复合热界面材料及其制备方法、界面连接方法技术

本发明专利技术涉及复合热界面材料及其制备方法、界面连接方法。其中，复合热界面材料包括基底层、金属骨架层、第一连接层和第二连接层；金属骨架层形成在基底层上，金属骨架层包括多孔金属层以及位于多孔金属层两侧的第一致密金属层和第二致密金属层；金属骨架层内填充有聚合物材料；第一连接层位于基底层的与金属骨架层相背的一侧，第二连接层位于金属骨架层的与基底层的相背的一侧。上述复合热界面材料，其可以实现全金属的导热路径，获得较高的导热率；金属骨架层中所填充的聚合物材料可以支撑多孔金属骨架以及保护多孔金属骨架不被氧化；还可以阻碍焊料渗透进入金属骨架层，避免出现复合热界面材料的力学性能后续制造和正常运行过程中逐渐退化。过程中逐渐退化。过程中逐渐退化。

【技术实现步骤摘要】
复合热界面材料及其制备方法、界面连接方法


[0001]本专利技术涉及电子器件界面连接的领域，具体涉及一种复合热界面材料及其制备方法、界面连接方法。

技术介绍

[0002]在人工智能、云计算、5G基站等领域中应用的高性能集成电路(IC)芯片的尺寸越来越大，功率密度快速增加，大面积高效散热已成为性能进一步提高的瓶颈之一。热界面材料(TIM)能够填充芯片/铜盖板和铜盖板/热沉界面间的间隙，减小接触热阻，从而促进热量从芯片—铜盖板—热沉的传导，提高散热效率。根据其安装位置可以分为TIM1(芯片与铜盖板间)和TIM2(铜盖板与热沉间)两类。传统TIM的导热率普遍<5W
·
m
‑1·
K
‑1，是整个散热路径中的最薄弱环节，远低于高性能IC芯片封装的需求。此外，由于硅芯片和铜盖板间存在着较大的热膨胀系数(CTE)差异，在电子元器件制造及其正常运行过程中会不可避免的产生一定的热应力，大尺寸的芯片由于CTE不匹配产生的热应力也更大，目前全球最大的人工智能芯片的尺寸已经达到了46225m2，大尺寸芯片对TIM的机械性能提出了更高的要求，需要其具备低的杨氏模量来缓解热应力。
[0003]因此，目前亟需开发一种高导热、低模量的TIM来保证高性能集成电路芯片的大面积、高可靠散热，提高电子元器件的使用寿命。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的之一在于提供一种复合热界面材料，以解决现有技术中缺少高导热、低模量的热界面材料的问题。本专利技术的目的之二在于提供一种复合热界面材料的制备方法。本专利技术的目的之三在于提供一种界面连接方法。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：
[0006]一种复合热界面材料，其包括基底层、金属骨架层、第一连接层和第二连接层；所述金属骨架层形成在所述基底层上，所述金属骨架层包括多孔金属层以及位于所述多孔金属层两侧的第一致密金属层和第二致密金属层；所述金属骨架层内填充有聚合物材料；所述第一连接层位于所述基底层的与所述金属骨架层相背的一侧，所述第二连接层位于所述金属骨架层的与所述基底层的相背的一侧。
[0007]根据上述技术方案，本专利技术可以在金属骨架层的第一致密金属层、多孔金属层和第二致密金属层之间可以形成有多孔金属骨架结构，该多孔金属骨架结构在第一连接层、第二连接层所连接的IC芯片和热沉等之间能够形成全金属的导热路径，从而实现较高的导热率；同时这种多孔金属骨架具备较低的杨氏模量。而金属骨架层中所填充的聚合物材料一方面可以支撑多孔金属骨架，避免在受压情况下对多孔金属骨架带来坍塌等不可恢复的形态结构变化，并保护多孔金属骨架不被氧化以及避免来自周围环境的潜在冲击。另一方面，在形成第一连接层和第二连接层时，如果第一连接层和第二连接层包括焊料层用于通过焊接的方式与待连接件连接，则被填充到金属骨架层中的聚合物材料还可以保护多孔金
属层，其具体可以阻碍焊料渗透进入金属骨架层、与金属骨架层反应，从而避免出现复合热界面材料的力学性能后续制造和正常运行过程中逐渐退化。
[0008]进一步地，所述基底层的材质为热导率高于设定值的金属。
[0009]根据上述技术方案，可以将IC芯片产生的热量更快地传导到金属骨架层上，从而能够实现更好的导热效果。并且，基底层可以与金属骨架层之间形成为一体的金属膜结构。
[0010]进一步地，所述金属骨架层内所填充的聚合物材料为PDMS材料。
[0011]根据上述技术方案，具体可以选择低粘度的PDMS溶液，以毛细渗透的方式填充到金属骨架层内，其中主要是填充到多孔金属层内，在填充完成后，通过加热就可以将PDMS材料固化，从而得到复合金属薄膜，即金属骨架层。
[0012]进一步地，所述第一连接层包括保护层和焊料层，所述焊料层与所述基底层相接，所述保护层位于所述焊料层的与基底层的相背的一侧；以及，所述第二连接层包括保护层和焊料层，所述焊料层与所述金属骨架层相接，所述保护层位于所述焊料层的与金属骨架层的相背的一侧。
[0013]根据上述技术方案，保护层可以保护焊料层，避免其被氧化，这样就有助于实现无助焊剂焊接。另一方面，在设置焊料层和焊料层的情况下，通过焊接实现与待连接件的连接可以实现低界面热阻，从而有助于实现高散热效率。
