JP2005526903A - サーマルインターフェース材料、およびインジウムと亜鉛とを含む組成物 - Google Patents

サーマルインターフェース材料、およびインジウムと亜鉛とを含む組成物 Download PDF

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Abstract

本発明は、半導体基板(14)とヒートスプレッダー(18)とを含んだ半導体パッケージ(10)を含む。サーマルインターフェース材料(20)が、半導体基板とヒートスプレッダー(18)とを熱的に接続する。サーマルインターフェース材料(20)は、実質的に、Mg、Ca、Nb、Ta、B、Al、Ce、Ti、およびZrからなる群から選択される１種以上の元素とInとZnとからなる。本発明はさらに、実質的にInとZnからなる組成物も含む。組成物中のZnの濃度は約0.5重量%〜約3重量%である。

Description

（技術分野）
［０００１］本発明はサーマルインターフェース材料に関し、具体的な用途においてはインジウムと亜鉛を含むサーマルインターフェース材料に関する。本発明はさらに、インジウムと亜鉛を含む組成物に関する。本発明はさらに、サーマルインターフェース材料を作製する方法に関する。
（発明の背景）
［０００２］サーマルインターフェース材料(TIM)は、電気部品に熱を伝えることおよび／または、電気部品から熱を伝えることに関して多くの用途を有する。TIMの1つの用途は、半導体デバイスに関連した集積回路の動作時に、半導体デバイスから熱を伝えて逃がすことである。
［０００３］TIM用に使用できる組成物を開発することが求められている。さらに、TIMが現在および今後の半導体パッケージに対して適合するよう高い熱伝導性を有する、ということも求められている。さらに、TIMが半導体デバイスとリッド(ヒートスプレッダー)との間での使用に適している、ということも求められている。さらに、TIMが種々の表面への接合に適していて、高い強度をもちつつ低いモジュラスを有する、ということも求められている。
(発明の概要)
［０００４］1つの態様においては、本発明は半導体パッケージを含む。半導体パッケージは、半導体基板および半導体基板の近傍のヒートスプレッダーを含む。サーマルインターフェース材料は、半導体基板をヒートスプレッダーに熱的に接続する。サーマルインターフェース材料は実質的にInとZnからなる。これとは別に、サーマルインターフェース材料は実質的に、Mg、Ca、Nb、Ta、B、Al、Ce、Ti、およびZrからなる群から選択される１種以上の元素とInとZnとからなっていてもよい。サーマルインターフェース材料中のZnの濃度は、例えば約0.5重量%〜約3重量%であってよい。
［０００５］1つの態様においては、本発明は、実質的にInとZnからなる組成物を含む。組成物中のZnの濃度は約0.5重量%〜約3重量%である。本発明はさらに、実質的に、Mg、Ca、Nb、Ta、B、Al、Ce、Ti、およびZrの１種以上とInとZnとからなる組成物を含む。
［０００６］本発明の好ましい実施態様を、添付図面を参照しつつ以下に説明する。
(好ましい実施態様の詳細な説明)
［０００７］本発明の態様にしたがって形成させた組成物を使用して、熱源とヒートシンクおよび/またはヒートスプレッダーとの間に、サーマルインターフェース材料の全部もしくは一部を作製することができる。サーマルインターフェース材料は、熱をある表面から他の表面に伝達するのに役立つと考えられる。
