CN105315970B - 一种用于芯片检测的热界面材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于芯片检测的热界面材料，包括厚度为300μm～600μm的涂层以及厚度为20μm～200μm的金属箔，所述涂层覆盖于所述金属箔的全部或者部分表面，所述涂层包括质量比为1:1～8:1的高导热填料以及高分子载体，所述热界面材料的导热系数为4W/(m·K)～10W/(m·K)。本发明还公开了该热界面材料的制备方法以及在芯片检测中的应用。本发明的热界面材料具有良好的导热性能和缓冲性能，测试过程中用于将测试压头的热量传递到被测芯片表面，保证芯片测试稳定的测试温度环境，能广泛应用于电子元器件及芯片热稳定性能的检测。

Description

一种用于芯片检测的热界面材料及其制备方法

技术领域

本发明属于热界面材料领域，更具体地，涉及一种用于芯片检测的热界面材料及其制备方法。

背景技术

随着电子元器件向小型化、多功能化发展，电子产品的集成度与组装密度不断提高，芯片热稳定性问题已经成为了限制电子技术发展的关键瓶颈，电子产品的工作效率和可靠性越来越依赖于芯片热稳定性问题的解决。在集成电路工业生产中，芯片制造完成后，需运用工艺平台检测系统验证芯片在特定温度下能否正常工作，即检测芯片的可靠性。测试系统的测试压头提供芯片工作的高温工作环境(一般为80℃)，通过装夹在压头测试面的热界面材料(TIMs)，给芯片提供高温工作环境，并在5min～50min内检测芯片工作温度变化信息。其中TIMs的作用是充当测试压头和芯片表面的媒介，不仅需要较好的导热性能，还需要一定的缓冲性能，以避免测试时芯片受冲击破坏。

目前的热界面材料通常用于连接芯片表面和散热器，电子元件产生的热量通过热界面材料和散热器及时耗散，因而要求热界面材料具有高导热性或绝缘性、安装简便以及适用性广等优点，如台式计算机的CPU与散热器连接采用导热硅脂作为CPU与散热器的热界面材料，笔记本电脑的CPU和GPU则采用导热硅脂(可添加Ag粉或其他添加剂)、导热垫片、相变材料、固态硅脂、导热垫、液态金属。这些热面材料的使用特点是为了提高热界面材料的导热效果，热界面材料一直处于受压状态，在压力的作用下，热界面材料对芯片和散热器界面的微小缝隙及凸凹不平处进行填充，以减小热阻。为了减小热阻，需要热界面材料尽量薄(如专利CN101848808B《具有薄转移膜或金属化层的热界面材料》)。这种热界面材料由于缓冲性能差，同时，热界面材料直接与芯片和散热器接触，容易粘附在芯片和散热器表面，影响芯片的外观，无法应用于工艺平台检测系统；而将橡胶等传统的缓冲材料应用于工艺平台检测系统中，则由于导热能力差(导热系数小于4W/(m·K))又难以满足芯片测试的要求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于芯片检测的热界面材料，旨在解决芯片检测过程中，常规热界面材料缓冲不足，玷污芯片以及导热率低等问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种用于芯片检测的热界面材料，包括厚度为300μm～600μm的涂层以及厚度为20μm～200μm的金属箔，所述涂层覆盖于所述金属箔的全部或者部分表面，所述涂层包括质量比为1:1～8:1的高导热填料以及高分子载体，所述高导热填料的尺寸为20nm～100μm，所述高分子载体为环氧树脂、聚乙烯醇、聚偏氟乙烯、聚乙二醇、酚醛树脂以及硅树脂中的一种或多种，所述热界面材料的导热系数为4W/(m·K)～10W/(m·K)。

其中，高导热填料用于提高热界面材料的导热性能，而高分子载体则作为分散系；上述组合一方面保证，满足芯片测试传热的要求，另一方面，保证热界面材料在测试加压时有缓冲作用，避免对芯片的冲击；在测试完成后能回弹，恢复缓冲性能。

