专利名称：半导体器件组件以及散热器组件的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于包括应力消除缓冲层的半导体器件的热界面材料和封装热设计。
背景技术：
包括在多层载体上的倒装芯片的倒装芯片封装(更具体地，有机倒装芯片封装) 由于在倒装芯片与多层载体之间的热膨胀系数(CTE)失配而固有地在预定温度范围内翘 曲。例如，芯片可具有3ppm/°C的CTE，而有机芯片载体可具有17-24ppm/°C的CTE。这样的 CTE失配可导致载体的弯曲。如果将散热器或盖附接到具有诸如导热油脂的热界面材料的 芯片的背表面，则会在芯片与散热器或盖之间产生不均勻的油脂填充的间隙。由于可不利 地影响热性能的载体的弯曲，热界面材料同样会被拉伸。在严重情况下，会发生热界面材料 的裂开或分离。
发明内容
根据本发明的第一方面，通过提供一种散热器组件，可以实现以上和以下描述的 本发明的各种优点和目的，所述散热器组件包括用于芯片载体衬底的散热器，所述散热器具有第一热膨胀系数CTEl ；与所述散热器接触的多层热界面材料，所述热界面材料包括与所述散热器接触的 第一金属热界面材料层和与所述第一金属热界面材料层接触的缓冲层，所述缓冲层具有第 二热膨胀系数CTE2，其中CTEl > CTE2。根据本发明的第二方面，提供一种半导体器件组件，包括芯片载体衬底；附接到所述衬底的散热器，所述散热器具有第一热膨胀系数CTEl ；半导体器件，其被安装在所述衬底上并在所述散热器下方，所述半导体器件具有 第三热膨胀系数CTE3 ；多层热界面材料，其被插入在所述散热器与所述半导体器件之间，所述热界面材 料包括与所述散热器接触的第一金属热界面材料层和与所述第一金属热界面材料层接触 的缓冲层，所述缓冲层具有第二热膨胀系数CTE2，其中CTEl > CTE2 > CTE3。根据本发明的第三方面，提供一种半导体器件组件，包括芯片载体衬底；半导体器件，其被安装在所述衬底上，所述半导体器件具有第一热膨胀系数 CTEl ；多层热界面材料，其位于所述半导体器件上，所述热界面材料包括第一金属热界 面材料层和与所述第一金属热界面材料层接触的缓冲层，所述缓冲层具有第二热膨胀系数 CTE2，其中CTEl > CTE2，并且热界面材料层接触所述缓冲层和所述半导体器件。
在所述权利要求中具体地阐述了相信为新颖的本发明的特征以及本发明的部件 特性。附图仅仅用于示例的目的且未按比例绘制。然而，就组织和操作方法两方面而言，可 以通过在下面参考结合附图给出的详细描述而最好地理解本发明本身，在附图中图1是现有技术的半导体器件组件的侧视图；图2是根据本发明的半导体器件组件的侧视图；图3A、3B、3C和3D包括根据本发明的多层热界面材料的各种实施例的顶视图；图4A和4B是装配根据本发明的半导体器件组件的两种不同方式的分解图；以及图5是根据本发明的多层热界面材料的放大的侧视图。
具体实施例方式更详细地参考附图，具体地，参考图1，示出了现有技术的半导体器件组件10的侧 视图。半导体器件组件10包括芯片载体衬底12，例如有机芯片载体，在芯片载体衬底12上， 在所谓的倒装芯片位置中安装芯片14(以下称为半导体器件)。通过倒装芯片，意味着半 导体器件14被安装为有源侧朝下，并且半导体器件14通过焊料球16或其他公知的电连接 而连接到衬底12。还可以存在常规的底填材料18。半导体器件组件10还可以包括清除由 半导体器件14所产生的热的盖或散热器20 (以下合称为“散热器”)。可通过支柱(leg) 22 支撑散热器20，支柱22通过粘合剂24而被牢固地附接到衬底12。最后，为了在半导体器 件14与散热器20之间具有良好的热接触，还存在常规的热界面材料26。常规的热界面材 料26包括非金属热油脂、糊膏或凝胶体。在实践中，半导体器件14与衬底12之间的热膨胀系数(CTE)失配可导致衬底12 和器件14的弯曲，由此导致热界面材料26的拉伸，这会导致热界面材料26从半导体器件 14裂开或分离。热界面材料26的该裂开或分离可发生在热界面材料26与半导体器件14 之间的界面28 (示于图1中)或者热界面材料26与散热器20之间的界面29处。现在参考图2，示出了根据发明的半导体组件的侧视图。示出的半导体器件组件 110包括在芯片载体衬底112上安装的半导体器件114。半导体器件114通过焊料球116 或本领域技术人员公知的其他电连接而与衬底112连接。半导体器件114可具有围绕半导 体器件114和在半导体器件114下方的底填材料118。半导体器件组件110还包括可具有 支柱122的散热器120，支柱122通过粘合剂124而被固定到衬底112。为了从半导体器件 114清除热，本发明还包括通常由126表示的多层热界面材料。