DE69113108T2 - Elektronisches System enthaltend Komponente, die durch einen thermisch leitfähigen Klebstoff verbunden sind. - Google Patents

Elektronisches System enthaltend Komponente, die durch einen thermisch leitfähigen Klebstoff verbunden sind.

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Description

    Hintergrund der Erfindung
  • Diese Erfindung betrifft thermisch leitfähige Klebstoffe, und sie betrifft insbesondere einen Klebstoff zum Bonden von Komponententeilen eines elektronischen Systems.
  • Die Ableitung der Wärme in elektronischen Baueinheiten ist stets ein wichtiger Gesichtspunkt der Konstruktion, und dies ist heute um so mehr so, da die Packungsdichte (und damit der Wärmeableitungsbedarf) erschreckend rasch größer wird. Leistungsfähigere und gering voneinander beabstandete Chips, feinere Rastermuster und Bauelemente zur Oberflächenmontage, wie zum Beispiel drahtfreie Keramikchipträger, erfordern Materialien, die hohe thermische Leitfähigkeiten und/oder forderungsgerecht dimensionierbare Wärmedehnungskoeffizienten (CTE) erfordern, so daß die Wärmebeseitigung wirkungsvoll wird und/oder Abgleichsmängel der Wärmedehnungskoeffizienten zwischen den Komponenten vermindert werden. Die leichtere Wärmebeseitigung und die Verringerung von Abgleichsmängeln zwischen den Wärmedehnungskoeffizienten sind sehr wünschenswerte Gesichtspunkte, denn sie führen zu einer flexibleren Konstruktion der elektronischen Baueinheiten, zu verbesserten Betriebseigenschaften und zu einer höheren Lebenserwartung (durch weniger Ausfälle).
  • Thermisch leitfähige, auf organischen Stoffen basierende Klebstoffe (in Form von Pasten oder Folien) mit forderungsgerecht dimensionierbaren Wärmedehnungskoeffizienten spielen eine wichtige Rolle bei der Ableitung der Wärme in elektronischen Baueinheiten. Sie dienen zu einer Vielzahl von Zwecken, zu denen
  • - das Bonden von Chips auf Chipträger, Substrate oder Kühlkörper
  • - die Befestigung von Chipträgern und Substraten auf Leiterplatten (PWB)
  • - das Bonden von Leiterplatten auf Kühlkörpern
  • - die Befestigung von Kühlkörpern auf Leiterplattenträgern
  • - die Abdichtung von Gehäusedeckeln
  • - die Befestigung von Widerständen, Kondensatoren, Dioden usw. (d.h. mit Hilfe von Füllklebstoffen) gehören.
  • Diese Klebstoffe sind typischerweise mit metallischen Füllstoffen, wie z. B. mit Silber, oder mit anorganischen Füllstoffen gefüllt, wie z. B. mit Aluminiumoxid oder Bornitrid. Füllstoffe aus Aluminiumoxid, die elektrisch isolierend wirken, erhöhen die thermische Leitfähigkeit des Basispolymers um annähernd das 3 - 5- fache, basierend auf der Füllung mit Füllstoff, der Geometrie und der Größe. Silberblättchen werden verwendet, wenn maximale thermische Leitfähigkeit und maximale elektrische Leitfähigkeit erforderlich sind, denn das erhöht die thermische Leitfähigkeit des Basispolymers je nach der Füllung ebenfalls um annähernd das 3 - 5- fache. Alle diese Füllstoffe haben jedoch mehrere Nachteile. Es sind hohe Gewichtsprozentsätze an Silber erforderlich (z. B. werden bei einigen Klebstoffen 79 Gew.-% eingesetzt, um die gewünschten Leistungsgrade zustandezubringen), und da Silber teuer ist, erhöhen sich die Kosten für diese Füllstoffe wesentlich. Ähnlich wie bei Silber sind auch hohe Gewichtsprozentsätze an anorganischen Füllstoffen erforderlich und sind ebenfalls relativ teuer. Bei Silber tritt auch eine Erscheinung auf, die als Elektromigration des Metalls bezeichnet wird; in einem Artikel von S. Krumbein (IEEE Transactions on Components, Hybrids, and Manufacturing Technology, Bd. 11, Nr. 1, März 1986) wird die Elektromigration von Metall ausführlicher beschrieben.
