DE60317232T2 - Wärmeerweichung von thermisch leitfähigen zusammensetzungen und verfahren zu ihrer herstellung - Google Patents

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Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Diese Erfindung bezieht sich auf eine in der Wärme erweichende thermische leitfähige Zusammensetzung (HSTC) und Verfahren zur Herstellung und Verwendung derselben. Spezieller bezieht sich diese Erfindung auf eine HSTC-Zusammensetzung, die ein Siliconharzsystem und einen thermisch leitfähigen Füllstoff enthält. Die HSTC-Zusammensetzung kann als thermisches Grenzflächenmaterial (TIM) verwendet werden.
  • Hintergrund
  • Elektronische Komponenten, wie etwa Halbleiter, Transistoren, integrierte Schaltkreise (ICs), einzelne Schaltelemente und andere, die in der Technik bekannt sind, sind gestaltet, um bei einer normalen Betriebstemperatur oder innerhalb eines normalen Betriebstemperaturbereichs betrieben zu werden. Der Betrieb einer elektronischen Komponente erzeugt jedoch Wärme. Wenn nicht genug Wärme abgeführt wird, wird die elektronische Komponente bei einer Temperatur arbeiten, die deutlich oberhalb ihrer normalen Betriebstemperatur liegt. Übermäßige Temperaturen können das Leistungsvermögen der elektronischen Komponente und den Betrieb des Bauelements, der damit verbunden ist, nachteilig beeinflussen und haben einen negativen Einfluss auf die mittlere Zeit zwischen Ausfällen.
  • Um diese Probleme zu vermeiden, kann Wärme durch Wärmeleitung von der elektronischen Komponente zu einer Wärmesenke abgeführt werden. Die Wärmesenke kann durch irgendwelche passenden Mittel, wie etwa Konvektions- oder Strahlungstechniken, gekühlt werden. Während der Wärmeleitung kann Wärme von der elektronischen Komponente auf die Wärmesenke durch Grenzflächenkontakt zwischen der elektronischen Komponente und der Wärmesenke oder durch Kontakt der elektronischen Komponente and der Wärmesenke mit einem TIM übertragen werden.
  • Oberflächen der elektronischen Komponente und der Wärmesenke sind typischerweise nicht vollständig glatt, deshalb ist es schwierig, einen vollständigen Kontakt zwischen den Oberflächen zu erreichen. Lufträume, die schlechte Wärmeleiter sind, treten zwischen den Oberflächen auf und erhöhen die Impedanz. Diese Räume können gefüllt werden, indem ein TIM zwischen die Oberflächen eingesetzt wird. Je niedriger der Wärmewiderstand des TIM desto größer der Wärmefluss von der elektronischen Komponente zu der Wärmesenke.
  • Einige kommerziell erhältliche TIMs sind Elastomere, die mit thermisch leitfähigen Füllstoffen gefüllt sind. Solche Elastomere jedoch leiden an den Nachteilen, dass ein hoher Druck erforderlich ist, um den thermischen Grenzflächenkontaktwiderstand zu verringern und wirksame Wärmeübertragung zwischen dem Substrat und dem TIM zu fördern.
  • Siliconschmieren mit leitfähigen Füllstoffen wurden auch als TIMs vorgeschlagen. Schmieren jedoch leiden an den Nachteilen, dass sie schwierig aufzubringen sind und nach Auftragung aus den Hohlräumen fließen können.
  • HSTC-Zusammensetzungen sind bei der Lösung der obigen Probleme vorteilhaft, da sie bei niedrigen Temperaturen als Festkörper gehandhabt werden können und bei erhöhten Temperaturen erweichen. Die Erweichungstemperatur kann der normalen Betriebstemperatur der elektronischen Komponente entsprechen oder darüber liegen.
  • HSTC-Zusammensetzungen können organische Stoffe, wie etwa Wachse, und leitfähige Füllstoffe enthalten. Organische Wachse jedoch leiden an dem Nachteil, dass sie nach Anwendung während des Betriebs der elektronischen Komponente aus den Hohlräumen fließen können. Organische Wachse können auch bei Raumtemperatur brüchig sein.
  • Die folgenden Dokumente sind relevante Teile des Standes der Technik: WO 03/017289 , WO 02/082468 , EP 1 174 462 , DE 198 39 603 , US 6,150,446 , WO 98/35360 , US 5,688,862 , US 5,250,228 , EP 0 558 044 , US 5,015,413 .
  • WO 03/017289 bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer leitfähigen flüssigen Siliconkautschukzusammensetzung, die eine hervorragende Lagerstabilität aufweist und geeignet ist, einen leitfähigen Siliconkautschukgegenstand mit beliebiger Härtungsgeschwindigkeit und mit guter Reproduzierbarkeit von beliebig ausgewählter Härte und Durchgangswiderstand zu bilden.
  • WO 02/082468 beschreibt eine elektrisch leitfähige Siliconzusammensetzung, enthaltend einen elektrisch leitfähigen Füllstoff; eine Organopolysiloxanmischung, die einen Katalysator enthält, der die Addition von Si-gebundenem Wasserstoff an Alkenylmehrfachbindungen fördert; ein Organopolysiloxan mit mindestens zwei Alkenylgruppen pro Molekül und ein Organopolysiloxan mit mindestens zwei siliciumgebundenen Wasserstoffatomen pro Molekül.
  • EP 1 174 462 beschreibt eine Siliconzusammensetzung zur Herstellung eines Siliconklebstoffs, wobei die Zusammensetzung hergestellt wird durch Mischen a) eines Organopolysiloxans mit durchschnittlich mindestens zwei silicongebundenen Hydroxygruppen pro Molekül, b) eines Vernetzungsmittels in einer Menge, die ausreichend ist, um die Zusammensetzung zu härten, c) eines elektrisch leitfähigen Füllstoffs in einer Menge, die ausreichend ist, um dem Siliconklebstoff elektrische Leitfähigkeit zu verleihen, d) einer wirksamen Menge einer hydroxyfunktionellen organischen Verbindung mit einem Molekulargewicht von bis zu 1.000, die mindestens eine Hydroxygruppe pro Molekül enthält, und e) einer katalytischen Menge eines Kondensationskatalysators, der ein Metallsalz einer Carbonsäure enthält.
  • DE 198 39 603 bezieht sich auf eine antistatische thermoplastische Harzzusammensetzung, die ein thermoplastisches Harz, b) ein Polymer, c) einen faserförmigen leitfähigen Füllstoff enthält.
  • WO 98/35360 beschreibt eine leitfähige Zusammensetzung auf Harzbasis, die ein harzartiges Material und einen darin dispergierten leitfähigen Füllstoff enthält.
  • US 5,688,862 bezieht sich auf eine Halbleiter-Siliconelastomer-Zusammensetzung, die ein Organopolysiloxan mit mindestens zwei aliphatisch ungesättigten Kohlenwasserstoffgruppen, die an ein Siliciumatom gebunden sind, ein Organowasserstoffpolysiloxan mit mindestens zwei Wasserstoffatomen, die an ein Siliciumatom gebunden sind, und ein leitfähiges Mittel enthält.
  • US 5,250,228 offenbart eine leitfähige Polymerzusammensetzung, in welcher ein teilchenförmiger leitfähiger Füllstoff in einer polymeren Komponente dispergiert ist, die eine Mischung aus einem im Wesentlichen amorphen thermoplastischen Harz und einem wärmehärtenden Harz ist.
  • EP 0 558 044 beschreibt eine elektrisch leitfähige bei Raumtemperatur härtbare Zusammensetzung, die mindestens ein Polyorganosiloxan, ein Härtungsmittel und bestimmte leicht gefärbte elektrisch leitfähige Füllstoffe enthält, deren Leitfähigkeit zunimmt, während die Viskosität auf erwünscht niedrigem Niveau gehalten wird.
  • US 5,015,413 bezieht sich auf eine Primerzusammensetzung, die a) ein in Lösungsmittel lösliches Polyorganosiloxan, das im Wesentlichen aus R1SiO3/2-Einheiten und R1SiO-Einheiten in einem spezifischen Verhältnis besteht, b) ein Organosiloxan und/oder ein partielles Hydrolysekondensat davon, c) einen elektrisch leitfähigen Füllstoff, d) einen Härtungskatalysator und e) ein organisches Lösungsmittel enthält.
