具有用于热传输的化学气相沉积金刚石（CVDD）窗口的板组件的制作方法

具有用于热传输的化学气相沉积金刚石(cvdd)窗口的板组件


背景技术：

1.半导体管芯需要有效的热传输，以防止热量积聚，这可能会损害管芯的性能并永久性地损坏管芯。过去使用了各种机制来从管芯除去热量。最常见的机制是使用金属翅片，金属翅片经由导热粘合剂附接至管芯的顶部。这在过去对于单板设计很有效。然而，对于将管芯放置在两块板之间的多板组件，无法将金属翅片直接放置在管芯上方。
2.化学气相沉积金刚石(cvdd)具有非常高的热导率，能够制成薄片。这些薄片通常使用特殊锯来切割，以获得不同形状的金刚石薄片，用于多种商业应用。由cvdd颗粒组成的膏比cvdd薄片便宜得多。尽管金刚石膏已用于半导体领域中的热传输，但cvdd薄片和形状由于其价格昂贵而未被广泛采用。
3.因此，需要一种不会过于昂贵并且将提供足够的热传输以便防止在单个管芯内出现热积聚的方法和设备。此外，需要一种可与多板组件一起使用的可用于将热量从管芯传送出去的方法和设备。


技术实现要素：

4.本发明公开了一种板组件，该板组件包括：电路板；半导体管芯，该半导体管芯电耦合至电路板；化学气相沉积金刚石(cvdd)窗口；和导热膏层，该导热膏层沿cvdd窗口的第一表面的完整范围与cvdd窗口的第一表面直接接触并且与半导体管芯直接接触。导热膏层被定位成使得导热膏层遮盖半导体管芯上的热点。cvdd窗口的占位面积小于半导体管芯的占位面积的百分之二十。
5.本发明公开了一种用于形成板组件的方法，该方法包括：识别半导体管芯上的热点的位置；以及在电路板中切割出对应于所识别热点的位置的开口。将形状对应于热点的形状(和位置)的cvdd窗口插入到开口中。然后将足以确保金刚石窗口与热点之间的接触的导热膏层(小于40μm厚)放置在cvdd窗口上方并且将管芯定位在导热膏层上方，使得cvdd窗口位于热点下方并且使得半导体管芯的表面与导热膏层直接接触。
6.本发明公开了一种用于形成板组件的方法，该方法包括：识别半导体管芯上的热点的位置；在对应于半导体管芯上的热点的位置的位置，将cvdd窗口附接至导热板的表面上；在所附接的cvdd窗口上方施加导热膏层；将半导体管芯附接至电路板，使得半导体管芯电耦合至电路板；以及将导热板放置在半导体管芯上方，使得所施加的导热膏层与半导体管芯接触并且使得cvdd窗口覆盖在热点上。
7.由于cvdd窗口的高的热导率以及窗口在热点下面的定位，快速且有效地从管芯除去热量。另外，cvdd窗口的表面积显著小于管芯的整个表面积。因此，cvdd窗口材料的成本显著小于cvdd材料的横向范围与管芯的占位面积相同的情况下的成本。
附图说明
8.下面将参考实施方案和附图更详细地解释本发明。应当理解，附图未按比例绘制。
9.图1是示出根据本发明的实施方案的用于形成具有cvdd窗口的板组件的方法的框
图。
10.图2是示出具有对应于所识别热点的开口的电路板的剖视图的图。
11.图3是示出根据本发明的实施方案的图2的电路板的剖视图并且示出待插入到电路板中的开口中的cvdd窗口的图。
12.图4是示出根据本发明的实施方案的在cvdd窗口已插入到电路板中的开口中之后并且在导热膏层已沉积在每个cvdd窗口上方之后的图3的电路板组件的侧视图的图。
13.图5是示出根据本发明的实施方案的在半导体管芯放置在导热膏层上方使得cvdd窗口定位在热点下方之后图4的电路板组件的侧视图的图。
14.图6是示出根据本发明的实施方案的图5的电路板组件的顶视图的图。
15.图7是示出根据本发明的实施方案的在引线附接至管芯和电路板之后图5的电路板组件的侧视图的图。
16.图8是示出根据本发明的实施方案的在挡板材料已沉积在第一电路板上方之后图7的电路板组件的侧视图的图。
