传热界面材料以及焊料预制品的制作方法

文档序号:6811070
专利名称:传热界面材料以及焊料预制品的制作方法
背景技术
传热界面材料(TIMs)对于保护有源半导体装置例如微处理器免受超出操作温度极限之害至关重要。其能够使发热装置(例如硅半导体)与热沉或者散热材料(例如铜和/或铝成分)实现热粘接,而不出现过多的热阻。不同的传热界面材料也可用于装配包括全部热阻路径的其他热沉或者散热部件堆叠体。
低阻热构成是传热界面材料(TIMs)的一种重要性能。可将热障以术语描述为通过传热界面材料的有效热传导,并且优选这种热传导尽可能高。传热界面材料的有效热传导主要归因于界面热传递系数以及传热界面材料固有的热传导系数。根据具体应用,传热界面材料的其他各种性质也很重要,例如,当将两种材料连接时其适应(accommodate)或避免热膨胀的能力,机械方式牢固粘接以在热循环中保持稳定的能力,对潮湿和温度变化不敏感,制造可行性,以及成本因素。
现在有若干种材料用作传热界面材料,例如,导热脂、导热胶、粘合剂、弹性体、导热垫,以及相变材料。尽管上述的传热界面材料对于现在很多种常见半导体装置是适合的,但在不久的将来,半导体产品装置提高的性能将使目前所知的传热界面材料不能符合要求。具体而言目前的热传导非金属传热界面材料通常不超出5W/mK,以及典型地少于大约1W/mK。然而,不久就将需要有效热传导率大约为50W/mK的传热界面材料。
相对于前述非金属传热界面材料,可选择的一种方案是,采用一种由典型的焊料合金制成的固体金属片材或制品,金属的传热界面材料能保证很高的热传导值(举例而言,对于铟片大约为80W/mk)。金属的传热界面材料在再流时还可以表现出理想焊接或浸润性能,有助于获得较低的热界面阻抗。在再流期间,焊料和基板被加热,借助表面张力和/或区域表面合金化,焊料熔化并浸润。界面由金属间化合或者金属间扩散构成,其热性质通常没有大块的传热界面材料金属好,但是比现有的(聚合物基)传热界面材料好很多。大多数情况下,金属性传热界面材料必须经过再流以形成可靠的热界面。金属性传热界面材料,在有些应用中,因为传热界面材料与半导体材料和/或热沉件之间相对较大的热膨胀系数差异,以及缺少顺应性(compliance)而不能使用。

发明内容
简言之,由此,本发明涉及一种用于电子装置部件粘接(焊接/粘接)的多层焊料预制品,包括第一焊料预制品层,其包括焊料金属粘接组分以及添加剂,添加剂选自热传导率增进组分、热膨胀系数(CTE)改性组分,或其混合物;第二焊料金属制品层,构成为紧贴于所述第一焊料预制品层的底面;以及第三焊料金属制品层,紧贴于所述第一焊料预制品层的顶面。
本发明的另一方面是一种用于粘接电子装置部件的焊料预制品,包括球体,该球体包括球体焊料金属粘接组分以及添加剂组分,添加剂组分选自热传导率增进组分、热膨胀系数改性组分,或其混合物;球体表面层,包括布于球体上的焊料金属。


图1是常规半导体装置/热沉构成的代表性剖面图。
图2是本发明一种实施方式的半导体装置/热沉构成的代表性剖面图。
图3是本发明一种实施方式的半导体装置/热沉构成的代表性剖面图。
具体实施例方式
电子装置性能的改善,经常伴随提高电能消耗和减小装置尺寸,其独立或共同作用而增加电能密度。因此,必须增加正在运行的电子装置中流出的热量,以保持装置温度低于操作温度极限。本发明目的在于获得包括如下文所述的焊料成分和其他成分的高性能TIM,以增加从电子装置中的热流,并提供如下文所述的其他优点。该TIM包括在需要通过焊料其进一步如期望地改善热传导性时使用的热导率改善组分,或者在需要时可以理想地解决热失配的热膨胀系数改性组分,或者同时包括这二种组分以同时满足前述两种需要。这些应用中,可选择性地采用固有氧吸收剂。
本发明还包括一种焊料预制品,其具有提高了的对于电子装置基板的浸润性。在某些情况下,焊料预制品起TIM作用,但是,其他应用中,热传导并不很迫切,或者说其内在条件适当,则这种制品并不作为TIM使用。
