CN101159251B - 微电子冷却组件及其制造方法以及微电子冷却系统 - Google Patents

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Abstract

描述了一种微电子冷却组件和用于制造该组件的方法。在一个例子中，微电子冷却组件包括微电子器件、散热器、以及将微电子器件和散热器热结合的热界面材料(TIM)，所述TIM包括烧结金属纳米膏。

Description

微电子冷却组件及其制造方法以及微电子冷却系统
技术领域
本发明的实施例一般涉及集成电路封装领域，更具体地，涉及使用热界面材料的微电子冷却系统和相关方法。 
背景技术
在微电子冷却系统中，通常使用铟作为焊料热界面材料，用于将诸如集成电路(IC)的微电子器件热附着到散热器件。由于近来对铟的需求猛增，所以近年来天然铟的价格猛涨(例如，2006年四月，铟价格～$1,000/kg)，大大提高了在IC封装中所使用的铟的成本。 
虽然铟的低熔点(156℃)和热导率(K＝82W/m.K)使得其适用于IC封装中的焊料附着，但是例如当对铟焊接点进行温度循环时，铟的低熔点也带来了可靠性方面的挑战。此外，铟通常与附着表面附近的其它金属形成金属间化合物，导致微裂纹。在流体静应力驱动导致空隙(voiding)期间，金属间化合物可以作为空隙聚集处(voidnucleation site)，削弱了焊接点的结构完整性。IC封装工业需要将更有成本效益的热界面材料和/或无金属间化合物的接合处结合起来同时提供高的热导率的方案，以便减少这种微裂纹和温度循环可靠性问题。 
附图说明
在附图中，本发明的实施例是以举例的方式来进行说明的，而不是以限制的方式来进行说明的，其中相似的参考标记表示相似的元件且其中： 
图1是仅根据一个实施例的微电子冷却组件的截面图； 
图2是仅根据一个实施例的用于制造微电子冷却组件的示例性方法的说明性流程图； 
图3是示出仅根据一个实施例的用于制造在微电子冷却组件中使用的纳米膏的多种方法中的一种的示图； 
图4是示出其中可以使用本发明的实施例的示例性系统的示图。 
具体实施方式
这里将描述使用烧结金属热界面材料的微电子冷却组件、相关方法和系统的实施例。在以下说明中，阐明许多具体细节，以便对本发明的实施例有全面的理解。然而，本领域技术人员将认识到，无需一个或多个具体细节，或者利用其它方法、成分、材料等也可以实施本发明。在其它例子中，没有示出或详细说明公知结构、材料、或操作，以避免使说明书晦涩难懂。 
本说明书通篇所提到的“一个实施例”或“实施例”表示结合实施例所描述的特定的特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，本说明书通篇中不同地方出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”不一定都指同一实施例。此外，特定的特征、结构或特性可以以任何方式结合在一个或多个实施例中。 
图1是仅根据一个实施例的微电子冷却组件100的截面图。根据一个实施例，微电子冷却组件100包括微电子器件102、器件表面涂层104、热界面材料(TIM)106、散热器表面涂层108、散热器110、基板112、互连1141...n(其中n表示不同数量的重复结构)、底填料116、密封剂118、以及管脚1201...n，每一部分如图所示进行耦合。 
在一个实施例中，微电子冷却组件100包括微电子器件102、TIM 106、以及散热器110，每一部分如图所示进行热耦合。在一个实施例中，散热器110是集成散热器(IHS)，而微电子器件102是IC管芯。根据实施例，TIM106包括在微电子器件和散热器之间形成烧结金属接合处的烧结金属纳米膏。在这种情况下，烧结包括通过加热而不是熔化由金属颗粒形成结合体(bonded mass)。在该例子中，烧结金属纳米膏通过形成将微 电子器件102和散热器110热结合的结合金属体，而将微电子器件102与散热器110热耦合。 
最近，出现了纳米膏低温烧结工艺，该工艺用于在显著低于块金属(bulk metal)对应物的熔点的温度下制造块金属结构。低温烧结是诸如IC封装等工业的关键，其中较高的温度会增加对诸如温度敏感器件102的电气和结构部件的可靠性的担忧，所述电气和结构部件可能受到与烧结有关的加热。 
在实施例中，用于形成TIM 106的纳米膏包括纳米尺寸的金属颗粒、分散剂、反应控制剂和溶剂。各种分散剂、反应控制剂和溶剂可以在纳米膏形成的实施例中使用，而在以下说明中仅提供了某些代表性材料。纳米膏的形成不必限于这些例子。 
