(57)【要約】【課題】チップ上のコンプライアント熱伝導性材料層厚を局所的に減少させて、チップのホット・スポットの温度を低下させること。【解決手段】ＭＣＭ内やＳＣＭ内などの集積回路パッケージ構造では、コンプライアント熱伝導材料が、発熱集積回路とそれに取り付けられた基板の間に塗布される。コンプライアント熱伝導材料のより薄い層が、そのアセンブリ後に、チップとこの領域内の基板の間に配設され、その結果チップ上の「ホット・スポット」温度が低下するように、チップの活性な前面上の平均より高いパワー密度領域に整合した、盛上った領域がチップの背面に画定される。例示的な実施形態では、この基板は、ヒート・シンク、冷却板、ヒート・スプレッダ、ヒート・パイプ、熱ハット、パッケージ蓋、または他の冷却部材のうちの１つを含む。【選択図】図６
2005175483.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板と熱伝達状態にある半導体チップとを備え、前記チップがその活性な前面に少なくとも１つの局所的な高パワー密度領域を有し、前記チップの前面の前記高パワー領域に整合した前記チップの背面に、少なくとも１つの盛上った部分が画定され、前記チップの前記背面と前記基板の対向面が単一組成を有する連続的なコンプライアント熱伝導材料層によって互いに分離されている、半導体パッケージング構造。
【請求項２】
前記基板が、ヒート・シンク、熱冷却板、ヒート・スプレッダ、ヒート・パイプ、熱ハット、およびパッケージ蓋のうちの１つを含む、請求項１に記載の構造。
【請求項３】
前記少なくとも１つの盛上った部分が、前記チップの前記前面の高パワー領域と、サーバの信頼性に極めて重要な機能を有するが必ずしも前記チップの平均の熱束より高温の熱束を有さない前記チップ上の区域とのうちの少なくとも一方と整合している材料のエッチングによって形成される、請求項１に記載の構造。
【請求項４】
前記コンプライアント熱伝導材料層が前記チップと前記基板との間に均一に形成されるように前記チップを画定している各隅および側面のうちの少なくとも１つの上に、支持ポストが形成される、請求項１に記載の構造。
【請求項５】
盛上った部分のアレイが、前記チップの活性な前面上の局所的により高パワー密度の領域の少なくとも１つと整合している、請求項１に記載の構造。
【請求項６】
前記少なくとも１つの盛上った部分を画定する上面に、離散的な形状の陥凹した微細構造が設けられる、請求項１に記載の構造。
【請求項７】
前記少なくとも１つの盛上った部分が、前記チップの前記背面の異方性エッチングによって形成される、請求項１に記載の構造。
【請求項８】
前記少なくとも１つの盛上った部分のそれぞれを画定する端部が、前記チップを画定する端部から少なくとも１ｍｍ離れている、請求項１に記載の構造。
【請求項９】
前記少なくとも１つの盛上った部分が、前記チップの前記背面上の付加プロセスによって形成される、請求項１に記載の構造。
【請求項１０】
前記付加プロセスが、金属層および熱伝導層のうちの少なくとも１層を含む、請求項９に記載の構造。
【請求項１１】
前記付加プロセスが、局所的堆積、堆積およびパターン形成、ならびに熱伝導材料層用のドライ・フィルム・レジストのマスク層内での電気めっきのうちの少なくとも１つを含む、請求項１０に記載の構造。
【請求項１２】
前記チップの前記背面上の少なくとも１つの盛上った部分が占める面積が、前記背面の全表面積の２５％以下である、請求項１に記載の構造。
【請求項１３】
基板とチップの前面の高パワー領域に整合した前記チップの背面との少なくとも一方を画定する少なくとも１つの盛上った部分を構成するステップであって、前記高パワー領域は、システムの信頼性に極めて重要な機能を有するが必ずしも前記チップの平均の熱束より高温の熱束を有さないチップ上の区域と前記チップの活性な前面上の局所的により高いパワー密度の少なくとも１つの領域とのうちの少なくとも１つに対応しているステップと、
前記チップの背面と前記基板の対向面との間に単一組成を有する連続的なコンプライアント熱伝導材料層を配設するステップとを含む、半導体のパッケージング方法。
【請求項１４】
前記基板が、ヒート・シンク、冷却板、ヒート・スプレッダ、ヒート・パイプ、熱ハット、およびパッケージ蓋のうちの１つを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記少なくとも１つの盛上った部分が、前記チップの前面上の高パワー領域に整合した材料のエッチングと、前記チップの背面上の付加プロセスとのうちの少なくとも１つによって形成される、請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
前記少なくとも１つの盛上った部分を画定する上面に、離散的な形状の陥凹した微細構造が設けられる、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
コンプライアント熱伝導材料層が前記チップと前記基板との間に均一に形成されるように前記チップを画定している各隅および側面のうちの少なくとも１カ所上に、支持ポストをさらに形成する、請求項１３に記載の方法。
【請求項１８】
盛上った部分のアレイが、前記チップの活性な前面上の局所的により高いパワー密度の少なくとも１つの領域と、システムの信頼性にとって極めて重要な機能を有するが必ずしも前記チップの平均の熱束より高温の熱束を有さない前記チップ上区域とのうちの少なくとも１つと整合している、請求項１３に記載の方法。