  • EP 1 383 169 beschreibt ein wärmeableitendes Bauelement, das mit elektronischen Komponenten und einer Wärmesenke verbunden werden kann und ein Siliconharz und einen wärmeleitfähigen Füllstoff enthält, dessen Zusammensetzung bei Normaltemperatur (Raumtemperatur) fest ist und thermisch erweicht und ihre Viskosität unter Wärmeerzeugung während des Betriebs der elektronischen Komponente erniedrigt, um so zwischen der elektronischen Komponente und der wärmeableitenden Komponente auszufüllen, ohne irgendwelche wesentlichen Lücken zurückzulassen.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Diese Erfindung bezieht sich auf ein Bauelement, das (a) eine elektronische Komponente, (b) ein Grenzflächenmaterial und (c) eine Wärmesenke umfasst, wobei das Grenzflächenmaterial entlang eines Wärmepfads angeordnet ist, der sich von einer Oberfläche der elektronischen Komponente zu einer Oberfläche der Wärmesenke erstreckt, wobei das Grenzflächenmaterial eine Zusammensetzung enthält, enthaftend (a) eine Matrix mit einer Viskosität von mehr als 100 Pa·s bei Raumtemperatur und einer Viskosität von weniger als 10 Pa·s bei Temperaturen oberhalb von 90°C, die enthält (i) 4 bis 60%, bezogen auf Gewicht der Zusammensetzung, eines Siliconharzes, wobei das Siliconharz ein DT-Harz, ein MQ-Harz oder eine Kombination davon enthält, und das DT-Harz ausgewählt ist aus (R1R2S102/2)a(R3S1O3/2)b und (R1 2SiO2/2)a(R2S1O2/2)b(R1SiO3/2)c(R2SiO3/2)d, worin jedes R1 unabhängig voneinander eine Hydroxylgruppe oder eine organische Gruppe darstellt, jedes R2 unabhängig voneinander eine Hydroxylgruppe oder eine organische Gruppe darstellt, jedes R3 unabhängig voneinander eine Hydroxylgruppe oder eine organische Gruppe darstellt, a mindestens 1 ist, a bis zu 200 ist, b mindestens 1 ist, b bis zu 100 ist, c mindestens 1 ist, c bis zu 100 ist, d mindestens 1 ist und d bis zu 100 ist, und das MQ-Harz die Formel (R1R2R3SiO1/2)c(SiO4/2)d hat, worin jedes R1 unabhängig voneinander eine Hydroxylgruppe oder eine organische Gruppe darstellt, jedes R2 unabhängig voneinander eine Hydroxylgruppe oder eine organische Gruppe darstellt, jedes R3 unabhängig voneinander eine Hydroxylgruppe oder eine organische Gruppe darstellt, c mindestens 1 ist, c bis zu 100 ist, d mindestens 1 ist, d bis zu 100 ist, und ii) 0 bis 35%, bezogen auf das Gewicht der Zusammensetzung, eines Siliconpolymers, und B) 40 bis 96%, bezogen auf das Gewicht der Zusammensetzung, eines thermisch leitfähigen Füllstoffs, der Metallteilchen, Metalloxidteilchen oder Kombinationen von diesen enthält.
  • Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
  • Alle Mengenangaben, Verhältnisse und Prozentangaben sind auf Gewicht bezogen, wenn nichts anderes angegeben ist. Es folgt eine Liste der Definitionen, die hierin verwendet werden.
  • Definitionen und Verwendung von Begriffen
  • "Ein" bedeutet ein oder mehrere.
  • "Alkyl" bedeutet eine monovalente gesättigte Kohlenwasserstoffgruppe.
  • "Kombination" bedeutet zwei oder mehr Dinge, die nach irgendeinem Verfahren zusammengefügt sind.
  • "Copolymer" bedeutet ein Polymer, das aus mindestens zwei unterschiedlichen Monomeren hergestellt ist. Copolymer umfasst, ist aber nicht beschränkt auf Polymere, die nur aus zwei unterschiedlichen Monomeren hergestellt sind.
  • "D-Einheit" bedeutet eine Einheit der Formel R2SiO2/2, worin jedes R eine organische Gruppe ist.
  • "M-Einheit" bedeutet eine Einheit der Formel R3SiO1/2, worin jedes R eine organische Gruppe ist.
  • "Q-Einheit" bedeutet eine Einheit der Formel SiO4/2.
  • "Siloxan" und "Silicon" werden hierin synonym verwendet.
  • "Siliconharz" bedeutet ein Polymer mit einer verzweigten Molekülstruktur, das RxSiO( 4-x)/2-Einheiten enthält, worin jedes R eine organische Gruppe ist, jedes x gleich 0, 1, 2 oder 3 ist, unter der Voraussetzung, dass mindestens eine Einheit x größer als 1 hat.
  • "Substituiert" bedeutet, dass ein oder mehrere Wasserstoffatome, die an ein Kohlenstoffatom gebunden sind, durch einen anderen Substituenten ersetzt worden sind.
  • "Oberflächenbehandelt" bedeutet, dass alle oder ein Teil der reaktiven Gruppen eines Füllstoffteilchens durch ein geeignetes chemisches oder nichtreaktives Mittel weniger reaktiv gemacht worden sind.
  • "T-Einheit" bedeutet eine Einheit der Formel RSiO3/2, worin R eine organische Gruppe ist.
  • In der Wärme erweichende thermisch leitfähige Zusammensetzung
  • Diese Erfindung bezieht sich auf eine HSTC-Zusammensetzung. Die HSTC-Zusammensetzung enthält
    • A) eine Matrix mit einer Viskosität von mehr als 100 Pa·s bei Raumtemperatur und einer Viskosität von weniger als 10 Pa·s bei Temperaturen oberhalb von 90°C, die enthält i) 4 bis 60%, bezogen auf das Gewicht der Zusammensetzung, eines Siliconharzes, wobei das Siliconharz ein DT-Harz, ein MQ-Harz oder eine Kombination davon enthält, und das DT-Harz ausgewählt ist aus (R1R2SiO2/2)a(R3SiO3/2)b und (R1 2SiO2/2)a(R2SiO2/2)b(R1SiO3/2)c(R2SiO3/2)d, worin jedes R1 unabhängig voneinander eine Hydroxylgruppe oder eine organische Gruppe darstellt, jedes R2 unabhängig voneinander eine Hydroxylgruppe oder eine organische Gruppe darstellt, jedes R3 unabhängig voneinander eine Hydroxylgruppe oder eine organische Gruppe darstellt, a mindestens 1 ist, a bis zu 200 ist, b mindestens 1 ist, b bis zu 100 ist, c mindestens 1 ist, c bis zu 100 ist, d mindestens 1 ist und d bis zu 100 ist, und das MQ-Harz die Formel (R1R2R3SiO1/2)c(SiO4/2)d hat, worin jedes R1 unabhängig voneinander eine Hydroxylgruppe oder eine organische Gruppe darstellt, jedes R2 unabhängig voneinander eine Hydroxylgruppe oder eine organische Gruppe darstellt, jedes R3 unabhängig voneinander eine Hydroxylgruppe oder eine organische Gruppe darstellt, c mindestens 1 ist, c bis zu 100 ist, d mindestens 1 ist, d bis zu 100 ist, und ii) 0 bis 35%, bezogen auf das Gewicht der Zusammensetzung, eines Siliconpolymers; und
    • B) 40 bis 96%, bezogen auf das Gewlcht der Zusammensetzung, eines thermisch leitfähigen Füllstoffs, der Metallteilchen, Metalloxidteilchen oder eine Kombination von diesen enthält.
  • Matrix
  • Siliconharze sind in der Technik bekannt und kommerziell erhältlich. Siliconharze können zu der Zusammensetzung in einer Menge von 4 bis 60% der Zusammensetzung gegeben werden. Siliconharze können Kombinationen von M-, D-, T- und Q-Einheiten enthalten, wie etwa DT-, MDT-, DTQ-, MQ-, MDQ-, MDTQ- oder MTQ-Harze, alternativ DT- oder MQ-Harze.
  • DT-Harze werden veranschaulicht durch Harze mit der Formel: (R1R2SiO2/2)a(R3SiO3/2)b
  • Bei jedem Auftreten von R1, R2 und R3 können diese gleich oder unterschiedlich sein. R1, R2 und R3 können innerhalb einer Einheit unterschiedlich sein. Jedes R1, R2 und R3 steht unabhängig voneinander für eine Hydroxylgruppe oder eine organische Gruppe, wie etwa eine Kohlenwasserstoffgruppe oder eine Alkoxygruppe. Kohlenwasserstoffgruppen können gesättigt oder ungesättigt sein. Kohlenwasserstoffgruppen können verzweigt, unverzweigt, cyclisch oder Kombinationen davon sein. Kohlenwasserstoffgruppen können 1 bis 40 Kohlenstoffatome, alternativ 1 bis 30 Kohlenstoffatome, alternativ 1 bis 20 Kohlenstoffatome, alternativ 1 bis 10 Kohlenstoffatome, alternativ 1 bis 6 Kohlenstoffatome aufweisen. Die Kohlenwasserstoffgruppen umfassen Alkylgruppen, wie etwa Methyl, Ethyl, n-Propyl, Isopropyl, n-Butyl und t-Butyl; alternativ Methyl oder Ethyl; alternativ Methyl, und umfassen aromatische Gruppen, wie etwa Phenyl, Tolyl, Xylyl, Benzyl und Phenylethyl; alternativ Phenyl. Ungesättigte Kohlenwasserstoffgruppen umfassen Alkenyl, wie etwa Vinyl, Allyl, Butenyl und Hexenyl.
