TWI644367B - 一種具熱界面的裝置及製造方法 - Google Patents
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Abstract
本發明實施例提供一種裝置。該裝置包括：電路器件、散熱片及熱界面材料層。熱界面材料層與電路器件及散熱片熱耦合。熱界面材料層包括：第一合金層、奈米金屬顆粒層及第二合金層。第一合金層與電路器件熱耦合。奈米金屬顆粒層與第一合金層熱耦合。奈米金屬顆粒層包括奈米金屬顆粒及中間混合物。
Description
本發明涉及電路領域，尤其涉及一種電路裝置及製造方法。
圖1A所示為現有技術中積體電路晶片及其部分封裝結構的截面示例圖。該結構包括積體電路晶片1A02、熱界面材料層1A04及散熱器1A06。積體電路晶片1A02於工作過程中產生的熱藉由晶片背面的熱界面材料層1A04倒入散熱器1A06，因而，熱界面材料層1A04本身的導熱能力對晶片散熱有重要影響。現有熱界面材料層包括銀膠類材料。銀膠類材料中混合金屬銀顆粒1A08以提高導熱效果，但主要還是以銀膠類材料形成的連續相為主。銀膠類材料導熱率較低，已很難滿足大功率晶片的散熱需求。
本發明實施例提供一種裝置及製造方法。該裝置中，介於電路器件及散熱片間的熱界面材料具有較高導熱率，大幅度提高了整體熱通路的熱導效能，能更好地滿足大功耗電路器件的散熱需求。
第一方面，本發明實施例提供了、一種裝置，包括：電路器件；散熱片；及熱界面材料層，與所述電路器件及所述散熱片熱耦合，包括：第一合金層，與所述電路器件熱耦合；奈米金屬顆粒層，與所述第一合金層熱耦合，所述奈米金屬顆粒層包括相互耦合的多個奈米金屬顆粒及中間混合物，所述中間混合物填充於所述多個奈米金屬顆粒之間；及第二合金層，與所述奈米金屬顆粒層及所述散熱片熱耦合。
在第一方面的第一種可能的實現方式中，所述第一合金層與所述奈米金屬顆粒層的接觸處形成燒結連續相結構，所述多個奈米金屬顆粒之間的接觸處形成燒結連續相結構，且所述第二合金層與所述奈米金屬顆粒層的接觸處形成燒結連續相結構。
結合第一方面，或者第一方面第一種可能的實現方式，在第二種可能的實現方式中，所述奈米金屬顆粒包括銀。
結合第一方面，或者第一方面第一至第二種任意一種可能的實現方式，在第三種可能的實現方式中，所述奈米金屬顆粒的直徑處於50-200奈米之間。
結合第一方面，或者第一方面第一至第三種任意一種可能的實現方式，在第四種可能的實現方式中，用於倒裝晶片球柵格陣列結構。
結合第一方面，或者第一方面第一至第四種任意一種可能的實現方式，在第五種可能的實現方式中，第一合金層包括第一接著層和第一共燒結層，所述第一接著層與所述電路器件熱耦合，所述第一共燒結層與所述奈米金屬顆粒層耦合，且所述第一共燒結層與所述奈米金屬顆粒層的接觸處形成燒結連續相結構。
結合第一方面第五種可能的實現方式，在第六種可能的實現方式中，所述第一接著層包括以下材料中的任一種：鈦、鉻、鎳或鎳釩合金，所述第一共燒結層包括以下材料中的任一種：銀、金或銅。
結合第一方面第五種可能的實現方式以及第六種可能的實現方式中的任意一種可能的實現方式，在第七種可能的實現方式中，所述第一合金層還包括第一緩衝層，位於所述第一接著層與所述第一共燒結層之間，所述第一緩衝層包括以下材料中的任一種：鋁、銅、鎳或鎳釩合金。
