CN100362655C - 热界面材料以及包括铟和锌的组合物 - Google Patents

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Abstract

本发明包括一种半导体封装(10)，所述封装包括半导体基片(14)和散热器(18)。热界面材料(20)热连接所述基片和散热器(18)。所述热界面材料基本上由铟、锌和一种或多种选自镁、钙、铌、钽、硼、铝、铈、钛和锆的元素组成。本发明还包括了一种基本上由铟和锌组成的组合物。组合物中锌的浓度为重量百分比约0.5%至约3%。

Description

热界面材料以及包括铟和锌的组合物
技术领域
本发明涉及热界面材料，特别是包括铟和锌的热界面材料的应用。本发明还涉及包括铟和锌的组合物。本发明进一步涉及形成热界面材料的方法。
背景技术
在大量的应用中，热界面材料(TIM)用于将热传导至电组件和/或从电组件传导热。TIM的一个应用是在与半导体装置结合使用的集成电路的操作过程中将半导体装置的热传导出去。
需要研制出可以用于TIM的组合物。同时还需要所述TIM对于现有和以后的半导体封装具有高的热导率。进一步地，需要所述TIM适合用于半导体装置和盖子(散热器(heat spreader))之间。另外，需要所述TIM适合与多种表面结合，具有低模数、高强度。
发明简介
一方面，本发明包括一种半导体封装。所述封装包括半导体基片和邻近所述基片的散热器。热界面材料热连接所述基片和散热器。所述热界面材料基本上由铟和锌组成。或者，所述热界面材料可以基本上由铟、锌和一种或多种选自镁、钙、铌、钽、硼、铝、铈、钛和锆的元素组成。材料中的锌浓度可以是例如重量百分比约0.5％-3％。
另一方面，本发明包括基本上由铟和锌组成的组合物。所述组合物中的锌浓度约为重量百分比0.5％-3％。本发明还包括以下组合物，所述组合物基本上由铟、锌和一种或多种选自镁、钙、铌、钽、硼、铝、铈、钛和锆的元素组成。
附图简要说明
以下参照附图对本发明的优选实施方式进行描述。所述附图显示了本发明一个示例的半导体封装的截面示意图。
优选实施方式的详细描述
根据本发明的组合物可用于制造全部或部分热界面材料，所述热界面材料位于热源与受热器(heat sink)和/或散热器之间。所述热界面材料可以帮助将热从一个表面传递至另一个表面。
本发明的组合物可以包括铟和锌，或基本上由铟和锌组成，或由铟和锌组成。此外，本发明的组合物可以包括，或基本上或完全由铟、锌，以及一种或多种选自镁、钙、铌、钽、硼、铝、铈、钛和锆的元素所组成。在不同组合物例子中的锌浓度可以小于或等于3％(重量百分比)，在特别的组合物中，锌的浓度可以小于或等于约2.2％(重量百分比)。如果存在一种或多种选自镁、钙、铌、钽、硼、铝、铈、钛和锆的元素，则所述一种或多种元素的总浓度小于或等于1000ppm。在特别的应用中，选自镁、钙、铌、钽、硼、铝、铈、钛和锆的一种或多种元素的总浓度小于或等于500ppm，甚至小于或等于200ppm。
在本发明的不同TIM组合物中，与锌和铟结合的元素在本发明的特别的方面可以认为是掺杂剂，有助于将TIM结合至半导体管芯的氮化硅表面。因此，理想的是利用掺杂剂，改进铟-锌与上述表面的相互作用。从热动力学数据来看，镁、钙、铌、钽、硼、铝、铈、钛和锆的氮化物比硅的氮化物更加稳定。其提示了，上述元素可以与氮化硅反应并具有良好的结合。以下选择镁作为示例，这是因为其与硅形成反应产物，而且不与铟或锌形成金属互化物，所述金属互化物可使包括铟和锌的焊料变脆。在本发明的不同应用中，除了镁，还可以使用一种或多种选自钙、铌、钽、硼、铝、铈、钛和锆的元素组成，或者用所述元素取代镁。
在本发明中采用的特别材料可以具有以下组合物，其包括，或基本上或完全由以下组成：(1)小于或等于1000ppm镁(在1000ppm测试中，镁的效果似乎下降，而在特别应用中，镁浓度在大约200ppm至大约500ppm为最佳)；(2)小于或等于3％(重量百分比)锌(范围在重量百分比约0.5％至约2.2％内较为理想，在特别应用中优选重量百分比约为1％)；以及(3)铟。锌的浓度可以是，例如，大于0％而小于或等于3％(重量百分比)；在某些应用中，范围为大于0％而小于或等于2.5％(重量百分比)；在进一步的应用中，范围为大于0％而小于或等于2％(重量百分比)；在其它另外的应用中，范围为大于0％而小于或等于1.5％(重量百分比)；以及在其它另外的应用中，范围为大于0％而小于或等于1％(重量百分比)。在不同的特别应用中，选择锌的浓度以与组合物中的铟形成低共熔合金。
在本发明的一个方面中，生产基于铟的合金，所述合金包括大约1％(重量百分比)锌，和小于或等于约1000ppm镁。发现所述合金可以浸润并很好地结合(粘附)至氮化硅涂覆的基片。所述合金的不同组分可以影响合金的物理特性。例如，铟可以提供低模数以及高热导率；锌可以提高合金的高温抗腐蚀性；以及镁可以改善对氮化硅的浸润和结合。
