CN105355610B - 一种电路装置及制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供一种装置。该装置包括：电路器件、散热片及热界面材料层。热界面材料层与电路器件及散热片热耦合。热界面材料层包括：第一合金层、纳米金属颗粒层及第二合金层。第一合金层与电路器件热耦合。纳米金属颗粒层与第一合金层热耦合。纳米金属颗粒层包括纳米金属颗粒及中间混合物。
Description
技术领域
本发明涉及电路领域，尤其涉及一种电路装置及制造方法。
背景技术
图1A所示为现有技术中集成电路芯片及其部分封装结构的截面示例图。该结构包括集成电路芯片1A02、热界面材料层1A04及散热器1A06。集成电路芯片1A02于工作过程中产生的热通过芯片背面的热界面材料层1A04倒入散热器1A06，因而，热界面材料层1A04本身的导热能力对芯片散热有重要影响。现有热界面材料层包括银胶类材料。银胶类材料中混合金属银颗粒1A08以提高导热效果，但主要还是以银胶类材料形成的连续相为主。银胶类材料导热率较低，已很难满足大功率芯片的散热需求。
发明内容
本发明实施例提供一种装置及制造方法。该装置中，介于电路器件及散热片间的热界面材料具有较高导热率，大幅度提高了整体热通路的热导效能，能更好地满足大功耗电路器件的散热需求。
第一方面，本发明实施例提供了、一种装置，包括：电路器件；散热片；及热界面材料层，与所述电路器件及所述散热片热耦合，包括：第一合金层，与所述电路器件热耦合；纳米金属颗粒层，与所述第一合金层的接触处形成烧结连续相结构，所述纳米金属颗粒层包括彼此成烧结连续相结构的多个纳米金属颗粒及中间混合物，所述中间混合物填充于所述多个纳米金属颗粒之间，所述中间混合物包括树脂；及第二合金层，与所述纳米金属颗粒层的接触处形成烧结连续相结构及与所述散热片热耦合。
在第一方面的第一种可能的实现方式中，所述第一合金层与所述纳米金属颗粒层的接触处形成烧结连续相结构，所述多个纳米金属颗粒之间的接触处形成烧结连续相结构，且所述第二合金层与所述纳米金属颗粒层的接触处形成烧结连续相结构。
结合第一方面，或者第一方面第一种可能的实现方式，在第二种可能的实现方式中，所述纳米金属颗粒包括银。
结合第一方面，或者第一方面第一至第二种任意一种可能的实现方式，在第三种可能的实现方式中，所述纳米金属颗粒的直径处于50-200纳米之间。
结合第一方面，或者第一方面第一至第三种任意一种可能的实现方式，在第四种可能的实现方式中，用于倒装芯片球栅格阵列结构。
结合第一方面，或者第一方面第一至第四种任意一种可能的实现方式，在第五种可能的实现方式中，第一合金层包括第一接着层和第一共烧结层，所述第一接着层与所述电路器件热耦合，所述第一共烧结层与所述纳米金属颗粒层耦合，且所述第一共烧结层与所述纳米金属颗粒层的接触处形成烧结连续相结构。
结合第一方面第五种可能的实现方式，在第六种可能的实现方式中，所述第一接着层包括以下材料中的任一种：钛、铬、镍或镍钒合金，所述第一共烧结层包括以下材料中的任一种：银、金或铜。
结合第一方面第五种可能的实现方式以及第六种可能的实现方式中的任意一种可能的实现方式，在第七种可能的实现方式中，所述第一合金层还包括第一缓冲层，位于所述第一接着层与所述第一共烧结层之间，所述第一缓冲层包括以下材料中的任一种：铝、铜、镍或镍钒合金。
结合第一方面，或者第一方面第一至第七种任意一种可能的实现方式，在第八种可能的实现方式中，所述第二合金层包括第二接着层和第二共烧结层，所述第二接着层与所述散热片热耦合，所述第二共烧结层与所述纳米金属颗粒层热耦合，且所述第二共烧结层与所述纳米金属颗粒层的接触处形成烧结连续相结构。
结合第一方面第八种可能的实现方式，在第九种可能的实现方式中，所述第二接着层包括以下材料中的任一种：钛、铬、镍或镍钒合金，所述第二共烧结层包括以下材料中的任一种：银、金或铜。
结合第一方面第八种可能的实现方式以及第九种可能的实现方式中的任意一种可能的实现方式，在第十种可能的实现方式中，所述第二合金层还包括第二缓冲层，位于所述第二接着层与所述第二共烧结层之间，所述第二缓冲层包括以下材料中的任一种：铝、铜、镍或镍钒合金。
结合第一方面，或者第一方面第一至第十种任意一种可能的实现方式，在第十一种可能的实现方式中，所述纳米金属颗粒的直径不大于1微米。
结合第一方面，或者第一方面第一至第十一种任意一种可能的实现方式，在第十二种可能的实现方式中，所述中间混合物包括以下材料中的任一种：空气或树脂。
结合第一方面，或者第一方面第一至第十二种任意一种可能的实现方式，在第十三种可能的实现方式中，所述电路器件包括集成电路管芯，所述集成电路管芯中的衬底与所述热界面材料层热耦合。
