传热界面材料以及焊料预制品制造技术

一种多层焊料预制品，用于电子装置的部件粘接，包括：　　　　第一焊料预制品层，具有顶面以及底面，包括焊料金属粘接组分，以及选自热传导率增进组分、热膨胀系数改性组分或其混合物的添加剂；　　　　第二焊料金属制品层，紧贴于第一焊料预制品层的底面；以及　　　　第三焊料金属制品层，紧贴于到第一焊料预制品层的顶面。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
技术介绍
传热界面材料(TIMs)对于保护有源半导体装置例如微处理器免受超出操作温度极限之害至关重要。其能够使发热装置(例如硅半导体)与热沉或者散热材料(例如铜和/或铝成分)实现热粘接，而不出现过多的热阻。不同的传热界面材料也可用于装配包括全部热阻路径的其他热沉或者散热部件堆叠体。低阻热构成是传热界面材料(TIMs)的一种重要性能。可将热障以术语描述为通过传热界面材料的有效热传导，并且优选这种热传导尽可能高。传热界面材料的有效热传导主要归因于界面热传递系数以及传热界面材料固有的热传导系数。根据具体应用，传热界面材料的其他各种性质也很重要，例如，当将两种材料连接时其适应(accommodate)或避免热膨胀的能力，机械方式牢固粘接以在热循环中保持稳定的能力，对潮湿和温度变化不敏感，制造可行性，以及成本因素。现在有若干种材料用作传热界面材料，例如，导热脂、导热胶、粘合剂、弹性体、导热垫，以及相变材料。尽管上述的传热界面材料对于现在很多种常见半导体装置是适合的，但在不久的将来，半导体产品装置提高的性能将使目前所知的传热界面材料不能符合要求。具体而言目前的热传导非金属传热界面材料通常不超出5W/mK，以及典型地少于大约1W/mK。然而，不久就将需要有效热传导率大约为50W/mK的传热界面材料。相对于前述非金属传热界面材料，可选择的一种方案是，采用一种由典型的焊料合金制成的固体金属片材或制品，金属的传热界面材料能保证很高的热传导值(举例而言，对于铟片大约为80W/mk)。金属的传热界面材料在再流时还可以表现出理想焊接或浸润性能，有助于获得较低的热界面阻抗。在再流期间，焊料和基板被加热，借助表面张力和/或区域表面合金化，焊料熔化并浸润。界面由金属间化合或者金属间扩散构成，其热性质通常没有大块的传热界面材料金属好，但是比现有的(聚合物基)传热界面材料好很多。大多数情况下，金属性传热界面材料必须经过再流以形成可靠的热界面。金属性传热界面材料，在有些应用中，因为传热界面材料与半导体材料和/或热沉件之间相对较大的热膨胀系数差异，以及缺少顺应性(compliance)而不能使用。
技术实现思路
简言之，由此，本专利技术涉及一种用于电子装置部件粘接(焊接/粘接)的多层焊料预制品，包括第一焊料预制品层，其包括焊料金属粘接组分以及添加剂，添加剂选自热传导率增进组分、热膨胀系数(CTE)改性组分，或其混合物；第二焊料金属制品层，构成为紧贴于所述第一焊料预制品层的底面；以及第三焊料金属制品层，紧贴于所述第一焊料预制品层的顶面。本专利技术的另一方面是一种用于粘接电子装置部件的焊料预制品，包括球体，该球体包括球体焊料金属粘接组分以及添加剂组分，添加剂组分选自热传导率增进组分、热膨胀系数改性组分，或其混合物；球体表面层，包括布于球体上的焊料金属。附图说明图1是常规半导体装置/热沉构成的代表性剖面图。图2是本专利技术一种实施方式的半导体装置/热沉构成的代表性剖面图。图3是本专利技术一种实施方式的半导体装置/热沉构成的代表性剖面图。具体实施例方式电子装置性能的改善，经常伴随提高电能消耗和减小装置尺寸，其独立或共同作用而增加电能密度。因此，必须增加正在运行的电子装置中流出的热量，以保持装置温度低于操作温度极限。