CN113275787A - 作为热界面材料的无铅焊料膏 - Google Patents

Abstract

本发明的发明名称为作为热界面材料的无铅焊料膏。本公开的一些实施方案涉及热界面材料。在一些实施方案中，方法包括：在热产生装置的表面和热传递装置的表面之间施加焊料膏以形成组合件；以及回流焊接该组合件以形成焊料复合物，其中焊料复合物在热产生装置和热传递装置之间提供热界面，其中焊料膏包括：焊料粉；具有比焊料膏的焊接温度更高的熔融温度的颗粒，其中焊料膏具有在5:1和1:1.5之间的焊料粉与高熔融温度颗粒的体积比；和助焊剂。

Description

作为热界面材料的无铅焊料膏

相关申请的交叉引用

本申请是2019年1月18日提交的且标题为“用于热过孔填充的无铅焊料膏(LEAD-FREE SOLDER PASTE FOR THERMAL VIA FILLING)”的美国专利申请号16/251,481的部分延续并要求其优先权，该申请的全部内容通过引用并入本文。

背景技术

印刷电路板(PCB)组合件的热性能是电子封装中重要的质量因素。通常，PCB基底层在PCB组合件中的整个热路径中具有最高的热阻。因此，最小化PCB基底层的热阻可为散热提供最大益处。

降低PCB基底层热阻的一种途径是添加热过孔。在PCB中，垂直互连通道或过孔可以指在PCB的两层或更多层之间提供电连接的孔。孔可以通过电镀、或用管子或铆钉衬里其而导电。过孔可以被实施为暴露在板的两侧上的通孔、暴露在板的一侧上的盲过孔、或者连接内部层而不暴露于板的任一表面的埋过孔。

热过孔可以指这样的过孔——由于其与基底的其余部分相比，在过孔中使用的是高热导率材料，因此为离开PCB基底层的热流提供热路径。在基底层中添加一个或多个热过孔可降低PCB基底层中的热阻，从而防止PCB组合件部件的过热。热过孔可填充有具有导电性和非导电性的过孔填充材料。热过孔的填充可以通过诸如镀铜、纳米材料烧结、热膏固化等技术来实现。

电子组合件性能中的另一个重要因素是经由热界面材料(TIM)的热管理。随着速度更快、功能更强的装置的增长，需要改进的TIM。过去已经使用的TIM包括热润滑脂、热凝胶、相变材料、焊料预制体、和液态焊料。这些TIM由于传导性差和/或性能问题(如泵出(pump-out)或液体焊坝的形成)而受到影响。例如，尽管热润滑脂由于其在安装时、在延长使用时、和随着时间的推移良好的热性能，已经被作为TIM在市场上广泛可得，但这些润滑脂会降解，导致界面处的更高热阻。这损害了热远离半导体装置的传递。这个问题已经部分归因于“泵出”。由于装置的热膨胀系数不同，它们的通电和断电导致管芯(die)和散热器之间的相对运动。这可易于从界面间隙“泵”出膏。

发明内容

本公开的一些实施方案涉及改进的热界面材料。

在一个实施方案中，方法包括：在热产生装置的表面和热传递装置的表面之间施加焊料膏以形成组合件；以及回流焊接组合件以形成焊料复合物，其中焊料复合物在热产生装置和热传递装置之间提供热界面，其中焊料膏包括：焊料粉；具有比焊料膏的焊接温度更高的熔融温度的颗粒，其中焊料膏具有在5:1和1:1.5之间的焊料粉与高熔融温度颗粒的体积比；和助焊剂。

在一些实施方案中，颗粒包括铜或铜合金粉末，其中在回流期间，焊料粉熔融并润湿到铜或铜合金粉末以形成包括铜的金属间化合物。在一些实施方案中，焊料粉包括Sn或Sn合金，并且在回流后，Sn或Sn合金的较低熔融相保留在焊料复合物中，其中金属间化合物是CuSn金属间化合物。

在一些实施方案中，回流焊接组合件包括在250℃或更低的峰值温度下回流焊接组合件。

在一些实施方案中，方法进一步包括：在形成焊料复合物之后，在焊料粉的熔融温度或高于焊料粉的熔融温度下对组合件进行第二次回流焊接，其中金属间化合物被配置以在第二次回流焊接组合件时防止焊料从焊料复合物的泵出。

在一些实施方案中，助焊剂是环氧助焊剂，并且施加焊料膏包括将焊料膏施加在热产生装置的非金属化表面上和热传递装置的非金属化表面上。

在一些实施方案中，在回流期间，在焊料粉熔融并润湿到铜或铜合金粉末以形成金属间化合物之后，环氧助焊剂固化。

在一些实施方案中，焊料膏具有在5:1和2:1之间的焊料粉与高熔融温度颗粒的体积比。

在一些实施方案中，热产生装置包括管芯，其中热传递装置包括散热器。在一些实施方案中，施加焊料膏包括：在管芯上分配焊料膏；以及将散热器壳体放置在焊料膏上以形成组合件。在一些实施方案中，助焊剂是环氧助焊剂，并且分配焊料膏包括在管芯的非金属化表面上分配焊料膏。

在一个实施方式中，组合件包括：热产生装置；热传递装置；以及在热产生装置和热传递装置的表面之间的焊料复合物，其中焊料复合物提供热产生装置和热传递装置之间的热界面，其中焊料复合物通过回流焊接焊料膏形成，焊料膏包括：焊料粉；具有比焊料膏的焊接温度更高的熔融温度的颗粒，其中焊料膏具有在5:1和1:1.5之间的焊料粉与高熔融温度颗粒的体积比；和助焊剂。在一些实施方案中，焊料粉包括Sn或Sn合金，其中颗粒包括铜或铜合金粉末，其中焊料复合物包括CuSn金属间化合物。

