微电子封装和冷却微电子封装中的互连特征的方法

摘要

本发明涉及微电子封装和冷却微电子封装中的互连特征的方法。该微电子封装包括衬底(110，310)、由该衬底支承的管芯(320)、使该管芯和该衬底互相连接的互连特征(130，230，330)以及邻近该互连特征的热电冷却器(140，170，240，340)。

说明书

技术领域

本发明的公开实施例大体上涉及微电子封装，并且更具体地涉及冷却微电子封装中的特征。

背景技术

将管芯连接到封装衬底上的互连结构传统上称为第一级互连结构或简称为FLI，并且典型地包括焊料材料。第一级互连的寿命是通过焊料的电流以及连接的温度的函数。由于焊料结合中的电迁移，FLI中的高电流密度引起局部高温以及寿命缩短。延长互连结构寿命的方法包括降低温度或减小电流。不幸的是，技术的进步只是减小互连的尺寸，但是却没有相应地减小电流，上述两者的组合将导致FLI温度的升高以及显著的寿命缩短。

附图说明

通过结合附图阅读以下的详细描述，将更好地理解公开的实施例，在附图中：

图1是根据本发明实施例的微电子封装的一部分的平面图；

图2是描绘了根据本发明的另一实施例的微电子封装的一部分的平面图；

图3是根据本发明实施例的微电子封装的一部分的截面图；和

图4是显示了根据本发明实施例的冷却微电子封装中的互连特征的方法的流程图。

为了简单清楚地示意，附图显示了构造的一般方式，并且可能忽略公知特征和技术的描述和细节，以避免不必要地妨碍对本发明的所述实施例进行讨论。另外，附图中的元件不一定是按比例绘制的。例如，可相对于其它元件而放大附图中的一些元件的尺寸，以有助于增进对本发明实施例的理解。不同附图中相同的参考标号表示相同的元件。

说明书和权利要求中的用语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等，如果存在，则是用于区别相似元件，并且不一定是用于描述特定的次序或时间顺序。将理解的是，以这种方式使用的用语在适当的情况下是可以互换的，以便本申请所述的本发明实施例例如能够以与本申请中所显示或另外描述的次序不同的次序来实施。同样地，如果本申请描述了某种方法包括一系列步骤，则这些步骤在本申请中所表现的顺序也不一定是这些步骤得以执行的唯一顺序，并且可忽略所述步骤中的某些步骤，和/或可以向该方法添加本申请中未描述的某些其它步骤。此外，用语“包括”、“包含”、“具有”及其任意变型意图覆盖非排除性的内容，以便包括一系列要素的过程、方法、物品或装置不必局限于这些要素，而是可以包括未明确列举的其它要素，或者包括这些过程、方法、物品或装置的固有要素。

说明书或者权利要求中的用语“左”、“右”、“前”、“后”、“上”、“下”、“上方”、“下方”等，如果存在，则是用于描述性的目的，而未必用于描述不变的相对位置。将理解的是，以这种方式使用的用语在适当的情况下是可以互换的，以便本申请所述的本发明实施例例如能够以与本申请所显示或另外描述的定向不同的其它定向来实施。本文所使用的用语“联接”，定义成以电或非电的方式直接或间接地连接。根据使用词组“邻近”的上下文的情况，本申请所述的彼此“邻近”的物体，可以彼此物理接触、位于彼此附近或者处于相同的总体区域或范围中。本申请中出现的词组“在一个实施例中”未必都表示同一个实施例。

具体实施方式

在本发明的一个实施例中，微电子封装包括衬底，由该衬底所支承的管芯，使该管芯和该衬底互相连接的互连特征以及邻近互连特征的热电冷却器。因此，本发明的一个实施例提供了用于第一级互连的热电冷却。热电冷却器可在无凸点积层(bumpless-build-uplayer)(BBUL)工艺期间构建于衬底中，放置在管芯工作侧上或衬底的顶部上，或作为封装构建工艺的一部分而嵌入在封装中。热电冷却器(TEC)的供电导致热能穿越管芯或衬底表面而从高电流(且因此而较热)的区域移动到低电流(较冷)区域。

本发明的实施例提供了以部分水平降低FLI处的温度的手段。如上所述，特定实施例在BBUL衬底的积层中，或在衬底的顶层上，或在管芯的工作侧上放置小而薄的热电冷却器，以便从带有高电流(或者因为一些其它原因而产生高等级的热)的凸点(bump)中带走热能，并且使这些能量存储在一段距离之外的某个位置。该热能的可能的接受者是衬底中的金属层(良好的热传播器)，或管芯和衬底之间的低温凸点或通孔(via)。TEC运行所需的少量电能可从衬底中的电源层直接抽取，或者从电源通孔和/或电源凸点中抽取。

