专利名称：传热板、传热构造体及其制造方法
背景技术：
本发明涉及传热板、传热构造体以及该传热构造体的制造方法，该传热板配置在发热部件例如半导体器件和散热部件例如散热器或者热扩散装置之间，由此将发热部件的热量传到散热部件，该传热构造体包括传热板、发热部件和散热部件。
由于在近年来半导体器件的操作速度不断提高，而且集成结构更复杂，所以近年开发的半导体部件产生相当大的热量，这样便需要使产生的热量有效地散到外面。常规上，一般应用将半导体产生的热量传送到散热器的方法，随后再将热量散出去。在这种方法中，采用一种技术，在这种技术中，将导热的材料作的传热板连接在半导体器件(发热部件)和散热器(散热部件)之间。由此降低连接界面上的传热阻力，从而提高散热特性(例如日本专利申请公告58-169912(1983)和日本专利申请公告2003-51573(2003))。
作为用在传热板中的导热材料，已采用将无机填料分散到硅酮树脂中得到的材料，这种材料具有热导率低的问题。另外，还采用的另一种导热材料是导电膏，这种膏的制造方法是，将导电率高的金属粉末例如银或者铜粉分散到粘接剂中。然而因为热量是通过粉末之间的点接触进行传递的，所以不可能得到相当高的热导率。
另一方面，已采用金属材料例如焊料作另一种导热材料。用金属材料例如焊料作的传热板具有极好的热导率，因为这种材料是金属材料，然而在连接时需要加热，这又造成半导体器件(发热部件)和散热器(散热部件)之间的连接区域，由于热应力造成可靠性降低的问题。
由于产生更多的热量，所以在近年来制造的半导体器件上，温度是不均匀的，如
图1所示，半导体器件的CPU芯片31与其他部分相比，温度特别高，这部分形成为热点区域(高温区域)1a，对于这种热点区域1a，散热处理特别重要，在这种热点区域上，需要高的导热特性。
发明概要由于这些问题而提出本发明，本发明的目的是提供一种传热板、传热构造体以及一种制造该传热构造体的方法，该传热板具有很高的传热特性，从而可以达到极好的散热特性，而不会降低连接部分的可靠性，该传热构造体包括传热板、发热部件和散热部件。
本发明的另一目的是提供一种传热板、传热构造体以及制造该传热构造体的方法，在发热部件的高温区域上，该传热板可以选择性地具有高的热传导特性，由此可以抑制温度的局部升高，该传热构造体包括传热板、发热部件和散热部件。
按照本发明的第一方面，传热板配置在发热部件和散热部件之间，从而可以将发热部件产生的热量传到散热器上，该传热板包含金属和树脂，具有许多其金属含量彼此不同的区域。
按照本发明的第二方面，第一方面传热板上许多区域的形状，与热点区域的形状，以及除热点区域外的区域形状是相同的。
按照本发明的第三方面，传热构造体包括发热部件、散热部件以及配置在发热部件和散热部件之间的传热板，从而可以将发热部件产生的热量传送到散热部件，其中传热板包括金属和树脂，具有许多其相应金属含量彼此不同的许多区域。
按照本发明的第四方面，在第一方面的散热构造体中，发热部件具有许多其相应温度彼此不同的区域，较高温度的发热部件区域对应于金属含量较高的传热板区域。
按照本发明的第五方面，在第三方面的传热构造体中，发热部件具有许多其相应温度彼此不同的区域，温度较低的发热元件区域对应于传热板金属浓度较低的区域。
按照本发明的第六方面，传热构造体包括发热部件、散热部件以及连接在发热部件和散热部件之间的传热板，从而使发热部件产生的热量传送到散热部件，制造这种传热构造体的方法包括以下步骤在发热部件的相应连接表面上，形成隔热树脂的图案；在已经形成隔热树脂的发热部件和/或者散热部件的相应连接表面上，涂上金属和树脂的混合材料；将发热部件上形成的隔热树脂图案与散热部件上形成的相应隔热树脂图案对准，由此将发热部件、混合材料和散热部件加热，连接在一起。
在本发明中，采用包含金属和树脂的导热材料，形成金属连接部分和树脂连接部分，由此缓解在金属连接时产生的热应力问题。例如下面要详细说明的，应用这样一种导热材料，这种材料的利记博彩app是，将导热性高的金属填料和熔点为200℃或者更低的低熔点填料分散到热固性树脂中。低熔点填料通过连接时的加热而熔化，由此可以将金属填料结合在一起，形成热导率高的金属连接部分。随后，剩下的树脂固化，形成树脂连接部分。因为用这种方法产生的传热板由金属连接部件和树脂连接部分构成，所以在金属连接时例如用焊料连接时产生的热应力问题，可以通过树脂连接部分的作用而得到缓解。结果，得到连接可靠性很好而散热特性极好的传热构造体。