在一些实施方案中，Sn或Sn合金的较低熔融相在焊料复合物中，其中金属间化合物是CuSn金属间化合物。在一些实施方案中，助焊剂是环氧助焊剂，且焊料复合物在热产生装置的非金属化表面上和热传递装置的非金属化表面上。

在一些实施方案中，组合件是芯片载体，热产生装置包括管芯，并且热传递装置包括散热器。在一些实施方案中，助焊剂是环氧助焊剂，并且焊料复合物在管芯和散热器的非金属化表面上。

从以下结合附图的详细描述中，本发明的其它特征和方面将变得明显，附图以实例的方式示例了根据本发明的实施方式的特征。发明内容并不意图在限制本发明的范围，本发明的范围仅由所附的权利要求限定。

附图说明

根据一个或多个不同的实施方式，参照所包括的附图详细描述本文公开的技术。所提供的附图仅用于示例的目的，并且仅仅描述了实例实施方案。此外，应该注意到，为了清楚和易于示例，图中的元件不一定按比例绘制。

图1描绘了根据本公开的实施方案的具有焊料膏填充的过孔的PCB基底的简化实例。

图2示例了根据本公开的实施方案的PCB组合件。

图3是示例根据本公开的实施方案的形成PCB基底的方法的实例步骤的操作流程图。

图4是示例根据本公开的实施方案的在经焊料膏回流后的PCB过孔的横截面的显微照片。

图5是示例根据本公开的实施方案的在经焊料膏回流后的PCB过孔的横截面的显微照片。

图6描绘了根据本公开的实施方案的芯片载体的冷却装置，该冷却装置包括热界面材料(TIM)。

图7描绘：i)在左侧，表示半连续的Cu颗粒链网络，其可以在使用根据本公开的TIM执行第一次回流焊接操作之后形成；和ii)在右侧，根据本公开的回流的Cu填充焊料膏的图像的横截面图。

图8是示例根据本公开的实施方案的形成芯片载体的部件的方法的实例步骤的操作流程图。

图9描绘了回流焊接操作的时间-温度曲线。

图10示例了在第一次回流操作之后，根据本公开的焊料复合物的三个不同样本。

图11示例了在第二次回流操作之后，图10的三个样本。

图12示出了在回流后根据本公开的焊料膏的横截面的扫描电子显微镜(SEM)图像。

图13示出了在回流后根据本公开的焊料膏的横截面的SEM图像。

图14示出了在回流后根据本公开的焊料膏的横截面的SEM图像。

图15包括x射线图像，其示出了根据本公开的三个焊料膏样本在以下情况下观察到的空洞性状：i)将焊料膏印刷到陶瓷试片上之后；ii)将盖玻片放置在焊料膏的顶部之后；以及iii)回流焊接焊料膏之后。

图16示出了根据本公开的三个焊料膏样本的记录的差示扫描量热(DSC)曲线。

附图不意图是穷举性的或限制本发明于所公开的确切形式。应当理解为本发明可通过改变和变更来实施，且所公开的技术仅由权利要求及其等同物限定。

具体实施方式

热过孔填充

由于一些常规的焊料膏组合物的组成，它们可能不能用作良好的热过孔填充材料。它们含有约50vol％的助焊剂和约50vol％的焊料粉。然而，在常规的焊料膏回流焊接工艺期间，该膏中的助焊剂成分可能会从金属粉末成分中被排出，留下约50％的原膏体积。因此，如果过孔填充有常规的焊料膏，则回流后形成的焊接接头(solder joint)可仅填充过孔长度(即，基底的深度)的一部分(例如，约50％)。由于焊接接头未到达PCB基底的两个表面，焊接接头填充的热过孔可能无法有效地传递热量。

鉴于以上所述，期望使用焊料膏用于热过孔填充，使得在回流期间，沉积到热过孔中的焊料膏的体积不减小，从而形成到达PCB基底的两个表面的焊接接头。此外，期望使用形成焊接接头——其表现比原始回流温度高得多的熔融温度——的焊料膏，使得填充的热过孔可在后续PCB板组装工艺期间维持其物理形状。

为此，本公开的各种实施方式涉及热过孔填充焊料膏，其在回流焊接期间表现出很少或没有体积损失。根据本公开的各种实施方案，焊料膏包括焊料粉(如锡-银-铜(SAC))、具有比焊料粉更高的熔融温度的高熔融温度金属粉末(例如，Cu粉末)、和助焊剂。高熔融温度金属粉末可被配置为具有显著高于焊料粉的熔融温度，但在回流焊接温度下仍被焊料粉润湿。凭借这种构造，在热过孔被焊料膏填充之后，在回流期间，焊料粉可熔融并润湿到高熔融温度金属粉末，从而形成金属间化合物，该金属间化合物在回流焊接期间和之后保持过孔被填充。

图1描绘了根据本公开的实施方案的具有焊料膏填充的过孔的PCB基底100的简化实例。PCB基底100可以由诸如FR-4的非传导性材料制成，非传导性材料由浸渍有环氧树脂的机织玻璃纤维布制成。PCB基底100可以包括传导性线材或迹线的各种层，电流可以通过传导性线材或迹线流动以联接电子部件。在示例的实例中，PCB基底100包括顶表面层110和底表面层120。多个焊料膏填充的过孔150-1、150-2、150-3、…、150-N(统称为“过孔150(vias 150)”，且单独称为“过孔150(via 150)”)形成将顶表面层110电连接到底表面层120的通孔。过孔150可以包括镀有铜或一些其它传导性材料的筒152、用于在过孔和未与其连接的金属层之间提供空隙的反焊盘(未示出)、以及用于将筒的每个端连接到部件、平面或迹线的焊盘。根据实施方案，过孔150可以是电镀的焊盘内过孔(via-in-pad plated over)(VIPPO)结构、非VIPPO结构、或者这两种类型结构的组合。

