JP2022549311A - 熱伝導体、熱伝導性材料、及び半導体デバイスのパッケージ構造 - Google Patents

熱伝導体、熱伝導性材料、及び半導体デバイスのパッケージ構造 Download PDF

Info

Publication number
JP2022549311A
JP2022549311A JP2022518735A JP2022518735A JP2022549311A JP 2022549311 A JP2022549311 A JP 2022549311A JP 2022518735 A JP2022518735 A JP 2022518735A JP 2022518735 A JP2022518735 A JP 2022518735A JP 2022549311 A JP2022549311 A JP 2022549311A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
film layer
metal
metal nanoparticles
metal film
diamond particles
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2022518735A
Other languages
English (en)
Other versions
JP7373061B2 (ja
Inventor
然 赫
▲栄▼▲華▼ ▲謝▼
昆▲輝▼ 肖
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Huawei Technologies Co Ltd
Original Assignee
Huawei Technologies Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Huawei Technologies Co Ltd filed Critical Huawei Technologies Co Ltd
Publication of JP2022549311A publication Critical patent/JP2022549311A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP7373061B2 publication Critical patent/JP7373061B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
    • H01L23/373—Cooling facilitated by selection of materials for the device or materials for thermal expansion adaptation, e.g. carbon
    • H01L23/3733—Cooling facilitated by selection of materials for the device or materials for thermal expansion adaptation, e.g. carbon having a heterogeneous or anisotropic structure, e.g. powder or fibres in a matrix, wire mesh, porous structures
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09K—MATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
    • C09K5/00—Heat-transfer, heat-exchange or heat-storage materials, e.g. refrigerants; Materials for the production of heat or cold by chemical reactions other than by combustion
    • C09K5/08—Materials not undergoing a change of physical state when used
    • C09K5/14—Solid materials, e.g. powdery or granular
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
    • H01L23/373—Cooling facilitated by selection of materials for the device or materials for thermal expansion adaptation, e.g. carbon
    • H01L23/3737—Organic materials with or without a thermoconductive filler
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K9/00—Use of pretreated ingredients
    • C08K9/02—Ingredients treated with inorganic substances
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/25—Diamond
    • C01B32/28—After-treatment, e.g. purification, irradiation, separation or recovery
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K3/00—Use of inorganic substances as compounding ingredients
    • C08K3/02—Elements
    • C08K3/04—Carbon
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L101/00—Compositions of unspecified macromolecular compounds
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09C—TREATMENT OF INORGANIC MATERIALS, OTHER THAN FIBROUS FILLERS, TO ENHANCE THEIR PIGMENTING OR FILLING PROPERTIES ; PREPARATION OF CARBON BLACK  ; PREPARATION OF INORGANIC MATERIALS WHICH ARE NO SINGLE CHEMICAL COMPOUNDS AND WHICH ARE MAINLY USED AS PIGMENTS OR FILLERS
    • C09C1/00—Treatment of specific inorganic materials other than fibrous fillers; Preparation of carbon black
    • C09C1/44—Carbon
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09C—TREATMENT OF INORGANIC MATERIALS, OTHER THAN FIBROUS FILLERS, TO ENHANCE THEIR PIGMENTING OR FILLING PROPERTIES ; PREPARATION OF CARBON BLACK  ; PREPARATION OF INORGANIC MATERIALS WHICH ARE NO SINGLE CHEMICAL COMPOUNDS AND WHICH ARE MAINLY USED AS PIGMENTS OR FILLERS
    • C09C3/00—Treatment in general of inorganic materials, other than fibrous fillers, to enhance their pigmenting or filling properties
    • C09C3/06—Treatment with inorganic compounds
    • C09C3/063—Coating
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09K—MATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
    • C09K5/00—Heat-transfer, heat-exchange or heat-storage materials, e.g. refrigerants; Materials for the production of heat or cold by chemical reactions other than by combustion
    • C09K5/16—Materials undergoing chemical reactions when used
    • C09K5/18—Non-reversible chemical reactions
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/12—Mountings, e.g. non-detachable insulating substrates
    • H01L23/14—Mountings, e.g. non-detachable insulating substrates characterised by the material or its electrical properties
    • H01L23/142—Metallic substrates having insulating layers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
    • H01L23/373—Cooling facilitated by selection of materials for the device or materials for thermal expansion adaptation, e.g. carbon
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
    • H01L23/373—Cooling facilitated by selection of materials for the device or materials for thermal expansion adaptation, e.g. carbon
    • H01L23/3732—Diamonds
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
    • H01L23/373—Cooling facilitated by selection of materials for the device or materials for thermal expansion adaptation, e.g. carbon
    • H01L23/3735—Laminates or multilayers, e.g. direct bond copper ceramic substrates
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
    • H01L23/373—Cooling facilitated by selection of materials for the device or materials for thermal expansion adaptation, e.g. carbon
    • H01L23/3736—Metallic materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/48—Arrangements for conducting electric current to or from the solid state body in operation, e.g. leads, terminal arrangements ; Selection of materials therefor
    • H01L23/482—Arrangements for conducting electric current to or from the solid state body in operation, e.g. leads, terminal arrangements ; Selection of materials therefor consisting of lead-in layers inseparably applied to the semiconductor body
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L24/00—Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
    • H01L24/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/28—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L24/00—Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
    • H01L24/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/31—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K2201/00—Specific properties of additives
    • C08K2201/001—Conductive additives
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K2201/00—Specific properties of additives
    • C08K2201/002—Physical properties
    • C08K2201/005—Additives being defined by their particle size in general
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K2201/00—Specific properties of additives
    • C08K2201/011—Nanostructured additives
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/28—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process
    • H01L2224/29—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process of an individual layer connector
    • H01L2224/2954—Coating
    • H01L2224/29599—Material
    • H01L2224/29698—Material with a principal constituent of the material being a combination of two or more materials in the form of a matrix with a filler, i.e. being a hybrid material, e.g. segmented structures, foams
    • H01L2224/29699—Material of the matrix
    • H01L2224/2979—Material of the matrix with a principal constituent of the material being a polymer, e.g. polyester, phenolic based polymer, epoxy
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/28—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process
    • H01L2224/29—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process of an individual layer connector
    • H01L2224/2954—Coating
    • H01L2224/29599—Material
    • H01L2224/29698—Material with a principal constituent of the material being a combination of two or more materials in the form of a matrix with a filler, i.e. being a hybrid material, e.g. segmented structures, foams
    • H01L2224/29798—Fillers
    • H01L2224/29799—Base material
    • H01L2224/298—Base material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/28—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process
    • H01L2224/29—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process of an individual layer connector
    • H01L2224/2954—Coating
    • H01L2224/29599—Material
    • H01L2224/29698—Material with a principal constituent of the material being a combination of two or more materials in the form of a matrix with a filler, i.e. being a hybrid material, e.g. segmented structures, foams
    • H01L2224/29798—Fillers
    • H01L2224/29799—Base material
    • H01L2224/29893—Base material with a principal constituent of the material being a solid not provided for in groups H01L2224/298 - H01L2224/29891, e.g. allotropes of carbon, fullerene, graphite, carbon-nanotubes, diamond

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Polymers & Plastics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Geology (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)

Abstract

Figure 2022549311000001
この出願は、大きな熱伝導率を持つ熱伝導体を提供し、それは、半導体デバイスの放熱に利用でき、具体的には、半導体デバイスパッケージ分野で利用されうる。熱伝導体は、基盤と、基盤内に分布するダイヤモンド粒子及び第１の金属ナノ粒子とを含み、ダイヤモンド粒子の外表面は、カーバイド膜層、第１の金属膜層、及び第２の金属膜層を順に含む。３つの膜層は、ダイヤモンド粒子と第１の金属ナノ粒子との間の界面熱抵抗を低減するために利用される。加えて、この出願は、流体熱伝導性材料と、上記の熱伝導体を利用する半導体パッケージ構造とをさらに提供する。

