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JP2007521639A - 熱界面材と半田予備成型品 - Google Patents

熱界面材と半田予備成型品 Download PDF

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Abstract

濡れ性の改良のために二つの未充填層の間に挟まれた添加剤で充填された半田層を含む多層の半田予備成型体（５，１２）が提供される。濡れ性改良のため添加剤を充填した半田材と、未充填の表面層を含む球を有する半田予備成型体も提供される。充填材としては、ＣＴＥ変性成分および／または熱伝導度促進成分である。
【選択図】図２

Description

発明の背景
熱界面材（ＴＩＭ）は、マイクロプロセッサーのような能動型半導体機器が操作温度上限を超えないようにするのに重要なものである。これによれば、熱発生機器（たとえば、シリコン半導体）をヒートシンクや熱放散器（たとえば、銅および／またはアルミニウム成分）に熱的に結合しても、過剰な熱障壁が構成されないとすることができる。種々のＴＩＭは、また熱抵抗回路全体を構成するヒートシンクまたは放熱器スタックの他の部品のアッセンブリーに使用され得る。
小さい熱障壁が形成されるのは、ＴＩＭの重要な性質である。熱障壁は、ＴＩＭを通過する有効熱伝導度により示されることができるものであり、好ましくは可能な限り高いものである。ＴＩＭの有効熱伝導度は、主に界面熱伝導係数に依存し、ＴＩＭの（内部）バルクの熱伝導も同様である。ここの応用に応じてＴＩＭには種々の他の性質が重要であり、たとえば：二種の材料が接合する際に熱膨張応力に順応するかまたはこれを避ける能力、熱サイクルの間安定である機械的に堅実な継ぎ手を形成する能力、湿度や温度変化への感受性がないこと、製造の実行可能性、及びコストなど。
数種の材料が現在、ＴＩＭとして使用され、これはたとえば、熱グリース、熱ゲル、接着剤、エラストマー、熱パッド、及び相転移材である。これらＴＩＭは多くの現在の半導体機器には適当ではあるが、近未来の半導体の性能向上は現在のＴＩＭを不適当にするであろう。特に、現在、非金属のＴＩＭは一般に約５Ｗ／ｍＫを超えるものではなく典型的には約１Ｗ／ｍＫ未満である。しかし、約５０Ｗ／ｍＫまたはそれ以上の有効熱伝導度を有する熱界面を形成するＴＩＭが直ぐに必要となるであろう。
前述の非金属ＴＩＭの一つの代替は典型的には半田合金からなる固体金属シートまたは予備成型体である。金属ＴＩＭによれば高い熱伝導度の値（たとえば、インジウムのシートでは約８０Ｗ／ｍＫ）を確保できる。金属ＴＩＭはまた、リフローに際し好ましい半田または湿潤挙動を示し、それは低い熱界面抵抗を促進する。リフローの間、半田と基板は加熱され、表面張力および／または局所的な表面合金化により半田は溶融して湿潤する。界面は金属間化合物または相互拡散金属からなり、その性質はバルクのＴＩＭ金属のそれよりもしばしば好ましくないが、しかし現存する（ポリマーベースの）ＴＩＭよりはずっと適当である。多くの場合、金属ＴＩＭは、信頼性ある熱界面を形成するべくリフローに供する必要がある。しかし、金属ＴＩＭは、ＴＩＭや半導体および／またはヒートシンク部品の熱膨張係数（ＣＴＥ）の値の相対的な大きな違いによりまたコンプライアンスの不足により一定の応用にうまくいかないのである。
発明の要約
電子機器性能の改良は、しばしば電力消費の増大と機器サイズの減少につながり、これは、別個にまたは共に電力密度の増加へとつながるのである。それゆえ、操作中の電子機器からの熱放散流を増大させて、当該機器を操作温度限度内に維持する必要がある。本発明は、電子機器からの放熱流を増大させるための半田成分と以下に示す他の成分からなる高性能ＴＩＭ材に関し、そしてそれは以下に述べるように他の特徴を有する。ＴＩＭは、半田を通して熱移動をさらに促進するのが望ましいことに応用する熱伝導促進成分、熱的な不均衡の是正が望ましいところに応用するＣＴＥ変性成分およびその両者が必要な場合は双方からなる。内部酸素捕獲材は任意にこれらのいずれの応用にも使用され得る。
本発明は、また、電子機器基板に対する湿潤性を向上させる半田予備成型体を具備する。ある場合には、半田予備成型体はＴＩＭとして機能するが、しかし熱移動が臨界的でないかまたは固有に妥当である応用では予備成型体はＴＩＭとしては機能しない。
Ａ．半田
高性能ＴＩＭは、ＴＩＭを基板に接合させる半田を含む。ここで、用語“基板”は半導体および／またはヒートシンク部品および／または他の器材，機器等を意味し、これらはＴＩＭで他の当該“基板”に接合される。熱加工ではＴＩＭは、能動型（電子）機器の損傷温度よりも低い温度で基板に接合する（たとえば、約３５０℃未満、好ましくは約２５０℃未満、そしてより好ましくは２００℃未満）。半田は機器の損傷温度未満で溶融し、基板を湿潤し、固化するとＴＩＭと基板間に良好な熱伝導を発揮する化学的および／または機械的結合を形成させる。一般には、半田は約３００℃未満の温度で、好ましくは約２２５℃未満の温度で溶融する。ある態様では、半田は約１７０℃未満の温度で、たとえば、約１６０℃と約９５℃の間の温度で溶融する。
