JPH0613508A - 熱インターフェース - Google Patents

熱インターフェース

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JPH0613508A
JPH0613508A JP5085461A JP8546193A JPH0613508A JP H0613508 A JPH0613508 A JP H0613508A JP 5085461 A JP5085461 A JP 5085461A JP 8546193 A JP8546193 A JP 8546193A JP H0613508 A JPH0613508 A JP H0613508A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】優れた伝熱性および導電性を有し、コンプライ
アンスを備え、アセンブリの組立時や分解時に余分な応
力がかからない熱インターフェース。 【構成】熱源（例えば、1Cダイ）とヒート・シンク間の
熱インターフェースは、伝熱性半流体物質で充てんされ
た金属メッシュより構成される。この半流体物質はシリ
コーン・グリースやパラフィンから成り、メッシュは
銀、銅またはおよび金織物で形成される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は一般に熱インターフェー
ス材料(thermal interface materials) に関し、更に詳
細には、集積回路(IC)ダイをヒート・シンクに結合させ
る導電性熱インターフェースに関するものである。
【０００２】
【従来技術とその問題点】本発明の好適な用途として、
高密度集積回路ダイと金属ヒート・シンクとの間のイン
ターフェースとして使用し、ICダイの温度を所定の最大
温度以下に維持する。このようなインターフェースはま
た他の多くの用途に求められており、たとえば、パワー
・トランジスタとヒート・シンクとの間、または金属ケ
ースにパッケージングされた他の高電力デバイスとヒー
ト・シンクとのインターフェースがある。
【０００３】上述のように、ヒート・シンクの目的はIC
または他のデバイスの関連接合部の動作温度をある所定
の最大温度以下に維持することである。金属パッケージ
内のシリコン・トランジスタの場合、ICの最大接合温度
は典型的には200 ℃であるが、プラスチック製パッケー
ジ内のトランジスタの場合にはその温度は普通150 ℃で
ある。有効なヒート・シンクシステムを設計する際の問
題は次のように述べることができる。すなわち、与えら
れた最大電力をデバイスが所与の回路で消散させ、IC、
インターフェース、ヒート・シンクなどおける熱伝導度
の影響および回路が動作すると予想される最大周囲温度
を考慮して、関連接合温度を計算しなければならない。
接合温度を所定の最大温度より十分低くしておくのに充
分な大きさのヒート・シンクを選択しなければならな
い。パッケージング・システムの全熱的性能を決定する
には、設計者は熱経路にある各構成要素の熱抵抗( θc)
を考慮に入れなければならない。ケルビン温度１度当た
り１メートル当たりのワットの単位で定義される熱伝導
度(Kc)を用いて各要素の熱抵抗を求める。
【０００４】多くの場合、ヒート・シンクを集積回路ダ
イから電気的に絶縁する必要があるが、ヒート・シンク
が接地または逆ゲート電圧源として働き、たとえば、シ
リコンに一定の電圧をかける必要があるNMOSデバイスの
回路等の状況もある。ヒート・シンクが接地または逆ゲ
ート電圧源として働く場合には、ヒート・シンクとICダ
イとの間のインターフェースは熱的に伝導性であるばか
りでなく電気的にも伝導性でなければならない。
【０００５】図１はヒート・シンクとICダイとの間に電
気的におよび熱的に伝導性のインターフェースを採用し
ているICアセンブリの例を示す。図１のアセンブリは、
押出しアルミニウムのヒート・シンク10、エポキシプレ
フォーム12、熱スプレッダ14、支持リング16、カプセル
化されたICダイ18、TAB 回路20およびPCボード22から構
