DE69428530T2

DE69428530T2 - Verbesserter waermekoppler

Info

Publication number: DE69428530T2
Application number: DE69428530T
Authority: DE
Inventors: G. Ameen; P. Mortimer; P. Yokimcus
Original assignee: WL Gore and Associates Inc
Current assignee: WL Gore and Associates Inc
Priority date: 1994-02-14
Filing date: 1994-05-04
Publication date: 2002-05-23
Anticipated expiration: 2014-05-05
Also published as: KR100351179B1; AU7199794A; CA2153501A1; EP0694212A1; WO1995022175A1; US5545473A; EP0694212B1; KR960702177A; CN1117769A; JPH08509324A; CA2153501C; DE69428530D1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

1. Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft elektrische Kopplungselemente und insbesondere thermisch leitende Kopplungselemente zur Verwendung in einer Vielfalt elektronischer Produkte.

2. Beschreibung des einschlägigen Standes der Technik

Integrierte Schaltungschips ("IC-Chips") werden ständig leistungsfähiger, wobei sie kompakter werden und immer kleinere Gehäuseformen aufweisen. Im Vergleich zu früheren integrierten Schaltungschips ergibt dieser Trend integrierte Chips, die signifikant dichter sind und viel mehr Funktionen in einer gegebenen Zeitspanne ausführen, was zu einer Steigerung ihres Stromverbrauchs führt. Dementsprechend neigen immer kleiner und schneller werdende Chips dazu, schneller heiß zu werden als frühere Produkte.
Im Ergebnis ist der Umgang mit der Wärme in elektronischen Produkten ein Hauptanliegen bei dem Entwurf des Produkts geworden. Die Zuverlässigkeit elektronischer Schaltungen wird zunehmend verknüpft mit der richtigen Übereinstimmung der Ausdehnungskoeffizienten der verschiedenen elektronischen Komponenten. Wenn die Temperatur steigt, verursachen Fehlanpassungen der Ausdehnungskoeffizienten, daß es zwischen benachbarten Teilen zu dem Aufbau von Spannungen kommt. Unter diesen Umständen hat jegliche Zunahme der Betriebstemperatur einen negativen Einfluß auf die Zuverlässigkeit.
In dem Bestreben, die Hitze besser zu beherrschen, ist der Einsatz verschiedener Wärmesenken derzeit ein zentraler Punkt bei dem Entwurf elektronischer Anlagen. Beispiele für gemeinsame Wärmesenken, die derzeit im Einsatz sind, enthalten zahlreiche gefüllte Produkte wie zum Beispiel Epoxymaterialien, hitzehärtbare Stoffe, Silikon und Thermoplaste; IBM Thermal Conductive Modules (ITCM); Mitsubishi High Thermal Conduction Modules (HTCM); Hitachi SiC Heat Sink; Fujitsu FACOM VP2000 Cooling Mechanism, etc.
Um IC-Chips erfolgreich an Wärmesenken anzupassen, wird ein elastisches oder anderweitig formanpaßbares Kopplungselement bevorzugt, um die Anbringung vereinfacht und den Effekt der Ausdehnung und Kontraktion zwischen elektronischen Komponenten zu minimieren. Luftspalte, die sich aus einer nicht bündigen Anbringung eines Chips auf einer Wärmesenke ergeben, und/oder Dehnungs- und Kontraktions-zyklen während des Betriebs können den Wärmestrom aus dem Bauelement stark behindern. Formanpaßbarkeit wird besonders dann wichtig, wenn Toleranzen bei der Kipplage zwischen Wärmesenke und Chip (im Fall von Flip-Chips) groß werden.
Typischerweise werden thermische Fette oder thermisch leitende wärmeerhärtbare Materialien dazu benutzt, Toleranzen zwischen elektronischen Komponenten auszugleichen, vergleiche beispielsweise das US-Patent 5 028 984 von Ameen et al. Während diese Werkstoffe für einige Anwendungen gut funktionieren, haben sie dennoch weiterhin eine Reihe von Nachteilen. Diese Werkstoffe lassen sich schwierig beherrschen und sind anfällig für eine Kontaminierung von Bauteilen der elektronischen Vorrichtung. Beispielsweise muß bei der Verwendung solcher Werkstoffe dafür gesorgt werden, daß unerwünschte Kontaminierung von Lötverbindungen vermieden wird, und im Fall von elektrisch leitenden, hitzehärtbaren Harzen muß eine unerwünschte Kontaminierung benachbarter Leiter vermieden werden. In der Praxis führt dies üblicherweise zu einer signifikanten Menge von Ausschußmaterial. Darüber hinaus erfordert eine Reinigung häufig die Verwendung von entweder unsicheren oder die Umwelt belastenden Lösungsmitteln.
Das US-Patent 5 137 283 von Giarusso et al. zeigt ein Dichtungsmaterial aus einer Dünnschicht, die einen schmelzbaren Metallkern umgibt. Im Betrieb wird die Dichtung als Kopplungselement installiert, und ihre Temperatur wird erhöht, um den Metallkern zu schmelzen, so daß er sich an die Komponenten anpassen kann. Unglücklicherweise wird angenommen, daß diese Konstruktion bei der Vermeidung von Luftspalten, die sich normalerweise beim Wärmezyklus des Bauelements ausbilden, nicht effektiv ist. Außerdem besitzt sie das übliche Problem von Feststoff-Dichtungsmaterialien, und es wird angenommen, daß dieses Bauteil eine nur beschränkte Kompressibilität besitzt, die entweder das Aufbringen exzessiver Drücke auf die Paßflächen erfordert oder aber den Einsatz nicht akzeptabler dicker Querschnitte der Dichtung.
In dem US-Patent 5 060 114 von Feinberg et al. wird Formanpaßbarkeit dadurch angestrebt, daß ein Metall oder ein Metalloxid, das mit Silikon gefüllt ist, um die abzukühlende Komponente herum ausgehärtet wird. Obschon dieses Verfahren möglicherweise erfolgreich ist, wird doch davon ausgegangen, daß es zu kompliziert, kostspielig und zeitraubend für weit verbreitete Anwendung ist.
Ein formanpaßbares thermisch leitendes Kopplungselement aus einer Kunstharzschicht, die leitende Partikel enthält, ist in der GB-A-2 219 133 beschrieben.
