(57)【要約】  電子装置に使用される熱界面材であって、熱サイクルによる損傷を減少または防止するため熱界面材は相対的に高い熱流特性を有する半田とＣＴＥ変性成分を含む。熱界面材は、インジウムを含む活性半田、アルカリ金属、アルカリ土類金属、高融点金属、希土類金属、亜鉛ならびにこれらの混合物および合金からなる群から選ばれる内部酸素捕獲材からなる。最後に、熱サイクル応力による電子装置の損傷は電子機器装置の蓋に挿入物を使用することで減少され、挿入物はその熱膨張係数が蓋のおよその熱膨張係数と半導体基板のおよその熱膨張係数の間にあるものである。【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板結合用熱界面材であって、該熱界面材は約３５０℃未満のリフロー温度を有し、少なくとも約１５Ｗ／ｍｋの熱伝導度を有し、そして、本質的に：
ａ．  約３００℃未満の溶融温度を有する半田であって、該半田は本質的に：
ｉ．    インジウム、インジウム―錫合金、金―錫合金およびこれらの混合物からなる群から選ばれる結合成分；
ｉｉ．  所望により、少なくとも約１００Ｗ／ｍｋの熱伝導度を有する熱伝導度増進成分；および
ｉｉｉ．希土類金属、アルカリ金属、アルカリ土類金属、高融点金属、亜鉛ならびにこれらの混合物および合金からなる群から選ばれる内部酸素捕獲材からなり；および
ｂ．          約１０μｍ／ｍ℃未満の熱膨張係数を有するＣＴＥ変性成分、
からなることを特徴とする熱界面材。
【請求項２】
前記リフロー温度が約２５０℃未満でありそして少なくとも約２０Ｗ／ｍｋの熱伝導度を有する請求項１に記載の熱界面材。
【請求項３】
前記リフロー温度が約２００℃未満でありそして少なくとも約３０Ｗ／ｍｋの熱伝導度を有する請求項１に記載の熱界面材。
【請求項４】
前記結合成分がインジウムである請求項１に記載の熱界面材。
【請求項５】
前記ＣＴＥ変性成分が、酸化ベリリウム、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、炭化珪素、二酸化珪素、銅―タングステン合金、低膨張  鉄―ニッケル合金、低膨張セラミック粉、低膨張ガラス粉およびこれらの混合物からなる群から選ばれる請求項１に記載の熱界面材。
【請求項６】
前記半田が熱界面材の容量で約３０％から約９０％であり、ＣＴＥ変性成分は熱界面材の容量で約１０％から約７０％である請求項１に記載の熱界面材。
【請求項７】
前記半田が熱界面材の容量で約５０％から約９０％であり、ＣＴＥ変性成分は熱界面材の容量で約１０％から約５０％である請求項１に記載の熱界面材。
【請求項８】
前記熱伝導度増進成分が銀、銅、金ならびにそれらの混合物および合金からなる群から選ばれる請求項１記載の熱界面材。
【請求項９】
前記アルカリ金属はリチウム、ナトリウム、カリウムならびにこれらの混合物および合金からなる群から選ばれるものであり、前記アルカリ土類金属はマグネシウムおよびカルシウムならびにこれらの混合物および合金からなる群から選ばれるものであり、前記高融点金属はチタン、ジルコニウム、ハフニウム、タンタル、バナジウムおよびニオブならびにこれらの混合物および合金からなる群から選ばれるものであり、前記希土類金属はランタン、セリウム、プラセオジム、サマリウム、ネオジウム、ヨーロピウム、ガドリニウム、テルビウム、ジスプロシウム、イットリウムならびにこれらの混合物および合金からなる群から選ばれることを特徴とする請求項１記載の熱界面材。
【請求項１０】
前記結合成分はインジウムまたはインジウム−錫合金であり、そして前記高融点金属の半田における合計の濃度は約１０重量％未満であり、前記希土類金属の半田における合計の濃度は約５重量％未満であり、そして前記アルカリ金属、アルカリ土類金属および亜鉛の合計の濃度は約２０重量％未満である請求項１記載の熱界面材。
【請求項１１】
前記結合成分が金−錫合金であり、前記半田中の高融点金属の合計濃度は約５重量％未満であり、高融点金属は約３％未満であり、アルカリ金属、アルカリ土類金属および亜鉛の合計の濃度は約１０重量％未満である請求項１記載の熱界面材。
【請求項１２】
基板結合のための熱界面材であって、該熱界面材は金と、錫、珪素、ゲルマニウムならびにその混合物および合金からなる群から選ばれる第２の金属、および、希土類金属、アルカリ金属、アルカリ土類金属、高融点金属、亜鉛ならびにこれらの混合物および合金からなる群から選ばれる内部酸素捕獲材とからなることを特徴とする熱界面材。
【請求項１３】
前記半田は約７５から約８５重量％の金および約１５から約２５重量％の錫からなり、または前記半田は少なくとも約９０重量％の金および約１％から約５重量％の珪素からなり、または前記半田は少なくとも約８０％重量％の金および約５から１５重量％のゲルマニウムからなる請求項１２に記載の熱界面材。
【請求項１４】
前記半田中の高融点金属の合計の濃度は約５重量％未満であり、前記高融点金属の合計の濃度は約３重量％未満であり、前記アルカリ金属、アルカリ土類金属および亜鉛の合計の濃度は約１０重量％未満である請求項１３に記載の熱界面材。