  • Bekanntlich werden mit Kohlenstoffasern gefüllte Klebstoffe zum Zwecke der Herstellung von elektrischen Verbindungen in elektrischen Systemen verwendet, die durch den Klebstoff aneinander gebunden werden.
    • Zusammenfassung der Erfindung
  • Es wurde ein Klebstoffmaterial entwickelt, um die Maßnahmen zur Wärmeableitung in elektronischen Baueinheiten zu vervollständigen, das eine kostengünstige Kombination von erforderlichen Eigenschaften einschließlich von hohen thermischen Leitfähigkeiten, gleichmäßigen planaren Wärmedehnungskoeffizienten, geringer Dichte und hoher Festigkeit aufweist. Dieses Material besteht aus einem Klebharz, das mit etwa 20 bis etwa 60 Gew.-% einer dreidimensionalen Struktur von auf Mesophase-Pech basierenden Kohlenstoffasern gefüllt ist. Gemäß dieser Erfindung weist ein elektronisches System Komponententeile auf, die durch eine Klebstoffschicht aus diesem mit Kohlenstoffasern gefüllten Klebharz gebunden sind. Die Kohlenstoffasern sind von variabler Länge und variabler Breite. Die Fasern weisen vorzugsweise ein Länge-Breite-Verhältnis von mehr als 10 auf, und die Fasern besitzen eine Breitenverteilung von etwa 1 bis etwa 10 Mikrometern. Diese Fasern sind beschrieben in dem USA-Patent 4,861,653, das durch Verweis darauf hierin einbegriffen ist.
  • Geeignete Klebharze sind synthetische Klebstoffe, wie z. B. wärmehärtbare, thermoplastische, elastomere Arten oder Kombinationen aus diesen.
  • Gemäß dem "Adhesives Technology Handbook" (Noyes Publications, 1985) gibt es vier Arten von Klebstoffen: Flüssigkeiten, Pasten, Bänder und Folien sowie Pulver oder Körnchen. Die beiden üblichsten Arten von Klebstoffen für strukturelle und elektronische Einsatzzwecke sind Pasten und Folien. Um eine dreidimensionale Struktur einer Paste herzustellen, die mit auf Mesophase-Pech basierenden Kohlenstoffasern gefüllt ist, werden die Fasern der Paste so gleichmäßig wie möglich zugesetzt, und die Komponenten werden so gemischt, daß eine homogene Mischung entsteht. Die rheologischen Eigenschaften ließen sich genau kontrollieren, indem die chemische Zusammensetzung der Paste und die Menge der ihr zuzusetzenden Fasern variiert werden. (Pasten weisen typischerweise hohe Viskositäten auf).
  • Um eine dreidimensionale Struktur einer auf Mesophase-Pech basierenden, mit Kohlenstoffasern gefüllten Klebfolie herzustellen, stehen mindestens zwei Verfahrensweisen zur Verfügung. Bei der ersten würden die Fasern, wenn das Klebharz in flüssiger Form vorhanden wäre, so gleichmäßig wie möglich zugesetzt und die Komponenten würden so gemischt, daß sie eine homogene Mischung ergeben. Dieses Verfahren würde dazu beitragen, die Einkapselung der Fasern zu sichern und die Uniformität und Homogenität der Folie zu begünstigen. Was die Pasten betrifft, so ließe sich die rheologischen Eigenschaften genau kontrollieren, indem die chemische Zusammensetzung des Harzes und die Menge der ihnen zuzusetzenden Fasern variiert werden. Zur Ausbildung der Klebfolie würde die homogene Mischung mit Hilfe einer Foliengießanlage gegossen.
  • Eine alternative Verfahrensweise läge vor, wenn das Harz in Pulver- oder Körnchenform vorhanden ist, wie es zum Beispiel bei einem thermoplastischen Harz sein könnte. Eine dreidimensionale Struktur einer auf Mesophase-Pech basierenden Kohlenstoffaser würde so gleichmäßig wie möglich zugesetzt und im trockenen Zustand beigemischt, so daß ein homogenes Gemisch entsteht. Die homogene Mischung würde mit Hilfe eines Extruders und einer Foliengießanlage gegossen, um eine Klebfolie auszubilden oder, was gewöhnlich erfolgt, um Pellets aus der Mischung zu extrudieren und die Pellets dann zu benutzen, um eine Klebefolie zu extrudieren.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnung
  • Fig. 1 ist eine schematische seitliche Querschnittsansicht einer allgemeinen Anordnung einer elektronischen Baueinheit, für die die thermisch leitfähigen Klebstoffe gemäß dieser Erfindung geeignet sind.
