KR20080044304A - 마이크로전자기기의 다이-레벨 패키지용 열전도성 열가소성물질 - Google Patents
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Abstract
마이크로전자기기의 다이-레벨 패키징을 위한 조성물 및 방법이 개시되어 있다. 조성물은 약 20%~약 80%의 열가소성 베이스 매트릭스; 약 20%~약 70%의 비-금속성, 열전도성 물질을 포함하고, 상기 조성물은 20ppm/C 미만의 열팽창계수 및 1.0W/mK 이상의 열전도도를 갖는다. 본 발명의 조성물은 마이크로전자기기 물질을 밀봉하기 위하여, 사출 성형 기술을 사용하여 마이크로전자기기를 포함하는 다이 내로 용융 사출될 수 있다.
Description
본 발명은 일반적으로 마이크로전자기기 부품의 패키지용 물질에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는 그러한 부품의 패키지용 열전도성 플라스틱에 관한 것이다.
발광 다이오드("LED")와 같은, 마이크로전자기기 제품의 제조에 있어서, 어떤 더 작은 형태적 요인들의 심미적 외관으로 전자공학기기를 소형화시키는 일반적인 경향을 비롯한 몇가지 이유에 있어서, 작은 크기를 갖는 부품을 제조하는 것이 바람직하다. 그러나, 더 작은 크기의 패키징 때문에, 부품의 열분산 특성들이 저하되며, 이는 부품의 성능의 저하, 불규칙적 작동, 짧은 수명, 및 다른 바람직하지 않은 결과들을 유도할 수 있다. 이러한 문제들 모두 당분야의 문헌들에 공지되어 있다. 따라서, 마이크로전자기기 패키징에 사용되기에 적합한 높은 열전도도를 갖는 물질들이 필요하다.
한편, 특히 LED에 관해서는, 산업 분야의 경향에 따라 LED의 밝기를 증가시켜 왔다. 밝기의 증가는 부분적으로 LED에 의해서 소비되는 전력을 증가시킴으로써 이루어져 왔다. LED에 적용된 전력을 증가시키면 LED의 작동 온도가 증가되고, 그 결과 LED에 대한 열조절에 있어서 새로운 방법을 필요로 하게 된다. 따라서, LED의 패키징에 사용될 수 있는 열전도도가 높은 물질이 필요하다.
일반적으로 말해서, 주위 온도가 증가함에 따라 물질들이 팽창한다는 물리학 및 화학적 개념이 공지되어 있다. 다양한 물질들은 그 물질의 물리적 특성들에 따라서 다른 비율로 팽창한다. 다른 열적 팽창률을 가지고 있는 두개의 다른 물질들이 서로 아주 근접하여 위치해 있을 경우, 더 높은 팽창률을 가지고 있는 물질은 더 낮은 팽창률을 가지고 있는 물질을 밀어내는 경향이 있을 것이다. 몇몇의 적용예들에 있어서, 이러한 공지된 특성은 매우 유용할 수 있다. 그러나, 마이크로전자기기의 패키징에 있어서, 인접한 물질들의 열적 팽창 특성이 서로 밀접하게 조화되지 않으면, 마이크로전자기기 장치는 서로 분리되는 물질들로 인하여 작동 온도에서 고장날 수 있기 때문에, 이러한 열적 팽창 특성은 극복되어야할 장애물을 제공한다. 따라서, 부서지기 쉬운 밀봉 회로소자의 열팽창률과 유사한 열팽창률을 갖는 마이크로전자기기 장치의 밀봉을 위한 열전도성 물질이 필요하다.
발명의 요약
본 발명은 마이크로전자기기 장치들의 패키징을 위한 밀봉재로서 사용될 수 있는 열전도성 열가소성 물질을 제공함으로써 선행 기술의 문제들을 해결한다. 본원 출원에 따른 발명의 바람직한 물질은 LCP, PPS, PEEK, 폴리이미드, 어떤 폴리아미드, 및 가장 높은 전력의 LED에 필요한 고온의 (무연(lead free)) 리플로우 온도를 견딜 수 있는 다른 열가소성 물질들을 포함하는 고온 열가소성 물질들의 변성 등급들(modifided grades)에 기초하고 있다. 이에 대한 첨가제로서 작용을 하는 바람직한 물질은 육방질화붕소(hBN)이다. 필요한 특성들을 얻기 위한 전형적인 hBN의 함량 수준은 전형적으로 20~70중량%이고, 좀더 바람직하게는 30~65중량%이다.
