專利名稱：導(dǎo)電膏及傳熱材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電路板和集成電路封裝的制造。更具體地，本發(fā)明涉及集成電路封裝的低存儲(chǔ)模量、導(dǎo)電導(dǎo)熱的界面。
背景技術(shù)：
集成電路是熟知的工業(yè)產(chǎn)品，且廣泛地用于商業(yè)和消費(fèi)電子應(yīng)用。它們?cè)谥T如工業(yè)控制設(shè)備之類的大規(guī)模應(yīng)用中特別有用，以及在諸如電話、收音機(jī)和個(gè)人電腦之類的小規(guī)模裝置中也特別有用。
隨著更加密集的電子應(yīng)用的需求的增加，對(duì)于工作速度更快、占據(jù)空間更小以及提供功能更多的電氣系統(tǒng)的需求也增加。為了滿足這些需求，制造商設(shè)計(jì)了包含許多相對(duì)緊密接近的電氣部件的電氣和電子裝置。這些部件會(huì)產(chǎn)生大量的熱，這些熱必須通過某些方法驅(qū)散，以避免裝置的失效或者故障。
傳統(tǒng)的，在裝置的外殼中使用空氣的強(qiáng)制循環(huán)或者對(duì)流循環(huán)來冷卻電子部件。冷卻風(fēng)扇通常設(shè)置為電子裝置的整體部分，或者單獨(dú)地接附到電子裝置上，以增加暴露給空氣流的集成電路封裝的表面積。使用這樣的風(fēng)扇來增加在裝置外殼中的空氣流通的量。美國(guó)專利5,522,700講授了用于從電子部件散熱的典型的風(fēng)扇裝置的使用。美國(guó)專利5,166,775描述了鄰近集成電路安裝的空氣歧管，用于將空氣噴射引導(dǎo)到安裝于電路中的電子裝置上。該空氣歧管具有空氣入口和沿著通道定位的多個(gè)出口噴嘴，用于將空氣引導(dǎo)到電子裝置上。
不幸的是，由于集成電路繼續(xù)減小尺寸，同時(shí)功率密度增加，簡(jiǎn)單的空氣流通通常不足以充分地冷卻電路部件?？諝饬魍ㄋ苓_(dá)到的散熱范圍以外的散熱可以由將散熱器或者其它散熱裝置接附到電子部件上來實(shí)現(xiàn)。美國(guó)專利4,620,216描述了用于半導(dǎo)體封裝的具有多個(gè)冷卻片元件的整體散熱器，該散熱器用來冷卻高密度的集成電路模塊。美國(guó)專利5,535,094講授了鼓風(fēng)機(jī)和散熱器的組合使用。其講授了具有冷卻集成電路封裝的整體式鼓風(fēng)機(jī)的模塊。該鼓風(fēng)機(jī)接附到安裝于集成電路封裝的散熱器上。由集成電路產(chǎn)生的熱傳導(dǎo)到散熱器。鼓風(fēng)機(jī)產(chǎn)生流過散熱器的空氣流，且去除封裝中熱。
在本領(lǐng)域中已知使用熱或者電界面來將這樣的散熱裝置接附到發(fā)熱部件上。然而，傳統(tǒng)的界面已知有幾個(gè)缺點(diǎn)。在半導(dǎo)體行業(yè)使用的界面通常包括金屬界面或者充滿導(dǎo)電填充物的聚合物粘合劑。諸如焊錫、銀和金之類的金屬界面提供低的電阻率，但是具有高的存儲(chǔ)模量，且不適于大的集成電路管芯。此外，聚合物粘合劑可以是很低的模量，但是它們的電阻率太高。由于從芯片發(fā)出的熱量變高，因此需要和集成電路封裝或者半導(dǎo)體管芯一起使用的熱界面，該熱界面具有低的模量以及高的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性。還需要這樣的界面能夠在諸如大約200℃或者更低的低溫下組裝和加工。
本發(fā)明提供了該問題的一個(gè)解決方法。根據(jù)本發(fā)明，形成多孔的、柔性的、彈性傳熱材料，該材料包括金屬薄片網(wǎng)。這樣的傳熱材料最好由首先形成的包括揮發(fā)性的有機(jī)溶劑和導(dǎo)電金屬薄片的導(dǎo)電膏來生產(chǎn)。將該導(dǎo)電膏加熱到低于金屬薄片的熔點(diǎn)的溫度，從而蒸發(fā)溶劑且只在薄片邊緣燒結(jié)薄片。薄片的邊緣熔合到鄰近的薄片的邊緣，使得至少在一些鄰近薄片之間限定開孔，從而形成金屬薄片網(wǎng)。該網(wǎng)結(jié)構(gòu)使得傳熱材料具有小于大約10GPa的低存儲(chǔ)模量，同時(shí)具有好的電阻特性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種導(dǎo)電膏，其利用金屬薄片和至少一種溶劑的混合物制成。