A.焊料高性能TIM包括焊料,其允许TIM粘接于基板上。这里用的术语“基板”,是指半导体和/或热沉(热沉)部件和/或任何其他产品、装置、设备等等,用TIM使其与另外的这样的“基板”接合。当进行热处理时,TIM应当在低于正在运行的(电子)装置的失效温度(例如低于约350℃,优选低于约250℃,以及更优选低于约200℃)时粘接于基板。焊料在低于运行装置失效温度时熔化,浸润基板以及允许化学和/或机械粘接形成,这样的粘接使得当固化时起到良好的热传递效果。一般情况,焊料在低于约300℃温度熔化,优选低于约225℃熔化。在特定实施例中,焊料熔化温度低于约170℃,例如在约160℃和约95℃之间。
焊料可以包括常规的焊接材料,其需要热膨胀系数调整。例如,焊料可以包括Sn、Cu、In、Pb、Sb、Au、Ag,前述各材料的合金,例如Au-Sn、Au-Si、Au-Ge,以及其他例如Bi合金。或者例如,焊料可以包括In、In-Sn合金、Au-Sn合金,或Bi合金。优选地,焊料包括具有低熔化温度以及比常规TIM材料相对高的热传导性(低于约5W/Mk)的粘接组分。举例来说,In(熔点约155℃,热传导率约80W/mK),Sn(熔点约230℃,热传导率约70W/mK),以及其混合物和合金。在一个实施例中,粘接组分主要由In构成,由于其较低的熔化温度及容易浸润许多氧化物、陶瓷、金属陶瓷,无需使用有机助溶剂(助焊剂)。
在一个实施例中,焊料组分是Sn-Bi-Ag合金,包括约39wt%至约61wt%的Sn,约37wt%至约59wt%的Bi,以及约1%至约3%的Ag。在另一个实施例中,采用Bi-Ag合金,包括80-97%的Bi,以及3-20wt%的Ag。
B.热传导率增进组分为增加通过TIM的热流,在本发明优选实施例中,TIM包括热传导率增进组分。该热传导率增进组分优选具有热传导率高于约100W/mK。优选的热传导率增进组分材料是Al、包铝铜(Al-coatedCu)、Cu、Ag、Au,或其合金。Ag、Cu、以及Au分别具有热传导率约425W/mK、约400W/mK,以及约315W/mK。这样的金属通常具有相对高的熔化温度(例如,Ag的熔点是约960℃,Cu是约1,085℃,以及Au是约1,065℃)。其他优选组分是高热传导率陶瓷,例如,但不限于,AlN、BeO、BN、高热传导率金属陶瓷、铜酸盐,以及硅化物。另外一类的优选的热传导率增进组分是碳,以及碳相(多种相的碳),包括金刚石、碳纳米管,以及相关衍生物。
热传导率增进组分被粘接到焊料中,加入量的范围是从约1wt%至约50wt%。对于许多应用,优选热传导率增进组分加入量在约5wt%以及约20wt%之间,例如将6wt%Al加入焊料。
C.热膨胀系数改性组分在整个电子装置的使用寿命内,通过阻止在界面密切接触区域的劣化,在可以改善通过TIM的热流动。具体而言,电子组装件的不同部件之间热膨胀系数的区别,在热循环期间产生应力,在界面区域会导致局部或完全的分离。对于这样的TIM,其包括具有比常见半导体材料高的热膨胀系数材料,此问题更为突出。常见半导体材料,例如硅、锗、砷化镓、硫化镉,以及锑化铟,以及发光二极管材料包括固态光子发射体、光学激光应用的纤维(例如,In/As/GaAs,以及InAs/Al/Sb)。典型地,粘接组分材料以及热传导率增进组分材料具有的热膨胀系数,大于约16μm/m℃,而基板材料具有的热膨胀系数低于约10μm/m℃。
本发明TIM通过优选包括热膨胀系数改性组分最小化热膨胀系数失配的负面影响。热膨胀系数改性组分具有与基板更相容的热膨胀系数,因此经受热循环可以减少热应力。热膨胀系数改性组分具有热膨胀系数较好低于约及10μm/m℃,更好低于约8μm/m℃。例示的热膨胀系数改性组分材料包括氧化铍(约8.8μm/m℃),氧化铝(约6.5-7.0μm/m℃,氮化铝(约4.2μm/m℃),碳化硅(约4.0μm/m℃),二氧化硅(约0.5μm/m℃),低膨胀铁镍合金通常是指KOVAR或者INVAR(约5.2μm/m℃至约6.0μm/m℃),低膨胀陶瓷或玻璃粉末(约-1.0μm/m℃至约9.0μm/m℃),钼及其混合物。