尽管在该实例中示例了暴露在PCB基底100的两侧上的填充的通孔型过孔，但是应当理解，在一些实施方案中，PCB基底100可以包括通孔、盲孔、埋孔、或在PCB基底的内部和/或外部层之间提供电连接的其它一些其它类型的过孔的组合。在一些实施方案中，这些其它类型的过孔也可以用本文所述的焊料膏填充。因此，除了顶层110和底层120之外，应当理解，PCB基底100可以包括一个或多个内部层，利用过孔、焊盘、迹线或沿着或通过PCB基底的不同层的表面行进的其它部件，所述一个或多个内部层被电连接。

如图示例，每个过孔150用焊料膏155填充。焊料膏155包括焊料粉、具有比焊料粉更高的熔融温度的高熔融温度颗粒、和助焊剂。焊料膏155在回流工艺期间可以形成为焊接接头。

焊料粉可包括具有一定熔融温度的焊料金属或合金，使得其在典型的回流焊接温度期间熔融。例如，焊料粉可以由液相线或熔融温度在90至450℃范围内的焊料金属或合金组成。在一些实施方案中，焊料金属或合金可由铋(Bi)、铋合金(例如，Bi-Ag合金、Bi-Cu合金、Bi-Ag-Cu合金、Bi-Sn合金、或Bi-In合金)、锡(Sn)、Sn-合金(例如，Sn-Ag合金、Sn-Cu合金、Sn-Ag-Cu合金、或Sn-In合金)、铟(In)、In-合金、或一些其它合适的焊料合金组成。

高熔融温度颗粒是可被焊料粉的焊料润湿的，并且具有显著高于焊料粉的熔融温度的熔融温度。特别地，它们可以具有大于焊料膏的焊接温度的熔融温度。例如，高熔融温度颗粒可具有高于500℃的熔融温度。较高熔融温度颗粒可有助于甚至在接头随后的暴露于原始固化温度/熔融温度、或甚至更高的温度之后，维持形成的焊接接头(例如，形成在过孔中的焊接接头)的热、电、和/或机械完整性而不塌陷。

在一些实施方案中，高熔融温度颗粒可由Cu或Cu合金、Ni或Ni合金、或其某种组合组成。高熔融温度颗粒可以粉末形式被实施。例如，高熔融温度颗粒可作为具有约1085℃的熔融温度的铜粉被实施。

在一些实施方案中，高熔融温度颗粒可具有在从几纳米到数百微米的范围内变化的直径，或其某种组合。

在一些实施方案中，焊料粉和高熔融温度颗粒之间的体积比可以在5:1和1:1.5之间。在一些实施方案中，焊料粉和高熔融温度颗粒之间的体积比在5:1和2:1之间。在具体实施方案中，体积比为约2:1。

在一些实施方案中，焊料膏可包括15-60vol％的焊料粉、8-36vol％的高熔融温度颗粒、和40-60vol％的助焊剂。

如上所述，在回流温度期间，高熔融温度颗粒是可被焊料润湿的。例如，当热过孔填充有根据本公开的实施方案的焊料膏，并且在约240-250℃的峰值温度下回流时，焊料粉可以熔融并润湿到高熔融温度颗粒的固体粉末，以形成金属间化合物层。例如，焊料粉可润湿到固体铜粉并形成金属间化合物层。

在足够高的Cu粉末浓度下，Cu粉末可通过金属间化合物桥被结合到焊料粉并形成Cu粉末网络。因为诸如Cu₆Sn₅的金属间化合物通常表现高熔融温度(例如，450℃或更高)，所以浸渍在液态焊料中的铜粉网络可形成刚性焊料塞，其防止在回流期间整个焊料体的塌陷。因此，凭借该实施方案，热过孔可以在回流工艺之前和之后用焊料膏完全填充。由于焊料粉和铜金属的高热导率，所以当与基底本身相比时，焊料柱可提供显著降低的热阻。

此外，由于形成的铜粉网络，所以当被再加热到高于焊料粉的熔融温度的温度(如240-250℃)时，固体柱可不塌陷。在实施方案中，当焊料粉与铜粉的体积比在5:1和1:1.5之间时，可以最好地实现该效果。如果使用过多的焊料，铜可能不足以形成Cu-粉末-网络以防止焊料塌陷。另一方面，如果使用过多的铜粉，形成金属间化合物桥以将所有Cu-粉末结合至网络中的焊料可能会不足，从而导致可被截留在焊接接头中的铜粉松散，从而导致薄弱的焊接接头。

焊料膏155的助焊剂可以是其中助焊剂保持在焊接接头中的“非清洁”助焊剂(如铟8.9HF或铟10.1HF中含有的助焊剂)、低残留助焊剂(如NC-SMQ75)、或基于聚合物的助焊剂(如环氧助焊剂)。

在聚合助焊剂的实施方案中，助焊剂可以是热或光固化的聚合助焊剂。助焊剂可含有具有用于助焊的附接酸基团的聚合材料。助焊酸基团可在聚合固化期间并入聚合链中，不留下可在焊接接头使用期期间促成腐蚀的剩余酸基团。这可与在固化后可能导致来自剩余酸基团的腐蚀(这可能是不希望的，因为金属氧化物的形成可能随着时间的推移削弱焊接接头，并且损坏热和电通路)的传统焊料膏形成对比。