  • Fig. 2 ist eine Mikroaufnahme einer Klebstoffschicht gemäß dieser Erfindung.
  • Fig. 2a ist ein Vektordiahgramm, das repräsentativ ist für eine dreidimensionale Anordnung der Fasern in der Klebstoffschicht von Fig. 2.
    • Ausführliche Beschreibung der Erfindung
  • In Fig. 1 ist die dargestellte Konstruktion 10 allgemein als elektronisches Baueinheitsystem bezeichnet, das als Komponententeile eine Basis 12 aufweist, auf der eine Vielzahl von Stiften 13 angeordnet ist und die einen mit einem Deckel 16 abgedeckten Hohlraum 14 aufweist. In dem Hohlraum 14 befindet sich ein Plättchen oder Chip 18, das (der) mittels einer Wärmeklebstoffschicht 22 mit einem Kühlkörper 20 verklebt ist. Eine ähnliche Schicht 22 eines Wärmeklebstoffs verklebt den Deckel 16 mit der Basis 12 und die Basis 12 mit einer Leiterplatte 24.
  • In Fig. 2 ist die Klebstoffschicht von Beispiel 3 (28 Vol. -% Fasern) als Mikroaufnahme (22-fach vergrößert) dargestellt. Es ist eine Konstruktion zu beobachten, die ein Harz zeigt, das mit einer dreidimensionalen Faserstruktur mit Fasern von unterschiedlichen Längen und Breiten gefüllt ist. Insbesondere sind die Fasern 30 planar in der x-Richtung orientiert, die Fasern 32 sind planar in der y-Richtung orientiert, und die Fasern 34 sind unplanar oder über die gesamte Dicke in der z-Richtung orientiert.
  • Diese in weitem Maße nutzbaren, universal verwendbaren Klebstoffe sind besonders attraktiv für die Gesamzheit der elektronischen Baueinheiten, wo die Wärmeableitung stets ein Problem ist, während Gewicht und Festigkeit eines sein können (wie z. B. in Luftfahrtelektroniksystemen). Sie kranken nicht an der Metallmigration, und sie erfordern weniger Füllstoffgewicht als bestehende Technologien (z. B. mit Silberblättchen oder Füllstoffe aus Aluminiumoxid), um einen gewünschten Leistungsgrad zustandezubringen. Diese Klebstoffe können auch für strukturelle Zweckeeingesetzt werden (z.B. um ein Verbundmaterialteil an ein anderes Verbundmaterialteil zu binden oder ein Verbundmaterialteil an ein Stück Metall zu binden, wie zum Beispiel an ein Abschlußstück, wo Abgleichsmangel zwischen den Wärmedehnungskoeffizienten minimiert werden müssen. Für diese Zwekke kann die Neigung der Filamente, dreidimensionale verstärkte Verbundmaterialien zu bilden, auch von Vorteil sein, wenn die interlaminare Scherfestigkeit von gebundenen Verbundmaterialien durch Verstärkung über die gesamte Dicke (unplanare Verstärkung) erhöht werden soll.
    • MESSUNGEN DER THERMISCHEN LEITFÄHIGKEIT
  • Die thermische Leitfähigkeit (TC) wird nach den folgenden Verfahren gemessen und als (BTU)(in)/(hr)(ft²)(ºF) bezeichnet:
    • Laserblitzverfahren
  • Das ist ein transientes Verfahren, bei dem die thermmische Diffusionsfähigkeit in einem Verbundmaterial bestimmt wird, indem man auf eine Seite der Probe einen kurzen Energieimpuls (von weniger als 1 Millisekunde Dauer) von einem Infrarotlaser einwirken läßt und den Temperaturanstieg auf der gegenüberliegenden Seite mit einem Infrarotstrahlungsmesser überwacht. Kennt man das Zeit-Temperatur-Profil der Rückseite der Probe und den Abstand zwischen den beiden Seiten, kann man die thermische Diffusionsfähigkeit des Verbundmaterials errechnen. Kennt man diesen Wert sowie die Dichte und die spezifische Wärme des Verbundmaterials, kann man die thermische Leitfähigkeit der Probe errechnen, indem man das Produkt aus diesen drei Werten nimmt.
