(57)【要約】      （修正有）【課題】改良された熱インタフェースを提供する方法およびその装置を提供する。【解決手段】インタフェース１３０は、固体の合金に埋め込まれた構造またはホイルを、２つのデバイス１１０、１２０の表面の間に適用することにより形成される。通常のデバイス動作などを通じて、熱が発生すると、ホイルまたは構造が埋め込まれている合金が溶融して、所望のインタフェースを形成する。一方、構造およびホイルは、合金が周囲に漏洩および侵出することを防止する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
装置内の構成部品間の熱インタフェースを形成する構造体において、
可融合金と、
前記可融合金に埋め込まれた前記可融合金とは反応しない材料で形成される埋め込み構造体と
を含み、前記可融合金は前記装置内に放散される熱により溶融して前記熱インタフェースを形成する構造体。
【請求項２】
前記埋め込み構造体は金属ホイルである、請求項１に記載の構造体。
【請求項３】
前記埋め込み構造体は開孔を有する、請求項１に記載の構造体。
【請求項４】
前記埋め込み構造体は金網である、請求項１に記載の構造体。
【請求項５】
複数の構成部品を含んでなる装置において、
熱発生デバイスと、
前記構成部品のうちの２つの構成部品間の熱インタフェースを形成する構造体であって、可融合金と、前記可融合金に埋め込まれた前記合金とは反応しない材料で形成される埋め込み構造体とを含む構造体と
を含み、前記熱発生デバイスから放散される熱によって前記可融合金が溶融して、前記２つの構成部品間の熱インタフェースを形成する、装置。
【請求項６】
前記２つの構成備品のうちの１つが前記熱発生デバイスである、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
熱インタフェース構造体を作成する方法であって、
金属構造体を用意するステップと、
前記金属構造体の表面に可融合金を付着させるステップと
を含む、方法。
【請求項８】
前記可融合金を付着させるステップの前に、前記金属構造体を洗浄するステップを更に含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記可融合金を付着させるステップは、物理的または化学的気相成長技術を用いて付着させる、請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
チップとヒート・シンクとを含む半導体デバイスの製造方法であって、
金属構造体を、前記金属構造体と容易に反応しない可融合金に埋め込んで熱インタフェース構造体を形成するステップと、
前記熱インタフェース構造体を固形状態でヒート・シンクとチップとの間に配設するステップと
を含み、前記デバイス動作時に前記チップから放散される熱が前記可融合金を溶融して前記チップと前記ヒート・シンクとの間の熱インタフェースが形成される、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、改良された熱インタフェースを提供する方法および装置に関し、さらに詳細には、計算機環境の半導体パッケージで使用される改良された熱インタフェースを提供する方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体産業の発展は、電子装置の中の電子部品の個数を絶え間なく増加させる業界動向へとつながった。コンパクト性により、消費者にとってさらに魅力的な、より小型かつ軽量のデバイスを選択的に製作することができる。さらにまた、コンパクト性は、これらのデバイス内の電気的距離がより短いことにより、多くの回路において、より高周波かつ高速度で作動することを可能とする。この業界目標と関連する多くの利点にもかかわらず、小さな設置面積内に、このような多数の構成部品を提供することは、デバイス動作性能の難問を引き起こす。このような難問の１つは、デバイスの電気伝導率および完全性を妨げない熱インタフェースの生成と関係がある。
【０００３】
良好なインタフェースを提供するためには、関係するすべての表面が、清浄かつ平滑であり、また、製造プロセス時に形成されうるエア・ギャップまたは気泡を含むすべての粒子がない状態でなければならない。また、通常の連続したデバイス動作時に加えられる熱および機械的力は、インタフェースの完全性に影響しうるとみなされなければならない。この点について、インタフェースは、連続使用後であっても容易に劣化しない方法で製作される必要があり、いずれかのこのような劣化または関連する問題が、潜在的に、全体としてデバイスの動作および完全性に影響を与える電気的短絡または他のこのような同様の問題を引き起こしうる可能性に対して、特に注意が払われなければならない。
