用于电子封装的复合焊接TIM制造技术

一种方法包括提供熔融铟和熔融铝的混合物，并在降低所述混合物的 温度的同时对其进行搅动，直到铝从液相变为固相并形成分布于所述熔融 铟内的颗粒为止。在进一步降低所述混合物的温度的同时继续对混合物的 充分搅动，从而使铝基本上悬浮于熔融的铟内，直到铟从液相变为固相为 止。形成了一种金属组合物，其包括铟和悬浮于铟内的铝颗粒，所述铝颗 粒基本不发生氧化。可以采用所述金属(焊接)组合物形成组件，所述组 件包括集成电路(IC)器件，与所述IC器件相邻设置的至少第一热部件以 及插置在所述IC器件和所述第一热部件之间并与所述IC器件和所述第一 热部件中的每一个热耦合的焊接TIM。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术总体上涉及半导体器件制造领域。具体而言，本专利技术涉及用于 电子封装的复合热界面材料。
技术介绍
现代集成电路(IC)器件在工作过程中产生大量的热能，这样的热能 将对其性能产生不利影响，如果不加以去除，可能通过各种机制造成损害。 两种最为常见的热相关损害的形式包括因不同的热膨胀速率导致的异质材 料的分离以及因热膨胀及热收縮过程中的材料应力导致的断裂。因此，人 们实现了很多冷却装置从集成电路器件中去除热能。大多数此类装置都至 少部分采取了通过与IC器件的部分的物理接触进行热传导的工作机制。IC器件和冷却装置之间的界面处的热传导受到的阻碍可能降低冷却装 置的效率和有效性。因此，人们开发出了很多种热界面材料(TIM)，从而 将热量从IC器件更为有效地传导至冷却装置。例如，具有相当大的延展性 的铟具有相对较低的熔化温度，并且能够相当有效地传导热能，因而这种 材料已经日渐成为了一种有用的热界面材料。但是，最近铟的市场成本已 经急剧上升，从而大幅度提高了利用铟TIM的IC器件封装的成本。改成不 同的材料将牺牲铟所提供的一些好处，或者可能涉及更为复杂和/或更为昂 贵的制造过程。例如，对应用具有较低的延展性或者具有高得多的熔点的 TIM的尝试存在相当大的挑战，并且成了对当前发展步伐以及非常小但很强 大的IC器件技术的潜在障碍。在IC器件和冷却装置之间的薄粘合层内采 用非常薄的TIM的应用尤其得益于铟的固有特性。附图说明图1示出了根据本专利技术的实施例的复合焊接热界面材料(TIM)的形成 方法的方框图。图2示出了根据本专利技术的实施例的熔融铟和熔融铝的混合物的截面图。 图3示出了根据本专利技术的实施例的散布于熔融铟内的铝颗粒的截面图。 图4示出了根据本专利技术的实施例的包括散布于固化的铟内的铝颗粒的复合焊接材料的截面图。图5示出了根据本专利技术的实施例的包括设置于IC器件和冷却装置之间的复合焊接TIM的组件的截面图。具体实施例方式触融压铸涉及在通常通过在熔融混合物内搅拌起或者诱发湍流而搅动 所述混合物的同时使所述混合物冷却。随着混合物的冷却，所述混合物内 的具有较高的熔化温度的材料通常会从混合物内析出并凝固。但是，由于 所述搅动的原因，正在凝固的材料无法形成统一的结构，例如，枝状树。 相反，这些材料在其凝固的过程中分解为相对较小的颗粒，并且在受到搅 动的混合物中四处分布，在某些情况下会形成金属浆体。混合物最终能够充分冷却到使所述混合物中的所有构成材料都凝固， 从而形成固体或半固体最终状态，其中，构成材料将作为相对较小的颗粒、 晶体、细粒或其他类似的构造而以悬浮的方式遍布于基质材料中。可 以将基质材料视为混合物的成分当中具有最低熔化温度的材料，因此，在 其他材料凝固之后仍然保持液态形式。触融压铸对于由被视为不混溶的构 成材料来混合和铸造复合材料是有用的，就像铟一铝混合物的情况一样。根据文中描述的实施例，通过触融压铸来形成复合焊接材料，所述材 料包括铟基质材料和散布于铟内的铝颗粒。在触融压铸过程中，大部 分铝颗粒都保持被液态和固态铟包围，从而与大气中的氧气充分隔离。因 此，铝颗粒保持基本不受氧化。少量的铝颗粒将可能形成于或者被搅拌到 铟材料的外侧区域内。在该处，所述铝颗粒可能与大气中的氧气接触，而 且可能累积少量的氧化物。但是，可以预期到触融压铸混合物中的氧化铝 颗粒的总量仍将保持极低的水平；S卩，基本上是无氧的。此外，如下文所 述，存在各种在触融压铸过程中防止大气中的氧气与混合物接触的方式。尽管能够将铝颗粒简单地混合到熔融的铟当中，以获得与在触融压铸 材料当中类似的铟的分布和位移，但是由于在添加到铟中之前，预制的铝6颗粒通常会因为暴露在大气中的氧气当中而在它们的表面上形成一定量的 氧化物。所述氧化物材料将干扰铝的热传导率，从而导致混合物的热传导 率特性和性能低于具有相同量的铟和铝的触融压铸材料。此外，触融压铸 颗粒倾向于形成球形或椭球形颗粒，从而将它们与大多数预制的可以简单 地混合到熔融的铟当中的铝颗粒进一步区分开来。此外，在触融压铸过程 中，出于在铟基质材料内形成颗粒的各种可控条件的原因，形成于触融压铸混合物内的铝颗粒比非固有地(extrinsically)形成的铝颗粒更不易于 包含杂质。