專(zhuān)利名稱：半導(dǎo)體器件組件以及散熱器組件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于包括應(yīng)力消除緩沖層的半導(dǎo)體器件的熱界面材料和封裝熱設(shè)計(jì)。
背景技術(shù)：
包括在多層載體上的倒裝芯片的倒裝芯片封裝(更具體地，有機(jī)倒裝芯片封裝) 由于在倒裝芯片與多層載體之間的熱膨脹系數(shù)(CTE)失配而固有地在預(yù)定溫度范圍內(nèi)翹 曲。例如，芯片可具有3ppm/°C的CTE，而有機(jī)芯片載體可具有17-24ppm/°C的CTE。這樣的 CTE失配可導(dǎo)致載體的彎曲。如果將散熱器或蓋附接到具有諸如導(dǎo)熱油脂的熱界面材料的 芯片的背表面，則會(huì)在芯片與散熱器或蓋之間產(chǎn)生不均勻的油脂填充的間隙。由于可不利 地影響熱性能的載體的彎曲，熱界面材料同樣會(huì)被拉伸。在嚴(yán)重情況下，會(huì)發(fā)生熱界面材料 的裂開(kāi)或分離。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，通過(guò)提供一種散熱器組件，可以實(shí)現(xiàn)以上和以下描述的 本發(fā)明的各種優(yōu)點(diǎn)和目的，所述散熱器組件包括用于芯片載體襯底的散熱器，所述散熱器具有第一熱膨脹系數(shù)CTEl ；與所述散熱器接觸的多層熱界面材料，所述熱界面材料包括與所述散熱器接觸的 第一金屬熱界面材料層和與所述第一金屬熱界面材料層接觸的緩沖層，所述緩沖層具有第 二熱膨脹系數(shù)CTE2，其中CTEl > CTE2。根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種半導(dǎo)體器件組件，包括芯片載體襯底；附接到所述襯底的散熱器，所述散熱器具有第一熱膨脹系數(shù)CTEl ；半導(dǎo)體器件，其被安裝在所述襯底上并在所述散熱器下方，所述半導(dǎo)體器件具有 第三熱膨脹系數(shù)CTE3 ；多層熱界面材料，其被插入在所述散熱器與所述半導(dǎo)體器件之間，所述熱界面材 料包括與所述散熱器接觸的第一金屬熱界面材料層和與所述第一金屬熱界面材料層接觸 的緩沖層，所述緩沖層具有第二熱膨脹系數(shù)CTE2，其中CTEl > CTE2 > CTE3。根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供一種半導(dǎo)體器件組件，包括芯片載體襯底；半導(dǎo)體器件，其被安裝在所述襯底上，所述半導(dǎo)體器件具有第一熱膨脹系數(shù) CTEl ；多層熱界面材料，其位于所述半導(dǎo)體器件上，所述熱界面材料包括第一金屬熱界 面材料層和與所述第一金屬熱界面材料層接觸的緩沖層，所述緩沖層具有第二熱膨脹系數(shù) CTE2，其中CTEl > CTE2，并且熱界面材料層接觸所述緩沖層和所述半導(dǎo)體器件。


在所述權(quán)利要求中具體地闡述了相信為新穎的本發(fā)明的特征以及本發(fā)明的部件 特性。附圖僅僅用于示例的目的且未按比例繪制。然而，就組織和操作方法兩方面而言，可 以通過(guò)在下面參考結(jié)合附圖給出的詳細(xì)描述而最好地理解本發(fā)明本身，在附圖中圖1是現(xiàn)有技術(shù)的半導(dǎo)體器件組件的側(cè)視圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體器件組件的側(cè)視圖；圖3A、3B、3C和3D包括根據(jù)本發(fā)明的多層熱界面材料的各種實(shí)施例的頂視圖；圖4A和4B是裝配根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體器件組件的兩種不同方式的分解圖；以及圖5是根據(jù)本發(fā)明的多層熱界面材料的放大的側(cè)視圖。
具體實(shí)施例方式更詳細(xì)地參考附圖，具體地，參考圖1，示出了現(xiàn)有技術(shù)的半導(dǎo)體器件組件10的側(cè) 視圖。半導(dǎo)體器件組件10包括芯片載體襯底12，例如有機(jī)芯片載體，在芯片載體襯底12上， 在所謂的倒裝芯片位置中安裝芯片14(以下稱為半導(dǎo)體器件)。通過(guò)倒裝芯片，意味著半 導(dǎo)體器件14被安裝為有源側(cè)朝下，并且半導(dǎo)體器件14通過(guò)焊料球16或其他公知的電連接 而連接到襯底12。還可以存在常規(guī)的底填材料18。半導(dǎo)體器件組件10還可以包括清除由 半導(dǎo)體器件14所產(chǎn)生的熱的蓋或散熱器20 (以下合稱為“散熱器”)?？