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CN101097164A - 集成微电子封装温度传感器 - Google Patents

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CN101097164A
CN101097164A CNA2007101290196A CN200710129019A CN101097164A CN 101097164 A CN101097164 A CN 101097164A CN A2007101290196 A CNA2007101290196 A CN A2007101290196A CN 200710129019 A CN200710129019 A CN 200710129019A CN 101097164 A CN101097164 A CN 101097164A
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Abstract

可以使用碳纳米管网络现场测量微电子集成电路封装和部件中的温度。可以使用在直立结构之间排成串的碳纳米管阵列来测量局部温度。由于碳纳米管的缘故，可以获得高度准确的温度测量结果。在某些情况下，可以将碳纳米管与直立结构固定到随后被连接到微电子封装的衬底。

Description

集成微电子封装温度传感器
技术领域
本发明一般地涉及测量与微电子封装和部件有关的温度。
背景技术
温度对于微电子封装和部件的影响可以是各不相同的。许多封装工艺包括施加升高的温度。这些被升高的温度可能对部件(包括封装内的集成电路芯片)产生不良影响。此外，这些封装可能会暴露于各种其他温度效应之下，这些效应可能会对被封装的部件产生影响。而且，集成电路本身也会暴露于各种温度环境。
已知如何将集成电路温度传感器集成到整个集成电路之中。可以从弯曲的集成温度传感器获得温度读数。然而，在某些情况下，这些测量结果的准确性是有限的。而且，这些温度传感器可能占据总的可用的集成电路空间的相当大的百分比。而且，在某些情况下，可以形成这类温度传感器的位置是有限的。也就是说，尺寸足以容纳这样的集成元件的区域一般是有限的。
发明内容
本发明提供一种方法，包括：使用碳纳米管来测量微电子集成电路上的温度。
本发明提供一种微电子部件，包括：微电子元件；和一对被支撑在所述元件上的碳纳米管，用于测量所述元件的温度。
本发明还提供一种系统，包括：处理器；连接到所述处理器的动态随机存取存储器；以及所述处理器包括微电子元件和一对被支撑在所述元件上的、用于测量所述元件的温度的碳纳米管。
附图说明
图1是本发明的一个实施例的被放得很大的局部横截面图；
图2是图1中的实施例经过进一步加工后的被放得很大的横截面图；
图3是图2的实施例位于集成电路或其他微电子封装部件上时的俯视图；
图4是根据本发明的一个实施例的封装的放大的横截面图；
图5是根据本发明的另一个实施例的封装的放大的横截面图；和
图6是根据本发明的一个实施例的集成电路的放大的横截面图；
图7是本发明的使用两条彼此分开的金属线的又一个实施例的放大的横截面图；和
图8是根据本发明的一个实施例的系统图。
具体实施方式
参考图1，根据本发明的某些实施例，可以在集成电路衬底12上形成温度传感器10。可以形成多个从衬底12向上延伸的金属结构16。结构16可以由适于生长桥状碳纳米管18的材料制成。这些碳纳米管18可用作温度传感器。也就是说，这些纳米管的电导率是温度的函数。通过测量这些纳米管的电导率，通过让电流流经它们，可以确定局部温度。
在本发明的某些实施例中，可以形成大量的直立结构16。在某些实施例中，可以使用众所周知的技术将它们形成为规则的阵列。这些阵列可以由内柱14(可能为非金属材料)以及形成直立结构16的金属涂层构成。
碳纳米管18可以桥接在相邻的结构16之间。从而，可以将多个碳纳米管18随机地排列成横贯直立结构16的一般为水平的结构。