包括铟和一定量的铝的复合触融压铸材料所含有的铟的量少于相同质 量的纯铟将含有的铟的量，因为所述材料内的铝将替代一定量的铟。这带 来了很多好处。铝远比铟便宜得多，因而对于给定质量的焊接材料而言， 与纯铟材料相比，(例如)铟和铝的1:1混合物充分降低了材料成本。同时， 铝的热传导率(235W/mk)比铟的热传导率(86W/mk)高得多，因而材料的 热传导率得到了充分提高。因此，由铟和铝的触融压铸混合物形成的焊接 热界面材料(STIM或TIM)相对于仅由铟形成的TIM而言具有较低的 成本和提高的热性能。铟和铝具有几乎相等的分别为27和25ppm/。C (百万分率/摄氏度)的 热膨胀系数(CTE)，因而在结合成触融压铸混合物时十分匹配。因此，由 铟和铝的触融压铸材料的热循环导致的热应变将是非常低的，这有助于避 免通常在具有更加迥异的CTE的材料的结合中发生的诸如分层或断裂的损 坏。尽管铝的刚度大于铟，但是即使是纯铝也相当软，其在大约40MPa下 产生流动，这与很多常规焊接材料的流动应力相当或者比它们更低。但是， 由于具有铟的触融压铸材料内的铝具有散布于铟的各处的颗粒的形式，因 而在应力作用下，铟比相对更硬的铝优先发生形变。除了有利的成本节约 之外，这些有利的品质使得触融压铸铟一铝材料成了纯铟的绝佳的替代品， 以作为集成电路封装中的TIM材料，尤其是在将其应用于热部件和IC芯片 或另一热部件之间的薄粘合层内时。参考图1，用于形成复合焊接材料的方法100的实施例包括在101中提 供熔融铝和熔融铟的混合物。可以通过各种方式提供如图2所示的熔融混 合物20Q，所述方式包括使一定量的熔融铟与一定量的熔融铝混合，或者使固态铟锭与固态铝锭混合，之后使所述混合物熔化，或者将一定量的固态 成分(例如，铟或铝)添加到一定量的另一熔融成分内，但是实施例不限 于此。例如，还可以提供作为单块凝固锭料的铟和铝，之后使其熔化。不管采取了哪种具体的方法，均可以提供既包括铝201，又包括铟202的熔融 混合物200。图2是旨在表明熔融铝和铟二者均存在于熔融混合物内的示意 图。其并非旨在示出特定数量的液相，或者提出在熔融混合物内存在其他 材料而不只是铝和铟，也并非旨在排除这样的混合物还包含其他材料。如 下文所述，熔融混合物可以在高温卜作为单液相存在，或者在铟和铝二者 均处于熔融状态，但是温度尚未充分升高到形成单液相的铟和铝时作为两 个液相存在。类似地，图2并非旨在指出铟或者铝以特定的构造(例如， 球形颗粒)存在于混合物内。相反，只是以简化的形式示出了图2，从而避 免使说明复杂化。可以采用可热调整的系统完成所述的熔化铝和铟的操作，其中，可以 通过以充分的控制量增强和/或降低被配置为含有熔融材料的坩埚或其他 容器的温度。例如，可以通过电、明火或某种其他方法来加热坩埚内的铝 和铟的锭，其中，可以渐进或连续提高或降低热源的强度。可以釆用绝热 结构减缓锭料或熔融材料的温度的升高或降低。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种方法，包括：　在使熔融铟和熔融铝的混合物降温的同时搅动所述混合物，直到铝从液相变为固相并作为颗粒分布于所述熔融铟内为止；以及　在进一步降低所述混合物的温度的同时充分搅动所述混合物，从而使铝保持遍布在所述混合物中，直到铟从液相 变为固相为止。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2006.9.29 US 11/540,0271、一种方法，包括在使熔融铟和熔融铝的混合物降温的同时搅动所述混合物，直到铝从液相变为固相并作为颗粒分布于所述熔融铟内为止；以及在进一步降低所述混合物的温度的同时充分搅动所述混合物，从而使铝保持遍布在所述混合物中，直到铟从液相变为固相为止。2、 根据权利要求1所述的方法，其中，搅动所述混合物包括使所述混 合物暴露在相对连续变化的磁场下。3、 根据权利要求1所述的方法，其中，搅动所述混合物包括充分有力 地搅拌，从而使正在凝固当中的铝分裂成颗粒，并使所述颗粒保持悬浮在 所述熔融混合物内。4、 根据权利要求1所述的方法，其中，就体积而言，所述混合物包括 处于大约15%和大约80%之间的铝。5、 根据权利要求1所述的方法，其中，就重量而言，所述混合物还包 括高达大约5%的铜。6、 根据权利要求1所述的方法，其中，提供所述混合物包括在能够进 行热调整的系统内组合铝和铟，并使组合物的温度至少升高到铝的熔化温 度。7、 根据权利要求1所述的方法，还包括将凝固后的铟-铝材料构造成 焊接热界面材料(STIM)预制件。8、 根据权利要求7所述的方法，其中，所述STIM预制件类似于箔。9、 根据权利要求1所述的方法，其中，使铟一铝混合物的温度最低达 到大约875摄氏度。10、 根据权利要求1所述的方法，其中，复合焊接材料中的铝颗粒基 本...

【专利技术属性】
技术研发人员：T·菲茨杰拉德，C·德佩克，F·华，
申请(专利权)人：英特尔公司，
类型：发明
国别省市：US