CN1060924A - 电子电路的散热装置 - Google Patents

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Abstract

一种热均衡的电子电路，具有一个安装在支承底 座上的元件；一个散热器，其底部与元件接触，且至少 有一个凸缘；和位于散热器底部的一个应力平衡嵌入 件。散热器底部借助粘接剂固定在元件和嵌入件 上。嵌入件与散热器的热膨胀系数不同。嵌入件与 元件的热膨胀系数最好接近或相等。上述各部件形 成了一个均衡的“夹心”结构，它将呈现出相当于其外 表面层平面方向的热膨胀，而垂直于元件和嵌入件方 向的膨胀将使各部件的绝对体积变化达到均衡。

Description

本发明涉及使诸如混合式集成电路（HIC）之类的电子电路元件中的热量能散去的散热装置。
混合式集成电路通常包括如集成电路（IC）芯片之类的有源芯片或一些其它的电子元件和其它类型的有源或无源元件（或器件），这些元器件在工作期间或是产生热量，或是承受由HIC的其它元件或环境所产生的热量。其中某些元器件可因这种热量而遭到损坏，例如，元件从支承底板脱开，元件破裂，将元件连接到支承底板的导体断裂，工作特性变化等等。
为了使HIC中至少是易于受热量影响的某些元件的热量能散去，可选择性地配置一种由高导热性金属制成的散热器，以吸纳和传递掉元件上的热量。
美国专利4，408，220提出了一种耗热（散热）构件，它包括中段互联的顶板和底板，该构件的结构使其能滑动地装在IC的封壳上，而封壳又装在诸如印恻电路板之类的支承底板上。所述顶板呈弹性连接，并且可接触一块散热板，该散热板可为若于个这类散热器件所公用。然而，随着制造和装配的进一步小型化和自动化，使这样一种机械式连接的散热装置难以应用。
因此，期望提供这样一类HIC，其中散热器固定在芯片或器件上使之构成一个单一的组件。重要的是，这种结构还应在温度变化时只出现很小的应力。
本发明的电子电路具有一个安装在适当支承底座上的元件;一个散热器，其底部接触所述元件，而且至少有一个凸缘自该底部伸出;以及置于散热器底部上的、并至少部分可同该元件一起延伸的一个应力平衡嵌入件，所述散热器的底部借助某种粘接剂固定到该元件和嵌入件上。嵌入件材料具有不同于散热器的热膨胀系数（TCE），前者为α1，后者为α2。嵌入件的TCE可在散热器的TCE和元件材料的TCE（α3）之间。最好，嵌入件的TCE接近元件材料的TCE。
元件、散热器的底部、嵌入件与粘结层形成了一个均衡的“夹心”结构件。这种结构件将呈现出相当于该夹心结构件（例如，该元件和嵌入件）外表层的平面方向的热膨胀。而垂直于元件和嵌入件方向的该结构件的膨胀，使不是因为表面层原因造成的该夹心结构件的各部件的绝对体积变化达到均衡。
本发明唯一的附图是根据本发明构成的一个典型装置的剖面图。
图中的标号1表示仅部分示出的诸如混合式集成电路之类的典型电子电路。标号2表示由适当材料制成的支承底座，这些材料料例如是陶瓷、半导体材料（如硅）、玻璃、塑料（如环氧树脂）、合成材料、玻璃纤维强化的环氧树脂、涂敷树脂的金属（例如涂环氧树脂的铝）、模制电路板、或其它适宜的材料。元件3可选自包括有源和无源半导体芯片、半导体器件、电容器、电阻器、振荡器、光学器件和光纤连接器等类器件，并以适当方式安装在支承底座上。在一个典型的实施例中，元件3是例如集成电路（IC）芯片之类的有源半导体芯片。芯片3以所谓“倒装芯片”方式安装在支承底座上，使芯片上的电路与支承底座上的导线和焊接点（未示出）之间达到导通接触。该芯片以某种传统方式固定到支承底座上例如固定在标号4处。这些传统方式例如可为钎焊、熔合、低熔共晶金粘接、导电性粘合、非导电性粘合等等。
在一个最佳实施例中，散热器6附装在芯片3的上表面上，即附装在该芯片的面对支承底座的背面。散热器6的底部7与该元件接触，其面积例如基本上等于该元件上表面的面积，并且该散热器至少有一个从底部伸出的凸缘8，以便将热量从元件中导出。散热器是由具有高导热性的适宜金属或合金制成，例如铝、铜、镍、它们的合金、黄铜、青铜、不锈钢等。还可用贵金属或其合金，例如金、钯、铂、银等。这种金属应不会导致对元件的“污染”。所述至少一个凸缘8的自由端可随意地自散热器伸出。另外，该自由端也可配置一个散热部件（未示出）。该自由端还可同一公用的散热器件（未示出）接触，此公用散热器件或者是专门用来耗散由各凸缘传出的热量，或者是也用于形成围绕电路的金属外壳的一部分。
凸缘8可为单个凸缘，或可包括至少两个凸缘。凸缘8还可形成为一个杯状散热器的诸壁。此外，散热器可与一个以上的元件接触，为了方便，还可自底部伸出一个以上的凸缘。
在该最佳实施例中，散热器为具有底部7和凸缘8的U型构形。其底部借助某种粘接剂9固定到芯片3的上表面上，该粘接剂9具有适宜的耐温特性和工作特性。典型的是选自硅、聚酰亚胺、丙烯酸类和环氧树脂的粘结剂，它们均可用于HIC装置。例如Epon  828（Shell化学公司）环氧树脂以2-乙基-4甲基咪唑（2  ethyl4  methyl  imidazole）（Pacific  Ancher公司）固化或用其它如纳迪甲基酸酐（nadicmethyl  anhydride）（Miller-Stephenson公司）的固化剂固化是可用的。然而，借助粘结剂将散热器连到元件（例如芯片）上的传统方式会造成一种应力不均衡的结构。由于该构件的各部件的热膨胀系数（TCE）各不相同，故可导致芯片中存在显着的热应力。例如，一种环氧树脂胶的TCE可从15ppm/℃变到60ppm/℃，硅橡胶的TCE可从150ppm/℃变到350ppm/℃，聚酰亚胺树脂的TCE可从10ppm/℃变到20ppm/℃，而硅元件的TCE变化可仅仅为2至3ppm/℃，散热器的金属可有1至13ppm/℃的TCE变化范围。
由TCE不同所引起的应力可导致器件不正常地工作或使器件不能工作，特别当应力导致器件（例如芯片）的破裂，或连接器件与支承底座上电路的导体断裂，或两者均损坏时更是如此。由于粘结剂9、芯片3和散热器6的TCE彼此不同，这种结构可导致出现显着的热应力，这可由与热量有关的一系列制造步骤，例如固化步骤、焊接步骤等等引起，和/或可因器件工作期间由元件本身、某些位于芯片3附近的其它元件或周围环境所产生的热量引起。这类应力可导致IC芯片的工作效率降低、IC芯片和相互连接的损坏、芯片与支承底座和/或散热器脱离，甚至导致芯片破裂。
这一问题已通过如附图所示的均衡的“夹心”样结构而得以解决。标号11表示应力平衡嵌入件，其TCE为α1，不同于散热器的TCE，α2。嵌入件的TCE α1大小可在散热器的TCE α2和元件3的TCE α3之间。最好，嵌入件的TCE与元件3的TCE相匹配，并可等于该元件的TCE。
在该最佳实施例中，应力平衡嵌入件是一个半导体芯片，位于散热器6的U型范围内，并与散热器底部7的内表面相接触。嵌入件11用一种粘结剂12固定到散热器上，这种粘接剂最好与粘合散热器6到有源芯片3上的粘接剂9是同样的类型。嵌入件11可为片晶状，例如可为廉价的“虚拟”半导体芯片，即，没有任何掺杂物和电路的半导体芯片。该虚拟芯片的TCE选为与有源芯片3的TCE非常接近。嵌入件11的上表面还可设置电路，以便同HIC的某些其它电路或元件互相连接。
芯片3、散热器的底部7、嵌入芯片11和两层粘接剂9和12构成一个TCE均衡的“夹心”样结构件。这种结构件可期望会呈现出相当于夹心结构件外表部分（各表面层）的平面方向的热膨胀。该夹心结构件的垂直于元件和嵌入件方向上的膨胀，使不是因为外表部分所造成的该夹心结构件的各部件的绝对体积变化达到均衡。
不用说，上述实施例只是对本发明原理的简单阐述。本领域的技术人员可以按本发明的原理做出其它改型和变化，但都属于本发明的构思范围之内。

