DE60132125T2

DE60132125T2 - Herstellung thermisch leitender Stoffe durch flüssigmetallüberbrückte Teilchengruppen

Info

Publication number: DE60132125T2
Application number: DE60132125T
Authority: DE
Inventors: Sanjay Shoreview Misra
Original assignee: Bergquist Co Inc
Current assignee: Bergquist Co Inc
Priority date: 2000-04-05
Filing date: 2001-03-30
Publication date: 2008-12-18
Anticipated expiration: 2021-03-31
Also published as: DE60132943T2; DE1143512T1; US6339120B1; CA2343504A1; ES2163380T1; USRE39992E1; US6624224B1; JP2001329068A; EP1143512A2; EP1143512A3; TW591776B; EP1143512B1; TR200103156T3; GR20010300073T1; DE60132943D1; DE60132125D1; ATE387722T1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Zusammensetzung für das Herstellen thermisch leitfähiger, mechanisch nachgiebiger Verbindungen zum Verbessern des Wärmeübertrags von einer Wärme erzeugenden Halbleitervorrichtung auf einen Wärmedissipierer, wie beispielsweise eine Wärmesenke oder einen Wärmeverteiler. Spezieller bezieht sich die vorliegende Erfindung auf verbesserte Formulierungen von thermisch hochgradig leitfähigen Polymerverbindungen, wie beispielsweise Polymerflüssigkeit beladen oder befüllt mit perkolierenden Partikelclustern, die mit einem Flüssigmetall beschichtet sind, wobei die Feuchtebeständigkeit des Flüssigmetalls durch Zusatz von hydrophobem alkylfunktionalen Silan, speziell Oktyltriethoxysilan, stabilisiert ist. Solche Verbindungen sind durch die von dem Flüssigmetall geförderte Perkolation hochgradig wirksam, wobei das Flüssigmetall eine verbesserte Stabilität aufweist. Die vorliegende Erfindung bezieht einen Prozess zum gleichmäßigen Beschichten von Partikelfeststoffen mit einem Flüssigmetall und anschließenden Mischen der beschichteten Teilchen mit einer Zusammensetzung, die eine Mischung aus einem flüssigen oder fluiden Polymer und einem hydrophoben alkylfunktionalen Silan, speziell Oktyltriethoxysilan, aufweist, ein, um ein hochgradig stabiles nachgiebiges Kissen mit eingeschlossenen thermischen Leitungswegen auszubilden.
In der Vergangenheit sind Flüssigmetalle zum Einbau in thermisch leitfähige Pasten für Wärme erzeugende Halbleitervorrichtungen vorgeschlagen worden. In den meisten Fällen wurde die Anwendung von Flüssigmetallen zu diesem Zweck nicht in großem Umfang verwendet, primär wegen Problemen, die von der Neigung des Flüssigmetalls hervorgerufen wurden, Legierungen und/oder Amalgame auszubilden, wodurch die physikalischen Eigenschaften des Flüssigmetall enthaltenden Montagekissens geändert und modifiziert wurden. In bestimmten Anwendungen wurde die Flüssigmetallverbindung oxidiert, sowohl entlang der Oberfläche als auch im Volumen der Struktur. Während die hochgradig thermisch leitfähigen Pasten des Stands der Technik typischerweise elektrisch leitfähig sind, mag diese Eigenschaft bei bestimmten Anwendungen und in bestimmten Situationen nicht wünschenswert sein. In bestimmten anderen Situationen wurden Flüssigmetalle und/oder Flüssigmetalllegierungen mit einem Polymer gemischt, wobei das Polymer anschließend ausgehärtet wurde, um ein thermisch leitfähiges Montageverbundkissen bereitzustellen. Obwohl nützlich, fanden diese Vorrichtungen keine verbreitete Anwendung, primär wegen der Instabilität der Flüssigmetallkomponente in dem fertigen Produkt. Diese Instabilität beruht auf der extrem hohen Oberflächenspannung sowie anderen chemischen und physikalischen Eigenschaften der Flüssigmetallkomponente. Beispielsweise hatten die dispergierten Flüssigmetalltröpfchen eine Tendenz, sich zu verbinden, ein Ostwald-Reifungsprozess, und verursachten eine makroskopische Trennung des Metalls von der Polymermatrix. Zusätzlich wurde die Oxidation des Flüssigmetalls bei Aussetzung gegenüber feuchten Umgebungen beschleunigt – was zu Bildung von brüchigen Oxiden führte, die die thermischen Eigenschaften des Verbunds verschlechterten.
Die vorliegende Erfindung verwendet die Kombination von Flüssigmetall-beschichteten Teilchen mit einem Polymerträger zusammen mit Oktyltriethoxysilan. Das alkylfunktionale Silan bindet an die Oberflächenoxidschicht des Metalls und erzeugt eine hydrophobe Barriere, die Feuchtigkeitsangriff auf das Metall widersteht. Das von der Erfindung beschriebene Herstellverfahren stellt auch die Verbindungen mit verbesserter Stabilität, insbesondere hinsichtlich jeglicher Neigung zu makroskopischer Phasentrennung, bereit. Zusätzlich machen die Formulierung und das Herstellungsverfahren die Ausbildung von großen perkolierenden Clustern aus Flüssigmetall-beschichteten Partikeln möglich, was die Wärmeübertragungseigenschaften verbessert. Die Kombination besitzt auch wünschenswerte mechanische Eigenschaften, die ihre Verwendung in Produktionsvorgängen erleichtern.