結合第一方面，或者第一方面第一至第七種任意一種可能的實現方式，在第八種可能的實現方式中，所述第二合金層包括第二接著層和第二共燒結層，所述第二接著層與所述散熱片熱耦合，所述第二共燒結層與所述奈米金屬顆粒層熱耦合，且所述第二共燒結層與所述奈米金屬顆粒層的接觸處形成燒結連續相結構。
結合第一方面第八種可能的實現方式，在第九種可能的實現方式中，所述第二接著層包括以下材料中的任一種：鈦、鉻、鎳或鎳釩合金，所述第二共燒結層包括以下材料中的任一種：銀、金或銅。
結合第一方面第八種可能的實現方式以及第九種可能的實現方式中的任意一種可能的實現方式，在第十種可能的實現方式中，所述第二合金層還包括第二緩衝層，位於所述第二接著層與所述第二共燒結層之間，所述第二緩衝層包括以下材料中的任一種：鋁、銅、鎳或鎳釩合金。
結合第一方面，或者第一方面第一至第十種任意一種可能的實現方式，在第十一種可能的實現方式中，所述奈米金屬顆粒的直徑不大於1微米。
結合第一方面，或者第一方面第一至第十一種任意一種可能的實現方式，在第十二種可能的實現方式中，所述中間混合物包括以下材料中的任一種：空氣或樹脂。
結合第一方面，或者第一方面第一至第十二種任意一種可能的實現方式，在第十三種可能的實現方式中，所述電路器件包括積體電路管芯，所述積體電路管芯中的襯底與所述熱界面材料層熱耦合。 第二方面，本發明實施例提供了、一種製造裝置的方法，包括：生成第一合金層；由相互耦合的多個奈米金屬顆粒與中間混合物生成奈米金屬顆粒層，使所述中間混合物填充於所述多個奈米金屬顆粒之間；及生成第二合金層，其中，使所述第一合金層與電路器件熱耦合，使所述奈米金屬顆粒層與所述第一合金層熱耦合，並使所述第二合金層與所述奈米金屬顆粒層及散熱片熱耦合。
在第二方面的第一種可能的實現方式中，使所述第一合金層與所述奈米金屬顆粒層的接觸處形成燒結連續相結構，使所述奈米金屬顆粒之間的接觸處形成燒結連續相結構，且使所述第二合金層與所述奈米金屬顆粒層的接觸處形成燒結連續相結構。
結合第二方面，或者第二方面第一種可能的實現方式，在第二種可能的實現方式中，所述奈米金屬顆粒的直徑不大於1微米。
結合第二方面，或者第二方面第一至第二種任意一種可能的實現方式，在第三種可能的實現方式中，所述中間混合物包括以下材料中的任一種：空氣或樹脂。
結合第二方面，或者第二方面第一至第三種任意一種可能的實現方式，在第四種可能的實現方式中，所述生成第一合金層包括：生成第一接著層和第一共燒結層，並使所述第一接著層與所述電路器件熱耦合，使所述第一共燒結層與所述奈米金屬顆粒層耦合，且使所述第一共燒結層與所述奈米金屬顆粒層的接觸處形成燒結連續相結構。
結合第二方面，或者第二方面第一至第四種任意一種可能的實現方式，在第五種可能的實現方式中，所述生成第二合金層包括：生成第二接著層和第二共燒結層，並使所述第二接著層與所述散熱片熱耦合，使所述第二共燒結層與所述奈米金屬顆粒層熱耦合，且使所述第二共燒結層與所述奈米金屬顆粒層的接觸處形成燒結連續相結構。
下面將結合本發明實施例中的圖式，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
