CN112708400A - 一种热界面材料及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种热界面材料，包括分布于助焊剂中的导热颗粒，其中，导热颗粒包括热导率接近或高于铜的材料形成的导热核，以及包覆于导热核的表面的焊料。

Description

一种热界面材料及其制造方法

技术领域

本发明涉及封装散热技术，特别涉及一种热界面材料及其制造方法。

背景技术

随着半导体技术的发展，电子器件组件朝着小型化、高频化及多功能化的方向发展。芯片功率密度的增加使得单位面积上产生的热量急剧增加。若热量无法快速散出，会导致封装结构内温度急剧上升，进而使得芯片烧毁，互连金属熔化，热失配破坏等，这会造成系统性能下降，甚至失效。

在众多的热管理技术中，热界面材料是较常用的一种，其填充于芯片及热沉的空隙处，可以大幅度地减小热传导的阻抗，提高芯片封装结构的散热性能。热界面材料包括以下几类：导热膏、导热凝胶、相变材料、焊料以及导热带等。芯片封装的散热效果通常通过热导率及热阻来评估，因此，对于热界面材料而言，其应该具有高热导率和/或低热阻。

发明内容

针对现有技术中的部分或全部问题，本发明一方面提供一种热界面材料，包括分布于助焊剂中的导热颗粒，所述导热颗粒包括：

导热核，所述导热核的材料包括热导率接近或高于铜的材料；以及

焊料，其包覆于所述导热核的表面。

进一步地，所述导热核直径为1微米至200微米。

进一步地，所述导热核的材料为非金属材料，包括碳化硅和/或金刚石。

进一步地，所述导热核的材料为金属材料。

进一步地，所述焊料的材料包括铟、铋、锡、锑、铜、银或其合金。

本发明另一方面提供一种热界面材料的制造方法，包括：

获取导热核；

在所述导热核表面形成电镀种子层；

在所述电镀种子层上，电镀焊料，得到导热颗粒；以及

将所述导热颗粒与助焊剂混合。

本发明提供的一种热界面材料，在高导热性能的颗粒外表包覆低熔点焊料，然后混合于助焊剂中形成。本发明的方案基于发明人的如下洞察：在芯片热源到环境的总热阻中，热界面材料的热阻是主要部分，界面材料的热阻包含两个部分，一是其本身的热阻，另一个上述其与上下接触面之间的接触热阻。对于其本身的热阻而言，其热导率越高，则热阻越小，因此当热界面材料的热导率接近甚至超过封装中的其他材料，能够有效的降低芯片热源到环境的热阻，因此，在本发明的方案中，可选择采用高导热的金属材料，如铜、银等金属或其合金，优选比金属材料热导率更高的非金属材料，如碳化硅、金刚石等；而接触热阻则主要取决于热界面材料与上下接触面的贴合程度，若贴合程度较低，热界面材料与接触面之间留有空气，则接触热阻较高。因此，虽然相较于传统的导热膏、导热凝胶、相变材料等聚合物材料而言，铜、银、碳化硅、金刚石等材料的热导率有明显提升，但由于这些材料较难与接触面等界面紧密贴合，这就使得接触热阻较大。因此，为了解决这一问题，本发明一方面将导热材料的尺寸控制在200微米以内，另一方面独创地采用了在导热材料外包覆焊料金属的做法，所述焊料优选低熔点焊料等，有利于工艺操作过程中，而不影响其他焊接界面。将包覆了焊料的导热材料与助焊剂混合印刷于芯片，初始状态下，所述焊料包覆于导热材料表面，各导热材料分散于助焊剂中，当受到回流作用，助焊剂挥发，焊料融化，各导热材料在压力作用下聚集到一起，并在焊料的作用下与接触面紧密贴合，形成有效的焊接，能够有效降低接触热阻。

附图说明

为进一步阐明本发明的各实施例的以上和其它优点和特征，将参考附图来呈现本发明的各实施例的更具体的描述。可以理解，这些附图只描绘本发明的典型实施例，因此将不被认为是对其范围的限制。在附图中，为了清楚明了，相同或相应的部件将用相同或类似的标记表示。

图1示出本发明一个实施例的一种热界面材料的结构示意图；

图2示出本发明一个实施例的一种热界面材料的制造方法流程示意图；以及

图3a-3b示出本发明一个实施例的一种热界面材料应用于芯片散热的过程示意图。

具体实施方式

以下的描述中，参考各实施例对本发明进行描述。然而，本领域的技术人员将认识到可在没有一个或多个特定细节的情况下或者与其它替换和/或附加方法、材料或组件一起实施各实施例。在其它情形中，未示出或未详细描述公知的结构、材料或操作以免模糊本发明的发明点。类似地，为了解释的目的，阐述了特定数量、材料和配置，以便提供对本发明的实施例的全面理解。然而，本发明并不限于这些特定细节。此外，应理解附图中示出的各实施例是说明性表示且不一定按正确比例绘制。

在本说明书中，对“一个实施例”或“该实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。在本说明书各处中出现的短语“在一个实施例中”并不一定全部指代同一实施例。

需要说明的是，本发明的实施例以特定顺序对工艺步骤进行描述，然而这只是为了阐述该具体实施例，而不是限定各步骤的先后顺序。相反，在本发明的不同实施例中，可根据工艺的调节来调整各步骤的先后顺序。