Description

この出願は、２０１９年９月２４日に中国国家産権局に提出された、“HEAT CONDUCTOR, HEAT-CONDUCTING MATERIAL, AND PACKAGE STRUCTURE OF SEMICONDUCTOR DEVICE”と題された中国特許出願第201910906873.1号の優先権を主張し、その全体が参照によって本明細書に組み込まれる。
この出願は、放熱技術に関し、特に、熱伝導体、熱伝導性材料、及び半導体デバイスのパッケージ構造に関する。
半導体デバイスのパッケージ構造において、半導体デバイスは、通常、半田（例えば、Au80Sn20）又は熱界面材料（例えば、熱伝導性接着剤）を利用して放熱基板上に配置される。しかし、Au80Sn20の熱伝導率は、半導体デバイスの基板の熱伝導率（例えば、シリコン基板の熱伝導率は、約150 W/mKであり、シリコンカーバイド基板の熱伝導率は、約400 W/mKである）及び放熱基板の熱伝導率（例えば、銅基板の熱伝導率は、約400 W/mKである）よりも、かなり低い約57W/mKである。従って、半田は、パッケージ構造の熱抵抗を低減する上での大きなボトルネックになっていた。
この出願は、熱伝導体を提供する。熱伝導体は、比較的大きな熱伝導率を有する。熱伝導体が半導体デバイスのパッケージ構造に利用されるとき、パッケージ構造の熱伝導度が改善できる。加えて、この出願は、半導体デバイスのパッケージ構造をさらに提供する。上記の熱伝導体は、パッケージ構造に適用される。さらに、この出願は、熱伝導性材料をさらに提供する。熱伝導性材料上で硬化処理が実行された後、上記の熱伝導体が得られうる。
第１の態様によれば、この出願は、熱伝導体を提供する。熱伝導体は、基盤と、ダイヤモンド粒子、及び第１の金属ナノ粒子とを含む。ダイヤモンド粒子及び第１の金属ナノ粒子はいずれも、基盤内に分布する。ダイヤモンド粒子の外表面は、カーバイド膜層、第１の金属膜層、及び第２の金属膜層で順にコーティングされている。カーバイド膜層は、ダイヤモンド粒子の外表面の全体を被覆する。第１の金属膜層は、カーバイド膜層の外表面の全体を被覆する。第２の金属膜層は、化学的又は物理的な成膜方式で、第１の金属膜層の外表面の全体を被覆する。さらに、第１の金属ナノ粒子は、第２の金属膜層の外表面に、金属結合を利用して結合される。
この出願において、ダイヤモンド粒子の表面は、３つの膜層、即ち、カーバイド膜層、第１の金属膜層、及び第２の金属膜層で被覆される。３つの膜層は、ダイヤモンド粒子と第１の金属ナノ粒子との間の界面熱抵抗を低減するために利用される。
ダイヤモンドはフォノン熱伝導性であり、金属は電子熱伝導性であるため、ダイヤモンドと金属の熱伝導方式は大きく異なり、ダイヤモンドと金属との間での貧弱な熱伝導特性をもたらす。加えて、２つの材料、即ち、ダイヤモンドと金属が、比較的大きな特徴の違いを有するため、直接接着が２つの材料に適用されるとき、接着性能は貧弱になる。この出願においては、カーバイド膜層が、ダイヤモンド粒子と第１の金属膜層との間に配置される。カーバイドは炭素及び金属を含むため、ダイヤモンド粒子と第１の金属膜層との間の熱伝導特性及び接着性能が向上できる。
同じ材料の間で低い熱抵抗接続がより容易に実現されるため、第２の金属膜層と第１の金属ナノ粒子とは、概して、同じ材料でできていることに留意すべきである。第１の金属膜層と第１の金属ナノ粒子とは、概して、異なる材料でできている。しかし、第２の金属膜層が、通常、化学的又は物理的な成膜プロセスを利用して、第１の金属膜層の表面を被覆するため、第１の金属膜層と第２の金属膜層との間の熱抵抗は、比較的低い。
結論として、３つの膜層がダイヤモンド粒子と第１の金属ナノ粒子との間に配置されて、ダイヤモンド粒子と第１の金属ナノ粒子との間の界面熱抵抗を低減する効果を達成すると理解されうる。
任意選択で、基盤に利用される材料は、有機ポリマーであってよい。
任意選択で、ダイヤモンド粒子は、基盤内に均一に分布する。
任意選択で、第１の金属ナノ粒子は、基盤内に均一に分布する。
第１の態様に関連し、第１の可能な実装において、隣接する第１の金属ナノ粒子は、金属結合を利用して結合され、それによって、熱伝導体の２つの反対側の面を接続する熱伝導経路が、熱伝導体内に形成されうる。
第１の態様又は第２の態様の第１の可能な実装に関連し、第２の可能な実装において、第２の金属ナノ粒子は、第２の金属膜層の外表面上に成長される。このようにすると、互いに隣接する、基盤内に分散された第１の金属ナノ粒子と第２の金属ナノ粒子とは、金属結合を利用して互いに結合され、それによって、熱伝導経路を形成する。
任意選択で、第２の金属ナノ粒子は、第２の金属膜層の外表面上に均一に成長される。
任意選択で、互いに隣接する第２の金属ナノ粒子と第１の金属ナノ粒子とは、金属結合によって。
上記の実装のいずれか１つに関連し、この実装において、カーバイド膜層は、タングステンカーバイド膜層、チタンカーバイド膜層、クロムカーバイド膜層、モリブデンカーバイド膜層、ニッケルカーバイド膜層、及びシリコンカーバイド膜層のいずれか１つである。これらの材料の熱抵抗は比較的小さいため、熱伝導体の全体的な熱抵抗は、これらの材料のいずれか１つを利用することによって低減できる。
任意選択で、カーバイド膜層の厚さは、１０ｎｍ以上、かつ５００ｎｍ以下である。カーバイド膜層の厚さを調整することによって、カーバイド膜層の界面熱抵抗及び界面接着性能が最適化できる。
上記の実装のいずれか１つに関連し、この実装において、第１の金属膜層に利用される材料は、タングステン、チタン、クロム、モリブデン、ニッケル、プラチナ、又はパラジウムである。これらの材料のいずれか１つを利用して第１の金属膜層を準備することで、カーバイド膜層と第２の金属膜層との間の界面接着性能を改善できる。
任意選択で、第１の金属膜層の厚さは、１０ｎｍ以上、かつ５００ｎｍ以下である。第１の金属膜層の厚さを調整することによって、第１の金属膜層の界面熱抵抗及び界面接着性能が最適化できる。
上記の実装のいずれか１つに関連し、この実装において、第２の金属膜層は、金属薄膜層又は積層された複数の金属薄膜層を含む。各金属薄膜層に利用される材料は、銅、銀、金、プラチナ、パラジウム、インジウム、ビスマス、アルミニウム、又はアルミナである。
概して、第２の金属膜層と第１の金属ナノ粒子とは、同じ材料でできている。このようにすると、熱伝導性材料が熱伝導体を形成するために焼結されるとき、第２の金属膜層及び第１の金属ナノ粒子は、良好な焼結性能を有する。
任意選択で、第２の金属膜層の厚さは、０．１μｍ以上、かつ１０μｍ以下である。
上記の実装のいずれか１つに関連し、この実装において、第１の金属ナノ粒子に利用される材料は、銅、銀、金、及びスズのうちの１つ以上である。
任意選択で、第１の金属ナノ粒子の粒径は、１０ｎｍ以上、かつ５００ｎｍ以下である。
上記の実装のいずれか１つに関連し、この実装において、第２の金属ナノ粒子に利用される材料は、銅、銀、又は金のうちの少なくとも１つである。
任意選択で、第２の金属ナノ粒子の粒径は、１０ｎｍ以上、かつ２００ｎｍ以下である。
任意選択で、熱伝導体における基盤の容積比は、１０％以下である。
任意選択で、熱伝導体におけるダイヤモンド粒子の容積比は、０．０５％～８０％である。限定は、熱伝導体の熱伝導度を改善するために利用される。加えて、熱伝導体内のダイヤモンド粒子の容積比を調整することによって、熱伝導体のヤング率及び熱膨張率が調整されうる。
任意選択で、ダイヤモンド粒子の粒子比率は、０．０１μｍ以上、かつ２００μｍ以下である。限定は、熱伝導体の熱伝導度を改善するために利用される。加えて、熱伝導体内のダイヤモンド粒子の粒子比率を調整することによって、熱伝導体のヤング率及び熱膨張率が調整されうる。
任意選択で、ダイヤモンド粒子は、単結晶ダイヤモンド粒子、多結晶ダイヤモンド粒子、又は、単結晶ダイヤモンド粒子と多結晶ダイヤモンド粒子の両方である。
第２の態様によれば、この出願は、熱伝導性材料を提供する。熱伝導性材料と、上記の実装のいずれか１つで説明された熱伝導体との間の違いは、熱伝導性材料が流体であり、熱伝導体が固体であることにあり、上記の熱伝導体は、熱伝導性材料上で熱硬化処理が実行された後に得られうる。
具体的には、熱伝導性材料は、有機ポリマー、第１の金属ナノ粒子、及びダイヤモンド粒子を含む。ダイヤモンド粒子及び第１の金属ナノ粒子はいずれも、有機ポリマー内に分布している。ダイヤモンド粒子の外表面は、３つの膜層、即ち、カーバイド膜層、第１の金属膜層、及び第２の金属ナノ粒子で順に覆われている。カーバイド膜層は、ダイヤモンド粒子の外表面の全体を被覆する。第１の金属膜層は、カーバイド膜層の外表面の全体を被覆する。第２の金属膜層は、第１の金属膜層の外表面の全体を被覆する。第１の金属ナノ粒子は、第２の金属膜層の外表面に、金属結合を利用して結合されることに留意すべきである。
熱伝導性材料の有利な効果については、上記の熱伝導体の有利な効果を参照されたい。詳細については、ここでは再び説明されない。
第２の態様によれば、第１の可能な実装において、隣接する第１の金属ナノ粒子は、金属結合を利用して結合され、熱伝導経路を形成する。
第２の態様又は第２の態様の第１の可能な実装に関連し、第２の可能な実装において、熱伝導性材料は、第２の金属膜層の外表面上に成長した第２の金属ナノ粒子をさらに含み、熱伝導経路を形成する。
第２の態様の第２の可能な実装に関連し、第３の可能な実装において、互いに隣接する第１の金属ナノ粒子及び第２の金属ナノ粒子は、金属結合を利用して結合され、熱伝導経路を形成する。
第３の態様によれば、この出願は、半導体デバイスのパッケージ構造をさらに提供する。パッケージ構造は、半導体デバイスと、放熱基板と、第１の態様又は第１の態様の実装のいずれか１つによる熱伝導体とを含む。熱伝導体は、半導体デバイスと放熱基板との間に配置される。熱伝導体の一の表面は、半導体デバイスの背面に対向し、かつ半導体デバイスの背面に接しており、熱伝導体の他の表面は、コンポーネントを配置するために利用される放熱基板の面に対向し、かつコンポーネントを配置するために利用される面に接している。
熱伝導体が比較的良好な熱伝導性能を有するため、パッケージ構造内で、半導体デバイスによって生成される熱が、ある時間内に放熱基板に伝達でき、放熱基板を利用して外部に伝達される。
第３の態様に関連し、第１の可能な実装において、背面金属層が半導体デバイスの背面上に配置される。背面金属層は、金属薄膜層又は積層された複数の金属薄膜層である。各金属薄膜層に利用される材料は、チタン（Ti）、プラチナ（Pt）、パラジウム（Pd）、アルミニウム（Al）、ニッケル（Ni）、銅（Cu）、銀（Ag）、又は金（Au）である。
背面金属層は、半導体デバイスの背面に追加され、半導体デバイスから熱伝導体へ熱を伝達する能力をさらに改善する。
第３の態様の第１の可能な実装に関連し、第２の可能な実装において、互いに対向する背面金属層及び熱伝導体の表面は、金属結合を利用して結合され、半導体デバイスから熱伝導体へ熱を伝達する能力をさらに改善する。
第３の態様、第３の態様の第１の可能な実装、又は第３の態様の第２の可能な実装に関連し、第３の可能な実装において、互いに対向する熱伝導体及び放熱基板の表面は、金属結合を利用して結合され、熱伝導体から放熱基板へ熱を伝達する能力をさらに改善する。
この出願による、半導体デバイスのパッケージ構造の模式図である。 この出願による、熱伝導体の模式図である。 この出願による、熱伝導体の模式図である。 この出願による、熱伝導体の模式図である。
