专利名称：多层热界面及用于形成具有低热阻的热界面的方法
技术领域：
本发明是涉及一种具有多层固体结构的热界面材料，其中至少一薄外表面层是具有相变化特性，本发明还涉及在微电子元件封装与散热片之间形成低接触热阻的热界面而不需要很大的夹挤压力的方法。
背景技术：
微电子元件，诸如半导体，会产生许多的热量，这些热量必须加以去除，以使元件的连接部位的温度可以保持在安全的操作极限值范围内。超过这些极限值，元件的性能便会改变，以及/或使该元件受损。热量去除方法是将热量经由界面材料而由微电子元件传导至散热片。界面材料的选择以及在热量产生元件(例如，矽IC晶片)与散热片之间的界面的热阻，影响热量转移的程度。当对于微电子元件的强大功能的需求增加时，便更需要提升热量去除的效率。
微电子元件包装与散热片之间的热阻，不仅与界面材料固有的热阻有关，且与该界面材料的相对两表面分别与该微电子元件及散热片之间所形成的连接部位所具有的接触界面热阻有关。一种用以减少在每一界面连接部位上的接触热阻的已知方法，是施加高压力以使界面材料与该微电子元件包装及散热片密合在一起。然而，过度的压力会产生不利且不当的应力。因此，压力的施加通常是有限度的，其通常不超过100psi，且最好是低于20psi。
亦有一种已知方法是采用热油脂或膏油来做为热界面材料，或者是采用充填有聚合体的金属合金或具有相变化特性的其他材料组合物所构成的薄片。具有相变化特性的材料的特征在于，具有随温度变化而变化的黏滞性，该材料在室温下呈固态，而随着温度上升超过室温时，该材料便会软化而流动，从而填满在微电子元件及/或散热片的接触表面上的空洞或细微的凹凸不平部位。这使得在微电子元件及散热片之间的相对表面实际上会随着相变化材料的熔化而更加密合在一起，藉此便可以降低在其间的热阻。
由于微电子元件封装及散热片通常不具有光滑且平坦的表面，因此在微电子元件及散热片的表面之间便会具有较宽且不规则的间隙。此间隙的尺寸可以由小于2mils变化至高达20mils或更大。因此，该界面材料是必须具有足够的厚度来填满该间隙。使用热油脂、糊剂或相变化材料目前已无法顺应变化极大的间隙尺寸。一般而言，随着界面材料厚度的增加，其热阻亦会随之增加。如今，对于热界面材料的一种优选或针对的需求在于其总热阻(包括内表面接触热阻)在施加小于100psi且最好小于20psi的夹紧压力的情况下，不超过0.03℃-in2/W的范围内。然而到目前为止，并不存在有可以满足此标准的热界面材料。
发明概要本发明揭示一种多层固体结构及方法，是用以在微电子元件包装与散热片之间形成热界面，其中该多层结构在不需要施加高夹紧压力的情况下便能够具有低接触界面热阻。而且，本发明的多层结构具有的热阻特性，在介于2-20mils的间隙尺寸范围内是不会有很大的变化。
本发明的多层结构在室温下呈固态，且包含具有至少两叠置的金属层的结构，每一高热传导性金属层的二层中的其中一层具有相变化特性，以在微电子元件包装与散热片之间的界面连接部位形成低热阻，且该具有相变化特性的层的厚度小于大约2mils。本发明的高热传导性是指大于至少10W/m-k的热传导率。较佳的高热传导性金属载体层除了在周期表第3列的镁及铝及其合金以外，其可以选用在周期表第4列的过渡元素。
本发明优选的多层结构包含至少三层，此三层是具有高热传导性金属或合金的中间固体心体，且在其两相对表面上的层由具有相变化特性的金属材料所构成。适用于本发明的目的的一种具有相变化特性的金属材料是一种低熔点金属或合金组合物，具有介于40℃及160℃之间的熔化温度。本发明较佳的低熔点合金可以由以下元素中选出铟、铋、锡、铅、镉、镓、锌、银及其组合。本发明较佳的低熔点合金组合物包含至少介于19wt％-70wt％之间的铟及其余30wt％-50wt％之间的铋，若有需要，可以由上述的元素族群中选出。