在本发明优选实施例中,热膨胀系数改性组分包括低膨胀铁镍合金,由于其具有很低的热膨胀系数,容易被焊料合金浸润并与焊料合金粘接,具有相当高的热传导率,以及具有相当高的延展性,这使其适于后合金处理(例如碾压和挤压)。较好地,热膨胀系数在TIM和基板之间失配在约5μm/m℃以及约30μm/m℃之间。更好地,热膨胀系数在TIM和基板之间失配在约5μm/m℃以及约20μm/m℃之间。更好一点,热膨胀系数在TIM和基板之间失配在低于约10μm/m℃。最好,TIM被定制为所需要的热膨胀系数失配,以适合特殊的应用。
尽管焊料以及热膨胀系数改性组分的量取决于具体应用,TIM优选包括约占体积30%至约90%的焊料,以及占体积约10%至约70%的热膨胀系数改性组分(如果需要的话,或者热膨胀系数改性组分加上热传导率增进组分,加上其他添加剂)。在大多数实施例中,TIM包括占体积约50%至约90%的焊料,以及占体积约10%至约50%的热膨胀系数改性组分(或者,如果需要,热膨胀系数改性组分加热传导率增进组分,加其他添加剂)。
在本发明的一个实施例中,热膨胀系数改性剂以及/或热传导率增前添加剂可以与焊料预浸润,以确保在再流期间与粘接组分粘接。特别地,某些添加剂可以用适当方法由焊料薄层包裹,所用方法例如是喷镀、热喷溅、真空沉积、或者还原处理(reductionprocessing)。与之相反的,在优选实施例中,高于所描述的热传导率增进组分以及热膨胀系数改性组分是不作包覆层的,也不用预浸润,以及在这种情况下,这些组分仅由上述特别提到的元素或化合物组成。这避免的增加操作以及增加的费用,使焊料更简单以及降低生产成本。因此,使用仅包括添加剂的组分,没有表面改性剂或者用于浸润的包覆层,具有独特的优点。
D.混合焊料组分、热传导率增进剂和/或热膨胀系数改性剂,这些组分通常是粉末状,或者磨制的颗粒,必须进行混合。通过粉末混合将这些组分组合、湿压,然后金属锻造处理以制成条(带)或薄片,接着加工成为产品(预制品)。
一种可供选择的方法,通过高剪切真空混合将粉末或颗粒混入熔化焊料,从而使添加剂与焊料组合。这种高剪切真空混合提供足够的强烈混合,使得组分充分分散,无需预浸润添加剂。特别地,已经发现,这种强力混合允许本发明以上述优选方式实现,其中添加剂无需浸湿,使得焊料简单以及制造成本低。
还有一种用于组合的解决方法,涉及焊料布置到添加剂表面上的物理气相沉积(PVD)。这会制成焊料材料包覆的热传导率增进组分或热膨胀系数改性剂,然后与焊料糊粘接。或者粉末可以压紧或直接锻造,或者烧结以及锻造。
进一步可选的方法是通过热喷溅、浆液喷溅,或其他喷溅方法,共同喷溅添加剂和焊料,包括熔化焊料。一种优选的可选方法是动力学喷溅,如美国专利6,283,386(附在此作为参考文献)所披露,其中粉末组分由冷焊方法粘接。这种动力学喷溅方法(kinetic spraying method)是优选的,原因是可以减少氧化物的形成,以及可直接形成焊料预制品的能力。此种技术可由在Michigan州的Troy的Delphi Technologies公司获得。
E.固有的氧吸收剂组分除了通过选择热传导焊料材料以及使用热传导增进剂以增加通过TIM的热流,通过提高在界面的热传导系数,也可以实现显著提高来自基板的热流。事实上,在这样界面上的热流阻力能够高达约大于TIM阻力的两级幅度。较低的热传导系数的主要原因,经常是在基板和TIM之间界面形成区域不是紧密接触。如此,这些区域起到隔热和阻止热流从热源流走的作用。通过界面减少热传导的第二原因是不同的中间金属相存在较高的热阻。优选的,TIM界面热传导系数大于约50W/cm2℃,以及更好大于约500W/cm2℃。