図１は、この出願による、半導体デバイスのパッケージ構造の模式図である。具体的には、パッケージ構造は、半導体デバイス１０と、熱伝導体２０と、放熱基板３０とを含む。半導体デバイス１０は、放熱基板３０上に配置され、熱伝導体２０は、半導体デバイス１０と放熱基板３０との間に配置される。半導体デバイス１０の、放熱基板３０に対向する面は、半導体デバイス１０の背面である。放熱基板３０の、半導体デバイス１０を設置する（又は、固定する）ために利用される面は、放熱基板３０の固定面と称されることがある。従って、熱伝導体２０の一の表面は、半導体デバイス１０の背面に接しており、熱伝導体２０の他の表面は、放熱基板３０の固定面に接している。熱伝導体２０の一の表面は、熱伝導体２０の他の表面の反対側にあることに留意すべきである。
任意選択で、熱伝導体２０の一の表面は、半導体デバイス１０の背面と同じ形状及び同じサイズを有し、熱伝導体２０の一の表面は、半導体デバイス１０の背面の縁に位置合わせされている。
この出願において、熱伝導体２０は、半導体デバイス１０によって生成された熱を、放熱基板３０に移入するように構成される（又は、半導体デバイス１０と放熱基板３０との間の熱伝導経路を形成するように構成される）だけでなく、半導体デバイス１０と放熱基板３０との間の機械的接続を形成するようにも構成される。
任意選択で、熱伝導体２０は、半導体デバイス１０の背面と放熱基板３０の固定面との間に満たされている熱伝導性材料（時々“熱伝導性半田”と称される）上で熱硬化処理が実行された後に形成されうる。この場合、熱伝導性材料については、この出願において提供される熱伝導性材料についての後述する実施形態の関連説明を参照されたい。詳細については、ここでは説明されない。
熱伝導体２０が、半導体デバイス１０の背面と放熱基板３０の固定面との間に満たされた熱伝導性材料上での熱硬化処理の後に得られるとき、熱硬化処理は、３００℃を超えない温度条件で実行される焼結処理であってよいことに留意すべきである。
この出願において提供されるパッケージ構造について、他の実施形態では、半導体デバイス１０の背面が、金属結合を利用して熱伝導体２０の一の表面に結合され、任意選択で、熱伝導体２０の他の表面が、金属結合を利用して放熱基板３０の固定面に結合される。
３００℃を超えない温度条件で熱伝導性材料上での焼結処理が実行されるとき、半導体デバイス１０の背面上に配置された金属粒子と、熱伝導体２０の一の表面上に配置された金属ナノ粒子とは、金属結合を利用して結合されうることに留意すべきである。
同様に、３００℃を超えない温度条件で熱伝導性材料上での焼結処理が実行されるとき、放熱基板３０の固定面上に配置された金属粒子と、熱伝導体２０の他の表面に配置された金属ナノ粒子とは、金属結合を利用して結合されうる。
熱伝導体２０の一の表面に配置された金属ナノ粒子は、概して、第１の金属ナノ粒子であり、第２の金属ナノ粒子であってよいことに留意すべきである。第１の金属ナノ粒子と第２の金属ナノ粒子との間の違いについては、以下の実施形態における説明を参照されたい。
任意選択で、熱伝導体２０は、熱伝導パッドである。熱伝導パッドは、半導体デバイス１０の表面と、放熱基板３０の固定面との間に配置される。熱伝導パッドは、代替的に、前もって熱伝導性材料上で硬化処理が実行された後に得られうると理解すべきである。具体的には、熱伝導パッドは、３００℃を超えない温度条件で熱伝導性材料上での硬化（又は、事前形成）処理が実行された後に得られうる。
この実施形態において、背面金属層１１は、半導体デバイス１０の背面に配置されうる。背面金属層１１は、半導体デバイス１０の背面（又は、底面）にめっきされた１つ以上の金属薄膜層を示す。背面金属層１１に含まれる各金属薄膜層に利用される材料は、チタン（Ti）、プラチナ（Pt）、パラジウム（Pd）、アルミニウム（Al）、ニッケル（Ni）、銅（Cu）、銀（Ag）、又は金（Au）であることに留意すべきである。背面金属層１１が、積層された複数の金属薄膜層を含むとき、それぞれ２つの隣接する金属膜に利用される材料は異なる。任意選択で、背面金属層１１に含まれる複数の金属薄膜層に別々に利用される材料は異なる。
背面金属層１１が半導体デバイス１０の背面に配置されるとき、“半導体デバイス１０の背面が、金属結合を利用して熱伝導体２０の一の表面に結合される”ことは、具体的には、背面金属層１１の、熱伝導体の表面に対抗する面が、金属結合を利用して熱伝導体の一の表面に結合されることを示す。
この出願で説明される半導体デバイス１０の基板は、シリコン基板、シリコンカーバイド基板、窒化ガリウム基板、単結晶ダイヤモンド基板、又は多結晶ダイヤモンド基板である。
任意選択で、半導体デバイス１０は、能動コンポーネント層１２を含む。能動コンポーネント層１２は、半導体デバイス１０の前面（“半導体デバイス１０の背面”は上で定義されており、半導体デバイス１０の前面は、半導体デバイス１０の背面と反対側にある面を示す）に配置される。能動コンポーネント層１２は、具体的には、シリコンコンポーネント層、又はワイドバンドギャップ半導体デバイス層であってよい。能動コンポーネント層１２は、シリコンカーバイド、窒化ガリウム、又は酸化ガリウムであってよい。
任意選択で、半導体デバイス１０は、チップである。
この出願の他の実施形態において、ヒートシンクが、放熱基板３０の背面にさらに配置されうる。ヒートシンクは、放熱基板から外部に熱を伝達するように構成される。放熱基板３０の背面は、放熱基板３０の固定面とは反対側にある。ヒートシンクは、具体的には、ヒートシンクフィンであってよい。さらに、ヒートシンクは、熱伝導性材料、熱伝導体、又は熱界面材料（TIM, Thermal Interface Material）を利用して熱分散基板３０の背面に固定されてよい。熱伝導性材料（又は、熱伝導体）は、この出願の以下の実施形態において提供される熱伝導性材料（又は、熱伝導体）であってよく、又は、他の熱伝導性材料（又は、他の熱伝導体）であってよい。
任意選択で、放熱基板３０は、金属基板、ダイヤモンド基板、銅で覆われたセラミック基板、シリコンカーバイド基板、又は窒化アルミニウム基板であってよい。放熱基板３０は、さらに、ダイヤモンド及び金属を含む複合材料でできた基板であってよい。
任意選択で、放熱基板３０は、金属（即ち、金属基板）であってよく、又は、表面金属層でコーティングされた基板であってよく、表面金属層の材料は、銅、ニッケル、銀、又は金のうちの１つ以上である。
この出願は、熱伝導体をさらに提供する。熱伝導体２０は、上記のパッケージ構造に適用されてよく、半導体デバイス１０によって生成された熱を放熱基板３０に伝達し、放熱基板３０を利用して熱を外部に伝達するように構成される。
図２は、この出願による、熱伝導体２０の模式図である。具体的には、熱伝導体２０は、基盤２８と、ダイヤモンド粒子２１と、第１の金属ナノ粒子２５とを含む。ダイヤモンド粒子２１と第１の金属ナノ粒子２５とは、基盤２８内に均一に分布している。ダイヤモンド粒子２１の外表面は、カーバイド膜層２２、第１の金属膜層２３、及び第２の金属膜層２４で順に覆われていることに留意すべきである。カーバイド膜層２２は、ダイヤモンド粒子２１の外表面に接しており、ダイヤモンド粒子２１の外表面の全体を被覆している。第１の金属膜層２３は、カーバイド膜層２２と第２の金属膜層２４との間に配置され、カーバイド膜層２２の外表面の全体を被覆している。第２の金属膜層２４は、第１の金属膜層２３の外表面に配置され、第１の金属膜層２３の外表面の全体を被覆している。
複数の膜層を利用してダイヤモンド粒子２１の外表面を順に覆う目的は、ダイヤモンド粒子２１の表面熱抵抗を低減することにあることに留意すべきである。従って、この出願で説明される“外表面の全体をコーティングする（又は、覆う）”とは、外表面の全体をコーティングする（又は、覆う）ことであってよく、又は、外表面のほとんど全体をコーティングする（又は、覆う）こと、例えば、外表面の９５％以上をコーティングする（又は、覆う）ことであってよい。この出願で説明される“外表面の全体をコーティングする（又は、覆う）こと”は、技術レベルによって制限され、従って、実際には、外表面の全体を被覆する（又は、覆う）ことでなくてよいと理解すべきである。具体的には、この出願において、“外表面の全体をコーティングする（又は、覆う）こと”の理解は、当業者の理解に基づくものであり、また、この実施形態の発明目的が達成できるかどうかに基づくものであるべきである。
基盤２８は、有機ポリマーであってよい。ダイヤモンド粒子２１及び第１の金属ナノ粒子２５は、有機ポリマー内に均一に分布しうる。
任意選択で、ダイヤモンド粒子２１の粒径（即ち、直径）は、マイクロメートルのレベルである。ダイヤモンド粒子２１の粒径は、０．０１マイクロメートル以上、かつ２００マイクロメートル未満であってよい。例えば、ダイヤモンド粒子２１の平均粒径は、５マイクロメートルである。ダイヤモンド粒子２１の形状が球形でないため、ダイヤモンド粒子２１の粒径は、ダイヤモンド粒子２１の平均粒径と理解されうる。加えて、この出願のどこかで“粒子の粒径”が言及されるとき、それもまた、粒子の平均粒径と理解されるべきである。
さらに、この実施形態において、ダイヤモンド粒子２１は、全てマイクロメートルレベルの粒径を持つダイヤモンド粒子であってもよいし、又は、マイクロメートルレベルの粒子直径を持つダイヤモンド粒子と、ナノメートルレベルの粒径を持つダイヤモンド粒子との両方を含んでもよい。ナノメートルレベルのダイヤモンド粒子は比較的小さいため、ダイヤモンド粒子の表面積も、比較的小さい。ミクロンレベルの複数のダイヤモンド粒子が、ナノメートルレベルの複数のダイヤモンド粒子と同じ体積を有する場合、ナノメートルレベルの複数のダイヤモンド粒子の総表面積は、比較的大きいため、界面熱抵抗も比較的大きく、比較的貧弱な熱伝導効果をもたらす。
任意選択で、ダイヤモンド粒子２１は、単結晶ダイヤモンド粒子、多結晶ダイヤモンド粒子、又は、単結晶ダイヤモンド粒子と多結晶ダイヤモンド粒子との両方であってよい。
任意選択で、熱伝導体２０において、ダイヤモンド粒子２１の容積比は、０．０５％以上、かつ８０％以下であるか、又は、ダイヤモンド粒子２１の容積比は、５％以上、かつ８０％以下であるか、又は、ダイヤモンド粒子の容積比は、１０％以上、かつ８０％以下である。
この出願において提供される熱伝導体における基盤２８の容積比は、１０％以下であってよいことに留意すべきである。さらに、基盤２８の容積比は、１％以下であってよい。
この実施形態において、カーバイド膜層２２は、タングステンカーバイド（WC又はW2C）膜層、チタンカーバイド（TiC）膜層、クロムカーバイド（Cr3C2, Cr3C7又はCr23C7）膜層、モリブデンカーバイド（MoC又はMo2C）膜層、ニッケルカーバイド（Ni3C）膜層、又はシリコンカーバイド（SiC）膜層であることに留意すべきである。具体的には、カーバイド膜層２２がタングステンカーバイド膜層であるとき、タングステンカーバイド膜層の材料は、タングステンカーバイド（WC）であってよく、ジタングステンカーバイド（W2C）であってよく、又は、タングステンカーバイド（WC）とジタングステンカーバイド（W2C）との両方を含んでよい。カーバイド膜層２２がクロムカーバイド膜層であるとき、クロムカーバイド膜層の材料は、Ｃｒ3Ｃ2(Cr3C2)、Ｃｒ3Ｃ7(Cr3C7)又はＣｒ23Ｃ7(Cr23C7)のうちの１つ以上である。カーバイド膜層２２がモリブデンカーバイド膜層であるとき、モリブデンカーバイド膜層の材料は、モリブデンカーバイド（MoC）であってよく、ジモリブデンカーバイド（Mo2C）であってよく、又は、モリブデンカーバイド（MoC）とジモリブデンカーバイド（Mo2C）との両方を含んでよい。加えて、この実施形態において、カーバイド膜層２２の厚さは、１０ｎｍ以上、かつ５００ｎｍ以下である。
