CN1313636A - 用以改善粘接效果的管帽粘接面的改进 - Google Patents

用以改善粘接效果的管帽粘接面的改进 Download PDF

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Abstract

一种可以通过结构环氧树脂粘接剂与电子器件接合的电子结构。电子结构包括在金属片上的一矿物层、在矿物层上的一助粘剂层。金属片含有镀有或未镀金属层的金属物质,其可以包括如不锈钢、铝、钛、黄铜、镀镍黄铜和镀铬黄铜等。矿物层包括一种源自矿物的化学物质,如来自石英的SiO2。化学物质可以包括如二氧化硅、氮化硅和碳化硅等,其可以晶态或非晶态形式存在。助粘剂可以包括如硅烷、钛酸盐、锆酸盐和铝酸盐等。

Description

用以改善粘接效果的管帽粘接面的改进
本发明涉及一种结构及其成型方法，其中金属片经过表面处理而利于粘接。
在电子结构中，将电子器件(如芯片)粘接到电子器件载体(如芯片载体或电路板)上一般存在着电子器件与电子器件载体之间的热膨胀系数(CTE)不匹配的现象。例如，硅芯片可以通过受控压扁的芯片连接(C4)钎焊球被粘到有机芯片载体上，从而热固化的刚性热固材料裹住C4钎焊球并通过机械方式将芯片与芯片载体连接起来。硅芯片的CTE一般为2ppm/℃-3ppm/℃，而有机芯片载体的CTE一般为17ppm/℃-18ppm/℃。当有机芯片载体比芯片更强烈地热胀冷缩时，机械连接结构通过使有机芯片载体沿着离开芯片的方向向下凹弯来响应于温度由刚性热固材料的固化温度(如130℃)开始的下降，由此在芯片载体中产生了“下皱眉”(“frown”)形状。由于芯片载体可能在其底侧面上具有球栅阵列(BGA)以便将芯片载体连接到电路板上，所以芯片载体向下凹弯表现出偏离了对BGA钎焊球上施加应力的平面。这样的应力可能扭曲BGA钎焊球的形状并使BGA钎焊球遭受因热循环引起的过早疲劳损坏。
目前用于缓解上述CTE失配问题的方法利用了金属片(或管帽)、如不锈钢片，它被设置成与电子器件(如芯片)的上表面和电子器件载体(如芯片载体)的上表面粘接。这种粘接可以通过使用热固型结构粘接剂来完成。该方法的设置取决于使用其与电子器件的CTE失配同电子器件与电子器件载体之间的CTE失配相差不大的金属片。例如，CTE值约为17ppm/℃的不锈钢片可以被布置成与其CTE一般约为2ppm/℃-3ppm/℃的硅芯片粘接。在不锈钢片比芯片更强烈地热胀冷缩时，机械连接结构通过使该不锈钢片沿离开芯片的方向向上凹弯来响应于温度由刚性热固材料的固化温度(如130℃)开始的下降，由此在芯片载体中产生了“上展眉”(“smile”)形状。金属片与芯片之间的机械连接与芯片和芯片载体之间的机械连接一致地使金属片中的应力传递给芯片载体。结果，芯片载体承受着相反的比较大的应力，即与上展眉有关的应力和与下皱眉有关的应力。这些相反的应力彼此抵消，由此使芯片载体几乎成平面状(而不是成弯曲形状)。由于相反应力相互抵消，所以所形成的形状就象是一根受力弹簧，如果金属片脱离芯片，则这根弹簧可能“爆裂”。因此，在金属片与电子器件载体(如芯片载体)之间的粘接必须坚固持久。
不锈钢片与硅芯片之间的直接粘接是不容易实现的。目前用于促成不锈钢片与硅芯片之间的粘接的方法包括：从金属片表面上以化学方式清理掉有机物碎屑，从金属片表面上蚀刻掉一层不锈钢材料以增加表面粗糙度并改善随后的粘接，将一层助粘剂如硅烷涂覆到蚀刻后的不锈钢表面上。接着，通过使用结构环氧树脂粘接剂将金属片与芯片和芯片载体粘接起来。遗憾的是，上述粘接方法没有可靠地产生稳定的结果。尤其是，助粘剂在其覆盖不锈钢蚀刻面的区域内留下了间隙。因此，助粘剂与不锈钢表面之间的化学连接强度随时间推移而消减。结果，金属片可能过早地与环氧树脂粘接剂分开。
人们需要一种方法来在金属管帽和电子器件载体之间获得坚固持久的粘接。
