用于使用倒装法的模块的改进热性能的可定制盖 对于集成电路芯片(特别是大功率芯片)的封装，从芯片和封装模块高效耗散热量的能力是非常重要的。模块耗散由芯片产生的热量的能力一般是从芯片至模块外部表面的主要散热路径的质量的函数。
在诸如美国专利5，396，403中描述的那些之类的模块结构中，在从芯片至模块外部表面的主要散热路径中的点处，使用热膏或一些其他导热柔顺材料。界面(其中热量从一种材料到另一种材料必须穿过)一般是散热路径中的最弱环节(即他们比散热路径的其他元件具有显著低地导热率)，即使当他们填充有导热柔顺材料时也是如此。
利用导热柔顺材料的模块结构的一些优点是，材料有能力容纳要装在模块中的芯片的厚度、焊料高度(在倒装法封装的情况下)、盖空腔深度、密封厚度、基片曲度等的统计变化。控制各种元件尺寸变化的能力是困难的，特别是在元件可能来自不同制造商的场合，或者在可能要求元件的重新加工或改进的场合。在涉及大规模工业生产(即高模块产量)的场合，该问题特别明显。
因而，希望以经济方式进一步改进电子封装模块的热性能。
本发明提供具有改进散热性能的盖结构和封装模块。本发明的盖结构和模块的特征在于一种定制盖下层结构，该结构能够减小导热柔顺(非刚性)材料在主要散热路径中的量。本发明还包括用来制造本发明的盖结构和模块的方法，其中对于要容纳的芯片定制盖下层结构。本发明的方法能够减小低导热材料在主要散热路径(从芯片通过模块中的盖)中的量。
在一个方面，本发明包括一种用于包含集成电路芯片的电子模块的盖结构，盖结构包括：
(a)一个盖件，适于密封到模块上，
(b)一条从包含在模块中的芯片至盖件的主要散热路径，该散热路径包括：
(ⅰ)一种固体定制下层结构，从盖件向包含在模块中的芯片延伸，和
(ⅱ)一种在定制下层结构与芯片之间的导热柔顺材料。
在另一个方面，本发明包括容纳一个或多个集成电路芯片的电子模块，该模块包括：
(a)一个基片，
(b)一个集成电路芯片，安装在基片上，
(c)一个盖件，适于密封到基片上，盖和基片限定一个用来包含集成电路芯片的空间，及
(d)一条从包含在该空间中的芯片至盖件的主要散热路径，该散热路径包括：
(ⅰ)一种固体定制下层结构，从盖件向包含在模块中的芯片延伸，和
(ⅱ)一种在定制下层结构与芯片之间的导热柔顺材料。
定制下层结构最好包括从由焊料、导热热固性树脂、导热热塑性树脂、或其他材料组成的组中选择的一种材料，这些材料在与模块元件和芯片的整体相容的温度下能容易地变形，但在模块操作温度范围内或把盖结构密封到芯片载有基片上的温度下不经历显著塑性变形。导热柔顺材料在模块的操作温度范围和密封温度范围内最好是柔软的。
盖结构和模块可以进一步包含在主要散热路径中的一个或多个散热器。如果希望，则本发明的盖结构和模块可以适于容纳多个芯片。
在另一个方面，本发明包括一种用来制造一种用于包含至少一个集成电路芯片的电子模块的方法，该方法包括：
(a)提供一个使集成电路芯片安装在其上的基片，
(b)提供一种适于密封到基片上的盖结构，
(c)提供一个垫片和一种可定制下层结构材料，可定制下层结构材料定位在该垫片与盖件之间，并且垫片定位在可定制下层结构材料与芯片之间，
(d)把盖件向基片运动，由此使可定制下层结构材料变形，
(e)使变形下层结构材料大体上成为刚性的，把变形下层结构材料粘结到盖件上，
(f)运动盖件和变形下层结构材料远离基片，
(g)从变形下层结构与芯片之间除去垫片，
(h)在芯片与变形下层结构之间涂敷导热、柔顺材料，
(i)把盖件密封到基片上，以提供一条从芯片经导热、柔顺材料和变形下层结构至盖件的主要散热路径。