17.图9是示出根据本发明的实施方案的具有在挡板内延伸的填充材料的电路板组件的实施方案的图。
18.图10是示出根据本发明的实施方案的图9的电路板的顶视图的图。
19.图11是示出根据本发明的实施方案的用于形成具有cvdd窗口的板组件的方法的框图。
20.图12是示出根据本发明实施方案的在导热膏层沉积cvdd窗口上方之后附接至导热板的cvdd窗口的扩展侧视图的图。
21.图13是示出根据本发明的实施方案的在导热板翻转并定位在半导体管芯上方使得cvdd窗口覆盖在管芯的热点上之后图12的电路板组件的侧视图的图。
22.图14是示出根据本发明的实施方案的在导热板放置在半导体管芯上方之后图13的电路板组件的侧视图的图。
23.图15是示出根据本发明的实施方案的在空隙中具有导热膏的电路板组件的实施方案的图，该空隙在挡板内以及在第一电路板和导热板之间延伸。
24.图16是示出根据本发明的实施方案的具有cvdd窗口的电路板组件的图，该cvdd窗口在电路板的顶表面上方延伸。
25.图17是示出根据本发明的实施方案的具有cvdd窗口的电路板组件的图，该cvdd窗口在电路板的底表面下方延伸。
26.图18是示出根据本发明的实施方案的具有cvdd窗口的电路板组件的图，该cvdd窗口在电路板的顶表面上方延伸并且在电路板的底表面下方延伸。
27.图19是根据本发明的实施方案的示出包括两个电路板并且其中在挡板内部延伸的空隙保持填充有空气的电路板组件的侧面剖视图的图。
28.图20是根据本发明的实施方案的示出包括两个电路板并且其中在挡板内部延伸的空隙已填充有填充材料的电路板组件的侧面剖视图的图。
29.图21是示出电路板组件的顶视图的图，并且示出了根据本发明的实施方案的其中cvdd窗口具有椭圆形形状的实施方案。
具体实施方式
30.本领域普通技术人员将认识到，以下描述仅是例示性的而非以任何方式进行限制。本领域技术人员将易于想到其他实施方案。
31.图1示出了用于形成具有cvdd窗口的板组件的方法100。如步骤101所示，分析多个测试半导体管芯的热特性以识别半导体管芯上的热点的位置。当测试半导体管芯以标称方式(或以常规测试模式)操作时，可使用测试半导体管芯的表面的热相机图像来识别热点，以准确识别热点的位置。然后准确地标测这些位置。“热点”的定义是管芯内的某个小区域，其与管芯的周围区域相比具有升高的热输出。在示例性实施方案中，温度高于管芯的周围区域百分之十或高于管芯的表面的平均温度百分之十的区域被确定为热点。
32.在图6所示的实施方案中，该分析识别出与半导体管芯4类似的测试半导体管芯上的热点。出于说明的目的，在图6的管芯4上的位置14-15中示出了所识别热点的位置。然而，应当理解，识别热点14-15的位置的过程将在组装过程之前在测试管芯(未示出)上完成，并且不一定使用将在组装过程中使用的半导体管芯4来确定。用于识别热点的测试半导体管芯将优选地具有与板组件中使用的半导体管芯4相同的设计和制造，使得可准确确定热点的位置。
33.在电路板中切割出102与在步骤101中所识别的每个热点的位置相对应的开口。在一个实施方案中，使用激光切割出开口。在图2所示的实施方案中，切割出开口10以便在电路板1上具有对应于管芯4上的热点14的位置的位置，并且切割出开口11以便在电路板1上具有对应于管芯4上的热点15的位置的位置。开口的位置可通过以下操作确定：识别热点与管芯4上的对准指示器相关的位置；精确地确立电路板1上将附接管芯4的位置；确定对准指示器将定位在电路板1上的位置；以及使用热点相对于对准指示器的位置来确定需要切割出开口10-11的位置。