本发明提供一种电子结构，它包括：一个金属片；一个与该金属片粘接的矿物层；一个与该矿物层粘接的助粘剂层。
本发明还提供一种形成电子结构的方法，它包括：提供一个金属片；在该金属片上形成一矿物层；以及在该矿物层上形成一个助粘剂层。
本发明的优点是在金属片与电子器件之间形成强力粘接。本发明有利地促进了助粘剂连续均匀地覆盖在金属片上。本发明的附加优点是提供了一种从电子器件散热的手段。
图1示出了根据本发明的优选实施例的金属片的侧剖视面。
图2示出了带有附加矿物层的图1所示结构。
图3示出了根据优选实施例的溅镀(sputtering deposition)室。
图4示出了带有附加助粘剂层的图2所示结构。
图5示出了带有与电子器件和电子器件载体粘接的金属片的图4所示结构。
图6示出了加楔实验的布置情况。
图1示出了一块金属片10的侧剖视图，该金属片具有上表面12和侧面14。上表面12和侧面14在角16处交汇。金属片10含有涂有或未涂覆金属涂层的包括金属的金属物质。金属物质尤其是可以包括不锈钢、铝、钛、黄铜、镀镍黄铜和镀铬黄铜。在金属物质中含有金属，这能够使金属片10具有足够高的导热性能以便有效地为随后要与金属片粘接的电子器件如芯片散热。具有本发明结构的金属片可以具有与金属物质的弹性模量和金属片随后与之连接(见图5，它示出了与电子器件载体60连接的金属片10)的电子器件载体(如层状芯片载体)的厚度相符合的任何厚度。金属物质的弹性模量与电子器件载体的厚度都与金属片的力平衡效果有关，这早在相关技术中已经提到了。对于厚度约为25密耳-35密耳的不锈钢片和层状芯片载体来说，金属片的厚度最好为5密耳-10密耳。2密耳-20密耳的片厚通常是可接受的，这要取决于金属物质的弹性模量和电子器件载体的厚度。
最好先分以下两个步骤来清理金属片的上表面12和侧面14。第一步是通过化学方式清理上表面12和侧面14以便除去有机物碎屑、如油。第二步是溅蚀上表面12和侧面14以便分别除去上表面12和侧面14的表面层。当对所除层的厚度无固有限制时，通过除去50埃-1000埃厚的层来进行溅蚀不锈钢片的实验。任何已知的溅蚀方法都可被采用，如在低压室(如2×10-4psi)内的溅蚀，当金属片10通过输送皮带经过该低压室时，用高能氩气溅蚀上表面12和侧面14。或者，可以在工作室内的固定位置上将金属片10保持一段预定时间。低压用于消除来自工作室的空中悬浮杂质。在进行了前两个清理步骤后，金属片的上表面12和侧面14已可用于其它表面处理了。
图2示出了在金属片10的上表面12和侧面14上形成了一矿物层20之后的图1情况。矿物层20包括源自矿物的化学物质，如来自石英的SiO2。这样的化学物质特别是包括二氧化硅、氮化硅和碳化硅。这样的化学物质可以以任何晶态或非晶态形式存在。矿物层20具有一个与金属片10的上表面12和侧面14粘接的底面22。矿物层20的上表面24是暴露的。
下面这样的实施例也落在本发明的范围内，即：其中矿物层20覆盖整个上表面12或部分上表面12，但丝毫没有覆盖侧面14。尽管如此，矿物层20最好还是如图2所示地覆盖整个上表面12及侧面14。在矿物层20覆盖整个上表面12的情况下，它还覆盖侧面14，这在金属片10随后被粘接到电子器件载体上时防止了在金属片10的角部16出现高度应力集中。
任何已知的方法可被用于在金属片10上形成矿物层20。图3示出了这样的方法，即：在金属片10的上表面12及其侧面14上溅镀矿物质分子170、如SiO2。图3示出了带外罩110的简化的溅镀室100。图3所示的溅镀室100包括石英靶140，它用作SiO2分子源。首先，将溅镀室100抽成真空以去除杂质。一个进气口150允许氩气(Ar)160(或其它可用气体如氧气O2)进入溅镀室100。氩气160被离子化并通过由负电压源200产生的作用而被加速，从而高能氩离子撞击石英靶140，造成SiO2分子170被撞出并从石英靶140中射出并随后沉积到金属片10的上表面12上。金属片10在输送皮带120上沿方向130经过溅镀室100。或者，输送皮带120可以代表一个固定平台，因而在经过一段预定时间后，终止溅镀过程。
