TWI305824B - Thermal interface material and solder preforms - Google Patents

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TWI305824B
TWI305824B TW92134206A TW92134206A TWI305824B TW I305824 B TWI305824 B TW I305824B TW 92134206 A TW92134206 A TW 92134206A TW 92134206 A TW92134206 A TW 92134206A TW I305824 B TWI305824 B TW I305824B
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Bawa Singh
John P Laughlin
David V Kyaw
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Description

1305824 (1) 玖、發明說明 【發明所屬之技術領域】 熱介面材料（TIM)關鍵在防止如微處理器之主動式 半導體裝置不超過操作溫度限制。他們使產熱裝置（例如 ，矽半導體）能熱銲接至一散熱器或分熱器（例如，銅及 /或鋁成份），而未呈現過熱障。在組裝散熱器其它成份 或含整體熱阻路徑之分熱器中亦可使用不同之TIM。 【先前技術】 小熱障之形成爲TIM之一重要特性。熱障可依透過 TIM之有效熱傳導係數加以說明且最好儘可能的高。nM 之有效熱傳導係數主要是由於ΤΙ Μ介面熱傳導係數及（內 在）容積熱傳導係數所形成。對於一 ΤΙΜ，各種其它特性 也是重要的’例如，依特定應用而定··當接合兩種材料時 ’接納或避免熱擴散應力之能力，在熱循環期間，形成一機 械聲之穩定接合點之能力，對水氣及溫度變化，製造可能性 ，及成本不具敏感性。 目前正作爲TIM使用之數類材料，例如爲，熱油脂、 熱膠、黏著劑、彈性體、熱墊、及相位變更材料。雖然前 述TIM適於許多目前之半導體裝置。在最近之未來所提高 效能之半導體材料將使目前所知之TIM變成不合用。尤其 是，目前非金屬TIM之熱傳導係數通常不超過約5W /mK且 一向小於約1 w /mK。然而，很快會需要形成有效熱傳導 係數約50W /mK或更大之熱介面之TIM。 (2) 1305824 前述非金屬TIM之另項選擇爲一堅硬金屬片或由一典 型焊料合金製成之壓片。金屬TIM確保高熱傳導係數値（ 例如，對一銦片約爲80W /mK)。金屬TIM—旦在促進低 熱介面阻抗之迴銲時亦可展現較有利之焊料或潤濕態勢。 在迴銲期間，使焊料和基體加熱，表面張力及/或局部表 面摻雜使焊料熔化並變濕。這介面含相互金屬性或相互擴 散性金屬，其熱特性比那些容積TIM金屬常低於預期，但 遠優於現有（以聚合物爲基準的）TIM。在大半情況中， 爲了形成可靠之熱介面，金屬TIM必須受到迴銲。然而， 在某些應用上，由於ΤΙ Μ熱傳導係數（TE )和半導體及/ 或散熱器組件間之相當大差異以及缺乏合乎性，金屬TIM 可會敗壞。v 【發明內容】 因此’簡言之，本發明是導向含第一焊料片層之電子 裝置之銲接成份用之多層焊料壓片，它包含—焊料金屬壓 片層和一選自熱傳導係數增強成份，cTE修飾成份，及 其混合物當中之添加劑。在第一焊料片層底部表面塗有一 第二焊料金屬壓片層；以及在第一焊料片層頂部表面上塗 有一第三焊料金屬壓片層。 本發明另一觀點爲用以銲接電子裝置組件之焊料壓片 包含一球體焊料金屬ϋ接成份及一選自熱傳導係數增強成 份’ CTE修飾成份及其混合物當中之添加劑。在球體上 面亦有一含焊料金屬之球體表面層。 -6- (3) 1305824 【實施方式】 電子裝置效能之增進常伴隨增加之耗電及減小之裝置 尺寸’這可獨力或共同造成電力密度之增加。因此，爲使 裝置保持低於其操作溫度限制，必須增加來自操作電子裝 置之熱流。本發明在導向高效能之TIM材料，其包含如 以下所說明之一焊料成份及其它成份，增加來自一電子裝 置之熱流’並提供如所說明之其它優點。TI Μ在透過焊料 ’預期提出熱不脗合度之CTE修飾成份及預期爲兩者， 而預期進一步加強熱傳輸之應用中包含一熱傳導係數增強 組件。在任一這些應用中可選用一內在吸氧劑。 本發明亦包含一對電子裝置基體具有增強濕潤度之焊 料壓片。在某些實例中，焊料壓片之作用爲TIM，但在熱 傳導不具關鍵性或本來就反而是得宜的其它應用中，壓片 即不當TIΜ用。 A.焊料 高效能TIM包含允許TIM銲接到一基體之焊料。如此 處所使用的，Asubstrate@—詞指的是以TIM接合到另一這 種Asubstrate@之半導體及/或散熱器成份及/或任何_其它物 品、裝置、設備等。當熱處理時，TIM應以溫度低於一主 動式（電子）裝置之敗壞溫度（例如，低於約3 5 0 °C，最 好低於約2 5 0 °C，且更最好是低於約2 0 0 °C )銲接至基 體上。