[發明專利]用在芯片堆疊中的熱界面材料

有效

• 申請號: 201310416873.6
• 申請日: 2013-09-13
• 公開（公告）號: CN103681517A
• 公開（公告）日: 2014-03-26
• 發明（設計）人: G.K.巴特利;C.L.約翰遜;J.E.凱利三世;J.庫奇斯基;D.R.莫特施曼;A.K.辛哈;K.A.斯普利特斯托瑟;T.J.托菲爾
• 申請（專利權）人: 國際商業機器公司
• 主分類號: H01L21/98
• 分類號: H01L21/98;H01L23/373;H01L21/48;H01L25/065;H01L23/367
• 代理公司: 北京市柳沈律師事務所 11105
• 代理人: 邱軍

技術領域

本發明總體上涉及熱界面材料，更具體地說，涉及用于排列三維芯片堆疊中使用的熱界面材料中的石墨納米纖維的方法和系統。

背景技術

微電子封裝中的熱界面普遍被認為對從芯片逃逸到附接的冷卻裝置(例如散熱片、開隔體(spreader)等)的熱量具有大部分熱阻。因此，為了使熱源和冷卻裝置之間的熱阻最小，通常使用導熱膏、熱脂或粘合劑。通常通過將散熱片或芯片帽壓在處理器芯片的背部來形成熱界面，顆粒填充粘性介質位于散熱片或芯片帽和處理器芯片背部之間，顆粒填充粘性介質被迫流進表面之間的空腔或不均勻區域(non-uniformities)中。

熱界面材料通常包括高度負載有導熱填料的有機基體。導熱性主要由隨機且均勻地分布在整個有機基體中的填料的性質推動。常使用的填料具有各向同性的導熱性，利用這些填料的熱界面材料必須是高度負載的，以獲得期望的導熱性。不幸地，這些負載水平(loading?level)使基礎基體材料的屬性(例如，流動性、內聚性、界面粘合性等)變差。

已確定堆疊電子電路的各層(即，3維芯片堆疊)并豎直互連這些層會使每單位面積內的電路密度顯著增加。然而，三維芯片堆疊的一個顯著問題是堆疊的熱密度。對于四層的3維芯片堆疊，通過芯片堆疊而呈現給散熱片的表面區域僅為通過二維方法呈現的表面區域的1/4。對于4層芯片堆疊，除了最終層與油脂/散熱片界面，還存在三個層-層熱界面。來自底層的熱量必須向上傳導穿過較高層，以到達油脂/散熱片界面。

在芯片側(即，熱源)，通常存在熱點(較高功率密度區域)，而大部分處理都在熱點進行，因此導致在整個芯片上產生溫度梯度。這些較高熱量和功率密度區域需要保持在設定溫度范圍內，以使芯片正常地運行，并在制造結束時通過質量測試和規格測試。

相應地，期望在熱源和冷卻裝置之間提供降低的熱阻，該熱阻有效而又不需要改變微處理器制造工藝。

發明內容

本發明的示例性實施例提供了一種用于增強內部層-層熱界面性能的方法，以及一種由該方法制成的裝置。特別地，涉及用于排列三維芯片堆疊中使用的熱界面材料中的石墨納米纖維的方法和系統。

示例性實施例包括一種用于增強對半導體芯片的芯片堆疊冷卻的方法。該方法包括在第一側制成具有電路的第一芯片以及制成第二芯片，第二芯片通過連接器格柵(a?grid?of?connectors)以電氣方式和機械方式耦接到第一芯片。該方法還包括將熱界面材料墊板(pad)放置在第一芯片和第二芯片之間，其中熱界面材料墊板包括平行于第一芯片和第二芯片的配合面排列的納米纖維和垂直于第一芯片和第二芯片的配合面排列的納米纖維。

另一示例性實施例包括一種制成增強的熱界面材料墊板的方法，該增強的熱界面材料墊板用于冷卻半導體芯片的芯片堆疊。該方法包括將熱界面材料熔化以及將納米纖維分散進熱界面材料中。該方法還包括制成增強的熱界面材料墊板，其中增強的熱界面材料墊板包括納米纖維，納米纖維布置成使熱界面材料墊板的兩個相對側在平行于熱界面材料墊板的所述兩個相對側的第一方向上和垂直于熱界面材料墊板的所述兩個相對側的第二方向上傳導熱量。

另一示例性實施例包括一種具有增強的冷卻設備的半導體芯片的芯片堆疊。就系統結構而言簡言之，該設備的一個實施例，除了其他，以如下方式實施。具有增強的冷卻設備的半導體芯片的芯片堆疊包括位于第一側的具有電路的第一芯片以及通過連接器格柵以機械方式和電氣方式耦接至第一芯片的第二芯片。該設備還包括放置在第一芯片和第二芯片之間的熱界面材料墊板，其中熱界面材料墊板包括平行于第一芯片和第二芯片的配合面排列的納米纖維和垂直于第一芯片和第二芯片的配合面排列的納米纖維。