電子器件及其制造方法

專利名稱：電子器件及其制造方法
技術領域：
本文中討論的實施方案涉及電子器件和制造電子器件的方法。
背景技術：
隨著電子裝置的性能提高和尺寸減小，將半導體芯片以裸芯片的形式表面貼裝在電路板上，以便以高的密度提供結合在電子裝置中的電子部件。例如，將半導體芯片以倒裝芯片方式安裝在電路板上。高性能的以倒裝芯片方式安裝的半導體芯片產生大量的熱。因此，例如，經由設置在半導體芯片上方的熱界面材料( Μ)來設置由高熱導率的材料如銅構成的散熱片。半導體芯片與散熱片之間的距離短，從而有效地冷卻熱的半導體芯片。可以使用包括樹脂和熱導體(填料)如碳納米管(以下稱為“CNT” )的導熱樹脂作為TM。可以使用通過在填充有多個第一 CNT的樹脂層的底部分散多個第二 CNT而形成的片構件作為使用CNT的導熱樹脂。相關的技術在日本專利第4036742號和日本公開特許公報第2003-69187、2004-165586,2007-165149 和 2011-96832 號中公開。在導熱樹脂用作TIM的情況下，由于當在導熱樹脂上安裝散熱器時施加的溫度和壓力，所以導熱樹脂的樹脂組分熔化并且流動到周圍區域。因此，使導熱樹脂的熱導體和散熱器彼此熱接觸。然而，當安裝散熱器時，由于散熱器的不平坦表面或散熱器的凹凸(undulation)，所以導熱樹脂可能保留在熱導 W/m*K)。因此，如果樹脂保留在熱導體與散熱器之間的接觸界面中，則樹脂層用作熱阻，散熱特性可能劣化。在使用通過在填充多個第一 CNT的樹脂層的底部分散多個第二 CNT而形成的片構件作為TIM的情況下，當散熱器安裝到半導體器件上時，導熱樹脂中的第一 CNT與第二 CNT接觸，形成從半導體器件到散熱器的導熱路徑。如果散熱器的安裝條件如加熱溫度和壓力不合適，則第二 CNT可能隨著樹脂組分的流出而流出。結果，在半導體器件上方的第二 CNT的密度變得小于在外圍中的第二 CNT的密度，從而使散熱特性劣化。

發明內容
根據實施方案的一個方面，一種電子器件包括:半導體器件；設置在半導體器件上方的、包括熱導體和樹脂的導熱樹脂；設置在導熱樹脂上方的、待與熱導體熱接觸的線形碳件；以及設置在線形碳件上方的、包括具有導熱樹脂的凹部的散熱器。提供一種通過包括在導熱樹脂中的熱導體將熱從半導體器件高效率地傳導到散熱器的電子器件，并且提供一種用于制造電子器件的方法。借助于在權利要求中具體提出的元件和組合，可以實現和獲得本發明的目的和優點。
應當理解，上述總體描述和以下詳細描述都是例示和解釋本發明，而非限制要求保護的本發明。


圖1示出一個示例性電子器件；圖2A和圖2B示出一個示例性散熱器；圖3A和圖3B示出一個用于制造電子器件的示例性方法；圖4A和圖4B示出一個用于制造電子器件的示例性方法；圖5A和圖5B示出一個用于制造電子器件的示例性方法；圖6示出一個示例性電子器件；圖7A和圖7B示出一個示例性散熱器；圖8示出一個示例性電子器件；圖9A和圖9B示出一個示例性散熱器；圖10示出一個示例性電子器件；以及圖1lA和圖1lB示出一個示例性散熱器。
具體實施方式
圖1示出一個示例性電子器件。圖1所示的電子器件包括設置在電路板I上方并且通過多個釬焊凸點2電連接到電路板I的半導體器件3、設置在半導體器件3上并且包括CNT 10和樹脂11的導熱樹脂4、設置在導熱樹脂4上并且與CNT 10熱接觸的線形碳件5以及設置在線形碳件5上并且包括填充有樹脂11的凹部7的散熱器8。可以使用粘合劑9將散熱器8固定到電路板I上。在電路板I中，在由例如玻璃陶瓷、玻璃環氧樹脂或雙馬來酰亞胺三嗪(BT)樹脂構成的襯底的兩個表面上形成有包含Cu的布線圖案。布線圖案通過通路孔彼此電連接。在與多個釬焊凸點2相對應的位置處設置有電極焊墊，作為布線圖案的一部分。