焊料在低於主動式裝置敗壞溫度時熔化’使基體潤 -7- (4) 1305824 濕並允許形成在TIM和基體之間，當凝固時，產生良好熱 傳導之化學及/或機械鍵。通常，焊料在溫度低於約300 °c ’最好是低於約2 2 5 °c時熔化。在某實施例中，焊料在 溫度低於約1 70 °c，如約1 60 °C和約95 °c之間，溶化。 焊料可包含需要CTE調整之一習知焊料材料。例如， 焊料可包含Sn、Cu、In、Pb、Sb、Au、Ag。各前述之合 金，如Au-Sn、Au-Si、Au-Ge、以及如Bi合金之其它者。 或者，例如，焊料可包含In、In-Sn合金，或Bi合金。最好 ’焊料包含一低熔化溫度及相較於習知TIM材料爲一相當 高熱傳導係數（小於約5W /mK )之銲接成份。例如，In (熔點約155 °C，熱傳導係數約80W /mK) 、Sn (熔點約 2 3 0 °C，熱傳導係數約70W /mK )，和混合物及其合金。 在一實施例中，銲接成份基本上由I η組成，因其熔化溫度 低及其輕易使許多氧化物、陶瓷、及陶瓷合金潤濕而不需 使用有機熔化劑。 在一實施例中，焊料成份爲一含約39至約61 wt% Sn， 約37至約59wt% Bi ’及約1至約3wt% Ag之Sn-Bi-Ag合金。在 另一實施例中，爲含80-97wt% Bi及3-20wt% Ag之Bi-Ag合金 B.熱傳導係數增強成份 爲增加本發明一較佳實施例中透過TIM之熱流，TIM 包含一熱傳導係數增強成份。熱傳導係數增強成份之熱傳 導係數最好約在1 00W /mK以上。較佳之熱傳導係數增強 (5) 1305824 成份材料爲A1，塗覆A1之Cu、Cu、Ag、Au’或其合金。 Ag、Cu及Au之熱傳導係數分別約425W /mK’約400W /mK 及約3 1 5 W /mK。這種金屬一向具相當高之熔化溫度（例 如，Ag熔點約 960- °C，Cu 約 1085 °C ’ 而 Au 約爲 1 065 °C )。其它較佳成份爲如，但不限於AIN、BeO、BN之高熱 傳導係數陶瓷，高傳導係數之合金陶瓷、銅酸鹽及矽化物 。另一類較佳熱傳導係數增強成份爲碳及含鑽石之碳相態 ，碳奈米管及相關衍生物。 熱傳導係數增強成份內含在焊料之量範圍從約1 wt% 至約5 Owt%。對許多應用而言，內含在焊料之熱傳導係數 增強成份最好約在5wt%和約20wt%之間，如6wt%。 C.CTE修飾成份 藉防止在電子裝置命期中在介面區緊密接觸點之質降 可增進透過一TIM之熱流。明確地說，一電子封裝中各種 成份之熱擴張係數間之差異在能導向介面區之部份或完全 分離之熱循環期間產生應力。相較於如矽、鍺、砷化鎵、 硫化鈣’及銻化銦之典型半導體材料，及含光子與光纖雷 射應用之固態射極之發光二極體材料（例如，In /As /GaAs及InAs /A1 /Sb)這問題對含高熱擴張係數材料之 TIΜ尤其嚴重。一向，銲接成份材料和熱傳導係數增強成 份材料之C Τ Ε大於約1 6 μ m / m °C而基體材料之c Τ Ε小於約 1 0 μ m / m °C 。 本發明之TIM利用最好含—CTE修飾成份，使CTE不 (6) 1305824 胞合度之負面影響降至最小。CTE銲接成份之ctE與基 體更相容，因此一經熱循環時即降低熱應力。cTE銲接成 份之C TE最好小於約} 〇 _ /m 〇c且更最好小於約8 μιη /m 。典範之CTE錦接成份材料包含氧化鈹（約8 8μιη /nrc )、氧化鋁（約6 · 5〜7.0 μ m / m )、氮化鋁（約4 · 2 μ m / m C )、碳化矽（約 4 · 0 μιη /m °c )、二氧化矽（約 〇 , 5 μιη /m °C ) '普通稱爲KOVAR或INVAR之低擴張鐵鎳合金（約 5.2μιη /m°C至約6.0μπι /mt：)，低擴張陶瓷或玻璃粉末（ 約1 ‘ 0 μm /m °C至約9.0 μ m / m °C )、鉬 '及其混合物。在本 發明一較佳實施例中，CTE銲接成份含低擴張鐵鎳合金 ’因其CTE非常低，且可輕易.被潤濕並內含在焊料合金中 ’熱傳導係數相當高，且延展性相當高，該延展性使其可 順從後接合處理（例如，繞捲及突起）。最好，TIM和基 體肾之CTE不脗合度在約5μ!η /riTC和約30μιη /m°C之間。 更最好是，TIM和基間之CTE不脗合度是在約5μηι /m°C和 約20μπι /m°C之間。還更尤其是TIM和基體間之CTE不脗合 度小於約ΙΟμπ! /mt。最好是，對於特定之應用，TIM可 針對預期之CTE不脗合度加以裁剪。 雖然焊料量和CTE修飾成份依特定應用而定’ TIM最 好含約3 0 %至約9 0 %之焊料量且含約]〇 %至約7 0 %之C T E修 飾成份量（或C TE修飾成份’加上熱傳導係數增強成份， 加上其它另加物，如有的話）。在大半實施例中’ TIM含 約5 0 %至約9 0 %之焊料量且含約1 0 %至約5 0 %之C T E修飾成 份（或CTE修飾成份，加上熱傳導係數增強成份’加上其 -10- (7) 1305824 加另加物，如有的話）。 