DE3871712T2 - Suspensionen und verwendung dieser suspensionen. - Google Patents
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft Suspensionen von Überzugmaterialien und insbesondere Überzugmaterialien, die als im wesentlichen gleichförmige, konforme Materialschichten auf Werkstücke aufgetragen werden können.
- Viele elektrische Komponenten setzen im Betriebszustand Wärme frei und für ein gutes Funktionieren der elektrischen Komponenten ist es erforderlich, die Wärme von den Komponenten zu entfernen. Als Mittel zum Durchführen dieses Wärmetransfers sind, insbesondere für kleine elektrische Module, beispielsweise solche, die integrierte Chips enthalten, thermisch leitende Fette oder radiale Kontakte in Fingerform vorgeschlagen worden, die die Wärme von dem Chip zu der den Chip schützenden Kappe ableiten.
- Integrierte Module weisen im allgemeinen einen Kappenteil zum Schutz des integrierten Chips auf. Eine typische Darstellung eines integrierten Moduls geht z.B. aus U.S. Patent 4,233,620 von Darrow et al. hervor, das auf den Anmelder der vorliegenden Anmeldung übertragen wurde, dessen Lehre hier herangezogen wird.
- Um das Entfernen von Wärme von dem integrierten Chip zu erleichtern, kann ein thermisch leitendes Fett zwischen dem integrierten Chip und der Kappe aufgebracht werden. Das thermisch leitende Fett ist normalerweise in direktem Kontakt mit dem/den integrierten Chip (S) und der Kappe. Von dem integrierten Chip während des Betriebs freigesetzte Wärme wird von dem integrierten Chip durch das Fett zu der Modulkappe geleitet; anschließend wird sie an die Umgebung abgegeben.
- Thermisch leitende Fette zu diesem Zweck sind wohlbekannt und enthalten typischerweise ein flüssiges Trägermaterial und ein thermisches Füllmaterial, um die Wärmeleitung zu erhöhen. Zusätzlich können weitere Bestandteile für besondere Zwecke, wie das Eindicken des Fetts oder das Entfernen von Feuchtigkeit aus dem Fett zugegeben werden.
- Ein verbessertes thixotropes thermisch leitendes Material wird in U.S. Patent 4,265,775 von Aakalu et. al., das auf den Anmelder der vorliegenden Anmeldung übertragen wurde, beschrieben, dessen Lehre hier herangezogen wird. Die darin beschriebenen thermisch leitenden Materialien vermeiden eine Anzahl von Problemen, die bei früheren Fetten auftraten. Obwohl das thixotrope, thermisch leitende Material, das in U.S. Patent 4,265,775 beschrieben wird, für den angegebenen Zweck relativ gut geeignet ist, ist dieses Material aufgrund seiner Viskosität und seiner hohen Haft- und Bindekräfte sehr schwierig aufzubringen. Insbesondere werden diese Fette normalerweise in relativ dicken Schichten auf das elektronische Bauteil aufgetragen, wodurch die Fertigung der Module erschwert wird und in manchen Fällen beim Auftragen auf den Chip dieser beschädigt wird.
- Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Suspension zu schaffen, die in dünnen konformen Schichten auf Werkstücke aufgetragen werden kann.
- Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Suspension zu schaffen, die auf Werkstücke mit einer unregelmäßigen Oberfläche aufgetragen werden kann.
- Es ist noch eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine Suspension zu schaffen, die auf ein elektrisches Bauteil aufgetragen werden kann, das einen integrierten Chip aufweist.
- Es ist auch Aufgabe der Erfindung, eine Suspension zu schaffen, die in eine Schicht umgewandelt werden kann, die die Kühlfähigkeit elektrischer Bauteile erhöht.
- Es ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, um auf einfache und wirtschaftliche Weise dünne und konforme Schichten solcher Suspensionen auf Werkstücken herzustellen.
- Diese Aufgaben werden durch eine Suspension gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 4 gelöst.
- Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Verbindung geschaffen, die in relativ dünnen Schichten und auf unregelmäßige Oberflächen aufgetragen werden kann. Desweiteren ist es nunmehr möglich, relativ dünne Schichten zu verwenden, da die Verbindungen gemäß der vorliegenden Erfindung in relativ dünnen Schichten auf die erwünschten Grenzflächen unter Vermeidung eines übermäßigen Fettvolumens aufgetragen werden kann, wodurch die aus dem Stand der Technik bekannten, deutlich größeren, Fertigungsprobleme vermieden werden. Desweiteren ermöglicht die vorliegende Erfindung das Beschichten unregelmäßiger Oberflächen und dies ohne mechanischen Schaden an den beschichteten Oberflächen hervorzurufen. Außerdem erleichtert die vorliegende Erfindung das Auftragen des Beschichtungsmaterials ohne Änderung der chemischen und physikalischen Eigenschaften der Grundverbindung, die die Veränderungen nicht enthält, die Bestandteil dieser Erfindung sind.
- Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung das Auftragen einer im wesentlichen gleichförmigen, konformen Materialschicht auf ein Werkstück.
- Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Suspension und des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen beschrieben.
- Die Erfindung wird anhand der folgenden detaillierten Beschreibung verdeutlicht, die in Verbindung mit der Zeichnung zu betrachten ist.
- Die Zeichnung zeigt in einer schematischen, geschnittenen Darstellung ein mit einer Kappe versehenes elektronisches Bauteil, in dem ein thermisch leitendes Fett gemäß der vorliegenden Erfindung für einen effektiven Wärmeaustausch zwischen einem Chip und der Kappe sorgt.
- Gemäß der vorliegenden Erfindung hat es sich gezeigt, daß die Zugabe eines polaren organischen Lösungsmittels zu einem Material mit Wasserstoffbindungen und vorbestimmten physikalischen und chemischen Eigenschaften in überwiegend festem Zustand die Wasserstoffbindungen bricht und die Verbindung verflüssigt, um deren Auftragen auf ein Werkstück zu erleichtern. Überwiegend fester Zustand bedeutet Material in einem pastenförmigen oder fettförmigen Zustand mit relativ hohem Packungsanteil an Feststoffen. Nach Verdampfen des polaren organischen Lösungsmittels wird die ursprüngliche Struktur des Materials mit seinen physikalischen und chemischen Eigenschaften erhalten. Als bevorzugte polare organische Lösungsmittel gemäß der Erfindung werden chlorierte Kohlenwasserstoffe verwendet, beispielsweise Methylchloroform (1,1,1-trichloroethan) und Methylenchlorid. In der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung löst das Lösungsmittel das flüssige siliziumorganische Trägermaterial des Fettes.
- Das gemäß der Erfindung verwendete Überzugmaterial ist vorzugsweise thixotropes, thermisch leitendes Material, wie ein thermisch leitendes Fett des in U.S. Patent 4,265,775 beschriebenen Typs, auf dessen technische Lehre hier zurückgegriffen wird. Insbesondere umfaßt das thixotrope, thermisch leitende Material ein flüssiges siliziumorganisches Trägermaterial, im wesentlichen kugelförmiges Siliziumoxid in einer ausreichenden Menge, um das Auslaufen des flüssigen Trägermaterials zu vermeiden, sowie ein thermisches Füllpulver.
- Das flüssige siliziumorganische Trägermaterial sollte auch über längere Zeiträume nicht austrocknen, das thermische Füllpulver und die Siliziumoxidpartikel ohne Trennung halten, sowie chemisch inert sein. Im Allgemeinen hat die flüssige siliziumorgansiche Verbindung eine Viskosität von etwa 10 centistokes bis etwa 50.000 centistokes bei etwa 25ºC und überlicherweise hat die flüssige siliziumorganische Verbindung eine Viskosität von etwa 20 centistokes bis etwa 1000 centistokes bei 25ºC.