【０００４】
製作・保持する上で、より困難を要するインタフェースの１つは、例えば、マイクロプロセッサ・チップとヒート・シンクの間などの計算機環境で使用されるような熱インタフェースである。このような場合には、インタフェース接合部は、回路の速度およびパワー能力にとって重要な、必要とされる熱伝達および熱放散を提供できるとともに、ギャップのない状態を維持する要件、および説明された他の要件を満たすことができる必要がある。
【０００５】
先行技術は、改良された熱インタフェースを提供するために、いくつかの方法を使用した。１つの方法は、熱ペーストを使用することである。熱ペーストは、チップの裏面間のギャップを充填して、このようなインタフェースを提供するために使用された。しかしながら、熱ペーストを使用することは、それと関連する複数の問題を有する。一例として、チップを完全に被覆するために十分なペーストを施さなければならないため、熱ペースト構成部品を有するデバイスの組み立ては困難である。さらに、熱ペーストは粘性があり、取り扱いが困難である。また、使用されるモジュール構成部品は、良好な付着力を提供するために、熱ペーストと化学的に適合性がなければならない。最終的に、チップに充填されたペーストは、信頼性の高い構造を形成するように十分な厚みを有する必要がある。
【０００６】
良好な熱インタフェースを提供する他の試みは、接合部間に合金を直接に付着させるものである。金属結合は、ほとんど熱抵抗を有しないため、好ましい熱接合である。金属は、総じて高い熱伝導率を示す。液状の金属は、高い熱伝導率を示すとともに、機械的な接合部内の空隙を埋めることができる付加的な利点を有する。それにもかかわらず、これらの接合を魅力あるものにする同じ特徴が、また一方で、デバイス完全性の問題をも引き起こしうる。
【０００７】
問題は、多くの場合、マイクロプロセッサ・チップとヒート・シンクの間の低溶融温度合金インタフェースに固有の含浸不良のために引き起こされる。問題は、可融合金層が、２つの表面の間で圧迫されている状態で溶融されるとき、可融合金とチップの間、および可融合金とヒート・シンクの間の含浸不良に起因する毛細管現象が、溶融合金をインタフェースから押し出すという事実のために生じる。ギャップを埋める溶融合金がない状態では、冷却装置の伝熱能力はダメージを受ける。また、インタフェースから押し出された溶融合金は、浸出して、他の部位、特に、電気部品を収納する隣接領域に漏洩しうるとともに、システム機能低下およびシステム故障を引き起こす可能性がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
その結果、このようなインタフェース内に溶融合金を用いることにより提供される利点を利用するとともに、良好な熱インタフェースを提供するために使用されうる方法および装置を設計することが求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
先行技術の欠点が克服されるとともに、改良された熱インタフェースを提供する方法、および関連する装置を介して、付加的な利点が提供される。形成されるインタフェースは、ヒート・シンクとチップの間にあることが好ましく、チップの動作は、合金を溶融するために必要とされる所要の熱放散を提供する。インタフェースは、固体の合金に埋め込まれた構造またはホイルを、２つの表面間に適用することにより形成される。通常のデバイス動作などを通じて、熱が発生すると、ホイルまたは構造が埋め込まれている合金が溶融して、所望のインタフェースを形成する。一方、構造およびホイルは、合金が周囲に漏洩および浸出することを防止する。他の実施形態では、構造は、一定の剛性および圧縮性を提供するために金網のような開孔を有することができる。
【００１０】
付加的な特徴および利点は、本発明の技術を介して実現される。本発明の他の実施形態および態様は、本明細書で詳細に説明されるとともに、特許請求される発明の一部とみなされる。利点および特徴を有する本発明を、より良く理解するために、説明および図面を参照すること。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明とみなされる内容は、特許請求の範囲の中で詳しく示され、かつ明瞭に特許請求されている。本発明の上述の、ならびに他の目的、特徴、および利点は、以下の詳細な説明を添付図面と照らしあわせて読めば、明らかである。