【請求項１９】
前記少なくとも１つの盛上った部分のそれぞれを画定する端部が、前記チップを画定する端部から少なくとも１ｍｍ離れている、請求項１３に記載の方法。
【請求項２０】
前記チップの前記背面上の少なくとも１つの盛上った部分が占める面積が、前記背面の全表面積の２５％以下である、請求項１３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は集積回路（ＩＣ）パッケージ構造内部を冷却することに関する。より詳細には、本発明は、比較的厚いコンプライアント（compliant）熱伝導材料（thermally conductive material）を用いて、集積回路上に不均一なパワー分布がある集積回路チップを冷却することを対象とする。
【背景技術】
【０００２】
集積回路（ＩＣ）チップが機能している間、熱が発生するので、ヒート・シンクに対する熱抵抗は、デバイスの継続した信頼性のある動作を保証するためにはチップの動作温度が低くなるように小さくなければならない。この熱除去の問題は、チップ形状が小さくなり動作速度が増大する結果パワー（電力）密度が増大するにつれてより難解になる。したがって、チップを適切に冷却できる能力が、システムの性能をさらに向上させる際の制限因子となる。基板上に、特にマルチ・チップ・モジュール（ＭＣＭ）に見られるような基板上にアレイ（array）の形で搭載される集積回路チップでは、特に冷却が困難となる。ＭＣＭでは、チップは、共に極めて接近して搭載され、ＭＣＭの全上面をほとんど覆うことがある。このような構成では、分離されたチップの熱束（パワー／単位面積、すなわちＷ／ｃｍ２）を低減させるためにしばしば使用される、ヒート・スプレッダ（heatspreader）をチップの背面に直接結合（bonded）して使用できないことがある。さらなる問題としては、プロセッサ、および他のチップは、しばしば、平均の熱束より大幅に大きい熱束の「ホット・スポット」を有し、そこの温度が平均のチップ温度より約２０℃高くなることがある。平均のチップ・パワー密度に適する熱対策（thermalsolution）では、チップのホット・スポット領域が信頼性のある動作を可能にするには十分ではないことがある。
【０００３】
高パワーＩＣから熱を除去する一般的な技法では、コンプライアント熱伝導性材料を使用してチップに熱的に取り付けた冷却板すなわちヒート・シンクを用いる。強制空冷または循環式冷却液などの方法によって、冷却板またはヒート・シンクから熱を除去する。チップと冷却板またはヒート・シンクの材料との間の熱膨張差があるので、コンプライアント熱伝導性材料がそれらの間に必要とされる。チップのアレイが共通の基板に搭載されるＭＣＭの場合は特にそうであり、パワーが循環する結果、ＩＣの背面に比べて冷却板に垂直たわみ（deflection）および水平たわみの両方が生じ得る。単一チップ・モジュール（ＳＣＭ）タイプのパッケージにおけるチップの場合、しばしば、Ｓｉに近い熱膨張係数を有するＳｉＣなどの高熱伝導性材料からなるヒート・スプレッダが、銀（Ａｇ）充填エポキシまたは他の熱伝導性接着剤を用いて、チップに結合される。熱膨張係数が近接しているために、接着剤を用いて堅い結合（rigidbond）が使用できる。というのは、その間にコンプライアント層を必要としないからである。次いで、コンプライアント熱伝導材料の層を使用して、ヒート・シンクをこのヒート・スプレッダに搭載する。機械的たわみが最小で、パッケージ構造自体の２つの面が互いによく平行を保っている単一チップ・モジュール用の代替品として、コンプライアント熱伝導材料製の極めて薄い、たとえば２５ミクロン以下の、層を使用することができる。
【０００４】
コンプライアント熱伝導材料は、通常は、熱ペーストまたは熱グリースであり、しばしば熱界面材料（thermal interface material：ＴＩＭ）と称する。熱導電ペーストは、通常は、米国特許第５，０９８，６０９号に記載のペーストのように、バインダ材料またはマトリクス内に分散させたサイズ分布を有する熱伝導粒子を含む。‘６０９号特許では、ペーストが、基板に搭載されたＩＣの上面と基板に対向する冷却板の平坦な下面との間に塗布される。典型的なＴＩＭは、一般的に相変化（phase-change）材料として知られているワックス・マトリクス材（waxmatrix）を有するもの、シリコン・ベース・マトリクス材を有するもの、およびグラファイトや金属紛末などの乾式粒状潤滑剤を含む。
【０００５】
基板に電気的に取り付けられたチップの背面と冷却板またはヒート・シンクの下面との間にコンプライアント熱伝導材料を塗布するとき、このコンプライアント熱伝導材料の層は、層自体間の熱抵抗を低減させるために可能な限り薄く作製することが好ましい。このコンプライアント熱伝導材料は、フレキシブルであることが好ましく、パワー・サイクルおよび温度サイクルによって生じるパッケージ構造の膨張収縮にも影響されずに、その保全性、表面接着力、およびチップ被覆率を維持することが好ましい。コンプライアント熱伝導材料を使用する際に見られる問題は、チップの背後から材料がマイグレーション（migration）を起こすこと、ならびにパワー・サイクルおよび温度サイクル中のパッケージの様々な部分の熱膨張係数の差によりボイド（void）が形成されることである。コンプライアント熱伝導材料のこのようなマイグレーションは、チップと冷却板またはヒート・シンクとの間の熱抵抗を非常に大きく増大させ、その結果、電子部品パッケージの耐用期間中に壊滅的な発熱およびチップ故障を発生させる恐れがある。このコンプライアント熱伝導材料のマイグレーションにより、ギャップがより小さくなるとより早く故障が生じ、信頼性ある動作を保証するために必要な材料の最小厚が制限される。この臨界厚は、パッケージの膨張収縮の量、チップ寸法、コンプライアント熱伝導材料の特性、パッケージの予想される作動期間（寿命）、ならびに他の因子の関数である。