典型地,TIM用于接合半导体(或金属化的半导体)和热沉,要求机械和/或化学助熔,以消除TIM、半导体基板、以及热沉件表面的氧,启动接合过程并允许TIM浸润表面。化学助熔剂通常用于在用常规焊料低于约300℃接合物品的情形。典型的化学助熔剂包括这样的化合物,一旦受热则活化并消除表面氧化物。然而,一些焊料材料不逸出,以及在界面区域形成隔绝袋或孔穴,和/或形成有害于装置运行的残渣。
根据本发明特定的实施例,TIM(包括焊料)优选不要求外加的助熔剂(也就是不需要机械助熔,以及有机以及无机助熔剂化合物)。更适合地,在这些实施例中,本发明的TIM中的焊料优选由固有的氧吸收剂活化,其与粘接组分混合。固有氧吸收剂与粘接组分相比更容易与氧反应,因此消除或最小化粘接组分-氧化合物。举例来说固有氧吸收剂包括碱金属(例如Li、Na和K),碱土金属(例如Mn和Ca),锌,难熔金属(例如,Ti、Zr、Hf、Ta、V以及Nb),稀土金属(例如,La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy以及Yb),以及其混合物和合金(例如可用的混合稀土,举例来说,自美国Massachusetts Ward Hill的Alfa Aesar,其组合物包括占重量约50%的Ce,约22% La,约18% Nd,约6% Pr,以及约0-4%的Yb、Sm、Gd、Eu、Tb以及Dy)。优选的,在焊料中难熔金属占重量的总含量低于约10%,稀有土金属占重量的总含量低于约5%,以及碱、碱土和锌占重量的总含量低于约20%。
在一示例性实施例中,TIM包括铟作为焊料,以及钛和混合稀土作为氧吸收剂提供顺应性,还有高热膨胀系数合金,大致高于约157℃熔化。较好地,其包括占重量约0.5%至约2%的Ti以及占重量约0.1%至约2.0%的混合稀土,其余为In。更好地,其包括占重量约1%的Ti,以及占重量约0.2%的混合稀土,剩余为In。发现获得一种适应性的TIM,可被焊接成具有很低的界面缺陷水平,因此在热循环中很少会失效。
在另外的优选实施例中,焊料是一种刚性的金基焊料,具有相当低的热膨胀系数(约13-14μm/m℃),典型用于部件间安装或者固定光学纤维(例如,金-锡,金-硅,以及金-锗焊料)。典型地,对于金-锡合金,其中金和锡占重量百分比含量分别为约75%至约85%,和约15%至约25%。对于金-硅合金,其中金占重量百分比含量至少约90%,以及硅占重量约1%至约5%。对于金-锗合金,其中金占重量百分比含量至少约以及80%,以及锗占重量约5%至约15%。为提供相对低的焊料组合物熔化或再流(回流)温度,优选接近共晶成分(例如,成分占共晶组分重量的约±3%范围内)。共晶组分是约80Au-20Sn,约97Au-3Si,以及约88Au-12Ge。接近共晶的金-锡合金对于许多应用特别优选,因为其高于约280℃熔化。因为这些金基焊料包含相对少的可氧化材料,需要较少固有氧吸收剂材料。具体地,固有氧吸收剂材料的含有量优选约为铟基焊料的一半。优选焊料中难熔金属总含量占重量低于约5%,稀土金属的总含量占重量低于约3%,以及碱、碱土和锌的总含量占重量低于约10%。更好地,难熔金属总含量占重量0.5%至约1.5%,稀土金属的总含量占重量约0.01%至约0.5%,碱金属总含量占重量约0.1%至约0.5%,碱土金属总含量占重量约0.1%至约0.5%,以及锌总含量占重量约0.1%至约0.5%。这些较低热膨胀系数合金比起非顺应性高热膨胀系数合金,在半导体界面经历热循环中更不容易失效。
除了省去外加助熔剂的需要,活性焊料以及传热界面材料包括活性焊料能浸润非金属表面,例如,但不限于,Si、SiO2、SiN,以及II-IV和III-V半导体。作为结果,可浸润镀金属,例如,但不限于,Au、Au-Ni、Ni、Cu、Sn以及其组合,不要求在焊接/粘接操作前沉积在这样的非金属表面。这样与非金属粘接的能力提供了一种重要的材料和处理优势。
本发明的TIM以及活性焊料特别适合于在温度低于约300℃的热处理,以及优选低于约200℃。然而,本发明的TIM以及活性焊料可以在提升温的条件下热处理(例如,高于约500℃),以提供更有效的浸润(例如,更短的浸润时间)。