在本发明中，先在发热部件和散热部件上形成隔热树脂图案；因此，在采用包含金属和树脂的导热材料的情况下，金属连接部分形成在发热部件和散热部件的没有隔热树脂的露出表面区域上，因为这部分表面区域由熔化金属浸润，而树脂连接部分形成在发热部件和散热部件的有隔热树脂的那部分未露出区域上，因为这部分区域没有由熔化金属浸润。因此，金属连接部分和树脂连接部分可以按照隔热树脂的图案形成在要求的位置。因而，通过在发热部件上温度高的而预先又没有形成隔热树脂的热点区域上形成金属连接部分，可以得到热高的导热性，由此可以改进散热特性，这样可以抑制温度的局部升高。
应当注意到，作为用在导热材料中的金属填料，可以采用热导率高的金属粉末，例如金、银、铜、锡和铝。作为用在导热材料中的低熔点填料，可以采用低熔点金属填料，例如合金锡-铋、铟-锡-铋、铟-铋、铟-锡、铅-锡以及金属铟。作为用在导热材料中的热固性树脂，可以采用环氧树脂、酚醛树脂、硅酮树脂等。其中，最好是固化温度低的可靠性好的环氧树脂。作为预先在发热部件和散热部件上用来形成图案的隔热树脂，可以采用聚酰亚胺、环氧树脂、酚醛树脂等。在这些树脂中，从可靠性观点出发，最好是聚酰亚胺树脂。加入到导热材料中的金属填料的量最好占体积的50％或者更多。这是因为要得到良好的热导率。由隔热树脂图案覆盖的面积百分数最好为连接表面总面积的60％或者更小。理由是如果超过60％，则总面积中由金属连接部分覆盖的部分降低，从而减少了导热性。连接时，加热的温度最好在150-200℃之间。
从下面的详细说明以及附图，可以更明显看出本发明上述的以及其他的目的和特征。
若干附图的简要说明图1是示出半导体器件上热点区域的视图；图2是横截面图，示出本发明传热构造体的结构；图3A-3E是横截面图，示出本发明的传热构造体制造方法的步骤；图4A-4D是横截面图，示出用隔热树脂形成图案的方法；图5是横截面图，示出用于进行评价的试验制品的结构；图6是横截面图，示出用于评价本发明的试验制品的结构；图7是横截面图，示出评价时作为比较例的试验制品结构；图8是截面图，示出本发明传热构造体的另一实施例。
本发明的详细说明下面参考示出本发明实施例的附图，详细说明本发明。图2是截面图，示出本发明的传热构造体10的结构。
在图2中编号1表示作为发热部件(边长为18mm的方形)的硅芯片(半导体器件)，在硅芯片1的连接表面(上侧表面)上用隔热树脂4形成图案，该树脂是聚酰亚胺树脂。编号2表示作为散热部件的散热器，该散热器具有散热片2a，并在散热器2的连接表面(下侧表面)上，用隔热树脂5形成图案，该树脂是聚酰亚胺树脂，该图案与绝热树脂部分4对准。
硅芯片1和散热器2通过传热板3彼此连接在一起。在都没有形成隔热树脂部分4和5的区域上，由金属将硅芯片1和散热器2彼此连接起来，由此便可形成金属连接部分3a，而在形成隔热树脂部分4和5的区域上，由树脂将硅芯片1和散热器2彼此连接在一起，便可形成树脂连接部分3b。
下面根据这种结构和上述的实用材料，说明传热构造体10的制造方法。图3A-3E是横截面图，示出该制造方法的步骤。
首先在硅芯片1(见图3A)的一个表面(连接表面)上，形成隔热树脂部分4的图案，另外在散热器2(见图3B)的一个表面(连接表面)上，形成隔热树脂部分5的图案。图4A-4D示出形成这种图案的方法。
在图4A-4D中，编号11表示底衬，下面将具体说明，该底衬可以是硅芯片1或者散热器2，在底衬11的一个表面上，涂上具有下述成份的光敏溶液，形成光敏溶液层12，然后将该光敏溶液层在100℃的温度下预先烘烤1小时(见图4A)。