第二方面，本发明实施例提供了、一种制造装置的方法，包括：生成第一合金层，使所述第一合金层与电路器件热耦合；由彼此成烧结连续相结构的多个纳米金属颗粒与中间混合物生成纳米金属颗粒层，使所述中间混合物填充于所述多个纳米金属颗粒之间，所述中间混合物包括树脂，以及使所述纳米金属颗粒层与所述第一合金层接触处形成烧结连续相结构；及生成第二合金层，使所述第二合金层与所述纳米金属颗粒层接触处形成烧结连续相结构，以及使所述第二合金层与散热片热耦合。
结合第二方面，或者第二方面第一种可能的实现方式，在第二种可能的实现方式中，所述纳米金属颗粒的直径不大于1微米。
结合第二方面，或者第二方面第一至第二种任意一种可能的实现方式，在第三种可能的实现方式中，所述中间混合物还可以包括空气。
结合第二方面，或者第二方面第一至第三种任意一种可能的实现方式，在第四种可能的实现方式中，所述生成第一合金层包括：生成第一接着层和第一共烧结层，并使所述第一接着层与所述电路器件热耦合，使所述第一共烧结层与所述纳米金属颗粒层耦合，且使所述第一共烧结层与所述纳米金属颗粒层的接触处形成烧结连续相结构。
结合第二方面，或者第二方面第一至第四种任意一种可能的实现方式，在第五种可能的实现方式中，所述生成第二合金层包括：生成第二接着层和第二共烧结层，并使所述第二接着层与所述散热片热耦合，使所述第二共烧结层与所述纳米金属颗粒层热耦合，且使所述第二共烧结层与所述纳米金属颗粒层的接触处形成烧结连续相结构。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1A是现有技术中包括装置的封装结构的截面示例图。
图1是本发明第一实施例的包括装置的封装结构的截面示例图。
图2包括图1中的热界面材料层的第一实施例的截面示例图。
图3是图2中的第一合金层的第一实施例的截面示例图。
图4是图2中的第一合金层的第二实施例的截面示例图。
图5是图2中的第二合金层的第一实施例的截面示例图。
图6是图2中第二合金层的第二实施例的截面示例图。
图7是本发明第二实施例的一种制造装置的方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1是本发明第一实施例的包括装置的封装结构100的截面示例图。该倒装芯片球栅格阵列封装结构包括焊球108，基板107，粘接胶106，金属凸块(BUMP)102，电路器件(如集成电路管芯)103，热界面材料层104及散热片105。集成电路管芯103通过金属凸块102与基板107耦合。金属凸块102由底部填充物101保护。散热片105通过粘接胶106固定在基板107上。热界面材料层104与集成电路管芯103及散热片105热耦合。本文中，热耦合包括不同层次，不同结构，或不同装置间有热传导的情形。更详细地，热界面材料层104可位于集成电路管芯103及散热片105之间。集成电路管芯103中的衬底与热界面材料层104热耦合。集成电路管芯103的热量通过热界面材料层104达到散热片105。
其中，集成电路管芯103、热界面材料层104及散热片105可作为一种装置的部分或全部组件，且该装置可用于但不限于如图所示的倒装芯片球栅格阵列封装结构。
图2包括图1中的热界面材料层104的第一实施例的截面示例图。热界面材料层104与管芯103及散热片105热耦合，包括第一合金层109、纳米金属颗粒层110及第二合金层112。
第一合金层109与集成电路管芯103及纳米金属颗粒层110热耦合。更具体地，如图所示，第一合金层109可位于集成电路管芯103之上，纳米金属颗粒层110之下。即，第一合金层109可位于集成电路管芯103与纳米金属颗粒层110之间。第一合金层109增加集成电路管芯103与纳米金属颗粒层110之间的接着强度。
纳米金属颗粒层110包括纳米金属颗粒及中间混合物。中间混合物包括但不限于以下材料中的任一种：空气或树脂。中间混合物用于填充于多个纳米金属颗粒之间，使多个纳米金属颗粒形成整体。纳米金属颗粒包括但不限于银。纳米金属颗粒的直径不大于1微米。在一个实施例中，纳米金属颗粒的直径处于50-200纳米之间。纳米金属颗粒层110热阻较低，形成较好的导热通路。
第二合金层112与纳米金属颗粒层110及散热片105热耦合。更具体地，如图所示，第二合金层112可位于纳米金属颗粒层110之上，散热片105之下。即，第二合金层112可位于纳米金属颗粒层110与散热片105之间。第二合金层112增加纳米金属颗粒层110与散热片105之间的接着强度。
在一个实施例中，第一合金层109与纳米金属颗粒层110的接触处形成烧结连续相结构，纳米金属颗粒之间的接触处形成烧结连续相结构，且第二合金层112与纳米金属颗粒层110的接触处形成烧结连续相结构。本文中的烧结连续相结构包括但不限于：因金属颗粒产生烧结行为，金属颗粒接口附近的金属原子扩散至金属颗粒界面融合在一起，使得金属颗粒形成一个整体的结构。
