具有改善热导率的难熔金属衬底制造技术

一种用于半导体和集成电路元件的衬底，包括：包含选自元素周期表ⅥＢ族金属和／或各向异性材料的核芯板，具有第一主表面和第二主表面以及多个开口，该开口至少部分地从该第一主表面延伸到该第二主表面；选自元素周期表ⅠＢ族金属或其他高导热材料，填充由至少部分该开口包围的空间的至少一部分；以及可选地，包含元素周期表ⅠＢ族金属或其他高导热材料的层，置于至少部分该第一主表面和至少部分该第二主表面上。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术一般涉及用于电子应用中发热装置的直接安装热沉，具体地涉及包含元素周期表VIB族金属的热沉。技术背景例如钼的难熔金属长期被用作电子器件中发热装置的直接安装热 沉。在某些情形下，其约为140 W/M。K的高的热导率提供了足够的热 导率，并提供了与例如硅材料的相近的热膨胀匹配(热膨胀系数(TCE ) 为5. lppm/。C )。这些材料经常具有不良的可焊性，通过在其一个或两个表面上涂 敷Ni薄层可以改善可焊性。此外，Cu层经常通过包覆、喷镀等作为薄 层沉积到表面上，从而改变热膨胀性能以匹配例如含GaAs装置(TCE 为6. 5ppm/'C )的其他装置。具有薄Cu层(叠层)的这些材料通常在 热循环期间具有无法预计的膨胀特性，这是由于在表面层内或者不同 层之间材料的不均匀分布。在一些情形中，例如渗透有铜的钨或钼的粉末金属矩阵的金属矩 阵复合物提供了改善的热学特性以满足更接近的TCE匹配或更高热导 率的要求。对于可添加更高热导率材料而不形成太高热膨胀的数量来 讲，这种类型的粉末矩阵是有限的。某些复合矩阵材料在结构上不一致且性能并不是按照混合规则所 预计的，这是因为高热导率的铜矩阵经常并非足够开放从而以无限制 的方式传导热量(即，窄的路径、由于触及难熔金属粒子而阻断的流 等等)。因此，部分热量必须通过较低热导率的难熔金属矩阵传输。此 外，在矩阵结构中存在限制热流的低水平多孔性。在许多情形中，Mo-Cu或W-Cu的叠层或矩阵系统通过标准冶金工 序例如通过锯割、切削、滚轧、研磨、和/或抛光制成薄结构，这些工 序在材料内引入无法完全消除的应力。这种应力导致材料在暴露于升 高温度的焊接工艺时在薄板处巻曲。通常用于电子封装的材料包括A1-石墨、Cu-石墨、CuMoCu叠层、 具有MoCu粉末金属核芯的CuMoCu叠层、W-Cu金属矩阵复合物、Mo- Cu金属矩阵复合物、SILVAR⑧(从Engineered Materials Solutions, Inc., Attleboro， MA可获得)、Al-Si金属矩阵复合物、Al-SiC金 属矩阵复合物、以及Cu-SiC金属矩阵复合物。美国专利No. 4, 996， 115公开了一种复合结构以及使用铜和低热 膨胀系数的镍-铁合金的组合制作所述复合结构的方法，其中铜包覆镍 -铁片并插入穿过中心的镍-铁片，从而提供基本上各向同性的热传输 路径。然而，用于锻造该包覆有铜的片的滚轧工艺导致不均匀的细长 孔，其会导致不均匀的热传输和散逸。此外，40至60mil (密耳)的 大的孔尺寸通常不适于电子应用。美国专利No. 5, 011， 655公开了一种制造薄金属体复合结构的方 法。第一金属的内层清洗以除去氧化物并促进冶金结合。该内层具有 刺穿内层厚度的多个穿孔。穿孔填充有第二金属的金属粉末。第二金 属的两个外层置于被清洗和填充的内层的相对侧上，从而形成夹层结 构。该夹层结构在非氧化气氛中加热到发生重结晶的温度。该夹层结 构随后高温加工以减小形成薄金属体复合结构的该夹层结构的厚度。 不幸的是，用于锻造该复合结构的高温加工工序会导致不均匀的细长 孔，其会导致不均匀的热传输和散逸。此外，尽管该复合结构目标是 用于电子应用，但是40至62mil的大的孔尺寸通常对于这些应用而言 不是最优的。另外，用于填充这些孔的粉末的多孔性降低了其导热的 能力。美国专利No. 5, 156, 923公开了一种铜和镍铁合金(Invar)层 的金属复合物，这些层被冷压轧减小厚度从而以交错的方式冶金结合 在一起，结合材料的条多次被冷压轧在一起减小厚度从而冶金结合在 一起。