定制下层结构最好包括从由焊料、导热热固性树脂、导热热塑性树脂、或其他材料组成的组中选择的一种材料，这些材料在与模块元件和芯片的整体相容的温度下能容易地变形，但在模块操作温度范围内或把盖结构密封到芯片载有基片上的温度下不经历显著塑性变形。导热柔顺材料在模块的操作温度范围和密封温度范围内最好是柔软的。
在可定制下层结构是热塑性或焊料材料的场合，本发明的方法最好包括加热可定制下层结构以利于在步骤(d)的变形。在这种情况下，步骤(e)包括冷却(变冷)定制材料。在可定制下层结构是热固性的场合，那么在其中热固性材料不熟化或熟化速率慢得足以使希望变形发生的温度下，可以进行步骤(d)。在这种情况下，步骤(e)可以包括升高变形热固性材料的温度以引起或加速熟化。
如果希望，在步骤(c)在盖件的边缘处可以提供一个可除去垫片，以提供一个用于希望密封配置的预置空间，或者允许在定制下层结构与芯片之间使用较厚垫片，而不增大用于柔顺材料的有效间隙。而且，在步骤(c)在垫片与可变形下层结构元件之间可以提供一个散热器件，由此散热器保持在芯片与盖件之间的主要散热路径中。
在另外一个实施例中，步骤(c)包括仅绕盖件的周边放置一个垫片，其中在步骤(i)使用一个厚密封件(即一个密封圈或其他厚载面密封装置)。用于柔顺材料的间隙然后由与密封件相比不同厚度的垫片限定。在又一种方法中，如果密封厚度和柔顺材料间隙相等，则在定制中可以避免垫片的使用。
下面更详细地描述本发明的这些和其他方面。
图1是本发明的模块的示意剖视图，包括一种定制盖结构和芯片包含基片，在主要热路径中没有散热器。
图2是本发明的模块的示意剖视图，包括一种定制盖结构和芯片包含基片，在主要热路径中有一个散热器。
图3a是刚好在下层结构定制之前图1的盖结构和芯片包含基片的示意剖视图。
图3b是图3a的另外一个实施例，表示一种坝特征的存在。
图4a是在下层结构定制和垫片除去之后图3a的盖结构和芯片包含基片的示意剖视图。
图4b是在下层结构定制和垫片除去之后图3b的盖结构和芯片包含基片的示意剖视图。
图5是在下层结构和密封圈位置处使用垫片的下层结构定制之后盖结构和芯片包含基片的示意剖视图。
图6是在垫片除去和热膏涂敷之后通过密封图5的盖结构和芯片包含基片形成的电子模块的示意剖视图。
图7是图2的模块的示意剖视图，表示安装的散热片。
本发明提供具有改进散热性能的盖结构和封装模块。本发明的盖结构和模块的特征在于一种定制盖下层结构，该下层结构能够减小在主要散热路径中的导热柔顺材料(与其他路径元件相比具有低导热率)的量。用来制造本发明的盖结构和封装模块的方法的特征在于，定制一种用于要容纳的实际芯片的盖下层结构。本发明的方法能够减小在主要散热路径(在模块中从芯片通过盖)中的低导热率材料的量。
参照附图，本发明的盖结构100的特征最好在于，一个部分限定要包围的面积的主要盖件101。盖件希望是高导热率材料(例如至少约150 W／m-°K)，更希望盖件由金属、金属合金、陶瓷、或复合材料制成。铝是希望的金属。其他可能材料的例子包括铜、AlSiC、AlN、SiC、和WCu。如果希望，盖结构可以镀有诸如Ni、Cr、CrNiAu之类的材料，或者适于改进诸如耐蚀性、粘着力、焊料湿润性等之类的一种或多种特性的其他材料。
在一些实例中，盖结构100可以带有一个周边环形延伸部分102，延伸部分102参与盖结构对基片的密封和／或限定芯片包含罩。如果希望，盖件101的周边部分可以包含其他特征(例如在伸出盖边缘中-未表示)，如孔、槽等，以便参与把盖结构100密封到芯片载有基片500的机构。盖结构最好是一种整体结构，然而，在某些实例中，盖结构100可以由适于接合在一起的分立元件形成(例如主要盖件101可以接合到环形延伸部分102上，与是整体结构相反)。盖结构100也可以带有螺柱或向外延伸以利于散热片安装的其他特征(未表示)。