将纳米尺寸的金属颗粒与分散剂结合，以便使颗粒保持很好的分布并减少聚集。分散剂通常通过减小纳米颗粒的表面张力能来提高分布稳定性。在一个实施例中，分散剂包括但不限于链烷醇酰胺、链烷醇胺、烷基芳基磺酸盐、脂肪酸的羧酸盐、脂肪酸的乙氧基化物、脂肪酸的磺酸盐、脂肪酸的硫酸盐、以及其组合和混合物。在另一实施例中，分散剂包括选自由链烷醇酰胺、链烷醇胺、烷基芳基磺酸盐、脂肪酸的羧酸盐、脂肪酸的乙氧基化物、脂肪酸的磺酸盐、脂肪酸的硫酸盐、以及其组合和混合物组成的组的材料。 
在较低的温度(例如室温)下，反应控制剂通常是稳定的且不与其它纳米膏成分反应；但是在高温下，反应控制剂被活化，以至于与分散剂反应并将其从纳米尺寸颗粒中除去。该反应的结果是，纳米尺寸颗粒通过相互扩散而彼此聚集以减小其表面张力能并形成块金属结构。在一个实施例中，适用于TIM 106应用中的纳米膏的反应控制剂包括伯胺、仲胺、和叔胺。在另一实施例中，反应控制剂包括选自由伯胺、仲胺、和叔胺组成的组的材料。 
例如，根据所选择的分布方法，例如丝网印刷或喷墨印刷，溶剂主要用来控制纳米膏的粘度。在一个实施例中，用于形成TIM 106的纳米膏的溶剂包括碳氢化合物，例如己烷、辛烷、甲苯、十四烷(tradecane)，等等。在另一实施例中，溶剂包括极性溶剂(乙醇、 乙醚，等等)、丙烯酰基单体、环氧树脂单体和水。在另一实施例中，溶剂包括选自由碳氢化合物、极性溶剂、丙烯酰基单体、环氧树脂单体和水组成的组的材料。 
根据一个实施例，适合用于形成TIM 106的纳米膏包括纳米尺寸的金属颗粒。例如，纳米尺寸意味着与较大的度量例如微米相比更适合以纳米(nm)来描述以这种方式所述的颗粒的尺寸，例如宽、长或直径。在这点上，根据一个示例性实施例，适于形成TIM 106的纳米膏包括尺寸在大约5nm和50nm之间的范围内的纳米尺寸的金属颗粒。 
适用于TIM 106的纳米膏的材料包括多种金属。虽然任何金属都可以被烧结，但通常选择在用于TIM 106应用的纳米膏中使用的材料以得到期望的导热率、成本、熔点(烧结在熔点之下发生)、以及在烧结工艺过程中与氧气和其它元素的反应性。TIM 106材料的较高的导热率改善了从微电子器件102通过TIM 106到热结合的散热器110的热传递。TIM 106材料的较高熔点提高了所烧结的TIM 106材料的温度循环可靠性。通过原材料的成本节约，较低的成本提高了可制造性。与氧气和其它元素的较低的反应性降低了在烧结过程中对还原或惰性气体环境的需求。 
在一个实施例中，适用于纳米膏的材料包括Ag、Cu、Au、Al、Mg、W和Ni，但不必限于这些材料。在另一实施例中，用于TIM 106的纳米膏包括选自由Ag、Cu、Au、Al、Mg、W和Ni组成的组的材料的纳米尺寸的金属颗粒。在另一实施例中，基于对上述因素的综合衡量，选择Ag或Cu的纳米尺寸的金属颗粒用于纳米膏，所述纳米膏用来形成TIM 106。在其它实施例中，根据期望的特性，例如较高的导热率、较低的成本、较高的熔点、以及较低的反应性，选择其它的金属材料以便用于纳米膏。虽然金属材料的组合可以被烧结在一起以形成TIM 106，但是应该选择材料以限制金属间化合物的产生，其可以作为空隙聚集处，导致微裂纹。 
基于若干因素选择烧结用于TIM 106的纳米膏的工艺条件。在实施例中，颗粒的大小是确定烧结温度的因素。较之特定材料的较大颗 粒，较小的颗粒可以在较低的温度下烧结。例如，给定材料的微米尺寸的颗粒的常规烧结可以在范围在约500-600℃之间的温度下进行，而相同材料的纳米尺寸的颗粒的烧结可以在小于约250℃的温度下进行。 
在一个实施例中，烧结用于TIM 106的纳米膏在小于约250℃的温度下进行。在另一个实施例中，用于TIM 106的纳米膏包括尺寸在约5-50nm之间的范围内的纳米尺寸颗粒。可以根据不同的应用调整颗粒尺寸，以便控制金属含量、烧结动力学、以及烧结质量。在实例中，使用较小的纳米尺寸颗粒来获得较好的烧结微结构。 
在由烧结的纳米膏生成TIM 106时所面临的一个挑战与所得到的块金属结构的多孔性有关。多孔性降低了热传递效率。通过调节影响多孔性的因素可以降低多孔性，所述因素包括纳米膏含量、密度、纳米颗粒的尺寸分布和工艺条件。 
烧结的施压环境条件可以实现将烧结环境气体较快地扩散到所应用的纳米膏中，导致烧结时间的缩短。在一个实施例中，在约1atm和50atm之间的压力下进行烧结。根据一个实施例，一个示例性烧结工艺包括范围在约150-250℃之间的温度、范围在约1atm和50atm之间的压力、持续约5分钟到2小时之间的时间段。 
