DE202004017339U1 - Heat conducting paste for joining electronic components in a computer chip contains a filler based on graphite powder and a matrix material based on oil, grease or wax - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmeleitpaste, insbesondere eine Wärmeleitpaste aus Graphit mit biologisch abbaubarer Matrix. Die Paste wird zur Herstellung einer Wärme leitenden Verbindung zwischen einem elektronischen Bauteil, wie zum Beispiel einem Computerchip, oder einem elektrischen Bauteil, wie einem Leistungshalbleiter, und einem Kühlsystem verwendet.The The present invention relates to a thermal grease, in particular a thermal grease graphite with biodegradable matrix. The paste becomes the Producing a heat conductive connection between an electronic component, such as Example, a computer chip, or an electrical component, such as a power semiconductor, and a cooling system used.
Elektronische Geräte produzieren aus einem Teil der ihnen zugeführten Elektroenergie Verlustwärme, welche zur Verhinderung von Ausfällen der elektronischen Komponenten abgeführt werden muss. Insbesondere für Computer ist es notwendig, die Verlustwärme der Central Processing Unit (CPU) abzuführen.electronic equipment produce heat loss from a part of the electric energy supplied to them to prevent failures the electronic components must be dissipated. Especially for computers it is necessary the heat loss the Central Processing Unit (CPU).
Nach heutigem Stand der Technik erzeugt eine CPU in einem handelsüblichen Personalcomputer 50 bis 120 Watt Verlustleistung, welche als Wärme abgeführt werden muss. Allerdings ist bei zukünftigen Prozessorgenerationen mit einer Verlustleistung größer als 120 W zu rechnen. Um ein Funktionieren der CPU zu gewährleisten, ist es in Abhängigkeit des Prozessortyps erforderlich, die Temperatur an der CPU auf Temperaturen von maximal rund 60 °C durch Kühlung zu begrenzen. Neben der CPU befinden sich in einem komplexen elektronischen Gerät, wie einem Personalcomputer, weitere Komponenten, deren maximale Arbeitstemperatur ebenfalls nach oben begrenzt ist. Zu diesen gehören Grafikkarten sowie Speicherchipsätze als signifikante Verlustwärmequelle.To Today's technology produces a CPU in a commercial Personal computer 50 to 120 watts of power loss, which are dissipated as heat got to. However, at future Processor generations with a power loss greater than 120 W to count. To ensure the functioning of the CPU, it is dependent the processor type required, the temperature at the CPU to temperatures of a maximum of around 60 ° C by cooling to limit. In addition to the CPU are in a complex electronic Device, like a personal computer, other components whose maximum Working temperature is also limited upwards. These include graphics cards as well as memory chip sets as a significant source of heat loss.
Allgemein bekannt sind Vorrichtungen zur Kühlung von elektronischen Bauelementen, insbesondere von CPUs, durch Kombinationen von Kühlkörpern und geeigneten Lüftern.Generally Devices are known for cooling of electronic components, in particular of CPUs, by combinations of heat sinks and suitable fans.
Aber auch in vielen anderen elektrischen Geräten des täglichen Bedarfs wie etwa bei der Kfz-Elektronik, Waschmaschinen, Geschirrspüler, Geräte mit Regelelektronik wie Bohrmaschinen usw., Radio, Fernseher, Maschinensteuerungen, Spannungssteller im Kraftwerk, Windgeneratoren oder Solaranlagen müssen elektronischen oder elektrische Bauteile gekühlt werden. Auch in diesen Fällen wird Wärmeleitpaste zum Ausgleich von Unebenheiten der Oberflächen zwischen einem Halbleiter oder Leistungshalbleiter und Kühlkörper oder Wärmetransportsystem eingesetzt.But Also in many other electrical appliances for daily needs such as the automotive electronics, washing machines, dishwashers, devices with control electronics such Drills, etc., radio, television, machine controls, voltage regulators in the power station, wind generators or solar panels need electronic or electrical components cooled become. Even in these cases becomes thermal paste to compensate for unevenness of the surfaces between a semiconductor or power semiconductors and heatsinks or Heat transport system used.
