金属热界面材料及含有该材料的散热模块与封装微电子

摘要

本发明提供一种金属热界面材料，适用于设置在集成电路裸晶至其散热器的热传导路径的界面间，其中该金属热界面材料为内部具有贯穿孔结构及/或周围呈锯齿或波浪状的结构。本发明更包括含有上述金属热界面材料的散热模块与封装微电子。

说明书

技术领域

本发明是涉及一种具有镂空结构的金属热界面材料(thermal interfacematerial，TIM)，以及使用该镂空金属热界面材料的散热模块与封装微电子。

背景技术

封装微电子，例如高亮度发光二极管、功率绝缘栅晶体管和中央处理器等因为高功率、高速化和/或小型化等发展趋势，封装微电子产生的热流密度越来越高，此热流密度必须被移除，使封装微电子的运作温度低于其最大接面温度(maximum junction temperature)，否则将造成封装微电子的性能劣化或封装结构损坏。为解决此过热问题，新发展封装微电子朝向多核心、动态电压/或频率调整或通过积体线路微缩化，以减少运作产生的热能；另外，使用具有低界面热阻(或称热阻抗，thermal impedance)的热界面材料，提高封装微电子的散热性能，是一较具成本效益的方案。不同类型的热界面材料当中，例如散热膏和相变材料等高分子化合物以及低熔点合金(low melting pointalloy，LMA)，其中在热界面上受热熔解的低熔点合金，通过其熔解潜热以吸收大量热能的特性，具有最小的界面热阻。然而，此金属热界面材料的熔解液相溢流出热界面，引发周边电路短路风险，是其应用上的障碍。

封装微电子的热量移除涉及封装结构不同阶热界面的热传，例如封装集成电路组件内部的集成电路裸晶(IC die)和均热封盖组件(heat spreader lid)之间的第一阶热界面，以及均热封盖组件与散热器的第二阶热界面。前述不同阶热界面的表面常存在不规则微孔隙，该不规则微孔隙形成高热阻，不利于界面热传；热界面材料利用自身可流动的行为或遇热软化或熔解的相变化特性，可填补前述热界面间的微孔隙以降低界面热阻。基本上，散热膏的热阻抗不易受界面温度的影响，多维持一固定值；低熔点合金热界面材料的热阻抗随界面温度而变，并随界面温度升高而降低，尤其第一次使用且尚未熔解产生液相、填补界面微孔隙时，其热阻抗的变化幅度最大。金属热界面材料在部份液相、部分固相共存的半固态状态具有稳定的最小界面热阻。因此，当使用金属热界面材料提升封装微电子的散热性能，如何抑制其熔解液相流动至热界面边缘并聚集成为造成溢漏的珠状液滴，是电子散热的重要课题。

目前已知的金属热界面材料均为实心薄片形式。当实心金属热界面材料熔解并产生液相，熔解液相除了填充热界面间的微孔隙之外，其多余液相在压挤作用下往热界面的自由空间流动，通常是该金属热界面材料的外围区域，也即流动阻力最小的空间。实心金属热界面材料的原始厚度越厚或质量越大，则熔解产生的多余液相越多，此液相流动至热界面边缘，聚集的珠状液滴尺寸越大，越大的珠状液滴自热界面溢漏的风险越高。

目前因应熔融液相自热界面溢漏的方法，不外乎在金属界面材料的外围安装一环型的垫片，也或是所谓预烧的方式，又或是多层结构金属。然而该多层结构金属引入更多的热传导界面障碍，以及多层结构的厚度不易薄化，其界面导热性能不如单一材质低熔点合金。另外，许多因素可能导致垫片的圈围作用失效，例如熔解的液相填满垫片内的有限自由空间后再溢出、垫片的箝压力量不均，或垫片破裂。虽然减少实心金属热界面材料的厚度(例如30μm以下)有助于抑制熔解液相的溢漏，然较适用于第二阶热界面；如果热界面表面的平整度以及组装对位的精度没有对应提高，实心低熔点合金热界面材料的厚度越是低于30μm以下，越可能发生界面接合不完全的问题。另外，封装微电子的第一阶热界面的功能除了降低界面热阻外，尚须兼顾调节运作中发热的集成电路裸晶与其接合的散热组件的热应力，因此其界面接合厚度(bond line thickness)不宜过低，才更容易调节因为不同材料的热膨胀系数差异所引发的剪切应力(应变)。

