CN101419950A - 具有内部冷却结构的电路化衬底及利用该衬底的电组合件 - Google Patents

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豪·T·林
罗伊·H·马格努森
瓦亚·R·马科尔维奇
戴维·L·托马斯
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Abstract

本申请案涉及具有内部冷却结构的电路化衬底及利用该衬底的电组合件，所述电组合件包含：电路化衬底，其包含以堆叠的方位交替定向的第一多个介电及导电电路层、接合到所述介电层中的一者的热冷却结构；及至少一个电组件，其安装在所述电路化衬底上。所述电路化衬底包含位于其中的多个导电及导热通孔，所述导热通孔中的选定通孔热耦合到所述电组件且延伸穿过所述第一多个介电及导电电路层且热耦合到所述热冷却结构，导热通孔中的这些选定通孔中的每一者均在组合件操作期间提供从所述电组件到所述热冷却结构的热路径。所述热冷却结构适于使冷却流体在所述组合件的操作期间穿过所述热冷却结构。本发明还提供一种制作所述衬底的方法。

Description

具有内部冷却结构的电路化衬底及利用该衬底的电组合件
技术领域
本发明涉及例如印刷电路板及芯片载体的电路化衬底，且更特定来说涉及包含内部冷却部件来作为其一部分的衬底。本发明进一步涉及经设计以利用此类衬底的电组合件。
背景技术
关于适于与例如半导体芯片、模块、电阻器等电子组件(装置)共同工作的电路化衬底的一个主要考虑涉及此类组件所产生的热的有效消散。在当今的许多衬底设计中，此类组件安装在衬底的一个或一个以上外表面上且电耦合到选定的内部电路，例如，使用镀敷通孔(PTH)来耦合。在某些更当前的产品中，例如电阻器、电容器甚至半导体的组件并入到衬底自身内。因为当今的技术通常需要使用许多此类组件，其中包含需要以更大的容量操作的组件，所以正产生越来越大量的热。为适应此越来越大量的热，已使用散热片及类似结构。这些结构通常由突出的元件(例如，鳍状物)组成，所述元件由良好导热性的材料(例如，铝或铜)制成，且直接地或间接地热连接到所述结构的产热组件或支撑部件。这些突出可提供暴露到产品的周围环境的相对较大的表面区域，可引导冷却空气跨越所述表面区域以增强热移除。此类散热片的实例描述于以下所列的美国专利第5,875,097、6,181,556及6,219,246号中。美国专利第6,181,556号特别揭示了一种用于电子装置热消散的设备，所述设备由提供有鳍状物的散热片的组合组成，经布置以环绕可通过热桥元件来冷却及热连接在一起的组件，这些散热片经受由若干风扇产生的气流。
还已知利用热管将电子组件维持在合适的工作温度。热管通常包括末端封闭且部分填充有载热流体的一段管，所述管包括至少一个接近热源定位或与热源接触的蒸发区域及至少一个冷凝区域，例如，暴露到空气以使所讨论的产品流通的区域。下文列出的美国专利第6,226,178号描述了这一热管的一个实施例。如6,226,178中所描述的热管系统的一个缺点是所述蒸发区域与单个组件接触或与其上装配有所述组件的辅助板接触，但所述蒸发区域不会有效地冷却其上装配有多个产热组件的整个印刷电路板。
一种提供电路的组件的相对高度热消散的技术被称作使用绝缘金属衬底技术的印刷电路板，此技术在所属技术领域中通常简称为IMS。一种具有绝缘金属衬底的典型印刷电路板包括至少一个金属支撑衬底，所述金属支撑衬底通常由铝合金制成，其上通过电隔绝缘材料层(尽可能好的导热体)粘附有导电电路导轨(通常为铜)。通上通过电隔绝缘材料层(尽可能好的导热体)粘附有导电电路导轨(通常为铜)。通过此布置，所述组件产生的热的一部分通过充当散热片的金属衬底消散。然而，在一些例如机动车中的控制及分配箱的功率应用中，通过绝缘金属衬底技术提供的热消散可不足以确保电路不会因为热疲劳而发生损坏或故障。
已利用其它方法来从用于电路化衬底(例如，印刷电路板)上或其内的产热组件提供热传递。以下专利描述从与印刷电路板联合使用的电子组件回收热的各种方式，其中包含上文提到的方式。所列出的方式并不打算穷举所有可能的结构，也不认为所列文件中的任一者是本发明的现有技术。
在美国专利第4,706,164号中，描述一种具有嵌入式热交换器的印刷电路卡。所述卡包含集成在一起的单层或多层电路与排热口，且具有用于载热流体的循环的通道系统。所述通道形成在板上且由封闭板环绕。