- Beispiele einiger spezifischer flüssiger siliziumorgansicher Verbindungen, die für die vorliegende Erfindung geeignet sind, sind die flüssigen Organo- Polysiloxane gemäß der folgenden Formel:
- RnSiO4-n/2
- wobei R ein Alkylradikal mit bis zu 22 Kohlenstoffatomen, ein Zykloalkylradikal mit 5 bis 7 Kohlenstoffatomen im Ring, einkernige und zweikernige Arylradikale, einkernige Radikale mit Aryl- und kurzkettigem Alkylrest, Radikale mit Zyano- und kurzkettigem Alkylrest und kurzkettige Alkenylradikale von etwa 2 bis etwa 8 Kohlenstoffatomen sein kann und n einen Wert von 2 bis 3 hat. Solche Organopolysiloxane sind in U.S. Patent 3,882,033 durch Wright beschrieben, dessen technische Lehre hier aufgenommen wird.
- Ein typisches Beispiel für ein flüssiges siliziumorganisches Material, wie es gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird, ist ein Polydimethylsiloxan mit einer Viskosität von etwa 100 centistokes bei 25ºC, das im Handel bei Dow Corning unter der Handelsbezeichnung DC200 erhältlich ist.
- Zusätzlich kann, falls erwünscht, ein konventionelles Benetzungsmittel benutzt werden, um die Menge an thermischem Füllpulver zu erhöhen. Das Benetzungsmittel kann aus den üblichen, dem Fachmann bekannten, ausgewählt werden.
- Zum Beispiel können konventionelle anionische, katonische oder nicht ionische Benetzungsmittel verwendet werden, wobei typische Beispiele Tergitol NR27 (nicht ionisch), Tergitol NR7 (anionisch) und Triton X-100 (katonisch) sind. Falls verwendet, beträgt die Menge an Benetzungsmittel üblicherweise weniger als etwa 5 Volumenprozent des Beschichtungsmaterials. Die Verwendung von Benetzungsmitteln oder oberflächenaktiven Mitteln erleichtert auch das Mischen der Bestandteile des Überzugsmaterials.
- Die bevorzugten thermischen Fette, die gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden, umfassen ebenfalls Siliziumoxidfasern, die mehrheitlich üblicherweise etwa 0.01 um groß sind und im wesentlichen alle kleiner als 0.5 um sind. Die Fasern tendieren aufgrund ihrer extrem kleinen Partikelgrößen dazu, in etwa kugelförmig zu sein.
- Bei der Vorbereitung des Überzugsmaterials wird bevorzugt, daß die Siliziumoxidfasern zu dem flüssigen siliziumorganischen Material vor der Zugabe des thermischen Füllpulvers zugegeben werden. Die verwendeten Siliziumoxidfasern sind hochporös, haben einen Durchmesser von weniger als etwa 0.5 um und im allgemeinen sind mindestens etwa 80 Volumenprozent davon kleiner als 0.1 um. Der durchschnittliche Durchmesser der Siliziumoxidfasern ist im allgemeinen kleiner als etwa 0.1 um und vorzugsweise kleiner als 0.01 um. Die Verwendung der Siliziumoxidfasern wie in U.S. Patent 4,265,775 beschrieben, verhindert im wesentlichen das Auslaufen oder den Verlust des flüssigen siliziumorganischen Trägermaterials aus dem thermisch leitenden Fett.
- Das thermisch leitende Fett umfaßt auch ein thermisches Füllpulver. Das bevorzugte thermische Füllpulver ist Zinkoxid, besser noch als Dentrit oder in leicht länglicher Kugelform. Natürlich können Mischungen von thermischen Füllpulvern verwendet werden, falls dies erwünscht ist. Auch andere bekannte thermische Füllmaterialien können verwendet werden, falls dies erwünscht wird.
- Was die Größe des thermischen Füllpulvers betrifft, so gilt im allgemeinen, daß bei sinkender Größe die thermische Leitfähigkeit steigt, ohne daß andere Eigenschaften des thermisch leitenden Fettes beeinträchtigt würden. Bei Verwendung von Zinkoxid hat dieses üblicherweise eine Größe unter 1 um, wobei 99 % aller Partikel einen Durchschnittsdurchmesser von etwa 0.5 um oder weniger aufweisen.
