在3D芯片堆叠中所用热界面材料中处理水平排列石墨纳米纤维的系统和方法

摘要

具有增强冷却设备的半导体芯片的芯片堆叠包括在第一侧上具有电路的第一芯片和通过连接器栅格电连接且机械连接到第一芯片的第二芯片。该设备还进一步包括热界面材料垫，设置在第一芯片和第二芯片之间，其中热界面材料垫包括纳米纤维，排列得平行于第一芯片和第二芯片的配合表面。该方法包括形成在第一侧上具有电路的第一芯片以及形成通过连接器栅格电连接且机械连接到第一芯片的第二芯片。该方法还包括在第一芯片和第二芯片之间设置热界面材料垫，其中热界面材料垫包括纳米纤维，排列为平行于第一芯片和第二芯片的配合表面。

说明书

技术领域

本发明总体上涉及热界面材料，特别是，在三维芯片堆叠中所用的热界 面材料中排列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通常认为是热从芯片传递到附接的冷却装置（例 如，散热器、扩散器和类似物）的主要阻力。因此，为了减小热源和冷却装 置之间的热阻，通常采用导热膏、导热脂或导热粘合剂。通常将散热器或芯 片盖压到处理器芯片的背面，散热器或芯片盖与处理器芯片的背面之间具有 填充有粘性介质的粒子，填充由粘性介质的粒子被迫流入表面之间的腔体或 不均匀位置，通过这种方式形成热界面。

热界面材料通常由高度负载了导热填料的有机基体组成。导热性主要由 随机且均匀地分布于整个有机基体中的填料的性质驱使。常使用的填料表现 出各向同性的导热性，并且采用这些填料的热界面材料必须是高度负载的以 实现期望的导热性。不幸的是，这些负载水平使基础基体材料的性能（如流 动、内聚力、界面粘合等）退化。

已经确定，堆叠电子电路的层（即3维芯片堆叠）和垂直互连这些层提 供每单位面积上电路密度的显著增加。然而，三维芯片堆叠的一个主要问题 是堆叠的热密度。对于四层3维芯片堆叠，芯片堆叠呈现给散热器的表面面 积仅为以二维方式呈现的表面面积的1/4。对于4-层芯片堆叠，除了最终层到 脂/散热器界面外，有三个层-层热界面。来自底部层的热必须向上传导通过 较高的层到达脂/散热器界面。

在芯片侧（即热源）上，通常存在热点、进行大部分处理的较高功率密 度区域，这会在芯片上产生温度梯度。这些较高热和较高功率密度的区域需 要保持在设定的温度范围内，以便使芯片正常工作且在制造结束时通过质量 和规格测试。

从而，所希望的是在热源和冷却装置之间提供减小热阻，其有效且又不 需要改变微处理器制造工艺。

发明内容

本发明的示范性实施例提供了用于提高内部层-层热界面性能的方法以 及由该方法制造的装置。特别是，提供了在三维芯片堆叠中所用的热界面材 料中排列石墨纳米纤维的方法和系统。

示范性实施例包括提高半导体芯片的芯片堆叠冷却的方法。该方法包括 形成在第一侧上具有电路的第一芯片以及形成通过连接器栅格电连接且机 械连接到第一芯片的第二芯片。该方法还包括在第一芯片和第二芯片之间设 置热界面材料垫，其中热界面材料垫包括平行于第一芯片和第二芯片的配合 表面排列的纳米纤维。

另一个示范性实施例包括具有增强冷却设备的半导体芯片的芯片堆叠。 根据结构上的简要描述，其中，该设备的一个实施例以以下方式实施。具有 增强冷却设备的半导体芯片的芯片堆叠包括在第一侧上具有电路的第一芯 片和通过连接器栅格电连接且机械连接到第一芯片的第二芯片。该设备还包 括设置在第一芯片和第二芯片之间的热界面材料垫，其中热界面材料垫包括 平行于第一芯片和第二芯片的配合表面排列的纳米纤维。

另一个示范性实施例包括用于增强半导体芯片的芯片堆叠冷却的系统。 根据结构上的简要描述，其中，该系统的一个实施例以以下方式实施。该系 统包括用于形成在第一侧上具有电路的第一芯片的装置以及用于形成通过 连接器栅格电连接且机械连接到第一芯片的第二芯片的装置。该系统还包括 用于在第一芯片和第二芯片之间设置热界面材料垫的装置，其中热界面材料 垫包括平行于第一芯片和第二芯片的配合表面排列的纳米纤维。