그 후에 조성물은, 조성물 내에 마이크로전자기기들을 밀봉하기 위하여, 사출 성형 기술을 사용하여 마이크로전자기기들을 포함하는 다이 내로 용융 사출될 수 있다.
따라서, 본 발명의 목적들은 낮은 열적 팽창 특성을 갖는 마이크로전자기기들을 밀봉하기 위한 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 열전도성 마이크로전자기기들을 밀봉하기 위한 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 이들 및 다른 특징들, 측면들, 및 이점들은 다음의 상세한 설명, 첨부된 특허청구범위 및 다음의 첨부된 도면들을 참조하여 더욱 더 잘 이해될 것이다:
도 1은 본 발명의 조성물로 밀봉된 예시적인 LED의 사시도이다; 그리고
도 2는 도 1에 나타낸 밀봉된 LED의 평면도이다.
도 1 및 2를 참고하여, 본 발명은 LED와 같은 마이크로전자기기 장치들의 패키징을 위한 밀봉재로서 사용될 수 있는 열전도성 열가소성 물질들을 제공함으로써 종래 기술의 문제점들을 해결한다. 도 1 및 2에 나타나 있는 LED와 같은, 마이크로전자기기 장치(12)는 당분야에 공지되어 있는 사출 성형 기술들을 사용하여, 열전도성 열가소성 물질(14)에 의해서 밀봉될 수 있다.
본원 출원에 따른 발명의 바람직한 물질은 LCP, PPS, PEEK, 폴리이미드, 어떤 폴리아미드, 및 가장 높은 전력의 LED에 필요한 고온의 (무연) 리플로우 온도를 견딜 수 있는 다른 열가소성 물질들을 포함하는 고온 열가소성 물질들의 변성 등급들에 기초하고 있다. LCP와 PPS는 가공성과 고온 성능의 균형을 제공하기 때문에 바람직한 구체예들이다. 이들 물질들은 또한 사출 성형 공정에서 유용한 추가적인 이점을 가지고 있다. 열전도성의 조절된 팽창 성형 수지(controlled expansion molding resin)는 고온 열가소성 물질과 본래 높은 열전도도를 가지고 있는 첨가제들을 배합함으로써 제조되는 것으로, 전기 절연체이며, 열팽창계수가 낮거나 또는 마이너스이며, 철강보다 더 낮은 경도를 가지고 있고, 적어도 두 방향으로 적당한 등방성을 가지고 있다. 상기 첨가제로서 작용을 하는 바람직한 물질은 육방질화붕소이다. 다른 물질들이 첨가될 수 있고, 언급된 여러 요건들 중의 몇몇을 충족시킬 수 있다. 육방질화붕소는 모든 요건들을 충족시킨다. 많은 다른 첨가제들이 공정 및 성능에 대한 요건들의 범위를 보장하기 위해서 폴리머 화합물 내에 포함될 수 있다.
LED 패키징 디자인에서의 전력 및 도전 경로 길이에 기초한 본 발명의 바람직한 열전도도는 1.0W/mK 이상이고, 1.5W/mK 이상이 바람직하고, 2.0W/mK 이상이 더욱 바람직하다. 다른 부품들의 열적 팽창에 기초한 바람직한 본 발명의 열팽창 계수는 20ppm/C 미만이고, 15ppm/C 미만인 것이 바람직하고, 10ppm/C 미만인 것이 더욱 바람직하다.
본 발명의 특성을 달성하기 위하여, hBN은 구체적인 특성(예를 들면, 산소 함량, 결정 크기, 순도)을 갖고, 그것의 특성들을 효율적으로 바꾸기 위해서 배합되는 것이 필요하다. 특히, 0.6% 미만의 산소 함량 및 B2O3 0.06% 미만의 순도가 특히 바람직하다. hBN의 입자는 10~50마이크론의 D50, 약 0.3~5㎡/g의 표면적을 갖는 플레이크(flake) 형태가 바람직하다. hBN의 탭(tap) 밀도는 또한 0.5g/cc 이상인 것이 바람직하다. 필요한 특성을 얻기 위한 전형적인 함량 수준은 전형적으로 20~70중량%이고, 30~65중량%인 것이 더욱 바람직하다. 이들 특성 범위들을 벗어나면, 조성물은 바람직하지 않은 열적 팽창 특성을 나타내기 시작한다.
