JP2006058000A - 接合シリコン部品及びその製造方法 - Google Patents

接合シリコン部品及びその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 ヒートパイプとチップの間に接合部を有する従来の異種材料間の熱膨張係数の違いに起因する熱応力を減じてヒートパイプと電子部品の性能と耐用寿命を向上する。
【解決手段】シリコン製の一対のハウジング部材２４、２６と、ハウジング部材の間に配置されるシリコン共融層４３を含む接合部４２とから構成されるヒートパイプハウジング組立体。
【選択図】 図１

Description

本発明はシリコン部品を接合するためのヒートパイプに関し、特にシリコン製ハウジング組立体を有するヒートパイプ、及びこのようなシリコン組立体を製造する方法に関する。
ヒートパイプは周知であり、しばしば電子部品例えば集積回路チップ、ＣＰＵ等の冷却に使用される。従来ヒートパイプは電子部品、そのケース又は蓋に直接取り付けられた金属製の熱伝導ハウジングを利用して電子部品から熱の除去を行う。
従来のヒートパイプに関連した問題は、ヒートパイプのハウジングと電子部品（例えばシリコンチップ）が、通常はシリコン製の電子部品、そのケース又は蓋との間に熱膨張の差があるため、ヒートパイプの金属とシリコンチップ、そのケース又は蓋との間に適切な接合を維持することが困難なことである。
本発明の一形態によると、シリコン製ヒートパイプハウジングを製造する方法が提供される。本発明の方法は、シリコンの融点よりも低い温度でシリコンと共融する材料を用意し、前記材料の層を前記ヒートパイプハウジングの２つの部材の２つのシリコン表面の間にサンドイッチし、サンドイッチされた前記材料の層と前記２つのシリコン表面を共融温度とシリコンの融点との間の温度に加熱し、サンドイッチされた前記材料の層と前記２つのシリコン表面を、共融温度とシリコンの融点との間の温度に維持して、前記材料と前記２つの部材の間の接合部が形成されるまで前記材料と前記２つの部材の間の拡散を行なわせることよりなる。
一形態によると、接合部は前記材料とシリコンの間の共融体を含む。
本発明の一つの形態によると、加熱工程は、サンドイッチされた前記材料の層と前記２つのシリコン表面を、１気圧の乾燥窒素雰囲気で共融温度とシリコンの融点との間の温度に加熱し、次いでサンドイッチされた前記材料の層と前記２つのシリコン表面を、１気圧の乾燥窒素雰囲気で共融温度とシリコンの融点との間の温度に維持して、前記材料と前記２つの部材間の接合が生じるまで前記材料と前記２つの部材間の拡散を行なわせることよりなる。
一形態によると、前記材料はアルミニウムを含む。
他の一形態によると、前記材料は金を含む。
一形態によると、サンドイッチする工程は前記材料の箔を前記二つのシリコン表面の間にサンドイッチすることを含む。
一形態では、本発明の方法は、サンドイッチする工程に先立って、フラックスを前記材料の層と２つの各シリコン表面の間に予め施す工程を含む。一つの形態ではフラックスはカリウムフルオロアルミネートを含む。
本発明の一形態によると、ヒートパイプハウジングの構造が提供される。ヒートパイプハウジングはシリコン製の第１ハウジング部材と、シリコン製の第２のハウジング部材と、これら第１及び第２ハウジング部材の間の接合部に配置されるシリコン共融層とから構成される。
一形態では、接合部は２つのハウジングの間に形成された作業流体室を取り囲んでいる。
一形態では、接合部はアルミニウム−シリコン共融体を含む。
一形態では、接合部は金・シリコン共融体を含む。
