KR101011940B1 - 열전달 물질, 및 이의 제조방법 및 용도 - Google Patents

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Abstract

열전달 물질을 제조하는 데 사용될 수 있는 조성물은 경화점을 갖는 경화성 매트릭스(A), 저융점 금속 충전제(B), 임의로 스페이서(C), 및 임의로 전도성 충전제(D)를 포함한다. 성분(B)가 연화를 개시하는 온도는 성분(A)의 경화점보다 낮다. 열전달 물질은 (1) 조성물을 전자 부품과 열 분산기 사이에 주입하여 소정의 접합면(bondline)을 형성하고, (2) 조성물을 성분(B)가 연화를 개시하는 온도보다는 높지만 성분(A)의 경화점보다는 낮은 온도로 가열하며, 임의로 압력을 조성물에 가하고, (3) 조성물을 성분(A)의 경화점 이상의 온도로 가열함으로써 제조한다. 성분(B)의 평균 입자 크기는 접합면 두께 이상이다.
열전달 물질, 경화성 매트릭스, 금속 충전제, 스페이서, 전도성 충전제, 전자 부품 및 열 분산기.

Description

열전달 물질, 및 이의 제조방법 및 용도{Thermal interface materials and methods for their preparation and use}
본 발명은 열전달 물질(TIM)에 관한 것이다. 보다 특히, 본 발명은 경화성 매트릭스와 저융점 금속 충전제를 포함하는 TIM에 관한 것이다.
전자 부품, 예를 들면, 반도체, 트랜지스터, 집적 회로(IC), 개별 소자 및 당해 기술분야에 공지된 기타 부품은 통상의 작동 온도에서 또는 통상의 작동 온도 범위 내에서 작동하도록 설계되어 있다. 그러나, 전자 부품의 작동시에는 열이 발생된다. 열이 충분히 제거되지 않으면, 전자 부품은 이의 통상의 작동 온도보다 현저하게 높은 온도에서 작동할 것이다. 과다한 열은 전자 부품의 성능 및 이와 관련된 소자의 작동에 역효과를 줄 수 있고, 고장간 평균 시간(mean time between failures)에 부정적으로 영향을 줄 수 있다.
이러한 문제점들을 피하기 위해, 전자 부품으로부터 방열판으로 열을 전도시켜 열을 제거할 수 있다. 이어서, 방열판은 통상의 수단, 예를 들면, 대류 또는 복사 기술에 의해 냉각시킬 수 있다. 열 전도 동안, 열은 전자 부품과 방열판과의 표면 접촉에 의해 또는 전자 부품 및 방열판과 TIM과의 접촉에 의해 전자 부품으로부터 방열판으로 전달될 수 있다.
전자 부품과 방열판의 표면은 통상 완전히 평탄하지는 않으며, 따라서 표면들 사이의 완전한 접촉을 달성하는 것은 어렵다. 불량한 열 전도체인 공기 공간이 표면 사이에 나타나서 열의 제거를 방해한다. 전자 부품과 방열판의 표면들 사이에 TIM을 주입하여 이들 공간을 충전시킴으로써 열 전달을 효율적으로 촉진시킬 수 있다. TIM의 열 저항(thermal impedance)이 보다 작아지면, 전자 부품으로부터 방열판으로의 열 유동은 보다 커진다.
대부분의 TIM은 열경화성 또는 열가소성 중합체 매트릭스를 기재로 한다. 그러나, 정합성 중합체(conformable polymer)의 열 전도성은 꽤 낮으며, 통상 0.15 내지 0.30W/mK 범위내이다. TIM의 열 전도성을 증가시키기 위해, 열 전도성 충전제가 중합체 매트릭스에 첨가될 수 있다. 이들 충전된 TIM의 열 전도성은, 충전제의 열 전도성 및, 충전제 입자 크기 및 충전제 입자 크기 분포에 의해 정해지는 중합체 매트릭스 속으로의 충전제의 패킹을 포함하는 다양한 인자에 의존한다.
TIM을 통한 2개 기판 사이의 열 전달의 효과는 열 저항 또는 내열성으로 표시된다. 열 저항 또는 내열성은 TIM의 벌크 저항과 TIM과 기판 사이의 계면 저항의 합계이다. 얇은 TIM 접합면에서, 계면 저항이 전체 저항에 크게 기여할 수 있다. 이들 TIM 중의 충전제는 기판과의 친밀한 접촉을 만들지 않기 때문에, 계면 저항이 높을 수 있다. 결과적으로, 이는 얇은 접합면에서 보다 높은 전체 열 저항으로 해석될 수 있다.
요약
본 발명은 열전달 물질로서 사용될 수 있는 조성물에 관한 것이다. 본 발명의 조성물은 경화점을 갖는 경화성 매트릭스(A), 연화점을 갖는 저융점 금속 충전제(B) 및 스페이서(C)를 포함한다.
성분(B)가 연화를 개시하는 온도는 성분(A)의 경화점보다 낮다. 성분(B)의 평균 입자 크기는 성분(C)의 평균 입자 크기보다 크다.
본 발명은 또한 열전달 물질의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 방법은, (1) 경화점을 갖는 경화성 매트릭스(A), 연화점을 갖는 저융점 금속 충전제(B) 및 임의로 스페이서(C)를 포함하는 조성물[여기서, (i) 성분(B)의 연화점은 성분(A)의 경화점보다 낮으며, (ii) 성분(B)의 평균 입자 크기는 접합면 두께 이상이다]을 제1 기판과 제2 기판 사이에 주입하여 소정의 두께를 갖는 접합면을 형성하고,
(2) 당해 조성물을 가열함을 포함한다.
모든 양, 비율 및 퍼센트는 달리 명시되지 않는 한 용적 기준이다. 본원에서 사용된 정의의 목록은 다음과 같다.
용어의 정의 및 용도
부정관사 "a" 및 "an"은 하나 또는 그 이상을 의미한다.
"배합물"은 임의의 방법으로 함께 구성된 2개 이상의 항목을 의미한다.
"실록산" 및 "실리콘"은 상호 교대로 사용된다.
"연화점"은 가해진 압력하에서 소성 변형이 발생하는 온도를 의미한다.
단위 (W/mK)의 열 전도성(k)은 두께(Δx)와 면적(A)의 재료에 대해 열(Q)을 전달하여 ΔT의 온도 차이를 발생시키는 성능에 관한 것이며, 수학적으로는 다음 방정식으로 정의된다:
Figure 112004061132674-pct00001
단위 (cm2K/W)의 열 저항(R)은 2개의 계면 사이의 재료의 열 전달 효능에 관한 것이며, 수학적으로는 다음 방정식으로 정의된다:
Figure 112004061132674-pct00002
"처리된 표면"은 충전제 입자 위의 모든 또는 일부의 반응성 그룹이 통상의 화학적 수단 또는 비반응 수단에 의해 덜 반응성으로 되어 있는 것을 의미한다.
조성물
본 발명은 경화점을 갖는 경화성 매트릭스(A), 연화점을 갖는 저융점 금속 충전제(B) 및 스페이서(C)를 포함하는 조성물에 관한 것이다.
성분(B)의 연화점은 성분(A)의 경화점보다 낮다. 성분(B)의 평균 입자 크기는 성분(C)의 평균 입자 크기보다 크다.
매트릭스
성분(A)는 조성물 중의 성분들을 결합시키는 경화성 매트릭스이다. 본 발명의 조성물은 성분(A)를 25중량% 이상 포함한다. 본 발명의 조성물은 성분(A)를 75중량% 이하로 포함한다.
