DE60132943T2

DE60132943T2 - Herstellung thermisch leitender Stoffe durch flüssigmetallüberbrückte Teilchengruppen

Info

Publication number: DE60132943T2
Application number: DE60132943T
Authority: DE
Inventors: Sanjay Shoreview Misra; Richard M. Mahtomedi Olson
Original assignee: Bergquist Co Inc
Current assignee: Bergquist Co Inc
Priority date: 2000-04-05
Filing date: 2001-03-30
Publication date: 2009-02-26
Anticipated expiration: 2021-03-31
Also published as: TW591776B; EP1143512A3; ATE387722T1; US6624224B1; EP1143512A2; US6339120B1; GR20010300073T1; JP2001329068A; ES2163380T1; DE60132125T2; TR200103156T3; EP1143512B1; DE1143512T1; USRE39992E1; DE60132125D1; DE60132943D1; CA2343504A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Verfahren zum Herstellen thermisch leitfähiger, mechanisch nachgiebiger Verbunde, um den Wärmeübertrag von einer Wärme erzeugenden Halbleitervorrichtung auf einen Wärmedissipator, wie beispielsweise eine Wärmesenke oder einen Wärmeverteiler, zu verbessern. Spezieller bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Technik zum Herstellen von hochgradig thermisch leitfähigen Polymerverbunden, wie beispielsweise polymerer Flüssigkeit beladen oder befüllt mit perkolierenden Partikelclustern, die mit einem Flüssigmetall beschichtet sind. Solche Verbunde sind aufgrund der Flüssigmetall-geförderten Perkolation hochgradig effektiv. Genauer bezieht die vorliegende Erfindung einen Prozess zum gleichmäßigen Beschichten von Partikelfeststoffen mit einem flüssigen Metall und anschließendes Mischen der beschichteten Partikel mit einem flüssigen oder fluiden Polymer ein, um das nachgiebige Kissen mit thermischen Leitungswegen darin auszubilden.
In der Vergangenheit sind Flüssigmetalle zum Einschluss in thermisch leitfähige Pasten für Wärme erzeugende Halbleitereinrichtungen vorgeschlagen worden. In den meisten Fällen wurde die Flüssigmetallanwendung für diesen Zweck nicht umfangreich eingesetzt, primär wegen Problemen, die durch die Neigung des Flüssigmetalls hervorgerufen werden, Legierungen und/oder Amalgame zu bilden, wodurch die physikalischen Eigenschaften des Flüssigmetall enthaltenden Montagekissens geändert und modifiziert werden. Zusätzlich sind die hochgradig thermisch leitfähigen Pasten des Stands der Technik immer elektrisch leitfähig, was bei bestimmten Anwendungen und in bestimmten Situationen nicht wünschenswert sein mag. Unter bestimmten anderen Umständen wurden Flüssigmetalle und/oder Legierungen von Flüssigmetallen mit einem Polymer gemischt, wobei das Polymer danach ausgehärtet wurde, um ein thermisch leitfähiges Montageverbundkissen bereitzustellen. Obwohl nützlich fanden diese Vorrichtungen keine weit verbreitete Anwendung, primär wegen der Instabilität der Flüssigmetallkomponente bei dem fertiggestellten Produkt. Diese Instabilität beruht auf der extrem hohen Oberflächenspannung sowie anderen chemischen und physikalischen Eigenschaften der Flüssigmetallkomponente. Zum Beispiel hatten die dispergierten Flüssigmetall tröpfchen eine Neigung, sich zu vereinigen, ein Prozess von Ostwald-Reifung, und eine makroskopische Trennung des Metalls von der Polymermatrix zu verursachen.
Die vorliegende Erfindung verwendet die Kombination von Flüssigmetall-beschichteten Partikeln mit einem Polymerträger, um eine Wärmebrücke mit hochgradig wünschenswerten thermischen und elektrischen Eigenschaften herzustellen, die geeignet ist, konfiguriert zu werden, um zwischen einer Halbleitervorrichtung und einem Wärmedissipator angeordnet zu werden. Das Herstellungsverfahren, das in der Erfindung beschrieben ist, hält die Verbindungen auch hinsichtlich makroskopischer Phasentrennung hochgradig stabil. Zusätzlich macht das Herstellungsverfahren die Ausbildung von großen perkolierenden Clustern aus Flüssigmetall-beschichteten Partikeln möglich, die den Wärmeübertrag fördern. Die Kombination besitzt auch wünschenswerte mechanische Eigenschaften, die ihre Verwendung in Herstellungsoperationen erleichtert.