本発明の一形態によると、２つのシリコン部材を接合するための方法が提供される。この接合方法は、アルミニウムの単一層を２つのシリコン部材の間にサンドイッチし、サンドイッチされたアルミニウムの層と２つのシリコン部材を、アルミニウム−シリコン共融温度とシリコンの融点との間の温度に加熱し、サンドイッチされたアルミニウムの層と２つのシリコン部材を、アルミニウム−シリコン共融温度とシリコンの融点との間の温度に維持して、これら２つのシリコン部材の間に接合部が形成されるまでアルミニウムとシリコンの間の拡散を行なわせることよりなる。
一形態では、接合部はアルミニウム−シリコン共融体を含む。
本発明の他の目的及び作用効果は以下の図面を参照する詳細な説明から明らかになろう。
図１〜３を参照するに、本発明はシリコン製ケース又は蓋１６を有するチップ１４の形状をした電子部品１２を冷却するために利用されるヒートパイプ１０に関連して例示されている。ケース又は蓋１６はヒートパイプ１０との界面にシリコン表面１８を有する。この型のヒートパイプはヒートスプレッダーともよばれる。しかし、本発明は他の型のヒートパイプ、例えば平坦でないもの、他の形式の電子部品の冷却に使用されるもの、にも適用できる。従って、本発明は図示のヒートパイプ１０に限定されないし、電子部品への応用に限定されない。さらに本発明は、ヒートパイプのためにシリコンハウジング部品を接合する場合について説明されるが、本発明はヒートパイプハウジングに関連して使用されない他の型のシリコン部品の接合にも適用できる。
図１〜２に示したように、ヒートパイプ１０は２つのシリコン製ハウジング部材２４、２６より形成される。２つのハウジング部材２４、２６はヒートパイプ１０のための適当な作業流体を収容する作業流体室２８を形成している。この形式のヒートパイプについて周知のように、電子部品１２からの熱はヒートパイプ１０との重畳領域を介してヒートパイプ１０に伝達され、次いで作業流体室２８の内部にある作業流体に伝達される。作業流体室２８内の作業流体は、電子部品１２からの熱を吸収すると気化し、次いで室２８の電子部品１２から離れた冷たい部分に流れる。熱は気化した作業流体からヒートパイプハウジング２２の冷たい部分へと除去され、除去された熱はヒートパイプ１０の周りの環境に放出される。熱を放出した作業流体は凝縮し、作業室２８の電子部品１２に重畳する領域に戻り、以下同じサイクルを反復する。この点に関し、必須ではないが、ある用途では液化した作業流体を作業室２８の電子部品１２に重畳する領域に戻す吸い上げ作用を有する何らかの吸い上げ手段を設けることが望ましい。多くの周知の吸い上げ装置、例えば作業室２８の内面に設けた表面加工構造、或いは作業室２８内の配置される吸い上げ材（ｗｉｃｋ）等が使用できる。
図示の実施例では、ハウジング部材２４は対向した２表面３０、３２を有する長方形のシリコンシートであり、表面３２は作業室２８の一部を形成する。ハウジング部材２６は平面状の外表面３４と長方形の凹所３８（作業室２８の大きさを規定）を有する長方形のシリコンシートである。表面３６の凹部３８以外の部分は作業室２８を取り囲む周辺フランジ４０を構成する。周辺フランジ４０は作業室２８を取り囲んで封止する接合部４２をハウジング部材２４の表面３２との間に介在する。
接合部４２はシリコン部品でヒートパイプを構成する場合に困難を伴う。何故ならヒートパイプの最適動作のためには、接合部が好ましくは強度が大きく、ヒートパイプ内に初期雰囲気を維持するように非多孔質であり、しかもヒートパイプ内の雰囲気と反応しないことが必要であるからである。これらの望ましい特性の少なくとも一部を達成するために、接合部４２はシリコンと該シリコンに対して共融体を形成する材料との拡散による結合を行うことよって形成される。好ましくは、ハウシング部材２４、２６を接合する接合部４２に、シリコンと該シリコンに対して共融体を形成する材料との拡散による共融領域又は層４３（図３）を含んでいる。
