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MATERIAL TÉRMICO DE INTERFAZ Y PREFORMAS PARA SOLDAR
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Los materiales térmicos de interfaz (TIM) so 5 críticos para proteger los dispositivos semiconductores activos tales como microprocesadores, que excedan su limite de temperatura. Ellos permiten el enlace térmico del dispositivo generador de calor (por ejemplo un semiconductor de silicio) a un disipador o dispersor de calor (por ejemplo
10 componentes de cobre y/o aluminio) sin presentar una barrera térmica excesiva. Los diferentes TIM pueden usarse en el ensamble de otros componentes del apilamiento disipador o dispersor de calor que conforma la trayectoria de impedancia térmica general. 15 La formación de una pequeña barrera térmica es una importante propiedades de un TI . La barrera térmica puede describirse en términos de la conductividad técnica efectiva a través del TI y es preferentemente lo más alta posible. La conductividad térmica efectiva del TIM es primaria debido al
20 coeficiente de transferencia térmica interfacial así como la conductividad térmica volumétrica (intrínseca) del TIM. Una variedad de otras propiedades son también importantes apara un TIM dependiendo de la aplicación particular, por ejemplo: una capacidad de acomodar o evitar las tensiones de expansión
25 térmicas cuando se juntan las dos materiales, una capacidad de formar una unión mecánicamente sana que sea estable durante los ciclos térmicos, una falta de sensibilidad a la humedad y a los cambios de temperatura, facilidad de manufactura y costo. Varias clases de materiales que actualmente están siendo usados como TIM, por ejemplo, grasas térmicas, geles térmicas, adhesivos, elastómeros, almohadillas térmicas y materiales de cambios de fase. Aunque los TIM anteriores son adecuados para muchos dispositivos semiconductores actuales, el mayor desempeño de los dispositivos semiconductores en el futuro cercano volverá inadecuados los TIM actualmente conocidos. Específicamente, la conductividad térmica de los TIMS no metálicos actuales no excede aproximadamente 5 /mK y es típicamente menor a aproximadamente 1 W/mK. Sin embargo los TIM que forman interfaces térmicas con conductividades térmicas efectivas de aproximadamente 50 W/mK o mayores serán necesarios próximamente. Una alternativa a los TIM no metálicos anteriores es una lámina o preforma metálica sólida hecha de una aleación de soldadura típica. Los TIM metálicos aseguran un alto valor de conductividad térmica (por ejemplo aproximadamente 80 W/mk para una laminado de indio) . Los TIM metálicos también puede tener un comportamiento favorable de soldadura o humectación al reflujo, lo que facilita una baja resistencia interfacial térmica baja. Durante el reflujo, la capa de preforma para soldar. En otro aspecto la invención se refiere a una preforma para soldar para unir componentes de dispositivos electrónicos que presenta un cuerpo esférico que consiste de un componente de enlace metálico de soldadura de cuerpo esférico y un componente aditivo seleccionado de entre los componentes promotores de la conductividad térmica, los componentes que modifiquen CTE, y sus mezclas. Existe también una capa superficial del cuerpo esférico que consiste de un metal de soldadura sobre el cuerpo esférico. BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La figura 1 es una vista en sección transversal de una configuración convencional de dispositivo semiconductor convencional/disipador de calor. La figura 2 es una vista transversal de una modalidad de la configuración del dispositivo semiconductor/disipador de calor de la presente invención. La figura 3 es una vista transversal de una modalidad de la configuración del dispositivo semiconductor/disipador de calor de la presente invención. DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN Las mejoras en el desempeño del dispositivo electrónico están frecuentemente acompañados por el mayor consumo de potencia y el menor tamaño del dispositivo, que independiente o conjuntamente puede dar como resultado mayores densidades de potencia, Por lo tanto el flujo de calor del dispositivo electrónico operativo puede aumentarse para mantener el dispositivo por debajo de su límite de temperatura operacional. La presente invención se dirige a materiales TIM de alto desempeño incluyendo un componente de soldadura y otros componentes descritos adelante para aumentar el flujo de calor del dispositivo electrónico, y proporcionar otras ventajas tal como se describe. El TIM incluye un componente de mejora en la conductividad térmica en aplicaciones en las cuales es deseable mejorar adicionalmente la transmisión térmica a través de la soldadura, un componente modificador de CTE en donde es deseable tratar el desajuste térmico, y ambos, cuando ambos se deseen. Un