本发明的这些和其它方面、特征以及优点，通过参考本文中的附图和详 细描述将得以理解，并且通过所附权利要求中特别指出的各种要素及组合将 得以实现。应理解，前述的一般描述以及下面的附图说明和对发明的详细说 明均是对本发明优选实施方案的示例和解释，而不是对要求保护的发明的限 制。

附图说明

有关本发明的主题事项特别指明且在说明书结尾处的权利要求书中明 确要求保护。从下文结合附图的详细说明中，可以清楚地了解本发明的前述 的和其它的目标、特征和优点，其中：

图1是截面框图，示出了利用热界面材料的硅装置堆叠中C4或倒装芯 片连接通道的示例，热界面材料具有由磁场排列以将传导轴定向在本发明的 所希望方向上的石墨纳米纤维。

图2A是示出随机分散在热界面材料中的石墨纳米纤维的示例的框图。

图2B是说明具有石墨纳米纤维的热界面材料的例子的框图，其中在该 热界面材料中，石墨纳米纤维由磁场定向排列，以使传导轴以期望的方向取 向（orient）。

图3A和3B是示出具有石墨纳米纤维的热界面材料示例的框图，石墨 纳米纤维由磁场排列以将传导轴定向在垂直于热界面材料的方向上，并且具 有形成在其上不同位置处的多个冲孔。

图4是示出具有石墨纳米纤维的热界面材料示例的框图，热界面材料设 置为使具有石墨纳米纤维的热界面材料的两个相对侧在东西方向上导热，并 且另两个相对侧在南北方向上导热。

图5是示出具有石墨纳米纤维的热界面材料的另一个示例的框图，热界 面材料设置为使具有石墨纳米纤维的热界面材料的两个相对侧在东西方向 上导热，并且另两个相对侧在南北方向上导热。

图6是示出利用具有石墨纳米纤维的热界面材料形成硅树脂器件方法示 例的流程图，石墨纳米纤维由磁场排列以将传导轴定向在本发明的所希望方 向上。

通过参考附图的示例，具体描述说明了本发明的优选实施例，以及其优 点和特征。

具体实施方式

通过结合附图参考下文的本发明的详细说明，可更容易地理解本发明， 所述附图构成本公开的一部分。应理解本发明不限于本文中描述和/或显示的 特定装置、方法、条件或参数，并且本文中使用的术语仅出于示例性地描述 具体实施方案的目的，且不意图限制所要求保护的发明。

以下详细描述本发明的一个或多个示例性实施方案。公开的实施方案意 图仅为说明性的，因为其中的大量改进和变型对本领域普通技术人员来说将 是显而易见的。

本发明的一个或多个示范性实施例目的在于提供一种设置在芯片堆叠 中芯片之间的材料。具有排列的碳纳米纤维/纳米管的材料有效地将热传输到 芯片堆叠的至少两侧（例如，东和西，或南和北）。具有排列的碳纳米纤维/ 纳米管的材料沿着碳纳米纤维/纳米管的轴更有效地传输热。碳纳米纤维形成 在磁"种"周围。该材料被加热，并且碳纳米纤维/纳米管混合在液化的材料中。 磁场施加在与垫的侧边平行的方向上，该垫可与半导体芯片或其它类似电子 装置接触。磁场的强度足以排列碳纳米纤维/纳米管。然后，该材料被冷却， 切成垫，并且设置在芯片堆叠中各层芯片之间。在一个实施例中，所有的碳 纳米纤维/纳米管"东/西"排列，并且将热引入芯片堆叠的东和西侧上的散热 器。在另一个实施例中，垫交替在芯片当中，从而交替层将热引入芯片堆叠 的东/西侧以及芯片堆叠的南/北侧上的散热器。在再一个实施例中，垫的块 设置为使该设置的两个相对侧东/西导热，并且另两个相对侧南/北传热。在 该实施例中，碳纳米纤维/纳米管设置为使两端垂直于垫的最近边。

已经明确的是，某些类型的具有足够流动性“流动”并“填充”这些 间隙的材料的结合并不具有良好的导热性。需要具有低粘性/高表面张力的材 料填充芯片堆叠中芯片的层间空间。通过混合（或“填充”）陶瓷、金属和/ 或其它微粒或丝线在初级聚合物（primary polymer）或环氧树脂中改善了底 层填料和其它粘合剂的热特性。

