JP2006518553A - 熱相互接続システムの生成方法およびその使用法 - Google Patents

熱相互接続システムの生成方法およびその使用法 Download PDF

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Abstract

本明細書において記述される層状界面材料が、相互接続材料などの少なくとも１つのパルスめっき熱伝導性材料、および少なくとも１つのパルスめっき熱伝導性材料に結合された少なくとも１つの熱スプレッダ構成要素を含む。泳動構成要素を含むめっき層状界面材料も、本明細書において開示され、少なくとも１つのパルスめっき熱伝導性材料および少なくとも１つの熱スプレッダ構成要素を含み、めっき層状界面材料の泳動構成要素は、基準層状界面材料の泳動構成要素と比較して、少なくとも５１％だけ低減される。本明細書において記述される他の層状界面材料は、ａ）熱導体、ｂ）保護層、ｃ）はんだを受け取り、かつ酸化物の形成を防止する材料層、およびｄ）はんだ材料の層を含む。層状界面材料を形成する方法が、本明細書において記述され、ａ）パルスめっき熱伝導界面材料を提供することと、ｂ）熱スプレッダ構成要素を提供することと、ｃ）熱伝導界面材料と熱スプレッダ構成要素とを物理的に結合することとを含む。基板層、表面、接着剤、順応性繊維状構成要素、またはあらゆる他の適切な層、もしくは熱界面材料を含めて、少なくとも１つの追加の層を層状界面材料に結合することができる。

Description

本出願は、一般に所有され、かつ参照によって完全に本明細書に組み込まれている、２００３年２月１９日に出願された米国特許仮出願第６０／４４８７２２号に対する優先権を主張する。
本発明の分野は、電子構成要素、半導体構成要素、および他の関係する層状材料の応用分野における熱相互接続システムである。
電子構成要素は、ますます増大する数の消費者用市販電子製品において使用されている。これらの消費者用市販製品のいくつかの例には、テレビジョン、パーソナルコンピュータ、インターネットサーバ、携帯電話、ポケットベル、パームタイプオーガナイザ、携帯ラジオ、カーステレオ、またはリモートコントロールがある。これらの消費者用市販電子機器に対する需要が増大するにつれ、消費者および企業にとって、これらの同じ製品がより小さく、より機能的で、より携帯可能となることも要求される。
これらの製品のサイズが減少する結果、製品を備える構成要素も、より小さく、かつより良好に製造および設計されなければならない。サイズを低減する、またはスケールダウンすることが必要であるそれらの構成要素のいくつかの例には、印刷回路板または配線盤、抵抗、ワイヤ、キーボード、タッチパッド、およびチップパッケージがある。多くの製品および構成要素は、製品および／または構成要素が、いくつかの関係するまたは関係のない機能およびタスクを実施するためにより容易に構成することができるように、事前実装されることも必要である。これらの「完全解決」構成要素および製品のいくつかの例は、すべて一般に所有され、かつ完全に本明細書に組み込まれている米国特許およびＰＣＴ出願、すなわち２００２年７月１５日出願の米国特許仮出願第６０／３９６２９４号明細書、２００１年５月３０日出願の米国特許仮出願第６０／２９４４３３号明細書、および２００２年５月３０日出願の国際特許出願ＰＣＴ／ＵＳ０２／１７３３１号明細書に見られるような層状材料、マザーボード、セルラ電話および無線電話、ならびに遠隔通信装置、また他の構成要素および製品を備える。
したがって、構成要素は、より小さい電子構成要素に対する需要に対応するために、構成要素をスケールダウンおよび／または組み合わせることを可能にするより優れた構築材料および方法が存在するかを判定するために、分解され、調査されている。層状構成要素について、２つの目標は、ａ）層の数を減らし、および／またはｂ）層の厚さを薄くし、同時に、両方の場合において残りの層の機能および耐久性を増大させることであるように思われる。しかし、このタスクは、機能を犠牲にせずに、層の数を低減する、または層をより薄くすることが容易にできないとするならば、困難であることがある。