可定制下层结构103对盖件101的连接可以通过并入盖件101的特征得到帮助。这些特征依据对于盖和下层结构进行的材料选择而变化。这些特征的例子包括盖空腔的选择性金属化(未表示-通过包括电镀和喷镀的各种手段实现)，打算增强和／或禁止可定制结构的湿润(如果焊料是下层结构材料则特别有用)。如果希望，则盖结构100也可以具有适于控制可定制下层结构103的位置的刚性下层结构107(在图3b和4b中)。而且想象的是用来收集或汇集移动下层结构材料的特征，如在盖件中加工或模压的通道或空腔。
本发明的盖结构100的进一步特征在于，从盖件101延伸的定制下层结构的103的存在，该下层结构的103形成用于容纳在本发明的盖结构下的一个或多个集成电路芯片600的主要散热路径701的部分。如果希望，则盖结构100可以具有多个(未表示)定制下层结构103，以为多个芯片的每一个提供穿过盖件101的分离主要散热路径。定制下层结构103最好直接结合到盖件101上。如果希望，在定制下层结构103与盖件101之间的热路径701(表示在图1、2和7中)中可以存在另外的刚性、导热元件(未表示)。
定制下层结构103最好由从包括焊料(例如63／37 Sn-Pb焊料、Sn-Bi、Sn-In等)、导热热固性树脂(例如环氧树脂)、导热热塑性树脂、或其他材料组中选择的一种材料组成，这些材料在与模块元件(特别是用来把芯片安装和连接到基片上的焊料凸耳或圆柱)和芯片的整体相容的温度下能容易变形，但在模块操作温度范围内或把盖结构密封到芯片载有基片上的温度下不经历显著塑性变形。在热固性树脂的情况下，树脂应该在上述温度范围内熟化。如果希望，则可以使用室温可熟化树脂，只要它在定制期间能保持足够软的状态。一般地，焊料是希望的材料。如果使用树脂，则最好选择高导热率树脂或填充树脂。
来自芯片600的主要热路径701进一步的特征在于，在芯片600与定制下层结构103之间存在导热、柔顺材料200。本发明的模块的特征最好在于，减小在主要热路径701的主要方向上(在图1和2中的A)测量的由导热、柔顺材料200占据的截面厚度。导热、柔顺材料200最好定位成与要包含在模块中的芯片600直接接触。厚度(A)希望小于约12密耳(～300μm)，约3-10密耳(～75-250μm)较好，约4-6密耳(～100-150μm)最好。导热柔顺材料最好是导热膏、油脂或柔顺材料，如在美国专利5，094，769；5，098，609；或5，167，851中描述的那些，其公开通过参考包括在这里。
热路径701也可以包括另外的导热结构元件，如散热器104(如图2、5、6和7中所示)，以进一步改进模块的热性能。散热器104通过在定制期间在可定制元件103′与垫片300之间起隔层的作用也可以便于模块的制造(见图3)。散热器104防止在垫片300与可定制元件103′之间的多余粘结。在散热器104与下层结构103之间的粘结一般是希望的，但不是绝对必需的。散热器104最好明显宽于芯片的尺寸，只要它不与模块中的其他元件有害地干扰。
散热器104可以由在制造和预期使用条件下适当导热和能够适当刚硬的任何材料形成。在散热器104粘结到定制下层结构103上的场合，最好材料具有足够的彼此热膨胀相容性，并且带有主要盖件101以避免多余应力和应变的产生(例如在暴露于热循环条件时)。最好的散热器材料是Cu、Al、AlSiC、SiC、WCu、AlN、金刚石和其他高导热率材料。
本发明不限于任何具体基片或芯片配置。对其连接芯片600和盖结构100的基片500可以是任何常规基片结构。最好，基片适于按附图中所示的倒装配置来容纳芯片。芯片最好通过配置在基片中的喷镀(未表示)电气连接到外部环境。按照倒装芯片布置，芯片对基片的电气连接最好通过焊料凸耳或焊料圆柱650实现。焊料凸耳或圆柱650一般把芯片支撑在基片上，把芯片机械地固定到基片上，及把芯片电气连接到基片中的喷镀上。