［０００８］本発明の組成物は、InとZnを含んでもよいし、実質的にInとZnからなっていてもよいし、あるいはInとZnからなっていてもよい。これとは別に、本発明の組成物は、Mg、Ca、Nb、Ta、B、Al、Ce、Ti、およびZrからなる群から選択される１種以上の元素とInとZnを含んでもよいし、実質的に、Mg、Ca、Nb、Ta、B、Al、Ce、Ti、およびZrからなる群から選択される１種以上の元素とInとZnとからなっていてもよいし、Mg、Ca、Nb、Ta、B、Al、Ce、Ti、およびZrからなる群から選択される１種以上の元素とInとZnとからなっていてもよい。種々の代表的な組成物中のZnは、3重量%以下の濃度にて存在してよく、特定の組成物においては約2.2重量%以下の濃度にて存在してよい。Mg、Ca、Nb、Ta、B、Al、Ce、Ti、およびZrからなる群から選択される１種以上の元素が存在する場合、このような１種以上の元素の合計濃度は1000ppm以下であってよい。特定の用途においては、Mg、Ca、Nb、Ta、B、Al、Ce、Ti、およびZrからなる群から選択される１種以上の元素の合計濃度は500ppm以下であり、あるいはさらに200ppm以下の場合もある。
［０００９］本発明の種々のTIM組成物中にZnおよびInと共に導入される元素は、本発明の特定の態様においては、半導体ダイに関連した窒化ケイ素表面にTIMを接合するのに役立つドーパントであると考えることができる。したがって、In-Znとこのような表面との相互作用を改良するドーパントを使用するのが望ましい。熱力学的なデータから、Mg、Ca、Nb、Ta、B、Al、Ce、Ti、およびZrは、ケイ素の場合よりも安定な窒化物を形成することが確認されている。このことは、これらの元素が窒化ケイ素と反応しやすく、良好な接合を形成しやすい、ということを示している。後述の実施例に対してはMgを選択した。Mgはケイ素との反応生成物を形成し、InとZnを含むハンダを脆化するおそれのあるInもしくはZnとの合金を形成しないからである。本発明の種々の用途においては、Ca、Nb、Ta、B、Al、Ce、Ti、およびZrからなる群から選択される1種以上の他の元素を、Mgに加えて、あるいはMgの代わりに使用することができる。
［００１０］本発明の態様において使用される特定の材料は、(1)1000ppm以下のMg(Mgの効果は1000ppmでの試験において低下するようであり、特定の用途においては約200ppm〜約500ppmのMg濃度が最適のようである)；(2)3重量%以下のZn(約0.5重量%〜約2.2重量%の範囲のZnが一般的には望ましいようであり、特定の用途においては1重量%のZnが好ましい)；および(3)インジウム；を含むか、あるいは実質的に、(1)1000ppm以下のMg(Mgの効果は1000ppmでの試験において低下するようであり、特定の用途においては約200ppm〜約500ppmのMg濃度が最適のようである)；(2)3重量%以下のZn(約0.5重量%〜約2.2重量%の範囲のZnが一般的には望ましいようであり、特定の用途においては1重量%のZnが好ましい)；および(3)インジウム；からなるか、あるいは、(1)1000ppm以下のMg(Mgの効果は1000ppmでの試験において低下するようであり、特定の用途においては約200ppm〜約500ppmのMg濃度が最適のようである)；(2)3重量%以下のZn(約0.5重量%〜約2.2重量%の範囲のZnが一般的には望ましいようであり、特定の用途においては1重量%のZnが好ましい)；および(3)インジウム；からなる組成を有してよい。Znの濃度は、例えば、0より大きい重量%〜3重量%以下の範囲内であってよく；幾つかの用途においては、0より大きい重量%〜2.5重量%以下の範囲内であってよく；さらに他の用途においては、0より大きい重量%〜2重量%以下の範囲内であってよく；さらに他の用途においては、0より大きい重量%〜1.5重量%以下の範囲内であってよく；そしてさらに他の用途においては、0より大きい重量%〜1重量%以下の範囲内であってよい。種々の特定の用途においては、Znの濃度は、組成物中のInと共晶合金を形成するように選択することができる。
［００１１］本発明の1つの態様においては、約1重量%のZnと約1000ppm以下のMgを含んだInベースの合金が製造される。この合金は湿潤性であることが明らかになっており、窒化ケイ素で被覆された基板によく接合する。合金中の種々の成分が合金の物理的特性に影響を及ぼすことがある。例えば、インジウムは、低いモジュラスと高い熱伝導率をもたらすことができ；亜鉛は、合金の高温での耐食性を向上させることができ；そしてマグネシウムは、窒化ケイ素への湿潤と接合とを向上させることができる。
