JP7407218B2 - 電子部材の内部、中間部、外部のサーマルインターフェイス薄膜材料 - Google Patents
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Description
電子部品パッケージの放熱分野では、電子部品パッケージの表面とヒートシンクの表面との隙間を埋める従来技術として、サーマルインターフェイスマテリアル(Thermal interface materials,TIM)が利用されている。
通常、熱伝導平均K値が4~13W/m・Kの絶縁ペーストまたは軟質パッドには、シリコンオイルが出る、寿命が短い、リワークに破壊が必要といった懸念があり、熱伝導平均K値が13~21W/m・Kまたは60~80W/m・Kの導電性合金ペーストまたは軟質パッドには、貼付に加熱が必要、高ワット数でオーバーフローし、ショートする等の懸念があるためダム処理が必要である。
市販のグラファイトシートは限られたスペースや現有の区域に放熱を追加する場合に特に適している。優れた熱伝導性(銅の2~4倍)により、熱伝導性グラファイトシートは柔軟性を備え(繰り返し湾曲可能)、カスタムの形状にカットすることが可能であり、携帯電話やコンピューター、その他電子機器、半導体製造設備、光通信設備等に応用できる。
本発明の目的は、リワーク性に優れ、シリコンオイルが出ず、耐久性が高く、オーバーフローし難い電子部材の内部、中間部、外部のサーマルインターフェイス薄膜材料を提供することにある。
図1に示すように、回路基板201上にチップ301(Chip)が設置され、アレイソルダーボール401を介してチップ301が回路基板201に固定される。
チップ301は通電動作後発熱するが、チップ301を正常に動作させ、かつチップ301の使用寿命を延長するには、その熱を放熱させる必要がある。
チップ301が発生する熱を当該集積型ヒートスプレッダ501に伝達して放出させることがその目的である。
さらに放熱効果を高めるために、集積型ヒートスプレッダ501の表面にさらにヒートシンク701(Heatsink)を設置し、かつサーマルインターフェイス薄膜材料TIM2 102で電子部材の外部の集積型ヒートスプレッダ501とヒートシンク701の間的空隙を埋めることで、最良の電子部材の放熱効果を達成することができる。
当該第1の接触インターフェイスと第3の接触インターフェイスに設置されたサーマルインターフェイス薄膜材料は、その内部と外部の設置位置に基づいてそれぞれTIM1 101及びTIM2 102と略称される。
図2に示すように、回路基板201上にチップ301が設置され、かつアレイソルダーボール401を介してチップ301が回路基板201上に固定される。
チップ301は通電動作後発熱するが、実際の電子部材ではチップ301の大きさと空間設計を考慮し、集積型ヒートスプレッダ501を省略して、別途チップ301表面上に直接ヒートシンク701を設置し、かつサーマルインターフェイス薄膜材料TIM1.5 103を用いて電子部材の中間部のチップ301とヒートシンク701の間の空隙を埋めることで、その空間の使用において最良の電子部材の放熱効果を達成することができる。
即ち、電子部材の内部、中間部、外部とは、以上のサーマルインターフェイス薄膜材料の応用位置を以て定義される。
図3に示すように、電子部材の内部、中間部、外部のサーマルインターフェイス薄膜材料は、第1熱伝導ゲル層1011と、第2熱伝導ゲル層1012と、導電機能薄膜層1013と、を含む。
第1熱伝導ゲル層1011は厚みが0.1マイクロメートル~300マイクロメートルの間であり、その耐電圧性が100V~20KVであり、第2熱伝導ゲル層1012は厚みが0.1マイクロメートル~300マイクロメートルの間であり、その耐電圧性が100V~20KVである。導電機能薄膜層1013は、第1熱伝導ゲル層1011と第2熱伝導ゲル層1012の間に重ね合わされ、その耐電圧性が500V~20KVである。
或いは、第1熱伝導ゲル層1011と第2熱伝導ゲル層1012は、導電機能薄膜層1013の表面上に貼付された貼付シートである。
