用于把电能提供到具有集成的热量和电磁干扰管理的微处理器的方法和装置制造方法及图纸

在此公开一种使用模块电路板组件的微处理器封装构架，其把电能提供给微处理器，并且还用于散热和防止电磁干扰（ＥＭＩ）。该模块电路板组件包括安装有元件的基片、包括用于把电能提供给该元件的电路的电路板、以及置于该基片与电路板之间的至少一个导电互连器件，该导电互连器件把该电路与该元件电连接。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种电子系统，特别涉及一种用于把电能提供到例如处理器这样的组件的系统和方法，并提供一种集成的管理散热和电磁干扰的方法。
技术介绍
在高性能的桌面或高端工作站/服务器中，必须设计高速处理器封装，以提供日益增加的小的形状系数(form-factor)。以最小的形状系数满足终端用户的性能要求，并且增加可靠性和制造能力，对于电能分配、热量管理和电磁干扰(EMI)控制领域提出严峻的挑战。为了增加可靠性并且减少散热要求，更新一代的处理器被设计为以较低的电压和较大电流而工作。不幸的是，这会产生许多设计难题。首先，处理器的较低工作电压导致对功率调节电路以及把电能提供到处理器的导电路径具有更多的要求。一般来说，处理器要求电源电压调节在额定值的10％的范围内。为了考虑到在从电源到处理器本身的路径上的阻抗变化，这对功率调节电路增加更多的要求，一般要求把电源电压调节在额定值的5％的范围内。较低的工作电压导致工程师从集中的电源设计转向分布的电源构架，其中电源连接在需要高电压和低电流的位置处，在此通过附近的功率调节电路转换为由处理器所需的低电压高电流电源。尽管可以把功率调节电路置于处理器封装中，但是这样的设计难以实现，因为难以处理在功率调节电路中的元件的实际尺寸(例如电容器和电感器)，并且因为这种元件的添加对处理器的可靠性具有不良影响。这种设计还对处理器封装的组装和测试增加额外的要求。该问题的进一步恶化是由于对处理器本身的变化要求而导致的瞬间电流。处理器计算要求随时间而产生大的变化，较高的时钟速度和功率保持技术，例如时钟选通和休眠模式操作导致电源的瞬间电流。这种功率波动可能需要在几纳秒内改变几百安培。处理器与功率调节电路之间的电流波动会产生在电源电压中不可接受的毛刺(例如，dv=IR+Ldidt]]>) 。附图说明图1为在电压调节器与处理器之间的接口处的典型瞬时响应特性102，并且把该响应与额定电源电压104和最小电源电压106相比较。请注意瞬时接口电压包括初始毛刺，该毛刺不能延伸到最小电源电压加上一个可按受的容限108的数值之下，以及包括一个更加长时间的电压降110。为了保持电源电压在可接受的限度104和106的范围内，并且减小提供给处理器的功率中的变化，该功率和地位面、功率和地偏压、以及电容器焊盘必须被设计为保证到达处理器的较低电感功率传输路径。图2为一个示意分布电能系统200的示意图。该电源系统200包括具有电源单元206的主板202，例如安装在其上的DC/DC电压调节器。该主板202具有多个信号路径，包括第一信号路径，其具有高压/低电流(HV/LC)功率信号204(其还可以由一条线路提供)。电源单元206接收通过包含元件208的电子电路的HV/LC功率信号，并且把它转换为调节后的高电流/低电压(HC/LV)信号210，其被提供到主板202中的第二信号线路。插座214通过例如球栅阵列(BGA)这样的第一电连接部分212电连接到主板202。插座214包括内部电连接，用于把HC/LV信号提供到连接在插座214与功率调节模块218之间的端子216。类似地，功率调节模块218通过例如BGA这样的第二电连接部分220电连接到基片222。该处理器(例如，芯片)226通过第二电连接部分224电连接到基片222。HC/LV信号被通过上述电路路径提供到处理器。如上文所述，例如图1中所示的分布电能系统仍然会产生造成电能分配路径中的电压降的不可接受的阻抗。为了获得如图1中所示的适当容限，通过在包括功率调节模块218、在主板上、在处理器芯片封装上、以及在芯片本身上的整个功率传输子系统中设置去耦合电容器228和其它元件而管理冲击电流。