在本发明的某些实施例中，可以直接在衬底12上形成结构16。在本发明的一个实施例中，这些结构16可包括被金属催化剂覆盖以形成金属结构16的柱14。合适的金属催化剂包括铁、钴和镍。作为示例，结构16的高度可以为约一微米。
例如，可以通过掠射角淀积法形成这些结构。通过控制衬底12的旋转运动(包括其角度和速度)，可以控制结构16的高度。尽管可以利用不同的金属催化剂来形成结构16，但镍可能是优选的，因为它能提供与随后形成的纳米管18之间的更低的接触电阻。
在本发明的某些实施例中，可以用衬底12上的一些直立结构16来形成可分离单元20，如图2所示。可分离单元20可以由衬底12的一部分形成，已减少该衬底的厚度，使得衬底的厚度不会对温度测量结果产生不利影响。从而，可以减小衬底12的尺寸和厚度，以便用该衬底上形成的更少数目的直立结构16来形成单元20。
可以生长图1中所示的碳纳米管18，以使其桥接在结构16之间。当提供排列成规则的行和列的结构16的大阵列时，这一点尤为有用。在一个实施例中，可以用化学汽相淀积来生长这些碳纳米管。在本发明的一个实施例中，可以将甲烷用作碳的来源来生长碳纳米管。结果，纳米管可以从一个直立结构延伸到另一个直立结构。在淀积碳纳米管期间，可以提供氩气，以减少氧化。在一个实施例中，可以利用约为500Torr(托)的压力，且甲烷环境中的炉温处于包括但不限于800至950摄氏度的范围内。
有利地，将相邻的结构16设置为合理地彼此靠近，使得给定长度的碳纳米管(图3)能够横跨这些结构。
在一个实施例中，可通过在柱14上淀积催化剂来形成结构16。例如，柱14可以是硅柱或二氧化硅柱。例如，可以通过生长或淀积柱材料，设置掩模和蚀刻以形成期望排列的柱来形成这些柱。在某些实施例中，当衬底是晶体半导体时，可以将至少两个柱对准衬底12的结晶平面。
在催化剂膜淀积期间，可以将衬底12倾斜两次(约+/-45度)，以将催化剂散布在柱14上来形成结构16。然后，在柱14的存在上述催化剂的上部和侧壁形成碳纳米管18。在某些情况下，上述催化剂未完全覆盖柱。
在某些实施例中，可以生长柱的阵列(未示出)，但可以用上述催化剂仅活化其中的一些柱。例如，可以用催化剂仅活化两个柱，这样，碳纳米管仅桥接这两个用催化剂予以活化的柱。可以使用掩模或选择性的催化剂淀积来实现这种选择性的活化。尽管示出形成了圆柱形结构16，但是也可以使用其他形状。
一般地，沿结构16从上到下近似水平地生长纳米管18。这些纳米管如同桥那样横跨于衬底12上方。
在某些实施例中，随后可以将衬底12(图1)变薄来形成单元20(图2)，以使得该单元本身的厚度不会造成其温度正在被测量的管芯的温度的变化。然后，可以将变薄的单元20粘结到任何聚合物或陶瓷表面。
参考图3，然后使用金属线30将纳米管18电连接到外部的温度传感器(未示出)。具体地，可以将单元20以粘结的方式固定到其温度将要被测量的结构32。然后，可以将金属线30淀积至(或以其他方式形成至)结构16。然后，金属线30将碳纳米管18的阵列的每一侧连接到合适的焊盘(未示出)，所述焊盘可连接温度感测电路。可以使用传统工艺(如丝网印刷或电镀)印制金属线30和所述焊盘。
在其他实施例中，可以使用高的柱形图案(如使用固定到衬底的钉的柱形图案)来在衬底上准备纳米管。这里的“高”是指结构16具有约为(但不限于)0.7厘米的高度。随后，生长纳米管并完成金属化。也可利用其他结构16来生长桥形碳纳米管，包括电线杆和足球门取向的钉书钉。确实，可以利用直立的钉书钉：使用合适的粘合剂(如碳带)将它们固定到硅晶圆。可以使这些钉书钉的尖端直立(“电线杆”)或倒置(“足球门”)，并伸入衬底。
然后，可以在约100m Torr的真空条件下，在温度为1373开尔文的炉中，使用化学汽相淀积生长碳纳米管。将两个体积百分数的噻吩加入0.02g/ml的二茂铁溶液和10ml的己烷。己烷可用作碳的来源，且二茂铁用作碳纳米管的气态扩散形成的催化剂。可以将上述溶液加热到150℃，然后以每分钟0.1mls的平均速率将其引入水平管状石英炉(持续10分钟)。也可以使用其他工艺参数。