本发明的多层结构的另一实施例包含一种结构，此结构具有至少一层高热传导性固态金属层，以及一层具有相变化特性的第二层，以在微电子元件包装及散热片之间的界面连接部位形成低热阻，且该第二层叠置在该固态金属层的表面上，使得该固态金属层的边界部位外露出来而大致包围该第二层。较佳的三层结构是包括中间固态金属心体，且在两相对表面上分别具有低熔点合金层，每一低熔点合金层叠置在该固态金属心体的每一相对表面的给定的表面区域上，以形成该固体心体的外露的边界部位，而大致沿着该低熔点合金而延伸。
本发明的用以构成热界面材料的较佳方法，包含以下的步骤形成具有预定几何形状及厚度的高热传导性材料的薄片，将高热传导性材料薄弱片的至少一个表面加以处理，以形成促进其黏附至低熔点合金的处理表面，而使具有低熔点合金的厚度不超过大约2mils。该处理高热传导性材料的表面以促进其黏附至低熔点合金层的较佳方法，包括在该高热传导性材料上形在树突体的步骤，该步骤可以在层叠期间促进黏附至低熔点合金。本发明用以构成热界面材料的另一较佳方法包含以下的步骤形成具有两相对表面的金属薄片，此金属薄片是由具有预定几何形状和厚度的高热传导性材料所构成，将两相对表面的至少一表面用有机酸助熔剂加以处理以形成经处理的表面，以便向其上粘附时低熔点合金可以附着上，以及将该金属薄片浸入至该低熔点合金的熔化组合物中，以在该经过处理的表面上形成该低熔点合金的薄覆层，且该覆层的厚度介于0.1及3mils之间。
附图的简要说明本发明的其他优点，可以由以下的结合附图的说明了解，其中
图1是依照本发明的固体双层热界面材料的截面视图，其中一层是具有相变化特性；图2是依照本发明的固体三层热界面材料的截面视图，其中在金属心体的两相对表面上具有两相对层，该相对层具有相变化特性；图3是本发明的两层固体结构的另一实施例的截面视图；图4是第3图的实施例的俯视图；图5是本发明三层固体结构的另一实施例的截面视图；以及图6是图表，显示本发明的热界面多层固体结构的热阻与厚度的关联性。
本发明的详细说明本发明的热界面多层结构10在室温下呈固态，且其包含至少两个金属层。图1以截面图示出本发明的两金属结构层的较佳的配置，其高热传导性的固态金属或金属合金薄片12(标示为载体层)以及具有相变化特性的叠置的低熔点合金薄片13。本发明较佳的三层配置方式如图2的截面视图所示，是由中间载体层14以及低熔点合金的两相对层15所构成，其中该中间载体层14的组成是相同于第1图的载体层12，而该低熔点合金层15的组成则是相同于低熔点合金薄片13。在图1及图2所示的实施例中，每一低熔点合金层13或15分别层叠在高热传导层片12及14的整个平坦表面上。在如图3-5所示的本发明的另一实施例中，一种在组成上可以相同于或不同于图1及图2的低熔点合金层13及15的低熔点合金层16，层叠在金属高热传导性材料薄片18上，其中该金属高热传导性材料薄片18在组成上相同于图1及图2所示的高热传导性层12及14，使得低熔点合金层仅覆盖金属高热传导性材料薄片18的一部分，从而形成边界部位19，其中该边界部位19是露出一定面积的金属高热传导性材料层18。这是可以在低熔点合金层覆盖于其上之前，通过对该金属高热传导性材料层18的该表面积加以遮盖来实现。或者，亦可将具有适当几何形状的低熔点合金层箔片层叠至具有较大尺寸的高热传导性材料箔片，以形成该边界部位19。最好，该边界部位19完全包围该通过覆盖低熔点合金层16所构成的图形或印迹部位。然而，边界部位19的几何形状及低熔点合金覆层16的几何形状，对本发明并不是至关重要的。因此，虽然在附图中所显示的边界部位19是长方形，然而其亦可以呈圆形或不规则的几何形状。
