CN101160658A - 具有改善热导率的难熔金属衬底 - Google Patents

Abstract

一种用于半导体和集成电路元件的衬底，包括：包含选自元素周期表VIB族金属和/或各向异性材料的核芯板，具有第一主表面和第二主表面以及多个开口，该开口至少部分地从该第一主表面延伸到该第二主表面；选自元素周期表IB族金属或其他高导热材料，填充由至少部分该开口包围的空间的至少一部分；以及可选地，包含元素周期表IB族金属或其他高导热材料的层，置于至少部分该第一主表面和至少部分该第二主表面上。

Description

具有改善热导率的难熔金属衬底

技术领域

本发明一般涉及用于电子应用中发热装置的直接安装热沉，具体地涉及包含元素周期表VIB族金属的热沉。

背景技术

例如钼的难熔金属长期被用作电子器件中发热装置的直接安装热沉。在某些情形下，其约为140W/M°K的高的热导率提供了足够的热导率，并提供了与例如硅材料的相近的热膨胀匹配(热膨胀系数(TCE)为5.1ppm/℃)。

这些材料经常具有不良的可焊性，通过在其一个或两个表面上涂敷Ni薄层可以改善可焊性。此外，Cu层经常通过包覆、喷镀等作为薄层沉积到表面上，从而改变热膨胀性能以匹配例如含GaAs装置(TCE为6.5ppm/℃)的其他装置。具有薄Cu层(叠层)的这些材料通常在热循环期间具有无法预计的膨胀特性，这是由于在表面层内或者不同层之间材料的不均匀分布。

在一些情形中，例如渗透有铜的钨或钼的粉末金属矩阵的金属矩阵复合物提供了改善的热学特性以满足更接近的TCE匹配或更高热导率的要求。对于可添加更高热导率材料而不形成太高热膨胀的数量来讲，这种类型的粉末矩阵是有限的。

某些复合矩阵材料在结构上不一致且性能并不是按照混合规则所预计的，这是因为高热导率的铜矩阵经常并非足够开放从而以无限制的方式传导热量(即，窄的路径、由于触及难熔金属粒子而阻断的流等等)。因此，部分热量必须通过较低热导率的难熔金属矩阵传输。此外，在矩阵结构中存在限制热流的低水平多孔性。

在许多情形中，Mo-Cu或W-Cu的叠层或矩阵系统通过标准冶金工序例如通过锯割、切削、滚轧、研磨、和/或抛光制成薄结构，这些工序在材料内引入无法完全消除的应力。这种应力导致材料在暴露于升高温度的焊接工艺时在薄板处卷曲。

通常用于电子封装的材料包括Al-石墨、Cu-石墨、CuMoCu叠层、具有MoCu粉末金属核芯的CuMoCu叠层、W-Cu金属矩阵复合物、Mo-Cu金属矩阵复合物、

(从Engineered Materials Solutions，Inc.，Attleboro，MA可获得)、Al-Si金属矩阵复合物、Al-SiC金属矩阵复合物、以及Cu-SiC金属矩阵复合物。

美国专利No.4,996,115公开了一种复合结构以及使用铜和低热膨胀系数的镍-铁合金的组合制作所述复合结构的方法，其中铜包覆镍-铁片并插入穿过中心的镍-铁片，从而提供基本上各向同性的热传输路径。然而，用于锻造该包覆有铜的片的滚轧工艺导致不均匀的细长孔，其会导致不均匀的热传输和散逸。此外，40至60mil(密耳)的大的孔尺寸通常不适于电子应用。

美国专利No.5,011,655公开了一种制造薄金属体复合结构的方法。第一金属的内层清洗以除去氧化物并促进冶金结合。该内层具有刺穿内层厚度的多个穿孔。穿孔填充有第二金属的金属粉末。第二金属的两个外层置于被清洗和填充的内层的相对侧上，从而形成夹层结构。该夹层结构在非氧化气氛中加热到发生重结晶的温度。该夹层结构随后高温加工以减小形成薄金属体复合结构的该夹层结构的厚度。不幸的是，用于锻造该复合结构的高温加工工序会导致不均匀的细长孔，其会导致不均匀的热传输和散逸。此外，尽管该复合结构目标是用于电子应用，但是40至62mil的大的孔尺寸通常对于这些应用而言不是最优的。另外，用于填充这些孔的粉末的多孔性降低了其导热的能力。

美国专利No.5,156,923公开了一种铜和镍铁合金(Invar)层的金属复合物，这些层被冷压轧减小厚度从而以交错的方式冶金结合在一起，结合材料的条多次被冷压轧在一起减小厚度从而冶金结合在一起。得到的金属复合物破坏了镍铁合金层，将镍铁合金材料各个部分分散在铜矩阵内，这限制了该复合物的热膨胀。然而，该复合物沿垂直方向或沿z轴方向的散热能力有限。

使用复合结构的特定限制为，复合结构通常是多孔的，无法用于例如需要防止气体或空气泄漏的应用，例如用于卫星应用，特别是在厚度小于20mil的结构中。

美国专利No.6,555,762公开了一种高密度电子封装，使用导电成分填充过孔或通孔(via)以形成从介电层到相邻电路的垂直或Z连接。该通孔在填充之前可以被/不被镀覆。