除了在处理过程热流穿越界面条件严苛情况下改善了焊接处理,前述活性焊料在制作光电子产品时特别有用。具体而言,有源光电子产品组件包括发射激光装置。如果光束中途阻断于任何来自化学助熔剂的有机残余物,激光容易碳化残余物,这会毁损装置。采用无助熔剂焊接处理可消除此潜在风险成因。
固有吸气组分功能,独立于基板表面浸润,是固有的吸气组分浸润上述添加组分,以及促进这些添加剂分散在焊料金属中。这允许利用添加剂,例如热传导率增强剂,以及热膨胀系数改性剂,否则难于使用,或者要求预浸润。
具有这种固有吸气剂组分的焊料可以由可用的惰性熔化方法形成,例如通过引入惰性坩锅熔化或者利用电弧熔化。将此系统抽空以及后注入非活性惰性气体,例如氩气。金属被加热优选高于约1000℃以保证适当的合金组分液化。特别优选的做法是,在此温度以及环境下,添加剂以及焊料通过高剪切真空混合粘接,粉末或颗粒混合到熔化焊料中,如上文所述。此高剪切真空混合提供充分强烈的混合,使组分充分分散而无需预浸润添加剂。此方法可在真空下达到混合温度,活性添加高度有效,以及对金属陶瓷、陶瓷以及其他难于处理的基板的浸润容易获得。
在熔化以及混合后,熔化的组合物接着被制成铸块,用于后续的锻造处理。熔铸合金铸造并成型,以及机械方法加工成线、带或者预制产品,用于制造TIM产品。
F.具有增强浸润特性的焊料产品一种较高比例填入热传导率增进组分和/或热膨胀系数组分的焊料,通常具有较低的冶金学流动性(metallurgical fluidity)。这种低流动性削弱了对于良好焊料带形成来说很重要的毛细流动。通过制成一种焊料预制品,在一个实施例中解决了这个问题。在一些应用中,这种焊料预制品作用为TIM,但是在另外的应用中,提高热传导并不重要,或者原本就很合适,则此制品不起到TIM作用。此预制品结构既可适用于TIM,也可适用于非TIM粘接应用。在一个实施例中此制品是多层的焊料预制品,具有内部充填的焊料组分以及外部未充填的焊料组分。内部焊料组分,充填后提供所需的特性,例如由填料赋予热膨胀系数改良和/或热传导率增进。外部焊料组分,为没有充填物的,提供良好的冶金学流动性用于与基板浸润。“充填”在上下文中是指向焊料粘接组分中混入热膨胀系数改性组分和/或热传导率增进组分。“充填”意味着部分充填而不意味完全充填。“未充填”在上下文中是指焊料粘接组分没有包含这样的添加剂,或者至少这类添加剂没有占足够比例以显著减少冶金学流动性。优选未充填焊料层在充填焊料层各层之上。由多种可用的方法形成以及粘接各个层,包括各焊料材料条带进行辊压粘接,喷溅,在焊料条带上或其他焊料基板上镀层,物理沉积例如PVD,或化学沉积例如CVD。
一种这样的焊料预制品实施例是多层焊料预制品,具有第一焊料预制品层,其是一种焊料粘接组分,其中充填有一种选自热传导率增进组分、热膨胀系数改性组分,以及其混合物的添加剂。有未加充填物的第二以及第三焊料层,分别紧贴于第一层的顶部表面和底部表面。第一层的焊料粘接组分,以及第二层和第三层的焊料组分,典型地选自Sn、Cu、In、Pb、Sb、Au、Ag、前述金属的合金、Bi合金,以及其混合物。
在粘接有热传导率增进组分的实施例中,这类组分可以采用任何的可与焊料粘接组分兼容的组分。这类组分例如包括前述的Al、包铝铜(Al-coatedCu)、Ag、Au,前述金属的合金,AlN、BeO、BN、高热传导率陶瓷、铜酸盐、硅化物,以及碳相。在粘接有热膨胀系数改性组分的实施方式中,可以用任何可与粘接组分相容的任何这类组分。这类组分的例子包括前面提到的组分,选自如下材料组BeO、Al2O3、AlN、SiC、SiO2、低膨胀Fe-Ni合金、低膨胀陶瓷粉末、低膨胀玻璃粉末以及其混合物。在一优选实施例中,热膨胀系数改性组分主要由不预浸润的特别的元素或者化合物组成,也就是说,其为未加包覆的成分。