在烧结工艺过程中，通常除去纳米膏配制品中的有机材料。在一个示例性实施例中，至少涉及氧气的空气引起的工艺(air-inducedprocess)通过蒸发将有机物从纳米膏中除去。将空气施加到纳米膏允许O2扩散到纳米膏中并与将被蒸发的有机物反应，在烧结过程中有助于块金属结构的出现，其中所述纳米膏包括诸如Ag或Au的低反应性金属材料。在一个例子中，用于尺寸约为5nm的Ag颗粒的空气引起的烧结工艺在约200℃下进行约1小时。 
根据一个实施例，已经研发出用于在烧结过程中减少诸如Cu的高反应性金属颗粒上的氧化物形成的还原环境条件。例如Cu-O的氧化物层，包围金属颗粒并阻碍块金属结构的生长。在一个实施例中，氩-氢气体混合物(例如，1-5％H2)提供用于烧结的还原环境条件。在另一实施例中，氮-甲酸蒸汽混合物提供用于烧结的还原环境条 件。在另一实施例中，在还原环境条件中使用氢等离子体、氢原子团、氮-蚁酸蒸汽混合物、氮-乙酸蒸汽混合物、以及氮-丙烯酸蒸汽混合物气体。较高的压力可以实现将烧结环境气体较快地扩散到纳米膏中，导致烧结时间的缩短。 
在另一实施例中，惰性气体环境用于烧结纳米膏，以便形成TIM106。根据一个示例性实施例，氩气、氮气或其组合用作惰性气体环境，以减少氧化物的形成。 
在一个实施例中，微电子器件102和散热器110分别各自包括表面涂层104和108，以加强与TIM 106的热耦合。在一个实施例中，表面涂层材料104和108包括与在用于形成TIM 106的纳米膏中使用的金属材料相同的金属材料。在另一实施例中，表面涂层104和108包括与金属TIM材料106具有相同元素的金属材料。在一个实施例中，TIM 106基本上没有金属间化合物。将与TIM 106相同的金属材料用于表面涂层，减少了当热结合不同金属材料时可能形成的金属间化合物。金属间化合物可以作为空隙聚集处，导致最终接合处的微裂纹失效。例如，在焊接过程中遇到包括Ni的表面涂层附近的Au的铟基TIM，可以形成不希望有的金属间化合物，例如Ni2In3、(NiAu)2In3、以及AuIn2。 
在一个实施例中，表面涂层104和108与TIM106热耦合。在另一实施例中，表面涂层104和108选自包括Ag、Cu、Au、Al、Mg、W和Ni的材料。在另一实施例中，表面涂层104和108包括选自由Ag、Cu、Au、Al、Mg、W和Ni组成的组的材料。在另一实施例中，表面涂层104和108是与TIM 106相同的金属材料。 
虽然所说明的微电子冷却组件100的例子将表面涂层108描述为局部表面涂层，其并未跨越散热器110的整个长度，但是在这点上表面涂层108并未受到限制。在其它实施例中，将表面涂层108施加到散热器110的足以提供与TIM 106的热耦合的各种长度上。预见并公开了对表面涂层104和器件102的类似修改。 
在其它实施例中，微电子器件102和/或散热器110包括与在TIM106中所使用的金属材料相同的材料。在这种实施例中，可以根本不 使用表面涂层104和/或108。例如，TIM 106和散热器110可以包括诸如Cu的共用材料。在这种实施例中，可以将表面涂层108从组件100中完全排除。在其它实施例中，不考虑TIM 106、器件102或散热器110的材料种类，而将表面涂层104和108从组件100中完全排除。例如，来自给定材料组合或金属间化合物的微裂纹的程度，可能根本不足以保证表面涂层104、108。用于施加表面涂层104和108的技术包括颗粒气相沉积(particle vapor deposition(PVD))、化学气相沉积(CVD)、或者任何其它的适用于沉积薄膜或金属化的公知方法。 
对于组件100的其它实施例，根据实施例微电子器件102为集成电路(IC)管芯。例如，IC管芯可以由诸如硅的半导体材料制成。在另一实施例中，微电子器件102为微处理器。根据实施例，另一器件电耦合到微电子器件102。在一个实施例中，其它器件是IC管芯。在另一实施例中，其它器件是存储器件。 
器件102可以电耦合到其它元件、器件或系统。在实施例中，互连凸起1141...n为器件102提供电通路，以便与其它元件、器件或者诸如基板112的系统耦合。互连凸起1141...n可以与倒装芯片封装设置相关。基板112可以具有作为管脚网格阵列(PGA)封装设计的一部分的管脚1201...n，以提供用于器件102与其它元件、器件或系统电耦合的电通路。在另一实施例中，基板112包括作为球栅阵列(BGA)封装设计的一部分的焊球阵列以取代管脚1201...n，用于与其它元件电耦合。 