【００１２】
図１は、改良された熱インタフェースの横断面説明図を提供する。図１に示されるように、間に熱インタフェースが形成される第１の表面および第２の表面が、それぞれ１１０および１２０で示されている。本発明の好ましい実施形態では、表面１１０および１２０は、コンピュータ内で使用されるチップおよびヒート・シンク部品であるが、しかし、これは必要条件ではない。
【００１３】
その後、図１において表面１１０および１２０の間に１３０で示されているように熱インタフェースが形成される。熱インタフェース１３０は、合金を含むことが好ましい。図示されるように、エア・ギャップまたは他の表面の凸凹が存在せず、熱インタフェース１３０は、インタフェース１３０のいかなる部分も、その側部のいずれからも、周囲のおよび隣接した領域に対して、もしくは、周囲のまたは隣接した領域に対して浸出または漏洩がない状態で、第１および第２の表面１１０および１２０に制限された領域に閉じ込められている。
【００１４】
インタフェース１３０は、後述するように、最初に、固体状態で合金を付着させることにより形成される。インタフェース合金に適切な材料が選択されると、計算機環境（または、その代わりに、第１および第２の構成部品１１０および１２０）から放散される熱が、合金を溶融させ、図１で示されるように、結果として平滑な熱インタフェース１３０を生じさせる。
【００１５】
熱放散は、計算機環境の設計者にとって、特に、大規模で複雑な環境（ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ）にかかわる設計者にとって、重大な課題である。しかしながら、熱放散は、どのような規模の環境であっても、未解決の場合には、全体的なシステム性能に影響する電子的故障および機械的故障を生じうる。容易に理解できるように、実装密度が増加するにつれて、熱放散が増加する。より大規模のコンピューティング・システム環境では、熱を発生する電子部品の個数が、小規模の環境に比べて非常に多くなるだけでなく、熱放散が、外観上無関係に見える他の様々な問題を引き起こしうるため、システム環境の他の必要性を考慮に入れた熱管理方法を提供しなければならない。そのことが、熱インタフェースが、特に、これらの環境において、このような関心事である理由である。
【００１６】
実際、任意の計算機環境で使用される集積回路パッケージから熱を効率的に取り去ることは、これらの回路の設計可能性に非常に重大な制限をもたらした。伝導により１つの物体から他の物体に熱を伝達または放散することが要求されるときに、常に重要となる要素は、表面間の接合の維持保全である。
【００１７】
マイクロプロセッサ・シリコン・チップのような熱発生デバイスからの熱の効率的な除去は、ヒート・シンクのような熱放散デバイスとの緊密な接点で行われることを要求する。しかしながら、このようなインタフェースでは、表面の平滑さと、さらにときどき接合部に連続的に加えられることが必要な、ある程度の大きさの圧力の両方が、良好な接合の保持において重要となりうる。
【００１８】
この点について、合わせ面をぴったりと保持して、それらが離れないように圧力を加えることが可能である。残念ながら、表面の凸凹がいかに微小であっても、このような凸凹は、製造プロセス・ステップと組み合わさって、チップとヒート・シンクの間にエア・ギャップを生じて、熱伝達性能を著しく低下させる。このような接合を改良できる公知の材料はペーストおよびグリースであるが、これらは、前に説明したように、適用することが困難であるか、または接触面の熱抵抗を減少させうる。
【００１９】
エア・ギャップおよび他の凸凹のない平滑な接合面を得るための他の公知の解決法は、通常の作動温度下で液体または固体でさえありうる可融合金または低融点合金で、このようなギャップを充填することである。問題は、この可融合金がギャップに合わせて溶融するとき、可融合金とギャップ表面の間に含浸不良があれば、表面張力は、液体合金をギャップから押し出すであろうという点である。
【００２０】
インタフェース表面を、非常に清浄にしてかつ可融合金で容易にぬれるようにすることは容易ではない。また、インタフェースに配設されうる可融合金のホイル（薄膜）は、保管中にその上に表面酸化物が蓄積される。完全に清浄ではないインタフェース表面および可融合金ホイル上の酸化物は、可融合金の含浸不良を引き起こす。したがって、可融合金をその所定の場所に保持して、前述したように、インタフェース・ギャップを充填して、チップとヒート・シンクの間に熱ブリッジを提供する手段が求められている。