    • Dickschichtfolien-Inteoratorverfahren
  • Die Folie wird auf eine Fläche aus Aluminium gelegtk, die auf einer Temperatur von etwa 40 ºC gehalten wird. Ein Aluminiumzylinder mit bekannten Eigenschaften, der mit einem Thermoelement versehen ist, wird auf Zimmertemperatur (-25 ºC) gehalten, ehe er oben auf der Folienprobe plaziert wird. Der Temperaturanstieg des Aluminiumzylinders wird überwacht und anschließend analysiert, um den Wärmeleitwiderstand der Folie und der Grenzflächen zwischen Folie und Aluminium zu bestimmen. Nacheinander werden mindestens vier Schichten der Folie hinzugefügt, um eine Beziehung zwischen dem Wärmeleitwiderstand und der Foliendicke herzustellen, aus der die thermische Leitfähigkeit der Folie bestimmt werden kann, weil dann ein Ausgleich für die Widerstände der Grenzfläche zwischen Folie und Aluminium geschaffen werden kann. Auf die "Folienstapel" wird Druck aufgebracht, um die Wärmeleitwiderstände der Grenzflächen zu minimieren.
    • Abgesicherter Wärmestrom: Wärmeleitwert-Testgerät Dynatech-C-Matic, Modell TCHM-DV (ASTM F433)
  • Die Probe wird zwischen zwei mit Kupfer beschichtete Platten gebracht, die bei verschiedenen Temperaturen kontrolliert werden. Um die Probe herum befindet sich ein Heizschutzgerät, das auf oder nahe an der mittleren Temperatur der Probe gehalten wird, um eine Wärmeübertragung nach der Seite zu minimieren. Der Wärmestrom zwischen den beiden Platten wird mit einem Wärmestromwandler gemessen, der an einer der Platten befestigt ist. Die Gesamtdifferenz der Temperatur zwischen den beiden Plattenseiten wird mit eingebauten Thermoelementen gemessen. Um den Wärmeleitwiderstand der Grenzflächen zwischen Folie und Platten zu verringern, wird gewöhnlich eine dünne Schicht einer im Handel erhältlichen Kühlkörpermasse (wie zum Beispiel Dow Corning 340) auf die Probe aufgebracht, und der Test wird unter äußerem Druck ausgeführt. Kennt man die Dicke der Probe, die Temperaturen auf der Oberfläche der Platten, den gemessenen Wärmestrom und den Kontaktwärmeleitwiderstand, kann man die thermische Leitfähigkeit der Probe bestimmen.
    • Abgesicherter Wärmestrom: Dünnes Material
  • Das Testgerät Dynatech C-Matic ist für sehr dünne Materialien (d.h. mit Dicken von weniger als 0,040") nicht besonders geeignet. Deshalb wurden ein Verfahren für den abgesicherten Wärmestrom und ein Gerät zur Messung der thermischen Leitfähigkeiten dünner Folien über die gesamte Dicke entwickelt. Das Gerät besteht aus zwei Kupferstäben mit annähernd 1" Durchmesser und 2" Länge. Längs der Länge jedes Stabes sind zwei Thermoelemente mit 1" Abstand dazwischen eingebettet. Die Stäbe werden mit einer Glasfaserisolierung umwikkelt, um Wärmeverluste nach der Seite zu verhindern. Die mit "Nujol"-Mineralöl überzogene Folienprobe wird zwischen jeweils ein Ende der Kupferstäbe eingelegt (die ebenfalls einen Ölüberzug aufweisen), so daß ein Stapel aus Stab, Folie und Stab entsteht. (Das Öl dient dazu, für eine gute Wärmeübertragung zwischen den Stäben und der Folie zu sorgen). Der Stapel wird zwischen zwei erhitzten Pressentischplatten positioniert (wobei die obere Platte stets heißer ist als die untere Platte), unter Druckbelastung gesetzt, um die Wärmeleitwiderstände der Grenzflächen zu minimieren, und mit einer weiteren Isolierschicht umwickelt. Man läßt den Stapels ins Gleichgewicht kommen, und die sich ergebenden Temperaturprofile werden an den Kupferstäben registriert. Das Experiment wird mit verschiedenen Solltemperaturwerten der Platten und mit verschiedenen Stapeldrükken wiederholt. Durch Überwachung der entstehenden Gleichgewichtstemperaturprofile an den Kupferstäben und Vergleich derselben mit einem "Standard"material unter ähnlichen Bedingungen läßt sich die thermische Leitfähigkeit der Folie errechnen.