第１の金属膜層２３の材料は、タングステン（W）、チタン（Ti）、クロム（Cr）、モリブデン（Mo）、ニッケル（Ni）、プラチナ（Pt）、又はパラジウム（Pd）であることに留意すべきである。さらに、第１の金属膜層２３の厚さは、１０ｎｍ以上、かつ５００ｎｍ以下である。
第２の金属膜層２４は、金属薄膜層、又は積層された複数の金属薄膜層を含むことに留意すべきである。各金属薄膜層に利用される材料は、銅（Cu）、銀（Ag）、金（Au）、プラチナ（Pt）、パラジウム（Pd）、インジウム（In）、ビスマス（Bi）、アルミニウム（Al）、アルミナなどである。第２の金属膜層２４が、積層された複数の金属薄膜層を含むとき、積層された複数の金属薄膜層内のそれぞれ２つの隣接する金属膜に利用される材料は異なる。任意選択で、第２の金属膜層２４に含まれる積層された複数の金属薄膜層に別々に利用される材料は異なる。第２の金属膜層２４の厚さは、０．１μｍ以上、かつ１０μｍ以下である。例えば、第２の金属層２４の厚さは、１マイクロメートルであってよい。
この実施形態において、第１の金属ナノ粒子２５に利用される材料は、銅（Cu）、銀（Ag）、金（Au）、スズ（Sn）のうちの１つ以上であることに留意すべきである。具体的には、第１の金属ナノ粒子２５は、以下の金属粒子、即ち、銅粒子と、金粒子と、銀粒子と、スズ粒子と、銀でコーティングされた銅と、銅、銀、金、及びスズのいずれか２つ又は３つで形成される合金の粒子とのうちの１つ以上であってよい。“複数の”は、この出願において、２より大きいことを意味することに留意すべきである。“銀でコーティングされた銅”は、銅球の外側に銀層をコーティングすることを示す。“銅、銀、金、及びスズのいずれか２つ又は３つで形成される合金の粒子”は、例えば、銅－銀合金粒子、銀－銅合金粒子、銅－金合金粒子、金－銅合金粒子、銅－スズ合金粒子、スズ－銅合金粒子、又は銅－銀－スズ合金粒子であってよい。任意選択で、第１の金属ナノ粒子２５の粒径は、１０ｎｍ以上、かつ５００ｎｍ以下である。例えば、第１の金属ナノ粒子２５は、３０ｎｍの平均粒径を持つ銀粒子である。
図３に示すように、第１の金属ナノ粒子２５の一部は、金属結合を利用して、第２の金属膜層２４の外表面に結合されることに留意すべきである。より正確には、第１の金属ナノ粒子２５の一部は、金属結合を利用して、第２の金属膜層２４の外表面で金属イオンに結合される。それに対応して、隣接する第１の金属ナノ粒子２５は、また、金属結合を利用して、互いに結合されうる。
第２の金属膜層２４の外表面の表面熱抵抗を低減するために、他の実施形態では、図４に示すように、第２の金属ナノ粒子２７は、さらに、第２の金属膜層２４の外表面で成長されうる。このことから、第２の金属ナノ粒子２７と、第１の金属ナノ粒子２５との間の違いは、第２の金属ナノ粒子２７が第２の金属膜層２４の外表面で成長されることであり、第１の金属ナノ粒子２７が、金属結合を利用して、第２の金属膜層２４の外表面で金属イオンに結合されると理解できる。第２の金属ナノ粒子２７は、金粒子、銀粒子、又は銅粒子のうちの少なくとも１つである。この実施形態において、互いに隣接する第２の金属ナノ粒子２７及び第１の金属ナノ粒子２５は、金属結合を利用して、互いに結合されうる。第２の金属ナノ粒子２７の粒径は、１０ナノメートル以上、２００ナノメートル以下であることにさらに留意すべきである。任意選択で、第２の金属ナノ粒子２７は、第２の金属膜層２４の外表面に均一に成長される。
図４を参照すると、第１の金属ナノ粒子２５とダイヤモンド粒子２１、又は、第１の金属ナノ粒子２５と、第２の金属ナノ粒子２７と、ダイヤモンド粒子２１とは、熱伝導体２０の一の表面から他の表面へと通じる熱伝導経路を形成する。
第１の金属ナノ粒子２５と第２の金属膜層２４の外表面との間の金属結合、隣接する第１の金属ナノ粒子２５の間の金属結合、又は、第２の金属ナノ粒子２７と第１の金属ナノ粒子２５との間の金属結合は、３００℃を超えない温度で、金属結合を形成するために材料上で実行される焼結処理を通じて、全て実現されうることに留意すべきである。例えば、第２の金属ナノ粒子２７及び第１の金属ナノ粒子２５は、３００℃を超えない温度で焼結される。このようにすると、金属結合は、互いに隣接する第２の金属ナノ粒子２７と第１の金属ナノ粒子２５との間に形成されうる。
この出願において提供される熱伝導体の熱伝導率を実現するために、他の実施形態では、多層カーボンナノチューブ、単層カーボンナノチューブ、又はグラフェンの１つ以上が、基盤２８内で均一に混合されてよい。
この出願は、熱伝導性材料をさらに提供する。熱伝導性材料は、有機ポリマー、第１の金属ナノ粒子、及びダイヤモンド粒子を含む。ダイヤモンド粒子及び第１の金属ナノ粒子は、有機ポリマー内に均一に分布する。ダイヤモンド粒子の外表面は、カーバイド膜層、第１の金属膜層、及び第２の金属膜層で順にコーティングされる。熱伝導性材料についての実施形態と、熱伝導体についての上記の実施形態とは、多くの同じ部分（同じ部分については、熱伝導体についての上記の実施形態が参照されてよく、詳細については、ここでは再び説明されない）を有することに留意すべきである。２つの実施形態の違いは、有機ポリマーが流体であり、従って、熱伝導性材料も流体であることにある。上記の実施形態において説明された熱伝導体は、熱伝導性材料が加熱されて焼結された後に得られうる。上記の熱伝導体は固体であると理解すべきである。例えば、上記の実施形態において説明された熱伝導体は、３００℃を超えない温度で、熱伝導性材料が加熱されて焼結された後に形成されうる。従って、熱伝導性材料内の有機ポリマーの容積比は、熱伝導体内の有機ポリマーの容積比より大きいことが容易に理解される。
上記の説明は、本発明の実施形態の単なる具体的な説明に過ぎず、この出願の保護範囲を限定することを意図していないことに留意すべきである。この出願において開示された技術的範囲内で、当業者によって直ちに理解される任意の変形又は置換は、この出願の保護範囲に収まるべきである。従って、この出願の保護範囲は、特許請求の範囲の保護範囲を対象とすべきである。加えて、上記の実施形態に対する相互参照がなされうる。
この出願は、放熱技術に関し、特に、熱伝導体、熱伝導性材料、及び半導体デバイスのパッケージ構造に関する。
半導体デバイスのパッケージ構造において、半導体デバイスは、通常、半田（例えば、Au80Sn20）又は熱界面材料（例えば、熱伝導性接着剤）を利用して放熱基板上に配置される。しかし、Au80Sn20の熱伝導率は、半導体デバイスの基板の熱伝導率（例えば、シリコン基板の熱伝導率は、約150 W/mKであり、シリコンカーバイド基板の熱伝導率は、約400 W/mKである）及び放熱基板の熱伝導率（例えば、銅基板の熱伝導率は、約400 W/mKである）よりも、かなり低い約57W/mKである。従って、半田は、パッケージ構造の熱抵抗を低減する上での大きなボトルネックになっていた。
この出願は、熱伝導体を提供する。熱伝導体は、比較的大きな熱伝導率を有する。熱伝導体が半導体デバイスのパッケージ構造に適用されるとき、パッケージ構造の熱伝導率が改善できる。加えて、この出願は、半導体デバイスのパッケージ構造をさらに提供する。上記の熱伝導体は、パッケージ構造に適用される。さらに、この出願は、熱伝導性材料をさらに提供する。上記の熱伝導体は、熱伝導性材料上で硬化処理が実行された後に得られうる。
第１の態様によれば、この出願は、熱伝導体を提供する。熱伝導体は、基盤と、ダイヤモンド粒子、及び第１の金属ナノ粒子とを含む。ダイヤモンド粒子及び第１の金属ナノ粒子はいずれも、基盤内に分布する。ダイヤモンド粒子の外表面は、カーバイド膜層、第１の金属膜層、及び第２の金属膜層で順にコーティングされている。カーバイド膜層は、ダイヤモンド粒子の外表面の全体を被覆する。第１の金属膜層は、カーバイド膜層の外表面の全体を被覆する。第２の金属膜層は、化学的又は物理的な成膜方式で、第１の金属膜層の外表面の全体を被覆する。さらに、第１の金属ナノ粒子と第２の金属膜層の外表面とは、金属結合を利用して互いに結合される。
この出願において、ダイヤモンド粒子の表面は、３つの膜層、即ち、カーバイド膜層、第１の金属膜層、及び第２の金属膜層で被覆される。３つの膜層は、ダイヤモンド粒子と第１の金属ナノ粒子との間の界面熱抵抗を低減するために利用される。
ダイヤモンドはフォノン熱伝導性であり、金属は電子熱伝導性であるため、ダイヤモンドと金属の熱伝導方式は大きく異なり、ダイヤモンドと金属との間での貧弱な熱伝導特性をもたらす。加えて、２つの材料、即ち、ダイヤモンドと金属が、比較的大きな特徴の違いを有するため、直接接着が２つの材料に適用されるとき、接着特性も貧弱になる。この出願においては、カーバイド膜層が、ダイヤモンド粒子と第１の金属膜層との間に配置される。カーバイドは炭素及び金属を含むため、ダイヤモンド粒子と第１の金属膜層との間の熱伝導特性及び接着特性が向上できる。
同じ材料の間で低い熱抵抗接続がより容易に実現されるため、第２の金属膜層及び第１の金属ナノ粒子には、通常、同じ材料を利用することに留意すべきである。第１の金属膜層及び第１の金属ナノ粒子には、通常、異なる材料を利用する。しかし、第２の金属膜層が、通常、化学的又は物理的な成膜プロセスを利用して、第１の金属膜層の表面を被覆するため、第１の金属膜層と第２の金属膜層との間の熱抵抗は、比較的低い。
結論として、３つの膜層がダイヤモンド粒子と第１の金属ナノ粒子との間に配置されて、ダイヤモンド粒子と第１の金属ナノ粒子との間の界面熱抵抗を低減する効果を達成すると理解されうる。
任意選択で、基盤に利用される材料は、有機ポリマーであってよい。
任意選択で、ダイヤモンド粒子は、基盤内に均一に分布する。
任意選択で、第１の金属ナノ粒子は、基盤内に均一に分布する。
第１の態様に関連し、第１の可能な実装において、隣接する第１の金属ナノ粒子は、金属結合を利用して互いに結合され、それによって、熱伝導体の２つの反対側の面を接続する熱伝導経路が、熱伝導体内に形成できる。
第１の態様又は第１の態様の第１の可能な実装に関連し、第２の可能な実装において、第２の金属ナノ粒子は、第２の金属膜層の外表面上に成長される。このようにすると、基盤内に分散された、互いに隣接する第１の金属ナノ粒子と第２の金属ナノ粒子とは、金属結合を利用して互いに結合され、それによって、熱伝導経路を形成する。
任意選択で、第２の金属ナノ粒子は、第２の金属膜層の外表面上に均一に成長される。
任意選択で、互いに隣接する第２の金属ナノ粒子と第１の金属ナノ粒子とは、金属結合によって互いに結合される。
上記の実装のいずれか１つに関連し、この実装において、カーバイド膜層は、タングステンカーバイド膜層、チタンカーバイド膜層、クロムカーバイド膜層、モリブデンカーバイド膜層、ニッケルカーバイド膜層、及びシリコンカーバイド膜層のいずれか１つである。これらの材料の熱抵抗は比較的小さいため、熱伝導体の全体的な熱抵抗は、これらの材料のいずれか１つを利用することによって低減できる。
任意選択で、カーバイド膜層の厚さは、１０ナノメートル以上、かつ５００ナノメートル以下である。カーバイド膜層の厚さを調整することによって、カーバイド膜層の界面熱抵抗及び界面接着特性が最適化できる。
上記の実装のいずれか１つに関連し、この実装において、第１の金属膜層に利用される材料は、タングステン、チタン、クロム、モリブデン、ニッケル、プラチナ、又はパラジウムである。これらの材料のいずれか１つを利用して第１の金属膜層を準備することで、カーバイド膜層と第２の金属膜層との間の界面接着特性を改善できる。
任意選択で、第１の金属膜層の厚さは、１０ナノメートル以上、かつ５００ナノメートル以下である。第１の金属膜層の厚さを調整することによって、第１の金属膜層の界面熱抵抗及び界面接着性能が最適化できる。
上記の実装のいずれか１つに関連し、この実装において、第２の金属膜層は、金属薄膜層又は積層された複数の金属薄膜層を含む。各金属薄膜層に利用される材料は、銅、銀、金、プラチナ、パラジウム、インジウム、ビスマス、アルミニウム、又はアルミナである。