【０００６】
米国特許第５，８２５，０８７号では、熱媒質の接着力を向上させかつ電子部品モジュールの動作中にそれを流れさせないために、熱ペーストまたは熱接着材と併せて使用される冷却板がグリット・ブラスト（grit blasting）によって粗くされるか、あるいは冷却板に複数の交叉した溝（channel）を備えている。
【０００７】
米国特許第５，２４７，４２６号では、高熱伝導領域および低熱伝導領域を含む不均一な熱伝導構造を備える装置が開示されており、この装置を半導体に結合して、半導体の表面全体にわたって所望の温度プロファイルを設定することができる。この従来技術の‘４２６号特許から引用した図１に、高温領域２２、低温領域２４、および平均温度領域２６を含む半導体２０の側面図を示す。当然のことながら、接着剤５２とは反対側の、半導体２０の装置が取り付けられていない平面で熱は発生する。基板５０は、「トレンチ・プロファイル（profile）」を含み、それから接着剤５２に対応するトレンチ・プロファイルが生成される。このトレンチ・プロファイルは、上部プラトー（plateau）５４、中部プラトー５６、下部プラトー５８を有する。接着層の厚さは、半導体表面の上の熱分布をよりよくするように変えられる。この構造の欠点は、接着剤が使用されているので、それがチップとチップの背面を取り付けた基板との間にどんなコンプライアンス（compliance）すなわち機械的な応力緩和ももたらさないことである。さらにこのタイプの構造が使用できるチップ寸法は、堅固な（rigid）接着剤接合が使用されているので、基板材料と半導体の間の熱膨張の不一致によって制限される。さらに、使用される構造の垂直プロファイルは望ましくない。というのは、ボイドを生じずにコンプライアント熱伝導性材料で充填するのが困難であり、コンプライアント熱伝導性材料を流す際に不連続が生じるからである。
【０００８】
米国特許第５，６２３，３９４号は、複数の熱伝導性材料を使用してＭＣＭ上の様々なチップの冷却をカスタマイズすることを対象としている。米国特許第５，７５７，６２０号も、熱化合物（compound）で充填されたギャップまたは各チップの上のめくら穴（blind hole）の深さを変えることによって、ＭＣＭ上の様々なチップの冷却をカスタマイズすることを対象としている。これらはどちらもチップの「ホット・スポット」で熱抵抗の低減が必要であるという問題を解決するのではなく、このチップ・レベルのみでの熱抵抗を調節することを対象としている。
【０００９】
米国特許第５，６６８，４０４号では、半導体デバイスが、リード・フレームに対向する、半導体チップの背面に陥凹部を設けてリード・フレームに取り付けられた半導体チップを備える。これらの陥凹部（recess）は、半導体チップの熱放射面積を増大させる。この従来技術の‘４０４号特許から引用した図２は、半導体デバイスの断面図であり、半導体チップ２０が成形用樹脂（moldingresin）５で封入され、半導体チップ２０の背面に形成された陥凹部２１および段部（step）２２がチップ２０と成形用樹脂５との間の接触面積を増大させる。この方法では、チップ上の「ホット・スポット」とチップの背面に形成された微細構造との間の整合（alignment）がないので、チップのホット・スポットで熱抵抗が低減しない。事実、成形用樹脂の熱伝導率が、シリコンなど典型的な半導体のものよりも大幅に低いとすると、成形用樹脂とシリコンの界面熱抵抗がそれほど高くなく、あるいはチップの背面に形成された微細構造によって成形用樹脂層の厚さが減少されない限り、チップから周囲またはヒート・シンクへの熱抵抗はこの微細構造によって低減されないことになる。リード・フレーム、および成形用樹脂での封入に基づくこのタイプのパケージングは、高パワーＩＣおよび高性能ＩＣには適さない。
【００１０】
米国特許第６，２５５，６９５号は、半導体ダイ（die）の非活性な（non-active）表面上に複数の溝が形成され、半導体ダイの非活性な表面にヒート・シンクが接着材で取り付けられたフリップ・チップ半導体パッケージに関する。溝は、チップに対する接着材の接触面積を増大させ、それによって半導体ダイとヒート・シンクの間の機械的結合強度および熱伝導度が向上する。‘６９５号特許から引用した図３は、フリップ・チップ・パッケージの断面図であり、半導体ダイ３１０にいくつかの溝３１６が設けられ、はんだバンプ３１４はアンダーフィル３１２で封入され、半導体ダイ３１０の非活性な側が接着材３０８でヒート・シンク３０４に結合されている。この手法にはいくつかの欠点があり、その１つは、接着材を使用しているので、この構造が半導体ダイとヒート・シンクとの間にどんなコンプライアンス、あるいは機械的な応力緩和ももたらさないことであり、２番目に、堅固な接着材接合を使用しているので、このタイプの構造で使用できるチップ寸法が、半導体ダイとヒート・シンク材料との間の熱膨張の不一致によって制限されることである。さらに、チップ上の「ホット・スポット」とチップの背面に形成された溝が整合していないので、この構造は、チップのホット・スポットで熱抵抗を低減させない。事実、接着剤の熱伝導率が、シリコンなどの典型的な半導体のものよりも大幅に低い場合、接着剤とシリコンの間の界面熱抵抗がそれほど高くなく、あるいはチップの背面に形成された溝（groove）によって半導体ダイとヒート・シンクの間の接着剤層の厚さが減少されない限り、ダイからヒート・シンクへの熱抵抗は溝によって低減されないであろう。