多层热界面材料126包括与散热器120接触的第一金属热界面材料层128。用于 第一金属热界面材料层128的合适材料包括铟(其本身为元素铟)和低熔点焊料合金，例 如97%铟/3%银以及58%铋/42%锡(重量百分比)。该材料应能够在低温下回流以在需 要时熔断(fuse)到散热器120。多层热界面材料126还包括与第一金属热界面材料层128接触的缓冲层130。缓 冲层130的目的如下。散热器120具有约17ppm/°C的CTE (与芯片载体衬底112的CTE相 似)，而半导体器件114具有约3ppm/°C的CTE。散热器120与半导体器件114之间的CTE 的这种高失配会导致热界面材料126中的应力。为了消除这些应力，将具有中间CTE值的缓 冲层130插入在第一金属热界面材料层128与半导体器件114之间。换句话说，如果散热器120的CTE为CTEl，缓冲层130的CTE为CTE2且半导体器件114的CTE为CTE3，则CTEl > CTE2 > CTE3。更精确地，缓冲层130应选自具有以下特性的材料其CTE在半导体器件的CTE与散热器的CTE之间，并且优选更接近半导体器件而 不是更接近散热器；其热导率在散热器120的热导率与热界面材料126的第一层128的热导率之间；可容易地制造为薄的平板；应可得数百微米的范围内的薄片形式；以及其成本与完全由第一层128构成的热界面材料的成本不相上下。满足这些要求的一些材料包括铝/硅/碳(AlSiC)、钨和铜(W/Cu)、钼和铜(MoCu) 的合金、以及铜、钼和铜(Cu/Mo/Cu)的叠层。由图2和3可以看出，第一金属热界面材料层128和缓冲层130延伸超出半导体 器件的尺寸。图2和3还示例出本发明的两个其他优选特征。这些优选特征中的一个为在第一 金属热界面材料层128中的支座(standoff) 134。支座134确保散热器120与缓冲层130 之间的一致的热界面材料厚度。此外，支座134可以用作止裂器。如图3所很好示出的，支 座134可以仅仅为片段(图3B)或可以围绕整个芯片周边(图3D)。优选特征中的另一个为缓冲层120具有穿孔136，如图3C和3D很好地示出的。穿 孔消除了由缓冲层120(尤其是在热斑区域之上)的存在而引起的任何额外的热阻。穿孔136 可在没有支座的情况下使用(如图3C所示)或者在有支座的情况下使用(如图3D所示)。 穿孔136可呈现允许热阻减小的任何形状。本发明所提供的为热界面材料126的第一层128 使用倒圆的拐角的灵活性还有助于减轻由常规设置中的尖锐拐角引起的高应力浓度。在一个优选实施例中，存在与缓冲层130接触的附加的热界面材料层132。再次参 考图2，附加的热界面材料层132被设置在缓冲层130与半导体器件114之间。在一个优选 实施例中，附加的热界面材料层132可以由与第一金属热界面材料层128类似的金属材料 制成。再次地，合适的材料包括铟(其本身为元素铟)和低熔点焊料合金，例如97%铟/3% 银以及58%铋/42%锡(重量百分比)。虽然附加的热界面材料层132和第一金属热界面 材料层128可以由相同的材料制成，但这不是必要的，它们可以由不同的金属材料制成，只 要它们二者都由上述合适的材料制成即可。在一个优选实施例中，替代地，附加的热界面材料层132可由诸如热凝胶、糊膏或 油脂的非金属材料制成。这些材料是被分类为非金属材料的常规材料，但它们可以包含用 于导热的金属或非金属高热导率颗粒。图5是多层热界面材料126的放大的侧视图，其示出了第一金属热界面材料层 128、缓冲层130、附加的热界面材料层132、可选的支座134以及可选的穿孔136。图4A和4B示例出用于装配根据本发明的半导体器件组件110的两种方法。首先 转到图4A，装配包括第一金属热界面材料层128、缓冲层130和附加的热界面材料层132的 多层热界面材料126，然后将多层热界面材料126置于半导体器件114上。最好在将多层热 界面材料126置于半导体器件114上之前利用例如镍或金来金属化半导体器件114的表面 140。此后，将散热器120置于多层热界面材料126上，然后将整个组件加热到预定温度以 回流第一金属热界面材料层128和第二金属热界面材料层132。