溅镀工艺应被控制以便镀覆上最小层厚约为50埃的矿物层，从而确保连续覆盖金属片10的上表面12和侧面14。矿物层的最大厚度取决于在矿物层中的有关化学物质的分子结构性能。例如，约厚2000埃的矿物层保护了含SiO2晶体的石英层的结构整体性。为保存起见，优选10埃-1000埃厚的石英层。
图4示出了在经过助粘剂如硅烷的处理而在矿物层20上形成一助粘剂层30后的图2情况。助粘剂层30的底面32与矿物层20的上表面24粘接在一起。助粘剂层30可以通过本领域已知的任何方式被制成具有适当的均匀厚度。例如，覆有SiO2的金属片10可以被浸泡在硅烷溶液中，随后脱去多余溶液并在适当温度下干燥几分钟(如在80℃-100℃下干燥15分钟-20分钟)。助粘剂层30应该薄到足以与随后涂覆的结构粘接剂良好粘接的程度。尤其是，助粘剂层30的厚度应该为1到50个分子层。助粘剂尤其是可以包括任何硅烷助粘剂。参见普鲁德曼(Plueddemann)的“硅烷粘接剂”(“Silane CouplingAgents”)，普兰姆出版社，1982。例如，可用的硅烷助粘剂类型包括：
    类型     例子
E-P-Si-(OCH3)3 3-环氧丙氧丙基三甲氧基硅烷
E-P-Si-(OC2H5)3 3-环氧丙氧丙基三乙氧基硅烷
A-P-Si-(OCH3)3 3-(2-氨基乙基)丙基三甲氧基硅烷
A-P-Si-(OC2H5)3 3-(2-氨基乙基)丙基三乙氧基硅烷
其中P代表丙基，E代表环氧基，A代表氨基。在上述硅烷类中选择E或A影响着硅烷在与结构环氧树脂材料(见以下对图5的描述，它与用于将本发明的金属片和电子器件如芯片粘接的结构环氧树脂粘接剂有关)接触时反应的条件。例如，环氧丙氧基将与结构环氧树脂中的固化剂反应，从而可能需要升高温度以促成反应，这取决于固化剂的性能。相反，氨乙基本身就是固化剂，它将在室温下与环氧材料反应。本发明可用的其它助粘剂包括钛酸盐、锆酸盐和铝酸盐。
在金属片10与助粘剂层30之间存在矿物层20，这有助于助粘剂层30与金属片10更强地化学连接。而在相关技术中，没有中间矿物层。因此，在相关技术中，助粘剂层(如硅烷)直接成型于金属片(如不锈钢片)上，因此在金属片与助粘剂层之间存在强离子性的化学连接。这样的化学连接经受了水解作用并因此在有水分的情况下很脆弱。在设置了本发明的矿物层20的情况下，在矿物层20与所添加的助粘剂之间、如在SiO2与硅烷之间，存在共价键连接。这样的共价键连接是耐水的。因此，本发明的结构不易因存在水分而受到破坏。
图5示出了在金属片10与电子器件载体如模块80粘接在一起后的图4情况，包括与电子器件载体粘接的电子器件。模块80包括芯片50和芯片载体60，其中芯片50通过C4钎焊球55与芯片载体60电连接。一种坚固的热固型密封材料58在芯片50和芯片载体60之间产生了坚固的机械连接。在芯片载体60的底面44上的球栅阵列66有助于随后将模块80粘接到第二电子器件载体如电路板上。金属片10通过粘接结构40被粘接到模块80上，所述粘接结构使助粘剂层30的上表面34与芯片50的上表面52和芯片载体60的上表面62相连。这样的粘接可以通过任何已知的方法实现。一种可采用的方法包括在用硅烷处理芯片上表面52和芯片载体上表面62之后用结构环氧树脂粘接剂来完成上述粘接。结构环氧树脂粘接剂在固化后变成粘接结构40。