半田は、ＣＴＥの調節が必要な通常の半田材料からなる。たとえば、半田はＳｎ、Ｃｕ、Ｉｎ、Ｐｂ、Ｓｂ、Ａｕ、Ａｇ、これらのそれぞれの金属の合金、たとえば、Ａｕ−Ｓｎ、Ａｕ−Ｓｉ、Ａｕ−Ｇｅ、および他の合金、たとえばＢｉ合金からなる。または、たとえば、半田は、Ｉｎ、Ｉｎ−Ｓｎ合金、Ａｕ−Ｓｎ合金、またはＢｉ合金からなる。好ましくは、半田は低融点の結合成分と通常のＴＩＭ（約５Ｗ／ｍＫ未満）と比較して相対的に熱伝導度の高い成分とを含む。たとえば、Ｉｎ（融点は約１５５℃であり、熱伝導度は、約８０Ｗ／ｍＫである）、Ｓｎ（融点は約２３０℃であり、熱伝導度は、約７０Ｗ／ｍＫである）、およびこれらの混合物や合金である。ひとつの態様では、結合成分は、本質的にＩｎのみからなり、それはその融点が低く、多くの酸化物、セラミックスおよびサーメットを有機フラックス剤を使用しなくとも容易に湿潤する能力を有するからである。
ひとつの態様では、半田成分は約３９〜約６１ｗｔ％のＳｎ、約３７〜約５９ｗｔ％のＢｉおよび３−２０ｗｔ％のＡｇからなるＳｎ−Ｂｉ−Ａｇ合金である。他の態様では、それは８０−９７ｗｔ％のＢｉと３−２０ｗｔ％のＡｇからなるＢｉ−Ａｇ合金である。
Ｂ．熱伝導促進成分
本発明の好ましい態様では、ＴＩＭ材を通る放熱を増大させるために、ＴＩＭは熱伝導度向上成分を含む。熱伝導度向上成分は、好ましくは熱伝導度が約１００Ｗ／ｍＫを超える値を有する。好ましい熱伝導度向上成分材は、Ａｌ、Ａｌ被覆のＣｕ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、またはこれらの合金である。Ａｇ、Ｃｕ、およびＡｕの熱伝導度は、それぞれ約４２５Ｗ／ｍＫ、約４００Ｗ／ｍＫおよび約３１５Ｗ／ｍＫである。これらの金属は、典型的には相対的に高い融点を有する（たとえば、Ａｇの融点は約９６０℃であり、Ｃｕのそれは、約１０８５℃であり、Ａｕのそれは約９６０℃である）。他の好ましい成分は、高い熱伝導度を有するセラミックスであり、たとえば、例示されるが限定されない、ＡｉＮ、ＢｅＯ、ＢＮ、高熱伝導度のサーメット、カプレートや珪素化合物などである。好ましい熱伝導尾向上成分の他のクラスは、炭素、および炭素材であり、それはダイヤモンド、炭素ナノ−チューブ、および関連の化合物を含む。
熱伝導度向上成分は、半田に配合され、その割合は、約１ｗｔ％〜約５０ｗｔ％である。多くの応用では、約５ｗｔ％と約２０ｗｔ％の間の熱伝導度向上成分を配合するのが好ましく、たとえば約６ｗｔ％のＡｌを半田に配合する。
Ｃ．ＣＴＥ変性成分
ＴＩＭからの放熱は、電子機器の寿命の間界面領域での緊密な接触が劣化しなければ改良され得る。特に、電子機器パッケージの種々の部品における熱膨張係数が相違すると、界面領域の部分的なまたは完全な分離となりえる。この問題は、典型的な半導体材料に比較すると相対的に高い熱膨張係数を有する材料からなるＴＩＭには特に切迫しており、この半導体材料は、たとえば、シリコン、ゲルマニウム、ガリウム・砒素、硫化カドニウムおよび光通信やファイバー光通信レーザーのためのソリッド ステート エミッターなどを含む発光ダイオードの材料（たとえば、Ｉｎ／Ａｓ／ＧａＡｓおよびＩｎＡｓ／Ａｌ／Ｓｂ）などである。典型的には、結合成分材料と熱伝導度促進成分材料とは約１６μｍ／ｍ℃より大なるＣＴＥを有し、そして基板材料は約１０μｍ／ｍ℃よりも小さいＣＴＥを有する。
本発明のＴＩＭは、好ましくはＣＴＥ変性成分を具備させることによりＣＴＥの不均衡による不利益な衝撃を最小限とするものである。ＣＴＥ変性成分は基板とより適合するＣＴＥを有し、それによりヒートサイクルにおける熱衝撃を緩和する。ＣＴＥ変性成分は、そのＣＴＥは、好ましくは約１０μｍ／ｍ℃より小さく、そしてより好ましくは約８μｍ／ｍ℃より小さい。ＣＴＥ変性成分は、例示として、酸化ベリリウム（約８．８μｍ／ｍ℃）、酸化アルミニウム（約６．５−７．０μｍ／ｍ℃）、窒化アルミニウム（約４．２μｍ／ｍ℃）、炭化アルミニウム（約４．０μｍ／ｍ℃）、二酸化珪素（約０．５μｍ／ｍ℃）、一般にＫＯＶＡＲまたはＩＮＶＡＲと称される低膨張鉄−ニッケル合金（約５．２μｍ／ｍ℃〜約６．０μｍ／ｍ℃）、低膨張セラミックまたはガラス粉（約−１．５μｍ／ｍ℃〜約９．０μｍ／ｍ℃）、モリブデンおよびこれらの混合物である。本発明の好ましい態様では、非常に低いＣＴＥを有し、半田合金に容易に濡れて混合し、相対的に高い熱伝導度を有し、そして後合金処理（たとえば、ロールかけと押し出し処理）がやり易くなるという相対的に高い延性を有するので、ＣＴＥ変性成分は低膨張の鉄−ニッケル合金からなる。好ましいＴＩＭと基板の間のＣＴＥ不均衡は、約５μｍ／ｍ℃と約３０μｍ／ｍ℃の間である。より好ましくはＴＩＭと基板の間のＣＴＥ不均衡は、約５μｍ／ｍ℃と約２０μｍ／ｍ℃の間である。さらに好ましくはＴＩＭと基板の間のＣＴＥ不均衡は、約５μｍ／ｍ℃と約２０μｍ／ｍ℃の間である。さらにより好ましくはＴＩＭと基板の間のＣＴＥ不均衡は、約１０μｍ／ｍ℃未満である。もっとも好ましくはＴＩＭは、特定の応用における望ましいＣＴＥ不均衡に適合させるなるものである。
