熱互連和界面系統，其製備方法和用途的製作方法

2023-04-27 15:03:41

專利名稱：熱互連和界面系統，其製備方法和用途的製作方法
熱互連和界面系統，其製備方法和用途發明領域本發明的領域是在電子元件、半導體元件和其它有關的分層材料 應用中的熱互連繫統、熱界面系統和界面材料。背景用於消費品和商業電子產品的電子元件數量不斷地增長。這些消 費品和商品的實例為電視機、個人計算機、網際網路伺服器、可攜式收音機、尋呼機、掌上作業系統、可攜式無線收發器件、小汽車立體聲 系統或遙控器。隨著對這些消費品和商業電子產品的需求增加，對於 消費者和商家來說，對那些相同的產品還存在更小巧、功能更多和更 便攜的要求。由於這些產品的尺寸減小，該產品包含的元件也必須變得更小。 需要減小尺寸或按比例縮小的那些元件的一些實例為印刷電路或接 線板、電阻器、電線線路、鍵盤、觸摸板和晶片封裝。產品和元件也 需要被預先封裝，以使產品和/或元件可執行幾個相關的或不相關的功 能和任務。這些"整體解決方案"元件和產品的一些實例包括分層的材 料、母插件板、可攜式和無線的電話和電訊器件和其它的元件和產品，例如在以下文獻中所發現的那些元件和產品2002年7月15日提交的 美國專利和PCT申請序號60/396294、 2001年5月30日提交的60/294433 和2002年5月30日提交的PCT/US02/17331,這些文獻的權益共同擁有， 並整體結合到本文中。因此正在分解和研究元件，以確定是否有更好的構建材料和方法 將允許它們按比例縮小和/或組合，以適應更小電子元件的要求。在分 層的元件中， 一個目的似乎是減少層數，同時增加剩餘層的功能性和耐久力。然而，該任務可能是困難的，因為為了操作該器件， 一般應存在若干層以及這些層的元件。當電子器件也變得更小和以更高的速度操作時，以熱形式發出的能量急劇地增加。在工業中的普遍做法是在這樣的器件中單獨或在載體上使用熱油脂或油脂樣材料，以傳遞穿越物理界面所散逸的多餘熱量。最普通類型的熱界面材料是熱油脂、相變材料和彈性體帶。因為 在非常薄的層中傳播的能力和在相鄰表面之間提供緊密接觸的能力，熱油脂或相變材料具有比彈性體帶更低的熱阻。典型的熱阻抗值為0.05-1.6°C-cm2/W。然而，熱油脂的嚴重缺點是在熱循環例如-65°C -150。C之後，或當用於VLSI晶片時在動力循環之後，熱性能顯著惡化。 也已發現當在電子器件中表面平面性的大背離引起在嚙合面之間形 成間隙時，或當因為其它原因例如製造公差等而在嚙合面之間存在大 間隙時，這些材料的性能惡化。當這些材料的傳熱性破壞時，不利地 影響其中使用這些材料的電子器件的性能。因此，持續地需要a)設計和製備滿足消費者要求，同時使器件 尺寸最小化和使層數最少的熱互連材料和熱界面材料、分層材料、元 件和產品；b)在材料、元件或最終產品的兼容性要求方面，製備更有 效的和更佳設計的材料、產品和/或元件；c)開發製備期望的熱互連材元件/產品的可靠方法；d)開發具有高導熱率和高機械柔順性的材料； 和e)有效地減少封裝組件所必需的製備步驟數目，這又導致比其它常 規的分層材料和方法更低的擁有成本。概述本文考慮的元件和材料包括傳熱材料包含與金屬基塗層、層和/ 或膜連接的至少一種散熱器(heatspreader)元件，至少一種熱界面材料 和在一些考慮的實施方案中至少一種粘合材料。散熱器元件包含頂 面、底面和至少一種散熱器材料。將熱界面材料直接沉積在散熱器元件的至少一個表面的至少一部分上。形成分層的熱界面材料和傳熱材料的方法包括a)提供散熱器元 件，其中散熱器元件包含頂面、底面和至少一種散熱器材料；b)提供 至少一種熱界面材料，其中將熱界面材料直接沉積在散熱器元件的底 面上；c)將金屬基塗層、膜或層沉積、施用或塗布在散熱器元件的至 少一部分底面上；和d)將至少一種熱界面材料沉積、施用或塗布在散 熱器元件的至少一個表面的至少一部分上。形成熱解決方案/封裝和/或IC封裝的方法包括a)提供本文所述 的傳熱材料；b)提供至少一種粘合性組分；c)提供至少一個表面或基 體；d)將至少一種傳熱材料和/或材料與至少一種粘合性組分連接，以 形成粘合部件；e)將粘合部件連接至至少一個表面或基體，以形成熱 封裝；f)任選將另外的層或元件連接至熱封裝。附圖簡述圖l顯示考慮的傳熱材料和考慮的壓力組件。圖2A顯示考慮的傳熱材料和考慮的壓力組件。圖2B顯示考慮的傳熱材料。考慮方法圖的第l部分。圖4顯示形成傳熱材料和/或組合塗布器元件的考慮方法圖的第2 部分。圖5顯示形成傳熱材料和/或組合塗布器元件的考慮方法圖的第3 部分。圖6顯示考慮的傳熱材料和/或組合塗布器元件的方法流程圖和示 意圖。圖7A顯示具有壓印的模頭和壓印的傳熱材料的考慮的實施方案。圖7B從另一透視圖顯示壓印的傳熱材料。圖8顯示考慮的傳熱材料。圖9顯示考慮的傳熱材料。 詳述合適的界面材料或元件應符合嚙合面("潤溼"該表面)，具有低體 熱卩且(bulk thermal resistance)和具有j氐才妻觸4氐抗(contact resistance),可 將體熱阻表達為材料的或元件的厚度、導熱率和面積的函數。接觸抵 抗是材料或元件能夠與嚙合面、層或基體接觸得如何好的量度。可如 下顯示界面材料或元件的熱阻€)界面=t/kA + 20接觸 方程l其中0為熱阻，t為材料厚度，k為材料的導熱率， A為界面面積。