【００１１】
エム・エス・ジューン（M. S. June）およびケイ・ケイ・シッカ（K. K.Sikka）の論文、「電子部品パッケージ内のチップのホット・スポット温度を低下させるためのキャップと一体のスタンドオフの使用（Usingcap-integral standoffs to reduce chip hot-spot temperatures in electronicpackages）」、２００２年の熱現象に関する学際会議（Inter Society Conference on Thermal Phenomena）、ＩＥＥＥ２００２、１７３〜１７８頁は、「熱界面ギャップ間隔の制御方法（Methodfor Controlling Thermal Interface Gap Distance）」という名称の米国特許第６，２９４，４０８号として発行されているが、キャップ状スタンドオフ（standoff）を使用してチップのホット・スポット温度を低下させる技法が提示されている。１００Ｗを消費する高パワー電子部品モジュール内の進歩した熱ペースト界面の場合、スタンドオフがホット・スポットの温度を５〜１０℃だけ低下させることができる。このスタンドオフは、本質的には、比較的低熱伝導材料と並列接続された高熱伝導性材料のカラム（column）である。各スタンドオフは、チップに直接接触しているか、もしくはそれ自体とチップの間に極めて薄い界面を有する。これは、スタンドオフの断面積が小さくスタンドオフの下に潜り込んだどんなペーストも移動させる傾向があるためである。この手法の欠点としては、スタンドオフを取り付けるためにヒート・シンク上で精密な加工が必要であること、およびチップ上の所望の位置でスタンドオフを精度よく整合させる必要があることが含まれる。
【特許文献１】米国特許第６，７７４，４８２号
【特許文献２】米国特許第５，０９８，６０９号
【特許文献３】米国特許第５，８２５，０８７号
【特許文献４】米国特許第５，２４７，４２６号
【特許文献５】米国特許第５，６２３，３９４号
【特許文献６】米国特許第５，７５７，６２０号
【特許文献７】米国特許第５，６６８，４０４号
【特許文献８】米国特許第６，２５５，６９５号
【特許文献９】米国特許第６，２９４，４０８号
【特許文献１０】米国特許第６，２１４，６４７号
【非特許文献１】エム・エス・ジューン（M. S. June）およびケイ・ケイ・シッカ（K.K. Sikka）、「電子部品パッケージ内のチップのホット・スポット温度を低下させるための離れたキャップ状構成部品の使用（Using cap-integralstandoffs to reduce chip hot-spot temperatures in electronic packages）」、熱現象に関する学際会議（InterSociety Conference on Thermal Phenomena）、２００２年、ＩＥＥＥ２００２、１７３〜１７８頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
したがって、上記で論じた従来技術から、チップと基板（たとえば、冷却板、ヒート・シンク、または他の冷却機構）との間のコンプライアント界面を熱伝達状態に維持しながら、同時に、処理チップの活性領域に結合した「ホット・スポット」を低減させ、あるいはなくすこと、および組立て時あるいはその後の熱サイクルまたはパワー・サイクル時にコンプライアント熱伝導材料中にボイドが形成されるのを防ぐことが望まれる。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
チップのより高温の領域に対応するパターンで集積回路の背面上に盛上った部分（raisedportion）を形成することにより、従来技術の欠点が克服され、追加の利益がもたらされる。その結果、チップの背面上に突き出した「メサ（mesa）」構造が生じ、そのためにモジュール組立て後に、コンプライアント熱伝導性材料層の厚みが、「ホット・スポット」の上で局所的に薄くなる。その結果、熱抵抗が局所的に低減し、そのためチップのホット・スポットの温度が低下する。ペースト層厚を局所的に減少すると、許容される全体的なペースト層厚を増大させること、あるいはより厚いレベルに維持することができ、コンプライアント熱伝導性材料がマイグレーションをおこす可能性が低下し、チップとヒート・シンクまたは冷却板との間でのボイド形成が低減し、かつ、チップとヒート・シンクまたは冷却板との間に充分な機械的コンプライアンスが確実にもたらされるようになる。さらに、各チップの上のコンプライアント熱伝導材料層の厚みをよりよく制御するために（米国特許第６，２１４，６４７号に記載のように）個々のピストン（piston）を使用する場合、チップの各隅に、または各端部に沿って小さな盛上った部分を形成してコンプライアント熱伝導材料層が均一になり、ピストンまたはヒート・シンクまたは冷却板をチップ表面に対して傾かないようにすることができる。