赏ㄟ^(guò)支柱(leg) 22 支撐散熱器20，支柱22通過(guò)粘合劑24而被牢固地附接到襯底12。最后，為了在半導(dǎo)體器 件14與散熱器20之間具有良好的熱接觸，還存在常規(guī)的熱界面材料26。常規(guī)的熱界面材 料26包括非金屬熱油脂、糊膏或凝膠體。在實(shí)踐中，半導(dǎo)體器件14與襯底12之間的熱膨脹系數(shù)(CTE)失配可導(dǎo)致襯底12 和器件14的彎曲，由此導(dǎo)致熱界面材料26的拉伸，這會(huì)導(dǎo)致熱界面材料26從半導(dǎo)體器件 14裂開(kāi)或分離。熱界面材料26的該裂開(kāi)或分離可發(fā)生在熱界面材料26與半導(dǎo)體器件14 之間的界面28 (示于圖1中)或者熱界面材料26與散熱器20之間的界面29處?，F(xiàn)在參考圖2，示出了根據(jù)發(fā)明的半導(dǎo)體組件的側(cè)視圖。示出的半導(dǎo)體器件組件 110包括在芯片載體襯底112上安裝的半導(dǎo)體器件114。半導(dǎo)體器件114通過(guò)焊料球116 或本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的其他電連接而與襯底112連接。半導(dǎo)體器件114可具有圍繞半導(dǎo) 體器件114和在半導(dǎo)體器件114下方的底填材料118。半導(dǎo)體器件組件110還包括可具有 支柱122的散熱器120，支柱122通過(guò)粘合劑124而被固定到襯底112。為了從半導(dǎo)體器件 114清除熱，本發(fā)明還包括通常由126表示的多層熱界面材料。多層熱界面材料126包括與散熱器120接觸的第一金屬熱界面材料層128。用于 第一金屬熱界面材料層128的合適材料包括銦(其本身為元素銦)和低熔點(diǎn)焊料合金，例 如97%銦/3%銀以及58%鉍/42%錫(重量百分比)。該材料應(yīng)能夠在低溫下回流以在需 要時(shí)熔斷(fuse)到散熱器120。多層熱界面材料126還包括與第一金屬熱界面材料層128接觸的緩沖層130。緩 沖層130的目的如下。散熱器120具有約17ppm/°C的CTE (與芯片載體襯底112的CTE相 似)，而半導(dǎo)體器件114具有約3ppm/°C的CTE。散熱器120與半導(dǎo)體器件114之間的CTE 的這種高失配會(huì)導(dǎo)致熱界面材料126中的應(yīng)力。為了消除這些應(yīng)力，將具有中間CTE值的緩 沖層130插入在第一金屬熱界面材料層128與半導(dǎo)體器件114之間。換句話說(shuō)，如果散熱器120的CTE為CTEl，緩沖層130的CTE為CTE2且半導(dǎo)體器件114的CTE為CTE3，則CTEl > CTE2 > CTE3。更精確地，緩沖層130應(yīng)選自具有以下特性的材料其CTE在半導(dǎo)體器件的CTE與散熱器的CTE之間，并且優(yōu)選更接近半導(dǎo)體器件而 不是更接近散熱器；其熱導(dǎo)率在散熱器120的熱導(dǎo)率與熱界面材料126的第一層128的熱導(dǎo)率之間；可容易地制造為薄的平板；應(yīng)可得數(shù)百微米的范圍內(nèi)的薄片形式；以及其成本與完全由第一層128構(gòu)成的熱界面材料的成本不相上下。滿足這些要求的一些材料包括鋁/硅/碳(AlSiC)、鎢和銅(W/Cu)、鉬和銅(MoCu) 的合金、以及銅、鉬和銅(Cu/Mo/Cu)的疊層。由圖2和3可以看出，第一金屬熱界面材料層128和緩沖層130延伸超出半導(dǎo)體 器件的尺寸。圖2和3還示例出本發(fā)明的兩個(gè)其他優(yōu)選特征。這些優(yōu)選特征中的一個(gè)為在第一 金屬熱界面材料層128中的支座(standoff) 134。支座134確保散熱器120與緩沖層130 之間的一致的熱界面材料厚度。此外，支座134可以用作止裂器。如圖3所很好示出的，支 座134可以僅僅為片段(圖3B)或可以圍繞整個(gè)芯片周邊(圖3D)。優(yōu)選特征中的另一個(gè)為緩沖層120具有穿孔136，如圖3C和3D很好地示出的。穿 孔消除了由緩沖層120(尤其是在熱斑區(qū)域之上)的存在而引起的任何額外的熱阻。穿孔136 可在沒(méi)有支座的情況下使用(如圖3C所示)或者在有支座的情況下使用(如圖3D所示)。 穿孔136可呈現(xiàn)允許熱阻減小的任何形狀。本發(fā)明所提供的為熱界面材料126的第一層128 使用倒圓的拐角的靈活性還有助于減輕由常規(guī)設(shè)置中的尖銳拐角引起的高應(yīng)力濃度。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，存在與緩沖層130接觸的附加的熱界面材料層132。