術語"t/kA"代表本體材料(bulk material)的熱阻，"26)接觸"代表在兩 個表面處的接觸熱阻。合適的界面材料或元件應具有低體抵抗和低接 觸抵抗，即在嚙合面。許多電子和半導體應用要求界面材料或元件適應由於熱膨脹系 數(CTE)不匹配而由製造和/或元件翹曲導致的表面平整背離。假如界面薄即"t"值低，那麼具有低k值的材料例如熱油脂執行好。 假如界面厚度增加少如0.002英寸，熱性能可急劇地下降。並且，為了 這樣的應用，配合元件之間的CTE差異引起縫隙擴大，使各溫度或動 力循環縮短。該界面厚度的變化可引起流質界面材料(例如油脂)泵離 界面。當製造時，具有較大面積的界面更易於與表面的平面性背離。為 了優化熱性能，界面材料應能與非平面的表面一致，從而降低接觸抵 抗。當用於本文時，術語"界面"指在物質或空間的兩部分之間例如在 兩個分子、兩條主鏈、主鏈和網狀構造、兩個網狀構造等之間，形成 共同邊界的連接或結合。界面可包含物質或元件兩部分的物理附接或物質或元件兩部分之間的物理引力，包括鍵力如共價鍵和離子鍵、和 非鍵力如範德華力、擴散結合、靜電力、庫侖力、氬鍵和/或磁引力。考慮的界面包括用鍵力例如共價鍵形成的那些界面；然而，應該理解 優選在物質或元件的兩部分之間任何合適的粘附或附接。最佳的界面材料和/或元件具有高導熱率和高機械柔順性，例如當 施加力時，將有彈性地彎曲。高導熱率減少方程l的第一術語而高機 械柔順性減少第二術語。本文所述的分層界面材料和分層界面材料的 各元件實現這些目的。當適當地製備時，本文所述的熱界面元件將跨 越散熱器材料與矽模頭元件的嚙合面之間的距離，因此允許從一個表 面至另 一表面的連續高傳導性路徑。如較早所述，本文所述的分層界面材料和各元件的幾個目的為 a)設計和製備滿足消費者要求同時使器件尺寸最小化和使層數最少的 熱互連材料和熱界面材料、分層材料、元件和產品；b)在材料、元件 或最終產品的兼容性要求方面，製備更有效的和更佳設計的材料、產 品和/或元件；c)開發製備期望的熱互連材料、熱界面材料和分層材料 以及包含考慮的熱界面材料和分層材料的元件/產品的可靠方法；d)開 發具有高導熱率和高機械柔順性的材料；和e)有效地減少封裝組件所 必需的生產步驟數目，這又導致比其它常規的分層材料和方法更低的 擁有成本。本文提供預先附接的/預先裝配的熱解決方案和/或IC(互相連接) 封裝，包含在許多種界麵條件和要求下呈現低熱阻的熱界面材料組的 一個或多個元件。熱界面材料可包含PCM45和/或PCM45F，它為由霍 尼韋爾國際公司(Honeywell International Inc.)製造的高傳導性相變材 料，或也由霍尼韋爾國際公司(Honeywell International Inc.)製造的金屬 和金屬基基質材料例如焊料，該材料連接至Ni、 Cu、 Al、 AlSiC、銅 複合材料、CuW、金剛石、石墨、SiC、碳複合材料和金剛石複合材 料，將它們分類為散熱器或用於散熱的那些材料。的。當適當地製備時，本文所述的散熱器元件將跨越熱界面材料與散 熱器元件的嚙合面之間的距離，因此允許從一個表面至另一表面連續 的高傳導性路徑。本文考慮的元件和材料(包括傳熱材料)包含與金屬基塗層、層和/ 或膜連接的至少一種散熱器元件、至少一種熱界面材料和在一些考慮 的實施方案中至少一種粘合材料。散熱器元件包含頂面、底面和至少 一種散熱器材料。將熱界面材料直接沉積在散熱器元件的至少一個表 面的至少一部分上。在其他實施方案中，傳熱材料也可包含保護層或 保護塗層。在考慮的實施方案中，設計保護層，將平滑表面轉移成金 屬基塗層。考慮的保護層包含硬塑料例如PVC或聚乙烯。散熱器元件 包含頂面、底面和至少一種散熱器材料。將熱界面材料直接沉積在散 熱器元件的至少一部分底面上。散熱器元件或散熱元件(本文可替換地使用散熱器和散熱，兩者 具有相同的普通含義)一般包含金屬、金屬基基質材料、高傳導性非金屬或其組合，例如鎳、鋁、銅、銅-鵠、CuSiC、金剛石、碳化矽、 石墨，組合材料如銅複合材料、碳複合材料和金剛石複合材料或AlSiC 和/或其它合適的可能不含金屬的高傳導性材料。只要金屬或金屬基基 質材料可散逸由電子元件產生的一些或所有熱量，本文可將任何合適 的金屬或金屬基基質材料用作散熱器。在實施例部分中顯示了考慮的 散熱器元件的具體實例。當用於本文時，術語"金屬"指在元素周期表的d-區和f-區中的 那些元素，以及具有金屬樣性質的那些元素例如矽和鍺。當用於本文 時，短語"d-區"指圍繞元素原子核的3d、 4d、 5d和6d軌道上具有填充 電子的那些元素。當用於本文時，短語"f-區"指圍繞元素原子核的 4f和5傲道上具有填充電子的那些元素，包括鑭系無素和鄰了系元素。 優選的金屬包括銦、銀、銅、鋁、錫、鉍、鉛、鎵及其合金、塗布銀 的銅和塗布銀的鋁。術語"金屬"也包括合金、金屬/金屬組合物、金屬 陶資組合物、金屬聚合物組合物以及其它金屬組合物。當用於本文時，術語"化合物"指具有可通過化學方法分解成元素的恆定組成的物質。 當用於本文時，短語"金屬基"指包含至少一種金屬的任何塗層、膜、糹且合物或4b合物。根據電子元件、零售商的需要，只要散熱器元件能夠足夠執行散 逸從電子元件周圍產生的 一些或所有熱量的任務，可使散熱器元件處於任何合適的厚度。