  • In der obigen Formel ist a gleich 1 bis 200, alternativ 1 bis 100, alternativ 1 bis 50, alternativ 1 bis 37, alternativ 1 bis 25. In der obigen Formel ist b gleich 1 bis 100, alternativ 1 bis 75, alternativ 1 bis 50, alternativ 1 bis 37, alternativ 1 bis 25.
  • Alternativ kann das DT-Harz die Formel haben: (R1 2SiO2/2)a(R2 2SiO2/2)b(R1SiO3/2)a(R2SiO3/2)b, worin R1, R2, a und b wie oben beschrieben sind. Alternativ kann in dieser Formel jedes R1 eine Alkylgruppe sein und jedes R2 kann eine aromatische Gruppe sein.
  • MQ-Harze werden veranschaulicht durch Harze der Formel (R1R2R3SiO1/2)c(SiO4/2)d, worin R1, R2 und R3 wie oben beschrieben sind, c gleich 1 bis 100 ist und d gleich 1 bis 100 ist und das mittlere Verhältnis von c zu d von 0,65 bis 1,9 reicht.
  • Ein Siliconpolymer kann zu Komponente A) zusätzlich zu oder anstelle eines Teils des Siliconharzes gegeben werden. Das Siliconpolymer kann in einer Menge von 0 bis 35% der Zusammensetzung zugegeben werden. Das Siliconpolymer kann ein lineares oder verzweigtes Polydiorganosiloxan, wie etwa ein Polydimethylsiloxan, sein. Siliconpolymere werden veranschaulicht durch Polymere der Formel (R1R2R3SiO1/2)2(R1R2SiO2/2)e, worin R1, R2 und R3 wie oben beschrieben sind und e gleich 5 bis 800, alternativ 50 bis 200 ist.
  • Die Kombination von M-, D-, T- und Q-Einheiten und das Vorhandensein von Siliconpolymer beeinflussen die physikalischen und rheologischen Eigenschaften des Materials. Typischerweise haben solche Zusammensetzungen einen breiten Glasübergangstemperaturbereich (Tg). Über diesen Bereich erfährt die Zusammensetzung einen wesentlichen Verlust in Modul und Viskosität mit Zunahme der Temperatur. Dies resultiert in der graduellen Erweichung oder Erhärtung der HSTC-Zusammensetzung. Zum Beispiel zeigen B. H. Copely, MS Thesis, University of Minnesota, 1984 und Wengorvius, J. H.; Burnell, T. B.; Zumbrum, M. A.; Krencseki, M. A. Polym. Preprints 1998, 39(1), 512 den Einfluss von MQ-Harz/Siliconpolymer auf die Glasübergangstemperatur. Für die Zwecke dieser Erfindung können das Siliconharz oder die Siliconharz/Siliconpolymer-Kombination so ausgewählt werden, dass sie die erforderliche physikalische Integrität und den Modul besitzt, um nahe der Umgebungstemperatur als Film gehandhabt werden zu können. Dies verbessert die Leichtigkeit der Anwendung der HSTC-Zusammensetzung als TIM in Filmform. Die Viskosität der Matrix bei Raumtemperatur liegt oberhalb von 100 Pascalsekunden (Pa·s). Gleichzeitig wird das passende Siliconharz oder die passende Siliconharz/Siliconpolymer-Kombination ausgewählt, um eine große Abnahme im Modul und in der Viskosität bei Betriebs- oder Fertigungstemperatur zu erfahren. Dies erleichtert den innigen Kontakt der Zusammensetzung zwischen dem wärmeerzeugenden und wärmeab leitenden Substrat. Oberhalb von 90°C ist die Viskosität der Matrix unterhalb von 10 Pa·s.
  • Tatsächlich wird die Kombination von M-, D-, T- und Q-Einheiten an dem Siliconharz oder der Kombination von Siliconharz und Siliconpolymer ausgewählt, um eine ausreichend große Änderung in der Viskosität zwischen der Auftragungstemperatur und Fertigungstemperatur oder Betriebstemperatur zu erlauben. Das Siliconharz kann auch so gewählt werden, dass es bei Raumtemperatur klebrig ist. Die TIMs, die aus solchen Matrizen hergestellt werden, wären vorteilhaft, da sie leichten Zusammenbau erlauben würden.
  • Die Zusammensetzung kann mindestens 4%, alternativ mindestens 5% Komponente A) enthalten. Die Zusammensetzung kann bis zu 60% Komponente A), alternativ bis zu 50%, alternativ bis zu 20%, alternativ bis zu 10% enthalten.
  • Es sollte selbstverständlich sein, dass die Offenbarung von Bereichen hierin so aufgefasst werden soll, um nicht nur den Bereich selbst, sondern jeden Wert, der darin zusammengefasst ist, ebenso wie die Endpunkte zu offenbaren. Zum Beispiel sollte eine Offenbarung eines Bereichs von 1 bis 10 so verstanden werden, dass nicht nur der Bereich von 1 bis 10, sondern auch 1; 2,7; 9 und 10 einzeln, ebenso wie jede andere Zahl, die in dem Bereich zusammengefasst ist, offenbart wird. Ähnlich soll die Offenbarung eines Bereichs von Kohlenwasserstoffen von 1 bis 5 Kohlenstoffatomen verstanden werden, nicht nur Kohlenwasserstoffe mit 1 bis 5 Kohlenstoffatomen als eine Klasse, sondern auch Kohlenwasserstoffe mit 1 Kohlenstoffatom, Kohlenwasserstoffe mit 2 Kohlenstoffatomen, Kohlenwasserstoffe mit 3 Kohlenstoffatomen, Kohlenwasserstoffe mit 4 Kohlenstoffatomen und Kohlenwasserstoffe mit 5 Kohlenstoffatomen einzeln zu offenbaren.
  • Füllstoff
  • Komponente B) ist ein thermisch leitfähiger Füllstoff. Komponente B) ist in Komponente A) dispergiert. Die Menge von Komponente B) in der Zusammensetzung hängt von verschiedenen Faktoren einschließlich dem Material, das als Komponente A) gewählt wird, dem Material, das als Komponente B) gewählt wird, und der Erweichungstemperatur der Zusammensetzung ab. Die Menge an Komponente B) kann mindestens 40% der Gesamtzusammensetzung, alternativ mindestens 50% der Zusammensetzung, alternativ mindestens 80% der Zusammensetzung, alternativ mindestens 85 % der Zusammensetzung betragen. Die Menge von Komponente B) kann bis zu 96%, alternativ bis zu 95% der Zusammensetzung betragen. Wenn die Menge an Komponente B) zu niedrig ist, kann die Zusammensetzung vielleicht für einige Anwendungen eine unzureichende Wärmeleitfähigkeit aufweisen.
  • Komponente B) kann thermisch leitfähig, elektrisch leitfähig oder beides sein. Alternativ kann Komponente B) thermisch leitfähig und elektrisch isolierend sein. Geeignete thermisch leitfähige Füllstoffe für Komponente B) umfassen Metallteilchen, Metalloxidteilchen und eine Kombination davon. Geeignete thermisch leitfähige Füllstoffe für Komponente B) werden veranschaulicht durch Aluminiumnitrid; Aluminiumoxid; Bariumtitanat; Berylliumoxid; Bornitrid: Diamant: Graphit; Magnesiumoxid; teilchenförmiges Metall, wie etwa Kupfer, Gold, Nickel oder Silber; Siliciumcarbid; Wolframcarbid; Zinkoxid und eine Kombination davon.
  • Thermisch leitfähige Füllstoffe sind in der Technik bekannt und kommerziell erhältlich, siehe z. B. U.S.-Patent 6,169,142 (Spalte 4, Zeile 7 bis 33). Zum Beispiel sind CB-A20S und Al-43-Me Aluminiumoxidfüllstoffe mit unterschiedlichen Teilchengrößen, die kommerziell von Showa-Denko erhältlich sind, und AA-04, AA-2 und AA18 sind Aluminiumoxidfüllstoffe, die kommerziell von Sumitomo Chemical Company erhältlich sind.
  • Silberfüllstoff ist kommerziell von Metalor Technologies U. S. A. Corp. of Attleboro, Massachusetts, U. S. A. erhältlich. Bornitridfüllstoff ist kommerziell von Advanced Ceramics Corporation, Cleveland, Ohio, U. S. A., erhältlich.
  • Die Form der Füllstoffteilchen ist nicht speziell beschränkt, jedoch kann es sein, dass abgerundete oder kugelförmige Teilchen die Viskositätszunahme auf ein unerwünschtes Niveau bei hoher Füllstoffbeladung in der Zusammensetzung verhindern.