【００１４】
好ましい実施形態は、このような領域、一般的にはプロセッサ・チップの中心（core）領域の最高温度を低下させるために高熱束領域の上のメサを使用することに関するものであるが、この同じ技法が、たとえ領域が平均的な熱束密度を持つことができてもそこの機能が働かない場合に深刻な悪影響をもたらすようなチップの特定の機能的な領域の温度を局所的に低下させるのに使用できることがわかる。たとえば、非冗長なまたはそれが故障するとサーバが回復困難なチップ機能は、この機能領域の上にメサを載置することによって、その回路はより低温に冷却され、その結果これらの繊細な回路の信頼性が向上する。
【００１５】
追加の特徴および利点も、本発明の技法によって実現される。本発明の他の実施形態および態様も本明細書に詳細に説明されており、特許請求された発明の一部分とみなされる。本発明ならびにその利益および特徴についてよりよく理解するには、説明および図面を参照されたい。
【００１６】
本発明とみなされる主題は、具体的に指摘してあり、本明細書に添付の特許請求の範囲に明確に記載されている。本発明の上記その他の目的、特徴、および利点は、添付の図面と併せて以下の詳細な説明から明らかである。
【００１７】
以下の詳細な説明では、図面を参照しながら本発明の好ましい実施形態を利点および特徴と共に、例示によって説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明は、チップ後方からの材料のマイグレーションおよびボイドの形成を防ぎながら、チップ上の高パワー密度領域と整合している１つのまたは複数の領域内でコンプライアント熱伝導材料の厚さを局所的に減少させることを対象とする。
【００１９】
トランジスタが小型化し、動作周波数が増大するにつれて、プロセッサ・チップのパワー密度（Ｗ／ｃｍ２）は増大し続ける。長期間にわたって確実に動作させるためには、チップによって発生される熱を除去し、接合温度を約１０５℃未満に保つ必要がある。許容できる接合温度は、使用される技術および具体的な製品の信頼性要件によって変わることに留意されたい。
【００２０】
図４、図５を参照すると、半導体パッケージ構造１００が示されている。構造１００は、一面が基板１１４と熱伝達状態にあり、他面がモジュール（図示せず）に接続するためＣ４アレイ１１６に動作可能に接続されているチップ１１２を含む。例示的な実施形態では、基板１１４は、ヒート・シンク、冷却板、もしくは他の適切な冷却手段または蓋（lid）またはヒート・パイプ、あるいは適切な冷却手段と接触している他の中間構造である。チップ１１２からの主たる熱放散経路は、機械的コンプライアンスをもたらし、チップ１１２と基板すなわち熱キャップ／ヒート・シンク１１４との間に応力緩和をもたらす、熱界面材料（ＴＩＭ）または熱ペースト層１１８を含む。米国特許第５，０９８，６０９号に記載されるタイプのペーストが本発明で使用でき、当技術分野で使用される他のコンプライアント熱伝導ペースト、または他のコンプライアントで適合可能な（conformable）熱伝導材料も同様である。さらに、ＴＩＭ１１８は、チップ１１２が動作温度にあるとき、相変化材料が企図されるように流体を含むことが企図されている。
【００２１】
チップ１１２の背面１１９が、実質的に平坦で盛上った部分を持たない場合、チップ１１２の背面１１９と構造１１４の間の熱ペースト層１１８は、ヒート・スプレッダを使用せず、１１４が蓋または熱ハットの場合は、熱抵抗が内部熱抵抗Ｒｉｎｔの約７０％である。Ｒｉｎｔは構造１００の内部熱抵抗、すなわちチップ１１２を通り（across）熱界面材料１１８を通り冷却手段を取り付けた蓋構造１１４の上面に至る抵抗である。図５に示すように、ヒート・スプレッダ１２０が、それだけには限定されないが、たとえば、Ａｇ充填エポキシ層１２２などの熱伝導性接着剤でチップ１１２の背面に取り付けられたときは、ヒート・スプレッダ１２０と冷却手段を取り付けた蓋構造１１４の底面との間でＲｉｎｔの約１５％はＡｇエポキシ層１２２を通り、Ｒｉｎｔの約４０％は熱ペースト層１１８を通る。ペースト層１１８の熱抵抗は、ペースト１１８の熱伝導率を増大させることによって、あるいは熱ペースト層１１８の厚さ１２４を減少させることによって、低下させることができる。ペースト１１８の熱伝導率は、十分な機械的コンプライアンスをもたらしながら粒子が占めることのできる体積割合によって制限される。ペースト層１１８が十分に厚くなく、十分なコンプライアンスをもたらさない場合は、チップ１１２からモジュール（図示せず）までの電気接続をもたらす微小はんだボール（Ｃ４）１１６が押しつぶされることがあり得る。さらに、ペースト層厚１２４を減少させると、より高いＲｉｎｔおよびチップ１１２の潜在的に熱的故障をもたらす「ペースト・ポンピング」の増大をもたらし得る。ペースト・ポンピングは、周期的な機械的負荷または熱的負荷あるいはその両方がペースト１１８をチップ１１２の背面１１９と熱ハット／ヒート・シンク１１４の間に形成されたギャップの外に押し出すために、負荷が除去されたときギャップ内にペースト１１８の代わりに空気が流れ戻る場合に、ギャップ内でペースト１１８が空気によって置き換えられるときに発生する。マルチ・チップ・モジュールでは、サイクル中に垂直たわみおよび水平たわみが重なるので、ペースト・ポンピングが発生する可能性が最も高い。