半田とＣＴＥ変性成分の量は特定の応用に依存するが、ＴＩＭは好ましくは半田が容量で約３０％〜約９０％であり、ＣＴＥ変性成分（またはＣＴＥ変性成分、プラス熱伝導度促進成分、プラス他の成分、もし適用するならば）は容量で約１０％〜約７０％である。多くの態様では、ＴＩＭは、半田は容量で約５０％〜約９０％であり、ＣＴＥ変性成分（またはＣＴＥ変性成分、プラス熱伝導度促進成分、プラス他の成分、もしも適用するならば）は容量で約１０％〜約５０％である。
本発明の一態様では、ＣＴＥ変性材および／または熱伝導度促進添加剤は半田にあらかじめ湿潤され得て、リフロー間に結合成分との結合が確保される。特に、一部の添加剤はめっき、熱スプレー、真空沈積、または還元処理のような適当な方法で半田の薄層とともに被覆され得る．反対に、好ましい態様では、上述の熱伝導度促進成分とＣＴＥ変性成分は被覆されず、前もって湿潤もされず、そしてこの意味でこれら成分は上記した特に記載した成分や化合物のみからなる。これは追加の操作や費用がなく、そうして半田を製造に対してより単純にそしてより安価にするものである。それ故、湿潤のための表面変性や被覆をすることなしに添加剤のみからなる成分を使用する明瞭な利点がある。
Ｄ．ブレンド
半田、熱伝導度促進材および／またはＣＴＥ変性材の成分は典型的には、混合されるべき粉末または摩滅微粒子の形態である。これら成分は粉末混合、グリーン圧縮により混合されて、ついで金属精錬加工されてストリップ（リボン）または箔となり、続いて予備成型体に加工される。
代わりの方法では半田の添加剤との組み合わせが高せん断力の真空混合により粉または微粒子を混合して溶融半田へする。この高せん断力真空混合により十分なる精力的な混合をもたらし、それにより成分は添加剤を予備湿潤する必要がないほど十分に分散する。特に、この精力的な混合によれば本発明の上述の好ましい態様を遂行でき、そして添加剤は予備湿潤されず、半田をより簡単でその製造が安価となる。
さらに代わりの混合方法は、添加剤表面に半田蒸気を物理的に沈積する方法に関する。この方法によれば、半田で被覆された熱伝導度促進成分やＣＴＥ変性材が得られ、これは半田ペーストに配合することができる。または粉末は圧縮されて直接に精錬されるかまたは焼結されて精錬される。
さらに代わりの方法は、半田溶解に関連する熱スプレー、プラズマスプレーまたは他のスプレー方法により添加剤と半田を共にスプレーする方法である。一つの好ましい代替方法はアメリカ特許第６，２８３，３８６号明細書（参考に組み入れられる）に開示のような動力学的スプレーであり、それは粉成分が冷間溶接で結合される。酸化物の形成が少なくそして半田予備成型体が直接形成できるのでこの動力学的スプレー方法は好ましいものである。この技術はミシガン州、トロイのデルファイ テクノロギー社で市販されている。
Ｅ．内部酸素捕獲材
熱伝導性半田材料を選択し、そして熱伝導度促進剤を使用することによりＴＩＭからの放熱を亢進させるほかに、熱源から基板への放熱の顕著な改良は界面における熱伝導係数を増加させることにより実現される。実際、このような界面における熱流の抵抗はＴＩＭの抵抗よりも約２桁ほども大である。界面熱伝導係数が低いことの第１の原因は、しばしば界面に、基板とＴＩＭが緊密に接触しないような領域が形成されるためである。そして、このような領域は絶縁材として働いて熱源からの放熱を妨げる。界面を通る熱伝導が減少する第２の理由は、より高い熱抵抗を奏する種々の金属間化合物相の存在である。好ましくは、ＴＩＭの界面熱伝導係数は約５０Ｗ／ｃｍ２℃よりも大であり、より好ましくは約５００Ｗ／ｃｍ２℃よりも大である。
典型的には、半導体（または金属化半導体）とヒートシンクとを結合するのに使用されるＴＩＭは機械的及び／または化学的なフラックスを必要とし、それはＴＩＭ、半導体基板、およびヒートシンクの表面から酸素を除去するものであり、それにより結合工程を活性化させてＴＩＭが表面を濡らすことを可能とする。化学的フラックス材は、典型的には、約３００℃未満の温度で通常の半田で部品を接合するのを試みる際に使用される。典型的な化学フラックス材は、加熱されると活性化して表面酸化物を除去する化合物からなる。しかし、フラックス剤の多くは逃散せずに絶縁ポケットまたはボイドを界面に形成するかまたは機器の操作に害を与えるような残渣を形成する。