使用热界面材料填充传热表面之间的间隙，例如微处理器与散热器之间 的间隙，以提高传热效率。这些间隙通常充满空气，空气是非常差的导体。 热界面材料可采取许多形式。最常见的是白色的膏体或热脂（thermal  grease），通常为氧化铝、氧化锌或氮化硼填充的硅油。一些品牌的热界面材 料使用微粒或粉末化的银。另一类热界面材料是相变材料。相变材料在室温 下为固体，但在工作温度液化且表现得像脂。

相变材料是具有高熔解热的物质，其在特定温度下熔融和凝固时，能够 存储和释放大量能量。当该材料由固体变为液体时和相反时，吸收或释放热； 因此，相变材料被归为潜热储热单元。

相变材料潜热储热可通过固-固、固-液、固-气和液-气相变实现。然而， 用于相变材料的唯一相变为固-液变化。液-气相变对于用作热存储是不实用 的，因为需要大体积或高压来存储处于气相时的材料。液-气转变确实比固- 液转变具有更高的转化热。固-固相变典型地非常慢，且具有相当低的转化 热。

最初，固-液相变材料表现得像显热存储材料；随着它们吸收热，它们 的温度升高。然而，与常规的显热存储不同，当相变材料达到它们的相变温 度（即熔融温度）时，它们在几乎恒定的温度下吸收大量的热。该相变材料 继续吸收热而没有显著的升温，直至所有材料转化为液相。当液体材料周围 的环境温度下降时，相变材料凝固，释放其存储的潜热。在从-5℃直至190 ℃的任何所需温度范围内均有大量相变材料。在20℃-30℃的人体舒适温度 范围内，有些相变材料非常有效。与常规的存储材料例如水、砖石或岩石相 比，它们每单位体积可存储5-14倍的热。

已经知晓，在热界面材料中结合某些类型的碳纳米纤维可使这样的材料 具有导热性。碳纳米纤维或碳纳米管可通过各种已知的技术分散在热界面材 料中。这些技术包括但不限于熔化、捏炼（kneading）和分散混合器以形成 混合物，其随后可成型为形成导热物品。

纳米纤维限定为直径在100纳米量级的纤维。它们可通过界面聚合作用 和电纺丝产生。碳纳米纤维是通过在催化核周围催化合成产生的石墨化纤 维。出于示范性目的，周围形成石墨片的催化核称为金属种子或催化金属种 子，其中催化金属种子是具有磁性的材料，例如，铁、钴或镍。适合于形成 可磁性排列的石墨纳米纤维的其它非金属材料在本发明的范围内。

石墨纳米纤维可生长为在围绕催化金属种子的多种形状。从物理的观点 看，石墨纳米纤维在长度上的变化为5至100微米，并且直径在5至100nm 之间。由石墨片组成的石墨纳米纤维相对于纤维的纵轴设置在不同的定向 上，产生各种构造。在一个实施例中，在金属核上沉积石墨纳米纤维前，将 磁场施加到金属催化剂。由于施加磁场，种子的磁极随着磁场排列，并且随 后它们在沉积后在施加磁场的方向上旋转时而携载附接的石墨纳米纤维与 它们一起旋转。

对于菱形形状的催化金属种子，大部分石墨片沿着由外部磁场指示的纤 维轴排列，从而催化金属种子可使其两极垂直于或平行于外部磁场排列。种 子粒子不限于加长的菱形，从而沉积的金属核的石墨纳米纤维形成人字图 形。石墨片可设定为各种形状中的一种。如果催化金属种子为矩形板，则石 墨片沉积为板。如果催化金属种子为圆柱形的，则石墨片沉积为圆柱形板。 如果催化金属种子是小棒，则石墨片沉积为沿着矩形棒的长轴的矩形固体。 石墨片呈现催化金属种子表面的几何形状。

碳纳米管（CNTs）是具有圆柱纳米结构的碳同素异形体。纳米管已经 构造为长度直径比至132,000,000：1，显著地大于任何其它材料。它们显示 非凡的长度和独特的电特性，并且为高效的热导体。

纳米管是富勒烯结构家族的成员，其也包括球形的巴克球。纳米管的端 部可覆盖有巴克球结构的半球。它们的名字得自于它们的尺寸，因为纳米管 的直径为几个纳米的量级（约为人头发宽度的1/50,000），尽管它们可在长度 上至18厘米。

