热互连系统及其制造和使用的方法

专利名称：热互连系统及其制造和使用的方法
技术领域：
本发明的领域是电子组件、半导体组件及其它相关分层材料应用 中的热互连系统。
背景技术：
电子组件用于不断增多的消费和商业电子产品中。这些消费和商 业产品的一部分的实例是电视、个人计算机、因特网服务器、蜂窝电 话、寻呼机、掌上型组织器、便携式无线电设备、汽车立体声系统或 远程控制。随着对这些消费和商业电子设备的需求的增加，对于消费 者和企业还存在使那些相同产品变得更小、更多功能、更节省成本且 高热效以及更轻便的需求。
由于这些产品尺寸的减小，因此组成这些产品的组件也必须变得 更小、更好制造和更好设计。需要减小尺寸或缩小的那些组件的一部 分的实例是印刷电路或线路板、电阻器、线路、键盘、触控板和芯片 封装。
因此，组件被分解和研究，以便确定是否有更好的构建材料及方 法使它们能够被缩小和/或组合，以便适应更小的电子组件的需求。在分层组件中， 一个目标看来是减少层数，同时增加剩余层的功能性和 耐用性，减少生产步骤以及更大地节省成本。但是，假若不损失功能 性便无法轻易减少层数，则这些任务可能很难完成。
另外，随着电子设备变得更小并且以更高速度工作，以热量形式 发出的能量也急剧增加。本行业中一种常见的惯例是在这类装置中单 独使用或者在载体上使用热油脂或油脂状材料来转移物理界面上散发 的余热。最常见类型的热界面材料是热油脂、相变材料和人造橡胶带。 热油脂或相变材料因在极薄的层中扩散并提供相邻表面之间的密切接 触的能力而具有比人造橡胶带更低的热阻。典型的热阻抗值的范围在
0.1-1.6。Ccm2/W。但是，热油脂的一个严重缺点在于，在热循环之后、 例如从65。C到150。C,或者在用于VLSI芯片时的动力循环之后，热 性能明显衰退。我们还发现，在与表面平面性的大偏离使得在电子设 备的配合面之间形成间隙时，或者由于其它原因、如制造容差等而存 在配合面之间的大间隙时，这些材料的性能会衰退。当这些材料的热 传递性被破坏时，使用它们的电子设备的性能受到不利影响。
有机胶和环氧树脂也用于帮助从组件中散热。这种使用的一个实 例是把有机胶和/或环氧树脂涂敷到硅与散热器、如镀镍铜散热器之间 的界面。这些胶和环氧树脂填充了金属或其它导热颗粒以改善热传递。 随着组件变得更小和更复杂，要排除的热量增加到需要固体金属热界 面的程度。在大部分传统应用中，固体金属热界面为熔点140-200。C 的焊料。
随着更多的焊料用于组件中散热，已经发现，由于在焊料-镍界面 上产生有害的氧化镍，因而不使用诸如助焊剂之类的材料便难以焊接 到镍上。近来不使用助焊剂来完成焊接点的一种方式是在要形成焊接 点的准确位置上电淀积金点。在授予Deppisch等人的美国专利 6504242(2003年1月7日)中描述了这种方法。虽然这种方法在功能上 适用，但该点中包含的金的价值无益于节省组件成本。此外，为了完 成具有金点或金界面的焊点，至少需要两个过程步骤-金的淀积和焊料 的涂敷。这些附加过程步骤不仅费用大而且很緩慢。因此，不断需要a)设计和生产满足消费者规范的热互连和热界 面材料、分层材料、组件和产品，同时使装置大小和层数最小；b)针 对材料、组件或成品的兼容性要求来生产更有效且更好的设计的材料、 产品和/或组件；c)开发产生所需热互连材料、热界面材料和分层材料 以及包含预期的热界面和分层材料的组件/产品的可靠方法；d)开发具 有高导热率和高机械顺从性的材料；以及e)有效地减少封装部件所需
的生产步骤的数量，这又产生优于其它传统分层材料和过程的更低的 所有权成本。

发明内容