在不进行大量处理的情况下，还很难获得期望厚度范围小于20mil的上述矩阵材料，所述这些大量处理会在难熔金属矩阵内积累应力，这种应力无法通过热处理释放，这是因为高热导率渗透剂的熔点低。

获得薄的材料非常重要，这是因为根据热学关系：

R＝Const.L/KA

其中R为热阻，L为热流距离或散热器厚度，K为散热器热导率，A为面积。热阻越低，作为热沉的性能越好，其影响如下：

·越短的热流距离和越薄的散热器提供更好的性能。

·更高的热导率导致更低的热阻。

·可散热的面积越大，热阻越低。

Luedtke，Thermal Management Materials for High- Performance Applications，Advanced Engineering Materials，6，No.3(2004)，pp.142-144讨论了使用涂敷有铜的钼和涂敷有铜的钼-铜矩阵材料作为散热器。然而，这些材料仅提供介于190至250W/M°K之间的有效热导率。

一般而言，现有技术公开了例如Ni-Fe合金的接近难熔金属性能的材料，该合金具有设计成改善z轴热导率的通孔。然而目前，特别是在电子行业，需要的是超越难熔金属性能的材料。例如，具有更多但更小均匀孔的材料，这些孔可以被填充而不对材料产生应力并能够沿所有方向散热，该材料的性能优于当前可获得的难熔金属系统以及其他系统。

因此，本领域需要一种可用于发热电子元件的热沉材料，其足够薄且可以充分地沿所有方向传导、除去和散逸所产生的热量，同时维持尺寸稳定性。

发明内容

本发明涉及一种用于电子封装元件和集成电路元件的衬底，包括：

包含元素周期表VIB族金属或其他高导热材料和/或各向异性材料的核芯板，具有第一主表面和第二主表面以及至少部分从第一主表面延伸到第二主表面的多个开口；

填充由至少部分该开口包围的空间的至少一部分的元素周期表IB族金属或其他高导热材料；以及

可选地，置于该第一主表面至少一部分以及该第二主表面至少一部分上方的包含元素周期表IB族金属的层。

本发明还涉及一种制作用于电子封装元件和集成电路元件的上述衬底的方法，该方法包括：

提供包括元素周期表VIB族金属或各向异性材料的箔或板；

形成至少部分从该箔或板的第一主表面延伸到第二主表面的多个开口；

使用元素周期表IB族金属填充由至少部分该开口包围的空间；以及

可选地，在该第一主表面至少一部分和该第二主表面至少一部分上方的包含元素周期表IB族金属的层。

本发明另外涉及包括上述衬底和一个或多个半导体元件的电子装置。

附图说明

图1示出了根据本发明的具有孔的箔或板的平面视图；

图2示出了图1的箔或板的剖面视图；

图3示出了根据本发明的具有孔的箔或板的一个示例的剖面视图，其中该表面已经被涂敷且孔已填充有金属；

图4示出了根据本发明的夹层衬底的剖面视图；以及

图5示出了根据本发明已经填充了铜并被涂敷的两层多孔钼衬底剖面的30x照片。

发明详述

除了在工作示例中或者另外指出，说明书和权利要求书中使用的表示成分、反应条件等的数量的所有数字或表达式应理解为在所有示例中通过术语“约”修正。

本文使用的短语“混合规则”是指包含两个或多个成分的材料呈现的热响应。在混合规则中，包含不止一种材料的衬底的沿纵向的热性能(即，平行x-y平面的性能)评估为由成分体积分数加权的复合成分响应的总和。

本发明利用蚀刻、冲压、钻孔、激光钻孔、化学研磨或其组合，以产生至少部分延伸穿过难熔金属箔或板的重复精确孔网络。至少部分孔被至少部分填充有包括一种或多种导热材料的涂层。可以形成例如钼和/或钨的非常薄的散热器，其具有高热导率的通孔，但是没有与上述叠层或矩阵复合物相关联的热应力残留的缺点。因此提供了一种新的材料体系，与已知难熔金属基热沉可获得的情况相比具有显著更低的热阻和更高的z轴热导率。

本文使用的“各向异性材料”是指沿x-y平面的热导率值不同于沿垂直于x-y平面的z轴的热导率值的材料。可以用于本发明的各向异性材料的非限制性示例为石墨。

本发明提供了一种可以用作半导体和集成电路元件的散热器的衬底，包括：

核芯板，具有第一主表面和第二主表面以及至少部分从该第一主表面延伸到该第二主表面的多个开口；

金属或其他高导热材料，填充由至少一些该开口围绕的空间的至少一部分；以及

可选地，包含金属或其他高导热材料的层，置于至少部分该第一主表面上和至少部分该第二主表面上。

该核芯板包括元素周期表VIB族金属和/或各向异性材料。在本发明实施例中，VIB族金属选自钼、钨、包含钼和钨的合金、钼合金、钨合金及其组合。

核芯板可具有至少1mil的厚度，在某些情况下至少2mil，在其他情况下至少3mil，在某些情形下至少4mil，在其他情形下至少5mil。

此外，核芯板可具有多达50mil的厚度，在某些情况下多达40mil，在其他情况下多达30mil，在某些情形下多达25mil，在其他情形下多达20mil，在一些示例中多达15mil，在其他示例中多达10mil。当核芯板太厚时，其热阻可能太高，这是因为热必须传输经过更大的距离。核芯板可具有任意上述值代表的厚度，或者可以具有介于任意上述值之间的厚度范围。