优选地，所述高导热填料的材料为碳、铜、银、氮化铝、氮化硼、碳化硅、氧化铝以及氧化锌中的一种或多种；其中，碳可以为石墨烯、富勒烯、碳纳米管、碳颗粒等。

作为进一步优选地，所述高导热填料的材料为银粉、铜粉或碳纳米管中的一种或多种，银粉和铜粉可以为球状或片状。

优选地，所述涂层中所述高导热填料与所述高分子载体的质量比为4:1～6:1。

优选地，所述涂层还包括占所述涂层总质量0.5％～15％的压敏胶。

作为进一步优选地，所述涂层还包括占所述涂层总质量5％～10％的压敏胶。

优选地，所述金属箔为铜箔、铜合金箔、铝箔、铝合金箔、镍箔或镍合金箔。

作为另一个方面，本发明还提供了一种上述热界面材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将高导热填料与高分子载体以1:1～8:1的比例混合，并在有机溶剂中均匀分散，制得导热涂料；所述高导热填料为碳、铜、银、氮化铝、氮化硼、碳化硅、氧化铝以及氧化锌中的一种或多种，其尺寸为20nm～100μm，所述高分子载体为环氧树脂、聚乙烯醇、聚偏氟乙烯、聚乙二醇、酚醛树脂、硅树脂中的一种或多种；

(2)将所述步骤(1)得到的导热涂料涂覆于厚度为20μm～200μm的金属箔表面，在40℃～80℃中加热使得所述有机溶剂完全挥发且所述高分子载体交联化，在金属箔表面形成厚度为300μm～600μm的均匀涂层，即制备得到所述热界面材料。

优选地，所述步骤(1)中的有机溶剂为乙酸乙酯、乙酸丁酯、丙酮、甲苯、二甲苯或乙醇中的一种或多种。

作为另一个方面，本发明还提供了一种上述热界面材料在电子芯片热稳定性能的检测中的应用。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，由于采用导热涂层和金属箔复合制备得到热界面材料，能够取得下列有益效果：

1、将导热涂层与金属箔复合，使得制备的热界面材料可导热系数为4W/(m·K)～10W/(m·K)，在保证良好导热性能的同时，避免热界面材料的碎片或颗粒直接粘附在芯片上，因而拥有较低的污染特性，应用于芯片检测时能够减少芯片表面污染现象的产生；

2、利用厚度为20μm～200μm的金属箔隔离芯片和导热涂层，金属箔的屈服强度和抗拉强度较高，耐磨损性能好，在隔离导热涂层和被测芯片的同时，还能确保测试过程中金属箔的平整装夹及与芯片表面的紧密接触和适量变形；

3、利用厚度为300μm～600μm导热涂层，一方面实现芯片测试加压过程中对芯片的缓冲，防止了芯片受损，同时将测试压头的热量经金属箔传导到芯片，给芯片提供高温工作环境；

4、涂层中优选加入压敏胶，用于增加热界面材料的粘度和弹性。

附图说明

图1是本发明热界面材料正视图；

图2是本发明热界面材料俯视图；

图3是本发明热界面材料应用过程示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中1-涂层，2-金属箔，3-压头，4-待测试芯片。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供了一种用于芯片检测的热界面材料，包括厚度为300μm～600μm的涂层以及厚度为20μm～200μm的金属箔，所述涂层覆盖于所述金属箔的全部或者部分表面，所述涂层包括质量比为1:1～8:1的高导热填料与高分子载体，所述高导热填料为石墨烯、富勒烯、碳纳米管、碳颗粒、片状或球状铜粉、片状或球状银粉、氮化铝、氮化硼、碳化硅、氧化铝以及氧化锌等具有导热性能的颗粒，其尺寸为20nm～100μm，所述高分子载体为环氧树脂、聚乙烯醇、聚偏氟乙烯、聚乙二醇、酚醛树脂、聚酰亚胺、硅橡胶中的一种或多种，所述热界面材料的导热系数为4W/(m·K)～10W/(m·K)。