- Das thermisch leitende Überzugmaterial enthält im allgemeinen etwa 15 bis etwa 60 Volumenprozent und vorzugsweise etwa 50 bis etwa 60 Volumenprozent an thermischen Füllpulver, von etwa 0.1 bis etwa 4 Volumenprozent an Siliziumoxidmaterial und im übrigen das flüssige siliziumorganische Trägermaterial.
- Die verwendete Menge an polarem organischen Lösungsmittel beträgt üblicherweise zwischen etwa 80 und etwa 40 Gewichtsprozent bezogen auf die Gesamtmenge an polarem organischen Lösungsmittel und Überzugmaterial und vorzugsweise etwa 50 Gewichtsprozent bezogen auf die Gesamtmenge an polarem organischen Lösungsmittel und Überzugmaterial.
- Gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das polare organische Lösungsmittel zu dem Überzugmaterial zugegeben, nachdem alle Bestandteile des Überzugmaterials miteinander vermischt wurden, um das erwünschte Überzugmaterial in seiner überwiegend festen Form herzustellen. Das polare organische Lösungsmittel kann bei Raumtemperaturen und Normaldruck zu dem Überzugmaterial zugegeben werden und wird heftig verrührt.
- Die bevorzugten thermischen Fette gemäß der vorliegenden Erfindung werden vorzugsweise wie in U.S. Patent 4,265,775 beschrieben zubereitet, indem die Siliziumoxidfasern zu dem flüssigen siliziumorganischen Material zugegeben werden und anschließend das thermische Füllpulver zugesetzt wird, so daß Ansätze mit einer geringstmöglichen Auslauftendenz erzeugt werden. Jedoch ist diese Abfolge von Verfahrensschritten nicht absolut notwendig, und die verschiedenen Bestandteile des thermisch leitenden Fettes können in jeder beliebigen Reihenfolge gemischt werden. Ebenso können das polare organische Lösungsmittel und die anderen Bestandteile des Überzugmaterials in jeder beliebigen Reihenfolge gemischt werden.
- Das Mischen kann mit jeden beliebigen Mischmittel erfolgen, welches natürlich nicht die Eigenschaften der Siliziumoxidfasern oder des thermischen Füllpulvers zerstören darf. Ein typisches Mischmittel, das verwendet werden kann, ist ein Mühle mit drei Rollen.
- Die Suspensionen gemäß der vorliegenden Erfindung sind leichter auf ein Werkstück aufzubringen als die thermisch leitenden Fette, aus denen die Suspensionen gebildet wurden. So kann die Filmdicke besser kontrolliert werden und deutlich dünner sein als die mit thermischen Fetten als solche erreichte. Zum Beispiel liegen typische Filmdicken, die mit Suspensionen gemäß der vorliegenden Erfindung erreicht wurden, zwischen etwa 12.7 um und etwa 2.54 mm. Die Durchschnittsdicke für normale Fette liegt zwischen etwa 304.8 bis etwa 381 um. Die Verbindungen können auf beliebige herkömmliche Weise aufgetragen werden, wie z.B. Eintauchen, Gießen, Sprayen oder Dispensieren z.B. aus einer Dispensiernadel.
- Nach dem Auftragen der Verbindungen auf das Werkstück wird das polare organische Lösungsmittel verdampfen. Normalerweise erfolgt das Verdampfen unter Raumbedingungen. Falls jedoch als Lösungsmittel Methylchloroform verwendet wird, können höhere Temperaturen bis zu etwa 65ºC verwendet werden, um das Entfernen des Methylchloroforms zu erleichtern. Ist das polare Lösungsmittel Methylenchlorid, können erhöhte Temperaturen bis etwa 35ºC verwendet werden, um seine Verdampfung zu erleichtern.
- Nach Verdampfung des polaren Lösungsmittels kehrt das Überzugmaterial in seinen überwiegend festen Zustand zurück, wobei es dieselben festgelegten physikalischen und chemischen Eigenschaften aufweist, als wenn das polare organische Lösungsmittel nicht vorhanden gewesen wäre. Dies ist insofern überraschend, als normalerweise bei Auflösen eines Materials in einem Lösungsmittel und Verdampfen des Lösungsmittels nicht die ursprüngliche Struktur des Materials erhalten wird.
