專利名稱：降低材料界面的接觸熱阻的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的實施例通常涉及接觸熱阻領(lǐng)域，更具體地說，涉及在散熱器的配件之間生成化學鍵。
背景技術(shù)：
固體材料如銅或鋁一般比氣體如空氣的導熱效率高。材料的熱導率描述材料的導熱能力。純銅在零攝氏度的熱導率為386瓦特/米攝氏度(W/m℃)?？諝獾臒釋蕿?.024W/m℃。當兩片固體材料通過機械接合而結(jié)合在一起時，在結(jié)合面存在殘存空隙，這就要求熱量流經(jīng)表面光滑接觸部位的結(jié)合處并且跨過殘存空隙。在空隙區(qū)域，熱傳輸根據(jù)結(jié)合表面的具體設計而受到殘存氣體的熱導率或其不足的影響。在接觸平面區(qū)域，熱傳輸更受固體材料熱導率的支配。
圖1以100示出三種材料接合在一起的現(xiàn)有熱源/散熱器組件。參照圖1，熱源102與界面材料106結(jié)合。界面材料106通過機械接合與散熱器104結(jié)合。機械接合產(chǎn)生如150所示的殘存空隙和由此引起的間隙。熱流110的方向是沿著溫度分布變化在箭頭方向上遞減的溫度梯度從熱源102到散熱器104的方向。界面材料106具有厚度108。材料的熱阻與熱導率成反比。導熱系數(shù)高的材料如上述銅具有低熱阻。氣體如上述空氣具有高熱阻。在通過機械接合而接合在一起的兩個材料的界面，存在接觸熱阻。
圖2是熱阻204相對于界面材料厚度202的圖200。熱阻206與材料厚度202的線性變化表示當材料厚度在210(接觸熱阻)為零時的非零熱阻Rc208。如圖1所示的現(xiàn)有傳熱組件顯示圖2在208和210所示的接觸熱阻。接觸熱阻具有降低圖1中從熱源102傳到散熱器104的熱量的不良效果。
在分子級，接觸表面由于機械接合而實際上隔得非常遠。圖3以150示出現(xiàn)有的熱源/表面材料界面的原子級圖。熱源表面分子的分布如304所示。熱源表面分子304表示存在于圖1的表面112上的原子標度。界面表面分子的分布如302所示。界面表面分子302表示存在于圖1的表面114上的那些分子。
熱源表面分子304的價電子層310作為各自具有原子核的同心圓示出。類似地，界面表面分子302的價電子層308作為各自具有原子核的同心圓示出。熱源表面與界面材料表面之間是由間隙306限定的空隙312。間隙306阻止價電子層308接觸價電子層310。由于熱激勵熱源表面分子304不與界面材料表面分子203進行分子接觸，因此傳熱受到間隙308和空隙312的阻礙。接觸熱阻由材料之間的空隙和由此引起的間隙產(chǎn)生。
現(xiàn)有的傳熱組件依賴于相鄰材料結(jié)合表面的機械接合。再參考圖1，典型地，界面材料106比熱源102或散熱器104軟。當較軟的界面材料106壓入熱源102的表面112和散熱器104的表面118的不規(guī)則處時，實現(xiàn)機械接合。隨著時間的過去并且通過使用，機械接合會減弱和斷開。傳熱組件100的組件102、106和104之間的本已較高的熱阻206(圖2)會增加。該熱阻的增大會導致熱源102的工作溫度增高。從而，對所粘附電子設備(未示出)產(chǎn)生不利影響，并且危及到相關(guān)系統(tǒng)的使用年限。


通過參照用來闡述本發(fā)明實施例的下面描述和附圖，本發(fā)明可以得到更好的理解。在附圖中，本發(fā)明是作為例子來闡述的，并且不受其限制，其中，相同的標號表示類似的單元。
圖1是示出典型傳統(tǒng)熱源/散熱器組件的圖；圖2是示出作為界面材料厚度函數(shù)的熱阻的圖；圖3示出圖1所示的熱源/表面材料界面的原子級圖；圖4是示出根據(jù)本發(fā)明一個實施例的涉及在散熱器內(nèi)的表面/表面接觸形成化學鍵的方法的流程圖；圖5是示出根據(jù)本發(fā)明一個實施例的在材料之間進行化學鍵接的熱源/散熱器的圖；圖6示出圖5所示的熱源/表面材料界面的化學鍵接的原子級圖。
具體實施例方式