成されている。押出しアルミニウムのヒート・シンクが
図１のアセンブリに採用されているのは大量の熱エネル
ギを効率的に消散する能力があるためである。しかし、
熱膨張係数(CTE) が高く且つ確実な電気接続を行うのが
困難であるため、ダイ18がアルミニウムヒート・シンク
10に直接取付けられることはない。中間熱スプレッダ14
がダイ18とヒート・シンク10との間に設置される。ヒー
ト・シンク10を熱スプレッダ14に取付けるため、b ステ
ージ・エポキシプレフォーム12が用いられ、ダイ18を熱
スプレッダ14に取付けるには導電性の銀が充填された熱
硬化エポキシ( 図示せず) が使用される。アセンブリを
ボルトで結合するときは、熱スプレッダの二つの角部に
押圧されたローレットのついたファスナ(knurled fastn
ers)がPCボード22の背面上のめっきパッドへの逆ゲート
電気接続を提供する。ダイを熱スプレッダ( 図１のアセ
ンブリに銀が充填された熱硬化エポキシ) に取付けるた
めに使用するインターフェースは、高い熱伝導度および
電気伝導度、高い耐湿性およびある程度の機械的コンプ
ライアンスを備えていることが要求される。
【０００６】既知のエポキシ系インターフェース材料に
伴う問題は、エポキシが硬化した後、ICダイがヒート・
シンクから取外されることを防ぐ。この特徴は、アセン
ブリを多数回組立てたり分解したりする設計開発の段階
では特に欠点となる。剛性のエポキシ系インターフェー
ス材料に伴う他の問題は、ヒート・シンクおよび基板が
膨張または収縮するとき、ヒート・シンクのCTE と基板
のCTE との差によりICダイに大きな応力を生じさせる可
能性があることである。
【０００７】
【発明の目的】本発明の主な目的は熱伝導度および電気
伝導度が高い導電性熱インターフェースを提供すること
にある。本発明の他の目的は、インターフェースまたは
アセンブリの他の構成要素を損傷せずに、アセンブリを
多数回組立てたり分解したりすることができ、かつヒー
ト・シンクおよび基板の熱膨張の結果、ダイに生ずる応
力を最小化したインターフェースを提供することであ
る。
【０００８】
【発明の概要】本発明は、多数回組立てたり分解したり
することができる応力接続の手段により高い熱的および
電気的伝導度を達成する導電性熱インターフェースを得
ることができる。本発明に係る熱インターフェースは、
加熱すると粘性流動を示す伝熱性半流体物質(semi-liqu
id substance) が充填された金属メッシュから構成され
ている。伝熱性半流体物質は、たとえば、シリコーン・
グリース、パラフィンまたは鉱物質含有パラフィン( た
とえば、アルミナまたは窒化アルミニウムが充填された
パラフィン) で構成することができる。ワイヤメッシュ
は、銀、銅または金を含む多様な金属のいずれか一つで
構成される。( 関連して考えるべき事項としては、熱伝
導度、延性およびコストがある。) 加えて、ワイヤメッ
シュにはインターフェースの電気性能を向上させる保護
めっきを施すこともできる。
【０００９】本発明の実施例は、銀が充填されたエポキ
シの熱伝導度(Kc ＝1.9 W/m - °K)に匹敵する熱伝導度
を示した。たとえば、接触圧力が平方インチあたり15ポ
ンドと100 ポンドとの間にある場合、Kcは裸メッシュに
対して1.5 W/m - °K 、パラフィン入りメッシュに対し
て2.3 W/m - °K 、熱グリースが充填されたメッシュに
対して2.7 W/m - °K であることがわかった。これらの
伝導度は勿論熱源をヒート・シンクの方へ押す圧力に従
って（すなわち、ワイヤメッシュのファイバをいかに堅
く詰めるかにより) 変化する。
【００１０】従来の熱インターフェースは、いくつかの
用途に必要な良好な熱伝導性および導電性の双方を提供
することができなかった。金属メッシュを使用し、ファ
イバと共に押圧し、数百の熱的ヴァイア（thermal via
s) を効率的に形成させるとき良好な熱伝導性が得られ
る。確実な電気接続はメッシュのループが構成要素と接
触する高圧領域で得られる。金属が充填されたエポキシ