  • Eine Kombination von Füllstoffen mit unterschiedlichen Teilchengrößen und unterschiedlichen Teilchengrößenverteilungen kann als Komponente B) verwendet werden. Zum Beispiel mag es erwünscht sein, ein erstes Aluminiumoxid mit einer größeren mittleren Teilchengröße mit einem zweiten Aluminiumoxid mit einer kleineren mittleren Teilchengröße in einem Verhältnis zu kombinieren, das die Verteilungskurve entsprechend der Theorie der dichtesten Packung erfüllt. Dies verbessert die Packungseffizienz und kann die Viskosität verringern und die Wärmeübertragung verbessern.
  • Die mittlere Teilchengröße des Füllstoffs hängt von verschiedenen Faktoren einschließlich der Art des Füllstoffs, der als Komponente B) gewählt wird, und der exakten Menge, die zu der Zusammensetzung gegeben wird, ab, der Füllstoff jedoch kann eine mittlere Teilchengröße von mindestens 0,2, alternativ mindestens 2 Mikrometer haben. Der Füllstoff kann eine mittlere Teilchengröße von bis zu 80 Mikrometer, alternativ bis zu 50 Mikrometer haben.
  • Der Füllstoff für Komponente B) kann optional oberflächenbehandelt sein. Behandlungsmittel und Behandlungsverfahren sind in der Technik bekannt, siehe z. B. U.S.-Patent 6,169,142 (Spalte 4, Zeile 42 bis Spalte 5, Zeile 2). Die Zusammensetzung kann mindestens 0,05% C) eines Behandlungsmittels enthalten. Die HSTC-Zusammensetzung kann bis zu 5%, alternativ bis zu 2%, alternativ bis zu 0,5% eines Behandlungsmittels C) enthalten.
  • Das Behandlungsmittel kann ein Alkoxysilan mit der Formel R4 fSi(OR5)(4-f ) sein, worin f gleich 1, 2 oder 3 ist, alternativ ist x gleich 3. R4 kann eine substituierte oder unsubstituierte monovalente Kohlenwasserstoffgruppe mit mindestens 1 Kohlenstoffatom, alternativ mindestens 8 Kohlenstoffatomen sein. R4 hat bis zu 50 Kohlenstoffatome, alternativ bis zu 30 Kohlenstoffatome, alternativ bis zu 18 Kohlenstoffatome. R4 wird veranschaulicht durch Alkylgruppen, wie etwa Hexyl, Octyl, Dodecyl, Tetradecyl, Hexadecyl und Octadecyl, und aromatische Gruppen, wie etwa Benzyl und Phenylethyl. R4 kann gesättigt oder ungesättigt, verzweigt oder unverzweigt und unsubstituiert sein. R4 kann gesättigt, unverzweigt und unsubstituiert sein.
  • R5 ist eine unsubstituierte, gesättigte Kohlenwasserstoffgruppe mit mindestens 1 Kohlenstoffatom. R5 kann bis zu 4 Kohlenstoffatome, alternativ bis zu 2 Kohlenstoffatome haben. Komponente C) wird veranschaulicht durch Hexyltrimethoxysilan, Octyltriethoxysilan, Decyltrimethoxysilan, Dodecyltrimethoxysilan, Tetradecyltrimethoxysilan, Phenyltrimethoxysilan, Phenylethyltrimethoxysilan, Octadecyltrimethoxysilan, Octadecyltriethoxysilan und eine Kombination davon.
  • Alkoxyfunktionelle Oligosiloxane können auch als Behandlungsmittel verwendet werden. Alkoxyfunktionelle Oligosiloxane and Verfahren zu ihrer Herstellung sind in der Technik bekannt, siehe z. B. EP 1 101 167 A2 . Zum Beispiel umfassen geeignete alkoxyfunktionelle Oligosiloxane solche der Formel (R6O)gSi(OSiR7 2R8)4-g. In dieser Formel ist g gleich 1, 2, oder 3, alternativ ist g gleich 3. Jedes R6 kann eine Alkylgruppe sein. Jedes R7 kann unabhängig voneinander ausgewählt sein aus ungesättigten monovalenten Kohlenwasserstoffgruppen mit 1 bis 10 Kohlenstoffatomen. Jedes R8 kann eine ungesättigte monovalente Kohlenwasserstoffgruppe mit mindestens 11 Kohlenstoffatomen sein.
  • Behandlungsmittel können auch Alkylthiole, wie etwa Octadecylmercaptan und andere, Fettsäuren, wie etwa Ölsäure, Stearinsäure, und Alkohole, wie etwa Myristylalkohol, Cetylalkohol, Stearylalkohol oder eine Kombination davon umfassen.
  • Behandlungsmittel für Aluminiumoxid oder passiviertes Aluminiumnitrid könnten alkoxysilylfunktionelle Alkylmethylpolysiloxane (z. B. partielle Hydrolysekondensate von R9 hR10 jSi(OR11)( 4-h-i) oder Cohydrolysekondensate oder Mischungen), ähnliche Materialien, wo die hydrolysierbare Gruppe Silazan, Acyloxy oder Oximo sein würde, umfassen. In all diesen ist eine Gruppe, die an Si gebunden ist, wie etwa R9 in der obigen Formel, ein langkettiger ungesättigter monovalenter Kohlenwasserstoff oder ein monovalenter aromatisch-funktioneller Kohlenwasserstoff. R10 ist eine monovalente Kohlenwasserstoffgruppe und R11 ist eine monovalente Kohlenwasserstoffgruppe mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen. In der obigen Formel ist h gleich 1, 2 oder 3 und i ist gleich 0, 1 oder 2, unter der Voraussetzung, dass h + i gleich 1, 2 oder 3 ist. Ein Fachmann könnte eine spezifische Behandlung optimieren, um die Dispersion des Füllstoffs ohne unnötige Experimente zu unterstützen.
  • Weitere optionale Komponenten
  • Komponente B), der thermisch leitfähige Füllstoff, kann optional einen verstärkenden Füllstoff zusätzlich zu dem thermisch leitfähigen Füllstoff oder anstelle eines Teils des thermisch leitfähigen Füllstoffs enthalten. Ein verstärkender Füllstoff kann eine geschnittene Faser, wie etwa geschnittenes KEVLAR® sein. Ohne an eine Theorie gebunden sein zu wollen, wird geglaubt, dass geschnittenes KEVLAR® die Festigkeit und den thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE) verbessert. Verstärkende Füllstoffe können auch mit Komponente C) behandelt werden.
  • Optionale Komponente D) ist ein Antioxidationsmittel. Ohne an eine Theorie gebunden sein zu wollen, wird geglaubt, dass Komponente D) die Kettenspaltung oder Zersetzung des Siliconharzes, des Siliconpolymers oder des Füllstoffbehandlungsmittels verhindert. Komponente D) kann irgendein Antioxidationsmittel enthalten, das üblicherweise in Kunststoffen, wie etwa Polypropylen, verwendet wird. Komponente D) kann zu der Zusammensetzung in einer Menge von mindestens 0,001%, alternativ mindestens 0,05% bis zu 1% gegeben werden.
  • Geeignete Antioxidationsmittel sind in der Technik bekannt und kommerziell erhältlich. Geeignete Antioxidationsmittel umfassen phenolische Antioxidationsmittel und Kombinationen von phenolischen Antioxidationsmitteln mit Stabilisatoren. Phenolische Antioxidationsmittel umfassen vollständig sterisch gehinderte Phenole und partiell gehinderte Phenole. Stabilisatoren umfassen Organophosphorderivate, wie etwa trivalente Organophosphorverbindung, Phosphite, Phosphonate und eine Kombination davon; Thiosynergisten, wie etwa Organoschwefelverbindungen einschließlich Sulfiden, Dialkyldithiocarbamat, Dithiodiproprionaten und eine Kombination davon, und sterisch gehinderte Amine, wie etwa Tetramethylpiperidinderivate. Geeignete Antioxidationsmittel und Stabilisatoren sind in Zweifel, Hans, "Effect of Stabilization of Polypropylene During Processing and Its Influence an Long-Term Behavior under Thermal Stress," Polymer Durability, Ciba-Geigy AG, Additives Division, CH-4002, Basel, Schweiz, American Chemical Society, Band 2, Seiten 375 bis 396, 1996, offenbart.
  • Geeignete phenolische Antioxidationsmittel umfassen Vitamin E und IRGANOX® 1010 von Ciba Specialty Chemicals, U. S. A. IRGANOX® 1010 enthält Pentaerythrittetrakis(3-(3,5-di-t-butyl-4-hydroxyphenyl)propionat).
  • Optionale Komponente E) ist ein Inhibitor. Komponente E) kann ein Additionsreaktionskatalysatorinhibitor sein. Additionsreaktionskatalysatorinhibitoren sind in der Technik bekannt und kommerziell erhältlich, siehe z. B. U.S.-Patent 5,929,164 (Spalte 1, Zeile 65 bis Spalte 3, Zeile 65).