本文描述热传递材料，其中包括散热器组件，其中，散热器组 件包括顶面、底面和至少一个散热器材料；以及至少一个焊料，其中，
焊料直接淀积到散热器组件的底面。
形成分层热界面材料和热传递材料的方法包括a)提供散热器组 件，其中，散热器组件包括顶面、底面和至少一个散热器材料；b)提 供以及至少一个焊料，其中，焊料直接淀积到散热器組件的底面；以 及c)把至少一个焊料淀积到散热器组件的底面。
具体实施例方式
适当的界面材料或组件应当适应配合面(使表面"湿润，，)，具有 低体积热阻，并且具有低接触电阻。体积热阻可表示为材料或组件的 厚度、导热率和面积的函数。接触电阻是材料或组件能够与配合面、 层或衬底进行接触的良好程度的量度。界面材料或组件的热阻可表示 如下
0界面-t/kA+20tt 等式l 其中，0为热阻， t为材料厚度， k为材料的导热率 A为界面的面积项"t/kA"表示块状材料的热阻，以及"2G)接触，，表示两个表面上 的热接触电阻。适当的界面材料或组件应当具有低体积电阻和低接触 电阻，即在配合面上。
许多电子和半导体应用要求界面材料或组件适应因热膨胀系数 (CTE)不匹配而从组件的制造和/或翘曲产生的与表面平整度的偏离。 如果界面薄、即"t，，值低，则具有低k值的材料、如热油脂表现良好。 如果界面厚度只不过增加0.002英寸，热性能会显著下降。另外，对 于这类应用，配合组件之间的CTE的差异还使间隙随温度和动力循环 而膨胀及收缩。界面厚度的这种变化可能导致流体界面材料(例如油月旨) 被排出界面。
具有更大面积的界面更易于在制造时偏离表面平面性。为了优化 热性能，界面材料应当能够适应非平面表面、从而适应更低的接触电 阻。最佳界面材料和互连材料和/或组件具有高导热率和高机械顺从 性，例如在施加力时将弹性屈服。高导热率减小等式1的第一项，高 机械顺从性则减小笫二项。
如前面所述，本文所述的分层界面材料和各组件的若干目标是 a)设计和生产满足消费者规范的热互连和热界面材料、分层材料、组 件和产品，同时使装置大小和层数最小；b)针对材料、组件或成品的 兼容性要求来生产更有效且更好的设计的材料、产品和/或组件；c)开 发产生所需热互连材料、热界面材料和分层材料以及包含预期的热界 面和分层材料的组件/产品的可靠方法；d)开发具有高导热率和高机械 顺从性的材料；以及e)有效地减少封装部件所需的生产步骤的数量， 这又产生优于其它传统分层材料和过程的更低的所有权成本。
本文所述的分层界面材料和分层界面材料的各组件实现这些目 标。被适当制造时，本文所述的散热器组件将跨越热界面材料的配合 面与散热器组件之间的距离，从而允许从一个表面到另 一个表面的连 续高传导性通路。
本文考虑的包括热传递材料的组件和材料包括散热器组件和焊 料。散热器组件包括顶面、底面以及至少一个散热器材料。焊料直接淀积到散热器组件的底面。这些组件和材料一般通过消除诸如金等材 料的使用和费用以及消除在传统加工中存在的在组装期间分发焊料的 额外过程步骤的方法来生产。焊料在散热器组件的底面的淀积消除了 对于有效处理在施加焊料之前可能在散热器组件的顶面形成的氧化物 的需要。另外，焊料可经过制作，使得它通过改善的湿润属性或者通 过在焊料与衬底之间形成低温硅化物和/或粘结剂来改善对衬底表面 的粘附。
在所考虑的实施例中，焊料直接淀积到散热器组件的底侧。在一 些所考虑的实施例中，焊料通过电淀积来淀积。在其它所考虑的实施 例中，焊料经过丝网印制或直接分发到散热器上。在又一些所考虑的 实施例中，焊料的薄膜^皮淀积并与构建适当焊料厚度的其它方法结合， 其中包括焊接胶的预制或丝网印制的直接附加。