recuperador de oxígeno intrínseco puede usarse opcionalmente en cualquiera de esas aplicaciones. La presente invención también incluye una preforma para soldar que tiene una humectación mejorada a un substrato de un dispositivo electrónico. En ciertas instancias las funciones de la preforma para soldar funciona como un TIM, pero en otras aplicaciones en donde la transferencia térmica no es crítica o es inherentemente adecuada de otra forma, la preforma no funciona como un TIM. A. Soldadura El TIM de alto desempeño comprende una soldadura que permite que el TIM se enlace a un substrato. Como se usa aquí, el término "substrato" se refiere a un componente semiconductor y/o a un disipador de calor y/o cualquier otro artículo, dispositivo, aparato, etc. que se une a otro de esos "sustratos" con el TIM. Cuando se procesa térmicamente, el TIM debe unirse al substrato a una temperatura menor a la temperatura de falla de un dispositivo activo (electrónico) (por ejemplo por debajo de 350° C, preferentemente por debajo de aproximadamente 250° C, y más preferentemente o por debajo de aproximadamente 200° C) . La soldadura se funde por debajo de la temperatura de falla del dispositivo, humedece el substrato y permite la formación de enlaces químicos o mecánicos que efectúan una buena transferencia térmica entre el TIM y el substrato cuando se solidifica. En general la soldadura se funde a una temperatura menor a aproximadamente 300° C, preferentemente menos de aproximadamente 225° C. En ciertas modalidades la soldadura funde a una temperatura menor a aproximadamente menor de 170° C, tal como entre aproximadamente 160° C y 95° C. La soldadura puede consistir de material e soldadura convencional que requiere un ajuste del CTE. Por ejemplo la soldadura puede contener Sn, Cu, In, Pb, Sb, Au, Ag, aleaciones de cada uno de los anteriores, tales como Au-Sn, Au-Si, Au-Ge, y otros tales como aleaciones Bi . O por ejemplo la soldadura puede consistir de In, una aleación de In-Sn, una aleación de Au-Sn, o una aleación de Bi .
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Preferentemente la soldadura contiene un componente de enlace con un bajo punto de fusión, y una conductividad térmica relativamente alta en comparación con los materiales TIM convencionales (menos de aproximadamente 5 W/mK) . Por ejemplo, In (punto de fusión es de aproximadamente 155° C, la conductividad térmica es de aproximadamente 70 W/mK) , y sus mezclas y aleaciones. En una modalidad, el componente de enlace consiste esencialmente de In debido a su baja temperatura de fusión y a su capacidad de humectar fácilmente muchos óxidos, cerámicas, y cerments sin la necesidad de usar agentes de flujo orgánicos. En una modalidad el componente de soldadura es una aleación Sn-Bi-Ag que consiste de aproximadamente 39 a 61% en peso de Sn, aproximadamente 37 a 59% en peso de Bi, y aproximadamente 1 a 3% de Ag. En otra modalidad es una aleación Bi-Ag que contiene 80-976% en peso de Bi y 3-20% en peso de Ag. B. Componentes promotores de la Conductividad Térmica Para aumentar el flujo térmico a través del TIM en una modalidad preferida de la invención, el TIM consiste de un componente de mejora de la conductividad térmica. El componente de mejora de conductividad térmica preferentemente tiene un componente de conductividad térmica preferentemente tiene una conductividad térmica por encima de aproximadamente 100 W/mK. Los materiales preferidos para el componente de mejora de la conductividad térmica preferido son Al, Cu recubierto con Al, Cu, Ag, Au o sus aleaciones. Ag, Cu y Au tienen conductividades térmicas de aproximadamente 425 W/mK, aproximadamente 400 W/mK y aproximadamente 315 W/mK, respectivamente. Esos metales típicamente tienen temperaturas de fusión relativamente altas (por ejemplo el punto de fusión de Ag es de aproximadamente 960° C, de Cu es aproximadamente 1085° C, y de Au es de aproximadamente 1065° C) . Otros componentes preferidos son las cerámicas de alta conductividad térmica, tal como pero sin limitarse a A1N. BeO, B . Los cermets, cupratos, y silisuros. Otra clase preferida de componentes promotores de la conductividad térmica son el carbón y las fases de carbón que incluyen diamante, nanotubos de carbono y sus derivados relativos. El componente promotor de la conductividad térmica está incorporado en la soldadura en una cantidad en el rango de aproximadamente 1% en peso a aproximadamente 50% en peso. Para muchas aplicaciones, se prefiere incorporar entre aproximadamente 5% en peso y aproximadamente 20% en peso del componente de mejora de conductividad térmica, tal como 6% en peso de Al, en la soldadura. C. Componentes modificadores de CTE El flujo térmico a través del TIM puede mejorarse al prevenir la degradación en el contacto íntimo en la región interfacial sobre la vida del dispositivo electrónico.