本発明の一態様によると、ＴＩＭ（半田を含む）は好ましくは外部フラックスを必要としない（すなわち、機械的フラックスと有機及び無機フラックス化合物が必要でない）。むしろ、これらの態様では、本発明のＴＩＭ中の半田は好ましくは内部酸素捕獲材で活性化され、それは結合成分と混合されるかまたは合金化されている。内部酸素捕獲材は結合成分よりも酸素との反応性が高く、それにより結合成分が酸素と結合するのを抑制するかまたは最小化する。例示としての内部酸素捕獲材には、アルカリ金属（たとえばＬｉ、ＮａおよびＫ）、アルカリ土類金属（たとえばＭｇとＣａ）、亜鉛、耐熱性金属（たとえばＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔａ、ＶおよびＮｂ）、希土類金属（たとえばＬａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、ＤｙおよびＹｂ）、およびこれらの混合物や合金（たとえばアメリカ合衆国、マサチーセッチュ州、ワードヒルのアルファ エーサーから市販されるミッシュ金属が例示され、それは重量で約５０％のＣｅ、約２２％のＬａ、約１８％のＮｄ、約６％のＰｒ、および約０−４％のＹｂ、Ｓｍ、Ｇｄ、Ｅｕ、ＴｂおよびＤｙからなる）が含まれる。好ましくは半田中の耐熱性金属の合計の濃度は、重量で約１０％未満であり、希土類金属の合計の濃度は、重量で約５％未満であり、そしてアルカリ金属、アルカリ土類金属および亜鉛の合計の濃度は、重量で約２０％未満である。
一つの例示的態様では、ＴＩＭは半田としてのインジウムおよび内部酸素捕獲材としてのチタンとミッシュ金属からなり、これでコンプライアントだが高いＣＴＥの合金を得て、その合金は実質的に約１５０７℃を超える温度で溶融する。好ましくは、それは重量で約０．５〜約２％のチタンと重量で約０．１〜約２．０％のミッシュ金属からなり、残余はインジウムである。より好ましくは、それは重量で約１％のチタンと重量で約０．２％のミッシュ金属からなり、残余はインジウムである。界面欠陥の度合いが非常に低いコンプライアントな半田可能なＴＩＭが得られることが見出され、それ故、熱サイクルの結果として界面での破壊が起こることは少ない。
さらに他の好ましい態様では、半田は相対的に低いＣＴＥ（約１３−１４μｍ／ｍ℃）を有する硬質の金ベースの半田であり、それは典型的にはサブマウントに設置するかまたは光ファイバーにつなげるために使用される（たとえば、金−錫、金−珪素および金−ゲルマニウム半田）。典型的には、金−錫合金では、金と錫の濃度範囲は、それぞれ重量で約７５〜約８５％、約１５〜約２５％である。金−珪素合金では、重量で、金の濃度は少なくとも約９０％であり珪素の濃度範囲は約１〜約５％である。金−ゲルマニウム合金では、重量で、金の濃度は少なくとも約８０％であり、ゲルマニウムの濃度範囲は約５〜約１５％である。相対的に低い融点またはリフロー温度とするには半田組成は好ましくは共融組成に近いものである（たとえば各成分は重量で共融組成の約±３％の範囲内にある）。共融組成は、およそ８０Ａｕ−２０Ｓｎ、およそ９７Ａｕ−３Ｓｉとおよそ８８Ａｕ−１２Ｇｅである。約２８０℃を超えて溶融するので金−錫共融合金に近いものが多くの用途に特に好ましい。これら金ベースの半田は有意に少ない酸化性物質を含むので、内部酸素捕獲材はより少ない量が要求される。特に、内部酸素捕獲材の濃度は好ましくはインジウム・ベースの半田の約半分である。好ましくは、半田中の耐熱性金属の合計濃度は重量で約５％未満であり、希土類金属の合計の濃度は重量で約３％未満であり、アルカリ、アルカリ土類金属および亜鉛の合計の濃度は重量で約１０％未満である。より好ましくは、耐熱性金属の合計濃度は重量で約０．５〜約１．５％であり、アルカリ土類金属の合計濃度は重量で約０．０１〜約０．５％であり、アルカリ金属の合計濃度は重量で約０．１〜約０．５％であり、亜鉛の合計濃度は重量で約０．１〜約０．５％である。これらの低いＣＴＥ合金はまたノンコンプラインアントの高ＣＴＥ合金よりも熱サイクルの結果としての半導体／半田・界面での破壊をすることが少ない。
内部フラックス材必要性が除かれるほかに、活性半田と活性半田を含む熱界面材は非金属面を湿潤することができ、これにはＳｉ、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、ＩＩ−ＩＶ、ＩＩＩ−Ｖ半導体が例示されるが、これらに限らない。結果として、これに限られないが、たとえばＡｕ、Ａｕ／Ｎｉ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｓｎおよびこれらの組み合わせの湿潤可能な金属化を半田／結合操作の前にこのような非金属面に沈積させる必要はないことになる。非金属面に結合する能力は材料と方法に有利な利益をもたらす。
本発明のＴＩＭと活性半田は特に約３００℃未満、好ましくは約２００℃未満の温度での熱加工に適している。しかし、本発明のＴＩＭと活性半田は高温（たとえば約５００℃を超える温度）で熱加工されることが可能であり、それにより、より有効な湿潤性を付与できる（たとえば、湿潤時間が短縮される）。
