[發(fā)明專(zhuān)利]具有改善熱導(dǎo)率的難熔金屬襯底

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200580045722.8
• 申請(qǐng)日: 2005-10-27
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN101160658A
• 公開(kāi)（公告）日: 2008-04-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: H·F·布雷特;吳榮禎;P·庫(kù)馬
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: H.C.施塔克公司
• 主分類(lèi)號(hào): H01L23/373
• 分類(lèi)號(hào): H01L23/373
• 代理公司: 中國(guó)專(zhuān)利代理(香港)有限公司
• 代理人: 劉杰;魏軍

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明一般涉及用于電子應(yīng)用中發(fā)熱裝置的直接安裝熱沉，具體地涉及包含元素周期表VIB族金屬的熱沉。

背景技術(shù)

例如鉬的難熔金屬長(zhǎng)期被用作電子器件中發(fā)熱裝置的直接安裝熱沉。在某些情形下，其約為140W/M°K的高的熱導(dǎo)率提供了足夠的熱導(dǎo)率，并提供了與例如硅材料的相近的熱膨脹匹配(熱膨脹系數(shù)(TCE)為5.1ppm/℃)。

這些材料經(jīng)常具有不良的可焊性，通過(guò)在其一個(gè)或兩個(gè)表面上涂敷Ni薄層可以改善可焊性。此外，Cu層經(jīng)常通過(guò)包覆、噴鍍等作為薄層沉積到表面上，從而改變熱膨脹性能以匹配例如含GaAs裝置(TCE為6.5ppm/℃)的其他裝置。具有薄Cu層(疊層)的這些材料通常在熱循環(huán)期間具有無(wú)法預(yù)計(jì)的膨脹特性，這是由于在表面層內(nèi)或者不同層之間材料的不均勻分布。

在一些情形中，例如滲透有銅的鎢或鉬的粉末金屬矩陣的金屬矩陣復(fù)合物提供了改善的熱學(xué)特性以滿(mǎn)足更接近的TCE匹配或更高熱導(dǎo)率的要求。對(duì)于可添加更高熱導(dǎo)率材料而不形成太高熱膨脹的數(shù)量來(lái)講，這種類(lèi)型的粉末矩陣是有限的。

某些復(fù)合矩陣材料在結(jié)構(gòu)上不一致且性能并不是按照混合規(guī)則所預(yù)計(jì)的，這是因?yàn)楦邿釋?dǎo)率的銅矩陣經(jīng)常并非足夠開(kāi)放從而以無(wú)限制的方式傳導(dǎo)熱量(即，窄的路徑、由于觸及難熔金屬粒子而阻斷的流等等)。因此，部分熱量必須通過(guò)較低熱導(dǎo)率的難熔金屬矩陣傳輸。此外，在矩陣結(jié)構(gòu)中存在限制熱流的低水平多孔性。

在許多情形中，Mo-Cu或W-Cu的疊層或矩陣系統(tǒng)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)冶金工序例如通過(guò)鋸割、切削、滾軋、研磨、和/或拋光制成薄結(jié)構(gòu)，這些工序在材料內(nèi)引入無(wú)法完全消除的應(yīng)力。這種應(yīng)力導(dǎo)致材料在暴露于升高溫度的焊接工藝時(shí)在薄板處卷曲。

通常用于電子封裝的材料包括Al-石墨、Cu-石墨、CuMoCu疊層、具有MoCu粉末金屬核芯的CuMoCu疊層、W-Cu金屬矩陣復(fù)合物、Mo-Cu金屬矩陣復(fù)合物、(從Engineered?Materials?Solutions，Inc.，Attleboro，MA可獲得)、Al-Si金屬矩陣復(fù)合物、Al-SiC金屬矩陣復(fù)合物、以及Cu-SiC金屬矩陣復(fù)合物。