34.将cvdd窗口2插入103在步骤102中切割出的每个开口10、11中，如图3所示。可通过沉积cvdd薄片并用激光切割cvdd薄片来形成cvdd窗口。在一个实施方案中，使用由加利福尼亚州圣克拉拉的元素六公司(element six of santa clara,california)制造的cvdd薄片来形成cvdd窗口2。使用取放装置来在每个开口内精确地定位cvdd窗口2。应当理解，cvdd窗口2的尺寸将小于该cvdd窗口所放置的开口10、11的尺寸，使得该cvdd窗口将装配到开口中。可将板(未示出)放置在电路板1下方以将cvdd窗口保持在适当位置，直到过程100完成。另选地，可将粘合剂77施加到每个cvdd窗口2的边缘，以便将每个cvdd窗口2附接至相应开口10、11的边缘，如图16至图18所示。在该实施方案中，粘合剂在对应开口10、11处在cvdd窗口的侧表面与电路板1的侧表面之间延伸。在后续工艺步骤104-109之前固化粘合剂，以便在后续工艺步骤104-109期间将cvdd窗口2保持在适当位置。
35.在方法100的实施方案中，所有cvdd窗口2合在一起的占位面积小于半导体管芯的占位面积的百分之二十。然而，已发现在许多情况下，热点遮盖小于管芯面积的百分之二。在这些实施方案中，所有cvdd窗口20的cvdd窗口材料合在一起的量将为管芯面积的百分之二至百分之四。
36.如图4所示，在cvdd窗口2上方施加104导热膏层3。导热膏3可为cvdd负载为70％-90％的金刚石膏，其中尺寸为0.5μm-1μm的cvdd颗粒支撑在有机树脂和溶剂中。
37.在本实施方案中，在每个cvdd窗口2上方施加小于40μm厚的导热膏层。仅在每个
cvdd窗口2上施加该导热膏层3节省了相对昂贵的金刚石膏，同时提供了足够的热导率以有效地将热量从管芯4传导到下面的cvdd窗口2。然而，另选地，导热膏3可沉积在围绕每个cvdd窗口2的较宽区域上或在整个半导体管芯4下面横向延伸。
38.如图5所示，半导体管芯4被放置105在cvdd窗口上方，使得cvdd窗口2位于热点下方，其中半导体管芯4通过导热膏3的相应部分与cvdd窗口2分开。更具体地，如图6所示，膏4被定位成使得一个cvdd窗口2位于热点14下方，并且第二cvdd窗口位于热点15下方。可将管芯压贴导热膏层3，使得导热膏3层填充任何空隙并排除半导体管芯4的底表面与cvdd窗口2的顶表面(和电路板1的顶表面)之间的任何空气，从而导致导热膏层3如图5、图6所示横向延伸并且具有减小的厚度。
39.在图6所示的实施方案中，每个cvdd窗口2的尺寸大于对应热点的尺寸，使得每个cvdd窗口2在上覆热点的整个区域下面延伸并涵盖上覆热点的整个区域。更具体地，热点14沿半导体管芯4的底表面的横向范围在图6中示出为小于导热膏3的横向范围，使得位于热点14内的半导体管芯4的底表面的整个区域与导热膏3直接接触。cvdd窗口2在热点14下方的横向范围被示出为小于上覆导热膏3的横向范围，使得cvdd窗口2的顶表面的整个区域与导热膏3直接接触。从而，提供了用于穿过管芯4的底表面在热点14的整个横向区域上排出热量的导热路径。
40.类似地，热点15沿半导体管芯4的底表面的横向范围小于导热膏3的横向范围，使得位于热点15内的半导体管芯4的底表面的整个区域与导热膏3直接接触。另外，cvdd窗口2在热点15下方的横向范围小于上覆导热膏3的横向范围，使得cvdd窗口2的顶表面的整个区域与导热膏3直接接触。从而，提供了用于在热点15的整个区域上排出热量的导热路径。
41.在其他实施方案中，cvdd窗口2可小于上覆热点14、15的尺寸，并且因此不会横向延伸超过上覆热点的横向范围(例如，cvdd窗口的占位面积小于半导体管芯4上的对应热点的占位面积)。在该实施方案中，用于排出热量的导热路径将不具有与上覆热点相同的横向范围，但只要导热膏的横向范围遮盖整个热点(例如，在全部上覆热点下面横向延伸)，则仍将仍然有效地从上覆热点传送热量。在其他实施方案中，对准可能不完美，并且上覆热点的部分可能不完全位于cvdd窗口或金刚石膏的占位面积内。