本發(fā)明還提供一種傳熱材料，利用上述導(dǎo)電膏制成。
本發(fā)明提供多孔的、柔性的、彈性傳熱材料，該材料包括金屬薄片網(wǎng)，所述薄片具有邊緣，這些薄片只在它們邊緣燒結(jié)，且熔合到鄰近的薄片的邊緣，使得至少在一些鄰近薄片之間限定開孔。
本發(fā)明還提供用于形成多孔的、柔性的、彈性傳熱材料的方法，其包括a)形成包括溶劑和具有邊緣的導(dǎo)電金屬薄片的導(dǎo)電膏；以及b)將導(dǎo)電膏加熱到低于金屬薄片的熔點(diǎn)的溫度，從而蒸發(fā)溶劑且只在薄片邊緣燒結(jié)薄片，這樣熔合鄰近的薄片的邊緣，使得至少在一些鄰近薄片之間限定開孔，從而形成金屬薄片網(wǎng)。
本發(fā)明還提供將熱從微芯片傳導(dǎo)走的方法，其包括a)形成包括溶劑和具有邊緣的導(dǎo)電金屬薄片的導(dǎo)電膏；b)在微芯片和熱傳播器之間接附一層導(dǎo)電膏，這樣形成合成物；c)將該合成物加熱到低于金屬薄片的熔點(diǎn)的溫度，從而蒸發(fā)溶劑且只在薄片邊緣燒結(jié)薄片，這樣熔合鄰近的薄片的邊緣，使得至少在一些鄰近薄片之間限定開孔，且在微芯片和熱傳播器之間形成傳熱材料層，該傳熱材料包括金屬薄片網(wǎng)。


圖1示出了一層本發(fā)明的傳熱材料的頂視圖。
圖2示出了一層本發(fā)明的傳熱材料的特寫頂視圖。
圖3示出了一層本發(fā)明的傳熱材料的側(cè)視圖。
圖4示出了接附到微芯片的一層本發(fā)明的傳熱材料的側(cè)視圖。
圖5示出了接附到微芯片和熱傳播器的一層本發(fā)明的傳熱材料的側(cè)視圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明涉及多孔的、柔性的、彈性傳熱材料，該材料包括金屬薄片網(wǎng)。首先形成包括金屬薄片和溶劑的混合物的導(dǎo)電膏。該膏可以使用任何在本領(lǐng)域中已知的傳統(tǒng)方法來形成，諸如混合等。
金屬薄片最好包括諸如鋁、銅、鋅、錫、金、鈀、鉛和合金之類的金屬以及它們的組合物。最優(yōu)選的，這些薄片包括銀。這些薄片最好具有從大約0.1μm到大約2μm的厚度，更優(yōu)選的具有從大約0.1μm到大約1μm的厚度，最優(yōu)選的具有從大約0.1μm到大約0.3μm的厚度。這些薄片最好具有從大約3μm到大約100μm的直徑，更優(yōu)選的具有從大約20μm到大約100μm的直徑，最優(yōu)選的具有從大約50μm到大約100μm的直徑。在最優(yōu)選的實(shí)施例中，每個(gè)薄片具有比薄片的中心薄的邊緣。
溶劑最好用來降低金屬薄片的熔點(diǎn)。該溶劑最好包括具有大約200℃或者更低的沸點(diǎn)的揮發(fā)性的有機(jī)溶劑。合適的揮發(fā)性的有機(jī)溶劑非唯一地包括酒精，諸如乙醇、丙醇和丁醇。優(yōu)選的揮發(fā)性的有機(jī)溶劑包括丁醇。
加熱導(dǎo)電膏，使得蒸發(fā)掉溶劑且只在薄片邊緣燒結(jié)薄片。這樣，這些薄片熔合到鄰近的薄片的邊緣，使得至少在一些鄰近薄片之間限定開孔，從而形成多孔的、柔性的、彈性傳熱材料，其大致不存在溶劑和膠合劑。最好在低于金屬薄片的熔點(diǎn)的溫度下實(shí)施導(dǎo)電膏的加熱。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，在從大約100℃到大約200℃的溫度范圍，更加優(yōu)選地從大約150℃到大約200℃的溫度范圍，最優(yōu)選地從大約175℃到大約200℃的溫度范圍來實(shí)施加熱。