在美国专利第5,875,097号中，散热片安装在辅助电路板的背板上，且所述辅助板安装在主电路板上。在一个实施例中，所述散热片更为平坦且在平行的辅助板与主电路板之间延伸。鳍状热消散部件位于所述更平坦部分的一侧。通道中的安装销将散热片安装到主电路板。第二实施例是未定型的，且竖立于边缘上以将辅助电路板垂直安装到主电路板。第二实施例的通道中的安装销以同样的方式将散热片安装到主电路板。
在美国专利第5,929,518号中，描述一种电路板及使导电介质穿过所述板以操作支撑于所述板的表面上的半导体装置的方法。在电路板中形成介质运送腔以使一部分平行于表面，且因此具有大于所述板的厚度的长度。所述导电介质可包含空气、冷却剂流体或光纤，其可将例如压力/真空、声音、热或光的能量从外部源运送到半导体装置。
在美国专利第5,998,240号中，描述冷凝封装的半导体装置的冷却，其中微通道通过强制对流提取热，且尽可能接近热源地使用流体冷却剂。所述微通道使散热片表面区域最大化且提供热传递，借此依其申述允许半导体装置的较高功率密度而不增大接合温度或减小可靠度。在一个实施例中，在安装于电路板的接地平面元件上的硅或碳化硅芯片或电路小片的衬底部分中直接形成多个微通道，其中通过所述接地平面往来于微通道馈送液体冷却剂。所述微通道包括多个末端封闭的具有大致矩形剖面的狭槽或凹槽。制造方法包含沉积与蚀刻、剥离处理、微机械加工及激光切割技术。
在美国专利第6,032,355号中，描述一种在印刷电路板上制造导热结构的方法，所述方法包含形成一种表面上具有浮雕图案的导热层且然后在所述导热层上方形成粘性胶层的步骤。接下来，将表面金属层附装到导热层及所述胶层，其中对应于散热器的浮雕部分的所述表面金属层的一部分与导热层直接接触或几乎直接接触。此外，可将额外的外部散热片附装到导热结构以提高热消散效率。
在美国专利第6,129,145号中，描述一种散热器，其包含导热衬底、盖及导热覆盖层，以及用于供冷却剂穿过的冷却剂凹槽。所述凹槽形成于衬底的表面上。所述盖定位于冷却剂凹槽上以密封所述凹槽，且覆盖层覆盖衬底的表面及所述盖。所述盖可被接纳于可与所述表面齐平的盖凹槽中。所述衬底、盖及覆盖层均由金刚石制成，且接合在一起且其中间基本没有其它材料。由此可实现高导热性。所述散热器可以是用于电子组件或光传输窗口的热消散衬底。
在美国专利第6,181,556号中，描述一种热耦合的热消散设备，其环绕安装在适配器电路板或热传递柱上的固态电子装置，所述热传递柱从主板插座装置向上延伸。所述设备包含以间隔开的平行关系定位于所述适配器电路板或热传递柱的前侧及后侧上的至少两个散热片。桥接部件热耦合所述两个散热片。沿散热片的外表面安装多个风扇。在一个实施例中，所述桥接部件为额外散热片，但可以是金属板。
在美国专利第6,190,941号中，描述一种通过例如回流焊接的焊接工艺安装到例如电路板的衬底上的电子组件。所述电路板具有穿过所述电路板的热通路孔以提供从电路板的顶部表面到底部表面的热消散路径来用于从所述电子组件热消散。为防止熔化的焊料在焊接工艺期间穿过所述通路孔，可在焊接工艺之前密封所述通路孔。所述通路孔通过实施丝网印刷工艺密封以隔开衬底的底部表面，所述工艺包含至少两次印刷以将密封材料印刷到热通路的开口中。
在美国专利第6,201,300号中，描述一种印刷电路板导热结构，其包括具有形成在其表面上的浮雕图案的散热器层、形成于所述散热器上方的粘性胶层及附装到散热器及胶层的表面金属层。所述表面金属层的一部分与散热器直接接触或几乎直接接触。此外，额外的外部散热片可附装到导热结构以提高热消散效率。
在美国专利第6,201,701号中，描述一种具有散热片基座及接合到所述散热片基座的多层电路板，所述多层电路板具有将功率与控制半导体元件两者相互连接并从中有效地消散热的能力。具有极好的热性能的导热及电绝缘接合材料将多层电路板接合到所述基座。一个或一个以上厚导电箔图案形成于电路板的顶部表面与散热片基座中间，所述厚箔图案适于将高功率半导体元件相互连接。包含在电路板的顶部表面与散热片基座之间的还有一个或一个以上互连图案。所述衬底据说在一个小模块中提供控制及功率元件的紧凑密度，且同时展示出良好的热性能以使连接到衬底的功率半导体产生的热可消散。
