導電導熱的界面的製作方法

2023-06-14 02:35:41 3

專利名稱：導電導熱的界面的製作方法
技術領域：
本發明涉及電路板和集成電路封裝的製造。更具體地，本發明涉及集成電路封裝的低存儲模量、導電導熱的界面。
背景技術：
集成電路是熟知的工業產品，且廣泛地用於商業和消費電子應用。它們在諸如工業控制設備之類的大規模應用中特別有用，以及在諸如電話、收音機和個人電腦之類的小規模裝置中也特別有用。
隨著更加密集的電子應用的需求的增加，對於工作速度更快、佔據空間更小以及提供功能更多的電氣系統的需求也增加。為了滿足這些需求，製造商設計了包含許多相對緊密接近的電氣部件的電氣和電子裝置。這些部件會產生大量的熱，這些熱必須通過某些方法驅散，以避免裝置的失效或者故障。
傳統的，在裝置的外殼中使用空氣的強制循環或者對流循環來冷卻電子部件。冷卻風扇通常設置為電子裝置的整體部分，或者單獨地接附到電子裝置上，以增加暴露給空氣流的集成電路封裝的表面積。使用這樣的風扇來增加在裝置外殼中的空氣流通的量。美國專利5,522,700講授了用於從電子部件散熱的典型的風扇裝置的使用。美國專利5,166,775描述了鄰近集成電路安裝的空氣歧管，用於將空氣噴射引導到安裝於電路中的電子裝置上。該空氣歧管具有空氣入口和沿著通道定位的多個出口噴嘴，用於將空氣引導到電子裝置上。
不幸的是，由於集成電路繼續減小尺寸，同時功率密度增加，簡單的空氣流通通常不足以充分地冷卻電路部件。空氣流通所能達到的散熱範圍以外的散熱可以由將散熱器或者其它散熱裝置接附到電子部件上來實現。美國專利4,620,216描述了用於半導體封裝的具有多個冷卻片元件的整體散熱器，該散熱器用來冷卻高密度的集成電路模塊。美國專利5,535,094講授了鼓風機和散熱器的組合使用。其講授了具有冷卻集成電路封裝的整體式鼓風機的模塊。該鼓風機接附到安裝於集成電路封裝的散熱器上。由集成電路產生的熱傳導到散熱器。鼓風機產生流過散熱器的空氣流，且去除封裝中熱。
在本領域中已知使用熱或者電界面來將這樣的散熱裝置接附到發熱部件上。然而，傳統的界面已知有幾個缺點。在半導體行業使用的界面通常包括金屬界面或者充滿導電填充物的聚合物粘合劑。諸如焊錫、銀和金之類的金屬界面提供低的電阻率，但是具有高的存儲模量，且不適於大的集成電路管芯。此外，聚合物粘合劑可以是很低的模量，但是它們的電阻率太高。由於從晶片發出的熱量變高，因此需要和集成電路封裝或者半導體管芯一起使用的熱界面，該熱界面具有低的模量以及高的導熱和導電性。還需要這樣的界面能夠在諸如大約200℃或者更低的低溫下組裝和加工。
本發明提供了該問題的一個解決方法。根據本發明，形成多孔的、柔性的、彈性傳熱材料，該材料包括金屬薄片網。這樣的傳熱材料最好由首先形成的包括揮發性的有機溶劑和導電金屬薄片的導電膏來生產。將該導電膏加熱到低於金屬薄片的熔點的溫度，從而蒸發溶劑且只在薄片邊緣燒結薄片。薄片的邊緣熔合到鄰近的薄片的邊緣，使得至少在一些鄰近薄片之間限定開孔，從而形成金屬薄片網。該網結構使得傳熱材料具有小於大約10GPa的低存儲模量，同時具有好的電阻特性。