在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，以傳熱材料層的形式生產(chǎn)傳熱材料。這最好這樣實(shí)現(xiàn)，即，將一層導(dǎo)電膏施加到大致平的基片表面上，且如上所述加熱導(dǎo)電膏層，以形成傳熱材料層。然后，可以選擇性地從基片去除該傳熱材料層。合適的基片的例子非唯一地包括熱傳播器、硅片和散熱器。優(yōu)選的基片包括硅片。可以使用諸如從注射器分配之類的任何已知的傳統(tǒng)技術(shù)來施加該膏。優(yōu)選的，該傳熱材料層具有從大約10μm到大約50μm的厚度，更優(yōu)選的，該傳熱材料層具有從大約10μm到大約35μm的厚度，最優(yōu)選的，該傳熱材料層具有從大約20μm到大約30μm的厚度。該傳熱材料層最好包括小于大約10GPa的存儲(chǔ)模量，更優(yōu)選的，包括從大約1GPa到大約5GPa的存儲(chǔ)模量，最優(yōu)選的，包括從大約1GPa到大約3GPa的存儲(chǔ)模量。該材料層最好還包括從大約1×10-6ohm/cm到大約1×10-4ohm/cm的電阻，更優(yōu)選的，包括從大約1×10-6ohm/cm到大約5×10-5ohm/cm的電阻，最優(yōu)選的，包括從大約1×10-6ohm/cm到大約2×10-5ohm/cm的電阻。
本發(fā)明的傳熱材料可以用于多種目的，諸如金屬表面和硅片之間的熱界面，或者放熱物體和吸熱物體之間的熱界面等。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，傳熱材料層的第一表面接附到放熱物體。合適的放熱物體的例子非唯一地包括微芯片、多芯片模塊、激光二極管等。優(yōu)選的放熱物體包括微芯片。然后，傳熱材料層的第二表面可以選擇性地接附到吸熱物體。合適的吸熱物體的例子非唯一地包括熱傳播器、散熱器、蒸汽腔、熱管等。優(yōu)選的吸熱物體包括熱傳播器。這樣的放熱或者吸熱物體可以使用本領(lǐng)域中已知的任何合適的傳統(tǒng)方法來接附到傳熱材料層上。在最優(yōu)選的實(shí)施例中，該傳熱材料層通過首先形成包括一層在放熱物體和吸熱物體之間接附的導(dǎo)電膏的合成物來形成。然后，加熱整個(gè)合成物來在放熱物體和吸熱物體之間形成傳熱材料。本發(fā)明的傳熱材料在微電子裝置的生產(chǎn)中特別有用。
下述的非限定性的例子用來說明本發(fā)明。應(yīng)該理解，本發(fā)明的比例的變化和部件中的元件的替代對(duì)于本領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員是明顯的，且在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
例子1用有機(jī)溶劑混合銀薄片，以形成均勻的膏。至少混合出四種膏。膏的有機(jī)溶劑相對(duì)于金屬薄片的比例在下面的表格1中顯示。
表格1溶劑相對(duì)于薄片的比例

然后，將這些膏填充到注射器中，使用1℃的圓錐平板式的Haake粘度計(jì)來測(cè)試膏的粘度。這些測(cè)量在22s-1和40s-1下實(shí)施。不同材料制備的粘度在表格2中顯示。
表格2在22s-1和40s-1下的粘度

如在表格中所示，在大約4000cps處批號(hào)#1和批號(hào)#2具有類似的粘度。這是期望的，因?yàn)樗鼈兌季哂邢嗤某煞只旌媳壤?。然而，批?hào)#3和批號(hào)#4有較大不同的粘度，這與它們各自的成分混合比例相關(guān)。
然后，使用四種不同的固化曲線來固化這些材料，如下在表格3中所述。使用下述過程來實(shí)施固化1.如下每個(gè)曲線制備最少三個(gè)載玻片a.用異丙醇來清潔1”×3”的載玻片，且用空氣干燥。
b.載玻片可靠地放置在載玻片固定器中。
c.使用刻于托架上的線作為引導(dǎo)，平行于載玻片的長(zhǎng)度方向且分開100密耳放置帶條。應(yīng)用的條的長(zhǎng)度至少為2.5”長(zhǎng)。