在下面的詳細描述中，對各種特定細節(jié)進行闡述。然而，應該理解，本發(fā)明的實施例可以不以這些特定細節(jié)來實施。在其它的例子中，為了不使對本描述的理解含糊不清，公知的電路、結(jié)構(gòu)和技術(shù)未被詳細示出。這些實施例被描述得足夠詳細從而使本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠?qū)嵤┍景l(fā)明。因此，下面詳細描述不是限制性的，并且本發(fā)明的范圍僅由所附權(quán)利要求限定。
在根據(jù)本發(fā)明實施例的散熱器組件內(nèi)，界面材料被化學鍵接到熱源材料和散熱器材料，從而降低了原先存在于其間的接觸熱阻。在各材料之間實現(xiàn)的化學鍵接根據(jù)用來制造熱源、界面材料和散熱器的材料的特性而可以是例如離子、共價或金屬鍵。在其他實施例中，可以使用其他類型的鍵，例如，極性、非極性、氫鍵、雙偶極、離子偶極和范德瓦爾斯鍵。在一些實施例中，可以在一個界面(例如，界面材料與散熱器之間的界面或者界面材料與熱源之間的界面)中形成多種類型的鍵。
在金屬和非金屬用于界面材料和一個相鄰層(即，熱源或散熱器)的實施例中，可以在界面材料與相鄰層之間形成離子鍵。
在非金屬均用于界面材料和一個相鄰層的實施例中，可以在界面材料與相鄰層之間形成共價鍵。
在金屬均用于界面材料和相鄰層的一個實施例中，可以在這些金屬之間形成金屬鍵。
在相鄰層之間形成的化學鍵通過增強前述的傳熱機制來提高相鄰層之間的傳熱。更具體地說，化學鍵通過原子在其正常位置附近的振動能量(晶格振動)和通過電子的自由流動所傳輸?shù)哪芰?當使用電子可以在原子之間自由流動的材料如銅時)來增強熱傳輸。
雖然上面描述了熱傳輸?shù)膽?，但是在其他實施例中，如上所述的化學鍵接可以用來在結(jié)構(gòu)之間形成可靠的粘附或粘合。例如，半導體管芯可以固定地粘附于連線襯底(例如，由半導體、陶瓷、聚合物等制成)。這些應用無需要求高傳熱特性。
化學鍵(尤其是離子、共價和金屬鍵)可以在材料之間形成強得多的“粘合”。另外，這些鍵在惡劣的環(huán)境條件下可以可靠得多。例如，在高溫度應用中，粘合劑可能軟化，膨脹或者降低“粘合性能”。在低溫度中，粘合劑可能收縮，變脆或者降低粘合性能。此外，粘合劑在溫度周期變化下可能減弱。相反，如上所述的化學鍵典型地將不退化(假如溫度沒有升高到斷開鍵-在大部分應用的典型工作條件下這是不可能的)。
圖4是示出用于在散熱器內(nèi)的接觸表面之間的界面處形成化學鍵的方法400的流程圖。該方法還可以用于除散熱器與熱源之外的相互粘附結(jié)構(gòu)，如需要較高粘合性能的應用。
在初始操作中，對用于傳熱組件內(nèi)的材料進行分類。例如，熱源材料和散熱器材料分類為金屬或非金屬。選擇界面材料或者選擇界面材料范圍。該操作在圖4中以方框402表示。
根據(jù)用于熱源/界面材料界面的材料，選擇兼容化學鍵(例如，共價、離子或金屬)用于熱源與界面材料之間的界面。例如，化學鍵應與散熱器組件材料以及組件可以暴露的容許處理條件相兼容。該操作在圖4中以方框404表示。
類似地，選擇兼容化學鍵(例如，共價、離子或金屬)用于散熱器與界面材料之間的界面。例如，化學鍵應該與散熱器組件材料以及組件可以暴露的容許處理條件相兼容，該操作在圖4中以方框406表示。
根據(jù)打算用于界面的鍵類型來處理散熱器材料表面。該操作在圖4中以方框408表示。類似地，與打算用于界面材料各側(cè)的化學鍵相一致地處理界面材料。例如，對散熱器表面進行蝕刻或清除，以去除雜質(zhì)和/或氧化物。在一些實施例中，在界面材料的兩側(cè)使用相同類型的鍵。在其他實施例中，在界面材料的一側(cè)使用的鍵不同于在界面材料的另一側(cè)使用的鍵。該操作在圖4中以方框410表示。
與打算用于熱源材料與界面材料之間的界面的鍵相一致地處理熱源材料表面。例如，可以對熱源表面進行蝕刻或清除，以去除雜質(zhì)和/或氧化物。該操作在圖4中以方框412表示。