Damit die Kühlung effektiv ausgeführt werden kann, muss die Verbindung von dem zu kühlenden elektronischen Bauteil zum Kühlsystem eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzen. Daneben sind auch bestimmte, in jeder elektronischen Baueinheit vorhandene, Herstellungstoleranzen ausgleichen. Bei der Montage von Chips mit Hilfe der sogenannten Schaltverbindungstechnik mit gesteuerter Anbindung treten auf Grund von Schwankungen der Größe und Form der zum Verbinden eines Chips mit einer Leiterplatte verwendeten Lötknötchengruppen beträchtliche Schwankungen der Chiphöhe und -neigung gegenüber der Leiterplatte auf. Die elektrischen Anschlüsse der Chips sind sehr zerbrechlich, und die wärmeleitende Verbindung muss ein bestimmtes Maß an unterschiedlicher Bewegung der einzelnen, eine elektrische Systemgruppe bildenden Chips zulassen. Ebenso führen Herstellungstoleranzen zu unterschiedlich großen Abständen zwischen Chip und Kühlsystem. Zusätzlich gibt es topographische Unebenheiten, wie etwa in elektronischen Bauteilen eingravierte Kennzeichen, zu überbrücken. Ähnliche Anforderungen gibt es auch bei anderen zu kühlenden Bauteilen.In order to the cooling executed effectively can be, must the connection of the electronic component to be cooled to the cooling system a high thermal conductivity have. In addition, certain, existing in each electronic module, Balance manufacturing tolerances. When mounting chips with Help the so-called switching connection technology with controlled connection occur due to variations in the size and shape of the join of a chip with a printed circuit board used Lötknötchengruppen considerable Fluctuations in the chip height and inclination towards the circuit board. The electrical connections of the chips are very fragile, and the thermally conductive Connection needs a certain amount of different movement allow the individual, forming an electrical system group chips. Likewise lead Manufacturing tolerances for different distances between chip and cooling system. additionally there are topographical bumps, such as in electronic Components engraved markings to bridge. Similar requirements exist it also with others to be cooled Components.
Die Kombination geometrischer Variationen und Toleranzen steht dem Ziel entgegen, eine gute Wärmeleitung mittels einer sehr dünnen Schicht Paste zwischen bestimmten Bauteilen und dem Kühlsystem zu erreichen. Trotz der anzutreffenden Schwierigkeiten ist eine gute Wärmeleitung immer noch erreichbar, wenn eine Paste mit guter Wärmeleitfähigkeit verwendet wird. Eine solche Paste wird im Allgemeinen bei Raumtemperatur auf die Oberfläche des zu kühlenden elektronischen Bauteils aufgebracht, woraufhin das Kühlsystem aufgesetzt wird.The Combination of geometric variations and tolerances is the goal contrary, a good heat conduction by means of a very thin Layer paste between specific components and the cooling system to reach. Despite the difficulties encountered, one is good heat conduction still achievable if a paste with good thermal conductivity is used. Such a paste is generally at room temperature on the surface to be cooled applied to the electronic component, whereupon the cooling system is put on.
Der Einsatz bekannter, herkömmlicher Wärmeleitpaste hat zu mäßig guter Wärmeübertragung geführt. Eine üblicherweise eingesetzte Paste enthält ein Gemisch von Zinkoxid in Mineralöl oder Silikonöl. Solche Pasten besitzen eine Wärmeleitfähigkeits-Obergrenze von 1 W/mK. Eine etwas verbesserte Wärmeleitpaste enthält als wärmeleitfähige Komponente Aluminiumoxid und weist eine maximale Wärmeleitfähigkeit von 2 W/mK auf. Solche Pasten mit geringer Wärmeleitfähigkeit sind jedoch den Anforderungen für neue Computergenerationen mit noch höherer Integrationsdichte bei gleichzeitig erhöhter Prozessorleistung oder von moderner Leistungselektronik in zunehmendem Maße nicht gewachsen.Of the Use of known, conventional Thermal Compounds has to moderately good Heat transfer led. A usual used paste contains Mixture of zinc oxide in mineral oil or silicone oil. Such Pastes have a thermal conductivity upper limit from 1 W / mK. A slightly improved thermal paste contains as a thermally conductive component Alumina and has a maximum thermal conductivity of 2 W / mK. Such Pastes with low thermal conductivity However, the requirements for new computer generations with even higher integration density at the same time increased Processor performance or of modern power electronics in increasing Not measurements grown.