Darüber hinaus gibt es bei den meisten hitzehärtbaren Harzen, Schmiermitteln und Dichtungen, die einen Füllstoff verwenden, zusätzlich Beschränkungen bezüglich einer erfolgreichen Wärmeabfuhr. Die meisten Füllstoffe neigen dazu, jeden einzelnen Partikel des Wärmeleiters innerhalb des Harzes zu umhüllen, was den Leiter im wesentlichen isoliert. Dies reduziert in starkem Maß die gesamte Wärmeleitfähigkeit des Produkts in mindestens zweierlei Weise. Erstens kann auch eine dünne (mit einer Silikon- oder Epoxyschicht) beschichtete Oberfläche als Wärmeisolator fungieren, was die effektive Wärmeleitfähigkeit des Produkts schmälert, insbesondere an den Berührungsflächen. Zweitens: um eine derartige Wärmeisolierung zu überwinden, ist es häufig notwendig, beträchtlichen Druck auf die Grenzfläche auszuüben, um die wärmeleitenden Partikel in direkte Berührung miteinander zu drängen und so die notwendige Leitfähigkeit durch das Material zu erzeugen. Dies erfordert häufig nicht akzeptierbare Druckkraft für integrierte Schaltungen, um eine betriebstüchtige thermisch leitende Grenzfläche zu erhalten.
Als Ergebnis können die meisten im Handel erhältlichen Produkte eine Leitfähigkeit im Bereich von lediglich etwa 1,8 W/m K (für Schmiermittel) bis 2,2 W/m K (für Epoxide) haben. Selbst die am weitesten entwickelten (und teuersten) Werkstoffe wie zum Beispiel mit Silber gefüllte Epoxide, können eine Leitfähigkeit im Bereich von 3-4 W/m K haben. Was einfach zu behandelnde Werkstoffe angeht, so zum Beispiel selbstklebende Werkstoffe, wie sie erhältlich sind von Chomerics, Inc., Woburn, MA unter der Handelsbezeichnung CHO-THERM - thermische Grenzflächenwerkstoffe, und von der Bergquist Company, Minneapolis, MN unter der Handelsbezeichnung SIL-PAD - Wärmebehandlungswerkstoffe, so können diese Werkstoffe typischerweise eine Leitfähigkeit von lediglich etwa 0,37-0,95 W/m K bzw. 0,6-1,5 W/m K erzielen. Wenngleich diese handelsüblichen Werkstoffe bessere Leitfähigkeiten bei hohen Montagedrücken hervorrufen können, bieten sie dennoch bei geringen Montagedrücken nur äußerst geringe Leitfähigkeit (zum Beispiel bei Drücken unterhalb von 13,8-20,7 kPa (2-3 Ibs/in²)).
Andere Probleme bei zahlreichen handelsüblichen hitzehärtbaren Harzen sind: unangemessene Formanpaßbarkeit (das heißt exzessive Druckkraft, um höhere Wärmeleitfähigkeit zu erzielen); höhere Biegemodule nach dem Vernetzen, was zu wesentlicher Spannung an Bauelementen bei Wärmezyklen führt; einen Mangel an "Nachgiebigkeit", der zu Spannungsbrüchen führt, wenn das Harz nach der Vernetzung in Längsrichtung gebogen wird; lange Vernetzungszeiten und die Schwierigkeiten bei der Herstellung großer Volumina.
Es ist folglich das Hauptziel der vorliegenden Erfindung; ein thermisch leitendes Kopplungs- oder Kopplungselementeelement bereitzustellen, das relativ gleichmäßige Wärmeableitung ermöglicht und den negativen Einfluß von Biegung und Materialermüdung vermindert. Ein weiterer Zweck der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines wärmeleitenden Kopplungselements, welches formanpaßbar ist, um eine gute Passung zwischen Komponententeilen zu ermöglichen, ohne daß hierzu unangemessene Druckkraft erforderlich ist, um die gewünschte Stärke an Wärmeleitfähigkeit zu erzielen.
Ein noch weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines thermisch leitenden Kopplungselements, welches nachgiebig ist und es dem Werkstoff ermöglicht, Längsspannungen besser nachzugeben.
Diese und weitere Ziele der Erfindung ergeben sich aus der Lektüre der nachfolgenden Beschreibung.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung ist ein verbessertes wärmeleitendes Kopplungselement, welches gute Wärmeleitfähigkeit mit beträchtlicher Formanpaßbarkeit vereint, wie im beigefügten Anspruch 1 angegeben ist.
Die vorliegende Erfindung geht aus von zahlreichen bekannten wärmeleitfähigen Kopplungselementen, indem thermisch leitende Partikel in festen Bereichen einer offenen Polymer-Trägerstruktur eingefangen sind, ohne daß das Erfordernis besteht, die Partikel vollständig mit thermisch nicht leitendem Polymer zu überziehen. Im Ergebnis wird ein besserer Kontakt von Partikel zu Partikel ebenso erreicht wie ein besserer Kontakt zwischen Kopplungselement und Bauteil, um einen verbesserten Wärmetransfer durch das Kopplungselement zu erzielen. Das verbesserte thermische Kopplungselement gemäß der Erfindung ermöglicht außerdem die effektive Installierung mit signifikant geringerer Druckkraft als bei derzeit verfügbaren Kopplungselementen.
Durch Verwenden einer kompressiblen Struktur als Trägermaterial, so zum Beispiel von expandiertem, porösem Polytetrafluorethylen (PTFE) oder einem ähnlichen porösen Fluorpolymer, besitzt das erfindungsgemäße Kopplungselement ein signifikantes Maß an Flexibilität. Dies ermöglicht es dem Kopplungselement, sich leicht an eine Form anzupassen, um eine feste Verbindung zwischen Komponententeilen zu schaffen, was Ineffizienz aufgrund von Luftspalten verringert, während bei Wärmezyklen ein Puffer zwischen Komponententeilen geschaffen wird. Die Flexibilität des Kopplungselements sorgt außerdem für viel größere Toleranzen bezüglich Längsbiegungen und Materialermüdung während thermischen Zyklen. Durch die Verwendung eines porösen Fluorpolymers wird schließlich ein einfacher Mechanismus für die Luftabfuhr geschaffen.

BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die Arbeitsweise der Erfindung ergibt sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen. Es zeigen:
Fig. 1 eine isometrische Dreiviertel-Ansicht einer Ausführungsform eines wärmeleitenden Kopplungselements gemäß der Erfindung, in der Zeichnung zwischen Komponententeilen eines elektronischen Geräts angeordnet;
Fig. 2 eine Querschnittansicht einer weiteren Ausführungsform eines wärmeleitenden Kopplungselements gemäß der Erfindung, dargestellt zwischen zwei Komponententeilen eines elektronischen Geräts;
Fig. 3 eine Rasterelektronen-Mikroaufnahme (REM), die in 200-facher Vergrößerung ein wärmeleitendes Kopplungselement gemäß der Erfindung zeigt;
Fig. 4 eine REM, die in 2000-facher Vergrößerung ein wärmeleitendes Kopplungselement gemäß der Erfindung zeigt, die wärmeleitende Partikel veranschaulicht, die in Knötchen einer porösen Fluorpolymer-Membran eingebettet sind.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Die Erfindung ist ein wärmeleitendes Kopplungselement zur Anbringung zwischen einer Vielfalt von Komponententeilen, um die Übertragung von Wärmeenergie zu unterstützen.
In Fig. 1 dargestellt ist ein wärmeleitendes Kopplungselement 10 gemäß der Erfindung, angebracht zwischen zwei repräsentativen Komponenten, einer Wärmesenke 12 und einer integrierten Schaltung 14 auf einer elektronischen Schaltungsplatine 16. Im Gegensatz zu zahlreichen derzeit verfügbaren wärmeleitenden Kopplungselementen sorgt die Erfindung für eine hervorragende Formanpaßbarkeit zwischen Komponententeilen. Im Ergebnis bildet das Kopplungselement 10 gemäß der Erfindung bei minimalen Druckkräften eine enge Verbindung wischen dem Kopplungselement 10 und den Anlageflächen 18, 20 jeder der Komponenten bei geringen oder gar fehlenden Lufträumen, die die Wärmeleitfähigkeit unterbrechen könnten.
Wenn zum Beschreiben der zwischen Komponententeilen mit Hilfe des erfindungsgemäßen Kopplungselements erreichten Verbindung der Begriff "eng" verwendet wird, so ist damit gemeint, daß zwischen Komponententeilen eine Verbindung oder ein Übergang vorhanden ist, bei dem das Material des Kopplungselements sich in der Form angepaßt hat, indem es Unregelmäßigkeiten in den Oberflächen der Komponententeile ausgefüllt hat und jegliche dazwischen befindlichen Lufträume signifikant verringert oder gar beseitigt hat. Das Kopplungselement der vorliegenden Erfindung ist besonders effektiv bei der Schaffung einer engen Verbindung bei relativ geringen Montagedrücken. Wenn der Ausdruck "geringe Montagedrücke" hier verwendet wird, so soll er die eingeschränkten Drücke angeben, denen empfindliche elektronische Produkte. (zum Beispiel Kieselerde-IC-Chips) widerstehen können, wobei der Ausdruck Drücke unterhalb von etwa 207 kPa (30 lb/in²) beinhaltet.
Das Kopplungselement 10 gemäß der Erfindung läßt sich in einer Vielfalt von Formen und Größen herstellen, um besonderen Anforderungen zu entsprechen. In Fig. 2 dargestellt ist eine weitere Ausführungsform eines wärmeleitenden Kopplungselements 22 gemäß der Erfindung. In diesem Fall ist das Kopplungselement 22 verformt, um eine nachgiebige Verbindung zwischen einer Wärmesenke 24 und einer elektronischen Komponente 26 zu bilden.
Der bevorzugte Aufbau der erfindungsgemäßen Kopplungselemente enthält ein poröses Fluorpolymer-Material, in welchem feine wärmeleitende Partikel eingebettet sind. Die wärmeleitenden Partikel haben vorzugsweise folgende Eigenschaften: Wärmeleitfähigkeit (zum Beispiel im Bereich von 9,9 bis 2000 W/m K); Partikelgröße < 1 um bis zu etwa 44 um; und gute Füllmaterialeigenschaften. Um deutlich verbesserte Füllmaterialeigenschaften zu erzielen, ist bevorzugt, daß die Partikel eine Anzahl unterschiedlicher durchschnittlicher Größen aufweisen (zum Beispiel bimodal oder trimodal sind), demzufolge ungefüllte Lufträume zwischen den Partikeln minimiert werden können.
Bevorzugte Partikel zur Verwendung im Rahmen der Erfindung beinhalten: Metalle wie zum Beispiel Aluminium (Al), Kupfer (Cu) oder Nickel (Ni) oder Zink (Zn); Metalloxide wie zum Beispiel Zinkoxid, Kupferoxid und Aluminiumoxid; oder andere wärmeleitende elektrisch nicht leitende Werkstoffe wie zum Beispiel Bornitrid (BN), Aluminiumnitrid (AlN), Diamantpulver und Siliciumcarbid (SiC).
Wie im folgenden deutlicher erläutert werden wird, ergeben die wärmeleitenden Partikel einen Wärmetransfer dadurch, daß sie miteinander in direktem Kontakt stehen. Bei den derzeit verfügbaren wärmeleitenden Kopplungselementen wird dieser Wärmetransfermechanismus behindert durch den Umstand, daß die Partikel durch irgendein Mittel an Ort und Stelle gehalten werden müssen, so zum Beispiel durch Füllen in Epoxymaterialien, Silikone oder andere Polymere. Die Polymerbeschichtung hat die Neigung, die Partikel zu überziehen und dadurch die Wärmeleitfähigkeit des Systems zu reduzieren. Um diesen Zustand zu überwinden, erfordert die richtige Wärmeleitfähigkeit häufig, daß ein überschüssiger Wert an Druckkraft auf das Kopplungselement aufgebracht wird, um die Partikel in die korrekte Orientierung zu drücken.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung sind die Partikel gefangen in dem porösen Fluorpolymer-Trägermaterial selbst, ohne daß sie vollständig von einem thermisch nicht leitenden Material überzogen sind. Das poröse Fluorpolymermaterial dient als Träger und beinhaltet die wärmeleitenden Partikel, um sie in einer richtigen Ausrichtung zwischen den Komponententeilen zu halten. Insofern besitzt das poröse Fluorpolymermaterial eine offene Struktur, die sich einfach zusammenpressen läßt, um die thermisch leitenden Partikel in direkte Berührung miteinander zu bringen.
Im Idealfall ist das poröse Fluorpolymermaterial poröses Polytetrafluorethylen (PTFE), und speziell ein extrudiertes und/oder expandiertes PTFE, beispielsweise dasjenige, das in dem US-Patent 3 953 566 von Gore dargestellt wird. Das bevorzugte Material enthält ein poröses expandiertes PTFE, welches mindestens um das zwei- bis vierfache seiner Originalgröße gereckt wurde, entsprechend dem US-Patent 3 953 566. Dieses Recken hat dann zu Poren geführt, die als natürliche Luftentweichungsmöglichkeit fungieren, wenn das gefüllte Material wischen zwei Komponenten eingezwängt wird. Aufgrund der Natur des expandierten porösen PTFE werden außerdem durch nichtangepaßte Wärmeausdehnungskoeffizienten hervorgerufene Spannungen zwischen Komponententeilen in dieser leitenden Schicht entspannt, wenn sie zwischen ihnen plaziert wird.