第1熱伝導ゲル層1011と第2熱伝導ゲル層1012の熱伝導平均K値が30~150W/m・Kの間であり、熱拡散率が10~130mm2/sの間であり、ISO22007-2過渡的平面熱源法Transient plane heat source method(TPS)の試験標準を使用する。
本発明の電子部材の内部、中間部、外部のサーマルインターフェイス薄膜材料は、図1、図2に示すように、その内部、中間部、外部の応用位置に基づきそれぞれTIM1 101、TIM1.5 103、TIM2 102と略称される。
TIM1.5 103は、低圧力貼合またはローラー貼合/プレス貼合の混合工法でチップ301とヒートシンク701の間の第2の接触インターフェイスに貼付できる。TIM1.5 103の使用温度は-60℃~360℃の間である。
TIM2 102は、0.3~3Kg/cm2の低圧力貼合またはローラー貼合/プレス貼合の混合工法を使用して集積型ヒートスプレッダ501とヒートシンク701の間の第3の接触インターフェイスに貼付される。TIM2 102の使用温度は-60℃~360℃の間である。
導電機能薄膜層1013は導電箔10131である。導電機能薄膜層1013の導電箔10131は、少なくとも1つの銅箔、アルミ箔、銀ペースト、カーボンチューブ、導電ポリマー、ソルダーペースト、導電インク、銅ペーストであり、かつ導電箔10131は厚みが100ナノメートル~50ミリメートルである。
導電機能薄膜層1013は片面にセラミック及び/またはグラフェン放熱材料層10132を備えた導電箔10131であり、当該セラミック及び/またはグラフェン放熱材料は、単一のセラミック放熱材料、単一のグラフェン放熱材料またはセラミックとグラフェンで混成された放熱材料のいずれも導電箔10131の表面に重ね合わせることができる。
セラミック及び/またはグラフェン放熱材料層10132は厚みが20ナノメートル~150マイクロメートルである。
第1熱伝導ゲル層1011と第2熱伝導ゲル層1012は、塗布、印刷、スプレーコーティング、蒸着またはスパッタリング方式のいずれかで導電機能薄膜層1013の表面上を被覆して設けられる。
導電機能薄膜層1013は両面にセラミック及び/またはグラフェン放熱材料層10132を備えた導電箔10131である。セラミック及び/またはグラフェン放熱材料層10132は、塗布、印刷、スプレーコーティング、蒸着またはスパッタリング方式のいずれかで当該導電箔10131の表面上を被覆して設けられる。
さらに説明すると、導電機能薄膜層1013は、片面にセラミック及び/またはグラフェン放熱材料層10132を備えた導電箔10131、両面にセラミック及び/またはグラフェン放熱材料層10132を備えた導電箔10131の少なくとも1つである。
図7に示すように、これらを重ね合わせて使用することで熱伝導と導電の効果を高めることができ、さらには電磁波保護効果も高められ、チップ301の使用時の安定性を向上することができる。
第1熱伝導ゲル層1011は厚みが0.1マイクロメートル~300マイクロメートルの間であり、その耐電圧性が100V~20KVである。
第2熱伝導ゲル層1012は厚みが0.1マイクロメートル~300マイクロメートルの間であり、その耐電圧性が100V~20KVである。
導電機能薄膜層1013は、導電箔10131、片面にセラミック及び/またはグラフェン放熱材料層10132を備えた導電箔10131と、両面にセラミック及び/またはグラフェン放熱材料層10132を備えた導電箔10131の少なくとも1つであり、かつ当該第1熱伝導ゲル層1011と当該第2熱伝導ゲル層1012の間に重ね合わされ、その耐電圧性が500V~20KVである。
導電機能薄膜層1013の導電箔10131は、銅箔、アルミ箔、銀ペースト、カーボンチューブ、導電ポリマー、ソルダーペースト、導電インク、銅ペーストの少なくとも1つであり、かつ当該導電箔10131の厚みが100ナノメートル~50ミリメートルであり、当該セラミック及び/またはグラフェン放熱材料層10132の厚みが20ナノメートル~150マイクロメートルである。
第1熱伝導ゲル層1011と第2熱伝導ゲル層1012は排気性に優れ、インターフェイス間の空気という不良導体の存在を減少し、その耐電圧性、高導電性、高熱伝導性はいずれも過去の従来技術と差別化されており、新規性、進歩性、及び実用的効果を備えている。