在美国专利第6,212,071号中，描述嵌入在常规的印刷电路板上且一个末端热连接到所述板上产生热的区域或组件而另一端连接在若干外部散热器(例如，环绕所述板的金属遮罩)的板的边缘上的导热材料的若干轨道的使用。这些导热导轨可以类似于多层板上的导电导轨的方式来形成，在这种情况下，这些导热导轨可由铜制成。这些导热导轨还可通过从所述板的边缘钻出若干孔并用熔融的金属材料(例如焊接材料)填充所述孔来形成。本专利还建议可使用常规的热管。
在美国专利第6,219,246号中，描述用于从一个或一个以上装置汲取热的一种热消散设备及将这一散热片附装到一个或一个以上装置的一种方法。所述散热片包含安装表面，所述安装表面将热汲取到散热片中，在散热片中通过鳍状物来热消散。由于散热片的重量由其上安装有电子装置的印刷电路板来承受，所以可以最小的插入力将散热片紧靠待冷却的装置而安装。使用者转动可旋转的凸轮，所述凸轮啮合枢轴臂。所述枢轴臂旋转若干弹簧夹使其紧靠所述装置，借此将其固定在适当位置。一旦达到完全封闭位置，所述凸轮即锁定在适当位置以防止枢轴臂及弹簧夹旋转回到开启位置。所述弹簧夹粘附散热片且维持安装表面与待冷却装置之间的接触。独立铰接的弹簧夹允许散热片安装在沿所述散热片具有各种尺寸及位置的多个装置上方。
在美国专利第6,226,178号中，描述一种计算机，所述计算机包含：微处理器、经耦合以提供到所述微处理器的输入的输入、耦合到所述微处理器的大容量存储装置及耦合到所述微处理器的存储器以提供便于由微处理器执行计算机程序的存储装置。提供一种包含间隔开的冷凝器区域及设置在所述冷凝器区域之间的蒸发区域的热管。所述蒸发区域邻近微处理器而定位。第一热消散装置附装到邻近所述冷凝器区域中的第一冷凝器区域的热管。第二热消散装置附装到邻近所述冷凝器区域中的第二冷凝器区域的热管。所述第二热消散装置与所述第一热消散装置是不同的类型。
在美国专利第6,414,847号中，描述一种用于从半导体装置传递热的整体介电散热器。半导体装置安装到导热的电绝缘衬底，所述导热的电绝缘衬底形成整体介电散热器。然后，所述散热器安装到例如印刷电路板的封装或较低成本的衬底。所述整体介电散热器还可支撑整体传输线、电阻器、电容器或其它体组件。通过在印刷电路板上使用热通路来增强散热器的性能。
在美国专利第6,879,486号中，描述一种电路板组合件，其包含邻近衬底设置且(例如)与所述衬底间隔开以界定通风的盖子或其它部件。自对准散热片(或其它热消散元件)用弹簧安装(或以其它方式弹性安装)到盖子，且借此与所述电路组件中的一者或一者以上热接触地放置。提供流动转向元件以使得(例如)所述板的总阻抗与共用底盘中的其它电路板中的一者或一者以上的阻抗大致匹配。所述电路板盖子可适于提供热及/或电磁辐射控制，以及冲击与振动。连接器布置在电路板与底盘之间提供电、机械及/或其它操作耦合，不论所述板设置在底盘的冷却空气源的第一(上)侧上的狭槽中还是设置在此源的第二(下)侧上的狭槽中。电路板可具有一个或两个部分，每一部分均具有使冷却气流通过并被接收的气流入口边缘及使所述气流通过并流出的气流出口边缘。用于安装此类电路板的底盘可具有中央空气入口。其还可具有电路板插入狭槽，所述狭槽具有邻近已插入的电路板的第一边缘设置的第一气流开孔及邻近所述板的第二边缘设置的第二开口。这些开口的大小可使得插入到狭槽中的电路板对气流的阻抗与所述底盘中的一个或一个以上其它板对气流的阻抗大致匹配。此类狭槽可形成真空或浸渍钎焊的插卡箱的零件，或通过产生具有期望的结构硬度及气流/干扰密封的替代工艺来制造。所述电路板及底盘可包含空气及/或电磁干扰(EMI)密封，所述空气及/或电磁干扰密封在电路板被插入到底盘狭槽中时形成。
在美国专利第7,119,284号中，描述一种印刷电路板，所述印刷电路板具有带有集成式冷却的绝缘金属衬底。所述系统包含金属衬底、粘附到所述金属衬底的至少一个电绝缘层及粘附到所述电绝缘层的能够将电力功率组件相互连接的若干导电轨道。所述金属衬底并入包括用于载热流体的若干导管的若干热运送通道，所述导管向上延伸到金属衬底外部直到达到外部介质的热传递区域。
在美国专利第7,176,382号中，描述一种具有热管的多层电路板及一种用于形成这一多层电路板的方法。所述方法包含在第一及第二前置电路组合件中形成通道及将所述第一前置电路组合件附装到所述第二前置电路组合件以使所述通道以协作方式形成热管。