本专利技术目的在于获得包括如下文所述的焊料成分和其他成分的高性能TIM，以增加从电子装置中的热流，并提供如下文所述的其他优点。该TIM包括在需要通过焊料其进一步如期望地改善热传导性时使用的热导率改善组分，或者在需要时可以理想地解决热失配的热膨胀系数改性组分，或者同时包括这二种组分以同时满足前述两种需要。这些应用中，可选择性地采用固有氧吸收剂。本专利技术还包括一种焊料预制品，其具有提高了的对于电子装置基板的浸润性。在某些情况下，焊料预制品起TIM作用，但是，其他应用中，热传导并不很迫切，或者说其内在条件适当，则这种制品并不作为TIM使用。A.焊料高性能TIM包括焊料，其允许TIM粘接于基板上。这里用的术语“基板”，是指半导体和/或热沉(热沉)部件和/或任何其他产品、装置、设备等等，用TIM使其与另外的这样的“基板”接合。当进行热处理时，TIM应当在低于正在运行的(电子)装置的失效温度(例如低于约350℃，优选低于约250℃，以及更优选低于约200℃)时粘接于基板。焊料在低于运行装置失效温度时熔化，浸润基板以及允许化学和/或机械粘接形成，这样的粘接使得当固化时起到良好的热传递效果。一般情况，焊料在低于约300℃温度熔化，优选低于约225℃熔化。在特定实施例中，焊料熔化温度低于约170℃，例如在约160℃和约95℃之间。焊料可以包括常规的焊接材料，其需要热膨胀系数调整。例如，焊料可以包括Sn、Cu、In、Pb、Sb、Au、Ag，前述各材料的合金，例如Au-Sn、Au-Si、Au-Ge，以及其他例如Bi合金。或者例如，焊料可以包括In、In-Sn合金、Au-Sn合金，或Bi合金。优选地，焊料包括具有低熔化温度以及比常规TIM材料相对高的热传导性(低于约5W/Mk)的粘接组分。举例来说，In(熔点约155℃，热传导率约80W/mK)，Sn(熔点约230℃，热传导率约70W/mK)，以及其混合物和合金。在一个实施例中，粘接组分主要由In构成，由于其较低的熔化温度及容易浸润许多氧化物、陶瓷、金属陶瓷，无需使用有机助溶剂(助焊剂)。在一个实施例中，焊料组分是Sn-Bi-Ag合金，包括约39wt％至约61wt％的Sn，约37wt％至约59wt％的Bi，以及约1％至约3％的Ag。在另一个实施例中，采用Bi-Ag合金，包括80-97％的Bi，以及3-20wt％的Ag。B.热传导率增进组分为增加通过TIM的热流，在本专利技术优选实施例中，TIM包括热传导率增进组分。该热传导率增进组分优选具有热传导率高于约100W/mK。优选的热传导率增进组分材料是Al、包铝铜(Al-coatedCu)、Cu、Ag、Au，或其合金。Ag、Cu、以及Au分别具有热传导率约425W/mK、约400W/mK，以及约315W/mK。这样的金属通常具有相对高的熔化温度(例如，Ag的熔点是约960℃，Cu是约1,085℃，以及Au是约1,065℃)。其他优选组分是高热传导率陶瓷，例如，但不限于，AlN、BeO、BN、高热传导率金属陶瓷、铜酸盐，以及硅化物。另外一类的优选的热传导率增进组分是碳，以及碳相(多种相的碳)，包括金刚石、碳纳米管，以及相关衍生物。热传导率增进组分被粘接到焊料中，加入量的范围是从约1wt％至约50wt％。对于许多应用，优选热传导率增进组分加入量在约5wt％以及约20wt％之间，例如将6wt％Al加入焊料。C.热膨胀系数改性组分在整个电子装置的使用寿命内，通过阻止在界面密切接触区域的劣化，在可以改善通过TIM的热流动。具体而言，电子组装件的不同部件之间热膨胀系数的区别，在热循环期间产生应力，在界面区域会导致局部或完全的分离。对于这样的TIM，其包括具有比常见半导体材料高的热膨胀系数材料，此问题更为突出。