界面を貫通する放熱が臨界的な半田プロセスを改良することに加えて、前述の活性半田は特に光電子パッケージの製造に有用である。特に能動光電子パッケージはレーザー機器を含む。もしもビームが化学フラックスからの有機残渣に当たると、レーザーは容易に機器を働かなくする残渣を炭化する。フラックスを使用しない半田プロセスを使用すると、この本質的な損傷機構を避けることができる。
基板面湿潤とは独立な内部捕獲材の機能は内部捕獲材成分が上述の添加剤成分を湿潤し、そして半田金属中のこれら添加剤の分散を促進する。これにより熱伝導度促進材やＣＴＥ変性材のような添加剤を使用することを可能にし、これらは、そうでなければ、使用が難しかったり、または予備湿潤を必要とするものである。
この内部捕獲材を含む半田は、不活性坩堝中で誘導で溶融させる、またはアーク溶融などの、どの不活性溶融法によっても製造することができる。この系は、排気されて、アルゴンなどの非反応性の不活性気体で逆充填される。金属は好ましくは約１０００℃を超えて加熱されて合金成分の適当な溶解化が確保される。特に好ましい態様では、この温度と環境下で、添加剤と半田は、粉や微粉末は高せん断力下の真空混合で、上述のように溶融半田へ混合される。この高せん断力下の真空混合は十分な精力的な混合をもたらし、成分は十分に分散して、添加剤を予備湿潤する必要がない。この方法は添加剤が高度に友好な真空下の温度での混合を行い、セラミックス、サーメットおよび他の困難な基板への湿潤が容易になされ得る。
溶融と混合後、複合した融解は、ついで、次に精錬のためのインゴットとして鋳込みをされる。溶融合金は、鋳込みをされるかまたは成型されて、ＴＩＭの製造に使用するためにワイヤー、テープまたは予備成型体へ機械加工される。
Ｆ．促進された濡れ特性を有する半田予備成型体
熱伝導度促進成分および／またはＣＴＥ成分を典型的には高度に充填してなる半田は、その冶金上の流動性が低い。この低流動性は良好な半田フィレットの形成に本質的な毛細管流動を損なうものである。この問題は本発明の一態様において半田予備成型体を製造することで処理される。この半田予備成型体は一定の応用ではＴＩＭとして機能するが、熱意銅の促進が臨界的ではなく、その代わり内在的に適当であるような他の応用では、予備成型体はＴＩＭとしては機能しない。この予備成型体の構造は、ＴＩＭと非ＴＩＭ結合用途の両方に適用可能である。一つの態様における予備成型体は、多層半田予備成型体であり、半田が充填された内層と、半田成分が充填されない外層からなる。内層成分は、充填されているが、充填材の配合によりＣＴＥ変性および／または熱伝導度促進のような望ましい特性を付与する。外層の半田成分は、充填されていないが、基板への良好な湿潤性のための冶金学上の良好な流動性を付与する。本明細書での”充填”はＣＴＥ変性成分および／または熱伝導度促進成分の一部と混合される半田結合成分が関係する。”充填”は部分的な充填を意味し完全な充填を意味しない。本明細書での”未充填”はこのような添加剤、または、少なくとも、冶金学的な流動性が有意に減じるだけの充分な割合にあるこのような添加剤を含まない半田結合成分が関係する。好ましくは、充填半田層の各面に未充填の半田層が存在する。各層は利用可能な種々の方法により製造されて結合され、それには半田材料の各ストリップのロール結合、半田ストリップまたは他の半田基板上へのスプレーまたはめっき、ＰＶＤの様な物理沈積、またはＣＶＤのような化学沈積が含まれる。
半田予備成型体のこのような一つの態様は、多層半田予備成型体であり、それは半田結合成分である第１の半田予備成型体層を有し、それには熱伝導度促進成分、ＣＴＥ変性成分およびその混合物から選ばれる添加剤が充填されてなる。第１の層の上面と下面にはそれぞれ第２と第３の未充填半田層が適用される。第１の層の半田結合成分と第２と第３の半田結合成分は、典型的にはＳｎ、Ｃｕ、Ｉｎ、Ｐｂ、Ｓｂ、Ａｕ、Ａｇ、これらの合金、Ｂｉ合金およびこれらの混合物から選ばれる。
熱伝導度促進成分を配合する態様では、半田結合成分と相溶するようないずれかの成分が使用され得る。このような成分の例は、前述のＡｌ、Ａｌ被覆のＣｕ、Ａｇ、Ａｕおよびこれらの合金、ＡｌＮ、ＢｅＯ、ＢＮ、高熱伝導度サーメット、カプレート、ケイ化物、炭素材などである。ＣＴＥ変性成分を配合する態様では、結合成分と相溶するいずれかの成分が使用される。このような成分の例示には、ＢｅＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ、ＳｉＣ、ＳｉＯ２、低膨張Ｆｅ−Ｎｉ合金、低膨張セラミック粉、低膨張ガラス粉およびこれらの混合物からなる群から選ばれる前述の成分が挙げられる。好ましい態様では、ＣＴＥ変性成分は、予備湿潤しない、すなわち被覆されない特定の元素または化合物から本質的に構成され、基本的に他のものを含まない。