在本發明一實施例中’可以一焊料將CTE修飾料及/ 或熱傳導係數增強添加劑預加先加以潤濕，確保在迴銲期 間能和銲接成份接合。尤其是，藉由如電鍍、熱噴灑、真 空沈積、或減降處理之任何適當方法可將某些添加劑塗上 —薄層之焊料。對照之下’在較佳實施例中，可將上述熱 傳導係數增強成及C T E修飾成份去除塗層且不必預先潤濕 ，且在此意下’這些成份只含以上所表示，明確敘述之元 素或化合物。這避免增加作業及增加費用，使焊料更簡單 且製造更便宜。因此’這是使用只含添加劑成份不需表面 修飾或潤濕塗抹之不同優點。 D .混合 焊料成份’熱傳導係數增強劑，及/或CTE修飾劑之 形式一向爲粉末或必須混合之細磨微粒。這些成份可藉粉 末混合’溫和壓緊加以組合，然後以精製金屬處理，產生 片（絲片）或箔片，隨後再處理成壓片。一另選方法以高 剪力真空將粉末或微粒混成溶化焊料，成添加劑與焊料之 組合。追種剪力真空混合提供充份前進之混合，使組件變 成夠分散而不需將添加劑預先潤濕。尤其是，已發現前進 之混合允許以上述之較佳方法實施本發明。其中，不需先 潤濕添加劑’使得焊料較簡單，製造較便宜。 組合之進一步另選方法含將焊料以物理氣相沈積（P V D )在添加劑表面上。這使熱傳導係數增進成份或CTE修飾 -11 - (8) 1305824 劑塗上焊料，該焊料然後可被含在一焊料膏內。或者，粉 末可被壓緊並直接精心製作，或熔結並精心製作。 一進一步之另選方法爲以熱噴灑、電漿噴灑、或含熔 化焊料之其它噴灑方法加共同噴灑添加劑及焊料。一較爲 選方法爲美國專利案號6,283,386 (納入參數）中所發表之 動力噴灑，其中之粉末成份是以冷焊加以接合。由於降低 氧化物之形成及直接形成焊料壓片之能力，故優先選擇這 種動力噴灑。這種技術可得自密西根州，特洛伊市（Troy )之Delphi技術公司。 E .內在吸氧劑成份 藉選定熱傳導焊料並使用熱傳導係數增強劑，除增加 透過TIM之熱流外，藉增加介面之熱傳導係數，實現了顯 著增進從熱源至基體之熱流。事實上，在這一介面處對熱 流之阻抗可高至約二次方大小，這大於TIM阻抗。低介面 熱傳係數之主因常是在介面處形成基體與TIM未緊密接觸 之區域。因此，那些區域作用爲絕緣並降低熱量由熱源流 走。降低熱透過介面傳導之二因爲存在展現較高熱阻；各 種相互金屬相態。最好，TIM之介面熱傳導係數_大於約 50W/cm2°C且更最好是大於約5 00W/cm2°C。 向來’用以接合一半導體（或一金屬化半導體）及散 熱器之TIM需要機械及/或化學熔合，從TIM、半導體基體 、及散熱器成份表面移除氧氣，觸動接合製程並允許TIM 使表面潤濕。當嘗試在低於約3 0 0 °C溫度下以習知焊料接 -12- (9) 1305824 合物件時一向使用化學熔合。一典型之化學熔合含一旦被 加熱即變成活性且移除表面氧化物之化合物。然而，某些 溶合材料不會逃脫並在介面區形成絕緣袋或空洞且/或形 成對裝置操作可能有害之殘餘物。 根據本發明某些實施例，TIM (含焊料）最好不需外 在之熔合（即’不需機械之熔合和有機及無機熔合化合物 )。而是，在這些實施例中，熱傳導係數TIM中之焊料最 好由一與辉接成份混合或接合之內在吸氧劑加以觸動。這 種內在吸氧劑比銲接成份和氧氣較有反應性，因此防止或 使銲接成份氧氣化合物之形成減至最小。典型之內在吸氧 劑包含鹼性金屬（例如，鋰、鈉和鉀）、鹼土金屬（例如 ，Mg和Ca )、鋅、難熔金屬（例如，Ti、Zr、Hf、Ta、V 和 Nb)、稀 土金屬（例如，La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、 Gd、Tb、Dy和Yb )，和混合物及其合金（例如.，可得自 美國麻州瓦得丘（Ward Hill)之Alfa Aesar之一種混合稀 土金屬（Misch )，其組成含重量約50%之Ce，約22%La， 約 1 8 %Nd ’ 約 6 %P r 及約 0 - 4 % Yb、S m ' G d、Eu、Tb 和 D y ) 。最好，焊料中難溶金屬之總.重量濃度小於1 〇 %重量，稀 土金屬總重量濃度小於約5 %，而鹼性和鹼土及鋅之總重 量濃度小於約2 0 %。 在一典範實施例中，TIM含銦作爲焊料，及鈦和混合 稀土金屬作爲吸氧劑，提供合乎，但實質上在約1 5 7 °C以 上熔化之高CTE合金。最好，它包含重量約0.5至約2%之 T i及重量約0.1至約2 %之混合稀土金屬，剩下者爲I η。更 -13- (10) 1305824 最好是，它含重量約1 %之Ti及重量約0.2 %之混合稀土金 屬，剩下者爲In。這已發現產生一可以非常低等級之介面 缺陷加以焊接之合乎性TIM，且因此，由於熱循環之故， 較不可能在介面處敗壞。