Beispiele für Kopplungselement-Zusammensetzungen, die sich zur Verwendung im Rahmen der Erfindung eignen, sind unten angegeben. In der einfachsten Form der vorliegenden Erfindung enthält das Kopplungselement PTFE mit etwa 50 bis 60 Vol.-% der Feststoffkomponenten ZnO, BN oder irgend einen anderen thermisch gut leitenden, jedoch elektrisch nicht leitenden Füllstoff. Das endgültige Produkt kann in Verhältnissen von 4 : 1 oder 3 : 1 oder 2 : 1 expandiert sein, um das gewünschte Maß an Formanpaßbarkeit zu erzielen. Wie angemerkt wurde, ist das Vorhandensein der durch den Expansionsvorgang erzeugten Poren verantwortlich für die Formanpaßbarkeit des fertigen Produkts und unterstützt das Entweichen eingeschlossener Luft, wenn dieses Material zwischen zwei parallele Platten eingebracht und dann zusammengedrückt wird. Diese Werkstoffe lassen sich in jede beliebige Form bringen, so zum Beispiel in die Form dünner Bänder mit Dicken im Bereich von 0,127 bis 0,381 mm (5 bis 15 mil).
Eine weitere geeignete Zusammensetzung zur Verwendung im Rahmen der Erfindung beinhaltet das Füllen des porösen PTFEs mit einem Metallpulver, beispielsweise Kupfer oder Nickel, das eine Teilchengröße im Bereich von 1 bis 5 um besitzt. Bimodale oder trimodale Verteilungen können die Beladung dieses Materials steigern, indem zum Beispiel Partikel im Bereich von 1 bis 5 Mikrometer eingesetzt werden, gemischt mit Partikeln im Bereich von 40 bis 45 um. Dies ermöglicht eine höhere Füllungsdichte mit einer dadurch erreichten Zunahme der Wärmeleitfähigkeit, ohne daß Formanpaßfähigkeit geopfert wird. Der gesamte Volumenprozentanteil (einschließlich Luft) des Metalls zu dem fertigen gefüllten PTFE liegt im Bereich von 20 bis 90%. Das fertige Material läßt sich zusätzlich mit weiterem Metall überziehen, so zum Beispiel Zinn/Blei, Kupfer oder Nickel, um die thermischen Eigenschaften der Materialien zusätzlich zu erhöhen.
Werkstoffe, die nach irgendeinem der obigen Verfahren hergestellt wurden, können anschließend miteinander laminiert werden, um einen gut wärmeleitenden Werkstoff zu erhalten, welcher elektrisch isoliert. Durch Lamellieren eines dieser Materialien unter Druck zu einem thermisch besser leitenden Material, beispielsweise - aber ohne Beschränkung - mit Kupfer, Aluminium, Siliciumcarbid, Metallmatrix-Kompositen oder stark orientierten Kohlenstofffasern in einer Metallmatrix, läßt sich zusätzlich verbesserter Werkstoff erzielen.
Zur weiteren Verbesserung der Leitfähigkeit können die durch das Recken gebildeten Poren wieder mit einer Flüssigkeit gefüllt werden, um darin befindliche Lufträume zu reduzieren oder zu beseitigen und so die Wärmeleitfähigkeit zu verbessern. Beispielsweise kann eine Flüssigkeit aus folgenden Möglichkeiten ausgewählt werden: ein Silikonöl mit hohem Molekulargewicht, das eine mono-modale Molekulargewichtsverteilung besitzt, um so die Migration von Silikonöl und dessen Verdampfung zu vermeiden (zum Beispiel Dow Corning's DC-200-Öl mit einer Viskosität im Bereich von 10.000 bis 100.000 Centistoke); FREON-Fluorkohlenstoff-Flüssigkeit oder KRYTOX-Hexafluorpropylen-Epoxid-Polymer-Öl, jeweils erhältlich von E.I. dePont de Nemours and Company, Wilmington, DE; FOMBLIN- Perfluorpolyether-Öl, beziehbar von Ausimont USA, Morristown, NJ, oder ähnliche Werkstoffe.
Der Füllstoff kann in die Struktur durch eine Vielfalt von Mechanismen eingebracht werden, darunter der Einsatz einfacher Diffusion, des Injizierens unter Druck, des Einziehens unter Vakuum, des Eintreibens mittels Ultraschall, der Verwendung eines Lösungsmittels zum Erleichtern des Transports oder des Verteilens über der Oberfläche (so zum Beispiel mit einer Rakel). Darüber hinaus kann mit reinen Metallen gefülltes poröses PTFE elektrolytisch überzogen werden, um weiteres Metall dem fertigen Produkt hinzuzufügen. Dies geschieht natürlich mit dem Zweck, wärmeleitende Kopplungselemente zu erhalten, die auch elektrisch leitend sein können.
Schließlich können die gefüllten Materialien auf andere gefüllte Materialien laminiert werden, beispielsweise kann mit Metall gefülltes poröses PTFE auf mit Metalloxid gefülltes poröses PTFE laminiert werden, oder auf reine Metalle wie zum Beispiel Kupfer oder Aluminium, oder auf Hybrid-Werkstoffe wie zum Beispiel Siliciumcarbid, Metallmatrix-Komposite oder stark orientierte Kohlenstofffaser, um stärkere Leitfähigkeit zu erreichen. Es sollte weiterhin von dem Fachmann gesehen werden, daß jegliche Kombinationen dieser Alternativmöglichkeiten dazu dienen können, die Leitfähigkeit zu verbessern. Beispielsweise kann ein mit Metall gefülltes Material plattiert, anschließend auf eine Metallfolie laminiert und dann mit Silikonöl gefüllt werden.
Bei jeder der obigen Zusammensetzungen kann je nach Erfordernis ein leichter Klebstoff auf eine oder beide Flächen des Kompositmaterials aufgetragen werden, um das Montieren der elektronischen Bauelemente zu erleichtern.
Der Aufbau des erfindungsgemäßen Kopplungselements ist am besten veranschaulicht durch Rasterelektronenmikroaufnahmen (REMs) nach den Fig. 3 und 4. Wie in den REMs zu sehen ist, enthält ein expandiertes poröses PTFE- Fluorpolymermaterial 24 ein Netzwerk aus durch Fibrillen 28 untereinander verbundenen Knötchen 26. Wenn in der oben beschriebenen Weise hergestellt, werden die wärmeleitenden Partikel 30 innerhalb der Polymerstruktur vermascht, wobei sie direkt an einigen der Knötchen 26 befestigt oder in diesen eingebettet werden und so innerhalb des porösen Fluorpolymermaterials fixiert werden. Im Gegensatz zu einigen früheren Kopplungselementen erfordert das Halten der Partikel erfindungsgemäß nicht irgendeine Beschichtung der Partikel oder eine andere Behinderung der Wärmeleitfähigkeit. Dieses Fertigungsverfahren ermöglicht außerdem, daß die Partikel sogar an der Oberfläche des Kopplungselements frei bleiben und damit einen direkten Kontakt zwischen dem Kopplungselement und den Oberflächen der Komponenten erreichen.
Die vorliegende Erfindung stellt Verbesserungen gegenüber derzeit verfügbaren kommerziellen Produkten dar. Die Kopplungselemente, die gemäß vorliegender Erfindung gefertigt werden, sind die einzigen Kopplungselemente, die sämtliche der folgenden Eigenschaften in sich vereinen: Wärmeleitfähigkeit ≥0,5 W/m K; beträchtliche Nachgiebigkeit; beträchtliche Formanpaßbarkeit; Porosität zur Erzielung von Spannungsabbau sowie einfache Anbringung. Die Kombination dieser Charakteristika schafft einen Wärmepfad, von dem angenommen wird, daß er die geringstmögliche thermische Impedanz aufweist.
Ohne daß dadurch der Schutzumfang der Erfindung beschränkt werden soll, läßt sich das Verfahren zum Herstellen sowie die Verwendung der vorliegenden Erfindung besser unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Beispiele verstehen:

BEISPIEL 1

Ein Schlamm aus 2240 g Zinkoxid der Güte Z-52, bezogen von Fisher Scientific Company of Pittsburgh, PA, und 23.800 ml deionisiertes Wasser wurde in einem 30-Liter-Behälter vorbereitet. Während der Schlamm mit 300 UpM gerührt wurde, wurden in das Mischgefäß schnell 560 g PTFE in Form von 29,4% Feststoffe enthaltender PTFE-Dispersion eingegossen. Die PTFE-Dispersion war eine wässrige Dispersion, bezogen von E.I. DuPont de Nemours Company, Wilmington, DE. Das Gemisch war selbst-koagulierend, und innerhalb von 1 Minute hatte sich das Koagulum am Boden des Mischgefäßes abgesetzt, das Wasser war klar.
Das Koagulum wurde in einem Konvektionsofen bei 165ºC getrocknet. Das Material trocknete zu kleinen, mit Rissen versehenen Küchlein, die etwa 2 cm dick waren und auf unter 0ºC abgekühlt wurden. Der abgekühlte Kuchen wurde von Hand geschliffen unter Einsatz eines engen, eine Kreisbewegung bei minimaler Abwärtskraft ausführenden Siebs aus rostfreienn Stahl mit einer Maschengröße von 0,635 cm, wobei 0,267 g Lackbenzin pro Gramm Pulver hinzugegeben wurden. Das Gemisch wurde abgekühlt, erneut durch ein Sieb mit 0,635 cm Maschen gegeben, 10 Minuten lang geschleudert, dann 48 Stunden lang bei 18ºC setzengelassen und dann erneut 10 Minuten geschleudert.
Durch Ziehen unter Vakuum und Pressen bei 800 psi wurde ein Pellet in einem Zylinder geformt. Das Pellet wurde anschließend in einem abgeschlossenen Rohr erhitzt. Anschließend wurde das Pellet zu Bandform extrudiert.
Anschließend wurde das Band durch erhitzte Walzen kalandriert. Das Gleitmittel wurde anschließend verdampft, indem das Band über erhitzte Walzen geleitet wurde. Die Dicke betrug etwa 297 um (11,7 mil) nach dem Trocknen.