42.引线被焊接106到半导体管芯和电路板。在图7中，引线13被引线键合106至管芯4和电路板1以将管芯4电耦合至电路板1，如关于步骤106所讨论的。然后，任选地，围绕管芯4形成107挡板，用填充材料填充109挡板内部的区域，并且执行109固化工艺以包封管芯。在图8中，挡板17围绕管芯4构建，并且在图9中，填充材料19被注入到由挡板17限定的区域中。在一个具体的实施方案中，填充材料19为delo monopox(例如，挡板可为ge785，并且填充材料可为ge725)。固化过程可包括在165℃下加热60分钟。在一个实施方案中，挡板材料为粘合剂热固化的触变性高粘度环氧浇注树脂，其具有介于55,000mpa.s和860,000mpa.s之间的粘度；并且填充材料为粘合剂热固化的触变性低粘度环氧浇注树脂，其具有介于2700mpa.s和80,000mpa.s之间的粘度。
43.填充材料可为导热的，以进一步促进管芯4的冷却。在一个实施方案中，填充材料19为cvdd膏。cvdd膏可为与cvdd膏3相同的材料，或者可具有比cvdd膏3更低的cvdd含量以降低成本。
44.图8、图9的完整板组件包括电路板1、延伸穿过电路板1的开口10、11和在开口内延
伸的cvdd窗口2。导热膏层3在每个cvdd窗口2上方延伸，并且半导体管芯4在导热膏层3上方延伸，使得每个热点至少部分地覆盖在cvdd窗口2上。引线13从半导体管芯4延伸至电路板1，以用于将半导体管芯4电耦合至电路板1。在图9至图10所示的实施方案中，挡板17围绕管芯4延伸并且填充材料19在挡板17内延伸，从而包封半导体管芯4。
45.在完成组装之后，在操作中向板的底部施加冷却以除去通过包括导热膏层3和cvdd窗口2的热路径从热点14、15传递的热量。冷却可为空气冷却系统或液体(例如，水)冷却系统。
46.在图1至图9所示的实施方案中，示出厚度与电路板1的厚度相同的cvdd窗口2。然而，另选地，cvdd窗口2的厚度可大于电路板1的厚度。在图16所示的一个实施方案中，组件78包括cvdd窗口72，该cvdd窗口在电路板1的顶表面上方延伸。
47.在图17所示的实施方案中，组件88包括cvdd窗口82，该cvdd窗口在电路板1的底表面下方延伸。
48.在图18所示的一个实施方案中，示出了组件98，该组件包括cvdd窗口92，该cvdd窗口在电路板1的顶表面上方并且在第一电路板的底表面下方延伸。
49.用于形成板组件的方法200在图11中示出为包括在标称操作下分析201多个测试半导体管芯的热特性以识别半导体管芯中的热点的位置。该步骤可以与图1的步骤101相同的方式执行。在图13至图15所示的示例性实施方案中，在步骤202-209的组装过程之前执行步骤201以识别热点23和24。应当理解，识别热点23-24的位置的过程将在组装过程之前在测试管芯上完成，并且不一定使用将在组装过程中使用的半导体管芯40来确定。
50.将一个或多个cvdd窗口附接202至导热板上对应于所识别热点的位置的位置中。
51.在图12所示的一个实施方案中，通过将cvdd窗口20附接至导热板60的表面61来执行步骤202。导热板60可为厚度为100μm或200μm的金属板，诸如例如平坦的镍/银合金板。导热板60也可为导热陶瓷。在另选的实施方案(未示出)中，导热板60可在边缘处弯曲。