- Die thermisch leitenden Fette sind von besonderem Interesse für Wärmetransferverwendungen bei elektronischen Komponenten in Systemen, wie in Fig. 1 dargestellt, wobei Bezugszeichen (17) für das Modul steht, Bezugszeichen (10) einen herkömmlichen IC-Chip darstellt, Bezugszeichen (11) Metallkontakte, die den Chip (10) mit dem Substrat (12), das leitende Stifte (13) aufweist, verbinden, bezeichnet. Eine Kappe (14) ist über dem Substrat (12) und dem IC-Chip (10) angebracht, das thermisch leitende Fett (15) liegt zwischen dem Chip (10) und der Kappe (14) in direktem Kontakt mit beiden.
- Anstatt weitgehend zwischen dem Chip (10) und der Kappe (14) zu liegen, kann das thermisch leitende Fett auch verwendet werden, um den Raum (16) und das Modul (17) zu füllen.
- Obwohl die Überzugmaterialien gemäß der vorliegenden Erfindung in ihrer besonderen Anwendung beim Kühlen von Bauteilen beschrieben wurden, ist ihre Verwendung nicht darauf beschränkt. Tatsächlich finden die Überzugmaterialien überall dort Anwendung, wo ein guter Wärmetransfer verlangt wird.
- Die folgenden, nicht beschränkenden Beispiele dienen dazu, die vorliegende Erfindung weiter darzustellen.
- Etwa 225.4 g Polydimethylsiloxan werden in einen geeigneten Behälter gefüllt. Das Polydimethylsiloxan kann analysenrein von Dow Corning unter der Handelsbezeichnung DC-200 erhalten werden und hat ein spezifisches Gewicht von etwa 0.97 bei 25ºC, eine Dielektrizitätskonstante von 2.5 KHz, eine dielektrische Festigkeit von 350 Volt pro Milliliter und eine Viskosität von 100 centistokes bei 25ºC.
- Etwa 4.6 g Siliziumoxidfasern, erhältlich unter der Handelsbezeichung M-5 Cab-O-Sil mit einer Größe von weniger als 0.5 um, wobei die Mehrheit unter 0.1 um liegt, mit einem Durchschnittsdurchmesser von etwa 0.01 um werden dann zusammen bei Raumtemperatur gemischt und darin gut verrührt.
- Nach gründlichem Verrühren werden etwa 1160 g Zinkoxidpulver beigemischt, um ein gleichförmiges thermisch leitendes Fett zu erhalten.
- Zu dem Fett wird Methylchloroform in einer Menge von etwa 50 % bezogen auf das Gesamtgewicht des Fettes und des Methylchloroforms zugegeben, um das Fett zu verflüssigen und eine kolloidale Suspension herzustellen. Die kolloidale Suspension wird dann auf ein integriertes Modul durch Dispensieren aus einer Dispensiernadel aufgebracht, und das Methylchloroform wird verdampft. Eine Filmdicke von etwa 101.6 um wird erreicht. Die physikalischen und chemischen Eigenschaften des Films sind die gleichen wie die physikalischen und chemischen Eigenschaften eines Films aus dem Fett ohne Methylchloroform.
- Es wird wie in Beispiel 1 vorgegangen, mit der Ausnahme, daß das verwendete Lösungsmittel Methylenchlorid ist. Die erreichten Ergebnisse gleichen denen von Beispiel 1. Obwohl die vorliegende Erfindung detailliert und mit Bezug auf besondere Ausführungsformen beschrieben wurde, ist dem Fachmann auf diesem Gebiet klar, daß zahlreiche Veränderungen und Anpassungen damit gemacht werden können, ohne von der technischen Lehre abzuweichen.