Específicamente las diferencias en los coeficientes de expansión térmica de los diferentes componentes en un paquete electrónico crea tensión durante los ciclos térmicos normales que pueden conducir a la separación parcial o completa en la región interfacial. Este problema es particularmente agudo para los materiales que contienen TIM con altos coeficientes de expansión térmica en comparación con los materiales semiconductores típicos tales como silicio, ger anio, arsenuro de galio, sulfuro de cadmio y antimonuro de indio, y un material de un diodo emisor de luz incluyendo los emisores del estado sólido para aplicaciones fotónicas y de fibra óptica láser (por ejemplo In/As/GaAs e InAs/Al/Sb) . Típicamente los materiales del componente de enlace y los materiales del componente de mejora en la conductividad térmica tienen CTE que son mayores a aproximadamente 16 µm/m°C y el material de substrato tiene un CET menor a aproximadamente 16 µm/m°C. El TIM de la presente invención minimiza el impacto negativo del desajuste de CTE al contener preferentemente un componente modificador del CTE. El componente de modificador del CTE tiene un CTE que es más compatible con el substrato reduciendo así la tensión térmica después de los ciclos térmicos. El componente modificador del CTE tiene un CTE que es preferentemente menor a aproximadamente 10 µm/m°C y más preferentemente menor a aproximadamente 8 µm/m°C. Los materiales del componente que modifica el CTE incluyen óxido de berilio (aproximadamente 8.8 µm/m°C) , el óxido de aluminio
(aproximadamente 6.5-7.0 µm/m°C) , nitruro de aluminio
(aproximadamente 4.2 µm/m°C) , carburo de silicio (aproximadamente 4.0 µm/m°C) , dióxido de silicio
(aproximadamente 0.5 µm/m°C) aleaciones de hierro-níquel de baja expansión comúnmente referida como KOVAR o INVAR
(aproximadamente 5.2 µm/m°C a 6.0 µm/m°C) , polvos de cerámica o vidrio de baja expansión (aproximadamente -1.0 m/m°C a 9.0 µm/m°C) , molibdeno, y sus mezclas. En una modalidad preferida de la presente invención el componente modificador de CTE consiste de aleaciones de hierro-níquel porque tienen un CTE muy bajo, se humectan fácilmente por y se incorporan en la aleación de soldadura, tienen una conductividad térmica relativamente alta y tienen un durabilidad relativamente alta que las hacen adecuadas para el procesamiento posterior a la aleación (por ejemplo rolado y extrusión) . Preferentemente, el desajuste de CTE entre el TIM y el substrato se encuentra entre aproximadamente 5 µm/m°C y 30 µm/m°C. Más preferentemente el desajuste CTE entre el TIM y el sustrato es de entre aproximadamente 5 µm/m°C y 20 µm/m°C. Aun más preferentemente, el desajuste CTE entre el TIM y el sustrato es menor a aproximadamente 10 µm/m°C. Más preferentemente, el
TIM es conformado para el desajuste CTE deseado para la aplicación particular.
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Aunque la cantidad de soldadura y del componente modificador de CTE depende de la aplicación particular, el TIM preferentemente comprende aproximadamente 50% a 90% en volumen de la soldadura y aproximadamente 10% a 50% en volumen del componente que modifica el CTE (o el componente que modifica el CTE, más el componente de mejora de la conductividad térmica, más otras adiciones, si aplican) . En una modalidad de la invención, los modificadores CTE y/o los aditivos de mejora de conductividad térmica puede ser prehumectada con una soldadura para asegurar en enlace del componente de enlace durante el reflujo. En particular, algunos de los aditivitos pueden ser recubiertos con una capa delgada de la soldadura por medio de un método apropiado tal como chapeado, rocío térmico, deposición al vacío, o procesamiento por reducción. En contraste, en las modalidades preferidas, los componentes promotores de la conductividad térmica antes descritos y los componentes modificadores del CTE no están cubiertos y no están pre-humectados y en este sentido esos componentes consisten solo de los elementos o compuestos específicamente mencionados antes indicados. Esto evita una operación adicional y un gasto adicional, haciendo más simple la soldadura y menos cara su manufactura. De acuerdo con esto, existe una ventaja distinta al usar componentes consistentes solo de los aditivos, sin la modificación superficial o recubrimiento para la humectación.