因此，目前亟需一种新颖的低熔点合金热界面材料，以解决其熔解液相在热界面的溢漏问题，且使低熔点合金热界面材料在较厚的界面接合厚度条件下，仍能抑制此液相溢漏。

发明内容

本发明的目的是利用金属热界面材料的镂空构造，抑制该金属热界面材料熔解产生的液相自热界面溢漏。

本发明的另一目的是结合镂空构造的金属热界面材料和散热器，使成为一兼具抑制液相溢漏与低热阻的散热模块，提供封装微电子高散热与高可靠性的热管理解决方案。

本发明的再另一目的是结合低熔点合金的的熔解潜热以吸收大量热能的特性，以及镂空结构的阻漏功能，使成为一低热阻抗、高可靠性的热界面材料，提升使用该镂空金属热界面材料的封装微电子的运作性能与可靠性。

为达上述与其它目的，本发明提供一金属热界面材料，适用于放置在一集成电路裸晶至其散热器的热传导路径的界面间，其中该金属热界面材料为内部具有贯穿孔结构及/或周围呈锯齿、波浪状或其它形状结构的金属箔片。

本发明另提供一种散热模块，适用于封装微电子的散热，此散热模块包括：一热交换作用的散热器；以及一镂空金属热界面材料，设置于一集成电路裸晶至该散热器的热传导路径的界面间。

本发明更提供一种封装微电子。在一实施例中，本发明的封装微电子包括：一封装基板，其表面具有导电线路；一集成电路裸晶，设置于封装基板具有导电线路的表面上；一散热组件，设置于集成电路裸晶上方；一散热器，设置于散热组件上方；以及，一印刷电路板，电性连接封装基板。其中集成电路裸晶与散热组件之间设置有第一热界面材料，且散热组件与散热器之间设置有第二热界面材料。第一与第二热界面材料至少其一为镂空金属热界面材料。

在另一实施例中，本发明的封装微电子包括：一多层封装基板，其包括一导热材料、一介电层于导热材料上、以及一导电线路于介电层上；一集成电路裸晶，电性连接多层封装基板的导电线路；一散热器，设置于多层封装基板的导热材料下；及，一镂空金属热界面材料，设置于集成电路裸晶至散热器的热传导路径的界面间。

与现有技术相比，本发明提供的具有镂空结构的金属热界面材料的优点在于，本发明通过设置于集成电路裸晶至其散热器的热传导路径的热界面间的镂空的贯穿孔结构使熔解产生的液相适量化，且该镂空的贯穿孔结构也可阻滞液相往热界面外围流动的功能，从而改善了金属热界面材料的熔解液相泄漏问题。

附图说明

图1-3显示本发明镂空金属热界面材料的各种实施例。

图4显示表1合金序号2、4的熔解反应与凝固反应的热流变化。

图5显示本发明的镂空金属热界面材料在封装微电子的应用实施例。

图6显示本发明的镂空金属热界面材料在封装微电子的另一应用实施例。

图7显示本发明的镂空金属热界面材料(4片)经由钻削加工完成的照片。

其中，主要组件符号说明：

10～金属箔片                 11～贯穿孔

12～轮廓非封闭的贯穿孔       13～互相连通的贯穿孔

101～金属热界面材料          100～封装集成电路组件

114～集成电路裸晶            112～封装基板

116～金属凸块                118～数组锡球

128～散热组件                150～电路板

156～焊锡合金                200～封装微电子

201～金属热界面材料          210～导热材料

215～导线                    230～介电层

238～散热器                  250～导电线路

290～承载座                  300～多层封装基板

301～金属热界面材料          401～金属热界面材料

500～集成电路裸晶            TIM1～第一热界面材料

TIM2～第二热界面材料

为让本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举出较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下：