设置层或超薄层的另一个方法是周期逆脉沖法(pulse periodic reverse method)或PPR。周期逆脉冲法通过在阴极表面实际对薄膜进 行"倒转"或消耗，超过脉动镀法一个步骤。周期逆脉沖的一个典型 周期可能是5安培阴极、IO毫秒，之后跟随10安培阳极、0.5毫秒， 之后再跟随2毫秒的停止时间。PPR有几个优点。首先，通过在每个 周期中对少量薄膜进行"剥离"或消耗，PPR迫使每个连续周期的新 成核点引起孔隙率的进一步减小。其次，周期可设计成通过在周期的
"消耗"或阳极部分中有选择地剥离厚膜区域来提供极均匀的薄膜。 脉沖电镀和周期逆脉沖系统可向任何适当来源、例如象 Dvnatronix(www.dvnatronix.com)之类的7>司购买，或者3见场构建(整体 或部分)。在2003年2月19日提交的美国临时专利申请序号60/448722 中描述了这些淀积方法，它由Honeywell International Inc.共同所有，并 完整地结合于本文中。
这些层还可通过能够产生具有最少量的气隙、最好采用较高的淀 积率产生均匀层的任何方法来设置。许多适当的方法及设备可用于设 置这种类型的层或超薄层，但是，实现优质材料层的最佳设备及方法 之一是电淀积和/或相关技术，例如脉冲电镀或直流电镀，如本文所述。脉沖电镀(它是间歇式电镀，与直流电镀相反)可设置无气隙和/或砂眼 或者基本无气隙和/或砂眼的层，并且通常对于无气隙电淀积层是优选 的。
如本文所述，热界面材料及热互连材料和层可包括Honeywell International Inc.制造的金属和/或基于金属的材料，例如镍、铜、铝、 硅、碳及其组合、如AlSiC，它们分类为散热器、即用于散发热量的 材料。热互连材料和层也可包括满足以下设计目标中的至少一个的金 属、金属合金以及适当的复合材料
-可设置为薄或超薄层或图案；
-可比传统热粘合剂更好地传导热能；
-具有较高的淀积率；
-可淀积在表面或另外的层上而没有在淀积层中形成气隙；以及 -可控制材料的基础层的迁移。
这些热界面材料、热互连材料、包括这些材料的组件及产品有利 地可以是预先附加/预先组装热解决方案和/或IC(互连)封装。
形成所考虑的分层热界面材料和热传递材料的方法包括a)提供 散热器组件，其中，散热器组件包括顶面、底面和至少一个散热器材 料；b)提供至少一个焊料，其中，焊料直接淀积到散热器组件的底面； 以及c)把至少一个焊料淀积到散热器组件的底面。其中包括衬底层、 表面、粘合剂、顺从纤维组件或其它任何适当的层或热界面材料在内 的至少一个附加层可耦合到分层热界面材料和/或热传递材料。
如上所述，热互连材料、热传导互连系统和层可包括满足以下设 计目标中的至少一个的金属、金属合金以及适当的复合材料a)可设 置为薄或超薄层或图案，b)可比传统热粘合剂更好地传导热能，c)具 有较高的淀积率，d)可淀积在表面或另外的层上而没有在淀积层中形 成气隙，以及e)可控制基础材料层的迁移。
适合使用的热互连材料和层能够设置为薄或超薄层或图案。图案 可通过使用掩模来产生，或者图案可由能够设置预期图案的装置来产 生。所考虑的图案包括点或圓点的任何布置，而无论是孤立的还是组复合线条、填充空间等。因此，所考虑的图案包括直线和曲线、线条 的相交、具有加宽或缩小面积的线条、带状、重叠线条。所考虑的热 互连材料的薄层和超薄层(线条厚度和/或电镀厚度)的范围可从不到大
约1 ym到至少一埃甚至到材料的单一原子层的大小。
所考虑的焊料被选择，以便提供预期熔点和热传递特性。所考虑