使FLI中的较高温度部位冷却可容许在固定的电流等级下提高互连的使用寿命，或容许在相同的使用寿命下有更高的电流。通过使得局部温度能够降低，本发明实施例增加了提高处理器性能的可能性，例如使得能够存在更多的涡轮加速模式(turbo mode)，延迟核心切换事件等。因为电迁移的局限可能是对当前的微处理器体系结构的主要限制，所以本发明实施例(通过容许这种更高的电流和/或更长的使用寿命)可扩展和加强这种体系结构中的可行机会。

现在参看附图，图1是根据本发明的一个实施例的微电子封装100的一部分的平面图。如图1所示，微电子封装100包括衬底110，由衬底110支承的管芯(图1中未示出)，使管芯和衬底110互相连接的互连特征130以及邻近互连特征130的热电冷却器140。

在图1所示的实施例中，互连特征130是例如通常用于在硅管芯及其封装之间形成电连接的焊料凸点。因此，如上所述，互连特征130是通常称为第一级互连(或FLI)的互连的一个示例。仍然在图1中，热电冷却器140位于衬底110上，其环绕衬底焊料凸点(即互连特征130以及同样也是FLI凸点的相邻凸点)和/或位于该衬底焊料凸点之间。互连特征130是需要冷却的互连。作为示例，互连特征130可以是带有或者承受高电流等级的凸点，或者因为一些其它原因而具有高温的凸点。因此，互连特征130有时被称为“热凸点”。

热电冷却器140包括热电元件141和热电元件142，热电元件141包括第一半导体材料，热电元件142包括第二半导体材料。在图1中，热电元件141用粗线来描绘，而热电元件142用细线来描绘。然而，这仅仅是设计为用以强调存在有两种分开的热电元件的一种策略，而未必表示热电元件141和142的实际厚度或者相对厚度。

热电元件141和142中的一个是P型元件，而另外一个是N型元件。如图所示，并且如下文进一步所述，热电冷却器140的P型热电元件和N型热电元件141和142连接在一起，以形成与互连特征130(待冷却的凸点)相邻的冷接合点(junction)147。热电元件141和142的相对端在热接合点146处热连接且电连接到处于比互连特征130的温度更低的温度的正电源层和负电源层(图1中未示出该电源层)。

在图1中，围绕互连特征150的圆圈151表示热接合点146和电源层之间的连接。互连特征150电连接且热连接到微电子封装100的电源层；互连特征150中的一个连接到正电源层，而互连特征150中的另一个连接到负电源层。这样，热接合点146以冷却互连特征130的方式而形成。

在一个未示出的实施例中，当冷接合点147依然邻近互连特征130时，热电冷却器140的热接合点146连接到具有比互连特征130的温度更低的温度的第二互连特征。在另一个未示出的实施例中，热接合点146连接到电源层和接地层，而不是连接到两个电源层。当已知这两层之间的电压差时，可调节热电冷却器140的厚度、长度和/或其它尺寸，以便提供要求的冷却所需的适当的电流。

热电冷却器140的效率和有效性随着互连特征130和相对端连接到其上的这些层之间的温差的不断增大而提高。当这两个层彼此处于相同的温度时(但对于热电冷却器140而言不要求如此)，该效率和有效性可进一步得到提高。

在一个实施例中，(热电元件141的)第一半导体材料包括掺杂有硒的碲化铋(BiTe)(N型)，(热电元件142的)第二半导体材料包括掺杂有锑的BiTe(P型)。在另一实施例中，可代替使用铅(Pb)来替代铋。BiTe材料特别广泛地用于热电冷却器，并且尤其良好地适用于在室温下或者接近室温时的运行。相反，PbTe材料则更适用于更高温度下的运行。

在另一实施例中，热电元件141包括第一金属材料，热电元件142包括第二金属材料。(热电元件141和142的金属材料可以包括金属合金)。作为示例，第一金属材料可以是P型材料，例如铜、铁或镍铬合金，第二金属材料可以是N型材料，例如铜镍合金或铝镍合金(alumel)。