發明內容
本發明提供多孔的、柔性的、彈性傳熱材料，該材料包括金屬薄片網，所述薄片具有邊緣，這些薄片只在它們邊緣燒結，且熔合到鄰近的薄片的邊緣，使得至少在一些鄰近薄片之間限定開孔。
本發明還提供用於形成多孔的、柔性的、彈性傳熱材料的方法，其包括a)形成包括溶劑和具有邊緣的導電金屬薄片的導電膏；以及b)將導電膏加熱到低於金屬薄片的熔點的溫度，從而蒸發溶劑且只在薄片邊緣燒結薄片，這樣熔合鄰近的薄片的邊緣，使得至少在一些鄰近薄片之間限定開孔，從而形成金屬薄片網。
本發明還提供將熱從微晶片傳導走的方法，其包括a)形成包括溶劑和具有邊緣的導電金屬薄片的導電膏；b)在微晶片和熱傳播器之間接附一層導電膏，這樣形成合成物；c)將該合成物加熱到低於金屬薄片的熔點的溫度，從而蒸發溶劑且只在薄片邊緣燒結薄片，這樣熔合鄰近的薄片的邊緣，使得至少在一些鄰近薄片之間限定開孔，且在微晶片和熱傳播器之間形成傳熱材料層，該傳熱材料包括金屬薄片網。


圖1示出了一層本發明的傳熱材料的頂視圖。
圖2示出了一層本發明的傳熱材料的特寫頂視圖。
圖3示出了一層本發明的傳熱材料的側視圖。
圖4示出了接附到微晶片的一層本發明的傳熱材料的側視圖。
圖5示出了接附到微晶片和熱傳播器的一層本發明的傳熱材料的側視圖。
具體實施例方式
本發明涉及多孔的、柔性的、彈性傳熱材料，該材料包括金屬薄片網。首先形成包括金屬薄片和溶劑的混合物的導電膏。該膏可以使用任何在本領域中已知的傳統方法來形成，諸如混合等。
金屬薄片最好包括諸如鋁、銅、鋅、錫、金、鈀、鉛和合金之類的金屬以及它們的組合物。最優選的，這些薄片包括銀。這些薄片最好具有從大約0.1μm到大約2μm的厚度，更優選的具有從大約0.1μm到大約1μm的厚度，最優選的具有從大約0.1μm到大約0.3μm的厚度。這些薄片最好具有從大約3μm到大約100μm的直徑，更優選的具有從大約20μm到大約100μm的直徑，最優選的具有從大約50μm到大約100μm的直徑。在最優選的實施例中，每個薄片具有比薄片的中心薄的邊緣。
溶劑最好用來降低金屬薄片的熔點。該溶劑最好包括具有大約200℃或者更低的沸點的揮發性的有機溶劑。合適的揮發性的有機溶劑非唯一地包括酒精，諸如乙醇、丙醇和丁醇。優選的揮發性的有機溶劑包括丁醇。
加熱導電膏，使得蒸發掉溶劑且只在薄片邊緣燒結薄片。這樣，這些薄片熔合到鄰近的薄片的邊緣，使得至少在一些鄰近薄片之間限定開孔，從而形成多孔的、柔性的、彈性傳熱材料，其大致不存在溶劑和膠合劑。最好在低於金屬薄片的熔點的溫度下實施導電膏的加熱。在一個優選的實施例中，在從大約100℃到大約200℃的溫度範圍，更加優選地從大約150℃到大約200℃的溫度範圍，最優選地從大約175℃到大約200℃的溫度範圍來實施加熱。
在一個優選的實施例中，以傳熱材料層的形式生產傳熱材料。這最好這樣實現，即，將一層導電膏施加到大致平的基片表面上，且如上所述加熱導電膏層，以形成傳熱材料層。然後，可以選擇性地從基片去除該傳熱材料層。合適的基片的例子非唯一地包括熱傳播器、矽片和散熱器。優選的基片包括矽片。可以使用諸如從注射器分配之類的任何已知的傳統技術來施加該膏。優選的，該傳熱材料層具有從大約10μm到大約50μm的厚度，更優選的，該傳熱材料層具有從大約10μm到大約35μm的厚度，最優選的，該傳熱材料層具有從大約20μm到大約30μm的厚度。該傳熱材料層最好包括小於大約10GPa的存儲模量，更優選的，包括從大約1GPa到大約5GPa的存儲模量，最優選的，包括從大約1GPa到大約3GPa的存儲模量。該材料層最好還包括從大約1×10-6ohm/cm到大約1×10-4ohm/cm的電阻，更優選的，包括從大約1×10-6ohm/cm到大約5×10-5ohm/cm的電阻，最優選的，包括從大約1×10-6ohm/cm到大約2×10-5ohm/cm的電阻。
本發明的傳熱材料可以用於多種目的，諸如金屬表面和矽片之間的熱界面，或者放熱物體和吸熱物體之間的熱界面等。在一個優選的實施例中，傳熱材料層的第一表面接附到放熱物體。合適的放熱物體的例子非唯一地包括微晶片、多晶片模塊、雷射二極體等。優選的放熱物體包括微晶片。然後，傳熱材料層的第二表面可以選擇性地接附到吸熱物體。合適的吸熱物體的例子非唯一地包括熱傳播器、散熱器、蒸汽腔、熱管等。優選的吸熱物體包括熱傳播器。這樣的放熱或者吸熱物體可以使用本領域中已知的任何合適的傳統方法來接附到傳熱材料層上。在最優選的實施例中，該傳熱材料層通過首先形成包括一層在放熱物體和吸熱物體之間接附的導電膏的合成物來形成。然後，加熱整個合成物來在放熱物體和吸熱物體之間形成傳熱材料。本發明的傳熱材料在微電子裝置的生產中特別有用。
下述的非限定性的例子用來說明本發明。應該理解，本發明的比例的變化和部件中的元件的替代對於本領域中的普通技術人員是明顯的，且在本發明的範圍內。
例子1用有機溶劑混合銀薄片，以形成均勻的膏。至少混合出四種膏。膏的有機溶劑相對於金屬薄片的比例在下面的表格1中顯示。
表格1溶劑相對於薄片的比例