的焊料选择成在大约40°C到大约250。C的温度范围内熔化。在一些所 考虑的实施例中，焊料包括诸如铟、锡、铅、银、铜、锑、碲、铋之 类的纯金属或者包括前面所述金属中的至少 一种的合金。本文所使用 的术语"金属"表示处于元素周期表的d区和f区的那些元素以及具 有类似金属的属性的那些元素、如硅和锗。本文所使用的词语"d区" 表示具有填充元素的核周围的3d、 4d、 5d和6d轨道的电子的那些元 素。本文所使用的词语"f区"表示具有填充元素的核周围的4f和5f 轨道的电子的那些元素，包括镧系元素和4阿类元素。优选金属包括铟、 银、铜、铝、锡、铋、镓及其合金、镀银铜以及镀银铝。术语"金属" 还包括合金、金属/金属复合物、金属陶瓷复合物、金属聚合体复合物 以及其它金属复合物。
在一些所考虑的实施例中，纯铟被选作焊料，因为它具有156°C
的熔点。在这些实施例中，铟可易于从包含氰化铟、氟化铟、氨基磺 酸铟和/或硫酸铟的电解质中被电淀积。 一旦铟被电镀到散热器上，一 层或多层材料、如贵金属和/或低温硅化物成型物-如银、铂或钯-可覆 盖铟层，以便控制在暴露于空气时的铟氧化。铂和钯是这层材料的良 好选择，因为它们是低温硅化物成型物。具有低形成温度的混合硅化 物也可用于这些实施例，其中包括硅化钯。该材料层可理解为成块 (bulk)铟电镀层之上的"闪光层"，以及这些"闪光层"中的至少 一个可耦合到电镀层。当焊料回流时，该材料层还可耦合到硅，以便 用作氧化物障碍物以及促进硅表面的结合。
如前面所述，其它所考虑的焊料包括电镀到散热器上的合金。这 些所考虑的实施例中使用的合金材料可以是低合金和/或属于硅化物 成型物的那些合金，例如钯、鉑、铜、钴、铬、铁、镁、锰、镍以及一些实施例中的钙。这些合金的所考虑浓度大约为100 ppm到大约5 %的合金。
在其它所考虑的实施例中，合金包括改善合金对散热器的湿润性 的元素、材料、化合物或复合物。改进湿润性的适当元素是金、钙、 钴、铬、铜、铁、锰、镁、钼、镍、磷、4巴、柏、锡、钽、钛、钒、 鴒、锌和/或锆。
一旦热互连层^L淀积，大家理解，与传统的热粘合剂和其它热层 相比，它将具有较高的导热率。其它层、如敷金属硅片可直接焊接到 热互连层而无需使用可能需要除去用于产生散热器的材料、如镍的氧 化物的诸如腐蚀性焊剂之类的破坏性材料。
散热器组件或散热组件(散热器和散热在本文中交替使用，并且具 有同样的共同含义)一般包括金属或基于金属的基础材料，例如镍、铝、 铜或AlSiC。任何适当的金属、基于金属的基础材料或热传导非金属 在本文中可用作散热器，只要金属或基于金属的基础材料可传递电子 组件所产生的部分或全部热量。
散热器组件可根据电子组件、厂商的需要设置为任何适当的厚度， 只要散热器组件能够充分地执行散发由周围的电子组件产生的部分或 全部热量的任务。所考虑的厚度包括范围是大约0.25 mm到大约6 mm 的厚度。散热器组件的特别优选厚度在大约1 mm到大约5mm的范围 内。
分层界面材料和/或互连材料则可涂敷到衬底、另一个表面或另一 个分层材料上。本文所考虑的衬底可包括任何符合要求的实质上固体 的材料。具体符合要求的衬底层将包括薄膜、玻璃、陶瓷、塑料、金 属或涂覆金属或者复合材料。在优选实施例中，衬底包括硅或砷化 锗片或晶片表面；封装表面，例如见于铜、银、镍或金电镀铅框；铜 表面，例如见于电路板或封装互连迹线，中间墙(viawall)或硬化剂 界面("铜，，包括棵铜及其氧化物的考虑)；基于聚合物的封装或板界 面，例如见于基于聚酰亚胺的柔性封装；铅或其它金属合金焊球表面； 玻璃和聚合物，如聚酰亚胺。当考虑粘结界面时，"衬底"甚至可定义为另一个聚合材料。在更优选的实施例中，衬底包括封装和电路板 工业中常见的材料，例如硅、铜、玻璃和另一聚合物。