Die EP 0 696 630 offenbart ein wärmeleitfähiges Material, das ein Flüssigmetall oder ein feines Pulver aus wärmeleitfähigem Material dispergiert in einem organischen Material enthält, das bei Raumtemperatur flüssig ist.
Die EP 0 708 582 offenbart ein elektrisch leitfähiges Pastenmaterial, das eine Kombination eines thermoplastischen polymeren Materials und von Kupferpartikeln mit einer elektrisch leitfähigen Beschichtung aus Zinn oder Indium aufweist.
Die US 5,958,590 offenbart eine Paste, die ein Polymermaterial und Kupferdendritpartikel beschichtet mit einer elektrisch leitfähigen Beschichtung aus Indium, die über elektrolytische oder stromlose Plattierung ausgebildet ist, aufweist.
"Materials/Processing Approaches to Phase Stabilization of Thermally Conductive Pastes" von H. R. Anderson et al. beschreibt thermisch leitfähige Pasten, die verwendet werden, um beim Dissipieren von Wärme zu helfen, die während des Schaltens von VLSI-Chips erzeugt wird, indem ein thermischer Übertragungsweg zu einer Wärmesenke ausgebildet wird. Die thermisch leitfähigen Pasten, die auf einfachen Dispersionen von Bornitridpartikeln in Mineralöl von Halbleiterqualität basieren, durchlaufen Phasentrennung, wenn sie thermomechanisch beansprucht werden.
Die Pasten weisen wünschenswerte Eigenschaften von Verarbeitbarkeit und Korrosionsschutz durch eine Kombination von verschiedenen Ansätzen auf, einschließlich der Verwendung von oberflächenmodifizierenden Mitteln, wie beispielsweise Kopplungsmitteln und/oder Polymeren an den Bornitridpartikeln; der Mahlbedingungen; der Auswahl des öligen und oxidationsbeständigen Vehikelmaterialsystems, um mit den modifizierten Partikeloberflächen zu Wechselwirken und gleichzeitig die Korrosion von kontaktierten Metalloberflächen zu verhindern.
Die EP 0 813 244 offenbart ein Schnittstellenmaterial, das aus einem thermisch stabilen Wachsgemisch mit einem thermisch leitfähigen Partikelmaterial besteht.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zum Herstellen von thermisch leitfähigen, elektrisch resistiven, nachgiebigen Kissen nach Anspruch 1 und ein thermisch leitfähiges und elektrisch resistives, mechanisch nachgiebiges Kissenmaterial nach Anspruch 5 bereit. So wie hier beschrieben, wird ein Teilchenmaterial, wie beispielsweise Bornitrid, Aluminiumoxid oder Aluminiumnitrid, zu Anfang getrocknet und danach mit einem Flüssigmetall, typischerweise einem Metall, das bei Raumtemperatur flüssig ist oder bei einer relativ niedrigen Temperatur schmilzt, die typischerweise niedriger als 120°C ist und vorzugsweise unterhalb 60°C liegt, in Kontakt gebracht. Vorzugsweise weist das Flüssigmetall eine Gallium- und/oder Indiumlegierung auf, wie beispielsweise eine Gallium-Indium-Zinn-Zink-Legierung, eine Wismut-Indium-Legierung oder eine Zinn-Indium-Wismut-Legierung. Um die Oberfläche der Teilchen adäquat zu benetzen, wird eine Mischung der trocknen Teilchen und des Flüssigmetalls einer Mischoperation unterworfen, bis die Teilchen gleichmäßig mit dem Flüssigmetall beschichtet sind. Obwohl nicht absolut notwendig, ist es wünschenswert, dass die Bornitridteilchen vor dem Mischen mit der Flüssigmetalllegierung trocken sind. Auf dieser Mischungsstufe erhält man eine thixotrope Paste aus Flüssigmetall und dem Pulver. Man kann die Paste auch als einen großen perkolierenden Cluster ansehen.
Nach der Beschichtungsoperation werden die beschichteten Teilchen mit einer Mischung aus flüssigem polymeren Trägermaterial, wie zum Beispiel flüssigem Silikonöl einer gewünschten oder ausgewählten Viskosität mit Oktyltriethoxysilan gemischt. Es ist bevorzugt, dass die Flüssigmetallteilchen auf oder bis nahe an die Beladungsgrenze in die Silikon-/Silanmischung eingearbeitet werden. Für Flüssigmetall-beschichtetes Bornitrid liegt der Beladungsanteil typischerweise zwischen ungefähr 60% und 65% beschichtete Partikel bezogen auf das Volumen, wobei der Rest Flüssigsilikon-/Oktyltriethoxysilanmischung ist. Bei diesen Volumenfraktionen erhält man einen mechanisch nachgiebigen Verbund, der exzellente thermische Leitfähigkeit aufgrund der hohen Packungsdichte aufweist. Dies verbessert den Wärmeübertrag aufgrund der Erzeugung einer nachgiebigen Schnittstelle zwischen den einander gegenüberliegenden, voneinander beabstandeten Oberflächen der Halbleitervorrichtung und der Wärmesenke.