52.在图12的实施方案中，通过使用化学气相沉积(cvd)工艺在cvdd窗口20的第一表面上沉积薄金层62来执行步骤202。由于其非常薄，因此金层的材料成本并不昂贵。然后将焊膏63施加到导热板60的表面61或施加到金层62，并且将cvdd窗口20放置到导热板60上，使得焊膏63在金层62与导热板60的表面61之间延伸。执行加热工艺步骤以熔化焊膏63，从而将cvdd窗口20焊接至导热板60。金62和焊膏63在每个cvdd窗口20的第一表面与导热板60的表面61之间提供优异的热导率。
53.另选地，可通过施加导热粘合剂(施加到导热板60的表面61或施加到cvdd窗口20的第一表面)，将cvdd窗口20贴靠导热板60放置并固化粘合剂来执行步骤202。
54.在方法200的实施方案中，所有cvdd窗口20合在一起的占位面积小于半导体管芯的占位面积的百分之二十。然而，已发现在许多情况下，热点遮盖小于管芯面积的百分之二。在这些实施方案中，所有cvdd窗口20的cvdd窗口材料合在一起的量将为管芯面积的百分之二至百分之四。
55.施加203导热膏层。导热膏30可为与在步骤104中施加的导热膏相同的材料。在本实施方案中，在每个cvdd窗口20上，即在每个cvdd窗口20的第二表面上施加小于40μm厚的导热膏层，每个cvdd窗口20的第二表面与其第一表面相背对。
56.在图12至图13所示的实施方案中，选择性地施加导热膏层30，使得每个cvdd窗口
20的第二表面33的至少一部分与导电膏30层重叠并直接接触。另选地，可将导热膏30施加到半导体管芯40。
57.半导体管芯附接至电路板204。图13所示的实施方案示出了通过球栅阵列(bga)50附接至电路板70的半导体管芯40。bga 50将半导体管芯40电耦合且物理耦合至电路板70。
58.任选地，围绕半导体管芯形成205挡板。在图13至图14的实施方案中，形成了围绕半导体管芯40延伸的挡板21。
59.将导热板放置206在半导体管芯上方。可通过以下操作执行步骤206：翻转导热板；将导热板相对于管芯精确地对准；以及将导热板压靠在管芯上，使得每个cvdd窗口覆盖在对应的热点上。
60.任选地，将填充材料注入207挡板中，并且执行固化工艺208以固化填充材料和挡板材料。步骤205、207和208可利用与步骤107-108中所用相同的材料，并且可以与图1的步骤107-109相同的方式执行封装过程。
61.在图13所示的实施方案中，步骤201的分析已识别出热点23和24。导热板60精确地定位在半导体管芯40上方，使得每个cvdd窗口20覆盖在相应的所识别热点上。在本实施方案中，如箭头22所示，导热板60被压贴在半导体管芯40上，以便在cvdd窗口20与管芯40的顶部之间挤出导热膏层30，从而使导热膏层30如图14至图15所示横向延伸，并且具有减小的厚度。
62.在图14所示的实施方案中，每个cvdd窗口20附接至导热板60并在半导体管芯40上的对应热点23、24上方横向延伸，并且导热膏层30的一部分在cvdd窗口20下方、在cvdd窗口20的第二表面与半导体管芯40的顶部之间延伸。
63.空隙26要么如图14所示保持填充有空气，要么如图15所示填充有填充材料27。在本实施方案中，填充材料27为导热材料诸如导热膏30，以进一步促进管芯4的冷却。在一个实施方案中，填料材料27为cvdd膏(例如，与cvdd膏3相同的材料)。在另一个实施方案中，填料材料27具有比cvdd膏3更低的cvdd含量以降低成本。
64.在图12至图14所示的实施方案中，每个cvdd窗口20的尺寸大于相应的下面的热点23、24的尺寸，使得每个cvdd窗口20在下面的热点的整个区域上方延伸并与下面的热点的整个区域热接触。导热膏30的横向范围大于热点23沿半导体管芯40的顶表面的横向范围，使得位于热点23内的半导体管芯40的顶表面的整个区域与导热膏30直接接触。cvdd窗口20覆盖在热点23上的横向范围被示出为小于下面的导热膏30的横向范围，使得cvdd窗口20的第二表面33的整个区域与导热膏30直接接触。从而，在热点23的整个横向区域上穿过管芯40的顶表面提供了用于排出热量的导热路径，该导热路径包括导热膏30和cvdd窗口20到导热板60。