在圖1中可能沒有示出布線圖案、通路孔和電極焊墊。半導體器件3可以是例如通過在硅襯底上形成集成電路(IC)而獲得的半導體芯片。半導體芯片在集成電路的操作期間通過通電而產生熱。可以使用其中半導體芯片用例如密封樹脂、陶瓷或玻璃密封(封裝)的半導體封裝件作為半導體器件3。導熱樹脂4可以用作將在半導體器件3中產生的熱傳導到散熱器8的 Μ。可以使用的導熱樹脂4的一個實例是CNT片。CNT片可以是包括被設置成彼此分開的多個CNT10作為熱導體的樹脂片。多個CNT 10沿著片厚度方向例如沿著與片表面相交的方向取向。多個CNT 10被形成為其中CNT 10緊密成束的狀態。沿著片厚度方向的CNT 10的端部可以彼此纏繞。在CNT 10之間的間隙中填充有樹脂11，并且CNT 10由樹脂11支撐。樹脂11可以包含通過加熱而熔化的材料。樹脂11可以是例如熱塑性樹脂或熱固性樹脂如環氧樹脂。例如，可以使用熱熔性樹脂作為熱塑性樹脂。聚酰胺熱熔性樹脂的實例可以包括由Henkel Japan Ltd.制造的“Micromelt 6239”(軟化點:140°C )。聚酯熱熔性樹脂的實例可以包括由NOGAWA CHEMICAL C0.，Ltd.制造的“DH 598B”(軟化點:133°C )。聚氨酯熱熔性樹脂的實例可以包括由NOGAWA CHEMICAL C0.，Ltd.制造的“DH 722B”。聚烯烴熱熔性樹脂的實例可以包括由MATSUMURA OIL C0.，Ltd.制造的“EP-90” (軟化點:148°C )。包含乙烯共聚物的熱熔性樹脂的實例可以包括由NOGAWACHEMICAL C0., Ltd.制造的“DA574B” (軟化點:105°C )。苯乙烯-丁二烯橡膠熱熔性樹脂的實例可以包括由YokohamaRubber Company, Limited制造的“M-6250” (軟化點:125°C )。乙烯-醋酸乙烯共聚物熱熔性樹脂的實例可以包括由Sumitomo 3M Limited制造的“3747”(軟化點:104°C )。丁基橡膠熱熔性樹脂的實例可以包括由Yokohama RubberCompany, Limited制造的“M-6158”。包含高熱導率的填料作為熱導體的散熱片可以用作導熱樹脂4。分散在樹脂中11中的填料的實例包括元素金屬如Au、Ag、Cu、Pt、Pd、Pb、Sn、Fe、Zn、Al、Cr或Ti ;合金如Fe-Ni合金、不銹鋼、釬料、鈹銅、青銅、磷青銅或黃銅；以及通過對碳顆粒或陶瓷顆粒的表面進行例如金屬涂覆的處理而獲得的導電粒子。線形碳件5可以是設置在導熱樹脂4和散熱器8之間并且與包括在導熱樹脂4中的CNT 10熱接觸的構件。線形碳件5可以是例如CNT或碳纖維。當CNT用作線形碳件5時，CNT可以具有例如約IOnm至30 μ m的直徑以及例如約10 μ m至3mm的長度。CNT可以各自為單壁CNT (單壁碳納米管(SWNT))或多壁CNT (多壁碳納管(MWNT))。散熱器8對半導體器件3進行冷卻。散熱器8通過導熱樹脂4在寬面積內吸收半導體器件3中產生的熱，并且將熱消散到周圍的氣氛中。散熱器8也可以由厚度為例如約5mm至15mm并且包含Cu或Al的材料構成。用于將散熱器8固定到電路板I上的粘合劑9可以是例如有機密封劑。圖2A和圖2B示出一個示例性散熱器。圖2A是散熱片的俯視圖。圖2B是沿著圖2A所示的虛線A-A’得到的截面圖。如圖2B所示，在散熱器8的內壁中形成有多個凹部7。如圖1所示，多個凹部7可以形成在散熱器8和導熱樹脂4彼此接合的區域中。每個凹部7的開口的寬度可以小于線形碳件5的長度，使得在 供給線形碳件5時，線形碳件5不容易進入凹部7。