好ましくは、かかる材料４４には、アルミニウム、１２％シリコン含有４０４７アルミニウム−シリコンろう合金、７．５％シリコン含有４３４３アルミニウム−シリコンろう合金、又は金がある。アルミニウム−シリコン二元合金の共融温度は５７７℃であり、金―シリコン合金の共融温度は３６３℃であり、シリコンの融点１４１０℃よりも充分低い。
材料４４とシリコンがそれらの共融温度以上であるが材料４４とシリコンの融点よりも低い温度に加熱されると、材料とシリコンの間に拡散が起きて液体溶融物を形成し、固化の際に部材２２、２６の表面３２、３６の間に接合部４２を形成する。接合部４２はシリコンと材料の間の共融体（例えばアルミニウムが材料の場合にはアルミニウム−シリコン共融体、金の場合には金―シリコン共融体）を含む。実際、材料間の良好な接触により、材料４４とシリコンの間の充分な固相拡散が達成でき、それにより材料４４とシリコンに対する共融温度よりも低い温度で適当な接合部４２を形成することができる。特に好ましくは、フラックス、好ましくはカリウムフルオロアルミネートフラックス（例えばＮＯＣＯＬＯＫ（商品名））を材料４４とシリコンの間に使用する。フラックスは接合部４２を形成する際の加熱を共融温度より高温度で行うか又はそれよりも低温度で行うかに拘わらず使用して良い。フラックスは材料４４とシリコンの間の酸化層を除去し所望の拡散を可能にする。
本発明の方法は図２のように、シリコンの融点よりも低い温度でシリコンと共融体を形成する材料４４を用意し（図４の工程５０）、材料４４の層を前記ヒートパイプハウジング２２を形成すべき２つの部材２４、２６の２つのシリコン表面３２、３６の間にサンドイッチし（図４の工程５２）、サンドイッチされた材料４４の層と前記２つのシリコン表面３２、３６をそれらの間に適当な拡散を生じるに充分な温度、好ましくは共融温度とシリコンの融点との間の温度に加熱し、そしてサンドイッチされた前記材料の層と前記２つのシリコン表面を、その温度（ここでも好ましくは共融温度とシリコンの融点との間の温度）に保持して、材料４４と２つのシリコン表面との間に接合部が形成されるまで前記材料と前記２つのシリコン表面の間に拡散を行なわせ（図４の工程５４）、冷却及び又は固化により２つの部材２４、２６を接合する接合部４２を形成する。この接合部は好ましくは材料４４とシリコンの共融体を含む。好ましくは、図４の工程５４に示した加熱・保持工程を１気圧の乾燥窒素中で行う。或る応用では、工程５４の加熱・保持工程は材料４４の液相温度より低い温度であって、先に述べたように材料とシリコンの共融温度よりも高い温度で実施される。サンドイッチした部材２４、２６、及び４４は工程５４の加熱・保持時間中固定手段により固定することにより、それらの部材同士の相対的な移動を防ぎ、接合部４２に隙間が生じるのを防ぎ、材料４４の接合部４２を横切る分布を均一化することが望ましい。
図４の工程５６に示したように、好ましくは本発明の方法は、サンドイッチする工程５２に先立って、材料４４と２つの各シリコン表面３２、３６の間にフラックス５８を施す工程を含むことができる。好ましい実施例では、フラックス５８はアルミニウム同士のろう付けに使用されているカリウムフルオロアルミネート、好ましくはＮＯＣＯＬＯＫ（商品名）である。
１つの好ましい実施例では、材料４４は２つの表面３２、３６の間にサンドイッチされる金属箔シート５９として用意される。しかし、当業者には２つの表面３２、３６の間に材料４４の層を形成するには多数の方法が存在することが分かろう。
