JP2005509293A - 焼結金属フレーク - Google Patents

Abstract

金属フレークのネットワークを含む、多孔質の、可撓性の、弾性のある熱伝導性材料。それらの熱伝導性材料は、揮発性有機溶媒と導電性金属フレークを含む導電性ペーストを最初に形成することによって製造することが好ましい。導電性ペーストを金属フレークの融点以下の温度に加熱し、それによって溶媒を蒸発し、フレークをその端部のみで焼結する。フレークの端部は、開放孔が少なくとも隣接するいくつかのフレークの間で画定されるように隣接するフレークの端部に融合し、それによって金属フレークのネットワークを形成する。ネットワーク構造は、良好な電気抵抗特性を有しつつ、熱伝導性材料に約１０ＧＰａ以下の低い貯蔵弾性率を有することを可能にする。

Description

本発明は、回路基板および集積回路パッケージの製造に関する。より詳細には、本発明は集積回路パッケージ用の低貯蔵弾性率の電気的伝導性熱界面に関する。

集積回路はよく知られた工業製品であり、産業および民生電子用途に広く使用されている。それらは、電話、ラジオ、パーソナルコンピュータなどの小規模装置と同様に、特に工業用制御装置などの大規模の用途に有用である。

より集約的な電子装置用途の必要性が増加するのに伴って、より速く動作し、占拠スペースのより小さい、より多くの機能を提供する電子システムの要求が高まる。これらの要求を満たすために、製造者は、比較的近接して存在する多数の電子素子を含む電気的および電子的装置を設計する。これらの素子は多量の熱を発生する傾向があり、この熱は装置の破壊または機能不全を防止するために何らかの手段によって放散させなければならない。

伝統的に、電子素子は装置筐体内の空気の強制的なまたは対流による循環を用いて冷却されてきた。冷却ファンは多くの場合電子装置に一体化された部分として設けられる、または空気の流れに曝される集積回路パッケージの表面積を増加させるためにそこに個別に取り付けられる。それらのファンは装置筐体内部を循環する空気の量を増加するために用いられる。米国特許第５，５２２，７００号は電子素子から熱を放散するための典型的なファン装置の使用を教示している。米国特許第５，１６６，７７５号には、回路に搭載された電子装置の上に空気の流れを導くための、集積回路に隣接して搭載された空気マニホルドが記載されている。空気マニホルドは、１つの空気入り口と、空気を電子装置の上に導くための導管に沿って配置された複数の出口ノズルを有する。

残念ながら、集積回路は、電力密度を増加させながらサイズが縮小し続けているので、単純な空気循環は多くの場合回路素子を十分冷却するには不十分である。それ以上に空気循環によって達成可能な熱放散は、電子素子にヒートシンクまたは他の熱放散装置を取り付けることによって達成される。米国特許第４，６２０，２１６号は、複数の冷却フィン要素を有する、半導体パッケージ用の一体化したヒートシンクを記載しており、このヒートシンクは高密度集積回路モジュールの冷却に使用される。米国特許第５，５３５，０９４号は、空気ブロワーとヒートシンクを組み合わせて使用することを教示している。同特許は集積回路パッケージを冷却する一体化ブロワーを有するモジュールを教示している。ブロワーは集積回路パッケージに搭載されたヒートシンクに取り付けられる。集積回路によって発生した熱はヒートシンクへ伝導する。ブロワーは、ヒートシンクを横切って流れる空気の流れを発生させ、パッケージから熱を取り去る。

それらの熱放散装置を熱放射素子に取り付けるために、熱的または電気的界面を使用することは当分野で知られている。しかし、従来の界面にはいくつかの欠点があることが知られている。半導体産業に使用される界面は典型的に金属界面または導電性充填剤を充填したポリマー接着剤を含む。半田、銀、金などの金属界面は、低い抵抗を提供するが貯蔵弾性率が高く、大きなＩＣダイには適さない。さらに、ポリマー接着剤は非常に低いモジュラスである得るが、それらの抵抗はあまりにも高い。チップから放射される熱量が多くなると、集積回路パッケージまたは半導体ダイと共に使用する、高い熱的および電気的伝導性と同様に低いモジュラスを有する熱界面が必要となる。また、それらの界面は約２００℃以下などの低温で組み立ておよび加工が可能であることが必要である。