与传统助焊剂相比，聚合助焊材料还可以提供与基底(例如，过孔的侧壁)更好的结合。例如，传统的且低残留的助焊剂可能留下一些低分子量材料与基底接触，这可能会降低焊接接头的整体完整性。在PCB上的通孔型过孔的情况下，聚合助焊剂可以结合到基底(例如，典型PCB中含有的玻璃纤维和聚合物树脂的交替层)，从而提高整体的接头完整性。

另外，含金属的环氧助焊剂的使用可以消除用铜镀敷通孔型过孔的需要，这可以在PCB的制造期间潜在地节省时间和金钱。

在一些实施方案中，助焊剂可含有100％可固化组分，该100％可固化组分在固化后不损失质量或不减小体积，从而形成刚性固体形状。在这样的实施方案中，可最小化或消除因损失挥发物而导致的空腔形成，并且可确保高热导率。固化的环氧助焊剂和高熔融温度颗粒(例如，Cu)可有助于形成的焊接接头的完整性，从而防止接头的塌陷和焊接接头顶部或底部处的间隙的形成(例如，在填充的过孔的情况下)。固化的聚合物可以填充焊料和高熔融温度颗粒之间的空隙以防止塌陷。

在各种实施方案中，焊料膏的焊料合金可以被配置以在低于环氧助焊剂固化的温度下熔融。在这样的实施方案中，焊料合金和高熔融温度颗粒(例如，Cu)可以在环氧助焊剂固化之前熔合在一起并与基底金属(例如，在金属基底的情况下)形成金属间化合物。例如，在这样的实施方案中可以利用诸如Bi-Sn的低熔融温度焊料合金。

尽管本文描述的焊料膏的一些实施方案主要已经在填充PCB基底的热过孔的上下文中描述，但是应当理解，本文描述的焊料膏可以适用于其它应用。例如，在膏不收缩的情况下，根据本公开的焊料膏可用于桥接PCB上的若干焊盘，如公共接地(common ground)或连续跑道(racetrack)形成。刚性形状可以在固化之后形成，其中迹线中有最小的或没有电、热、和/或机械间隙。更为概括地，本文描述的焊料膏可用作常规焊料膏的替代，以提供(例如，用于PCB上的通孔型过孔)电和/或热导体，而没有常规焊料膏(其含有降低接头的质量和体积的挥发性组分)中有时看到的间隙。

图2示例了根据本公开的实施方案的PCB组合件300。如示例，PCB组合件300包括在接头250(例如，焊接接头)处结合到PCB基底100的部件200。PCB基底包括填充有(例如，在回流根据本公开的焊料膏之后形成的)焊接接头195的过孔。图2的箭头示例了来自部件200并通过PCB基底100的热流。如该实例中所示，在部件200的表面上均匀地产生热，并被PCB基底100的导热表面截获。由于镀在过孔附近表面区域的金属(例如，铜)的高热导率，大部分热量可能会聚到过孔位置。另外，由于焊接接头195相对于PCB基底100的其它材料的高热导率，大部分热量将沿着导热过孔的长度流动，并且在到达基底的底平面时发散。

在实施方式中，部件200可包括有源电子装置(例如，BGA封装、芯片级封装、和倒装芯片封装)；无源电子装置(例如，电阻器、电容器、和发光二极管)；和非电子部件(例如，电连接器、电池夹、散热片、和继电器)。尽管图2的实例示例了连接到PCB基底100的过孔的焊盘内过孔(VIPPO)焊盘的部件200，但应当理解，部件200可以使用非VIPPO焊盘或VIPPO和非VIPPO焊盘的组合而被连接到PCB基底100。

图3是示例根据本公开的实施方案的形成PCB基底的方法400的实例步骤的操作流程图。为了讨论的简单性，可以省略一些步骤。在操作410，在PCB基底中形成过孔。例如，过孔可以被钻孔至PCB基底中。过孔可以以任何合适的图案或阵列形成，以提供在PCB基底的层之间的电连接、和/或提供用于热流的热路径。

在操作420，形成的PCB过孔用焊料膏填充，所述焊料膏包含焊料粉、具有比焊料粉更高的熔融温度的高熔融温度颗粒、和助焊剂。过孔可以通过印刷或一些其它合适的沉积方法来填充。焊料膏可以是本文参考各种实施方案描述的组合物。例如，焊料粉可包括SAC合金或Bi合金，高熔融温度颗粒可包括铜粉，并且助焊剂可包括环氧助焊剂。

在操作430，在用焊料膏填充PCB基底过孔之后，PCB基底可被回流以在填充的过孔中形成焊接接头。PCB基底可被放置在回流炉中，并在合适的温度曲线下回流。在回流期间，焊料可熔融并润湿到高熔融温度颗粒，从而形成金属间化合物，该金属间化合物在回流期间和之后保持过孔被填充。在一些实施方案中，过孔的助焊剂可在焊料开始熔融并与高熔融温度颗粒(例如，Cu)熔合以形成金属间化合物之后进行固化。

在形成焊接接头之后，PCB基底可被结合到部件。形成的过孔的焊接接头可在随后的回流工艺期间保持它们的完整性。

热界面材料

除了其作为热过孔填充材料的用途之外，本文所述的焊料膏作为热界面材料(TIM)也可以是特别有利的。

尽管传统的焊料预成形件和膏由于其良好的导热性可以潜在地用作TIM，但它们可能在需要可焊接的金属化表面方面受到限制。这就需要用焊料表面涂饰剂(finishes)(例如NiAu、贵金属或贵金属合金等)镀敷基底表面，这不可避免地增加了制造成本和时间。此外，传统的焊料膏可能在回流焊期间产生不可接受的助焊剂烟雾，并在回流焊之后产生空隙(例如，由于液体焊接接头内的除气)。由于焊料是良好的热导体，在不需要可焊接的金属化表面的情况下，维持其形状同时在热产生装置(例如，倒装芯片)和热传递装置(例如，散热壳体)之间提供良好表面接触的焊料预制件样材料将是期望的。本文所述的焊料膏——包括焊料粉；具有比焊料膏的焊接温度更高的熔融温度的颗粒，其中焊料膏具有在5:1和1:1.5之间的焊料粉与高熔融温度颗粒的体积比；和助焊剂——可以作为TIM提供这些和其它技术优点。