考慮的厚度包含約0.25111111-約6mm的厚度。在 一些實施方案中，散熱器元件的考慮厚度為約0.5111111-約5mm，在其 他實施方案中，散熱器元件的考慮厚度為約lmm-約4mm。當使用金屬熱界面材料如焊料時，與大多數聚合物系統相比該材 料具有高彈性模量，為了防止模頭的破裂，可能必須降低熱膨脹係數 不匹配產生的傳遞至半導體模頭的機械應力。可通過增加金屬熱界面 材料的粘合線，降低散熱器的熱膨脹係數，來將該應力傳遞減到最少， 或改變散熱器的幾何形狀，以將應力傳遞減到最少。較低熱膨脹係數 (CTE)材料的實例為AlSiC、 CuSiC、銅-石墨複合材料、碳-碳複合 材料、金剛石、CuMoCu層壓材料等。幾何形狀改變的實例為將部分 狹縫或穿過狹縫添加至擴散器，以降低擴散器的厚度，和通過使擴散 器橫截面降低至接近半導體模頭，形成切去頂端的、正方形基的、倒 轉的角錐形，以P爭低應力和硬度。如所述，可將至少一種散熱器元件與金屬基塗層、層和/或膜連接。 當用於本文時，術語"連接"指將表面和塗層、層和/或膜在物理上彼此 附接，或在物質或元件的兩部分之間有物理引力，包括鍵力如共價鍵 和離子鍵和非鍵力如範德華力、擴散結合、靜電、庫侖、氫鍵和/或磁 引力。當用於本文時，術語連接也指包含將散熱器元件與金屬基塗層、 層和/或膜彼此直接附接的情況，但術語也指包含將散熱器元件與金屬 基塗層、層和/或膜彼此間接連接的情況-例如在散熱器元件與金屬 基塗層、層和/或膜之間有增粘劑層的情況，或在散熱器元件與金屬基 塗層、層和/或膜之間還有另一層的情況。在考慮的實施方案中，金屬基塗層可包含可置於層中散熱器表面上的任何合適的金屬。在一些實施方案中，金屬基塗層包含銦，例如來自銦金屬、In33Bi、 In33BiGd和In3Ag的銦。將金屬基塗層、層和/或膜沉積或施用至散熱器元件的至少一個表 面上。也可將金屬基塗層、層和/或膜塗布在散熱器元件的至少一個表 面上。使用術語塗布、施用和沉積以顯示金屬基塗層、膜和/或層可 以以液體或熔體塗布，可以以條、層或膜施用，或可以通過蒸汽沉積、 鍍或電鍍和任何其它合適的沉積方法沉積。一般通過能產生含最少孔隙或空隙的均勻層的任何方法，放置這 些金屬基塗層，還可用相對高的沉積速率放置所述層。可利用許多合 適的方法和裝置放置該類型的層或超薄層。 一種考慮的方法為在實施 例部分描述的點鍍。另一方法為脈衝電鍍。脈衝電鍍(間歇性電鍍，與 直流電鍍相反)可放置不含或實際上不含孔隙和/或空隙的層。另一种放置薄層或超薄層的方法為脈沖周期反向法或"PPR"。脈 沖周期反向法實際上通過"反向"或耗盡陰極表面的膜，而比脈沖電鍍 法更進一步。脈衝周期反向的典型周期可為10ms的5安培陰極電流， 接著0.5 ms的IO安培陽極電流，接著2 ms的斷開時間。PPR有幾個優點。 第l，通過在各周期內"剝離"或退鍍少量的膜，PPR在各連續周期迫使 形成新的成核位置，引起孔隙率進一步減少。第2，可制定周期，以 通過在"退鍍"或周期的陽極部分期間選擇性地剝離厚膜區域，來提供 非常均勻的膜。PPR不適用於一些金屬沉積，例如金沉積，因為鍍金 一般在沒有游離氰化物的系統中進行。因此，將在電鍍周期期間從氰 化物絡合物(螯合物)鍍金，但不可在退鍍周期期間"剝離"，因為沒有 氰化物允許金再溶解。可從任何合適的來源例如公司如Dynatronix1^, 購買脈衝電鍍和脈沖周期反向系統，或在原位建造(完全或部分)脈衝 電鍍和脈沖周期反向系統。用於本文所述受試物質的金屬基塗層、層和/或膜應能夠置於薄或 超薄連續層或圖案中。可使用掩模(mask)製備圖案，或可通過能夠放 置期望的圖案的裝置製備圖案。考慮的圖案包括分離或組合成線、充滿空間的點或圓點等的任何排列。因此，考慮的圖案包括直線和曲線、 線的交叉、具有加寬或狹窄區域的線、帶、重疊線。考慮的薄層和超薄塗層可為小於約lnm低至約l埃或甚至低至材料的單原子層的尺寸。 具體地講， 一些考慮的薄層的厚度小於約lpm。在其它的實施方案中， 考慮的薄層的厚度小於約500nm。在一些實施方案中，考慮的超薄層 的厚度小於約100nm。在還其它的實施方案中，考慮的超薄層的厚度 小於約10nm。在考慮的實施方案中，將熱界面材料直接沉積在散熱器元件的至 少一個側面上，例如底側、頂側或兩者。在一些考慮的實施方案中， 通過方法例如噴射、熱噴塗、液態模塑或粉末噴塗，將焊接材料絲網 印刷或直接分布到散熱器上。在還其它考慮的實施方案中，用構造適 當的熱界面材料厚度的其它方法，包括預成形件的直接附接或熱界面 材料糊劑的絲網印刷，沉積和組合熱界面材料的膜。形成分層的熱界面材料和傳熱材料的方法包括a)提供散熱器元 件，其中散熱器元件包含頂面、底面和至少一種散熱器材料；b)提供 至少一種熱界面材料，其中將熱界面材料直接沉積在散熱器元件的底 面上；c)將金屬基塗層、膜或層沉積、施用或塗布在散熱器元件的至 少一部分底面上；和d)將至少一種熱界面材料沉積、施用或塗布在散 熱器元件的至少 一個表面的至少 一部分上。一旦沉積、施用或塗布，熱界面材料層包含直接與散熱器材料連 接的部分和暴露於大氣中的部分、或^皮保護層或膜覆蓋的部分，而該 保護層或膜可剛好在散熱器元件的安裝之前去除。另外的方法包括提 供至少一種粘合性組分，將至少一種粘合性組分連接到至少一種散熱 器材料的至少一個表面的至少一部分上，和/或連接到熱界面材料的至 少一部分上或內。