本発明はこの問題の解決を提供する。本発明によって、多孔質の、可撓性の、弾性のある熱伝導性材料が形成され、その材料は金属フレークのネットワークを含む。それらの熱伝導性材料は、最初に揮発性有機溶媒と導電性金属フレークを含む導電性ペーストを形成することによって製造することが好ましい。導電性ペーストは金属フレークの融点以下の温度に加熱され、それによって溶媒が蒸発し、その端部でのみフレークが焼結する。フレークの端部は、少なくともいくつかの隣接するフレークの間に開放孔が画定されるように隣接するフレークの端部と融合し、それによって金属フレークのネットワークが形成される。このネットワーク構造によって、熱伝導性材料は約１０ＧＰａ未満の低い貯蔵弾性率を有し、一方で良好な電気的抵抗特性を有することが可能になる。

本発明は、金属フレークのネットワークを含む、多孔質の、可撓性の、弾性のある熱伝導性材料を提供し、前記フレークは端部を有し、そのフレークはその端部でのみ焼結して、少なくともいくつかの隣接するフレークの間に開放孔が画定されるように、隣接するフレークの端部と融合する。

さらに、本発明は、
ａ）溶媒と、端部を有する導電性金属フレークとを含む導電性ペーストを形成すること、および
ｂ）導電性ペーストを金属フレークの融点以下の温度に加熱し、それによって溶媒を蒸発し、フレークをその端部でのみ焼結し、したがって少なくともいくつかの隣接するフレークの間に開放孔が画定されるように隣接するフレークの端部を融合させ、それによって金属フレークのネットワークを形成することを含む、多孔質の、可撓性の、弾性のある熱伝導性材料を形成する方法を提供する。

本発明はさらに、
ａ）溶媒と、端部を有する導電性金属フレークとを含む導電性ペーストを形成すること、
ｂ）マイクロチップと熱拡散器の間に導電性ペースト層を貼付し、それによって複合材料を形成すること、
ｃ）複合材料を金属フレークの融点以下の温度に加熱し、それによって溶媒を蒸発し、フレークをその端部でのみ焼結し、したがって少なくともいくつかの隣接するフレークの間に開放孔が画定されるように隣接するフレークの端部を融合させ、マイクロチップとヒートスプレッダの間に熱伝導性材料層を形成し、その熱伝導性材料が金属フレークのネットワークを含むこととを含む、マイクロチップから熱を伝導して取り去る方法を提供する。

本発明は金属フレークのネットワークを含む、多孔質の、可撓性の、弾性のある熱伝導性材料に関する。最初に金属フレークと溶媒の混合物を含む導電性ペーストが形成される。ペーストは、混合などの従来の知られた任意の方法を用いて形成することができる。

金属フレークは、アルミニウム、銅、亜鉛、スズ、金、パラジウム、鉛、およびその合金ならびにその組み合わせなどの金属を含むことが好ましい。フレークは銀を含むことが最も好ましい。フレークは好ましくは約０．１μｍ〜約２μｍ、より好ましくは約０．１μｍ〜約１μｍ、最も好ましくは約０．１μｍ〜０．３μｍの厚さを有する。フレークは好ましくは約３μｍ〜１００μｍ、より好ましくは約２０μｍ〜約１００μｍ、最も好ましくは約５０μｍ〜約１００μｍの直径を有する。最も好ましい実施形態では、各フレークはフレークの中心よりも薄い端部を有する。

溶媒は金属フレークの融点を下げる働きをすることが好ましい。溶媒は約２００℃以下の沸点を有する揮発性有機溶媒を含むことが好ましい。適切な揮発性有機溶媒は、エタノール、プロパノール、およびブタノールなどのアルコールを非限定的に含む。好ましい揮発性有機溶媒はブタノールを含む。

導電性ペーストは、溶媒が蒸発して金属フレークがその端部でのみ焼結するように加熱される。フレークはこのようにして、少なくともいくつかの隣接するフレーク間に開放孔が画定されるように隣接するフレークの端部で融合し、それによって多孔質の、可撓性で弾性のある、実質上溶媒と結合剤を含まない熱伝導性材料が形成される。導電性ペーストの加熱は、金属フレークの融点以下の温度で行われることが好ましい。好ましい実施形態では、加熱は約１００℃〜約２００℃の温度範囲で行われ、より好ましくは約１５０℃〜約２００℃、最も好ましくは約１７５℃〜約２００℃である。