加楔实验显示出矿物层促进了不锈钢片与所涂环氧树脂粘接剂之间的粘接效果。实验前阶段是通过化学处理7密耳厚的不锈钢片以便除去有机物杂质而开始的。随后，通过射频蚀刻方式而在低压(约为2×10-4psi)蚀刻室内用高能氩气从金属片上除去一层不锈钢。所除层的厚度约为300埃-800埃。上述化学清理和蚀刻步骤用于在不锈钢片上产生清洁的可粘合表面。随后，在通过输送皮带使金属片匀速经过溅镀室时，通过在溅镀室中用氩气，在该不锈钢片的清洁表面上溅镀上均匀的一层SiO2。SiO2层的厚度为300埃-600埃。在通过循环氮气将金属片冷却到约100℃后，金属片被浸泡到3-环氧丙氧丙基三甲氧基硅烷或3-(2-氨基乙基)丙基三甲氧基硅烷的稀释液中(即小于2％)。多余的硅烷被吸走并在约为80℃-90℃的干燥室内将粘性硅烷烘干15分钟-20分钟。所形成的金属片在经过上述实验前处理后将被称为“实验片”。按照与上述相同的方式但省去SiO2层溅镀步骤产生了“控制实验片”。
在加楔实验中，如图6所示，第一实验片300以夹持方式利用含有结构粘接剂的界面粘接层340被机械接合到第二实验片320上，结果形成了接合结构350。第一实验片300和第二实验片320的厚度(t)都大约为7密耳并且在接合结构中以大约4密耳的间隙(g)相互分开。环氧树脂粘接剂340被固化，厚度(T)约为12密耳的楔片360作为楔子被插入第一实验片300与第二实验片320之间并通过产生约50焦耳/平方米的开裂能而使第一实验片300与第二实验片320之间的界面接合受压。在楔片360引起的应力下，接合结构350在70℃和60％的相对湿度条件下经过24小时，以便模拟并加快通常出现在工作的电子组件中的真实热负荷的作用。接着，除去楔片360并使接合结构350的界面粘接层340承受应力，该应力包括过多水分、机械应力、热循环和蒸汽压力的综合效果。上述应力是在前后三个步骤中产生的：烘干步骤，浸泡步骤和加热步骤。在烘干步骤中，接合结构350在125℃下被烘烤了24小时，以便从接合结构350中驱除水分。在浸泡步骤中，接合结构350在85℃下暴露在85％的相对湿度环境下。多余水分会渗透并软化界面粘接层340。在加热步骤中，楔片360被重接插入，从而以约3焦耳/平方面的开裂能产生机械应力，随后是三个连续的加热周期。在每个加热周期内，接合结构350被加热到200℃以上，并在高温下保温约一分钟，随后在离开加热源后被冷却到室温。通过提高粘接剂的CTE并降低了其弹性模量，加热周期使接合结构350中的粘接接合承受应力。加热周期还蒸发了在界面粘接层340中的多余水分，由此产生了进一步使界面粘接层340承受应力的蒸汽压力。
在施加了上述应力后，采用“剥离”步骤来检验界面粘接层340的最终强度。尤其是，对楔片360施加力以使楔片360在方向380上移向界面粘接层340，直到第一实验片300与第二实验片320分开为止。第一实验片300的表面和第二实验片320的表面经检验而确定了某个给定实验片(300或320)在与另一个实验片分离而变成没有粘接剂时的粘接剂覆盖面积的百分比(P)。如果实验片300、320中的至少一个的P超过30％，则实验“失败”，否则的话，实验“通过”。当每次用四个相同的试样进行四次实验并且使用普通实验片(即覆有SiO2层)时，总是能通过实验。确切地说，无论使用3-环氧丙氧丙基三甲氧基硅烷或3-(2-氨基乙基)丙基三甲氧基硅烷，每个试样的P都是0％。相反地，当每次用四个相同的试样并用控制实验片(即没有SiO2层)进行七次控制实验时，当使用3-环氧丙氧丙基三甲氧基硅烷时，总是没有通过实验，而在使用3-(2-氨基乙基)丙基三甲氧基硅烷时，约有一半的成功机会。因此，上述加楔实验结构显示出了本发明的矿物层(如SiO2层)对促进和保持与经硅烷处理过的金属片的强力粘接效果。