基片最好是常规陶瓷基片(例如玻璃陶瓷、氧化铝、硝酸铝)。另外，也可以使用诸如硅或有机树脂叠层之类的材料。
基片的周边区域(在芯片位置外)可以包括在把盖结构密封到基片上使用的特征(未表示)。例如，可以有啮合诸如螺栓之类的固定装置的通孔。另外，基片周边可以带有适用于便于把基片直接接合到盖结构或密封圈105(图6)上的喷镀(未表示)，密封圈105又连接或固定到盖结构上。应该理解，本发明不限于任何具体的密封配置。最好，使用诸如树脂(例如环氧或硅酮)或焊料之类的密封材料400(图1)或机械密封。硅酮密封是最佳的。最好，密封配置能够保持至少气泡泄漏紧密密封。如果希望，使用先有技术中的已知技术(例如焊料密封)可以形成气密密封。
本发明的模块最好进一步包括连接到盖件101上或与其成为整体的散热片结构106(图7)。使用螺栓、粘合剂、芯片或在先有技术中已知的其他手段可以进行散热片的连接。
本发明的模块可以如希望的那样配置成携带单个芯片或多个芯片。即使当多个芯片容纳在相同的模块中时，本发明也便利地提供较窄的热膏(柔顺导热材料)。最好，每个片具有其本身的定制下层结构。在一些实例中，对于两种或多种芯片可能有可能使用一种公用定制下层结构。
本发明的模块和盖结构最好由包括垫片300(图3a、3b、和5)的使用的方法制造，以定制连接到盖件101上的可定制材料103′。垫片300的使用能够把热膏间隙或截面厚度(在主要热路径701的主要方向上测量的)设置到非常高的精度，即使面临芯片厚度(在芯片至芯片基座上)、盖空腔深度、焊料凸耳高度等的显著变化也是如此。
本发明制造盖结构和模块的方法最好包括：
(a)提供一个使集成电路芯片600安装在其上的基片500，
(b)提供一种适于密封到基片500上的盖结构100，所述盖结构100包括一个主要盖件101，
(c)提供一个垫片300和一种可定制下层结构材料103′，可定制下层结构材料103′定位在垫片300与盖件101之间，并且垫片300定位在可定制下层结构材料103′与芯片600之间，
(d)把盖件101向基片500运动，由此使可定制下层结构材料103′变形，
(e)使变形下层结构材料103大体上成为刚性的，把变形下层结构材料103粘结到盖件101上，
(f)运动盖件101和变形下层结构材料103远离基片500，
(g)从变形下层结构103与芯片600之间除去垫片300，
(h)在芯片600与变形下层结构103之间涂敷导热、柔顺材料200，
(i)把盖结构100密封到基片500(例如使用密封胶400)上，以提供一条从芯片600经导热、柔顺材料200和变形下层结构103至盖件101的主要散热路径701。
在步骤(a)中提供的带有安装芯片600的基片500可以是由先有技术中已知的技术形成的任何常规配置。最好，基片是陶瓷基片，并且芯片600以倒装配置安装在焊料凸耳或圆柱650上。基片也可以带有其他连接的无源元件(未表示)，如电容器、电阻器、热敏电阻等。基片一般也具有穿过它延伸的各种喷镀图案，以允许从基片的芯片侧至基片下侧I／O连接680的电气连接。
在步骤(b)提供的盖结构100可以是以上关于盖结构和模块讨论的类型的任一种。盖件101最好是基本上平面的刚性结构。在步骤(b)提供的盖结构最好是以上联系本发明的盖结构和模块描述的一种。盖结构100可以具有诸如环形延伸部分102之类的周边特征，以参与把盖结构100密封到基片500上。盖结构100在其顶侧可以提供有散热片结构106(图7)。另外，如果希望，在制造过程的后点处可以把散热片结构106连接到盖件101的顶侧上。