可將至少一個另外的層，包括基體層連^^妄到分層的 界面材料。如本文描述，最佳的界面材料和/或元件具有高導熱率和高機械柔 順性，例如當施加力時將有彈性地彎曲。高導熱率減小方程l的第l項，而高機械柔順性減小第2項。本文描述的分層的界面材料和分層界面材料的各元件實現這些目的。當適當地製備時，本文描述的散熱器元 件將跨越熱界面材料與散熱器元件的嚙合面之間的距離，因此允許從 一個表面到另一表面的連續的高傳導性路徑。合適的熱界面元件包含 可符合嚙合面("潤溼"該表面)的、具有低體熱阻和具有低接觸抵抗的 那些材料。也可製備/準備含焊接材料的合適的界面材料。焊接材料可包含任 何合適的焊接材料或金屬如銦、銀、銅、鋁、錫、鉍、鉛、鎵及其合 金、塗布銀的銅、塗布銀的鋁，但優選焊接材料包含銦或銦基合金。 合適的界面材料可包含傳導性填料、金屬材料、焊料合金及其組合。如本文所述，焊料基界面材料具有與使用和元件工程直接相關的幾個優點，例如a)高體導熱率，b)可在接合表面形成金屬鍵，較低 的接觸抵抗，c)可容易地將界面焊接材料摻入微元件、用於人造衛星 的元件和小電子元件中。可將另外的組分如低模量的鍍金屬的聚合物球或微球添加至焊 接材料中，以減少焊料的體彈性模量。也可將其它組分添加至焊料， 以促進模頭和/或散熱器表面變溼。這些添加劑考慮為自殺形成物 Csm'cWe /ow2^s),或其對氧或氮的親合力比對桂的親合力高的元素。 添加劑可為滿足所有要求的一種元素，或各自具有一個優點的多種元 素。另外，可添加合金元素，增加攙雜劑元素在銦或焊料基質中的溶 解性。可將熱填充劑粒子M在熱界面元件中，或混合物應最好具有高 導熱率。合適的填充劑材料包括金屬如銀、銅、鋁及其合金；和其它 化合物如氮化硼、氮化鋁、塗布銀的銅、塗布銀的鋁、傳導性聚合物 和碳纖維。氮化硼與銀的組合或氮化硼與銀/銅的組合也提供增強的導 熱率。至少20%重量的氮化硼和至少約60%重量的銀特別有用。優選， 可使用導熱率大於約20 W/m°C，最優選至少約40 W/m。C的填料。最 佳期望具有不小於約80W/m'C導熱率的填料。可製備/準備另 一種考慮的和合適的熱界面材料，該熱界面材料包 含樹脂混合物和至少一種焊接材料。樹脂材料可包含任何合適的樹脂 材料，但優選樹脂材料為包含例如以下的一種或多種化合物的聚矽氧烷基樹脂材料乙烯基聚矽氧烷、乙烯基Q樹脂、氬化物官能的矽氧 烷和鉑-乙烯基矽氧烷。焊接材料可包含任何合適的焊接材料或金 屬，例如銦、銀、銅、鋁、錫、鉍、鉛、鎵及其合金、塗布銀的銅、 塗布銀的鋁，但優選焊接材料包含銦或銦基合金。如本文描述，焊料基界面材料、這樣的聚合物焊接材料、聚合物 焊料混合材料和其它焊料基界面材料，具有與使用和元件工程直接相 關的幾個優點，例如a)可使用界面材料/聚合物焊接材料，以填充約 2毫米或更小的小間隙，b)不同於大多數的常規焊接材料，該界面材料 /聚合物焊接材料可有效地散逸在那些很小間隙以及較大間隙中的熱 量，和c)可容易地將界面材料/聚合物焊接材料摻入微元件、用於Ait 衛星的元件和小電子元件中。含樹脂的界面材料和焊接材料，尤其是含聚矽氧烷樹脂、也可具 有合適的熱填料的那些材料，可表現出小於0.5。C-cmVW的熱容量。不 同於熱油脂，在IC器件中的熱循環或流量轉換之後，材料的熱性能將 不退化，因為在加熱激活時，液體聚矽氧烷樹脂將交聯，以形成軟凝 膠。包含樹脂如聚矽氧烷樹脂的界面材料和聚合物焊料將不會如使 用熱油脂那樣被"擠出"，在熱循環期間將不會顯示界面分層。可以以 可分配的液體糊劑提供新材料，以通過分配方法應用新材^f牛，然後在 需要時固化。也可以以高度順應的、固化的和可能交聯的彈性體膜或 片提供新材料，用於在界面例如散熱裝置上預應用。最好將使用導熱 率大於約20W/m。C，優選至少約40 W/m。C的填料。最佳期望具有不 小於約IOO W/mi:導熱率的填料。界面材料增強大功率半導體器件的 熱散逸。可將糊劑配製成功能性聚矽氧烷樹脂和熱填料的混合物。乙烯基Q樹脂為具有以下^出聚合物結構的活化固化特異性矽橡膠:formula see original document page 0乙烯基Q樹脂也為用於加成固化彈性體的透明增強添加劑。具有 至少20% Q -樹脂的乙烯基Q樹脂^t體的實例為VQM - 135(DMS -V41基)、VQM-146(DMS-V46基)和VQX-221(50%，基於二曱苯)。作為實例，可形成如下的考慮的聚矽氧烷樹脂混合物:組分%重量備註/功能乙烯基聚矽氧烷 乙烯基Q樹脂 氫化物官能的矽氧烷 柏-乙烯基矽氧烷75 (70-97範圍) 20 (0-25範圍) 5(3-10範圍) 20 - 200ppm乙烯基封端的矽氧烷 增強添加劑 交聯劑 催化劑可在室溫或高溫下將該樹脂混合物固化，以形成柔順彈性體。該 反應通過在催化劑如柏絡合物或鎳絡合物存在時，乙烯基官能的矽氧 烷被氫化物官能的矽氧烷氫化矽烷化(加成固化)。優選鉑催化劑為SIP6830.0、 SIP6832.0和柏-乙烯基矽氧烷。考慮的乙烯基聚矽氧烷的實例包括分子量為約10000至50000的 乙烯基封端的聚二曱基矽氧烷。考慮的氫化物官能的矽氧烷的實例包 括分子量為約500至5000的曱基氫矽氧烷-二曱基矽氧烷共聚物。