由于具有非凡的导热性，石墨纳米纤维和纳米管已经在电子领域获得了 相当多的关注。而且，石墨纳米纤维和纳米管的导热性是各向异性的。各向 异性是方向依赖的特性，与在所有方向上给予相同的性质的各向同性相反。 因此，本发明通过沿着传导轴有效排列它们，利用石墨纳米纤维和纳米管的 各向异性性质的优点，从而在比较低负荷水平下产生具有异常导热性的热界 面材料。钻石、石墨和石墨纤维已知为热的良导体，其导热率达到3000 W/m-K。

所有的纳米管都期待为沿着该管的非常好的热导体，显示出称为"冲滑 导"的特性，但在管轴的横向上为良好的绝缘体。测量结果显示单壁纳米管 的沿着其轴的室温导热率约为3500W/m·K，与由于良好的导热性而熟知的 金属铜相比，铜传输385W/m·K。单壁纳米管跨轴的室温导热率（在径向方 向上）约为1.52W/m·K，这约为土壤的导热率。钻石、石墨和石墨纤维被看 作良好的热导体，其导热率高达3000W/m-K。下面的表1列出了将一定类 型的材料合并进入热界面材料的情况下每个芯片可有效冷却的最大功率（假 设100%覆盖），以及这样材料的导热率。

表1

TIM材料 传导率（W/mK） 每个芯片的功率（W） 脂 2.8 35 凝胶 5.7 80

CNF 6000 >300 CNT 3500 ～150

现在参考附图，其中相同的附图标记在几个图中表示相同的元件。图1 是截面框图，示出了芯片堆叠10中所用的可控塌陷芯片连接17（即C4）或 倒装芯片电传导通道16和热传导通道18的示例。

芯片堆叠10包括多个芯片13（A-D），其进一步包括一个或多个电传导 通道16和/或热传导通道18，其从顶部表面到底部表面延伸通过芯片13。在 一个实施例中，“传导通道”实际上是由一个或多个可控塌陷芯片连接17 （C4s）顺序连接的两个或更多个硅通孔（TSVs）的结合。

优选地，电传导通道16由钨或铜形成；然而，可采用且可期待其它导 电材料。电传导通道16选择性传导电信号到其上电路14的部分且从其选择 性传导电信号，或者简单耦接到焊料凸点17以互连芯片堆叠10中的不同芯 片13（例如，芯片13A和13B），或者二者。焊料凸点17设置在热界面材 料（TIM）垫40的区域41内。在一个实施例中，区域41冲压在TIM垫40 当中。在另一个实施例中，在TIM垫40的形成期间形成区域41。

TIM垫40包括碳纳米管（CNTs）或石墨纳米纤维（GNFs），其分散在 相变材料（PCM）或硅脂中。CNTs或GNFs然后排列在xy平面（即设置为 平行于芯片13的表面）中。从而可将热传递到芯片堆叠10的边缘。一旦热 传递到芯片堆叠10的边缘，多个散热器或其它类似的装置可用于更加有效 地散发芯片堆叠10的热量。

CNTs或GNFs由施加的磁场在一个方向上排列在热界面材料30中。通 过沿着3D芯片堆叠10的xy平面中的传导轴排列CNTs或GNFs产生在相 当低的负荷水平具有良好导热性的TIM垫40。用于排列石墨纳米纤维以提 高热界面材料性能的系统和方法在于2010年7月23日提交的共同转让且未 决的美国专利申请（代理案号ROC92010010US1）中已得到描述，该专利申 请的名称为“A METHOD AND SYSTEM FOR ALLIGNMENT OF  GRAPHITE NANOFIBERS FOR ENHANCED THERMAL INTERFACE  MATERIAL PERFORMANCE”，申请号为No.12/842,200，通过引用将该申 请结合于此。

优选地，热传导通道18形成且填充有导电材料、金属，或作为选择由 导热硅脂形成。导热硅脂通常为填充有氧化铝、氧化锌或氮化硼的硅油；然 而，可采用且预期其它的导电材料。某些类型的热传导通道18采用微粒或 粉末化银。另一种类型的热传导通道18为相变材料。相变材料在室温下是 固体，但是在工作温度下溶解且类似于油脂。热传导通道18传导热到其上 的电路14的部分且从其传导热。热传导通道18连接到焊料凸点17以互连 芯片堆叠10中的不同芯片13（例如，芯片13A和13B），通过传导热到芯 片堆叠10的侧部的导热硅脂12或本发明的TIM垫40耦接到散热器11。