具体实施方式

本发明为解决金属热界面材料的熔解液相在热界面的泄漏问题，且使金属热界面材料在较厚的界面接合厚度条件下，仍能抑制液相的溢漏，提出一创新的镂空金属热界面材料。此镂空的构造可容易地控制多余液相质量，使熔解液相适量化；此外，镂空构造所形成的贯穿孔结构也具有分散多余液相的效果，阻止其于局部位置集中汇集形成珠状液滴。

图1-3显示本发明镂空金属热界面材料的各种实施例。首先，在图1的金属热界面材料101中，具有相同形状的数组式贯穿孔11被安排在金属箔片10的内部，且所有的贯穿孔11皆为封闭轮廓。如图中所示，贯穿孔11较佳可沿着金属箔片10的边缘设置，以减少金属热界面材料边缘受热熔解产生的液相质量。在该实施例中，镂空比例约36％(占镂空前原矩形金属箔片的比例)，但在实际应用时，镂空的比例可视需要由贯穿孔11的数量和其间距调整之。

在图2的金属热界面材料201中，不同形状的贯穿孔11以非数组方式分布于金属箔片10，部分的贯穿孔11位于金属箔片10内部且靠近边缘，另一部份的贯穿孔跨越金属箔片10边缘，形成轮廓非封闭的贯穿孔12。此外，在该实施例中显示有部分的贯穿孔13虽然位于金属箔片10内部，但彼此间通过通道14互相连通，形成封闭的轮廓。

在图3的金属热界面材料301中，各种不同形状的贯穿孔12全部跨越边缘，形成轮廓非封闭贯穿孔。当此轮廓非封闭贯穿孔12环绕在界面材料的边缘，可使得此金属热界面材料的周围边缘呈锯齿或波浪状的结构。因此，在本说明书中所称的”镂空结构”也包含此种仅具有非封闭贯穿孔的结构。应注意的是，虽然在图3中的贯穿孔12是以等距方式规则排列，但本发明并非以此为限，再者，锯齿或波浪的轮廓也可为任意的不规则形状。同样地，其镂空的比例可以由贯穿孔12的数量和其间距调整之。此外，镂空金属热界面材料的贯穿孔除了图1-3的形状之外，也可以由其它相同或相异的图形、符号、文字、数字的部份或全部组合而成，构成形状各异的不同结构，只要贯穿孔具有可盛纳熔解液相的功能即可。镂空的比例宜随镂空金属热界面材料的厚度增加而对应增加，最大镂空比例约78％是在所有轮廓封闭贯穿孔彼此均相连接的情形下所能得到的最大数值，但一般而言镂空比例的范围约从10％至60％。上述镂空结构，可采用钻削加工、冲压加工或液态合金液铸造成型的方式制作，附件所示为钻削加工制造的镂空金属热界面材料的照片，此金属热界面材料的镂空比例约29％，其合金重量比组成为In-32.5Bi-16.5Sn。

当镂空金属热界面材料安装在一运作中的封装微电子的热界面并且受热熔解时，或者在集成电路裸晶的封装工艺中的回流加热阶段时，镂空位置所形成的贯穿孔除了可使熔解的液相质量受到适量控制之外；贯穿孔的空间也可盛纳熔解液相；此外，排列的贯穿孔的功能犹如一阻漏鸿沟，阻滞或阻断多余熔解液相越过该贯穿孔排列结构，使液相不易流动至热界面边缘；另外，贯穿孔结构也提供一分流多余熔解液相流动的通道，抑制多余液相集中汇集于金属热界面材料的局部位置。经由前述镂空金属热界面材料的功能，改善金属热界面材料溢漏所造成的问题。和已知的实心热界面材料相较，本发明的镂空形态能依据镂空的比例而适量化熔融液相，且阻滞熔解的多余液相集中汇集流往热界面边缘。即使在较厚的界面接合厚度条件下，仍能随热界面材料的厚度增加而对应增加镂空比例，来控制液相质量以抑制该液相溢漏。

本发明的镂空金属热界面材料的合金成份并无特定限定，在一实施例中为主要包含铟(In)、铋(Bi)、锡(Sn)、锌(Zn)和银(Ag)等元素部份或全部组合而成的合金。除此之外，本发明的金属热界面材料中还可再包含一种以上的其它元素，例如金、铜、镓、钛、锆、镍、锑、锗、铝、铈、镧、钪、钇、铅、铬、镉或硅等元素。含有上述元素组成的各种合金及其熔解温度的数据如表1所示，其起始熔解温度介于约40℃至157℃之间。