성분(A)의 적합한 경화성 매트릭스는 폴리실록산, 에폭시 수지, 페놀 수지, 노볼락 수지, 폴리아크릴레이트, 폴리우레탄, 폴리이미드, 폴리에스테르, 말레이미드 수지, 시아네이트 에스테르, 폴리이미드, 폴리우레아, 시아노아크릴레이트 및 이들의 배합물로 예시된다. 경화 화학은 성분(A)에 사용되는 중합체 또는 수지에 따라 달라질 수 있다. 예를 들면, 실록산 매트릭스는 부가 반응 경화성 매트릭스, 축합 반응 경화성 매트릭스, 과산화물 반응 경화성 매트릭스 또는 이들의 배합물을 포함할 수 있다.
성분(A)의 적합한 부가 반응 경화성 실리콘 매트릭스는 경화성 실리콘계 중합체(I), 성분(I)용의 경화제(II), 촉매(III) 및 임의로 촉매 억제제(IV)를 포함할 수 있다.
성분(I)는 알케닐 작용성 폴리오가노실록산을 포함할 수 있다. 성분(II)는 오가노하이드로겐폴리실록산을 포함할 수 있다. 성분(III)은 하이드로실릴화 촉매를 포함할 수 있다. 성분(IV)는 하이드로실릴화 반응 촉매 억제제를 포함할 수 있다. 성분(IV)는 백금 촉매의 또는 이의 배합물의 화학적 또는 물리적 억제를 유발하여 제형의 경화점을 조절할 수 있다.
백금 촉매 억제제는 주위 온도에서 실리콘 조성물의 경화를 지연시키기는 하지만, 목적하는 승온에서 조성물의 경화를 방해하지는 않는다. 백금 촉매를 억제하기에 적합한 화학물질에는 다양한 "엔-인" 시스템, 예를 들면, 3-메틸-3-펜텐-1-인 및 3,5-디메틸-3-헥센-1-인; 아세틸렌 알콜, 예를 들면, 3,5-디메틸-1-헥신-3-올, 1-에티닐-1-사이클로헥산올 및 2-페닐-3-부틴-2-올; 말레에이트, 말로네이트, 프탈레이트 및 푸마레이트, 예를 들면, 디알킬, 디알케닐 및 디알콕시알킬 푸마레이트, 말로네이트, 프탈레이트 및 말레에이트; 포스핀 및 디포스핀이 포함된다.
하이드로실릴화 촉매는 물리적으로 분리시킬 수 있는데, 예를 들면, 이러한 촉매는 열가소성 수지에 캡슐화시킬 수 있다. 이러한 미세캡슐화 하이드로실릴화 촉매 및 이들의 제조방법은 미국 특허 제4,766,176호 및 당해 특허에서 인용된 참조문헌; 및 미국 특허 제5,017,654호에 기재되어 있다. 미세캡슐화 하이드로실릴화 촉매의 제조방법은 당해 기술분야에 공지되어 있다. 이러한 방법의 예에는, 이로써 한정되는 것은 아니지만, 계면 중합반응 및 동일 반응계내 중합반응과 같은 화학적 방법; 코아세르베이션 및 유탁액/현탁액 경화와 같은 물리화학적 방법; 분무 건조와 같은 물리기계적 방법이 포함된다.
물리적으로 억제된 하이드로실릴화 촉매로는 열가소성 수지에 캡슐화된 백금 그룹 금속을 포함하는 미세캡슐화 백금 그룹 금속 함유 촉매가 예시된다. 미세캡슐화 하이드로실릴화 촉매를 함유하는 조성물은 연장된 시간, 통상적으로 수개월 또는 그 이상 동안에 주위 조건하에서 안정하고, 여전히 열가소성 수지(들)의 융점 또는 연화점 초과의 온도에서 비교적 신속하게 경화한다.
성분(A)의 적합한 축합 반응 경화성 실리콘 매트릭스는 실란올 작용성 화합물(a), 규소 결합된 알콕시 작용성 화합물(b) 및 축합 촉매(c)를 포함한다.
성분(a)는 폴리디메틸실록산 디올을 포함할 수 있고, 성분(b)는 알콕시 작용성 폴리디오가노실록산, 예를 들면, 알콕시 작용성 폴리디메틸실록산을 포함할 수 있다. 성분(c)는 카복실산과의 주석 착물과 같은 주석 촉매, 또는 알콜과의 티탄산염 착물과 같은 티탄산염 촉매를 포함할 수 있다.
성분(A)의 적합한 과산화물 반응 경화성 실리콘 매트릭스는 폴리오가노실록산(i) 및 유기 퍼옥사이드(ii)를 포함할 수 있다.
적합한 폴리오가노실록산에는 폴리디오가노실록산이 포함된다. 이의 예에는 폴리디메틸실록산 및 폴리(메틸비닐-코-디메틸 실록산) 등이 포함된다.
적합한 유기 퍼옥사이드에는 아로일 클로라이드(예: 디벤조일 비스-p-클로로벤조일 퍼옥사이드 및 비스-2,4-디클로로벤조일 퍼옥사이드), 알킬아로일 퍼옥사이드(예: 디쿠밀 퍼옥사이드) 및 디알킬 퍼옥사이드(예: 디-3급-부틸퍼옥사이드 및 2,5-디메틸-2,5-디-3급-부틸퍼옥시헥산)이 포함된다.
성분(A)로서 사용하기에 적합한 경화성 실리콘 매트릭스 제형은 당해 분야에 공지되어 있으며, 상업적으로 시판되고 있다. 예를 들면, 적합한 하이드로실릴화 경화성 실리콘 제형은 문헌[참조: "Silicon Compounds (Silicones)," Kroschwitz, J. ed., Kirk Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, 4th ed., John Wiley & Sons, Inc., New York, vol. 22, 1997, pp. 95-96]에 기재되어 있다. 적합한 축합 경화성 실리콘 제형은 문헌[참조: "Silicon Compounds (Silicones)," Kroschwitz, J. ed., Kirk Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, 4th ed., John Wiley & Sons, Inc., New York, vol. 22, 1997, pp. 96-98]에 기재되어 있다. 적합한 과산화 경화성 실리콘 제형은 문헌[참조: "Silicon Compounds (Silicones)," Kroschwitz, J. ed., Kirk Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, 4th ed., John Wiley & Sons, Inc., New York, vol. 22, 1997, pp. 94-95]에 기재되어 있다.
성분(A)에 적합한 에폭시 경화성 매트릭스는 에폭시 작용성 중합체 또는 예비중합체(I), 성분(I)용 경화제(II) 및, 임의로, 촉매(III)를 포함한다.
성분(I)는 에피클로로하이드린-비스페놀 A 수지, 에폭시 페놀 노볼락 수지, 에폭시 크레졸 노볼락 수지, 지환족 에폭시 수지 및 에폭시 작용성 중합체(예: 에폭시 작용성 실리콘)을 포함할 수 있다. 성분(II)는 1급 및 2급 아민, 카복실산, 산 무수물, 폴리아민, 폴리아미드 및 디시안디아미드, 이미다졸 및 디하이드라지드와 같은 기타 질소 함유 화합물을 포함할 수 있다. 임의로, 성분(III)을 첨가하여 에폭시 제형에 잠재 경화능을 제공할 수 있다. 이러한 촉매는 이미다졸, 삼불화붕소 착물 및 삼염화붕소 착물을 포함할 수 있다.
