DE112012000238T5 - Reversibel klebendes Wärmegrenzflächenmaterial - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein reversibel klebendes Wärmegrenzflächenmaterial für elektronische Komponenten und Verfahren zur Herstellung und Verwendung desselben. Insbesondere stellen Ausführungsformen der Erfindung Wärmegrenzflächenmaterialien bereit, welche einen thermisch reversiblen Klebstoff und einen wärmeleitfähigen und elektronisch nicht leitfähigen Füllstoff aufweisen, wobei das Wärmegrenzflächenmaterial durch eine Wärmeleitfähigkeit von 0,2 W/m-K oder mehr und einen spezifischen elektrischen Widerstand von 9 × 1011 Ohm-cm oder mehr gekennzeichnet ist.
Description
- GEBIET DER ERFINDUNG
- Die vorliegende Erfindung betrifft thermisch reversible Klebstoffe und insbesondere Klebstoffe, welche für eine Verwendung als Wärmegrenzflächenmaterialien geeignet sind, und damit zusammenhängende Verfahren.
- HINTERGRUND DER ERFINDUNG
- Die schnellen Technologiefortschritte bei der Verkapselung von Hochleistungselektronik haben sich auf eine verringerte Größe und höhere Arbeitsgeschwindigkeit konzentriert. Dies hat zu einer übermäßigen Wärmeerzeugung während des Betriebs der Einheiten geführt. Es besteht damit ein Bedarf für wirksame Wärmeabfuhrverfahren, um eine zuverlässige Funktionsfähigkeit zusammengebauter elektronischer Produkte zu bewahren. Die gewöhnlich angewendeten Kühlungsverfahren umfassen heliumgefüllte Module, Lötmetall-Wärmegrenzflächen, thermische Fette, elastomere Silikongele, thermoplastische Polymere mit wärmeleitfähigen Füllstoffen wie AlN, BN, ZnO und neuerdings Phasenwechselmaterialien (Phase Change Materials, PCM) und leitfähige Klebstoffe. Diese stellen die Wärmegrenzfläche zwischen dem Siliciumeinheits-Chip und einem Wärmeverteiler aus einem Metall hoher Wärmeleitfähigkeit oder einer Wärmesenke bereit, um einen Weg für die Wärmeabfuhr von den Schaltungseinheiten mit hoher Leistungsdichte während des Betriebs zu ermöglichen.
- Thermisches Fett wird als dünne Schicht zwischen der Rückseite des Halbleiterplättchens und der Wärmesenke verteilt. Thermisches Fett weist einen niedrigen thermischen Widerstand auf und kann einfach nachbearbeitet werden. Es unterliegt jedoch einem Auspumpen und der Austrocknung, wodurch Lücken an der Grenzfläche verursacht werden. Hierdurch wird mit der Zeit aufgrund einer Erhöhung des Grenzflächenwiderstands die Leistungsfähigkeit der Einheit herabgesetzt. Die Phasenwechselmaterialien (PCM) sind niedrig schmelzende Wachse. Beispiele umfassen Paraffinwachs mit in der Wachsmatrix verteilten Graphitteilchen und Materialien auf Silikonbasis, z. B. Alkylmethylsilikone, welche als vorgeformte Bänder verwendet oder durch Schmelzen über Grenzflächen abgegeben werden können. Sie sorgen für eine niedrige thermische Impedanz und hohe Wärmeleitfähigkeit, typischerweise im Bereich von 5 W/m°K bei dünner Klebstoffschicht. Die vorgeschnittenen Dünnschichten dieser Materialien sind jedoch zerbrechlich und weisen auch die Probleme des Leistungsrückgangs und der Leistungsschwankung, des Delaminierens, des Ausblutens und Ausgasens auf und machen ferner im Allgemeinen Befestigungselemente wie Klammern oder Schrauben erforderlich, um das PCM in Position zu halten.
- Eine andere Kategorie von Grenzflächenmaterialien sind leitfähige Klebstoffe, welche in einer Flip-Chip-Modul-Baugruppe als dünne Klebstoff-Zwischenschicht zwischen der Wärmesenke oder dem Wärmeverteiler und der Rückseite eines Siliciumplättchens verwendet werden können. Die kommerziell erhältlichen leitfähigen Klebstoffe sind typischerweise Ag-gefüllte und keramikgefüllte Materialien auf Epoxid-Basis, einschließlich flexibler Epoxide. Sie sind Klebstoffe mit mittlerem bis hohem Elastizitätsmodul (> 100.000 psi bei Raumtemperatur). Es ist allgemein bekannt, dass gehärtete Beschichtungen aus solchen Materialien eine hohe Eigenspannung aufweisen, welche zu einem Reißen der Grenzflächenintegrität aufgrund des Delaminierens führen kann. Dies führt zu einem erhöhten Kontaktwiderstand mit einem entsprechenden Rückgang der Effektivität der Wärmeabfuhr an der Grenzfläche. Für die kommerziell erhältlichen Ag-gefüllten Klebstoffe ist auch kein einfaches und praktisches Nachbearbeitungsverfahren verfügbar. Deswegen können sie nicht einfach von in Kontakt stehenden Flächen entfernt oder nachbearbeitet werden. Die fehlende Nachbearbeitbarkeit dieser Klebstoffe stellt einen ernsten Nachteil dadurch dar, dass keine Reparatur von Defekten, keine Wiederherstellung von Komponenten, kein Recycling und keine Wiederverwendung von hochpreisigen Halbleitereinheiten, Wärmesenken und Substraten ermöglicht wird.