第１の層はまた、半田金属結合成分と相溶する内部酸素捕獲材を含む。適当な内部酸素捕獲材の例は、希土類金属、アルカリ金属、アルカリ土類金属、耐熱性金属、亜鉛、およびこれらの混合物からなる群から選択される成分を含む。本発明の半田予備成型体により付与される全体的に促進される冶金学上の流動性の観点からは、しかし、内部酸素捕獲材はこの半田予備成型体の表面湿潤性の目的のために典型的に使用されるものではない。しかし、基板表面の湿潤性とは独立の内部酸素捕獲材の機能は、内部酸素捕獲材が上述の添加剤成分を湿潤し、そしてこれら添加剤が食んだ金属へ分散するのを容易とするものである。これは、そうでなければ使用が困難であったり、または予備湿潤が必要であったりするような熱伝導度促進材やＣＴＥ変性材のような添加剤の使用を可能とするものである。
半田リフローの間、未充填半田層、第２と第３の層は、充填材で損なわれず、そして容易に流れて基板面を湿潤する。界面の合金化合物は少なくとも実質的に未充填半田を消費して、促進半田フィレットを生成する。
一つの形態では、第１の半田予備成型体の厚みは、約０．００１（０．０２５ｍｍ）〜約０．１２５インチ（３ｍｍ）の範囲にあり、そして第２と第３の層のそれぞれの厚みは、約０．０００１（０．００２５ｍｍ）〜約０．０２インチ（０．５ｍｍ）の範囲にある。
電子機器の結合成分のための半田予備成型体のための代替態様は、その上に球体表面層を有する球体からなる。この球体は半田金属結合成分からなり、そして熱伝導度促進成分、ＣＴＥ変性成分、およびこれらの混合物から選択される添加剤成分が充填されてなる。球体の半田金属結合成分は、その上の球体表面層とともに、たとえば、Ｓｎ、Ｃｕ、Ｉｎ、Ｐｂ、Ａｕ、Ａｇ、これらの合金、Ｂｉ合金、およびこれらの混合物から選択される。
球体の製造方法の一つは、半田材の円盤を半田ストリップから打ち抜くものである。ついで，打ち抜いた円盤をホットオイルのカラムで再流動させて球が形成される。半田球は次いで、メッキ、物理沈積、化学沈積、またはスプレーにより未充填半田材で被覆される。一つの典型的な態様では、球体は、約０．００３インチ（０．０７５ｍｍ）〜約０．０６インチ（１．５ｍｍ）の範囲の径を有し、そして球体表面層は、約０．０００５インチ（０．０１２５ｍｍ）〜約０．０５インチ（１．２５ｍｍ）の範囲の厚みを有する。
Ｇ．代替のＴＩＭフォーム
本発明の高性能ＴＩＭは、開口が形成され（たとえば、パンチングまたはエッチングによる）、そして開口には一つまたはそれ以上の添加剤が充填された箔または網として製造され得る。たとえば、六角形の開口がされたインジウム・ベースの箔が酸化ベリリウムで充填され得る。銅箔または網の場合は、銅は、インジウムのような結合成分で被覆される（たとえば、ディッピングまたはメッキによる）。適当な拡散障壁の成分（たとえば、ニッケル、チタン、または他の遷移金属）は溶融／結合工程の間に銅がインジウム中に急速に溶解するのを抑制するために必要とされ得る。追加の方法は、ＣＴＥ変性成分で充填された結合成分および／または熱伝導度促進成分からなるスポンジ（たとえば、９０％理論密度）の使用である。必要ならば、スポンジは薄いシート状に切断されて望みの厚さとされる。
Ｈ．ＣＴＥ不均衡抵抗の半導体基板／ヒートシンク界面部品
上述の本発明のＴＩＭと半田予備成型体が使用され得る多くの機器には、半導体基板とヒートシンク部品を結合する界面部品があり、それはＴＩＭと基板間のＣＴＥ不均衡による負の衝撃を減少させるか除去する。このようにして、改良された界面部品は、ＣＴＥ不均衡の臨界的な範囲を広げる。
図１を参照すると、電子機器パッケージ１の典型的な半導体／ヒートシンク配列は、前面３と後面４を有する基板２を具備し、電子機器（図示せず）は前面上に位置し、半導体基板２の後面４と前面７を有するヒートシンク部品６に結合する第１の熱界面材５、ヒートシンク部品は後面９と前面１０を有する熱交換部８と、所望により、後面１２と前面１３を有する蓋１１とを具備する。本発明によると、上述の高性能界面部品は、このような典型的な電子機器パッケージにおいて基板と蓋の間と、および蓋と熱交換部品との間のＣＴＥ不均衡を補償するために使用され得る。
図２を参照すると、本発明は電子機器パッケージ１を対象とし、それは前面と後面を有する半導体基板２と半導体基板の前面に装着される電子機器（図示されない）を具備する。パッケージはまた、蓋１１はまた挿入部１６を受け入れる凹部１５を備え、それは凹部に嵌合する形状と大きさを備えている。この態様では、凹部は、蓋の前面から蓋の前面と後面の中間にまで延びている。挿入部は前面１７、後面１８および蓋１９に接触する面を具備する。電子機器パッケージはさらに、基板の後面を挿入部１６の前面１７に結合する第１の熱界面材５を含む。好ましくは、パッケージは、また蓋１１の後面１２を熱交換材８に結合する第２の熱界面材１４を具備する。挿入部は熱応力低減材からなり、それは蓋（上記参照）のＣＴＥがそうであるよりも、基板のＣＴＥに、より近接して整合するＣＴＥを有する。別な表現では、挿入部のＣＴＥは蓋のＣＴＥと基板のＣＴＥの間にある。それ故、第１の熱界面材は、基板と蓋の間の大なるＣＴＥ不均衡よりも挿入部と基板間の相対的に小さなＣＴＥ不均衡に適合する必要があるだけである。結果として、最大のＣＴＥ不均衡は、典型的には挿入部／蓋間の界面であり、そして挿入部のＣＴＥは典型的には蓋のそれよりも小さいので、挿入部は蓋の中に圧縮して装着され得る。