电传导通道16耦接到芯片13A-C的底部表面上的连接焊盘（未示出） 上的焊料凸点17。根据惯常实践，焊料凸点17与芯片13电隔离且彼此电隔 离。另外，电传导通道16优选由绝缘区域（未示出）与芯片13电绝缘，绝 缘区域设置在电传导通道16和芯片13之间。绝缘区域优选为二氧化硅 （SiO₂）；然而，可采用且预期其它落入本发明的范围内的绝缘材料。绝缘 区域防止电传导通道16中传输的信号干扰芯片13的偏压（其通常为接地电 压或Vdd）。当然，在某些情况下，电路14在顶表面上的端子之一可保持在 基板电位，在此情况下，可不绝缘适当的电传导通道16，并且因此与保持在 类似电位的芯片13的电接触，这可能是期望的情况。

如所示，每个芯片13采用传导通道16在可控塌陷芯片连接（C4）结构 （通常也称为焊料凸点或倒装芯片连接）中。芯片堆叠10包括基底芯片13A。 然后，焊料凸点17设置在用于第二（或顶部）芯片13A的传导通道16的连 接焊盘（未示出）上，其面向下定向（即倒装芯片），与传导通道16对齐且 与之接触。电传导通道16之间的电互连通过将焊料凸点17加热到回流温度 而形成，在该温度点上焊料流动。在焊料流动后，随后的冷却导致在导电通 道16之间形成固定的导电连接点。

一侧上的基底芯片13A用导热硅脂12连接到散热器11。在选择性实施 例中，结合垂直排列碳（石墨）纳米纤维的热界面材料可用于取代导热硅脂 12作为基底芯片13A的顶部和散热器11之间的非常有效的热界面材料。这 样的设置已在美国专利申请中公开（名称为“A METHOD AND SYSTEM  FOR ALLIGNMENT OF GRAPHITE NANOFIBERS FOR ENHANCED  THERMAL INTERFACE MATERIAL PERFORMANCE”，申请号为 12/842,200）。其它的芯片13B-13D可具有C4连接结构，实现在其顶表面和 底表面二者上，如图1所示。在这样的情况下，第二芯片13B可类似地定向 为相对于基底芯片13A面向下，并且采用焊料凸点17与其连接。

图1的C4结构克服了连接方法的一个缺点。首先，由于避免了球焊连 接技术，在连接过程中在焊料凸点17上产生非常低的应力，这允许电路 14A-C形成在焊料凸点17下。电路14A-C根据很多传统半导体加工技术中 的任何一种形成。然而，图1的C4结构具有一个主要缺点，不能散发电路 14A-D产生的热。本发明的TIM垫40包括碳纳米管（CNTs）或石墨纳米纤 维（GNFs），其分散在相变材料（PCM）或硅脂中。CNTs和GNFs排列在 平行于芯片13的表面的位置。因此，这可将热传递到芯片堆叠10的边缘。 一旦热传递到芯片堆叠10的边缘，多个散热器或其它类型的装置可用于更 加有效地散发芯片堆叠10的热。在一个实施例中，所有的碳纳米纤维/纳米 管"东/西"排列，并且将热传递到位于芯片堆叠的东、西侧面上的散热器。

图2A是示出随机分散在热界面材料30中的石墨纳米纤维31示例的框 图。如所示，坩埚22中有热界面材料30。将坩埚22加热到使热界面材料 30熔化的温度。在一个实施例中，热界面材料30在热界面材料30熔化温度 之上的温度10-20℃熔化。在一个实施例中，热界面材料30是石蜡基材料。 在其它实施例中，在两侧上由电磁铁21围绕。磁场由电磁铁21周围的线圈 23产生在电磁铁21中。线圈连接到开关24，允许施加电力。

图2B是示出具有石墨纳米纤维31的热界面材料30示例的框图，石墨 纳米纤维31被磁场25排列以在热界面材料30中的期望方向上定向传导轴。 足够强度的磁场25施加到包含石墨纳米纤维31的热界面材料30，以便排列 石墨纳米纤维31。在一个实施例中，石墨纳米纤维31的长轴排列在平行于 配合表面的方向上。在另一个实施例中，石墨纳米纤维31排列为沿着石墨 纤维的传导轴。坩埚22冷却到接近室温。一旦具有在相变材料中排列的石 墨纳米纤维31的坩埚22冷却到接近室温，则从坩埚22取出热界面材料30。 在一个实施例中，室温通常在60°F至80°F之间的范围，或者11.5℃，热界 面材料30可为但不限于石蜡（C_nH_2n+2）；脂肪酸（CH₃（CH₂）_2nCOOH）； 金属盐水合物（M_nH₂O）；以及共晶（其倾向于为盐的水溶液）。在再一个实 施例中，热界面材料30可为硅树脂基凝胶或者膏，其最终硬化成垫。