(光敏溶液的成份)聚酰亚胺前体清漆聚酰亚胺前体 50份重量丙烯酸单聚物三羟甲基丙基三丙烯酸酯(trimethylolpropanetriacrylate) 10份重量光反应引发剂丙酮 2份重量在预烘烤后的光敏溶液层12上，形成掩模13，并用紫外线照射该层(见图4B)。然后用N-甲基-2-吡咯烷酮作显影液和异丙醇作冲洗液进行显影和冲洗(图4C)。最后，将形成图案的树脂在280℃温度下烘烤，以便将留下的聚酰亚胺前体转换成聚酰亚胺树脂14(隔热树脂部分4和5)(见图4D)。
在已经用这种方法形成隔热树脂4图案的硅芯片1连接表面上，涂上具有以下成份的包含金属填料和树脂(环氧树脂)的混合材料6(图3C)。应当注意到，金属填料加入到树脂(环氧树脂)中的量定为占体积的55％。
(金属填料的成份)锡-铋合金(平均粒度为8微米，熔点138℃)铜(镀银的粒子，平均直径为35微米)(锡-铋填料与铜填料的混合比为1∶1)树脂(环氧树脂)成份主成份1双酚型F环氧树脂(商品名称EXA-830LVP，由Dainippon Ink&ChemicalsInc公司制造) 50份重量主成份2萘型环氧树脂(商品名称HP-4032D，由DainipponInk&Chemicals Inc公司制造)50份重量固化剂酸酐(商品名称KRM-291-5，由Asahi Denka Co.，Ltd公司制造) 100份重量加速剂咪唑(商品名称1M2EZ，由Shikoku corp公司制造)0.1份重量将硅芯片1和散热器2叠置起来，使得隔热树脂部分4和5彼此相对对齐(图3D)。然后在150 ℃温度下将叠置件加热1小时，使硅芯片1和散热器2通过混合材料6彼此连接在一起(图3E)。
采用这种加热处理，可以通过一种机理得到传热板3，在这种机理中，烯-铋合金填料熔化，在熔化过程中，在均没有形成隔热树脂部分4和5的区域上，由于受到锡-铋合金的浸润而形成金属连接部分3a，该金属部分具有高的热导率，处于铜填料分散在烯-铋合金填料中的状态，而在形成隔热树脂部分4和5的区域上，由于没有受到金属的浸润，因而通过环氧树脂的固化形成树脂连接部分3b。在金属连接部分3a中，因为金属填料形成面接触，而不是点接触，所以导热率高。
硅芯片1和散热器2必须与熔点为200℃或者更低的金属填料形成良好的浸润关系，因此在浸润性差的情况下，需要在硅芯片1和/或者散热器2上加上预处理层例如镀金层等。
在具有这种结构的本发明传热构造体10中，具有金属连接部分3a和树脂连接部分3b的传热板3，采用包含金属填料和树脂的传热材料形成在金属芯片1和散热器2之间；因此在加热金属时形成的热应力可以由树脂连接部分3b降低，而且金属芯片1和散热器2之间的连接是很可靠的，而且传热构造体10在散热方面也是极好的，因为具有传热特性高的金属连接部分3a。
在本发明的传热构造体10中，可以通过控制隔热树脂4和5形成的图案，调节在传热板3中形成金属连接部分3a和树脂连接部分3b的位置。因此，可以选择性形成具有高热导率的金属连接部分3a，使其与硅芯片1的热点区域对准，由此可以抑制温度的局部升高，同时又可以达到有效的散热。
下面对本发明传热构造体10形成的试验制品，说明热特性的鉴定。
图5是截面图，示出用于鉴定的试验制品的结构。在图5中相同的编号表示与图2所示部件相同的部件。硅芯片1的电极(未示出)以及塑料底衬21的电极22通过突出部23彼此连接。该连接部分用树脂24密封。
制作试验制品，在这种制品中，由隔热树脂4和5形成的图案树脂覆盖的面积占总连接面积的百分数设定为80％、60％、40％、20％和0％(换言之，在隔热树脂4和5没有形成树脂图案的露出面积占总连接面积的百分数为20％、40％、60％、80％、100％)。应当注意到，金属填料或者在传热板3和隔热树脂部分4和5中所用的各种树脂是上述材料。
对由此制作的试验制品，测量传热的热阻值，结果在这样的试验制品上得到的很好的热特性，该热特性的值为0.04℃·cm2/W或者更低，在这种试验制品上由隔热树脂4和5的树脂图案覆盖面积的百分数为60％或者更小(换言之，树脂图案中没有隔热树脂4和5的露出面积的百分数为40％和更多)，而在另一些试验制品上，得到的热特性值超过0.04℃·cm2/W，在这种试验制品中由隔热树脂4和5形成的树脂图案占据的面积为80％(换言之，树脂图案中没有隔热树脂4和5的露出面积约为20％)。