【請求項１５】
基板結合用熱界面材であって、該熱界面材は約３００℃未満のリフロー温度を有し、少なくとも約１５Ｗ／ｍＫの熱伝導度を有し、該熱界面材は、本質的に：
インジウム、約０．１から約２重量％のチタンおよび約０．１から約２重量％のミッシュ（misch）金属から本質的になる半田であり、半田の濃度は熱界面材の容量で約３０％から９０％の範囲にある；そして
酸化ベリリウム、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、炭化珪素、二酸化珪素、銅―タングステン合金、低膨張  鉄―ニッケル合金、低膨張セラミック粉、低膨張ガラス粉およびこれらの混合物からなる群から選ばれるＣＴＥ変性成分であって、熱界面材濃度は、熱界面材の容量で約１０％から約７０％の範囲にある、からなる熱界面材。
【請求項１６】
基板結合用熱界面材であって、該熱界面材は約３５０℃未満のリフロー温度を有し、少なくとも約１５Ｗ／ｍＫの熱伝導度を有し、該熱界面材は、本質的に：
インジウム、約１重量％のチタンおよび約０．２重量％のミッシュ（misch）金属から本質的になる半田であり、半田の濃度は熱界面材の容量で約３０％から約９０％の範囲にある；そして
酸化ベリリウム、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、炭化珪素、二酸化珪素、銅―タングステン合金、低膨張  鉄―ニッケル合金、低膨張セラミック粉、低膨張ガラス粉およびこれらの混合物からなる群から選ばれるＣＴＥ変性成分であって、ＣＴＥ変性成分濃度は、熱界面材の容量で約１０％から約７０％の範囲にある、
からなる熱界面材。
【請求項１７】
外部フラックス処理することなしに約３００℃未満の温度で金属および非金属表面を湿潤する活性半田であって、該活性半田はインジウム、インジウム−錫合金、金−錫合金およびそれらの混合物からなる群から選ばれる結合成分、アルカリ金属、アルカリ土類金属、高融点金属、希土類金属、亜鉛並びにこれらの混合物および合金からなる群から選ばれる内部酸素捕獲材からなるものである活性半田。
【請求項１８】
前記結合成分がインジウムまたはインジウム−錫合金であり、前記高融点金属の合計の濃度が約１０重量%未満であり、前記希土類金属の合計の濃度が約５重量%未満であり、そして前記アルカリ金属、アルカリ土類金属および亜鉛の合計の濃度が約２重量%未満である請求項１７に記載の活性半田。
【請求項１９】
前記結合成分がインジウムまたはインジウム−錫合金であり、前記内部酸素捕獲材が約０．５から約２重量％のチタンおよび約０．１から約２重量％のメッシュ金属である請求項１７に記載の活性半田。
【請求項２０】
前記結合成分がインジウムまたはインジウム−錫合金であり、前記内部酸素捕獲材が約１重量％のチタンおよび約０．２重量％のメッシュ金属である請求項１７に記載の活性半田。
【請求項２１】
前記結合成分が金−錫合金からなり、金−錫合金は約７７から約８３重量％の金および約１７から約２３重量％の錫からなり、そして前記半田中の高融点金属の合計の濃度は約０．５から約１．５重量％であり、前記アルカリ金属の合計の濃度は約０．１から約０．５重量％であり、前記アルカリ土類金属の合計の濃度は約０．１から約０．５重量％であり、前記亜鉛の合計の濃度は約０．１から約０．５重量％である請求項１７に記載の活性半田。
【請求項２２】
ａ．  前面と後面を有する半導体基板；
ｂ．半導体基板の前面にある電子機器；
ｃ．前面と後面を有するヒートシンク部品；および
ｄ．半導体基板の後面をヒートシンク部品の前面に結合する熱界面材であって、該熱界面材は約３５０℃未満のリフロー温度を有し、少なくとも約１５Ｗ／ｍＫの熱伝導度を有し、そして融点が約３００℃未満の半田と約１０μｍ／ｍ℃未満の熱膨張係数を有するＣＴＥ変性成分から本質的になり、
ここで、該半田は、
ｉ．    インジウム、インジウム−錫合金、金−錫合金およびこれらの混合物からなる群から選ばれる結合成分；
ｉｉ．  所望により少なくとも約１００Ｗ／ｍＫの熱伝導度を有する熱伝導度増進成分；および
ｉｉｉ．希土類金属、アルカリ金属、アルカリ土類金属、高融点金属、亜鉛並びにこれらの混合物および合金からなる群から選ばれる内部酸素捕獲材から本質的になる半田である、
からなる電子機器装置。
【請求項２３】
前記ＣＴＥ変性成分が約８μｍ／ｍ℃未満の熱膨張係数を有する請求項２２記載の電子機器装置。
【請求項２４】
前記熱界面材が容量で約３０％から約９０％の半田および容量で約１０％から約７０％のＣＴＥ変性成分からなることを特徴とする請求項２２記載の電子機器装置。
【請求項２５】
前記熱界面材が容量で約５０％から約９０％の半田および容量で約１０％から約５０％のＣＴＥ変性成分からなることを特徴とする請求項２２記載の電子機器装置。
【請求項２６】
前記熱界面材は、リフロー温度が約２５０℃未満であることを特徴とする請求項２２記載の電子機器装置。