概して、第２の金属膜層及び第１の金属ナノ粒子には、同じ材料を利用する。このようにすると、熱伝導性材料が熱伝導体を形成するために焼結されるとき、第２の金属膜層及び第１の金属ナノ粒子は、良好な焼結性能を有する。
任意選択で、第２の金属膜層の厚さは、０．１マイクロメートル以上、かつ１０マイクロメートル以下である。
上記の実装のいずれか１つに関連し、この実装において、第１の金属ナノ粒子の材料は、銅、銀、金、及びスズのうちの１つ以上である。
任意選択で、第１の金属ナノ粒子の粒径は、１０ナノメートル以上、かつ５００ナノメートル以下である。
上記の実装のいずれか１つに関連し、この実装において、第２の金属ナノ粒子の材料は、銅、銀、又は金のうちの少なくとも１つである。
任意選択で、第２の金属ナノ粒子の粒径は、１０ナノメートル以上、かつ２００ナノメートル以下である。
任意選択で、熱伝導体における基盤の容積比は、１０％以下である。
任意選択で、熱伝導体におけるダイヤモンド粒子の容積比は、０．０５％～８０％である。限定は、熱伝導体の熱伝導率を改善するために利用される。加えて、熱伝導体内のダイヤモンド粒子の容積比を調整することによって、熱伝導体のヤング率及び熱膨張率が調整されうる。
任意選択で、ダイヤモンド粒子の粒径は、０．０１マイクロメートル以上、かつ２００マイクロメートル以下である。限定は、熱伝導体の熱伝導率を改善するために利用される。加えて、熱伝導体内のダイヤモンド粒子の粒径を調整することによって、熱伝導体のヤング率及び熱膨張率が調整されうる。
任意選択で、ダイヤモンド粒子は、単結晶ダイヤモンド粒子、多結晶ダイヤモンド粒子、又は、単結晶ダイヤモンド粒子と多結晶ダイヤモンド粒子の両方である。
第２の態様によれば、この出願は、熱伝導性材料を提供する。熱伝導性材料と、上記の実装のいずれか１つで説明された熱伝導体との間の違いは、熱伝導性材料が流体であり、熱伝導体が固体であることにあり、上記の熱伝導体は、熱伝導性材料上で熱硬化処理が実行された後に得られうる。
具体的には、熱伝導性材料は、有機ポリマー、第１の金属ナノ粒子、及びダイヤモンド粒子を含む。ダイヤモンド粒子及び第１の金属ナノ粒子はいずれも、有機ポリマー内に分布している。ダイヤモンド粒子の外表面は、３つの膜層、即ち、カーバイド膜層、第１の金属膜層、及び第２の金属ナノ粒子で順にコーティングされている。カーバイド膜層は、ダイヤモンド粒子の外表面の全体を被覆する。第１の金属膜層は、カーバイド膜層の外表面の全体を被覆する。第２の金属膜層は、第１の金属膜層の外表面の全体を被覆する。第１の金属ナノ粒子と第２の金属膜層の外表面とは、金属結合を利用して互いに結合されることに留意すべきである。
熱伝導性材料の有利な効果については、上記の熱伝導体の有利な効果を参照されたい。詳細については、ここでは再び説明されない。
第２の態様によれば、第１の可能な実装において、隣接する第１の金属ナノ粒子は、金属結合を利用して互いに結合され、熱伝導経路を形成する。
第２の態様又は第２の態様の第１の可能な実装に関連し、第２の可能な実装において、熱伝導性材料は、第２の金属膜層の外表面上に成長した第２の金属ナノ粒子をさらに含み、熱伝導経路を形成する。
第２の態様の第２の可能な実装に関連し、第３の可能な実装において、互いに隣接する第１の金属ナノ粒子及び第２の金属ナノ粒子は、金属結合を利用して互いに結合され、熱伝導経路を形成する。
第３の態様によれば、この出願は、半導体デバイスのパッケージ構造をさらに提供する。パッケージ構造は、半導体デバイスと、放熱基板と、第１の態様又は第１の態様の実装のいずれか１つによる熱伝導体とを含む。熱伝導体は、半導体デバイスと放熱基板との間に配置される。熱伝導体の一の表面は、半導体デバイスの背面に対向し、かつ半導体デバイスの背面に接しており、熱伝導体の他の表面は、放熱基板の、デバイスを配置するために利用される面に対向し、かつデバイスを配置するために利用される面に接している。
熱伝導体が比較的良好な熱伝導特性を有するため、パッケージ構造内で、半導体デバイスによって生成される熱が、ある時間内に放熱基板に伝達でき、放熱基板を利用して外部に伝達される。
第３の態様に関連し、第１の可能な実装において、背面金属層が半導体デバイスの背面上に配置される。背面金属層は、金属薄膜層又は積層された複数の金属薄膜層である。各金属薄膜層に利用される材料は、チタン（Ti）、プラチナ（Pt）、パラジウム（Pd）、アルミニウム（Al）、ニッケル（Ni）、銅（Cu）、銀（Ag）、又は金（Au）である。
背面金属層は、半導体デバイスの背面に追加され、半導体デバイスから熱伝導体へ熱を伝達する能力をさらに改善する。
第３の態様の第１の可能な実装に関連し、第２の可能な実装において、背面金属層及び熱伝導体の、互いに対向する表面は、金属結合を利用して互いに結合され、半導体デバイスから熱伝導体へ熱を伝達する能力をさらに改善する。
第３の態様、第３の態様の第１の可能な実装、又は第３の態様の第２の可能な実装に関連し、第３の可能な実装において、熱伝導体及び放熱基板の、互いに対向する表面は、金属結合を利用して互いに結合され、熱伝導体から放熱基板へ熱を伝達する能力をさらに改善する。
この出願による、半導体デバイスのパッケージ構造の模式図である。 この出願による、熱伝導体の模式図である。 この出願による、熱伝導体の模式図である。 この出願による、熱伝導体の模式図である。
図１は、この出願による、半導体デバイスのパッケージ構造の模式図である。具体的には、パッケージ構造は、半導体デバイス１０と、熱伝導体２０と、放熱基板３０とを含む。半導体デバイス１０は、放熱基板３０上に配置され、熱伝導体２０は、半導体デバイス１０と放熱基板３０との間に配置される。半導体デバイス１０の、放熱基板３０に対向する面は、半導体デバイス１０の背面である。放熱基板３０の、半導体デバイス１０を設置する（又は、固定する）ために利用される面は、放熱基板３０の固定面と称されることがある。従って、熱伝導体２０の一の表面は、半導体デバイス１０の背面に接しており、熱伝導体２０の他の表面は、放熱基板３０の固定面に接している。熱伝導体２０の一の表面は、熱伝導体２０の他の表面の反対側にあることが理解されるべきである。
任意選択で、熱伝導体２０の一の表面は、半導体デバイス１０の背面と同じ形状及び同じサイズを有し、熱伝導体２０の一の表面は、半導体デバイス１０の背面の縁に位置合わせされている。
この出願において、熱伝導体２０は、半導体デバイス１０によって生成された熱を、放熱基板３０に移入するように構成される（又は、半導体デバイス１０と放熱基板３０との間の熱伝導経路を形成するように構成される）だけでなく、半導体デバイス１０と放熱基板３０との間の機械的接続を形成するようにも構成される。
任意選択で、熱伝導体２０は、半導体デバイス１０の背面と放熱基板３０の固定面との間に満たされている熱伝導性材料（時々“熱伝導性半田”と称される）上で熱硬化処理が実行された後に形成されうる。この場合、熱伝導性材料については、この出願において提供される熱伝導性材料についての後述する実施形態の関連説明を参照されたい。詳細については、ここでは説明されない。
熱伝導体２０が、半導体デバイス１０の背面と放熱基板３０の固定面との間に満たされた熱伝導性材料上で熱硬化処理が実行された後に得られるとき、熱硬化処理は、３００℃を超えない温度で実行される焼結処理であってよいことに留意すべきである。
この出願において提供されるパッケージ構造について、他の実施形態では、半導体デバイス１０の背面と熱伝導体２０の一の表面とが金属結合を利用して互いに結合され、任意選択で、熱伝導体２０の他の表面と放熱基板３０の固定面とが金属結合を利用して互いに結合される。
３００℃を超えない温度で熱伝導性材料上での焼結処理が実行されるとき、半導体デバイス１０の背面上に配置された金属粒子と、熱伝導体２０の一の表面上に配置された金属ナノ粒子とは、金属結合を利用して互いに結合されうることに留意すべきである。
同様に、３００℃を超えない温度で熱伝導性材料上での焼結処理が実行されるとき、放熱基板３０の固定面上に配置された金属粒子と、熱伝導体２０の他の表面に配置された金属ナノ粒子とは、金属結合を利用して互いに結合されうる。
熱伝導体２０の一の表面に配置された金属ナノ粒子は、概して、第１の金属ナノ粒子であり、第２の金属ナノ粒子であってよいことに留意すべきである。第１の金属ナノ粒子と第２の金属ナノ粒子との間の違いについては、以下の実施形態における説明を参照されたい。
任意選択で、熱伝導体２０は、熱伝導パッドである。熱伝導パッドは、半導体デバイス１０の表面と、放熱基板３０の固定面との間に配置される。熱伝導パッドは、代替的に、前もって熱伝導性材料上で硬化処理が実行された後に得られうると理解すべきである。具体的には、熱伝導パッドは、３００℃を超えない温度条件で熱伝導性材料上での硬化（又は、事前形成）処理が実行された後に得られうる。
この実施形態において、背面金属層１１は、半導体デバイス１０の背面に配置されうる。背面金属層１１は、半導体デバイス１０の背面（又は、底）にめっきされた１つ以上の金属薄膜層を示す。背面金属層１１に含まれる各金属薄膜層に利用される材料は、チタン（Ti）、プラチナ（Pt）、パラジウム（Pd）、アルミニウム（Al）、ニッケル（Ni）、銅（Cu）、銀（Ag）、又は金（Au）であることに留意すべきである。背面金属層１１が、積層された複数の金属薄膜層を含むとき、それぞれ２つの隣接する金属膜に利用される材料は異なる。任意選択で、背面金属層１１に含まれる複数の金属薄膜層に別々に利用される材料は異なる。
背面金属層１１が半導体デバイス１０の背面に配置されるとき、“半導体デバイス１０の背面と熱伝導体２０の一の表面とが金属結合を利用して互いに結合される”ことは、具体的には、背面金属層１１の、熱伝導体の表面に対抗する面が、金属結合を利用して熱伝導体の表面に結合されることを示す。
この出願で説明される半導体デバイス１０の基板は、シリコン基板、シリコンカーバイド基板、窒化ガリウム基板、単結晶ダイヤモンド基板、又は多結晶ダイヤモンド基板である。
任意選択で、半導体デバイス１０は、能動デバイス層１２を含む。能動デバイス層１２は、半導体デバイス１０の前面（“半導体デバイス１０の背面”は上で定義されており、半導体デバイス１０の前面は、半導体デバイス１０の背面と反対側にある面を示す）に配置される。能動デバイス層１２は、具体的には、シリコンデバイス層、又はワイドバンドギャップ半導体デバイス層であってよい。能動デバイス層１２は、シリコンカーバイド、窒化ガリウム、又は酸化ガリウムであってよい。
任意選択で、半導体デバイス１０は、チップである。
この出願の他の実施形態において、ヒートシンクが、放熱基板３０の背面にさらに配置されうる。ヒートシンクは、放熱基板３０から外部に熱を伝達するように構成される。放熱基板３０の背面は、放熱基板３０の固定面とは反対側にある。ヒートシンクは、具体的には、ヒートシンクフィンであってよい。さらに、ヒートシンクは、熱伝導性材料、熱伝導体、又は熱界面材料（TIM）を利用して放熱基板３０の背面に固定されてよい。熱伝導性材料（又は、熱伝導体）は、この出願の以下の実施形態において提供される熱伝導性材料（又は、熱伝導体）であってよく、又は、他の熱伝導性材料（又は、他の熱伝導体）であってよい。
任意選択で、放熱基板３０は、金属基板、ダイヤモンド基板、銅で覆われたセラミック基板、シリコンカーバイド基板、又は窒化アルミニウム基板であってよい。放熱基板３０は、さらに、ダイヤモンド及び金属を含む複合材料でできた基板であってよい。
任意選択で、放熱基板３０は、金属（即ち、金属基板）であってよく、又は、表面金属層でコーティングされた基板であってよく、表面金属層の材料は、銅、ニッケル、銀、又は金のうちの１つ以上である。