還有在另一較佳實施例中，焊料爲一CTE相當低（約 13-14 pm/nTC )之之剛性以金主之焊料，它一向用來附接 子托架或固定光纖（例如，金錫、金矽及金鍺焊料）。向 來，對於金錫合金、金和錫之重量濃度範圍分別從約75至 約85%及從約15至約25%。對於金矽合金、金之重量濃度至 少約90%而矽重量濃度範圍從約1至約5%。對於金鍺合金、 金重量濃度至少約80%而鍺重量濃度範圍從約5%至約15%。 爲提供相當低熔化或迴銲溫度，焊料混合物最接近其熔混 合物（例如’重量成份在共熔混合物之約3%內）。共熔混 合物約80Au-20Sn，約97Au-3Si和約88Au-12Ge。對許多應用 而言’尤其最好是接近共熔金錫合金，因它在約280 °C以 上熔化。因這些以金爲主之焊料含明顯較少之可氧化材料 。故需較小之內在吸氧劑材料。明確地說，內在吸氧劑材 料之濃度最好約爲以銦爲主焊料之半。焊料中難熔金屬之 總重量濃度小於約5%，稀土金屬之總重量濃度小於約3%。 而鹼性、鹼土及鋅之總重量濃度小於約i 〇 %。更最好，難熔 金屬之總重量濃度約爲〇. 5至約1 . 5 %、稀土金屬之總重量濃 度約爲0.0 1至約0.5 %、鹼性金屬之總重量濃度約爲〇 .丨至約 0.5%、鹼土金屬之總重量濃度約爲〇丨至約〇 55且鋅之總重 量濃度爲約0 _ 1至約〇 . 5 %。由於熱循環之故，這些較低CTE -14- (11) 1305824 之合金比不合乎高CTE之合金較不可能在半導體焊料介面處 敗壞。 除消除外在熔合需求外，活性焊料及含活性焊料之熱 介面材料能..潤濕諸如爲，但不限於S i ' S i 0 2 ' S i N、和11 -1V 及III-V族半導體之金屬表面。結果，在焊接/接合作業前不 需要諸如爲，但不限於Au、Au /Ni、Ni、Cu、Sn及其組合 物之潤濕金屬化’將其沈積在這種非金屬表面上。這種接 合至非金屬表面之能力提供一種顯著材料及製程好處。 本發明之TIM及活性焊料尤其適於溫度低於約3〇〇 °C 且最好低於約2 0 0 °C之熱處理。然而，本發明之τ IΜ及活 性焊料可在提高之溫度下（例如，大於約5 0 0 °C )作熱處 理’提供更有效之潤濕（例如，較短之潤濕時間）。 除了增進跨越介面之熱流具關鍵性之焊接程序外，在製 造光電封裝中，前述之活性焊料尤其有用。明確地說，主 動式之光電封裝包含雷射發光裝置。如光束從化學熔合中 截取任何有機殘餘物、雷射光會輕易使能令裝置失能之殘 餘物碳化。使用一種不熔合之焊接程序，消除潛在敗壞之 機制。 在基體表面潤濕無關之內在吸氧成份之功能爲內在吸 氣成份使上述添加劑成份潤濕。並促使這些添加劑分散在 焊料金屬中。這允許使用如熱傳導係數增強劑及CTE修飾 劑之添加劑’該添加劑反倒是難以使用或會需要預先加以 潤濕。以任何可用之惰性熔化法可形成具有這種內在吸氣 成份之焊料’該惰性熔化法如藉在一惰性坩堝內之感應加 -15 - (12) 1305824 以熔化或藉電弧加以熔化。這系統被淨空並回塡一如氬之 非反應性惰氣。金屬最好在約1 0 0 〇 。(：以上加熱，確保合 金成份之適度熔觸。在一特定之較佳說法中，在這溫度和 環境下，藉由高剪力真空之粉末或微粒混合，將焊料組合 成如上述之熔化焊料。這種高剪力真空混合提供足夠前進 之混合法，使成份變成充份分散，不須先潤濕添加劑。在 活性添加劑高度有效並使陶瓷、陶瓷合金潤濕之真空下， 這種方法能成溫度之混合，並能輕易完成其它困難之基體 〇 在熔化及混合後，再繞鑄複合熔合作爲隨後精製處理 之鑄塊。澆鑄或形成熔化合金並以機械方式製成一條線， —條帶或一壓片，使用在TIM之生產製造中。 F ·具增強潤濕特性之焊料壓片 高度充塡一熱傳導係數增強成份及/或CTE成份之焊 料一向冶金流動性低。這種低流動性具形成優良焊料片必 備之毛細管流。這問題在本發明一實施例中藉生產一焊料 壓片而予提出。在某些應用中，這焊料壓片作用爲—TIM， 但在增強熱傳導不具關鍵性或反倒是本來就是適當的其它應 用中’這種壓片即不作爲TIM用。壓片之結構適於TIM及非 TIM銲接之應用。一實施例中之壓片爲—多層焊料壓片， 其具內部充塡焊料成份及外部未充塡焊料成份。所充塡之 內部焊料成份供諸如由充塡所賦予CTE修飾及/或熱傳導 係數增強之預期特性。未充塡之外部焊料成份對基體之良 -16 - (13) 1305824 好潤濕度提供良好之冶金流動性。文中之"充塡"指的是裡 面有混合一部份CTE修飾成份，及/或熱傳導係數增強成份 。”充塡”意爲部份充塡而非意爲完全充塡。文中之"未充 塡"指的是未含這種添加劑，或至少沒有這種添加劑佔足 夠顯著比例加以顯著降低冶金流動性之焊料銲接成份。在 一充塡焊料層之各面上最好有未充塡之焊料層。以各種可 用之方法形成並組合這各別層，該方法含各別焊料條片之 捲繞銲接、噴灑。在一焊料條片或其它焊料基體上之電鍍 ，如PVD之物理沈積，或如CVD之化學沈積。 焊料壓片之一這種實施例爲一多層焊料壓片，其具一 爲焊料銲接成份之第一焊料壓片層，該成份所充塡之添加 劑是選自熱傳導係數增強成份，CTE修飾成份，及其混合 物當中。對第一層之頂部及底部表面分別塗抹第二及第三 未充塡之焊料層。第一層之焊料銲接成份，及第二和第三 層之焊料成份一向選自Sn、Cu、In、Pb、Sb、Au、Ag， 其合金、Bi合金、及其混合物當中。 在含一熱傳導係數·增強成份之一實施例中，可使用與 焊料銲接成份相容之任何這種成份。