在本发明具体实施例中，核芯板的厚度从箔或板第一部分的1至10mil变化到该箔或板的第二部分上的5至50mil。

在本发明实施例中，核芯板包括一种或多种金属，且具有至少50W/M°K，在某些情况下至少75W/M°K，且在其他情况下至少100W/M°K的热导率。此外，核芯板可具有多达200W/M°K，在某些情况下多达170W/M°K，且在其他情况下多达150W/M°K的热导率。该核芯板可具有任意上述值代表的热导率，或者可具有介于任意上述值之间的热导率。

在本发明另一个实施例中，核芯板包括各向异性材料。该各向异性材料的热导率至少为50W/M°K，在某些情况下至少为75W/M°K，且在其他情况下至少为100W/M°K。此外，在x-y平面内核芯板的热导率多达2200W/M°K，在某些情况下多达1750W/M°K，且在其他情况下多达1500W/M°K。核芯板可具有任意上述值代表的热导率，或者可具有介于任意上述值之间的热导率。

根据本发明的核芯板具有至少部分延伸穿过该核芯板的孔洞或“通孔”。该孔洞可以具有任何合适形状。孔洞的合适形状包括但不限于圆形、方形、矩形、六角形、八角形、及其组合。对于在核芯板各个表面上使用不同的孔洞形成技术，以及当单个孔洞汇合或仅仅由于制造工艺中可接受的容差变化时形成穿孔，则可以产生组合形状。

此外，孔洞可具有任何合适的截面形状。孔洞的合适截面形状包括但不限于沙漏形状、锥形、直边形状、及其组合。

图1和2示出了用于本发明的核芯板的具体实施例。核芯板10包括核芯板10的主体12以及至少部分延伸穿过主体12的孔洞14。如图2所示，孔洞14延伸彻底穿过主体12，孔洞16延伸而仅仅部分穿过主体12。

在本发明实施例中，核芯板内的开口可以占据核芯板体积的至少5％，某些情况下为至少10％，其他情况下至少15％，某些情形下至少20％，以及在其他情形下至少25％。此外，核芯板内的开口可以提供核芯板体积的多达90％，某些情况下多达75％，在其他情况下多达60％，在某些情形下多达50％，且在其他情形下多达40％。

孔洞的直径和形状可根据本领域一般接受的制造容差而变化。通常，在本发明中，孔洞较现有技术而言更小且数目更多，这导致沿垂直或z轴方向的改进的热散逸，且这也与电子和计算机相关应用更为兼容。一般而言，本发明的衬底提供的性能超越了使用例如单独钨或钼的难熔金属所发现的性能。

在本发明实施例中，孔洞或开口在最宽点测量的直径至少为2mil，在某些情况下至少3mil，在其他情况下至少5mil。此外，孔洞的直径可以多达25mil，某些情况下多达20mil，在其他情况下多达15mil。孔洞的尺寸依赖于核芯板的面积和厚度以及最终成品中期望的具体热导率性能。孔洞的直径可以是任意上述值或者介于任意上述值之间的范围。

在本发明实施例中，孔洞或开口的直径与核芯板或箔的厚度的比例至少为0.75，在一些情况下至少为0.8，在其他情况下至少为0.9，在某些情形下至少1，其中开口是在最宽点测量。此外，孔洞或开口的直径与核芯板或箔的厚度的比例可多达1.75，在一些情况下多达1.4，在其他情况下多达1.3，在某些情形下多达1.25，在其他情形下多达1.2。孔洞或开口的直径与核芯板或箔的厚度的比例可以是任意上述值或者是介于任意上述值之间的范围。

本发明衬底中的层置于该核芯板的至少部分第一主表面和至少部分第二主表面上，并可包括元素周期表的IB族金属。层材料还至少部分填充由核芯板内至少某些孔洞或开口包围的空间。

任意合适的IB族金属可以用于该层。合适的IB族金属包括但不限于铜、铜合金、银、或银合金。

该层还包括高导热材料。这种材料通常具有至少200W/M°K的热导率。合适的高导热材料包括但不限于金刚石、合金、复合材料、以及纳米管。

本文使用的作为高导热材料的术语“合金”指包含热导率至少为200W/M°K的一种或多种金属的复合物。

本文使用的术语“复合材料”指包含IB族金属和至少一种其他材料的复合物。

本文使用的术语“纳米管”指的是包含无缝缠绕到柱体的石墨层的系统。该柱体通常直径仅为几个纳米，长度可以多达一毫米以上。长度与宽度的纵横比非常高。

在本发明具体实施例中，该层可包括至少0.001％重量的Ni，在某些情况下至少0.01％，在其他情况下至少0.1％，且Ni占该层重量的百分比可多达1％，在某些情况下多达0.75％，在其他情况下多达0.5％。在本发明实施例中，Ni可以涂敷在板或箔表面上成为薄层。包含Ni使得IB族金属层可以更好浸润核芯板的表面并如所期望地填充孔洞。

在本发明实施例中，IB族金属或其他高导热材料层包含一种或多种热导率至少为200W/M°K的材料，在某些情况下至少为350W/M°K，在其他情况下至少为500W/M°K，且可多达2200W/M°K，在某些情形下多达1500W/M°K，在其他情形下多达1200W/M°K，在某些情况下多达1100W/M°K，在其他情况下多达1000W/M°K。该层内具体材料的热导率可以是任意上述值或者介于任意上述值之间的范围。