- Wünschenswerte Eigenschaften für Wärmegrenzflächenmaterialien umfassen: die Fähigkeit, über Grenzflächen hinweg eine dünne Klebstoffschicht mit gleichmäßiger Dicke zu bilden, niedrige thermische Impedanz, niedrige Verspannung und mit einer Grenzflächenintegrität während des Betriebs der Einheit vereinbare Systeme, stabiler Grenzflächen-Kontaktwiderstand bezüglich T/H (Temperatur/Feuchtigkeit) und T/C (Wärmezyklen), Stabilität des TCR (Temperaturkoeffizienten des Widerstands) und Nachbearbeitbarkeit für eine Reparatur von Defekten und eine Rückgewinnung von hochpreisigen Modulkomponenten. Die bevorzugten Materialien sollten auch einer Entfernung von in Kontakt stehenden Flächen zugänglich sein, um eine Nachbearbeitung zu ermöglichen, ohne die Modulmaterialien irgendwie zu beschädigen, insbesondere spezielle Wärmeverteiler mit hoher Wärmeleitfähigkeit.
- Die Fähigkeit, Komponenten nachzubearbeiten und wiederzugewinnen, um Ausbeuteverluste der Produktion wiederzugewinnen, Müll zu vermeiden und für eine Kostensenkung zu sorgen, ist bei der Herstellung von elektronischen Hochleistungsprodukten wichtiger geworden. Eine Nachbearbeitungsmöglichkeit für eine gehärtete wärmeleitfähige Dünnschicht bietet den großen Vorteil der Wiedergewinnung/Rückgewinnung und Wiederverwendung möglicherweise teurer Wärmeverteilermaterialien hoher Wärmeleitfähigkeit, empfindlicher Komponenten oder Spannungsumwandlungsmodule. Überdies kann eine Nachbearbeitungsmöglichkeit einen kosteneffektiven Weg bereitstellen, um bei der Verwendung von Kühlelementen hoher Wärmeleitfähigkeit in Verbindung mit einem Wärmegrenzflächen-Klebstoff deutliche Steigerungen der Wärmeabfuhrkapazität zu erhalten.
- Im Hinblick auf die Einschränkungen bei der Verwendung herkömmlicher Grenzflächenmaterialien besteht ein Bedarf für verbesserte Wärmegrenzflächenmaterialien (Thermal Interface Materials, TIMs) mit effizienter Wärmeabfuhr von Einheiten mit hoher Leistungsdichte. Es besteht auch ein Bedarf für ein praktisches Verfahren zum Entfernen und/oder Nachbearbeiten der gehärteten Abscheidungen/Rückstände dieser Materialien von verschiedenen Komponentenflächen/Grenzflächen, an welchen die Materialien kleben.
- KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
- Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Wärmegrenzflächenmaterial bereitgestellt, welches einen thermisch reversiblen Klebstoff und einen wärmeleitfähigen und elektrisch nicht leitfähigen Füllstoff aufweist. Der thermisch reversible Klebstoff weist ein Polymer, welches mehrere einer ersten funktionellen Gruppe enthält; und ein Vernetzungsmittel auf, welches mehrere einer zweiten funktionellen Gruppe enthält, wobei die erste funktionelle Gruppe und die zweite funktionelle Gruppe komplementäre Reaktionspartner einer reversiblen Vernetzungsreaktion sind. Das Wärmegrenzflächenmaterial weist eine Menge des Füllstoffs auf, welche für eine Wärmeleitfähigkeit von 0,2 W/m-K oder mehr und einen spezifischen elektrischen Widerstand von 9 × 1011 Ohm-cm oder mehr sorgt.
- Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine elektronische Baugruppe bereitgestellt, welche ein erstes Element, das dafür konfiguriert ist, während des Betriebs Wärme zu erzeugen, ein zweites Element, das dafür konfiguriert ist, die durch das erste Element erzeugte Wärme abzuführen, und eine Schicht eines Wärmegrenzflächenmaterials aufweist, die zwischen dem ersten Element und dem zweiten Element angeordnet ist. Das Wärmegrenzflächenmaterial weist einen thermisch reversiblen Klebstoff und einen wärmeleitfähigen und elektrisch nicht leitfähigen Klebstoff auf. Der thermisch reversible Klebstoff weist ein Polymer, welches mehrere einer ersten funktionellen Gruppe enthält; und ein Vernetzungsmittel auf, welches mehrere einer zweiten funktionellen Gruppe enthält, wobei die erste funktionelle Gruppe und die zweite funktionelle Gruppe komplementäre Reaktionspartner einer reversiblen Vernetzungsreaktion sind. Das Wärmegrenzflächenmaterial weist eine Menge des Füllstoffs auf, welche für eine Wärmeleitfähigkeit von 0,2 W/m-K oder mehr und einen spezifischen elektrischen Widerstand von 9 × 1011 Ohm-cm oder mehr sorgt.
- Gemäß noch einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Wärmegrenzfläche zwischen einem ersten Element, welches dafür konfiguriert ist, während des Betriebs Wärme zu erzeugen, und einem zweiten Element, welches dafür konfiguriert ist, die durch das erste Element erzeugte Wärme abzuführen, bereitgestellt. Das Verfahren umfasst das Aufbringen eines Wärmegrenzflächenmaterials auf das erste Element und/oder das zweite Element, um eine Schicht des Wärmegrenzflächenmaterials zu bilden, und das Anordnen der Schicht des Wärmegrenzflächenmaterials zwischen dem ersten Element und dem zweiten Element, um dadurch das erste Element und das zweite Element reversibel zu verbinden. Das Wärmegrenzflächenmaterial weist einen thermisch reversiblen Klebstoff und einen wärmeleitfähigen und elektrisch nicht leitfähigen Klebstoff auf. Der thermisch reversible Klebstoff weist ein Polymer, welches mehrere einer ersten funktionellen Gruppe enthält; und ein Vernetzungsmittel auf, welches mehrere einer zweiten funktionellen Gruppe enthält, wobei die erste funktionelle Gruppe und die zweite funktionelle Gruppe komplementäre Reaktionspartner einer reversiblen Vernetzungsreaktion sind. Das Wärmegrenzflächenmaterial weist eine Menge des Füllstoffs auf, welche für eine Wärmeleitfähigkeit von 0,2 W/m-K oder mehr und einen spezifischen elektrischen Widerstand von 9 × 1011 Ohm-cm oder mehr sorgt.
- KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
- Die begleitenden Zeichnungen, welche in diese Beschreibung integriert sind und einen Teil davon bilden, veranschaulichen Ausführungsformen der Erfindung und dienen zusammen mit der vorstehenden allgemeinen Beschreibung der Erfindung und der nachstehenden detaillierten Beschreibung dazu, die Erfindung zu beschreiben.
-
1 zeigt eine Querschnittsansicht einer elektrischen Komponente und einer Wärmesenke, welche durch eine Schicht eines Wärmegrenzflächenmaterials (TIM) verbunden sind, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; -
2 zeigt eine Querschnittsansicht einer elektrischen Komponente, eines Wärmeverteilers und einer Wärmesenke, wobei die Komponente, der Wärmeverteiler und die Wärmesenke durch zwei TIM-Schichten verbunden sind, gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; -
3 zeigt eine Querschnittsansicht eines Einzel-IC-Chip-Moduls und einer Wärmesenke, welche mit einer TIM-Schicht verbunden sind, gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und -
4 zeigt eine Querschnittsansicht eines Einzel-IC-Chip-Moduls, einer Schutzabdeckung und einer Wärmesenke, wobei das Modul, die Schutzabdeckung und die Wärmesenke mit zwei TIM-Schichten verbunden sind, gemäß noch einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. - DETAILLIERTE BESCHREIBUNG SPEZIELLER AUSFÜHRUNGSFORMEN
- Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen eine elektronische Baugruppe, welche ein erstes Element, das dafür konfiguriert ist, während des Betriebs Wärme zu erzeugen, ein zweites Element, das dafür konfiguriert ist, die durch das erste Element erzeugte Wärme abzuführen; und eine Schicht eines Wärmegrenzflächenmaterials aufweist, die zwischen dem ersten Element und dem zweiten Element angeordnet ist. Wie in
1 dargestellt, weist ein elektronisches Chip-Modul10 einen elektronischen Chip12 , eine Wärmesenke14 und eine Schicht eines Wärmegrenzflächenmaterials16 auf, die zwischen dem elektronischen Chip12 und der Wärmesenke14 und in engem Kontakt mit diesen angeordnet ist. Der in1 dargestellte Aufbau ist auf dem Fachgebiet als TIM1 bekannt. Bezug nehmend auf2 , weist ein anderer Aufbau für ein elektronisches Chip-Modul20 einen elektronischen Chip22 , einen Wärmeverteiler24 und eine Wärmesenke26 . Eine erste Schicht eines Wärmegrenzflächenmaterials28 ist zwischen dem elektronischen Chip22 und dem Wärmeverteiler24 und in engem Kontakt mit diesen angeordnet, und eine zweite Schicht eines Wärmegrenzflächenmaterials29 ist zwischen dem Wärmeverteiler24 und der Wärmesenke26 und in engem Kontakt mit diesen angeordnet. Der in2 dargestellte Aufbau ist auf dem Fachgebiet als TIM2 bekannt. - Spezieller betreffen Ausführungsformen der Erfindung ein Wärmegrenzflächenmaterial, welches eine Kombination aus einem wärmeleitfähigen, elektrisch nicht leitfähigen Füllstoff und einem thermisch reversiblen Klebstoff aufweist, welche für die Verwendung als Wärmegrenzfläche zwischen einem elektronischen Chip oder einer Siliciumeinheit und einer Wärmesenke/einem Wärmeverteiler in einer integrierten Schaltung oder einer Mikroelektronik-Baugruppe geeignet ist. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung Wärmegrenzflächenmaterialien, welche eine verbesserte funktionelle Leistungsfähigkeit aufweisen, und ein Verfahren zum Nachbearbeiten der Wärmegrenzflächenmaterialien, um eine Wiedergewinnung, ein Recycling oder eine Wiederverwendung der Komponenten der Wärmesenken-Baugruppe zu ermöglichen, ohne den Einheits-Chip oder den Chip-Träger zu beschädigen.
- Gemäß Ausführungsformen der Erfindung weist das Wärmegrenzflächenmaterial (TIM) einen thermisch reversiblen Klebstoff und einen Füllstoff auf, wobei der Füllstoff sowohl wärmeleitfähig als auch elektrisch nicht leitfähig ist. Wie hierin verwendet, können „elektrisch nicht leitfähig” und „elektrisch isolierend” austauschbar verwendet werden und bedeuten, dass unter den normalen Betriebsbedingungen einer Einheit mit einer oder mehreren integrierten Schaltungen (IC-Einheit), in welche das TIM der vorliegenden Erfindung integriert ist, das TIM zwischen der IC und einer Wärmesenke keine Elektrizität leitet. Daher bewahren die TIM-Zusammensetzungen der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die erforderlichen elektrisch isolierenden Eigenschaften, während sie vorteilhafte Weise die gewünschte hohe Wärmeleitfähigkeit erreichen.
- Der thermisch reversible Charakter der Klebstoffkomponente wird durch Verwendung eines Polymers, welches mehrere einer ersten funktionellen Gruppe enthält; und eines Vernetzungsmittel erreicht, welches mehrere einer zweiten funktionellen Gruppe enthält, wobei die erste funktionelle Gruppe und die zweite funktionelle Gruppe komplementäre Reaktionspartner einer reversiblen Vernetzungsreaktion sind, welches die reversible Wärmehärtung des Klebstoffs ermöglicht. Eine beispielhafte reversible Vernetzungsreaktion ist, ohne darauf beschränkt zu sein, eine Diels-Alder-Cycloadditionsreaktion zwischen einem Polymer mit Dien-Funktionalität und einem Vernetzungsmittel mit Dienophil-Funktionalität, welches eine höhere Funktionalität als Eins aufweist. Umgekehrt umfasst eine komplementäre reversible Vernetzungsreaktion eine Diels-Alder-Cycloadditionsreaktion zwischen einem Polymer mit Dienophil-Funktionalität und einem Vernetzungsmittel mit Dien-Funktionalität, welches eine höhere Funktionalität als Eins aufweist.