特别地，本文描述的焊料膏可以在较低温度下被回流焊接，使得只有较低熔融温度的焊料粉回流。例如，如果较低熔融温度焊料粉是熔融温度在217℃和220℃之间的SnAgCu焊料，则在240℃和250℃之间的回流峰值温度可足以处理。此外，本文所述的焊料膏可在随后的回流工艺期间，甚至在原始回流温度下或高于原始回流温度，维持其形状，使得不存在TIM泵出问题。此外，在焊料膏利用作为粘合剂并在固化后成为热固性树脂的环氧助焊剂的情况下，热产生装置和热耗散装置的表面可以不需要可焊接金属化表面(例如NiAu)。

图6描绘了芯片载体600的冷却装置，该冷却装置包括根据本公开的实施方案的TIM630。在该实例中，芯片载体600被描绘为球栅阵列(BGA)组合件。然而，应当理解，TIM630可被利用以在其它芯片载体或表面安装封装中提供TIM，其它芯片载体或表面安装封装包括例如平面网格阵列(LGA)、插针网格阵列(PGA)和类似物。

如示例的，芯片载体600包括焊料球605、基底610、管芯620、TIM 630、散热器640、TIM 650、和散热片660。管芯620可以通过焊线(未示出)被丝焊到基底610的顶表面，并且用诸如环氧基塑料的模塑化合物(未示出)二次注塑。焊料球605的阵列附接到基底610的底侧。该实例中焊料球中的每个被联接到各自的焊盘，该焊盘可以联接到电联接到管芯620的互连体(未示出)。以这种方式，电信号可以在管芯620和其上放置有芯片载体600的PCB之间传导。

散热器640被配置成将能量作为经由TIM 630来自管芯620的热量经由TIM 650传递到散热器660。TIM 630被配置以提供高热导率并将由管芯620产生的热传递到散热器640。TIM 630可以是通过回流焊接如本公开中所述的焊料膏而形成的焊接接头或复合物。TIM650被配置成将热从散热器640传递到散热片660。在一些实施方案中，TIM 650也可以是通过回流焊接如本公开中所述的焊料膏而形成的焊接接头或复合物。

通过回流焊接如本文所述的焊料膏形成TIM 630，可以在芯片载体600的组装期间和之后实现各种优点。首先，尽管管芯620和散热器640之间的热膨胀系数不匹配(这将导致常规TIM挤出接头(即，泵出))，但由于焊料膏中较高熔融温度的颗粒的存在，很少或没有TIM 630的焊料膏的泵出发生。特别地，如上讨论的，通过使用足够高的Cu粉末浓度用作较高熔融温度的颗粒，Cu粉末可以金属间化合物桥被结合到焊料粉，并且形成CuSnIMC桥的网络，以维持焊料的形状并防止泵出。因为诸如Cu₆Sn₅的金属间化合物典型地表现出高熔融温度(例如，450℃或更高)，所以浸渍在液态焊料中的铜粉网络可形成刚性焊料塞，该刚性焊料塞防止在回流期间整个焊料体的塌陷。这被图7示例，图7显示：i)在左侧，表示半连续的Cu颗粒链网络，其可以在执行第一次回流焊接操作以经由TIM 630将管芯620结合到散热器640之后形成；以及ii)在右侧，根据本公开的回流的Cu填充焊料膏的图像的横截面视图。为了使焊料复合物在随后的回流操作期间再加热到高于焊料的熔融温度的温度时不塌陷，焊料膏可以具有在5:1和1:1.5之间的焊料粉与Cu颗粒(例如，粉末)的体积比。如果使用太多的焊料，Cu颗粒网络的浓度可能太低而不能保持焊料(例如SnAgCu焊料)不塌陷。另一方面，如果使用太多铜颗粒，则所有焊料可能被完全消耗。

第二，通过使用本文所述的焊料膏来形成TIM 630，可以不需要在管芯620和散热器640两者上具有可焊金属化表面(例如，贵金属涂层)。例如，焊料膏可以直接施加在硅酮管芯的硅酮表面上。在这样的实施方案中，本文所述的焊料膏可利用在回流焊接期间可固化并促进焊料粉的润湿的环氧助焊剂，从而消除了对金属化表面的需要。可选地，在管芯620和散热器640具有金属化表面的实施方案中，TIM 630的焊料膏可以利用环氧助焊剂或常规助焊剂。第三，在焊料膏利用非挥发性环氧助焊剂的实施方案中，可以避免由于使用传统助焊剂而产生的除气所导致的空洞。