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, welches 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 aufweist, die mit einer elektrisch leitfähigen Beschichtung aus Indium beschichtet sind, welche durch elektrolytisches oder stromloses Plattieren ausgebildet ist.
Die EP 0 813 244 offenbart ein Schnittstellenmaterial bestehend aus einem thermisch stabilen Wachs, das mit thermisch leitfähigem Partikelmaterial gemischt ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zum Herstellen thermisch leitfähiger, elektrisch resistiver, mechanisch nachgiebiger Kissen wie in Patentanspruch 1 definiert und ein thermisch leitfähiges und elektrisch resistives mechanisch nachgiebiges Kissenmaterial wie in Patentanspruch 6 definiert bereit. Wie hier beschrieben, werden Partikel, wie beispielsweise Bornitrid, Aluminiumoxyd oder Aluminiumnitrid, anfänglich getrocknet und danach in Kontakt mit einem Flüssigmetall gebracht, typischerweise einem Metall, das bei Raumtemperatur flüssig ist oder bei einer relativ niedrigen Temperatur, typischerweise unter 120°C und vorzugsweise unter 60°C schmilzt. Vorzugsweise weist das Flüssigmetall eine Legierung aus Gallium und/oder Indium, wie beispielsweise eine Gallium-Indium-Zinn-Zink-Legierung, eine Wismut-Indium-Legierung oder eine Zinn-Indium-Wismut-Legierung, auf. Um die Oberflächen der Partikel adäquat zu benetzen, wird eine Mischung aus getrockneten Partikeln und Flüssigmetall einer Mischoperation unterworfen, bis die Partikel gleichmäßig mit dem Flüssigmetall beschichtet sind. Während es nicht absolut notwendig ist, ist es wünschenswert, dass die Bornitridpartikel vor dem Mischen mit der Flüssigmetalllegierung trocken sind. Auf dieser Stufe des Mischens erhält man eine thixotrope Paste aus Flüssigmetall und dem Pulver. Man kann sich die Paste auch als einen großen perkolierenden Cluster vorstellen.
Nach der Beschichtungsoperation werden die beschichteten Partikel mit einem flüssigen Polymerträgermaterial vermischt, so wie z. B. mit flüssigem Silikonöl einer gewünschten oder ausgewählten Viskosität. Es ist bevorzugt, dass die Flüssigmetallpartikel bis auf oder nahe an die Bepackungsgrenze in die Silikonmischung eingearbeitet werden. Für Flüssigmetall-beschichtetes Bornitrid liegt der Bepackungsanteil typischerweise zwischen ungefähr 60 und 65 Volumenprozent beschichteter Partikel, wobei der Rest flüssiges Silikon ist. Bei diesen Volumenanteilen erhält man einen mechanisch nachgiebigen Verbund, der exzellente thermische Leitfähigkeit aufgrund der hohen Bepackungsdichte 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 die thermisch leitfähigen Partikel anfänglich ausgewählt, wobei Bornitrid die bevorzugten Partikel sind. Materialien, wie beispielsweise Aluminiumoxyd (Tonerde) und Aluminiumnitrid sind auch als nützlich befunden worden, wenn sie vor dem Kontakt mit dem Flüssigmetall ordentlich getrocknet werden. Für die Anwendung der vorliegenden Erfindung sollte die Partikelgröße so sein, dass die mittlere Querschnittsdicke weniger als ungefähr 5 μm beträgt. Ein Flüssigmetall, vorzugsweise eine niedrig schmelzende Legierung, wird zu den Partikeln zugegeben und mechanisch durchmischt, bis die Partikeloberfläche im Wesentlichen gleichmäßig mit dem Flüssigmetall benetzt und eine gleichmäßige Paste ausgebildet ist. Danach wird ein flüssiges Polymer, vorzugsweise ein flüssiges oder fluides Silikonpolymer zu der Flüssigmetallpaste zugegeben, um eine Mischung auszubilden, wobei diese Mischung einer mechanischen Durchmischungsoperation unterworfen wird, die typischerweise einen energischen oder Hochgeschwindigkeitsmischschritt umfasst, wobei das energische Mischen fortgesetzt wird, bis eine optisch glatte Paste ausgebildet ist.
Wenn sie in flüssiges Silikon eingearbeitet werden, ist herausgefunden worden, dass die Zugabe der Flüssigmetall-beschichteten Partikel die Viskosität effektiv reduziert. Von dem Mechanismus, der in diese Änderung der Viskosität verwickelt ist, wird angenommen, dass er auf die Reduzierung von viskosem Widerstand an der Schnittstelle zwischen dem "effektiven Partikel" und dem Silikonöl zurückzuführen ist. Die Flüssigmetallbeschichtung erhöht die Rundheit der Konfiguration der Partikel und trägt auch zu einer effektiven "Weichheit" der ansonsten harten Partikel bei. Diese zwei Faktoren arbeiten in einer wechselseitig kooperativen Weise, um sowohl die Viskosität als auch die Module des resultierenden Verbunds zu reduzieren.