- Der Polymertyp unterliegt keinen speziellen Einschränkungen. Geeignete Polymere umfassen Acrylpolymere, Epoxide, Fluorpolymere, Imide, Methacrylate, Polyacrylate, Polyamide, Polybutadiene, Polycarbonate, Polyester, Polypropylene, Polyurethane, Polyvinylchlorid, Siloxane und Kombinationen dieser. Gemäß Ausführungsformen der Erfindung weist das Polymer eine Funktionalität auf, welche die kovalente Bindung der mehreren der ersten funktionellen Gruppe an das Rückgrat des Polymers ermöglicht. Die erste funktionelle Gruppe kann über eine chemische Bindung oder über eine bivalente organische Brückengruppe direkt an das Polymer-Rückgrat gebunden sein. Beispiele für geeignete chemische Bindungen umfassen, ohne darauf beschränkt zu sein, Amin-, Amid-, Ester-, Ether- oder Sulfidbindungen. Beispiele für geeignete Brückengruppen umfassen, ohne darauf beschränkt zu sein, substituierte oder unsubstituierte Alkyl-, Aryl-, Alkenyl- oder Cycloalkylgruppen. Diese Brückengruppen können Heteroatome wie Stickstoff, Sauerstoff oder Schwefel aufweisen. Dementsprechend kann die erste funktionelle Gruppe über eine stickstoffhaltige Gruppe kovalent an das Polymer gebunden sein.
- Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die erste funktionelle Gruppe eine Dieneinheit, z. B. ein 5-gliedriger Ring mit zwei endocyclischen Doppelbindungen. Beispielhafte Dieneinheiten sind Furane, Pyrrole oder Thiophene. In einem Beispiel ist die Dieneinheit ein Furan. Gemäß einem anderen Beispiel ist das Furan an der Position 2 kovalent an das Polymer gebunden, wobei die Positionen 3, 4 und 5 unsubstituiert sind.
- Somit kann gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Polymer, welches die mehreren ersten funktionellen Gruppen trägt, aus dem Reaktionsprodukt eines Siloxanpolymers mit Aminofunktionalität und einer mit Aminen reaktiven Furaneinheit abgeleitet werden. Der mit Aminen reaktive Teil der Furaneinheit weist reaktive Gruppen wie zum Beispiel Isocyanate, Acylhalogenide und Alkylhalogenide auf. Dementsprechend umfasst ein Beispiel, wie im Schema 1 dargestellt, ein Aminopropylmethylsiloxan-Dimethylsiloxan-Copolymer (1), welches von Gelest, Inc., in Morrisville, PA, kommerziell erhältlich ist (Produkt-Codes AMS-132, AMS-152 oder AMS-162), welches mit einer Furaneinheit mit Isocyanatfunktionalität, z. B. 2-(Isocyanatomethyl)furan (2) zur Reaktion gebracht werden kann, um ein furanisiertes Polymer (3) bereitzustellen, welches mehrere über Harnstoffbindungen kovalent gebundene Furaneinheiten aufweist, wobei das Verhältnis von m zu n in den Formeln (1) und (3) von etwa 0,01 bis zu etwa 100 reicht.
- SCHEMA 1
- Das Molekulargewicht des Polymers bzw. der Polymere, auf welchem/welchen der thermisch reversible Klebstoff bzw. die thermisch reversiblen Klebstoffe basiert/basieren, kann zwischen breiten Grenzen variieren. Zum Beispiel kann das Polymer bzw. können die Polymere ein Zahlenmittel-Molekulargewicht im Bereich von mindestens 350 bis etwa 30.000 aufweisen.
- Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist die zweite funktionelle Gruppe eine Dienophil-Einheit. Die genaue Natur des Dienophils, aus welchem das Diels-Alder-Addukt erhalten wird, ist nicht entscheidend, solange das Diels-Alder-Addukt eine solche thermische Stabilität aufweist, dass der vernetzte Klebstoff nachbearbeitbar ist. Normalerweise hängt die Mindesttemperatur, oberhalb welcher das nachbearbeitbare vernetzte Harz nachbearbeitet wird, von den Maximaltemperaturerfordernissen für die verwendete IC-Einheit ab. Die Nachbearbeitung wird typischerweise bei einer Temperatur von etwa 100°C bis zu etwa 250°C durchgeführt. Zum Beispiel kann die Nachbearbeitungstemperatur etwa 200°C betragen.
- Geeignete Dienophil-Einheiten umfassen Verbindungen, welche ein disubstituiertes Alken aufweisen, das auf beiden Seiten der Doppelbindung elektronenziehende Gruppen trägt. Geeignete elektronenziehende Gruppen sind zum Beispiel Ester-, Amid- oder Ketogruppen. Dienophile umfassen auch Verbindungen, welche eine But-2-en-1,4-dion-Einheit enthalten, die in einem 5- oder 6-gliedrigen Ring enthalten ist. Zum Beispiel kann die zweite funktionelle Gruppe eine Maleimid-Einheit (d. h. ein 5-gliedriger Ring) sein. Beispiele für andere geeignete Dienophile umfassen Bis(triazolindione), Bis(phthalazindione), Chinone, Bis(tricyanoethylene), Bis(azodicarboxylate); Diacrylate, Maleat- oder Fumarat-Polyester, Acetylendicarboxylat-Polyester.
- Gemäß einer Ausführungsform wird von einem Vernetzungsmittel Gebrauch gemacht, welches in seiner Molekularstruktur mehrere Dienophile aufweist, aus welchen die Diels-Alder-Addukte erhalten werden können. Die zwei oder mehr Dienophile können durch eine oder mehrere Brückengruppen miteinander verbunden sein. Zum Beispiel können drei Dienophile über eine trivalente Brückengruppe miteinander verbunden sein. Es ist jedoch ausreichend, dass ein Vernetzungsmittel verwendet wird, in welchem zwei Dienophile durch eine bivalente Brückengruppe miteinander verbunden sind.
