專利名稱：在導(dǎo)熱散熱器上具有潤濕層的電子組件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有半導(dǎo)體管芯(die)的一類電子組件，其中所述半導(dǎo)體管芯通過界面材料被熱耦合到導(dǎo)熱散熱器上。
背景技術(shù)：
集成電路被制造在半導(dǎo)體晶片上，這些半導(dǎo)體晶片隨后被切割或“劃片”成單個(gè)的管芯。這樣的管芯可在集成電路上具有焊接凸點(diǎn)(solderbump)接觸。焊接凸點(diǎn)接觸被朝下置于封裝襯底的接觸盤(contact pad)上，并在熱回流工藝中被固定。通過焊接凸點(diǎn)接觸，可以向集成電路和從集成電路提供電信號(hào)。集成電路的運(yùn)行使其發(fā)熱。熱被傳導(dǎo)至此管芯的上表面，并且必須通過傳導(dǎo)或?qū)α鲗釒ё?，以便為了維持集成電路的功能完整性的目的而使集成電路的溫度保持在預(yù)定水平之下。
通常將散熱器置于管芯上方，并且通過諸如導(dǎo)熱油脂之類的熱界面材料使散熱器熱耦合到管芯上。導(dǎo)熱油脂將最小的應(yīng)力從散熱器傳遞到管芯上，但是，導(dǎo)熱油脂具有相對(duì)低的導(dǎo)熱性，因此對(duì)從管芯到散熱器的熱傳遞設(shè)置了明顯的熱障礙。


參考附圖，通過示例描述了本發(fā)明，其中圖1是在最終組裝之前電子組件的部件的橫截面?zhèn)纫晥D；圖2是在電子組件的部件的最終組裝后，與圖1相類似的圖；和圖3是更詳細(xì)地圖示了圖2的電子組件的部件的橫截面?zhèn)纫晥D。
具體實(shí)施例方式
附圖中的圖1圖示了在最終組裝之前電子組件10的部件，包括半導(dǎo)體封裝子組件12、預(yù)成型純銦14、散熱器子組件16以及粘合劑18。
散熱器子組件16包括銅的主散熱結(jié)構(gòu)20、鍍覆在主散熱結(jié)構(gòu)20上的薄的鎳層22以及鍍覆在鎳層22上的金層24。
主散熱結(jié)構(gòu)20包括水平散熱板28和側(cè)邊30，其中側(cè)邊30從散熱板28的邊緣向下延伸。存在四個(gè)這樣的側(cè)邊30，這四個(gè)側(cè)邊30和散熱板28一起形成倒扣的罩，該罩具有內(nèi)腔32，并向底部開口。主散熱結(jié)構(gòu)20的所有表面鍍覆有鎳層22。鎳層22因此也被鍍覆在散熱板28的下表面上。
金層24被選擇性地鍍覆在鎳層22的一個(gè)區(qū)域上，并位于散熱板28的下表面上。金層24可以通過如下的操作形成，即首先掩蔽鎳層22不需要金層24的表面，在鎳層22的暴露的表面上進(jìn)行鍍覆，并且隨后去除鎳層22被防止鍍覆金層24的表面上的任何掩蔽材料。金層24具有最佳的厚度，對(duì)此將在下面進(jìn)行討論。
半導(dǎo)體封裝子組件12包括封裝襯底36和半導(dǎo)體管芯38。封裝襯底36一般主要由有機(jī)塑料材料制成。半導(dǎo)體管芯38包括半導(dǎo)體襯底40，該半導(dǎo)體襯底40在其下表面中具有金屬線和半導(dǎo)體電子元件的集成電路42。
半導(dǎo)體管芯38還包括形成在集成電路42的下表面上的焊接凸點(diǎn)44。一般根據(jù)公知的可控塌陷芯片連接(C4)工藝形成焊接凸點(diǎn)44。焊接凸點(diǎn)44在公知的回流工藝中在結(jié)構(gòu)上被固定到半導(dǎo)體襯底40上。焊接凸點(diǎn)44也被電連接到集成電路42上，使得通過焊接凸點(diǎn)44可以向和從集成電路42提供信號(hào)。半導(dǎo)體管芯38還包括形成在半導(dǎo)體襯底40上表面上的多個(gè)層的堆疊46。堆疊46包括鈦、鎳釩合金和金層，它們被依次沉積在彼此的頂部。預(yù)成型銦14約1mm厚，具有約80W/mK的導(dǎo)熱率，并位于堆疊46的金層的上表面上。