這種成份實例包含以 前所提及之A1、塗覆A1之Cu、Ag、Au、及其合金、AIN' BeO、BN'高傳導係數之陶瓷合金、銅酸鹽、矽化物、及碳 相態。在含一 CTE修飾成份之實施例中，可使用與銲接成 份相容之任何這種成份。這種成份實例包含以前所提及， 選自由 BeO、Al2〇3、AIN、SiC、Si02、低擴張 Fe-Ni 合金 、低擴張陶瓷粉末、低擴張玻璃粉末及其混合物所組成群族 -17- (14) 1305824 之成份。在一較佳實施例中，CTE修飾成份基本上含特定 兀素或未預先潤濕之化合物；亦即，未塗抹塗層。 第一層可亦包含一與焊料金屬銲接層相容之內在吸氧 劑。適當之內在吸氧劑實例包含選自由稀土金屬、鹼性金 屬 '鹼土金屬、難熔金屬、鋅、及其混合物所組成群族之 成份。然而’鑒於由本發明之焊料壓片所提供之整體增強 冶金流動性，爲了這焊料壓片表面潤濕度之目的，一向不 使用內在之吸氧劑。然而，與基體表面潤濕無關之內在吸 氧成份之作用爲內在吸氧成份使上述添加劑成份潤濕，並 促使這些添加劑分散在焊料金屬中。這允許使用如熱傳導 係數增強劑及C TE修飾劑之添加劑，該添加劑反倒是難以 使用或會需要預先加以潤濕 在焊接迴銲未充塡焊料層期間，第二和第三層未爲充 塡劑所傷且輕易流動並潤濕基體表面。介面相互金屬至少 實質上消耗未充塡之焊料，產生一片基本上全然增強之材 料。 在一實施例中，第一焊料壓片層厚度介於約〇.〇〇 i ( 0.02 5 mm )和約0.125吋（3mm )之間，而各第二和第三層 厚度是在約0.0001 ( 0.0025mm)和約0.02吋（0_5 mm)之 供電子裝置銲接成份用之焊料壓片一另選實施例含上 面有一球體表面層之球體。球體包含一焊料金屬銲接成份 並充塡有一選自熱傳導係數增強成份，C TE修飾成份，及 其混合物當中之添加成份。球體中之焊料金屬銲接成份及 -18- (15) 1305824 其上面之球體表面層可選自，例如，由Sn、Cu、In、Pb、 Sb、Au、Ag，其合金、Bi合金、及其混合物所組成群族當 中〇 備置球體之一方法在從一焊料條片中壓製一碟形焊料 。然後在一熱油柱中迴銲所壓製之碟片可形成一球體。然 後以電鍍、物理沈積、化學沈積、或噴灑在焊料球體上塗 覆未充塡之焊料。在一典型實施例中，球體直徑是在約 0.003吋（0.07 5mm)和約0.06吋（umm )之間且球體表 面層厚度是在約0.000 5吋（〇.0125inm )和約〇_〇5吋（ 1.2 5 m m )之間。 G.另選TIM形式 本發明之高效能TIM可製成一箔片或一中形成開口（ 例如’藉敲打或蝕刻）且開口充塡有一或更多添加劑之混 口稀土金屬。例如’ 一以姻爲主，六面有開口隔開之范片 可充塡氧化鈹。在一爲銅箔或混合稀土金屬之情況，銅有 塗抹如銦之銲接成份（例如，藉滴降法或電鍍法）。可能 需要一適當之擴散障礙成份（例如，鎳、鈦或其它過渡性 金屬）防止銅在熔化/銲接程序中快速熔入銦中。另有一 方法爲使用海綿，該海綿包含一婷接成份及/或一充塡有 CTE修飾成份之熱傳導係數增強成份（例如，理論密度爲 9 0%)。如有必要的話，可將海綿切成薄片，達到所要之 厚度。
-19- (16) 1305824 H‘CTE不脗合度阻抗半導體基體/散熱器介面 在可使用本發明上述TIM及焊料壓片之許多裝置當中 ’有一介面用以連接一半導體基體和散熱器組件。其降低 或消除TIM和基體之間CTE混合稀土金屬之負面效應。因 此’改良之介面增加CTE混合稀土金屬之臨界範圍。 現在參考第1圖，一電子裝置封裝1之典型半導體/散 熱器架構包含一具有一前表面3和一背表面4之半導體基體 2 ’一位在前表面上之電子裝置（未予拍照），一銲接半 導體基體2之背表面4至一具有一前面7之散熱器組件6之第 一熱介面材料5，散熱器組件包含一具有一背表面8和一前 表面1 0之熱交換器8，以及選擇性地含一具有一背表面1 2 和一前表面1 3之覆蓋1 1。如含有選項覆蓋1 1，則第二熱介 面材料I4將覆蓋背表面12銲接至熱交換器8之前表面1〇。 根據本發明，可使用上述之高效能熱介面材料加以補償在 這種典型電子裝置封裝中基體與覆蓋之間及覆蓋與熱交換 器間之CTE不脗合度。 現在參考第2圖，本發明是導向一電子裝置封裝1’該 封包包含一具有一前表面和一背表面之半導體基體2’及 一位在半導體前表面上之電子裝置（未予拍照）。這封裝 亦包含一覆蓋1 1，該覆蓋含一凹穴Π 5，用以接納大小及 形狀適接在凹穴內之一插件】6。在這實施例中，凹穴從覆 蓋之前表面向內延伸至覆蓋前表面和背表面間之一點。插 件包含一前表面I7，一背表面]8，及一與覆蓋19接觸之表 面。電子裝置封裝進一步包含一將基體2之背表面銲接至 -20· (17) 1305824
插件16前表面17之第一熱介面材料5。最好，封裝亦包含 —將覆蓋11之背表面12銲接至熱交換器8之第二熱介面材 料14。插件包含一CTE比覆蓋CTE (見前面）更接近脗合 基體CTE之熱應力舒緩材料。以另外一種方式來說，插件 CTE是介於覆蓋CTE與基體CTE之間。因此，第一熱介面 材料只需調適插件與基體間相當小之C T E不脗合度而非基 體與覆蓋間較大之CTE不胞合度。結果，最大CTE不脗合 度一向介於插件/覆蓋介面之間且因爲插件之CTE—向小於 覆蓋之CTE，故可將插件壓縮安裝在覆蓋內。 現在參考第3圖，凹穴15可經由覆蓋11延伸（即，凹 穴從前表面延伸至覆蓋之背表面）且同樣地，插件16可經 由覆蓋11完全延伸。結果，第二熱介面材料14亦將插件16 銲接至熱交換器8。