第一层可以也包括一种固有氧吸收剂,其与焊料金属粘接组分相容。固有氧吸收剂的合适的实例包括由下列成分构成的组稀土金属、碱金属、碱土金属、难熔金属、Zn,以及其混合物。本发明焊料预制品提供的增进的总体冶金学流动性,然而,在这样的焊料预制品中通常不采用用于表面浸润的固有氧吸收剂。然而,固有吸气组分的功能独立于基板表面浸润,其为固有吸气组分浸润上述的添加剂组分,以及促进这些添加剂在焊料金属中分散。这允许使用添加剂,例如热传导率增进剂,以及热膨胀系数改性剂,否则会难于使用,或者需要进行预浸润。
在焊料再流未充填的焊料层期间,第二以及第三层未由充填物损害,以及容易流动和浸润基片表面。界面金属间化合至少充分地消耗了未充填的焊料,从而获得增强的焊料带。
在一个实施例中,第一焊料预制品层的厚度在约0.001英寸(0.025mm)以及约0.125英寸(3mm)之间,以及各第二和第三层厚度在约0.0001英寸(0.0025mm)以及约0.02英寸(0.5mm)之间。
一备选的用于电子装置粘接组分的焊料预制品包括球体表面带有布于表面的球体表面层。球体包括焊料金属粘接组分以及选自热传导率增进组分、热膨胀系数改性组分、以及其混合物之中的充填的添加组分。在球体中的焊料金属粘接组分,以及布于其上的球体表面层,举例来说,可选自以下成分组成的组Sn、Cu、In、Pb、Sb、Au、Ag、前述金属的合金、Bi合金,以及其混合物。
制备球体的一个方法,是由焊料条压制成焊料盘。通过在热油柱中回流压制的盘形成球。接着将焊料球体电镀方法、物理沉积、化学沉积或者喷溅方法涂布未充填的焊料材料。在一个典型实施例中,球体具有直径在大约0.003英寸(0.075mm)以及约0.06英寸(1.5mm)之间,以及球体表面层在约0.0005英寸(0.0125mm)以及约0.05英寸(1.25mm)厚度之间。
G.可选的TIM形式本发明的高性能TIM可制成为薄片,或筛状,其上形成开口(例如,通过冲孔或者蚀刻),开口充填以一种或者多种添加剂。举例来说,带有六角形间隔开口的铟-基金属薄片可充填以氧化铍。在铜金属薄片或筛的情况下,铜上有粘接组分例如铟的包覆层(例如,通过浸涂或者电镀)。可以要求合适的扩散屏障组分(例如,镍、钛或者其他过渡金属),以在熔化和接合过程中阻止铜向铟中快速扩散。一种另外的方法是采用海绵体,包括粘接组分和/或热传导率增进组分(例如,90%理论密度),充填以热膨胀系数改性组分,海绵体可以被切割成片以获得所需的厚度。
H.抗热膨胀系数失配半导体在许多装置中可以使用上述本发明的TIM以及焊料预制品,提供界面用于连接半导体基板和热沉件,其减少或消除在TIM和基板之间热膨胀系数失配的不良作用。这样,改善的界面提高了热膨胀系数失配的极限范围。
现在参见图1,典型的电子装置组件的半导体/热沉结构1,包括半导体基板2,具有前表面3以及后表面4,电子装置(未示出)位于前表面,第一传热界面材料5将半导体基板2的后表面4与具有前表面7的热沉件6粘接,热沉件包括具有后表面9和前表面10的热交换体8,以及可选的,盖11具有后表面12以及前表面13。如果包括可选的盖11,第二传热界面材料14将盖后表面12与热交换体8前表面10粘接。根据本发明,上述高性能传热界面材料可以用于在这种典型的电子装置组件中,补偿基板和盖之间的热膨胀系数失配,以及盖和热交换体之间的热膨胀系数失配。
参见图2,本发明涉及一种电子装置组件1,包括半导体基板2,具有前表面以及后表面,以及在半导体基板前表面上的电子装置(未示出)。该组件还包括盖11,其包括凹进15用于容纳插入体16,该插入体16尺寸以及形状形成为使其适配于凹进中。在此实施例中,凹进从盖的前表面向内延伸,达到在盖的前表面和后表面之间的点。插入体包括前表面17,后表面18,以及与盖19接触的表面。电子装置组件进一步包括第一传热界面材料5,其将基板2的后表面与插入体16的前表面17粘接在一起。优选地,组件还包括第二传热界面材料14,其将盖11的后表面12与热交换体8粘接。插入体包括热应力消除材料,其具有热膨胀系数比盖的热膨胀系数更接近匹配基板热膨胀系数(见上文)。换而言之,插入体的热膨胀系数在盖的热膨胀系数以及基板热膨胀系数之间。因此,与基板和盖之间较大的热膨胀系数失配相比,在插入体和基板之间,第一传热界面材料仅需要适合相对小的热膨胀系数失配。结果,最大的热膨胀系数失配典型地是在插入体/盖界面之间,以及因为插入体典型地小于盖,可以将插入体压安装于盖内。