图2是仅根据一个实施例的用于制造微电子冷却组件的示例性方法100的说明性流程图。根据一个实施例，在步骤1中，通过提供微电子器件212和散热器202制造微电子冷却组件。在实施例中，如图所示，在微电子器件212和散热器202之间沉积纳米膏206(包括纳米尺寸的金属颗粒2081...n)。根据一个实施例，纳米膏206包括分散剂、反应控制剂、溶剂和纳米尺寸的金属颗粒2081...n。纳米尺寸的金属颗粒2081...n与分散剂结合，以便使颗粒2081...n保持好的分布并减少聚集。分散剂通常通过减小纳 米颗粒2081...n的表面张力能来提高分布稳定性。 
例如，根据所选择的分布方法，例如丝网印刷或喷墨印刷，溶剂主要用来控制纳米膏206、2081...n的粘度。可以利用各种方法实现沉积金属纳米膏206、2081...n。在一个实施例中，利用丝网印刷方法实现纳米膏206、2081...n的沉积。在另一实施例中，利用喷墨印刷方法实现纳米膏206、2081...n的沉积。其它实施例包括利用任何公知的沉积方法的纳米膏206、2081...n的沉积。 
在方法200的另一实施例中，提供微电子器件212包括将表面涂层210施加到微电子器件212。在实施例中，表面涂层210包括与纳米尺寸的金属颗粒2081...n或所得到的金属TIM 2161...n具有相同元素的金属材料。在另一实施例中，提供散热器202包括将表面涂层204施加到散热器202。根据实施例，表面涂层204包括与纳米尺寸的金属颗粒2081...n和所得到的金属TIM 2161...n具有相同元素的金属材料。可以利用各种技术来施加表面涂层，所述技术包括PVD、CVD和其它公知的适当的薄膜沉积技术。 
在步骤2中，对微电子冷却组件应用烧结工艺，以便烧结金属纳米膏206、2141...n。对金属纳米膏206、2141...n的烧结通过在微电子器件212和散热器202之间形成烧结的金属接合处2141...n，而将微电子器件212和散热器202热耦合。反应控制剂通常在诸如室温的较低温度下是稳定的且与其它纳米膏206、2141...n成分不反应；但是在高温下，例如在烧结过程中，它们被活化，从而与分散剂反应并将其从纳米尺寸颗粒2141...n中除去。因此，烧结使得纳米尺寸的金属颗粒2141...n通过相互扩散而彼此聚集以减小其表面张力能并形成块金属结构2141...n。 
在烧结工艺过程中，通常将纳米膏206配制品中的有机材料除去。在一个示例性实施例中，至少涉及氧气的空气引起的工艺通过蒸发除去纳米膏206的有机物。在烧结过程中，将空气施加到纳米膏206允许O2扩散到纳米膏206中并与将被蒸发的有机物反应，有助于块金属结构2141..n的出现。 
在步骤3中，所得到的块金属结构2161...n形成TIM 2161...n， 其将微电子器件212与散热器202热结合。在一个示例性实施例中，TIM 2161...n以及表面涂层204和210是散热器202和微电子器件212之间的基本上为全铜热结合的一部分。在另一示例性实施例中，TIM 2161...n以及表面涂层204和210是散热器202和微电子器件212之间的基本上为全银热结合的一部分。根据实施例，TIM 2161...n以及表面涂层204和210基本上没有金属间化合物。 
在方法200的其它实施例中，微电子器件212、表面涂层210和204、包括纳米尺寸的金属颗粒2081...n的纳米膏206、烧结工艺过程中的所结合的纳米颗粒2141...n的聚集和块生长、以及所得到的金属TIM 2161...n，与已对于微电子冷却组件100所描述的各个实施例相一致。 
图3是示出仅根据一个实施例的用于制造在微电子冷却组件中使用的纳米膏的多种方法中的一种的示图。可以通过化学合成或物理合成工艺制备纳米膏配制品。图3示出物理合成工艺300。本说明书中的根据实施例的纳米膏配制品不限于任一工艺且可以通过化学或物理合成制备。 
根据物理合成实施例，在包括坩锅304的外部加热的管流冷凝器(tube flow condenser)316中产生目标金属蒸汽。这里，例如通过炉306加热管流冷凝器316。将惰性载气302预加热到坩锅304的温度并流入反应管。当金属蒸汽通过真空装置3 12抽吸而流出最终的炉部分310时，通过引起冷却的惰性冷却气体308使其骤冷，并且在包括分散剂的袋滤器314上收集金属粉末。通过向分散的纳米尺寸的金属颗粒添加反应控制剂和溶剂而制造金属纳米膏。在一个实施例中，由类似的物理工艺制造用于TIM应用的纳米膏。 