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D. Mezclado Los componentes de la soldadura, el promotor de la conductividad térmica y/o el modificador CTE típicamente tienen la forma de polvo o partículas finas que deben ser mezcladas. Esos componentes pueden combinarse por medio de mezclado de polvo, compactación, luego procesamiento de metal forjado para dar una tira (listón) o película que subsecuentemente se procesa en preformas. Un método alternativo logra la combinación de los aditivos con la soldadura por medio de un mezclado al vacío con lato desgarramiento del polvo o la soldadura fundida en partículas. Esta mezcla de al vacío de alto desgarramiento proporciona un mezclado lo suficientemente agresivo para que los componentes se dispersen lo suficiente sin la necesidad de pre-humectar los aditivos . En particular se ha descubierto que este mezclado agresivo permite que la invención sea realizada de una manera preferida descrita antes en donde los aditivos no se pre-humectan, haciendo que la soldadura sea más simple y de manufactura menos cara. Otro método alternativo para combinar incluye la deposición física de vapor (PVD) de la soldadura en la superficie del sustrato del aditivo. Esto da un componente promotor de la conductividad térmica o modificador CTE recubierto con un material de soldadura, que puede entonces 13
ser incorporado en un a pasta de soldador. 0 el polvo puede compactarse y forjarse directamente o sinterizarse y for arse . Otro método alternativo es co-rociar los aditivos y la soldadura por medio de rocío térmico, rocío de plasma y otros métodos de rocío incluyendo la fusión de la soldadura. Una alternativa preferida es el rocío cinético descrito en la patente norteamericana no. 6,283,386 (incorporada como referencia) en la cual los componentes en polvo se unen por medio de soldadura fría. Este método de rocío cinético se prefiere debido a la formación reducido de óxidos y la capacidad de directamente formar preformas de soldadura. Esta tecnología está disponible de Delphi Technologies, Inc. de Troy, Michigan. E. Componentes Recuperadores de Oxígeno Intrínsecos En adición a aumentar el flujo de calor a través del TIM al seleccionar materiales de soldadura conductores térmicos y usar promotores de conductividad térmica una significante mejora del flujo térmico desde la fuente al substrato se realiza al mejorar el coeficiente de transferencia térmica en la interfaz. De hecho, la resistencia al flujo térmico en esa interfaz puede ser de hasta dos órdenes de magnitud mayores que la resistencia del TIM. La causa primera de un coeficiente de transferencia térmica interfacial bajo frecuentemente es la formación de 14
áreas en la interfaz en la cual el substrato y el TIM no están en contacto íntimo. Así esas áreas actúan como asilamiento y reducen el flujo de calor de la fuente de calor. Una causa secundaria de la transferencia térmica reducida a través de la interfaz es la presencia de varias fases intermetálicas que presentan una mayor resistencia térmica. Preferentemente el coeficiente de transferencia térmica interfacial del TIM es mayor a aproximadamente 50 W/cm2°C y más preferentemente mayor a aproximadamente 500 W/cm2°C. Típicamente un TIM usado para unir un semiconductor (o un semiconductor metalizado) y el disipador de calor requiere flujos mecánicos y/o químicos para retirar el oxígeno de las superficies del TM, el substrato semiconductor, y el componente disipador de calor para activar el proceso de unión y permitir que el TIM humecte la superficie. El flujo químico típicamente se usa cuando se pretende unir los artículos con soladuras convencionales a temperaturas por debajo de aproximadamente 300° C. Un flujo químico típico consiste de compuestos que después de ser calentador se activan y retirar los óxidos superficiales. Sin embargo algunos de los materiales de flujo no escapan y forman paquetes aislantes o huecos en la región interfacial y/o forman residuos que pueden ser dañinos para la operación del dispositivo.