図３を参照すると、凹部１５は、蓋１１を通って延びていて（すなわち、凹部は蓋の前部から後部にまで延びている）、そして同様に挿入部１６は完全に蓋１１を通過して延びている。その結果、第２の熱界面材１４は、また挿入部１６を熱交換材８へ結合する。
＊＊＊＊＊＊
上記観点から、数個の本発明の目的が達成されるのが見て取れる。本発明の範囲から逸脱することなく、上記組成や方法には種々の変化をなすことが可能な故に、上記の記載に含まれる全ての事項は、例示として示され限定されるようには解釈されない。
電子機器パッケージ１の典型的な半導体／ヒートシンク配列を示す断面模式図 本発明の電子機器パッケージ１の半導体／ヒートシンク配列を示す一断面模式図 本発明の電子機器パッケージ１の半導体／ヒートシンク配列を示す一断面模式図
符号の説明
５，１２ 多層の半田予備成型体

Claims (20)

  1. 以下からなることを特徴とする、電子機器の結合材のための多層半田予備成型体：
    上面と底面を有し、そして半田金属結合成分と、熱伝導度促進成分、ＣＴＥ変性成分およびこれらの混合物から選択される添加剤からなる第１の半田予備成型体層；
    前記第１の半田予備成型体層の底面に適用される第２の半田金属予備成型体層；および、
    前記第１の半田予備成型体操の上面に適用される第３の半田金属予備成型体層。
  2. 半田金属結合成分、第２の半田金属予備成型体層および第３の半田金属予備成型体層が、Ｓｎ、Ｃｕ、Ｉｎ、Ｐｂ、Ｓｂ、Ａｕ、Ａｇ、これらの合金、Ｂｉ合金およびこれらの混合物からなる群から選択される請求項１の多層半田予備成型体。
  3. 添加剤がＡｌ、Ａｌ−被覆のＣｕ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕおよびそれらの合金、ＡｌＮ、ＢｅＯ、ＢＮ、高伝導度サーメット、カプレート、珪化物および炭素材から選ばれる熱伝導度促進成分からなる請求項２の多層半田予備成型体。
  4. 添加剤が被覆されてなく、またＡｌ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕおよびそれらの合金、ＡｌＮ、ＢｅＯ、ＢＮ、高伝導度サーメット、カプレート、珪化物および炭素材から選ばれる熱伝導度促進成分からなる請求項２の多層半田予備成型体。
  5. 添加剤が、ＢｅＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ、ＳｉＣ、ＳｉＯ２、低膨張Ｆｅ−Ｎｉ合金、低膨張セラミックス、低膨張ガラスおよびこれらの混合物からなる群から選ばれるＣＴＥ変性成分からなる請求項２の多層半田予備成型体。
  6. 添加剤が被覆されてなく、またＢｅＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ、ＳｉＣ、ＳｉＯ２、低膨張Ｆｅ−Ｎｉ合金、低膨張セラミックス、低膨張ガラスおよびこれらの混合物からなる群から選ばれるＣＴＥ変性成分からなる請求項２の多層半田予備成型体。
  7. 半田金属結合成分、第２の半田金属予備成型体層および第３の半田金属予備成型体層が、Ｓｎ、Ｃｕ、Ｉｎ、Ｐｂ、Ｓｂ、Ａｕ、Ａｇ、これらの合金、Ｂｉ合金およびこれらの混合物からなる群から選択され、；添加剤がＡｌ、Ａｌ−被覆のＣｕ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕおよびそれらの合金、ＡｌＮ、ＢｅＯ、ＢＮ、高伝導度サーメット、カプレート、珪化物および炭素材から選ばれる熱伝導度促進成分からなり、；そして添加剤が、ＢｅＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ、ＳｉＣ、ＳｉＯ２、低膨張Ｆｅ−Ｎｉ合金、低膨張セラミックス、低膨張ガラスおよびこれらの混合物からなる群から選ばれるＣＴＥ変性成分からなる請求項１の半田予備成型体。
  8. 半田金属結合成分、第２の半田金属予備成型体層および第３の半田金属予備成型体層が、Ｓｎ、Ｃｕ、Ｉｎ、Ｐｂ、Ｓｂ、Ａｕ、Ａｇ、これらの合金、Ｂｉ合金およびこれらの混合物からなる群から選択され、；添加剤が被覆されてなく、またＡｌ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕおよびそれらの合金、ＡｌＮ、ＢｅＯ、ＢＮ、高伝導度サーメット、カプレート、珪化物および炭素材から選ばれる熱伝導度促進成分からなり、；そして、添加剤が被覆されてなく、またＢｅＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ、ＳｉＣ、ＳｉＯ２、低膨張Ｆｅ−Ｎｉ合金、低膨張セラミックス、低膨張ガラスおよびこれらの混合物からなる群から選ばれるＣＴＥ変性成分からなる請求項１の半田予備成型体。