성분(A)로서 사용하기에 적합한 경화성 에폭시 매트릭스 제형은 당해 분야에 공지되어 있고, 상업적으로 시판되고 있다. 예를 들면, 적합한 에폭시 제형은 문헌[참조: Louis V. McAdams and John A. Gannon, "Epoxy Resins" in Encyclopedia of Polymer Science and Engineering, Edited by H.F. Mark, N.M. Bikales, C.G. Overberger, G. Menges, J.I. Kroschwitz, John Wiley & Sons, 1989, vol. 6, page 322; and Cogin G. Hull and John H. Sinclair, "Epoxy Curing Agents" in Handbook of Coating Additives, Ed. Leonard J. Calbo, Marcel Dekker, 1987, vol. 2, page 277]에 기재되어 있다.
충전제
성분(B)는 저융점 금속 충전제이다. 본 발명의 조성물은 성분(B)를 25중량% 이상 포함할 수 있다. 조성물은 성분(B)를 75중량% 이하로 포함할 수 있다.
저융점 금속 충전제는 공융 합금, 비공융 합금 또는 순수한 금속일 수 있다. 저융점 금속 충전제는 Bi, In, Sn 또는 이들의 합금을 포함할 수 있다. 저융점 금속 충전제는 임의로 Ag, Au, Cd, Cu, Pb, Sb, Zn 또는 이들의 배합물을 추가로 포함할 수 있다. 적합한 저융점 금속 충전제의 예에는 In-Bi-Sn 합금, Sn-In-Zn 합금, Sn-In-Ag 합금, Sn-Ag-Bi 합금, Sn-Bi-Cu-Ag 합금, Sn-Ag-Cu-Sb 합금, Sn-Ag-Cu 합금, Sn-Ag 합금, Sn-Ag-Cu-Zn 합금 및 이들의 배합물이 포함된다. 저융점 금속 충전제는 당해 분야에 공지되어 있고, 상업적으로 시판되고 있다. 예를 들면, 저융점 금속 충전제는 미국 뉴욕주 유티카 소재의 인디움 코포레이션 오브 아메리카(Indium Corporation of America), 미국 로드 아일랜드주 프로비던스 소재의 아루코니움(Arconium) 및 미국 로드 아일랜드주 크랜스톤 소재의 에이아이엠 솔져(AIM Solder)에서 입수할 수 있다.
저융점 금속 충전제가 연화를 개시하는 온도는 경화성 매트릭스의 경화점보다 낮다. 이론에 국한시키고자 하는 것은 아니지만, 저융점 금속 충전제가 경화성 매트릭스의 경화점보다 높은 온도에서 연화를 개시하면, 당해 조성물의 경화 생성물은 몇몇 용도에서는 너무 높은 열 저항을 가질 것으로 사료된다. 이론에 국한시키고자 하는 것은 아니지만, 조성물의 경화 생성물이 몇몇 용도에서는 너무 높은 열 저항을 가질 것이라는 이유는, 성분(B)가 계면 저항을 낮추기에 충분하도록 변형되지 않고 조성물이 접촉시키는 기판들 사이에 우수한 열 경로를 제공하기 때문인 것으로 사료된다.
이론에 국한시키고자 하는 것은 아니지만, 저융점 금속 충전제는 Ga 또는 Hg를 거의 함유하지 않거나 전혀 함유하지 않는 것으로 사료된다. Ga 및 Hg는, 성분(B)가 Ga, Hg 또는 이들 둘 다를 함유할 때 성분(B)의 산화가 발생할 수 있기 때문에, TIM으로서 조성물의 독성 또는 조성물의 성능에 있어서 문제를 일으킬 수 있다. 추가로, Ga 또는 Hg를 함유하는 몇몇 합금은 원자화 형태를 수득할 수 없다는 단점이 있을 수 있다.
저융점 금속 충전제는 융점이 250℃ 이하, 또는 225℃ 이하일 수 있다. 저융점 금속 충전제는 융점이 50℃ 이상일 수 있다. 저융점 금속 충전제는 단일의 예리한 융점을 가질 필요는 없다. 합금 조성물에 따라, 저융점 금속 충전제는 다양한 융점 범위를 갖는 비공융 합금일 수 있다. 이러한 저융점 금속 충전제는 합금이 용융되기 시작하는 온도(고상선 온도) 및 저융점 금속 충전제가 완전히 용융되는 온도(액상선 온도)를 가질 수 있다. 이론에 국한시키고자 하는 것은 아니지만, 용융 범위는, 작동 온도가 고상선 온도에 인접하거나 이보다는 약간 높지만 액상선 온도보다는 낮은 경우, 저융점 금속 충전제가 작동 동안에 도입되는 응력을 완화시킬 수 있다는 이점이 있다. 또한, 저융점 금속 충전제는 작동 온도에서 완전히 용융되지 않기 때문에, 산화적 열화에 대한 안정성이 개선될 것이다.
연화점은 고상선 온도보다 낮다. 연화점과 고상선 온도와의 정확한 관계는 각각의 구체적인 저융점 금속 충전제에 있어서 상이하다. 예를 들면, 인듐을 함유하는 몇몇 합금은 합금의 고상선 온도보다 현저히 낮은 통상의 어셈블리 압력하에 연화점을 갖는다. 한편, 대량의 비스무트를 성분으로서 함유하는 몇몇 합금은 합금의 고상선 온도에 매우 인접한 연화점을 갖는다.
저융점 금속 충전제는 평균 입자 크기가 조성물의 경화 생성물의 접합면 두께보다 더욱 크다. 예를 들면, 스페이서를 조성물에 첨가하여 경화 생성물의 접합면 두께를 조절할 수 있다. 스페이서가 존재하는 경우, 저융점 금속 충전제의 평균 입자 크기는 스페이서의 평균 입자 크기보다 더 크다. 이론에 국한시키고자 하는 것은 아니지만, 저융점 금속 충전제의 평균 입자 크기가 접합면 두께보다 작은 경우, 조성물의 경화 생성물은 몇몇 용도에는 너무 높은 열 저항을 가질 것으로 사료된다. 이론에 국한시키고자 하는 것은 아니지만, 조성물의 경화 성분이 몇몇 용도에는 너무 높은 열 저항을 갖는 이유는, 조성물 또는 이의 경화 생성물이 기판들 사이에 위치하는 경우 기판들 사이의 우수한 열 경로를 제공하기에 충분하도록 성분(B)가 변형되지 않기 때문이라고 생각된다.
임의 성분
본 발명의 조성물은 하나 이상의 임의 성분을 추가로 포함할 수 있다. 임의 성분에는 스페이서(C), 전도성 충전제(D), 성분(D)용 처리제(E), 접착 촉진제(F), 비히클(G), 계면활성제(H), 융제(I), 산 수용체(J) 또는 이들의 배합물이 포함된다.