BEISPIEL 2

Das im Beispiel 1 hergestellte Band wurde anschließend mit Hilfe von Silikonöl gefüllt, um die darin befindlichen Lufträume sämtlich auszufüllen. Etwa 1 g Silikonöl der Marke Dow Corning DC 200 (30 kcs) wurden auf beide Seiten des Bands mit einer Rakel aufgetragen, bis das Silikonöl das Kopplungselement beschichtet hatte und die darin befindlichen Hohlräume zum größten Teil gefüllt waren. Das Kopplungselement hatte eine Dicke von etwa 292 um (11,5 mil) im Anschluß an diese Prozedur.

BEISPIEL 3

In einem 30 Liter fassenden Behälter wurde ein Schlamm aus 4.376 g Bornitrid der Stufe HCP, erhalten von Advanced Ceramics Company of Cleveland, Ohio, und 55.000 ml deionisiertem Wasser vorbereitet. Während der Schlamm mit 300 UpM gerührt wurde, wurden 4.324 g PTFE in Form von 15,7% Feststoff enthaltender PTFE-Dispersion rasch in das Mischgefäß eingegossen. Die PTFE-Dispersion war ein wässrige Dispersion, bezogen von ICI Americas, Inc., Bayonne, NJ. Das Gemisch war selbst-koagulierend, und innerhalb von 1 Minute hatte sich das Koagulum am Boden des Mischgefäßes abgesetzt, das Wasser war klar.
Das Koagulum wurde in einem Konvektionsofen bei 165ºC getrocknet. Das Material trocknete zu kleinen, Risse aufweisenden Kuchen mit einer Dicke von etwa 2 cm, und diese wurden auf unter 0ºC abgeschreckt. Der abgekühlte Kuchen wurde von Hand geschliffen durch eine enge, kreisförmige Bewegung bei minimaler Abwärtskraft durch ein Sieb aus rostfreiem Stahl mit einer Maschenweite von 0,635 cm, wobei pro Gramm Pulver 0,267 g Lackbenzine zugegeben wurden. Das Gemisch wurde abgekühlt, erneut durch das Sieb mit einer Maschenweite von 0,635 cm gegeben, 10 Minuten geschleudert, anschließend 48 Stunden lang bei 18ºC setzengelassen und dann erneut 10 Minuten geschleudert.
In einem Zylinder wurde durch Ziehen unter Vakuum und Pressen bei 5,52 MPa (800 psi) ein Pellet geformt, welches anschließend in einem abgeschlossenen Rohr erhitzt wurde. Das Pellet wurde dann zu einer Bandform extrudiert.
Das Band wurde dann durch erhitzte Walzen kalandriert. Das Gleitmittel wurde anschließend verdampft, indem das Band über erhitzte Walzen geleitet wurde. Die Dicke betrug 267 um (10,5 mil) nach dem Trocknen.

BEISPIEL 4

Das Band nach Beispiel 3 wurde gereckt gemäß dem US-Patent 3 953 566 von Gore, hier durch Bezugnahme inkorporiert; und zwar unter folgenden Expansionsbedingungen: Verhältnis 2 : 1 über Metallwalzen, die auf 270ºC erhitzt waren, bei einer Eingangsgeschwindigkeit von 0,267 m/s (52,5 ft/min) und einer Ausgangsgeschwindigkeit von 0,533 m/s (105 ft/min).

BEISPIEL 5

In einem 2 Liter fassenden, mit Leitblechen versehenen Behälter aus rostfreiem Stahl wurde ein Schlamm aus 301,1 g - 325-Maschen-Kupferpulver und 5,1 g < 7 um-Kupferpulver sowie 920 g deionisiertem Wasser hergestellt. Das Kupferpulver wurde bezogen von SCM Metal Products Inc. Research Triangle Park, NC. Nach 1 Minute dauerndem Mischen wurden 18,2 g PTFE-Feststoffe in Form einer 25,0-%-Dispersion rasch in das Mischgefäß eingegossen. Die Dispersion stammte von E.I. DuPont de Nemours and Company, Wilmington, DE. Nach 10 Sekunden wurden in die Mischung 38,3 g SEDIPUR 803, ein modifiziertes kationisches Oberflächenbehandlungsmittel, gegossen. Das Gemisch koagulierte rasch. Nach dem Anhalten des Mischprozesses hatte sich auf dem Boden das Koagulum abgesetzt, die abgetrennte Flüssigkeit war klar. Das Koagulum wurde in einem Konvektionsofen bei 165ºC getrocknet. Das Material trocknete zu kleinen, Risse aufweisenden Kuchen und wurde auf unter 0ºC abgekühlt. Der abgekühlte Kuchen wurde von Hand gemahlen mit einer engen, kreisförmigen Bewegung bei minimaler Abwärtskraft durch ein Sieb aus rostfreiem Stahl mit 0,635 cm Maschen, anschließend wurden 75 cm³ eines Gemisches aus zwei Teilen Polypropylenglykol (PPG) und einem Teil Isopropanol (IPA) pro Pfund des Gemisches hinzugegeben. Das Gemisch wurde abgekühlt, erneut durch ein Sieb mit 0,635 cm Maschen gegeben, 10 Minuten lang geschleudert, anschließend 48 Stunden lang bei 18ºC absetzen gelassen, und dann erneut 10 Minuten lang geschleudert.
In einem Zylinder wurde durch Ziehen unter Vakuum und Pressen bei 1,725 MPa (250 psi) ein Pellet gebildet. Dann wurde das Pellet in einem abgedichteten Rohr erhitzt. Danach wurde das Pellet zu Bandform extrudiert.
Das Band wurde anschließend durch erhitzte Walzen auf 15 ml kalandriert. Das Gleitmittel wurde anschließend verdampft, indem das Band über mit Dampf beheizte Platten von 250ºC gezogen wurde. Die Banddicke betrug 277 um (10,9 mil) nach dem Trocknen.