其中，高导热填料用于提高热界面材料的导热性能，优选为石墨烯、富勒烯、碳纳米管、片状或球状铜粉、片状或球状银粉、碳颗粒、氮化铝、氮化硼、碳化硅、氧化铝、氧化锌中的一种或多种；高导热填料与高分子载体的质量比优选为4:1～6:1，金属箔的材料优选为铜箔、铜合金箔、铝箔、铝合金箔、镍箔或镍合金箔。当金属箔的面积与所述涂层的面积相等时，四周需要包覆其它隔离物(如另一张金属箔，胶布等)才便于将芯片装夹于测试装置上；如果金属箔的面积大于所述涂层的面积，可以直接将芯片装夹于测试装置上，如图2所示。所述涂层还可以包括质量分数为0.5％～15％的压敏胶，用于增加热界面材料的粘度和弹性，然而压敏胶添加过多容易影响材料的导热性能，当压敏胶的质量分数为5％～10％时，热界面材料既具有良好的导热性能，又具有优良的缓冲性能。

本发明还提供了一种上述热界面材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将高导热填料与高分子载体以1:1～8:1的比例混合，并在有机溶剂(如乙酸乙酯、乙酸丁酯、丙酮、甲苯、二甲苯或乙醇等)中均匀分散，制得导热涂料；制备过程中，还可加入质量为固体总质量的0.5％～10％的压敏胶；有机溶剂的体积主要以高分子载体和压敏胶能溶解为限，例如以羟基硅油作为高分子载体，采用有机硅压敏胶时，加入大约同等质量的有机溶剂即可使高分子载体与压敏胶溶解；

(2)将所述步骤(1)得到的导热涂料涂覆于厚度为20μm～200μm的金属箔全部或者部分表面；

(3)将所述步骤(1)得到的导热涂料涂覆于厚度为20μm～200μm的金属箔表面，在40℃～80℃中加热使得所述有机溶剂完全挥发且所述高分子载体交联化，在金属箔表面形成厚度为300μm～600μm的均匀涂层；如果有机溶剂中溶质的比例过低，导致一次涂抹无法形成设定厚度的涂层，则可以重复以上步骤，直至在金属箔表面形成厚度为300μm～600μm的均匀涂层，即制备得到所述热界面材料。

本发明还提供了一种上述热界面材料在电子芯片热稳定性能的检测中的应用，其具体方法为：将待测试芯片放置于热界面的材料的下方，通过金属箔与涂层隔离，工艺平台检测系统的压头从上方对涂层施压，金属箔的边缘部分包覆压头以及涂层，从而对压头进行固定，如图3所示。

实施例1

(1)首先取羟基硅油0.7g，有机硅压敏胶0.3g，用1g甲苯溶解，加入粒径小于50μm的铜粉4.0g，将其搅拌混合均匀；

(2)将上述混合物均匀涂布于厚度为35μm铜箔表面；

(3)80℃加热30min使得溶剂完全挥发，制备得到所述热界面材料，热界面材料表面涂层厚度约为300μm。

用导热率测试装置进行测试，测得材料的热导率是4.49W/(m·K)。

实施例2

以所述的相同步骤重复实施例1，区别在于，以粒径小于50μm的铜粉和粒径小于50nm的银粉的质量为4:1的混合物取代铜粉，最后测得材料的热导率是6.24W/(m·K)。