성분(C)는 스페이서이다. 스페이서는 유기 입자, 무기 입자 또는 이들의 배합물을 포함할 수 있다. 스페이서는 열 전도성, 전기 전도성 또는 이들 모두일 수 있다. 스페이서는 평균 크기가 25㎛ 내지 125㎛일 수 있다. 성분(C)의 평균 입자는 성분(B)의 평균 입자 크기보다 작다. 스페이서는 단순 분산 비드, 예를 들면, 유리 또는 중합체(폴리스티렌) 비드를 포함할 수 있다. 스페이서는 열 전도성 충전제, 예를 들면, 알루미나, 질화알루미나, 원자화 금속 분말, 질화붕소, 구리 및 은을 포함할 수 있다. 성분(C)의 양은 입자 크기 분포, 조성물 배치 동안에 가하는 압력 및 배치 동안의 온도를 포함하는 다양한 인자에 의존한다. 본 발명의 조성물은 성분(C)를 0.05% 이상, 또는 0.1% 이상 함유할 수 있다. 조성물은 성분(C)를 2% 이하로 함유할 수 있다. 성분(C)는 조성물의 경화 생성물의 접합면 두께를 조절하기 위해 첨가될 수 있다.
성분(D)는 성분(C) 이외에 또는 성분(C)의 일부분 대신에 첨가될 수 있는 열 전도성 충전제이다. 조성물 중의 성분(D)의 양은 성분(A) 및 성분(B)를 위해 선택된 재료 및 조성물 중의 각 성분의 양을 포함하는 다양한 인자에 의존한다. 성분(D)의 양은 조성물의 5% 이상일 수 있다. 성분(D)의 양은 조성물의 35% 이하, 또는 25% 이하, 또는 10% 이하일 수 있다.
성분(D)는 열 전도성 및 전기 전도성일 수 있다. 또는, 성분(D)는 열 전도성 및 전기 절연성일 수 있다. 성분(D)의 적합한 열 전도성 충전제에는 금속 입자, 금속 산화물 입자 및 이들의 배합물이 포함된다. 성분(D)의 적합한 열 전도성 충전제에는 질화알루미늄, 산화알루미늄, 티탄산바륨, 산화베릴륨, 질화붕소, 다이아몬드, 흑연, 산화마그네슘, 금속 미립자(예: 구리, 금, 니켈 또는 은), 탄화규소, 탄화텅스텐, 산화아연 및 이들의 배합물이 포함된다.
열 전도성 충전제는 당해 기술분야에 공지되어 있고, 상업적으로 시판되고 있다[참조: 미국 특허 제6,169,142호(컬럼 4, 라인 7 내지 33)]. 예를 들면, CB-A20S 및 Al-43-Me는 소와덴코(ShowaDenko)로부터 시판되는 산화알루미늄 충전제이고, AA-04, AA-2 및 AA18은 스미토모 케미칼 캄파니(Sumitomo Chemical Company)로부터 시판되는 산화알루미늄 충전제이다. 은 충전제는 미국 매사추세츠주 애틀보로 소재의 메탈러 테크롤로지즈 유.에스.에이. 코포레이션(Metalor Technologies U.S.A. Corp.)으로부터 시판되고 있다. 질화붕소 충전제는 미국 오하이오주 클리브랜드 소재의 어드밴스드 세라믹스 코포레이션(Advanced Ceramics Corporation)으로부터 시판되고 있다.
열 전도성 충전제 입자의 형상은 구체적으로 한정되지 않지만, 원형 또는 구형 입자가, 조성물 속에 열 전도성 충전제를 많은 양으로 로딩시키는 경우에 목적하는 수준으로 점도 증가를 방지할 수 있다.
상이한 입자 크기와 상이한 입자 크기 분포를 갖는 열 전도성 충전제의 배합물을 성분(D)로서 사용할 수 있다. 예를 들면, 보다 큰 평균 입자 크기를 갖는 제1 산화알루미늄을 가장 조밀한 패킹 이론 분포 곡선에 부합하는 비율로 보다 작은 평균 입자 크기를 갖는 제2 산화알루미늄과 배합하는 것이 바람직할 수 있다. 이는 패킹 효율을 개선시키고, 점도를 감소시키며, 열 전달을 향상시킬 수 있다.
충전제의 평균 입자 크기는 성분(D)용으로 선택된 충전제의 종류, 조성물에 첨가된 정확한 양 및 성분(B)와 성분(C)의 평균 입자 크기를 포함하는 다양한 인자에 따라 달라질 것이다. 성분(D)는 성분(C)의 최대 입자 크기 이하의 입자 크기를 갖는다. 성분(D)는 성분(B)의 최대 입자 크기보다 작은 입자 크기를 갖는다. 그러나, 열 전도성 충전제는 평균 입자 크기가 0.2㎛ 이상, 또는 2㎛ 이상일 수 있다. 열전도성 충전제는 평균 입자 크기가 80㎛ 이하, 또는 50㎛ 이하일 수 있다.
성분(D)의 열 전도성 충전제는 임의로 성분(E) 처리제로 표면 처리될 수 있다. 처리제 및 처리 방법은 당해 기술분야에 공지되어 있다[참조: 미국 특허 제6,169,142호(컬럼 4, 라인 42 내지 컬럼 5, 라인 2)].
본 발명의 조성물은 성분(E)를 0.1% 이상 포함할 수 있다. 조성물은 성분(E)를 2% 이하로 포함할 수 있다.
처리제는 화학식 R1 xSi(OR2)(4-x)의 알콕시실란(여기서, x는 1, 2 또는 3이고, 또는 x는 3이다)일 수 있다. R1은 탄수소 1 이상, 또는 탄소수 8 이상의 치환되거나 치환되지 않은 1가 탄화수소 그룹이다. R1은 탄소수가 50개 이하, 또는 30개 이하, 또는 18개 이하이다. R1은 알킬 그룹(예: 헥실, 옥틸, 도데실, 테트라데실, 헥사데실 및 옥타데실) 및 방향족 그룹(예: 벤질, 페닐 및 페닐에틸)로 예시된다. R1 은 포화되거나 불포화될 수 있고, 측쇄이거나 직쇄일 수 있으며, 치환되지 않을 수 있다. R1은 포화되고, 직쇄형이며, 치환되지 않을 수 있다.
R2는 탄소수 1 이상의 치환되지 않은 포화 탄화수소 그룹이다. R2는 탄소수가 4개 이하, 또는 2개 이하일 수 있다. 성분(E)는 헥실트리메톡시실란, 옥틸트리에톡시실란, 데실트리메톡시실란, 도데실트리메톡시실란, 테트라데실트리메톡시실란, 페닐트리메톡시실란, 페닐에틸트리메톡시실란, 옥타데실트리메톡시실란, 옥타데실트리에톡시실란 및 이들의 배합물로 예시된다.
알콕시 작용성 올리고실록산도 또한 처리제로서 사용될 수 있다. 알콕시 작용성 올리고실록산 및 이의 제조방법은 당해 기술분야에 공지되어 있다[참조: 유럽 공개특허공보 제1 101 167 A2호]. 예를 들면, 적합한 알콕시 작용성 올리고실록산에는 화학식 (R5O)dSi(OSiR3 2R4)4-d의 것들이 포함된다. 이러한 화학식에서, d는 1, 2 또는 3이고, 또는 d는 3이다. 각각의 R3은 독립적으로 탄소수 1 내지 10의 포화 또는 불포화 1가 탄화수소 그룹으로부터 선택될 수 있다. 각각의 R4는 탄소수 11개 이상의 포화되거나 불포화된 1가 탄화수소 그룹일 수 있다. 각각의 R5는 알킬 그룹일 수 있다.
금속 충전제는 알킬티올(예: 옥타데실 머캅탄 등) 및 지방산(예: 올레산, 스테아르산, 티탄산염, 티탄산염 커플링제, 지르콘산염 커플링제 및 이들의 배합물) 으로 처리할 수 있다.