例如，凹部7可具有約ΙΟμπι至ΙΟΟμπι的寬度和約50μπι的深度。彼此相鄰的凹部7之間的距離可以是例如約100 μ m或更大。圖2A和圖2B所示的凹部7的形狀是棱柱，但也可以是圓柱、橢圓柱或多邊形棱柱。可以使用形成為線形的槽作為凹部7。凹部7可以通過根據散熱器8的材料和待形成的凹部7的形狀和尺寸從濕法蝕刻、干法蝕刻、模制、切削和壓制中選擇合適的方法來形成。圖3A和圖3B、圖4A和圖4B以及圖5A和圖5B示出一種用于制造電子器件的示例性方法。在圖3A至圖5B中，可以省略在電路板I中的布線圖案和通路孔。制備包括在其內壁中形成的凹部7的散熱器8，并且用線形碳件5覆蓋凹部7的開口 6在散熱器8中的一部分。如圖3A所示，為了覆蓋開口 6，制備通過將用作線形碳件5的CNT分散在溶劑中而獲得的分散液12。分散液12的溶劑可以是具有聞CNT分散性并且在分散之后具有良好干燥性能的溶劑。溶劑的實例包括乙醇、異丙醇(IPA)、甲苯、甲基乙基酮(MEK)^K (H2O)和N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)。分散液12可以根據CNT的分散性而具有低濃度，并且該濃度可以是例如約
0.lwt%至0.3wt%。如果分散液12的濃度小于0.lwt%，則可以重復進行旋涂以實現期望的覆蓋率。覆蓋率被定義為覆蓋有線形碳件5的開口部6的面積相對于在凹部7中的開口6的面積的比例。如果分散液12的濃度大于0.3wt%，則可能引起CNT之間的聚集。例如，利用分配器，將分散液12滴落到散熱器8的形成有凹部7的表面上。使用旋轉涂布機等對滴落的分散液12進行旋涂。如圖3A和圖3B所示，在旋涂中，線形碳件5被物理地吸附到散熱器8的內壁的表面上，開口部6的一部分被線形碳件5覆蓋。在旋涂過程中，通過調整分散液的濃度和旋涂的旋轉數來控制供給的線形碳件的量。因此，可以實現期望的覆蓋率。在線形碳件的長度大于在凹部中的開口的寬度的情況下，線形碳件不容易進入凹部。因此，線形碳件可以設置在凹部中的開口上。如圖4A所示，利用在半導體器件3與電路板I之間的釬料凸點2將半導體器件3安裝在電路板I上。如圖4B所示，在安裝在電路板I上方的半導體器件3上設置通過在樹脂11中嵌ACNT 10獲得的導熱樹脂4。在導熱樹脂4被設置到半導體器件3上之后，任選地在載荷下對導熱樹脂4進行熱處理，以將導熱樹脂4接合到半導體器件3。如圖5A所示，向電路基板I上施加用于固定散熱器8的粘合劑9，然后將其中線形碳件5已經物理地吸附到其上的散熱器8安裝在導熱樹脂4上。例如，可以將散熱器8安裝在導熱樹脂4上，使得 覆蓋有線形碳件5的表面朝向導熱樹脂4。當安裝散熱器8時，可以在沿著從散熱器8到半導體器件3的方向在散熱器8上施加載荷的同時進行熱處理。施加到散熱器8上的載荷可以是例如約0.25Pa。可以通過例如在195°C下進行回流約10分鐘等來實施熱處理。如圖5B所示，通過熱處理，導熱樹脂4熔化，然后沿著散熱器8的內壁的表面延伸的方向流動。同時，導熱樹脂4的一部分通過彼此相鄰的線形碳件5之間的間隙流入到凹部7中。通過該過程，去除了在CNT 10和線形碳件5之間的樹脂11，并且使CNT 10與線形碳件5彼此接觸。因此，形成了如下導熱路徑:其中，熱從用作熱源的半導體器件3通過CNTlO和線形碳件5被傳導至散熱器8。流到凹部7中的導熱樹脂4可以是樹脂11或包含CNT 10或線形碳件5的材料。在形成多個凹部7的情況下，所有凹部7可以不是必須都填充有導熱樹脂4。凹部7中的每一個可以不是必須完全填充有導熱樹脂4。當導熱樹脂4流到凹部7中時，由于導熱樹脂4的流動而施加的壓力不僅可以沿著散熱器8的內壁的表面延伸的方向施加，而且可以沿著凹部7的深度方向施加。