提案の方法の１つの試験では、上記したカリウムフルオロアルミネートフラックス５８をそれぞれの表面に施した一対の市販の鏡面仕上げしたシリコンウエーハ円板により市販のアルミニウム箔をサンドイッチして接合したが、その他の表面調整または清浄化を行わなかった。サンドイッチした組立体を乾燥窒素中で約６４５℃に１３分加熱したところ接合部４２にアルミニウム・シリコン共融体を有する良好な接合部が得られた。他の実施例として１２％のシリコンを含有するアルミニウム４０４７ろう合金の層を、上記したカリウムフルオロアルミネートフラックス５８を表面に有する市販の２枚のシリコンウエーハ円板でサンドイッチし、１気圧の窒素中で、６４５℃で２５分加熱したところ、２枚のウエーハの間の接合部４２にはアルミニウム・シリコン共融体を有する良好な接合部が得られた。この点に関して、部品はアルミニウム４０４７が完全に消費されるまで２５分間維持されたことに注意すると、適正な接合部４２はより低い温度でも及び／又はより少ない時間でも形成できることが分かろう。更に他の実施例では、４０４７粉末を含有しているろうペースト層（OMNI Technologies Corporation製）とバインダーによりペースト状に維持されているＮＯＣＯＬＯＫフラックス（商品名）を市販のシリコンウエーハ円板の間にサンドイッチし、１つのサンプルでは６０７℃に１．７分間保持し、他のサンプルでは３．３分間保持したところ、いずれの場合にも良好な接合部４２が形成された。
工程５４の時間は各用途に固有の複数の因子、例えば選択した特定の材料４４、層に使用される材料４４の量、加熱及び保持工程に使用される温度、及び材料４４と接合を行うシリコンの間の拡散等に依存する。
ハウジング組立体２２及びシリコンハウジング部材２４、２６は種々の形態を有しうるもので、ハウジング組立体２２は部材間が周辺接合部で互いに接合された２枚以上のシリコンハウジング部材２４、２６から構成することもできる。さらに、１実施例ではハウジング部材２４、２６の一方は、電子部品１２に対する標準の蓋またはキャップの代わりに電子部品１２に対する蓋またはキャップとして使用することができる。
好ましい実施例では層のために使用される材料４４の量は、加熱及び保持工程５４の間に実質的に全ての材料４４がシリコンとの間で拡散して材料とシリコンの間の接合部４２に共融体を形成し、接合部４２に材料４４の原形を殆ど又は全然残さなず、材料４４の少なくとも一部であっておそらくは全部ではない部分がシリコンと共に共融体を形成するように調整される。他の好ましい実施例では材料４４の全部はシリコンと拡散せず、従って両側に各１つの２つの共融域又は層４３を有する材料４４が、２つのシリコン表面３２、３６の間にサンドイッチされる（図３）。
ハウジング部材２４、２６をシリコンから製作することにより、接合部がヒートパイプ１０とチップのハウジング又はケース１６との間に形成されるので、従来存在していた異種材料間の熱膨張係数の違いに起因する熱応力は殆ど又は全く存在しない。これはヒートパイプ１０と電子部品１２の性能と耐用寿命を向上し、ヒートパイプ１０と電子部品１２の間の接合により広い範囲の接合技術と材料の採用を可能にする。
以上では実施例をシリコン製のヒートパイプハウジングの製造の説明を主として行ったが、単一層の材料４４（アルミニウムまたはアルミニウム−シリコン合金）、必要ならばさらにフラックス（好ましくはカリウムフルオロアルミニウムフラックス）を使用して２枚のシリコン部材を接合する方法は、ヒートパイプに限らず他のシリコン部材又は部品の接合にも使用できる。
本発明を具体化するヒートパイプハウジングの一部を断面で示した図である。 図１のヒートパイプハウジングの組立前の斜視図である。 図１の線３−３の拡大部分断面図である。 本発明の方法を示す工程図である。
符号の説明
１０ ヒートパイプ
１２ 電子部品
２２ ヒートパイプハウジング
２４、２６ シリコン製ハウジング部材
２８ 作業流体室
３０、３２ 表面
３４ 外表面
３８ 凹所
３６ 表面
４０ 周辺フランジ
４２ 接合部
４３ 共融領域又は共融層
４４ 材料

