CN101038795A - 导电膏及传热材料 - Google Patents

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CN101038795A CNA2007100968120A CN200710096812A CN101038795A CN 101038795 A CN101038795 A CN 101038795A CN A2007100968120 A CNA2007100968120 A CN A2007100968120A CN 200710096812 A CN200710096812 A CN 200710096812A CN 101038795 A CN101038795 A CN 101038795A
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Abstract

本发明提供一种导电膏，其利用金属薄片和至少一种溶剂的混合物制成。本发明还提供一种传热材料，利用上述导电膏制成。这样的金属薄片具有好的电阻特性。

Description

导电膏及传热材料
本申请是分案申请，其母案的方面名称是“烧结的金属薄片”，母案的申请号是01823558.1，母案的申请日是2001年10月18日。
技术领域
本发明涉及电路板和集成电路封装的制造。更具体地，本发明涉及集成电路封装的低存储模量、导电导热的界面。
背景技术
集成电路是熟知的工业产品，且广泛地用于商业和消费电子应用。它们在诸如工业控制设备之类的大规模应用中特别有用，以及在诸如电话、收音机和个人电脑之类的小规模装置中也特别有用。
随着更加密集的电子应用的需求的增加，对于工作速度更快、占据空间更小以及提供功能更多的电气系统的需求也增加。为了满足这些需求，制造商设计了包含许多相对紧密接近的电气部件的电气和电子装置。这些部件会产生大量的热，这些热必须通过某些方法驱散，以避免装置的失效或者故障。
传统的，在装置的外壳中使用空气的强制循环或者对流循环来冷却电子部件。冷却风扇通常设置为电子装置的整体部分，或者单独地接附到电子装置上，以增加暴露给空气流的集成电路封装的表面积。使用这样的风扇来增加在装置外壳中的空气流通的量。美国专利5,522,700讲授了用于从电子部件散热的典型的风扇装置的使用。美国专利5,166,775描述了邻近集成电路安装的空气歧管，用于将空气喷射引导到安装于电路中的电子装置上。该空气歧管具有空气入口和沿着通道定位的多个出口喷嘴，用于将空气引导到电子装置上。
不幸的是，由于集成电路继续减小尺寸，同时功率密度增加，简单的空气流通通常不足以充分地冷却电路部件。空气流通所能达到的散热范围以外的散热可以由将散热器或者其它散热装置接附到电子部件上来实现。美国专利4,620,216描述了用于半导体封装的具有多个冷却片元件的整体散热器，该散热器用来冷却高密度的集成电路模块。美国专利5,535,094讲授了鼓风机和散热器的组合使用。其讲授了具有冷却集成电路封装的整体式鼓风机的模块。该鼓风机接附到安装于集成电路封装的散热器上。由集成电路产生的热传导到散热器。鼓风机产生流过散热器的空气流，且去除封装中热。
在本领域中已知使用热或者电界面来将这样的散热装置接附到发热部件上。然而，传统的界面已知有几个缺点。在半导体行业使用的界面通常包括金属界面或者充满导电填充物的聚合物粘合剂。诸如焊锡、银和金之类的金属界面提供低的电阻率，但是具有高的存储模量，且不适于大的集成电路管芯。此外，聚合物粘合剂可以是很低的模量，但是它们的电阻率太高。由于从芯片发出的热量变高，因此需要和集成电路封装或者半导体管芯一起使用的热界面，该热界面具有低的模量以及高的导热和导电性。还需要这样的界面能够在诸如大约200℃或者更低的低温下组装和加工。