由于凹部7形成在散熱器8的內壁中，所以由于流動而產生的壓力也沿著散熱器8的深度方向施力口。因此，許多線形碳件5可以保持覆蓋開口 6的一部分的狀態。由于導熱樹脂的流動，減少了在半導體器件的上方存在的線形碳件流出到外圍。因此，降低了半導體器件上方存在的線形碳件的密度與在外圍中存在的線形碳件的密度相比的減少量。由于用線形碳件覆蓋形成在散熱器中的凹部中的開口的一部分，所以線形碳件起優先使導熱樹脂的樹脂組分通過的過濾器的作用。可能保留在散熱器和熱導體之間的樹脂通過過濾器而被選擇性地引導到凹部。因此，即使散熱器具有不平坦的表面或散熱器本身具有凹凸，但是在散熱器和熱導體之間保留的樹脂量減少，從而提高了半導體器件的散熱特性。由于線形碳件5和導熱樹脂4的熱導體彼此接觸，所以覆蓋開口 6的線形碳件5的優選覆蓋率取決于熱導體的類型。當使用CNT作為熱導體時，線形碳件5的覆蓋率取決于CNT在導熱樹脂4中的取向狀態并且可以是例如約1%至80%。考慮到穿過線形碳件5之間的間隙的樹脂11的滲透性，線形碳件5的覆蓋率可以是例如約10%至50%。如果覆蓋率小于10%，則長度比凹部7的寬度小的線形碳件5容易以高的概率進入凹部7。因此，保留在散熱器8和CNT 10之間的導熱樹脂4的量有時沒有減少。如果覆蓋率大于80%，則線形碳件5之間的間隙的面積減少，因此作為導熱樹脂4的樹脂組分的樹脂11被引入凹部7中的量減少。結果，保留在散熱器8與CNT 10之間的導熱樹脂4的量有時沒有降低。圖6不出一個不例性電子器件。圖7A和圖7B不出一個不例性散熱器。圖7A和圖7B所示的散熱器18可以包括在圖6所示的電子器件中。圖7A是散熱片18的俯視圖。圖7B是沿著圖7A所示的虛線B-B ’截取的截面圖。如圖7A和圖7B所示，形成在散熱器18的內壁中的凹部17中的每一個具有如下形狀:開口 16的尺寸隨著深度增加而減小。如圖1所示，在凹部7中存在空氣。因此，當安裝散熱器8時，樹脂11通過線形碳件5之間的間隙進入凹部7，同時凹部7內部的空氣通過線形碳件5之間的間隙排出到外部。因為當樹脂11進入時產生的壓力被施加給凹部7內部的空氣，所以空氣被排出。形成在圖7B所示的散熱器18的內壁中的凹部17具有如下形狀:開口 16的尺寸隨著深度增加而減小。形成在散熱器18的內壁中的凹部17的形狀沿著與樹脂進入的方向不相同的方向引導空氣。因此，可以容易地去除凹部17內部的空氣。圖7A和圖7B示出的凹部17具有圓錐狀的形狀，但可以具有棱錐體狀或紡錘狀的形狀。圖8不出一個不例性電子器件。圖9A和圖9B不出一個不例性散熱器。圖9A和圖9B所示的散熱器28包括在圖8所示的電子器件中。圖9A是散熱器28的俯視圖。圖9B是沿著圖9A所示的虛線C-C’得到的截面圖。如圖8、圖9A和圖9B所示，形成在散熱器28的內壁中的凹部是線形槽(直線槽)27。由于散熱器的凹部是線形槽27，所以凹部的開口 26的面積和凹部的體積增加，從而與單獨形成的凹部相比，可以將大量的樹脂引導到線形槽27中。因此，根據可以保留在熱導體和散熱器之間的樹脂的量，可容易地調整槽的長度和槽之間的距離。用于設置線形槽的方法可包括如下方法:線形槽被設置成其間以某一距離保持平行；以及，如圖9A所示，線形槽被設置成使得開口部26從散熱器的中心以徑向方式延伸。以徑向方式設置的線形槽也具有將空氣從散熱器的中心引導到外圍的通氣槽的功能。因此，槽中的空氣可以容易地沿著從散熱器的中心向外部的方向排出。圖10示出一個示例性電子器件。圖1IA和圖1lB示出一個示例性散熱器。圖1lA和圖1lB所示的散熱器38可以包括在圖10所示的電子器件中。圖1lA是散熱器38的俯視圖。圖1lB是沿著圖1lA所示的虛線D-D’得到的截面圖。如圖1lA和圖1lB所示，形成在散熱器38的內壁中的凹部包括通孔37。