Es ist weiterhin herausgefunden worden, dass die Flüssigmetall-beschichteten Partikel zusätzlich dazu, dass sie wirksam Wärme und/oder thermische Energie übertragen, auch das Flüssigmetall in einem Dreiphasenverbund verankern, um makroskopische Migration zu verhindern. Die drei Phasen sind Partikel-Flüssigmetall-Polymer. Durch Erhöhen der Viskosität der Metallphase wird die Neigung der Metalltröpfen zu wandern und sich zu großen Tropfen zu verbinden, die sich makroskopisch separieren und aus dem Verbund auslecken könnten, massiv verzögert. Weiterhin ist herausgefunden worden, dass die flüssig beschichteten Partikel in dem resultierenden Verbund einen Bingham-plastischen Charakter bereitstellen, was es der Paste erlaubt, in der Abwesenheit von externen Spannungen statisch zu verharren und sich doch anzupassen und/oder leicht zu fließen, wenn sie Spannungen 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, wird das mikroskopische Separationsphänomen, wenn Partikel, insbesondere Bornitrid, anfänglich mit einer Galliumlegierung beschichtet werden, jedoch reduziert, wobei das Flüssigmetall aufgrund der erhöhten Thixotropie der Metallphase in Form von beschichteten Partikeln abgestützt oder zurückgehalten wird. Zusätzlich wirken die beschichteten Partikel, wenn sie zu der Silikon-/Silanmischung zugesetzt werden, effektiv durch Ausbildung thermischer Leitungen innerhalb des Verbunds. In bestimmten Fällen kann die thermische Leitfähigkeit der Partikel, wie beispielsweise Bornitrid, selbst diejenige des Flüssigmetalls, beispielsweise einer eutektischen Legierung aus Gallium, Zinn und Indium, übersteigen.
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 plättchenartigen 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 Partikel 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 flüssigem oder fluidem Silikon zu den beschichteten Partikeln, wobei dieser Zugabe Mischen mit Hochgeschwindigkeit 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 Partikelmaterial 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 Partikeln-Flüssigmetall-flüssigem Silikonpolymer 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 Partikeln (BN). Es ist klar, dass die Oberflächenbenetzung der Partikel eine signifikante Reduzierung des Oberflächenwiderstands zwischen benachbarten Partikeln bereitstellt;
2 ist eine demonstrative Skizze, die die Antwort der Polymermatrix befüllt mit Partikeln 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 Bepackungsgrenze für sphärische Partikel liegt, wobei diese Skizze das Merkmal hoher Konzentration illustriert, um thermische Perkolation nahe an dem kritischen Bepackungsanteil 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 Tröpfchen aus flüssigem Galliummetall, um die Resultate der vorliegenden Erfindung zu erreichen;
6 ist eine fotografische Gefügeaufnahme bei hundertfacher Vergrößerung, die die Merkmale der vorliegenden Erfindung illustriert, wobei die vorliegende flüssige Galliumlegierung Brücken in einer Silikonölmatrix Platz bietet;
7 illustriert zeichnerisch die Merkmale der Testausrüstung, die beim Messen der thermischen Leistungsfähigkeit von Vorrichtungen der vorliegenden Erfindung verwendet wurden;
8 ist ein Flussdiagramm, das die Schritte illustriert, die bei der Herstellung der nachgiebigen Kissen der vorliegenden Erfindung unternommen werden;
9 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.
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 100 Centistokes (1 cm²/s), 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	Volumen-Prozent	Gewichtsanteile	Volumen-Prozent	Gewichtsanteile	Volumen-Prozent
BN (40 μm)	100	14	0	0	0	0
BN (10 μm)	0	0	100	14	100	15
[flüssiges Gallium] Legierung 1 [aus Beispiel I]	1000	49	1000	49	800	43
Silikonöl	90	33,5	90	33,5	90	38