本发明提供了该问题的一个解决方法。根据本发明，形成多孔的、柔性的、弹性传热材料，该材料包括金属薄片网。这样的传热材料最好由首先形成的包括挥发性的有机溶剂和导电金属薄片的导电膏来生产。将该导电膏加热到低于金属薄片的熔点的温度，从而蒸发溶剂且只在薄片边缘烧结薄片。薄片的边缘熔合到邻近的薄片的边缘，使得至少在一些邻近薄片之间限定开孔，从而形成金属薄片网。该网结构使得传热材料具有小于大约10GPa的低存储模量，同时具有好的电阻特性。
发明内容
本发明提供一种导电膏，其利用金属薄片和至少一种溶剂的混合物制成。
本发明还提供一种传热材料，利用上述导电膏制成。
本发明提供多孔的、柔性的、弹性传热材料，该材料包括金属薄片网，所述薄片具有边缘，这些薄片只在它们边缘烧结，且熔合到邻近的薄片的边缘，使得至少在一些邻近薄片之间限定开孔。
本发明还提供用于形成多孔的、柔性的、弹性传热材料的方法，其包括：
a)形成包括溶剂和具有边缘的导电金属薄片的导电膏；以及
b)将导电膏加热到低于金属薄片的熔点的温度，从而蒸发溶剂且只在薄片边缘烧结薄片，这样熔合邻近的薄片的边缘，使得至少在一些邻近薄片之间限定开孔，从而形成金属薄片网。
本发明还提供将热从微芯片传导走的方法，其包括：
a)形成包括溶剂和具有边缘的导电金属薄片的导电膏；
b)在微芯片和热传播器之间接附一层导电膏，这样形成合成物；
c)将该合成物加热到低于金属薄片的熔点的温度，从而蒸发溶剂且只在薄片边缘烧结薄片，这样熔合邻近的薄片的边缘，使得至少在一些邻近薄片之间限定开孔，且在微芯片和热传播器之间形成传热材料层，该传热材料包括金属薄片网。
附图说明
图1示出了一层本发明的传热材料的顶视图。
图2示出了一层本发明的传热材料的特写顶视图。
图3示出了一层本发明的传热材料的侧视图。
图4示出了接附到微芯片的一层本发明的传热材料的侧视图。
图5示出了接附到微芯片和热传播器的一层本发明的传热材料的侧视图。
具体实施方式
本发明涉及多孔的、柔性的、弹性传热材料，该材料包括金属薄片网。首先形成包括金属薄片和溶剂的混合物的导电膏。该膏可以使用任何在本领域中已知的传统方法来形成，诸如混合等。
金属薄片最好包括诸如铝、铜、锌、锡、金、钯、铅和合金之类的金属以及它们的组合物。最优选的，这些薄片包括银。这些薄片最好具有从大约0.1μm到大约2μm的厚度，更优选的具有从大约0.1μm到大约1μm的厚度，最优选的具有从大约0.1μm到大约0.3μm的厚度。这些薄片最好具有从大约3μm到大约100μm的直径，更优选的具有从大约20μm到大约100μm的直径，最优选的具有从大约50μm到大约100μm的直径。在最优选的实施例中，每个薄片具有比薄片的中心薄的边缘。
溶剂最好用来降低金属薄片的熔点。该溶剂最好包括具有大约200℃或者更低的沸点的挥发性的有机溶剂。合适的挥发性的有机溶剂非唯一地包括酒精，诸如乙醇、丙醇和丁醇。优选的挥发性的有机溶剂包括丁醇。
加热导电膏，使得蒸发掉溶剂且只在薄片边缘烧结薄片。这样，这些薄片熔合到邻近的薄片的边缘，使得至少在一些邻近薄片之间限定开孔，从而形成多孔的、柔性的、弹性传热材料，其大致不存在溶剂和胶合剂。最好在低于金属薄片的熔点的温度下实施导电膏的加热。在一个优选的实施例中，在从大约100℃到大约200℃的温度范围，更加优选地从大约150℃到大约200℃的温度范围，最优选地从大约175℃到大约200℃的温度范围来实施加热。