また、電子装置がより小さく、かつより高速で動作するようになるにつれ、熱の形態で放出されるエネルギーが、劇的に増大する。業界の一般的な実践は、物理的界面を横断して散逸される過剰な熱を移送するために、そのような装置において熱グリースまたはグリース状材料を単独で、またはキャリア上において使用するものである。熱界面材料の最も一般的なタイプは、熱グリース、相変化材料、およびエラストマテープである。熱グリースまたは相変化材料は、非常に薄い層において拡散して、隣接表面間において密接接触を提供する能力のために、エラストマタイプより小さい熱抵抗を有する。通常の熱インピーダンス値は、０．２〜１．６℃ｃｍ２／Ｗの範囲にある。しかし、熱グリースの深刻な欠点は、熱性能が、ＶＬＳＩチップにおいて使用されるとき、６５℃から１５０℃などの熱サイクル後、または電力サイクル後、著しく低下することである。また、これらの材料の性能は、表面の平坦性から大きく逸脱することにより、ギャップが電子装置の対合表面間に形成されるとき、または対合表面間の大きなギャップが、製造許容差などの他の理由で存在するとき、低下することも判明した。これらの材料の熱移動性が遮断されるとき、これらの材料が使用される電子装置の性能は、悪影響を受ける。
したがって、ａ）消費者仕様を満たし、同時に装置のサイズおよび層の数を最小限に抑える熱相互接続および熱界面材料、層状材料、構成要素、ならびに製品を設計および生成する、ｂ）材料、構成要素、または完成製品の共存可能性の要請に関して、より効率的でより優れた設計材料、製品、および／または構成要素を生成する、ｃ）望ましい熱相互接続材料、熱界面材料および層状材料、ならびに考慮される熱界面および層状材料を備える構成要素／製品を生成する信頼性のある方法を開発する、ｄ）パッケージアセンブリに必要な生成ステップの数を有効に低減する、ことが依然として必要であり、この結果、他の従来の層状材料およびプロセスと比較してより低コストの所有権が得られる。
本明細書において記述される層状界面材料は、相互接続材料などの少なくとも１つのパルスめっき熱伝導性材料、および少なくとも１つのパルスめっき熱伝導性材料に結合された少なくとも１つの熱スプレッダ構成要素を含む。
泳動構成要素を有するめっき層状界面材料も、本明細書において記述され、少なくとも１つのパルスめっき熱伝導性材料、および少なくとも１つの熱スプレッダ構成要素を含み、めっき層状界面材料の泳動構成要素は、基準層状界面材料の泳動構成要素と比較して、少なくとも５１％だけ低減される。
本明細書において記述される他の層状界面材料には、ａ）熱導体、ｂ）保護層、ｃ）はんだを受け取り、かつ酸化物の形成を防止する材料層、およびｄ）はんだ材料の層がある。
層状界面材料の形成方法が、本明細書において記述され、ａ）パルスめっき熱伝導性界面材料を提供することと、ｂ）熱スプレッダ構成要素を提供することと、ｃ）熱伝導性界面材料と熱スプレッダ構成要素とを物理的に結合することとを含む。基板層、表面、接着剤、順応性繊維性構成要素、またはあらゆる他の適切な層、もしくは熱界面材料を含めて、少なくとも１つの追加の層を層状界面材料に結合することができる。
適切な界面材料または構成要素は、対合表面に合致し（表面を「湿潤させる」）、小さいバルク熱抵抗を有し、かつ小さい接触抵抗を有するべきである。バルク熱抵抗は、材料または構成要素の厚さ、熱伝導性、および面積の関数として表すことができる。接触抵抗は、材料または構成要素が、対合表面、層、または基板とどの程度良好に接触することができるかの尺度である。界面材料または構成要素の熱抵抗は、以下のように示すことができる。
Θ界面＝ｔ／ｋＡ＋２Θ接触 式１
上式で、Θは熱抵抗、
ｔは、材料の厚さ、
ｋは、材料の熱伝導性、
Ａは、界面の面積である。
項「ｔ／ｋＡ」は、バルク材料の熱抵抗を表し、「２Θ接触」は、２つの表面における熱接触抵抗を表す。適切な界面材料または構成要素は、すなわち対合表面において、小さいバルク抵抗および小さい接触抵抗を有するべきである。
多くの電子および半導体の応用分野は、界面材料または構成要素が熱膨張係数（ＣＴＥ）の不整合による、製造に由来する表面平坦性からの逸脱、および／または構成要素の反りに対応することを必要とする。
界面が薄い場合、すなわち「ｔ」値が小さい場合、熱グリースなど、ｋについて小さい値を有する材料が良く機能する。界面の厚さが０．００２インチ程度増大する場合、熱性能は、劇的に低下することがある。また、そのような応用分野では、対合構成要素間のＣＴＥの差により、ギャップが、各温度または電力サイクルと共に膨張および接触する。界面の厚さがこのように変動することにより、流体界面材料（グリースなど）が界面から離れてポンピングされることがある。