物 理性質可從非常低交聯密度的非常軟的凝膠材料變到較高交聯密度 的堅韌彈性體網絡。分散在樹脂混合物中的焊接材料考慮為用於期望用途的任何合 適的焊接材料。優選的焊接材料為銦錫(InSn)合金、銦銀(InAg)合金、 銦鉍(InBi)合金、銦基合金、錫銀銅合金(SnAgCu)、錫鉍和合金(SnBi) 和鋁基化合物及合金。特別優選的焊接材料為包含銦的那些材料。焊料可或可不摻雜另外的元素，以促進對散熱器或模頭後側表面的潤、、曰 /業。如先前描述的熱界面材料和元件，可將熱填料粒子分歉在樹脂混 合物中。如果在樹脂混合物中存在熱填料粒子，那麼那些填料粒子應最好具有高導熱率。合適的填充劑材料包括銀、銅、鋁及其合金；氮 化硼、鋁球、氮化鋁、塗布銀的銅、塗布銀的鋁、碳纖維和塗布金屬 的碳纖維、金屬合金、傳導性聚合物或其它複合材料。氮化硼和銀或 氮化硼和4艮/銅的組合也提供提高的導熱率。至少20%重量的氮化硼、 至少70%重量的鋁球和至少約60%重量的銀特別有用。這些材料也可 包含金屬薄片或燒結的金屬薄片。如先前描述，可摻入氣相生長碳纖維和其它填料，例如基本上球 形的填料粒子。另外，基本上球形的形狀或類似形狀也提供在壓實期 間對厚度的 一 些控制。可通過添加功能性有機金屬連接劑(coupling agent)或潤溼劑，例如有機矽烷、有機鈦酸酯、有機鋯等，促進填料 粒子的*。也可使用有機金屬連接劑，尤其是有機鈦酸酯，以在應 用過程期間促進焊接材料的熔融。可用於樹脂材料中的填料的典型粒 子尺寸可為約l-20jim，最大值為約100(im。這些化合物可包含以下組分中的至少一些1 -20%重量的至少一 種聚矽氧烷化合物、0-10%重量的有機鈦酸酯、5-95%重量的至少一 種焊接材料。這些化合物可包括一種或多種任選的添加劑，例如增溼 劑。這樣的添加劑的量可變化，但通常它們可以以下的近似量(％重量) 有效地存在填料最高達總量(填料加樹脂)的95%;增溼劑0.1'-5%(總 量的)和增粘劑0.01-1%(總量的)。應注意，添加至少約0.5%>碳纖維顯 著增加導熱率。美國頒布的專利6706219、 2004年2月9日提交的美國 申請順序號10/775989和PCT順序號PCT/US02/14613中描述了這些組 合物，上述專利全部共同擁有，並通過引用整體結合到本文中。考慮的焊料組成如下InSn = 52% In (以重量計)和48% Sn (以重 量計)，熔點為118。C; InAg-97Q/oIn(以重量計)和3。/。Ag(以重量計)，熔點為143。C; In= 100%銦(以重量計)，熔點為157。C; SnAgCu = 94.5% 錫(以重量計)、3.5%銀(以重量計)和2%銅(以重量計)，熔點為217。C; SnBi-60。/。錫(以重量計)和40。/。鉍、(以重量計)，熔點為170。C。應理解本文考慮的相變材料包含蠟、聚合物蠟或其混合物，例如石蠟。石蠟為具有通式CnH2n+2且熔點為約20。C至IO(TC的固態烴的混合物。一些考慮熔點的實例為約45。C和6(TC。具有該範圍內熔點的熱界面元 件為霍尼韋爾國際公司(Honeywell International Inc.)製造的PCM45和 PCM60HD。聚合物蠟典型為聚乙烯蠟、聚丙烯蠟，熔點為約40。C至 160 。C。PCM45包含約3.0 W/mK的導熱率，約0.25。C - cmVW的熱阻，典 型地以約0.0015英寸(0.04 mm)的厚度施用，並包含在約5 psi至30 psi 的施加壓力下容易地流動的軟材料。PCM45的典型特徵為a)超高封裝 密度-超過80%， b)傳導性填料，c)極低的熱阻，和如前述d)約45。C 的相變溫度。PCM60HD包含約5.0W/mK的導熱率，約0.17。C - cm2/W 的熱阻，典型地以約0.0015英寸(0.04 mm)的厚度施用，並包含在約5 psi 至30psi的施加壓力下容易地流動的軟材料。PCM60HD的典型特徵為 a)超高封裝密度-超過80%, b)傳導性填料，c)極低的熱阻，和如前 述的d)約60。C的相變溫度。TM350(霍尼韋爾國際公司(Honeywell International Inc)製造的不包含相變材料的熱界面元件)包含約3.0 W/mK的導熱率、約0.25。C - cmVW的熱阻，典型地以約0.0015英寸(0.04 mm)的厚度施用，並包含可熱固化為軟凝膠的糊劑。TM350的典型特 徵為a)超高封裝密度-超過80%， b)傳導性填料，c)極低熱阻，d)約 125。C的固化溫度，和e)可分配的非聚矽氧烷基熱凝膠。PCM45F包含 約2.35 W/mK的導熱率，約0.20。C - cm々W的熱阻，典型以約0.002mm 的厚度施用，並包含在約5 psi - 40 psi的施加壓力下容易地流動的軟材 料。PCM45F的典型特徵為a)超高封裝密度-超過80。/。,b)傳導性填料， c)極低的熱阻，和如前述d)約45。C的相變溫度。相變材料可用於熱界面元件應用中，因為它們在室溫下為固態， 可容易地預施用到熱管理元件上。在高於相變溫度的工作溫度下，該 材料為液態，行為像熱油脂。相變溫度為發生熱吸收和熱排斥時的熔 融溫度。然而，石蠟基相變材料具有幾個缺點。單靠它們自身，它們可非 常脆和難操作。在熱循環期間，它們也趨向於從其應用的器件間隙中 擠出，非常像油脂。