【請求項２７】
前記熱界面材は、リフロー温度が約２００℃未満であることを特徴とする請求項２２記載の電子機器装置。
【請求項２８】
前記熱界面材はバルクの熱伝導度が少なくとも約２０Ｗ／ｍＫであることを特徴とする請求項２２記載の電子機器装置。
【請求項２９】
前記熱界面材はバルクの熱伝導度が少なくとも約３０Ｗ／ｍＫであることを特徴とする請求項２２記載の電子機器装置。
【請求項３０】
前記電子機器装置がその半導体基板後面と熱界面材の間における界面熱伝達係数が、約５０Ｗ／ｃｍ２℃より大であることを特徴とする請求項２２記載の電子機器装置。
【請求項３１】
前記電子機器装置がその半導体基板後面と熱界面材の間における界面熱伝達係数が、約５００Ｗ／ｃｍ２℃より大であることを特徴とする請求項２２記載の電子機器装置。
【請求項３２】
前記ＣＴＥ変性成分が、酸化ベリリウム、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、炭化珪素、二酸化珪素、銅―タングステン合金、低膨張  鉄―ニッケル合金、低膨張セラミック粉、低膨張ガラス粉およびこれらの混合物からなる群から選ばれる請求項２２記載の電子機器装置。
【請求項３３】
前記熱伝導度増進成分が銀、銅、金ならびにそれらの混合物および合金からなる群から選ばれる請求項２２記載の電子機器装置。
【請求項３４】
前記アルカリ金属はリチウム、ナトリウム、カリウムならびにこれらの混合物および合金からなる群から選ばれるものであり、前記アルカリ土類金属はマグネシウムおよびカルシウムならびにこれらの混合物および合金からなる群から選ばれるものであり、前記高融点金属はチタン、ジルコニウム、ハフニウム、タンタル、バナジウムおよびニオブならびにこれらの混合物および合金からなる群から選ばれるものであり、前記希土類金属はランタン、セリウム、プラセオジム、サマリウム、ネオジウム、ヨーロピウム、ガドリニウム、テルビウム、ジスプロシウム、イットリウムならびにこれらの混合物および合金からなる群から選ばれることを特徴とする請求項２２記載の電子機器装置。
【請求項３５】
前記半田はインジウム、約０．５％から約２重量％のチタンおよび約０．１から約２重量％のミッシュ金属を本質的に含むことを特徴とする請求項２２記載の電子機器装置。
【請求項３６】
前記半田はインジウム、約１重量％のチタンおよび約０．２重量％のミッシュ金属を本質的に含むことを特徴とする請求項２２記載の電子機器装置。
【請求項３７】
前面と後面を有する半導体基板；
半導体基板の前面にある電子機器；
前面、後面および挿入物を収納する凹所を有する蓋；
前記挿入物は、蓋の凹所に嵌合する大きさと形状を有し、挿入物は前面、後面、蓋と接する表面および熱膨張係数が蓋のおよその熱膨張係数と半導体基板のおよその熱膨張係数との間の熱膨張係数を有し；および
半導体基板の後面を少なくとも挿入物の前面の一部分に結合する第１の熱界面材、
からなる電子機器装置。
【請求項３８】
前記蓋の凹所は蓋の前面から蓋の前面と後面の間の点まで内部へ伸びている請求項３７記載の電子機器装置。
【請求項３９】
前記蓋の凹所が蓋の前面から蓋の後面へ伸びている請求項３７記載の電子機器装置。
【請求項４０】
前記挿入物が蓋への圧縮成形による請求項３７記載の電子機器装置。
【請求項４１】
前記半導体基板の後面の全面が第１の熱界面材により挿入物の全面に結合する請求項３７記載の電子機器装置。
【請求項４２】
全面と後面を有する熱交換器；および
熱交換器の全面の少なくとも一部を蓋の後面に結合するための第２の熱界面材からなる請求項３７記載の電子機器装置。
【請求項４３】
前記第２の熱界面材は挿入物の後面を熱交換器の全面に結合する請求項４２記載の電子機器装置。
【請求項４４】
前記半導体基板が珪素からなり、前記蓋は銅からなり、前記熱交換器はアルミニウムからなり、前記挿入物は酸化ベリリウム、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、炭化珪素、二酸化珪素、銅―タングステン合金、低膨張  鉄―ニッケル合金、低膨張セラミック粉、低膨張ガラス粉およびこれらの混合物からなる群から選ばれるものからなり、そして前記第１と第２の熱界面材はインジウム、錫、金、ビスマス、鉛、珪素、ゲルマニウム、銅、銀、リチウム、ナトリウム、カリウム、マグネシウム、カルシウム、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、タンタル、バナジウム、ニオブ、ランタン、セリウム、プラセオジム、サマリウム、ネオジウム、ヨーロピウム、ガドリニウム、テルビウム、ジスプロシウム、亜鉛ならびにこれらの混合物および合金からなる群から選ばれる半田を含む請求項４２記載の電子機器装置。
【請求項４５】