  • Komponente E) kann ein Phosphin, ein Diphosphin, ein Amin, ein Diamin, ein Triamin, ein organisches Sulfid, eine alkenylfunktionelle Verbindung, eine alkinylfunktionelle Verbindung, eine hydroxyfunktionelle Verbindung, eine Kombination davon oder irgendein anderes Gift für Übergangsmetallkatalysatoren sein.
  • Geeignete Phosphine umfassen Trialkylphosphine und Triarylphosphine, wie etwa Triphenylphosphin. Geeignete Diphosphine umfassen Tetraphenylethylendiphosphin. Geeignete Amine umfassen n-Butylamin und Triethanolamin. Geeignete Diamine umfassen Tetramethylendiamin. Geeignete organische Sulfide umfassen Ethylphenylsulfid. Geeignete alkenylfunktionelle Verbindungen können organische Verbindungen, Organosilicone oder Organosilane sein. Geeignete alkenylfunktionelle Verbindungen umfassen Vinylsiloxane und Vinylsilane. Geeignete alkinylfunktionelle Verbindungen können organisch sein, wie etwa Acetylen, Propin, 1-Butin, 1-Pentin, 4,4-Dimethyl-1-pentin, 1-Hexin, 5-Methyl-1-hexin und 1-Decin.
  • Komponente E) wird in einer Menge zugegeben, die ausreichend ist, um der HSTC-Zusammensetzung für einen Zeitraum von mindestens 7 Jahren mechanische und chemische Stabilität zu verleihen, wenn die Zusammensetzung in einem Bauelement einer Zentraleinheit (CPU) verwendet wird. Die Menge an Komponente E) kann mindestens 0,001% betragen. Die Menge an Komponente E) kann bis zu 1% betragen.
  • Komponente F) ist ein optionales Matrixmaterial, das zusätzlich zu Komponente A) oder anstelle eines Teils von Komponente A) zugegeben werden kann. Komponente F) kann ein organofunktionelles Siliconwachs, ein Blockcopolymer von Silicon und organischem Polymer oder eine Kombination davon enthalten.
  • Komponente G) ist ein Vehikel, wie etwa ein Lösungsmittel oder ein Verdünnungsmittel. Komponente G) kann während der Herstellung der Zusammensetzung zugegeben werden, z. B. um das Vermischen und die Zufuhr zu unterstützen. Die gesamte oder ein Teil der Komponente G) kann optional entfernt werden, nachdem die HSTC-Zusammensetzung hergestellt ist.

    Komponente H) ist ein Benetzungsmittel.

    Komponente I) ist ein Antischaummittel.

    Komponente J) ist ein Pigment.

    Komponente K) ist ein Flammschutzmittel.
  • Komponente L) ist ein Spacer. Spacer können organische Teilchen, anorganische Teilchen oder eine Kombination davon enthalten. Spacer können thermisch leitfähig, elektrisch leitfähig oder beides sein. Spacer können eine Teilchengröße von mindestens 25 Mikrometer bis zu 250 Mikrometer aufweisen. Spacer können monodisperse Perlen enthalten. Die Menge von Komponente L) hängt von verschiedenen Faktoren ab, einschließlich der Verteilung der Teilchen, des Drucks, der während des Einbaus angewandt wird, und der Temperatur des Einbaus. Die Zusammensetzung kann bis zu 15%, alternativ bis zu 5% Komponente L) enthalten, die zusätzlich zu oder anstelle eines Teils von Komponente B) zugegeben wird.
  • Komponente M) ist ein niedrig schmelzender Metallfüllstoff. Der niedrig schmelzende Metallfüllstoff kann In, Sn oder eine Legierung davon enthalten. Der niedrig schmelzende Metallfüllstoff kann optional weiterhin Ag, Bi, Cd, Cu, Ga, Pb, Zn oder eine Kombination davon enthalten. Beispiele für geeignete niedrig schmel zende Metallfüllstoffe umfassen In-Bi-Sn-Legierungen Sn-In-Zn-Legierungen, Sn-In-Ag-Legierungen, Sn-Ag-Bi-Legierungen, Sn-Bi-Cu-Ag-Legierungen, Sn-Ag-Cu-Sb-Legierungen, Sn-Ag-Cu-Legierungen, Sn-Ag-Legierungen, Sn-Ag-Cu-Zn-Legierungen und Kombinationen davon. Der niedrig schmelzende Metallfüllstoff kann einen Schmelzpunkt von bis zu 250°C, alternativ bis zu 225°C aufweisen. Der niedrig schmelzende Metallfüllstoff kann einen Schmelzpunkt von mindestens 50°C, alternativ mindestens 150°C aufweisen. Der niedrig schmelzende Metallfüllstoff kann eine eutektische Legierung, eine nichteutektische Legierung oder reines Metall sein. Niedrig schmelzende Metallfüllstoffe sind in der Technik bekannt und kommerziell erhältlich. Komponente M) kann zusätzlich zu oder anstelle der gesamten oder eines Teils von Komponente B) zugegeben werden. Die Zusammensetzung kann bis zu 96% Komponente M) enthalten.
  • Verfahren zur Herstellung der in der Wärme erweichenden thermisch leitfähigen Zusammensetzung
  • Komponente A) wird so ausgewählt, dass die Zusammensetzung bei Raumtemperatur als Feststoff gehandhabt werden kann und bei oder oberhalb der Temperatur des Zusammenbaus des elektronischen Bauelements verformbar ist.
  • Die HSTC-Zusammensetzung kann so formuliert werden, um eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 0,8 Watt pro Meter Kelvin (W/mK), alternativ mindestens 2 W/mK aufzuweisen. Wärmeleitfähigkeit hängt von verschiedenen Faktoren einschließlich der Menge und Art des Füllstoffs, der als Komponente B) gewählt wird, ab.
  • Die HSTC-Zusammensetzung kann durch irgendwelche geeigneten Maßnahmen, wie etwa Mischen aller Komponenten bei einer Temperatur, die höher als die Erweichungstemperatur ist, hergestellt werden.
  • Wenn Komponente C) vorhanden ist, kann die HSTC-Zusammensetzung optional durch Oberflächenbehandlung von Komponente B) mit Komponente C) und anschließendes Vermischen der Zusammensetzung bei einer Temperatur oberhalb der Erweichungstemperatur hergestellt werden. Alternativ kann Kompo nente C) mit einigen oder allen anderen Komponenten gleichzeitig bei einer Temperatur oberhalb der Erweichungstemperatur vermischt werden.
  • Wenn Komponente G) vorhanden ist, kann die Zusammensetzung hergestellt werden, indem alle Komponenten bei Umgebungstemperatur oder erhöhter Temperatur vermischt werden.
  • Verfahren der Verwendung
  • Die oben beschriebene HSTC-Zusammensetzung kann als ein Grenzflächenmaterial, wie etwa ein thermisches Grenzflächenmaterial (TIM), verwendet werden. Das Grenzflächenmaterial kann jede passende Konfiguration aufweisen und ein Fachmann wäre fähig, die Konfiguration durch geeignete Auswahl von Komponente A) und den anderen Komponenten zu steuern. Die HSTC-Zusammensetzung kann formuliert werden, um unter Umgebungsbedingungen stabil zu sein. Die HSTC-Zusammensetzung kann formuliert werden, um unter Umgebungsbedingungen selbsttragend zu sein. Die HSTC-Zusammensetzung kann optional als ein flaches Teil, wie etwa eine Platte, ein Täfelchen, eine Folie oder ein Band bereitgestellt werden. Alternativ kann die HSTC-Zusammensetzung als ein halbkugelförmiger Noppen, ein konvexes Teil, eine Pyramide oder ein Kegel bereitgestellt werden. Ohne an eine Theorie gebunden sein zu wollen, wird geglaubt, dass Komponente A) aus der HSTC-Zusammensetzung einen klebrigen Feststoff bei Umgebungsbedingungen machen kann und dass die Klebrigkeit bei Aufbringung der HSTC-Zusammensetzung auf ein Substrat vorteilhaft sein wird.
  • Die HSTC-Zusammensetzung kann optional eine entfernbare Trennfolie über einer Oberfläche aufweisen. Eine Trennfolie kann verwendet werden, wenn die HSTC-Zusammensetzung bei Umgebungsbedingungen klebrig ist. Die Trennfolie kann z. B. ein wachs- oder siliconbeschichtetes Papier oder eine Kunststofffolie mit einer relativ niedrigen Oberflächenenergie sein. Die HSTC-Zusammensetzung kann auf ein Deckblatt, ein Trägermaterial oder eine andere Trennfolie durch übliche Maßnahmen, wie etwa ein direktes Verfahren, z. B. Sprühbeschichten, Rakelauftrag, Walzenauftrag, Gießen, Trommelbeschichten, Tauchen oder ähnliches, oder ein indirektes Übertragungsverfahren unter Verwendung einer Trennfolie aufgebracht werden. Ein Lösungsmittel, Verdünnungsmittel oder anderes Vehikel kann zu der HSTC-Zusammensetzung vor Anwendung gegeben werden und danach wird das Vehikel entfernt, um einen klebenden Film, eine klebende Beschichtung oder einen klebenden Rest der HSTC-Zusammensetzung auf der Trennfolie zu hinterlassen.