得到的金属复合物破坏了镍铁合金层，将镍铁合金材料各个部 分分散在铜矩阵内，这限制了该复合物的热膨胀。然而，该复合物沿 垂直方向或沿z轴方向的散热能力有限。使用复合结构的特定限制为，复合结构通常是多孔的，无法用于 例如需要防止气体或空气泄漏的应用，例如用于卫星应用，特别是在 厚度小于20mil的结构中。美国专利No. 6， 555, 762公开了一种高密度电子封装，使用导电 成分填充过孔或通孔(via)以形成从介电层到相邻电路的垂直或Z连 接。该通孔在填充之前可以被/不被镀覆。 在不进行大量处理的情况下，还很难获得期望厚度范围小于2Omi 1的上述矩阵材料，所迷这些大量处理会在难熔金属矩阵内积累应 力，这种应力无法通过热处理释放，这是因为高热导率渗透剂的熔点 低。获得薄的材料非常重要，这是因为根据热学关系 R=Const.L/KA其中R为热阻，L为热流距离或散热器厚度，K为散热器热导率，A为 面积。热阻越低，作为热沉的性能越好，其影响如下 越短的热流距离和越薄的散热器提供更好的性能。 更高的热导率导致更低的热阻。 可散热的面积越大，热阻越低。Luedtke,Thermal Management Materials for High — Performance Applications, Advanced Engineering Materials, 6, No. 3 (2004), pp. 142-144讨论了使用涂敷有铜的钼和涂敷有铜的钼-铜矩阵材料作为散热器。然而，这些材料仅提供介于190至250W/M°K 之间的有效热导率。一般而言，现有技术公开了例如Ni-Fe合金的接近难熔金属性能 的材料，该合金具有设计成改善z轴热导率的通孔。然而目前，特别 是在电子行业，需要的是超越难熔金属性能的材料。例如，具有更多 但更小均匀孔的材料，这些孔可以被填充而不对材料产生应力并能够 沿所有方向散热，该材料的性能优于当前可获得的难熔金属系统以及 其他系统。因此，本领域需要一种可用于发热电子元件的热沉材料，其足够 薄且可以充分地沿所有方向传导、除去和散逸所产生的热量，同时维 持尺寸稳定性。
技术实现思路
本专利技术涉及一种用于电子封装元件和集成电路元件的衬底，包括..包含元素周期表VIB族金属或其他高导热材料和/或各向异性材 料的核芯板，具有第一主表面和第二主表面以及至少部分从第一主表 面延伸到第二主表面的多个开口；填充由至少部分该开口包围的空间的至少一部分的元素周期表IB族金属或其他高导热材料；以及可选地，置于该第一主表面至少一部分以及该第二主表面至少一 部分上方的包含元素周期表IB族金属的层。本专利技术还涉及一种制作用于电子封装元件和集成电路元件的上述 衬底的方法，该方法包括提供包括元素周期表VIB族金属或各向异性材料的箔或板；形成至少部分从该箔或板的第 一主表面延伸到第二主表面的多个开口；使用元素周期表IB族金属填充由至少部分该开口包围的空间；以及可选地，在该第一主表面至少一部分和该第二主表面至少一部分 上方的包含元素周期表IB族金属的层。本专利技术另外涉及包括上述衬底和一个或多个半导体元件的电子装置。附图说明图1示出了根据本专利技术的具有孔的箔或板的平面视图； 图2示出了图1的箔或板的剖面视图；图3示出了根据本专利技术的具有孔的箔或板的一个示例的剖面视图，其中该表面已经被涂敷且孔已填充有金属；图4示出了根据本专利技术的夹层村底的剖面视图；以及图5示出了根据本专利技术已经填充了铜并被涂敷的两层多孔钼村底剖面的30x照片。专利技术详述除了在工作示例中或者另本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于电子封装元件和集成电路元件的衬底，包括：包含选自元素周期表ⅥＢ族金属和／或各向异性材料的核芯板，具有第一主表面和第二主表面以及多个开口，该开口至少部分地从所述第一主表面延伸到所述第二主表面；选自元素周期表ⅠＢ族的金属 或其他高导热材料，填充由至少部分所述开口包围的空间的至少一部分；以及可选地，包含元素周期表ⅠＢ族金属或其他高导热材料的层，置于至少部分所述第一主表面和至少部分所述第二主表面上。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2004-11-1 10/978,9401.