参见图3,凹进15可以延伸穿过盖11(即,凹进从盖的前表面延伸到后表面),以及,同样地,插入体16可完全延伸穿过盖11。结果,第二传热界面材料14也粘接插入体16与热交换体8。
综上所述,可见本发明的多个目的都达到了。对于上述的组分和方法可以进行多种改变,而不脱离本发明的范围,上文的描述是为了进行示例说明,而不构成对本发明的限定。
权利要求
1.一种多层焊料预制品,用于电子装置的部件粘接,包括第一焊料预制品层,具有顶面以及底面,包括焊料金属粘接组分,以及选自热传导率增进组分、热膨胀系数改性组分或其混合物的添加剂;第二焊料金属制品层,紧贴于第一焊料预制品层的底面;以及第三焊料金属制品层,紧贴于到第一焊料预制品层的顶面。
2.根据权利要求1所述的多层焊料预制品,其中所述的焊料金属粘接组分、第二焊料金属制品层和第三焊料金属制品层选自以下材料组Sn、Cu、In、Pb、Sb、Au、Ag、前述金属的合金、Bi合金、以及其混合物。
3.根据权利要求2所述的多层焊料预制品,其中所述的添加剂包括热传导率增进组分,选自Al、包铝铜(Al-coated Cu)、Cu、Ag、Au、前述金属的合金、AlN、BeO、BN、高传导率金属陶瓷、铜酸盐、硅化物、以及碳相。
4.根据权利要求2所述的多层焊料预制品,其中所述的添加剂包括热传导率增进组分,未经包覆,其材料选自Al、Cu、Ag、Au、前述金属的合金、AlN、BeO、BN、高传导率金属陶瓷、铜酸盐、硅化物,以及碳相。
5.根据权利要求2所述的多层焊料预制品,其中所述的添加剂包括一热膨胀系数改性组分,选自以下材料组BeO、Al2O3、AlN、SiC、SiO2、低膨胀Fe-Ni合金、低膨胀陶瓷粉末、低膨胀玻璃粉末,以及其混合物。
6.根据权利要求2所述的多层焊料预制品,其中所述的添加剂包括热膨胀系数改性组分,未加有包覆层,以及选自下述材料组BeO、Al2O3、AlN、SiC、SiO2、低膨胀Fe-Ni合金、低膨胀陶瓷粉末、低膨胀玻璃粉末,以及其混合物。
7.根据权利要求1所述的焊料预制品,其中所述的焊料金属粘接组分、第二焊料金属制品层和第三焊料金属制品层,选自以下材料组Sn、Cu、In、Pb、Sb、Au、Ag、前述金属的合金、Bi合金,以及其混合物;其中所述的添加剂包括热传导率增进组分,选自Al、包铝铜(Al-coated Cu)、Cu、Ag、Au,前述金属的合金,AlN、BeO、BN、高传导率金属陶瓷、铜酸盐、硅化物,以及碳相;其中所述的添加剂包括热膨胀系数改性组分,选自以下材料组BeO、Al2O3、AlN、SiC、SiO2、低膨胀Fe-Ni合金、低膨胀陶瓷粉末、低膨胀玻璃粉末以及其混合物。
8.根据权利要求1所述的焊料预制品,其中所述的焊料金属粘接组分、第二焊料金属制品层和第三焊料金属制品层,选自以下材料组Sn、Cu、In、Pb、Sb、Au、Ag、前述金属的合金、Bi合金,以及其混合物;其中所述的添加剂包括没有包覆层的热传导率增进组分,选自Al、Cu、Ag、Au、前述金属的合金、AlN、BeO、BN、高传导率金属陶瓷、铜酸盐、硅化物,以及碳相;以及其中的添加剂包括热膨胀系数改性组分,未经包覆,选自以下材料组BeO、Al2O3、AlN、SiC、SiO2、低膨胀Fe-Ni合金、低膨胀陶瓷粉末、低膨胀玻璃粉末,以及其混合物。
9.根据权利要求1-8所述的多层焊料预制品,其中所述第一焊料预制品层进一步包括固有氧吸收剂,选自下述材料组稀土金属、碱金属、碱土金属、难熔金属、Zn,其混合物,以及其合金。
10.根据权利要求1-9所述的多层焊料预制品,其中所述的第一层厚度在约0.001(0.025mm)以及约0.125英寸(3mm)之间;所述第二以及第三层的各自厚度在约0.0001(0.0025mm)以及约0.02英寸(0.5mm)之间。