在本发明实施例中，核芯板或箔内的至少部分孔洞或开口至少部分填充有一种或多种IB族金属或其他高导热材料，且核芯板或箔任意表面上未置有任何层。

在本发明另一个实施例中，核芯板或箔内的孔洞或开口至少部分填充有一种或多种IB族金属或其他高导热材料，且该核芯板或箔的至少部分表面上布置有一层。当存在一个层时(即，可以存在厚度为零的层)，核芯板各个表面上的该层可具有至少0.001mil的厚度，在某些情况下至少0.01mil，在其他情况下至少0.1mil，在某些情形下至少1mil，在其他情形下至少2mil，在某些示例中至少3mil，且在其他示例中至少5mil。当该层太薄时，其热扩散能力将减小。此外，该层可具有多达50mil的厚度，在某些情况下多达40mil，在其他情况下多达30mil，在某些情形下多达25mil，在其他情形下多达20mil，在某些示例中多达15mil，且在其他示例中多达10mil。该层可具有任意上述值代表的厚度，或者可具有介于任意上述值之间的厚度。

在本发明实施例中，IB族金属层从衬底一侧到另一侧是均匀的，均匀是指从衬底一侧到另一侧的层厚度变化不超过±10％，在某些情况下不超过±5％。

在本发明特定实施例中，该层并非遍布核芯板表面是均匀的。在特定实施例中，该层的厚度在该核芯板第一部分上从0或0.001变化到10mil，在该核芯板第二部分上从5变化到50mil。

当存在层时，该核芯板厚度与各层厚度之间的任意合适比例可以用于本发明衬底。在本发明实施例中，核芯板厚度与第一主表面上该层厚度的比例为1∶0.1至1∶2，在某些情况下为1∶0.5至1∶1.5，在其他情况下为1∶0.75至1∶1.25，在特定示例中约为1∶1。此外，对于第二主表面上的该层，该比例为1∶0.1至1∶2，在某些情况下为1∶0.5至1∶1.5，在其他情况下为1∶0.7 5至1∶1.25，在特定示例中约为1∶1。

该层的热导率至少为200W/M°K，在某些情况下至少250W/M°K，在其他情况下至少300W/M°K。此外，该层的热导率可多达500W/M°K，在某些情况下多达400W/M°K，在其他情况下多达350W/M°K。

该层可具有由任意上述值代表的热导率，或者可具有介于任意上述值之间的热导率。

在本发明实施例中，本发明衬底并没有基于混合规则所期望或预计那样呈现热学性能。在具体实施例中，TCE低于期望或预计。本发明衬底的预计TCE比混合规则预计的低至少10％，在某些情况下至少低20％，在其他情况下至少低25％。

本发明具体实施例示于图3。在本实施例中，衬底20包括核芯板或箔24，该核芯板或箔具有延伸贯穿的约沙漏形状的孔洞26。核芯板24包含一种或多种难熔VIB族金属。层22置于核芯板24的表面上并填充孔洞24。层26包含铜、铜合金、银、或者银合金。

在本发明实施例中，衬底可具有至少50W/M°K的热导率，在某些情况下至少100W/M°K，在其他情况下至少150W/M°K，在某些情形下至少200W/M°K，在其他情形下至少250W/M°K，在某些示例中至少275W/M°K，且在其他示例中至少300W/M°K。该衬底可具有任意上述值代表的热导率，或者具有介于任意上述值之间的热导率。

在本发明实施例中，该衬底可具有至少1mil的厚度，在某些情况下至少2.5mil，在其他情况下至少5mil。此外，该衬底可具有多达100mil的厚度，在某些情形下多达50mil，在其他情形下多达35mil，且在某些示例中多达25mil。该衬底的厚度可以是任意上述值或者介于任意上述值之间。

在本发明具体实施例中，可以使用该核芯板内的VIB族金属和该层内的IB族金属的特定组合。一个具体示例为，VIB族金属可以是钼，IB族金属可以是铜。在另一个具体示例中，VIB族金属可以是钨，IB族金属可以是铜。

通常，具有至少部分填充有IB族金属的孔洞且可选地涂敷有IB族金属的VIB族金属箔是密封结构。本文使用的术语“密封结构”是指本发明的填充矩阵是气密的，意味着空气不容易穿过该结构。一个非限制性示例为，本发明矩阵是气密的表现在其泄漏率在1个大气压差时小于1×10^-5stdcc/sec。另一个非限制性示例为，本发明矩阵是气密的表现在其满足卫星应用所要求的泄漏率规定。

在本发明实施例中，两层或多层衬底可以“堆叠”以提供夹层类型的结构。在本实施例中，包含VIB族金属和/或各向异性材料的两个或多个核芯板彼此叠置，其中该核芯板如上所述具有多个开口，开口至少部分从第一主表面延伸到第二主表面，该孔洞被填充且表面涂敷有IB族金属层。