前記第１と第２の熱界面材が、酸化ベリリウム、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、炭化珪素、二酸化珪素、銅―タングステン合金、低膨張  鉄―ニッケル合金、低膨張セラミック粉、低膨張ガラス粉およびこれらの混合物からなる群から選ばれるＣＴＥ変性成分を含む請求項４４記載の電子機器装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
熱界面材（thermal  interface  material、ＴＩＭｓ）はマイクロプロセッサーのような能動型（active）半導体機器の操作温度限界を超えることから保護するのに重要である。
【背景技術】
【０００２】
これらは過剰な熱障壁を作ることなしに発熱機器（たとえば、シリコン半導体）をヒートシンク（heat  sink）や熱拡散器に結合するのを可能とする。ＴＩＭはまたヒートシンクまたは熱拡散機器の総括的な熱抵抗路を構成する他の部品組み立てにも使用され得る。
【０００３】
小さな熱障壁の形成はＴＩＭの重要な性質である。熱障壁はＴＩＭを通過する有効熱伝導度により表されることができ、可能な限り高いほうが好ましい。ＴＩＭの有効熱伝導度は主として界面熱伝達係数（interfacial  heat  transfer  coefficient）および（内部（intrinsic））ＴＩＭの体積（bulk）熱伝導度による。特定の用途、たとえば：二つの材料を結合させる際の熱膨張応力を緩和する能力（“コンプライアンス（compliance）”とも称する）、熱サイクルの間、安定である機械的に堅固な結合を形成する能力、湿度と温度変化に対する感受性の欠如、製造の可否およびコストに依存して多様な他の性質はＴＩＭには重要である。
【０００４】
たとえば、熱グリース、熱ゲル、接着剤、エラストマー、熱パッドおよび相変化材料等のいくつかの分類の材料がＴＩＭとして現在使用されている。前述のＴＩＭは現在の多くの半導体機器には適当ではあるが、近い将来の半導体機器の高性能化には現在知られているＴＩＭは適当ではない。特に現在のＴＩＭの熱伝導度は一般には約５Ｗ／mＫを超えず、そして典型的には約１Ｗ／mＫより低い。しかし約１５Ｗ／mＫの有効熱伝導度を有する熱界面を構成するＴＩＭはすぐに必要とされるであろう。
【０００５】
前述のＴＩＭのひとつの代替は熱界面層として働くインジウムまたは他の低融点合金からなる固体金属シートまたはプリフォームである。金属ＴＩＭは高い熱伝導度の値を有する（たとえばインヂウム・シートで約８０Ｗ／mＫ）。金属ＴＩＭは低い熱インターフェース抵抗を促進するリフロー時の好ましい半田または湿潤機能を示すこともできる。リフローの間、半田と基板は加熱され、半田は表面張力および／または局所表面アロイ化（alloying）により融解し湿潤する。界面は、しばしばバルクのＴＩＭの界面よりも望ましくないがしかし現存の（ポリマーを基礎とする）ＴＩＭよりはずっと良い熱的性質の合金（intermetallic）または相互拡散金属（interdiffused  metal）からなる。多くの場合金属ＴＩＭは信頼性ある熱界面を形成するためにリフローに供される必要がある。金属ＴＩＭはしかし、ＴＩＭと半導体および／またはヒートシンク部品との熱膨張係数（ＣＴＥｓ）の間には大きな差があるためにまたコンプライアンス不足のために一定の用途には適用することができない。
【０００６】
発明の要約
本発明はヒートシンクのインターフェースに対する半導体機器の性能を改良する材料、方法および設計に関し、かくして電子機器（発熱する）からの放熱を増進するものである。本願発明の目的と特徴には、それ故、高い熱伝導度（たとえば約１５Ｗ／mＫよりも高い）を有するＴＩＭの提供；高い界面熱伝達係数（すなわち、約５０Ｗ／cm２℃よりも高い）を有するＴＩＭの提供；半導体機器とヒートシンク部品との中間的な熱膨張係数（ＣＴＥ）を有し、それにより半導体基板またはヒートシンク部品から分離しないようになるかまたは半導体基板を損傷しないようにするＴＩＭの提供；応力破壊を誘起する熱サイクリングへの抵抗が改良されたＴＩＭの提供；湿度変化への抵抗が増大したＴＩＭの提供；温度変化への提供が増大したＴＩＭの提供；能動（電子）機器の損傷温度よりも低い温度でヒートシンク部品や半導体機器に結合するＴＩＭの提供；フラックス（flux）を使用しないで半導体基板やヒートシンク部品への結合を可能とするＴＩＭの提供（すなわち、ＴＩＭは好ましくはフラックスなしかまたはアクチブ（active）な半田からなる）；そして能動型半導体機器の製造過程に容易に互換できるＴＩＭの提供がある。簡単には全体の性質と界面の性質が熱移動と信頼性に最適のＴＩＭが提供される。
【０００７】
概略は、それ故、本願発明は半田とＣＴＥ変性剤からなる熱界面材を目的とする。
【０００８】
本発明はまた、外部フラックスなしに約３００℃よりも低い温度で湿潤する活性半田（active  solder）であり、該活性半田はインジウム、とアルカリ金属、アルカリ土類金属、高融点金属、希土類金属および亜鉛ならびにこれらの混合物および合金からなる群から選ばれる内部酸素捕獲剤からなる。
【０００９】