［００１２］InとZnとMgとを含む合金は、(1)黒鉛るつぼ中にてIn、Zn、およびMgの金属片を混合すること；(2)金属を約150℃〜約350℃の温度で溶融して溶融混合物を形成させること；(3)溶融混合物を所望の形状の金型中に注入すること；および(4)金型中の混合物を冷却して、所望の形状を有する合金の固体塊を形成させること；によって作製することができる。引き続きこの固体塊を従来の金属加工法にしたがって圧延または押出して、例えばハンダとしての利用に適したリボンもしくはワイヤーを形成させることができる。
［００１３］本発明の特定の態様においては、95重量%を超えるインジウムを含んだインジウム合金(例えば、98重量%を超えるインジウムを含んだ合金、そして場合によっては99重量%を超えるインジウムを含んだ合金)は、純粋なインジウムの熱伝導率(82W/m*K)に近い熱伝導率を有する。これらの合金は、例えば、Znの濃度が約0.5重量%〜約3重量%であるようなInとZnとの合金からなっていてもよいし、あるいは例えば、Znの濃度が約0.5重量%〜約3重量%であるようなInとZnとの合金から実質的になっていてもよい。合金中のインジウムによって、合金を種々の表面に対して湿潤性にすることができる。これらの合金は、ニッケルに対して500マイクロニュートン/mmに近い湿潤力をもつことができる、ということが湿潤試験からわかる。Znは合金に強度を付与することができ、純粋なInの耐酸化性と比較して合金の耐酸化性を改良することができる。
［００１４］本発明の組成物(例えばIn/Zn合金)は、空気中にて、あるいは不活性雰囲気下にて従来の方法によってキャストすることができる。金属は、キャスティング時に、例えば約450℃の温度で一緒に溶融させることができる。キャスティングによってスラブまたはビレットを製造することができる。スラブまたはビレットをさらに加工して、合金組成物のリボンもしくはワイヤーを作製することができる。このリボンもしくはワイヤーを引き続きハンダとして使用して、特定の用途におけるTIMを作製することができる。
［００１５］“ドライインターフェース”すなわちインターフェース材料が存在しないインターフェースは一般に、嵌め合い部材の微視的不規則性(表面の粗さ)および巨視的不規則性(表面の反り又は非平面性)によって、インターフェースエリアの約1%を超える程度で実際に接触しているにすぎない。ドライインターフェースエリアの残部は、それを介して熱を伝えるのが困難な“エアギャップ”(“air gap”)を含んでいる。このエアギャップエリア中にサーマルインターフェース材料を導入することによって、ある1つの部材から他の部材への熱エネルギー(熱)の移送を向上させることができる。
［００１６］熱抵抗は一般に、サーマルインターフェース材料の性能の尺度となる。熱抵抗は、インターフェース前後の温度降下にインターフェースの面積を乗じ、これをインターフェースを貫流する電力で除して得られる商である(℃cm2/Wという単位で表示される)。熱抵抗は3つの部分に分けることができる：(1)インターフェース材料中に進入する高温表面での接触抵抗、(2)インターフェース材料を通しての熱伝導によるバルク抵抗、および(3)インターフェース材料/低温表面接合部における接触抵抗。これらは一連の抵抗であり、このことは、全体として低い熱抵抗を有するためには、これらの全てが低くなければならない、ということを示している。
［００１７］インターフェース材料の熱伝導率が高いときは、バルク熱抵抗が低い。したがって一般には、インターフェース材料は高い熱伝導率を有するのが望ましい。サーマルインターフェース材料の厚さがバルク熱抵抗に影響を及ぼすこともあり、より薄いサーマルインターフェース材料は、より厚いサーマルインターフェース材料より低い抵抗を有する。したがって、一般には薄いサーマルインターフェース材料を使用するのが望ましい。