より大きな面積を有する界面は、製造時に表面平坦性から逸脱する傾向がより大きい。熱性能を最適化するために、界面材料は、非平面表面に合致し、それにより、接触抵抗を低下させることができるべきである。本明細書において使用される際に、「界面」という用語は、２分子間、２つのバックボーン間、バックボーンとネットワークとの間、２つのネットワーク間など、物質または空間の２つの部分間において共通境界を形成する結合または化学結合を意味する。界面は、共有結合およびイオン結合などの結合力、ならびにファンデアワールス、静電気、クーロン、水素結合、および／または磁気引力などの非結合力を含めて、物質または構成要素の２部分の物理的取付け、あるいは物質または構成要素の２部分間における物理的引付けを備えることが可能である。考慮される界面は、共有結合などの結合力で形成される界面を含む。しかし、物質または構成要素の２部分間における任意の適切な接着引付けまたは取付けが好ましいことを理解されたい。
最適な界面材料ならびに相互接続材料および／または構成要素は、高い熱伝導性を有し、たとえば、力が加えられるとき、高い機械コンプライアンスが弾性的にもたらされる。高い熱伝導性は、式１の第１項を小さくし、高い機械コンプライアンスは、第２項を小さくする。本明細書において記述される層状界面材料および層状界面の個々の構成要素は、これらの目的を達成する。適切に生成されるとき、本明細書において記述される熱スプレッダ構成要素は、熱界面材料と熱スプレッダ構成要素との対合表面間の距離に広がり、それにより、一表面から他の表面への連続的な高伝導性経路が可能になる。
本明細書において記述される熱界面材料ならびに熱相互接続材料および層は、ＰＣＭ（商標）４５を備えることが可能であり、これは、ハネウェルインターナショナルインク（Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｃ．）によって製造される高伝導性相変化材料、および／または熱スプレッダ、すなわち熱を散逸させるように作用する材料として分類されるＮｉ、Ｃｕ、Ａｌ、およびＡｌＳｉＣなど、やはりハネウェルインターナショナルインクによって製造される金属および金属ベースの材料である。熱相互接続材料および層は、以下の設計目標：ａ）薄層または超薄層もしくはパターンにおいて配置することができる、ｂ）従来の熱接着剤より良好に熱エネルギーを伝達することができる、ｃ）比較的高い付着率を有する、ｄ）付着層において穴を作成せずに、表面または他の層の上に付着させることができる、ｅ）下在材料層の泳動を制御することができる、およびｆ）酸化物がなく、はんだを容易に受け取る表面を維持するために、コーティングとして配置することができる、を満たす金属、金属合金、および適切な複合材料を備えることも可能である。これらの材料を備えるこれらの熱界面材料、熱相互接続材料、構成要素、および製品は、事前取付けおよび／または事前組立て熱溶液および／またはＩＣ（相互接続）パッケージとすることが可能であることが有利である。
本明細書において記述される層状界面材料は、相互接続材料などの少なくとも１つのパルスめっき熱伝導性材料、および少なくとも１つのパルスめっき熱伝導性材料に結合された少なくとも１つの熱スプレッダ構成要素を備える。少なくとも１つのパルスめっき熱伝導性材料は、ａ）ダイなどの追加の層または構成要素がパルスめっき材料および／または層の下において構成要素が泳動するのを防止する拡散または泳動障壁、ｂ）金の場合のように、酸化物がなく、かつはんだを容易に受け取る表面を維持するためのコーティング、および／またはｃ）スズ、インジウム、銀、鉛、ならびに関係する合金、およびその組合せの場合のように、はんだ自体のコーティング、として使用することができる。
泳動構成要素を有するめっき層界面材料も、本明細書において記述され、少なくとも１つのパルスめっき熱伝導性材料、および少なくとも１つの熱スプレッダ構成要素を備え、めっき層状界面材料の泳動構成要素は、基準層状界面材料の泳動構成要素と比較して、少なくとも５１％だけ低減される。
本明細書において記述される他の層状界面材料には、ａ）熱導体、ｂ）保護層、ｃ）はんだを受け取り、かつ酸化物の形成を防止する材料層、およびｄ）はんだ材料の層がある。
考慮された層状界面材料の形成方法は、ａ）パルスめっき熱伝導界面材料を提供することと、ｂ）熱スプレッダ構成要素を提供することと、ｃ）熱伝導界面材料と熱スプレッダ構成要素とを物理的に結合することとを備える。基板層、表面、接着剤、コンプライアントな繊維状構成要素、またはあらゆる他の適切な層、もしくは熱界面材料を含めて、少なくとも１つの追加の層を層状界面材料に結合することができる。