再次參 考圖2，附加的熱界面材料層132被設(shè)置在緩沖層130與半導(dǎo)體器件114之間。在一個(gè)優(yōu)選 實(shí)施例中，附加的熱界面材料層132可以由與第一金屬熱界面材料層128類(lèi)似的金屬材料 制成。再次地，合適的材料包括銦(其本身為元素銦)和低熔點(diǎn)焊料合金，例如97%銦/3% 銀以及58%鉍/42%錫(重量百分比)。雖然附加的熱界面材料層132和第一金屬熱界面 材料層128可以由相同的材料制成，但這不是必要的，它們可以由不同的金屬材料制成，只 要它們二者都由上述合適的材料制成即可。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，替代地，附加的熱界面材料層132可由諸如熱凝膠、糊膏或 油脂的非金屬材料制成。這些材料是被分類(lèi)為非金屬材料的常規(guī)材料，但它們可以包含用 于導(dǎo)熱的金屬或非金屬高熱導(dǎo)率顆粒。圖5是多層熱界面材料126的放大的側(cè)視圖，其示出了第一金屬熱界面材料層 128、緩沖層130、附加的熱界面材料層132、可選的支座134以及可選的穿孔136。圖4A和4B示例出用于裝配根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體器件組件110的兩種方法。首先 轉(zhuǎn)到圖4A，裝配包括第一金屬熱界面材料層128、緩沖層130和附加的熱界面材料層132的 多層熱界面材料126，然后將多層熱界面材料126置于半導(dǎo)體器件114上。最好在將多層熱 界面材料126置于半導(dǎo)體器件114上之前利用例如鎳或金來(lái)金屬化半導(dǎo)體器件114的表面 140。此后，將散熱器120置于多層熱界面材料126上，然后將整個(gè)組件加熱到預(yù)定溫度以 回流第一金屬熱界面材料層128和第二金屬熱界面材料層132。
圖4B示例出用于裝配根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體器件組件110的第二種方法。將第一 金屬熱界面材料層128和緩沖層130置于散熱器120上。第一金屬熱界面材料層128應(yīng)與 散熱器120直接接觸。將該子組件加熱到預(yù)定溫度以回流第一金屬熱界面材料層128。此 后，將第二熱界面材料層132置于半導(dǎo)體器件114上，其后是第一金屬熱界面材料層128、緩 沖層130和散熱器120。第二熱界面材料層132可以為金屬性的(例如，銦或低熔點(diǎn)焊料合 金)或非金屬性的(熱凝膠、糊膏或油脂)。如果第二熱界面材料層132是金屬性的，則需 要金屬化半導(dǎo)體器件114的表面140。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)包括減少了在半導(dǎo)體器件拐角處的應(yīng)力集中源，由此減輕了熱界面 材料126的分裂傾向(在與散熱器120或半導(dǎo)體器件114的任一界面處粘著性地或膠粘性 地)且消除了在緩沖層130與散熱器120之間的應(yīng)力集中源，由此減輕了分裂傾向。在考慮了本公開(kāi)之后，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員很明顯的，可以做出超出這里具體描 述的實(shí)施例的本發(fā)明的其他修改而不脫離本發(fā)明的精神。因此，這些修改被視為在僅僅由 所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
一種散熱器組件，包括用于芯片載體襯底的散熱器，所述散熱器具有第一熱膨脹系數(shù)CTE1；與所述散熱器接觸的多層熱界面材料，所述熱界面材料包括與所述散熱器接觸的第一金屬熱界面材料層和與所述第一金屬熱界面材料層接觸的緩沖層，所述緩沖層具有第二熱膨脹系數(shù)CTE2，其中CTE1＞CTE2。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的散熱器組件，其中所述熱界面材料還包括與所述緩沖層接觸的第 二金屬熱界面材料層。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的散熱器組件，其中所述第一和第二金屬熱界面材料層選自銦(其 本身為元素銦)和低熔點(diǎn)焊料合金。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的散熱器組件，其中所述熱界面材料還包括與所述緩沖層接觸的非 金屬熱界面材料層。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的散熱器組件，其中所述非金屬熱界面材料選自非金屬熱凝膠、糊 膏和油脂。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的散熱器組件，其中所述緩沖層被穿孔。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的散熱器組件，其中所述緩沖層選自鎢/銅、鉬/銅、銅/鉬/銅以 及鋁/硅碳化物。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的散熱器組件，其中所述第一金屬熱界面材料層包括支座。