    • BEISPIELE Beispiel 1
  • Es wurde ein Gemisch aus 60 Gramm eines Harzes "Quatrex" 1010 (Dow Chemical), 160 Gramm eines Harzes "Quatrex" 2010 und 180 g eines Harzes ERL-4206 (Union Carbide) mit 87,5 g eines Härters HT9679 (Ciba-Geigy) und 12,5 g eines Härters HT939 (Ciba-Geigy) versetzt. Das fertige Gemisch wurde umgerührt, bis es gleichmäßig war. 40 g einer dreidimensionalen Struktur von auf Mesophase-Pech basierenden Kohlenstoffasern wurden mit 60 Gramm des fertigen Gemischs versetzt, so daß mit 40 Gew.-% Fasern verstärktes Epoxidharz entstand. Dieses gefüllte Gemisch wurde fünfmal durch eine Dreiwalzenmühle geführt und mit einem Spatel auf eine 5 Millizoll dicke, mit Silicon beschichtete Polyesterfolie aufgetragen. Nach einer einstündigen Härtung bei 160 ºC wurde die gefüllte Klebfolie von der Polyesterfolie abgenommen und mit Sandpapier 500 und 1200 geschmirgelt.
  • Die geschmirgelte Folie wurde mit dem Verfahren des abgesicherten Wärmestroms an dünnem Material auf thermische Leitfähigkeit über die gesamte Dicke getestet. Die in Tabelle 1 aufgeführte thermische Leitfähigkeit dieses Klebstoffs ist mindestens gleichwertig denjenigen der mit mit 79 Gew.-% Silberblättchen gefüllten bandartigen Klebstoffe Ditac QL , die im Handel erhältlich sind von DuPont, obwohl nur 40 Gew.-% Fasern enthalten waren.
    • Beispiel 2
  • Es wurden 27,5 Teile eines Phenoxyharzes "UCAR" PKHJ (Union Carbide) und 1,7 Teile eines Resolharzes "UCAR" BRL-2741 (Union Carbide) in 53,2 Teilen Methylethylketon und 17,6 Teilen Toluol gelöst. 22,7 Gramm dieser Lösung wurden mit 5 Gramm einer dreidimensionalen Struktur von auf Mesophase-Pech basierenden Kohlenstoffasern gemischt, so daß eine gleichmäßige Dispersion entstand. Die gefüllte Klebharzlösung wurde mit einem 20 Millizoll dicken Streichmesser auf eine 2 Millizoll dicke Mylar -Folie aufgetragen und 5 Minuten lang bei 120 ºC in einem Ofen getrocknet. Die Mylar - Folie wurde abgenommen, und es verblieb eine 4 Millizoll dicke, mit 45 Gew.-% Fasern verstärkte Klebfolie. Zwei 4 Millizoll dicke Folien wurden 15 Minuten lang bei 150 ºC und 200 psi miteinander kaschiert, so daß eine 6 - 8 Millizoll dicke Klebfolie entstand. Eine ungefüllte Probe aus Phenoxyharz und Phenolformaldehyd und eine mit 56 Gew.-% Fasern verstärkte Folie wurden in ähnlicher Weise hergestellt.
  • Die drei Proben wurden mit dem Verfahren des abgesicherten Wärmestroms an dünnem Material auf thermische Leitfähigkeit über die gesamte Dicke getestet. Die Testergebnisse sind in Tabelle 1 angegeben und zeigen an, daß die thermische Leitfähigkeit der gefüllten Klebstoffe bis zum zweimal höher ist als diejenige der mit 79 Gew.-% Silberblättchen gefüllten bandartigen Klebstffe Ditac QL , jedoch mit Faserfüllungen von nur 56 Gew.-% oder weniger. Tabelle 1 Thermische Leitfähigkeiten von Klebstoffen Fasern Ungefüllter Klebstoff
    • Beispiel 3
  • Es wurde eine dreidimensionale Struktur aus mit auf Mesophase- Pech basierenden Kohlenstoffasern gefüllten Folien, enthaltend 15, 29 und 39 Gew.-% Fasern (10 bzw. 20 bzw. 28 Vol.-% Fasern) in der folgenden Weise hergestellt. Es wurden drei separate Trockenmischungen aus Fasern und K-Copolyimidpulver (die die drei Faserfüllungen darstellen) hergestellt, indem die erforderlichen Faser- und Pulvergewichte in Polyethylenbeutel gefüllt wurden, die Beutel zugebunden wurden und die Mischungen dann geschüttelt und gemischt wurden, um ein so gleichmäßig wie mögliches Gemisch herzustellen. K-Copolyimidpulver basiert auf Pyromellithsäuredianhydrid und einem Gemisch von 70 : 30 Gew.-% aus 1,3-bis(3-aminophenoxy)benzol und 2-phenyl-1, 4-bis(4-aminophenoxy)benzol. Es wurden annähernd 600 Gramm von jeder Mischung hergestellt.