在实际应用中，多层结构10被放置在热源(图上未显示)，热源例如，以具有一个或多个的集成电路晶片的微电子元件包装来表示，以及散热片(图上未显示)之间，并且以低于100PSI的压力来加压，以形成热界面。在该微电子元件热源产生热及温度的情况下，低熔点合金便会熔化而流动，以填满分别存在于热源及散热片的界面上的任何空隙或表面凹凸不平部位。图3至图5的另一实施例允许使该低熔点合金16散布在边界部位19的外露表面区域，以藉此防止过多熔化的金属合金由界面连接部位散逸出去。实际上，所欲形成的边界部位19的表面积可以事先针对一定量值的低熔点合金16来加以计算，使得不会有过多的金属挤出或由界面连接部位滴漏出来。在图1及图2的配置方式中，该低熔点合金层是必须非常薄，其厚度最好小于2mils，以减少过多的金属量，否则过多的金属将会挤出或由界面连接部位滴漏出来。
热界面材料的有效性是以其整体或总热阻来测定。热阻的单位是℃-in2/W。已经发现依照本发明，低熔点合金层具有极小的厚度，且该多层结构的载体或心体材料的厚度是可变动的，以适应具有不同尺寸的间隙，且在小于100psi的夹紧压力下，不论间隙尺寸如何，该多层结构的热阻可维持在低于大约0.03℃-in2/W。为了满足目前微电子元件的需求，如前所述，该热界面材料的总阻抗值，包括其内表面接触热阻，在小于大约100psi的夹紧压力或压缩力作用下，不会超过大约0.03℃-in2/W。更高的热阻则将视为较差的性能，且其是无法接受的。
以下的表A是列出一般市面上可见的铝及铜箔(厚度为2mils)，在45瓦特及20psi的状态下依照修订过的ASTM D5470标准所测得的热阻。
表A
表B，如以下所示，列出数种不同的低熔点合金箔片组成，在45瓦特及20psi的状态下依照相同于表A的ASTM D5470标准所测得的热阻。该低熔点合金162的组成66.3wt％In(铟)及33.7wt％Bi(铋)。该低熔点合金19的组成51wt％In(铟)、32.5wt％Bi(铋)以及16.5wt％Sn(锡)。该低熔点合金117的组成44.7wt％Bi(铋)、22.8wt％PB(铅)、19.1wt％In(铟)、8.3wt％Sn(锡)以及5.3wt％Cd(镉)。
表B
一片具有相变化特性的低熔点合金的薄膜是可以层叠在金属高热传导性材料的固态载体上，以构成本发明的多层结构。除了在周期表第3列的镁及铝及其合金以外，任何具有高于至少10W/m-k的热传导性的高热传导性金属材料皆可以采用，包括在周期表第4列的过渡元素。然而，载体层最好采用铝或铜的箔片。
依照本发明将具有小于大约2mils厚度的低熔点合金层层叠或覆盖铜或铝箔片，需要将该铜或铝的薄片欲被覆盖的表面加以处理，以促进该低熔点合金的黏附。否则，该低熔点合金薄表面层便会很容易地分层，亦即，物理上彼此相互分离。实际上，该低熔点合金薄层无法在不造成分层的情况下模压于未经处理的铜或铝箔片上，甚至施加相当高的压力亦然。然而，若该要被层压铜或铝箔片表面是依照本发明来加以处理时，则厚度小于2mils的低熔点合金层体便可以轻易地层叠或覆盖在该铜或铝箔片上，以形成本发明的整体的固体多层结构。该处理方法是在欲被层叠的金属箔片的表面上形成树突状或者是通过施加有机酸助熔剂于欲覆盖的金属箔片的表面上。该树突状突出部是可以在层叠期间形成与该低熔点合金的互相扣合结构。将金属表面加以处理以在该表面上构成树突体，或者在金属表面上施加有机酸助熔剂来进行处理，皆属于已知的技术，但这并非是本发明所教导的组合多层热界面结构所欲达成的目的。举例来说，已知铜表面是可以通过电化学蚀刻方法而以氧化物或锌或黄铜来形成树突体部位，而使铜表面形成具有树突体形状的控制表面。通过施加有机酸助熔剂来助熔金属表面，也是已知可以增进表面可熔接性的方法。已知的有机酸助熔剂最好包含有机酸，最好是氢氨酸氢氯化物及聚乙二醇或者是聚乙二醇表面活性剂，且可以包括内含盐类及碳氢基氨以及甘油的卤化物。
以下是本发明的多层热界面结构的数个实例。