粘合劑18位于側(cè)邊30的下表面。散熱器子組件16位于半導(dǎo)體管芯38和預(yù)成型銦14的上方。粘合劑18的下表面接觸封裝襯底36的上表面。金層24的下表面接觸預(yù)成型銦14的上表面。
然后將夾具(沒有示出)置于電子組件10的部件的上方，并將電子組件10和夾具一起送入回流爐。電子組件10的部件在回流爐中被加熱，并隨后予以冷卻?；亓鳡t將電子組件10的部件加熱到例如約170℃的溫度。這樣的溫度高于純銦的約157℃的熔融溫度，使得銦14熔融。
圖2圖示了在對(duì)其予以冷卻后的電子組件10。對(duì)銦14的冷卻導(dǎo)致其固化。通過加熱和冷卻銦14，銦被“焊接”到金層24以及堆疊46的金層上。銦14由此形成這樣的一個(gè)層，該層在結(jié)構(gòu)上將堆疊46固定到金層24上，且提供了將熱從堆疊46傳導(dǎo)到金層24的高效通路。側(cè)邊30也通過粘合劑18被固定到襯底36上。應(yīng)該注意到，因?yàn)榻饘記]有被加熱到其熔融溫度以上，所以不發(fā)生潤濕。金的熔融溫度為1065℃。雖然組件被加熱到170℃并且將溫度倒回而不超過170℃，但是金層24由此促進(jìn)了潤濕。
金層24的目的是起到用于銦14的潤濕層的作用。金是比鎳更好的潤濕層，因此這是為什么不將銦14直接緊靠鎳22的原因。通過使用金層24形成了更好的結(jié)構(gòu)和熱連接。鎳層22在本發(fā)明中的目的是起到擴(kuò)散阻擋層的作用，以防止金層24和主散熱器結(jié)構(gòu)20的銅之間的交叉擴(kuò)散。
圖3是更詳細(xì)地示出了圖2的組件10的部件的橫截面圖。金層24中的一部分和銦14中的一部分被消耗來形成剩余金層24和剩余銦14之間的AuIn2金屬間化合物層50。雖然可以并可能形成其他的Au-In金屬間化合物，但是優(yōu)選地形成AuIn2金屬間化合物。由堆疊46的金層和銦14形成類似的AuIn2金屬間化合物層52。在可靠性測試中對(duì)電子組件10進(jìn)行依次交替地加熱和冷卻。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)當(dāng)金層24在被放入回流爐中之前約為3微米厚時(shí)，在三個(gè)層46、14和24中檢測到明顯的熱老化之前，可靠性測試允許進(jìn)行50次熱循環(huán)。如果沒有金層24，則在第一次循環(huán)中發(fā)生脫層。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)金層約為0.2微米厚時(shí)，僅在200次循環(huán)后，常常僅在300次循環(huán)后，出現(xiàn)裂紋。當(dāng)鍍覆較薄的金層時(shí)，與在鍍覆較厚的金層的時(shí)候相比生成更薄的金屬間化合物層50。與更厚的金屬間化合物層相比，更薄的金屬間化合物層在給定的可靠性測試中可以承受更多次數(shù)的熱循環(huán)。理想地，金層24應(yīng)該基本沒有孔隙。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，像這樣的0.02微米厚的均勻金層可以被形成為基本無孔隙。
所使用的可靠性測試如下將溫度急劇上升到125℃，并在此溫度下保持15分鐘。然后將溫度降低至-55℃并在此溫度下保持15分鐘以完成一次循環(huán)。然后，溫度被再一次升高到125℃，開始第二次循環(huán)。第二次循環(huán)其余的操作與第一次循環(huán)相同，并且隨后的循環(huán)與第一次循環(huán)相同。
再次參考圖2，金層24位于銦14的左邊和右邊的部分尚沒有與銦14反應(yīng)，因此它們保持如圖1所示的厚度。