一种称为T型热电偶的非常普遍的热电偶由铜和铜镍合金构成。T型热电偶具有大约-250摄氏度到大约350摄氏度的可用应用范围。如上文所述，T型热电偶可用于本发明的一些实施例中。一些广泛应用的额外的热电偶类型是E型(镍铬合金和铜镍合金)、J型(铁和铜镍合金)和K型(镍铬合金和铝镍合金)。E型热电偶、J型热电偶和K型热电偶(以及本申请中未描述的其它类型)也可用于特定的实施例中。E型热电偶具有大约-200摄氏度至大约900摄氏度的可用应用范围，而J型热电偶和K型热电偶的可用应用范围分别是大约0摄氏度到大约750摄氏度和大约-200摄氏度到大约1250摄氏度。通常，因为本发明实施例将热量从高温区域抽取到低温区域，所以至少对于本发明的一些实施例而言，更好的热导体倾向于形成更好的热电元件。

在一个实施例中，热电冷却器140是细线(fine line)热电冷却器，或细线TEC，之所以这样称呼是因为热电元件141和142的大的长宽比。作为示例，热电元件141和142均可具有至少30:1的长宽比，并且可能高达80:1或更大。在一个实施例中，分别通过热电元件141和142而实现这些长宽比，热电元件141和142分别具有大约750微米和至少大约2000微米的长度，以及大约25微米的高度。在同一个实施例或者另外的实施例中，热电元件141和热电元件142具有均为大约25微米的高度和宽度，从而产生介于大约600平方微米与大约700平方微米之间的截面积。

典型的封装带有焊料凸点，这些焊料凸点具有大约175微米的间距。因此，根据本发明实施例的热电冷却器将要求热电元件或迹线(trace)在尺寸方面设置为用于配合在由这种间距所产生的间隔内。具有25微米×25微米的尺寸的迹线是可以良好工作的迹线的一个示例，但是其它尺寸也将是适合的。考虑迹线的尺寸，应该注意的是，较厚迹线等同于较小的I²R项并且可以传导更多热量，因此对于至少一些实施例而言，较厚迹线(假设较厚迹线可以配合在焊料凸点之间的可用空间内)可优选于较薄迹线。

现在考虑具有上述尺寸、或者宽度和高度(厚度)的一些其它组合的单个细线TEC，其产生了大约625平方微米的截面积。进一步考虑，典型的凸点具有1.5到1.8毫欧姆(mOhm)的电阻。当Imax是350mA时，凸点中耗散的I²R功率应该在0.23毫瓦(mW)附近。正如已经讨论的那样，这种电力耗散功率可导致在凸点/互连处的高的局部温度，而移除该功率则可降低凸点的温度并延长FLI寿命。

下表显示了具有所述截面积的单个细线TEC在各个传输长度L(以微米(μm)为单位进行测量)处对于温度降低10摄氏度时的热量移除能力(以毫瓦为单位进行测量)。该表由标准的TEC方程生成，并且仅考虑标准BiTe材料的整体TEC特性。TEC材料的改进(例如超晶格材料)可以延长功率可被移动的距离。

 

L(μm)Qc(mW)7500.34510000.25912500.20715000.17317500.14820000.129

记住以上所提到的0.23mW的功率耗散，从该表中可以看出，单个细线TEC可将I²R功率移动大约1mm的距离，同时使凸点温度降低10℃。如果需要更长的距离，则两个细线TEC可使功率移动2mm(即两倍远)，同时也使温度降低10℃。

仍然参看图1，微电子封装100还包括热电冷却器170，热电冷却器170具有热电元件171和热电元件172。作为示例，热电冷却器170和热电元件171及172可分别类似于热电冷却器140和热电元件141及142。为了简化附图，该第二热电冷却器的另外的构件没有用参考线条或参考标号具体地示出，但是这些构件类似于热电冷却器140的相应构件。

可以看出的是，类似于热电冷却器140，热电冷却器170的热接合点形成于互连特征180处；类似于互连特征150，互连特征180以与上述的用于热电冷却器140的热接合点146的方式相同的方式电连接且热连接到微电子封装100的电源层上。如上所述，增加第二热电冷却器使得I²R功率能够被移动其可由单独作用的单个热电冷却器移动的距离的两倍距离。

移除热量以及使凸点或互连温度降低适当的量所需的热电偶的数量，取决于热量必须被移动的距离。在需要移除比使用两个TEC可移除的热量更多的热量的实施例中，多个TEC，或TEC的多个层，可以沉积/镀覆(plate)或通过其它方式而置于热凸点附近。作为示例，图2是描绘了根据本发明的一个实施例的微电子封装200的一部分的可行构造的平面图，该微电子封装200将四个热电冷却器放置在热凸点附近。