Claims (11)
1. Eine Suspension eines thermisch leitenden
Überzugmaterials, bestehend aus einem flüssigen
siliziumorganischen Trägermaterial, Siliziumoxid
in einer ausreichenden Menge, um das Auslaufen
des flüssigen Trägermaterials zu vermeiden, und
einem thermischen Füllpulver, dadurch
gekennzeichnet, daß das leitende Überzugmaterial in
Form einer Suspension in einem polaren organischen
Lösungsmittel vorliegt, nach dessen Verdampfung
das verbleibende, leitende Überzugmaterial
mindestens im wesentlichen die selben
physikalischen und chemischen Eigenschaften aufweist,
als wenn das polare organische Lösungsmittel
nicht vorhanden gewesen wäre.
2. Suspension gemäß Anspruch 1, wobei das thermisch
leitende Überzugmaterial ein thixotropes thermisch
leitendes Material ist, das aus einem flüssigen
siliziumorganischen Trägermaterial, im
wesentlichen kugelförmigem Siliziumoxid in einer
ausreichenden Menge, um das Auslaufen des flüssigen
Trägermaterials zu vermeiden, wobei das
Siliziumoxid im wesentlichen eine Größe unter 0.5 um
aufweist, und einem thermischen Füllmaterial,
vorzugsweise Zinkoxid, besteht.
3. Suspension gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das
polare organische Lösungsmittel ein chlorierter
Kohlenwasserstoff ist, vorzugsweise
Methylchloroform oder Metyhlenchlorid.
4. Verfahren zum Überziehen eines Werkstücks mit
einer im wesentlichen gleichförmigen, konformen
Materialschicht, das folgende Verfahrensschritte
aufweist:
a) Herstellen einer Suspension aus einem
Überzugmaterial gemäß einem der Ansprüche 1 - 3,
das in Pastenform Wasserstoffbindungen und
festgelegte physikalische und chemische
Eigenschaften aufweist, in einem polaren
organischen Lösungsmittel, das in der Lage
ist, die Wasserstoffbindungen zu brechen und
das Material in die Flüssigphase
überzuführen;
b) Auftragen der Suspension auf ein Werkstück,
um das Werkstück konform zu überziehen; und
c) Verdampfen des polaren organischen
Lösungsmittels, so daß das Material in seinem
vorwiegend festen Zustand vorliegt und
zumindestens im wesentlichen seine
festgelegten physikalischen und chemischen
Eigenschaften aufweist.
5. Verfahren gemäß Anspruch 4, wobei das
Überzugmaterial ein Silikonpolymer umfaßt.
6. Verfahren gemäß Anspruch 4 oder 5, wobei das
polare Lösungsmittel ein chlorierter
Kohlenwasserstoff ist, vorzugsweise Methylchloroform
oder Methylenchlorid.
7. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6,
wobei das Material auf das Werkstück durch
Sprühen oder Flüssigauftrag aufgebracht wird.
8. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 4 bis 7,
wobei eine der physikalischen Eigenschaften die
thermische Leitfähigkeit ist.
9. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 4 bis 8,
wobei das polare Lösungsmittel zu dem Material
hinzugefügt wird, bis Verflüssigung erfolgt und
nach Verdampfen des polaren Lösungsmittels das
Material in seiner ursprünglich vorwiegend festen
Zustand zurückkehrt und im wesentlichen die
festgelegten physikalischen und chemischen
Eigenschaften aufweist.
10. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 4 bis 9,
wobei das Überzugmaterial ein thixotropes
thermisch leitendes Material ist, das aus einem
flüssigen siliziumorganischen Trägermaterial, im
wesentlichen kugelförmigem Siliziumoxid in einer
ausreichenden Menge, um das Auslaufen des
flüssigen Trägermaterials zu vermeiden, wobei im
wesentlichen das Siliziumoxid eine Größe unter
0.5 um aufweist, sowie thermischem Füllpulver,
vorzugsweise Zinkoxid, besteht.
11. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 4 bis 10,
wobei etwa 15% bis etwa 60% und vorzugsweise etwa
50 bis etwa 60% des thermischen Füllpulvers
vorliegen und etwa 0.1% bis etwa 4% an Siliziumoxid
vorliegen, bezogen auf das Volumen des
siliziumorganischen flüssigen Trägermaterials.
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