この出願は、熱伝導体をさらに提供する。熱伝導体２０は、上記のパッケージ構造に適用されてよく、半導体デバイス１０によって生成された熱を放熱基板３０に伝達し、放熱基板３０を利用して熱を外部に伝達するように構成される。
図２は、この出願による、熱伝導体２０の模式図である。具体的には、熱伝導体２０は、基盤２８と、ダイヤモンド粒子２１と、第１の金属ナノ粒子２５とを含む。ダイヤモンド粒子２１と第１の金属ナノ粒子２５とは、基盤２８内に均一に分布している。ダイヤモンド粒子２１の外表面は、カーバイド膜層２２、第１の金属膜層２３、及び第２の金属膜層２４で順にコーティングされることに留意すべきである。カーバイド膜層２２は、ダイヤモンド粒子２１の外表面に接しており、ダイヤモンド粒子２１の外表面の全体を被覆している。第１の金属膜層２３は、カーバイド膜層２２と第２の金属膜層２４との間に配置され、カーバイド膜層２２の外表面の全体を被覆している。第２の金属膜層２４は、第１の金属膜層２３の外表面に配置され、第１の金属膜層２３の外表面の全体を被覆している。
複数の膜層を利用してダイヤモンド粒子２１の外表面を順にコーティングする目的は、ダイヤモンド粒子２１の表面熱抵抗を低減することにあることに留意すべきである。従って、この出願における“外表面の全体をコーティングする（又は、覆う）”とは、外表面の全体をコーティングする（又は、覆う）ことであってよく、又は、外表面のほとんど全体をコーティングする（又は、覆う）こと、例えば、外表面の９５％以上をコーティングする（又は、覆う）ことであってよい。この出願における“外表面の全体をコーティングする（又は、覆う）こと”は、技術レベルによって制限され、従って、実際には、外表面の全てを被覆する（又は、覆う）ことでなくてよいと理解すべきである。具体的には、この出願において、“外表面の全体をコーティングする（又は、覆う）こと”の理解は、当業者の理解に基づくものであり、また、この実施形態の発明目的が達成できるかどうかに基づくものであるべきである。
基盤２８は、有機ポリマーであってよい。ダイヤモンド粒子２１及び第１の金属ナノ粒子２５は、有機ポリマー内に均一に分布しうる。
任意選択で、ダイヤモンド粒子２１の粒径（即ち、直径）は、マイクロメートルのレベルである。ダイヤモンド粒子２１の粒径は、０．０１マイクロメートル以上、かつ２００マイクロメートル未満であってよい。例えば、ダイヤモンド粒子２１の平均粒径は、５マイクロメートルである。ダイヤモンド粒子２１の形状が球形でないため、ダイヤモンド粒子２１の粒径は、ダイヤモンド粒子２１の平均粒径と理解されうる。加えて、この出願のどこかで“粒子の粒径”が言及されるとき、それもまた、粒子の平均粒径と理解されるべきである。
さらに、この実施形態において、ダイヤモンド粒子２１は、全てマイクロメートルレベルの粒径を持つダイヤモンド粒子であってもよいし、又は、マイクロメートルレベルの粒子直径を持つダイヤモンド粒子と、ナノメートルレベルの粒径を持つダイヤモンド粒子との両方を含んでもよい。ナノメートルレベルのダイヤモンド粒子は比較的小さいため、ダイヤモンド粒子の表面積も、比較的小さい。マイクロメートルレベルの複数のダイヤモンド粒子が、ナノメートルレベルの複数のダイヤモンド粒子と同じ体積を有する場合、ナノメートルレベルの複数のダイヤモンド粒子の総表面積は、比較的大きいため、界面熱抵抗も比較的大きく、比較的貧弱な熱伝導効果をもたらす。
任意選択で、ダイヤモンド粒子２１は、単結晶ダイヤモンド粒子、多結晶ダイヤモンド粒子、又は、単結晶ダイヤモンド粒子と多結晶ダイヤモンド粒子との両方であってよい。
任意選択で、熱伝導体２０において、ダイヤモンド粒子２１の容積比は、０．０５％以上、かつ８０％以下であるか、又は、ダイヤモンド粒子２１の容積比は、５％以上、かつ８０％以下であるか、又は、ダイヤモンド粒子の容積比は、１０％以上、かつ８０％以下である。
この出願において提供される熱伝導体における基盤２８の容積比は、１０％以下であってよいことに留意すべきである。さらに、基盤２８の容積比は、１％以下であってよい。
この実施形態において、カーバイド膜層２２は、タングステンカーバイド（WC又はW2C）膜層、チタンカーバイド（TiC）膜層、クロムカーバイド（Cr3C2, Cr3C7又はCr23C7）膜層、モリブデンカーバイド（MoC又はMo2C）膜層、ニッケルカーバイド（Ni3C）膜層、又はシリコンカーバイド（SiC）膜層であることに留意すべきである。具体的には、カーバイド膜層２２がタングステンカーバイド膜層であるとき、タングステンカーバイド膜層の材料は、タングステンカーバイド（WC）であってよく、ジタングステンカーバイド（W2C）であってよく、又は、タングステンカーバイド（WC）とジタングステンカーバイド（W2C）との両方を含んでよい。カーバイド膜層２２がクロムカーバイド膜層であるとき、クロムカーバイド膜層の材料は、Ｃｒ3Ｃ2(Cr3C2)、Ｃｒ3Ｃ7(Cr3C7)又はＣｒ23Ｃ7(Cr23C7)のうちの１つ以上である。カーバイド膜層２２がモリブデンカーバイド膜層であるとき、モリブデンカーバイド膜層に利用される材料は、モリブデンカーバイド（MoC）であってよく、ジモリブデンカーバイド（Mo2C）であってよく、又は、モリブデンカーバイド（MoC）とジモリブデンカーバイド（Mo2C）との両方を含んでよい。加えて、この実施形態において、カーバイド膜層２２の厚さは、１０ナノメートル以上、かつ５００ナノメートル以下である。
第１の金属膜層２３に利用される材料は、タングステン（W）、チタン（Ti）、クロム（Cr）、モリブデン（Mo）、ニッケル（Ni）、プラチナ（Pt）、又はパラジウム（Pd）であることに留意すべきである。さらに、第１の金属膜層２３の厚さは、１０ナノメートル以上、かつ５００ナノメートル以下である。
第２の金属膜層２４は、金属薄膜層、又は積層された複数の金属薄膜層を含むことに留意すべきである。各金属薄膜層に利用される材料は、銅（Cu）、銀（Ag）、金（Au）、プラチナ（Pt）、パラジウム（Pd）、インジウム（In）、ビスマス（Bi）、アルミニウム（Al）、アルミナなどである。第２の金属膜層２４が、積層された複数の金属薄膜層を含むとき、積層された複数の金属薄膜層内のそれぞれ２つの隣接する金属膜に利用される材料は異なる。任意選択で、第２の金属膜層２４に含まれる積層された複数の金属薄膜層に別々に利用される材料は異なる。第２の金属膜層２４の厚さは、０．１マイクロメートル以上、かつ１０マイクロメートル以下である。例えば、第２の金属膜層２４の厚さは、１マイクロメートルであってよい。
この実施形態において、第１の金属ナノ粒子２５に利用される材料は、銅（Cu）、銀（Ag）、金（Au）、スズ（Sn）のうちの１つ以上であることに留意すべきである。具体的には、第１の金属ナノ粒子２５は、以下の金属粒子、即ち、銅粒子と、金粒子と、銀粒子と、スズ粒子と、銀でコーティングされた銅と、銅、銀、金、及びスズのいずれか２つ又は３つで形成される合金の粒子とのうちの１つ以上であってよい。“複数の”は、この出願において、２より大きいことを意味することに留意すべきである。“銀でコーティングされた銅”は、銅球の外側に銀層をコーティングすることを示す。“銅、銀、金、及びスズのいずれか２つ又は３つで形成される合金の粒子”は、例えば、銅－銀合金粒子、銀－銅合金粒子、銅－金合金粒子、金－銅合金粒子、銅－スズ合金粒子、スズ－銅合金粒子、又は銅－銀－スズ合金粒子であってよい。任意選択で、第１の金属ナノ粒子２５の粒径は、１０ナノメートル以上、かつ５００ナノメートル以下である。例えば、第１の金属ナノ粒子２５は、３０ナノメートルの平均粒径を持つ銀粒子である。
図３に示すように、第１の金属ナノ粒子２５の一部は、金属結合を利用して、第２の金属膜層２４の外表面に結合されることに留意すべきである。より正確には、第１の金属ナノ粒子２５の一部は、金属結合を利用して、第２の金属膜層２４の外表面で金属イオンに結合される。それに対応して、隣接する第１の金属ナノ粒子２５は、また、金属結合を利用して、互いに結合されうる。
第２の金属膜層２４の外表面の表面熱抵抗を低減するために、他の実施形態では、図４に示すように、第２の金属ナノ粒子２７は、さらに、第２の金属膜層２４の外表面で成長されうる。このことから、第２の金属ナノ粒子２７と、第１の金属ナノ粒子２５との間の違いは、第２の金属ナノ粒子２７が第２の金属膜層２４の外表面で成長されることであり、第１の金属ナノ粒子２５が、金属結合を利用して、第２の金属膜層２４の外表面で金属イオンに結合されると理解できる。第２の金属ナノ粒子２７は、金粒子、銀粒子、又は銅粒子のうちの少なくとも１つである。この実施形態において、互いに隣接する第２の金属ナノ粒子２７及び第１の金属ナノ粒子２５は、金属結合を利用して、互いに結合されうる。第２の金属ナノ粒子２７の粒径は、１０ナノメートル以上、２００ナノメートル以下であることにさらに留意すべきである。任意選択で、第２の金属ナノ粒子２７は、第２の金属膜層２４の外表面に均一に成長される。
図４を参照すると、第１の金属ナノ粒子２５とダイヤモンド粒子２１、又は、第１の金属ナノ粒子２５と、第２の金属ナノ粒子２７と、ダイヤモンド粒子２１とは、熱伝導体２０の一の表面から他の表面へと通じる熱伝導経路を形成する。
第１の金属ナノ粒子２５と第２の金属膜層２４の外表面との間の金属結合、隣接する第１の金属ナノ粒子２５の間の金属結合、又は、第２の金属ナノ粒子２７と第１の金属ナノ粒子２５との間の金属結合は、３００℃を超えない温度で、金属結合を形成するために材料上で実行される焼結処理を通じて、全て実現されうることに留意すべきである。例えば、第２の金属ナノ粒子２７及び第１の金属ナノ粒子２５は、３００℃を超えない温度で焼結される。このようにすると、金属結合は、互いに隣接する第２の金属ナノ粒子２７と第１の金属ナノ粒子２５との間に形成されうる。
この出願において提供される熱伝導体の熱伝導率を実現するために、他の実施形態では、多層カーボンナノチューブ、単層カーボンナノチューブ、又はグラフェンの１つ以上が、基盤２８内で均一に混合されてよい。
この出願は、熱伝導性材料をさらに提供する。熱伝導性材料は、有機ポリマー、第１の金属ナノ粒子、及びダイヤモンド粒子を含む。ダイヤモンド粒子及び第１の金属ナノ粒子は、有機ポリマー内に均一に分布する。ダイヤモンド粒子の外表面は、カーバイド膜層、第１の金属膜層、及び第２の金属膜層で順にコーティングされる。熱伝導性材料についての実施形態と、熱伝導体についての上記の実施形態とは、多くの同じ部分（同じ部分については、熱伝導体についての上記の実施形態が参照されてよく、詳細については、ここでは再び説明されない）を有することに留意すべきである。２つの実施形態の違いは、有機ポリマーが流体であり、従って、熱伝導性材料も流体であることにある。上記の実施形態において説明された熱伝導体は、熱伝導性材料が加熱されて焼結された後に得られうる。上記の熱伝導体は固体であると理解すべきである。例えば、上記の実施形態において説明された熱伝導体は、３００℃を超えない温度で、熱伝導性材料が加熱されて焼結された後に形成されうる。従って、熱伝導性材料内の有機ポリマーの容積比は、熱伝導体内の有機ポリマーの容積比より大きいことが容易に理解される。
上記の説明は、本発明の実施形態の単なる具体的な説明に過ぎず、この出願の保護範囲を限定することを意図していないことに留意すべきである。この出願において開示された技術的範囲内で、当業者によって直ちに理解される任意の変形又は置換は、この出願の保護範囲に収まるべきである。従って、この出願の保護範囲は、特許請求の範囲の保護範囲を対象とすべきである。加えて、上記の実施形態に対する相互参照がなされうる。