实例I两面皆经过处理以形成树突体的一盎司及两盎司铜箔是用以形成一种由合金162-铜-合金162所构成的三层夹层结构。此三个层体被模压在一起。将样本切割成小块，且不会分层，且如下表所示的热阻是相当小，在一盎司及两盎司铜箔载体之间几乎没有热阻的差异。每一162合金层的厚度是2mils。
表C
实例II具有铜的载体层材料以及在其两相对表面上具有低熔点铟合金层的多层复合结构，是在该载体的厚度变动的情况下来进行测试，如以下表D所示。
表D
在上述表D中所进行的测试，是用以证明在心体材料厚度上的差异并不会实质上造成夹层多层结构的热阻的改变。该热阻多半是由于在元件与多层结构体之间的界面热阻所造成，而与心体材料由于厚度变化的固有的热阻较无关系。这是因为铜具有大约300W/mk的热传导性，因此其对于热阻并不会具有太大的影响。
实例III以铝做为心体材料来进行相同的测试，其结果如以下表E所示。
表E
上述表E中的测试清楚地显示在铝厚度上的差异并不会造成夹层多层结构的热阻的改变，甚至在铝厚度上有极大变化的情况下亦然。
若三层复合样本的热阻是以厚度(X轴)来加以描述，如图6所示，则热传导值便可以计算出来。该热传导值是曲线图的斜率的倒数，且其可以由以下的方程式计算出来热传导值＝1/斜率热传导值＝1/0.2128℃-in2/W×39.4in/m＝185W/mk所得出的热传导值是合乎铝的热传导值。
实例IV经验值亦可以套用在多层结构上，如以下表F所示，以显示滚压筒的表面光洁度对于夹层结构的热性能只有很小功效。粗糙滚压筒的实际表面光洁度是不知道的，但未具有界面材料的间隙(称为“干间隙”)可以被测量，用来将粗糙的表面与正常滚压筒磨光至0.4微米的表面平整度相比较。
表F
上述表F显示夹层热阻并不会受到表面光洁度及公差问题上的差异的影响。
实例V依照本发明所揭露的另一种方法，是用以在高热传导性金属薄片上形成具有小于1mils厚度的低熔点合金材料覆层，其中该高热传导性金属薄片的覆盖表面如上述经过处理以增进其黏附性，其是通过任何已知覆膜技术而在经过处理的有面上覆盖低熔点合金组合物。此一变化方法的实例是将高热传导性金属薄片浸入至低熔点合金的熔化池中。
由铟、铋及锡所构成的3.5磅低熔点合金被放入一个八平方英寸不裂玻璃盘中，且在一鼓风锅炉中加热至95℃的温度。样本是由两盎司的滚轧淬火双面处理的铜箔(亦即，在两表面上加以处理以构成树突体表面)制备而成，并且在其两表面上以有机酸助熔剂来加以处理，其中该有机酸助熔剂最好包括氨酸氢氯化物及聚乙二醇醇。上述较佳的有机酸助熔剂可以由Superior Flux Manufacturing公司所购得。将炉门打开，然后将箔片浸入至熔化的低熔点合金中达30秒。接着，将箔片由熔化的合金中拉出，并使过多的合金流回至池中。在熔化的合金重新固化之后，便利用热空气枪来使合金回流，且将过多合金吹掉，直到在两表面上形成0.0005英寸的均匀覆层为止。所测得的热阻是0.01℃-in2/W。
上述方法亦可用以形成如图3至图5所示的特定形状，其是通过利用，例如，Kapton Tape，来将该高热传导性金属箔片加以遮蔽，而在将薄片浸入至熔化的低熔点合金组合物之前，将金属薄片的经过处理的表面上的边界部位加以遮蔽。该箔片接着便可以相同的方式取出，然后将带移除而留下未覆盖的边界部位。或者，一有机酸助熔剂可以在浸渍之前施加在箔片表面上的特定部位，以使该熔化的合金仅会附着在以有机酸助熔剂加以处理的表面部位上。
权利要求
1.一种用以构成微电子元件封装与散热片之间的热界面的多层固体结构，此结构在小于100psi压力作用的情况下具有不大于0.03℃-in2/W的总热阻，此结构包含至少两金属层，每一层皆具有高热传导性，且两层中的一层具有相变化特性，以在该微电子元件封装及散热片之间的界面连接部位形成低热阻。
2.如权利要求1所述的多层固体结构，其中一层高热传导性层是一种具有树突体表面的固态金属或合金，且其中所述具有相变化特性的层叠置在所述树突体表面上，以构成所述多层结构。