根据化学合成实施例，对诸如有机金属化合物的金属络合物的典型热分解可以用来制造适于TIM应用的纳米膏。通过溶剂中的适当的金属盐和相应的烷基胺或脂肪酸的化学计量反应来制备适当的金属络合物。多数金属络合物具有对称的烷基链。通 过加热，金属络合物分解为聚合的金属和烷基链，所述烷基链形成通过聚集来限制金属颗粒的过度生长的特定分散剂层，使所得到的金属颗粒保持良好的分散。通过向所分散的纳米尺寸的金属颗粒添加反应控制剂和溶剂来制造金属纳米膏。在一个实施例中，用于TIM应用的纳米膏由类似的化学工艺制造。 
图4是许多可能的系统中的一个系统400的示图，其中可以使用本发明的实施例。在一个实施例中，电子组件402包括如在这里所述的微电子冷却组件100和其各个实施例。组件402还可以包括另一个微电子器件，例如另一个微处理器。在另一实施例中，电子组件402可以包括专用IC(ASIC)。设置在芯片组(例如，图形、声音和控制芯片组)中的集成电路也可以根据本发明的实施例进行封装。 
对于图4所示的实施例，系统400也可以包括通过总线406彼此耦合的主存储器408、图形处理器410、大容量存储器件412和/或输入/输出模块414，如图所示。存储器408的例子包括但不限于静态随机存取存储器(SRAM)和动态随机存取存储器(DRAM)。大容量存储器件412的例子包括但不限于硬盘驱动器、光盘驱动器(CD)、数字多用光盘驱动器(DVD)，等等。输入/输出模块414的例子包括但不限于键盘、光标控制装置、显示器、网络接口，等等。总线406的例子包括但不限于外围控制接口(PCI)总线以及工业标准结构(ISA)总线，等等。在各个实施例中，系统400可以为无线移动电话、个人数字助理、袖珍PC、平板PC、笔记本PC、台式电脑、机顶盒、媒体中心PC、DVD播放器、或服务器。 
可以以对理解本发明最有帮助的方式，依次说明作为多个分立操作的各种操作。然而，说明的顺序不应被认为意味着这些操作必须依赖于顺序。特别地，这些操作不必以所述顺序执行。可以以不同于所述实施例的顺序来执行所述操作。可以执行各种附加操作和/或在附加实施例中可以省略所述操作。  
以上对本发明的所述实施例的说明(包括摘要中所描述的内 容)，并不旨在是毫无遗漏的或将本发明限于所公开的确切形式。虽然这里为了说明性的目的描述了本发明的具体实施例和例子，但如本领域技术人员将认识到的那样，在发明的范围内各种等同修改也是可能的。 
可以根据以上的详细描述对本发明进行这些修改。在所附权利要求中的术语不应被解释为将本发明限于在说明书和权利要求中所公开的具体实施例。相反，本发明的范围将完全由所附权利要求书所确定，其将根据所确立的权利要求解释的法律原则来进行解释。 

Claims (24)

1.一种微电子冷却组件，包括：
微电子器件；
散热器；以及
热界面材料(TIM)，其与所述微电子器件热耦合且与所述散热器热耦合，所述热界面材料包括在所述微电子器件和所述散热器之间形成烧结金属接合处的烧结金属纳米膏，其中纳米膏包括结合有分散剂、反应控制剂和溶剂的纳米尺寸的金属颗粒。
2.根据权利要求1所述的组件，其中所述纳米膏包括选自由Ag、Cu、Au、Al、Mg、W和Ni组成的组的材料的纳米尺寸的金属颗粒。
3.根据权利要求1所述的组件，其中通过在小于250℃的温度下烧结所述纳米膏形成所述烧结金属接合处，所述纳米膏包括尺寸在5nm和50nm之间范围内的纳米尺寸的金属颗粒。
4.根据权利要求1所述的组件，其中所述分散剂包括选自由链烷醇酰胺、链烷醇胺、烷基芳基磺酸盐、脂肪酸的羧酸盐、脂肪酸的乙氧基化物、脂肪酸的磺酸盐、脂肪酸的硫酸盐、以及其混合物组成的组的材料。
5.根据权利要求1所述的组件，其中所述反应控制剂包括选自由伯胺、仲胺和叔胺组成的组的材料。
6.根据权利要求1所述的组件，其中所述溶剂包括选自由碳氢化合物、极性溶剂、丙烯酰基单体、环氧树脂单体和水组成的组的材料。
7.根据权利要求1所述的组件，其中所述热界面材料没有金属间化合物。
8.根据权利要求1所述的组件，其中所述微电子器件和所述散热器各自包括与所述热界面材料热耦合的表面涂层，所述表面涂层包括与所述金属热界面材料具有相同元素的金属材料。
9.一种制造微电子冷却组件的方法，包括：
提供微电子器件和散热器；
在所述微电子器件和所述散热器之间沉积金属纳米膏；以及