堆叠衬底的非限制性示例适于图4。堆叠衬底50包括第一衬底层51、第二衬底层52、以及第三衬底层53。各个衬底层51、52和53包括置于核芯板56的上、下表面上的IB族金属层55，该核芯板包含VIB族金属和/或各向异性材料，且孔洞54延伸穿过衬底层51、52和53并填充有IB族金属。尽管孔洞54示为上下彼此对准，但这种排列是可选的，因为孔洞可以偏移，在某些情形下为了辅助散热这一点是需要的。

在本发明的夹层衬底中，热量可以通过IB族金属填充孔洞54在各层之间垂直地(沿z轴方向)传输。在各层，热量横向地或者沿IB族金属层55在x-y平面内传输。因此，这种结构有效地沿所有方向传输热量。

在本发明的夹层衬底中可以提供较单层衬底更厚的衬底，因为可以提供充分的横向(x-y平面)热散逸。因此，本发明的夹层衬底可以具有至少2mil的厚度，在某些情况下至少5mil，在其他情况下至少10mil。此外，该夹层衬底的厚度可多达1000mil，在某些情况下多达500mil，在其他情况下多达250mil，在某些示例中多达200mil，以及在其他示例中多达100mil。夹层衬底厚度可以是任意上述值，或者是介于任意上述值之间。

在本发明具体实施例中，本发明的夹层衬底可具有约2至约40mil的厚度。

根据本发明的夹层结构薄片是尤其有利的，因为与现有技术方法或者更厚的片用于形成衬底的情形相比，更多、更均匀、且更小的孔洞可以提供遍布衬底的顶表面和底表面。由于孔洞直径与衬底厚度相关，如上所述在非常薄衬底内形成和填充非常小的孔洞且随后堆叠该非常薄的衬底，由此提供了一种具有更多、更均匀、且更小孔洞，并因此具有改进的热传输能力的衬底表面。

在本发明实施例中，堆叠或夹层结构的衬底具有沿其一个或两个表面的孔洞，使得孔洞开口的直径与堆叠衬底的厚度的比例小于0.75。

如上所述，Mo-Cu或W-Cu的现有技术层叠或矩阵系统通过标准冶金工序制作成薄衬底，这些冶金工艺在材料内引入无法彻底消除的应力。该应力导致薄尺寸的该材料在暴露于升高温度的焊接工艺时翘曲。用于电子封装元件和集成电路元件的本发明衬底的具体优点为，在添加IB族金属之前核芯板可以消除。这防止了现有技术材料中发现的在薄尺寸时的翘曲。

本发明还提供了一种制作用于半导体和集成电路元件的上述衬底的方法。该方法包括：

提供包含元素周期表VIB族金属和/或各向异性材料的箔或板；

形成至少部分从该箔或板第一主表面延伸到第二主表面的多个开口；

在至少部分该第一主表面和至少部分该第二主表面上形成包含元素周期表IB族金属的层；以及

使用该IB族金属至少部分填充有至少部分该开口围绕的空间。

本发明方法的优点在于，其容易处理使用标准工艺方法加工或改性的核芯板或箔材料，其中IB族金属随后添加到该材料。与需要非常复杂和昂贵的工艺步骤的现有技术热沉材料相比，这是一个优点。

在本发明实施例中，开口通过选自蚀刻、冲压、钻孔、激光钻孔、化学研磨、及其组合的方法在箔或板内形成开口。

在本发明另一个实施例中，该层使用选自熔化、热喷镀、粉末熔融、电镀、熔融和电镀、溅射、选择性镀覆、渗透、铸造、压铸、及其组合的一种或多种方法形成。

在本发明实施例中，所有应力引入工艺步骤(例如锯切、切割、滚轧、研磨、和/或抛光)都是在将IB族金属添加到箔或板之前完成的。

在本发明实施例中，IB族金属条置于箔或板的表面上，条被加热到该条熔化并填充孔洞或开口且可选地形成层的温度。在具体实施例中，两层或多层的条置于该箔或板的表面上并被熔化。在后一种情形中，得到熔化期间改进的热量分布和改进的孔洞填充。不希望受任何具体理论限制，认为未熔化的上条和熔化的下条之间的毛细作用导致了改善的IB族金属的流动、分布和填充。由于IB族金属的改善的扩散特性，该方法可以制备板或箔的更大的涂敷截面。

在本发明实施例中，在制作用于半导体和集成电路元件的上述衬底的方法中可以使用最后减少(reduction)步骤。该减少步骤可以实施以使表面更均匀，衬底致密，减小衬底的厚度和/或回火该衬底。可以采用任何合适的减少步骤，合适的减少步骤包括但不限于滚轧和热等静压成型。

本发明还提供一种根据上述方法制作的衬底。

本发明还提供包括上述衬底以及一个或多个半导体元件的电子封装元件。

任何合适的电子封装元件可以包括在本发明内，特别是包括热发生元件的电子封装元件。合适的电子封装元件包括但不限于无线通信装置、光纤激光器、功率发生半导体、电阻器、以及光电装置。

在本发明实施例中，上述衬底或堆叠衬底可以附着到热膨胀性能更大或更低的第二衬底以形成组合衬底。这种第二衬底的非限制性示例包括但不限于钢、铝、铜、或陶瓷衬底。组合衬底是优选的，因为其具有改善的热分布性能且内应力降低。