圖1是本發明第一實施例的包括裝置的封裝結構100的截面示例圖。該倒裝晶片球柵格陣列封裝結構包括焊球108，基板107，黏接膠106，金屬凸塊（BUMP）102，電路器件（如積體電路管芯）103，熱界面材料層104及散熱片105。積體電路管芯103藉由金屬凸塊102與基板107耦合。金屬凸塊102由底部填充物101保護。散熱片105藉由黏接膠106固定在基板107上。熱界面材料層104與積體電路管芯103及散熱片105熱耦合。本文中，熱耦合包括不同層次，不同結構，或不同裝置間有熱傳導的情形。更詳細地，熱界面材料層104可位於積體電路管芯103及散熱片105之間。積體電路管芯103中的襯底與熱界面材料層104熱耦合。積體電路管芯103的熱量藉由熱界面材料層104達到散熱片105。
其中，積體電路管芯103、熱界面材料層104及散熱片105可作為一種裝置的部分或全部組件，且該裝置可用於但不限於如圖所示的倒裝晶片球柵格陣列封裝結構。
圖2包括圖1中的熱界面材料層104的第一實施例的截面示例圖。熱界面材料層104與管芯103及散熱片105熱耦合，包括第一合金層109、奈米金屬顆粒層110及第二合金層112。
第一合金層109與積體電路管芯103及奈米金屬顆粒層110熱耦合。更具體地，如圖所示，第一合金層109可位於積體電路管芯103之上，奈米金屬顆粒層110之下。即，第一合金層109可位於積體電路管芯103與奈米金屬顆粒層110之間。第一合金層109增加積體電路管芯103與奈米金屬顆粒層110之間的接著強度。
奈米金屬顆粒層110包括奈米金屬顆粒113及中間混合物111。中間混合物111包括但不限於以下材料中的任一種：空氣或樹脂。中間混合物111用於填充於多個奈米金屬顆粒113之間，使多個奈米金屬顆粒113形成整體。奈米金屬顆粒113包括但不限於銀。奈米金屬顆粒113的直徑不大於1微米。在一個實施例中，奈米金屬顆粒113的直徑處於50-200奈米之間。奈米金屬顆粒層110熱阻較低，形成較好的導熱通路。
第二合金層112與奈米金屬顆粒層110及散熱片105熱耦合。更具體地，如圖所示，第二合金層112可位於奈米金屬顆粒層110之上，散熱片105之下。即，第二合金層112可位於奈米金屬顆粒層110與散熱片105之間。第二合金層112增加奈米金屬顆粒層110與散熱片105之間的接著強度。
在一個實施例中，第一合金層109與奈米金屬顆粒層110的接觸處形成燒結連續相結構，奈米金屬顆粒113之間的接觸處形成燒結連續相結構，且第二合金層112與奈米金屬顆粒層110的接觸處形成燒結連續相結構。本文中的燒結連續相結構包括但不限於：因金屬顆粒產生燒結行為，金屬顆粒接口附近的金屬原子擴散至金屬顆粒界面融合在一起，使得金屬顆粒形成一個整體的結構。
圖3是圖2中第一合金層109的第一實施例的截面示例圖。如圖所示，第一合金層109包括第一接著層114和第一共燒結層115。本文中的共燒結層包括但不限於：在封裝加工過程中產生的與熱界面材料層互融的金屬層，該金屬層與熱界面材料層中的顆粒共同燒結形成熱流通路。第一接著層114與積體電路管芯103熱耦合。第一共燒結層115與奈米金屬顆粒層110熱耦合。第一共燒結層115與奈米金屬顆粒層110的接觸處形成燒結連續相結構。具體地，第一接著層114可位於積體電路管芯103之上，第一共燒結層115可位於第一接著層114之上，奈米金屬顆粒層110之下。第一接著層114包括但不限於以下材料中的任一種：鈦、鉻、鎳或鎳/釩。第一接著層114增加積體電路管芯103與第一共燒結層115之間的結合強度。第一共燒結層115包括但不限於以下材料中的任一種：銀、金或銅。