알루미나용 또는 부동화 질화알루미나용 처리제에는 알콕시실릴 작용성 알킬메틸 폴리실록산(예: 화학식 R6 bR7 cSi(OR8)(4-b-c)의 부분 가수분해 축합물 또는 공가수분해 축합물 또는 혼합물) 및, 가수분해 가능한 그룹이 실라잔, 아실옥시 또는 옥시모일 수 있는 유사한 재료가 포함된다. 이들 모두에 있어서, Si에 결합된 그룹, 예를 들면, 위의 화학식에서 R6은 장쇄 불포화 1가 탄화수소 또는 1가 방향족 작용성 탄화수소이다. R7은 1가 탄화수소 그룹이고, R8은 탄소수 1 내지 4의 1가 탄화수소 그룹이다. 위의 화학식에서, b는 1, 2 또는 3이고, c는 0, 1 또는 2이며, 단 b + c는 1, 2 또는 3이다. 당해 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 과도한 실험을 거치지 않고도 충전제의 분산을 보조하기 위한 특정한 처리를 최적화할 수 있을 것이다.
성분(F)는 접착 촉진제이다. 적합한 접착 촉진제는 화학식 R1 aSi(OR2) (4-a)의 알콕시실란(여기서, a는 1, 2 또는 3이고, 또는 a는 3이다)을 포함할 수 있다.
R1은 1가 유기 작용성 그룹이다. R1은 에폭시 작용성 그룹, 예를 들면, 글리시드옥시프로필 또는 (에폭시사이클로헥실)에틸, 아미노 작용성 그룹, 예를 들면, 아미노에틸아미노프로필 또는 아미노프로필, 메타크릴옥시프로필, 또는 불포화 유기 그룹일 수 있다.
R2는 탄소수 1 이상의 치환되지 않은 포화 탄화수소 그룹이다. R2는 탄소수 4 이하, 또는 탄소수 2 이하일 수 있다. R2는 메틸, 에틸, n-프로필 및 이소-프로필로 예시된다.
주어진 매트릭스에 적합한 접착 촉진제의 예는 문헌[참조: "Silane Coupling Agent (Adhesion Promoters)" by Peter G. Pape in The Polymeric Materials Encyclopedia, Ed. Joseph C. Salamone, CRC Press, 1996]에 기재되어 있다. 적합한 접착 촉진제의 예에는 글리시드옥시프로필트리메톡시실란 및 글리시드옥시프로필트리메톡시실란과 알루미늄 킬레이트 또는 지르코늄 킬레이트와의 배합물이 포함된다. 부가 경화성 실리콘 매트릭스용의 접착 촉진제의 예는 미국 특허 제4,087,585호 및 미국 특허 제5,194,649호에서 발견할 수 있다. 본 발명의 조성물은 접착 촉진제를 2% 이상 함유할 수 있다. 조성물은 접착 촉진제를 5% 이하로 함유할 수 있다.
성분(G)는 용매 또는 희석제 등의 비히클이다. 성분(G)는, 예를 들면, 혼합 및 전달을 보조하기 위해 조성물의 제조 도중에 첨가할 수 있다. 성분(G)의 전부 또는 일부분을 조성물이 제조된 후에 임의로 제거할 수 있다.
성분(H)는 계면활성제이다. 적합한 계면활성제에는 실리콘 폴리에테르, 에틸렌 옥사이드 중합체, 프로필렌 옥사이드 중합체, 에틸렌 옥사이드와 프로필렌 옥사이드와의 공중합체, 기타 비이온성 계면활성제 및 이들의 배합물이 포함된다. 조성물은, 조성물의 중량을 기준으로 하여, 계면활성제를 0.05% 이하로 함유할 수 있다.
성분(I)는 융제이다. 조성물은, 조성물의 중량을 기준으로 하여, 융제를 2% 이하로 함유한다. 카복실산 및 아민 등의 화학적 활성 작용성 그룹을 함유하는 분자를 융제로서 사용할 수 있다. 이러한 융제에는 지방산(예: 석신산, 아비에트산, 올레산 및 아디프산), 방향족 산(예: 치환된 벤조산), 지방족 아민 및 이들의 유도체(예: 트리에탄올아민, 아민의 하이드로클로라이드 염 및 아민의 하이드로브로마이드 염)이 포함된다. 융제는 상업적으로 시판되고 있고, 문헌[참조: "Modern Solder Technology for Competitive Electronics Manufacturing" by Jennie S. Hwang, McGraw Hill, 1996, p. 123]에서 발견할 수 있다.
성분(J)는 산 수용체이다. 적합한 산 수용체에는 산화마그네슘, 산화칼슘 및 이들의 배합물이 포함된다. 조성물은, 조성물의 중량을 기준으로 하여, 성분(J)를 2% 이하로 함유할 수 있다.
조성물의 제조방법
본 발명의 조성물은 기껏해야 1cm2 K/W의 열 저항을 갖도록 제형화될 수 있다. 열 전도성은 성분(B)용으로 선택된 충전제의 양과 종류 및 성분(D)의 존재 유무를 포함하는 다양한 인자에 의존한다.
조성물은 모든 성분들을 주위 온도 또는 승온에서 혼합하여 제조할 수 있다. 조성물이 승온에서 제조되는 경우, 제조 온도는 성분(A)의 경화점보다 낮다.
저융점 금속은, 예를 들면, 원자화에 의해 성분(B)를 제조하기 위해 분말로 예비 형성할 수 있다. 원자화는 최소 표면 산화라는 이점을 제공한다. 불활성 대기하에서의 원심분리 또는 초음파 원자화를 사용하여, 낮은 표면 산화물 및 일정한 입자 크기 분포를 갖고 부수체가 부재(satellite free)하는 구형의 분말을 형성할 수 있다. 원자화 분말을 임의로 체질(분류)하여 목적하는 크기 범위를 수득할 수 있다. 예를 들면, 조성물이 50㎛의 접합면 두께로 사용되는 경우, 성분(B)의 입자 크기 분포는 45 내지 73㎛, 또는 53 내지 73㎛일 수 있다.
성분(B)는 또한 동일반응계 전단에 의해 조성물에 도입될 수 있다. 경화성 매트릭스 및 저융점 금속을 포함하는 중간체를, 저융점 금속의 융점보다는 높지만 경화성 매트릭스의 경화점보다는 낮은 온도로 가열한다. 이어서, 조성물을 적절한 양으로 전단하여 저융점 금속을 목적하는 크기로 "파쇄"한다. 계면활성제를 당해 공정 동안에 첨가하여 입자 크기 및 분포를 조절할 수 있다.
성분(D) 및 성분(E)가 존재하는 경우, 당해 조성물은 임의로 성분(D)를 성분(E)로 표면 처리한 다음, 이러한 생성물을 조성물의 다른 성분들과 혼합하여 제조할 수 있다.
사용 방법
본 발명은 또한 열전달 물질의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 방법은 (1) 경화점을 갖는 경화성 매트릭스(A) 및 연화점을 갖는 저융점 금속 충전제(B), 임의로 스페이서(C) 및 임의로 전도성 충전제(D)를 포함하는 조성물(여기서, (i) 성분(B)의 연화점은 성분(A)의 경화점보다 낮으며, (ii) 성분(B)의 평균 입자 크기는 접합면 두께 이상이다)을 제1 기판과 제2 기판 사이에 주입하여 소정의 두께를 갖는 접합면을 형성하고,
(2) 당해 조성물을 가열함을 포함한다.