如图2所示，微电子封装200包括“热”互连特征230，多个热电冷却器240以及互连特征250。包括它们的各种构件、接合点和连接的互连特征230、热电冷却器240和互连特征250可以分别类似于均示于图1中的互连特征130、热电冷却器140和互连特征150。

能够根据需要、并且由高电流事件等触发的使TEC接通或断开的一个或多个控制元件未示于图中，但是它们作为对根据本发明的一个实施例的热电冷却器或微电子封装的可能附加而存在。这种控制元件将有助于延长电池寿命，并且还可减少整体热问题。

图3是根据本发明的一个实施例的微电子封装300的一部分的截面图。如图3所示，微电子封装300是BBUL封装，其包括(采用多个BBUL互连层形式的)衬底310，由衬底310所支承的管芯320，使管芯320和衬底310互相连接的互连特征330以及邻近该互连特征330的热电冷却器340和370。作为示例，互连特征330、热电冷却器340和热电冷却器370可以分别类似于均示于图1中的互连特征130、热电冷却器140和热电冷却器170。注意在图3中，显示了热电冷却器340的热电元件342(对应于热电冷却器140的热电元件142)，而与热电冷却器140的热电元件141相对应的热电元件被遮挡在热电元件342后面，并且因此在图3中不可见。相反，对于热电冷却器370，则未示出对应于热电元件172的热电元件，以便可以看到热电元件371(对应于热电冷却器170的热电元件171)。

在图3所示的实施例中，互连特征330是连接到热(高温)焊料凸点或其它热FLI结构上的通孔。如图所示，热电冷却器340嵌入在无凸点积层衬底310的层内。在未示出的一个实施例中，该热电冷却器位于管芯的工作侧上，类似于管芯320的工作侧321，以使得热电冷却器环绕铜凸点或该管芯的工作侧上的等效物而定位，和/或定位在铜凸点或该管芯的工作侧上的等效物之间。

图4是显示了根据本发明的一个实施例的冷却微电子封装中的互连特征的方法400的流程图。方法400的步骤410是提供由衬底支承、并且通过互连特征连接到该衬底上的管芯。作为示例，该管芯可类似于图3所示的管芯320。作为另一示例，该衬底可类似于分别示于图1和图3中的衬底110或衬底310。作为又一个示例，该互连特征可类似于图1所示的互连特征130。

方法400的步骤420是形成邻近该互连特征的热电冷却器。作为示例，该热电冷却器可类似于图1所示的热电冷却器140。在一个实施例中，步骤420包括提供第一热电元件和第二热电元件，并且还包括使第一热电元件和第二热电元件结合在一起。在一个特定实施例中，第一热电元件和第二热电元件利用环氧树脂或通过使用焊接操作、软焊操作等而结合在一起。在另一个特定实施例中，利用镀覆技术使第一热电元件和第二热电元件结合在一起。作为示例，第一热电元件和第二热电元件可以分别类似于均示于图1中的热电元件141和热电元件142。

在同一个实施例或另外的实施例中，步骤420包括：提供第一热电元件和第二热电元件；使第一热电元件和第二热电元件结合在一起，以便形成邻近互连特征的热电冷却器的冷接合点；以及使该热电冷却器的热接合点电连接且热连接到微电子封装的电源层上。

虽然参考特定的实施例对本发明进行了描述，但是本领域技术人员将理解的是，可以进行各种改变而不脱离本发明的精神或范围。因此，本发明实施例的公开意图说明本发明的范围，而不意图是限制性的。预期的是，本发明的范围应当仅仅被限制到权利要求所要求的程度。例如，对于本领域技术人员而言将显而易见的是，本申请中所讨论的微电子封装以及相关的构件和方法可以在各种实施例中实施，而且对这些实施例中的某些实施例进行的上述讨论未必表示了对所有可行实施例的完整描述。

另外，针对具体的实施例而描述了益处、其它优点以及问题的解决方案。然而，这些益处、优点、问题的解决方案以及导致任何益处、优点和解决方案的产生或者变得更加显著的任何一个或多个要素，不应当被理解成是任何权利要求或所有权利要求的关键的、必须的或基本的特征或要素。

另外，如果实施例和/或限制(1)没有在权利要求中明确地提出要求；并且(2)根据等效原则，它们是权利要求中的明确的要素和/或限制的等效物或潜在等效物；则根据贡献原则，本申请所公开的实施例和限制不贡献给公众。