在一个优选的实施例中，以传热材料层的形式生产传热材料。这最好这样实现，即，将一层导电膏施加到大致平的基片表面上，且如上所述加热导电膏层，以形成传热材料层。然后，可以选择性地从基片去除该传热材料层。合适的基片的例子非唯一地包括热传播器、硅片和散热器。优选的基片包括硅片。可以使用诸如从注射器分配之类的任何已知的传统技术来施加该膏。优选的，该传热材料层具有从大约10μm到大约50μm的厚度，更优选的，该传热材料层具有从大约10μm到大约35μm的厚度，最优选的，该传热材料层具有从大约20μm到大约30μm的厚度。该传热材料层最好包括小于大约10GPa的存储模量，更优选的，包括从大约1GPa到大约5GPa的存储模量，最优选的，包括从大约1GPa到大约3GPa的存储模量。该材料层最好还包括从大约1×10-6ohm/cm到大约1×10-4ohm/cm的电阻，更优选的，包括从大约1×10-6ohm/cm到大约5×10-5ohm/cm的电阻，最优选的，包括从大约1×10-6ohm/cm到大约2×10-5ohm/cm的电阻。
本发明的传热材料可以用于多种目的，诸如金属表面和硅片之间的热界面，或者放热物体和吸热物体之间的热界面等。在一个优选的实施例中，传热材料层的第一表面接附到放热物体。合适的放热物体的例子非唯一地包括微芯片、多芯片模块、激光二极管等。优选的放热物体包括微芯片。然后，传热材料层的第二表面可以选择性地接附到吸热物体。合适的吸热物体的例子非唯一地包括热传播器、散热器、蒸汽腔、热管等。优选的吸热物体包括热传播器。这样的放热或者吸热物体可以使用本领域中已知的任何合适的传统方法来接附到传热材料层上。在最优选的实施例中，该传热材料层通过首先形成包括一层在放热物体和吸热物体之间接附的导电膏的合成物来形成。然后，加热整个合成物来在放热物体和吸热物体之间形成传热材料。本发明的传热材料在微电子装置的生产中特别有用。
下述的非限定性的例子用来说明本发明。应该理解，本发明的比例的变化和部件中的元件的替代对于本领域中的普通技术人员是明显的，且在本发明的范围内。
                        例子1
用有机溶剂混合银薄片，以形成均匀的膏。至少混合出四种膏。膏的有机溶剂相对于金属薄片的比例在下面的表格1中显示。
   表格1：溶剂相对于薄片的比例
  批号   有机物相对于薄片的比例
  1   4ml溶剂对50gm薄片
  2   4ml溶剂对50gm薄片
  3   4ml溶剂对51gm薄片
  4   6ml溶剂对45gm薄片
然后，将这些膏填充到注射器中，使用1℃的圆锥平板式的Haake粘度计来测试膏的粘度。这些测量在22s-1和40s-1下实施。不同材料制备的粘度在表格2中显示。
    表格2：在22s-1和40s-1下的粘度
 批号#   在22s-1下的粘度(cps)   在40s-1下的粘度(cps)
 1   4093   2685
 2   3920   2476
 3   7978   5328
 4   2256   1472
如在表格中所示，在大约4000cps处批号#1和批号#2具有类似的粘度。这是期望的，因为它们都具有相同的成分混合比例。然而，批号#3和批号#4有较大不同的粘度，这与它们各自的成分混合比例相关。
然后，使用四种不同的固化曲线来固化这些材料，如下在表格3中所述。使用下述过程来实施固化：
1.如下每个曲线制备最少三个载玻片：
a.用异丙醇来清洁1”×3”的载玻片，且用空气干燥。
b.载玻片可靠地放置在载玻片固定器中。
c.使用刻于托架上的线作为引导，平行于载玻片的长度方向且分开100密耳放置带条。应用的条的长度至少为2.5”长。
d.在带下没有皱纹或者气泡。
2.银膏放置在载玻片的一端。使用相对于载玻片表面维持大约30度角的刀片，朝着该载玻片的相对端吸引该银膏材料，且该材料在带条之间挤压。
3.小心地去除该带。
4.在烤炉中固化该材料。
                表格3：膏固化曲线的表述
  固化曲线1   固化曲线2   固化曲线3   固化曲线4