少なくとも２つの層を備える電子および半導体の応用分野の従来の層状材料が、本明細書において記述される層状界面材料を生成する開始点として、本明細書において使用されることが可能である。これらの従来の層状材料は、一般に、熱グリースまたは従来の接着材料により追加の電子構成要素に結合された熱スプレッダ構成要素を一般に備える。この従来の層状材料は、本明細書では、「基準層状材料」または「基準層状界面材料」と呼ばれる。本明細書において記述される層状材料は、基準層状材料と同様であるが、熱グリースまたは従来の接着材料が、パルスめっき熱伝導非多孔性材料によって置き換えられる、またはそれによって熱スプレッダ構成要素および／または追加の構成要素から分離される点が異なる。これらの層状材料は、本明細書では、「めっき層状材料」または「めっき層状界面材料」と呼ばれる。本明細書において使用される際に、「基準」という用語は、対照、標準、および／または一般的に予期される従来の製品もしくは材料を意味する。たとえば、基準材料は、めっき材料またはめっき層状材料が比較される「対照（ｃｏｎｔｒｏｌ）」である。基準は、同一構成のサンプルであり、すべての実験、処理、製造、化学的および／または物理的変更が省略される同じ条件下において準備される。化学的な用語としては、「基準」は、基準の特性が実際にはゼロに等しいように、変更またはサンプル材料の特性のすべてが基準に対して測定および計算されるという点で、「ブランク」と類似である。したがって、基準材料とめっき材料との相対的な特性を比較するとき、めっき材料、めっき層状材料、またはその生成方法に変更が組み込まれる前に、基準材料およびめっき材料の両方が、同じベース構成要素で開始されることが重要である。
いくつかの考慮される実施形態では、パルスめっき熱伝導性材料（泳動遮断材料）は、基準層状材料の泳動構成要素と比較するとき、泳動原子および／または分子（本明細書では「泳動構成要素」と呼ばれる）を著しく減少させる役割を担う。泳動原子および／または分子の著しい減少は、基準層状材料と比較するとき、泳動原子および／または分子が少なくとも約５１％減少することを意味すると理解される。他の考慮される実施形態では、泳動遮断材料は、基準層状材料と比較するとき、泳動原子および／または分子を少なくとも約６０％減少させる役割を担う。さらに他の考慮される実施形態では、泳動遮断材料は、基準層状材料と比較するとき、泳動原子および／または分子を少なくとも約７５％減少させる役割を担う。好ましい実施形態では、泳動遮断材料は、基準層状材料と比較するとき、泳動原子および／または分子を少なくとも約９０％減少させる役割を担う。より好ましい実施形態では、泳動遮断材料は、基準層状材料と比較するとき、泳動原子および／または分子を少なくとも約９５％減少させる役割を担う。
また、泳動遮断材料または構成要素は、気体、液体、金属、および追加の望ましくない材料が下在層または材料内に拡散する拡散および／または泳動を遮断するように設計することができることも理解されたい。気体、液体、金属、および他の／追加の望ましくない材料は、ＣＶＤ／ＡＬＤ（原子層付着）付着、誘電体材料の液体クリーニングおよびエッチング、気体熱処理、ならびに気体エッチングを含めて、電子材料の開発および処理において一般的に使用される任意のプロセスによって付着させることが可能である。
記述されたように、熱相互接続および／または界面材料、熱伝導相互接続システムおよび層は、以下の設計目的：ａ）薄層または超薄層もしくはパターンにおいて配置することができる、ｂ）従来の熱接着剤より良好に熱エネルギーを伝達することができる、ｃ）比較的高い付着率を有する、ｄ）付着層において孔を作成せずに、表面または他の層の上に付着させることができる、ｅ）下在材料層の泳動を制御することができる、およびｆ）酸化物がなく、かつはんだを容易に受け取る表面を維持するために、コーティングとして配置することができる、の少なくとも１つを満たす金属、金属合金、および適切な複合材料を備えることも可能である。
本明細書において記述される主題について使用されるのに適切である熱相互接続ならびに／または界面材料および層は、まず、薄連続層または超薄連続層もしくはパターンにおいて配置することができるべきである。パターンは、マスクを使用することによって生成されることが可能であり、または、パターンは、望ましいパターンを配置することができる装置によって生成されることが可能である。考慮されるパターンは、線を形成するように隔離される、または組み合わされる点またはドット、埋められた空間などの任意の構成を含む。したがって、考慮されるパターンには、直線および曲線、線の交差、広げられた領域または狭められた領域を有する線、リボン、重複線がある。考慮される薄層および超薄層は、約１μｍ未満から約１Å、またはさらには材料の単一原子層のサイズまでにわたることが可能である。具体的には、いくつかの考慮される薄層は、厚さが約１μｍ未満である。他の実施形態では、考慮される薄層は、厚さが約５００ｎｍ未満である。いくつかの実施形態では、考慮される超薄層は、厚さが約１００ｎｍ未満である。他の実施形態では、考慮される超薄層は、厚さが約１０ｎｍ未満である。