11.一种用于粘接电子装置部件的焊料预制品,包括球体,包括球体焊料金属粘接组分以及添加剂组分,添加剂组分选自热传导率增进组分、热膨胀系数改性组分,以及其混合物;以及球体表面层,包括遍布于球体表面的焊料。
12.根据权利要求11所述的焊料预制品,其中所述的球体焊料金属粘接组分以及球体表面层选自以下材料组Sn、Cu、In、Pb、Sb、Au、Ag、前述金属的合金,以及Bi合金。
13.根据权利要求11所述的焊料预制品,其中所述的添加剂包括热传导率增进组分,选自Al、包铝铜(Al-coated Cu)、Cu、Ag、Au、前述金属的合金、AlN、BeO、BN、高传导率金属陶瓷、铜酸盐、硅化物,以及碳相。
14.根据权利要求11所述的焊料预制品,其中所述的添加剂包括热传导率增进组分,未经包覆,材料选自Al、Cu、Ag、Au、前述金属的合金、AlN、BeO、BN、高传导率金属陶瓷、铜酸盐、硅化物,以及碳相。
15.根据权利要求11所述的焊料预制品,其中所述的添加剂包括热膨胀系数改性组分,选自以下材料组BeO、Al2O3、AlN、SiC、SiO2,低膨胀Fe-Ni合金、低膨胀陶瓷粉末、低膨胀玻璃粉末,以及其混合物。
16.根据权利要求11所述的焊料预制品,其中所述的添加剂包括热膨胀系数改性组分,未加包覆层,选自以下材料组BeO、Al2O3、AlN、SiC、SiO2、低膨胀Fe-Ni合金、低膨胀陶瓷粉末、低膨胀玻璃粉末,以及其混合物。
17.根据权利要求11所述的焊料预制品,其中所述的球体焊料金属粘接组分以及球体表面层选自以下材料组Sn、Cu、In、Pb、Sb、Au、Ag、前述金属的合金、Bi合金,以及其混合物;其中所述的添加剂包括热传导率增进组分,选自Al、包铝铜(Al-coated Cu)、Ag、Au、前述金属的合金、AlN、BeO、BN、高传导率金属陶瓷、铜酸盐、硅化物,以及碳相;其中所述的添加剂包括热膨胀系数改性组分,选自以下材料组BeO、Al2O3、AlN、SiC、SiO2、低膨胀Fe-Ni合金、低膨胀陶瓷粉末、低膨胀玻璃粉末,以及其混合物。
18.根据权利要求11所述的焊料预制品,其中所述的球体焊料金属粘接组分以及球体表面层选自以下材料组Sn、Cu、In、Pb、Sb、Au、Ag、前述金属的合金、Bi合金,以及其混合物;其中所述的添加剂包括热传导率增进组分,没有包覆层,材料选自Al、Cu、Ag、Au、前述金属的合金、AlN、BeO、BN、高传导率金属陶瓷、铜酸盐、硅化物,以及碳相;其中所述的添加剂包括热膨胀系数改性组分,未经包覆,选自以下材料组BeO、Al2O3、AlN、SiC、SiO2、低膨胀Fe-Ni合金,低膨胀陶瓷粉末、低膨胀玻璃粉末,以及其混合物。
19.根据权利要求11-18所述的焊料预制品,其中所述的球体进一步包括固有氧吸收剂,选自以下材料组稀土金属、碱金属、碱土金属、难熔金属、Zn、其混合物,以及其合金。
20.根据权利要求11-20所述的焊料预制品,其中所述的球体直径在约0.003英寸(0.075mm)以及约0.06英寸(1.5mm)之间;所述球体表面层厚度在约0.0005英寸(0.0125mm)以及约0.05英寸(1.25mm)之间。
全文摘要
焊料预制品(5,12)具有多层,包括已充填添加剂的焊料层,置于用于改善浸润性的两个未充填添加剂的焊料层之间。具有一球体的焊料预制品,包含充填有添加剂的焊料材料,以及用于改善浸润性的未经充填的表面层。充填剂中是热膨胀系数改性组分和/或热传导率增进组分。
文档编号H01L23/48GK1894791SQ200380111011
公开日2007年1月10日 申请日期2003年11月25日 优先权日2003年11月25日
发明者布赖恩·路易斯, 巴瓦·辛格, 约翰·P·拉芬, 大卫·V·胡华, 安东尼·英格汉姆 申请人:弗莱氏金属公司
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