Beim Herstellen der mechanisch nachgiebigen, hochgradig thermisch leitfähigen Brücken gemäß der vorliegenden Erfindung werden zu Anfang die thermisch leitfähigen Partikel ausgewählt, wobei Bornitrid das bevorzugte Partikelmaterial ist. Teilchen, wie beispielsweise Aluminiumoxid und Aluminiumnitrid sind auch als einsetzbar befunden worden, wenn sie vor dem Kontakt mit dem Flüssigmetall adäquat getrocknet wurden. Für die Anwendung der vorliegenden Erfindung sollte die Partikelgröße so sein, dass die mittlere Querschnittsdicke kleiner als 5 μm ist. Ein Flüssigmetall, vorzugsweise eine niedrig schmelzende Legierung, wird zu den Teilchen zugegeben und mechanisch vermischt, bis die Teilchenoberfläche im Wesentlichen gleichmäßig mit dem Flüssigmetall benetzt ist, und eine uniforme Paste ausgebildet ist. Danach wird eine Flüssigpolymermischung vorzugsweise aus flüssigem oder fluidem Silikonpolymer/Oktyltriethoxysilan zu der Flüssigmetallpaste zugegeben, um eine Arbeitsformulierung auszubilden, die einer mechanischen Mischoperation unterworfen wird, welche typischerweise einen energischen oder Hochgeschwindigkeitsmischschritt umfasst, wobei das energische Mischen fortgesetzt wird, bis eine glatt aussehende Paste ausgebildet ist.
Beim Einarbeiten in die Flüssigsilikon-/Silanmischung ist festgestellt worden, dass die Zugabe der Flüssigmetall-beschichteten Teilchen die Viskosität effektiv reduziert. Der dieser Änderung der Viskosität zugrundeliegende Mechanismus wird auf die Reduzierung des viskosen Widerstands an der Schnittstelle zwischen den "effektiven Partikeln" und dem Silikonöl/Silan zurückgeführt. Die Flüssigmetallbeschichtung erhöht die Rundheit der Form der Partikel und trägt auch zu einer effektiven "Weichheit" der ansonsten harten Partikel bei. Diese zwei Faktoren wirken in einer wechselseitig zusammenarbeitenden Weise, um sowohl die Viskosität als auch den Modul des resultierenden Verbunds zu reduzieren.
Es ist weiterhin herausgefunden worden, dass die Flüssigmetall-beschichteten Teilchen zusätzlich dazu, dass sie wirksam Wärme und/oder thermische Energie übertragen, auch das Flüssigmetall stabilisieren und in einem dreiphasigen Verbund verankern, um makroskopische Migration zu verhindern. Die drei Phasen sind Teilchen-Flüssigmetall-Polymermischung. Durch Erhöhen der Viskosität der Metallphase wird die Neigung der Metalltröpfchen, zu wandern und sich miteinander zu großen Tropfen zu verbinden, die sich makroskopisch separieren und aus dem Verbund auslecken könnten, stark gebremst. Weiterhin ist herausgefunden worden, dass die flüssig beschichteten Teilchen dem resultierenden Verbund einen Bingham-plastischen Charakter vermitteln, was es der Paste erlaubt, in der Abwesenheit von äußeren Belastungen statisch zu verharren, und sich doch anzupassen und/oder leicht zu fließen, wenn sie Belastungen ausgesetzt wird.
Wegen der Neigung, eine makroskopische flüssig-zu-flüssig-Separation zu durchlaufen, mischen sich flüssige Metalle nicht gut mit Polymerflüssigkeiten, einschließlich Silikonen. Gemäß der vorliegenden Erfindung jedoch, wird das mikroskopische Separationsphänomen, wenn Teilchen, insbesondere Bornitrid, anfänglich mit einer Galliumlegierung beschichtet werden, reduziert, wobei das Flüssigmetall aufgrund der erhöhten Thixotropie der Metallphase in Form von beschichteten Teilchen abgestützt oder zurückgehalten wird. Zusätzlich wirken die beschichteten Teilchen, wenn sie zu der Silikon-/Silanmischung zugesetzt werden, effektiv durch Ausbildung thermischer Leitungen innerhalb des Verbunds. In bestimmten Fällen kann die thermische Leitfähigkeit der Teilchen, wie beispielsweise Bornitrid, selbst diejenige des Flüssigmetalls, beispielsweise einer eutektischen Legierung aus Gallium, Zinn und Indium, überschreiten.
Es ist ein weiteres Merkmal der Erfindung, dass der Verbund zusätzlich zu seinen thermischen Eigenschaften auch wünschenswerte elektrische Eigenschaften aufweist. Von Formulierungen mit optimalen technischen Eigenschaften ist herausgefunden worden, dass sie einen elektrischen Volumenwiderstand im Bereich von 10⁸ bis 10¹² Ω·cm aufweisen.