これらの層は、一般に、最小限の孔または間隙を有する一様な層を生成することができる任意の方法によって配置され、比較的高い付着率で層をさらに配置することができる。多くの適切な方法および装置が、このタイプの層または超薄層を配置するために利用可能であるが、高品質材料層を達成する最適な装置および方法の１は、パルスめっきである。パルスめっき（直接電流めっきとは対照的に断続的なめっきである）は、孔および／または間隙がない、または実質的にない層を配置することができる。孔の欠如は、めっき層を通過する他の層の構成の泳動を制御するのに役立つことが発見されている。たとえば、金層がニッケルベースの熱スプレッダの上にパルスめっきされるとき、比較的非多孔性の金層は、金層を横断して隣接層内へのニッケル原子の泳動を効果的に制御する。対照的に、より厚い（約１μｍを超える）場合である宝飾品、接続、および他の応用分野を含めて、多くの応用分野に適している直接電流めっきは、本明細書において記述される応用分野に必要な本質的に孔のない層を提供することができない。
薄層または超薄層を配置する他の方法は、パルス周期反転方法または「ＰＰＲ」である。パルス周期反転方法は、カソード表面において膜を実際に「反転する」または「枯渇させる」ことによって、パルスめっき方法を１ステップ超えて進む。パルス周期反転の通常のサイクルは、５アンペアのカソードにおいて１０ｍｓ、これに１０アンペアのアノードにおいて０．５ｍｓが続き、これに２ｍｓのオフ時間が続くことが可能である。ＰＰＲにはいくつかの利点がある。第１に、各サイクル中に少量の膜を「ストリップする」または枯渇させることによって、ＰＰＲは、各連続サイクルについて新しい核形成サイトを強制し、この結果、多孔率がさらに低減される。第２に、サイクルは、サイクルの「デプレート」部分またはアノード部分中に、薄膜領域を選択的にストリップすることによって、非常に一様な膜を提供するように適合することができる。ＰＰＲは、金付着など、いくつかの金属付着については良好に作用しないが、その理由は、金メッキは、通常、遊離シアン化物のないシステムにおいて実施されるからである。したがって、金は、めっきサイクル中にシアン錯体（キレート）からめっきされるが、金が再溶解することが可能であるシアン化物がないので、デプレートサイクル中に「ストリップする」ことができない。パルスめっきおよびパルス周期反転システムは、ダイナトロニクス（Ｄｙｎａｔｒｏｎｉｘ）ＴＭ（商標）等の会社など、任意の適切な源から購入することができ、またはその場で構築することができる（全体的にまたは部分的に）。
本明細書において使用される際に、「金属」という用語は、元素の周期律表のｄブロックおよびｆブロックにある元素、ならびにシリコンおよびゲルマニウムなど金属様特性を有する元素を意味する。「金属」という用語は、遷移金属と一般に呼ばれる金属のグループを含む。本明細書において使用される際に、「ｄブロック」という語句は、元素の核を囲む３ｄ、４ｄ、５ｄ、および６ｄの軌道を満たす電子を有する元素を意味する。本明細書において使用される際に、「ｆブロック」という語句は、ランタニドおよびアクチニドを含めて、元素の核を囲む４ｆおよび５ｆの軌道を満たす電子を有する元素を意味する。好ましい金属には、インジウム、鉛、金、銀、銅、スズ、ビスマス、ガリウム、およびその合金、銀コーティング銅、ならびに銀コーティングアルミニウムがある。「金属」という用語は、合金、金属／金属複合物、金属セラミック複合物、金属ポリマー複合物、ならびに他の金属複合物をも含む。
前述されたように、考慮される実施形態の１つは、パルスめっき方法および／または装置を使用してはんだ自体のコーティングを形成することを備える。例として、考慮される層状材料は、ａ）銅などの熱導体、ｂ）熱導体を保護するニッケルなどの保護層、ｃ）はんだを受け取り、かつニッケル酸化物などの酸化物の形成を防止する材料層、およびｄ）ダイなどの電子構成要素に取り付けるためのはんだ層を備えることが可能である。はんだおよびはんだ層を受け取る材料層は、あらゆるニッケル酸化物層を除去するために、適切な準備ステップ後、はんだを電子構成要素および／または熱スプレッダの上に直接めっきすることによって組み合わせることができる。さらに、はんだを受け取る材料層は、電気めっきすることができ、はんだ層は、たとえば、シルクスクリーニングする、プレフォームとして取り付けることができる。前述された層のすべては、パルスめっきまたはパルス周期反転めっきから利益を得るが、その理由は、この手法は、実際的な欠点を有さずに、粒構造を緊密にし、かつ多孔性を排除するように作用するからである。