- Sowohl das Molekulargewicht als auch die chemische Natur der Brückengruppe des Vernetzungsmittels kann stark variiert werden. Es hat sich herausgestellt, dass solche Variationen des Vernetzungsmittels zu neu formbaren vernetzten Harzen führen, welche einen weiten Bereich von mechanischen Eigenschaften abdecken. Die Brückengruppe kann lediglich Kohlenstoffatome in der Brücke enthalten, z. B. eine Butyl- oder Hexylgruppe, es ist jedoch auch möglich, dass sie Heteroatome in der Brücke enthält, z. B. Sauerstoff-, Silicium- oder Stickstoffatome. Die Brückengruppe kann flexibel oder starr sein. Zum Beispiel kann das Vernetzungsmittel ein Bis(maleimido)alkan wie beispielsweise 1,4-Bis(maleimido)butan (4) sein.
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- Gemäß einer Erscheinungsform der Erfindung wird der thermisch reversible Klebstoff durch Vereinigen des furanisierten Polymers (3) und des Vernetzungsmittels (4) zum Bilden eines homogenen Gemisches gebildet. Vorteilhafter Weise wird das Gemisch bei Raumtemperatur nicht gehärtet (d. h. nicht vernetzt), da die vernetzende Diels-Alder-Cycloadditionsreaktion typischerweise eine Einsetztemperatur deutlich über Raumtemperatur aufweist, z. B. etwa 90°C und höher. Ähnlich wie bei anderen wärmehärtbaren Materialien ermöglicht diese Eigenschaft, dass der thermisch reversible Klebstoff mit dem Füllstoff vereinigt wird und dadurch ein TIM-Material bildet, welches in einem nicht vernetzten Zustand zwischen einer Wärmesenke und einem Elektronikchip aufgebracht und angeordnet werden kann. Das Erwärmen des TIM (und der Wärmesenke/des Elektronikchips) auf eine Temperatur oberhalb der Einsetztemperatur löst die Bildung von Diels-Alder-Addukten aus und führt dadurch zu einem vernetzten Polymer. Zum Beispiel führt das Erwärmen einer Zusammensetzung, welche das furanisierte Polymer (3) und das Vernetzungsmittel (4) aufweist, über ihre Einsetztemperatur zu dem vernetzten Polymer (5). Alternativ kann das TIM bei einer Temperatur oberhalb der Rückbildungs- oder Nachbearbeitungstemperatur aufgebracht werden, wie nachstehend noch detaillierter beschrieben wird.
-
- Die Menge der Diels-Alder-Addukte, die in der thermisch reversiblen Klebstoffkomponente vorliegen, hängt von der Menge der Furangruppen in dem Polymer und der Menge des Vernetzungsmittels ab, das in der Zusammensetzung vorliegt. Der Fachmann wird erkennen, dass eine bestimmte Mindestmenge an Diels-Alder-Addukten vorhanden sein muss, um zu bewirken, dass das TIM unterhalb der Temperatur, bei welcher sich die Diels-Alder-Addukte zu dem Furan und dem Dienophil zurückbilden, ein viskoelastisches Material ist. Man wird auch erkennen, dass diese Mindestmenge auch eine Funktion des Molekulargewichts und der Art des Polymers ist, auf welchem der Klebstoff basiert. Polymere mit niedrigerem Molekulargewicht benötigen eine höhere Menge an Diels-Alder-Addukten. Umgekehrt kann die Anzahl der Diels-Alder-Addukte geringer sein, wenn ein Vernetzungsmittel verwendet wird, welches eine höhere Funktionalität aufweist.
- Außerdem beeinflusst die relative Stöchiometrie zwischen dem Dien und dem Dienophil die Endeigenschaften des thermisch reversiblen Klebstoffs. Für ein beliebiges gegebenes furanisiertes Polymer beträgt der Molprozentsatz eines Vernetzungsmittels etwa 50% oder weniger, bezogen auf die Molzahl der Furaneinheiten in dem Polymergemisch. Zum Beispiel kann der Molprozentsatz eines Vernetzungsmittels etwa 25 Molprozent oder weniger, etwa 15 Molprozent oder weniger oder etwa 10 Molprozent oder weniger betragen.
- Das Füllstoffmaterial kann ein beliebiges Material sein, welches in hohem Maße wärmeleitend und elektrisch nicht leitend ist. Der Füllstoff kann auch aus Kunststoffen, Kautschuken, Keramik, elektrisch isolierten Metallen, Gläsern und ähnlichen Materialien ausgewählt werden. Der Füllstoff kann ein Epoxid, Silikon, Silikon-Polyester-Copolymer oder Elastomer sein. Der Füllstoff kann auch andere Teilchen eines Materials zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit aufweisen, welche, ohne darauf beschränkt zu sein, ein elektrisch isoliertes Metall oder Keramikmaterial sein können, um den Wärmetransfer durch den Füllstoff zu verstärken. Der Füllstoff kann unter Anderem aus Aluminiumoxid, Bornitrid, Aluminiumnitrid, dielektrisch beschichtetem Kupfer, anodisiertem Aluminium oder einer beliebigen Kombination dieser ausgewählt sein. In einem Beispiel ist der Füllstoff aus der Gruppe ausgewählt, die aus Bornitrid, Aluminiumnitrid, Aluminiumoxid und Kombinationen dieser besteht.
- Der Füllstoff ist nicht auf eine spezielle Morphologie beschränkt, dadurch, dass der Füllstoff in der Form unregelmäßig geformter Teilchen, Kugeln, Nadeln, Platten oder Kombinationen dieser vorliegen kann.
- Ein Beispiel für einen Füllstoff ist das industrielle Bornitridpulver, welches unter der Bezeichnung COMBAT®, Güte PH (325, von Saint-Gobain Adraneed Nitride Products, Amherst, N. Y. 14228–2027) hergestellt wird. Dieses Bornitridpulver verbessert die wärmeleitenden Eigenschaften der TIM-Zusammensetzung, ist jedoch chemisch inert.