在美国专利第7,227,257号中，描述一种用于利用微通道或微沟道来冷却有源电子装置的设备及一种用于制造所述设备的技术。所述微通道在衬底内延伸且终止层(例如，由金刚石制成的终止层)用于与所述微通道接触(甚至反弹)。流体穿过所述微通道且流入及流出所述封装。
如本文中所界定，本发明呈现一种用于提供从与电路化衬底联合使用的电子组件的热移除的新颖独特的手段。用于此目的的导热体可形成为所述衬底的一个整体部分且可热耦合到一个或一个以上组件。当镀敷用作制作所述衬底的工艺的一部分时，其还可用作共用导体。本文中界定的工艺及所得产品具有相对较低的成本，因为其利用PCB技术中已知的许多工艺。甚至可能将本发明用于具有各自上面安装有一个或一个以上组件的两个相对侧的衬底。
人们相信，这一方法及电路化衬底将组成所属技术领域中相当大的进步。
发明内容
因此，本发明的主要目标是增强电路化衬底技术及利用此类衬底的电组合件的技术。
本发明的又一目标是提供一种包含如本文中界定具有增强的冷却能力的电路化衬底的新的电组合件。
本发明的又一目标是提供一种制作这一电路化衬底及组合件的新的方法。
根据本发明的一个方面，提供一种包括电路化衬底的电组合件，所述电路化衬底包含以堆叠的方位交替定向的第一多个介电及导电电路层、接合到所述介电层中的一者的热冷却结构及安装在所述电路化衬底上的至少一个电组件。所述电路化衬底包含位于其中的多个导电及导热通孔，所述导热通孔中的选定的通孔热耦合到所述电组件且延伸通过所述多个介电及导电电路层且热耦合到所述热冷却结构，导热通孔中的这些选定的通孔中的每一者均适于提供从电组件到热冷却结构的热路径，所述热冷却结构适于在所述组合件的操作期间使冷却流体穿过所述热冷却结构。
根据本发明的另一方面，提供一种制作电路化衬底的方法，所述方法包括：提供介电层；在此介电层上形成热冷却结构；在所述热冷却结构顶部接合第一多个介电及导电电路层，以使所述第一多个介电及导电电路层以堆叠的方位交替定向；在所述第一多个介电及导电电路层中的选定的介电及导电电路层内形成多个导电通孔；及在所述第一多个介电及导电电路层内形成多个导热通孔，所述多个导热通孔热耦合到热冷却结构且适于在电组件安装于电路化衬底上时提供从至少一个电组件到热冷却结构的热路径，所述热冷却结构适于在电路化衬底上的电组件的操作期间使冷却流体穿过所述热冷却结构。
附图说明
图1是根据本发明的一个方面的热冷却结构的透视图；
图2及图3是可用于本发明的热冷却结构的替代通道结构的部分端视图，这两个视图均比图1尺度更大。
图4是剖面侧视图且比图1-3的视图具有更小的尺度，其图解说明可用于制造根据本发明一个实施例的电路化衬底的各种层的堆叠布置，所述衬底包含图1的热冷却结构来作为其一部分；
图5是图解说明根据本发明一个实施例的电组合件的剖面侧视图，所述组合件包含同样根据本发明一个实施例的电路化衬底来作为其一部分；
图6及图7是具有比图5的视图更大的尺度的剖面侧视图，其更详细地图解说明图5的结构的各部分；
图8是图解说明根据本发明另一实施例的电组件的剖面侧视图，所述组合件包含同样根据本发明一个实施例的电路化衬底来作为其一部分；
图9是比图8具有更大的尺度的局部视图，其更详细地图解说明图8中的结构的一部分；且
图10是图8中显示的通孔结构的替代实施例的剖面局部图。
具体实施方式
为了更好地了解本发明以及其它及进一步的目标、优点及能力，本文结合上文描述的附图参照以下所揭示内容及所附权利要求书。各个图式可使用相同的图示编号来指示这些图中相同的元件。
本文中使用的术语“电路化衬底”打算包含具有至少两个(且优选地更多)介电层及至少两个(且优选地更多)金属导电层，以及至少一个热冷却结构来作为其一部分。实例包含由例如玻璃纤维加强环氧树脂(某些在所属技术领域中被称为“FR-4”介电材料)、聚四氟乙烯(Teflon)、聚酰亚胺、聚酰胺、氰酸盐树脂、可光成像材料及其它类似材料等介电材料制成的结构，其中每一导电层都是由例如铜等合适的冶金材料构成的金属层(例如电源、信号及/或接地)，但其可包含或包括另外的金属(例如，镍、铝等)或其合金。如果用于所述结构的介电材料是可光成像材料，则其经光成像或光图案化及显影后显露出期望的电路图案，其中包含本文中所界定的所期望开口(如果需要)。所述介电材料可幕涂或网涂，或可作为干膜来提供。可光成像材料的最终固化提供了由电介质制成的韧化基座，以在其上形成所期望的电路。人们相信，本发明的教示还可适用于称作“挠性”电路的电路(其使用例如聚酰亚胺的介电材料)及使用陶瓷或其它非聚合体类型的介电层的电路，后者的一个实例被称作多层陶瓷(MLC)模块且其上适于安装有一个或一个以上半导体芯片。