好ましい実施形態では、熱伝導性材料は熱伝導性材料層の形で製造される。これは導電性ペーストの層を実質上平坦な基板の表面に塗布し、導電性ペースト層を上記のように加熱して熱伝導性材料層を形成することによって行われることが好ましい。次いで熱伝導性材料層を、場合によって基板から取り外すことができる。適切な基板の例には、ヒートスプレッダ、シリコンダイ、およびヒートシンクが非限定的に含まれる。好ましい基板はシリコンダイを含む。ペーストは注射器からの分注などの任意の知られた従来技術を用いて塗布することができる。熱伝導性材料層は約１０μｍ〜約５０μｍの厚さを有することが好ましく、より好ましくは約１０μｍ〜３５μｍ、最も好ましくは約２０μｍ〜約３０μｍである。熱伝導性材料層は約１０ＧＰａ未満の貯蔵弾性率を含むことが好ましく、より好ましくは約１ＧＰａ〜約５ＧＰａ、最も好ましくは約１ＧＰａ〜約３ＧＰａである。また、熱伝導性材料層は約１×１０^−６オーム／ｃｍ〜約１×１０^−４オーム／ｃｍの電気抵抗を含むことが好ましく、より好ましくは約１×１０^−６オーム／ｃｍ〜約５×１０^−５オーム／ｃｍ、最も好ましくは約１×１０^−６オーム／ｃｍ〜約２×１０^−５オーム／ｃｍである。

この発明の熱伝導性材料を、金属表面とシリコンダイ間や熱放射物品と熱吸収物品間などの熱界面など、種々の目的に使用することができる。好ましい一実施形態では、熱伝導性材料層の第１の面を熱放射物品に貼付される。適切な熱放射物品の例にはマイクロチップ、マルチチップモジュール、レーザーダイオードなどが非限定的に含まれる。好ましい熱放射物品はマイクロチップを含む。次いで、熱伝導性材料層の第２の面を場合によって熱吸収物品に貼付することができる。適切な熱吸収物品の例には、ヒートスプレッダ、ヒートシンク、蒸気チャンバー、ヒートパイプなどが非限定的に含まれる。好ましい熱吸収物品はヒートスプレッダを含む。それらの熱放射または熱吸収物品は、当分野で知られる任意の適切な従来の方法を用いて、熱伝導性材料層に貼付することができる。最も好ましい実施形態では、熱放射物品と熱吸収物品の間に貼付された導電性ペースト層を含む複合材料を最初に形成することによって熱伝導性材料層を形成する。次いで複合材料全体を加熱して、熱放射物品と熱吸収物品の間に熱伝導性材料を形成する。本発明の熱伝導性材料は特にマイクロエレクトロニクス装置の製造に有用である。

以下の非制限的な実施例は本発明を例示するのに役立つ。本発明の成分の割合の変化および要素の代替は当業者には明らかであり、本発明の範囲内であることが認識されよう。

銀フレークを有機溶媒と混合して均質なペーストを形成した。少なくとも４種のペーストを混合した。ペーストの金属フレークに対する有機溶媒の比率を以下の表１に示す。

次いでペーストを注射器に充填し、ペーストの粘度をＨａａｋｅ粘度計を用いて１℃コーンおよびプレートで測定した。測定は２２ｓ^−１および４０ｓ^−１で行った。調製した異なる材料の粘度を表２に示す。

表に示したように、ロット＃１とロット＃２は両方とも、約４０００ｃｐｓ程度の類似した粘度であった。これは、それらが両方とも同じ成分の混合比であるので予測できた。しかし、ロット＃３とロット＃４は粘度が大きく異なり、これは、それらのそれぞれの成分の混合比と相関付けることができる。

次いで、材料を以下の表３に示すような４種の異なる硬化プロファイルで硬化した。硬化は以下の手順を用いて行った。

１）以下のようにしてプロファイル毎に最低３個のスライドを調製した。
ａ）１インチ×３インチのガラススライドをイソプロピルアルコールで洗浄し空気乾燥した。
ｂ）ガラススライドをガラススライド支持具に配置してしっかり固定した。
ｃ）ガイドとして支持具に刻んだ線を用い、テープの紐をスライドの長手に平行に１００ミル離して置いた。使用した紐の長さは少なくとも２．５インチであった。
ｄ）テープの下には、皺または気泡はなかった。
２）銀ペーストをスライドの一方の端に置いた。スライドの面に約３０度の角度に保った剃刀の刃を用いて、銀ペースト材料をスライドの他の端に向かって引き、材料をテープ紐の間に絞り出した。
３）テープを注意深く取り除いた。
４）材料をオーブン中で硬化した。