Kurz gesagt schließt die Technik der vorliegenden Erfindung die Schritte des anfänglichen Selektierens eines Partikelmaterials für die Anwendung ein. Bornitridpartikel sind besonders wünschenswert, wobei solche Partikel mit einer BET-Oberfläche von 0,3 m²/g als besonders nützlich befunden wurden. Bornitrid ist typischerweise in Form von anisotropen Plättchen- artigen Partikeln konfiguriert, wobei der Plättchendurchmesser von ungefähr 5–50 μm reicht und die Plättchendicke ungefähr 2–3 μm beträgt. Der nächste Schritt ist es, die Teilchen zu beschichten. Wenn sie mit Flüssigmetall beschichtet werden, weisen die Partikel ein Flüssigmetall-/Bornitridvolumenverhältnis im Bereich von 4:1 bis 1:1 auf. Beschichten wird durch mechanisches Mischen erreicht, wie zuvor festgestellt wurde. Diesem folgt die Zugabe der geeigneten Menge an gemischtem flüssigen oder fluiden Silikon und Oktyltriethoxysilan zu den beschichteten Partikeln, wobei dieser Zugabe Hochgeschwindigkeitsmischung folgt, bis eine glatt aussehende Paste erhalten wird.
Wie oben angegeben sind, während Bornitrid das bevorzugte Partikelmaterial ist, günstige Resultate durch die Verwendung von Aluminiumoxid erreicht worden, wobei das Aluminiumoxid typischerweise eine Vorbehandlung erfordert, die vollständiges Trocknen der Partikel einschließt. Andere Partikel, wie beispielsweise Aluminiumnitrid, können nach vollständigem Trocknen ebenfalls Flüssigmetallpasten ausbilden.
Es ist deshalb ein primärer Gegenstand der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Teilchenmaterial bereitzustellen, das zusätzlich dazu, dass es hochgradig thermisch leitfähig ist, dahingehend wirkt, dass es das Flüssigmetall in einem Dreiphasenverbund verankert und stabilisiert.
Es ist ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Herstellen einer thermisch leitfähigen Brücke zwischen den einander gegenüberliegenden Oberflächen einer Wärme erzeugenden Halbleitervorrichtung und einer Wärme dissipierenden Oberfläche herzustellen, wobei die thermisch leitfähige Brücke einen Dreiphasenverbund aufweist, der aus anorganischen Teilchen-Flüssigmetall-Flüssigsilikonpolymer-/Oktyltriethoxysilanmischung besteht.
Andere und weitere Gegenstände der vorliegenden Erfindung werden den Fachleuten beim Studium der folgenden Beschreibung, der angehängten Patentansprüche und der beigefügten Zeichnungen deutlich werden.
IN DEN ZEICHNUNGEN
1 ist eine zeichnerische oder demonstrative Darstellung von verbessertem Kontakt zwischen mit flüssigem Metall beschichteten Teilchen (BN). Es ist klar, dass die Oberflächenbenetzung der Teilchen eine signifikante Reduzierung des Oberflächenwiderstands zwischen benachbarten Partikeln bereitstellt;
2 ist eine demonstrative Skizze, die die Antwort der Polymermatrix befüllt mit Teilchen durch Erzeugen von Clustern auf einer Skala großer Länge und weiterhin die wünschenswerte Antwort des Verbunds illustriert, wenn der Volumenanteil der Flüssigmetall-beschichteten Partikel nahe der Beladungsgrenze für sphärische Partikel liegt, wobei diese Skizze das Merkmal von hoher Konzentration illustriert, um thermische Perkolation nahe an dem kritischen Beladungsanteil zu erreichen;
3 ist eine demonstrative Skizze ähnlich 2, die die Reduzierung des Streckungsverhältnisses unter Verwendung von Flüssigmetallbeschichtung illustriert, insbesondere bei der Plättchenkonfiguration von BN-Partikeln;
4 illustriert das Merkmal des Verwendens einer weichen flüssigen Galliumlegierung als Beschichtung für Partikel, um viskose Dissipation zu reduzieren;
5 ist ein Schaubild von Aggregation und Trennung von diskreten Tropfen aus flüssigem Galliummetall, um die Resultate der vorliegenden Erfindung zu erreichen;
6 ist ein Flussdiagramm, das die Schritte illustriert, die bei der Herstellung der nachgiebigen Kissen der vorliegenden Erfindung unternommen werden;
7 ist eine Illustration eines typischen Halbleiters montiert auf einer abstehenden Wärmesenke, wobei das nachgiebige Kissen, das gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt ist, zwischen einander gegenüberliegenden Oberflächen der Halbleitervorrichtung und der Wärmesenke vorgesehen ist; und
8 ist eine Leistungskurve der thermischen Impedanz über Stunden der Aussetzung gegenüber einer besonders feuchten Umgebung.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Um die bevorzugten Ausführungsformen zu beschreiben, werden die folgenden Beispiele gegeben: BEISPIEL I