图8是示例根据本公开的实施方案的形成芯片载体的部件的方法800的实例步骤的操作流程图。在操作810，在管芯上分配焊料膏，焊料膏包括：焊料粉；具有比焊料膏的焊接温度更高的熔融温度的颗粒，其中焊料膏具有在5:1和1:1.5之间的焊料粉与高熔融温度颗粒的体积比；和助焊剂。在一些实施方案中，高熔融温度颗粒是铜颗粒、镍颗粒、银颗粒、或金颗粒。在一些实施方案中，焊料粉包括诸如SnAgCu粉末(例如，Sn96.5/Ag3.0/Cu0.5(SAC305)粉末)或SnPb粉末的Sn合金。在一些实施方案中，焊料合金可以是BiSnAg合金。在一些实施方案中，助焊剂是环氧助焊剂，其在回流焊接期间促进焊料粉的润湿，并且消除了对芯片载体或散热器壳体上的金属化表面涂饰剂的需要。在一些实施方案中，焊料合金和助焊剂的体积比约为1:1。

在操作820，将散热器壳体放置在焊料膏上以形成组合件。在操作830，回流焊接组合件以在管芯和散热器之间由焊料膏形成焊接接头或复合物。在一些实施方案中，在240℃和250℃之间的峰值温度下回流焊接组合件。在回流焊接期间，焊料粉可熔融并润湿到高熔融温度颗粒(例如，固体铜粉)以形成金属间化合物层。在适当浓度的Cu粉末颗粒(总金属的17-60vol％)的情况下，可以形成如上所述参考图7的连续或半连续的Cu颗粒链网络。如上所讨论的，因为金属间化合物(如Cu₆Sn₅)，典型地表现出450℃或更高的熔融温度，所以液态焊料中的连续或半连续的Cu颗粒链网络可防止焊料复合物在被再加热到回流焊接温度时的塌陷。以这种方式，焊料复合物能够经受随后的表面安装技术回流而不变形。

在各种实施方案中，在回流焊接之后，焊料的低熔融温度相保持在焊料复合物中。如下讨论的，甚至在随后的回流焊接工艺之后，这种低熔融温度相仍可保持。

在操作840，可在组合件上执行随后的回流焊接工艺，以向组合件添加附加的部件。Cu颗粒链网络的存在可允许焊接接头在随后的回流工艺期间，甚至在峰值回流温度处于或高于焊料粉的熔融温度时维持其形状并防止塌陷或泵出。使用即时TIM执行第二次回流或甚至两次以上回流的能力是与传统的热润滑脂相比可以实现的优点。

在其中利用Sn焊料合金作为焊料粉的实施方案中，焊料复合物TIM对管芯和散热器表面的提高的顺应性可以借助于锡的柔软性来实现。例如，Sn96.5/Ag3.5具有比CuSn金属间化合物的杨氏模量(通常在110至150Gpa的数量级)低得多的杨氏模量(在室温下约50Gpa)。这可使TIM焊料复合物对应力较不易碎(例如，提高剪切强度)。

实验结果

实施例1：使用非清洁助焊剂的焊料膏

在一个实施例中，通过混合12g铟8.9HF助焊剂、58g Sn96.5/Ag3.0/Cu0.5(SAC305)粉末、和30g铜粉制备了焊料膏。SAC305与铜粉的体积比为约2:1。通过印刷，膏用于填充直径为14密耳的PCB的通孔型过孔。通孔型过孔被填充后，在通常用于回流SAC305焊料膏的时间-温度曲线的情况下，将PCB放入对流回流炉中。图4示例在经焊料膏回流后PCB过孔横截面的显微照片。如示例的，过孔自上而下被填充，且焊接接头体是半连续的。半连续焊料体提供了有效的导热性金属传导路径。

实施例1的相同焊料膏被回流，并且然后被磨削成薄圆盘形状。通过

仪器测量了焊料接头的热导率，其结果在25℃下的热导率读数为4.0Wm^-1K^-1。相比之下，常规FR-4基底具有大约为0.1Wm^-1K^-1的热导率。因此，当用于填充PCB基底的热过孔时，该焊料膏可提供显著降低的热阻。

当将上述圆盘被再加热到260℃时，未观察到塌陷。因此，具有这样的膏填充的热过孔的PCB基底可以经受随后的表面安装技术处理。

实施例2：使用环氧助焊剂的焊料膏

在一个实施例中，通过混合12g环氧助焊剂、58g SAC305粉末、和30g铜粉制备了焊料膏。SAC305与铜粉的体积比为约2:1。通过印刷，膏用于填充直径为14密耳的PCB的通孔型过孔。通孔型过孔被填充后，在通常用于回流SAC305焊料膏的时间-温度曲线的情况下，将PCB放入对流回流炉中。图5示例在经焊料膏回流后PCB过孔的横截面的显微照片。如示例的，过孔自上而下被填充，且焊接接头体是半连续的。半连续焊料体提供了有效的导热性金属传导路径。在本实施例中，通过使用固化的环氧助焊剂，较少的空腔在焊接接头体中形成。在25℃下测量了焊接接头的热导率为8.6Wm^-1K^-1，表明比前面的实施例更高的热传导效率。

实施例3：使用环氧助焊剂的额外焊料膏

在另一个实施例中，通过混合SAC305 4型粉末、具有粒径为10至25微米的球状颗粒的Cu粉末、和铟的756-72环氧助焊剂制备了三种焊料膏样本。三个样本(EP1、EP2和EP3)的组成和浓度列于下表1中。

表1

样本	EP1	EP2	EP3
				SAC305/Cu体积比	5/1	2/1	1/1.5
金属的Cu vol％	17	33	60
				756-72环氧助焊剂(g)	7.2	7.2	7.2
SAC305 4型(g)	42.5	32.9	18.7
				Cu(10-25u)(g)	10.3	19.9	34.1
总计(g)	60	60	60

焊料膏EP1、EP2和EP3中的每种被分配到直径为28mm的铝盘中，然后使用BTUVIP-70对流炉进行回流焊接，在250℃的峰值温度和氮气气氛的情况下运行时间-温度曲线。通过图9描绘时间-温度曲线。