本文描述的橡膠-樹脂改性石蠟聚合物蠟系統避 免了這些問題，提供在操作容易方面的顯著改善，能製成柔性帶或固 體層形式，不會在壓力下抽吸出或擠出。雖然該橡膠-樹脂-蠟混 合物可具有相同或幾乎相同的溫度，但它們的熔體粘度高很多，不容 易遷移。此外，可將橡膠-蠟-樹脂混合物設計成自交聯的，從而 保證消除在某些應用中被抽吸出的問題。考慮的相變材料的實例為馬來化(malenized)石蠟、聚乙烯-馬來酐蠟和聚丙烯-馬來酐蠟。橡膠 -樹脂-蠟混合物將在約50。C - 150。C的溫度下在功能意義上成形， 以形成交聯的橡膠-樹脂網絡。可以可分配的液態糊劑提供考慮的熱界面元件，以通過分配方法 (例如絲網印刷或鏤花模版印刷)施用，然後在需要時固化。它也可作 為高柔順性的、固化的、彈性體膜或片提供，以預施用到界面表面上， 例如散熱裝置。它還可作為軟凝膠或液體提供和製備，該軟凝膠或液 體可通過任何合適的分配方法，例如絲網印刷或噴墨印刷施用到表 面。熱界面元件甚至還可作為帶提供，該帶可直接施用到界面表面或 電子元件。預附接/預組裝的熱解決方案和/或IC(互連)封裝包含本文描述的 熱界面材料的一種或多種元件和至少一種粘合性組分。這些熱界面材 料顯示出用於多種界面情況和需求的低熱阻。當用於本文時，術語" 粘合性組分"指能通過表面附接與其它物質結合到 一起的任何無機或 有機、天然或合成的物質。在一些實施方案中，可將粘合性組分添加 到熱界面材料中或與熱界面材料混合，可實際上為熱界面材料或可與熱界面材料連接而不是與其混合。 一些考慮的粘合性組分的實例包含SONY雙面帶，例如SONY T4411 、 3M F9460PC或SONY T4100D203。 在其它實施方案中，粘合劑可提供將散熱元件粘附到封裝基體的另外 的功能，該封裝基體獨立於熱界面材料。可使用本文前述的方法單獨地製備和提供熱界面元件、可交聯熱 界面元件和散熱器元件。然後，將兩種元件物理地連接以製備分層的 界面材料。當用於本文時，術語"界面"指在物質或空間的兩部分之間 形成共有邊界的連接或結合。界面可包含物質或元件的兩部分之間的 物理附接或物理連接，或物質或元件兩部分之間的物理引力，該物理 引力包含鍵力如共價鍵和離子鍵，和非鍵力如範德華力、靜電、庫侖、 氫鍵和/或磁引力。也可通過將一種元件施用到其他元件的表面上，來 將本文中所述的兩種元件物理連接。然後可將分層的界面材料施用到基體、另 一表面或另 一分層的材 料上。電子元件包含分層的界面材料、基體層和另外的層。分層的界 面材料包合敎熱器元件和熱界面元件。本文考慮的基體可包含任何期 望的基本上固態的材料。特別期望的基體層將包含膜、玻璃、陶瓷、 塑料、金屬或塗布金屬、或複合材料。在優選的實施方案中，基體包 含矽或砷化鍺模頭或晶片表面、例如在鍍銅、銀、鎳或金的引線框中 發現的封裝表面、例如在電路板或封裝互連軌跡中發現的銅表面、通 孔壁(via - wall)或剛性元件界面("銅"包括將棵銅及其氧化物考慮在 內)、聚合物基封裝或板界面，例如在聚醯亞胺基柔性封裝發現的、鉛 或其它金屬合金焊料球表面、玻璃和聚合物例如聚醯亞胺 (polymimide)。當考慮粘結性界面時，"基體"甚至可定義為另 一種聚合 物材料。在更優選的實施方案中，基體包含封裝和電路板工業中的普 通材料，例如矽、銅、玻璃和另一種聚合物。可將另外的材料層與分層的界面材料連接，以繼續構建分層的元 件或印刷電路板。考慮另外的層包含類似於本文已描述的那些材料， 該材料包括金屬、金屬合金、複合材料、聚合物、單體、有機化合物、無機化合物、有機金屬化合物、樹脂、粘合劑和光學波導材料。可使用幾種方法和許多熱界面材料以形成這些預附接/預組裝的熱解決方案元件。用於形成熱解決方案/封裝和/或IC封裝的方法包括 a)提供本文描述的傳熱材料；b)提供至少一種粘合性組分；c)提供至少 一個表面或基體；d)將至少一種傳熱材料和/或材料與至少一種粘合性 組分連接，以形成粘合部件；e)將粘合部件與至少一個表面或基體連 接，以形成熱封裝；f)任選將另外的層或元件與熱封裝連接。本文考慮的熱解決方案、IC封裝、熱界面元件、分層的界面材料 和散熱器元件的應用包含將材料和/或元件摻入到另 一種分層的材料、 電子元件或最終的電子產品中。本文考慮的電子元件通常i/v為包含可 在電子基產品中使用的任何分層元件。考慮的電子元件包含電路板、 晶片封裝、隔板、電路板的電介質元件、印刷接線板和電路板的其它 元件，例如電容器、電感器和電阻器。實施例如本文所考慮的，施用至少一種金屬基塗層的 一種方法是通過點 鍍，該點鍍在銅散熱器上將金屬基塗層施用至阻擋層(Ni)的表面。為 了焊料或焊料聚合物混合物TIMs (熱界面材料)的附接，通常在期望的 區域內與電鍍一起進行點鍍。點鍍的區域可按消費者說明書調整大 小，塗層的厚度可等於或小於約15微米。在該實施例中，金屬基塗層 包含銦。TIM l.金屬基組合塗布器的製造包括階段-壓(step-press)的過程 (見