Claims (33)

  1. シリコンの融点よりも低い温度でシリコンと共融する材料を用意する工程、
    前記材料の層をヒートパイプハウジングの２つの部材の２つのシリコン表面の間にサンドイッチする工程、及び
    サンドイッチされた前記材料の層と前記２つのシリコン表面を共融温度とシリコンの融点との間の温度に加熱し、サンドイッチされた前記材料の層と前記２つのシリコン表面を、共融温度とシリコンの融点との間の温度に維持して、前記材料と前記２つの部材の間の接合部が形成されるまで前記材料と前記２つの部材の間の拡散を行なわせる加熱及び保持工程を含む、
    シリコン製ヒートパイプハウジングの製造方法。
  2. 前記加熱及び保持工程は、サンドイッチされた前記材料の層と前記２つのシリコン表面を、１気圧の乾燥窒素雰囲気で共融温度とシリコンの融点との間の温度に加熱し、サンドイッチされた前記材料の層と前記２つのシリコン表面を、１気圧の乾燥窒素雰囲気中で、共融温度とシリコンの融点との間の温度に維持して、前記材料と前記２つの部材の間の接合部が形成されるまで前記材料と前記２つの部材の間の拡散を行なわせるものである請求項１の方法。
  3. 前記材料はアルミニウムを含む請求項１の方法。
  4. 前記材料は金を含む請求項１の方法。
  5. サンドイッチする工程が、前記２つのシリコン表面の間に材料の箔をサンドイッチすることを含む請求項１の方法。
  6. 前記サンドイッチする工程に先立って、フラックスを前記材料の層と２つの各シリコン表面の間に予め施す工程を含む請求項１の方法。
  7. 前記フラックスとしてカリウムフルオロアルミネートを前記材料の層と２つの各シリコン表面の間に予め施す工程を含む請求項６の方法。
  8. 前記加熱及び保持工程は前記材料の液相点以下で行われる請求項１の方法。
  9. 前記加熱及び保持工程は接合部に前記材料と前記シリコンの共融体を形成することを含む請求項１の方法。
  10. アルミニウム又はアルミニウム−シリコン合金の層を前記ヒートパイプハウジングの２つの部材の２つのシリコン表面の間にサンドイッチする工程、及び
    サンドイッチされた前記アルミニウム又はアルミニウム−シリコン合金の層と前記２つのシリコン表面を、アルミニウム−シリコンの共融温度とシリコンの融点との間の温度に加熱し、サンドイッチされた前記アルミニウム又はアルミニウム−シリコン合金の層と前記２つのシリコン表面を、前記共融温度とシリコンの融点との間の温度に維持して、前記２つの部材の間の接合部が形成されるまで前記アルミニウム又はアルミニウム−シリコン合金と前記２つの部材の間の拡散を行なわせる加熱・保持工程を含む、
    シリコン製ヒートパイプハウジングの製造方法。
  11. 前記加熱・保持工程は、サンドイッチされた前記アルミニウム又はアルミニウム−シリコン合金の層と前記２つのシリコン表面を、１気圧の乾燥窒素雰囲気中で、アルミニウム−シリコンの共融温度とシリコンの融点との間の温度に加熱し、サンドイッチされた前記アルミニウム又はアルミニウム−シリコン合金の層と前記２つのシリコン表面を、１気圧の乾燥窒素雰囲気中で、前記共融温度とシリコンの融点との間の温度に維持して、前記２つの部材の間の接合部が形成されるまで前記アルミニウム又はアルミニウム−シリコン合金と前記２つの部材の間の拡散を行なわせる工程である請求項１０に記載の製造方法。
  12. 前記サンドイッチする工程はアルミニウム箔を前記２つのシリコン表面の間にサンドイッチすることを含む請求項１０の方法。
  13. 前記サンドイッチする工程に先立って、フラックスを前記層と２つの各シリコン表面の間に予め施す工程を含む請求項１０の方法。
  14. フラックスとしてカリウムフルオロアルミネートを前記材料の層と２つの各シリコン表面の間に予め施す工程を含む請求項１０の方法。