［００１８］2つの接触材料間の接触抵抗は低いことが好ましい。接触材料の表面が互いに相互作用すれば、接触抵抗を低下させることができる。金属材料に関しては、良好な湿潤挙動(ある材料を他の材料に対して広げる)を有するのが望ましい。長期にわたる(接合部が形成された直後とは違って)信頼性を向上させるためには、相当程度の相互溶解性、合金、および/または化合物の生成が得られるのが望ましく、これらのうちのいずれもが、接触材料間のインターフェースにおける良好な接着/接合を促進することができる。合金添加剤(alloying additions)またはドーパントは、接触材料間の上記した望ましい特性の1つ以上を達成するのに役立つことがある。
本発明の態様にしたがって作製される材料の代表的サンプルの組成物
(実施例1)
［００１９］組成物は、実質的に、In、1重量%のZn、および250ppmのMgからなるか、あるいは、In、1重量%のZn、および250ppmのMgからなる。
(実施例2)
［００２０］組成物は、実質的に、In、1重量%のZn、および500ppmのMgからなるか、あるいは、In、1重量%のZn、および500ppmのMgからなる。
［００２１］本発明の種々の態様によって包含される材料は、例えば、ポリマー-ハンダ・ハイブリッド・インターフェース材料の自立性ハンダ(リボン、ワイヤー、またはプレフォーム形状物の形態にて応用)、ハンダペースト、アノード、蒸発スラグ、またはハンダ部材として使用することができる。本発明の態様にしたがって作製された組成物を含むサーマルインターフェース材料を使用している物品の概略図を図面に示す。具体的に説明すると、図面は、半導体基板14を支持しているベース12を含む集成された電子パッケージ10を示している。基板14は、例えばシリコン・ダイを含んでよい。ベース12は、基板14に関連した回路(図示せず)をパッケージ10の外部のデバイスに接続するために使用される電気的接続部(図示せず)を含んでよい。基板14は、フリップ・チップ・バンプ16を介して、ベース12の電気的接続部に接続することができる。
［００２２］ヒートスプレッダー18が基板14の近傍に位置しており、図示の実施態様においてはパッケージ10のリッドを形成している。
［００２３］ヒートスプレッダー18と基板14との間にサーマルインターフェース材料20が組み込まれている。サーマルインターフェース材料は、基板14とヒートスプレッダー18とを熱的に接続し、図示の実施態様においては、基板14とヒートスプレッダー18の両方に対して物理的に対向している。しかしながら、理解しておかなければならないことは、サーマルインターフェース材料20が、他の材料によって、基板14とヒートスプレッダー18の一方もしくは両方から隔離されている、という他の実施態様(図示せず)も使用できるという点である。このような他の材料は、サーマルインターフェース材料との熱エネルギーのやりとりが該材料を横切って可能であるよう、熱伝導性であるのが好ましい。
［００２４］サーマルインターフェース材料20は、例えば、実質的にInとZnからなる組成物、およびMg、Ca、Nb、Ta、B、Al、Ce、Ti、およびZrの１種以上とInとZnとから実質的になる組成物を含めて、上記した本発明の種々の組成物のいずれかを含んでよい。
［００２５］特許請求の範囲の解釈において役立つよう、“半導性基板”や“半導体基板”という用語は、半導性ウエハー(単独あるいは他の材料をその上に含んだ集成体にて)や半導性材料層(単独あるいは他の材料を含んだ集成体にて)等のバルク半導性材料(これらに限定されない)を含めた、半導性材料を含んだあらゆる構造物を意味するものと定義する。“基板”という用語は、上記の半導性基板(これらに限定されない)を含めた、あらゆる支持構造物を表わしている。
本発明の代表的な態様を例示している半導体パッケージの概略断面図である。

Claims (31)

  1. 実質的にInとZnからなり、Znの濃度が約0.5重量%〜約3重量%である組成物。
  2. ビレットの形状をとっている、請求項1記載の組成物。
  3. リボンの形状をとっている、請求項1記載の組成物。
  4. ワイヤーの形状をとっている、請求項1記載の組成物。
