、又はいくつかの付加的な挿入されたプラスチック固定具とすることができる。
【００２５】
リング３７０は、それ自体でＰＭＴＩ材料１０６の外向きの流れのうちの幾らかを抑制する。幾らかの材料１０６が絞り出されるにつれて、ギャップ３５０は、粘性のあるＰＭＴＩ材料１０６のそれ以上の流れが無視できるようになるポイントに近づく。このゆえに、ギャップ３５０は自己封止性となる。リング３７０は、リング３７０をより恒久的に位置決めするために、二つの表面のうちの一方、好ましくはヒートシンク１０４に結合（溶接、はんだ付け又はエポキシ樹脂接着）させることもできる。
【００２６】
図４（これも断面図で示される）は、図３のリング３７０が熱拡散蓋（heat spreading lid）４３０の一体化された部分として熱拡散蓋４０４の中に組み込まれた（エンボス加工された）本発明の別の実施形態４００を示す。熱拡散蓋４０４は凹んだキャビティ４３０を有し、キャビティ４３０の縁部が封じ込めリングとしての役割を果たす。キャビティ４３０は、エンボス加工又は機械加工（ミリング）を含む種々の製造技術によって作ることができる。キャビティ４３０の深さは、１０ミクロンと１，０００ミクロンとの間である。現在、多くのコンピュータ・プロセッサ・パッケージは、プロセッサとヒートシンクとの間に熱拡散蓋を含む。これらの場合、本発明者らの解決法は、プロセッサと熱拡散蓋との間のパターン形成されたインジウムのインターフェースにも適用される。
【００２７】
図４の実施形態は、前の実施形態（図３の）と比べていくつかの利点を有しており、すなわち、半導体１０２の周縁部にはただ１つの小さいギャップ４５０しかなく、半導体１０２の周縁部において良好な熱的経路があり、チップ１０２の縁部において、チップ１０２とヒートシンク４０４との間にはただ１つのインターフェースしかない。この実施形態において、より近接した熱拡散蓋及びＰＭＴＩ材料１０６上の付加的な圧力は、半導体１０２の周縁部と熱拡散蓋との間の伝導性の強化に寄与する。
【００２８】
従って、現時点で好適な実施形態であると考えられるものを記載してきたが、本発明の精神の範囲内で他の改変を行うことができることが当業者には理解される。上記の実施形態の説明は、網羅的であること又は範囲を限定することを意図するものではない。実施形態は、記載してきたように、本発明の原則を説明し、その実際の適用を示し、かつ本発明をどのように実施及び使用するかを当業者が理解することを可能にするするために選ばれた。本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、むしろ添付の特許請求の範囲の完全な意味及び範囲内で解釈されるべきであることを理解されたい。
【符号の説明】
【００２９】
１００、２００、３００：集積回路パッケージ
３１２：位置決め固定具
４５０：ギャップ
【図１】
2011035397.tif 000003
【図２】
2011035397.tif 000004
【図３】
2011035397.tif 000005
【図４】
2011035397.tif 000006