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 des Silikonöls, 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, die Oberfläche zu benetzen, viel größer ist als derjenige eines Flüssigmetalls. So werden die BN-Partikel vor Kontakt mit dem Silikonöl 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.

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 Partikelmaterial war Aluminiumoxid oder Tonerde, Partikel 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. Das Aluminiumoxid hat eine spezifische Dichte von 3,75 und eine thermische Leitfähigkeit von 25 W/m·K. Die ausgewählte Polymermatrix war ein Silikonöl mit einer kinematischen Viskosität von 100 Centistokes (1 cm²/s), einer spezifischen Dichte von (0,86) und einer thermischen Leitfähigkeit von 0,15 W/m·K. 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	Gewichts-Anteile	Volumen-Prozent	Gewichts-Anteile	Volumen-Prozent	Gewichts-Anteile	Volumen-Prozent
Aluminiumoxid (3 μm)	160	15	220	20	375	30
Legierung 2	1050	45	900	40	800	30
Silikonöl	90	36	90	36	90	36

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 des Silikonöls, 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 Partikelmaterial 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 mit einer kinematischen Viskosität von 100 Centistokes (1 cm²/s), einer spezifischen Dichte von 0,86 und einer thermischen Leitfähigkeit von 0,15 W/m·K. 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	Volumen-Prozent	Gewichtsanteile	Volumen-Prozent	Gewichtsanteile	Volumen-Prozent
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

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. Kontrolliertes 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). Auch getestet wurde das Galliumflüssigmetall aus Beispiel I. Der Test der thermischen Impedanz ist schematisch in

7 gezeigt. Es wurde ein Motorola IRF-840 Transistor in einer TO-220 Packung verwendet. Er wurde mit 60 Watt (30 Volt, 2 Ampére) betrieben und über zwei Kontrollverbunde und verschiedene Flüssigmetallverbunde an einen Wärmeverteiler angekoppelt. Der Wärmeverteiler war eine Zinn-beschichtete Kupferplatte. Der Wärmeverteiler war seinerseits mit DC-340 Thermal Grease an eine Wärmesenke unendlicher Kapazität gekoppelt, die auf 25°C gehalten wurde. Der Temperaturabfall über der Schnittstelle (d. h. der Temperaturunterschied zwischen dem Transistorgehäuse und dem Wärmeverteiler) wurde gemessen und durch die Leistungsausgabe geteilt, um eine thermische Impedanz in den Einheiten von °C/W zu erhalten. Die normalisierten Angaben sind unten in Tabelle IV wiedergegeben.

Schnittstellenmaterial	Thermische Leitfähigkeit (W/m·K)	Thermische Imdedanz (Normalisiert)
Luft	0.01	5–6
Silikonöl	0.1	3
Dow Coming DC-340	1.0	2
Shin-Etsu [MPU 3.7] G-749	3	1
Formulierung 1	8.0	0.5–0.6
Flüssigmetall	25	0.5–0.6