제1 기판은 열 공급원, 예를 들면, 전자 부품(예: 반도체, 트랜지스터, 집적 회로 또는 개별 소자)을 포함할 수 있다. 제2 기판은 열 분산기 또는 열 분산 장치, 예를 들면, 방열판, 열 전도성 플레이트, 열 전도성 커버, 팬, 순환 냉각 시스템 및 이들의 조합 등을 포함할 수 있다. 본 발명의 조성물은 전자 부품 및 이후의 방열판에 적용할 수 있거나, 제1 기판과 제2 기판에 동시에 적용할 수 있다.
조성물을 열 경로를 따라 주입하는 동안 또는 주입한 후(또는 조성물을 중합하는 동안과 주입한 후 모두), 당해 조성물을 성분(B)의 용융 온도와 동일하거나 더 높지만 성분(A)의 경화점보다는 낮은 온도로 가열시킬 수 있다. 압력은 단계(1) 동안, 단계(1) 후에, 단계(2) 동안 및 이들의 조합 동안 가할 수 있다. 이어서, 조성물을 성분(A)의 경화점 이상의 온도로 가열시킬 수 있다.
본 발명은 또한 전자 부품(a), 열전달 물질(b) 및 방열판(c)을 포함하는 제품으로서, 열전달 물질이 전자 부품 표면으로부터 방열판 표면으로 연장하는 열 경로를 따라 배열되어 있고, 열전달 물질이 위에 기재된 조성물의 경화 생성물을 포함하는 제품에 관한 것이다.
본 발명은 또한 열 분산기 또는 열 분산 장치(a) 및 상기 부품(a)의 표면 위의 열전달 물질(b)을 포함하는 제품으로서, 열전달 물질(b)과 부품(a)가 전자 부품과 방열판 사이의 열 전도성 경로의 일부분을 구성하도록 배열되어 있고, 열전달 물질이 위에 기재된 조성물의 경화 생성물을 포함하는 제품에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따르는 장치(100)를 나타낸다. 장치(100)는 솔더볼 어레이(solderball array)(111)와 칩 언더필(chip underfill)(109)에 의해 기판(104)에 장착된 전자 부품(집적 회로(IC) 칩으로서 도시됨)(103)을 포함한다. 기판(104)은 패드(110)를 통해 부착된 솔더볼(105)을 갖는다. 제1 열전달 물질(TIM1)(106)는 IC 칩(103)과 금속 커버(107) 사이에 주입된다. 금속 커버(107)는 열 분산기로서 작용한다. 제2 열전달 물질(TIM2)(102)는 금속 커버(107)와 방열판(101) 사이에 주입된다. 열은, 장치가 작동하는 경우, 화살표로 나타낸 열 경로(108)를 따라 이동한다.
이들 실시예는 본 발명을 당해 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 설명하기 위한 것이며, 청구의 범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 간주되어서는 않된다.
참조 실시예 1 - 어셈블리 제조 및 레이저 섬광 방법
열전달 물질의 열 저항 측정은 매사추세츠주 베드포드 소재의 홀로메트릭스 마이크로플래쉬 300 장비 홀로매트릭스 마이크로메트(Holometrix Microflash 300 equipment Holometrix Micromet)[현재 네트즈쉬 인스트루먼츠 인코포레이트드(NETZSCH Instruments, Inc.)]로 실시한다. 샘플 제조에 사용된 질화물 부동화(nitride passivated) 규소 웨이퍼는 캘리포니아주 산 요세 소재의 애디슨 엔지니어링 인코포레이티드(Addison Engineering Inc.)로부터 입수한다. 규소 웨이퍼를 8±0.13mm2 기판으로 절단하고, 뉴햄프셔주 나수아 소재의 실리콘 센스(Silicon Sense)로 탈이온수 세정한다.
조성물의 열 저항을 시험하기 위해, 조성물을 하나의 기판 위에 분배한다. 제2 기판을 분배된 조성물 상부에 올려 놓아, 얇은 조절된 접합면을 제공하는 지그 속에서 샌드위치 어셈블리를 형성한다. 어셈블리를 바인더 클립(binder clip)으로 조이고, 오븐 속에 놓아 요구되는 시간 동안 요구되는 경화점에서 경화시킨다. 경화 후, 어셈블리를 지그로부터 제거하고, 흑연 피복물을 양면에 적용한다. 피복물은 에너지 흡수 및 어셈블리 표면으로부터의 방사를 증가시키기 위해 적용된다.
레이저 섬광 방법은, 레이저로부터의 단일 펄스로 어셈블리의 한 면을 신속하게 가열하고 반대면에서 생성되는 온도 교란의 도달을 시간 함수로서 모니터링하는 것이다. 2개 기판 사이의 얇은 TIM의 열 저항은 다층 분석을 사용하여 측정한다. 이 방법의 기술적 세목은 장치 매뉴얼 뿐만 아니라 공개문헌[참조: Campbell, R. C.; Smith, S. E.; Dietz, R. L., "Measurements of Adhesive Bondline Effective Thermal Conductivity and Thermal Resistance Using the Laser Flash Method," IEEE SEMI-THERM XV Symposium, (1999) pages 83-97; 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 Conductivity 25- Thermal Expansion 13- June 13-16, 1999; and "Standard Test Method for Thermal Diffusivity of Solids by the Flash Method," ASTM Test Method E1461-92]에서 발견할 수 있다.
실시예 1 - 전단 입자를 함유하는 조성물
다음 성분들은 실시예 1에서 사용한다.
성분(I)은 수지 35중량%와 중합체 65중량%를 함유하는 혼합물이다. 수지는 CH2=CH(CH3)2SiO1/2 단위, (CH3)3SiO1/2 단위 및 SiO4/2 단위를 갖고, 여기서 SiO4/2 단위에 배합된 CH2=CH(CH3)2SiO1/2 단위 및 (CH3)3SiO1/2 단위의 몰 비는 0.7이며, 수지의 중량 평균 분자량은 22,000이고, 다분산도는 5이고, 비닐 그룹을 5.5mol%(1.8중량%) 함유한다. 중합체는 점도가 25℃에서 2Pa·s인 디메틸비닐실록시 말단화 폴리디메틸실록산이다.
성분(II)는 CH3CH2CH2Si(OSi(CH2)2H)3이다.
성분(III)은 백금과, 열가소성 실리콘 수지에 분산된 1,3-디비닐-1,1,3,3-테트라메틸디실록산과의 착물 40중량%를 함유하는 혼합물이고, 여기서 수지는 모노페닐실록산 단위 78mol%와 디메틸실록산 단위 22mol%를 갖고, 수지의 연화점은 80 내지 90℃이며, 점도가 25℃에서 2Pa·s인 디메틸비닐실록시 말단화 폴리디메틸실록산 55중량%, 비닐 함량 0.2중량% 및 헥사메틸디실라잔 처리된 흄드 실리카(fumed-silica) 5중량%를 갖는다. 촉매의 백금 함량은 0.16중량%이다.
성분(IV)는 페닐 부티놀이다.
성분(B)는 2mm 구상 형태의 합금이다. 이 합금은 공융점이 61℃인 In51Sn16.5Bi32.5이다.
성분(F)인 접착 촉진제는 하이드록시 말단화 메틸비닐 실록산과 글리시드옥시프로필트리메톡시실란의 반응 생성물이다.