と異なり、アセンブリはICを損傷することなく多数回組
立てたり分解したりすることができる。インターフェー
スの電気伝導度は同様にインターフェースに加えられる
圧力の関数である。加えて、本発明はコンプライアンス
のある、応力の全くかからないインターフェースを提供
するが、これによりヒート・シンクを( たとえば、熱ス
プレッダなしで) 、銅およびアルミニウム等の、広く多
様な基板に直接取付けることができる。( 基板を選択す
ると、表面の電気的接触特性を考慮しなければならな
い。たとえば、アルミニウムは硬い、非伝導性酸化物を
形成する。) 他の本発明の特徴は次の説明で明確とな
る。
【００１１】
【発明の実施例】図２は本発明による熱インターフェー
スの好適な実施例の概略図である。この実施例では、熱
源（たとえば、ICダイ)24 とインターフェース26および
ヒート・シンク28を含む。インターフェース26は熱伝導
性半流体物質26b が充填された金属メッシュまたは織物
26a から構成されている( すなわち、半流体物質26b は
少なくとも部分的にメッシュ26a の各ワイヤの間の隙間
を埋めている) 。熱伝導性半流体物質はたとえばシリコ
ーン・グリース、パラフィンまたは鉱物質含有パラフィ
ンから構成することができる。
【００１２】ワイヤメッシュは銀、銅、および／または
金を含む（ただしこれに限定されるものではない) 多様
な金属のいずれか一つで構成される。加えて、ワイヤメ
ッシュには保護めっき（図示せず) で有効にコーティン
グして電気的性能を向上させることができる。ニッケル
を30〜50マイクロインチめっきした後、金フラッシュ(g
old flash)によって（たとえば、５〜10マイクロイン
チ) 、インターフェースの導電性が向上するが、ニッケ
ルの硬度のためメッシュの延性が減少し、したがって熱
伝導度を低下させる。（延性により熱源とヒート・シン
クとが接触しているメッシュの表面積の量が決まり、延
性はメッシュの熱抵抗に関する重要な因子である。）メ
ッシュが薄くなり(thinner) 、ワイヤ・パターンが密に
なれば、熱抵抗が低くなることにも注目すべきである。
直径が約0.05842mm(0.0023インチ)のワイヤから成る180
メッシュ・スクリーンを用いることによって成功する
ことを見いだした。
【００１３】本発明を利用するにあたり、インターフェ
ースを結合する基板または他の構成要素の平坦度は重要
な考察事項である。研磨およびラップ(lap) による表面
仕上げは最良の結果を与える。本発明の好適な実施例は
ICダイとヒート・シンクとの間のインターフェースとし
てのもので説明したが、この特定の用途には限定されな
い。たとえば、本発明は導電性であると共に熱伝導性で
もある材料の必要性が存在するどんなアセンブリにも使
用することができる。加えて、本発明は上記の材料( シ
リコーン・グリース、パラフィン、銀、銅、金など) に
限定されない。これら材料を、本願明細書に述べた同様
の機能を持つ材料で置き換えることが可能なことは当業
者にとって容易であることは明らかである。
【００１４】
【発明の効果】以上説明したように、本願発明に係る熱
的インターフェースを用いることによって、最終回路の
動作に悪影響を及ぼすことなく、機械的コンプライアン
スがあることでアセンブリ工程におけるデバイスの他の
構成素子の破損を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のICアセンブリの分解図。
【図２】本発明に係る熱的インターフェースが用いられ
たデバイスの概略図。
【符号の説明】
１０、２８：ヒート・シンク ２４：熱源 ２６：インターフェース １２：エポキシプレフォーム １８：ICダイ

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】加熱時に粘性流を示す熱伝導性半流体物質
    が充填された金属メッシュを含むことを特徴とする熱イ
    ンターフェース。
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