一个非限制性示例为，上述组合衬底可以用做溅射靶的垫板(backing plate)。

现在将参考下述示例进一步描述本发明。下述示例仅仅是说明本发明，而非限制本发明。除非另外指出，所有百分比都是基于重量。

示例

所使用的钼通常具有140W/m°K的热导率(TC)，在从26℃到400℃和氮气气氛中具有约5.1PPM/℃的热膨胀系数(CTE)。

冷加工纯钼箔滚轧到0.005”(0.0127 cm，5mil箔)至0.010”(0.0254cm，10mil箔)的厚度。光化学掩模应用到各个箔的两侧，且从两侧使用光化学研磨技术产生具有28％孔洞体积的交错孔洞图案以得到更好的孔洞容差控制。对于5和10mil两种材料，典型的直径尺寸约为箔厚度的1.2倍。由于10mil条上的孔洞更大，单位面积上的孔洞少于5mil条。

研磨的钼从27℃到400℃具有5.65 ppm的CTE。

样品置于具有0.028”无氧高传导率(OFHC)铜箔的条的石墨舟上，并在氢气气氛-80℃露点下在2000°F(1093℃)以3英寸/分钟速度穿过传送炉。

5mil箔容易浸润，但是0.010”Mo箔浸润不均匀。这是由于蚀刻穿过10mil的Mo以及随后更粗糙的表面需要更长的时间。

10mil箔置于没有Cu箔的相同石墨舟上，并以3”/分钟速度穿过相同的炉以还原和清洁该条表面。同一条再次置于石墨舟上，条件与上述有Cu箔的情形相同。浸润的均匀性现在等效于5mil条。

单层箔

5mil箔

5mil Mo箔穿过炉，该Mo箔整个表面上覆盖有1片2.8mil Cu箔。该箔厚度近似等效于40％孔洞体积，额外材料覆盖Mo表面。部分表面区域具有Cu不均匀浸润的区域和Cu在顶面上积累约1mil的区域。某些样品呈现这种状况，而其他样品均匀地浸润。在所有情况下，熔融Cu未完全填充孔洞，需要电镀以完全填充任何凹陷并形成平滑的Cu覆层。这种变化归因于固定和毛细作用。

样品切割成约5/8”平方并镀覆有电解铜，直到样品彻底平滑。5mil箔在各侧上具有4.5mil的铜外涂层，总厚度为14mil且TC为232-236W/m°K。

10mil箔

10mil Mo箔穿过炉，该Mo箔整个表面上覆盖有2片2.8mil Cu箔。该箔厚度近似等效于40％孔洞体积，额外材料覆盖Mo表面。部分表面区域具有Cu不均匀浸润的区域和Cu在顶面上积累约1mil的区域。某些样品呈现这种状况，而其他样品均匀地浸润。在所有情况下，熔融Cu未完全填充孔洞，需要电镀以完全填充任何凹陷并形成平滑的Cu外涂层。这种变化归因于固定和毛细作用。

样品切割成约5/8”平方，并具有12mil的总厚度以及26 ℃至400℃氮气气氛中约6.36ppm的CTE。

这个结果证明了本发明的衬底并不遵从混合规则。该样品的预计CTE为10.9ppm[5.1(Mo的CTE)×0.51(Mo的体积分数)+17(Cu的CTE)×0.49(Cu的体积分数)＝10.9ppm]，但是测量的CTE为6.3 ppm。

镀Ni的5mil箔

5mil箔镀覆有2mil的Ni，在1800°F(982℃)下扩散烘焙以促进附着，并使用熔融Cu处理以改善Cu浸润性。

5mil Mo箔穿过炉，该Mo箔整个表面上覆盖有1片2.8mil Cu箔。该箔厚度近似等效于40％孔洞体积，可获得的额外材料覆盖Mo表面。熔融Cu完全填充孔洞，需要电镀以完全填充任何凹陷并形成平滑的Cu外涂层。Ni改善了钼表面的浸润。

镀Ni的10mil箔

10mil箔镀覆有2微英寸的Ni，在1800°F(982℃)下扩散烘焙以确定Ni涂层是否改善Cu浸润性。

10mil Mo箔穿过炉，该Mo箔整个表面上覆盖有2片2.8mil箔。该箔厚度近似等效于40％孔洞体积，可获得的额外材料覆盖Mo表面。熔融Cu完全填充孔洞，需要电镀以完全填充任何凹陷并形成平滑的Cu外涂层。Ni改善了钼表面的浸润，但是浸润不如5mil箔实验那样好。

样品切割成约5/8”平方，并具有10mil的总厚度以及190W/m°K的TC。

样品接着镀覆有电解铜，直到样品彻底平滑。铜外涂层厚5mil，总厚度为20mil。样品的热导率为185至219W/m°K，依赖于测量时间(1.3至28.8msec)。

两个或多个箔层

5mil箔

5mil厚的两片钼多孔箔置于石墨舟上，2.8mil Cu箔介于其间且相互位于顶部上。样品按照相同方式处理。Mo表面的可浸润性出色，且熔融Cu非常均匀地向外移动到条的边缘。没有经历Cu在表面上的不均匀积累。似乎条表面之间的间隙提供了毛细作用路径，这与单一条实验的情形相比更均匀地移动Cu。不需要使用薄Ni表面层以获得良好的可浸润性。这一点是有利的，这是因为Ni会影响Mo-Cu矩阵的TC。