성분(H)인 계면활성제는 평균 화학식 (CH3)3SiO(Si(CH2)2O)248(SiCH2RO)2.5 OSi(CH3)3의 실리콘-폴리에테르(여기서, R은 (CH2CH2O)18(CH2CH(CH3)O)18OH이다)이다.
1온스 컵에서, 성분(I) 1.849g 및 성분(B) 17.808g을 배합한다. 컵을 질소로 퍼징하고, 오븐 속에 80℃에서 10분 동안 넣어 둔다. 이 컵을 오븐으로부터 제거하고, 원심분리 혼합기[하우쉴드 모델(Hauschild Model) AM 501]에서 26초 동안 혼합한다. 이 공정을 생성된 혼합물이 평탄한 페이스트 유사 조도(consistency)를 가질 때까지 3회 반복한다.
혼합물 9.56g을 신선한 1온스 컵에서 칭량한다. 성분(H) 0.004g을 첨가한다. 이 컵을 오븐 속에서 80℃로 10분 동안 넣어 둔다. 이 컵을 오븐으로부터 제 거하고, 원심분리 혼합기(하우쉴드)에서 26초 동안 혼합한다.
이 혼합물에 성분(II) 0.067g, 성분(F) 0.060g 및 성분(IV) 0.001g을 첨가한다. 생성된 혼합물을 시각적으로 균질해질 때까지 주걱으로 혼합한다.
성분(III) 0.035g을 첨가하고, 생성되는 혼합물을 주걱으로 혼합한다.
브룩필드 점도계(Brookfield Viscometer)(Model DV1)로 1분당 0.5회전(rpm)에서 측정한 생성된 조성물의 점도는 25℃에서 393Pa·s이었다.
2개 질화규소 부동화 기판 사이의 조성물의 내열성은 참조 실시예 1의 방법으로 측정한다. 어셈블리를 150℃로 1시간 동안 가열한다. 결과는 표 1에 기재되어 있다. 파라볼릭 최소 입방 피트에 의해 25㎛ 접합면에 대해 외삽한 열 저항은 0.07cm2 K/W이었다.
접합면 두께(㎛) 열 저항(cm2 K/W)
23 0.04
23 0.06
31 0.13
102 0.93
145 1.52
실시예 2 - 원자화 입자를 함유하는 조성물
다음 성분들을 본 실시예에서 사용한다.
성분(I)은 점도가 25℃에서 45 내지 65Pa·s인 디메틸비닐실록시 말단화 폴리디메틸실록산이다.
성분(II)는 (CH3)3SiO1/2, (CH3)2SiO2/2 및 CH3HSiO2/2 단위를 갖는 오가노하이드 로겐폴리실록산(여기서, 오가노하이드로겐폴리실록산은 규소 결합된 수소원자 1.05중량%를 함유하고 점도가 25℃에서 30mPa·s이다)이다.
성분(III)은 백금과, 열가소성 폴리카보네이트 매트릭스에 분산된 1,3-디비닐-1,1,3,3-테트라메틸디실록산과의 착물이다. 이 매트릭스는 연화점이 140℃이다. 촉매는 백금 함량이 0.4중량%이다.
성분(IV)는 점도가 25℃에서 2Pa·s인 디메틸비닐실록시 말단화 폴리디메틸실록산 99중량%에 분산된 디알릴 말레에이트 1중량%를 함유하는 혼합물이다.
성분(B)는 입자 크기가 -325+500메쉬(25 내지 45㎛)인 원자화 분말 형태의 합금이다. 이 합금은 공융점이 61℃인 In51Sn16.5Bi32.5이다.
성분(C)는 평균 입자 크기가 22㎛인 알루미나 입자[쇼와 덴코 가부시키가이샤(Showa Denko KK) 사의 CBA20S]이다.
성분(D)는 질화붕소[어드밴스드 세라믹 코포레이션(Advanced Ceramic Corporation)사의 PT160S]이다.
1/4온스 컵에서, 성분(I) 1.203g, 성분(C) 0.0274g, 성분(B) 7.543g, 성분(D) 0.105g, 성분(II) 0.067g, 성분(IV) 0.085g 및 성분(III) 0.0354g을 원심분리 혼합기(제조원: 하우쉴드)로 혼합한다. 0.5rpm에서 브룩필드 점도계로 측정한 생성되는 조성물의 점도는 25℃에서 491Pa·s이다. 어셈블리를 참조 실시예에 따라 제조한다. 상기 조성물을 160℃에서 1시간 동안 가열하여 경화시킨다. 25㎛ 접합면에서 질화물 부동화 규소 기판을 갖는 어셈블리에 대한 내열성은 0.08cm2 K/W이다.
실시예 3 - 산화 안정성에 대한 충전제 조성물의 효과
동일한 용적%의 충전제 로딩을 유지하면서 성분(B)의 조성을 변경시키는 것을 제외하고는 25㎛ 접합면 두께의 어셈블리를 실시예 2에서와 같이 제조한다. 어셈블리를 85℃/85% 상대 습도 챔버[미국 미시간주 홀랜드 소재의 티어모트론(Thermotron) 사의 모델 SM-8C]에 배치하여 어셈블리를 가속 응력 시험한다. 어셈블리의 열 저항은 시간 함수로서 측정한다. 이 결과는 표 2에 기재되어 있다.
85℃/85% RH에서의 시효경화(일) 충전제를 갖는 TIM에서의 열 저항(cm2 K/W)
In51Bi32.5Sn16.5
(mp 61℃)		 In26Bi57Sn17
(mp 80℃)		 In12Bi52Sn36
(mp 60 - 138℃)		 Sn42Bi58
(mp 138℃)
0 0.08 0% 0.12 0% 0.12 0% 0.14 0%
4 0.11 45% 0.32 167% 0.12 0% 0.13 -5%
7 0.17 113% 0.82 573% 0.13 8% 0.14 3%
21 1.08 1280% 1.01 730% 0.16 28% 0.13 -1%
35 1.22 1456% 1.16 856% 0.16 29% 0.15 7%
이탤릭체 숫자는 초기 값에 대한 열 저항의 변화율(%)이다.
실시예 4 - 산화 안정성에 대한 매트릭스의 효과
샘플은 성분(I)을 변경시키는 것을 제외하고는 실시예 2의 방법으로 제조한다. 샘플을 실시예 3의 방법으로 시험한다. 이 결과는 표 3에 기재되어 있다.
85℃/85% RH에서의 시효경화 매트릭스를 갖는 TIM에서의 열 저항(cm2 K/W)
매트릭스 1 매트릭스 2 매트릭스 3
0 0.08 0% 0.08 0% 0.15 22%
4 0.11 45% 0.11 42% 0.21 70%
7 0.17 113% 0.15 90% 0.23 82%
21 1.08 1280% 0.28 251% 0.53 407%
35 1.22 1456% 0.80 882% 1.36 993%
매트릭스 1은 실시예 2에서와 같이 성분(I)을 함유한다. 매트릭스 2는 실시예 2의 성분(I) 대신에 화학식 [ViSiMe2(OSiMeVi)8(OSiMe2)1040(OSiMe(CH2CH2 (CF2)3CF3)450OSiMe2Vi]의 중합체를 함유한다. 매트릭스 3은 실시예 2의 성분(I) 대신에 화학식 [ViSiMe2(OSiMe(CH2)2CF3)xOSiMe2Vi의 중합체를 함유한다. 본 실시예에서, Me는 메틸 그룹을 나타내고, Vi는 비닐 그룹을 나타내며, x는 25℃에서 점도 41Pa·s를 제공하는 값이다.