[0014]一种复合热界面材料的制备方法，其包括：
[0015]步骤S1，在基底层上依次沉积形成第一致密金属层、多孔金属层和第二致密金属层；
[0016]步骤S2，对基底层上所形成的第一致密金属层、多孔金属层和第二致密金属层进行烧结处理，形成一体的多孔金属骨架结构；
[0017]步骤S3，向多孔金属层填充聚合物材料；
[0018]步骤S4，在基底层的与多孔金属骨架结构相背的一侧形成第一连接层，以及在多孔金属骨架结构的与基底层相背的一侧形成第二连接层。
[0019]根据上述技术方案，可以实现与上述的复合热界面材料一致的有益效果，不再赘述。
[0020]进一步地，在所述步骤S1中，在形成第一致密金属层、多孔金属层和第二致密金属层时，通过脉冲激光沉积的方式向基底层的表面沉积微米和纳米金属颗粒，所沉积的金属颗粒堆积形成第一致密金属层、多孔金属层和第二致密金属层。
[0021]根据上述技术方案，金属骨架层可以具有第一致密金属层和第二致密金属层，其中，第一致密金属层可以增强多孔金属骨架结构与基底层间的粘附力，同时降低多孔金属骨架结构与基底层间的界面热阻；第二致密金属层可以在后续的工艺中避免包含聚合物材料的溶液透出到金属骨架层表面，有利于后续在金属骨架层表面形成第二连接层，以及还便于金属骨架层与基底层、第二连接层之间的连接固定。
[0022]进一步地，在所述步骤S1中，选择氩气作为保护气体；
[0023]在形成第一致密金属层和第二致密金属层时，沉积气压选择为0.4～0.6Pa，沉积厚度为4～6μm；
[0024]在形成多孔金属层时，沉积气压选择为400～600Pa，沉积厚度为500
±
20μm。
[0025]根据上述方案，可以在采用相同的工艺和材质，通过调控工艺参数得到结构不同
的第一致密金属层、第二致密金属层和多孔金属层。
[0026]进一步地，在所述步骤S2中，将基底层以及形成在基底层上的第一致密金属层、多孔金属层和第二致密金属层置入马弗炉内，在200～400℃下烧结30～120min。
[0027]根据上述技术方案，烧结处理后得到的多孔金属骨架结构能够具有更高的杨氏模量。
[0028]进一步地，所述步骤S3包括：
[0029]步骤S31，将基底层以及形成在基底层的多孔金属骨架结构置于真空容器，将粘度为2300cP的PDMS溶液滴在多孔金属层的侧部；
[0030]步骤S32，使PDMS材料以毛细渗透的方式进入多孔金属层内；
[0031]步骤S33，在渗透到多孔金属层内的PDMS材料达到一定量后，加热以使渗透到多本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种复合热界面材料，其特征在于，所述复合热界面材料包括基底层(1)、金属骨架层(2)、第一连接层(3)和第二连接层(4)；所述金属骨架层(2)形成在所述基底层(1)上，所述金属骨架层(2)包括多孔金属层(23)以及位于所述多孔金属层(23)两侧的第一致密金属层(21)和第二致密金属层(22)；所述金属骨架层(2)内填充有聚合物材料；所述第一连接层(3)位于所述基底层(1)的与所述金属骨架层(2)相背的一侧，所述第二连接层(4)位于所述金属骨架层(2)的与所述基底层(1)的相背的一侧。2.根据权利要求1所述的复合热界面材料，其特征在于，所述基底层(1)的材质为热导率高于设定值的金属。3.根据权利要求1所述的复合热界面材料，其特征在于，所述金属骨架层(2)内所填充的聚合物材料为PDMS材料。4.根据权利要求3所述的复合热界面材料，其特征在于，所述第一连接层(3)包括保护层(31)和焊料层(32)，所述焊料层(32)与所述基底层(1)相接，所述保护层(31)位于所述焊料层(32)的与基底层(1)的相背的一侧；以及所述第二连接层包括保护层(41)和焊料层(42)，所述焊料层(42)与所述金属骨架层(2)相接，所述保护层(41)位于所述焊料层(42)的与金属骨架层(2)的相背的一侧。5.一种复合热界面材料的制备方法，其特征在于，所述复合热界面材料的制备方法包括：步骤S1，在基底层上依次沉积形成第一致密金属层(21)、多孔金属层(23)和第二致密金属层(22)；步骤S2，对基底层(1)上所形成的第一致密金属层(21)、多孔金属层(23)和第二致密金属层(22)进行烧结处理，形成一体的多孔金属骨架结构；步骤S3，向多孔金属层(23)填充聚合物材料；步骤S4，在基底层(1)的与多孔金属骨架结构相背的一侧形成第一连接层(3)，以及在多孔金属骨架结构的与基底层(1)相背的一侧形成第二连接层(4)。6.根据权利要求5所述的复合热界面材料的制备方法，其特征在于，在所述步骤S1中，在形成第一致密金属层(21)、多孔金属层(23)和第二致密金属层(22)时，通过脉冲激光沉积的方式向基底层(1)的表面沉积微米和纳米金属颗粒，所沉积的金属颗粒堆积形成第一致密金属层(2...

【专利技术属性】
技术研发人员：江阳，
申请(专利权)人：重庆长安汽车股份有限公司，
类型：发明
国别省市：