表1、不同组成低熔点合金的相变温度

取样表1合金序号2、4，组成重量比为In-32.4％Bi-16.5％Sn-0.3％Ga合金(以下简称In-Bi-Sn-Ga)和In-32.5％Bi-16.5％Sn共晶合金(以下简称In-Bi-Sn)放置于铝制坩锅内，并且于Du Pont Instruments 910示差扫瞄热卡计测量该合金从室温加热至120℃再降温至室温的热流变化。图4显示表1合金序号2、4的熔解反应与凝固反应的热流变化，由图4可看出添加镓对于降低合金的起始熔解温度的影响，换言之，添加0.3wt％的Ga可以使起始熔解温度由大约60℃下降至约49℃。

降低金属热界面材料(TIM)的起始熔解温度可使得金属热界面材料在较低温度熔解产生液相，填补界面间的微孔隙，在更宽广的界面温度范围内具有低热阻抗的性能，因此更适合应用于具备动态频率或电压调整(dynamicfrequency or voltage scaling)功能的封装芯片，或者发光效率受接面温度影响极为显著的光电半导体。传统上，降低热界面材料的起始熔解温度可能增加金属热界面材料熔解液相的溢漏，而本发明的镂空金属热界面材料则可在避免溢漏的前提下，允许起始熔解温度的降低。

图5显示本发明的镂空金属热界面材料在封装微电子的应用实施例，其可应用在封装微电子的第一阶界面导热及/或第二阶界面导热。如图中所示，封装集成电路组件100包含集成电路裸晶114、与其电性连接的封装基板(substrate)112。集成电路裸晶114和封装基板112的电性连接可经由俗称的C4接合(Controlled Collapse Chip Connection)制程，在集成电路裸晶114的接垫(pads，未显示)上长成金属凸块(metal bumps)116，将集成电路裸晶114的金属凸块116和封装基板112的线路对齐后，以回流(Reflow)加热使冶金接合并连接两者导电电路。虽然实施例中标示电路连接经由金属凸块116在回流加热阶段的共晶反应，不过集成电路裸晶114也可以和封装基板112经由其它的方法形成电路连接，例如打线接合(wire bonding)。

封装集成电路组件100包含多个数组锡球118设置于封装基板112底部的表面120。封装基板112可以经由接垫(pads)、通孔(vias)(未显示)等结构使金属凸块116和锡球118构成电性连接。经由回流(Reflow)过程，封装集成电路组件100和一电路板150经由锡球118构成电路连接；虽然实施例中标示封装集成电路组件100和电路板150的电性连接是经由数组锡球118以及回流加热过程，不过也可以由其它的方法形成电路连接，例如锡球118可变更为针脚(pins)形式并且电性连接到电路板的脚座连接器(socket)，或者针脚插入电路板的通孔(via)中进行焊接固定。

封装集成电路组件100运作时，集成电路裸晶114所产生的热必须自封装结构内部移出至环境。为使集成电路裸晶114的背表面适于与具热交换作用的散热组件(thermal element)128接合，改善接合面的热传导效率，集成电路裸晶114的背表面通常需批覆一或多层的附着层(未显示)，使适于软焊(solderable-wettable)，该附着层可以由铬、钒、金、镍、锆、钛等纯金属或其合金层所构成。散热组件128的材质可以是一高热导的金属或陶瓷或铝基复合材料又或者是前述不同材质的多层接合材料。此外，散热组件128表面并可批覆适合软焊的一或多数层金属(未显示)例如铜、镍，或者含金属的有机材料层，使适于软焊接合。

