一种含有低弹性模量高热导率热界面材料的封装结构的制作方法

1.本发明涉微电子封装技术领域，具体涉及一种含有低弹性模量高热导率热界面材料的封装结构及其制备方法。


背景技术：

2.近年来，电子封装朝着大尺寸高功率发展，对热界面材料的导热性能与可靠性要求越来越高。传统的热界面材料主要有焊接型金属热界面材料与导热凝胶。焊接型金属热界面材料主要有银、铟、金锌、锡银铜、铅基共晶等，焊接型热界面材料的热导率高，如铟的热导率高达86w/(mk)，但焊接型热界面材料的杨氏模量大，一般在10gpa到100gpa，在服役过程中焊接型热界面材料的界面处容易应力集中产生裂纹，导致封装失效；导热凝胶的杨氏模量低，约为10-3-10-5
gpa，可以比较好的吸收应力，但导热凝胶的热导率低，一般在1-6w/(mk)，散热效率慢。因此，开发一种低杨氏模量和高热导率的材料很有必要。
3.应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本技术的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本技术的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。


技术实现要素：

4.鉴于目前存在的上述不足，本发明提供一种含有低弹性模量高热导率热界面材料的封装结构及其制备方法，本发明的封装结构既可以在服役过程中可以很好地吸收应力，解决由热界面材料应力集中导致的封装失效，也可以快速导热，保证封装的导热效率。
5.为了达到上述目的，本发明提供一种含有低弹性模量高热导率热界面材料的封装结构，所述封装材料包括基板和均热板，所述均热板的一面凹设有一盲孔，所述均热板的设有盲孔的一面与所述基板连接形成一容纳空间，所述容纳空间内的基板通过焊球连接有芯片，所述芯片通过低杨氏模量和高热导率的材料层连接所述盲孔的底部，所述芯片通过填料与所述基板进行连接；其中，所述低杨氏模量和高热导率的材料层为泡沫碳的两个表面分别依次沉积钛层、镍层、铟层。
6.基于同一发明构思，本发明还提供了上述含有低弹性模量高热导率热界面材料的封装结构的制备方法，包括以下步骤：
7.步骤1：在泡沫碳上下两个表面分别依次沉积一层钛、镍、铟，并将其放置在芯片与均热板之间，获得芯片-低杨氏模量和高热导率的材料层-均热板的结构；
8.步骤2：将芯片-低杨氏模量和高热导率的材料层-均热板的结构放置在烘箱中加热熔化铟，使铟与芯片与均热板上的镀金层反应，之后冷却，完成铟与芯片、均热板的焊接。
9.依照本发明的一个方面，所述沉积具体为物理气相沉积。
10.依照本发明的一个方面，在步骤1中，所述泡沫碳上下两个表面的钛的厚度分别为0.05-0.2μm，镍的厚度在0.3-5μm，铟的厚度在2-20μm。
11.依照本发明的一个方面，在步骤1中，所述泡沫碳的厚度为50-500μm。
12.依照本发明的一个方面，在步骤2中，所述加热融化铟的温度为150-200℃，时间为1-15min，加热融化铟时，所述芯片-低杨氏模量和高热导率的材料层-均热板的结构上施加的压力为10-200kpa。
13.依照本发明的一个方面，所述芯片为表面镀金芯片。
14.依照本发明的一个方面，所述均热板为表面镀金均热板。
15.依照本发明的一个方面，所述芯片的材质为硅；所述均热板的材质为铜。
16.本发明的有益效果：
17.(1)本发明采用泡沫碳作为热界面材料，但是碳没有粘度性，因此使用铟把泡沫碳焊接起来到芯片和均热板上，在铟与钛之间设有阻挡层镍从而避免了铟与钛发生反应。
18.(2)采用pvd沉积钛、镍、铟可以精确控制其厚度。
19.(3)泡沫碳的杨氏模量低热导率高，既可以在服役过程中可以很好地吸收应力，解决由热界面材料应力集中导致的封装失效；也可以快速导热，保证封装的散热能力。相对于铟渗入泡沫碳制备的热界面材料，仅使用泡沫碳的杨氏模量更低；相对于金属泡沫热界面材料，泡沫碳不会与铟反应生成硬脆金属间化学物导致封装可靠性降低，同时，泡沫金属热界面材料在服役过程中会发生氧化行为，氧化会降低泡沫金属热界面材料的热导率与可靠性。
附图说明
20.图1为本发明实施例所述的一种含有低弹性模量高热导率热界面材料的封装结构的示意图。
21.附图说明：1、基板；2、均热板；3、焊球；4、芯片；5、填料；6、钛层、镍层、铟层；7、泡沫碳。