烧结所述金属纳米膏，以便通过在所述微电子器件和所述散热器之间形成烧结的金属结合处，来形成将所述微电子器件和所述散热器热耦合的热界面材料，其中所述纳米膏包括结合有分散剂、反应控制剂和溶剂的纳米尺寸的金属颗粒。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述纳米膏包括选自由Ag、Cu、Au、Al、Mg、W和Ni组成的组的材料的纳米尺寸的金属颗粒。
11.根据权利要求9所述的方法，其中在小于250℃的温度下对所述金属纳米膏进行烧结，所述纳米膏包括尺寸在5nm和50nm之间范围内的纳米尺寸的金属颗粒。
12.根据权利要求9所述的方法，其中所述纳米膏包括结合有分散剂、反应控制剂和溶剂的纳米尺寸的金属颗粒。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述分散剂包括选自由链烷醇酰胺、链烷醇胺、烷基芳基磺酸盐、脂肪酸的羧酸盐、脂肪酸的乙氧基化物、脂肪酸的磺酸盐、脂肪酸的硫酸盐、以及其混合物组成的组的材料。
14.根据权利要求12所述的方法，其中所述反应控制剂包括选自由伯胺、仲胺和叔胺组成的组的材料。
15.根据权利要求12所述的方法，其中所述溶剂包括选自由碳氢化合物、极性溶剂、丙烯酰基单体、环氧树脂单体和水组成的组的材料。
16.根据权利要求9所述的方法，其中所述热界面材料没有金属间化合物。
17.根据权利要求9所述的方法，其中提供微电子器件和散热器还包括：
向所述微电子器件施加表面涂层，所述表面涂层包括与所述金属热界面材料具有相同元素的金属材料；
向所述散热器施加表面涂层，所述表面涂层包括与所述金属热界面材料具有相同元素的金属材料。
18.根据权利要求9所述的方法，其中通过丝网印刷来实现将金属纳米膏沉积在所述微电子器件和所述散热器之间。
19.根据权利要求9所述的方法，其中通过喷墨印刷来实现将金属纳米膏沉积在所述微电子器件和所述散热器之间。
20.根据权利要求9所述的方法，其中在惰性气体环境中、在1atm和50atm之间的压力下实现对所述金属纳米膏的烧结。
21.微电子冷却系统，包括
微电子器件；
散热器；
热界面材料(TIM)，其与所述微电子器件热耦合且与所述散热器热耦合，所述热界面材料包括在所述微电子器件和所述散热器之间形成烧结金属接合处的烧结金属纳米膏，其中所述纳米膏包括结合有分散剂、反应控制剂和溶剂的纳米尺寸的金属颗粒；以及
电耦合到所述微电子器件的其它器件。
22.根据权利要求21所述的系统，其中所述微电子器件是集成电路管芯，而所述其它器件是存储器件。
23.根据权利要求21所述的系统，其中通过在小于250℃的温度下烧结所述纳米膏形成所述烧结金属接合处，所述纳米膏包括尺寸在5nm和50nm之间范围内的纳米尺寸的金属颗粒。
24.根据权利要求21所述的系统，其中所述热界面材料没有金属间化合物。
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Families Citing this family (27)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7659143B2 (en) * 2006-09-29 2010-02-09 Intel Corporation Dual-chip integrated heat spreader assembly, packages containing same, and systems containing same
US7682875B2 (en) * 2008-05-28 2010-03-23 Infineon Technologies Ag Method for fabricating a module including a sintered joint
US7754533B2 (en) * 2008-08-28 2010-07-13 Infineon Technologies Ag Method of manufacturing a semiconductor device
US7705447B2 (en) * 2008-09-29 2010-04-27 Intel Corporation Input/output package architectures, and methods of using same