然後，將這些膏填充到注射器中，使用1℃的圓錐平板式的Haake粘度計來測試膏的粘度。這些測量在22s-1和40s-1下實施。不同材料製備的粘度在表格2中顯示。
表格2在22s-1和40s-1下的粘度

如在表格中所示，在大約4000cps處批號#1和批號#2具有類似的粘度。這是期望的，因為它們都具有相同的成分混合比例。然而，批號#3和批號#4有較大不同的粘度，這與它們各自的成分混合比例相關。
然後，使用四種不同的固化曲線來固化這些材料，如下在表格3中所述。使用下述過程來實施固化1.如下每個曲線製備最少三個載玻片a.用異丙醇來清潔1」×3」的載玻片，且用空氣乾燥。
b.載玻片可靠地放置在載玻片固定器中。
c.使用刻於託架上的線作為引導，平行於載玻片的長度方向且分開100密耳放置帶條。應用的條的長度至少為2.5」長。
d.在帶下沒有皺紋或者氣泡。
2.銀膏放置在載玻片的一端。使用相對於載玻片表面維持大約30度角的刀片，朝著該載玻片的相對端吸引該銀膏材料，且該材料在帶條之間擠壓。
3.小心地去除該帶。
4.在烤爐中固化該材料。
表格3膏固化曲線的表述

然後，測試固化材料的體積電阻率。由於批號#1和2具有相同的成分混合比例，所以沒有測試批號#2。使用以下過程來測試體積電阻率1.沿著帶條在三個不同的位置測量固化材料的橫剖面積(μm2)。
2.使用型號為34401A的Hewlett-Packard四點探針來測量電阻。
3.記錄電阻測量，使用下面的公式來確定電阻率P＝R(A/2.54)cm其中P＝電阻率，ohm.cmR＝測量的電阻，ohmA＝橫剖面積，cm22.54＝內部電極對之間的距離，cm。
結果在如下的表格4中顯示。從這些結果可以觀察出，在曲線3中材料沒有燒結。這是由於150℃的峰值溫度對於銀的燒結太低的事實。
表格4材料的體積電阻率結果(Ohm.cm)