常见半导体材料，例如硅、锗、砷化镓、硫化镉，以及锑化铟，以及发光二极管材料包括固态光子发射体、光学激光应用的纤维(例如，In/As/GaAs，以及InAs/Al/Sb)。典型地，粘接组分材料以本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种多层焊料预制品，用于电子装置的部件粘接，包括第一焊料预制品层，具有顶面以及底面，包括焊料金属粘接组分，以及选自热传导率增进组分、热膨胀系数改性组分或其混合物的添加剂；第二焊料金属制品层，紧贴于第一焊料预制品层的底面；以及第三焊料金属制品层，紧贴于到第一焊料预制品层的顶面。2.根据权利要求1所述的多层焊料预制品，其中所述的焊料金属粘接组分、第二焊料金属制品层和第三焊料金属制品层选自以下材料组Sn、Cu、In、Pb、Sb、Au、Ag、前述金属的合金、Bi合金、以及其混合物。3.根据权利要求2所述的多层焊料预制品，其中所述的添加剂包括热传导率增进组分，选自Al、包铝铜(Al-coated Cu)、Cu、Ag、Au、前述金属的合金、AlN、BeO、BN、高传导率金属陶瓷、铜酸盐、硅化物、以及碳相。4.根据权利要求2所述的多层焊料预制品，其中所述的添加剂包括热传导率增进组分，未经包覆，其材料选自Al、Cu、Ag、Au、前述金属的合金、AlN、BeO、BN、高传导率金属陶瓷、铜酸盐、硅化物，以及碳相。5.根据权利要求2所述的多层焊料预制品，其中所述的添加剂包括一热膨胀系数改性组分，选自以下材料组BeO、Al2O3、AlN、SiC、SiO2、低膨胀Fe-Ni合金、低膨胀陶瓷粉末、低膨胀玻璃粉末，以及其混合物。6.根据权利要求2所述的多层焊料预制品，其中所述的添加剂包括热膨胀系数改性组分，未加有包覆层，以及选自下述材料组BeO、Al2O3、AlN、SiC、SiO2、低膨胀Fe-Ni合金、低膨胀陶瓷粉末、低膨胀玻璃粉末，以及其混合物。7.根据权利要求1所述的焊料预制品，其中所述的焊料金属粘接组分、第二焊料金属制品层和第三焊料金属制品层，选自以下材料组Sn、Cu、In、Pb、Sb、Au、Ag、前述金属的合金、Bi合金，以及其混合物；其中所述的添加剂包括热传导率增进组分，选自Al、包铝铜(Al-coated Cu)、Cu、Ag、Au，前述金属的合金，AlN、BeO、BN、高传导率金属陶瓷、铜酸盐、硅化物，以及碳相；其中所述的添加剂包括热膨胀系数改性组分，选自以下材料组BeO、Al2O3、AlN、SiC、SiO2、低膨胀Fe-Ni合金、低膨胀陶瓷粉末、低膨胀玻璃粉末以及其混合物。8.根据权利要求1所述的焊料预制品，其中所述的焊料金属粘接组分、第二焊料金属制品层和第三焊料金属制品层，选自以下材料组Sn、Cu、In、Pb、Sb、Au、Ag、前述金属的合金、Bi合金，以及其混合物；其中所述的添加剂包括没有包覆层的热传导率增进组分，选自Al、Cu、Ag、Au、前述金属的合金、AlN、BeO、BN、高传导率金属陶瓷、铜酸盐、硅化物，以及碳相；以及其中的添加剂包括热膨胀系数改性组分，未经包覆，选自以下材料组BeO、Al2O3、AlN、SiC、SiO2、低膨胀Fe-Ni合金、低膨胀陶瓷粉末、低膨胀玻璃粉末，以及其混合物。9.根据权利要求1-8所述的多层焊料预制品，其中所述第一焊料预制品层进一步包括固有氧吸收剂，选自下述材料组稀土金属、碱金属、碱土金属、难熔金属、Zn，其混合物，以及其合金。10.根据权利要求1-9所述的多层焊料预制品，其中所述的第一层厚度在约0.001(0.025mm)以及约0.125英寸(3mm)之间；所述第二以及第三层...

【专利技术属性】
技术研发人员：布赖恩·路易斯，巴瓦·辛格，约翰·P·拉芬，大卫·V·胡华，安东尼·英格汉姆，
申请(专利权)人：弗莱氏金属公司，
类型：发明
国别省市：