1011 第1熱伝導ゲル層
1012 第2熱伝導ゲル層
1013 導電機能薄膜層
10131 導電箔
10132 セラミック及び/またはグラフェン放熱材料層
102 TIM2
103 TIM1.5
201 回路基板
301 チップ
401 アレイソルダーボール
501 集積型ヒートスプレッダ
601 はんだ合金
701 ヒートシンク
Claims (5)
- 電子部材の内部、中間部、外部のサーマルインターフェイス薄膜材料(TIM)であって、前記電子部材の前記内部がチップ(Chip)と集積型ヒートスプレッダ(IHS)の間の第1の接触インターフェイスであり、前記電子部材の前記中間部が前記チップとヒートシンク(Heatsink)の間の第2の接触インターフェイスであり、前記電子部材の前記外部が前記集積型ヒートスプレッダと前記ヒートシンクの間の第3の接触インターフェイスであり、前記第1の接触インターフェイス、前記第2の接触インターフェイス、前記第3の接触インターフェイスに設置された前記サーマルインターフェイス薄膜材料が、その前記内部、前記中間部、前記外部の応用位置に基づき、それぞれTIM1、TIM1.5、TIM2と略称され、前記サーマルインターフェイス薄膜材料が、第1熱伝導ゲル層と、第2熱伝導ゲル層と、導電機能薄膜層と、を含み、
前記第1熱伝導ゲル層の厚みが0.1マイクロメートル~300マイクロメートルの間であり、その耐電圧性が100V~20KVであり、
前記第2熱伝導ゲル層の厚みが0.1マイクロメートル~300マイクロメートルの間であり、その耐電圧性が100V~20KVであり、
前記第1熱伝導ゲル層と前記第2熱伝導ゲル層の熱伝導平均K値が30~150W/m・Kであり、熱拡散率が10~130mm 2 /sであり、
前記導電機能薄膜層が、片面にセラミック及び/またはグラフェン放熱材料層を備えた導電箔、両面にセラミック及び/またはグラフェン放熱材料層を備えた導電箔の少なくとも1つであり、かつ前記第1熱伝導ゲル層と前記第2熱伝導ゲル層の間に重ね合わせて設置され、その耐電圧性が500V~20KVであり、
前記導電機能薄膜層の導電箔が、銅箔、アルミ箔、銀ペースト、カーボンチューブ、導電ポリマー、ソルダーペースト、導電インク、銅ペーストの少なくとも1つであり、かつ前記導電箔の厚みが100ナノメートル~50ミリメートルであり、前記セラミック及び/またはグラフェン放熱材料層の厚みが20ナノメートル~150マイクロメートルである、ことを特徴とする、電子部材の内部、中間部、外部のサーマルインターフェイス薄膜材料。 - 前記第1熱伝導ゲル層と前記第2熱伝導ゲル層が、前記導電機能薄膜層の表面上に貼付された貼付シートである、ことを特徴とする、請求項1に記載の電子部材の内部、中間部、外部のサーマルインターフェイス薄膜材料。
- 前記TIM1が、0.3~3Kg/cm2の低圧力貼合、100~3Kg/cm 2 の高圧力貼合、0.1mbar未満の負圧かつ0.1~1Kg/cm 2 の圧力下における真空貼合またはローラー貼合/プレス貼合のいずれかで前記チップと前記集積型ヒートスプレッダの間の第1の接触インターフェイスに貼付され、前記TIM1の使用温度が-60℃~360℃である、ことを特徴とする、請求項1に記載の電子部材の内部、中間部、外部のサーマルインターフェイス薄膜材料。
- 前記TIM1.5が、低圧力貼合またはローラー貼合/プレス貼合により前記チップと前記ヒートシンクの間の第2の接触インターフェイスに貼付され、前記TIM1.5の使用温度が-60℃~360℃である、ことを特徴とする、請求項1に記載の電子部材の内部、中間部、外部のサーマルインターフェイス薄膜材料。
- 前記TIM2が、0.3~3 Kg/cm 2 の低圧力貼合またはローラー貼合/プレス貼合により前記集積型ヒートスプレッダと前記ヒートシンクの間の第3の接触インターフェイスに貼付され、前記TIM2の使用温度が-60℃~360℃である、ことを特徴とする、請求項1に記載の電子部材の内部、中間部、外部のサーマルインターフェイス薄膜材料。
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