さらに、本発明は外部フラックスなしに約３００℃よりも低い温度で湿潤する活性半田であり、該活性半田は約８０重量％の金、および約２０重量％の錫、およびアルカリ金属、アルカリ土類金属、高融点金属、希土類金属および亜鉛ならびにこれらの混合物および合金からなる群から選ばれる内部酸素捕獲剤からなる。
【００１０】
その上、本発明は、前面と後面を有する半導体基板；半導体基板前面上の電子機器；前面と後面を有するヒートシンク部品；および半導体基板の後面をヒートシンク部品の前面に結合させる熱界面材からなる電子機器装置であり、熱界面材は半田と熱膨張係数が約１０μｍ／ｍ℃よりも小さいＣＴＥ変性成分からなる。
【００１１】
本発明はまたは、前面と後面を有する半導体基板；半導体基板の前面上の電子機器；前面、後面と挿入物を収容する凹所とを有する蓋；挿入物は蓋の凹所に収まる大きさと形状を有し、挿入物は前面、後面、蓋に接する面を有し、蓋のそれと半導体基板のそれとの間の熱膨張係数を有し；そして半導体基板の後面を少なくとも挿入物の前面の一部に結合させる第１の熱界面材からなる電子機器装置である。
【００１２】
発明の詳細な説明
電子機器の性能向上はしばしば電力消費の増大と機器サイズの縮小を伴い、それは独立してまたは互いに協力して電力密度の増大をもたらしている。それゆえ、操作電気機器からの放熱を増大させてその機器の常用温度限界よりも低く維持しなければならない。本発明は電子機器の放熱を増大させる高性能ＴＩＭ材と方法および半導体をヒートシンク  界面に対して改良する設計を目的とする。
【００１３】
１．高性能熱界面材
Ａ．高い有効体積熱伝導度
高性能ＴＩＭはＴＩＭを基板に結合させる半田を含む。本明細書で用語“基板”はＴＩＭで他の基板に接合される半導体および／またはヒートシンク部品および／または他の物品、機器、装置等をいう。熱加工されるとき、ＴＩＭは能動型（電子）機器の損傷温度よりも低い温度（たとえば、好ましくは約３５０℃、好ましくは約２５０℃、より好ましくは約２５０℃よりもそれぞれ低い温度で）で基板に結合するべきである。半田は能動型機器の損傷温度よりも低い温度で融解しそして固化するとＴＩＭと基板の間に化学的および／または機械的結合を形成させる。一般には半田は約３００℃、好ましくは約２２５℃、より好ましくは約１７０℃よりもそれぞれ低い温度でそしてさらに好ましくは約１６０℃と約１１５℃の間で溶融する。
【００１４】
半田はＣＴＥ調整を必要とする通常の半田材料を含む（下記参照）。たとえば、半田は鉛、ビスマス、錫、金、銀、金−錫、金−珪素、金−ゲルマニウム等からなることができる。好ましくは半田は通常のＴＩＭ材（約５Ｗ／ｍＫより低い）と比較して低融点で相対的に高い熱伝導度を有する結合成分を含む。たとえば、インジウム（融点は約１５５℃で、熱伝導度は約８０Ｗ／ｍＫ）、錫（融点は約２３０℃で、熱伝導度は約７０Ｗ／ｍＫ）ならびにこれらの混合物および合金である。特に好ましい態様では、結合成分はインジウムを本質的に含み、それは低融点であるためと有機フラックスを使用することなく多くの酸化物、セラミックスおよびサーメット（cermet）を容易に湿潤させる能力があるためである（下記参照）。
【００１５】
ＴＩＭからの放熱をさらに増大させるために、ＴＩＭはまた熱伝導増進成分を含むことができる。熱伝導増進成分は好ましくは約１００W／ｍＫを超える熱伝導度を有する。例示の熱伝導度増進成分材料は熱伝導度がそれぞれ約４２５Ｗ／ｍＫ、約４００Ｗ／ｍＫおよび３１５Ｗ／ｍＫである銀、銅および金を含む。これらの金属は典型的には相対的に高融点である（たとえば、銀の融点は約９６０℃、銅は約１，０８５℃そして金は約１，０６５℃である）。
【００１６】
Ｂ．界面熱伝達係数（Interfacial  Heat  Transfer  Coefficient）
高伝導度材を選択してＴＩＭからの放熱を増大させることに加えて（すなわち、ＴＩＭの内部（intrinsic）熱抵抗を減少させて）、熱源から基板への放熱の有意の改善は界面における熱伝達係数を増大させることにより実現する。事実、このような界面における熱流の抵抗はＴＩＭの抵抗より約二桁まで大となり得る。低い界面熱伝達係数の第１の原因はしばしば基板とＴＩＭとが密接な接触にならない界面領域を形成するからである。このようにしてかかる領域は絶縁材のような働きをして熱源から放散する熱流を減少させる。界面を通過する熱移動が減少する第２の理由は、より高い熱抵抗を示す種々の合金相の存在である。好ましくはＴＩＭの界面熱伝達係数は約５０Ｗ／cm２℃よりも高くそしてより好ましくは約５００Ｗ／cm２℃よりも高い。
【００１７】
典型的には、半導体（または金属化半導体）とヒートシンクを結合するのに使用されるＴＩＭは、結合過程を活性化させてＴＩＭを表面に湿潤させるためにＴＩＭ、半導体基板およびヒートシンク部品の表面から酸素を除く機械的および／または化学的フラックスを必要とする。化学的フラックスは典型的には約３００℃より低い温度で通常の半田で機器を結合させる際に使用される。典型的な化学フラックスは、加熱により活性化し表面酸化物を除去する化合物からなる。しかし、フラックス材料のいくつかは界面領域の絶縁ポケットまたは空隙を逃れないし形成しない、さらに／または機器操作に害を及ぼす残渣を形成しない。