样品切割成约5/8”平方，并具有12mil的厚度以及219W/m°K的TC。

5mil箔

5mil厚的两片钼多孔箔置于石墨舟上，1mil Cu箔置于其间且5mil Cu箔置成沿顶面和底面。样品按照相同方式处理。得到的衬底沿截面剖开，并拍摄30X的照片，如图5所示。衬底30的照片示出了顶部钼片34和底部钼片35，薄的铜层36介于顶片34和底片35之间。顶部铜层32和底部铜层33通过底部铜填充的孔洞38和顶部铜填充的孔洞39连接。

10mil箔

10mil厚的两片钼多孔箔置于石墨舟上，2.8mil Cu箔介于其间且相互位于顶部上。这种情况下，Mo条没有穿过氢气气氛的炉以清洗表面。样品按照相同方式处理。Mo表面的可浸润性出色，且熔融Cu非常均匀地向外移动到条的边缘。没有经历Cu在表面上的不均匀积累，但是剩余的凹陷深于两个5mil箔的情形，这是因为可用Cu的数量减少。似乎条表面之间的间隙再次提供了毛细作用路径，这与单一条实验的情形相比更均匀地移动Cu。因此不需要使用薄Ni表面层。这一点是有利的，因为Ni会影响Mo-Cu矩阵的TC。单一10mil箔上使用10mil箔的所经历的改进程度优于使用5mil单一和多个箔等效物所经历的改进程度。

样品切割成约5/8”平方，并具有22mil的厚度以及273W/m°K的TC。

样品接着镀覆有电解铜，直到样品彻底平滑。样品具有21mil的厚度以及26℃至400℃氮气气氛中8.13ppm的CTE。

该数据证明，与仅使用钼衬底相比，根据本发明的衬底提供了显著增强的热导率且热膨胀系数仅最小限度地增加。

尽管出于说明的目的已经在前述说明书中详细地描述了本发明，但是应该理解，这些细节仅仅是出于说明的目的，且本领域技术人员在不背离由权利要求书界定的精神和范围的情况下可以进行改变。

Claims (64)

1.一种用于电子封装元件和集成电路元件的衬底，包括：

包含选自元素周期表VIB族金属和/或各向异性材料的核芯板，具有第一主表面和第二主表面以及多个开口，该开口至少部分地从所述第一主表面延伸到所述第二主表面；

选自元素周期表IB族的金属或其他高导热材料，填充由至少部分所述开口包围的空间的至少一部分；以及

可选地，包含元素周期表IB族金属或其他高导热材料的层，置于至少部分所述第一主表面和至少部分所述第二主表面上。

2.根据权利要求1的衬底，其中所述VIB族金属选自由钼、钨、含钼和钨的合金、钼合金、钨合金、及其组合组成的组。

3.根据权利要求1的衬底，其中所述IB族金属为铜、铜合金、银、或银合金。

4.根据权利要求1的衬底，其中所述其他高导热材料选自由金刚石、合金、复合材料、以及纳米管组成的组。

5.根据权利要求1的衬底，其中所述层包括具有从200至2200W/M°K的热导率的一种或多种材料。

6.根据权利要求1的衬底，具有从1至100mil的厚度。

7.根据权利要求1的衬底，其中所述开口的最大尺寸为从1至25mil。

8.根据权利要求1的衬底，其中所述开口的直径与所述板的厚度的比例为从0.75至1.5。

9.根据权利要求1的衬底，其中所述层的厚度从所述核芯板第一部分上的0至10mil变化到所述核芯板第二部分上的5至50mil。

10.根据权利要求1的衬底，其中所述核芯板的厚度与所述第一主表面上所述层的厚度的比例为1∶0.1至1∶2，与所述第二主表面上所述层的厚度的比例为1∶0.1至1∶2。