石墨纳米纤维31采用完善的方法分配在熔化的热界面材料30中。在一 个实施例中，可采用高速分散搅拌器。在本发明的热界面材料30中石墨纳 米纤维31的量根据基底相变材料的量通常在4至10重量百分比的范围内， 优选为～5重量百分比。石墨纳米纤维31通常基本上均匀地分散在热界面材 料30的整个体积中。坩埚冷却到26.5℃。然后，TIM垫40从热界面材料 30切割到所希望的尺寸。采用本领域的技术人员已知的传统技术将适当几何 尺寸的垫（长X和宽Y）从热界面材料30的厚片切割下来，几何形状由热 界面材料垫40要与其配合的集成电路的覆盖区域决定。

根据本发明，期望位置上的导热性由多个芯片13A-D之间的具有石墨纳 米纤维31的TIM垫40增强。通过利用多个芯片13A-D之间的具有排列石 墨纳米纤维31的TIM垫40，可实现更大量的热传递到芯片堆叠10的边缘。 该解决方案的优点是它不改变芯片表面而进一步降低芯片温度，并且不要求 改变生产线或向系统增加更多的部件，例如，液体冷却剂和微通道热交换器。

图3A和3B是示出TIM垫40示例的框图，该TIM垫40具有由磁场 25排列从而定向传导轴在垂直于TIM垫40的方向上的石墨纳米纤维31， 并且具有形成在其上不同位置处的多个区域41。区域41为芯片13上的传导 通道16上形成的焊料凸点17提供间隔。焊料凸点17设置在传导通道16上 以通过TIM垫40将一个芯片连接到另一个芯片，从而电传导信号从一个芯 片13到另一个芯片13。在一个实施例中，焊料凸点17可将热量从一个芯片 13传导到另一个芯片13，且最终传导到散热器11，或者通过两个芯片13 之间的TIM垫40将热量从焊料凸点17横向传导到芯片堆叠10的边缘。在 另一个实施例中，石墨纳米纤维31在TIM垫40中的方向在芯片当中交替， 从而交替的层将热量吸取到芯片堆叠的东/西侧上的散热器以及到芯片堆叠 的南/北侧的散热器。

如所示，多个焊料凸点17和区域41是圆形的，然而，这仅为示例性的， 并且焊料凸点17和区域41可为任何形状，包括但不限于三角形、矩形、正 方形、圆形、椭圆形、不规则形状或者任何四边形或多边形。区域41的尺 寸和形状通常由焊料凸点17的尺寸和形状决定。这是为了在TIM垫40中 为焊料凸点17提供间隔。

同样如所示，一个实施例中的焊料凸点17和区域41设置成规则图案， 然而，这仅为示例性的，并且焊料凸点17和区域41具有以任何期望图案设 置的灵活性。该灵活性的附加水平允许设置电路14A-C而与焊料凸点17和 区域41的位置无关。这进一步允许以优化的方式在电路14A-C之上的位置 设置焊料凸点17，以直接与另一个芯片13上的电路耦接。在另一个实施例 中，可以以图案方式形成焊料凸点17和区域41，其中传导通道16在芯片 13的周边提供电力以帮助冷却芯片13。因此，焊料凸点17和区域41可设 置在图1所示的芯片13A-D上的任何位置，而不需要在芯片的周边边缘上形 成这样的互连。

TIM垫40用于去除热转移表面之间的任何间隙，例如，芯片13（A-D） 之间的间隙、微处理器和散热器之间的间隙，以便提高热转移效率。任何间 隙通常由空气填充，其是非常差的导体。

图3A和3B是示出具有石墨纳米纤维31的热界面材料垫（TIM）40A 和40B示例的框图，石墨纳米纤维31由磁场25（图2B）排列以将其传导 轴定向在垂直于TIM垫40A和40B的方向上。另外，在其上不同位置处形 成有多个区域41。这些区域41用于焊料凸点17与芯片13连接在一起。在 选择性实施例中，附加TIM垫40与外挂在芯片13之间的TIM垫40的边缘 热接触，以有效地将热量吸取到芯片堆叠10的顶部上的散热器11。在另一 个选择性实施例中，附加TIM垫40与外挂在芯片13之间的TIM垫40的边 缘热接触，以有效地将热量吸取到芯片堆叠10的侧面上的散热器11。