对各个制备的试验样品进行温度周期测试(-25℃-125℃，100个周期)，以便在温度周期测试之后，测定热特性。在进行温度周期测试后的样品上，测量传热的热阻值，得到的结果是，对于由隔热树脂4和5形成的图案树脂覆盖面积百分数为60％和更低(换言之，在树脂图案中没有隔热树脂4和5的露出面积为40％或者更多大)的试验制品，其热特性值为0.04℃·cm2/W或者更低，相当于测试前的值，保持不变，而对于由隔热树脂4和5形成的图案树脂覆盖面积占80％(换言之，在树脂图案中没有隔热树脂4和5的露出面积为20％)的试验制品，则不能保持测试前的热特性值。
从上述结果可以看到，总的连接表面中，由隔热树脂4和5的图案树脂占据的面积百分数最好为60％和更低(换言之，总连接表面没有由隔热树脂4和5占据的露出表面最好定为40％或者以上)。
图6是截面图，示出本发明的用于鉴定的试验制品结构。在图6中，与图2相同的编号表示相同的部件。数字字母1a表示对应于配置在底衬21上硅芯片的CPU芯片1的热点区域(见图1)。该热点区域1a与其他部分相比产生更多的热量，因而达到更高的温度。在图6所示的试验制品中，在对应于热点区域的区域上，没有形成树脂4和5，所有传热板3的相应部分由金属连接部分3a构成，没有树脂连接部分3b。
图7是截面图，示出用于鉴定作比较例子的试验制品的结构。在图7中，与图2部件相同的部件用相同的编号表示。在图7所示的试验制品中，不考虑热点区域的位置而形成金属接连区域3a和树脂连接区域3b，即使在对应热点区域1a的区域上也形成树脂连接部分3b。
在图6和7所示的试验制品，总连接表面由树脂图案中隔热树脂4和5占据的面积百分数设定为60％或更低(换言之，总连接表面上由隔热树脂4和5的图案露出面积设定为40％或者更大)。金属填料以及用在导热板3和隔热树脂部分4和5中的各种树脂是上述材料。
在图6和7所示的各个制品的硅芯片1上，测量温度分布。在图6所示的试验制品中，最大温度差距为3.5℃，而在图7所示的试验制品中，温度最大差距为9.3℃。从上述结果可以看出，由于在对应于热点区域1a上只形成金属连接部分3a而没有形成隔热树脂4和5，所以可以在硅芯片1上得到小的温度差异。即，可以认为，由于将对应于热点区域1a的整部分传热板3形成为金属连接部分3a，所以抑制了温度的局部上升(加热点点区域1a的温度上升)，由此可以抑制硅芯片1上的温度差距。
应当注意到，上述实施例只是本发明的例子，本发明不限于该实施例。
图8是截面图，示出本发明另一实施例的传热构造体，在图8中与图6所示部件相同的部件用同样编号表示。在图8所示实施例的传热板3中，在对应于热点区域1a的区域是没有形成隔热树脂4和5的金属连接部分3a，而在除对应于热点区域1a外的区域上，具有形成在隔热部分4和5上的树脂连接部分3b。
尽管在这些实施例中，采用聚酰亚胺作隔热树脂4和5，但是还可以采用热固性树脂，例如环氧树脂和酚醛树脂。尽管在这些实施例中，在混合材料6中采用熔点为200℃和更低的锡-铋合金作金属填料，但是也可以采用从下面一组材料中选出的至少一种材料，这组材料包括锡-铋合金、铟-锡-铋合金、铟-铋合金、铟-锡合金、铅-锡合金以及金属铟。尽管在这些实施例中，在混合材料6中采用热导率良好的镀银的铜粉颗粒作金属填料，但除铜外，还可以采用其他金属例如金、银、锡和铝，为了提高与熔点为200℃或者更低的金属填料的浸润性，可以在金属填料的颗粒上进行表面处理，例如镀铜和镀银。尽管在这些实施例中，用环氧树脂作混合材料6中的热固性树脂，但是也可以采用其他种热固性树脂，例如酚醛树脂和硅酮树脂。
尽管在这些实施例中，将混合材料6涂在硅芯片1上形成图案的隔热树脂4部分上，但是混合材料也可以涂在散热器2上形成图案的隔热树脂部分5上，而且混合材料6还可以分别涂在硅芯片1和散热器2上的隔热树脂部分4和5二者上。
在本发明中，因为应用包含金属和树脂的导热材料来形成金属连接部件和树脂连接部件，所以可以缓解金属连接时形成的热应力问题，可以得到良好的连接可靠性，由此可以形成散热特性极好的传热构造体。
在本发明中，因为可以在散热板中的一个或者多个要求部分形成热导率很好的金属连接部分，所以在一定程度上可以抑制温度的局部升高。