【００２２】
ここで図６を参照すると、本発明では、パワー密度が平均より高いチップ１１２の活性領域に対応しそれと整合している「ホット・スポット」１３０が充分に冷却され、Ｃ４が取り付けられた、チップの前面に対応するチップ表面１３１上のピーク温度を低下させるように、コンプライアント熱ペースト層１１８の厚さを局所的に変える。これは、熱ペースト層１１８と接触しているＳｉチップの背面をパターン形成し、チップのより低温の領域１２６に対応するパターンでその（またはそれらの）表面１１９の部分を陥凹させることによって実現できる（図７）。この結果、突き出した「メサ」構造１３２がホット・スポット１３０に対応する領域内に形成され、それによって、モジュールのアセンブリ後に、コンプライアント熱ペースト層１１８が「ホット・スポット」１３０の上で局所的に薄くなる。Ｒｉｎｔを局所的に低減させると、ホット・スポット１３０の温度がそれに対応して低下する。ペースト層厚１２４を局所的に減少させることによって、許容される全体のペースト層厚は増大させるか同じに保つことができ、その結果ペースト・ポンピングおよびＣ４のクラッシュという信頼性に関するリスクが低減する。より厚いペーストの領域が形成され、メサ上のコンプライアント熱伝導材料の薄い層がチップの端部から分離され、メサ上面のペーストの薄層内でのペースト・ポンピングおよびボイド形成を妨げる「ダム（dam）」として働くように、チップのどんな端部にもそれに沿ってメサ構造を直接形成しないことが望ましいことに留意すべきである。約１００ミクロン厚のペースト層の場合、１ｍｍのギャップがメサの端部とチップの端部の適切な分離間隔だと考えられている。位置によって変わるＲｉｎｔ値の調整により融通性を持たせたい場合は、形成されたパターンを複数の深さに陥凹させることもできる。この手法は、比較的厚い（２５ミクロン以上）コンプライアント熱伝導材料が、チップとＭＣＭおよび一部のＳＣＭで見られるような熱ハット／ヒート・シンクとの間で使用される、パケージング構造に最もよく適用できる。
【００２３】
最も簡単な実装形態は、プロセッサ・チップ、またはウェハの形である他のチップ１１２の背面１１９にパターン形成するものである。というのは、この方法は利用可能な技法を使用するバッチ・プロセスであり、熱キャップ／ヒート・シンク１１４をパターン形成する際の位置合わせの問題が回避できるからであり、さらに、以下に述べるように微細構造のような微細な構造体（feature）をメサ領域上に組み込むことができるからである。所望の構造体寸法が約２〜５ミクロンより大きいとすると、ステッパより安価なコンタクト・プリンタ（図示せず）を、ウェハ上での裏面リソグラフィ（backsidelithographic）処理のために使用することができる。例示的な一実施形態では、反応性イオン・エッチングを用いてフォトリソグラフィを使用してウェハの背面上に窒化シリコンなどのマスク層をパターン形成する。次いで、ウェハを、ウェハ背面端部の周囲に液体密封をもたらす固定器具（fixture）に搭載し、ＴＭＡＨ（テトラメチルアンモニウムヒドロオキサイド）や水などのウェット・エッチングを使用してＳｉをエッチングする。他の適切な半導体基板材料／エッチャントの組合せも使用することができる。次いで、ウェット・エッチングおよび同じ固定装置を使用して、あるいは、必要に応じてドライ・エッチング工程を使用してマスク層を除去することもできる。陥凹部（recess）の深さは約２５〜約７５ミクロンであることが企図される（一般のペーストの厚さは約１００＋／−２５ミクロンである）。ＴＭＡＨなどの異方性Ｓｉウェット・エッチングを使用すると、（チップ１１２の背面１１９に対して約５５°の角度１３６で）勾配の付いた（tapered）側壁がもたらされ、メサの上面に自己完結した（self-terminated）微細構造が形成されるのが促進される。その代わりに、等方性Ｓｉウェット・エッチングまたはＳｉドライ・エッチングを任意選択で使用してメサ構造を形成することもでき、あるいは、以下にさらに詳しく説明する、ウェハの背面にはんだや金属などの材料を付加する付加プロセスによって、メサ構造を形成することもできる。
【００２４】
図７に関連する例示的な実施形態では、盛上った部分すなわちメサ１３２、および他の構造体が、ダイシングの前にフォトリソグラフィやエッチングなど当業界で標準的な技法を用いてウェハの背面１１９に形成される。より具体的には、コンタクト・プリンタを使用して、Ｃ４アレイ１１６を有する反対側の前面に整合した、ウェハの背面１１９にパターンを形成し、それによってチップ１１２のより低温の領域１２６に対応する領域内に陥凹部を形成する。半導体ウェハがシリコンの場合、シリコンはドライ・エッチング、等方性ウェット・エッチング、あるいは異方性ウェット・エッチングのどれかを使用してエッチングすることができるが、異方性ウェット・エッチングが好ましい方法である。というのは、この方法は、エッチングされたすべての構造体上に望ましい傾斜の付いた側壁１３４をもたらすからである。等方性ウェット・エッチングは、高い方向性を有するドライ・エッチングより好ましい。というのは、高い方向性を有するドライ・エッチングからもたらされる垂直な側壁とは違って、ウェット・エッチングの深さにほぼ等しい曲率半径で湾曲した側壁がもたらされるからである。異方性シリコン・エッチングを典型的なシリコン・ウェハで用いるとき、この傾斜した側壁１３４は、ウェハを画定する表面１１９から約５５°の角度をなす。