包括铟、锌和镁的所述合金可以通过以下步骤形成：(1)将铟、锌和镁金属片混合放入石墨坩锅；(2)在大约150℃至350℃的温度下，熔化所述金属形成熔融混合物；(3)将所述熔融混合物倒入具有所需形状的模子中；以及(4)冷却模子中的混合物，形成所述合金的固体团块，所述团块具有所需的形状。然后可以通过常规的金属加工技术对所述合金块进行碾压或挤压从而形成适合用作例如焊料的条状物或丝状物。
在本发明的特别方面，铟重量百分比大于95％(例如铟的重量百分比大于98％，在某些应用中重量百分比大于99％)的铟合金的热导率接近纯铟(82W/m*K)。所述合金可以完全由或基本由，例如铟和锌的合金组成，所述合金中锌的浓度为约0.5％至3％(重量百分比)。合金中的铟使合金能够浸润不同的表面。浸润测试显示所述合金的浸润能力在镍上可以达到每毫米500微牛顿(500mN/mm)。相对于纯铟，锌赋予了合金强度，并可以改善合金的抗氧化能力。
可通过常规方法在空气中或在惰性气氛中铸造本发明的组合物(例如铟/锌合金)。所述金属可以一起熔融，例如在铸造过程中在大约450℃条件下熔融。可通过铸造形成片或坯段。可以对所述片或坯段进行进一步加工制成所述合金组合物条或丝。然后，可以将所述条或丝用作焊料制成用于特别应用中的TIM。
由于匹配组件的微观(表面粗糙程度)和宏观(表面弯曲或不平)，使得“干界面”或者不存在界面材料的界面通常只有大约1％的界面面积进行了实际接触。所述干界面面积的其余部分含有“气隙”，其很难传导热。在所述气隙中引入热界面材料可以提高从一个组件至另一组件的热能(热量)传输。
热阻通常用于衡量热界面材料的性能。热阻是指界面面积除以流经界面的功率，然后与经过界面的温差相乘(报道的单位为℃ cm2/w)。所述热阻可以分为三个部分：(1)进入界面材料的热表面的接触热阻；(2)由于经过界面面积的热传导的体热阻；(3)界面材料/冷表面结合点的接触热阻。上述为串联热阻，其意味着上述热阻应较低，从而使其具有低的总热阻。
当界面材料热导率高时，体热阻低。因此，通常需要界面材料具有高的热导率。热界面材料的厚度同样影响体热阻，热界面材料越薄，相对于厚的材料，其热阻越低。因此，通常采用薄的热界面材料。
优选两个接触材料之间的接触热阻较低。如果接触材料的表面相互作用，可以减少接触热阻。对于金属材料来说，需要具有良好的浸润性能(一个材料相对于另一材料的扩展)。为了提高随着时间变化的可靠性(与刚形成连接之后相比)，可取的是具有相当程度的互溶性、金属间化合和/或化合物生成，其中任一个可以促进接触材料之间界面的良好粘附/结合。合金附加物或掺杂剂可以有助于达到上述一种或多种接触材料之间的所需性能。
根据本发明形成的示例材料样品的组合物
实施例1
一种组合物，其基本上或完全由铟、重量百分比为1％的锌和250ppm的镁所组成。
实施例2
一种组合物，其基本上或完全由铟、重量百分比为1％的锌和500ppm的镁所组成。
本发明不同方面所包括的材料可以用作，例如独立焊料(freestanding solder)(用于条、丝和预形成的形状)、焊膏、阳极、蒸发料、或聚合物-焊料混合物界面材料的焊料组分。附图示意性地阐述了一种热界面材料的应用，所述热界面材料包括根据本发明一个方面形成的组合物。尤其是，附图显示了经组装的电子封装10，其包括基底12，所述基底支撑半导体基片14。基片14可以包括，例如硅片。基底12可以包括电连接(未示出)，用于将与基片14有关的电路(未示出)连接至封装10之外的装置。基片14可以通过倒装片隆起16连接至基底12的电连接上。
散热器18邻近基片14，在所示的实施例中为封装10的盖子。
热界面材料20位于散热器和基片14之间。所述热界面材料将基片14与散热器18热连接，在所示的实施例中与基片14和散热器18紧紧靠在一起。但是应理解为，可以采用其它实施例(未示出)，其中热界面材料20与基片14和散热器18中一个或两个通过其它材料隔离开。优选地，上述其它材料传导热，将热能经过所述材料传递至所述热界面材料，以及从所述热界面材料传递热能经过所述材料。
热界面材料20可以包括上文所述的本发明的任一不同组合物，包括，例如基本上由铟和锌组成的组合物；以及基本上由铟、锌和选自镁、钙、铌、钽、硼、铝、铈、钛和锆中的一种或多种所组成。
为了帮助解释以下的权利要求，术语“半导体的基片”和“半导体基片”是指包括半导体材料和半导体材料层(单独或位于包括其它材料的组件中)的任何结构，所述半导体材料包括但不限于例如半导体晶片(单独或位于其上包括其它材料的组件之中)的散装半导体材料。术语“基片”是指任何支撑结构，包括但不限于上述的半导体基片。

