DE112009002321T5

DE112009002321T5 - Polymer-Wärmegrenzflächenmaterialien

Info

Publication number: DE112009002321T5
Application number: DE112009002321T
Authority: DE
Inventors: Yi Li; Ed Prack
Original assignee: Intel Corp
Current assignee: Intel Corp
Priority date: 2008-12-23
Filing date: 2009-12-09
Publication date: 2012-04-05
Anticipated expiration: 2029-12-10
Also published as: US20100159233A1; DE112009002321B4; SG172367A1; US8138239B2; JP5325987B2; BRPI0918187A2; GB201105363D0; GB2478209B; JP2012505299A; WO2010074970A3; BRPI0918187B1; JP2013224445A; CN102171310B; TWI420625B; KR101280663B1; JP5837007B2; WO2010074970A2; KR20110059748A; TW201029124A; CN102171310A

Abstract

In einigen Ausführungsformen werden Polymer-Wärmegrenzflächenmaterialien vorgestellt. In diesem Zusammenhang wird ein Wärmegrenzflächenmaterial bereitgestellt, das Folgendes umfasst: eine Polymermatrix, ein Matrixadditiv, wobei das Matrixadditiv ein Flussmittel umfasst, und ein kugelförmiges Füllmaterial, wobei das kugelförmige Füllmaterial einen Metallkern mit einer organischen Lötbarkeitserhaltungsbeschichtung umfasst. Es werden noch weitere Ausführungsformen offenbart und beansprucht.