この角度を一般的に１３６で示す。使用した典型的な異方性エッチャントは、約９０℃のテトラメチルアンモニウムヒドロオキサイド（ＴＭＡＨ）水溶液である。得られた構造を図７に示すが、２つのメサ１３２が形成され、チップの前面上のホット・スポット領域１３０（楕円形の点線で示す）に整合している。チップを画定する各隅（corner）に配設された小さな盛上った部分１４２（すなわち、サポート・ポスト）も、各チップ１１２が（米国特許第６，２１４，６４７号に記載したような）個々の冷却ピストンまたはチップに取り付けられたヒート・シンク１１４を有するとき、ペースト・ギャップ１４４が確実に均一になるように形成される。ペースト・ギャップ１４４に対応するコンプライアント熱伝導材料層１１８の典型的な厚さ１２４は約７５〜約１５０ミクロンであり、それに対応する、盛上った部分またはメサ１３２の望ましい高さは、約５０〜約１２５ミクロンであり（すなわち、全ギャップ厚より約２５〜約５０ミクロン薄い）、盛上った構造体１３２、１４２が全チップ面積の約２５％以下を覆う。
【００２５】
図８に示す代替実施形態では、無垢の（solid）メサ１３２の１つをより小さいメサ１５２のアレイ（配列）で置き換えて複合メサを形成する。この構造は、チップ１１２の前面に２つのホット・スポット領域１３０があり、その一方が他方よりより低いパワー密度を有するときに有利である。より小さいメサ１５２のアレイを使用することによって、コンプライアント熱伝導材料１１８を介する熱抵抗を無垢のメサ１３２の場合と追加の処理ステップのないメサなしの場合との中間の値に調節することができる。というのは、相異なる高さのメサ領域を作る必要があるからである。小さいメサ１５２のアレイを使用することによって、各メサ１５２の最大面積が減少するので、コンプライアント熱伝導材料１１８のマイグレーションの可能性も低下する。
【００２６】
図９に概略的に示す別の代替実施形態では、「チップ冷却（Chip cooling）」という名称の米国特許第６，７７４，４８２号は集積回路（ＩＣ）パッケージング構造内部を冷却することに関するものであり、開示されている微細構造パターン１６２が、メサ構造１３２の上面１６４に付加される。集積回路パッケージでは、熱界面材料（ＴＩＭ）やペースト１１８などの粒子を含有した熱伝導性の適合可能な材料が、発熱チップ１１２とヒート・シンクまたは冷却板１１４との間に塗布される。微細構造１６２は、傾斜付き陥凹部１６６の離散的なパターンからなるコンプライアント熱界面材料１１８に接触している２面の名目的に平行な表面のうちの少なくとも１面に形成される。あるいは、この微細構造１６２は、それだけには限定されないが、たとえば複数の溝を含む構造を備える。コンプライアントＴＩＭ１１８内の最大の粒子は、優先的に下方に移動（migrate）して陥凹部１６６内部に到る。コンプライアントＴＩＭ１１８の平均厚は、ＴＩＭ１１８内に分散されている最大の粒子の直径より小さくなり、その結果冷却が改善する。これは、異方的にエッチングされる領域を画定するために使用されるマスクを適正に設計することによって、追加の処理ステップを伴わずに成し得る。
【００２７】
単一チップ・モジュール（ＳＣＭ）および寸法１８×１８ｍｍの熱試験チップを用いて、一連の実験を実施した。この熱試験チップはチップの各四半分の中心に置かれた温度モニタを有し、各四半分内に均一な熱束を提供するためのヒータを備える。各チップは、それぞれ高さ約５０ミクロンの２つのメサを設け、チップの四半分を対角線上に向かい合って製作した。ここでメサ寸法は４×４ｍｍまたは６×６ｍｍかのどちらかであり、メサは無垢（solid）（微細構造なし）であるか、または微細構造の形にパターン成形した。微細構造は、「溝」微細構造と称され、実質的に、メサの上面内部にエッチングされた２０ミクロンの中心上にある１０×１０ミクロンのピラミッド・ピット（pyramidalpit）の規則的なアレイからなるか、あるいは「ハーフ・トーン」微細構造と称され、実質的に、メサの上面内部にエッチングされた１００×１００ミクロンの欠稜（truncated）ピラミッド・ピットの格子縞パターンからなる。格子縞の場合、各１００×１００ミクロンの欠稜（深さ５０ミクロン）ピラミッド・ピットは、エッチングされていない領域によって四方をわずかな分離間隔をおいて囲まれており、その他の欠稜ピラミッド・ピットは対角線上で隣接している。米国特許第６，２１４，６４７号に記載された熱キャップを用いて、メサ表面および隅のサポート・ポストの上に、公称３７．５ミクロンの熱ペースト層厚で部品を組み付けた。組立ておよび封入プロセス中、熱チップを搭載したセラミック基板にキャップを取り付けるポリマー封止剤を硬化させるため、この単一チップ・モジュールに熱サイクルをかけた。熱抵抗を測定してみると、メサの上の平均熱抵抗は、メサのないサイト（site）に比べて２２％低下することがわかった。メサが「溝付き」か「ハーフ・トーン」の微細構造を有する場合、平均熱抵抗は、メサのないサイトに比べて３２％低下した。測定した熱抵抗にはコンプライアント熱ペースト層を通る熱抵抗だけが含まれるのではなく、シリコン・チップおよび銅（Ｃｕ）の蓋構造を通る熱抵抗も含まれることに留意すべきである。微細構造を備えるメサ構造の場合に性能が向上するのは、おそらく、組立ておよび封入プロセス中、ボイド形成が減少するためだと考えられる。あるいは、コンプライアント熱ペーストに接触しているＳｉ表面積が増大した結果、熱界面抵抗が低減したことも考えられる。さきに説明したように、これは、バルクＳｉの熱抵抗に比べて熱ペーストのバルク熱抵抗が大きな場合には、起こり得ない。