De acuerdo con ciertas modalidades de la presente invención, el TIM (incluyendo la soldadura) preferentemente no requiere el flujo extrínseco (por ejemplo flujo mecánico y compuestos de flujo orgánicos e inorgánicos no son necesarios) . Más bien en estas modalidades la soldadura en el
TIM de la presente invención preferentemente se activa por medio de un recuperador intrínseco de oxígeno que se mezcla o se alia con el componente de enlace. El recuperador de de oxígeno intrínseco es más reactivo con el oxígeno que el componente de enlace previniendo o minimizando la formación del compuesto de componente de enlace-oxígeno. Los recuperadores de oxígeno intrínsicos ejemplares incluyen metales alcalinos (por ejemplo Li, Na y K) , metales alcalinotérreos (por ejemplo Mg y Ca) , zinc, metales refractarios (por ejemplo Ti, Zr, Hf, Ta, V, y Nb) , metales de tierras raras (por ejemplo La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy e Yb) , y sus mezclas y aleaciones (por ejemplo mischmetal que es distribuido por ejemplo Alfa de Ward Hill, Massachusetts, EE.UU. con una composición que contiene aproximadamente 50% en peso de Ce, aproximadamente 22% La, aproximadamente 18% Nd, aproximadamente 6% Pr y aproximadamente 0-4% de Yb, Sm, Gd, Eu, Tb y Dy) . Preferentemente la concentración total de los metales refractarios en la soldadura es menor a aproximadamente 10% en peso, la concentración total de metales tierras raras en menor a aproximadamente 5% en peso, y la concentración total de metales alcalinos, alcalinotérreos y zinc es menor a aproximadamente 20% en peso. En una modalidad ejemplificativa, el TIM contiene indio como la soldadura y titanio y mischmetal como recuperadores de oxígeno para proporcionar una aleación adecuada pero alta de CTE que se funda substancialmente por encima de aproximadamente 157° C. Preferentemente, contiene aproximadamente 0.5 a 2% en peso de Ti y aproximadamente 0.1 a 2% en peso de mischmetal siendo el resto In. Más preferentemente, contiene aproximadamente 1% en peso de Ti, y aproximadamente 0.2% en peso de mischmetal siendo el resto
In. Esto se ha encontrado que da un TIM adecuado que puede solarse con un nivel muy bajo de defectos interfaciales y por lo tanto con menos tendencia a fallar en la interfaz como resultado de los ciclos térmicos. En todavía otra modalidad preferida, la soldadura es una soldadura rígida a base de oro con un CTE relativamente (aproximadamente 13-14 µm/m°C) que típicamente se usa para unir sub-montajes o fijar fibras ópticas (por ejemplo soldaduras de oro-estaño, oro-silicio y oro-germanio) . Típicamente, para aleaciones de oro-estaño las concentraciones de oro y estaño se encuentran en el rango de aproximadamente 75 a aproximadamente 85% en peso y de aproximadamente 15 a aproximadamente 25% en peso, respectivamente. Para las aleaciones de oro-silicio la concentración de oro es cuando menos aproximadamente 90% y la concentración de silicio es de aproximadamente 1 a 5% en peso. Para las aleaciones de oro-germanio la concentración de oro es cuando menos aproximadamente 80% en y la concentración de germanio se encuentra entre aproximadamente 5 a 15% en peso. Para proporcionar temperaturas de fusión o reflujo relativamente bajas las composiciones de soldadura están preferentemente cerca de la composición eutéctica (por ejemplo los constituyentes son de aproximadamente + 3% en peso de la composición eutéctica) . Las composiciones eutécticas son de aproximadamente 80Au-20Sn, aproximadamente 87Au-3Si y aproximadamente 88Au-12Ge. La aleación de oro-estaño casi eutéctica es particularmente preferida para muchas aplicaciones porque se funde por encima de aproximadamente 280° C. Debido a que esas soldaduras a base de oro contiene significantemente menos material oxidable, se necesitan menos materiales recuperadores de oxigeno. Específicamente, la concentración de materiales recuperadores de oxígeno intrínsecos es preferentemente de aproximadamente la mitad que la de la soldadura a base de indio. Preferentemente la concentración total de los materiales refractarios en la soldadura es menos de aproximadamente 5% en peso, la concentración total de los metales tierras raras es menor a aproximadamente 3% en peso, y la concentración total de metales alcalinos, alcalinotérreos y zinc es menor a aproximadamente 10% en peso. Más preferentemente la concentración total de metales refractarios es de aproximadamente 0.5 a 1.5% en peso, la concentración total de metales tierras raras es de aproximadamente 0.01 a 0.5% en peso, la concentración total de metales alcalinos es de aproximadamente 0.1 a 0.5% en peso, la concentración total de metales alcalinotérreos es de aproximadamente 0.1 a 0.5% en peso, y la concentración total de zinc es de aproximadamente 0.1 a aproximadamente 0.5% en peso. Esas aleaciones bajas en CTE también tienen una menor tendencia a fallar que las aleaciones altas en CTE no adecuadas en la interfaz semiconductor/soldadura como resultado de los ciclos térmicos . Además de eliminar la necesidad para el flujo extrínseco, la soldadura activa y el material térmico de interfaz que consiste de la soldadura activa son capaces de humectar las superficies no metálicas tales como, pero sin limitarse a Si, Si02, SiN y semiconductor II-IV y III-V. Como resultado las metalizaciones humectables tales como pero sin limitarse a Au, Au/Ni, Ni. Cu, Sn y sus combinaciones no necesitan ser depositadas en esas superficie son metálicas antes de la operación de soldadura/unión. Esta capacidad de unión a la superficie no metálica proporciona importantes beneficios en cuanto a materiales y procesos.