  5. 実質的に、Mg、Ca、Nb、Ta、B、Al、Ce、Ti、およびZrからなる群から選択される1種以上の元素とInとZnとからなり、Znの濃度が約0.5重量%〜約3重量%である組成物。
  6. ビレットの形状をとっている、請求項5記載の組成物。
  7. リボンの形状をとっている、請求項5記載の組成物。
  8. ワイヤーの形状をとっている、請求項5記載の組成物。
  9. 1種以上の元素の合計濃度が0ppmより大きくて1000ppm以下である、請求項5記載の組成物。
  10. 1種以上の元素の合計濃度が0ppmより大きくて500ppm以下である、請求項5記載の組成物。
  11. 1種以上の元素の合計濃度が0ppmより大きくて200ppm以下である、請求項5記載の組成物。
  12. Mgを0ppmより大きくて1000ppm以下の濃度にて含む、請求項5記載の組成物。
  13. Mgを0ppmより大きくて500ppm以下の濃度にて含む、請求項5記載の組成物。
  14. Mgを0ppmより大きくて200ppm以下の濃度にて含む、請求項5記載の組成物。
  15. 実質的に、In、0重量%より大きくて約2重量%以下のZn、および0ppmより大きくて約500ppm以下のMgからなる組成物。
  16. 約250ppm以下のMgを含む、請求項15記載の組成物。
  17. 約1重量%以下のZnを含む、請求項15記載の組成物。
  18. 約250ppm以下のMgを含む、請求項17記載の組成物。
  19. 半導体基板；
    該基板に近傍するヒートスプレッダー；および
    該基板をヒートスプレッダーに熱的に接続するサーマルインターフェース材料、このときサーマルインターフェース材料は実質的にInとZnからなり、Znの濃度が0より大きい重量%〜約3重量%である；
    を含む半導体パッケージ。
  20. Znの濃度が0より大きい重量%〜約2重量%である、請求項19記載の組成物。
  21. Znの濃度が約0.5重量%〜約2.2重量%である、請求項19記載の組成物。
  22. Znの濃度が約0.5重量%〜約1重量%である、請求項19記載の組成物。
  23. 半導体基板；
    該基板に近傍するヒートスプレッダー；および
    該基板をヒートスプレッダーに熱的に接続するサーマルインターフェース材料、このときサーマルインターフェース材料は実質的に、Mg、Ca、Nb、Ta、B、Al、Ce、Ti、およびZrからなる群から選択される1種以上の元素とInとZnとからなり、Znの濃度が約0.5重量%〜約3重量%である；
    を含む半導体パッケージ。
  24. サーマルインターフェース材料中の１種以上の元素の合計濃度が0ppmより大きくて1000ppm以下である、請求項23記載の半導体パッケージ。
  25. サーマルインターフェース材料中の１種以上の元素の合計濃度が0ppmより大きくて500ppm以下である、請求項23記載の半導体パッケージ。
  26. サーマルインターフェース材料中の１種以上の元素の合計濃度が0ppmより大きくて200ppm以下である、請求項23記載の半導体パッケージ。
  27. サーマルインターフェース材料がMgを0ppmより大きくて1000ppm以下の濃度にて含む、請求項23記載の半導体パッケージ。
  28. サーマルインターフェース材料がMgを0ppmより大きくて500ppm以下の濃度にて含む、請求項23記載の半導体パッケージ。
  29. サーマルインターフェース材料がMgを0ppmより大きくて200ppm以下の濃度にて含む、請求項23記載の半導体パッケージ。
  30. サーマルインターフェース材料が実質的に、In、約1重量%のZn、および0ppmより大きくて約500ppm以下のMgからなる、請求項23記載の半導体パッケージ。
  31. サーマルインターフェース材料が実質的に、In、約1重量%のZn、および0ppmより大きくて約250ppm以下のMgからなる、請求項23記載の半導体パッケージ。
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