术语“电组合件”是指本文中界定的至少一个电路化衬底及电耦合到所述电路化衬底且形成所述组合件的一部分的至少一个电组件的组合。已知此类组合件的实例包含芯片载体，所述芯片载体包含半导体芯片来作为所述电组件，所述芯片通常定位在所述衬底上且耦合到所述衬底外表面上的布线(例如，衬垫)或使用一个或一个以上通孔耦合到内部导体。可能最著名的此类组合件是常规的印刷电路板(PCB)，其通常具有安装在所述印刷电路板上且耦合到所述PCB的内部电路的例如芯片载体、半导体芯片等若干外部组件。
本文中使用的术语“电组件”是指例如半导体芯片等的组件，所述组件适于定位在电路化衬底的外部导电表面上且电耦合到所述衬底以将信号从所述组件传递到衬底中，由此此类信号可被继续传递到其它组件，其中包含同样安装在所述衬底上的组件以及其它组件，例如所述衬底定位在其中的较大电系统的组件。
本文中使用的术语“导电通孔”意在包含所述行业中通常还称作如下的各项：“盲通路”，其是通常从电路化衬底的一个表面到其中的预定距离的开口；“内部通路”，其是位于衬底内部的通路或开口且通常在其接合(层压)到其它层之前形成于一个或一个以上内部层内以形成最终结构；及“镀敷通孔”(还可称作PTH)，其通常延伸穿过电路化衬底的整个厚度。所有这些各种开口形成穿过衬底的电路径且在其内壁上通常包含一个或一个以上导电层，例如镀敷铜。此类开口还可包含一定量的导电膏，或者另外，所述膏可添加到内壁上的镀敷金属。所述衬底中的这些开口通常使用机械钻孔或激光切除来形成，随后添加镀敷及/或导电膏。
本文中使用的术语“丝网印刷”打算包含当今常使用的丝网印刷及模版印刷工艺两者。这些工艺包括使用丝网或模版，在此情况下通过所述丝网或模版来沉积所期望的材料，例如，使用橡皮辊来沉积。
本文中使用的术语“导热通孔”打算包含位于电路化衬底内的开口，所述导热通孔可在所述衬底内与上文提及的“盲通路”、“内部通路”及PTH类似的位置，但可经设计以用于将热从衬底的一个部分导电到另一部分(在此情况下，一个接收位置是本发明的导热部件)的目的。这些通路同样可以是导电的或可以不导电，因为用于所述通路的导热体可不能同样根据如本文中形成的此类电路化衬底的需求来有效地导电。根据这一开口的类型，这些通路可在其接合(例如，层压)到其它层之前形成于一个或一个以上内部层内以形成最终结构。如果整个穿过所述衬底延伸，则这些通路可在完成所有衬底的层的接合之后形成。所有这些各种开口均形成通过所述衬底的热路径，且类似的导电通孔可包含在其内壁上的一个或一个以上导电层，例如镀敷铜。此类开口可替代地包含一定量的热膏，或此外，所述开口可包含镀敷内壁及热膏两者。衬底中的这些开口还可使用机械钻孔或激光切除来形成，随后使用(例如)针滴设备或优选地丝网印刷或类似操作在其中沉积热膏。
图1中显示根据本发明一个实施例的热冷却结构13。结构13经设计以并入在衬底内以形成一种用于提供衬底(且尤其是安装在所述衬底上且电耦合到所述衬底的电组件)的冷却的手段。本文中称作电路化衬底的此类衬底包含额外的介电层及导电层来作为其一部分，如本文中将更详细描述。结构13包含基座部件15及呈层19形式的盖子17。基座部件15包含如图所示在其顶部表面内从一侧到另一相对侧延伸的多个通道21。这些纵向通道在沿剖面或从各侧中的一侧(如图1所示)观察时可呈矩形配置，或呈部分圆形配置(图2)或呈梯形配置(图3)。其它配置也是可能的。在一个实施例中，基座部件13具有70密耳(1密耳为1/1000英寸)的总厚度(图2中的尺寸“T”)，其中对应的通道21形成到30密耳的深度(图2中的尺寸“CD”)。此类通道可各自具有约100密耳的总宽度(图2中的尺寸“CW”)。在此实施例中，盖子17可具有从约10密耳到约30密耳的厚度。如图3所示，盖子17适于与下伏基座部件15对准且定位于所述下伏基座部件上以使所述盖子为纵向通道21中的每一者提供一个盖子，由此界定每一通道的上“壁”(或顶部)。热冷却结构13可由金属材料制成，例如铜或铝或其中任一金属的合金，或可由特别的导体氮化铝制成。其它良好的导热材料也是可能的。