在步骤(c)提供的垫片300可以是适于平面和能够以精确薄截面(例如5密耳(125μm)厚度)形成的任何材料。最佳的垫片材料是诸如铝、铜、不锈钢之类的金属，或诸如聚碳酸酯(如由Gerneral ElectricPlastics(通用电气塑料)销售的LEXAN)、聚酰亚胺(如由E．I．DuPontde Nemours Company销售的KAPTON)之类的刚性有机物。在以后定制步骤期间垫片与可定制下层结构材料直接接触的场合，垫片在定制条件下对于可定制下层结构材料最好是惰性的，从而垫片在定制之后能容易除去。垫片厚度最好是保证模块的可靠装配和操作所需要的最小厚度(例如，考虑希望的密封厚度等)。
可定制下层结构材料103′可以预连接到盖件101的下侧，或者可定制下层结构材料103′可以提供成叠置在垫片300与盖件101下侧之间的独立元件。如果采用散热器104，则它在在步骤(c)最好插入在垫片300与可定制下层结构材料103′之间。如果使用散热器，则可定制下层结构材料可以预连接到散热器上，散热器又叠置在垫片300与盖件101的下侧之间。如果希望，在步骤(c)一个可除去垫片301(图5)可以提供在盖件的周边处，以便为希望密封配置提供一个预置空隙，或者允许较厚(更容易处理)的垫片300的使用。
在步骤(c)提供的可定制下层结构材料103′最好包括从由焊料、导热热固性树脂、导热热塑性树脂、或其他材料组成的组中选择的一种材料，这些材料在与模块元件和芯片的整体相容的温度下能容易地变形，但在模块操作温度范围内或把盖结构密封到芯片载有基片上的温度下不经历显著塑性变形。
一旦在步骤(c)装配希望的叠置层，就在步骤(d)通过把盖件101向基片500运动使可定制下层结构材料变形。在一些实例中，依据可定制下层结构材料的流动性和盖件的重量，重力可能就足够了。另外，夹持、压紧或其他技术可以用来提供必需的力。在可定制下层结构103′是热塑性或焊料材料的场合，步骤(d)最好包括加热可定制下层结构以利于在步骤(d)的变形。在可定制下层结构103′是热固性的场合，那么在其中热固性材料不熟化或熟化速率慢得足以使希望变形发生的温度下，可以进行步骤(d)。
在可定制下层结构103′是热塑性或焊料的场合，步骤(e)包括冷却(变冷)定制材料103，以便把材料调整为定制尺寸。在可定制下层结构103′是热固性的场合，步骤(e)可以包括升高变形热固性材料的温度以引起或加速定制材料103的熟化，以便把材料调整为定制尺寸。
一旦定制下层结构已经固化，就远离基片500运动包括定制下层结构103的盖结构，以允许除去垫片300(和301，如果存在的话)。
对于实现的定制盖结构，通过把导热、柔顺材料200涂敷到芯片600上(和／或在定制下层结构103的下侧上或散热器104上，如果使用的话)可以组装模块。然后使用绕盖突出部分102的周边的希望密封装置，重新装配和密封盖结构100和装有芯片600的基片500。本发明不限于任何具体的密封方法，例如，使用焊料、硅酮粘合剂、或环氧或其他结合材料和／或机械固定可以实现密封。
在多个芯片包含在封装件中的场合，最好对于所有芯片使用共用垫片或对于每个芯片使用不同垫片，同时进行定制步骤。
在另外一个实施例中(未表示)，步骤(c)包括仅绕盖件的周边放置一个垫片，其中在步骤(i)使用一个厚密封件(即一个密封圈或其他厚载面密封装置)。用于柔顺材料的间隙然后由与密封件相比不同厚度的垫片限定。需要放置或除去垫片的方法的部分是指垫片301。该实施例最好包括在可定制材料103′与芯片600之间使用散热器104，以防止在定制期间在芯片600与可定制材料103′之间的任何不希望粘结(例如这样可以防止分离以在定制之后除去垫片301)。在又一种方法中，如果密封厚度和柔顺材料间隙相等，则在定制中可以避免垫片的使用。