In
Es gibt im Handel auch Wärmeleitpasten, die mit Partikeln aus Metallen gefüllt sind, die eine besonders hohe Wärmeleitfähigkeit besitzen. Dazu gehören vor allem Kupfer, Aluminium und Silber. Silberbasierende Pasten erreichen Wärmeleitfähigkeiten von bis zu 9 W/mK, sind jedoch sehr teuer und besitzen ein allergenes Potential. Daneben ist die Langzeitwirkung von auf Metall basierenden Pasten umstritten, da diese Metalle eine gewisse Duktilität aufweisen, also bei erhöhten Temperaturen und Druck fließen, und somit der wärmeleitfähige Kontakt im Laufe der Zeit abnehmen kann.It are also commercially available thermal paste, which are filled with particles of metals, which are a special high thermal conductivity have. This includes especially copper, aluminum and silver. Silver based pastes achieve thermal conductivities of up to 9 W / mK, but are very expensive and have an allergenic Potential. In addition, the long-term effect of metal-based Pastes are controversial, since these metals have a certain ductility, So at elevated Temperatures and pressure flow, and thus the thermally conductive contact can decrease over time.
Wärmeleitpasten werden nicht nur in der Computerindustrie, sondern auch oft von Bastlern eingesetzt, welche die Kühlsysteme von Computern verbessern, um beispielsweise die Prozessorleistung erhöhen zu können. Da für diese Zwecke die Pasten in der Regel in nicht wieder verschließbaren Spritzen geliefert werden, wird der nicht verbrauchte Rest der Paste weggeworfen, wodurch gewisse Mengen an giftigen Metallen und Metallverbindungen unkontrolliert in die Umwelt gelangen. Für die verschiedenen anderen Anwendungen in der Elektronikbranche werden oft nicht unerhebliche Mengen Wärmeleitpaste eingesetzt, die beim Recycling der Geräte zu zusätzlichen Reinigungsprozessen führen können.Thermal Greases not only in the computer industry, but also often by Hobbyists who improve the cooling systems of computers, for example, to increase processor performance. Because for these purposes the pastes in usually delivered in non-resealable syringes, The unused remainder of the paste is thrown away, causing certain Amounts of toxic metals and metal compounds uncontrolled get into the environment. For the various other applications in the electronics industry will be often not insignificant amounts of thermal grease used in recycling the equipment to additional cleaning processes to lead can.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Wärmeleitpaste bereitzustellen, welche durch ihre Wärmeleitfähigkeit von mehr als 5 W/mK auch die Anforderungen für moderne Elektronik erfüllt, keine Duktilität aufweist und damit langzeitstabil ist, preiswert herzustellen sowie ungiftig und biologisch abbaubar ist.The Object of the present invention is to provide a thermal paste to provide, which by their thermal conductivity of more than 5 W / mK also the requirements for meets modern electronics, no ductility has and therefore long-term stability, inexpensive to manufacture and non-toxic and biodegradable.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine Wärmeleitpaste bereitgestellt wird, welche auf Basis von Graphitpulver und pflanzlichen und/ oder tierischen Ölen und/oder Fetten hergestellt wird.These Task is inventively characterized solved, that a thermal grease which is based on graphite powder and vegetable and / or animal oils and / or fats is produced.
Graphit hat eine Dichte im Bereich von 1,0 g/cm3 bei verpresstem Flockengraphit bis zu 1,9 g/cm3 bei synthetischem Graphit und ist damit wesentlich leichter als Metall. Die Wärmeleitfähigkeit kann bei synthetischem Graphit über 100 W/mK und bei Naturgraphit in der Graphitschichtebene mehr als 400 W/mK betragen. Dadurch bietet Graphit eine auf das Gewicht bezogene höhere Wärmeleitfähigkeit als Metalle.Graphite has a density in the range of 1.0 g / cm 3 in compressed flake graphite up to 1.9 g / cm 3 in synthetic graphite and is therefore much lighter than metal. The thermal conductivity can be more than 100 W / mK for synthetic graphite and more than 400 W / mK for natural graphite in the graphite layer. As a result, graphite offers a higher weight-related thermal conductivity than metals.