Claims (22)

  1. 基盤と、前記基盤内に分布するダイヤモンド粒子及び第１の金属ナノ粒子とを含む熱伝導体であって、前記ダイヤモンド粒子の外表面は、カーバイド膜層、第１の金属膜層、及び第２の金属膜層で順にコーティングされており、
    前記カーバイド膜層は、前記ダイヤモンド粒子の前記外表面の全体を被覆し、
    前記第１の金属膜層は、前記カーバイド膜層の外表面の全体を被覆し、
    前記第２の金属膜層は、化学的又は物理的な成膜方式で、前記第１の金属膜層の外表面の全体を被覆し、
    前記第１の金属ナノ粒子と、前記第２の金属膜層の外表面とは、金属結合を利用して互いに結合される、
    熱伝導体。
  2. 隣接する第１の金属ナノ粒子は、金属結合を利用して互いに結合される、
    請求項１に記載の熱伝導体。
  3. 前記第２の金属膜層の前記外表面上に成長した第２の金属ナノ粒子をさらに含む、
    請求項１又は２に記載の熱伝導体。
  4. 互いに隣接する前記第１の金属ナノ粒子及び前記第２の金属ナノ粒子は、金属結合を利用して互いに結合される、
    請求項３に記載の熱伝導体。
  5. 前記カーバイド膜層は、タングステンカーバイド膜層、チタンカーバイド膜層、クロムカーバイド膜層、モリブデンカーバイド膜層、ニッケルカーバイド膜層、及びシリコンカーバイド膜層のいずれか１つである、
    請求項１～４のいずれか１項に記載の熱伝導体。
  6. 前記カーバイド膜層の厚さは、１０ナノメートル以上、かつ５００ナノメートル以下である、
    請求項１～５のいずれか１項に記載の熱伝導体。
  7. 前記第１の金属膜層に利用される材料は、タングステン、チタン、クロム、モリブデン、ニッケル、プラチナ、又はパラジウムである、
    請求項１～６のいずれか１項に記載の熱伝導体。
  8. 前記第１の金属膜層の厚さは、１０ナノメートル以上、かつ５００ナノメートル以下である、
    請求項１～７のいずれか１項に記載の熱伝導体。
  9. 前記第２の金属膜層は、金属薄膜層又は積層された複数の金属薄膜層を含み、各金属薄膜層に利用される材料は、銅、銀、金、プラチナ、パラジウム、インジウム、ビスマス、アルミニウム、又はアルミナである、
    請求項１～８のいずれか１項に記載の熱伝導体。
  10. 前記第２の金属膜層の厚さは、０．１マイクロメートル以上、かつ１０マイクロメートル以下である、
    請求項１～９のいずれか１項に記載の熱伝導体。
  11. 前記第１の金属ナノ粒子の材料は、銅、銀、金、及びスズのうちの１つ以上である、
    請求項１～１０のいずれか１項に記載の熱伝導体。
  12. 前記熱伝導体における前記基盤の容積比は、１０％以下である、
    請求項１～１１のいずれか１項に記載の熱伝導体。
  13. 前記熱伝導体における前記ダイヤモンド粒子の容積比は、０．０５％～８０％である、
    請求項１～１２のいずれか１項に記載の熱伝導体。
  14. 前記ダイヤモンド粒子の粒径は、０．０１マイクロメートル以上、かつ２００マイクロメートル以下である、
    請求項１～１３のいずれか１項に記載の熱伝導体。
  15. 有機ポリマーと、前記有機ポリマー内に分布するダイヤモンド粒子及び第１の金属ナノ粒子とを含む熱伝導性材料であって、前記ダイヤモンド粒子の外表面は、カーバイド膜層、第１の金属膜層、及び第２の金属膜層で順にコーティングされており、
    前記カーバイド膜層は、前記ダイヤモンド粒子の前記外表面の全体を被覆し、
    前記第１の金属膜層は、前記カーバイド膜層の外表面の全体を被覆し、
    前記第２の金属膜層は、前記第１の金属膜層の外表面の全体を被覆し、
    前記第１の金属ナノ粒子と、前記第２の金属膜層の外表面とは、金属結合を利用して互いに結合される、
    熱伝導性材料。
  16. 隣接する第１の金属ナノ粒子は、金属結合を利用して互いに結合される、
    請求項１５に記載の熱伝導性材料。
  17. 前記第２の金属膜層の前記外表面上に成長した第２の金属ナノ粒子をさらに含む、
    請求項１５又は１６に記載の熱伝導性材料。
  18. 互いに隣接する前記第１の金属ナノ粒子及び前記第２の金属ナノ粒子は、金属結合を利用して互いに結合される、
    請求項１７に記載の熱伝導性材料。
  19. 半導体デバイスと、放熱基板と、請求項１～１４のいずれか１項に記載の前記熱伝導体とを含む半導体デバイスのパッケージ構造であって、前記熱伝導体は、前記半導体デバイスと前記放熱基板との間に配置され、
    前記熱伝導体の一の表面は、前記半導体デバイスの背面に対向し、かつ前記半導体デバイスの前記背面に接しており、前記熱伝導体の他の表面は、前記放熱基板の固定面に対向し、かつ前記放熱基板の前記固定面に接している、
    半導体デバイスのパッケージ構造。
  20. 背面金属層が前記半導体デバイスの前記背面上に配置され、前記背面金属層は、金属薄膜層又は積層された複数の金属薄膜層であり、各金属薄膜層に利用される材料は、チタン、プラチナ、パラジウム、アルミニウム、ニッケル、銅、銀、又は金である、
    請求項１９に記載のパッケージ構造。
  21. 前記熱伝導体と前記放熱基板との、互いに対向する表面は、金属結合を利用して互いに結合される、
    請求項１９又は２０に記載のパッケージ構造。
  22. 前記背面金属層と前記熱伝導体との、互いに対向する表面は、金属結合を利用して互いに結合される、
    請求項２０又は２１に記載のパッケージ構造。
JP2022518735A 2019-09-24 2020-09-21 熱伝導体、熱伝導性材料、及び半導体デバイスのパッケージ構造 Active JP7373061B2 (ja)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910906873.1A CN112625657B (zh) 2019-09-24 2019-09-24 导热体、导热材料和半导体器件的封装结构
CN201910906873.1 2019-09-24
PCT/CN2020/116359 WO2021057630A1 (zh) 2019-09-24 2020-09-21 导热体、导热材料和半导体器件的封装结构