  • Annähernd 150 - 200 Gramm einer Mischung wurden zwischen zwei Deckbahnen aus Kaptonor - Polyimidfolie auf einem Band verteilt, und der "Sandwich" wurde durch eine kontinuierliche Bandpresse mit geheizten Platten (345 ºC) geführt. Die Deckbahnen wurden abgenommen, und es verblieb eine mit Fasern gefüllte Folie. Als eine Mischung vollständig war und mehrere Folienstücke hergestellt waren, wurde die Prozedur mit den übrigen zwei Mischungen wiederholt.
  • Nach dieser anfänglichen Passage durch die Presse (mit einer Bandgeschwindigkeit von 5 feet/Minute) wurden die Folienstücke noch zweimal durch die Presse geführt (mit Kapton - Deckbahnen, die dann abgenommen wurden), jedoch mit einer Geschwindigkeit von 1 foot/Minute, um die Foliendicke weiter zu verringern. Die fertigen Folien waren annähernd 3 - 4 feet lang, 6 - 8 Zoll breit und 10 - 19 mils dick.
  • In ähnlicher Weise wurden unverstärkte Folien hergestellt. Die fertigen Folien waren annähernd 45 feet lang, 10 Zoll breit und 8 - 14 mils dick.
  • Stücke der Folien wurden auf planare Zugfestigkeitseigenschaften und Wärmedehnungskoeffizienten sowie auf thermische Leitfähigkeiten über die gesamte Dicke getestet. Da die Messungen der thermischen Leitfähigkeiten unter Anwendung einer Vielzahl von Verfahren und Methoden erfolgen, wurden die thermischen Leitfähigkeiten mit vier verschiedenen, hierin zum Vergleich und zur Datenauswertung beschriebenen Methoden gemessen.
  • Tabelle 2 gibt die Ergebnisse wieder, die anzeigen, daß die Eigenschaften der Folien eine Funktion der Faserfüllung sind; wenn die Faserfüllungen größer werden, erhöhen sich sowohl die unplanaren thermischen Leitfähigkeiten als auch die Zugfestigkeitsmodule, während die planaren Wärmedehnungskoeffizienten geringer werden. Die am stärksten gefüllte Folie wies einen einheitlichen Wärmedehnungskoeffizienten (10 ppm/ºC) nahe an demjenigen von Aluminiumoxid auf (6 - 8 ppm/ºC), wie bei einem Material für elektronische Baueinheiten mit einem typischen Wärmedehnungs-"Zielkoeffizienten". Im Vergleich mit den Werten des bandartigen Klebstoffs Ditac QL sind die thermische Leitfähigkeit und der Modul der am stärksten gefüllten Folie zumindest gleichwertig, und der Wärmedehnungskoeffizient ist viermal niedriger als bei diesen mit Silber gefüllten Klebstoffen, obwohl die Faserfüllung nur 39 Gew.-% betrug.
    • Beisdiel 4
  • Es wurden zwei identische Quadrate von 2" x 2" aus einer Leiterplatte ausgeschnitten, die aus sechs Schichten von flexiblen Verbundmaterialien Pyralux DuPont bestanden, die mit durch Glasfasern verstärktem, modifiziertem Acrylklebstoff Pyralux LG1002 aneinander gebunden waren. Jede Schicht flexibles Verbundmaterial war mit einem verkupferten Laminat LF9111 hergestellt, das auf beiden Seiten mit einer Deckschicht LF0210 überdeckt war.