실시예 5 및 비교 실시예 1: 낮은 열 저항에 대한 접합면 두께와 충전제 치수와의 관계
실시예 2에서 사용된 성분(B)의 저융점 합금 충전제를 In26Bi57Sn17(공융점 80℃)로 치환한다. 성분(B)의 치수를 변경시키고 스페이서 입자 성분(C)의 치수 변화에 의해 접합면 두께를 변경시키는 것을 제외하고는 어셈블리를 실시예 2에서와 같이 제조한다. 스페이서는 캐나다 팔로 알토 소재의 듀크 사이언티픽 코포레 이션(Duke Scientific Corporation)사로부터 구입한 균일한 유리 미세구체이다. 미세구체는 NIST 추적가능한 평균 직경이 30.1±2.1, 49.1±2.9 및 72.6±4.4㎛이다. 이 결과는 표 3에 제시되어 있다.
샘플 접합면 두께(㎛) 충전제 치수(㎛) 열 저항(cm2 K/W)
어셈블리 A 30 25-38 0.22
어셈블리 B 30 38-45 0.18
어셈블리 C 30 45-53 0.11
어셈블리 D 30 53-63 0.18
어셈블리 E 30 63-73 0.15
비교 어셈블리 A 50 25-38 0.80
비교 어셈블리 B 50 38-45 0.81
어셈블리 F 50 45-53 0.49
어셈블리 G 50 53-63 0.34
어셈블리 H 50 63-73 0.35
비교 어셈블리 C 70 25-38 1.08
비교 어셈블리 D 70 38-45 0.82
비교 어셈블리 E 70 45-53 1.07
비교 어셈블리 F 70 53-63 1.12
비교 어셈블리 G 70 63-73 1.20
실시예 5 및 비교 실시예 1은, 저융점 금속 충전제의 평균 입자 크기가 접합면 두께 이상인 경우, 열 저항이 최소화됨을 나타낸다. 저융점 금속 충전제의 평균 입자 크기가 접합면 두께보다 작은 경우, 열 저항은 현저히 높아진다.
실시예 6: 충전제의 융점과 경화점과의 관계
다음 성분들을 본 실시예에서 사용한다. 성분(I), 성분(II) 및 성분(III)은 실시예 2의 것들과 동일하다.
성분(IV)는 점도가 25℃에서 2Pa·s인 디메틸비닐실록시 말단화 폴리디메틸실록산 97중량%에 분산시킨 페닐 부티놀 3중량%를 함유하는 혼합물이다.
성분(B)는 입자 크기가 -325+500메쉬(25 내지 45㎛)인 원자화 분말 형태의 합금이다. 이 합금은 공융점이 117℃인 In52Sn48이다.
성분(C)는 평균 입자 크기가 22㎛인 알루미나 입자(쇼와 덴코 가부시키가이샤의 CBA20S)이다.
샘플은 실시예 2에서와 같이 제조한다. 성분(III) 및 성분(IV)의 변경은 조성물의 경화점을 변화시킨다.
경화점(℃) 접합면 두께(㎛) 열 저항(cm2 K/W)
145 27 0.04
115 26 0.06
94 34 0.16
실시예 6은, 매트릭스의 경화점이 저융점 금속 충전제의 연화점보다 높은 경우, 어셈블리 접합면 두께 및 열 저항이 현저히 높아짐을 나타낸다.
도면
도 1은 본 발명에 따르는 장치이다.
참조 번호
100: 본 발명에 따르는 장치
101: 방열판
102: 제2 열전달 물질(TIM2)
103: 전자 부품
104: 기판
105: 솔더 볼
106: 제1 열전달 물질(TIM1)
107: 금속 커버
108: 열 경로
109: 칩 언더필
110: 패드
111: 솔더볼 어레이

Claims (12)

  1. 경화점을 갖는 경화성 매트릭스(A), 연화점을 갖는 저융점 금속 충전제(B) 및 스페이서(C)를 포함하는 조성물로서,
    (i) 상기 금속 충전제(B)의 연화점이 상기 경화성 매트릭스(A)의 경화점보다 낮으며,
    (ii) 상기 금속 충전제(B)의 평균 입자 크기가 상기 스페이서(C)의 평균 입자 크기보다 큼을 특징으로 하는, 조성물.
  2. 제1항에 있어서, 상기 경화성 매트릭스(A)가, 부가 반응 경화성 매트릭스, 축합 반응 경화성 매트릭스, 과산화물 반응 경화성 매트릭스 또는 이들의 배합물을 포함하는 폴리실록산을 포함하는, 조성물.
  3. 제1항에 있어서, 상기 경화성 매트릭스(A)가, 경화성 실리콘계 중합체(I), 경화성 실리콘계 중합체(I)용 경화제(II) 및 촉매(III)를 포함하는, 조성물.
  4. 제1항에 있어서, 상기 금속 충전제(B)의 융점이 50℃ 이상 250℃ 이하인, 조성물.
  5. 제1항에 있어서, 상기 금속 충전제(B)가 비공융 합금을 포함하는, 조성물.
  6. 제1항에 있어서, 상기 금속 충전제(B)가 Bi, In, Sn 또는 이들의 합금을 포함하는, 조성물.
  7. 제1항에 있어서, 상기 조성물이 전도성 충전제(D), 전도성 충전제(D)용 처리제(E), 접착 촉진제(F), 비히클(G), 계면활성제(H), 융제(I), 산 수용체(J) 또는 이들의 배합물을 추가로 포함하는, 조성물.
  8. (1) 경화점을 갖는 경화성 매트릭스(A)와 연화점을 갖는 저융점 금속 충전제(B)를 포함하는 조성물[여기서, (i) 상기 금속 충전제(B)의 연화점은 상기 경화성 매트릭스(A)의 경화점보다 낮으며, (ii) 상기 금속 충전제(B)의 평균 입자 크기는 접합면 두께 이상이다]을 제1 기판과 제2 기판 사이에 주입하여 소정의 두께를 갖는 접합면을 형성하고,
    (2) 상기 조성물을 상기 금속 충전제(B)의 연화점 이상 상기 경화성 매트릭스(A)의 경화점 미만의 온도로 가열하며,
    (3) 상기 조성물을 상기 경화성 매트릭스(A)의 경화점 이상의 온도로 가열함을 포함하는, 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 조성물이 스페이서(C), 전도성 충전제(D), 전도성 충전제(D)용 처리제(E), 접착 촉진제(F), 비히클(G), 계면활성제(H), 융제(I), 산 수용체(J) 또는 이들의 배합물을 추가로 포함하는, 방법.
  10. 제8항에 있어서, (a) 제1 기판이 열 공급원을 포함하고, (b) 제2 기판이 열 분산기를 포함하는, 방법.
  11. 열 분산기(a)와 상기 열 분산기 표면상의 열전달 물질(b)을 포함하는 장치로서, 상기 열전달 물질과 열 분산기가 전자 부품과 방열판 사이의 열 전도성 경로의 일부분을 구성하도록 배열되어 있고, 상기 열전달 물질이 제1항 내지 제7항 중의 어느 한 항에 기재된 조성물의 경화 생성물을 포함하는, 장치.
  12. 제3항에 있어서, 상기 경화성 매트릭스(A)가 촉매 억제제(IV)를 추가로 포함하는, 조성물.
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