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2022549311A true JP2022549311A (ja) 2022-11-24
JP7373061B2 JP7373061B2 (ja) 2023-11-01

Family

ID=75165092

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2022518735A Active JP7373061B2 (ja) 2019-09-24 2020-09-21 熱伝導体、熱伝導性材料、及び半導体デバイスのパッケージ構造

Country Status (6)

Country Link
US (1) US20220216124A1 (ja)
EP (1) EP4023733A4 (ja)
JP (1) JP7373061B2 (ja)
KR (1) KR20220066383A (ja)
CN (1) CN112625657B (ja)
WO (1) WO2021057630A1 (ja)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20200370146A1 (en) * 2018-02-21 2020-11-26 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Composite material and composite material manufacturing method
US20220236019A1 (en) * 2021-01-22 2022-07-28 DTEN, Inc. Flexible thermal connection structure
CN115725273A (zh) * 2021-08-26 2023-03-03 华为技术有限公司 金刚石基导热填料及制备方法、复合导热材料和电子设备
CN115847947B (zh) * 2023-02-07 2023-06-06 有研工程技术研究院有限公司 一种多层复合铟基热界面材料及其制备方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002146672A (ja) * 2000-11-06 2002-05-22 Polymatech Co Ltd 熱伝導性充填剤及び熱伝導性接着剤並びに半導体装置
CN1982404A (zh) * 2005-12-13 2007-06-20 鸿富锦精密工业（深圳）有限公司 热界面材料及其制备方法
JP2009515362A (ja) * 2005-11-07 2009-04-09 スリーエム イノベイティブ プロパティズ カンパニー 構造化熱伝達物品
JP2018111883A (ja) * 2014-09-02 2018-07-19 株式会社アライドマテリアル ダイヤモンド複合材料、及び放熱部材
CN109371303A (zh) * 2018-11-07 2019-02-22 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 导热复合材料及其制备方法、散热件

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5565852B2 (ja) * 2009-09-30 2014-08-06 新技術開発株式会社 二重被覆ダイヤモンド研材粒子の製造方法
CN102610531A (zh) * 2012-03-12 2012-07-25 华中科技大学 一种金刚石-硅复合封装材料的制备方法
CN104674053A (zh) * 2015-01-26 2015-06-03 北京科技大学 一种高热导率金刚石/Cu电子封装复合材料的制备方法
US10575653B2 (en) * 2015-04-01 2020-03-03 Dreamwell, Ltd. Mattress assembly including thermally conductive foam layer
CN105803242B (zh) * 2016-03-21 2017-10-31 中南大学 一种片状与线状导热材料耦合增强复合材料及制备方法
CN105695831B (zh) * 2016-03-21 2017-10-31 中南大学 一种超高导热连续金刚石骨架增强复合材料及制备方法
CN106995896B (zh) * 2017-05-24 2019-05-10 西安炬光科技股份有限公司 一种金刚石颗粒增强金属基复合材料的金属化方法及结构
CN108329830A (zh) * 2018-02-01 2018-07-27 云南中宣液态金属科技有限公司 一种高导热复合热界面材料及其制备方法
CN108912683B (zh) * 2018-06-13 2021-02-26 中国科学院金属研究所 基于低熔点金属\导热粒子复合导热网络的热界面材料及其制备方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002146672A (ja) * 2000-11-06 2002-05-22 Polymatech Co Ltd 熱伝導性充填剤及び熱伝導性接着剤並びに半導体装置
JP2009515362A (ja) * 2005-11-07 2009-04-09 スリーエム イノベイティブ プロパティズ カンパニー 構造化熱伝達物品
CN1982404A (zh) * 2005-12-13 2007-06-20 鸿富锦精密工业（深圳）有限公司 热界面材料及其制备方法
JP2018111883A (ja) * 2014-09-02 2018-07-19 株式会社アライドマテリアル ダイヤモンド複合材料、及び放熱部材
CN109371303A (zh) * 2018-11-07 2019-02-22 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 导热复合材料及其制备方法、散热件

Also Published As

Publication number Publication date
WO2021057630A1 (zh) 2021-04-01
EP4023733A4 (en) 2022-10-19
CN112625657A (zh) 2021-04-09
JP7373061B2 (ja) 2023-11-01
US20220216124A1 (en) 2022-07-07
KR20220066383A (ko) 2022-05-24
CN112625657B (zh) 2022-01-14
EP4023733A1 (en) 2022-07-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP7373061B2 (ja) 熱伝導体、熱伝導性材料、及び半導体デバイスのパッケージ構造
US8772925B2 (en) Bonding structure and bonding method of heat diffusion member, and cooling unit using the same
TWI336512B (en) Integrated circuit device incorporating metallurigacal bond to enhance thermal conduction to a heat sink
US7168484B2 (en) Thermal interface apparatus, systems, and methods
US7109581B2 (en) System and method using self-assembled nano structures in the design and fabrication of an integrated circuit micro-cooler
US20120241943A1 (en) Diamond Particle Mololayer Heat Spreaders and Associated Methods
JP2008527737A (ja) 冷却用複合熱インタフェース
CN106129025B (zh) 电子装置及其制法
CN106910725B (zh) 一种半导体芯片的封装结构
WO2023024570A1 (zh) 金刚石基导热填料及制备方法、复合导热材料和电子设备
TWI633636B (zh) 電子裝置及其製造方法
WO2005020315A1 (ja) 素子接合用基板、素子接合基板及びその製造方法
JP2008198706A (ja) 回路基板、その製造方法およびそれを用いた半導体モジュール
JP2008214524A (ja) 接着剤、半導体装置および半導体装置の製造方法
JP6354235B2 (ja) 電子機器とその組み立て方法、及びシート状構造体とその製造方法
JP7471015B2 (ja) 複合材料およびこの複合材料を含む放熱部品
WO2004107438A1 (ja) サブマウントおよびそれを用いた半導体装置
US20090166852A1 (en) Semiconductor packages with thermal interface materials
JP2008218771A (ja) 接着シート、接着シートの製造方法および半導体装置
CN110957228A (zh) 一种碳化硅表面增强的铝散热基板及制造方法
TW201608033A (zh) 半導體封裝體及其製造方法
JP2013110217A (ja) シート状構造体及びその製造方法並びに電子機器及びその製造方法
US20040157089A1 (en) Heat sink formed of diamond-containing composite material with a multilayer coating
WO2024047959A1 (ja) 半導体装置及び接合方法
TWI246878B (en) Phase change thermal conductive plate and heat dissipating device having same

Legal Events

Date Code Title Description
A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20220422

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20220422

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20230314

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20230609

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20230926

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20231020

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 7373061

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150