熱相互接続層が付着された後、これは、従来の熱接着剤および他の熱層と比較して、相対的に高い熱伝導性を有することを理解されたい。熱スプレッダを生成するために使用されるニッケルなどの材料の酸化物を除去するのに必要である可能性がある腐食性フラックスなどの損傷を与える材料を使用せずに、金属化シリコンダイなどの追加の層を熱相互接続層に直接はんだ付けすることができる。
熱スプレッダ構成要素または熱拡散構成要素（熱スプレッダおよび熱拡散は、本明細書では交換可能に使用され、同じ共通意味を有する）は、一般に、ニッケル、アルミニウム、銅、またはＡｌＳｉＣなどの金属または金属ベースのベース材料を備える。金属または金属ベースのベース材料が、電子構成要素によって生成される熱のいくらかまたはすべてを散逸させることができる限り、任意の適切な金属または金属ベースのベース材料を熱スプレッダとして本明細書において使用することができる。
熱スプレッダ構成要素は、電子構成要素、ベンダの必要性に応じて、および熱スプレッダ構成要素が、周囲の電子構成要素から生成される熱のいくらかまたはすべてを散逸させるタスクを十分に実施することができる限り、任意の適切な厚さで配置することができる。考慮される厚さは、約０．２５ｍｍから約６ｍｍの範囲の厚さからなる。熱スプレッダ構成要素の特に好ましい厚さは、約１ｍｍから約５ｍｍの範囲内にある。
次いで、層状界面材料および／または相互接続材料は、基板、他の表面、または他の層状材料に加えられることが可能である。本明細書において考慮される基板は、任意の望ましいほぼ固体の材料からなることが可能である。特に望ましい基板層は、膜、ガラス、セラミック、プラスチック、金属またはコーティング金属、もしくは複合材料からなる。好ましい実施形態では、基板は、シリコンヒ化物またはゲルマニウムヒ化物のダイまたはウエハ表面、銅、銀、ニッケル、または金メッキリードフレームに見られるようなパッケージング、回路板またはパッケージ相互接続トレース、バイア壁またはスチフナ界面に見られるような銅表面（「銅」は裸銅およびその酸化物の考慮を含む）、ポリイミドベースのフレックスパッケージに見られるようなポリマーベースのパッケージまたはボードの界面、鉛または他の金属合金のはんだボール表面、ガラスおよびポリイミドなどのポリマーからなる。「基板」は、凝集性界面を考慮するとき、他のポリマー材料として定義されることさえ可能である。より好ましい実施形態では、基板は、シリコン、銅、ガラス、および他のポリマーなど、パッケージおよび回路板の業界では一般的な材料からなる。
追加の材料層が、層状構成要素の構築を続行するために、層状界面材料に結合されることが可能である。追加の層は、金属、金属合金、複合材料、ポリマー、モノマー、有機化合物、無機化合物、有機金属化合物、樹脂、接着剤、および光導波路材料を含めて、本明細書においてすでに記述された材料と同様の材料からなることが考慮される。
構成要素によって必要とされる仕様に応じて、ラミネート材料またはクラッディング材料の層を層状界面材料に結合することができる。ラミネートは、一般に、ファイバ強化樹脂誘電体材料と見なされる。クラッディング材料は、銅などの金属および他の材料がラミネートに組み込まれるとき生成されるラミネートのサブセットである（ハーパー、チャールズ Ａ．、Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｐａｃｋａｇｉｎｇ ａｎｄ Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ Ｈａｎｄｂｏｏｋ、第２版、ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ（ニューヨーク）、１９９７年。）。