US7862342B2 (en) * 2009-03-18 2011-01-04 Eaton Corporation Electrical interfaces including a nano-particle layer
US8405996B2 (en) * 2009-06-30 2013-03-26 General Electric Company Article including thermal interface element and method of preparation
US8637379B2 (en) * 2009-10-08 2014-01-28 Infineon Technologies Ag Device including a semiconductor chip and a carrier and fabrication method
US8372666B2 (en) * 2010-07-06 2013-02-12 Intel Corporation Misalignment correction for embedded microelectronic die applications
CN103222039A (zh) * 2010-11-16 2013-07-24 三菱电机株式会社 半导体元件、半导体装置以及半导体元件的制造方法
CN103170617B (zh) * 2011-12-23 2016-04-27 比亚迪股份有限公司 一种改性Ag膏及其应用以及功率模块中芯片和基体连接的烧结方法
US9851161B2 (en) 2012-01-03 2017-12-26 Lockheed Martin Corporation Heat exchanger construction using low temperature sinter techniques
DE102013208387A1 (de) 2013-05-07 2014-11-13 Robert Bosch Gmbh Silber-Komposit-Sinterpasten für Niedertemperatur Sinterverbindungen
US9398721B2 (en) 2013-07-25 2016-07-19 Hamilton Sundstrand Corporation Cooling fluid flow passage matrix for electronics cooling
CN104766845B (zh) * 2014-01-07 2017-11-14 恩特日安 传热结构及其制造方法
DE102014114097B4 (de) 2014-09-29 2017-06-01 Danfoss Silicon Power Gmbh Sinterwerkzeug und Verfahren zum Sintern einer elektronischen Baugruppe
DE102014114096A1 (de) 2014-09-29 2016-03-31 Danfoss Silicon Power Gmbh Sinterwerkzeug für den Unterstempel einer Sintervorrichtung
DE102014114093B4 (de) * 2014-09-29 2017-03-23 Danfoss Silicon Power Gmbh Verfahren zum Niedertemperatur-Drucksintern
DE102014114095B4 (de) 2014-09-29 2017-03-23 Danfoss Silicon Power Gmbh Sintervorrichtung
TWI563615B (en) * 2015-05-05 2016-12-21 Siliconware Precision Industries Co Ltd Electronic package structure and the manufacture thereof
CN105355610B (zh) * 2015-08-27 2019-01-18 华为技术有限公司 一种电路装置及制造方法
CN107369660B (zh) * 2016-05-12 2019-11-05 台达电子企业管理（上海）有限公司 功率模块及其制造方法
US10292255B2 (en) 2016-05-18 2019-05-14 Raytheon Company Expanding thermal device and system for effecting heat transfer within electronics assemblies