d.在帶下沒有皺紋或者氣泡。
2.銀膏放置在載玻片的一端。使用相對(duì)于載玻片表面維持大約30度角的刀片，朝著該載玻片的相對(duì)端吸引該銀膏材料，且該材料在帶條之間擠壓。
3.小心地去除該帶。
4.在烤爐中固化該材料。
表格3膏固化曲線的表述

然后，測(cè)試固化材料的體積電阻率。由于批號(hào)#1和2具有相同的成分混合比例，所以沒有測(cè)試批號(hào)#2。使用以下過程來測(cè)試體積電阻率1.沿著帶條在三個(gè)不同的位置測(cè)量固化材料的橫剖面積(μm2)。
2.使用型號(hào)為34401A的Hewlett-Packard四點(diǎn)探針來測(cè)量電阻。
3.記錄電阻測(cè)量，使用下面的公式來確定電阻率P＝R(A/2.54)cm其中P＝電阻率，ohm.cmR＝測(cè)量的電阻，ohmA＝橫剖面積，cm22.54＝內(nèi)部電極對(duì)之間的距離，cm。
結(jié)果在如下的表格4中顯示。從這些結(jié)果可以觀察出，在曲線3中材料沒有燒結(jié)。這是由于150℃的峰值溫度對(duì)于銀的燒結(jié)太低的事實(shí)。
表格4材料的體積電阻率結(jié)果(Ohm.cm)

*不能測(cè)量使用曲線3固化的試樣，因?yàn)楫?dāng)探針放置在條上時(shí)，該條破裂。當(dāng)從載玻片上去除條時(shí)，可以觀察到銀薄片沒有熔合到一起，且在載玻片上有殘余物。對(duì)于曲線1和2，當(dāng)從載玻片去除條時(shí)，該條保持完整，且看不見殘余物。
+所表示的值導(dǎo)致試樣在沒有清潔干燥空氣(CDA)的情況下固化。
使用管芯剪應(yīng)力來測(cè)試燒結(jié)的金屬薄片到三個(gè)金屬表面的粘附強(qiáng)度，以確定銀膏的粘結(jié)強(qiáng)度。通過將銀膏涂覆到鍍鎳的表面、局部鍍銀的表面和裸銅表面上來形成測(cè)試表面。該金屬表面接附到鉛框架上，且在烤爐中固化。
根據(jù)以下過程測(cè)試固化的試樣1.基片設(shè)置在管芯剪應(yīng)力測(cè)試器上的適當(dāng)?shù)谋３謯A具中。
2.管芯剪應(yīng)力工具頂端與要測(cè)試的元件的最寬側(cè)對(duì)準(zhǔn)。該管芯剪應(yīng)力工具垂直于基片放置，且盡可能地靠近基片，而不皺縮基片表面。
3.在測(cè)試器面板上按壓“測(cè)試”按鈕，以啟動(dòng)剪應(yīng)力測(cè)試周期。
4.在剪應(yīng)力測(cè)試周期完成以后，記錄在面板上顯示的力的等級(jí)。
5.重復(fù)步驟1到4，直到所有元件在該基片上剪切。
6.計(jì)算基片上的元件的平均剪應(yīng)力強(qiáng)度。
從結(jié)果可以觀察出，固化曲線1對(duì)于工業(yè)來說太高，而曲線3沒有充分燒結(jié)材料。由于150℃的峰值溫度對(duì)于銀的燒結(jié)太低的事實(shí)，所以曲線3沒有燒結(jié)。這樣，只對(duì)曲線2和4進(jìn)行了粘附測(cè)量。該實(shí)驗(yàn)所用的膏批來自批號(hào)#3。結(jié)果在下面的表格5中顯示。
表格5批號(hào)3的管芯剪應(yīng)力粘附結(jié)果

用100×100密耳的管芯測(cè)試粘附強(qiáng)度如表格5所示，材料不在鍍鎳的表面上燒結(jié)，而在裸銅表面上的粘附相當(dāng)?shù)汀ｃ~在升高的溫度下氧化，因此引起在表面上燒結(jié)的障礙。然而，局部鍍銀的表面在峰值溫度為200℃處有較好的粘附。粘附在180℃處較大地降低。注意，曲線2的失效模式如何在管芯/膏界面上出現(xiàn)，同時(shí)注意曲線4的失效模式如何在膏/基片界面出現(xiàn)。這顯示了曲線4的較低固化曲線具有較少的燒結(jié)，因此在材料中失效。然而，對(duì)于曲線2的在200℃的固化具有更高程度的燒結(jié)。失效界面轉(zhuǎn)移到了到裸銅的粘附較低的管芯/膏界面。