  在2个小时中从40℃匀变到280℃   在2个小时中从40℃匀变到200℃   在2个小时中从40℃匀变到150℃   在2个小时中从40℃匀变到180℃
  在280℃保持1小时   在200℃保持1小时   在150℃保持1小时   在180℃保持1小时
  在1个小时中从280℃匀变到40℃   在1个小时中从200℃匀变到40℃   在1个小时中从150℃匀变到40℃   在1个小时中从180℃匀变到40℃
然后，测试固化材料的体积电阻率。由于批号#1和2具有相同的成分混合比例，所以没有测试批号#2。使用以下过程来测试体积电阻率：
1.沿着带条在三个不同的位置测量固化材料的横剖面积(μm2)。
2.使用型号为34401A的Hewlett-Packard四点探针来测量电阻。
3.记录电阻测量，使用下面的公式来确定电阻率：
P＝R(A/2.54)cm
其中：
P＝电阻率，ohm.cm
R＝测量的电阻，ohm
A＝横剖面积，cm2
2.54＝内部电极对之间的距离，cm。
结果在如下的表格4中显示。从这些结果可以观察出，在曲线3中材料没有烧结。这是由于150℃的峰值温度对于银的烧结太低的事实。
            表格4：材料的体积电阻率结果(Ohm.cm)
 批号#   固化曲线1   固化曲线2   固化曲线3   固化曲线4
  1   0.000010   0.0000066   *   没有做
  3   没有做   0.000016+   没有做   0.000015+
  4   没有做   0.000012+   没有做   没有做
*不能测量使用曲线3固化的试样，因为当探针放置在条上时，该条破裂。当从载玻片上去除条时，可以观察到银薄片没有熔合到一起，且在载玻片上有残余物。对于曲线1和2，当从载玻片去除条时，该条保持完整，且看不见残余物。
+所表示的值导致试样在没有清洁干燥空气(CDA)的情况下固化。
使用管芯剪应力来测试烧结的金属薄片到三个金属表面的粘附强度，以确定银膏的粘结强度。通过将银膏涂覆到镀镍的表面、局部镀银的表面和裸铜表面上来形成测试表面。该金属表面接附到铅框架上，且在烤炉中固化。
根据以下过程测试固化的试样：
1.基片设置在管芯剪应力测试器上的适当的保持夹具中。
2.管芯剪应力工具顶端与要测试的元件的最宽侧对准。该管芯剪应力工具垂直于基片放置，且尽可能地靠近基片，而不皱缩基片表面。
3.在测试器面板上按压“测试”按钮，以启动剪应力测试周期。
4.在剪应力测试周期完成以后，记录在面板上显示的力的等级。
5.重复步骤1到4，直到所有元件在该基片上剪切。
6.计算基片上的元件的平均剪应力强度。
从结果可以观察出，固化曲线1对于工业来说太高，而曲线3没有充分烧结材料。由于150℃的峰值温度对于银的烧结太低的事实，所以曲线3没有烧结。这样，只对曲线2和4进行了粘附测量。该实验所用的膏批来自批号#3。结果在下面的表格5中显示。
                表格5：批号3的管芯剪应力粘附结果
           曲线2           曲线4
  散热块  铅框架  铅框架   散热块   铅框架  铅框架
  镀镍  局部镀银的铜  裸铜   镀镍   局部镀银的铜  裸铜
  12345678910   没有粘附  5.25.84.04.93.65.44.86.04.56.1  2.42.51.31.31.51.81.61.81.92.0   没有粘附   1.71.10.91.01.31.01.92.51.52.3  0.50.30.10.10.10.20.51.00.70.6
  失效模式  管芯/膏  管芯/膏   膏/基片  膏/基片
  平均  5.0  1.8   1.5  0.4