*不能測量使用曲線3固化的試樣，因為當探針放置在條上時，該條破裂。當從載玻片上去除條時，可以觀察到銀薄片沒有熔合到一起，且在載玻片上有殘餘物。對於曲線1和2，當從載玻片去除條時，該條保持完整，且看不見殘餘物。
+所表示的值導致試樣在沒有清潔乾燥空氣(CDA)的情況下固化。
使用管芯剪應力來測試燒結的金屬薄片到三個金屬表面的粘附強度，以確定銀膏的粘結強度。通過將銀膏塗覆到鍍鎳的表面、局部鍍銀的表面和裸銅表面上來形成測試表面。該金屬表面接附到鉛框架上，且在烤爐中固化。
根據以下過程測試固化的試樣1.基片設置在管芯剪應力測試器上的適當的保持夾具中。
2.管芯剪應力工具頂端與要測試的元件的最寬側對準。該管芯剪應力工具垂直於基片放置，且儘可能地靠近基片，而不皺縮基片表面。
3.在測試器面板上按壓「測試」按鈕，以啟動剪應力測試周期。
4.在剪應力測試周期完成以後，記錄在面板上顯示的力的等級。
5.重複步驟1到4，直到所有元件在該基片上剪切。
6.計算基片上的元件的平均剪應力強度。
從結果可以觀察出，固化曲線1對於工業來說太高，而曲線3沒有充分燒結材料。由於150℃的峰值溫度對於銀的燒結太低的事實，所以曲線3沒有燒結。這樣，只對曲線2和4進行了粘附測量。該實驗所用的膏批來自批號#3。結果在下面的表格5中顯示。
表格5批號3的管芯剪應力粘附結果

用100×100密耳的管芯測試粘附強度如表格5所示，材料不在鍍鎳的表面上燒結，而在裸銅表面上的粘附相當低。銅在升高的溫度下氧化，因此引起在表面上燒結的障礙。然而，局部鍍銀的表面在峰值溫度為200℃處有較好的粘附。粘附在180℃處較大地降低。注意，曲線2的失效模式如何在管芯/膏界面上出現，同時注意曲線4的失效模式如何在膏/基片界面出現。這顯示了曲線4的較低固化曲線具有較少的燒結，因此在材料中失效。然而，對於曲線2的在200℃的固化具有更高程度的燒結。失效界面轉移到了到裸銅的粘附較低的管芯/膏界面。
然後使用曲線2來測試批號#4的粘附。結果在下面的表格6顯示。
表格6批號#4的管芯剪應力粘附結果