본 발명의 조성물의 전기 절연 특성은 10E12 ohm-cm 이상의 전기 저항성인 것이 바람직하다. 전기 저항성은 10E14 ohm-cm 이상인 것이 더욱 바람직하고, 10E16 ohm-cm인 것이 더욱 더 바람직하다. 본 발명의 조성물이 마이크로전자기기 장치를 위한 밀봉재로서 사용되기 때문에, 조성물은 적절하게 기능하기 위해 우수한 전기 절연체이어야만 한다.
다른 전기적 특성들 또한 중요하다. 예를 들어, 유전 상수가 5.0 이하인 것이 바람직하고, 4.0 이하가 바람직하며, 3.5 이하가 더욱 바람직하다. 절연 강도 또한 조성물의 중요한 특성이다. 절연 강도는 400V/mil 이상이 바람직하고, 600V/mil 이상이 더욱 바람직하고, 700V/mil 이상이 더더욱 바람직하다. 유전 손실 또는 방열계수 또한 중요하다. 유전 손실은 0.1 미만이 바람직하고, 0.01 미만이 더욱 바람직하고, 0.001 미만이 가장 바람직하다.
상대적인 트래킹 인덱스, 아크 저항, 열선 점화, 고전압 아크 트랙킹 저항 및 점화 특성에 대한 고전압 아크 저항 또한 모두 중요하고, 이들은 종래의 플라스틱들에 비하여 열전도성 플라스틱 베이스 매트릭스에 있어서 전형적으로 개선된다. 이들 테스트들의 몇몇은 어느 공업에 특이적이거나 또는 공업 전반에 일반적(예를 들어, 전기공업, 자동차 등에 대한 UL)이다.
임의의 강화 물질이 폴리머 매트릭스에 첨가될 수 있다. 강화 물질은 유리섬유, 무기 광물 또는 다른 적합한 물질일 수 있다. 강화 물질은 폴리머 매트릭스를 강화시킨다. 강화 물질이, 첨가된다면, 조성물의 약 3중량%~약 25중량%로 구성되고, 조성물의 약 10중량%~약 15중량%로 구성되는 것이 바람직하다.
열전도성 물질 및 임의의 강화 물질을 비-전도성 폴리머 매트릭스와 직접 혼합하여 폴리머 조성물을 형성한다. 바람직하다면, 혼합물은 예를 들어, 난연제, 산화방지제, 가소제, 분산제, 및 이형제와 같은 첨가제들을 포함할 수 있다. 그러한 첨가제들은 생물학적으로 불활성인 것이 바람직하다. 혼합물은 당업계에 공지된 기술을 사용하여 제조될 수 있다.
본 발명은 다음의 실시예들에 의해서 더 설명되지만, 이들 실시예들이 본 발명의 제한으로서 해석되지는 않아야 한다.
실시예
1
본 실시예에 있어서, 조성물은 약 35%의 PPS의 열가소성 베이스 매트릭스와 고함량인 약 65%의 hBN을 포함한다. 본 실시예는 10W/mK의 열전도도 및 6ppm/C의 열팽창계수를 나타내었다. 본 실시예는 또한 2.5E16 ohm-cm의 전기 저항성을 나타 내었다. 본 실시예는 또한 각각 36MPa의 저항 인장강도, 68Mpa의 휨 강도 및 1~3kJ/㎡의 충격 강도(impact)의 우수한 기계적 강도를 갖는다.
실시예
2
본 실시예에 있어서, 조성물은 약 45%의 PPS의 열가소성 베이스 매트릭스와 약 55%의 hBN을 포함한다. 본 실시예는 10W/mK의 열전도도 및 11.3ppm/C의 열팽창계수를 나타내었다. 본 실시예는 또한 1.6E16 ohm-cm의 전기 저항성을 나타내었다. 본 실시예는 또한 각각 55MPa의 저항 인장강도, 84Mpa의 휨 강도 및 2.8~5.6kJ/㎡의 충격 강도의 우수한 기계적 강도를 갖는다.
따라서, 본 발명은 마이크로전자기기 장치를 패키징하는데 적합한 높은 열전도성 및 낮은 열팽창성을 갖는 밀봉재로서 사용될 수 있는 열가소성 물질을 제공함으로써 독창적인 해결법을 제공한다는 것을 알 수 있다.
예시된 구체예들에 대하여, 본 발명의 사상을 벗어나지 않고서 여러가지 변경들 및 변형들이 이루어질 수 있다는 것은 당업자들에게 자명할 것이다. 첨부된 특허청구범위에 의해서 한정된 것을 제외하고는, 그러한 모든 변형들 및 변경들은 본 발명의 범위 내에 속하는 것으로 의도된다.