有鑒於上’將見到可達成本發明之數個目的。因只要 不偏離本發明之範圍，可在以上結構及製程中作各種變更 ’預期將以上說明中所含之所有事物解釋成只是作爲圖解 說明用並無侷限之意。 【圖式簡單說明】 第1圖爲~習知半導體裝置/散熱器架構之切面圖。 第2圖爲本發明一實施例之半導體裝置/散熱器架構之 切面圖。 第3圖爲本發明—實施例之半導體裝置/散熱器架構之 切面圖。 -21 - (18) 1305824 主要元件對照表
1電子裝置封裝 2基體 3前表面 4 背表面 5熱介面材料 6散熱器組件 7前表面 8熱交換器 9 背表面 1 〇前表面 11覆蓋 12背表面 13 前表面 1 4熱介面材料 15 凹穴 16插件 1 7 前表面 1 8後表面 1 9覆蓋 -22-

Claims (1)

1305824
拾、申請專利範团 L：.. 附件二A :第92134206號修正後無劃線之 中文申請專利範圍替換本民國95年I2月4日呈 1. 一種供電子裝置焊接成份用之多層焊料壓片，包含 一第一焊料壓片層，該焊料壓片層具有一頂部表面及 一底部表面’且包含一焊料金屬焊接成份，該焊料金屬焊 接成份混合有選自熱傳導係數增強成份之添加劑' CTE修 飾成份及其混合物； 一第二焊料金屬壓片層，該第二焊料金屬壓片層包含 塗抹在第一焊料壓片層之底部表面；以及 一第三焊料金屬壓片層，該第三焊料金屬壓片層是塗 抹在第一焊料壓片層之頂部表面。 2_ —種供電子裝置焊接成份用之多層焊料壓片，包含 一第一焊料壓片層，該焊料壓片層具有一頂部表面及 一底部表面，且包含一焊料金屬焊接成份，及一添加劑， 選自熱傳導係數增強成份、CTE修飾成份及其混合物； 一第二焊料金屬壓片層，該第二焊料金屬壓片層包含 塗抹在第一焊料壓片層之底部表面；以及 一第三焊料金屬壓片層，該第三焊料金屬壓片層是塗 抹在第一焊料壓片層之頂部表面，其中該焊料金屬焊接成 份、該第二焊料金屬壓片層及該第三焊料金屬壓片層選自 (2) 1305824 由 Sn、Cu、In、Pb、Sb、Au、Ag、其合金、Bi 合金、及 其混合物所組成之群族。 3 _如申請專利範圍第1或2項之多層焊料壓片，其中該 添加劑包含一熱傳導係數增強成份，選自A1、塗覆A1之Cu 、（:u、Ag、Au、及其合金、Λ1Ν、BeO、BN、高傳導係數 陶瓷合金、銅酸鹽、矽化物、及碳相態。 4. 如申請專利範圍第1或2項之多層焊料壓片，其中該 添加劑包含一未塗覆之熱傳導係數增強成份，且選自A1、 Cu、Ag、Au、及其合金、AIN ' BeO、BN、高傳導係數陶 瓷合金、銅酸鹽、矽化物、及碳相態。 5. 如申請專利範圍第1或2項之多層焊料壓片，其中該 添加劑包含一CTE修飾成份，選自由BeO、Al2〇3、A1N、 SiC、Si02、低擴張Fe-Ni合金、低擴張陶瓷粉末、低擴張 玻璃粉末及其混合物所組成之群族。 6. 如申請專利範圍第1或2項之多層焊料壓片，其中該 添加劑包含一未塗覆之CTE修飾成份，選自由BeO、Al2〇3 、AIN、SiC、Si02、低擴張Fe-Ni合金、低擴張陶瓷粉末 、低擴張玻璃粉末及其混合物所組成之群族。 7 .如申請專利範圍第1項之多層焊料壓片，其中該焊 料金屬焊接成份 '該第二焊料金屬壓片層及該第三焊料金 屬壓片層選自由Sn、Cu、In、Pb、Sb、Au、Ag、其合金 、Bi合金、及其混合物所組成之群族。 8.如申請專利範圍第1或2項之多層焊料壓片，其中該 第一焊料壓片層更包含一內在吸氧劑，選自由稀土金屬、 -2- (3) 1305824 鹼性金屬、鹼土金屬、難熔金屬、鋅、其混合物，及其合 金所組成之群族。 9. 如申請專利範圍第1或2項之多層焊料壓片，其中該 第一層具有約0.001吋（0.025mm)和約0.1 25吋（3mm)之間的 厚度，且該第二及第三層具有約0.0001吋（0.0025mm)和約 0.02吋（0.5mm)之間的厚度。 10. 如申請專利範圍第1或2項之多層焊料壓片，其中 該焊料金屬焊接成份、該第二焊料金屬壓片層及該第三焊 料金屬壓片層是選自由Sn、Cu、In ' Pb、Sb、Au、Ag、 其合金、B i合金及其混合物所組成之群族；其中該添加劑 包含一熱傳導係數增強成份，選自A1、塗覆A1之Cu、Cu 、Ag、Au、及其合金、AIN、BeO、BN、高傳導係數陶瓷 合金、銅酸鹽、矽化物、及碳相態；且其中該添加劑包含 —CTE修飾成份，選自由 BeO、Al2〇3、AIN、SiC、Si〇2、 低擴張Fe-Ni合金、低擴張陶瓷粉末、低擴張玻璃粉末及 其混合物所組成之群族。 11. 