ES2682360T3 - Dispositivos electrónicos de alta potencia que contienen materiales de interfaz térmica a base de nanopartículas metálicas y métodos relacionados - Google Patents

Dispositivos electrónicos de alta potencia que contienen materiales de interfaz térmica a base de nanopartículas metálicas y métodos relacionados Download PDF

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Abstract

Un conjunto del dispositivo que comprende: un componente generador de calor electrónico (12) en comunicación térmica con un disipador de calor metálico (16) a través de una capa de interfaz térmica metálica (22), estando dispuesta la capa de interfaz térmica metálica (22) entre el componente electrónico generador de calor (12) y el disipador de calor metálico (16) y estado formada la capa de interfaz térmica metálica a partir de una composición que comprende una pluralidad de nanopartículas metálicas que se fusionan al menos parcialmente entre sí, caracterizado porque el disipador de calor metálico (16) comprende una capa superficial de óxido metálico pasivante (18) y la composición comprende adicionalmente un reactivo para el grabado capaz de grabar un óxido metálico.

Description

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DESCRIPCION
Dispositivos electrónicos de alta potencia que contienen materiales de interfaz térmica a base de nanopartículas metálicas y métodos relacionados
Campo
La presente divulgación generalmente se refiere a nanomateriales, y, más específicamente, a interfaces térmicas formadas a partir de nanopartículas metálicas y a métodos para su producción.
Antecedentes
La comunicación térmica ineficaz entre una fuente de calor y un disipador de calor dificulta la disipación del exceso de calor de un sistema y puede producirse el daño de los componentes del sistema con la acumulación continua de calor debido a la mala transferencia de calor. Pueden usarse materiales de interfaz térmica (MIT) en muchos casos para formar una conexión térmica más robusta entre una fuente de calor adyacente y un disipador de calor para promover una mejor transferencia de calor entre los dos, idealmente mediante la minimización de la aparición de vacíos de contacto que disminuyan la eficiencia de la transferencia de calor.
Se usan habitualmente grasas térmicas, epoxis térmicos y ciertos tipos de soldadura metálica para formar interfaces térmicas entre diversas estructuras. El grado en que la fuente de calor y el disipador de calor se mantienen mecánicamente unidos depende del material de la interfaz térmica elegido, proporcionando las grasas térmicas solo un acoplamiento mecánico débil y proporcionando los epoxis térmicos y las soldaduras metálicas una unión más fuerte. Además, la elección de un material de la interfaz térmica particular para una aplicación dada puede estar dictada por las propiedades de las estructuras entre las cuales se ha de establecer la comunicación térmica. En consecuencia, no existe un material de la interfaz térmica adecuado para su uso universal en una amplia diversidad de plataformas.
Algunas fuentes de calor y disipadores de calor son particularmente difíciles de acoplar térmicamente de forma eficaz debido a la incompatibilidad química o física entre los dos. Por ejemplo, la falta de coincidencia del coeficiente de expansión térmica (CET) entre el material de la interfaz térmica, la fuente de calor y/o el disipador de calor puede dar como resultado la deslaminación de las estructuras acopladas. De forma similar, si las superficies de la fuente de calor y el disipador de calor tienen una naturaleza química significativamente diferente, puede producirse un acoplamiento mecánico ineficaz a través del material de la interfaz térmica. Cuando las superficies de la fuente de calor y el disipador de calor son incompatibles químicamente o físicamente entre sí, los materiales convencionales con frecuencia pueden ser insuficientes para formar una interfaz térmica eficaz y con frecuencia puede ser necesario el uso de materiales más costosos y laboriosos.