在图1中可见，其中包含基座部件15及盖子17两者的冷却结构13大致为矩形形状以适应将在电路化衬底的形成期间接合到所述冷却结构的介电层及导电层的对应形状。因此，此结构可并入到许多不同大小的衬底内，其中包含当今需求的许多大型板设计以及同样有较高需求的小型化衬底。例如，在一个实施例中，结构13可每线性英寸包含多达五个通道(如面向正视图中的通道21从图1的结构13的左下方观察)或对较大的板来说可能包含更少的通道，且对更小的衬底来说每线性英寸可包含多达10个通道。当然，本发明不限于这些数目。此外，本文中的通道显示为直接邻近彼此定位且跨基座部件的宽度呈连续图案。这也不是必要的，因为可需要在所述通道中的选定的通道之间提供敞开的间隔，或甚至需要限制通道到基座上的选定区域的分组，其中基座的剩余部分没有通道或类似结构。信道位置取决于衬底上的电组件的方位以及提供从所述电组件向下到结构13的热路径的最有效手段。下文中将对此进行更详细的解释。
在图4中，显示可能形成本发明的电路化衬底的各种元件(其中包含基座部件15及盖子17)的分解图。第一介电层23(优选地由上述材料中的一者制成)以最简单的形式定位于底部，其中基座及盖子因此定位于此部件上方。至少一个另外的介电层25定向于盖子17上方，随后是导电层27(同样优选地由上述金属中的一者制成)。此组合件中的介电层可具有约5密耳的厚度，而导电层27可具有约1.4密耳的厚度。这些层的常规厚度是已知的，且没有必要再进一步描述。然后使用常规的PCB层压设备将此堆叠式布置接合在一起。在一个实例中，可使用每平方英寸(PSI)从约500磅到约700磅的压力、从约180℃到约200℃的温度及从约60分钟到约120分钟的时间周期来接合图4中显示的所有元件。然后可使用PCB制造中已知的常规的电路化处理以最简单的形式“电路化”导电层27，所述PCB制造是包括光刻处理的最常见处理中的一种。没有必要进行进一步的定义。因而，此上部电路适于将一个或一个以上电组件安装于其上并耦合到已形成的衬底，以供(例如)彼此相互连接以及连接到其它组件，例如还可耦合到最终衬底。在本发明的最优选实施例中，将第一多个至少三个介电层且可能尽可能多的导电层(例如，所述介电层中的每一者上的导电层)用于热冷却结构上方，且在这一布置中，还可能(且可能需要)将第二多个介电及导电层添加在结构13的下侧。在这一布置中，所有这些层均可如图4所示而定向，且层压随后发生。图4中显示的层的数目并不限定本发明，因为还可利用更多的层，其中包含在本发明的热冷却结构13上方或下方。
在图5中，显示根据本发明一个实施例的电组合件31。组合件31包含根据本发明一个实施例的电路化衬底及安装在所述衬底上的至少一个电组件。实际上，图5中显示两个组件33及35，所述组件两者均可包含一个(如所示组件35)或一个以上半导体芯片来作为其一部分。在此实例中，组件33可以是由上部芯片37构成的“有机存储器堆叠”，其中三个有机存储器衬底以其下方的层压堆叠布置定向，如图中所示。这三个支撑有机衬底通常将包含印刷到每一衬底上的有机晶体管(未显示)。所述衬底之间的连接可通过标准钻孔及板工艺或通过常规的“倒装芯片”类型处理来完成。此支撑有机存储器堆叠的一个替代是使用存储器硅电路小片堆叠的存储器堆叠，所述存储器硅电路小片又可使用称作“硅片贯穿通路”(TSV)连接的方法连接在一起。此类TSV连接通过向硅存储器电路小片中钻孔并使用某种类型的电互连(例如，填充有金属的粘合剂)来连接这些孔。或者，可以合适的金属(例如，钨)填充所述连接“通路”以提供期望的电连接。图6中局部的更大尺度的图式更好地图解说明这些独立的元件及所述衬底的对应上部层且还应仔细观察所述图式。
组件33使用导电通孔41电耦合到支撑衬底39内的导电层中的选定的导电层，这些通孔是图5及图6中均显示的较短长度的孔。每一通孔41均可电耦合到作为所述导电层中的一者的一部分的(对于图6中的孔41为43)垫或单个线，所述一个导电层又在衬底39的此上部部分中的多个此类层的三个介电层45中的一者上方。此类孔41可耦合到一个以上导体且不仅仅耦合到所显示的导体。通孔41(及其它类似通孔)电耦合到芯片37的垫或类似接触位点42(其中可能包含例如焊料球的连接器(未显示)，所述连接器又连接到位点42)且可以是具有镀敷金属(例如铜)侧壁47的常规构造。其可在上文界定的层压工艺之后形成于下伏衬底39内。还可能在相应的第一多个介电层中的每一者内形成此类通孔41且然后如图4所示使所述层层压。此外，除了在侧壁上镀敷或可能将其代替之外，还可能在导电通孔41内使用导电膏(未显示)。这种膏将会是将此类层的堆叠布置的各种导体耦合到在层压之前形成通孔的地方的优选手段中的一者。