Meßprozedur:

Proben des Materials werden zu Quadraten von 12,7 cm (5 Zoll) geschnitten und auf eine erhitzte Unterlagenplatte von 12,7 cm (5 Zoll) auf 12,7 cm (5 Zoll) gesetzt. Oben auf der Testprobe wurde eine Wärmesenke mit Thermopaarsensoren plaziert (Bezugs-ASTM E 1225-87, Wärmeleitfähigkeit von Feststoffen mit Hilfe der geführten Vergleichs-Längswärmefluß-Methode, und ASTM C 177-85, Wärmeflußmessungen für den eingeschwungenen Zustand sowie Wärmeübertragungseigenschaften mit Hilfe der geschützten Heißplattenapparatur). Oben auf die Wärmesenke wird ein Muffin-Gebläse plaziert, um die Einflüsse von Temperaturschwankungen in dem Raum zu reduzieren. Die Probe wird erhitzt, und der Wärmefluß sowie die Temperaturänderung werden mit Hilfe der oben erwähnten Thermopaare überwacht. Wenn Gleichgewicht erreicht ist, werden der Wärmestrom und die Temperatur notiert und in eine Fourier-Leitungsgleichung für den eindimensionalen Wärmefluß im eingeschwungenen Zustand eingesetzt. Das heißt:
wobei k = Wärmeleitfähigkeit
ΔQ/A = Wärmestrom von der Testmaschine
ΔT = Temperatur von der Testmaschine
Die Testmaschine ist das Modell C-600-S Thermal Conductivity Cell von der Firma International Thermal Instruments Company (Del Mar, CA) oder eine ähnliche Vorrichtung.
Das Testen entsprach den von dem Hersteller der Thermal Conductivity Cell vorgegebenen Prozeduren. Als erstes wurde die Maschine geeicht. Sodann wurde die Probe eingebracht und der Test gestartet. Die erste Meßwertablesung erfolgte nach 30 Minuten, anschließend wurden alle 15 Minuten Meßwertablesungen vorgenommen. Der erhaltene Wert war der Meßwert, nach dem die Maschine Gleichgewicht erreicht hatte (etwa 1,5 Stunden pro Probe).
Es wurden die folgenden Testergebnisse für jede Probe der obigen Beispiele erreicht. Wärmeleitfähigkeit (K) (W/m K) wurde ohne Druck gemessen, außerdem nachdem die Proben den angegebenen Drücken ausgesetzt wurden. Von Chomerics, Inc., Woburn, MA und von The Bergquist Company, Minneapolis, MN bezogene Vergleichsmaterialien wurden erworben.
Es werden die folgenden drei Tests vorgeschlagen, um die Formanpassungsfähigkeit sowie Nachgiebigkeit der Koppelelemente gemäß der Erfindung zu definieren. Es sollte ein flacher Primär-Testkopf ("Testkopf A" (TKA)) in Berührung mit der Koppelelementoberfläche gebracht werden, die auf eine Toleranz von +/- 0,001 Zoll geschliffen ist. Außerdem sollten zwei alternative Testköpfe dazu benutzt werden, die Fähigkeit der Erfindung zu messen, sich an unregelmäßige Oberflächen anzupassen. Ein erster Testkopf (Testkopf B (TKB)) sollte mit der Oberfläche auf eine Mikro-Grobtextur mit 3,175 um (125 Mikrozoll) gegeben werden. Ein zweiter Testkopf ("Testkopf C" (TKC)) sollte mit +/- 127 um (0,005 Zoll) betragenden Eindrücken und Vorsprüngen gebildet werden.
"Nachgiebigkeit" ist definiert als die Fähigkeit eines Koppelelements, eine Lücke zwischen zwei nicht planaren Oberflächen zu füllen. Geprüft werden kann dies dadurch, daß eine Oberfläche unter einem kleinen Winkel bezüglich der Partnerfläche gekippt wird, so zum Beispiel durch Einführen eines Keils mit einem Drittel bis der Hälfte der Dicke des Koppelelements zwischen dem Koppelelement und den beiden Partnerflächen. Die thermische Leitfähigkeit wird mit dieser Geräteanordnung gemessen und verglichen mit der Wärmeleitfähigkeit des Koppelelements ohne den Keil. Ein Abfall von weniger als 30% der ursprünglichen Wärmeleitfähigkeit wurde "nachgiebig" zugeordnet. Vorzugsweise ist das Koppelelement soweit nachgiebig, daß es eine Differenz von 0,127 mm (5 mil) über eine Länge von 127,0 mm (5 Zoll) des Koppelelements ausgleicht.
"Formanpaßbarkeit" ist definiert als die Fähigkeit des Koppelelements, eine ungleichmäßige Textur einer Fläche auszufüllen. Formanpaßbarkeit läßt sich prüfen mit Hilfe der Testköpfe TKB und TKC. Das Koppelelement wird geprüft, um zu sehen, ob es sich an eine mikrorauhe Oberfläche und einer Oberfläche mit einer +/- 127 um (0,005 Zoll) schwankenden Oberfläche förmlich anpassen kann. Der +/- 127 um (0,005 Zoll) aufweisende Testkopf wird mit Test-Koppelelementen verwendet, die größer als 254 um (0,010 Zoll) sind. Die Wärmeleitfähigkeit der Probe läßt sich mit diesen beiden Köpfen messen und mit der ursprünglichen Wärmeleitfähigkeit vergleichen. Ein Koppelelement wird dann als formanpaßbar betrachtet, wenn die Wärmeleitfähigkeit um nicht mehr als 30% abnimmt.
Die folgenden Tests wurden durchgeführt, um die Nachgiebigkeit von herkömmlichem expandiertem, porösem Polytetrafluorethylen-(PTFE-)Material zu testen, welches gemäß dem US-Patent 3 953 566 von Gore, hier durch Bezugnahme inkorporiert, gefertigt wird, und das sich zur Verwendung als poröses Fluorpolymermaterial gemäß der Erfindung eignet. Die Wärmeleitfähigkeit wurde gemäß der oben beschriebenen Testprozedur geprüft.
* 1 Zoll = 25,4 mm
Das wärmeleitfähige Koppelelement gemäß der Erfindung ist speziell ausgelegt zum Ableiten von Wärmeenergie von Komponententeilen elektronischer Bauelemente, so zum Beispiel eines Leitungs-FET, von logischen Rechnerschaltungen sowie anderen elektronischen Schaltungen hoher Dichte. Allerdings versteht sich, daß Anwendungen der vorliegenden Erfindung eine breite Auswahl weiterer Einsatzmöglichkeiten beinhaltet, so zum Beispiel Leistungstransformatoren, Transistorgehäuse (zum Beispiel solche mit der Bezeichnung TO-3, TO-5, TO-18, TO- 36, TO-66, TO-220 etc.) sowie Diodengehäusen (so zum Beispiel mit den Bezeichnungen DO-4, DO-5 etc.).
Gleichermaßen versteht sich, daß ohne Abweichung von der Erfindung die Wärmeleitungseigenschaften der vorliegenden Erfindung auch verwendet werden können für die Wärmeübertragung zu gewissen Komponententeilen wie zum Beispiel Wärmesenken, Kühlplatten und dergleichen.
Während spezielle Ausführungsformen der Erfindung hier dargestellt und beschrieben werden, ist die Erfindung nicht auf diese Darstellungen und Beschreibungen beschränkt. Es ist ersichtlich, daß Änderungen und Abwandlungen vorgenommen und ausgeführt werden können im Rahmen der Erfindung, ohne vom Schutzumfang der beigefügten Ansprüche abzuweichen.