Claims (28)
- 다음을 포함하는, 마이크로전자기기의 다이-레벨 패키지용 조성물:약 20%~약 80%의 열가소성 베이스 폴리머 매트릭스; 및약 20%~약 70%의 비-금속성, 열전도성 물질;상기 조성물은 20ppm/C 미만의 열팽창계수 및 1.0W/mK 이상의 열전도율을 갖는다.
- 제 1항에 있어서, 상기 조성물은 약 30%~약 65%의 비-금속성, 열전도성 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 조성물.
- 제 1항에 있어서, 상기 비-금속성, 열전도성 물질은 육방질화붕소인 것을 특징으로 하는 조성물.
- 제 3항에 있어서, 상기 육방질화붕소는 약 10~약 50마이크론의 D50 입자 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 조성물.
- 제 3항에 있어서, 상기 육방질화붕소는 O2 함량이 0.6% 미만인 것을 특징으로 하는 조성물.
- 제 3항에 있어서, 상기 육방질화붕소는 B2O3 함량이 0.06% 미만인 것을 특징으로 하는 조성물.
- 제 3항에 있어서, 상기 육방질화붕소는 표면적이 약 0.3~약 5㎡/g인 것을 특징으로 하는 조성물.
- 제 1항에 있어서, 상기 열가소성 베이스 폴리머 매트릭스는 LCP, PPS, PEEK, 폴리이미드, 및 폴리아미드로 필수적으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 조성물.
- 제 1항에 있어서, 상기 조성물은 15ppm/C 미만의 열팽창 계수를 갖는 것을 특징으로 하는 조성물.
- 제 1항에 있어서, 상기 조성물은 10ppm/C 미만의 열팽창 계수를 갖는 것을 특징으로 하는 조성물.
- 제 1항에 있어서, 상기 조성물은 1.5W/mK 이상의 열전도도를 갖는 것을 특징으로 하는 조성물.
- 제 1항에 있어서, 상기 조성물은 2.0W/mK 이상의 열전도도를 갖는 것을 특징으로 하는 조성물.
- 제 1항에 있어서, 약 3%~약 25%의 강화 물질을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 조성물.
- 제 13항에 있어서, 상기 강화 물질은 유리섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 조성물.
- 다음의 단계들을 포함하는, 마이크로전자기기의 다이-레벨 패키징 방법:a) 다음을 포함하는 용융 조성물을 제공하는 단계: i) 약 20중량%~약 80중량%의 열가소성 베이스 폴리머 매트릭스, 및 ii) 약 20중량%~약 70중량%의 비-금속성, 열전도성 물질; 상기 조성물은 20ppm/C 미만의 열팽창 계수 및 1.0W/mK 이상의 열전도도를 갖는다;b) 상기 용융 조성물에 의해 밀봉되어질 마이크로전자기기를 제공하는 단계, 상기 마이크로전자기기는 다이 내에 안전하게 유지된다;c) 상기 용융 조성물을 상기 다이 내로 사출하는 단계; 및d) 상기 다이로부터 상기 마이크로전자기기를 제거하는 단계.
- 제 15항에 있어서, 상기 조성물은 약 30%~약 65%의 비-금속성, 열전도성 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 15항에 있어서, 상기 비-금속성, 열전도성 물질은 육방질화붕소인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 17항에 있어서, 상기 육방질화붕소는 약 10~약 50마이크론의 D50 입자 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 17항에 있어서, 상기 육방질화붕소는 O2 함량이 0.6% 미만인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 17항에 있어서, 상기 육방질화붕소는 B2O3 함량이 0.06% 미만인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 17항에 있어서, 상기 육방질화붕소는 표면적이 약 0.3~약 5㎡/g인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 15항에 있어서, 상기 열가소성 베이스 폴리머 매트릭스는 LCP, PPS, PEEK, 폴리이미드, 및 폴리아미드로 필수적으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 15항에 있어서, 상기 조성물은 15ppm/C 미만의 열팽창 계수를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 15항에 있어서, 상기 조성물은 10ppm/C 미만의 열팽창 계수를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 15항에 있어서, 상기 조성물은 1.5W/mK 이상의 열전도도를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 15항에 있어서, 상기 조성물은 2.0W/mK 이상의 열전도도를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 15항에 있어서, 상기 용융 조성물에 약 3%~약 25%의 강화 물질을 첨가하는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 27항에 있어서, 상기 강화 물질은 유리섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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