权利要求
1.一种传热板，配置在发热部件和散热部件之间，从而将发热部件产生的热量传输到散热部件上，其中该传热板包括金属和树脂，并具有其相应金属含量彼此不同的许多区域。
2.如权利要求1所述的传热板，其特征在于，该许多区域的形状与热点区域形状和除热点区域外的其他区域的形状相同。
3.如权利要求1所述的传热板，其特征在于，该金属包括熔点为200℃或者更低的第一种金属和热导率比第一种金属高的第二种金属。
4.如权利要求3所述的传热板，其特征在于，该第一种金属是从一组金属中选出的金属，该金属包括锡-铋合金、铟-锡-铋合金、铟-铋合金、铟-锡合金、铅-锡合金以及金属铟。
5.如权利要求3所述的传热板，其特征在于，第二种金属是从一组金属种选出的金属，该组金属包括金、银、铜、锡和铝。
6.一种传热构造体，包括发热器件；散热部件；传热板，配置在发热部件和散热部件之间，由此可以将发热部件产生的热量传送到散热部件上，其中该传热板包括金属和树脂，并具有其相应金属含量彼此不同的许多区域。
7.如权利要求6所述的传热构造体，其特征在于，该发热部件具有其相应温度彼此不同的许多区域，发热部件温度较高的区域对应于金属含量较高的传热板区域。
8.如权利要求6所述的传热构造体，其特征在于，该发热部件具有其相应温度彼此不同的许多区域，发热部件温度较低的区域对应于金属含量较低的传热板的区域。
9.如权利要求6所述的传热构造体，其特征在于，该金属包括熔点为200℃或者更低的第一种金属和热导率高于第一种金属的第二种金属。
10.如权利要求9所述的传热构造体，其特征在于，该第一种金属选自一组金属，该组金属包括锡-铋合金、铟-锡-铋合金、铟-铋合金、铟-锡合金、铅-锡合金以及金属铟。
11.如权利要求9所述的传热构造体，其特征在于，第二种金属是从一组金属种选出的金属，该组金属包括金、银、铜、锡和铝。
12.一种制造传热构造体的方法，该传热构造体包括发热部件、散热部件、以及连接在发热部件和散热部件之间的传热板，从而可以将发热部件产生的热量传输到散热部件，该方法包括以下步骤在发热部件和散热部件的相应连接面上，用隔热树脂形成图案；在发热部件和/或者散热部件的已经用隔热树脂形成图案的相应连接表面上，涂上金属和树脂的混合物；以及将发热部件上形成的隔热树脂图案与散热部件上形成的相应隔热树脂图案对准，由此可以将发热部件、混合材料和散热部件热连接在一起。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，由隔热树脂形成的图案占据的面积百分数是发热部件和散热部件中各个连接表面总面积的60％或者更小。
14.如权利要求12所述的方法，其特征在于，将具有导热性的金属填料分散到热固性树脂中，由此得到混合材料。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，该金属填料包括熔点为200℃或者更低的第一种金属填料和其热导率高于第一种金属填料的第二种金属填料。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，该第一种金属选自一组金属，该组金属包括锡-铋合金、铟-锡-铋合金、铟-铋合金、铟-锡合金、铅-锡合金以及金属铟。
17.如权利要求15所述的方法，其特征在于，第二种金属是从一组金属种选出的金属，该组金属包括金、银、铜、锡和铝。
全文摘要
在作为发热元件的硅芯片连接表面上，用隔热树脂形成图案，在作为散热部件的散热器连接表面上，用隔热树脂形成图案，并使该图案与该硅芯片上形成的隔热树脂图案对准。然后通过传热板将硅芯片和散热器连接在一起。该硅芯片和散热片由金属连接在一起，从而在没有形成隔热树脂部分的区域形成金属连接部分，同时由树脂将硅芯片和散热器连接在一起，由此在形成隔热树脂部分的区域上形成树脂连接部分。
文档编号H01L23/373GK1738031SQ20041001147
公开日2006年2月22日 申请日期2004年12月31日 优先权日2004年8月19日
发明者德平英士, 伊达仁昭, 内田浩基, 石锅稔 申请人:富士通株式会社