一种用于电子封装元件和集成电路元件的衬底，包括包含选自元素周期表VIB族金属和/或各向异性材料的核芯板，具有第一主表面和第二主表面以及多个开口，该开口至少部分地从所述第一主表面延伸到所述第二主表面；选自元素周期表IB族的金属或其他高导热材料，填充由至少部分所述开口包围的空间的至少一部分；以及可选地，包含元素周期表IB族金属或其他高导热材料的层，置于至少部分所述第一主表面和至少部分所述第二主表面上。2. 根据权利要求l的衬底，其中所述VIB族金属选自由钼、钨、含 钼和鴒的合金、钼合金、鴒合金、及其组合组成的组。3. 根据权利要求l的衬底，其中所述IB族金属为铜、铜合金、银、 或银合金。4. 根据权利要求1的衬底，其中所述其他高导热材料选自由金刚石、 合金、复合材料、以及纳米管组成的组。5. 根据权利要求1的衬底，其中所述层包括具有从200至2200W/M°K的热导率的一种或多种材料。6. 根据权利要求1的衬底，具有从1至100mil的厚度。7. 根据权利要求1的衬底，其中所述开口的最大尺寸为从1至 25mil。8. 根据权利要求l的衬底，其中所述开口的直径与所述板的厚度的 比例为从O. 75至1.5。9. 根据权利要求l的衬底，其中所述层的厚度从所述核芯板第一部 分上的0至10mil变化到所述核芯板第二部分上的5至50mil。10. 根据权利要求1的衬底，其中所述核芯板的厚度与所述第一主 表面上所述层的厚度的比例为1:0.1至1:2，与所述第二主表面上所述 层的厚度的比例为1: 0.1至1: 2。11. 根据权利要求1的衬底，具有至少50W/M°K的热导率。12. 根据权利要求l的衬底，其中所述VIB族金属为钼，所述IB族 金属为铜。13. 根据权利要求l的衬底，其中所述VIB族金属为钨，所述IB族 金属为铜。14. 根据权利要求l的衬底，其中所述核芯板为金属，且具有从50 至200W/M°K的热导率。15. 根据权利要求1的衬底，其中所述核芯板包括各向异性材料， 且具有从50至2200W/M°K的热导率。16. 根据权利要求1的衬底，其中所述层具有从200至500W/M°K的 热导率。17. 根据权利要求1的衬底，其中所述核芯板内的开口具有选自圆 形、方形、矩形、六边形、八边形、及其组合的形状。18. 根据权利要求1的衬底，其中所述核芯板内的开口具有选自沙 漏型形状、锥形形状、直边形状、及其组合的组的截面形状。19. 根据权利要求1的衬底，其中所述核芯板内的开口包括所述核 芯板体积的5至90%。20. 根据权利要求1的衬底，其中所述衬底的热膨胀系数(TCE)低 于混合规则预计的TCE。21. —种电子封装元件，包括根据权利要求1的衬底和一个或多个 半导体元件。22. 根据权利要求21的电子封装元件，其中所述电子封装元件选自 由无线通信装置、光纤激光器、功率发生半导体、电阻器、以及光电装 置组成的组。23. —种制作用于半导体和集成电路元件的衬底的方法，包括 提供包含选自元素周期表VIB族金属和/或各向异性材料的箔或板； 形成多个开口 ，所述开口至少部分地从所述箔或板的第一主表面延伸到第二主表面；使用选自元素周期表IB族金属或其他高导热材料，填充由至少部分 所述开口包围的空间；以及可选地，在至少部分所述第一主表面和至少部分所述第二主表面 上，形成包含元素周期表IB族金属或其他高导热材料的层。24. 根据权利要求23的方法，其中所述VIB族金属选自由钼、钨、 含钼和钨的合金、钼合金、钨合金、及其组合组成的组。25. 根据权利要求23的方法，其中所述IB族金属为铜或银。26. 根据权利要求23的方法，其中所述其他高导热材料选自包含金 刚石、合金、复合材料、以及纳米管的组。27. 根据权利要求23的方法，其中所述层包括具有从200至 2200W/M°K的热导率的一种或多种材料。28. 根据权利要求23的方法，其中所述衬底具有从l至50mil的厚度。29. 根据权利要求23的方法，其中所述箔或板的厚度从所述箔或板...

【专利技术属性】
技术研发人员：HF布雷特，吴荣祯，P库马，
申请(专利权)人：HC施塔克公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]