11.根据权利要求1的衬底，具有至少50W/M°K的热导率。

12.根据权利要求1的衬底，其中所述VIB族金属为钼，所述IB族金属为铜。

13.根据权利要求1的衬底，其中所述VIB族金属为钨，所述IB族金属为铜。

14.根据权利要求1的衬底，其中所述核芯板为金属，且具有从50至200W/M°K的热导率。

15.根据权利要求1的衬底，其中所述核芯板包括各向异性材料，且具有从50至2200W/M°K的热导率。

16.根据权利要求1的衬底，其中所述层具有从200至500W/M°K的热导率。

17.根据权利要求1的衬底，其中所述核芯板内的开口具有选自圆形、方形、矩形、六边形、八边形、及其组合的形状。

18.根据权利要求1的衬底，其中所述核芯板内的开口具有选自沙漏型形状、锥形形状、直边形状、及其组合的组的截面形状。

19.根据权利要求1的衬底，其中所述核芯板内的开口包括所述核芯板体积的5至90％。

20.根据权利要求1的衬底，其中所述衬底的热膨胀系数(TCE)低于混合规则预计的TCE。

21.一种电子封装元件，包括根据权利要求1的衬底和一个或多个半导体元件。

22.根据权利要求21的电子封装元件，其中所述电子封装元件选自由无线通信装置、光纤激光器、功率发生半导体、电阻器、以及光电装置组成的组。

23.一种制作用于半导体和集成电路元件的衬底的方法，包括：

提供包含选自元素周期表VIB族金属和/或各向异性材料的箔或板；

形成多个开口，所述开口至少部分地从所述箔或板的第一主表面延伸到第二主表面；

使用选自元素周期表IB族金属或其他高导热材料，填充由至少部分所述开口包围的空间；以及

可选地，在至少部分所述第一主表面和至少部分所述第二主表面上，形成包含元素周期表IB族金属或其他高导热材料的层。

24.根据权利要求23的方法，其中所述VIB族金属选自由钼、钨、含钼和钨的合金、钼合金、钨合金、及其组合组成的组。

25.根据权利要求23的方法，其中所述IB族金属为铜或银。

26.根据权利要求23的方法，其中所述其他高导热材料选自包含金刚石、合金、复合材料、以及纳米管的组。

27.根据权利要求23的方法，其中所述层包括具有从200至2200W/M°K的热导率的一种或多种材料。

28.根据权利要求23的方法，其中所述衬底具有从1至50mil的厚度。

29.根据权利要求23的方法，其中所述箔或板的厚度从所述箔或板第一部分上的1至10mil变化到所述箔或板第二部分上的10至50mil。

30.根据权利要求23的方法，其中所述开口的最大尺寸为从1至40mil。

31.根据权利要求23的方法，其中所述开口的直径与所述板的厚度的比例为从0.75至1.5。

32.根据权利要求23的方法，其中所述层的厚度从所述箔或板第一部分上的0至10mil变化到所述箔或板第二部分上的5至50mil。

33.根据权利要求23的方法，其中所述箔或板的厚度与所述第一主表面上所述层的厚度的比例为1∶0.1至1∶2，与所述第二主表面上所述层的厚度的比例为1∶0.1至1∶2。

34.根据权利要求23的方法，其中所述衬底具有至少50W/M°K的热导率。

35.根据权利要求23的方法，其中所述VIB族金属为钼，所述IB族金属为铜。

36.根据权利要求23的方法，其中所述VIB族金属为钨，所述IB族金属为铜。

37.根据权利要求23的方法，其中所述箔或板为金属，且具有从50至200W/M°K的热导率。

38.根据权利要求23的方法，其中所述核芯板包括各向异性材料，且具有从50至2200W/M°K的热导率。

39.根据权利要求23的方法，其中所述层具有从200至500W/M°K的热导率。

40.根据权利要求23的方法，其中所述箔或板内的开口具有选自圆形、方形、矩形、六边形和八边形的形状。

41.根据权利要求23的方法，其中所述箔或板内的开口具有选自沙漏型形状、锥形形状、直边形状、及其组合的组的截面形状。

42.根据权利要求23的方法，其中所述箔或板内的开口包括所述箔或板体积的5至90％。

43.根据权利要求23的方法，其中所述开口通过选自蚀刻、冲压、钻孔、激光钻孔、化学研磨、及其组合的组的方法而形成于所述箔或板内。

44.根据权利要求23的方法，其中所述层通过选自熔化、热喷镀、粉末熔融、电镀、熔融和电镀、溅射、选择性镀覆、渗透、铸造、压铸、及其组合的组的一种或多种方法而形成。

45.根据权利要求23的方法，其中所述层包括占所述层重量0.001至1％的Ni。

46.根据权利要求23的方法，其中IB族金属的两个或多个条置于所述箔或板的表面上并加热到所述IB族金属的熔化温度，从而填充由至少部分所述开口围绕的空间并形成所述层。

47.根据权利要求23的方法，其中所有应力引入工艺步骤和应力消除步骤都是在将所述IB族金属添加到所述箔或板之前完成的。

48.根据权利要求23的方法，还包括最终减少步骤。

49.根据权利要求23的方法制作的衬底。

50.一种电子封装元件，包括根据权利要求49的衬底和一个或多个半导体元件。

51.根据权利要求50的电子封装元件，其中所述电子封装元件选自由无线通信装置、光纤激光器、功率发生半导体、电阻器、以及光电装置组成的组。

52.根据权利要求1的用于电子封装元件和集成电路元件的衬底，其中所述衬底是气密结构。

53.一种堆叠衬底，包括彼此堆叠的根据权利要求1的两个或多个衬底。

54.根据权利要求53的堆叠衬底，具有从2mil至1000mil的厚度。

55.根据权利要求53的堆叠衬底，其中所述VIB族金属选自由钼、钨、含钼和钨的合金、钼合金、钨合金、及其组合组成的组。

56.根据权利要求53的堆叠衬底，其中所述IB族金属为铜、铜合金、银、或银合金。

57.根据权利要求53的堆叠衬底，在第一衬底层和第二衬底层之间具有毛细作用路径。

58.根据权利要求53的堆叠衬底，其中所述开口的直径与所述堆叠衬底的厚度的比例小于0.75。

59.一种组合衬底，包括附着到第二衬底的根据权利要求1的所述衬底。

60.根据权利要求59的组合衬底，其中所述第二衬底选自钢、铝、铜、陶瓷衬底、及其组合的组。

61.一种用于溅射靶的垫板，包括根据权利要求59的组合衬底。

62.一种组合衬底，包括附着到第二衬底的根据权利要求53的所述堆叠衬底。

63.根据权利要求62的组合衬底，其中所述第二衬底选自钢、铝、铜、陶瓷衬底、及其组合的组。

64.一种用于溅射靶的垫板，包括根据权利要求62的组合衬底。

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