还值得注意的是，在另一个实验中，即在接柱拉拔实验中，与本发明有关的环氧树脂粘接剂能够承受高达10000psi的拉应力。而在接柱拉拔实验中，柱头通过环氧树脂粘接剂与实验片粘接。为了将接柱拉离实验片，施加更高的拉应力，直到接柱脱离实验片为止。对二十四个实验片对应于与上述表中的1-6号实验有关的蚀刻厚度和溅镀厚度进行实验，并且每次只对四个试样进行实验。在这二十四个实验片中，实现接柱分离所需的拉应力数值为9380psi-11120psi。对于所有二十四个实验片来说，很重要的是，环氧树脂层在接柱开始分离时产生破碎而SiO2层未受损。
尽管在此为了说明起见而描述了本发明的优选和特定的实施例，但是对于本领域的普通技术人员来说，显然可以有许多修改和变动。因此，后续权利要求书被指定用于包含所有这样的落在本发明的精神和范围中的修改和变动。

Claims (19)

1．一种电子结构，它包括：
一个金属片；
一个与该金属片粘接的矿物层；以及
一个与该矿物层粘接的助粘剂层。
2．如权利要求1所述的结构，其特征在于，所述矿物层含有选自二氧化硅、氮化硅和碳化硅的矿物质。
3．如权利要求1所述的结构，其特征在于，所述矿物层的厚度约为50埃-2000埃。
4．如权利要求1所述的结构，其特征在于，所述金属片包括选自不锈钢、铝、钛、黄铜、镀镍黄铜和镀铬黄铜的金属物质。
5．如权利要求1所述的结构，其特征在于，助粘剂层含有选自硅烷、钛酸盐、锆酸盐和铝酸盐的助粘剂。
6．如权利要求1所述的结构，其特征在于，所述助粘剂层含有选自3-环氧丙氧丙基三甲氧基硅烷、3-环氧丙氧丙基三乙氧基硅烷、3-(2-氨基乙基)丙基三甲氧基硅烷或3-(2-氨基)丙基三乙氧基硅烷的硅烷。
7．如权利要求1所述的结构，其特征在于，它还包括：
一个电子器件载体，
一个与该电子器件载体相连的电子器件，以及
一个与所述助粘剂层粘接的粘接结构，其中粘接结构使金属片与电子器件彼此粘接，并且它也使金属片与电子器件载体相互粘接。
8．如权利要求7所述的结构，其特征在于，所述粘接结构包含一种结构环氧树脂粘接剂。
9．如权利要求7所述的结构，其特征在于，金属片的热膨胀系数(CTE)超过电子器件的CTE。
10．一种形成电子结构的方法，它包括：
提供一个金属片；
在该金属片上形成一矿物层；以及
在该矿物层上形成一个助粘剂层。
11．如权利要求10所述的方法，其特征在于，形成矿物层的步骤包括从二氧化硅、氮化硅和碳化硅中选择矿物质。
12．如权利要求10所述的方法，其特征在于，形成矿物层的步骤包括形成一个厚度约为50埃-2000埃的矿物层。
13．如权利要求10所述的方法，其特征在于，形成矿物层的步骤包括在金属片的清洁表面上溅镀上一矿物层。
14．如权利要求10所述的方法，其特征在于，提供金属片的步骤包括从不锈钢、铝、钛、黄铜、镀镍黄铜和镀铬黄铜中选择金属物质。
15．如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述形成助粘剂层的步骤包括从硅烷、钛酸盐、锆酸盐和铝酸盐中选择助粘剂。
16．如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述形成助粘剂层的步骤包括从3-环氧丙氧丙基三甲氧基硅烷、3-环氧丙氧丙基三乙氧基硅烷、3-(2-氨基乙基)丙基三甲氧基硅烷和3-(2-氨基乙基)丙基三乙氧基硅烷中选择硅烷。
17．如权利要求10所述的方法，其特征在于，它还包括：
提供一个电子器件；
提供一种粘接剂材料；
通过将粘接剂材料加入助粘剂层与电子器件之间来使金属片与电子器件粘接在一起；
提供一个电子器件载体；
使电子器件与电子器件载体相连；以及
通过在助粘剂层与电子器件载体之间加入粘接剂材料来使金属片与电子器件载体粘接在一起。
18．如权利要求17所述的方法，其特征在于，提供粘接剂材料的步骤包括提供结构环氧树脂粘接剂。
19．如权利要求17所述的方法，其特征在于，提供金属片的步骤包括提供一种其热膨胀系数(CTE)大于电子器件的CTE的金属片。
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