为解决高热密度、高功率芯片封装的散热问题，本发明提供一种热界面材料及其制造方法，其在高导热性能的颗粒外表包覆低熔点焊料，然后混合于助焊剂中，所述热界面材料能够降低芯片结到封装外壳的热阻，促使大功率芯片产生的热量能有效传导到封装外壳，再经过热沉扩散到空气中，提高了散热性能，以满足大功率芯片的散热需求。下面结合实施例附图，对本发明的方案做进一步描述。

图1示出本发明一个实施例的一种热界面材料的结构示意图。如图1所示，一种热界面材料，包括分布于助焊剂102中的若干导热颗粒101，其中，所述导热颗粒101包括导热核111以及焊料112，所述焊料112包覆于所述导热核111的表面。

出于减小热界面材料热阻的目的，所述导热核选取热导率高的材料制成，由于多数封装结构内热导率最高的材料为铜，因此，所述导热核优选热导率接近或高于铜的材料，例如热导率高的金属材料：铜、银等，或这些金属的合金，此外，也可选择热导率高的非金属材料，例如碳化硅、金刚石等。

此外，为了尽可能减小焊料融化后，各导热核之间的距离，在本发明的一个实施例中，所述导热核的直径为1微米至200微米之间，为了更好地贴合接触面，可根据实际需要选择不同尺寸的导热核按一定的比例混合，优选50微米、10微米以及5微米的导热核，按照6:3:1的比例混合。

为了便于后续工艺的进行，在本发明的一个实施例中，所述焊料112的材料为低熔点金属，例如铟、铋、锡、锑、铜、银或其合金。

图2示出本发明一个实施例的一种热界面材料的制造方法流程示意图。如图2所示，一种热界面材料的制造方法，包括：

首先，在步骤201，获取导热核。所述导热核为球形，根据导热核的材料选取不同的方法形成，例如，碳化硅颗粒可通过真空烧结的方式获取，金刚石颗粒则可通过熔渗法将融化状态的铜或铝或银等金属渗透进入多孔金刚石预制体中得到；应当理解的是，在本发明的其他实施例中，也可采用本领域技术人员所熟知的其他工艺形成或制备所述导热核；

接下来，在步骤202，包覆焊料。通过磁控溅射或电镀等方式在所述导热核表面包覆焊料，形成导热颗粒。在本发明的一个实施例中，采用的是电镀工艺，包括：

在所述导热核表面形成电镀种子层，具体形成方法包括化学镀或PVD等工艺，例如可通过PVD沉积一层200-1000埃的铬和一层500-3000埃的铜形成该电镀种子层；以及

在所述电镀种子层上，电镀作为焊料的低熔点金属，在本发明的一个实施例中，采用滚镀的工艺实现，所述滚镀工艺包括：在电镀槽上连接泵，使得电镀液形成涡流，进而将作为焊料的低熔点金属电镀至电镀种子层；以及

最后，在步骤203，混合助焊剂。将所述导热颗粒与助焊剂混合，形成热界面材料。

所述热界面材料可应用于各种散热方式中，图3a及3b示出所述热界面材料应用于微流道直接贴于芯片背面的散热方式中的示意图，如图3a所示，热界面材料001印刷于芯片002的背面，其中所述芯片002布置于基板003上，在初始状态下，所述助焊剂未挥发，各导热颗粒独立散布于所述助焊剂中。所述微流道热沉贴004贴附所述芯片002的背面，如图3b所示，在键合过程中，所述热界面材料001作为键合材料，具体来说，是通过回流使得所述热界面材料001的温度升高，进而使得助焊剂挥发，同时焊料融化，所述焊料融化后填充各导热核之间以及导热核与芯片背面以及热沉表面之间的间隙。一方面，由于导热核尺寸较小，这使得作为热源的芯片与热沉之间距离较短，此外，芯片与热沉之间的间隙被填充，又进一步地降低了接触热阻，提供了更好的散热效果。

尽管上文描述了本发明的各实施例，但是，应该理解，它们只是作为示例来呈现的，而不作为限制。对于相关领域的技术人员显而易见的是，可以对其做出各种组合、变型和改变而不背离本发明的精神和范围。因此，此处所公开的本发明的宽度和范围不应被上述所公开的示例性实施例所限制，而应当仅根据所附权利要求书及其等同替换来定义。

Claims (8)

1.一种热界面材料，其特征在于，包括分布于助焊剂中的若干导热颗粒，其中，所述导热颗粒包括：

导热核，其材料包括热导率接近或高于铜的材料；以及

焊料，其包覆于所述导热核的表面。

2.如权利要求1所述的热界面材料，其特征在于，所述导热核直径为1微米至200微米。

3.如权利要求1所述的热界面材料，其特征在于，所述热界面材料中包括按照指定比例混合的不同尺寸的导热核。

4.如权利要求1所述的热界面材料，其特征在于，所述热界面材料中50微米、10微米以及5微米的导热核的混合比例为6:3:1。

5.如权利要求1所述的热界面材料，其特征在于，所述导热核的材料为非金属材料，包括碳化硅和/或金刚石。

6.如权利要求1所述的热界面材料，其特征在于，所述导热核的材料为金属材料。

7.如权利要求1所述的热界面材料，其特征在于，所述焊料的材料包括铟、铋、锡、锑、铜、银或其合金。

8.一种热界面材料的制造方法，其特征在于，包括步骤：

形成导热核；

在所述导热核表面形成电镀种子层；

在所述电镀种子层上，电镀焊料，得到导热颗粒；以及

将所述导热颗粒与助焊剂混合。

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