图4是示出具有石墨纳米纤维31的热界面材料垫50示例的框图，石墨 纳米纤维31设置为使具有石墨纳米纤维31的热界面材料30的两个相对侧 在TIM垫50与芯片13接触的侧面平行的一个方向上传导热量，并且另两 个相对侧在垂直于第一方向且仍与TIM垫50与芯片13接触的侧面平行的 第二方向上传导热量。在该选择性实施例中，图3A和3B所示的俯视图中 给出的单向TIM垫50可易于分割且连接在一起以传导热到所示芯片堆叠的 所有四边。在该选择性实施例中，TIM垫50上的用于芯片焊料凸点17的图 案区域51通常在组装TIM垫50后施加。这是为了保证用于芯片13上的芯 片焊料凸点17的区域51适当排列。

图5是示出具有石墨纳米纤维31的热界面材料垫60的另一个示例的框 图，石墨纳米纤维31设置为使具有石墨纳米纤维31的热界面材料30的两 个相对侧在与TIM垫60接触芯片13的侧面平行的一个方向上传导热量， 并且另两个相对侧在垂直于第一方向且仍与TIM垫40接触芯片13的侧面 平行的第二方向上传导热量。在该选择性实施例中，图3A和3B所示俯视 图中给出的单向TIM垫40可易于分割且连接在一起，以将热量传导到所示 芯片堆叠的所有四侧，从而石墨纳米纤维31将热量传导到TIM垫60的最 近边。在该选择性实施例中，TIM垫60为矩形形状，其中A=B=C=D，与矩 形的长宽比无关。在该选择性实施例中，覆盖存储芯片的芯片堆叠10。TIM 垫60上的用于芯片焊料凸点17的图案区域61通常在组装TIM垫60后施 加。这是为了保证用于芯片13上的芯片焊料凸点17的区域61适当排列。

图6是示出利用具有由石墨纳米纤维31的TIM垫40形成芯片堆叠10 的方法示例的流程图，石墨纳米纤维31由磁场25排列以将传导轴定向在本 发明的期望方向上。具有形成各芯片13的多种方法，随后组装，从而接下 来恰为利用具有排列的石墨纳米纤维31的热界面材料垫40在多层堆叠10 中构造硅器件的一个方法。

在步骤101，催化金属种子沉积在沉积腔中。种子粒子不限于任何特定 的形状，并且可按照已知的工艺方法产生。种子粒子可采用多种形状中的任 何一种，并且它们可形成为小棒。如果种子粒子是矩形板，则石墨片沉积为 板；如果种子粒子为圆柱形的，则石墨片沉积为圆柱板。石墨片呈现催化金 属种子的表面几何形状。该腔充满反应气体混合物。通过催化金属种子催化 剂、碳氢化合物/氢气反应剂混合物的比例以及反应条件的明智选择，能够裁 量结构特性、结晶程度和沉淀的石墨晶体相对于纤维轴的定向。在一个实施 例中，催化合成采用含碳气体，其包括但不限于乙烯-氢混合物、甲烷-氢混 合物、CO-CO₂-H₂混合物，CO、CH₄、乙炔和苯已经用作含碳气体。在另一 个实施例中，可利用林茨-多纳维茨（Linz-Donawitz）转换气体（LDG），其 成分近似为67%CO、16%CO₂、11%N₂、1.2%H₂、0.2%O₂和0.6%H₂O。 可采用已知技术的其它气体的结合。气体混合物热分解催化金属种子以产生 石墨纳米纤维31。

在步骤102，在坩埚22中熔化热界面材料30。在一个实施例中，基底 热界面材料30在热界面材料30熔化温度之上的温度10-20C熔化。在一个 实施例中，热界面材料30是石蜡基材料。在其它实施例中，热界面材料30 可为但不限于石蜡（C_nH_2n+2）；脂肪酸（CH₃（CH₂）_2nCOOH）；金属盐水合 物（M_nH₂O）；以及共晶（其倾向于为盐的水溶液）。在再一个实施例中，石 墨纳米纤维31可分散在硅树脂基凝胶或膏中，其用作最终硬化成垫的热界 面材料30。