【００１８】
１．活性半田（active  solder）
本発明に従うと、ＴＩＭ（半田を含む）は好ましくは外部フラックス処理（extrinsic  fluxing）（たとえば機械的フラックス処理ならびに有機および無機フラックス化合物を要しない）を必要としない。むしろ、本発明のＴＩＭの半田は結合成分と合金化されるまたは混合される内部酸素捕獲剤（intrinsic  oxygen  getter）により好ましくは活性化される。内部酸素捕獲剤は酸素に対して結合成分よりも活性なために結合成分−酸素化合物の形成が抑止されるかまたは最小限に止められる。例示として内部酸素捕獲剤には、アルカリ金属（たとえばＬｉ、Ｎａ、およびＫ）、アルカリ土類金属（たとえばＭｇ、Ｃａ）、Ｚｎ、高融点金属（たとえば、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｖ、およびＮｂ）、希土類金属（たとえばＬａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、ＤｙおよびＹｂ）ならびにこれらの混合物および合金（たとえば、約５０重量％Ｃｅ、約２２％Ｌａ、約１８％Ｎｄ、約％６Ｐｒおよび約０−約４％のＹｂ、Ｓｍ、Ｇｄ、Ｅｕ、ＴｂおよびＤｙの組成の混合金属（misch  metal）がたとえばＵＳＡ、マサチューセッツ、ワードヒルのアルファ  エーサーから市販されている）。好ましくは高融点金属の半田における合計濃度は約１０重量％未満、希土類金属の合計濃度は約５%未満およびアルカリ、アルカリ土類および亜鉛の合計濃度は約２０重量％未満である。
【００１９】
半田と熱伝導度増進成分における配合の相対量や材料の選択は、結合する材料の性質、必要な有効熱伝導度および特に適用する用途における最高結合温度に依存する。そのうえ、材料の選択は、材料の値段、リサイクルの容易さを含む他の要因に依存し、また同様に硬度、弾性率、延性、合金層形成、耐腐食性、熱膨張係数、クリープ抵抗への影響および酸化物形成等の重要なハンダ性質に対する総括的な影響にも依存する。
【００２０】
好ましい態様において、活性半田は、インジウム、チタンおよびミッシュ（misch）金属からなり、実質的に約１５０℃を超えて溶融してコンプライアント（compliant）だが高いＣＴＥ合金を与える。好ましくはそれは約０．５から約２重量％のＴｉおよび約０．１から約２．０重量％のミッシュ金属からなり、残りはＩｎである。より好ましくは約１重量％のＴｉおよび約０．２重量％のミッシュ金属からなり残りはＩｎである。非常に低レベルの界面欠陥を有する半田付けされたこのようなコンプライアントなＴＩＭは熱サイクルの結果として界面破壊を起こす可能性は少ない（以下参照）。
【００２１】
また他の好ましい態様では活性半田は典型的にはサブマウント（sub-mount）に取り付けるかまたはファイバー光学機器に固定するのに使用される相対的に低いＣＴＥ（約１３−約１４μｍ）を有する剛直な金ベースの半田である。典型的には金―錫合金には金と錫の濃度は、それぞれ、約７５から約８５重量％と約１５から約２５重量％の範囲である。金−珪素合金では、金の濃度は少なくとも約９０％であり珪素の濃度は約１から約５重量％の範囲である。金―ゲルマニウム合金では、金の濃度は少なくとも約８０％であり、そしてゲルマニウムの濃度は約５から約１５重量％の範囲である。相対的に低い融点またはリフロー温度にするには半田組成は好ましくは共融組成に近づける（たとえば組成は共融組成の約±３重量％の範囲内にある）。共融組成は約８０Ａｕ―２０Ｓｎ、約９７Ａｕ―３Ｓｉおよび約８８Ａｕ―１２Ｇｅである。共融金−錫合金に近いものは特に好ましい、なぜならば約２８０℃を超えて溶融するからである。これらの金ベースの半田は酸化性が優位に少ない物質を含むので、内部酸素捕獲材を必要とすることは少ない。特に内部酸素捕獲材の濃度は好ましくはインジウム基材の半田のそれの約半分である。好ましくは半田中の高融点金属の合計濃度は約５重量％未満であり、希土類金属の合計濃度は約３重量％未満であり、そしてアルカリ、アルカリ土類および亜鉛約１０重量％未満である。より好ましくは高融点金属の合計濃度は約０．５から約１．５重量％であり、希土類金属の合計濃度は約０．０１から約０．５重量％であり、アルカリ金属の合計濃度は約０．１から約０．５重量％であり、アルカリ土類金属の合計濃度は約０．１から約０．５重量％であり、そして亜鉛の合計濃度は約０．１から約０．５重量％である。これらの低いＣＴＥ合金は、熱サイクルの結果として半導体／半田界面で非コンプライアントな高いＣＴＥ合金よりもまた損傷する可能性は低い（次を参照）。
【００２２】