图5中显示电路化衬底39包含在中间热冷却结构13的相对侧(此处为顶部与底部)上的多个介电层及多个导电层两者。此介电层组合中的下部多个介电层中的每一者均由编号49表示，且应了解，其可能包含位于其上的与上部介电层45中选定的介电层可包含的大致相同的导电层。这些导电层中的选定的导电层可包含电路垫、信号线或甚至具有固体构造(尤其当用作接地层时)，这取决于所述衬底的操作要求。因此本发明不限于单个垫或图中所显示的类似结构。
根据本文中的教示，电组件33及35还可通过至少一个(且可能为若干)导热通孔51热耦合到本发明的热冷却结构13，且具体来说耦合到盖子17。通孔51可具有与通孔41类似的构造，从而使这些通孔同样导电。或者，通孔51中可仅包含热膏52(部分地显示于图6中)而没有任何金属镀敷或其它导电材料来作为其一部分，从而使这些通孔51仅可导热且不会同时导电。在图5的实施例中，显示组件33的六个导热通孔51且显示组件35的五个导热通孔。在一个实施例中，通孔51可拥有约8密耳到约20密耳的直径，而通孔41可拥有约6密耳到约12密耳的直径。如果通孔41具有此尺寸且被镀敷，则此类镀敷可具有仅约1密耳到约2密耳的厚度。应了解，这些尺寸仅为说明性且不限定本发明。因此可看出，通孔51提供用于组件33及35(且尤其是形成其一部分的芯片)产生的热到本发明的热冷却结构13的热路径，因此穿过结构13的冷却流体(例如，空气或水)将有效地提供冷却。在图6中，将冷却流体的一个实例(空气)显示为进入冷却结构以穿过通道21。可从风扇(未显示)或其它合适的来源提供空气。如果提供水或其它冷却液体，则此空气可由泵(未显示)提供且通过适当的管(未显示)或其它液体耦合来提供，所述液体耦合又使用(例如)合适的胶合剂或连接器连接到冷却结构13的一端。
图7表示组件35到热冷却结构13的热耦合及电耦合两者，在一个实例中所述组件为上面具有散热片53的芯片37′。此类耦合类似于图6中的耦合且没有必要进行进一步描述。
导热通孔51还可提供到本发明的热冷却结构13的电路路径以便(例如)提供垫/位点42中的选定的垫/位点的电接地。例如，如果是金属或其它导电材料，则结构13还可用作电组合件31的接地层。应注意，例如水的液体的存在将不会对这一能力产生不利影响。如果结构13将提供这一接地，则还可能提供到所述结构的额外电连接。此类连接的实例包含导电通孔55(图5中显示的两个)，所述导电通孔可延伸通过各种导电层的所有或一部分以将形成其一部分的选定的导体(例如，垫或线)电连接到结构13。
图8的电组合件31′在结构及操作上类似于图5中的组合件31，其中包含针对电组件33及35的热耦合及电耦合。如图中可见，组合件31′包含类似数目的介电层及导电层来作为电路化衬底39′的一部分。然而，衬底39′还包含至少一个(且如果需要会更多)导电通孔61，所述导电通孔延伸通过衬底39′的整个厚度，由此来提供组合件31′内的电路的又一些选择。通孔61可用于将上部(第一)多个(冷却结构13上方的)导电层中选定的导电层上的垫/线中选定的垫/线电连接到下部(第二)多个(冷却结构13下方的)导电层中选定的导电层上的垫/线中选定的垫/线，由此保证通过本发明的冷却结构的电连接。此类互连还可将所述电组件中选定的电组件耦合到衬底39′相对侧的选定的组件(未显示)，如果此类添加的组件用作组合件31′的一部分。(因此，应了解，本文中教示的组合件的衬底具有同样在与上部多个组件33及35相对的其下部侧上包含此类额外电组件的能力。)通孔61可通过介电材料层71与如图10中所示的冷却结构13电隔离，或其可电耦合到如图9所示的结构13。用如图所示的材料71形成通孔的一种可能的方法是钻孔通过层压组合件(可了解，其中包含热冷却结构13)、用介电材料71填充此孔、固化所述材料、通过所述经固化电介质钻第二个较小直径的孔，且然后用所需金属镀敷所述第二孔。通孔61可包含镀敷的内侧壁(如图所示)且可进一步包含导电膏(例如图6中所示的导电膏52，其当然是导电的)或可仅将此导电膏(没有镀敷层)用作导电手段。此通孔61及其它通孔(如果被利用)可通过使用机械钻孔或合适的(例如，二氧化碳)激光以类似于通孔41及51的方式形成。其可在其中接合若干层(例如层压)的衬底39′的形成过程之后形成。