可以使用其他的材料來代替金層24，以提供鎳層22上方的潤濕層。這樣的材料包括錫和諸如銀和鈀之類的貴金屬，或者這些金屬的組合。錫、銀和鈀分別具有2260℃、961℃和1552℃熔融溫度。發(fā)現(xiàn)，具有約0.2微米或者更小厚度的銀是最佳的。也可以用諸如鋁的其他材料制備主散熱結(jié)構(gòu)20，并在鋁上鍍鎳。除純銦14之外的其他材料也是可以的，然而這樣的材料優(yōu)選地具有至少35W/mK的導(dǎo)熱率，但是，更加優(yōu)選地具有至少70W/mK的導(dǎo)熱率。
在使用中，電信號(hào)通過焊接凸點(diǎn)44在封裝襯底36和集成電路42之間傳輸。集成電路42的操作導(dǎo)致半導(dǎo)體管芯38發(fā)熱。熱從半導(dǎo)體管芯38通過銦14傳遞到散熱器子組件16。熱通過散熱器子組件16橫向傳播，并從散熱器子組件16的上表面被傳導(dǎo)或?qū)α鳌?br> 雖然已經(jīng)描述了并在附圖中示出了特定的示例性實(shí)施例，但是應(yīng)該理解這樣的實(shí)施例僅僅是說明性的，而不是對(duì)本發(fā)明的限制，并且本發(fā)明不限于示出的和描述的具體構(gòu)造和布置，因?yàn)楸绢I(lǐng)域技術(shù)人員可以想到多種修改。
權(quán)利要求
1.一種構(gòu)造電子組件的方法，包括在導(dǎo)熱散熱器表面上形成非鎳的材料的潤濕層；將與所述潤濕層不同材料的金屬熱界面材料緊靠所述潤濕層的表面放置；將管芯緊靠所述熱界面材料放置，所述管芯具有形成于其中的集成電路；加熱所述金屬熱界面材料，以使其熔融，所述潤濕層的材料促進(jìn)所述金屬熱界面材料在所述導(dǎo)熱散熱器上的潤濕；以及對(duì)所述金屬熱界面材料予以冷卻，以使其固化，并在所述管芯和導(dǎo)熱散熱器之間形成熱和結(jié)構(gòu)耦合。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述潤濕層的材料包括金、銀、鈀和錫中的至少一種。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述潤濕層的材料是金。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其中所述潤濕層的厚度在0.02微米到3.0微米之間。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其中所述潤濕層的厚度約為0.2微米。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述金屬熱界面材料包括銦。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述金屬熱界面材料被加熱并在達(dá)到所述潤濕層的熔融溫度之前予以冷卻。
8.一種電子組件，包括導(dǎo)熱散熱器；非鎳的材料的潤濕層，所述潤濕層形成在所述導(dǎo)熱散熱器的下表面上；管芯，所述管芯具有形成于其中的集成電路；和與所述潤濕層不同材料的金屬熱界面材料，所述金屬熱界面材料位于所述管芯上，而所述潤濕層的下表面位于所述金屬熱界面材料的上表面上，所述金屬熱界面材料已被加熱，以使其熔融，并且對(duì)其予以冷卻，以使其固化，并在所述管芯和所述導(dǎo)熱散熱器之間形成熱和結(jié)構(gòu)界面。
9.如權(quán)利要求8所述的電子組件，其中所述潤濕層的材料是金。
10.如權(quán)利要求9所述的電子組件，其中在所述金屬熱界面材料被熔融之前，所述潤濕層的厚度在0.02微米到3.0微米之間。
11.如權(quán)利要求10所述的電子組件，其中在所述金屬熱界面材料被熔融之前，所述潤濕層的厚度約為0.2微米。
12.如權(quán)利要求8所述的電子組件，其中所述潤濕層的一部分沒有位于所述管芯和所述導(dǎo)熱散熱器之間。
13.如權(quán)利要求12所述的電子組件，其中所述部分是金，其厚度在0.02微米到3.0微米之間。
14.如權(quán)利要求8所述的電子組件，其中所述潤濕層選擇這樣的材料和厚度，以使所述組件能夠在125℃和-55℃之間循環(huán)至少40次而不會(huì)對(duì)所述散熱器和所述界面材料之間的界面造成明顯破壞。