3.如权利要求2所述的多层固体结构，其中该具有相变化特性的层具有小于大约2mils的厚度。
4.如权利要求1所述的多层固体结构，由至少三层所构成，此至少三层的结构包含一种高热传导性金属或合金的中间固态心体，且在其相反两面由金属材料所构成的层具有相变化特性。
5.如权利要求4所述的多层固体结构，其中该高热传导性金属或合金除了是周期表第3列的镁和铝及其合金以外，还可以选用位于周期表第4列的过渡元素。
6.如权利要求5所述的多层固体结构，其中所述具有相变化特性的层是低熔点合金，其是由以下的元素中选出铟、铋、锡、铅、镉、镓、锌、银及其组合。
7.如权利要求6所述的多层固体结构，其中所述低熔点合金包含至少介于19wt％-70wt％之间的铟及30wt％-50wt％之间的铋。
8.如权利要求7所述的多层固体结构，其中具有相变化特性的每一低熔点合金层的厚度小于大约2mils。
9.如权利要求1所述的多层固体结构，其中所述具有相变化特性的层仅叠置在其他层的有限的表面区域，以构成在形状上至少大致包围该有限表面区域的外露的边界部分。
10.如权利要求4所述的多层固体结构，其中该具有相变化特性的每一层仅叠置在该中间层的每一相对表面上的其他层的有限表面区域，以构成在形状上至少大致包围位于所述中间层的每一相对表面上的有限表面区域的外露的边界部分。
11.一种形成热界面材料的方法，其中当该热界面材料放置在微电子元件封装与散热片之间时具有不大于0.03℃-in2/W的总热阻，该方法包含以下的步骤将具有预定的几何形状及厚度的高热传导性材料薄片的至少一表面加以处理，以促进与低熔点合金组合物的粘附，且将该低熔点合金层形成在所述经过处理的表面，而使之厚度不超过大约2mils。
12.如权利要求11所述的方法，其中所述表面经过处理而在其上形成有树突体。
13.如权利要求11所述的方法，其中当所述层是通过以低熔点合金的熔化组合物覆盖所述表面而形成时，该表面首先以一种有机酸助熔剂加以处理。
14.如权利要求11所述的方法，其中所述高热传导性材料设置在所述薄片的两相对表面上，以构成一种三层热界面材料。
15.如权利要求15所述的方法，其中所述高热传导性金属或合金除了位于周期表第3列的镁和铝及其合金以外，还可以选用位于周期表第4列的过渡元素。
16.如权利要求15所述的方法，其中所述高热传导性金属或合金选自铝或铜。
17.如权利要求15所述的方法，其中所述薄片的表面的一部分在该低熔点合金层形成之前先被遮蔽，以在所述高热传导性金属或合金的载体层的两相对表面上留下具有预定形状的边界部分。
18.如权利要求15所述的方法，其中该具有预定形状的边界部分形成在该高热传导性金属或合金的载体层的两相对表面上，是通过将由低熔点合金所构成的层层叠在该载体层的两相对表面上，并选择叠层的尺寸以构成该边界部分。
19.一种构成具有至少三个层的热界面多层结构的方法，包括以下的步骤形成具有两相对表面的固体金属薄片，此金属薄是由高热传导性材料构成，将两相对表面的至少一表面加以处理，以促进与低熔点合金组合物的粘附，将该高热传导性材料薄片浸入至该低熔点合金组和物的熔化池中，以在该经过处理的表面上形成合金的薄覆层，且该覆层的厚度是小于2mils，然后固化该覆层。
20.如权利要求19所述的方法，其中所述表面是通过一种有机酸助熔剂加以处理。
全文摘要
一种用以形成在微电子元件包装与散热片之间的热界面的多层固体结构及方法，使得在小于100psi压力作用的情况下具有不大于0.03℃－in
文档编号H01L23/427GK1606901SQ01808491
公开日2005年4月13日 申请日期2001年2月15日 优先权日2000年2月25日
发明者R·F·希尔, F·哈姆普顿三世 申请人:瑟玛根公司