实施例3

(1)首先取聚乙烯醇0.4g，用2g乙醇溶解，加入直径小于200μm的碳纳米管1.6g，将其搅拌混合均匀；

(2)将上述混合物均匀涂布于厚度为20μm锡箔表面，40℃加热50min使得溶剂完全挥发；

(3)重复步骤(2)直至得到热界面材料，表面涂层厚度约为600μm。

实施例4

(1)首先取酚醛树脂1g，用1g甲苯溶解，加入直径为20nm～2μm的氧化铝颗粒1g，将其搅拌混合均匀；

(2)将上述混合物均匀涂布于厚度为200μm镍合金箔表面，80℃加热40min使得溶剂完全挥发；

(3)得到热界面材料，表面涂层厚度约为400μm。

实施例5

以所述的相同步骤重复实施例1，区别在于，所述步骤(1)中羟基硅油的质量为0.6g，有机硅压敏胶的质量为0.53g，铜粉的质量为4.2g。

实施例6

以所述的相同步骤重复实施例1，区别在于，所述步骤(1)中羟基硅油的质量为0.6g，有机硅压敏胶的质量为0.64g，铜粉的质量为3g。

对实施例3-实施例6制备得到的热界面材料进行测试，导热系数为4W/(m·K)～10W/(m·K)，证实本发明的热界面材料能满足芯片检测的导热需求。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于芯片检测的热界面材料，其特征在于，包括厚度为300μm～600μm的涂层以及厚度为20μm～200μm的金属箔，所述涂层覆盖于所述金属箔的全部或者部分表面，所述涂层包括质量比为1:1～8:1的高导热填料以及高分子载体，所述高导热填料的尺寸为20nm～100μm，所述高分子载体为环氧树脂、聚乙烯醇、聚偏氟乙烯、聚乙二醇、酚醛树脂以及硅树脂中的一种或多种；

所述金属箔为铜箔、铜合金箔、铝箔、铝合金箔、镍箔或镍合金箔；

所述热界面材料的制备方法包括以下步骤：

(1)将高导热填料与高分子载体以1:1～8:1的比例混合，并在有机溶剂中均匀分散，制得导热涂料；所述高导热填料为碳、铜、银、氮化铝、氮化硼、碳化硅、氧化铝以及氧化锌中的一种或多种，其尺寸为20nm～100μm，所述高分子载体为环氧树脂、聚乙烯醇、聚偏氟乙烯、聚乙二醇、酚醛树脂、硅树脂中的一种或多种；

(2)将所述步骤(1)得到的导热涂料涂覆于厚度为20μm～200μm的金属箔表面，在40℃～80℃中加热使得所述有机溶剂完全挥发且所述高分子载体交联化，在金属箔表面形成厚度为300μm～600μm的均匀涂层，即制备得到所述热界面材料。

2.如权利要求1所述的热界面材料，其特征在于，所述高导热填料的材料为银粉、铜粉或碳纳米管中的一种或多种。

3.如权利要求1所述的热界面材料，其特征在于，所述涂层中所述高导热填料与所述高分子载体的质量比为4:1～6:1。

4.如权利要求1所述的热界面材料，其特征在于，所述涂层还包括占所述涂层总质量0.5％～15％的压敏胶。

5.如权利要求1-4中任意一项所述热界面材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将高导热填料与高分子载体以1:1～8:1的比例混合，并在有机溶剂中均匀分散，制得导热涂料；所述高导热填料为碳、铜、银、氮化铝、氮化硼、碳化硅、氧化铝以及氧化锌中的一种或多种，其尺寸为20nm～100μm，所述高分子载体为环氧树脂、聚乙烯醇、聚偏氟乙烯、聚乙二醇、酚醛树脂、硅树脂中的一种或多种；

(2)将所述步骤(1)得到的导热涂料涂覆于厚度为20μm～200μm的金属箔表面，在40℃～80℃中加热使得所述有机溶剂完全挥发且所述高分子载体交联化，在金属箔表面形成厚度为300μm～600μm的均匀涂层，即制备得到所述热界面材料。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中的有机溶剂为乙酸乙酯、乙酸丁酯、丙酮、甲苯、二甲苯或乙醇中的一种或多种。

7.如权利要求1-4中任意一项所述热界面材料在电子芯片热稳定性能的检测中的应用。