附加材料层可耦合到分层界面材料，以便继续构建分层组件。预 期附加层将包括类似于本文已经描述的那些材料，其中包括金属、金 属合金、复合材料、聚合物、单体、有机化合物、无机化合物、有机 金属化合物、树脂、粘合剂和光波导材料。
叠层材料或覆层材料层可耦合到分层界面材料，取决于组件所需 的规范。叠层一般考虑为纤维加固树脂介电材料。覆层材料是在金属
和其它材料、如铜被结合到叠层时所产生的叠层的子集。(Harper、 Charles A:电子封装和互连手册，第二版(McGraw-Hill(New York), 1997
年)。)
旋压层和材料也可添加到分层界面材料或后续层。Michael E. Thomas的"低keff电介质的旋压堆叠薄膜"(Solid State Technology(2001 年7月))中教导了旋压堆叠薄膜，通过引用将其完整地结合于本文中。 旋压层和材料也可考虑为见于PCT申请NO.PCT/US02/11927和美国 专利申请序号10/466652的那些材料，它们均为Honeywell International Inc.共同所有，并通过引用将其完整地结合于本文中。
本文所述的所考虑的热解决方案、集成电路封装、热界面组件、 分层界面材料和散热器组件的应用包括把材料和/或组件结合到另一 个分层材料、介电组件或成品电子产品中。如本文所考虑的电子组件 一般被认为包括可用于基于电子的产品的任何分层组件。所考虑的电 子组件包括电路板、芯片封装、隔离片、电路板的介电组件、印刷线 路板以及电路板的其它组件，如电容器、电感器和电阻器。
基于电子的产品在它们准备用于工业或者由其它消费者使用的意 义上是"成品"。成品消费产品的实例是电视、计算机、蜂窝电话、 寻呼机、掌上型组织器、便携式无线电设备、汽车立体声系统和远程 控制。另外还考虑的是"中间产品"，例如可能用于成品中的电路板、 芯片封装以及键盘。
电子产品还可包括原型组件，在从概念模型到最终按比例扩大/实体模型的开发的任何阶段上。原型可能或者可能不包含成品中预计 的所有实际组件，以及原型可具有从复合材料中构建的一些组件，以 便消除它们在最初测试时对其它组件的最初影响。
实例
在焊料被电镀到表面的实例中，可采用传统和商业出售的电镀设 备。这种设备通常利用适应掩模来隔离要电镀的区域；但是，光致抗 蚀剂和其它掩蔽技术同样适用。
实例1:
在这个实例中，镀镍铜散热器采用硅橡胶掩模来屏蔽。掩模中包 含的区域采用适当的预定厚度的焊料或焊接件来电淀积，取决于组件、 成品、消费者和/或厂商的需要。薄膜厚度可以足够预先湿润表面(以及 其它方法提供的块状焊料)，或者整个焊接薄膜厚度可经过电淀积。对 于薄膜厚度的判定也可基于完成部分的质量(和所得产量)以及金属淀 积的经济性。
实例2:
在一个实例中，在一个连续步骤，散热器经过掩蔽，以及电淀积 焊料的薄膜构建为大约25至大约150微米的厚度。实现这种连续应用 的设备是可向供应商、如日本的ALF和EEJA和美国的SFT购买的。 电镀材料(例如贵金属或硅化物成型物)层可添加到这个分层材料的顶 部。在一些实例中，电镀材料包括钯。
实例3:
在另一个实例中，电淀积薄膜限于大约25微米或以下的薄膜厚 度。在这个实例中，将要求把总焊料厚度构建为大约25至大约150微 米的第二步骤。第二步骤可包括丝网印制、预制的直接附加或者焊料 粉或流体的喷射。实例4:
所考虑的方法的一个实例包括
1. 形成铜散热器；
2. 采用镍或类似可焊接材料电镀铜部分的至少一部分；