Legierung Schmelzpunkt (°C) Gallium (%) Indium (%) Zinn (%) Wismut (%) Zink (%)

1 7 61 25 13 0 1
Das ausgewählte Partikelmaterial war Bornitrid, wobei die Partikel die normale Plättchen-artige Konfiguration aufwiesen und im Mittel einen Durchmesser von 40 μm und eine Querschnittsdicke von 2 μm hatten. Die Partikel werden einfach mit Galliumlegierung benetzt. Als es mit flüssiger Galliumlegierung benetzt wurde, bildete das BN-Pulver keine harten Aggregate, sondern bildete eine thixotrope Paste aus. Diese Konfiguration ist insofern wünschenswert, als dass BN eine hohe thermische Leitfähigkeit in der Richtung seiner Haupterstreckungsebene hat, wobei die Leitfähigkeit durch Flüssigmetallbrücken wesentlich verbessert wird. BN weist eine spezifische Dichte von 2,25 und eine thermische Leitfähigkeit (in der Haupterstreckungsebene) von 350 W/m·K auf (die über alle Orientierung gemittelte thermische Leitfähigkeit wird mit ungefähr 60 W/m·K berichtet). Die gewählte Polymermatrix war eine Mischung von Silikonöl mit Oktyltriethoxysilan, wobei die Silikonölkomponente eine kinematische Viskosität von 1 cm²/s (100 Centistokes), ein spezifisches Gewicht von 0,86 und eine thermische Leitfähigkeit von 0,15 W/mK hat. Das Metall hat eine spezifische Dichte von 6,5 und eine thermische Leitfähigkeit von 20 W/m·K.

Die anisotropen BN-Plättchenpartikel wurden zu Anfang mit der flüssigen Galliumlegierung beschichtet. Die Volumenverhältnisse von flüssigem Metall zu BN wurden aus drei unterschiedlichen Bereichen ausgewählt, wie sie in der unten stehenden Tabelle I dargelegt sind: TABELLE I

Formulierung:
	1		2		3
Material	Gewichtsanteile	Volumenprozent	Gewichtsanteile	Volumenprozent	Gewichtsanteile	Volumenprozent
BN (40 μm)	100	14	0	0	0	0
BN (10 μm)	0	0	100	14	100	15
[flüssiges Gallium] Legierung 1 [von Beispiel I]	1000	49	1000	49	800	43
Silikonöl	90	33,5	90	33,5	90	38
Oktyltriethoxysilan	10	3,5	10	3,5	10	4

Die Beschichtung wurde durch mechanisches Mischen des BN-Pulvers mit der flüssigen Galliumlegierung von Beispiel I bewirkt, und dies kann entweder per Hand oder in einem Hochgeschwindigkeitsmischer erreicht werden. Dem Mischen folgte die Zugabe der adäquaten Menge der Silikonöl-/Oktyltriethoxysilanmischung, gefolgt von Hochgeschwindigkeitsmischen bis eine glatt aussehende Paste erhalten wurde.
Die Mischprozedur stabilisiert den Verbund. Die Oberflächenspannung der Silikonöl-/Silanmischung beträgt ungefähr 20 mN/m, während sie für das flüssige Metall in der Größenordnung von 400–500 mN/m liegt. Dies bedeutet, dass der Spreitungskoeffizient oder die Fähigkeit von Silikonöl-/Silanmischung, die Oberfläche zu benetzen, viel größer ist als derjenige eines Flüssigmetalls. So werden die BN-Teilchen vor Kontakt mit der Silikonöl-/Silanmischung mit dem Flüssigmetall beschichtet, um die gehörige und wünschenswerte Benetzung zu erreichen. Konkret liegen die folgenden Vorteile vor:

1. Das Material bildet flüssige Brücken aus; und
2. Es gibt eine signifikante Reduktion bei der Menge an makroskopischer Trennung des Flüssigmetalls aufgrund der Anwesenheit des hydrophoben alkylfunktionalen Silans in der Mischung.