这不但增加成本，而且消耗相当大的硅面积、芯片封装和板的面积。另外，为了使处理器工作在大于200MHz的频率下，唯一可用的电容器是在片电容器，或者非常接近于芯片的电容器。在片电容器在PC级的处理器中是普遍的。对于在更小的处理器芯片中对高性能和增加功能集成度的需要还导致在处理器芯片的特定区域中较高热量的集中。在一些情况下，导致表面能量密度接近于不可控制的程度。处理器可靠性与芯片节的工作温度形成指数关系。使温度降低10-15的量级会使处理器的寿命延长一倍。温度管理现在所存在的一些最大障碍是进一步使处理器小型化，以及增加处理器的速度。温度管理必须考虑到附近的电压调节器的效率。一个驱动130瓦的器件的85％效率的电压调节器消耗超过20瓦的功率。这样更加难以把该电压调节器设置在CPU附近，因为用于每个部件的温度管理结构相互冲突。电磁干扰(EMI)也是一个问题。在典型的计算机系统中，到目前为止，处理器226是最大的电磁能量的来源。在该来源(在处理器封装中)包含的辐射以及引导的发射将使得计算机OEM(原始设备制造商)更加容易进行系统设计。因为产生更高级别的谐波，美国通信委员会(FCC)规则要求在频率高达处理器时钟频率的5倍或者40GHz中较低频率的一个频率下的发射测试。EMI的主要成份是随着频率增加而变小的辐射电磁波。通常在底板级而不是在元件级上执行的EMI管理一般通过减小系统中的开孔尺寸有效阻挡电磁波而实现。但是，使用较小的开孔导致热量管理问题，因为气流减小。减小EMI的另一个方法是使所有散热器接地。从处理器封装耦合到散热器的噪声可能会使该散热器作为一个天线并且重新辐射噪声。但是，一般不可能通过处理器封装对该散热器接地。并且，尽管散热器接地时可以减小EMI，但是该技术一般不能够满足EMI的要求，并且一般需要其它屏蔽。所需要的是一种集成的处理器封装技术其提供所需的形状系数，并且把高电流低电压提供到处理器，不因为路径电感而需要大体积的外部电容，并且在满意的程度上管理热量和EMI发射。本专利技术满足这种需要。
技术实现思路
为了满足上述要求，本专利技术公开一种模块电路板组件及其制造方法。该模块电路板组件包括一个安装有元件的基片、包括用于把电能提供到该元件的电路的电路板、以及置于该基片与电路板之间的至少一个导电互连器件，该导电互连器件被设计为把该电路连接到该元件。在本专利技术的一个实施例中，特别适用于插入板结构，该电路板包括一个电压调节模块(VRM)，以及多个不可压缩导电支座件(standoff)用于把该电路板安装到处理器基片上。该实施例提供一个模块封装，其中该机械支座件用于许多目的。首先，它把一个低的电感路径直接提供到该处理器，而不是通过如图2中所示的基片、插座和其它元件的较高电感路径。第二，它们提供基片与电路板之间的适当的z轴(一般为垂直)的物理关系。该模块组件可以插入到该主板上的一个插座上，并且所有在该插座上的端子可以用作为信号端而不是电源端。如果需要的说，即使在通电时，这还使该处理器容易地从主板上分离。本实施例还提供一个对散热器或者其它散热器件的强健和持续的热及机械接口的优点。可压缩或其它柔性接口可以用于管理电路板、在电路板上的VRM元件和其它元件、以及处理器之间的物理和热连接。这些接口提供一个用于为处理器的热接口的压缩热连接，其可以适用于大范围的操作要求。在特别适用于可能用在或不用在插入板中的有机台栅阵列(OLGA(organic land grid array))基结构的第二实施例中，导电互连器件包括置于该元本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种模块电路板组件，其中包括：安装有元件的基片；包括用于把电能提供到该元件的电路的电路板；以及置于该基片与电路板之间的至少一个导电互连器件，该导电互连器件用于把该电路连接到该元件。

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：约瑟夫T迪比恩二世，戴维哈特基，詹姆斯H卡斯凯德，卡尔E霍格，
申请(专利权)人：INCEP技术公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]