【００２１】
本発明は、可融合金がチップとヒート・シンクをぬらさない場合でも、可融合金でチップとヒート・シンクの間のギャップを埋める手段を提供する。良好なぬれが得られていないとき、毛細管力は、溶融合金をギャップの外へ押し出すであろう。本発明は、ぬれがほとんど得られていない場合でも、可融合金がギャップ内にとどまる手段を提供する。合金１３０の正確な構造は、下記の図２および図３とともに提供される例により、さらに検討することができる。
【００２２】
なお、当業者が理解しうるように様々な異なる実施形態を実現できるが、２つのこのような実施形態が、以下の図２および図３で提供されている。これらは、あくまで検討のために提供されるに過ぎず、したがって、本発明の内容を制限するものではない。以下、このような２つの手段について、さらに詳細に検討する。
【００２３】
図２は、本発明の第１の実施形態の横断面説明図である。図２では、第１の埋め込み構造２００が図示されている。構造は、金属を含むことが好ましく、構造が所定のレベルの構造的完全性および剛性を保持できるとともに、後で説明されるように合金２１０に埋め込まれることができるように、開孔があるような形態を有する。
【００２４】
ある所望の構造的剛性にもかかわらず、ある場合には、特定レベルの柔軟性および圧縮性を保持することが、関連するインタフェースおよび構造２００に対して要求されうる。この点について、剛性レベルは（または、圧縮性レベルさえも）、表面開孔レベルを増減させることにより、選択的に達成され、保持され、または高められうることに注目すべきである。本発明の一実施形態では、構造２００は、同時に剛性と圧縮性の両方を提供するために、網目状構造を有する。好ましい実施形態では、構造２００は金網であり、図示されるように容易に合金２１０を含むことができる。
【００２５】
使用される合金２１０は、可融合金であることが好ましい。可融合金は、室温で固体であり、チップの動作温度では溶融することが好ましい。そのような合金には、Ｚｎ、Ｐｂ、Ｓｎ、Ｂｉ、Ｈｇ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｔａの合金が含まれる。より一般的には、Ｂｉを主成分とし、Ｐｂ、Ｓｎ、Ｃｄ、Ｉｎ、Ｓｂからなる群から選択される金属を１つ以上含む合金で、例えば、ニュートン合金、ローゼ合金、ウッド合金、リポウィツ合金などが含まれるがこれらに限られない。さらに、可融合金および開孔を有する構造２００に使用される材料は、互いに容易に反応しないようなものでなければならない。
【００２６】
金網（２００）が利用されている図２の好ましい実施形態に図示されるように、金網は、可融合金２１０に埋め込まれている。上述したように、金網、ならびに溶融形態の合金を保持できて、かつその溶融形態の合金内に埋め込まれうる任意の材料を使用することができる。
【００２７】
好ましい実施形態では、金網または他のこのような材料が合金に埋め込まれる前に、当業者に公知の手段を用いて、よく洗浄される。一実施形態では、金網は、可融合金を付着させる前に、スパッタ・エッチングを用いて洗浄される。
【００２８】
合金埋め込み構造（２００）の厚さは、どれだけの量の合金をその構造に付着させるかに依存しており、異なる目的に適合するように、選択的に変更されうることに注目すべきである。また、当業者に公知の様々な方法で可融合金を付着させることができる。合金は、例えば、金網または他のこのような構造上にスパッタされ、あるいはまた、化学的または物理的気相成長技術を用いて金網上に付着させることができる。合金は、少なくとも構造２００の２つの面２０１および２０２に付着させるべきであるが、しかし、構造２００が、その設計において、開孔を提供するとき、合金は、好ましくは、このような開孔の間を含む構造２００のすべての面上に付着させるべきである。
【００２９】
図１を参照すると、その後、図２の埋め込み構造２００は、好ましくは固体で、または実質的に固形で２つの表面１１０と１２０の間に適用される。上述したように、通常デバイス動作時に計算機環境から、または他の状況では表面から放散される熱は、熱放散を生じ、この熱放散は、合金を溶融させ、図１のギャップ、気泡のないインタフェース１３０を形成する。
【００３０】