图10示例了第一次回流操作后的三个样本。当与原始焊料膏体积相比时，冷却至室温后，由EP1形成的焊料复合物表现出非常轻微的体积减少。EP2和EP3没有表现体积减小。

在第一次回流操作之后，圆盘形焊料复合物被转移到较大的托盘中，并被放置在BTU炉中，以便在相同条件下进行第二次回流。图11示例了第二次回流操作之后的三个样本。如所示，三种复合物均未重熔，且它们的尺寸和形状均未发生变化。EP1有少量助焊剂挤出(泵出)。EP2和EP3没有表现出任何泵出。

图12示出了回流后EP1的横截面的扫描电子显微镜(SEM)图像。图13示出了回流后EP2的横截面的SEM图像。图14示出了回流后EP3的横截面的SEM图像。如示例的，焊料复合物具有连续或半连续的Cu颗粒链网络结构。

使用了EP1、EP2和EP3的样本以在FR4(非金属)和Cu试片之间形成焊接接头。夹在FR4之间或Cu试片之间的焊接接头的平均测得的剪切强度(psi)如表2所示。

表2

环氧助焊剂可在本文所述的焊料膏中提供两个重要功能。首先，因为它是环氧树脂，所以由于它在固化后变成热固性树脂，它提供了粘合功能。第二，它具有焊料助焊能力，使得可润湿的Cu/Cu表面在回流工艺后可以通过焊料被结合在一起。Cu/Cu的剪切强度远高于FR4/FR4的剪切强度，表明在这种具体的环氧助焊剂(756-72)中焊料助焊能力占主导地位。通过改进环氧助焊剂配方，可以使焊料膏与非金属表面(如FR4)的粘附性更强。另一方面，如果两个基底表面都有金属化涂饰剂，则在焊料膏配方中使用普通焊料助焊剂代替环氧助焊剂就足够了。

通过以下方法研究了EP1、EP2和EP3中每个的夹在中加的复合物的空洞性状：i)将焊料膏印刷到陶瓷试片上；ii)将盖玻片放置在焊料膏的顶部；以及iii)回流焊接焊料膏。然后在X射线下检查了样本。图15包括显示该研究结果的X射线图像。如示例的，所有焊料膏显示出低空洞。应该注意的是，环氧助焊剂756-72不是100％无溶剂配方，并且它不是100％可固化的。预期通过环氧配方的改进，可以实现甚至更低的空洞结果。

下表3显示了通过ASTM D5470测量的EP1、EP2和EP3的焊料复合物在20℃和36℃下的热导率k。

表3

样本	EP1	EP2	EP3
				金属的Cu vol％	17	33	60
在20℃下的k(W/mK)	2.9	5.2	6.1
				在36℃下的k(W/mK)	2.9	6.1	6.4

因为Cu的k(385W/mK)远高于SAC305焊料的k(58.7W/mK)，所以复合物的热导率k随Cu含量增加。

对EP1、EP2和EP3的样本进行了差示扫描量热法(DSC)研究。在DSC研究期间，通过将膏样本加热到250℃，并在该温度下保持两分钟，然后将样本冷却到25℃模拟了第一个回流循环。重复了该过程以模拟第二个回流循环。然后将样本以20℃/min加热至450℃，并记录了DSC谱。图16显示了EP1、EP2和EP3的记录的DSC曲线。从曲线上观察到，所有两次回流膏均存在SAC的低熔融相，其中熔融峰值为217-220℃。这种低熔融相的持续存在可使TIM较不易碎。EP3在217-220℃下观察到的非常小的峰表明，进一步增加膏配方中的Cu含量可能导致峰消失。

尽管上面已经描述了所公开技术的不同实施方式，但应该理解它们仅仅作为实例呈现，而不是限制。同样，不同图表可描绘所公开技术的实例架构或其它配置，这样做的目的是帮助理解所公开技术中可包括的特征和功能。所公开的技术不限于示例的实例架构或配置，而是可使用多种可替换的架构和配置实施所期望的特征。事实上，对于本领域技术人员来说，如何实施可替换的功能、逻辑或物理划分和配置以实现本文所公开技术所期望的特征是明显的。此外，除了本文描述之外的众多不同组成模块名称可适用于不同划分。另外，对于流程图、操作说明和方法权利要求，除非上下文另外规定，否则本文所呈现的步骤的顺序不应强加于以相同的顺序来实施不同实施方式以执行所述功能。

尽管上文根据不同示例性实施方式和实施方案，描述了所公开的技术，但应该理解在一个或多个单独实施方式中描述的不同特征、方面和功能的适用性不限于描述它们的特定实施方式，反而地，可以单独或以各种组合应用到所公开技术的一个或多个其它实施方式中，无论这些实施方式是否被描述和无论这些特征是否作为所描述的实施方式的一部分呈现。因此，本文所公开技术的宽度和范围不受上文所描述的示例性实施方式中的任何的限制。

除非另有明确说明，本文中使用的术语和短语及其变型应当被解释为开放性而不是限制性的。如前述的实例：术语“包括”应当理解为“非限制性地包括”或类似意思；术语“实例”用于提供所讨论项目的示例性例子，并不是其详尽的或限制性的列举；术语“一个(a或an)”应当被理解为“至少一个”、“一个或多个”或类似意思；形容词如“常规的”、“传统的”、“正常的”、“标准的”、“已知的”以及类似含义的术语不应当被解释为限制所描述的项目于给定的时间段或在给定的时间内可用的项目，反而应该理解为包括现在或未来任何时间可用的或知晓的常规的、传统的、正常的或标准的技术。同样，本文中所指的对于本领域普通技术人员明显或已知的技术包括现在或未来任何时间对于本领域技术人员明显的或知晓的那些技术。