- Die Füllstoffmenge, die in der TIM-Zusammensetzung verwendet wird, kann in Abhängigkeit von dem gewünschten oder erforderlichen Niveau der Wärmeleitfähigkeit für die beabsichtigte Anwendung variieren. Der Füllstoff liegt jedoch in einer Menge vor, welche für eine Wärmeleitfähigkeit von 0,2 W/m-K oder mehr und einen spezifischen elektrischen Widerstand von 9 × 1011 Ohm-cm oder mehr sorgt. Dementsprechend kann der Füllstoff in dem TIM in einer Menge im Bereich von etwa 5 Gewichts-% bis etwa 70 Gewichts-% vorliegen, bezogen auf das Gesamtgewicht der Zusammensetzung. Zum Beispiel kann der Füllstoff in einer Menge im Bereich von etwa 15% bis etwa 60%, etwa 5% bis etwa 15%, etwa 25% bis etwa 60% oder etwa 40% bis etwa 70% vorliegen.
- Gemäß einer Erscheinungsform der vorliegenden Erfindung wird ein TIM durch Vereinigen eines thermisch reversiblen Klebstoffs und eines wärmeleitfähigen und elektrisch nicht leitfähigen Füllstoffs gebildet. Wie vorstehend detailliert beschrieben, weist der thermisch reversible Klebstoff ein Polymer, welches mehrere einer ersten funktionellen Gruppe enthält; und ein Vernetzungsmittel auf, welches mehrere einer zweiten funktionellen Gruppe enthält, wobei die erste funktionelle Gruppe und die zweite funktionelle Gruppe komplementäre Reaktionspartner einer reversiblen Vernetzungsreaktion sind. Das resultierende TIM ist elektrisch isolierend und weist einen spezifischen elektrischen Widerstand von 9 × 1011 Ohm-cm oder mehr auf. Dementsprechend kann der spezifische elektrische Widerstand 1012 Ohm-cm oder mehr; 1013 Ohm-cm oder mehr, 1015 Ohm-cm oder mehr betragen. Außerdem ist das resultierende TIM stark wärmeleitfähig und weist eine Wärmeleitfähigkeit größer oder gleich 0,2 W/m-K auf. Dementsprechend kann die Wärmeleitfähigkeit 0,2 W/m-K oder mehr; 1 W/m-K oder mehr; 3 W/m-K oder mehr oder 6 W/m-K oder mehr betragen.
- Die Klebestärke des TIM sollte ausreichend sein, um die Haftung zwischen dem Elektronikchip
12 und der Wärmesenke14 der1 oder dem Elektronikchip22 , dem Wärmeverteiler24 und der Wärmesenke26 der2 während des Montageverfahrens sowie während des normalen Betriebs der Komponenten aufrechtzuerhalten. Zum Beispiel kann die Klebestärke nach dem thermischen Härten des TIM 1,0 bis 20,0 MPa bei etwa 25°C betragen. Die Klebestärke des TIM sollte jedoch bei der Nachbearbeitungstemperatur deutlich geringer sein. In der Praxis wird diese Grenze für die Klebestärke bei einer gegebenen Nachbearbeitungstemperatur empirisch bestimmt und basiert darauf, was der Hersteller der Komponente als maximale Zugbeanspruchung festlegt, die eine Komponente tolerieren kann. Zum Beispiel sollte die Klebestärke bei der Nachbearbeitungstemperatur etwa 50% oder weniger der Klebestärke bei 25°C betragen. Die Nachbearbeitungs-Haftfestigkeit kann etwa 25% bis etwa 10% der Klebestärke bei 25°C betragen. - Auf der Grundlage des Vorstehenden umfasst eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum reversiblen Kleben eines ersten Elements, welches dafür konfiguriert ist, während des Betriebs Wärme zu erzeugen, an ein zweites Element, welches dafür konfiguriert ist, die von dem ersten Element erzeugte Wärme abzuführen. Dementsprechend umfasst das Verfahren das Aufbringen eines Wärmegrenzflächenmaterials auf das erste Element und/oder das zweite Element, um eine Schicht eines Wärmegrenzflächenmaterials zu bilden, und das Anordnen der Schicht des Wärmegrenzflächenmaterials zwischen dem ersten Element und dem zweiten Element, um dadurch das erste Element und das zweite Element reversibel zu verbinden. Die vereinfachte Ausführungsform, die in
1 dargestellt ist, veranschaulicht eine TIM-1-Konfiguration des Chips12 und der Wärmesenke14 , die mit einer Schicht eines Wärmegrenzflächenmaterials16 der vorliegenden Erfindung aneinander geklebt sind. In ähnlicher Weise veranschaulicht die vereinfachte Ausführungsform, die in2 dargestellt ist, eine TIM-2-Konfiguration, bei welcher der Chip22 , der Wärmeverteiler24 und die Wärmesenke26 mit der ersten Schicht28 und der zweiten Schicht29 des Wärmegrenzflächenmaterials der vorliegenden Erfindung aneinander geklebt sind. - Wie vorstehend beschrieben, können die zusammengebauten Module
10 ,20 auf eine Einsetztemperatur der reversiblen Vernetzungsreaktion erwärmt werden, um den thermisch reversiblen Klebstoff zu härten. Alternativ kann das Wärmegrenzflächenmaterial, welches den thermisch reversiblen Klebstoff und den wärmeleitfähigen und elektrisch nicht leitfähigen Füllstoff aufweist, bei einer Temperatur nahe der Nachbearbeitungstemperatur auf das erste Element und/oder das zweite Element aufgebracht werden, wobei es nach dem Abkühlen in den vernetzten Zustand zurückkehrt. - Ferner ist bei Mikroelektronik-Herstellungsverfahren oft das Auseinanderbauen zusammengebauter Komponenten erforderlich. Typische Gründe umfassen das Durchführen diagnostischer Tests, um die Halbleitereinheit zu ersetzen oder zu reparieren oder um elektrisch gute Substrate aus Testträgern oder Benutzer-Hardware der Frühphase wiederzugewinnen, die verwendet wird, um die Produktleistung und -zuverlässigkeit vor der tatsächlichen Herausgabe des Produkts zu prüfen. Um dafür einen angeklebten Chip