为尽可能降低集成电路裸晶114和散热组件128的界面热阻以及稳定接合集成电路裸晶114和散热组件128，第一热界面材料TIM1安置于其热界面间。为容易调节集成电路裸晶114和散热组件128的接合界面的热应力，通常第一热界面材料TIM1具有低杨式系数的特性，常使用纯铟、低溶质组成的铟合金或者在集成电路裸晶114运作时被加热软化或熔解少许液相的特殊合金；此外，第一热界面材料TIM1的界面接合厚度越厚，越能大幅度调节该界面的热应力。为了在回流加热过程，控制第一热界面材料TIM1的界面接合厚度，在散热组件128和封装基板112之间以及第一热界面材料TIM1的外围，可使用环型垫片(未显示)，垫片除了维持第一热界面材料TIM1的界面接合厚度外，也有减缓第一热界面材料TIM1氧化速率的功效。为增加集成电路裸晶114与封装基板112的接合强度，可在集成电路裸晶114与封装基板(substrate)112的电路接点的间隙填充树脂类底胶(未显示)。另外为加强封装集成电路组件100的构造强度，可使用一焊锡合金156使其冶金接合封装基板112和散热组件128，也可以经由焊锡膏固化或螺丝接合封装基板112和散热组件128。在散热组件128之上，功能上同样是热交换的散热器138具有许多鳍片，且其底板表面与散热组件128的上表面连接成一导热通道。散热器138通过第二热界面材料TIM2接合散热组件128。

本发明的镂空金属热界面材料可应用于集成电路裸晶114和散热组件128之间的第一阶热界面及/或散热组件128与散热器138之间的第二阶热界面。应用于第一阶热界面的镂空金属热界面材料的厚度以不超过150μm为宜。应用于第二阶热界面的镂空金属热界面材料的厚度不宜太厚，原则上不超过约80μm，但也不宜低于约15μm。在一实施例中，第一热界面材料TIM1与第二热界面材料TIM2都使用本发明的镂空金属热界面材料。在另一实施例中，第一与第二热界面材料TIM1、TIM2仅其中之一使用镂空金属热界面材料，而此时，另一热界面材料可使用传统的实心金属热界面材料、散热凝胶或散热膏等。

虽然图5显示单一集成电路芯片封装，但事实上，同样的封装技术手段也可以适用于多集成电路芯片封装的实施。此外，图5封装集成电路组件的电路接点分布于封装基板112的上、下表面，然而基于不同封装微电子的产品特性或技术进展，某些封装微电子的所有电路接点也可安排在封装基板112的同一表面上，例如光电半导体的封装。再者，因应封装微电子的散热考虑或封装组件简化，封装结构内的各组件(elements)的组合方式也可做些许整并或配置改变，例如封装微电子结构的封装基板112和散热组件128整并为一具有导电线路、介电层与热交换、均热材料的多层封装基板材料，例如金属芯印刷电路板(MCPCB)的构造。因此本发明的镂空金属热界面材料也非仅限应用于图中之一热界面材料TIM1与第二热界面材料TIM2，相反地，该镂空金属热界面材料可广泛应用在集成电路裸晶至一散热器的热传导路径的任何界面间。

图6显示一使用多层封装基板300的封装微电子200，多层封装基板300包括一导热材料210、一介电层230于导热材料210上、以及一导电线路250于介电层230上。集成电路裸晶500，例如发光二极管(LED)等光电半导体，设置在一承载座290上，且通过导线215电性连接至多层封装基板的导电线路250。而本发明的镂空金属热界面材料401可设置于多层封装基板300与散热器238之间，以降低两者间的界面热阻。

封装集成电路组件的热管理系统除了前述不同的镂空低熔点合金、单或多芯片封装、电路接点的安排以及不同组件整并或配置的差异变化外，散热组件和散热器同样能有不同的变化，例如散热组件内部具有微信道结构(micro-channel structure)，或是一平板式热管(vapor chamber)；此外散热器的底板可以包括热管，或散热器是一循环水冷的热控冷板(cold plates，俗称水冷散热器)。

综上所述，本发明提供了一种具有镂空结构的金属热界面材料，可设置于集成电路裸晶至其散热器的热传导路径的热界面间，利用其镂空的贯穿孔结构使熔解产生的液相适量化，且该镂空的贯穿孔结构也可阻滞液相往热界面外围流动的功能，改善金属热界面材料的熔解液相泄漏问题。

虽然本发明已以多个较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作任意的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视后附的权利要求书所界定者为准。