Tests haben darauf hingewiesen, dass dann, wenn alle Materialien der Formulierung zusammengemischt werden, ohne den aufeinanderfolgenden Schritten der vorliegenden Erfindung zu folgen, das Pulver nicht richtig mit dem Flüssigmetall benetzt wird. Die Abfolge der Mischschritte ist der Schlüssel dazu, bei der vorliegenden Erfindung die stabilen, thermisch leitfähigen Verbunde erfolgreich herzustellen. BEISPIEL II

Legierung Schmelzpunkt (°C) Gallium (%) Indium (%) Zinn (%) Wismut (%) Zink (%)

2 60 0 51 16,5 32,5 0
Das ausgewählte Teilchenmaterial war Aluminiumoxid, Teilchen von Kugelsymmetrie mit einem Durchmesser von 3 μm und einer BET-Oberfläche von 2 m²/g. Das Aluminiumoxid und die Legierung wurden beide auf 100°C erwärmt (über den Schmelzpunkt der Legierung 2) und gemischt. Wenn mit der flüssigen Legierung beschichtet, bildete das Aluminiumoxid eine glatte thixotrope Paste aus. Aluminiumoxid hat eine spezifische Dichte von 3,75 und eine thermische Leitfähigkeit von 25 W/m·K. Die ausgewählte Polymermatrix war eine Mischung aus Silikonöl und Oktyltriethoxysilan, wobei die Silikonölkomponente eine kinematische Viskosität von 1 cm²/s (100 Centistokes), eine spezifische Dichte von (0,86) und eine thermische Leitfähigkeit von 0,15 W/m·K aufweist. Das Flüssigmetall hat eine spezifische Dichte von 7,88 und eine thermische Leitfähigkeit von 25 W/m·K.

Die Aluminiumpartikel wurden zu Anfang mit der Flüssigmetalllegierung beschichtet. Die Volumenverhältnisse Metall zu Aluminiumoxid wurden aus drei unterschiedlichen Bereichen ausgewählt, wie sie in der unten stehenden Tabelle II dargelegt sind: TABELLE II

Formulierung:
	1		2		3
Material	Gewichtsanteile	Volumenprozent	Gewichtsanteile	Volumenprozent	Gewichtsanteile	Volumenprozent
Aluminiumoxid (3 μm)	160	15	220	20	375	30
Legierung 2	1050	45	900	40	800	30
Silikonöl	90	36	90	36	90	36
Oktyltriethoxysilan	10	4	10	4	10	4

Die Beschichtung wurde durch mechanisches Mischen des Aluminiumoxidpulvers mit der Flüssiglegierung von Beispiel II bewirkt, und dies kann entweder per Hand oder in einem Hochgeschwindigkeitsmischer erreicht werden. Dem Mischen folgt Zugabe der zugehörigen Menge der Silikonöl-/Silanmischung gefolgt von Hochgeschwindigkeitsmischen bis eine glatt aussehende Paste erhalten wurde. BEISPIEL III

Legierung Schmelzpunkt (°C) Gallium (%) Indium (%) Zinn (%) Wismut (%) Zink (%)

1 7 61 25 13 0 1
Das ausgewählte Teilchenmaterial war das Aluminiumoxid von Beispiel II. Wenn mit der flüssigen Galliumlegierung beschichtet, bildete das Aluminiumoxid eine glatte thixotrope Paste aus. Die gewählte Polymermatrix war ein Silikonöl/Oktyltriethoxysilan, wobei das Silikonöl eine kinematische Viskosität von 1 cm²/s (100 Centistokes), eine spezifische Dichte von 0,86 und eine thermische Leitfähigkeit von 0,15 W/m·K aufweist. Das Flüssigmetall hat eine spezifische Dichte von 6,5 und eine thermische Leitfähigkeit von 20 W/m·K.

Die Aluminiumoxidpartikel wurden zu Anfang mit der flüssigen Galliumlegierung beschichtet. Die Volumenverhältnisse von Flüssigmetall zu Aluminiumoxid wurden aus drei unterschiedlichen Bereichen ausgewählt, wie sie in der unten stehenden Tabelle III dargelegt sind: TABELLE III

Formulierung:
	1		2		3
Material	Gewichtsanteile	Volumenprozent	Gewichtsanteile	Volumenprozent	Gewichtsanteile	Volumenprozent
Aluminiumoxid (3 μm)	100	8	150	13	200	18
Legierung 1	1100	55	1000	50	900	45
Silikonöl	90	33,5	90	33,5	90	33,5
Oktyltriethoxysilan	10	3,5	10	3,5	10	3,5