9.一種半導(dǎo)體器件組件，包括芯片載體襯底；附接到所述襯底的散熱器，所述散熱器具有第一熱膨脹系數(shù)CTE1 ；半導(dǎo)體器件，其被安裝在所述襯底上并在所述散熱器下方，所述半導(dǎo)體器件具有第三 熱膨脹系數(shù)CTE3 ；多層熱界面材料，其被插入在所述散熱器與所述半導(dǎo)體器件之間，所述熱界面材料包 括與所述散熱器接觸的第一金屬熱界面材料層和與所述第一金屬熱界面材料層接觸的緩 沖層，所述緩沖層具有第二熱膨脹系數(shù)CTE2，其中CTE1 > CTE2 > CTE3。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的半導(dǎo)體器件組件，其中所述熱界面材料還包括與所述緩沖層和 所述半導(dǎo)體器件接觸的第二金屬熱界面材料層。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的半導(dǎo)體器件組件，其中所述第一和第二金屬熱界面材料層選自 銦(其本身為元素銦)和低熔點(diǎn)焊料合金。
12.根據(jù)權(quán)利要求9的半導(dǎo)體器件組件，其中所述熱界面材料還包括與所述緩沖層和 所述半導(dǎo)體器件接觸的非金屬熱界面材料層。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的半導(dǎo)體器件組件，其中所述非金屬熱界面材料選自非金屬熱凝 膠、糊膏和油脂。
14.根據(jù)權(quán)利要求9的半導(dǎo)體器件組件，其中所述緩沖層被穿孔。
15.根據(jù)權(quán)利要求9的半導(dǎo)體器件組件，其中所述緩沖層具有高熱導(dǎo)率、可制造、以薄 片形式可得、且成本低。
16.根據(jù)權(quán)利要求9的半導(dǎo)體器件組件，其中所述緩沖層選自鎢/銅、鉬/銅、銅/鉬/ 銅以及鋁/硅碳化物。
17.根據(jù)權(quán)利要求9的半導(dǎo)體器件組件，其中所述第一金屬熱界面材料層包括支座。
18.一種半導(dǎo)體器件組件，包括 芯片載體襯底；半導(dǎo)體器件，其被安裝在所述襯底上，所述半導(dǎo)體器件具有第一熱膨脹系數(shù)CTE1 ； 多層熱界面材料，其位于所述半導(dǎo)體器件上，所述熱界面材料包括第一金屬熱界面 材料層和與所述第一金屬熱界面材料層接觸的緩沖層，所述緩沖層具有第二熱膨脹系數(shù) CTE2，其中CTE1 > CTE2，并且熱界面材料層接觸所述緩沖層和所述半導(dǎo)體器件。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的半導(dǎo)體器件組件，其中所述緩沖層被穿孔。
20.根據(jù)權(quán)利要求18的半導(dǎo)體器件組件，其中所述緩沖層選自鎢/銅、鉬/銅、銅/鉬 /銅以及鋁/硅碳化物。
全文摘要
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件組件以及散熱器組件。公開(kāi)了一種多層熱界面材料，其包括第一金屬熱界面材料層、緩沖層和優(yōu)選第二金屬或非金屬熱界面材料層。所述多層熱界面材料用于與半導(dǎo)體器件組件結(jié)合，所述半導(dǎo)體器件組件包括芯片載體襯底、附接到所述襯底的散熱器、安裝在所述襯底上并在所述散熱器下方的半導(dǎo)體器件、以及插入在所述散熱器與所述半導(dǎo)體器件之間的所述多層熱界面材料。所述散熱器具有第一熱膨脹系數(shù)(CTE)，CTE1，所述緩沖層具有第二CTE，CTE2，并且半導(dǎo)體器件具有第三CTE，CTE3，其中CTE1＞CTE2＞CTE3。
文檔編號(hào)H01L23/373GK101930953SQ20101021142
公開(kāi)日2010年12月29日 申請(qǐng)日期2010年6月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月25日
發(fā)明者K·K·斯卡, V·R·賈達(dá)夫, 鄭見(jiàn)濤 申請(qǐng)人:國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司