如申請專利範圍第1或2項之多層焊料壓片，其中 該焊料金屬焊接成份、該第二焊料金屬壓片層及該第三焊 料金屬壓片層選自由Sn、Cu、In' Pb、Sb、Au、Ag、其 合金、Bi合金、及其混合物所組成之群族；其中該添加劑 包含一熱傳導係數增強成份，選自A1、ClJ、Ag、An、及 其合金、AIN、BeO、BN、高傳導係數陶瓷合金、銅酸鹽 '政化物、及碳相態；且其中該添加劑包含一未塗覆之CTE 修飾成份，且選自由BeO、Al2〇3、AIN、SiC、Si02、低 (4) 1305824 擴張Fe-Ni合金、低擴張陶瓷粉末、低擴張玻璃粉末及其 混合物所組成之群族。 I2·如申請專利範圍第1項之多層焊料壓片，其中該添 加劑包含一 c T E修飾成份，該c T E修飾成份包含鉬。 1 3 ·如申請專利範圍第1 2項之多層焊料壓片，其中該 第一焊料壓片層包含一內在吸氧劑，該內在吸氧劑包含鋅 〇 14.如申請專利範圍第12或13項之多層焊料壓片，包 含S η或其合金作爲該焊接成份。 I5·如申請專利範圍第12或13項之多層焊料壓片，包 含Pb或其合金作爲該焊接成份。 1 6 ·如申請專利範圍第1 2或1 3項之多層焊料壓片，包 含Ag或其合金作爲該焊接成份。 I7.如申請專利範圍第12或13項之多層焊料壓片，包 含Cu或其合金作爲該焊接成份。 18·—種供電子裝置焊接成份用之焊料壓片，包含： 一球體，該球體包含一球體焊料金屬焊接成份，該球 體焊料金屬焊接成份混合有一添加劑成份，選自熱傳導係 數增強成份、CTE修飾成份及其混合物；以及 一球體表面層，該球體表面層在該球體上包含一焊料 金屬。 19.如申請專利範圍第18項之焊料壓片，其中該球體 焊料金屬焊接成份與該球體表面層是選自由Sn、Cu、In、 Pb、Sb、Au、Ag、其合金、及Bi合金所組成之群族。 (5) 1305824 2〇.如申請專利範圍第18或19項之焊料壓片，其中該 添加劑包含一熱傳導係數增強成份，選自A1、塗覆A1之Cu 、（:u、Ag、Au、及其合金、AIN、BeO、BN、高傳導係數 陶瓷合金、銅酸鹽、矽化物、及碳相態。 2 1 ·如申請專利範圍第1 8或1 9項之焊料壓片，其中該 添加劑包含一未塗覆之熱傳導係數增強成份，且選自A1、 Cu、Ag、Au、及其合金、AIN、BeO、BN、高傳導係數陶 瓷合金、銅酸鹽、矽化物、及碳相態。 22.如申請專利範圍第18或19項之焊料壓片，其中該 添加劑包含一熱傳導係數增強成份，選自由BeO、Al2〇3 、AIN、SiC、Si02、低擴張Fe-Ni合金、低擴張陶瓷粉末 、低擴張玻璃粉末及其混合物所組成之群族。 23 .如申請專利範圍第1 8或1 9項之焊料壓片，其中該 添加劑包含一未塗覆之CTE修飾成份，且選自由BeO、 Al2〇3、AIN、SiC、Si02、低擴張Fe-Ni合金、低擴張陶瓷 粉末、低擴張玻璃粉末及其混合物所組成之群族。 2 4.如申請專利範圍第18或19項之焊料壓片，其中該 球體焊料金屬焊接成份及該球體表面層是選自由Sn、Cu 、In、Pb、Sb、Au、Ag、其合金、Bi合金及其混合物所 組成之群族；其中該添加劑包含一熱傳導係數增強成份’ 選自A1，塗覆A1之Cu、Cu、Ag、Au、及其合金、A1N、 BeO、BN、高傳導係數陶瓷合金、銅酸鹽、矽化物、及碳 相態；且其中該添加劑包含一CTE修飾成份，選自由BeO、 Al2〇3、AIN、SiC、Si02、低擴張Fe-Ni合金、低擴張陶瓷 (6) 1305824 粉末、低擴張玻璃粉末及其混合物所組成之群族。 25.如申請專利範圍第18或19項之焊料壓片，其中該 球體焊料金屬焊接成份及該球體表面層是選自由Sn、Cu 、In、Pb、Sb、Au、Ag、其合金、Bi合金及其混合物所 組成之群族；其中該添加劑包含一未塗覆之熱傳導係數增 強成份，且選自Al、Cu、Ag、Au、及其合金、AIN、BeO 、BN、高傳導係數陶瓷合金、銅酸鹽、矽化物、及碳相 態；以及其中該添加劑包含一未塗覆之CTE修飾成份，且選 自由 BeO、Al2〇3 ' AIN、SiC、Si02、低擴張 Fe-Ni合金、 低擴張陶瓷粉末、低擴張玻璃粉末及其混合物所組成之群 族。 2 6.如申請專利範圍第18或19項之焊料壓片，其中該 球體更包含一內在吸氧劑，選自由稀土金屬、鹼性金屬、 鹼土金屬、難熔金屬、鋅、其混合物，及其合金所組成之 群族。 27.如申請專利範圍第18或19項之焊料壓片，其中該 球體具有約0.003吋（0.07 5 mm)和約0.06吋（1 _5mm)之間的直 徑，且該球體表面層具有約0.0005吋（0.0125mm)和約0.05 吋（1.25mm)之間的厚度。 2 8.如申請專利範圍第21項之焊料壓片，其中該球體 具有約0.003吋（〇.〇75mm)和約〇.〇6吋（1.5mm)之間的直徑， 且該球體表面層具有約0.0005吋（0.0125mm)和約0.05吋 (1.25mm)之間的厚度。 2 9.如申請專利範圍第22項之焊料壓片，其中該球體 -6- (7) 1305824 具有約Ο · 0 0 3吋（0 _ 0 7 5 m m)和約ο · ο 6吋（1 . 5 m m)之間的直徑， 且該球體表面層具有約0.0005吋（0.0125mm)和約0.05吋 (1.25mm)之間的厚度。 