Claims (10)

1.一种半导体封装，包括：
包含氮化硅表面的半导体基片；
邻近所述基片的散热器；以及
热连接所述基片和散热器的热界面材料；所述热界面材料连接至氮化硅表面；所述热界面材料由铟、锌和选自钙、铌、钽、硼、铈、钛和锆的一种或多种元素组成；其中锌的浓度为重量百分比0.5％至3％，其中热界面材料中的所述一种或多种元素的总浓度大于0ppm而小于或等于1000ppm。
2.如权利要求1所述的封装，其中热界面材料中的所述一种或多种元素的总浓度大于0ppm而小于或等于500ppm。
3.如权利要求1所述的封装，其中热界面材料中的所述一种或多种元素的总浓度大于0ppm而小于或等于200ppm。
4.如权利要求1所述的封装，其中所述一种或多种元素包括Ca。
5.如权利要求1所述的封装，其中所述一种或多种元素包括Nb。
6.如权利要求1所述的封装，其中所述一种或多种元素包括Ta。
7.如权利要求1所述的封装，其中所述一种或多种元素包括B。
8.如权利要求1所述的封装，其中所述一种或多种元素包括Ce。
9.如权利要求1所述的封装，其中所述一种或多种元素包括Ti。
10.如权利要求1所述的封装，其中所述一种或多种元素包括Zr。
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