次いで硬化した材料を、その体積抵抗について試験した。ロット＃１と２は同じ成分混合比であるので、ロット＃２は試験しなかった。体積抵抗は以下の手順を用いて試験した。

１）硬化した材料の断面積（μｍ^２）をテープ紐に沿った３つの異なる位置で測定した。
２）抵抗測定はヒューレットパッカード（Ｈｅｗｌｅｔｔ−Ｐａｃｋａｒｄ）の４点プローブ、モデル番号３４４０１Ａを用いて行った。
３）抵抗測定を記録し、抵抗を以下の式を用いて求めた。

Ｐ＝Ｒ（Ａ／２．５４）ｃｍ
式中、Ｐ＝比抵抗、オーム・ｃｍ
Ｒ＝測定された抵抗、オーム
Ａ＝断面積、ｃｍ^２
２．５４＝一対の内部電極間の距離、ｃｍ

結果を以下の表４に示す。結果から、材料はプロファイル３では焼結しなかったことが観察される。これは１５０℃のピーク温度が銀の焼結には低すぎたためである。

焼結金属フレークの３種の金属面に対する接着強度をダイせん断を用いて試験し、銀ペーストの結合強度を求めた。試験面は、ニッケル板面、銀スポットめっき面、裸の銅面の上に銀ペーストを塗布することによって形成した。金属面をリードフレームに貼付し、オーブン中で硬化した。

硬化したサンプルは以下の手順によって試験した。

１）基板をダイせん断試験機上の適切な支持具にセットした。
２）ダイせん断工具の先端を試験する要素の最も広い側に対して位置合わせした。ダイせん断工具を基板に直角に、かつ基板面に接触しないようにできるだけ基板に近づけてセットした。
３）試験機のパネルの「試験（ＴＥＳＴ）」ボタンを押してせん断試験サイクルを開始した。
４）せん断試験サイクルが完了した後、パネルに表示された力のレベルを記録した。
５）ステップ１から４をその基板上で全ての要素をせん断するまで繰り返した。
６）基板上の要素について平均せん断強度を計算した。

結果から、硬化プロファイル１は産業用には高すぎ、一方プロファイル３は材料を十分焼結させないことが観察された。プロファイル３は、１５０℃のピーク温度が銀を焼結させるには低すぎたため、焼結しなかった。したがって、接着の測定はプロファイル２と４についてのみ行った。この実験に使用したペーストのロットはロット＃３である。結果を以下の表５に示す。

表５に示すように、材料はニッケルめっき面上では焼結せず、一方裸の銅面上の接着はやや低かった。高温で銅が酸化し、したがって表面の焼結の障壁になった。しかし銀のスポットめっき面は２００℃のピーク温度で良好な接着を与えた。接着は１８０℃では極端に低かった。プロファイル２の破損モードがダイ／ペースト界面であり、一方プロファイル４ではペースト基板界面であったことに留意されたい。これは、プロファイル４の低い硬化プロファイルで焼結がより少なく、したがって材料内部で破損したことを示している。しかしプロファイル２の２００℃での硬化では焼結のレベルが高かった。破損の界面は、裸のシリコンへの接着が低いダイ／ペースト界面に移った。

次いで、ロット＃４の接着をプロファイル２を用いて試験した。結果を以下の表６に示す。

表６に示すように、銀のスポットめっき面の接着が最も高く、裸の銅面が続いた。この実験においてニッケルめっき面が最小の接着を示した。しかし、この特別の材料ロットは、ロット＃３に較べて銀スポットめっき面への接着が極めて低いことを示した。これはロット＃４内の有機溶媒の量がより高いレベルにあったためであろう。

解析および結論
この３種類の材料を混合し、粘度がそれらの有機物の含有量の混合比に依存することが見出された。これらのペーストの全ては焼結可能であった。４種の異なる焼結プロファイルを用いた。銀フレークは１８０℃以上で焼結できることを見出した。焼結した材料の体積抵抗率は銀充填エポキシ接着剤よりも低いが、銀ガラスおよび半田の伝導性に匹敵することが見出された。これらのペーストの接着は主として温度に依存していた。また、それが接着される表面に依存していた。特に、金属化したダイ表面（例えば銀で）はより良好な面であろう。ダイの表面とは別に、材料はニッケルめっき面にはよく焼結することができなかったが、銀スポットめっき面へは良好に接着した。

本発明を好ましい実施形態を参照して詳細に示し説明したが、当分野の通常の技術者であれば、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、種々の変更および修正を加えることができることが容易に認識されよう。請求項は開示された実施形態、上記で論じた代替および全てのそれらの同等事項を包含するものと解釈される。