スピンオン層および材料も、層状界面材料またはその後の層に追加されることが可能である。スピンオンスタック膜が、参照によって完全に本明細書に組み込まれている、マイケル Ｅ．トーマス（Ｍｉｃｈａｅｌ Ｅ．Ｔｈｏｍａｓ）、「Ｓｐｉｎ−Ｏｎ Ｓｔａｃｋｅｄ Ｆｉｌｍｓ ｆｏｒ Ｌｏｗ ｋｅｆｆ Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｓ」、Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（２００１年７月）、によって教示される。
本明細書において記述される考慮される熱溶液、ＩＣパッケージ、熱界面構成要素、層状界面材料、および熱スプレッダ構成要素の適用は、材料および／または構成要素を他の層状材料、電子構成要素、または完成電子製品に組み込むことを含む。本明細書において考慮される電子構成要素は、電子ベース製品において使用することができる任意の層状構成要素からなると一般に考えられる。考慮される電子構成要素は、回路板、チップパッケージ、セパレータシート、回路板の誘電体構成要素、印刷ワイヤボード、ならびにキャパシタ、インダクタ、および抵抗などの回路板の他の構成要素からなる。
電子ベース製品は、業界において、または他の消費者によって使用される準備が整っているという意味で、「完成」することができる。完成消費者製品の例は、テレビジョン、コンピュータ、携帯電話、ポケットベル、パームタイプオーガナイザ、携帯ラジオ、カーステレオ、およびリモートコントロールである。また、完成製品において潜在的に使用される回路板、チップパッケージ、およびキーボードなどの「中間」製品も考慮される。
電子製品は、概念的モデルから最終スケールアップ／モックアップまでの開発のあらゆる段階において、プロトタイプの構成要素を備えることも可能である。プロトタイプは、完成製品において意図される実際の構成要素のすべてを含む、または含まないことが可能であり、プロトタイプは、初めの試験をされている間、他の構成要素に対する初期効果を無効にするために、複合材料から構築されるいくつかの構成要素を有することが可能である。
熱スプレッダが、利用可能なマスキング技術を使用して生成され、金スポットでめっきされた。ＤＣ電流および０．２５ミクロン／１０秒の付着率を使用して生成された初期サンプルは、赤色付着物を残した。この赤色は、多孔性を示すものとすることができるが、その理由は、これは、作業表面において金を補給する電解液の能力を超える付着率を示唆するからである。付着率を０．２５ミクロン／２０秒まで下げることは、金をより満足なレモンイエローの色に戻すように作用した。しかし、この付着率は、考慮される使用については許容可能ではなかった。
１．０ミリ秒のオンおよび９．０ミリ秒のオフ（１０％デューティ）のパルスサイクルを有するパルスめっきシステムが、生成された。このサイクルを使用して、約８秒で０．２５ミクロンのレモンイエローの金を付着させることが可能であった。
０．１ミリ秒のオンおよび３．０ミリ秒のオフ（３．３％デューティ）のより積極的なパルスサイクルを使用して、５秒のサイクル時間が達成され、一方、レモンイエローの色を維持した。
パルスめっきデューティサイクルが、０．３ミリ秒のオンおよび０．３ミリ秒のオフであり、約１５秒について２．１アンペアの平均電流である、他の考慮されるパルスサイクルが試験された。このサイクルは、３２作業部品に均等にわたって、０．１４ミクロンの金を付着させるのに十分である。
したがって、熱溶液、ＩＣパッケージ、熱相互接続、および界面材料の具体的な実施形態および適用が、開示された。しかし当業者には、本明細書における本発明の概念から逸脱せずに、すでに記述されたものの範囲内にある多くのさらなる修正が可能であることが明らかなはずである。したがって、本発明の主題は、開示の精神におけるものを除いて、制約されるべきではない。さらに、開示の解釈において、すべての用語は、文脈と矛盾しない最も広範な可能な方式で解釈されるべきである。具体的には、「備える」および「備えている」という用語は、非排他的な方式で、要素、構成要素、またはステップを指すと解釈されるべきであり、参照される要素、構成要素、またはステップは、明示的に参照されない他の要素、構成要素、またはステップと共に存在し、または使用され、または組み合わされることが可能であることを示す。

Claims (45)

  1. 少なくとも１つのパルスめっき熱伝導性材料と、
    少なくとも１つの熱スプレッダ構成要素とを備える層状界面材料。
  2. 熱伝導性材料が、金属ベース材料を備える請求項１に記載の層状材料。
  3. 金属ベース材料が、遷移金属からなる請求項２に記載の層状材料。
  4. 遷移金属が、金からなる請求項３に記載の層状材料。
  5. 熱伝導性材料が、本質的に非多孔性である請求項１に記載の層状材料。