  15. 前記加熱・保持工程はアルミニウムの液相点以下で行われる請求項１０の方法。
  16. 前記加熱・保持工程はアルミニウム−シリコン共融体を含む接合部を形成する請求項１の方法。
  17. 金層を前記ヒートパイプハウジングの２つの部材の２つのシリコン表面の間にサンドイッチする工程、及び
    サンドイッチされた前記金層と前記２つのシリコン表面を、金・シリコン共融温度とシリコンの融点との間の温度に加熱し、サンドイッチされた前記金層と前記２つのシリコン表面を、前記共融温度とシリコンの融点との間の温度に維持して、前記２つの部材の間の接合部が形成されるまで前記金・シリコン合金と前記２つの部材の間の拡散を行なわせる加熱・保持工程を含む、
    シリコン製ヒートパイプハウジングの製造方法。
  18. 前記サンドイッチする工程は金箔を前記２つのシリコン表面の間にサンドイッチすることを含む請求項１７の方法。
  19. 前記サンドイッチする工程に先立って、フラックスを前記金箔と２つの各シリコン表面の間に予め施す工程を含む請求項１７の方法。
  20. 前記サンドイッチする工程に先立って、フラックスとしてカリウムフルオロアルミネートを前記金箔と２つの各シリコン表面の間に予め施す工程を含む請求項１７の方法。
  21. 前記加熱・保持工程は金の液相点以下の温度で行われる請求項１７の方法。
  22. 前記加熱・保持工程は金・シリコン共融体を含む接合部を形成する請求項１７の方法。
  23. シリコン製の第１ハウジング部材と、シリコン製の第２のハウジング部材と、これら第１及び第２ハウジング部材の間の接合部に配置されるシリコン共融層とから構成されるヒートパイプハウジング。
  24. 前記接合部は前記２つのハウジングの間に形成された作業流体室を取り囲んでいる請求項２３のヒートパイプハウジング。
  25. 前記シリコン共融体はアルミニウム・シリコン共融体を含む請求項２３のヒートパイプハウジング。
  26. 前記シリコン共融体は金・シリコン共融体を含む請求項２３のヒートパイプハウジング。
  27. シリコンの融点以下の温度でシリコンと共融体を形成できる材料を用意する工程、
    前記材料の層を前記ヒートパイプハウジングの２つの部材の２つのシリコン表面の間に、カリウムフルオロアルミネートフラックスが前記２つの部材と前記層との間にそれぞれ位置するようにして、サンドイッチする工程、及び
    サンドイッチされた前記材料の層と前記２つのシリコン表面を、前記材料と前記２つの部材の間で拡散して接合部が形成されるまで適当な温度に加熱する加熱工程を含む、一対のシリコン部品を接合する方法。
  28. 前記加熱・保持工程は、サンドイッチされた前記材料の層と前記２つのシリコン表面を、１気圧の乾燥窒素雰囲気で共融温度とシリコンの融点との間の温度に加熱し、サンドイッチされた前記材料の層と前記２つのシリコン表面を、１気圧の乾燥窒素雰囲気中で、共融温度とシリコンの融点との間の温度に維持して、前記材料と前記２つの部材の間の接合部が形成されるまで前記材料と前記２つの部材の間の拡散を行なわせるものである請求項２７の方法。
  29. 前記材料はアルミニウムを含む請求項２７の方法。
  30. 前記材料は金を含む請求項２７の方法。
  31. 前記サンドイッチする工程はアルミニウム箔を前記二つのシリコン表面の間にサンドイッチすることを含む請求項２７の方法。
  32. 前記加熱・保持工程は前記材料の液相点以下の温度で行われる請求項２７の方法。
  33. 前記加熱・保持工程は金・シリコン共融体を含む接合部を形成する請求項２７の方法。
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