Los circuitos electrónicos de alta potencia y alta frecuencia, tales como los que funcionan en el intervalo de frecuencias de microondas, son un ejemplo de una fuente de calor que puede ser difícil de acoplar térmicamente de forma eficaz a un disipador de calor. Por ejemplo, los circuitos integrados de microondas monolíticos (CIMM) solo utilizan aproximadamente el 10-50 % de su potencia de entrada para producir una señal de salida y la potencia restante se consume como cantidades considerables de calor. Los sustratos tradicionales para la construcción de CIMM pueden incluir, por ejemplo, Si, GaAs, InP y SiGe. Los CIMM fabricados a partir de dichos sustratos tradicionales generalmente pueden unirse a un disipador de calor usando epoxis térmicos, tales como el epoxi ded plata.
Los sustratos térmicamente estables tales como GaN y SiC, por ejemplo, pueden permitir temperaturas de funcionamiento de CIMM mucho más altas. Los epoxis térmicos solo pueden usarse para estos tipos de CIMM cuando funcionan a menos de su máxima potencia de entrada posible, de manera de limitar la cantidad de calor de salida. Para las altas temperaturas de funcionamiento características de los funcionamientos a potencia completa o casi completa, los epoxis térmicos generalmente poseen una estabilidad de temperatura inadecuada y con frecuencia se usan materiales de interfaz térmica más robustos, tales como la soldadura de AuSn, por ejemplo, para establecer una interfaz térmica. La soldadura de AuSn, sin embargo, es cara, requiere una aplicación laboriosa y condiciones de curado y es propensa a la formación de huecos cuando fluye. Los diodos emisores de luz (LED, por sus siglas en inglés) de alta potencia pueden presentar problemas similares a los encontrados cuando se trabaja con CIMM. Además, puede tener lugar una formación de compuestos intermetálicos durante el procesamiento de la soldadura de AuSn, produciendo fases frágiles tales como AuSn4, que pueden conducir al fallo mecánico durante el funcionamiento debido a factores tales como la vibración/choque y los ciclos térmicos.
Las FIGURAS 1A y 1B muestran imágenes ilustrativas de huecos 1 que pueden producirse habitualmente durante el uso de la soldadura de AuSn 2. La FIGURA 2 muestra una imagen de rayos X correspondiente de huecos similares que pueden producirse cuando se usa soldadura de AuSn, demostrando que los huecos se extienden en ambas dimensiones en el plano x-y. Los huecos pueden disminuir el grado de comunicación térmica que tiene lugar a través de la capa de interfaz térmica.
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Además de las dificultades anteriores, la falta de coincidencia de CET por lo general requiere el uso de disipadores de calor de aleación de cobre especializada (por ejemplo, W/Cu o Mo/Cu) para que coincidan con el CET del CIMM de alta temperatura con el fin de disminuir la probabilidad de deslaminación. Dichos sustratos de aleación de cobre son propensos a la formación de una capa superficial de óxido metálico pasivante, que puede complicar adicionalmente las condiciones de trabajo necesarias para establecer una capa de interfaz térmica eficaz. El documento US 2009/232991 A1 se refiere a un sistema de material compuesto de interfaz térmica y a un método que usa componentes a escala nanométrica. El documento US 2008/038871 A1 se refiere a una interfaz térmica soldada de múltiples trayectos entre un chip y su disipador de calor. El documento WO 2008/014171 A2 se refiere a una interconexión térmica y a materiales de interfaz, a métodos de producción y a usos de los mismos.
El gobierno de los EE. UU. está buscando activamente nuevos medios a través de los cuales puedan abordarse mejor los desafíos asociados a los CIMM y otros dispositivos electrónicos de alta potencia, en particular la eliminación de soldadura de AuSn en su fabricación. En vista de lo anterior, son de considerable interés en la técnica capas de interfaz térmica mejorada dentro de conjuntos de los dispositivos que contengan componentes electrónicos de alta potencia, tales como CIMM y LED, y métodos para su producción. La presente divulgación satisface la necesidad anterior y también proporciona ventajas relacionadas.
Sumario