Das Beschichten wurde durch mechanisches Mischen des Aluminiumoxidpulvers mit der flüssigen Galliumlegierung von Beispiel I bewirkt, und dies kann entweder per Hand oder in einem Hochgeschwindigkeitsmischer erreicht werden. Dem Mischen folgte Zugabe der zugehörigen Menge an Silikonöl gefolgt von Hochgeschwindigkeitsmischen bis eine glatt aussehende Paste erhalten wurde.
TESTRESULTATE
Die Formulierung 1 (Tabelle I) wurde auf thermische Leitfähigkeit getestet. Das ASTM D5470 Verfahren ergab eine thermische Leitfähigkeit von 8,0 W/m·K. Testen der geordneten thermischen Impedanz gegen Materialien von Industriestandard wurde ebenfalls durchgeführt. Eines von diesen ist eine generische thermische Schnittstellenverbindung von Dow Corning (DC-340 Thermal Grease), und eine andere ist eine Hochleistungsverbindung hergestellt von Shin-Etsu Corporation (G-749 Thermal Grease). Diese Formulierung demonstrierte verbesserte Stabilität, als sie einer feuchten Umgebung ausgesetzt wurde, wie durch den Vergleich der Impedanz/Aussetzung gegenüber feuchter Umgebung-Kurven von 8 demonstriert wird. Wie illustriert bleibt die Antwortkurve für die Oktyltriethoxysilan umfassende Formulierung relativ stabil, wenn sie der Formulierung gegenübergestellt wird, die kein Silan umfasst.
EIGENSCHAFTEN VON FLÜSSIGMETALL-BESCHICHTETEN TEILCHEN
Wie in den Zeichnungen illustriert ist, illustriert 1 die Weise, in der verbesserter Kontakt zwischen einzelnen beschichteten Teilchen, insbesondere BN beschichtet mit einer flüssigen Galliumlegierung, erreicht wird. Die Oberflächencharakteristika oder -eigenschaften des Verbunds verbessern den Kontakt durch die Bildung von flüssigen Brücken. Diese Skizze demonstriert, dass das Merkmal der Oberflächenbenetzung der Teilchen eine signifikante Reduktion bei dem Oberflächenwiderstand bereitstellt, dem normalerweise zwischen benachbarten Partikeln begegnet wird. Das Flüssigmetall wird durch die Zugabe des Oktyltriethoxysilans zu der Silikonölkomponente stabilisiert.
2 illustriert, dass das Merkmal der verbesserten Perkolation aus dem nahezu kritischen Beladungsanteil resultiert. Der Kontakt Oberfläche zu Oberfläche, wie er in dem linken Teil von 2 gezeigt ist, wird gefördert, wenn ein nahezu kritischer Beladungsanteil durch höhere Konzentrationen erreicht wird.
Es ist das Ziel von 3, die Reduzierung bei dem Längenverhältnis zu demonstrieren, die mit Flüssigmetallbeschichtung der Partikel erreicht wird. Da Bornitrid eine anisotrope Plättchenstruktur aufweist, wird seine Leistung in Anwendungen, die durch die vorliegende Erfindung in Betracht gezogen werden, verbessert. Durch die Flüssigmetallbeschichtung wird die Konfiguration der "effektiven Partikel" mehr ellipsenförmig.
Es ist das Ziel von 4, das vorteilhafte Merkmal der vorliegenden Erfindung zu demonstrieren, die einzelnen Partikel zu beschichten und dadurch die viskose Dissipation zu reduzieren. Verbesserte Gesamtleistung kann erwartet werden und wird dementsprechend erreicht.
6 ist ein Flussdiagramm der Schritte, die beim Erzeugen von nachgiebigen Kissen gemäß der vorliegenden Erfindung ausgeführt werden. Wie angegeben und von dem Flussdiagramm deutlich wird, werden die Teilchen und die Legierung gemischt, bis die Oberflächen der Teilchen vollständig benetzt sind, und danach wird eine Pastenformulierung durch Zugabe eines flüssigen Polymers hergestellt.
7 wird bereitgestellt, um die Verwendung des nachgiebigen Kissens der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit einer Wärme erzeugenden Halbleitervorrichtung von konventioneller Konfiguration zu demonstrieren. Entsprechend umfasst die in 7 gezeigte Anordnung 10 eine Wärme erzeugende Halbleitervorrichtung oder -packung, die bei 11 dargestellt ist und eine Wärmesenke, einen Wärmeverteiler oder ein anderes Wärme dissipierendes Element aufweist, das bei 12 illustriert ist. Zwischen den einander gegenüberliegenden Oberflächen der Halbleitervorrichtung 11 und dem Wärme dissipierenden Element 12 ist ein mechanisch nachgiebiges Kissen 13 angeordnet, das gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt ist.
8 stellt einen Vergleich bereit, um die verbesserte Stabilität zu demonstrieren, die durch die Zugabe von Oktyltriethoxysilan erreicht wird. Wie angegeben wird die Leistung zwischen der Formulierung von Tabelle I in der Anwesenheit und Abwesenheit von Oktyltriethoxysilan verglichen. Die Daten sind bei einer Aussetzung gegenüber einer Umgebung von 85°C und 85% relativer Luftfeuchtigkeit aufgenommen.
ALLGEMEINER KOMMENTAR
Wie zuvor angedeutet können die BN- oder Aluminiumoxidpartikel in der Größe von bis zu ungefähr 1 μm Durchmesser und von bis zu ungefähr 40 μm Querschnittsdicke reichen. Es wird beobachtet werden, dass die plättchenartige Konfiguration von Bornitrid im Besonderen eine hochwünschenswerte Kombination bereitstellt, wenn sie mit Flüssigmetall benetzt ist, wobei der effektive Partikel in 3 der Zeichnungen illustriert ist. Die Viskositätssteuerung wird durch dieses Merkmal unterstützt.
Die als Komponente in den Beispielen verwendeten Silikonöle sind typische flüssige Silikone, typischerweise VEB 100 (Sivento Inc., zuvor Huls America), wobei diese Materialien selbstverständlich kommerziell erhältlich sind.
Silikonöle mit Viskositäten bis zu ungefähr 10 cm²/s (1000 Centistokes) können mit zufriedenstellenden Ergebnissen verwendet werden. Die Anwesenheit des Silans modifiziert die Viskosität leicht, wodurch eine Ölzusammensetzung mit leicht reduzierten Viskositäten hergestellt wird.
Ein ungewöhnliches Merkmal der vorliegenden Erfindung war der elektrische Widerstand. Als Formulierung 1 in ein Kissen zwischen einander gegenüberliegenden Oberflächen eines Halbleiters und einer Wärmesenke geformt wurde, wurde der Widerstand als hochgradig signifikant befunden, wobei er einen Wert von bis zu ungefähr 10¹² Ω·cm aufweist (Formulierung 1, Tabelle I).