图3是图2中第一合金层109的第一实施例的截面示例图。如图所示，第一合金层109包括第一接着层114和第一共烧结层115。本文中的共烧结层包括但不限于：在封装加工过程中产生的与热界面材料层互融的金属层，该金属层与热界面材料层中的颗粒共同烧结形成热流通路。第一接着层114与集成电路管芯103热耦合。第一共烧结层115与纳米金属颗粒层110热耦合。第一共烧结层115与纳米金属颗粒层110的接触处形成烧结连续相结构。具体地，第一接着层114可位于集成电路管芯103之上，第一共烧结层115可位于第一接着层114之上，纳米金属颗粒层110之下。第一接着层114包括但不限于以下材料中的任一种：钛、铬、镍或镍/钒。第一接着层114增加集成电路管芯103与第一共烧结层115之间的结合强度。第一共烧结层115包括但不限于以下材料中的任一种：银、金或铜。
图4是图2中第一合金层109的第二实施例的截面示例图。与图3相比，图4中的第一合金层109还包括第一缓冲层116，位于所述第一接着层114与第一共烧结层115之间。第一缓冲层116包括但不限于以下材料中的任一种：铝、铜或镍。第一缓冲层116在因热处理产生的形变中提供应力缓冲功能，降低集成电路管芯103与热界面材料层114间或热界面材料层114中间产生裂缝的风险，增加该装置的可靠性。
图5是图2中第二合金层112的第一实施例的截面示例图。如图所示，第二合金层112包括第二共烧结层118和第二接着层117。第二共烧结层118与纳米金属颗粒层110热耦合。第二共烧结层118与纳米金属颗粒层110的接触处形成烧结连续相结构。第二接着层117与散热片105热耦合。具体地，第二共烧结层118可位于纳米金属颗粒层110之上，第二接着层117可位于第二共烧结层118之上，散热片105之下。第二共烧结层118包括但不限于以下材料中的任一种：银、金或铜。第二接着层117包括但不限于以下材料中的任一种：钛、铬、镍或镍/钒。第二接着层117增加第二共烧结层115与散热片105之间的结合强度。
图6是图2中第二合金层112的第二实施例的截面示例图。与图5相比，图6中的第二合金层112还包括第二缓冲层119，位于第二接着层117与第二共烧结层118之间。第二缓冲层119包括但不限于以下材料中的任一种：铝、铜、镍或镍/钒。第二缓冲层119在因热处理产生的形变中提供缓冲功能，降低热界面材料层与散热片105间或热界面材料层114中间产生裂缝的风险，增加该装置的可靠性。
综上，由于本发明实施例中的热界面材料层中不再包含银胶类材料中的高分子类较低热导材料，而是包含纳米金属颗粒，本发明实施例中的热界面材料具有较高导热率，大幅度提高了整体热通路的热导效能，能更好地满足大功耗芯片的散热需求。
图7是本发明第二实施例的一种制造装置的方法的流程图700。如图所示，在步骤702中，生成第一合金层。在步骤704中，由纳米金属颗粒与中间混合物生成纳米金属颗粒层。纳米金属颗粒的直径不大于1微米，例如，纳米金属颗粒的直径处于50-200纳米之间。中间混合物包括但不限于以下材料中的任一种：空气或树脂。在一个实施例中，纳米金属颗粒包括但不限于银。在步骤706中，生成第二合金层。在步骤708中，使第一合金层与纳米金属颗粒层及电路器件热耦合。在步骤710中，使第二合金层与纳米金属颗粒层及散热片热耦合。
在一个实施例中，使第一合金层与纳米金属颗粒层的接触处形成烧结连续相结构，使纳米金属颗粒之间的接触处形成烧结连续相结构，且使第二合金层与纳米金属颗粒层的接触处形成烧结连续相结构。
在一个实施例中，该方法可用于但不限于倒装芯片球栅格阵列结构。
在一个实施例中，生成第一合金层包括生成第一接着层和第一共烧结层，并使第一接着层与电路器件热耦合，使第一共烧结层与纳米金属颗粒层耦合，且使第一共烧结层与纳米金属颗粒层的接触处形成烧结连续相结构。第一接着层包括但不限于以下材料中的任一种：钛、铬、镍或镍/钒。第一共烧结层包括但不限于以下材料中的任一种：银、金或铜。在另一个实施例中，生成第一合金层还包括在第一接着层与第一共烧结层之间生成第一缓冲层。第一缓冲层包括但不限于以下材料中的任一种：铝、铜、镍或镍/钒。
在一个实施例中，生成第二合金层包括生成第二接着层和第二共烧结层，并使第二接着层与散热片热耦合，使第二共烧结层与纳米金属颗粒层热耦合，且使所述第二共烧结层与所述纳米金属颗粒层的接触处形成烧结连续相结构。第二接着层包括但不限于以下材料中的任一种：钛、铬、镍或镍/钒。第二共烧结层包括但不限于以下材料中的任一种：银、金或铜。在另一个实施例中，生成第二合金层还包括在第二接着层与第二共烧结层之间生成第二缓冲层。第二缓冲层包括但不限于以下材料中的任一种：铝、铜、镍或镍/钒。