傳熱組件的各部分在適當?shù)奶幚項l件下進行組合，以在各層之間(即熱源、界面材料和散熱器)生成所選的化學鍵。例如，處理條件可以包括在界面導入所選PH溶液和增高的溫度。該操作在圖4中以方框414表示。層間的化學鍵提供一種與使用機械接合的傳統(tǒng)散熱器組件相比可以有利提高熱導率的結(jié)構(gòu)(例如，通過大致上消除接觸熱阻并且增強振動能量傳輸和/或通過電子自由流動的能量傳輸)。
圖5示出在材料之間進行化學鍵接的熱源/散熱器組件500。參照圖5，熱源504化學鍵接到界面材料506。界面材料506化學鍵接到散熱器材料502。熱流510的方向如圖所示從熱源504到散熱器502。圖6以分解圖的形式示出以508(圖5)限定的樣本區(qū)域中進行本發(fā)明的化學鍵接之后的原子級界面結(jié)構(gòu)。
圖6示出熱源/表面材料界面的化學鍵接的原子級圖508。參照圖6，示出根據(jù)本發(fā)明若干實施例之一的、熱源表面分子604化學鍵接到界面材料表面分子602的相鄰層之間的界面。原先存在于表面之間的間隙306(圖3)已被本發(fā)明消除，從而增強熱源與界面材料之間的傳熱。
更具體地說，在本實施例中，化學鍵610存在于構(gòu)成熱源表面分子604的原子的價電子層608與構(gòu)成界面表面分子602的原子的價電子層606之間。在610得到的化學鍵接可以是離子、共價或金屬的。本發(fā)明不受哪種鍵存在于兩個相鄰層之間的限制。熱流的方向是沿著溫度梯度的箭頭612所示的方向，其中在箭頭612表示的方向上溫度分布遞減。從圖6可以看出，本發(fā)明提高了各層之間的界面的傳熱，并與存在于各層之間的傳熱模式無關(guān)。晶格振動和電子自由流動熱傳輸機制通過根據(jù)本發(fā)明講授的內(nèi)容所生成的化學鍵而得到改進。
消除熱源表面分子604與界面材料表面分子602之間的間隙使得相鄰原子的價電子層直接相互接觸。在其正常位置周圍振動的原子614由于原子晶格中相鄰原子616的連續(xù)性而激勵相鄰原子616。類似地，因為界面材料表面由于化學鍵接而被結(jié)合到原子晶格中，所以界面材料表面分子618以及分子620被激勵。
如果選擇用于熱源表面604和界面材料表面602的材料提供自由電子，如存在于金屬中的狀態(tài)，則由于在各層界面的分子價電子層例如616和618中共享電子而增強傳熱。本發(fā)明克服在圖3中以150表示且特征在于間隙306的現(xiàn)有鍵界面的問題，其中，間隙306禁止電子從304自由流到302，從而阻礙現(xiàn)有傳熱組件中的熱流動。
對于散熱器的應用，典型的熱源材料包括半導體材料，如硅和鍺，包括半導體材料的氧化物和氮化物(以及其他化合物)。典型的散熱器材料包括金屬如鋁和銅和碳材料如碳素纖維、碳化硅和石墨。根據(jù)本發(fā)明的實施例，界面材料是包括一種用作膠合或粘結(jié)材料以及用作填充材料的其他材料的化合物材料。在一些實施例中，膠合材料是聚合物材料如硅酮。在其他實施例中，可以使用其他適當材料。根據(jù)熱源和散熱器的材料，填充材料可以包括硼、銦、銀、銅和/或碳(該清單目錄不意味著已經(jīng)詳盡)。在這些實施例中，填充材料的一種或多種成分可以與熱源和散熱器的材料形成化學鍵。在一些實施例中，通過如圖5所示將散熱器、界面材料和熱源接觸然后對該結(jié)構(gòu)加熱，可以引起形成化學鍵的反應。另外，可以把基本溶液(例如，水性氫氧化鈉)導入到材料之間的界面中?？梢栽谝环N或多種材料中形成通道或孔隙以允許氣體(當形成化學鍵時會生成的)從界面漏出。