圖4是圖2中第一合金層109的第二實施例的截面示例圖。與圖3相比，圖4中的第一合金層109還包括第一緩衝層116，位於所述第一接著層114與第一共燒結層115之間。第一緩衝層116包括但不限於以下材料中的任一種：鋁、銅或鎳。第一緩衝層116在因熱處理產生的形變中提供應力緩衝功能，降低積體電路管芯103與熱界面材料層104間或熱界面材料層104中間產生裂縫的風險，增加該裝置的可靠性。
圖5是圖2中第二合金層112的第一實施例的截面示例圖。如圖所示，第二合金層112包括第二共燒結層118和第二接著層117。第二共燒結層118與奈米金屬顆粒層110熱耦合。第二共燒結層118與奈米金屬顆粒層110的接觸處形成燒結連續相結構。第二接著層117與散熱片105熱耦合。具體地，第二共燒結層118可位於奈米金屬顆粒層110之上，第二接著層117可位於第二共燒結層118之上，散熱片105之下。第二共燒結層118包括但不限於以下材料中的任一種：銀、金或銅。第二接著層117包括但不限於以下材料中的任一種：鈦、鉻、鎳或鎳/釩。第二接著層117增加第二共燒結層118與散熱片105之間的結合強度。
圖6是圖2中第二合金層112的第二實施例的截面示例圖。與圖5相比，圖6中的第二合金層112還包括第二緩衝層119，位於第二接著層117與第二共燒結層118之間。第二緩衝層119包括但不限於以下材料中的任一種：鋁、銅、鎳或鎳/釩。第二緩衝層119在因熱處理產生的形變中提供緩衝功能，降低熱界面材料層與散熱片105間或熱界面材料層104中間產生裂縫的風險，增加該裝置的可靠性。
綜上，由於本發明實施例中的熱界面材料層中不再包含銀膠類材料中的高分子類較低熱導材料，而是包含奈米金屬顆粒，本發明實施例中的熱界面材料具有較高導熱率，大幅度提高了整體熱通路的熱導效能，能更好地滿足大功耗晶片的散熱需求。
圖7是本發明第二實施例的一種製造裝置的方法的流程圖700。如圖所示，在步驟702中，生成第一合金層。在步驟704中，由奈米金屬顆粒與中間混合物生成奈米金屬顆粒層。奈米金屬顆粒的直徑不大於1微米，例如，奈米金屬顆粒的直徑處於50-200奈米之間。中間混合物包括但不限於以下材料中的任一種：空氣或樹脂。在一個實施例中，奈米金屬顆粒包括但不限於銀。在步驟706中，生成第二合金層。在步驟708中，使第一合金層與奈米金屬顆粒層及電路器件熱耦合。在步驟710中，使第二合金層與奈米金屬顆粒層及散熱片熱耦合。
在一個實施例中，使第一合金層與奈米金屬顆粒層的接觸處形成燒結連續相結構，使奈米金屬顆粒之間的接觸處形成燒結連續相結構，且使第二合金層與奈米金屬顆粒層的接觸處形成燒結連續相結構。
在一個實施例中，該方法可用於但不限於倒裝晶片球柵格陣列結構。
在一個實施例中，生成第一合金層包括生成第一接著層和第一共燒結層，並使第一接著層與電路器件熱耦合，使第一共燒結層與奈米金屬顆粒層耦合，且使第一共燒結層與奈米金屬顆粒層的接觸處形成燒結連續相結構。第一接著層包括但不限於以下材料中的任一種：鈦、鉻、鎳或鎳/釩。第一共燒結層包括但不限於以下材料中的任一種：銀、金或銅。在另一個實施例中，生成第一合金層還包括在第一接著層與第一共燒結層之間生成第一緩衝層。第一緩衝層包括但不限於以下材料中的任一種：鋁、銅、鎳或鎳/釩。