3. 电淀积焊料或者焊接系统的至少一个组件的薄膜，从而形成共 晶体；以及
4. 通过丝网印制、预制的直接附加或者焊料粉或流体的喷射，可 选地把焊料厚度构建为适当厚度。
在材料采用焊料薄膜来电镀并且焊料块以胶状提供的情况下，由 于通过焊接胶对镍板的预先湿润而将改善产量。
实例5:
在又一个实例中，金属被选择，使得电镀薄膜和分发薄膜形成焊 料。例如，锡薄膜被电镀并与铅胶结合使用，从而形成适当且适合比 例的锡-铅焊料。
这样，公开了热解决方案、IC封装、热互连和界面材料的具体实 施例和应用。但是，本领域的技术人员应当非常清楚，除所公开以外 的另外许多修改是可行的，而没有背离本发明的构思。因此，本发明 的主题仅受到本公开的精神的限制。此外，在解释本公开时，所有术 语应当以符合上下文的可能的最广义方式来解释。具体来说，术语"包 括，，应当解释为表示非排他方式的元素、组件或步骤，表明所引用元 素、组件或步骤可存在或^皮使用或者与没有明确提到的其它元素、组 件或步骤组合。
权利要求
1. 一种电子组件，包括热传递材料，其中，所述材料包括散热器组件，和至少一个焊料，其中，所述焊料直接淀积到所述散热器组件。
2. 如权利要求1所述的电子组件，其特征在于，所述散热器组件 包括顶面、底面以及至少一个散热器材料。
3. 如权利要求2所述的电子组件，其特征在于，所述焊料直接淀 积到所述散热器组件的所述底面。
4. 如权利要求1所述的电子组件，其特征在于，所述散热器组件 的厚度大约为0.25mm到大约6mm。
5. 如权利要求1所述的电子组件，其特征在于，所述焊料还耦合 到衬底。
6. 如权利要求5所述的电子组件，其特征在于，所述衬底包括硅。
7. 如权利要求5所述的电子组件，其特征在于，所述衬底是金属 化硅片。
8. 如权利要求1所述的电子组件，其特征在于，所述散热器组件 包括金属、基于金属的材料或其组合。
9. 如权利要求8所述的电子组件，其特征在于，所述散热器组件 包括镍、铝、铜或其组合。
10. 如权利要求8所述的电子组件，其特征在于，所述基于金属 的材料包括硅、碳或其组合。
11. 如权利要求4所述的电子组件，其特征在于，所述厚度从大 约1 mm到大约5 mm。
12. 如权利要求1所述的电子组件，其特征在于，所述至少一个 焊料包括金属、基于金属的材料或其组合。
13. 如权利要求12所述的电子组件，其特征在于，所述金属包 括过渡金属。
14. 如权利要求13所述的电子组件，其特征在于，所述金属包括铟、锡、铅、银、铜、锑、碲或铋。
15. 如权利要求12所述的电子组件，其特征在于，所述基于金 属的材料包括合金。
16. 如权利要求15所述的电子组件，其特征在于，所述合金包 括铟、锡、铅、银、铜、锑、碲、铋或其组合。
17. 如权利要求13或14所述的电子组件，其特征在于，还包括 贵金属的层或硅化物成型物。
18. 如权利要求17所述的电子组件，其特征在于，所述硅化物 成型物包4舌4艮、铂或4巴。
19. 如权利要求18所述的电子组件，其特征在于，所述硅化物 成型物是闪光层。
20. 如权利要求1所述的电子组件，其特征在于，所述焊料采用 电淀积直接进行淀积。
全文摘要
本发明提供了一种热互连系统及其制造和使用的方法。具体地，本文描述了一种电子组件，其中包括热传递材料，其中所述热传递材料包括散热器组件；以及至少一个焊料，其中，所述焊料直接淀积到所述散热器组件。
文档编号H01L23/42GK101448382SQ20081014452
公开日2009年6月3日 申请日期2004年6月4日 优先权日2003年6月6日
发明者M·费里, N·迪恩 申请人:霍尼韦尔国际公司