El TIM y la soldadura activa de la presente invención son particularmente adecuadas para el procesamiento térmico a temperaturas por debajo de los 300° C y preferentemente por debajo de aproximadamente 200° C. Sin embargo el TIM y la soldadura activa de la presente invención pueden procesarse térmicamente a temperaturas elevadas (por ejemplo mayores a aproximadamente 500° C) para proporcionar una humectación más efectiva (por ejemplo tiempos de humectación más cortos) . Además de mejorar los procesos de soldadura en donde el flujo de calor a través de la interfaz es crítica, las soldaduras activas anteriores son particularmente útiles en la fabricación de empaques opto-electrónicos . Específicamente, los paquetes opto-electrónicos activos consisten de dispositivos láser. Si el rayo intercepta cualquier residuo orgánico de un flujo químico, el láser carbonizara rápidamente el residuo que puede deshabilitar el dispositivo. El uso de un proceso de soldadura sin flujo elimina el potencial mecanismo de falla. Una función de los componentes de recuperación de oxígeno que dependen de la humectación de la superficie del sustrato es que los componentes recuperadores intrínsicos humectan los componentes aditivos antes descritos y facilitan la dispersión de esos aditivos en el metal de soldadura. Esto permite el uso de aditivos tales como promotores de conductividad térmica y modificadores CTE que de otra forma serían difíciles de usar y requerirían una pre—humectación. La soldadura que tiene este componente de recuperación intrínseco puede formarse por cualquier método disponible de fundición inerte tal como fundición por inducción en un crisol inerte o por medio de fundición de arco. El sistema se evacúa y se vuelve a llenar con un gas inerte no reactivo tal como argón. Los metales se calientan preferentemente por encima de aproximadamente 1000° C para asegurar la disolución adecuada de los constituyentes de la aleación. En una versión particularmente preferida, a esta temperatura y ambiente los aditivos y la soldadura se combinan por medio de mezclado al vacío de alto desgarramiento del polvo o las partículas en la soldadura fundida tal como se describe antes. Esta mezcla al vacío de alto desgarramiento proporciona un mezclado lo suficientemente agresivo para que los componentes se dispersen lo suficiente sin la necesidad de aditivos de pre-humectación. Este método puede obtener las temperaturas de mezclado al vacío en donde las adiciones activas son altamente efectivas y la humectación de la cerámica, los cermets y otros substratos difíciles puede lograrse fácilmente . Después de fundir y mezclar, el fundido compuesto se moldea en un lingote para su procesamiento subsecuente de 21
forjado. Esta aleación fundida se vacía o moldea y se trabaja mecánicamente en forma de un alambre, una cinta o una preforma para usarse en la producción del TIM. F. Preforma para soldar que tiene características de humectación mejoradas Una soldadura que está altamente llena con un componente promotor de la conductividad térmica y/o un componente CTE típicamente tiene una baja fluidez metalúrgica. Esta baja fluidez daña el flujo capilar esencial para la formación de una buena costura de soldadura. Este problema es tratado en una modalidad de la invención al producir una preforma para soldar. Esta preforma para soldar funciona como un TIM en ciertas aplicaciones, pero en otras aplicaciones en donde la promoción de la transferencia térmica no es crítica ni inadecuada inherentemente, la preforma no funciona como TIM. Esta estructura de preforma es aplicable a las aplicaciones de enlace TIM y no TIM. La preforma en una modalidad es una preforma para soldar de múltiples capaz que tiene un componente de soldadura relleno interior y un componente de soldadura no relleno exterior. El componente de soldadura interior, al estar llenado proporciona características deseadas tales como modificación CTE y/o promoción de la conductividad térmica impartida por el relleno. El componente de soldadura exterior al estar sin rellenar proporciona buena fluidez metalúrgica para la buena humectación del substrato. En este contexto el término "lleno" se refiere a un componente de enlace de soldadura en el cual se mezcla una porción del componente modificador del CTE, y/o el componente promotor de la conductividad térmica. "Lleno" significa parcialmente lleno y no significa completamente lleno. "No lleno" en este contexto se refiere a un componente de enlace de soldadura que no contiene aditivos, o cuando menos no esos aditivos en una proporción lo suficientemente significante para reducir de manera significante la fluidez metalúrgica. Preferentemente hay capaz de soldadura no rellenas en cada lado de una capa de soldadura no llena. Las capas respectivas se forman y combinan en una variedad de métodos disponibles, incluyendo enlace por rolado de las tiras respectivas de material de soldadura, rocío, chapeado en una tira de soldadura u otro substrato de soldadura, la deposición física tal como PVD, o deposición química tal como CVD. Una modalidad de ese tipo de la preforma para soldar es una preforma para soldar de múltiples capas que tiene una primera capa de preforma para soldar que es un componente de unión de soldadura que está lleno con un aditivo seleccionado entre los componentes de promoción de la conductividad térmica, los componentes modificadores de CTE, y sus mezclas. En modalidades que incorporan un componente 23