由于形成在散熱器38的內壁中的凹部包括通孔37，所以導熱樹脂從開口 36進入通孔37，同時在通孔37中的空氣從在相對側上的散熱器38的開口排出。因此，增加了導熱樹脂的流動性，并且在較低的壓力下用導熱樹脂填充凹部。因此，容易用導熱樹脂填充凹部。圖10、圖1 lA和圖1lB所示的散熱器38的所有的凹部都包括通孔。例如，可以在其中樹脂很容易保持在熱導體與散熱器之間并且凹部內部的空氣的排出相對困難的散熱器的中心部分附近形成通孔。可以在凹部的某些周期上形成通孔。如上所述，某些凹部可以是通孔。當某些凹部包括通孔時，可以縮短沿著厚度方向在散熱器中形成孔的時間。當凹部的某些周期上形成有通孔時，可以在考慮通孔的制造精密度例如與通孔之間的距離有關的制造限制的情況下制造熱散器。例如，形成在散熱器中的凹部之間的距離不一定相等。可以根據凹部在散熱器中的位置來適當地設定凹部的寬度和深度。本文中所敘述的所有的實例和限制性的語言意在教導的目的，以幫助讀者理解本發明和由發明人為促進本領域而提出的概念，并且應被解釋為不限于這些具體陳述的實例和條件，在本說明書中的這些實例的組織也不涉及本發明的優勢和劣勢的示出。雖然已經詳細描述了本發明的實例，但是應當理解，可以在不脫離本發明的精神和范圍的條件下做出多種改變、替換和變 更。
權利要求
1.一種電子器件，包括: 半導體器件； 設置在所述半導體器件上方的導熱樹脂，所述導熱樹脂包括熱導體和樹脂； 設置在所述導熱樹脂上方的線形碳件，所述線形碳件待與所述熱導體熱接觸；以及 設置在所述線形碳件上方的散熱器，所述散熱器包括具有所述導熱樹脂的凹部。
2.根據權利要求1所述的電子器件， 其中所述線形碳件覆蓋所述凹部的開口的一部分。
3.根據權利要求1所述的電子器件， 其中所述線形碳件以分散的方式設置在所述導熱樹脂和所述散熱器之間。
4.根據權利要求3所述的電子器件， 其中所述樹脂覆蓋所述散熱器的朝向所述半導體器件的表面中比其中分散有所述線形碳件的區域更大的區域。
5.根據權利要求1所述的電子器件， 其中所述凹部的開口的寬度小于所述線形碳件的長度。
6.根據權利要求1所述的電子器件， 其中所述凹部包括具有如下形狀的孔:所述形狀中開口的尺寸隨著所述凹部的深度增加而減小。
7.根據權利要求1所述的電子器件， 其中所述凹部是線形槽。
8.根據權利要求1所述的電子器件， 其中所述凹部是通孔。
9.根據權利要求1所述的電子器件， 其中對于所述凹部的開口的面積，所述線形碳件的覆蓋率是10%至50%。
10.一種制造電子器件的方法，包括: 在半導體器件上設置包括熱導體和樹脂的導熱樹脂； 用線形碳件覆蓋形成在散熱器中的凹部的開口的一部分；以及通過將覆蓋有所述線形碳件的所述散熱器壓靠所述導熱樹脂來用所述導熱樹脂填充所述凹部。
11.根據權利要求10所述的方法， 其中所述凹部的至少一部分是通孔。
12.根據權利要求11所述的方法，還包括: 用所述樹脂從所述通孔的一個開口填充所述通孔；以及 從所述通孔的另一開口排出空氣。
全文摘要
本發明涉及電子器件及其制造方法。所述電子器件包括半導體器件；設置在所述半導體器件上方的導熱樹脂，所述導熱樹脂包括熱導體和樹脂；設置在所述導熱樹脂上方的線形碳件，所述線形碳件待與所述熱導體熱接觸；以及設置在所述線形碳件上方的散熱器，所述散熱器包括容納所述導熱樹脂的凹部。
文檔編號H01L21/56GK103227157SQ20121047761
公開日2013年7月31日 申請日期2012年11月21日 優先權日2012年1月25日
發明者山口佳孝, 巖井大介, 作山誠樹, 水野義博, 乘松正明, 崎田幸惠, 淺野高治, 廣瀬真一, 八木下洋平 申請人:富士通株式會社