本発明の熱伝導性材料層を示す上面図である。 本発明の熱伝導性材料層を示す拡大上面図である。 本発明の熱伝導性材料層を示す側面図である。 マイクロチップに貼付された本発明の熱伝導性材料層を示す側面図である。 マイクロチップおよびヒートスプレッダに貼付された本発明の熱伝導性材料層を示す側面図である。

Claims (20)

1. 金属フレークのネットワークを含み、前記フレークが端部を有し、フレークがその端部でのみ焼結して開放孔が少なくとも隣接するフレークのいくつかの間で画定されるように隣接するフレークの端部に融合する、多孔質の、可撓性の、弾性のある熱伝導性材料。
2. 溶媒および結合剤が実質上存在しない請求項１に記載の熱伝導性材料。
3. 約１０ＧＰａ以下の貯蔵弾性率を有する請求項１に記載の熱伝導性材料。
4. 約１×１０^−６オーム／ｃｍ〜約１×１０^−４オーム／ｃｍの電気抵抗を有する請求項１に記載の熱伝導性材料。
5. 前記フレークが、約０．１μｍ〜約２μｍの厚さ、および約３μｍ〜１００μｍの直径を有する請求項１に記載の熱伝導性材料。
6. 前記フレークが、アルミニウム、銅、鉛、亜鉛、スズ、金、パラジウム、およびその合金ならびにその組み合わせからなる群から選択される金属を含む請求項１に記載の熱伝導性材料。
7. 請求項１の熱伝導性材料の層を含むマイクロエレクトロニクス装置。
8. マイクロチップ、前記マイクロチップ上のヒートスプレッダ、および前記マイクロチップと前記ヒートスプレッダの間に貼付された請求項１の熱伝導性材料層を含むマイクロエレクトロニクス装置。
9. ａ）溶媒および端部を有する導電性金属フレークを含む導電性ペーストを形成すること、および
   ｂ）導電性ペーストを金属フレークの融点以下の温度に加熱し、それによって前記溶媒を蒸発し、前記フレークをその端部でのみ焼結し、このようにして開放孔が少なくとも隣接するフレーク間に画定されるように隣接するフレークの端部を融合し、それによって金属フレークのネットワークを形成することを含む、多孔質の、可撓性の、弾性のある熱伝導性材料を形成する方法。
10. 熱伝導性材料層をマイクロチップに貼付する後続のステップをさらに含む請求項９に記載の方法。
11. 熱伝導性材料層をマイクロチップとヒートスプレッダの間に貼付する後続のステップをさらに含む請求項９に記載の方法。
12. 熱伝導性材料をマイクロチップに貼付し、熱伝導性材料の第２の面をヒートスプレッダに貼付する後続のステップをさらに含む請求項９に記載の方法。
13. 前記フレークが、アルミニウム、銅、鉛、亜鉛、スズ、金、パラジウム、およびその合金ならびにその組み合わせからなる群から選択される金属を含む請求項９に記載の方法。
14. 前記フレークが銀を含む請求項９に記載の方法。
15. 前記フレークが約０．１μｍ〜約２μｍの厚さ、および約３μｍ〜約１００μｍの直径を有する請求項９に記載の方法。
16. 前記溶媒が揮発性有機溶媒を含む請求項９に記載の方法。
17. 前記揮発性有機溶媒が、エタノール、プロパノール、およびブタノールからなる群から選択される請求項９に記載の方法。
18. 前記揮発性有機溶媒がブタノールを含む請求項９に記載の方法。
19. 前記フレークが、約１００℃〜約２００℃の範囲の温度に加熱される請求項９に記載の方法。
20. ａ）溶媒および端部を有する導電性金属フレークを含む導電性ペーストを形成すること、
    ｂ）導電性ペーストの層をマイクロチップとヒートスプレッダの間に貼付し、このようにして複合材料を形成すること、
    ｃ）前記複合材料を金属フレークの融点以下の温度に加熱し、それによって溶媒を蒸発し、前記フレークをその端部でのみ焼結し、したがって少なくともいくつかの隣接するフレークの間に開放孔が画定されるように隣接するフレークの端部を融合し、前記マイクロチップと前記ヒートスプレッダの間に熱伝導性材料層を形成し、その熱伝導性材料が金属フレークのネットワークを含むこととを含む、マイクロチップから熱を伝導して取り去る方法。

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