promotor de la conductividad térmica, cualquier componente que sea compatible con el componente de enlace de soldadura puede ser usado. Ejemplos de esos componentes incluyen los ya mencionados, Al, Cu recubierto de Al, Ag, Au y sus aleaciones, A1N, BeO, BN, cerments de alta conductividad, cupratos, silisuros y fases de carbono. En modalidades que incorporen un componente que modifique el CTE, cualquier componente que es compatible con el componente de enlace puede usarse. Ejemplos de esos componentes incluyen los componentes antes mencionados seleccionados del grupo consistente de BeO, A1203, A1N, SiC, Si02, aleaciones de Fe-Ni de baja expansión, polvos cerámicos de baja expansión, polvos de vidrio de baja expansión y sus mezclas. En una modalidad preferida, el componente modificador de CTE consiste esencialmente del elemento particular o compuesto en que no está pre-humectada; esto es que no está recubierto. La primera capa puede también incluir un recuperador de oxígeno intrínseco que es compatible con el componente de enlace metálico de soldadura. Los ejemplos de los recuperadores de oxígeno intrínseco adecuados incluyen componentes seleccionados del grupo consistente de metales de tierras raras, metales alcalinos, metales alcalinotérreos, metales refractarios, Zn, y sus mezclas. En vista de la fluidez metalúrgica generalmente mejorada proporcionada por la preforma para soldar de la invención, sin embargo, los recuperadores de oxígeno intrínsecos no se emplean típicamente para los propósitos de la humectabilidad superficial en esta preforma para soldar. Sin embargo, una función de los componentes de recuperación intrínsecos que es independiente de la humectación de la superficie del substrato es que los componentes de recuperación intrínseco humectan los componentes aditivos antes descritos, y facilitan la dispersión de esos aditivos en el metal de soldadura, esto permite el uso de aditivos tales como promotores de la conductividad térmica y los modificadores CTE que de otra forma serían difíciles de usar o requerirían la pre-humectación. Durante la soldadura fluye sobre las capas de soldadura no llenas, las capas segunda y tercera, no son perjudicadas por el relleno, y fluyen fácilmente y humectan la superficie del sustrato. Los intermetálicos de la interfaz cuando menos consumen sustancialmente la soldadura no rellena para dar una costura de soldadura mejorada. En una modalidad el grosor de la primera capa de preforma para soldar se encuentra entre aproximadamente 0.001 pulgadas (0.025 mm) y aproximadamente 0.125 pulgadas (3 mm) y el grosor de cada una de las capas segundas y terceras se encuentra entre aproximadamente 0.0001 pulgadas (0.0025 mm) y aproximadamente 0.02 pulgadas (0.5 mm) . Una modalidad alternativa de la preforma para soldar para unir los componentes de los dispositivos electrónicos consiste de un cuerpo esférico con una capa superficial del cuerpo esférico. El cuerpo esférico consiste de un componente de enlace de metal de soldadura y está lleno con un componente aditivo seleccionado de entre los componentes promotores de la conductividad térmica, los componentes modificadores de CTE, y sus mezclas. El componente de enlace metálico de soldadura en el cuerpo esférico así como la capa superficial sobre el cuerpo esférico pueden seleccionarse entre por ejemplo el grupo consistente de Sn, Cu, In, Pb, Sb, Au, Ag, sus aleaciones, aleaciones de Bi, y sus mezclas. Un método para preparar el cuerpo esférico es el de troquelar un disco de material de soldadura partir de una tira de soldadura. Una esfera entonces se forma al reflujar el disco troquelado en una columna de aceite caliente. Las esferas de soldadura entonces se recubren con el material de soldadura no relleno por medio de chapeado, deposición física, deposición química o rociado. En una modalidad típica, el cuerpo esférico tiene un diámetro de entre aproximadamente 0.003 pulgadas (0.075 mm) y aproximadamente
0.06 pulgadas (1.5 mm) , y la capa superficial del cuerpo esférico tiene un grosor de entre aproximadamente 0.0005 pulgadas (0.0125 mm) y aproximadamente 0.05 pulgadas (1.25 mm) .