Desweiteren ist Graphit ein keramisches Material, welches nicht die bei Metallen bekannte Duktilität bzw. Kriechverhalten aufweist. Vielmehr besitzt Graphit eine gewisse Kompressibilität, welche fast unabhängig von der Temperatur ist und mit erhöhtem Druck stark abnimmt. Diese Eigenschaft mach Graphit zu einem beliebten Material für Dichtungen die unter anderem unter dem Markennamen ®SIGRAFLEX vertrieben werden. Dieses Phänomen lässt sich dadurch erklären, dass mit zunehmenden Druck auf den Graphit die Gitterabstände zwischen den einzelnen Graphitschichten verringert werden, wobei als Gegenkraft die atomaren Abstoßungskräfte zwischen den Graphitschichten zunehmen. Ein solches Verhalten ist bei der Vorstufe des Graphits, dem Kohlenstoff, kaum ausgeprägt, da hier die graphitischen Gitterstrukturen nur ansatzweise vorhanden sind. Diese bilden sich erst bei der Graphitierung aus, welche allgemein mit einem Erhitzen von Kohlenstoff unter Luftabschluss auf über 2500 °C verbunden ist. Synthetischer Graphit wird so aus Koks hergestellt, welcher aus dem Steinkohlebergbau oder der Erdölindustrie entstammt. Daneben gibt es noch Naturgraphit, welcher über Jahrmillionen prinzipiell über den gleichen Prozess entstanden ist. Naturgraphit ist plättchenförmig und etwas weicher als synthetischer Graphit. Aus Naturgraphit lässt sich auch sogenannter Flockgraphit erzeugen, aus welchem durch kalandrieren ®SIGRAFLEX-Dichtungen hergestellt werden.Furthermore, graphite is a ceramic material which does not have the metal-known ductility or creep behavior. Rather, graphite has a certain compressibility, which is almost independent of the temperature and decreases sharply with increased pressure. This feature makes graphite a popular material for gaskets sold under the brand name ® SIGRAFLEX. This phenomenon can be explained by the fact that with increasing pressure on the graphite, the lattice spacings between the individual graphite layers are reduced, with the atomic repulsive forces between the graphite layers increasing as a counterforce. Such a behavior is hardly pronounced in the precursor of graphite, the carbon, since here the graphitic lattice structures are only partially present. These form only in the graphitization, which is generally associated with a heating of carbon under exclusion of air to about 2500 ° C. Synthetic graphite is thus produced from coke, which originates from coal mining or the petroleum industry. In addition, there is still natural graphite, which has been created over millions of years in principle via the same process. Natural graphite is platelet-shaped and slightly softer than synthetic graphite. Natural graphite can also be used to produce so-called flock graphite, from which calendering ® SIGRAFLEX gaskets are produced.
Graphit ist chemisch und biologisch inert und lässt sich durch Verbrennung abbauen.graphite is chemically and biologically inert and can be burned dismantle.
Er kann durch verschiedene Mahlverfahren auf Körnungen von unter 10 μm gemahlen werden. Diese kleine Korngröße ist für die erfindunggemäße Paste notwendig, um topographische Unebenheiten an den elektronischen Bauteilen auszugleichen. Ausserdem wird durch die dichtere räumliche Packung der kleineren Graphitteilchen die Wärmeleitfähigkeit der Paste verbessert.He can be ground to a particle size of less than 10 μm by various grinding methods become. This small grain size is for the inventive paste necessary to topographical bumps on the electronic Compensate components. Moreover, the denser spatial Packing of smaller graphite particles improves the thermal conductivity of the paste.
Die feinkörnigem Pulver aus verschiedenen Graphittypen, also synthetischem Graphit, Naturgraphit oder Flockengraphit können auch miteinander kombiniert werden. Dadurch lässt sich vor allem die Kompressibilität der Paste in einem gewissen Maße modifizieren.The fine-grained Powders of different types of graphite, ie synthetic graphite, Natural graphite or flake graphite can also be combined with each other become. By doing so leaves especially the compressibility of the paste in a certain Modify dimensions.
Der Gesamtanteil des Graphitpulvers in der Paste kann zwischen 10 bis 80 Gew% liegen. Der hohe Anteil an Graphitpulver in der Paste ist dadurch möglich, dass sich die kleinen Pulverpartikel gut untereinander verschieben lassen, Graphit selber auch gute Gleiteigenschaften mitbringt und man eine Matrixflüssigkeit mit geringer Viskosität verwenden kann, da diese durch die Graphitpartikel wie ein Schwamm aufgesaugt wird.The total content of the graphite powder in the paste may be between 10 to 80% by weight. The high proportion of graphite powder in the paste is possible because the small powder particles can be shifted well with each other, graphite itself also good sliding properties bring and you can use a matrix liquid with low viscosity, as it is absorbed by the graphite particles like a sponge.