構造２００の構造的剛性は、溶融合金を所定の位置に保持するとともに、溶融合金に、上述した含浸不良による毛細管現象の効果が起こらないようにする。また、この点について、構造２００の構造的剛性は、適用の容易さをもたらすことに注目すべきである。構造２００を製作するプロセスは、高額な費用を必要とせず、かつ柔軟性がある。この製作プロセスは、環境で使用されるであろう他の半導体構成部品の製作プロセスに容易に統合されうる。したがって、既存の製造プロセスおよび構成部品をその製作プロセスの形成に使用することができる。
【００３１】
図３は、本発明の他の実施形態を提供する。図３では、ホイルまたは薄膜３００を用いて図１のインタフェース１３０を形成する第２の実施形態の横断面説明図が提供されている。ホイル３００は、図示されるように可融合金３１０に埋め込まれている。上述のように、ホイル３００および可融合金３１０の材料は、互いに容易に反応しないようなものでなければならない。
【００３２】
好ましい実施形態では、ホイル３００が合金３１０に埋め込まれる前に、当業者に公知の手段を用いて、よく洗浄される。埋め込み前に洗浄するために、好ましい実施形態では、ホイル３００は、上述のようにスパッタ・エッチングを用いて洗浄される。
【００３３】
合金埋め込み構造（３００）の厚さは、選択的に変更されうる。この場合、厚さは、ホイル３００または付着させた合金３１０の厚さの組み合わせでありうる。また、上述したように、当業者に公知の様々な方法で可融合金を付着させることができる。例えば、金属は、ホイル上にスパッタされ、あるいはまた、化学的または物理的気相成長技術を用いてホイル上に付着させることができる。合金３１０は、少なくとも、インタフェースが形成されるホイル３００の２つの面３０１および３０２に付着させるべきであるが、しかし、合金は、図示するようにホイル３００のすべての面上に付着させうる。
【００３４】
図１を参照すると、上述のように、その後、図３の埋め込み構造３００は、固体または実質的に固形で２つの表面１１０と１２０の間に適用される。上述したように、通常デバイス動作時に計算機環境から、または表面１１０および１２０から放散される熱は、図１に関連して説明したように、合金を溶融させ、ギャップ、気泡のないインタフェースを形成する。
【００３５】
必要に応じて、冷却すべきチップの寸法および形状の図２および図３のホイル３００および構造２００が、容易に提供されることに注目すべきである。チップとヒート・シンクの間の所定の位置に配設されて、例えば、チップに電力が供給されると、発熱したチップだけが、可融合金の所望の溶融を引き起こすことができ、その後、この可融合金がチップとヒート・シンクの間のギャップを埋める。
【００３６】
異なった構造的必要性が存在して、それが、他方よりも、構造またはホイルのうちの一方の形態の使用へと導くかもしれない。換言すれば、図２の金網構造および図３のホイル構造は、選択的に、かつ異なる理由で使用されうる。例えば、図２の金網支持インタフェース構造２００は、ヒート・シンクとチップの間に高い圧縮力があるときに有利である。インタフェースのギャップは、針金の太さの２倍になるように制御される。このようにして、溶融状態のインタフェース合金が圧縮力により押し出されることが、より少なくなる。選択的に要望どおりの大きさの圧縮力を提供するために、このような方法で構造２００を製作できる。図３のホイル３００は、明らかに図２の構造２００に比較して剛性を低く製作できるため、ホイルのより大きい柔軟性が要求される例で使用することができる。
【００３７】
このように、本発明は、マイクロプロセッサ・チップとヒート・シンクの間の低溶融温度合金インタフェースに固有の含浸不良の問題を回避するもので、その手段として、可融合金がチップおよびヒート・シンクをぬらさない場合でも、可融合金でチップとヒート・シンクの間のギャップを埋める構造および方法を開示する。
【００３８】
発明の好ましい実施形態について説明したが、当業者は、現在および将来において、特許請求項の範囲に含まれる様々な改良および機能向上をなしうることを理解するであろう。これらの請求項は、最初に説明された本発明に対する適正な保護を保持するように解釈されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】改良された熱接合の横断面説明図である。
【図２】図１の実施形態の熱インタフェースを形成する際に金網構造を用いる、本発明の一実施形態の横断面説明図である。
【図３】図１の実施形態の熱インタフェースを形成する際に合金埋め込みホイルを用いる、本発明の他の実施形態である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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