美國(guó)專(zhuān)利No.4,996,115公開(kāi)了一種復(fù)合結(jié)構(gòu)以及使用銅和低熱膨脹系數(shù)的鎳-鐵合金的組合制作所述復(fù)合結(jié)構(gòu)的方法，其中銅包覆鎳-鐵片并插入穿過(guò)中心的鎳-鐵片，從而提供基本上各向同性的熱傳輸路徑。然而，用于鍛造該包覆有銅的片的滾軋工藝導(dǎo)致不均勻的細(xì)長(zhǎng)孔，其會(huì)導(dǎo)致不均勻的熱傳輸和散逸。此外，40至60mil(密耳)的大的孔尺寸通常不適于電子應(yīng)用。

美國(guó)專(zhuān)利No.5,011,655公開(kāi)了一種制造薄金屬體復(fù)合結(jié)構(gòu)的方法。第一金屬的內(nèi)層清洗以除去氧化物并促進(jìn)冶金結(jié)合。該內(nèi)層具有刺穿內(nèi)層厚度的多個(gè)穿孔。穿孔填充有第二金屬的金屬粉末。第二金屬的兩個(gè)外層置于被清洗和填充的內(nèi)層的相對(duì)側(cè)上，從而形成夾層結(jié)構(gòu)。該夾層結(jié)構(gòu)在非氧化氣氛中加熱到發(fā)生重結(jié)晶的溫度。該夾層結(jié)構(gòu)隨后高溫加工以減小形成薄金屬體復(fù)合結(jié)構(gòu)的該夾層結(jié)構(gòu)的厚度。不幸的是，用于鍛造該復(fù)合結(jié)構(gòu)的高溫加工工序會(huì)導(dǎo)致不均勻的細(xì)長(zhǎng)孔，其會(huì)導(dǎo)致不均勻的熱傳輸和散逸。此外，盡管該復(fù)合結(jié)構(gòu)目標(biāo)是用于電子應(yīng)用，但是40至62mil的大的孔尺寸通常對(duì)于這些應(yīng)用而言不是最優(yōu)的。另外，用于填充這些孔的粉末的多孔性降低了其導(dǎo)熱的能力。

美國(guó)專(zhuān)利No.5,156,923公開(kāi)了一種銅和鎳鐵合金(Invar)層的金屬?gòu)?fù)合物，這些層被冷壓軋減小厚度從而以交錯(cuò)的方式冶金結(jié)合在一起，結(jié)合材料的條多次被冷壓軋?jiān)谝黄饻p小厚度從而冶金結(jié)合在一起。得到的金屬?gòu)?fù)合物破壞了鎳鐵合金層，將鎳鐵合金材料各個(gè)部分分散在銅矩陣內(nèi)，這限制了該復(fù)合物的熱膨脹。然而，該復(fù)合物沿垂直方向或沿z軸方向的散熱能力有限。

使用復(fù)合結(jié)構(gòu)的特定限制為，復(fù)合結(jié)構(gòu)通常是多孔的，無(wú)法用于例如需要防止氣體或空氣泄漏的應(yīng)用，例如用于衛(wèi)星應(yīng)用，特別是在厚度小于20mil的結(jié)構(gòu)中。

美國(guó)專(zhuān)利No.6,555,762公開(kāi)了一種高密度電子封裝，使用導(dǎo)電成分填充過(guò)孔或通孔(via)以形成從介電層到相鄰電路的垂直或Z連接。該通孔在填充之前可以被/不被鍍覆。

在不進(jìn)行大量處理的情況下，還很難獲得期望厚度范圍小于20mil的上述矩陣材料，所述這些大量處理會(huì)在難熔金屬矩陣內(nèi)積累應(yīng)力，這種應(yīng)力無(wú)法通過(guò)熱處理釋放，這是因?yàn)楦邿釋?dǎo)率滲透劑的熔點(diǎn)低。

獲得薄的材料非常重要，這是因?yàn)楦鶕?jù)熱學(xué)關(guān)系：

R＝Const.L/KA