Die mit einer erfindungsgemäßen Paste erzielten Wärmeleitfähigkeiten liegen zwischen 5 und 9 W/mK und genügen damit den Anforderungen moderner Computer und erreichen den Wert der leitfähigsten kommerziell erhältlichen Wärmeleitpasten. Optional können einer erfindungsgemäßen Wärmeleitpaste noch Additive wie etwa Ruß, Carbonfasern, Carbon Nanotubes und/oder Metall- und Keramikpartikel zugesetzt werden, wobei aus Umweltschutzgründen bevorzugt auf letztere verzichtet wird. Diese Additive können die Wärmeleitfähigkeit und Verarbeitbarkeit der Paste noch weiter verbessern.The with a paste according to the invention achieved thermal conductivities are between 5 and 9 W / mK and thus meet the requirements modern computer and reach the value of the most conductive commercially available Thermal compounds. optional can a thermal compound according to the invention still additives, such as soot, Carbon fibers, carbon nanotubes and / or metal and ceramic particles be added, for environmental reasons, preferably on the latter is waived. These additives can improve the thermal conductivity and processability to improve the paste even further.
Als Matrixmaterialien kommen für eine erfindungsgemäßen Wärmeleitpaste bevorzugt biologisch abbaubare Naturstoffe zum Einsatz. Dazu gehören Öle und/ oder Fette pflanzlichen oder tierischen Ursprungs wie etwa Rapsöl, Lebertran, oder daraus hergestellten Stoffen wie etwa Stearin, sowie natürliche Wachse wie etwa Bienenwachs. Je nach gewünschter Konsistenz der Wärmeleitpaste können die Matrixmaterialien miteinander kombiniert werden. Diese können auch noch verschiedene Additive enthalten, welche die Verarbeitbarkeit und/ oder Beständigkeit der Paste verbessern.When Matrix materials come for a thermal compound according to the invention preferably biodegradable natural substances are used. These include oils and / or fats of vegetable or animal origin such as rapeseed oil, cod liver oil, or derived substances such as stearin, as well as natural waxes like beeswax. Depending on the desired consistency of the thermal compound can they Matrix materials are combined. These can too still contain various additives which the processability and / or durability improve the paste.
Es können optional auch synthetische Öle, Fette oder Wachse, wie etwa Paraffin beigemischt werden, wobei aus Umweltschutzgründen bevorzugt auf letztere verzichtet wird.It can optional also synthetic oils, fats or waxes such as paraffin, preferably for environmental reasons the latter is omitted.
Erfindungsgemäße Pasten lassen sich des weiteren rückstandsfrei durch geeignete Reinigungsmittel von elektronischen Bauteilen oder anderen Substraten entfernen. Für die Herstellung von erfindungsgemäßen Wärmeleitpasten wird in einer Variante zunächst der feste Füllstoff aus Graphit durch Mahlen und gegebenenfalls Mischen mit Additiven, wie etwa Ruß, bereitgestellt und dann mit dem Matrixmaterial vermischt. Dies kann je nach für die Vermischung erforderlicher Viskosität des Matrixmaterials auch bei leicht erhöhter Temperatur von maximal 50 °C erfolgen.Pastes of the invention can also be left without residue by suitable cleaning agents of electronic components or remove other substrates. For the production of thermal compounds according to the invention is in a Variant first the solid filler from graphite by grinding and optionally mixing with additives, such as like soot, and then mixed with the matrix material. This can depending on for the mixing of required viscosity of the matrix material also at slightly elevated Temperature of maximum 50 ° C respectively.
In einer weiteren Variante werden die Füllstoffadditive, wie etwa Ruß, zunächst dem Matrixmaterial beigemischt. In diese Mischung wird dann das Graphitpulver gegeben. Die Vermischung erfolgt über bekannte Mischverfahren, wobei die Extrusion bevorzugt wird.In In another variant, the filler additives, such as carbon black, are first added to the Mixed matrix material. In this mixture is then the graphite powder given. The mixing takes place via known mixing methods, the extrusion being preferred.
Die fertigen Pasten lassen sich mit bekannten Verfahren in die herkömmlichen Behältnisse für Wärmeleitpasten, wie etwa Kunststoffspritzen, abpacken.The finished pastes can be prepared by conventional methods in the conventional containers for thermal compounds, such as plastic syringes, pack.
Die so hergestellten Wärmeleitpasten wurden erfolgreich für die Kühlung verschiedener elektronischer Bauteile in Computern und anderen elektronischen Geräten eingesetzt.The so produced thermal paste have been successful for the cooling various electronic components in computers and other electronic devices used.
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