外部フラックス処理の必要性をなくすことに加えて、活性半田と活性半田からなる熱界面材は、例示されるがこれらに限らないＳｉ、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、ならびにＩＩ―ＩＶ  およびＩＩＩ−Ｖ  半導体の非金属表面を濡らすことができる。この結果、例示されるがこれらに限られないＡｕ、Ａｕ／Ｎｉ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｓｎおよびこれらの組み合わせの湿潤金属化は半田付け／結合処理操作前に、このような非金属表面に堆積するのは必要とされない。非金属表面に結合するというこの能力により優位な材料と方法の長所が得られる。
【００２３】
本発明のＴＩＭと活性半田は約３００℃未満、好ましくは約２００℃未満の温度における熱処理に特に適している。しかし本発明のＴＩＭと活性半田は、より効果的な湿潤性付与のために（たとえばより短い湿潤時間となるよう）高い温度で（たとえば約５００℃よりも高温で）熱処理することができる。
【００２４】
界面の厚み方向の放熱が臨界的である箇所で半田付け工程を改良することに加えて、前述の活性半田は特に光学電子機器（opto-electronic）の製造に有用である。特に、能動型光学電子機器はレーザー光を発生（lasing）する。もしも光線が化学フラックスの有機残渣に当たるならば、レーザー光は容易に残渣を炭素化し、それは機器を不能とする。フラックスを使用しない半田付け工程の採用は、このような潜在的な損傷機構の危険を回避する。
【００２５】
活性半田は、不活性な坩堝の中で行う溶融かまたはアーク溶融による溶融のような可能な不活性溶融方法により形成される。系は排気されそしてアルゴンのような非反応性ガスで充填される。金属は好ましくは約１０００℃以上に加熱され合金成分が確実に溶解される。溶融合金は鋳込みかまたは成形され、冷却の間サブミクロンの合金沈積が形成される。しばしば冷却した合金は機械加工され、ＴＩＭ製造に使用されるために線、テープまたはプリフォームの形状とされる。
【００２６】
２．ＣＴＥ  ミスマッチ
ＴＩＭからの増進した放熱を維持する他の方法は、電子機器の全寿命の間、界面領域における緊密接触の劣化を防止することである。特に電子機器における種々の部品の熱膨張係数の違いは界面領域の部分的または完全分離に至る熱サイクリングによる応力を発生させる。シリコン、ゲルマニウム、ゲルマニウム  ヒ化物、カドニウム硫化物およびインジウム  アンチモニー化物などの典型的な半導体材料、画像およびファイバー光学レーザー用途のためのソリッド・ステートのエミッターを含む発光ダイオード材料（たとえばＩｎ/Ａｓ/ＧａＡｓおよびＩｎＡｓ/Ａｌ/Ｓｂ）に比較すると高い熱熱膨張係数を有する材料からなるＴＩＭに、この問題は特に深刻である。典型的には結合成分材料と熱伝導度増進成分材料は約１６μｍ/ｍ℃よりも大なＣＴＥを有し基板材料は約１０μｍ/ｍ℃未満のＣＴＥを有する。
【００２７】
本発明のＴＩＭは好ましくはＣＴＥ変性成分を含むことによりＣＴＥが不釣合いになるという不都合が生じることによる影響を最小限とする。ＣＴＥ変性成分は、基板とより相溶し、それにより熱サイクルの際、熱応力を減少させるＣＴＥを有する。ＣＴＥ変性成分は好ましくは約１０μｍ/ｍ℃未満、そしてより好ましくは約８μｍ/ｍ℃未満のＣＴＥを有する。例示として、ＣＴＥ変性成分材料は、酸化ベリリウム（約８．８μｍ/ｍ℃）、酸化アルミニウム（約６．５−７．０μｍ/ｍ℃）、窒化アルミニウム（約４．２μｍ/ｍ℃）、炭化珪素（約４．０μｍ/ｍ℃）、二酸化珪素（約０．５μｍ/ｍ℃）、銅―タングステン合金（約５．６μｍ/ｍ℃）、一般的にＫＯＶＡＲまたはＩＮＶＡＲと称される低膨張  鉄―ニッケル合金（約５．２μｍ/ｍ℃から約６．０μｍ/ｍ℃）および低膨張セラミックまたはガラス粉（約−１．０μｍ/ｍ℃から約９．０μｍ/ｍ℃）およびこれらの混合物を含む。本発明の好ましい態様としてＣＴＥ変性成分は低膨張の鉄−ニッケル合金からなる、なぜならばそれは低いかまたは負のＣＴＥを有し、容易に湿潤されて半田合金に合体され、比較的高い熱伝導度を有し、そしてそのために合金化後の加工（圧延や押し出し）に良く適合することとなる比較的高い延性を有するからである。多分ＴＩＭと基板の間のＣＴＥ不釣合いは約５μｍ/ｍ℃と約３０μｍ/ｍ℃の間である。より好ましくはＴＩＭと基板の間のＣＴＥ不釣合いは約５μｍ/ｍ℃と約２０μｍ/ｍ℃の間である。さらに好ましくはＴＩＭと基板の間のＣＴＥ不釣合いは約１０μｍ/ｍ℃未満である。もっとも好ましくはＴＩＭは特定用途の望ましいＣＴＥミスマッチに合わせて調整される。
半田とＣＴＥ変性成分の量は特定用途に依存するが、ＴＩＭは好ましくは半田容量の約３０％から約９０％であり、ＣＴＥ変性成分の容量の約１０％から約７０％である。より好ましくはＴＩＭは半田の容量の約５０％から約９０％からなり、ＣＴＥ変性成分の容量の約１０％から約５０％からなる。
【００２８】
Ｃ．ＴＩＭの製造方法―ＣＴＥの最適化