  6. 熱スプレッダ構成要素が、金属ベースのベース材料を備える請求項１に記載の層状材料。
  7. 金属ベースのベース材料が、ニッケル、アルミニウム、銅、またはその組合せからなる請求項６に記載の層状材料。
  8. 熱スプレッダ構成要素が、シリコン、炭素、またはその組合せからなる請求項１に記載の層状材料。
  9. 層状材料が、少なくとも１つの追加の材料層からなる請求項１に記載の層状材料。
  10. 熱伝導層の厚さが、約１μｍ未満である請求項１に記載の層状材料。
  11. 熱伝導層の厚さが、約５００ｎｍ未満である請求項１０に記載の層状材料。
  12. 熱伝導層の厚さが、約１００ｎｍ未満である請求項１１に記載の層状材料。
  13. 熱伝導層の厚さが、約１０ｎｍ未満である請求項１２に記載の層状材料。
  14. 熱伝導層が、あるパターンで配置される請求項１に記載の層状材料。
  15. 熱伝導層が、パルスめっき装置によって形成される請求項１に記載の層状材料。
  16. 電熱層が、パルス周期反転方法によって形成される請求項１に記載の層状材料。
  17. 基板をさらに備える請求項１から９の一項に記載の層状材料。
  18. 泳動構成要素を有するめっき層状界面材料であって、
    少なくとも１つのパルスめっき熱伝導性材料と、
    少なくとも１つの熱スプレッダ構成要素とを備え、めっき層状界面材料の泳動構成要素が、基準層状界面材料の泳動構成要素と比較して少なくとも５１％だけ低減される層状材料。
  19. めっき層状界面材料の泳動構成要素が、少なくとも６０％だけ低減される請求項１８に記載の層状材料。
  20. めっき層状界面材料の泳動構成要素が、少なくとも７５％だけ低減される請求項１９に記載の層状材料。
  21. めっき層状界面材料の泳動構成要素が、少なくとも９０％だけ低減される請求項２０に記載の層状材料。
  22. めっき層状界面材料の泳動構成要素が、少なくとも９５％だけ低減される請求項２１に記載の層状材料。
  23. 熱伝導性材料が、金属ベース材料を備える請求項１８に記載の層状材料。
  24. 金属ベース材料が、遷移金属からなる請求項２３に記載の層状材料。
  25. 遷移金属が金からなる請求項２４に記載の層状材料。
  26. 熱伝導性材料が、本質的に非多孔性である請求項１８に記載の層状材料。
  27. 熱スプレッダ構成要素が、金属ベースのベース材料を備える請求項１８に記載の層状材料。
  28. 金属ベースのベース材料が、ニッケル、アルミニウム、銅、またはその組合せからなる請求項２７に記載の層状材料。
  29. 熱スプレッダ構成要素が、シリコン、炭素、またはその組合せからなる請求項１８に記載の層状材料。
  30. 層状材料が、少なくとも１つの追加の材料層を備える請求項１８に記載の層状材料。
  31. 熱伝導層の厚さが、約１μｍ未満である請求項１８に記載の層状材料。
  32. 熱伝導層の厚さが、約５００ｎｍ未満である請求項３１に記載の層状材料。
  33. 熱伝導層の厚さが、約１００ｎｍ未満である請求項３２に記載の層状材料。
  34. 熱伝導層の厚さが、約１０ｎｍ未満である請求項３３に記載の層状材料。
  35. 熱伝導層が、あるパターンで配置される請求項１８に記載の層状材料。
  36. 熱伝導層が、パルスめっき装置によって形成される請求項１８に記載の層状材料。
  37. 熱伝導層が、パルス周期反転方法によって形成される請求項１８に記載の層状材料。
  38. 基板をさらに備える請求項１８または２６の一項に記載の層状材料。
  39. 層状界面材料を形成する方法であって、
    パルスめっき熱伝導界面材料を提供することと、
    熱スプレッダ構成要素を提供することと、
    熱伝導界面材料と熱スプレッダ構成要素とを物理的に結合することとを備える方法。
  40. 追加の層を層状界面材料に結合することをさらに備える請求項３９に記載の方法。
  41. 熱導体と、
    保護層と、
    はんだを受け取り、かつ酸化物の形成を防止するための材料層と、
    はんだ材料の層とを備える層状界面材料。
  42. 熱導体が銅からなる請求項４１に記載の層状材料。
  43. 保護層がニッケルからなる請求項４１に記載の層状材料。
  44. 電子構成要素をさらに備える請求項４１に記載の層状材料。
  45. 電子構成要素がダイを備える請求項４４に記載の層状材料。
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