已知噻吩可以促进在氢气气氛中形成单壁碳纳米管，且发现在不具备氢气气氛时主要生成多壁碳纳米管。通过控制炉中的氢气浓度来控制纳米管生长条件，可以使用单壁碳纳米管或多壁碳纳米管(无氢气气氛生成多壁碳纳米管，而氢气气氛有助于生成单壁碳纳米管)。
尽管建议以上述配方和数量来生长碳纳米管，但是，所述生长条件并不限于该种配方和这些数量，相反，所述生长条件包括建议的配方和数量。在某些温度感测应用中，多壁碳纳米管更为有利。
参考图4，根据本发明的一个实施例，可通过在第二层互连结构(如焊球或表面安装焊盘26a)间生长碳纳米管来测量与表面安装技术有关的温度。可以在焊盘26a上安装焊球34。焊球34可以将封装37连接到外部的印刷电路板(未示出，如母板)。
可以生长碳纳米管18，以使其跨越足够邻近的焊盘26a。在某些情况下，仅其中的一些焊盘26a被用于温度测量，而其他焊盘不具有这样的功能，相反，这些焊盘常规地用作第二层互连结构。在某些情况下，焊盘26a可能未用于电气用途，而可能仅用于温度测量目的。
可以在合适的衬底36上形成焊盘26a，且在该衬底上安装了集成电路管芯40。壳体38可覆盖管芯40，并可被固定到衬底36。第一层互连结构44可以位于管芯40和衬底36之间。
参考图5，其中示出了基本相同的封装。然而，在这种情况下，碳纳米管18生长于第一层互连结构44而非第二层互连结构(如图4所示)之间。以这种方式，可以在合适分隔的元件之间有选择地生长碳纳米管，以便为第一和/或第二层互连结构进行温度测量。
在某些情况下，对于不同的应用，碳纳米管的长度可以不同，以跨越必要的空间。例如，在某些情况下，可能希望约为1微米的碳纳米管来横跨在管芯上的金属线之间，10至50微米的碳纳米管来横跨在相邻的表面安装焊盘，以及为相邻的焊接隆起设置长度达到1毫米的碳纳米管。
一般地，在不同应用中可利用不同技术来形成碳纳米管。在一个实施例中，可以为某些互连结构(如焊球焊盘26a)设置掩模，且不为其他互连结构(如焊球26a)设置掩模，以便仅在暴露的焊盘26a之间形成碳纳米管。作为另一示例，可以将单元20层压(laminated)成位于相邻焊盘之间，以实现可比效应。作为又一种可能性，在室温下，可以将溶剂中的液态纳米管分配在选定位置处，并使其干燥。作为又一种选择，可以利用电解沉积。
对于第一层互连结构，可能希望使用电解沉积或液体淀积技术，以避免将衬底或管芯40暴露在某些碳纳米制造工艺中可能需要的过高温度下。
在某些实施例中，可能希望第一层互连结构(从硅至衬底)连接实际上作为现用的(不作温度感测之用)互连结构的第二层互连结构，即使第一层互连结构(它们之间具有碳纳米管)可能未在电气方面用于它们正常的互连目的(不作温度感测之用)。从而，这些连有碳纳米管的第一层互连结构可能仅用于感测温度，但可以连接到现用的第二层互连结构，然而这些第一层互连结构实际上仅用于传送去往和来自它们的碳纳米管的信号。类似地，在某些实施例中，具有碳纳米管的第二层互连结构可以仅用于提供去往和来自碳纳米管的信号，以进行温度测量，且不执行其他互连功能。
在某些实施例中，纳米管可以是高精度的温度指示器。因为它们在长度维度上具有非均质的特性，且具有横越长度维度的非常小的尺寸，因此，可以用碳纳米管获得高的温度解析度。碳纳米管在原子层面上趋向于相对完美，且化学上较为稳定，因此，作为传感器，它们比类似尺寸的金属结构更为可靠。此外，在某些情况下，可以测量难以企及的位置处的温度。
参考图6，在另一个实施例中，可以将单元20固定到集成电路管芯40的相对侧。在一个实施例中，可以将单元20固定到管芯40的前侧42，以及，在另一个实施例中，可以将单元20固定到管芯40的背侧44，如图所示。在某些情况下，可以在管芯两侧设置温度感测单元20以及对外部的温度传感器进行合适的金属化。可以对提供电流给单元20中的碳纳米管和测量来自这些纳米管的所得电流以根据公知原理确定温度的电流源进行合适的金属化。