圖1和2A)。該過程以預成型件和已各自去除全部氧化物然後放置在 一起(110)的銦點鍍塗布器(在圖1中銦點顯示為105，在圖l中銦層顯示 為108)開始。在該初始放置之後，然後將組件置於壓力下。處於壓力 中的組件具有一層光滑保護層(120)，然後用柔順性材料(130)通過壓力 4/L壓頭(140)壓保護層，在預成型件(150)的中心開始壓縮。 一旦《呆護層 (120)包圍整個預成型件(110),那麼應該去除可能從初始的預成型件施用誘捕的任何氣穴(airpockets)(170)。在圖1中，進行壓力的第l次施力口， 以消除可能在銦預成型件和點鍍表面的界面存在的許多空隙。柔順性 材料將施加垂直力以及銦的跨點鍍表面移動，產生將在該接合處幫助 粘附的偏向力(sheer force)。在加入保護層之後，然後施加第二次壓，將保護層壓在銦預成型 件上，然後是第2層柔順性材料，最後是與壓力機壓頭接觸的第3層硬 材料。圖2A顯示用於第2和第3次壓的組件(200)。壓力機壓頭(240)引 起材料層的壓縮，在該實施方案中包括銦點(205)。硬材料(285)有助於 維持甚至與柔順性材料接觸，以均勻地分布負荷。保護性塑料層(220) 將賦予銦(208)平滑的和拋光的表面光潔度，如右邊所見。柔順性材料 (280)允許銦預成型件(210)的一些偏向移動，該銦預成型件包舍歉熱器 (290),僅在當溢流進入散熱器的非期望區域(225)時包含它。然後使該 第2組件暴露於第2次壓力施加，接著是第3次壓力施加，以得到期望 的結果。該壓力施加還將使銦點滴板和銦預成型件的焊接變冷。圖2B 顯示包含銦預成型件的成品散熱器(295)。圖3 - 5顯示製備銦組合塗布器的考慮方法圖(有3個部分)。顯示了 所有3個圖的鍵(key)，其中"C"是控制，"S"是標準操作程序，"N"是噪 音和"X"是臨界(critical)。在圖3中顯示了考慮的輸入(310)，在開始處 理步驟之前將該考慮的輸入提供給處理。步驟l (320)顯示考慮的塗布 器準備電鍍，並分派到過程中。步驟2 (330)包含塗布器的鍍鎳。在步 驟3 (340)中，施用金屬基塗層、層或膜-在該實施方案中是銦點。在 步驟4(350)中，將銦層預成型件輥平(rolledout)。在圖1和圖2中，該銦 層預成型件可分別作為編號108和208看到。在步驟5 (360)中，形成預 成型件。圖4顯示考慮的方法圖的第2部分。步驟6 (410)包括機械清潔銦預 成型件和銦點。在機械清潔塗布銦的鍍鎳散熱器和機械清潔銦預成型 件之後是壓力步驟。步驟7 (420)包括將銦預成型件放置在鍍鎳的塗布 器上。在期望的區域中將清潔的預成型件放置於清潔的塗布銦的鍍鎳散熱器上。然後將裝飾性和保護性塑料層放置在銦預成型件的頂面上。如本文所討論的，步驟8 (430)包括第1壓力步驟。然後用順從性方 法，在〉40psi下進行壓力施加，以從銦和塗布銦的鍍鎳散熱器的接合 處去除空氣。當柔順性材料已經覆蓋預成型件的整個表面時，將從接 合處充分地去除空氣。也如本文所討論的，步驟9(440)包括第2壓力步 驟。在順從性壓力之後，組件準備第2次壓，以將銦預成型件牢固地 附接到塗布銦的鍍鎳散熱器上。將裝飾性傳遞材料層放置在銦預成型 件上，接著放置保持期望的形狀的柔順性聚四氟乙烯層。然後將硬材 料放置在柔順性聚四氟乙烯上，以在加壓期間保持預成型件的平整 度。圖5顯示考慮的方法圖的第3部分。步驟IO (510)包括另外的壓力 步驟，以形成組合塗布器。然後在較高壓力> 500psi下，給該組件加 壓，以牢固地附接到銦預成型件。然後進行第3次壓力施加，以促進 銦預成型件與在鍍鎳散熱器上的銦塗層之間的熔合。如進行第2次壓 那樣，向同樣的組件施加第3次壓。然後將該組件按〉1000psi負荷加壓， 以達到在接合處熔合。由於該第3次壓，零件的平面度和粗糙度可由 組成壓力組件的替代材料控制。可添加更多的壓力步驟，以達到期望 的空間結果。步驟ll (520)是^r查步驟。也如圖2B所示，輸出530顯示 成品組合塗布器的特徵和預期特徵。實施例2也可用壓印或壓印的圖案來形成考慮的組合塗布器。圖6顯示這 些考慮的實施方案之一的方法流程圖和示意圖(600)。根據該實施方 案，銅塗布器在附接區域(610)上壓印有圖案。然後如前述塗布表面 (620)。附接含聚合物、矽、銦或其它焊料的TIM1預成型件(630)。然 後完成加壓或回熔(reflow)過程(640),因此形成組合塗布器(650)。該 類壓印組合塗布器的優點是a)改善表面可溼性，b)由於減少附接厚 度而改善導熱率，c)在粘合期間破壞表面氧化物和d)減少清潔成本。圖7 A顯示壓印的模頭(710)和考慮的塗布器(720)。圖7B顯示在已完 成壓印過程之後考慮的塗布器(720)。標記塗布器的壓印部分(725)。圖 8和圖9顯示可利用的組合塗布器的另外的考慮構型。圖8顯示散熱 器(810),其具有附接於底部凹面(830)的一個熱界面材料層(820)。圖 9顯示另一個考慮的散熱器(910)，其具有附接於底面(930)的一個熱界 面材料層(920)和附接於頂面(950)的另外的熱界面材料(940)。因此，已經公開了熱解決方案、IC封裝、熱互連和界面材料的具 體實施方案和應用。然而應理解，對本領域的技術人員來講，除了已 描述的那些之外，在沒有偏離本發明概念的前提下更多修改是可能 的。因此，除了在本公開的精神之外，本發明的主題不受限制。此外， 在解釋本公開內容中，應該用與上下文一致的儘可能寬的方式，來解 釋所有的術語。特別是，術語"包含"和"包括"應解釋為以非窮盡性方 式引用元件、組分或步驟，指出所引用的元件、組分或步驟可能存在 或採用，或與其它並未明確提及的元件、組分或步驟組合。