在一個實施例中，生成第二合金層包括生成第二接著層和第二共燒結層，並使第二接著層與散熱片熱耦合，使第二共燒結層與奈米金屬顆粒層熱耦合，且使所述第二共燒結層與所述奈米金屬顆粒層的接觸處形成燒結連續相結構。第二接著層包括但不限於以下材料中的任一種：鈦、鉻、鎳或鎳/釩。第二共燒結層包括但不限於以下材料中的任一種：銀、金或銅。在另一個實施例中，生成第二合金層還包括在第二接著層與第二共燒結層之間生成第二緩衝層。第二緩衝層包括但不限於以下材料中的任一種：鋁、銅、鎳或鎳/釩。
電路器件可包括積體電路管芯。使第一合金層與電路器件熱耦合包括使第一合金層與積體電路管芯中的襯底熱耦合。
以上所揭露的僅為本發明較佳實施例而已，當然不能以此來限定本發明之權利範圍，因此依本發明權利要求所作的等同變化，仍屬本發明所涵蓋的範圍。
100‧‧‧裝置的封裝結構
101‧‧‧底部填充物
102‧‧‧金屬凸塊
103‧‧‧電路器件（積體電路管芯）
104、1A04‧‧‧熱界面材料層
105‧‧‧散熱片
106‧‧‧黏接膠
107‧‧‧基板
108‧‧‧焊球
109‧‧‧第一合金層
110‧‧‧奈米金屬顆粒層
111‧‧‧中間混合物
112‧‧‧第二合金層
113‧‧‧奈米金屬顆粒
114‧‧‧第一接著層
115‧‧‧第一共燒結層
116‧‧‧第一緩衝層
117‧‧‧第二接著層
118‧‧‧第二共燒結層
119‧‧‧第二緩衝層
700‧‧‧流程圖
702、704、706、708、710‧‧‧步驟
1A02‧‧‧積體電路晶片
1A06‧‧‧散熱器
1A08‧‧‧金屬銀顆粒
為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的圖式作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的圖式僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些圖式獲得其他的圖式。 圖1A是現有技術中包括裝置的封裝結構的截面示例圖。 圖1是本發明第一實施例的包括裝置的封裝結構的截面示例圖。 圖2包括圖1中的熱界面材料層的第一實施例的截面示例圖。 圖3是圖2中的第一合金層的第一實施例的截面示例圖。 圖4是圖2中的第一合金層的第二實施例的截面示例圖。 圖5是圖2中的第二合金層的第一實施例的截面示例圖。 圖6是圖2中第二合金層的第二實施例的截面示例圖。 圖7是本發明第二實施例的一種製造裝置的方法的流程圖。
Claims (17)
- 一種具熱界面的裝置，其特徵在於，包括：電路器件；散熱片；及熱界面材料層，與所述電路器件及所述散熱片熱耦合，包括：第一合金層，與所述電路器件熱耦合；奈米金屬顆粒層，與所述第一合金層熱耦合，所述奈米金屬顆粒層包括相互耦合的多個奈米金屬顆粒及中間混合物，所述中間混合物填充於所述多個奈米金屬顆粒之間；及第二合金層，與所述奈米金屬顆粒層及所述散熱片熱耦合；其中，第一合金層包括第一接著層和第一共燒結層，所述第一接著層與所述電路器件熱耦合，所述第一共燒結層與所述奈米金屬顆粒層耦合，且所述第一共燒結層與所述奈米金屬顆粒層的接觸處形成燒結連續相結構。
- 如申請專利範圍第1項所述的具熱界面的裝置，其特徵在於，所述第一合金層與所述奈米金屬顆粒層的接觸處形成燒結連續相結構，所述多個奈米金屬顆粒之間的接觸處形成燒結連續相結構，且所述第二合金層與所述奈米金屬顆粒層的接觸處形成燒結連續相結構。
- 如申請專利範圍第1項或第2項所述的具熱界面的裝置，其中，所述多個奈米金屬顆粒包括銀。