具体实施方式
22.为使本发明更加容易理解，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。除非另有定义，下文所用专业术语和本领域专业技术人员所理解的含义一致；除非特殊说明，本文所涉及的原料、试剂均可从市场购买，或通过公知的方法制得。
23.近年来，电子封装朝着大尺寸高功率发展，对热界面材料的导热性能与可靠性要求越来越高。传统的热界面材料主要有焊接型金属热界面材料与导热凝胶。焊接型金属热界面材料主要有银、铟、金锌、锡银铜、铅基共晶等，焊接型热界面材料的热导率高，如铟的热导率高达86w/(mk)，但焊接型热界面材料的杨氏模量大，一般在10gpa到100gpa，在服役过程中焊接型热界面材料的界面处容易应力集中产生裂纹，导致封装失效；导热凝胶的杨氏模量低，约为10-3-10-5
gpa，可以比较好的吸收应力，但导热凝胶的热导率低，一般在1-6w/(mk)，散热效率慢。因此，开发一种低杨氏模量和高热导率的材料很有必要。
24.为了达到上述目的，本发明提供一种含有低弹性模量高热导率热界面材料的封装结构，如图1所示，所述封装材料包括基板1和均热板2，所述均热板2的一面凹设有一盲孔，
所述均热板2的设有盲孔的一面与所述基板1连接形成一容纳空间，所述容纳空间内的基板1通过焊球3连接有芯片4，所述芯片4通过低杨氏模量和高热导率的材料层连接所述盲孔的底部，所述芯片4通过填料5与所述基板1进行连接；其中，所述低杨氏模量和高热导率的材料层为泡沫碳7的两个表面分别依次沉积钛层、镍层、铟层6。
25.基于同一发明构思，本发明还提供了上述含有低弹性模量高热导率热界面材料的封装结构的制备方法，包括以下步骤：
26.步骤1：在泡沫碳上下两个表面分别依次沉积一层钛、镍、铟，并将其放置在芯片与均热板之间，获得芯片-低杨氏模量和高热导率的材料层-均热板的结构；
27.步骤2：将芯片-低杨氏模量和高热导率的材料层-均热板的结构放置在烘箱中加热熔化铟，使铟与芯片与均热板上的镀金层反应，之后冷却，完成铟与芯片、均热板的焊接。
28.优选的，所述沉积具体为物理气相沉积。
29.优选的，在步骤1中，所述泡沫碳上下两个表面的钛的厚度分别为0.05-0.2μm，镍的厚度在0.3-5μm，铟的厚度在2-15μm。
30.需要说明的是，铟的厚度不能过厚，其目的是防止铟流入泡沫碳填充泡沫碳的孔洞，流入泡沫碳孔洞的铟在凝固后会增大泡沫碳的弹性模量。
31.优选的，在步骤1中，所述泡沫碳的厚度为50-500μm。
32.优选的，在步骤2中，所述加热融化铟的温度为150-200℃，时间为1-15min，加热融化铟时，所述芯片-低杨氏模量和高热导率的材料层-均热板的结构上施加的压力为10-200kpa。
33.优选的，所述芯片为表面镀金芯片。
34.优选的，所述均热板为表面镀金均热板。
35.优选的，所述芯片的材质为硅；所述均热板的材质为铜。
36.下面结合具体的实施例进一步阐述。
37.实施例1
38.在厚度100μm、孔隙率50％、孔径大小为100μm泡沫碳上下两个表面依次沉积一层0.1μm的钛、1μm的镍和15μm的铟；将沉积钛、镍、铟的泡沫碳放置在芯片与均热板之间；再将形成的芯片/沉积钛、镍、铟的泡沫碳/均热板结构放置在烘箱中加热熔化铟，加热压力20kpa，加热温度200℃，加热时间20min，使铟与芯片(镀金芯片)和均热板(镀金均热板)进行焊接，之后冷却，完成芯片、均热板的焊接。该封装模块的整体热导率为66w/m
·
k，封装模块的剪切强度为35mpa，无铟溢出风险。
39.实施例2
40.在厚度100μm、孔隙率60％、孔径大小为80μm泡沫碳上下两个表面沉积一层0.2μm的钛、2μm的镍和10μm的铟；将沉积钛、镍、铟的泡沫碳放置在芯片与均热板之间；再将形成的芯片/沉积钛、镍、铟的泡沫碳/均热板结构放置在烘箱中加热熔化铟，加热压力40kpa，加热温度180℃，加热时间20min，使铟与芯片(镀金芯片)和均热板(镀金均热板)进行焊接，之后冷却，完成芯片、均热板的焊接。该封装模块的整体热导率为57w/m
·
k，封装模块的剪切强度为31mpa，无铟溢出风险。
41.实施例3
42.在厚度100μm、孔隙率70％、孔径大小为80μm泡沫碳上下两个表面沉积一层0.1μm