  9. 第１の半田予備成型体層がさらに希土類金属、アルカリ金属、アルカリ土類金属、耐熱性金属、Ｚｎ、これらの混合物およびこれらの合金から選ばれる内部酸素捕獲材を含む請求項１〜８の多層半田予備成型体。
  10. 第１の層の厚みが約０．００１（０．０２５ｍｍ）〜約０．１２５インチ（３ｍｍ）の範囲にあり、第２の層の厚みが約０．０００１（０．００２５ｍｍ）〜約０．０２インチ（０．５ｍｍ）の範囲にある請求項１〜９の多層半田予備成型体。
  11. 以下からなることを特徴とする、電子機器の結合部材用半田予備成型体：
    球体半田金属結合成分および熱伝導度促進成分、ＣＴＥ変性成分、およびこれらの混合物からなる添加剤からなる球体；および
    球体上の半田金属からなる球体表面層。
  12. 球体半田金属結合成分と球体表面層が、Ｓｎ、Ｃｕ、Ｉｎ、Ｐｂ、Ａｕ、Ａｇ、これらの合金およびＢｉ合金から選ばれる請求項１１の半田予備成型体。
  13. 添加剤がＡｌ、Ａｌ−被覆のＣｕ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕおよびそれらの合金、ＡｌＮ、ＢｅＯ、ＢＮ、高伝導度サーメット、カプレート、珪化物および炭素材から選ばれる熱伝導度促進成分からなる請求項１１の半田予備成型体。
  14. 添加剤が被覆されてなく、またＡｌ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕおよびそれらの合金、ＡｌＮ、ＢｅＯ、ＢＮ、高伝導度サーメット、カプレート、珪化物および炭素材から選ばれる熱伝導度促進成分からなる請求項１１の半田予備成型体。
  15. 添加剤が、ＢｅＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ、ＳｉＣ、ＳｉＯ２、低膨張Ｆｅ−Ｎｉ合金、低膨張セラミックス、低膨張ガラスおよびこれらの混合物からなる群から選ばれるＣＴＥ変性成分からなる請求項１１の半田予備成型体。
  16. 添加剤が被覆されてなく、またＢｅＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ、ＳｉＣ、ＳｉＯ２、低膨張Ｆｅ−Ｎｉ合金、低膨張セラミックス、低膨張ガラスおよびこれらの混合物からなる群から選ばれるＣＴＥ変性成分からなる請求項１１の半田予備成型体。
  17. 球体半田金属結合成分と球体表面層が、Ｓｎ、Ｃｕ、Ｉｎ、Ｐｂ、Ａｕ、Ａｇ、これらの合金およびＢｉ合金から選ばれ、；添加剤がＡｌ、Ａｌ−被覆のＣｕ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕおよびそれらの合金、ＡｌＮ、ＢｅＯ、ＢＮ、高伝導度サーメット、カプレート、珪化物および炭素材から選ばれる熱伝導度促進成分からなり、；そして、添加剤が、ＢｅＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ、ＳｉＣ、ＳｉＯ２、低膨張Ｆｅ−Ｎｉ合金、低膨張セラミックス、低膨張ガラスおよびこれらの混合物からなる群から選ばれるＣＴＥ変性成分からなる請求項１１の半田予備成型体。
  18. 球体半田金属結合成分と球体表面層が、Ｓｎ、Ｃｕ、Ｉｎ、Ｐｂ、Ａｕ、Ａｇ、これらの合金およびＢｉ合金から選ばれ、；添加剤が被覆されてなく、またＡｌ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕおよびそれらの合金、ＡｌＮ、ＢｅＯ、ＢＮ、高伝導度サーメット、カプレート、珪化物および炭素材から選ばれる熱伝導度促進成分からなり；そして添加剤が被覆されてなく、またＢｅＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ、ＳｉＣ、ＳｉＯ２、低膨張Ｆｅ−Ｎｉ合金、低膨張セラミックス、低膨張ガラスおよびこれらの混合物からなる群から選ばれるＣＴＥ変性成分からなる請求項１１の半田予備成型体。
  19. 球体がさらに希土類金属、アルカリ金属、アルカリ土類金属、耐熱性金属、Ｚｎ、これらの混合物およびこれらの合金から選ばれる内部酸素捕獲材を含む請求項１１〜１８の半田予備成型体。
  20. 球体の径が約０．００３（０．０７５ｍｍ）〜約０．０６インチ（１．５ｍｍ）の範囲にあり、球体表面層の厚みが約０．０００５インチ（０．０１２５ｍｍ）〜約０．０５インチ（１．２５ｍｍ）の範囲にある請求項１〜９の多層半田予備成型体。
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