电路器件可包括集成电路管芯。使第一合金层与电路器件热耦合包括使第一合金层与集成电路管芯中的衬底热耦合。
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
Claims (15)
1.一种具有高导热率的装置，其特征在于，包括：
电路器件；
散热片；及
热界面材料层，与所述电路器件及所述散热片热耦合，包括：
第一合金层，与所述电路器件热耦合；
纳米金属颗粒层，与所述第一合金层的接触处形成烧结连续相结构，所述纳米金属颗粒层包括彼此成烧结连续相结构的多个纳米金属颗粒及中间混合物，所述中间混合物填充于所述多个纳米金属颗粒之间，所述中间混合物包括树脂；及
第二合金层，与所述纳米金属颗粒层的接触处形成烧结连续相结构及与所述散热片热耦合。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述多个纳米金属颗粒包括银。
3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述多个纳米金属颗粒的直径处于50-200纳米之间。
4.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，用于倒装芯片球栅格阵列结构。
5.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，第一合金层包括第一接着层和第一共烧结层，所述第一接着层与所述电路器件热耦合，所述第一共烧结层与所述纳米金属颗粒层耦合，且所述第一共烧结层与所述纳米金属颗粒层的接触处形成烧结连续相结构。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述第一接着层包括以下材料中的任一种：钛、铬、镍或镍钒合金，所述第一共烧结层包括以下材料中的任一种：银、金或铜。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第一合金层还包括第一缓冲层，位于所述第一接着层与所述第一共烧结层之间，所述第一缓冲层包括以下材料中的任一种：铝、铜、镍或镍钒合金。
8.如权利要求1、2、6或7中任一项所述的装置，其特征在于，所述第二合金层包括第二接着层和第二共烧结层，所述第二接着层与所述散热片热耦合，所述第二共烧结层与所述纳米金属颗粒层热耦合，且所述第二共烧结层与所述纳米金属颗粒层的接触处形成烧结连续相结构。
9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述第二接着层包括以下材料中的任一种：钛、铬、镍或镍钒合金，所述第二共烧结层包括以下材料中的任一种：银、金或铜。
10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述第二合金层还包括第二缓冲层，位于所述第二接着层与所述第二共烧结层之间，所述第二缓冲层包括以下材料中的任一种：铝、铜、镍或镍钒合金。
11.如权利要求1、2、6、7、9或10中任一项所述的装置，其特征在于，所述电路器件包括集成电路管芯，所述集成电路管芯中的衬底与所述热界面材料层热耦合。
12.一种制造具有高导热率装置的方法，其特征在于，包括：
生成第一合金层，使所述第一合金层与电路器件热耦合；
由彼此成烧结连续相结构的多个纳米金属颗粒与中间混合物生成纳米金属颗粒层，使所述中间混合物填充于所述多个纳米金属颗粒之间，所述中间混合物包括树脂；
以及使所述纳米金属颗粒层与所述第一合金层接触处形成烧结连续相结构；及
生成第二合金层，使所述第二合金层与所述纳米金属颗粒层接触处形成烧结连续相结构，以及使所述第二合金层与散热片热耦合。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述多个纳米金属颗粒的直径不大于1微米。
14.如权利要求12或13所述的方法，其特征在于，所述生成第一合金层包括：生成第一接着层和第一共烧结层，并使所述第一接着层与所述电路器件热耦合，使所述第一共烧结层与所述纳米金属颗粒层耦合，且使所述第一共烧结层与所述纳米金属颗粒层的接触处形成烧结连续相结构。
15.如权利要求12或13所述的方法，其特征在于，所述生成第二合金层包括：生成第二接着层和第二共烧结层，并使所述第二接着层与所述散热片热耦合，使所述第二共烧结层与所述纳米金属颗粒层热耦合，且使所述第二共烧结层与所述纳米金属颗粒层的接触处形成烧结连续相结构。
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