- 如申請專利範圍第1項或第2項所述的具熱界面的裝置，其中，所述多個奈米金屬顆粒的直徑處於50-200奈米之間。
- 如申請專利範圍第1項或第2項所述的具熱界面的裝置，其中，用於倒裝晶片球柵格陣列結構。
- 如申請專利範圍第1項所述的具熱界面的裝置，其中，所述第一接著層包括以下材料中的任一種：鈦、鉻、鎳或鎳釩合金，所述第一共燒結層包括以下材料中的任一種：銀、金或銅。
- 如申請專利範圍第1項所述的具熱界面的裝置，其中，所述第一合金層還包括第一緩衝層，位於所述第一接著層與所述第一共燒結層之間，所述第一緩衝層包括以下材料中的任一種：鋁、銅、鎳或鎳釩合金。
- 如申請專利範圍第1項或第2項所述的具熱界面的裝置，其中，所述第二合金層包括第二接著層和第二共燒結層，所述第二接著層與所述散熱片熱耦合，所述第二共燒結層與所述奈米金屬顆粒層熱耦合，且所述第二共燒結層與所述奈米金屬顆粒層的接觸處形成燒結連續相結構。
- 如申請專利範圍第8項所述的具熱界面的裝置，其中，所述第二接著層包括以下材料中的任一種：鈦、鉻、鎳或鎳釩合金，所述第二共燒結層包括以下材料中的任一種：銀、金或銅。
- 如申請專利範圍第8項所述的具熱界面的裝置，其中，所述第二合金層還包括第二緩衝層，位於所述第二接著層與所述第二共燒結層之間，所述第二緩衝層包括以下材料中的任一種：鋁、銅、鎳或鎳釩合金。
- 如申請專利範圍第1項或第2項所述的具熱界面的裝置，其中，所述中間混合物包括以下材料中的任一種：空氣或樹脂。
- 如申請專利範圍第1項或第2項所述的具熱界面的裝置，其中，所述電路器件包括積體電路管芯，所述積體電路管芯中的襯底與所述熱界面材料層熱耦合。
- 一種製造具熱界面的裝置的方法，其特徵在於，包括：生成第一合金層；由相互耦合的多個奈米金屬顆粒與中間混合物生成奈米金屬顆粒層， 使所述中間混合物填充於所述多個奈米金屬顆粒之間；及生成第二合金層，其中，使所述第一合金層與電路器件熱耦合，使所述奈米金屬顆粒層與所述第一合金層熱耦合，並使所述第二合金層與所述奈米金屬顆粒層及散熱片熱耦合；其中，所述生成第一合金層包括：生成第一接著層和第一共燒結層，並使所述第一接著層與所述電路器件熱耦合，使所述第一共燒結層與所述奈米金屬顆粒層耦合，且使所述第一共燒結層與所述奈米金屬顆粒層的接觸處形成燒結連續相結構。
- 如申請專利範圍第13項所述的製造具熱界面的裝置的方法，其中，還包括使所述第一合金層與所述奈米金屬顆粒層的接觸處形成燒結連續相結構，使所述奈米金屬顆粒之間的接觸處形成燒結連續相結構，且使所述第二合金層與所述奈米金屬顆粒層的接觸處形成燒結連續相結構。
- 如申請專利範圍第13項或第14項所述的製造具熱界面的裝置的方法，其中，所述多個奈米金屬顆粒的直徑不大於1微米。
- 如申請專利範圍第13項或第14項所述的製造具熱界面的裝置的方法，其中，所述中間混合物包括以下材料中的任一種：空氣或樹脂。
- 如申請專利範圍第13項或第14項所述的製造具熱界面的裝置的方法，其中，所述生成第二合金層包括：生成第二接著層和第二共燒結層，並使所述第二接著層與所述散熱片熱耦合，使所述第二共燒結層與所述奈米金屬顆粒層熱耦合，且使所述第二共燒結層與所述奈米金屬顆粒層的接觸處形成燒結連續相結構。
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