Physikalischer Nachweis von Flüssigmetall geförderter Perkolation wurde auch durch Anordnen der Formulierung zwischen zwei Glasprobenträgern erhalten. Die einhundertfach vergrößerte fotografische Gefügeaufnahme in 6 zeigt das Flüssigmetall, wie es einen Cluster aus Partikeln überbrückt.
EIGENSCHAFTEN VON FLÜSSIGMETALL-BESCHICHTETEN PARTIKELN
Wie in den Zeichnungen illustriert ist, illustriert 1 die Weise, in der verbesserter Kontakt zwischen einzelnen beschichteten Partikeln, 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 Partikel 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 Bepackungsanteil 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" stärker 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.
5 demonstriert das Merkmal der vorliegenden Erfindung, wonach einzelne diskrete Flüssigmetall-beschichte Partikel Aggregate oder Agglomerate ausbilden, wobei eine Separation von diskreten Tröpfchen erreicht wird, wenn die beschichteten Partikel mit einem polymeren Material, wie beispielsweise Silikonöl, vermischt werden. Bestimmte dieser Merkmale manifestieren sich in der fotografischen Gefügeaufnahme in 6.
Wenn jetzt die Aufmerksamkeit auf 7 der Zeichnungen gerichtet wird, wird beobachtet werden, dass die Anordnung, die allgemein mit 20 bezeichnet ist, bei 21 eine Wärme erzeugende Halbleitervorrichtung aufweist, die bei 22 auf einer geeigneten oder konventionellen Kupferbasis montiert ist. Eine nachgiebige Schnittstelle hergestellt gemäß der vorliegenden Erfindung ist bei 23 illustriert, wobei die Schnittstelle zwischen den einander gegenüberliegenden Oberflächen der Kupferbasis 22 und eines Wärmesenkelements 24 angeordnet ist. Der Wärmestrom tritt längs der Linie und in der Richtung des anzeigenden Pfeils auf.
9 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 9 gezeigte Anordnung 30 eine Wärme erzeugende Halbleitervorrichtung oder -Packung, die bei 31 dargestellt ist und eine Wärmesenke, einen Wärmeverteiler oder ein anderes Wärme dissipierendes Element aufweist, das bei 32 illustriert ist. Zwischen den einander gegenüberliegenden Oberflächen der Halbleitervorrichtung 31 und dem Wärme dissipierenden Element 32 ist ein mechanisch nachgiebiges Kissen 33 angeordnet, das gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt ist.
8 ist ein Flussdiagramm der Schritte, die beim Herstellen von nachgiebigen Kissen gemäß der vorliegenden Erfindung ausgeführt werden. Wie angegeben und aus dem Flussdiagramm deutlich wird, werden die Partikel und die Legierung gemischt, bis die Oberflächen der Partikel vollständig benetzt sind, und danach wird eine Pastenformulierung durch Zugabe eines flüssigen Polymers hergestellt.
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.
Das in den Beispielen verwendete Silikonöl ist ein typisches flüssiges Silikon, typischerweise VEB 100 (Sivento Inc., zuvor Huls America), wobei diese Materialien selbstverständlich kommerziell erhältlich sind. Viskositäten bis zu ungefähr 1000 Centistokes (10 cm²/s) können mit zufriedenstellenden Ergebnissen verwendet werden.
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 thermisch leitfähiger, elektrisch resistiver, mechanisch nachgiebiger Kissen, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: (a) Herstellen einer Mischung aus: (1) einer Flüssigmetalllegierung, die eine Komponente aufweist, welche aus der aus Gallium und Indium bestehenden Gruppe ausgewählt ist, und die bei Temperaturen unterhalb 120°C im flüssigen Zustand ist; und (2) einem thermisch leitfähigen Partikelfeststoff, der aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Bornitrid, Aluminiumnitrid und Aluminiumoxyd besteht; (b) mechanisches Durchmischen der Mischung, um dafür zu sorgen, dass die Oberflächen des thermischen Partikelfeststoffs mit der Flüssigmetalllegierung benetzt werden, um eine homogene Paste auszubilden, in der die Flüssigmetalllegierung die einzelnen Partikel, die den thermisch leitfähigen Partikelfeststoff ausbilden, einkapselt; (c) Durchmischen der Paste mit einer Menge an fließfähigem Kunstharzmaterial, um eine thermisch leitfähige elektrisch resistive Masse auszubilden, die zwischen ungefähr 10 und 90 Vol-% der Paste und im Rest fließfähiges Kunstharz aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Partikel, die den thermisch leitfähigen Partikelfeststoff ausmachen, einen Durchmesser zwischen 1 μm und 40 μm aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Flüssigmetalllegierung die Partikel im Wesentlichen einkapselt, um darauf eine Beschichtung auszubilden, bei einem Volumenverhältnis Flüssigmetalllegierung zu thermisch leitfähigem Partikelfeststoff von mindestens 1:1.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das fließfähige Kunstharzmaterial Silikonharz ist, was darin resultiert, dass das Kissen zwischen ungefähr 10 und 90 Vol-% homogene Paste und im Rest Silikonharz aufweist.
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 aus einem thermisch leitfähigen Partikelfeststoff und einer Flüssigmetalllegierung und (b) einem fließfähigen Kunstharzmaterial, wobei der thermisch leitfähige Partikelfeststoff aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Bornitird, Aluminiumnitrid und Aluminiumoxyd besteht, wobei die Flüssigmetalllegierung eine Komponente aufweist, die aus der Gruppe ausgewählt ist, welche aus Gallium und Indium besteht, wobei die Flüssigmetalllegierung bei Temperaturen unterhalb 120°C in flüssigem Zustand ist, wobei die Oberflächen des thermisch leitfähigen Partikelfeststoffs mit der flüssigen Metalllegierung benetzt sind, wobei die Flüssigmetalllegierung die einzelnen Partikel einkapselt, die den thermisch leitfähigen Partikelfeststoff ausbilden, wobei die thermisch leitfähige Masse zwischen 10 und 90 Vol-% homogene Paste und im Rest fließfähiges Kunstharz aufweist.
Kissenmaterial nach Anspruch 6, wobei die einzelnen Partikel einen Durchmesser zwischen 1 μm und 40 μm aufweisen.
Kissenmaterial nach Anspruch 6, wobei das Volumenverhältnis Flüssigmetalllegierung zu thermisch leitfähigem Feststoff mindestens 1:1 beträgt.
Kissenmaterial nach Anspruch 6, wobei das fließfähige Kunstharzmaterial Silikonharz aufweist.
Kissenmaterial nach Anspruch 6, wobei die Flüssigmetalllegierung bei Temperaturen unter 60°C in flüssigem Zustand ist.