在步骤103，石墨纳米纤维31采用完善的方法分配在熔化物中。在一个 实施例中，可利用高速分散搅拌器。在本发明的热界面材料30中石墨纳米 纤维31的量根据热界面材料30的量通常为4至10重量百分比的范围，优 选～5重量百分比。石墨纳米纤维31通常基本上均匀地分散遍及热界面材料 30的体积。在选择性实施例中，碳纳米管可取代石墨纳米纤维31。

在步骤104，在坩埚22中铸造热界面材料30。铸造的相变材料的温度 大致保持在步骤102获得的熔化温度。在步骤105，足够强度的磁场25（图 2B）施加到包含石墨纳米纤维31的热界面材料30，以便排列石墨纳米纤维 31。在一个实施例中，石墨纳米纤维31的长轴沿着石墨纤维的传导轴排列。 在另一个实施例中，石墨纳米纤维31在垂直于配合表面的定向上排列。在 再一个实施例中，磁场通常在500-100,000高斯或0.05-10泰斯拉的范围内。

在步骤106，坩埚22冷却到接近室温。一旦具有在相变材料30中排列 的石墨纳米纤维31的坩埚22已经冷却到接近室温，从坩埚22取出热界面 材料30。在一个实施例中，室温通常在60°F至80°F或者11.5℃至26.5℃ 的范围内。在步骤107，TIM垫40切割为期望的覆盖区域。采用本领域的 技术人员已知的传统技术从热界面材料30的厚片切下适当尺寸几何形状（长 X、宽Y和厚Z）的TIM垫40。TIM垫40的几何形状由与TIM垫40配合 的集成电路的覆盖区域确定。

在步骤111，然后，在芯片13的底部表面上形成焊料凸点17。这些焊 料凸点17通常与芯片13上的传导通道16对齐，以便传导电信号。在选择 性实施例中，热传导通道18可传导热而不传导电子信号，并且采用具有导 热能力的焊料凸点17。在一个实施例中，可采用均质过程产生用于电传导通 道16和任何的热传导通道18二者的焊料凸点17。

在步骤112，在垫42内设置与芯片13上的焊料凸点17对应的区域41。 这将允许芯片13上的这些焊料凸点延伸通过TIM垫40，以便机械连接且电 连接至另一个芯片13。在步骤113，芯片堆叠10中的芯片13与两个相邻芯 片13之间的TIM垫40装配。

在步骤114，芯片堆叠10加热到回流温度，在该温度点上焊料凸点17 中的焊料流动。随后冷却导致在导电通道16之间形成固定的导电点。这样 的示例是为了使第一芯片13A的底部表面用其间的TIM垫40A（图1）耦接 至第二芯片13B的顶部表面。

在步骤115，决定是否要测试芯片堆叠10中芯片13上的电路。如果在 步骤115中决定不执行芯片堆叠10中的电路测试，则方法100跳到步骤119。 然而，如果在步骤115决定要测试芯片堆叠10中的芯片13上的电路，则在 步骤116对电路进行电性能测试。

在步骤119，方法100将散热器11附接到一个或多个芯片13的一个或 多个表面。

本文中使用的术语仅用于描述具体实施方案，且不意图限制本发明。如 本文所用，单数形式的“一个”、“一种”和“该”也意图包括复数形式，除 非上下文明确指出。应进一步理解，术语“包括”和/或“包含”，当在本说明书 中使用时，表示存在所述特征、整体、步骤、操作、要素和/或部件，但不排 除存在或添加一种或多种其它特征、整体、步骤、操作、要素、部件和/或其 集合。

附图中的流程图和框图说明根据本发明的各种实施方案的系统和方法 的可能实施方式的功能性和操作。就此而言，流程图或框图中的各个框可表 示待实施的模块、段或任务，其包括一个或多个用于实施特定功能的可执行 步骤。还应指出的是，在一些替代实施方式中，在所述框中示出的功能可以 不以附图中所示的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能性，连续显示的两 个框实际上可基本同时实施，或有时以相反的顺序执行。

应强调的是，本发明的上述实施方案，特别是任何“优选的”实施方案， 仅为出于清楚地理解本发明的原理的目的而给出的实施方式的可行例子。在 基本不背离发明原理的情况下，可对本发明的上述实施方案做出许多改进和 变型。所有这样的改进和变型在此均意图包括在本公开和本发明的范围内， 并由后附权利要求保护。