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G. Formas TIM Alternativas Los TIM de alto desempeño de la presente invención pueden ser manufacturados como una película o malla en la cual se forman orificios (por ejemplo por medio de perforación o grabado) y los orificios están llenos con uno o más de los aditivos. Por ejemplo, una película a base de indio con orificios separados hexagonalmente pueden llenarse con óxido de berilio. En el caso de una película o malla de cobre, el cobre está recubierto con un componente de enlace tal como indio (por ejemplo por medio de inmersión o chapeado) . Un componente de barrera de difusión adecuado (por ejemplo níquel, titanio u otros metales de transición) pueden requerirse para prevenir la disolución rápida del cobre en el indio durante el proceso de fundición/enlace. Un método adicional es el uso de una esponja que contiene un componente de enlace y/o un componente promotor de la conductividad térmica (por ejemplo 90% de la densidad teórica) lleno con el componente modificador de CTE. Si es necesario la esponja puede cortarse en pequeñas laminadas para lograr el grosor deseado. H. Interfase entre el sustrato semiconductor resistente al desajuste CTE/difusor térmico Entre muchos dispositivos en los cuales pueden usarse el TIM antes descrito y la preforma para soldar de la presente invención, existe una interfaz para conectar un 27
substrato semiconductor y los componentes de difusor térmico que reducen o eliminan el impacto negativo del desajuste CTE entre un TIM y el substrato. Así la interfaz mejorada aumenta el rango crítico del desajuste CTE. Refiriéndonos ahora a la figura 1, la típica configuración semiconductor/difusor térmico de un paquete de dispositivo electrónico 1 que comprende un substrato semiconductor 2 que tiene una superficie frontal 3 y una superficie posterior 4, un dispositivo electrónico (no mostrado) que está localizado en la superficie frontal, un primer material de interfaz térmico 5 que enlaza la superficie posterior 4 del substrato semiconductor 2 a un componente de difusor térmico 6 que tiene una superficie frontal 7, el componente de difusor térmico consiste de un intercambiador térmico 8 que tiene una superficie posterior 9 y una superficie frontal 10, y opcionalmente, una tapa 11 que tiene una superficie posterior 12 y una superficie frontal 13. Si la tapa opcional 11 se incluye, un segundo material de interfaz térmico 14 fija la superficie posterior de la tapa 12 a la superficie frontal 10 del intercambiador térmico 8. De acuerdo con la presente invención, el material de interfaz térmico de alto desempeño antes descrito puede usarse para compensar el desajuste CTE entre el substrato y la tap ay entre la tapa y el intercambiador térmico en un paquete de dispositivo electrónico típico.
Refiriéndonos ahora a la figura 2, la presente invención se dirige a un paquete de dispositivo electrónico 1 que consiste de un substrato semiconductor 2 que tiene una superficie frontal y una superficie posterior, y un dispositivo electrónico (no mostrado) en la superficie frontal del substrato semiconductor. El paquete también presenta una tapa 11 que consiste de un receso 15 para recibir un inserto 16 que tiene el tamaño y la forma adecuados para caber dentro del receso. En esta modalidad, el receso se extiende hacia adentro de la superficie frontal de la tapa asta un punto entre la superficie frontal y la superficie posterior de la tapa. El inserto comprende una superficie frontal 17, una superficie posterior 18 y una superficie en contacto con la tapa 19. El paquete del dispositivo electrónico además comprende un primer material de interfaz térmico 5 que une la superficie posterior del substrato 2 a la superficie frontal 17 del inserto 16. Preferentemente, el paquete también presenta un segundo material de interfaz térmico 14 que enlaza a la superficie 12 de la tapa 11 al intercambiador de calor 8. El inserto consiste de un material de alivio para la tensión térmica que tiene un CTE que se ajusta más cercanamente al CTE del substrato que el CTE de la tapa (ver antes) . Dicho de otra manera, el CTE del inserto se encuentra desde el CTE de la tapa y el CTE del substrato. Por lo tanto, el primer material témrico no necesita sola acomodar el desajuste de CTE relativamente pequeño entre el inserto y el substrato más que el gran desajuste entre el substrato y la tapa. Como resultado, el mayor desajuste de CTE se encuentra típicamente entre el inserto/interfaz de tapa y debido a que el CTE del inserto típicamente es menor que el de la tapa, el inserto puede montarse por compresión dentro de la tapa. Refiriéndonos ahora a la figura 3, el receso 15 puede extenderse a través de la tapa 11 (esto es el receso se extiende desde la superficie frontal a la superficie posterior de la tapa) y de igual manera el inserto 16 puede extenderse completamente a través de la tapa 11. Como resultado, el segundo material de interfaz térmico 14 también une el inserto 16 al intercambiador de calor 8. En vista de lo anterior se observara que se logran varios objetos de la invención. Como pueden realizarse varios cambios en las composiciones y los procesos anteriores sin salirse del alcance de la invención, se pretende que todo el material contenido en la descripción anterior sea interpretada como ilustrativa y no en un sentido limitante.