15.如權(quán)利要求8所述的電子組件，其中所述金屬熱界面材料具有至少35W/mK的導(dǎo)熱率。
16.如權(quán)利要求15所述的電子組件，其中所述金屬熱界面材料具有至少70W/mK的導(dǎo)熱率。
17.如權(quán)利要求8所述的電子組件，其中所述金屬熱界面材料包括銦。
18.如權(quán)利要求8所述的電子組件，其中所述導(dǎo)熱散熱器包括主散熱結(jié)構(gòu)和所述主散熱結(jié)構(gòu)上的擴(kuò)散阻擋層，所述擴(kuò)散阻擋層位于所述潤濕層和所述主散熱結(jié)構(gòu)之間，并由這樣的材料制成，所述材料防止所述潤濕層的材料通過其擴(kuò)散到所述主散熱結(jié)構(gòu)。
19.如權(quán)利要求18所述的電子組件，其中所述主散熱結(jié)構(gòu)由銅制成。
20.如權(quán)利要求18所述的電子組件，其中所述擴(kuò)散阻擋層由鎳制成。
21.如權(quán)利要求8所述的電子組件，還包括襯底，所述管芯被安裝在所述襯底的上表面。
22.一種電子組件，包括襯底；管芯，所述管芯具有形成在其下表面中的集成電路，并被安裝在所述襯底的上表面上；導(dǎo)熱散熱器，包括主散熱結(jié)構(gòu)和形成在所述主散熱結(jié)構(gòu)下表面上的鎳擴(kuò)散阻擋層；形成所述擴(kuò)散阻擋層下表面上的潤濕層，所述潤濕層的材料是非鎳的材料；和不同于所述潤濕層的銦熱界面材料，所述銦熱界面材料位于所述管芯上，而所述潤濕層的下表面位于所述銦熱界面材料的上表面上，所述銦熱界面材料已被加熱，以使其熔融，并且對(duì)其予以冷卻，以使其固化，并在所述管芯和所述導(dǎo)熱散熱器之間形成熱和結(jié)構(gòu)界面。
23.如權(quán)利要求22所述的電子組件，其中所述潤濕層的材料至少是金、銀和錫中的至少一種。
24.如權(quán)利要求22所述的電子組件，其中所述潤濕層的材料是金。
25.如權(quán)利要求24所述的電子組件，其中所述潤濕層的厚度在0.02微米到3.0微米之間。
26.如權(quán)利要求22所述的電子組件，其中所述潤濕層選擇這樣的材料和厚度，以使所述組件能夠在125℃和-55℃之間循環(huán)至少40次而不會(huì)對(duì)所述散熱器和所述界面材料之間的界面造成明顯破壞。
27.一種構(gòu)造電子組件的方法，包括按次序一個(gè)接一個(gè)地放置管芯、金屬熱界面材料、非鎳的材料的潤濕層和導(dǎo)熱散熱器；加熱所述金屬熱界面材料，以使其熔融，所述潤濕層的材料促進(jìn)所述金屬熱界面材料在所述導(dǎo)熱散熱器上的潤濕；以及對(duì)所述金屬熱界面材料予以冷卻，以使其固化，并且在所述管芯和所述導(dǎo)熱加熱器之間形成熱和結(jié)構(gòu)耦合。
28.如權(quán)利要求27所述的方法，其中所述潤濕層的材料包括金、銀、鈀和錫中的至少一種。
29.如權(quán)利要求27所述的方法，其中所述金屬熱界面材料包括銦。
全文摘要
本發(fā)明描述了一種電子組件，包括管芯(40)，該管芯(40)具有形成于其中的集成電路；導(dǎo)熱散熱器(16)和位于管芯和該散熱器之間的銦(14)。散熱器(16)具有鎳層(22)。金層(24)被形成在鎳層(22)上，并提供較鎳更好的銦的潤濕。提供了銦(14)和散熱器(16)之間的更好的結(jié)構(gòu)連接，特別是在熱循環(huán)期間。
文檔編號(hào)H01L23/373GK1582494SQ02821873
公開日2005年2月16日 申請日期2002年11月14日 優(yōu)先權(quán)日2001年11月15日
發(fā)明者卡爾·德佩克, 薩比納·烏勒, 托馬斯·菲茨杰拉德, 克里斯托弗·戴頓, 費(fèi)伊·華 申請人:英特爾公司