用100×100密耳的管芯测试粘附强度
如表格5所示，材料不在镀镍的表面上烧结，而在裸铜表面上的粘附相当低。铜在升高的温度下氧化，因此引起在表面上烧结的障碍。然而，局部镀银的表面在峰值温度为200℃处有较好的粘附。粘附在180℃处较大地降低。注意，曲线2的失效模式如何在管芯/膏界面上出现，同时注意曲线4的失效模式如何在膏/基片界面出现。这显示了曲线4的较低固化曲线具有较少的烧结，因此在材料中失效。然而，对于曲线2的在200℃的固化具有更高程度的烧结。失效界面转移到了到裸铜的粘附较低的管芯/膏界面。
然后使用曲线2来测试批号#4的粘附。结果在下面的表格6显示。
    表格6：批号#4的管芯剪应力粘附结果
               曲线2
 散热块   铅框架  铅框架
 镀镍   局部镀银的铜  裸铜
  12345678910  0.60.40.60.70.40.40.6---------   2.42.61.32.11.51.71.11.91.81.3  1.41.81.81.81.31.91.61.12.41.4
  失效模式  管芯/膏   管芯/膏  管芯/膏
  平均  0.5   1.8  1.7
用100×100密耳的管芯测试粘附强度
如表格6所示，局部镀银的表面的粘附最强，接下来是裸铜表面。在该实验中，镀镍的表面显示了最小量的粘附。然而，与批号#3相比，该批特别的材料显示了到局部镀银的表面相当小的粘附。这可能是由于在批号#4中有机溶剂的水平更高。
分析和结论
混合三种该材料，发现粘度依赖于它们的有机质含量的混合比例。所有的膏都可以烧结。使用四种不同的曲线来烧结。发现银薄片可以在180℃或者更高下烧结。发现烧结的材料的体积电阻率比填充银的环氧粘合剂要低，但是比得上银玻璃和焊锡的传导率。这些膏的粘附主要依赖于温度。其也依赖于它们粘附的表面。具体地，用金属处理的管芯表面(例如，用银处理)可以是更好的表面。除了该管芯表面，该材料不能很好地烧结到镀镍的表面，但是到局部镀银的表面有较好的粘附。
虽然已经具体显示了且参考优选的实施例描述了本发明，但是本领域中的普通技术人员很容易理解，在不偏离本发明的精神和范围下可以进行各种改变和改进。意在认为权利要求书覆盖了公开的实施例、上面已经讨论的那些替代物以及所有等效物。

Claims (14)

1.一种导电膏，利用金属薄片和至少一种溶剂的混合物制成。
2.如权利要求1所述的导电膏，其中所述金属薄片包括铝、铜、锌、锡、金、钯、铅、银和合金以及它们的组合物。
3.如权利要求1所述导电膏，其中所述金属薄片包括银。
4.如权利要求1所述的导电膏，其中所述薄片具有从大约0.1μm到大约2μm的厚度。
5.如权利要求4所述的导电膏，其中所述薄片具有从大约0.1μm到大约1μm的厚度。
6.如权利要求5所述的导电膏，其中所述薄片具有从大约0.1μm到大约0.3μm的厚度。
7.如权利要求1所述的导电膏，其中所述薄片具有从大约3μm到大约100μm的直径。
8.如权利要求7所述的导电膏，其中所述薄片具有从大约20μm到大约100μm的直径。
9.如权利要求8所述的导电膏，其中所述薄片具有从大约50μm到大约100μm的直径。
10.如权利要求1所述的导电膏，其中所述至少一种溶剂包括挥发性有机溶剂。
11.如权利要求10所述的导电膏，其中所述挥发性有机溶剂包括具有大约200℃或者更低的沸点的有机溶剂。
12.如权利要求10或11所述的导电膏，其中所述至少一种溶剂包括醇类。
13.如权利要求12所述的导电膏，其中所述醇类包括乙醇、丙醇和丁醇。
14.一种传热材料，利用权利要求1的导电膏制成。
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