12 von der Wärmesenke14 der1 zu entfernen, kann das zusammengebaute Modul10 auf oder über die Nachbearbeitungstemperatur erwärmt werden, bei welcher der reversible Klebstoff in einen im Wesentlichen unvernetzten Zustand zurückehrt und die Klebestärke des TIM verringert ist, um zu ermöglichen, dass der Chip12 von der Wärmesenke14 entfernt wird. Dementsprechend kann das zusammengebaute Modul auf eine Temperatur von ungefähr 200°C oder mehr, zum Beispiel etwa 250°C, erwärmt werden, um die Trennung des Chips12 und der Wärmesenke14 zu erleichtern. -
3 zeigt ein detaillierteres Beispiel eines typischen Einzelchipmoduls30 , welches einen Keramik-Chip-Träger oder ein Substrat32 mit einem Einzelchip34 aufweist, der durch Lötverbindungen35 befestigt ist, welche mit einem Füllpolymer36 verkapselt sind. Für die Wärmeabfuhr von der Funktionseinheit ist eine Schicht eines Wärmegrenzflächenmaterials38 (TIM) der vorliegenden Erfindung auf der Rückfläche des Chips34 angeordnet, und eine Metall-Wärmesenke40 ist mit dem TIM38 als Wärmegrenzfläche zum Ableiten von Wärme von dem Chip34 zu der Wärmesenke40 an den Chip34 geklebt. Die Wärmesenke40 kann ferner unter Verwendung von Verbindungselementen44 an einem Boden42 befestigt sein. -
4 zeigt ein herkömmliches Einzelchipmodul50 ähnlich wie in3 , zeigt jedoch außerdem eine Schutzkappe52 , welche mit einer Klebeverbindung53 an dem Substrat54 befestigt ist, und eine Wärmesenke56 ist mit einer Schicht eines TIM58 an der Schutzkappe52 befestigt. Die Schutzkappe52 steht über eine andere Schicht eines TIM62 auch mit dem Chip60 in Verbindung. Die beiden TIM-Schichten58 ,62 können die reversibel klebenden Wärmegrenzflächenmaterialien der vorliegenden Erfindung aufweisen, oder eine kann ein herkömmliches Material sein, z. B. ein leitfähiges Silikonpolymer, und die zweite kann eines der hierin offenbarten TIMs sein. - Somit können, wie in
3 und4 dargestellt, die zusammengebauten Module30 ,50 mehrere Übergänge, Verbindungen oder Komponenten aufweisen, welche unter der Kraft, die erforderlich ist, um die Klebestärke oder Haftfestigkeit einer typischen wärmehärtbaren Klebstoffzusammensetzung zu überwinden, zerbrechen könnten. Die Wärmegrenzflächenmaterialien der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bieten jedoch wünschenswerte Klebestärken, um die zusammengebauten Module unter ihren normalen Betriebsbedingungen in ihren eingesetzten Positionen zu halten, während ein Mechanismus bereitgestellt wird, um die Haftfestigkeit deutlich zu verringern, wenn dies erforderlich ist. Dementsprechend wird ein praktisches Nachbearbeitungsverfahren für verschiedene Komponentenflächen/Grenzflächen bereitgestellt, an welchen die Materialien kleben. Ferner sorgen diese verbesserten Wärmegrenzflächenmaterialien (TIMs) für eine effiziente Wärmeabfuhr von Einheiten mit hoher Leistungsdichte, während die erforderliche elektrische Isolierung bewahrt wird. - Obwohl die vorliegende Erfindung durch die Beschreibung einer oder mehrerer Ausführungsformen derselben veranschaulicht worden ist, und obwohl die Ausführungsformen recht detailliert beschrieben worden sind, sollen sie den Umfang der anhängenden Patentansprüche nicht begrenzen oder in irgendeiner Weise auf solche Einzelheiten beschränken. Weitere Vorteile und Modifikationen sind dem Fachmann schnell ersichtlich. Die Erfindung in ihren weiteren Erscheinungsformen ist daher nicht auf die speziellen Einzelheiten, repräsentativen Produkte und/oder Verfahren und Beispiele beschränkt, die dargestellt und beschrieben sind. Die verschiedenen Merkmale der hierin beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen können in beliebiger Kombination angewendet werden. Dementsprechend kann von solchen Details abgewichen werden, ohne vom Umfang des allgemeinen erfinderischen Konzepts abzuweichen.
Claims (20)
- Wärmegrenzflächenmaterial, aufweisend: einen thermisch reversiblen Klebstoff, wobei der thermisch reversible Klebstoff aufweist: ein Polymer, welches mehrere einer ersten funktionellen Gruppe enthält; und ein Vernetzungsmittel, welches mehrere einer zweiten funktionellen Gruppe enthält, wobei die erste funktionelle Gruppe und die zweite funktionelle Gruppe komplementäre Reaktionspartner einer reversiblen Vernetzungsreaktion sind; und einen wärmeleitfähigen und elektrisch nicht leitfähigen Füllstoff, wobei das Wärmegrenzflächenmaterial eine Menge des Füllstoffs aufweist, welche für eine Wärmeleitfähigkeit von 0,2 W/m-K oder mehr und einen spezifischen elektrischen Widerstand von 9 × 1011 Ohm-cm oder mehr sorgt.
- Wärmegrenzflächenmaterial nach Anspruch 1, wobei das Polymer aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Acrylpolymeren, Epoxiden, Fluorpolymeren, Imiden, Methacrylaten, Polyacrylaten, Polyamiden, Polybutadienen, Polycarbonaten, Polyestern, Polypropylenen, Polyurethanen, Polyvinylchlorid, Siloxanen und Kombinationen dieser besteht.
- Wärmegrenzflächenmaterial nach Anspruch 1 oder 2, wobei die mehreren der ersten funktionellen Gruppe über eine Stickstoff, Sauerstoff oder Schwefel enthaltende Gruppe kovalent an das Polymer gebunden sind.
- Wärmegrenzflächenmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste funktionelle Gruppe eine Dien-Einheit ist, die über eine Stickstoff enthaltende Gruppe kovalent an das Polymer gebunden ist.
- Wärmegrenzflächenmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Polymer ein Reaktionsprodukt eines Siloxanpolymers mit Aminofunktionalität und einer Furaneinheit aufweist.
- Wärmegrenzflächenmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite funktionelle Gruppe eine Dienophil-Einheit ist.
- Wärmegrenzflächenmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Vernetzungsmittel mehrere einer Maleimid-Einheit aufweist.
- Wärmegrenzflächenmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Vernetzungsmittel ein Bis(maleimido)alkan ist.
- Wärmegrenzflächenmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Füllstoff aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Bornitrid, Aluminiumnitrid und Aluminiumoxid besteht.
- Elektronische Baugruppe, aufweisend: ein erstes Element, welches dafür konfiguriert ist, während des Betriebs Wärme zu erzeugen; ein zweites Element, welches dafür konfiguriert ist, die von dem ersten Element erzeugte Wärme abzuführen; und eine Schicht eines Wärmegrenzflächenmaterials, welche zwischen dem ersten Element und dem zweiten Element angeordnet ist, wobei das Wärmegrenzflächenmaterial aufweist: einen thermisch reversiblen Klebstoff, wobei der thermisch reversible Klebstoff aufweist: ein Polymer, welches mehrere einer ersten funktionellen Gruppe enthält; und ein Vernetzungsmittel, welches mehrere einer zweiten funktionellen Gruppe enthält, wobei die erste funktionelle Gruppe und die zweite funktionelle Gruppe komplementäre Reaktionspartner einer reversiblen Vernetzungsreaktion sind; und einen wärmeleitfähigen und elektrisch nicht leitfähigen Füllstoff, wobei das Wärmegrenzflächenmaterial eine Menge des Füllstoffs aufweist, welche für eine Wärmeleitfähigkeit von 0,2 W/m-K oder mehr und einen spezifischen elektrischen Widerstand von 9 × 1011 Ohm-cm oder mehr sorgt.
- Elektronische Baugruppe nach Anspruch 10, wobei das Polymer aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Acrylpolymeren, Epoxiden, Fluorpolymeren, Imiden, Methacrylaten, Polyacrylaten, Polyamiden, Polybutadienen, Polycarbonaten, Polyestern, Polypropylenen, Polyurethanen, Polyvinylchlorid, Siloxanen und Kombinationen dieser besteht.
- Elektronische Baugruppe nach Anspruch 10 oder 11, wobei die mehreren der ersten funktionellen Gruppe über eine Stickstoff, Sauerstoff oder Schwefel enthaltende Gruppe kovalent an das Polymer gebunden sind.
- Elektronische Baugruppe nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei die erste funktionelle Gruppe eine Dien-Einheit ist, die über eine Stickstoff enthaltende Gruppe kovalent an das Polymer gebunden ist.
- Elektronische Baugruppe nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei das Polymer ein Reaktionsprodukt eines Siloxanpolymers mit Aminofunktionalität und einer Furaneinheit aufweist.
- Elektronische Baugruppe nach einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei die zweite funktionelle Gruppe eine Dienophil-Einheit ist.
- Elektronische Baugruppe nach einem der Ansprüche 10 bis 15, wobei das Vernetzungsmittel mehrere einer Maleimid-Einheit aufweist.
- Elektronische Baugruppe nach einem der Ansprüche 10 bis 16, wobei das Vernetzungsmittel ein Bis(maleimido)alkan ist.
- Elektronische Baugruppe nach einem der Ansprüche 10 bis 17, wobei der Füllstoff aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Bornitrid, Aluminiumnitrid und Aluminiumoxid besteht.
- Verfahren zur Herstellung einer Wärmegrenzfläche zwischen einem ersten Element, welches dafür konfiguriert ist, während des Betriebs Wärme zu erzeugen, und einem zweiten Element, welches dafür konfiguriert ist, die von dem ersten Element erzeugte Wärme abzuführen, das Verfahren aufweisend: Aufbringen eines Wärmegrenzflächenmaterials auf das erste Element und/oder das zweite Element, um eine Schicht eines Wärmegrenzflächenmaterials zu bilden, wobei das Wärmegrenzflächenmaterial einen thermisch reversiblen Klebstoff und einen wärmeleitfähigen und elektrisch nicht leitfähigen Füllstoff aufweist; wobei der thermisch reversible Klebstoff aufweist: ein Polymer, welches mehrere einer ersten funktionellen Gruppe enthält; und ein Vernetzungsmittel, welches mehrere einer zweiten funktionellen Gruppe enthält, wobei die erste funktionelle Gruppe und die zweite funktionelle Gruppe komplementäre Reaktionspartner einer reversiblen Vernetzungsreaktion sind; und Anordnen der Schicht des Wärmegrenzflächenmaterials zwischen dem ersten Element und dem zweiten Element, um dadurch das erste Element und das zweite Element reversibel zu verbinden, wobei das Wärmegrenzflächenmaterial durch eine Wärmeleitfähigkeit von 0,2 W/m-K oder mehr und einen spezifischen elektrischen Widerstand von 9 × 1011 Ohm-cm oder mehr gekennzeichnet ist.
- Verfahren nach Anspruch 19, ferner aufweisend: Erwärmen des Wärmegrenzflächenmaterials ein erstes Mal auf eine Einsetztemperatur, die ausreicht, um die reversible Vernetzungsreaktion zu bewirken, um dadurch dass Polymer zu vernetzen; Erwärmen des Wärmegrenzflächenmaterials ein zweites Mal auf eine Nachbearbeitungstemperatur, die ausreicht, um das Polymer in einen im Wesentlichen unvernetzten Zustand zurückzubringen; und Trennen des ersten Elements von dem zweiten Element.
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