Claims

1. Wärmeleitendes Kopplungselement zur Montage zwischen Elektronikbauteilen, umfassend:

ein poröses Fluorpolymer-Material mit einer ersten Fläche und einer zweiten Fläche;

thermisch leitende Partikel, die in dem Fluorpolymer-Material zwischen der ersten und der zweiten Fläche eingebettet sind;

wobei das thermisch leitende Kopplungselement formanpaßbar ist.

2. Wärmeleitendes Kopplungselement nach Anspruch 1, bei dem das Fluorpolymer-Material ein Netzwerk aus durch Fibrillen untereinander verbundenen Knötchen aufweist, wobei zumindest einige der wärmeleitenden Partikel an den Knötchen befestigt sind.

3. Wärmeleitendes Kopplungselement nach Anspruch 2, bei dem das Fluorpolymer-Material ein expandiertes Polytetrafluorethylen (PTFE) aufweist.

4. Wärmeleitendes Kopplungselement nach Anspruch 1, bei dem das Kopplungselement Partikel unterschiedlicher Größen aufweist, die in das Material eingemischt sind, um erhöhte Packungsdichte zu erreichen.

5. Wärmeleitendes Kopplungselement nach Anspruch 1, bei dem das Kopplungselement eine Dicke von etwa 0,25 bis 0,38 mm und eine hohe Wärmeableitrate aufweist.

6. Wärmeleitendes Kopplungselement nach Anspruch 2, bei dem das Kopplungselement ausreichend formanpaßbar ist, um ein dichtes, wärmeleitendes Kopplungselement unter einem Druck von weniger als etwa 207 kPa (30 psi) zu bilden.

7. Wärmeleitendes Kopplungselement nach Anspruch 1, bei dem thermisch leitende Partikel an der ersten und der zweiten Fläche des Fluorpolymers freiliegen, wobei die Partikel im wesentlichen frei von einer thermisch isolierenden Beschichtung sind.

8. Wärmeleitendes Kopplungselement nach Anspruch 1, bei dem das Kopplungselement ausreichend nachgiebig ist, um zumindest eine Differenz von 0,127 mm (5 mil) zwischen dem einen und dem anderen Ende eines Kopplungselements mit einer Länge von 127 mm auszugleichen.

9. Wärmeleitendes Kopplungselement nach Anspruch 1, bei dem das Kopplungselement für eine Entlastung von Spannungen sorgt, die durch unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten zwischen Bauteilen hervorgerufen werden.

10. Wärmeleitendes Kopplungselement nach Anspruch 1, bei dem das Kopplungselement ausreichend nachgiebig ist, um eine Lücke zwischen zwei nicht-parallelen Flächen zu füllen.

11. Wärmeleitendes Kopplungselement nach Anspruch 1, bei dem die wärmeleitenden Partikel ausgewählt sind aus der Gruppe Zinkoxid, Bornitrid, Aluminiumoxid, Kupfer, Nickel und Siliciumcarbid.

12. Wärmeleitendes Kopplüngselement nach Anspruch 1, bei dem das Kopplungselement ausreichend komprimierbar ist, um eine stramme Dichtung zwischen den Bauteilen bei relativ geringen Lagerdrücken von weniger als 207 kPa (30 psi) zu erreichen.