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Polymerverbindungen werden als ein Wärmegrenzflächenmaterial (WGM) verwendet, um beispielsweise einen IC-Chip mit einem integrierten Wärmeverteiler (IWV) zu verbonden. Jedoch kann der Prozess des Aushärtens und des Zuverlässigkeitsstresses an dem WGM zu Problemen des Delaminierens und der verringerten Wärmeleitfähigkeit führen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Obgleich die Spezifikation mit Ansprüchen schließt, die im Einzelnen herausstellen und eindeutig beanspruchen, was als die vorliegende Erfindung angesehen wird, lassen sich die Vorteile dieser Erfindung anhand der folgenden Beschreibung der Erfindung besser verstehen, wenn sie in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen gelesen werden, in denen Folgendes dargestellt ist:
1 stellt ein Polymer-Wärmegrenzflächenmaterial gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar.
2 stellt einen Querschnitt eines kugelförmigen Füllmaterials gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar.
3 stellt eine Anwendung eines Polymer-Wärmegrenzflächenmaterials gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG
In der folgenden detaillierten Beschreibung wird auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen, die zur Veranschaulichung konkrete Ausführungsformen zeigen, in denen die Erfindung praktiziert werden kann. Diese Ausführungsformen werden hinreichend detailliert beschrieben, um dem Fachmann die Praktizierung der Erfindung zu ermöglichen. Es versteht sich, dass die verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung zwar unterschiedlich sind, sich aber nicht notwendigerweise gegenseitig ausschließen. Zum Beispiel kann ein bestimmtes Merkmal, eine bestimmte Struktur oder ein bestimmtes Charakteristikum, die im vorliegenden Text in Verbindung mit einer konkreten Ausführungsform beschrieben sind, auch in anderen Ausführungsformen implementiert werden, ohne vom Geist und Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Des Weiteren versteht es sich, dass die Position oder Anordnung einzelner Elemente innerhalb jeder offenbarten Ausführungsform verändert werden kann, ohne vom Geist und Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Die folgende detaillierte Beschreibung ist darum nicht in einem einschränkenden Sinne zu verstehen, und der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird allein durch die angehängten Ansprüche, die im erfindungsgemäßen Sinne auszulegen sind, zusammen mit der vollen Bandbreite der Äquivalente, zu denen die Ansprüche berechtigen, definiert. In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszahlen in den verschiedenen Ansichten die gleiche oder eine ähnliche Funktion.
1 stellt ein Polymer-Wärmegrenzflächenmaterial gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Wie gezeigt, enthält das WGM 100 eine Polymermatrix 102, ein Matrixadditiv 104, ein kugelförmiges Füllmaterial 106 und ein faserförmiges Material 108, obgleich die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt ist. In einer Ausführungsform braucht das WGM 100 nicht alle in 1 gezeigten Materialien zu enthalten (zum Beispiel kann das faserförmige Material 108 entfallen), oder es kann andere Materialien enthalten, die nicht gezeigt sind.
Die Polymermatrix 102 kann dem WGM 100 Adhäsions- und Flexibilitätseigenschaften verleihen. In einer Ausführungsform ist die Polymermatrix 102 ein auf Silikon basierendes Gel. In einer anderen Ausführungsform ist die Polymermatrix 102 ein flexibles Epoxidharz, das die Vorteile einer höheren Adhäsion von Epoxidharz und einer besseren Flexibilität von Silikonen kombiniert. Ein Beispiel eines flexiblen Epoxidharzes ist aliphatisches Polyglykol-Diepoxid. In einer anderen Ausführungsform ist die Polymermatrix 102 ein Thermoplastkunststoff wie zum Beispiel Acetal, Acryl, Cellulose, Acetat, Polyethylen, Polystyrol, Vinyl, Nylon oder Kombinationen davon. In einer anderen Ausführungsform ist die Polymermatrix 102 ein Phasenänderungspolymer wie zum Beispiel Polyolefin, Polyester, Silikone, Paraffine oder Acrylstoffe.
Das Matrixadditiv 104 kann vorhanden sein, um die Grenzflächeneigenschaften zwischen der Polymermatrix 102 und dem kugelförmigen Füllmaterial 106 zu verbessern und/oder um eine bessere Wärmeleitung zu ermöglichen. In einer Ausführungsform ist das Matrixadditiv 104 ein Flussmittel, zum Beispiel kurzkettige, aber geringflüchtige Carbonsäuren, Aminosäuren, Aldehyd, Terpentinharze und Polymersäure mit Säuregruppen in der Hauptkette oder in den Seitenketten. In einer anderen Ausführungsform ist das Matrixadditiv 104 ein Antioxidans oder ein Wärmestabilisator zum Verhindern der Oxidation und Degradation der Polymermatrix 102 während des Erwärmens und zum Verbessern der Wärmestabilität. Zu einigen Beispielen von Antioxidanzien oder Wärmestabilisatoren gehören Cyanox, Benzoquinon, Cyasorb, 2,4,6-Tri-tert-butylphenol und Diphenylamin.
Das kugelförmige Füllmaterial 106 soll dem WGM 100 eine verbesserte Wärmeleitfähigkeit verleihen und kann so aufgebaut sein, wie es mit Bezug auf 2 gezeigt ist. Zwar ist das kugelförmige Füllmaterial 106 mit homogenen Durchmessern dargestellt, doch es kann auch variierende Durchmesser aufweisen. In einer Ausführungsform variieren die Durchmesser des kugelförmigen Füllmaterials 106 von etwa 10 bis etwa 30 Mikrometer.
Faserförmiges Material 108 kann dem WGM 100 beigegeben werden, um einen ausdehnungsfähigen Wärmepfad während der Ausdehnung des WGM zu ermöglichen. In einer Ausführungsform ist das faserförmige Material 108 eine Kohlefaser mit einem großen L/D-(Länge/Durchmesser-)Verhältnis. In einer Ausführungsform hat das faserförmige Material 108 eine Konzentration von bis zu etwa 8 Volumenprozent des WGM 100.
2 stellt einen Querschnitt eines kugelförmigen Füllmaterials gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Wie gezeigt, kann das kugelförmige Füllmaterial 106 einen Kern 202, einen inneren Mantel 204 und einen äußeren Mantel 206 enthalten; jedoch braucht das kugelförmige Füllmaterial 106 in einigen Ausführungsformen nicht alle gezeigten Schichten zu enthalten (zum Beispiel kann der innere Mantel 204 entfallen), oder es kann zusätzliche nicht gezeigte Schichten enthalten.
Der Kern 202 stellt das Volumenmaterial des kugelförmigen Füllmaterials 106 dar. In einer Ausführungsform ist der Kern 202 ein Lot, ein Metall, eine niedrig-schmelzende Legierung oder ein anderes hoch-wärmeleitfähiges Material. In einer anderen Ausführungsform ist der Kern 202 ein sich ausdehnendes Polymermaterial, wie zum Beispiel Divinylbenzen-vernetztes Polymer, mit einem relativ hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten, um während der Erwärmung Lücken zu füllen, wodurch ein effektiver thermischer Kontakt über den gesamten Erwärmungsbereich ermöglicht wird. Der innere Mantel 204 und/oder der äußere Mantel 206 können das kugelförmige Füllmaterial 106 mit verbesserter Wärmeleitfähigkeit und/oder Oxidationsverhütung versehen. In einer Ausführungsform, wo der Kern 202 ein sich ausdehnendes Polymermaterial ist, ist der innere Mantel 204 eine leitfähige Metallschicht, und der äußere Mantel 206 ist eine Lotschicht. In einer anderen Ausführungsform, wo der Kern 202 ein wärmeleitfähiges, aber oxidatives, instabiles Material ist, wie zum Beispiel eine niedrig-schmelzende Legierung (NSL), ist der äußere Mantel 206 eine organische Lötbarkeitserhaltungs (OLE)-Beschichtung. In einer Ausführungsform besteht eine OLE aus einem organometallischen Polymer im Ergebnis der Koordinationsreaktion zwischen OLE-aktiven Komponenten, eventuell auf Azol- oder Imidazolbasis, und den Lotatomen an der Oberfläche des Kerns 202 (oder des inneren Mantels 204).
3 stellt eine Anwendung eines Polymer-Wärmegrenzflächenmaterials gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Es ist eine Bauelement-Struktur 300 gezeigt, wobei das WGM 100 zwischen einem Chip 302 und einer Wärmeverteilerstruktur 304 angeordnet sein kann und auch zwischen einer Wärmeverteilerstruktur 304 und der Wärmeableitungsstruktur 306 angeordnet sein kann. Das WGM 100 kann jede der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfassen. In einer Ausführungsform kann der Chip 302 einen Silizium-Chip umfassen, und die Bauelement-Struktur 300 kann ein Keramikgehäuse und/oder eine organische Bauelement-Struktur umfassen.
Obgleich die vorangegangene Beschreibung bestimmte Schritte und Materialien spezifiziert hat, die in dem Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, erkennt der Fachmann, dass viele Modifizierungen und Ersetzungen vorgenommen werden können. Dementsprechend ist es beabsichtigt, dass alle derartigen Modifizierungen, Änderungen, Ersetzungen und Hinzufügungen in den Geist und Schutzumfang der Erfindung fallen, wie er durch die angehängten Ansprüche definiert wird. Des Weiteren versteht es sich, dass bestimmte Aspekte mikroelektronischer Bauelemente im Stand der Technik bestens bekannt sind. Darum versteht es sich, dass die im vorliegenden Dokument gezeigten Figuren lediglich Teile einer beispielhaften mikroelektronischen Struktur sind, die zur Praxis der vorliegenden Erfindung gehört. Das heißt, die vorliegende Erfindung ist nicht auf die im vorliegenden Text beschriebenen Strukturen beschränkt.