3 0 .如申請專利範圍第1 8項之焊料壓片，其中該添加 劑包含一 CTE修飾成份，該CTE修飾成份包含鉬。 3 1 ·如申請專利範圍第3 0項之焊料壓片，其中該球體 更包含一內在吸氧劑，該內在吸氧劑包含鋅。 3 2 ·如申請專利範圍第3 0或3 1項之焊料壓片，包含S η 或其合金作爲該焊接成份。 3 3 ·如申請專利範圍第3 0或3 1項之焊料壓片，包含Pb 或其合金作爲該焊接成份。 34_如申請專利範圍第30或31項之焊料壓片，包含Ag 或其合金作爲該焊接成份。 35. 如申請專利範圍第3〇或31項之焊料壓片，包含cu 或其合金作爲該焊接成份。 36. —種供電子裝置焊接成份用之熱介面材料，該熱 介面材料包含： 一焊料成份，該焊料成份包含一焊接成份，選自由In 、Sn、Cu、Pb、Sb、Au、Ag、其合金、Bi合金、及其混 合物所組成之群族；及 一添加劑成份，該添加劑成份包含一未塗覆之CTE修 飾成份，具有小於約1〇μπι/ιη°(3之熱膨脹係數。 37. 如申請專利範圍第36項之熱介面材料，更包含一 內在吸氧劑，選自由稀土金屬、鹼性金屬、鹼土金屬、難 (8) 1305824 熔金屬、鋅、其混合物，及其合金所組成之群族。 38·如申請專利範圍第36項之熱介面材料，更包含一 內在吸氧劑，選自由Li、Na、K、Mg ' Ca、Ti、Zr、Hf、 T a、V、N b、L a、C e、P r、S m、N d、E u ' G d、T b、D y、 Yb、其混合物及合金所組成之群族。 3 9 ·如申請專利範圍第3 6項之熱介面材料，其中該添 加劑成份更包含一熱傳導係數增強成份，選自由Al、Ag 、Cu、塗覆A1之Cu、Au、AIN、BeO、BN、高傳導係數陶 瓷合金、銅酸鹽、矽化物、碳相態、及其混合物所組成之 群族。 4 0.如申請專利範圍第36項之熱介面材料，包含Au及 選自由Sn、Si、Ge、及其混合物及合金所組成之群族的第 二金屬，作爲該焊接成份。 4 1 ·如申請專利範圍第3 6項之熱介面材料，其中該焊 料成份潤濕金屬及非金屬表面而不需外在熔合，該焊料成 份包含一焊接成份，選自由In及In-Sn合金所組成之群族 ’且更包含一內在吸氧劑，選自由鹼性金屬、鹼土金屬、 難熔金屬、稀土金屬、鋅、及其混合物與合金所組成之群 族。 42·如申g靑專利範圍第36項之熱介面材料，包含一多 層焊料壓片構造，其中該焊料成份構成一第一層，該第一 層包含充塡有該添加劑成份之該焊接成份，且其中該第一 層被插入於一第二層與一第三層之間，其中該第二層及該 第三層包含焊料金屬，選自由Sn、Cu、In、Pb、Sb、Au -8- (9) 1305824 、Ag、其合金、Bi合金、及其混合物所組成之群族。 43 .如申請專利範圍第3 6項之熱介面材料，其中該第 一層具有約0.001吋（0.025mm)和約0.125吋（3mm)之間的厚 度，且該第二層及該第三層各具有約0.000 1吋（0.0025mn〇 和約0.02吋（0.5mm)之間的厚度。 44·如申請專利範圍第36項之熱介面材料，包含一球 體焊料壓片，該球體焊料壓片包含一球體及一球體表面層 ’其中該球體包含充塡有該添加劑成份之該焊接成份，且 其中該球體表面層包含一層未充塡之焊料金屬，選自由Sn 、Cu、In、Pb、Sb、Au、Ag、其合金、Bi合金、及其混 合物所組成之群族。 45.如申請專利範圍第44項之熱介面材料，其中該球 體具有約0.003吋（0.075mm)和約0.06吋（1 .5mm)之間的直徑 ，且該球體表面層具有約0.0005吋（0.0125mm)和約0.05吋 (1.25mm)之間的厚度。 46 .如申請專利範圍第3 6至4 5項的任意一項之熱介面 材料，其中該CTE修飾成份選自由氧化鈹、氧化鋁、氮化 鋁、碳化矽、二氧化矽、低擴張鐵-鎳合金、低擴張陶瓷 粉末、低擴張玻璃粉末及其混合物所組成之群族。 4 7.如申請專利範圍第36至45項的任意一項之熱介面 材料，其中該CTE修飾成份是鉬。 4 8 .如申請專利範圍第3 6至4 5項的任蒽一項之熱介面 材料，其中該熱介面材料包含約10%至約70%體積的CTE 修飾成份。 -9 - (10) 1305824 4 9 ·如申請專利範圍第3 6至4 5項的任意一項之熱介面 材料’其中該熟介面材料包含約10%至約50%體積的CTE 修飾成份。 50.如申請專利範圍第47項之熱介面材料，包含Sn或 其合金作爲該焊接成份。 5 1 .如申請專利範圍第4 7項之熱介面材料，包含P b或 其合金作爲該焊接成份。 52·如申請專利範圍第47項之熱介面材料，包含Ag或 其合金作爲該焊接成份。 53. 如申請專利範圔第47項之熱介面材料’包含Cu或 其合金作爲該焊接成份。 54. 如申請專利範圍第36至45項的任意一項之熱介面 材料，其中該內在吸氧劑包含鋅。 55. 如申請專利範圍第36至45項的任意一項之熱介面 材料，其中該CTE修飾成份沒有包括任何潤濕增強塗覆。
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