權利要求
1.一種傳熱材料，所述材料包含散熱器元件，其中所述散熱器元件包含頂面、底面和至少一種散熱器材料，其中將至少一個表面與金屬基塗層、層或膜連接，和至少一種熱界面材料，其中將所述熱界面材料沉積在所述散熱器元件的至少一個表面上。
2. 權利要求1的傳熱材料，其中還將所述熱材料連接至基體。
3. 權利要求2的傳熱材料，其中所述基體包含矽。
4. 權利要求1的傳熱材料，所述傳熱材料還包含至少一種粘合性 組分。
5. 權利要求4的傳熱材料，其中將所述至少一種粘合性組分連接 至所述散熱器元件。
6. 權利要求4的傳熱材料，其中將所述至少一種粘合性組分連接 至所述熱界面材料。
7. 權利要求4的傳熱材料，其中將所述至少一種粘合性組分混合 至至少一些所述熱界面材料中。
8. 權利要求1的傳熱材料，其中所述散熱器元件包括金屬、金屬 基材料、高傳導性非金屬或其組合。
9. 權利要求8的傳熱材料，其中所述散熱器元件包括鎳、鋁、銅 或其組合。
10. 權利要求8的傳熱材料，其中所述金屬基材料或高傳導性非 金屬包括矽、碳、銅、石墨、金剛石或其組合。
11. 權利要求10的傳熱材料，其中所述散熱器元件的厚度為約 0.25 mm -約6 mm。
12. 權利要求11的傳熱材料，其中所述厚度為約0.5 mm -約5mm。
13. 權利要求1的傳熱材料，其中所述金屬基塗層、層或膜包含銦。
14. 權利要求1的傳熱材料，其中將所述金屬基塗層、層或膜連 接至所述散熱器元件的至少 一個表面的至少 一部分。
15. 權利要求14的傳熱材料，其中在所述散熱器元件的至少一個 表面上所述金屬基塗層、層或膜包含圖案。
16. 權利要求1的傳熱材料，其中所述熱界面材料包含相變材料。
17. —種形成傳熱材料的方法，所述方法包括 提供散熱器元件，其中所述散熱器元件包含頂面、底面和至少一種散熱器材料，其中將至少一個表面與金屬基塗層、層或膜連接； 提供至少一種熱界面材料，其中將所述熱界面材料沉積在所述散熱器元件的至少一個表面上；和將所述至少一種熱界面材料沉積在所述散熱器元件的所述至少一個表面上。
18. 權利要求17的方法，其中所述傳熱材料還包含至少一種粘合 性組分。
19. 權利要求18的方法，其中將所述至少一種粘合性組分連接至 所述散熱器元件。
20. 權利要求18的方法，其中將所述至少一種粘合性組分連接至 所述熱界面材料。
21. 權利要求18的方法，其中將所述至少一種粘合性組分至少混 合至所述熱界面材料。
22. 權利要求17的方法，其中所述散熱器元件包括金屬、金屬基 材料、高傳導性非金屬或其組合。
23. 權利要求22的方法，其中所述散熱器元件包括鎳、鋁、銅或 其組合。
24. 權利要求22的方法，其中所述金屬基材料或高傳導性非金屬 包括矽、碳、銅、石墨、金剛石或其組合。
25. 權利要求17的方法，其中所述散熱器元件的厚度為約0.25mm -約6 mm。
26. 權利要求25的方法，其中所述厚度為約0.5111111-約5mm。
27. 權利要求17的方法，其中所述金屬基塗層、層或膜包含銦。
28. 權利要求17的方法，其中將所述金屬基塗層、層或膜連接至 所述散熱器元件的至少一個表面的至少一部分。
29. 權利要求28的方法，其中在所述散熱器元件的所述至少一個 表面上所述金屬基塗層、層或膜包含圖案。
30. 權利要求17的方法，其中所述熱界面材料包含相變材料。
31. —種形成IC封裝的方法，所述方法包括 提供傳熱材料，所述傳熱材料包含至少一種散熱器元件，至少一種金屬基塗層、層或膜和至少一種熱界面材料； 提供至少 一種粘合性組分； 提供至少一個表面或基體；將所述至少一種傳熱材料與所述至少一種粘合性組分連接，形成 粘合部件；和將所述粘合部件連接至所述至少一個表面或基體，形成熱封裝。
32. 權利要求31的方法，所述方法還包括將另外的層或元件連接 至所述熱封裝。
33. 權利要求31的方法，其中所述傳熱材料包括權利要求1的傳 熱材料。
全文摘要
本文所述的元件和材料(包括傳熱材料)包含與金屬基塗層、層和/或膜連接的至少一種散熱器元件，至少一種熱界面材料和在一些考慮的實施方案中至少一種粘合材料。散熱器元件包含頂面、底面和至少一種散熱器材料。將熱界面材料直接沉積在散熱器元件的至少一個表面的至少一部分上。形成分層的熱界面材料和傳熱材料的方法包括a)提供散熱器元件，其中散熱器元件包含頂面、底面和至少一種散熱器材料；b)提供至少一種熱界面材料，其中將熱界面材料直接沉積在散熱器元件的底面上；c)將金屬基塗層、膜或層沉積、施用或塗布在散熱器元件的至少一部分底面上；和d)將至少一種熱界面材料沉積、施用或塗布在散熱器元件的至少一個表面的至少一部分上。形成熱解決方案/封裝和/或IC封裝的方法包括a)提供本文所述的傳熱材料；b)提供至少一種粘合性組分；c)提供至少一個表面或基體；d)將至少一種傳熱材料和/或材料與至少一種粘合性組分連接，以形成粘合部件；e)將粘合部件連接至至少一個表面或基體，以形成熱封裝；f)任選將另外的層或元件連接至熱封裝。
文檔編號H01L23/24GK101405859SQ200780009706
公開日2009年4月8日 申請日期2007年1月17日 優先權日2006年1月18日
發明者B·魯歇爾特, P·昂德伍德, X·童 申請人:霍尼韋爾國際公司