参考图7，根据本发明的另一个实施例，彼此分开的金属线26可以由碳纳米管18进行桥接。碳纳米管18可横跨居间的处于下方的槽24以及衬底22。金属线26可以是仅用于温度目的的仿真(dummy)金属线，或者，在某些情况下，可以是实际的金属线。当线26是实际的金属线时，例如，如果需要，通过在使用碳纳米管18进行温度测量后首先毁损这些碳纳米管18，随后用这些金属线来携带信号。或者，可以将线26连接到温度传感器，该传感器使用纳米管的变化的电阻来形成温度指示。
最后，参考图8，根据本发明的某些实施例，可以将具有集成温度传感器的集成电路或封装设备并入包括处理器10的系统之中。可通过总线38将该处理器10连接到动态随机存取存储器40和输入/输出设备42。尽管示出了一种简单架构，但许多其他的实施例也是可能的。
贯穿于本说明书之中的“一个实施例”或“某一实施例”意味着结合该实施例描述的某一具体特征、结构或特性被包括在包含于本发明之中的至少一种实施方式中。从而，表达“一个实施例”或“在某一实施例中”的出现不一定均指代同一实施例。而且，所述具体特征、结构或特性可以体现为不同于所示的具体实施例的其他合适形式，且所有这类形式均可以被本申请的权利要求所涵盖。
尽管已结合有限数目的实施例描述了本发明，但是，本领域技术人员可以从中明了许多种修改和变更。期望所附权利要求涵盖了落入本发明的实质和范围内的所有这类修改和变更。

Claims (25)

1.一种方法，包括：
使用碳纳米管来测量微电子集成电路上的温度。
2.如权利要求1所述的方法，包括在衬底上形成一对彼此分开的垂直结构，并在所述垂直结构之间生长碳纳米管。
3.如权利要求2所述的方法，包括通过减少所述衬底的厚度来形成单元。
4.如权利要求3所述的方法，包括将所述单元固定到集成电路。
5.如权利要求3所述的方法，包括将所述单元固定到微电子集成电路的封装部件。
6.如权利要求5所述的方法，包括将所述单元固定到第一层互连结构。
7.如权利要求5所述的方法，包括将所述单元固定到第二层互连结构。
8.如权利要求6所述的方法，包括通过第二层互连结构将电流提供给第一层互连结构中的所述单元。
9.如权利要求1所述的方法，包括提供延伸并横越相邻的互联结构的多个碳纳米管。
10.如权利要求1所述的方法，包括在集成电路管芯的背侧设置至少两个碳纳米管，以测量所述管芯的温度。
11.一种微电子部件，包括：
微电子元件；和
一对被支撑在所述元件上的碳纳米管，用于测量所述元件的温度。
12.如权利要求11所述的部件，其中所述部件是第一层互连结构。
13.如权利要求11所述的部件，其中所述部件是第二层互连结构。
14.如权利要求11所述的部件，其中所述部件是集成电路封装的一部分。
15.如权利要求11所述的部件，其中所述部件是集成电路管芯。
16.如权利要求15所述的部件，包括处于所述管芯的相对侧的碳纳米管。
17.如权利要求11所述的部件，其中所述碳纳米管被安装在固定到所述部件的衬底上。
18.如权利要求17所述的部件，其中所述碳纳米管被粘结到所述部件。
19.如权利要求11所述的部件，其中所述部件是第一层互连结构，并被连接到第二层互连结构。
20.如权利要求11所述的部件，其中所述碳纳米管在一对金属结构之间延伸。
21.一种系统，包括：
处理器；
连接到所述处理器的动态随机存取存储器；以及
所述处理器包括微电子元件和一对被支撑在所述元件上的、用于测量所述元件的温度的碳纳米管。
22.如权利要求21所述的系统，其中所述处理器呈现为管芯的形式，且该管芯在其两个相对侧具有碳纳米管。
23.如权利要求21所述的系统，其中所述处理器包括封装和所述封装上的碳纳米管。
24.如权利要求21所述的系统，其中所述处理器包括管芯，该管芯具有形成于其至少一侧的碳纳米管。
25.如权利要求21所述的系统，其中所述碳纳米管在衬底上形成，并固定到所述管芯。
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