  • Die HSTC-Zusammensetzung kann optional auf ein Substrat beschichtet werden, z. B. wenn es der HSTC-Zusammensetzung während der Verarbeitung an ausreichender Formstabilität mangelt. Das Substrat kann ein thermisch leitfähiges Material, ein elektrisch leitendes Material oder beides sein. Das Substrat kann z. B. eine Metallfolie oder eine perforierte Metallfolie sein, wie etwa Gold-, Silber-, Kupfer- oder Aluminiumfolie; Polyimid; Polyamid; KAPTOM® von E. I. Du Pont de Nemours and Company, Inc., aus Wilmington, Delaware, U. S. A, oder Polyethylenterephthalatpolyester (MYLAR® von E. I. Du Pont de Nemours and Company, Inc., aus Wilmington, Delaware, USA) sein. Die Zusammensetzung kann auf eine oder mehrere Oberflächen des Substrats beschichtet werden. Trennfolien können auf beiden Seiten des beschichteten Substrats verwendet werden. Dieses Grenzflächenmaterial ist in 1 gezeigt. In 1 weist das Grenzflächenmaterial 100 ein Substrat 101 und Schichten der oben beschriebenen HSTC-Zusammensetzung 102 auf, die auf sich gegenüberliegenden Seiten des Substrats 101 gebildet wurden. Trägerfolien 103 werden über den offenliegenden Oberflächen der HSTC-Zusammensetzung 102 aufgebracht.
  • Verschiedene Grenzflächenmaterialien, die die oben beschriebene HSTC-Zusammensetzung enthalten, können hergestellt werden. Die oben beschriebene HSTC-Zusammensetzung kann verwendet werden, um Grenzflächenmaterialien nach verschiedenen Verfahren, einschließlich solchen, die in U.S.-Patenten 4,299,715 und 5,904,796 offenbart sind, herzustellen.
  • Die HSTC-Zusammensetzung wird entlang eines Wärmepfades zwischen einer Wärmequelle und einem Wärmeverteiler angeordnet. Die HSTC-Zusammensetzung kann durch irgendwelche passenden Maßnahmen, wie etwa Aufbringen einer formstabilen HSTC-Zusammensetzung oder eines Grenzflächenmaterials, das die HSTC-Zusammensetzung enthält, zwischen der Wärmequelle und dem Wärmeverteiler mit oder ohne einen Klebstoff oder Primer, Heißschmelzverteilen der HSTC-Zusammensetzung oder Tauchformen der HSTC-Zusammensetzung, dazwischen eingebracht werden.
  • Die Wärmequelle enthält eine elektronische Komponente, wie etwa einen Halbleiter, einen Transistor, einen integrierten Schaltkreis oder ein einzelnes Schaltelement.
  • Der Wärmeverteiler kann eine Wärmesenke, eine thermisch leitfähige Platte, eine thermisch leitfähige Abdeckung, einen Ventilator, ein System mit einem zirkulierenden Kühlmittel, eine Kombination davon oder andere enthalten. Die HSTC-Zusammensetzung kann in direktem Kontakt mit der elektronischen Komponente und der Wärmesenke verwendet werden. Die HSTC-Zusammensetzung kann entweder auf die elektronische Komponente und danach auf die Wärmesenke aufgebracht werden oder die HSTC-Zusammensetzung kann auf die Wärmesenke und danach auf die elektronische Komponente aufgebracht werden.
  • Während oder nach des Dazwischenbringens der HSTC-Zusammensetzung entlang des Wärmepfads kann die HSTC-Zusammensetzung auf eine Temperatur erwärmt werden, die der Erweichungstemperatur entspricht oder größer ist. Druck kann angewandt werden. Die HSTC-Zusammensetzung kann dann gekühlt werden.
  • Diese Erfindung bezieht sich ferner auf ein Produkt, umfassend:
    • a) einen Wärmeverteiler und
    • b) ein Grenzflächenmaterial auf einer Oberfläche des Wärmeverteilers,
    wobei das Grenzflächenmaterial und der Wärmeverteiler so konfiguriert sind, um einen Teil eines thermisch leitfähigen Pfads zwischen einer elektronischen Komponenten und einer Wärmesenke aufzuweisen und wobei das Grenzflächenmaterial die oben beschriebene Zusammensetzung enthält.
  • 2 zeigt ein Bauelement 200 gemäß dieser Erfindung. Dieses Bauelement 200 enthält eine elektronische Komponente (gezeigt als ein integrierter Schaltkreischip (IC-Chip)) 203, der auf einem Substrat 204 durch eine Lötkugelanordnung 211 und einem Chipunterfüller 209 befestigt ist. Das Substrat 204 hat Lötkugeln 205, die damit über Pads 210 verbunden sind. Ein erstes Grenzflächenmaterial (TIM1) 206 ist zwischen dem IC-Chip 203 und einer Metallabdeckung 207 angeordnet. Die Metallabdeckung 207 wirkt als Wärmeverteiler. Ein zweites Grenzflächenmaterial (TIM2) 202 ist zwischen der Metallabdeckung 207 und einer Wärmesenke 201 angeordnet. Wärme wandert entlang eines Wärmepfads, der durch Pfeile 208 dargestellt wird, wenn das Bauelement in Betrieb ist.
  • Produkte und Bauelemente können einschließlich der oben beschriebenen HSTC-Zusammensetzung hergestellt werden. Zum Beispiel kann die oben beschriebene HSTC-Zusammensetzung als die thermisch leitfähigen Grenzflächenmaterialien in Bauelementen, die in U.S.-Patenten 5,912,805 ; 5,930,893 ; 5,950,066 ; 6,054,198 und 6,286,212 beschrieben sind, zusätzlich zu oder anstelle der darin beschriebenen Grenzflächenmaterialien verwendet werden.
  • Beispiele
  • Diese Beispiele sollen dem Fachmann die Erfindung veranschaulichen und sollten nicht so ausgelegt werden, um den Umfang der Erfindung, die in den Ansprüchen festgelegt ist, zu beschränken. Me steht für eine Methylgruppe und Ph steht für eine Phenylgruppe.
  • Bezugsbeispiel 1: Laserflashverfahren
  • Thermische Impedanzmessung der thermischen Grenzflächenmaterialien werden auf dem Gerät Holometrix Microflash 300 (Holometrix Micromet, Redford, MA, jetzt NETZSCH Instruments, Inc.) durchgeführt. Siliciumwafer zur Verwendung bei der Probenherstellung werden von Addison Engineering Inc. aus San Jose, CA, erhalten. Die Siliciumwafer werden in würfelförmige Substrate der Größe 8 ± 0,13 mm geschnitten und werden mit entionisiertem Wasser von Silicon Sense aus Nashua, NH, abgespült.
  • Diese Siliciumwafer werden als Substrate verwendet, um die Testanordnungen zur Messung der thermischen Impedanz herzustellen. Um die thermische Impedanz zu prüfen, wird eine Schicht der HSTC-Zusammensetzung auf dem Siliciumsubstrat angeordnet. Ein zweites Siliciumsubstrat wird oben auf der HSTC-Zusammensetzung angeordnet, um eine Sandwichanordnung zu bilden. Eine Druckkraft wird auf die Anordnungen bei unterschiedlichen Temperaturen aufgewandt, um den Fluss der HSTC-Zusammensetzung zu überwachen und die resultierende Dicke der Klebstoffschicht unter den Druckkraft-/Temperaturbedingungen zu messen.
  • Die thermische Impedanz der Anordnungen wird durch Laserflashverfahren gemessen. Das Laserflashverfahren beinhaltet rasches Erwärmen einer Seite der Anordnung mit einem einzelnen Puls aus einem Laser und Überwachung des Ankommens der resultierenden Temperaturstörung als eine Funktion der Zeit auf der gegenüberliegenden Oberfläche. Die thermische Impedanz der dünnen TIM zwischen den zwei Substraten wird unter Verwendung einer Mehrschichtanalyse gemessen. Technische Details dieses Verfahrens sind in der Gerätebeschreibung zu finden, ebenso wie in Veröffentlichungen von Campbell, R. C.; Smith, S. E.; Dieth, R. L.; "Measurements of Adhesive Bondline Effective Thermal Conductivity and Thermal Resistance Using the Lasher Flash method", IEEE SEMI-THERM XV Symposium, (1999), Seiten 83 bis 97; Campbell, R. C.; Smith, S. E.; Dietz, R. L.; "Laser Flash Diffusivity Measurements of Filled Adhesive Effective Thermal Conductivity and Contact Resistance Using Multilayer Methods", Thermal Conducitivity 25 – Thermal Expansion 13, 13. bis 16. Juni 1999 und "Standard Test Method for Thermal Diffusivity of Solids by the Flash Method", ASTM Test Method E1461-92.