用100×100密耳的管芯測試粘附強度如表格6所示，局部鍍銀的表面的粘附最強，接下來是裸銅表面。在該實驗中，鍍鎳的表面顯示了最小量的粘附。然而，與批號#3相比，該批特別的材料顯示了到局部鍍銀的表面相當小的粘附。這可能是由於在批號#4中有機溶劑的水平更高。
分析和結論混合三種該材料，發現粘度依賴於它們的有機質含量的混合比例。所有的膏都可以燒結。使用四種不同的曲線來燒結。發現銀薄片可以在180℃或者更高下燒結。發現燒結的材料的體積電阻率比填充銀的環氧粘合劑要低，但是比得上銀玻璃和焊錫的傳導率。這些膏的粘附主要依賴於溫度。其也依賴於它們粘附的表面。具體地，用金屬處理的管芯表面(例如，用銀處理)可以是更好的表面。除了該管芯表面，該材料不能很好地燒結到鍍鎳的表面，但是到局部鍍銀的表面有較好的粘附。
雖然已經具體顯示了且參考優選的實施例描述了本發明，但是本領域中的普通技術人員很容易理解，在不偏離本發明的精神和範圍下可以進行各種改變和改進。意在認為權利要求書覆蓋了公開的實施例、上面已經討論的那些替代物以及所有等效物。
權利要求
1.一種多孔的、柔性的、彈性傳熱材料，該材料包括金屬薄片網，所述薄片具有邊緣，這些薄片只在它們邊緣燒結，且熔合到鄰近的薄片的邊緣，使得至少在一些鄰近薄片之間限定開孔。
2.如權利要求1所述的傳熱材料大致不存在溶劑和膠合劑。
3.如權利要求1所述的傳熱材料具有大約10GPa或者更小的存儲模量。
4.如權利要求1所述的傳熱材料具有從大約1×10-6ohm/cm到大約1×10-4ohm/cm的電阻。
5.如權利要求1所述的傳熱材料，其特徵在於這些薄片具有從大約0.1μm到大約2μm的厚度，以及從大約3μm到大約100μm的直徑。
6.如權利要求1所述的傳熱材料，其特徵在於這些薄片包括從包含鋁、銅、鉛、鋅、錫、金、鈀和合金的金屬以及它們的組合物的組中選擇的金屬。
7.一種包括一層如權利要求1所述的傳熱材料的微電子裝置。
8.一種微電子裝置，其包括微晶片、微晶片上的熱傳播器，以及接附在微晶片和熱傳播器之間的一層如權利要求1所述的傳熱材料。
9.一種形成多孔的、柔性的、彈性傳熱材料的方法，其包括a)形成包括溶劑和具有邊緣的導電金屬薄片的導電膏；以及b)將導電膏加熱到低於金屬薄片的熔點的溫度，從而蒸發溶劑且只在薄片邊緣燒結薄片，這樣熔合鄰近的薄片的邊緣，使得至少在一些鄰近薄片之間限定開孔，從而形成金屬薄片網。
10.如權利要求9所述的方法還包括將一層傳熱材料接附到微晶片的後續步驟。
11.如權利要求9所述的方法還包括將一層傳熱材料在微晶片和熱傳播器之間接附的後續步驟。
12.如權利要求9所述的方法還包括將該層傳熱材料接附到微晶片，且將該傳熱材料的第二表面接附到熱傳播器的後續步驟。
13.如權利要求9所述的方法，其特徵在於這些薄片包括從包含鋁、銅、鉛、鋅、錫、金、鈀和合金的金屬以及它們的組合物的組中選擇的金屬。
14.如權利要求9所述的方法，其特徵在於這些薄片包括銀。
15.如權利要求9所述的方法，其特徵在於這些薄片具有從大約0.1μm到大約2μm的厚度，以及從大約3μm到大約100μm的直徑。
16.如權利要求9所述的方法，其特徵在於該溶劑包括揮發性的有機溶劑。
17.如權利要求9所述的方法，其特徵在於該揮發性的有機溶劑從包含乙醇、丙醇和丁醇的組中選擇。
18.如權利要求9所述的方法，其特徵在於該揮發性的有機溶劑包括丁醇。
19.如權利要求9所述的方法，其特徵在於這些薄片在從大約100℃到大約200℃的溫度範圍加熱。
20.一種將熱從微晶片引導走的方法，其包括a)形成包括溶劑和具有邊緣的導電金屬薄片的導電膏；b)在微晶片和熱傳播器之間接附一層導電膏，這樣形成合成物；c)將該合成物加熱到低於金屬薄片的熔點的溫度，從而蒸發溶劑且只在薄片邊緣燒結薄片，這樣熔合鄰近的薄片的邊緣，使得至少在一些鄰近薄片之間限定開孔，且在微晶片和熱傳播器之間形成傳熱材料層，該傳熱材料包括金屬薄片網。
全文摘要
一種多孔的、柔性的、彈性傳熱材料，該材料包括金屬薄片網。這樣的傳熱材料最好由首先形成的包括揮發性的有機溶劑和導電金屬薄片的導電膏來生產。將該導電膏加熱到低於金屬薄片的熔點的溫度，從而蒸發溶劑且只在薄片邊緣燒結薄片。薄片的邊緣熔合到鄰近的薄片的邊緣，使得至少在一些鄰近薄片之間限定開孔，從而形成金屬薄片網。該網結構使得傳熱材料具有小於大約10GPa的低存儲模量，同時具有好的電阻特性。
文檔編號B22F3/11GK1545731SQ01823558
公開日2004年11月10日 申請日期2001年10月18日 優先權日2001年10月18日
發明者I·J·拉西亞, I J 拉西亞 申請人:霍尼韋爾國際公司