的钛、1μm的镍和8μm的铟；将沉积钛、镍、铟的泡沫碳放置在芯片与均热板之间；再将形成的芯片/沉积钛、镍、铟的泡沫碳/均热板结构放置在烘箱中加热熔化铟，加热压力30kpa，加热温度180℃，加热时间30min，使铟与芯片(镀金芯片)和均热板(镀金均热板)进行焊接，之后冷却，完成芯片、均热板的焊接。该封装模块的整体热导率为62w/m
·
k，封装模块的剪切强度为27mpa，无铟溢出风险。
43.对比例1
44.与实施例1的区别是将低杨氏模量和高热导率的材料层替换成纯铟，其它步骤、参数同实施例1。纯铟的封装模块的整体热导率为67w/m
·
k，封装模块的剪切强度为2mpa，没有铟溢出风险。
45.对比例2
46.本技术与实施例1的区别是将泡沫碳替换成泡沫铜，其它步骤、参数同实施例1。该封装模块的整体热导率为74w/m
·
k，封装模块的剪切强度为47mpa，无铟溢出风险。但铟与泡沫碳反应生成了硬脆合金相，在服役过程中，硬脆合金相会成为失效点，降低封装可靠性。
47.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域技术的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种含有低弹性模量高热导率热界面材料的封装结构，其特征在于，所述封装材料包括基板和均热板，所述均热板的一面凹设有一盲孔，所述均热板的设有盲孔的一面与所述基板连接形成一容纳空间，所述容纳空间内的基板通过焊球连接有芯片，所述芯片通过低杨氏模量和高热导率的材料层连接所述盲孔的底部，所述芯片通过填料与所述基板进行连接；其中，所述低杨氏模量和高热导率的材料层为泡沫碳的两个表面分别依次沉积钛层、镍层、铟层。2.一种如根据权利要求1所述的含有低弹性模量高热导率热界面材料的封装结构，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：在泡沫碳上下两个表面分别依次沉积一层钛、镍、铟，并将其放置在芯片与均热板之间，获得芯片-低杨氏模量和高热导率的材料层-均热板的结构；步骤2：将芯片-低杨氏模量和高热导率的材料层-均热板的结构放置在烘箱中加热熔化铟，使铟与芯片与均热板上的镀金层反应，之后冷却，完成铟与芯片、均热板的焊接。3.根据权利要求2所述的含有低弹性模量高热导率热界面材料的封装结构，其特征在于，所述沉积具体为物理气相沉积。4.根据权利要求2所述的有低弹性模量高热导率热界面材料的封装结构，其特征在于，在步骤1中，所述泡沫碳上下两个表面的钛的厚度分别为0.05-0.2μm，镍的厚度在0.3-5μm，铟的厚度在2-15μm。5.根据权利要求2所述的防溢出bga封装结构的制备方法，其特征在于，在步骤1中，所述泡沫碳的厚度为50-500μm。6.根据权利要求2所述的防溢出bga封装结构的制备方法，其特征在于，在步骤2中，所述加热融化铟的温度为150-200℃，时间为1-15min，加热融化铟时，所述芯片-低杨氏模量和高热导率的材料层-均热板的结构上施加的压力为10-200kpa。7.根据权利要求2所述的防溢出bga封装结构的制备方法，其特征在于，所述芯片为表面镀金芯片。8.根据权利要求2所述的防溢出bga封装结构的制备方法，其特征在于，所述均热板为表面镀金均热板。9.根据权利要求2所述的防溢出bga封装结构的制备方法，其特征在于，所述芯片的材质为硅；所述均热板的材质为铜。

技术总结
本发明公开了一种含有低弹性模量高热导率热界面材料的封装结构，所述封装材料包括基板和均热板，所述均热板的一面凹设有一盲孔，所述均热板的设有盲孔的一面与所述基板连接形成一容纳空间，所述容纳空间内的基板通过焊球连接有芯片，所述芯片通过低杨氏模量和高热导率的材料层连接所述盲孔的底部，所述芯片通过填料与所述基板进行连接；其中，所述低杨氏模量和高热导率的材料层为泡沫碳的两个表面分别依次沉积钛层、镍层、铟层。本发明的封装结构既可以在服役过程中可以很好地吸收应力，解决由热界面材料应力集中导致的封装失效，也可以快速导热，保证封装的导热效率。保证封装的导热效率。保证封装的导热效率。


技术研发人员：滕晓东 郑博宇 刘振
受保护的技术使用者：广州安牧泉封装技术有限公司
技术研发日：2023.05.24
技术公布日：2023/8/1