  • Es wurden zwei identische Quadrate von 2" x 2" aus einem Kühlkörper aus einem mit Fasern auf Pechbasis verstärkten Verbundstoff mit einer Matrix aus Metall ausgeschnitten, der aus 16 Schichten Aluminium 6063 bestand, die mit Endlosfasern E-120 auf Pechbasis verstärkt waren. Die Faserorientierung lautete [0/90]&sub4;s, und der Volumenanteil an Fasern betrug 35 %. Eine Seite von jedem Quadrat aus der Metallmatrix wurde mit einer Rasierklinge geschabt und mit Lösungsmittel gereinigt, um alle Verunreinigungen der Oberfläche zu entfernen.
  • Ein Quadrat aus der Leiterplatte wurde mit einem Zweikomponenten-Epoxidklebharz Epoxi-patch clear 0151 (Hysol Aerospace & Industrial Products Division) an ein Quadrat aus dem Kühlkörper gebunden, indem ein gut umgerührtes Gemisch auf die saubere Metallfläche aufgestrichen wurde, das Leiterplattenquadrat auf den Klebstoff gebracht und die kaschierte Probe unter einem minimalem Druck (< 25 psi) gehärtet wurde. Die anderen Quadrate wurden mit dem gleichen Basisklebstoff aneinander gebunden, jedoch war der Klebstoff mit 25 Gew.-% einer dreidimensionalen Struktur von auf Mesophase- Pech basierenden Kohlenstoffasern gefüllt worden, die beigemischt wurden, während das Zweikomponenten-Epoxidharz gemischt wurde.
  • Beide Proben wurden mit dem Verfahren des abgesicherten Wärmestroms mit einem Testgerät Dynatech C-Matic für die thermische Leitfähigkeit getestet. Die thermische Leitfähigkeit des Systems betrug bei der Probe mit dem gefüllten Klebstoff 3,398 (BTU) (in)/(hr)(ft²)(ºF) im Vergleich zu 2,705 (BTU)(in)/(hr)(ft²)(ºF) bei der Probe mit dem nicht gefüllten Klebstoff, war also um 26 % höher.
    • Umrechnungen
  • 1 Zoll (") = 2,54 cm
  • 1 psi = 6,9 kPa
  • 1 BTU (in)/(hr)(ft²)(ºF) = 14,42 Wcm/m² ºC
  • 1 mil = 25,4 um
  • 1 ft = 0,30 m Tabelle 2 Fasern Ungefüllte Folie
    • ANMERKUNGEN:
  • Faservolumina sind ± 3 %
  • CTE-Werte wruden bestimmt mit einem Perkin Elmer TMS unter Verwendung eines "Streckungs"meßfühlers und einer Kraft von 5 Gramm. Diese sind kennzeichnend für den Temperaturbereich von 25 - 175 ºC.
  • MD = Faserrichtung und TD = Querrichtung (beide planar)
  • # = ASTM D792
  • ## = ASTM D638
  • * = ASTM F433 (Verfahren mit abgesichertem Wärmestrom: Dynatech C-Matic), 50 ºC, Messung über gesamte Dicke
  • ** = Verfahren mit abgesichertem Wärmestrom an dünnem Material, 90 ºC, Meessung über gesamte Dicke
  • T = Laserblitzverfahren, 25 ºC, Messung über gesamte Dicke (an University of Delaware)
  • TT = Dickfolienintergratorverfahren, 25 ºC, Messung über gesamte Dicke (an University of Delaware)

Claims (7)

1. Elektronisches System mit Komponententeilen, die durch eine Schicht eines Klebharzes gebunden sind, das mit etwa 20 bis etwa 60 Gewichtsprozent einer dreidimensionalen Struktur auf Pech basierender Kohlenstoffasern gefüllt ist.
2. System nach Anspruch 1, wobei der Klebstoff thermoplastisch, wärmehärtbar, elastomer oder Kombinationen davon ist.
3. System nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Klebharz ein wärmehärtendes Harz ist.
4. System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die auf Pech basierenden Kohlenstoffasern auf Mesophase-Pech basieren.
5. System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das mit Kohlenstoffasern gefüllte Harz eine thermische Leitfähigkeit im Bereich von etwa 86,54 bis etwa 173,08 Wcm/m²ºC (etwa 6 bis etwa 12 (BTU) (in)/(hr) (ft²) (ºF)) hat.
6. System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das mit Kohlenstoffasern gefüllte Harz in Form einer Paste vorliegt.
7. System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das mit Kohlenstoffasern gefüllte Harz in Form einer Folie vorliegt.
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