Claims

Verfahren zum Herstellen von thermisch leitfähigen, elektrisch resistiven, mechanisch nachgiebigen Kissen, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: (a) Herstellen einer Mischung aus: (1) einer Flüssigmetalllegierung mit einer Komponente, die aus der Gruppe ausgewählt ist, welche aus Gallium und Indium besteht, und die sich bei Temperaturen unterhalb 120°C im flüssigen Zustand befindet; und (2) einem thermisch leitfähigen Partikelfeststoff, der aus der Gruppe ausgewählt ist, welche aus Bornitrid, Aluminiumnitrid und Aluminiumoxid besteht; (b) Mechanisches Mischen der Mischung, um dafür zu sorgen, dass die Oberflächen der thermisch leitfähigen Partikel mit der flüssigen Metalllegierung benetzt werden, um eine homogene Paste auszubilden, wobei die flüssige Metalllegierung die einzelnen Partikel, die den thermisch leitfähigen Partikelfeststoff ausbilden, einkapselt; und (c) Kombinieren der Paste mit einer Menge an fließfähigem Kunstharzmaterial, das im Wesentlichen aus einer Mischung von Silikonöl mit einem alkylfunktionalem Silan besteht, um eine thermisch leitfähige elektrisch resistive Masse auszubilden, die zwischen ungefähr 10 und 90 Volumenprozent der Paste und im Rest fließfähiges Kunstharz aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das fließfähige Kunstharzmaterialgemisch zwischen etwa 70% und 95% Silikonöl und im Rest Oktyltriethoxysilan aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Partikel, die den thermisch leitfähigen Partikelfeststoff ausmachen, einen Durchmesser von zwischen etwa 1 μm und 40 μm aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 1, insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigmetalllegierung bei Temperaturen unterhalb 60°C in flüssigem Zustand ist.
Thermisch leitfähiges und elektrisch resistives, mechanisch nachgiebiges Kissenmaterial, das eine thermisch leitfähige und elektrisch resistive Masse aufweist, wobei die thermisch leitfähige Masse eine Mischung aufweist aus: (a) einer homogenen Paste eines thermisch leitfähigen Partikelfeststoffs und einer Flüssigmetalllegierung; und (b) einem fließfähigen Kunstharzmaterial, das aus einer Mischung von Silikonöl mit einem alkylfunktionalen Silan besteht, wobei das thermisch leitfähige Feststoffmaterial aus der Gruppe ausgebildet ist, die aus Bornitrid, Aluminiumnitrid und Aluminiumoxyd besteht, wobei die Flüssigmetalllegierung eine Komponente aufweist, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Gallium und Indium besteht, wobei die Flüssigmetalllegierung bei Temperaturen unterhalb 120°C im flüssigen Zustand ist, wobei Oberflächen des thermisch leitfähigen Partikelfeststoffs mit der Flüssigmetalllegierung benetzt sind, wobei die Flüssigmetalllegierung einzelne Partikel, die den thermisch leitfähigen Partikelfeststoff ausbilden, einkapselt, wobei die thermisch leitfähige Masse zwischen 10 und 90 Vol-% der homogenen Paste und im Rest fließfähiges Kunstharz aufweist.
Kissenmaterial nach Anspruch 5, wobei das fließfähige Kunstharzmaterial zwischen 70% und 95% Silikonöl und im Rest Oktyltriethoxysilan aufweist.
Kissenmaterial nach Anspruch 5, wobei die Partikel, die den Partikelfeststoff ausbilden, einen Durchmesser zwischen 1 μm und 40 μm aufweisen.
Kissenmaterial nach Anspruch 5, wobei die Flüssigmetalllegierung bei Temperaturen unterhalb 60°C in einem flüssigen Zustand ist.