  • Bezugsbeispiel 2: Messung der Viskosität
  • Die Messung der komplexen Viskosität der Zusammensetzungen als eine Funktion der Temperatur wird auf einem Advanced Rheometric Expansion System (ARES) Rheometer von Rheometric Scientific, Piscataway, NJ, U. S. A. erhalten. Die Daten werden durch Kühlen der Zusammensetzung zwischen 25 mm parallelen Platten von 90 auf 30°C unter einer dynamischen Spannung von 0,5%, einer Frequenz von 1 rad/s und einer Kühlrate von 2°C/min ermittelt.
  • Beispiel 1
  • Ein Siliconharz der Formel (Ph2SiO2/2)19(Me2SiO2/2)19(PhSiO3/2)37(MeSiO3/2)25 wird mit einem Al2O3-Füllstoff (2:1 Mischung aus CB-A20S und Al-43-Me Aluminiumoxidfüllstoffen von Showa-Denko K. K.) durch Erwärmen des Harzes und Füllstoffs auf 80°C und Zentrifugalvermischung vereinigt. Die Mischung hat eine Füllstoffbeladung von 85,65 Gew.-%.
  • Die komplexe Viskosität der resultierenden HSTC-Zusammensetzung, wie auf dem Rheometer unter Bedingungen, die in Bezugsbeispiel 2 beschrieben sind, gemessen, beträgt 7.376 Pa·s bei 30°C und –10 Pa·s bei 90°C. Die HSTC-Zusammensetzung kann zwischen zwei Trennfolien zu einem formstabilen, klebrigen, flexiblen, 6 mil dicken Film bei Raumtemperatur gepresst werden.
  • Die HSTC-Zusammensetzung wird verwendet, um Anordnungen zwischen zwei Siliciumsubstraten wie in Bezugsbeispiel 1 beschrieben herzustellen. Die Klebstoffschichtdicke der HSTC-Zusammensetzung innerhalb der Anordnung bei 90°C unter verschiedenen Druckkräften ist in Tabelle 1 zusammen mit der thermischen Impedanz wie mithilfe von Laserflash bei diesen Klebstoffschichtdicken gemessen angegeben Tabelle 1
    Druck Kilopascal (kPa) Klebstoffschichtdicke (Mikrometer) (μm) Thermische Impedanz (cm2 °K/W)
    28 74 0,45
    138 52 0,40
  • Beispiel 2
  • Ein Siliconharz der Formel (Ph2SiO2/2)19(Me2SiO2/2)19(PhSiO3/2)37(MeSiO3/2)25 wird mit einem Al2O3-Füllstoff (2:1 Mischung aus CB-A20S und Al-43-Me Aluminiumoxidfüllstoffen von Showa-Denko K. K.) durch Erwärmen des Harzes und Füllstoffs auf 80°C und Zentrifugalvermischung vereinigt. Die Mischung hat eine Füllstoffbeladung von 88,08 Gew.-%.
  • Die komplexe Viskosität der resultierenden HSTC-Zusammensetzung, wie auf dem Rheometer unter Bedingungen, die in Bezugsbeispiel 2 beschrieben sind, gemessen, beträgt 13.932 Pa·s bei 30°C und 190 Pa·s bei 90°C. Die HSTC-Zusammensetzung kann zwischen zwei Trennfolien zu einem formstabilen, klebrigen, flexiblen, 6 mil dicken Film bei Raumtemperatur gepresst werden.
  • Die HSTC-Zusammensetzung wurde verwendet, um Anordnungen zwischen zwei Siliciumsubstraten wie in Bezugsbeispiel 1 beschrieben herzustellen. Die Klebstoffschichtdicke der HSTC-Zusammensetzung innerhalb der Anordnung bei 90°C unter verschiedenen Druckkräften ist in Tabelle 2 zusammen mit der thermischen Impedanz wie mithilfe von Laserflash bei diesen Klebstoffschichtdicken gemessen angegeben. Tabelle 2
    Druck (kPa) Klebstoffschichtdicke (μm) Thermische Impedanz (cm2 °K/W)
    28 103 0,54
    138 90 0,44
  • Beispiel 3
  • Ein Siliconharz/Siliconpolymer-Blend, bestehend aus (i) 61,08 Gew.-% eines Organopolysiloxanharzes, das aus (CH3)3SiO1/2-Siloxaneinheiten und SiO4/2-Siloxaneinheiten besteht, wobei das Harz ein zahlenmittleres Molekulargewicht von 2.600 aufweist, das Molverhältnis von (CH3)3SiO1/2-Einheiten zu SiO4/2- Einheiten 0,9:1 beträgt und das Harz weniger als 1 Gew.-% siliciumgebundene Hydroxylgruppen enthält, und (ii) 38,92 Gew.-% eines dimethylvinylsiloxyterminierten Polydimethylsiloxans mit einer Viskosität von etwa 0,3 bis 0,6 Pa·s bei 25°C wird als Matrix in diesem Beispiel verwendet. Der obige Harz/Polymer-Elend wird mit einem Al2O3-Füllstoff (2:1 Mischung aus CB-A20S und Al-43-Me Aluminiumoxidfüllstoffen von Showa-Denko K. K.) und Stearinsäure (Aldrich Chemical Company) als Füllstoffbehandlungsmittel durch Erwärmen des Harzes und des Füllstoffs auf 80°C und Zentrifugalvermischung vermischt. Die Mischung enthält 88,08 Gew.-% Füllstoff, 0,6 Gew.-% Stearinsäure und 11,32 Gew.-% der Matrix.
  • Die komplexe Viskosität der resultierenden HSTC-Zusammensetzung, wie auf dem Rheometer unter Bedingungen, die in Bezugsbeispiel 2 beschrieben sind, gemessen, beträgt 96.691 Pa·s bei 30°C und 1.996 Pa·s bei 90°C. Die resultierende HSTC-Zusammensetzung kann zwischen zwei Trennfolien zu einem formstabilen, klebrigen, flexiblen, 6 mil dicken Film bei Raumtemperatur gepresst werden.
  • Die HSTC-Zusammensetzung wird verwendet, um Anordnungen zwischen zwei Siliciumsubstraten wie in Bezugsbeispiel 1 beschrieben herzustellen. Die Klebstoffschichtdicke der HSTC-Zusammensetzung innerhalb der Anordnung bei 90°C unter verschiedenen Druckkräften ist in Tabelle 3 zusammen mit der thermischen Impedanz wie mithilfe von Laserflash bei diesen Klebstoffschichtdicken gemessen angegeben. Tabelle 3
    Druck (kPa) Klebstoffschichtdicke (μm) Thermische Impedanz (cm2 °K/W)
    28 92 0,43
    138 74 0,37
  • Beispiel 4
  • Ein Siliconharz mit der Formel (Ph2SiO2/2)19(Me2SiO2/2)19(PhSiO3/2)37(MeSiO3/2)25 wird mit Bornitridfüllstoff (PT350S von Advanced Ceramics Corporation) durch Erwärmen des Harzes und Füllstoffs auf 100°C und Zentrifugalvermischung vereinigt. Die Mischung hat eine Füllstoffbeladung von 54,87 Gew.-%.
  • Die komplexe Viskosität der resultierenden HSTC-Zusammensetzung, wie auf dem Rheometer unter Bedingungen, die in Bezugsbeispiel 2 beschrieben sind, gemessen, beträgt 455.640 Pa·s bei 30°C und 10.058 Pa·s bei 90°C. Die resultierende HSTC-Zusammensetzung kann zwischen zwei Trennfolien zu einem formstabilen, klebrigen, flexiblen, 6 mil dicken Film bei Raumtemperatur gepresst werden.
  • Die HSTC-Zusammensetzung wird verwendet, um Anordnungen zwischen zwei Siliciumsubstraten wie in Bezugsbeispiel 1 beschrieben herzustellen. Die Klebstoffschichtdicke des Materials innerhalb der Anordnung bei 90°C unter verschiedenen Druckkräften ist in Tabelle 4 zusammen mit der thermischen Impedanz wie mithilfe von Laserflash bei diesen Klebstoffschichtdicken gemessen angegeben. Tabelle 4
    Druck (kPa) Klebstoffschichtdicke (μm) Thermische Impedanz (cm2 °K/W)
    28 190 1,33
    138 163 0,89
  • Zeichnungen
  • 1 ist ein Grenzflächenmaterial gemäß dieser Erfindung.
  • 2 ist ein Bauelement gemäß dieser Erfindung.