應該理解，結(jié)合附圖所述的方法可以用機器可執(zhí)行指令例如軟件來實施。這些指令可以用來使以這些指令編程的通用或?qū)Ｓ锰幚砥鲌?zhí)行所述操作。可選地，可以由包含用于執(zhí)行這些操作的硬連線邏輯的特定硬件組件或者由編程的計算機組件和定制硬件組件的任意組合來執(zhí)行操作。這些方法可以作為計算機程序產(chǎn)品來提供，它可以包括其上存儲有指令的機器可讀介質(zhì)，這些指令可以用來對計算機(或其他電子設備)編程以執(zhí)行這些方法。對本說明書而言，術(shù)語“機器可讀介質(zhì)”應包括能夠存儲或者編碼用于可由機器執(zhí)行且使機器執(zhí)行本發(fā)明任一種方法的指令序列的任何介質(zhì)。因此，術(shù)語“機器可讀介質(zhì)”應包括但不限于固態(tài)存儲器、光盤和磁盤以及載波信號。而且，在本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)，以一種形式或其它形式談到(例如，程序、過程、處理、應用、模塊、邏輯......)的軟件，普遍是指執(zhí)行操作或產(chǎn)生結(jié)果。這些表達只是由計算機執(zhí)行軟件使計算機處理器執(zhí)行操作或產(chǎn)生結(jié)果的簡稱。
雖然本發(fā)明是根據(jù)若干實施例來描述的，但是本發(fā)明的普通技術(shù)人員應知道本發(fā)明不限于所述實施例，而是同樣可以通過所附權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)的修改和變更來實施。因此，本描述被認為是示例性的，而不是限制性的。因此，所有這些變化和修改均包括由下面權(quán)利要求限定的本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種方法，包括在界面材料與熱源表面之間形成第一化學鍵；以及在界面材料與散熱器表面之間形成第二化學鍵，其中，熱量從熱源傳到散熱器。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，第一化學鍵從包括離子鍵、共價鍵和金屬鍵的組中選擇。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，第二化學鍵從包括離子鍵、共價鍵和金屬鍵的組中選擇。
4.一種方法，包括準備第一材料表面以進行化學鍵接；準備第二材料表面以進行化學鍵接；將第一和第二材料的表面粘附于界面材料，其中，在第一材料與界面材料的成分之間以及在第二材料與界面材料的成分之間形成化學鍵。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其中，界面材料包括膠合材料和填充材料。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其中，膠合材料包括硅酮，并且其中填充材料包括從包括硼、銦、銀、銅或炭的組中所選的至少一種成分。
7.如權(quán)利要求4所述的方法，其中，第一和第二材料分別是熱源和散熱器的一部分。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其中，熱源是半導體集成電路。
9.一種裝置，包括第一材料，具有第一表面；第二材料，具有第二表面；界面材料，粘附于第一和第二表面，其中，在第一材料與界面材料的成分之間以及在第二材料與界面材料的成分之間形成化學鍵。
10.如權(quán)利要求9所述的裝置，其中，界面材料包括膠合材料和填充材料。
11.如權(quán)利要求10所述的裝置，其中，膠合材料包括硅酮，并且填充材料包括從包括硼、銦、銀、銅或炭的組中所選的至少一種成分。
12.如權(quán)利要求9所述的裝置，其中，第一和第二材料分別是熱源和散熱器的一部分。
13.如權(quán)利要求12所述的裝置，其中，熱源是半導體集成電路。
全文摘要
一種散熱器組件，其中，界面材料化學鍵接到熱源材料和散熱器材料?；瘜W鍵接可以降低使用傳統(tǒng)粘合劑來將散熱器粘附于熱源所存在的接觸熱阻。在各材料之間實現(xiàn)的化學鍵接根據(jù)用來制造熱源、界面材料和散熱器的材料特性而可以是例如離子、共價或金屬鍵。
文檔編號H01L23/373GK1502669SQ0316030
公開日2004年6月9日 申請日期2003年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月26日
發(fā)明者P·高希, P 高希 申請人:英特爾公司