【００２８】
さらに別の代替実施形態では、チップ１１２の（非活性な）背面１１９上の盛上ったメサ領域１３２、１４２、１５２、１６２は、金属または他の高伝導性層の、局所的堆積や、堆積とパターン形成などの付加プロセスによって形成することができる。これは、たとえば、乾式フィルム・レジストのマスク層内で電気めっきをすることによって成し得る。
【００２９】
米国特許第６，２１４，６４７号に開示されているような小ギャップ技法を使用する場合、ギャップを調節するために用いるピストン上にどんな構造物も形成しないほうが好ましいことがある。というのは、そうすると、ピストンが傾斜し、あるいは正確に整合するためにピストンが固定した回転をする必要がでてくる可能性があり、その結果、熱ペースト・ギャップ設定の際、チップの任意の傾きまたは高さのばらつきも調整することができるピストンの能力を低下させるからである。ピストンに接触している表面上に構造物を形成する場合、チップ１１２の各隅に小さな盛上った部分１４２を形成し、それによってペースト・ギャップ１４４が確実に均一になり、かつピストンが接触している表面に対して確実に傾かないようにすることが好ましいことがある。
【００３０】
知られている従来技術のどれも、全熱抵抗を低減させる試みの代わりに、コンプライアント熱接合のためにチップの背面に構造物を形成して、チップ内の位置によって変わる熱抵抗を局所的に低減させることを教示していない。上述の開示では、チップのピーク温度をコンプライアント熱接合で低下させる装置および方法が、記述されている。例示的な実施形態では、「ホット・スポット」の温度を、それに整合したコンプライアント・ペースト層厚を局所的に減少させることによって低下させる。さらに、上述の開示では、ＭＣＭの場合、臨界厚すなわちチップと基板の間に配設されたコンプライアント熱界面材料（ＴＩＭ）層をどれだけ薄くできるかの限界を突破する装置および方法を詳述している。この臨界厚は、存在する水平および垂直方向の膨張／収縮の量、チップ寸法、およびＴＩＭ特性によって変わる。上記で開示したように、盛上った部分または「メサ」、特にメサ上に微細構造を有するメサを使用することによって、メサの面積がチップの全表面積の２５％以下で、かつメサがチップ端部に直接沿っていない場合、ペースト・ポンピングによる故障を伴わずにペースト厚を局所的に減少させ、それによって、自由端部（free edge）の前に通常厚のペーストの「ダム」を形成させてポンピングを低減させることができる。より具体的には、各盛上った部分１３２を画定しチップ１１２の背面１１９と結合している端部は、チップ１１２を画定している端部から少なくとも１ｍｍ離れている。
【００３１】
本発明の好ましい実施形態を説明してきたが、現在および将来において、以下に述べる特許請求の範囲内に含まれる様々な改善および増進をなし得ることが当業者には理解できよう。この特許請求の範囲は、最初に記載された発明の適正な保護を維持するものと解釈すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】米国特許第５，２４７，４２６号に図４として示される従来技術の図である。
【図２】米国特許第５，６６８，４０４号に図６として示される従来技術の図である。
【図３】米国特許第６，２２５，６９５号に図３として示される従来技術の図である。
【図４】熱ペーストを間に介在させて熱ハット／ヒート・シンクと熱伝達状態にある、従来技術のプロセッサ・チップの断面立面図である。
【図５】エポキシを間に介在させてヒート・スプレッダを付加し、さらに熱ハット／ヒート・シンクと熱接触状態にある、図４の従来技術のプロセッサ・チップの断面立面図である。
【図６】熱ハット／ヒート・シンクと熱接触状態にある、上面にメサを有する、プロセッサ・チップの例示的な実施形態の断面立面図である。
【図７】シリコン・チップの背面上に異方性ウェット・エッチングによって形成されたメサを示す、概略斜視図である。
【図８】シリコン・チップの背面上に異方性ウェット・エッチングによって形成された無垢のメサおよび「ハーフ・トーン」メサを示す、概略斜視図である。
【図９】シリコン・チップの背面上に異方性ウェット・エッチングによって形成された、微細構造を上面に有するメサを示す、概略斜視図である。
【符号の説明】
【００３３】
１００  半導体パッケージ構造
１１２  チップ
１１４  基板
１１６  Ｃ４アレイ、微小はんだボール
１１８  熱界面材料（ＴＩＭ）コンプライアント熱ペースト層、
１１９  チップの背面（ウェハの背面）
１２０  ヒート・スプレッダ
１２２  Ａｇ充填エポキシ層
１２４  熱ペースト層の厚さ
１２６  より低温の領域
１３０  ホット・スポット
１３１  チップ表面（チップ前面に対応）
１３２  メサ構造
１３４  傾斜した側壁
１３６  傾斜角度
１４２  サポート・ポスト
１４４  ペースト・ギャップ
１５２  より小さいメサ
１６２  微細構造（パターン）
１６４  メサ構造の上面
１６６  傾斜付陥凹部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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