65.类似地，热点24沿半导体管芯40的顶表面的横向范围小于下面的导热膏30的横向范围，使得位于热点24内的半导体管芯40的顶表面的整个区域与导热膏30直接接触。另外，cvdd窗口20覆盖在热点24上的横向范围小于下面的导热膏30的横向范围，使得cvdd窗口20的第二表面33的整个区域与导热膏30直接接触。从而，在热点24的整个区域上提供了用于排出热量的导热路径，该导热路径包括导热膏30和cvdd窗口20到导热板60。
66.在本实施方案中，所有cvdd窗口2合在一起的占位面积小于半导体管芯的占位面积的百分之二十。已发现，在许多情况下，热点遮盖小于管芯面积的百分之二。在这些实施
方案中，所购买的cvdd窗口材料的量(其一般基于切割材料的横向面积出售)可为管芯面积的百分之二至百分之四。因此，仅使用少量cvdd材料，从而节省了材料成本。cvdd窗口在热点正上方或正下方的定位提供了冷却热点所必需的热导率。
67.在一个实施方案中，每个cvdd窗口2的占位面积介于管芯的占位面积的百分之一与百分之五之间。
68.在完成组装之后，在操作中，向金属板60的顶部施加冷却以从热点23、24除去经由现在提供的导热路径所传递的热量。冷却可为空气冷却系统或液体(例如，水)冷却系统。
69.图19示出了已执行方法100的步骤101-107的实施方案。然后将附加电路板91放置在挡板材料17上方，使得该附加电路板与挡板材料17接触。然后可执行步骤109的固化过程以形成图19所示的多板组件。在该实施方案中，电路板1、附加电路板91和挡板材料17之间的空隙18填充有空气。在图20所示的实施方案中，执行步骤108，使得空隙填充有填充材料19，并且执行步骤109以固化填充材料19。填充材料19可为与关于图9所述的填充材料19相同的材料。
70.方法100和200在图1至图19中示出为具有cvdd窗口2、20，该cvdd窗口具有矩形形状。然而，应当理解，cvdd窗口2、20可具有其他形状，诸如圆形形状。在图21所示的示例性实施方案中，示出具有椭圆形形状的cvdd窗口2a和2b。
71.另外，尽管示例示出了两个cvdd窗口2、20，但应当理解，可识别单个热点，在这种情况下使用单个cvdd窗口2。
72.本发明的实施方案包括一种板组件，该板组件包括：电路板，开口延伸穿过该第一电路板；cvdd窗口，该cvdd窗口在该开口内延伸；导热膏层，该导热膏层在该cvdd窗口上方延伸；半导体管芯，该半导体管芯在该导热膏层上方延伸，使得该半导体管芯上的热点覆盖在该cvdd窗口上；和引线，该引线从该半导体管芯延伸至该电路板以用于将该半导体管芯电耦合至该电路板。
73.本发明的实施方案示出了一种板组件，该板组件包括：电路板；半导体管芯，该半导体管芯电耦合至该电路板；cvdd窗口；导热膏层，该导热膏层沿该cvdd窗口的第一表面的完整范围与该cvdd窗口的该第一表面直接接触，并且与该半导体管芯直接接触，该导热膏层被定位成使得该导热膏层遮盖该半导体管芯上的热点，该cvdd窗口的占位面积小于该半导体管芯的占位面积的百分之二十；导热板，该导热板键合至该cvdd窗口的第二表面，该第二表面与该第一表面相背对；和球栅阵列，该球栅阵列在该半导体管芯与该电路板之间延伸。
74.虽然已经示出和描述了本发明的实施方案和应用，但是对于本领域技术人员来说显而易见的是，在不脱离本文的发明构思的情况下，可以进行比上述更多的修改。因此，除了所附权利要求的实质之外，本发明不受限制。