[发明专利]用在芯片堆叠中的热界面材料

说明书

技术领域

本发明总体上涉及热界面材料，更具体地说，涉及用于排列三维芯片堆叠中使用的热界面材料中的石墨纳米纤维的方法和系统。

背景技术

微电子封装中的热界面普遍被认为对从芯片逃逸到附接的冷却装置(例如散热片、开隔体(spreader)等)的热量具有大部分热阻。因此，为了使热源和冷却装置之间的热阻最小，通常使用导热膏、热脂或粘合剂。通常通过将散热片或芯片帽压在处理器芯片的背部来形成热界面，颗粒填充粘性介质位于散热片或芯片帽和处理器芯片背部之间，颗粒填充粘性介质被迫流进表面之间的空腔或不均匀区域(non-uniformities)中。

热界面材料通常包括高度负载有导热填料的有机基体。导热性主要由随机且均匀地分布在整个有机基体中的填料的性质推动。常使用的填料具有各向同性的导热性，利用这些填料的热界面材料必须是高度负载的，以获得期望的导热性。不幸地，这些负载水平(loading level)使基础基体材料的属性(例如，流动性、内聚性、界面粘合性等)变差。

已确定堆叠电子电路的各层(即，3维芯片堆叠)并竖直互连这些层会使每单位面积内的电路密度显著增加。然而，三维芯片堆叠的一个显著问题是堆叠的热密度。对于四层的3维芯片堆叠，通过芯片堆叠而呈现给散热片的表面区域仅为通过二维方法呈现的表面区域的1/4。对于4层芯片堆叠，除了最终层与油脂/散热片界面，还存在三个层-层热界面。来自底层的热量必须向上传导穿过较高层，以到达油脂/散热片界面。

在芯片侧(即，热源)，通常存在热点(较高功率密度区域)，而大部分处理都在热点进行，因此导致在整个芯片上产生温度梯度。这些较高热量和功率密度区域需要保持在设定温度范围内，以使芯片正常地运行，并在制造结束时通过质量测试和规格测试。

相应地，期望在热源和冷却装置之间提供降低的热阻，该热阻有效而又不需要改变微处理器制造工艺。

发明内容

本发明的示例性实施例提供了一种用于增强内部层-层热界面性能的方法，以及一种由该方法制成的装置。特别地，涉及用于排列三维芯片堆叠中使用的热界面材料中的石墨纳米纤维的方法和系统。

示例性实施例包括一种用于增强对半导体芯片的芯片堆叠冷却的方法。该方法包括在第一侧制成具有电路的第一芯片以及制成第二芯片，第二芯片通过连接器格栅(a grid of connectors)以电气方式和机械方式耦接到第一芯片。该方法还包括将热界面材料垫板(pad)放置在第一芯片和第二芯片之间，其中热界面材料垫板包括平行于第一芯片和第二芯片的配合面排列的纳米纤维和垂直于第一芯片和第二芯片的配合面排列的纳米纤维。

另一示例性实施例包括一种制成增强的热界面材料垫板的方法，该增强的热界面材料垫板用于冷却半导体芯片的芯片堆叠。该方法包括将热界面材料熔化以及将纳米纤维分散进热界面材料中。该方法还包括制成增强的热界面材料垫板，其中增强的热界面材料垫板包括纳米纤维，纳米纤维布置成使热界面材料垫板的两个相对侧在平行于热界面材料垫板的所述两个相对侧的第一方向上和垂直于热界面材料垫板的所述两个相对侧的第二方向上传导热量。

另一示例性实施例包括一种具有增强的冷却设备的半导体芯片的芯片堆叠。就系统结构而言简言之，该设备的一个实施例，除了其他，以如下方式实施。具有增强的冷却设备的半导体芯片的芯片堆叠包括位于第一侧的具有电路的第一芯片以及通过连接器格栅以机械方式和电气方式耦接至第一芯片的第二芯片。该设备还包括放置在第一芯片和第二芯片之间的热界面材料垫板，其中热界面材料垫板包括平行于第一芯片和第二芯片的配合面排列的纳米纤维和垂直于第一芯片和第二芯片的配合面排列的纳米纤维。