在一些情况下，存在宽泛词语和短语，如“一个或多个”、“至少”、“但不限于”或其它类似短语，不应该被理解为意指在这些宽泛短语可能不存在的实例中，预期或期望较窄的个例。术语“模块”的使用并不是意味着所描述的或要求保护作为模块的一部分的部件或功能都在共同封装中被配置。实际上，不管是控制逻辑或其它部件，模块的多个部件中的任一个或所有都可以在单一封装中被组合或分开地被维持，并且可以进一步在多个分组或封装中，或横跨多个位置分布。

另外，根据示例性框图、流程图和其它示例描述本文阐述的不同实施方式。对于读完本文的本领域的普通技术人员明显的是可以实施该示例的实施方式及其不同可替代方案，而不限于示例的实例。例如，框图及其所附说明不应当解释为强制要求特定的架构或配置。

Claims (20)

1.方法，包括：

在热产生装置的表面和热传递装置的表面之间施加焊料膏以形成组合件；以及

回流焊接所述组合件以形成焊料复合物，其中所述焊料复合物在所述热产生装置和所述热传递装置之间提供热界面，

其中所述焊料膏包括：焊料粉；具有比所述焊料膏的焊接温度更高的熔融温度的颗粒，其中所述焊料膏具有在5:1和1:1.5之间的焊料粉与高熔融温度颗粒的体积比；和助焊剂。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述颗粒包含铜或铜合金粉末，其中在回流期间，所述焊料粉熔融并润湿到所述铜或铜合金粉末以形成包含铜的金属间化合物。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述焊料粉包含Sn或Sn合金，其中所述Sn或Sn合金的低熔融相保留在所述焊料复合物中，其中所述金属间化合物是CuSn金属间化合物。

4.根据权利要求3所述的方法，其中回流焊接所述组合件包括在250℃或更低的峰值温度下回流焊接所述组合件。

5.根据权利要求3所述的方法，进一步包括：在形成所述焊料复合物之后，在所述焊料粉的熔融温度或高于所述焊料粉的熔融温度下对所述组合件进行第二次回流焊接，其中所述金属间化合物被配置以防止在所述第二次回流焊接所述组合件时焊料从所述焊料复合物中泵出。

6.根据权利要求3所述的方法，其中所述助焊剂是环氧助焊剂，其中施加所述焊料膏包括将所述焊料膏施加在所述热产生装置的非金属化表面上和所述热传递装置的非金属化表面上。

7.根据权利要求6所述的方法，其中在回流期间，在所述焊料粉熔融并润湿到所述铜或铜合金粉末以形成所述金属间化合物之后，所述环氧助焊剂固化。

8.根据权利要求1所述的方法，其中所述焊料膏具有在5:1和2:1之间的焊料粉与高熔融温度颗粒的体积比。

9.根据权利要求1所述的方法，其中所述热产生装置包括管芯，其中所述热传递装置包括散热器。

10.根据权利要求9所述的方法，其中施加所述焊料膏包括：

在所述管芯上分配所述焊料膏；以及

将所述散热器壳体放置在所述焊料膏上以形成所述组合件。

11.根据权利要求10所述的方法，其中所述助焊剂是环氧助焊剂，其中分配所述焊料膏包括在所述管芯的非金属化表面上分配所述焊料膏。

12.组合件，包括：

热产生装置；

热传递装置；和

在所述热产生装置和所述热传递装置的表面之间的焊料复合物，其中所述焊料复合物在所述热产生装置和所述热传递装置之间提供热界面，其中所述焊料复合物通过回流焊接焊料膏形成，所述焊料膏包括：焊料粉；具有比所述焊料膏的焊接温度更高的熔融温度的颗粒，其中所述焊料膏具有在5:1和1:1.5之间的焊料粉与高熔融温度颗粒的体积比；和助焊剂。

13.根据权利要求12所述的组合件，其中所述焊料粉包括Sn或Sn合金，其中所述颗粒包括铜或铜合金粉末，其中所述焊料复合物包括CuSn金属间化合物。

14.根据权利要求13所述的组合件，其中所述锡或锡合金的低熔融相在所述焊料复合物中，其中所述金属间化合物是CuSn金属间化合物。

15.根据权利要求15所述的组合件，其中所述助焊剂是环氧助焊剂，其中所述焊料复合物在所述热产生装置的非金属化表面上和所述热传递装置的非金属化表面上。

16.根据权利要求12所述的组合件，其中所述组合件是芯片载体，其中所述热产生装置包括管芯，其中所述热传递装置包括散热器。

17.根据权利要求16所述的组合件，其中所述助焊剂是环氧助焊剂，其中所述焊料复合物在所述管芯和散热器的非金属化表面上。

18.根据权利要求12所述的组合件，其中所述焊料膏具有在5:1和2:1之间的焊料粉与高熔融温度颗粒的体积比。

19.通过一种工艺形成的焊料复合物，所述工艺包括：

在热产生装置的表面和热传递装置的表面之间施加焊料膏以形成组合件；以及

回流焊接所述组合件以形成所述焊料复合物，其中所述焊料复合物在所述热产生装置和所述热传递装置之间提供热界面，

其中所述焊料膏包括：焊料粉；具有比所述焊料膏的焊接温度更高的熔融温度的颗粒，其中所述焊料膏具有在5:1和1:1.5之间的焊料粉与高熔融温度颗粒的体积比；和助焊剂。

20.根据权利要求19的所述焊料复合物，其中所述焊料粉包含Sn或Sn合金，其中所述颗粒包含铜或铜合金粉末，其中所述焊料复合物包含CuSn金属间化合物。

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