然后使用曲線2來測(cè)試批號(hào)#4的粘附。結(jié)果在下面的表格6顯示。
表格6批號(hào)#4的管芯剪應(yīng)力粘附結(jié)果

用100×100密耳的管芯測(cè)試粘附強(qiáng)度如表格6所示，局部鍍銀的表面的粘附最強(qiáng)，接下來是裸銅表面。在該實(shí)驗(yàn)中，鍍鎳的表面顯示了最小量的粘附。然而，與批號(hào)#3相比，該批特別的材料顯示了到局部鍍銀的表面相當(dāng)小的粘附。這可能是由于在批號(hào)#4中有機(jī)溶劑的水平更高。
分析和結(jié)論混合三種該材料，發(fā)現(xiàn)粘度依賴于它們的有機(jī)質(zhì)含量的混合比例。所有的膏都可以燒結(jié)。使用四種不同的曲線來燒結(jié)。發(fā)現(xiàn)銀薄片可以在180℃或者更高下燒結(jié)。發(fā)現(xiàn)燒結(jié)的材料的體積電阻率比填充銀的環(huán)氧粘合劑要低，但是比得上銀玻璃和焊錫的傳導(dǎo)率。這些膏的粘附主要依賴于溫度。其也依賴于它們粘附的表面。具體地，用金屬處理的管芯表面(例如，用銀處理)可以是更好的表面。除了該管芯表面，該材料不能很好地?zé)Y(jié)到鍍鎳的表面，但是到局部鍍銀的表面有較好的粘附。
雖然已經(jīng)具體顯示了且參考優(yōu)選的實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員很容易理解，在不偏離本發(fā)明的精神和范圍下可以進(jìn)行各種改變和改進(jìn)。意在認(rèn)為權(quán)利要求書覆蓋了公開的實(shí)施例、上面已經(jīng)討論的那些替代物以及所有等效物。
權(quán)利要求
1.一種導(dǎo)電膏，利用金屬薄片和至少一種溶劑的混合物制成。
2.如權(quán)利要求1所述的導(dǎo)電膏，其中所述金屬薄片包括鋁、銅、鋅、錫、金、鈀、鉛、銀和合金以及它們的組合物。
3.如權(quán)利要求1所述導(dǎo)電膏，其中所述金屬薄片包括銀。
4.如權(quán)利要求1所述的導(dǎo)電膏，其中所述薄片具有從大約0.1μm到大約2μm的厚度。
5.如權(quán)利要求4所述的導(dǎo)電膏，其中所述薄片具有從大約0.1μm到大約1μm的厚度。
6.如權(quán)利要求5所述的導(dǎo)電膏，其中所述薄片具有從大約0.1μm到大約0.3μm的厚度。
7.如權(quán)利要求1所述的導(dǎo)電膏，其中所述薄片具有從大約3μm到大約100μm的直徑。
8.如權(quán)利要求7所述的導(dǎo)電膏，其中所述薄片具有從大約20μm到大約100μm的直徑。
9.如權(quán)利要求8所述的導(dǎo)電膏，其中所述薄片具有從大約50μm到大約100μm的直徑。
10.如權(quán)利要求1所述的導(dǎo)電膏，其中所述至少一種溶劑包括揮發(fā)性有機(jī)溶劑。
11.如權(quán)利要求10所述的導(dǎo)電膏，其中所述揮發(fā)性有機(jī)溶劑包括具有大約200℃或者更低的沸點(diǎn)的有機(jī)溶劑。
12.如權(quán)利要求10或11所述的導(dǎo)電膏，其中所述至少一種溶劑包括醇類。
13.如權(quán)利要求12所述的導(dǎo)電膏，其中所述醇類包括乙醇、丙醇和丁醇。
14.一種傳熱材料，利用權(quán)利要求1的導(dǎo)電膏制成。
全文摘要
本發(fā)明提供一種導(dǎo)電膏，其利用金屬薄片和至少一種溶劑的混合物制成。本發(fā)明還提供一種傳熱材料，利用上述導(dǎo)電膏制成。這樣的金屬薄片具有好的電阻特性。
文檔編號(hào)C09K5/08GK101038795SQ20071009681
公開日2007年9月19日 申請(qǐng)日期2001年10月18日 優(yōu)先權(quán)日2001年10月18日
發(fā)明者I·J·拉西亞 申請(qǐng)人:霍尼韋爾國(guó)際公司