特别仔细地观察图9，当例如通孔61的导电通孔延伸通过图8中显示的衬底时，此孔可优选地延伸通过基座部件15的一部分(且当然为盖子17，为便于图解说明未显示于图9中)而不是通道21中的一个或一个以上通道。在图9中，可看出通孔61穿过邻近所述通道的基座部件15的直立部分72中的一者。这使得冷却流体能够完全穿过所有通道，且同时保证在冷却结构13位置处形成完整的电路径所需的金属的连续性。如果通孔61穿过所述通道中的一者(这也可使用本发明教示来成为可能)，可必要地在通孔内提供额外材料以填充所述通道的至少一部分且然后可在其上形成导电层(例如，镀敷金属层)。或者，可将导电套管或类似结构插入到钻出的孔内，其中包含其中所述孔随后包含其内侧壁上的镀敷层，如图所示。此通孔布置(通道21内)无疑将限制冷却流体穿过此特定通道，但应了解，使用足够数目的剩余冷却通道仍将可能实现有效的冷却。
因此，已显示及描述了一种电组合件及用于其中的电路化衬底，其中所述衬底包含热耦合到所述组合件的电组件中的选定电组件来由此为其提供冷却。所述组合件包含提供此类热耦合的导热通孔以及用于将所述衬底的选定的导电层及(如果需要)此类层以电方式与热冷却结构相互连接，例如当所述冷却结构将充当电接地时。所述衬底及组合件经设计以允许例如空气或水等冷却流体穿过所述衬底内的通道，这些通道又由形成基座部件的一部分并接合到所述基座部件的盖子来界定，所述基座形成所述冷却结构的一部分。所述基座部件中包含期望数目的冷却通道。重要的是，所述冷却结构经设计以形成为用于接合最终将形成所得结构的一部分的选定数目的介电及导电层的整个工艺的一部分。因此，本文中界定的形成电路化衬底的方法利用已知的PCB制造中使用的许多常规工艺，借此保证所得产品相对较低的成本。
虽然本文已显示并描述了本发明当前的优选实施例，但所属技术领域的技术人员可明显看出，可对本发明做各种改动及修改而不背离由所附权利要求书界定的本发明范围。

Claims (12)

1、一种电组合件，其包括：
电路化衬底，其包含以堆叠的方位交替定向的第一多个介电及导电电路层；热冷却结构，其接合到所述第一多个介电及导电电路层中的所述介电层中的一者；及
至少一个电组件，其安装在所述电路化衬底上，所述电路化衬底包含位于其中的多个导电及导热通孔，所述导热通孔中的选定通孔热耦合到所述至少一个电组件且延伸穿过所述第一多个介电及导电电路层且热耦合到所述热冷却结构，所述导热通孔中的所述选定通孔中的每一者均适于提供从所述至少一个电组件到所述热冷却结构的热路径，所述热冷却结构适于使冷却流体在所述电组合件的操作期间穿过所述热冷却结构。
2、如权利要求1所述的电组合件，其中介电层的数目至少为三。
3、如权利要求1所述的电组合件，其进一步包含以堆叠的方位交替定向的第二多个介电及导电电路层，所述第二多个介电及导电电路层位于所述热冷却结构的与所述第一多个介电及导电电路层相对的侧上。
4、如权利要求1所述的电组合件，其中所述热冷却结构包括基座部件，所述基座部件中包含多个通道及在所述通道上方固定到所述基座部件的覆盖层。
5、如权利要求4所述的电组合件，其中所述热冷却结构由金属构成。
6、如权利要求5所述的电组合件，其中所述金属为铜或铜合金。
7、如权利要求5所述的电组合件，其中所述金属为铝。
8、如权利要求4所述的电组合件，其中所述热冷却结构由氮化铝构成。
9、如权利要求4所述的电组合件，其中所述基座部件中的所述通道拥有选自由矩形、圆形及梯形组成的群组的剖面配置。
10、如权利要求1所述的电组合件，其中所述导电通孔中的至少一者将所述至少一个电组件电耦合到所述热冷却结构以为所述至少一个电组件提供电接地。
11、如权利要求1所述的电组合件，其中所述热冷却结构适于使空气在所述电组合件的所述操作期间作为冷却流体穿过所述热冷却结构。
12、如权利要求1所述的电组合件，其中所述热冷却结构适于使水在所述电组合件的所述操作期间作为冷却流体穿过所述热冷却结构。
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