Claims (19)

1、一种产品，其特征在于包括：
安装在支承底座表面上的元件；
由高导热性材料制成的散热器，其底部附装在所述元件的上表面上，而且至少有一个凸缘自所述底部伸出；以及
位于所述底部的应力平衡嵌入件；
所述散热器的底部是借助一种粘接剂而固定到所述元件和嵌入件上的，该嵌入件的材料具有不同于所述散热器热膨胀系数α2的热膨胀系数α1。
2、如权利要求1所述的产品，其特征在于，所述嵌入件材料的热膨胀系数α1是在所述散热器的热膨胀系数α2和所述元件材料的热膨胀系数α3之间。
3、如权利要求1所述的产品，其特征在于，所述嵌入件材料的热膨胀系数α1与所述元件材料的热膨胀系数α3相匹配。
4、如权利要求3所述的产品，其特征在于，所述嵌入件材料的热膨胀系数α1等于所述元件材料的热膨胀系数α3。
5、如权利要求1所述的产品，其特征在于，所述元件选自包括有源和无源半导体芯片、半导体器件、电容器、电阻器、振荡器、光学器件和光纤连接器等类的器件。
6、如权利要求5所述的产品，其特征在于，所述元件为半导体芯片。
7、如权利要求1所述的产品，其特征在于，所述嵌入件选自包括陶瓷、半导体材料、玻璃和强化的环氧树脂等类组成的材料。
8、如权利要求7所述的产品，其特证在于，所述嵌入件是一种半导体。
9、如权利要求1所述的产品，其特征在于，所述嵌入件呈片晶状。
10、如权利要求1所述的产品，其特征在于，所述散热器具有U形横截面。
11、如权利要求1所述的产品，其特征在于，所述散热器有多个所述凸缘。
12、如权利要求1所述的产品，其特征在于，所述散热器具有杯状构形。
13、如权利要求1所述的产品，其特征在于，与所述元件接触的散热器的底部面积基本上等于所述元件上表面的面积。
14、如权利要求1所述的产品，其特征在于，所述导热材料是一种金属。
15、如权利要求14所述的产品，其特征在于，所述散热器包括一种选自铝、铜、镍及其合金、黄铜、青铜、金、银、钯、铂等类金属。
16、如权利要求1所述的产品，其特征在于，所述支承底座包括一种选自陶瓷、玻璃、半导体材料、塑料、合成材料、树脂强化纤维和涂敷树脂的金属等类材料。
17、如权利要求1所述的产品，其特征在于，所述粘接剂包括一种选自由硅，聚酰亚胺，环氧树脂和丙烯酸树脂组成的聚合物类树脂。
18、如权利要求17所述的产品，其特征在于，所述粘接剂包括环氧树脂。
19、如权利要求1所述的产品，其特征在于，该产品构成为混合式集成电路（HIC）的一部分。
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