图4B示例出用于装配根据本发明的半导体器件组件110的第二种方法。将第一 金属热界面材料层128和缓冲层130置于散热器120上。第一金属热界面材料层128应与 散热器120直接接触。将该子组件加热到预定温度以回流第一金属热界面材料层128。此 后，将第二热界面材料层132置于半导体器件114上，其后是第一金属热界面材料层128、缓 冲层130和散热器120。第二热界面材料层132可以为金属性的(例如，铟或低熔点焊料合 金)或非金属性的(热凝胶、糊膏或油脂)。如果第二热界面材料层132是金属性的，则需 要金属化半导体器件114的表面140。本发明的优点包括减少了在半导体器件拐角处的应力集中源，由此减轻了热界面 材料126的分裂倾向(在与散热器120或半导体器件114的任一界面处粘着性地或胶粘性 地)且消除了在缓冲层130与散热器120之间的应力集中源，由此减轻了分裂倾向。在考虑了本公开之后，对于本领域技术人员很明显的，可以做出超出这里具体描 述的实施例的本发明的其他修改而不脱离本发明的精神。因此，这些修改被视为在仅仅由 所附权利要求限定的本发明的范围内。
权利要求
一种散热器组件，包括用于芯片载体衬底的散热器，所述散热器具有第一热膨胀系数CTE1；与所述散热器接触的多层热界面材料，所述热界面材料包括与所述散热器接触的第一金属热界面材料层和与所述第一金属热界面材料层接触的缓冲层，所述缓冲层具有第二热膨胀系数CTE2，其中CTE1＞CTE2。
2.根据权利要求1的散热器组件，其中所述热界面材料还包括与所述缓冲层接触的第 二金属热界面材料层。
3.根据权利要求2的散热器组件，其中所述第一和第二金属热界面材料层选自铟(其 本身为元素铟)和低熔点焊料合金。
4.根据权利要求1的散热器组件，其中所述热界面材料还包括与所述缓冲层接触的非 金属热界面材料层。
5.根据权利要求4的散热器组件，其中所述非金属热界面材料选自非金属热凝胶、糊 膏和油脂。
6.根据权利要求1的散热器组件，其中所述缓冲层被穿孔。
7.根据权利要求1的散热器组件，其中所述缓冲层选自钨/铜、钼/铜、铜/钼/铜以 及铝/硅碳化物。
8.根据权利要求1的散热器组件，其中所述第一金属热界面材料层包括支座。
9.一种半导体器件组件，包括芯片载体衬底；附接到所述衬底的散热器，所述散热器具有第一热膨胀系数CTE1 ；半导体器件，其被安装在所述衬底上并在所述散热器下方，所述半导体器件具有第三 热膨胀系数CTE3 ；多层热界面材料，其被插入在所述散热器与所述半导体器件之间，所述热界面材料包 括与所述散热器接触的第一金属热界面材料层和与所述第一金属热界面材料层接触的缓 冲层，所述缓冲层具有第二热膨胀系数CTE2，其中CTE1 > CTE2 > CTE3。
10.根据权利要求9的半导体器件组件，其中所述热界面材料还包括与所述缓冲层和 所述半导体器件接触的第二金属热界面材料层。
11.根据权利要求10的半导体器件组件，其中所述第一和第二金属热界面材料层选自 铟(其本身为元素铟)和低熔点焊料合金。
12.根据权利要求9的半导体器件组件，其中所述热界面材料还包括与所述缓冲层和 所述半导体器件接触的非金属热界面材料层。
13.根据权利要求12的半导体器件组件，其中所述非金属热界面材料选自非金属热凝 胶、糊膏和油脂。
14.根据权利要求9的半导体器件组件，其中所述缓冲层被穿孔。
15.根据权利要求9的半导体器件组件，其中所述缓冲层具有高热导率、可制造、以薄 片形式可得、且成本低。
16.根据权利要求9的半导体器件组件，其中所述缓冲层选自钨/铜、钼/铜、铜/钼/ 铜以及铝/硅碳化物。
17.根据权利要求9的半导体器件组件，其中所述第一金属热界面材料层包括支座。
18.一种半导体器件组件，包括 芯片载体衬底；半导体器件，其被安装在所述衬底上，所述半导体器件具有第一热膨胀系数CTE1 ； 多层热界面材料，其位于所述半导体器件上，所述热界面材料包括第一金属热界面 材料层和与所述第一金属热界面材料层接触的缓冲层，所述缓冲层具有第二热膨胀系数 CTE2，其中CTE1 > CTE2，并且热界面材料层接触所述缓冲层和所述半导体器件。
19.根据权利要求18的半导体器件组件，其中所述缓冲层被穿孔。
20.根据权利要求18的半导体器件组件，其中所述缓冲层选自钨/铜、钼/铜、铜/钼 /铜以及铝/硅碳化物。
全文摘要
本发明涉及半导体器件组件以及散热器组件。公开了一种多层热界面材料，其包括第一金属热界面材料层、缓冲层和优选第二金属或非金属热界面材料层。所述多层热界面材料用于与半导体器件组件结合，所述半导体器件组件包括芯片载体衬底、附接到所述衬底的散热器、安装在所述衬底上并在所述散热器下方的半导体器件、以及插入在所述散热器与所述半导体器件之间的所述多层热界面材料。所述散热器具有第一热膨胀系数(CTE)，CTE1，所述缓冲层具有第二CTE，CTE2，并且半导体器件具有第三CTE，CTE3，其中CTE1＞CTE2＞CTE3。
文档编号H01L23/373GK101930953SQ20101021142
公开日2010年12月29日 申请日期2010年6月22日 优先权日2009年6月25日
发明者K·K·斯卡, V·R·贾达夫, 郑见涛 申请人:国际商业机器公司