    • 100
    Grenzflächenmaterial
    101
    Substrat
    102
    Schicht der HSTC-Zusammensetzung
    103
    Trennfolien
    200
    Bauelement
    201
    Wärmesenke
    202
    zweites thermisches Grenzflächenmaterial (TIM2)
    203
    elektronische Komponente
    204
    Substrat
    205
    Lötkugeln
    206
    erstes thermisches Grenzflächenmaterial (TIM1)
    207
    Metallabdeckung
    208
    Wärmepfad, dargestellt durch Pfeile
    209
    Chipunterfüller
    210
    Pads
    211
    Lötkugelanordnung

Claims (15)

  1. Bauelement enthaltend: (a) eine elektronische Komponente, (b) ein Grenzflächenmaterial und (c) eine Wärmesenke, wobei das Grenzflächenmaterial entlang eines Wärmepfads angeordnet ist, der sich von einer Oberfläche der elektronischen Komponente zu einer Oberfläche der Wärmesenke erstreckt, wobei das Grenzflächenmaterial enthält: eine Zusammensetzung enthaltend: A) eine Matrix mit einer Viskosität von mehr als 100 Pa·s bei Raumtemperatur und einer Viskosität von weniger als 10 Pa·s bei Temperaturen oberhalb von 90°C, die enthält (i) 4 bis 60%, bezogen auf das Gewicht der Zusammensetzung, eines Siliconharzes, wobei das Siliconharz ein DT-Harz, ein MQ-Harz oder eine Kombination davon enthält, und das DT-Harz ausgewählt ist aus: (R1R2SIO2/2)a(R3SO3/2)b und (R1 2SiO2/2)a(R2 2SiO2/2)b(R1SiO3/2)c(R2SiO3/2)d, worin jedes R1 unabhängig voneinander für eine Hydroxylgruppe oder eine organische Gruppe steht, jedes R2 unabhängig voneinander für eine Hydroxylgruppe oder eine organische Gruppe steht, jedes R3 unabhängig voneinander für eine Hydroxylgruppe oder eine organische Gruppe steht, a mindestens 1 ist, a bis zu 200 ist, b mindestens 1 ist, b bis zu 100 ist, c mindestens 1 ist, c bis zu 100 ist, d mindestens 1 ist und d bis zu 100 ist, und das MQ-Harz die Formel (R1R2R3SiO1/2)c(SiO4/2)d hat, worin jedes R1 unabhängig voneinander für eine Hydroxylgruppe oder eine organische Gruppe steht, jedes R2 unabhängig voneinander für eine Hydroxylgruppe oder eine organische Gruppe steht, jedes R3 unabhängig voneinander für eine Hydroxylgruppe oder eine organische Gruppe steht, c mindestens 1 ist, c bis zu 100 ist, d mindestens 1 ist, d bis zu 100 ist und ii) 0 bis 35%, bezogen auf das Gewicht der Zusammensetzung, eines Siliconpolymers und B) 40 bis 96%, bezogen auf das Gewicht der Zusammensetzung, eines thermisch leitfähigen Füllstoffs, der Metallteilchen, Metalloxidteilchen oder eine Kombination von diesen enthält.
  2. Bauelement nach Anspruch 1, das 0 bis 5%, bezogen auf das Gewicht der Zusammensetzung eines (C) Behandlungsmittels enthält, ausgewählt aus: R4 fSi(OR5)( 4-f ), worin f gleich 1, 2 oder 3 ist, R4 eine substituierte oder unsubstituierte monovalente Kohlenwasserstoffgruppe mit zwischen 1 und 50 Kohlenstoffatomen ist, R5 eine unsubstituierte gesättigte Kohlenwasserstoffgruppe mit zwischen 1 und 4 Kohlenstoffatomen ist; (R6O)gSi(OSiR7 2R8)4-g, worin g gleich 1, 2 oder 3 ist, R6 für eine Alkylgruppe steht, R7 unabhängig voneinander ungesättigte monovalente Kohlenwasserstoffgruppen mit 1 bis 10 Kohlenstoffatomen darstellen, R8 eine ungesättigte monovalente Kohlenwasserstoffgruppe mit mindestens 10 Kohlenstoffatomen darstellt; Alkylthiolen, Fettsäuren und Alkoholen oder eine Kombination daraus, und für Aluminiumoxid oder passiviertes Aluminiumnitrid partielle Hydrolysekondensate von R9hR10 jSi(OR11)( 4-h-i ) oder Cohydrolysekondensate oder Mischungen, worin R9 ein langkettiger ungesättigter monovalenter Kohlenwasserstoff oder monovalenter aromatisch funktioneller Kohlenwasserstoff ist, R10 eine monovalente Kohlenwasserstoffgruppe ist, R11 eine monovalente Kohlenwasserstoffgruppe mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen ist, h gleich 1, 2 oder 3 ist und i gleich 0, 1 oder 2 ist, wobei h + i gleich 1, 2 oder 3 ist.
  3. Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, das 0 bis 1%, bezogen auf das Gewicht der Zusammensetzung von (D) einem Antioxidationsmittel enthält.
  4. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei Komponente A) ii) vorhanden ist und die Formel: (R1R2R3SiO1/2)2(R1R2S102/2)e hat, worin jedes R1 unabhängig voneinander für eine Hydroxylgruppe oder eine organische Gruppe steht, jedes R2 unabhängig voneinander für eine Hydroxylgruppe oder eine organische Gruppe steht, jedes R3 unabhängig voneinander für eine Hydroxylgruppe oder eine organische Gruppe steht, e mindestens 5 ist und e bis zu 800 ist.
  5. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Siliconharz ein DT-Harz der Formel: (R1 2SiO2/2)a(R2 2SiO2/2)b(R2 2SiO2/2)b(R1SiO3/2)a(R2SiO3/2)b enthält, worin jedes R1 unabhängig voneinander für eine Alkylgruppe steht, jedes R2 unabhängig voneinander für eine aromatische Gruppe steht, a mindestens 1 ist, a bis zu 200 ist, b mindestens 1 ist und b bis zu 100 ist.
  6. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei Komponente A) i) ausgewählt ist aus: (a) (Ph2SiO2/2)19((CH3)2SiO2/2)19(PhSiO3/2)37((CH3)SiO3/2)25, worin Ph für eine Phenylgruppe steht, und (b) einem Organopolysiloxanharz, das aus (CH3)3SiO1/2-Siloxaneinheiten und SiO4/2-Siloxaneinheiten besteht, wobei das Harz ein zahlenmittleres Molekulargewicht von 2.600 hat, das Molverhältnis von (CH3)3SiO1/2-Einheiten zu SiO4/2-Einheiten 0,9:1 beträgt und das Harz weniger als 1 Gew.-% siliciumgebundene Hydroxylgruppen enthält.
  7. Bauelement nach Anspruch 1, wobei Komponente A) ii) vorhanden ist und Komponente A) ii) ein dimethylvinylsiloxyterminiertes Polydimethylsiloxan ist.
  8. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei Komponente B) Aluminiumnitrid, Aluminiumoxid, Bariumtitanat, Berylliumoxid, Bornitrid, Diamant, Graphit, Magnesiumoxid, teilchenförmiges Metall, Siliciumcarbid, Wolframcarbid, Zinkoxid oder eine Kombination davon enthält.
  9. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, das ferner eine optionale Komponente enthält, die E) einen Inhibitor; F) ein organofunktionelles Siliconwachs, ein Blockcopolymer eines Silicons und eines organischen Polymers oder eine Kombination davon; G) eine Trägersubstanz; H) ein Benetzungsmittel; I) ein Antischaummittel; J) ein Pigment; K) ein Flammschutzmittel; L) einen Spacer; M) einen niedrigschmelzenden Metallfüllstoff; N) einen verstärkenden Füllstoff oder eine Kombination davon enthält.
  10. Bauelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Zusammensetzung als ein flaches Teil, ein halbkugelförmiger Noppen, ein konvexes Teil, eine Pyramide oder ein Kegel ausgebildet ist.
  11. Bauelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Grenzflächenmaterial die Zusammensetzung beschichtet auf einer Oberfläche eines Substrats enthält.
  12. Bauelement nach Anspruch 11, wobei das Substrat eine Metallfolie, eine perforierte Metallfolie, eine Polyamidfolie, eine Polyimidfolie oder eine Polyethylenterephthalatpolyesterfolie enthält.
  13. Bauelement nach Anspruch 11, wobei die Zusammensetzung auf zwei Seiten des Substrats beschichtet ist.
  14. Verfahren zur Herstellung des Bauelements nach einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend: i) Anordnen der Zusammensetzung, die in einem der vorstehenden Ansprüche definiert ist, entlang eines Wärmepfads zwischen einer elektronischen Komponente und einer Wärmesenke.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, weiterhin umfassend: i) Erwärmen der Zusammensetzung auf eine Temperatur, die der Erweichungstemperatur der Zusammensetzung entspricht oder größer ist, ii) Anwenden von Druck auf die Zusammensetzung und iii) Kühlen der Zusammensetzung auf eine Temperatur, die geringer als die Phasenumwandlungstemperatur ist.
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