本発明の高性能ＴＩＭはいかなる適用可能な方法により製造されそして基板に適用され得る。たとえば、ＣＴＥ変性成分の粒子は半田および／または熱伝導度増進成分と配合され複合化ＴＩＭを形成する。複合化ＴＩＭは典型的には圧延されて薄いシート状のプリフォームとなる（たとえば０．２５ｍｍ厚み未満）。熱界面を形成するためにＴＩＭプリフォームは加熱され、溶融の間基板に接触し冷却、固化、結合する。他の方法は、結合成分および／または熱伝導度増進成分からなり、開口され（たとえばパンチやエッチングで）、そこにはＣＴＥ変性成分が充填されている望みの厚さの箔またはメッシュを使用することである。たとえば、六角形の開口を有するインジウム基材の箔が酸化ベリリウムで充填され得る。銅箔やメッシュの場合にはインジウムのような結合成分で被覆される（ディッピングやメッキで）。適当な拡散障壁成分（たとえば、ニッケル、チタンまたは他の遷移金属）が溶融／結合過程の間インジウム中へ銅が急速に溶解するのを防止するために必要とされることができる。追加の方法は、結合成分および／または熱伝導度増進成分からなりＣＴＥ変性成分（たとえば、９０％理論密度）で充填されているスポンジの使用である。もし必要ならばスポンジは望みの厚みになるよう薄いシート状に切断することができる。
典型的には、ＣＴＥ変性成分粒子はリフローの間結合成分との結合を確実にするために半田で前湿潤（“pre-wet”）をする。特にＣＴＥ変性成分粒子はメッキ、熱スプレー、真空沈積または還元方法などの適当な方法で半田の薄層で被覆される。
【００２９】
ＩＩ．  ＣＴＥ  ミスマッチ抵抗半導体基板／ヒートシンク界面
本発明はまた半導体基板とヒートシンク部品を結合して界面を改良することを目的とし、かくして改良された界面はＴＩＭと基板間のＣＴＥのミスマッチの好ましくない影響を減ずるかまたは除去する。このようにして改良された界面はＣＴＥミスマッチの臨界的領域を増加させる。
さて図１を参照して、電子機器の装置１の典型的な半導体／ヒートシンク配列は、前面３と後面４を有する半導体基板２からなり、前面に配置する電子機器（図示せず）、半導体基板の後面４を前面７を有するヒートシンク部品６に結合する第１の熱界面材５、ヒートシンク部品は後面９と前面１０を有する熱交換器８からなり、所望により後面１２と前面１３を有する蓋１１を具備する。もしも所望の蓋１１が含まれるならば、第２の熱界面材１４は蓋の後面１２を熱交換器の前面１０に結合する。本発明に従い、上述の高性能の熱界面材は、典型的な電子機器の装置における基板と蓋との間の、また蓋と熱交換器の間のＣＴＥミスマッチの補償をするのに使用される。
【００３０】
図２を参照して、本発明は、前面と後面を有する半導体基板および半導体基板前面の電子機器（図示せず）を具備する電子機器の装置である。装置はまた蓋１１を有し、それはまた凹所に適合する寸法と形状を有する挿入物を収納する凹所を具備する蓋を有する。この態様では凹所は蓋の前面から蓋の前面と後面の間の点まで内部に伸びている。挿入物は前面１７、後面１８および蓋と接触する表面１９を具備する。電子機器の装置はさらに基板２の後面を挿入物の前面１７に結合する第１の熱界面材５を具備する。好ましくは装置は蓋の後面１２を熱交換器１８に結合する第２の熱界面材１４を具備する。挿入物は蓋のＣＴＥがマッチするよりも基板のＣＴＥにはるかに良くマッチするＣＴＥを有する熱応力開放材を具備する（次を参照）。他の方法を述べると、挿入物のＣＴＥは蓋のＣＴＥと基板のＣＴＥの間にある。それゆえ、第１の熱界面材は、基板と蓋の間のより大きいＣＴＥミスマッチよりもむしろ挿入物と蓋の間の相対的に小さいＣＴＥミスマッチに適合さえすれば良い。その結果、もっとも大きいＣＴＥミスマッチは典型的には挿入物／蓋の間の界面であり、そして挿入物のＣＴＥは典型的には蓋のそれよりも小さいので、挿入物は蓋の中に圧縮して装着されることができる。
【００３１】
さて図３を参照して、凹所１５は蓋１１を通過して伸びることができ（すなわち、凹所は蓋の前面から後面へ伸びる）、そして同様に挿入物１６は蓋１１を完全に貫通することができる。その結果、第２の熱界面材１４はまた挿入物１６を熱交換器８にまた結合する。
＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊
【００３２】
上述の観点から本発明のいくつかの目的が成就されることが理解される。本発明の範囲を逸脱することなく上述の組成および方法を変形することができ、上述の記載に含まれる全てのものは説明として解釈されて限定的には解釈されないものである。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】通常の半導体機器／ヒートシンク配列の断面図である。
【図２】本発明の半導体機器／ヒートシンク配列の一実施態様の断面図である。
【図３】本発明の半導体機器／ヒートシンク配列の一実施態様の断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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