Claims

Wärmegrenzflächenmaterial (WGM), das Folgendes umfasst: eine Polymermatrix; ein Matrixadditiv, wobei das Matrixadditiv ein Flussmittel umfasst; und ein kugelförmiges Füllmaterial, wobei das kugelförmige Füllmaterial einen Metallkern mit einer organischen Lötbarkeitserhaltungsbeschichtung umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die des Weiteren Kohlefasermaterial umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Polymermatrix ein flexibles Epoxidharz umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Polymermatrix einen Thermoplastkunststoff umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Polymermatrix ein Phasenänderungspolymer umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die des Weiteren umfasst, dass das WGM zwischen einem Chip und einer Wärmeableitungsstruktur angeordnet ist.
Wärmegrenzflächenmaterial (WGM), das Folgendes umfasst: eine Polymermatrix; ein Matrixadditiv, wobei das Matrixadditiv ein Antioxidans umfasst; und ein kugelförmiges Füllmaterial, wobei das kugelförmige Füllmaterial einen Metallkern mit einer organischen Lötbarkeitserhaltungsbeschichtung umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 7, die des Weiteren Kohlefasermaterial umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Polymermatrix ein flexibles Epoxidharz umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Polymermatrix einen Thermoplastkunststoff umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Polymermatrix ein Phasenänderungspolymer umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 7, die des Weiteren umfasst, dass das WGM zwischen einem Chip und einer Wärmeableitungsstruktur angeordnet ist.
Wärmegrenzflächenmaterial (WGM), das Folgendes umfasst: eine Polymermatrix; ein Matrixadditiv, wobei das Matrixadditiv ein Flussmittel umfasst; und ein kugelförmiges Füllmaterial, wobei das kugelförmige Füllmaterial einen sich ausdehnenden Polymerkern mit einem metallischen Mantel umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 13, die des Weiteren Kohlefasermaterial umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei die Polymermatrix ein flexibles Epoxidharz umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei die Polymermatrix einen Thermoplastkunststoff umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei die Polymermatrix ein Phasenänderungspolymer umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 13, die des Weiteren umfasst, dass das WGM zwischen einem Chip und einer Wärmeableitungsstruktur angeordnet ist.
Wärmegrenzflächenmaterial (WGM), das Folgendes umfasst: eine Polymermatrix; ein Matrixadditiv, wobei das Matrixadditiv ein Antioxidans umfasst; und ein kugelförmiges Füllmaterial, wobei das kugelförmige Füllmaterial einen sich ausdehnenden Polymerkern mit einem metallischen Mantel umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 19, die des Weiteren Kohlefasermaterial umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 19, wobei die Polymermatrix ein flexibles Epoxidharz umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 19, wobei die Polymermatrix einen Thermoplastkunststoff umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 19, wobei die Polymermatrix ein Phasenänderungspolymer umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 19, die des Weiteren umfasst, dass das WGM zwischen einem Chip und einer Wärmeableitungsstruktur angeordnet ist.