CN106356341A (zh) * 2016-08-31 2017-01-25 华为技术有限公司 一种半导体装置及制造方法
CN109103154A (zh) * 2017-06-21 2018-12-28 华为技术有限公司 一种芯片封装结构
US11562940B2 (en) * 2019-03-08 2023-01-24 Intel Corporation Integrated heat spreader comprising a silver and sintering silver layered structure
US11710672B2 (en) * 2019-07-08 2023-07-25 Intel Corporation Microelectronic package with underfilled sealant
US11430711B2 (en) * 2019-11-26 2022-08-30 Aegis Technology Inc. Carbon nanotube enhanced silver paste thermal interface material

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1750244A (zh) * 2004-09-14 2006-03-22 卡西欧迈克罗尼克斯株式会社 线路板、其制造方法以及半导体器件
CN1819172A (zh) * 2005-01-20 2006-08-16 日产自动车株式会社 半导体装置及其制造方法

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6069882A (en) * 1997-07-30 2000-05-30 Bellsouth Intellectual Property Corporation System and method for providing data services using idle cell resources
US20060113546A1 (en) * 2002-10-11 2006-06-01 Chien-Min Sung Diamond composite heat spreaders having low thermal mismatch stress and associated methods
US6937473B2 (en) * 2003-06-30 2005-08-30 Intel Corporation Heatsink device and method
US7517732B2 (en) * 2006-04-12 2009-04-14 Intel Corporation Thin semiconductor device package
US20080023665A1 (en) * 2006-07-25 2008-01-31 Weiser Martin W Thermal interconnect and interface materials, methods of production and uses thereof

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1750244A (zh) * 2004-09-14 2006-03-22 卡西欧迈克罗尼克斯株式会社 线路板、其制造方法以及半导体器件
CN1819172A (zh) * 2005-01-20 2006-08-16 日产自动车株式会社 半导体装置及其制造方法

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Publication number Publication date
HK1112323A1 (en) 2008-08-29
US20080073776A1 (en) 2008-03-27
TWI354355B (en) 2011-12-11
CN101159251A (zh) 2008-04-09
TW200832636A (en) 2008-08-01
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