La presente divulgación se refiere a un conjunto del dispositivo que comprende: un componente electrónico generador de calor (12) en comunicación térmica con un disipador de calor metálico (16) a través de una capa de interfaz térmica metálica (22), estando la capa de interfaz térmica metálica (22) dispuesta entre el componente electrónico generador de calor (12) y el disipador de calor metálico (16) y la capa de interfaz térmica metálica que se forma a partir de una composición que comprende una pluralidad de nanopartículas metálicas que están fusionadas al menos parcialmente entre sí, caracterizado porque el disipador de calor metálico (16) comprende una capa superficial de óxido metálico pasivante (18) y la composición comprende adicionalmente un reactivo para el grabado capaz de grabar un óxido metálico. Además, la presente divulgación se refiere a un método que comprende: colocar una composición que comprende una pluralidad de nanopartículas metálicas entre un disipador de calor metálico (16) y un componente electrónico generador de calor (12); calentar la composición por encima de una temperatura de fusión de las nanopartículas metálicas para licuar las nanopartículas metálicas; y enfriar las nanopartículas metálicas licuadas para formar una capa de interfaz térmica metálica (22) entre el componente electrónico generador de calor (12) y el disipador de calor metálico (16), comprendiendo la capa de interfaz térmica metálica (22) que comprende nanopartículas metálicas que han estado al menos parcialmente fusionados entre sí, caracterizado porque el disipador de calor metálico (16) comprende una capa superficial de óxido metálico pasivante (18) y la composición comprende adicionalmente un reactivo para el grabado capaz de grabar un óxido metálico.
Breve descripción de los dibujos
Para una comprensión más completa de la presente divulgación y de las ventajas de la misma, ahora se hace referencia a las siguientes descripciones que deben tomarse junto con los dibujos adjuntos que describen realizaciones específicas de la divulgación, donde:
las FIGURAS 1A y 1B muestran imágenes ilustrativas de huecos que pueden producirse habitualmente durante el uso de la soldadura de AuSn;
la FIGURA 2 muestra una imagen de rayos X correspondiente de huecos similares que pueden producirse cuando se usa soldadura de AuSn, lo que demuestra que los huecos se extienden en ambas dimensiones en el plano x-y;
la FIGURA 3 muestra una imagen ilustrativa de un LED unido a un disipador de calor a través de una capa formada a partir de nanopartículas de cobre, que se dispone entre un contacto de plata y un contacto de oro; la FIGURA 4 muestra una imagen de rayos X correspondiente de la interfaz térmica formada a partir de nanopartículas de cobre en la FIGURA 3, lo que demuestra nuevamente la falta sustancial de huecos en el plano x-y;
las FIGURAS 5A y 5B muestran esquemas de un conjunto de dispositivo ilustrativo de acuerdo con las realizaciones de la presente divulgación, antes y después de al menos la fusión parcial de las nanopartículas metálicas en el mismo; y
la FIGURA 6 muestra la presunta estructura de una nanopartícula metálica ilustrativa que tiene un recubrimiento tensioactivo sobre ella.
Descripción detallada
La presente divulgación se refiere, en parte, a conjuntos de los dispositivos que contienen una capa de interfaz térmica metálica formada a partir de nanopartículas metálicas que se han fundido al menos parcialmente entre sí. La presente divulgación también se refiere, en parte, a métodos para formar una capa de interfaz térmica metálica en conjuntos de los dispositivos, en particular conjuntos de los dispositivos que contienen componentes electrónicos de alta potencia que funcionan a altas frecuencias.
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La transferencia de calor ineficaz en componentes electrónicos de alta potencia puede ser extremadamente problemática. Aunque pueden usarse diversos materiales para formar una capa de interfaz térmica entre una fuente de calor y un disipador de calor, no existe un material universalmente aplicable que pueda usarse en una amplia diversidad de plataformas. Algunos componentes electrónicos, incluyendo circuitos integrados de microondas monolíticos (CIMM) y diodos emisores de luz (LED) de alta potencia, por ejemplo, actualmente solo son capaces unirse a un disipador de calor a través de técnicas de procesamiento complejas y costosas. Por ejemplo, los CIMM fabricados sobre sustratos de GaN o SiC actualmente solo son capaces de unirse a disipadores de calor usando soldaduras de AuSn costosas y condiciones de procesamiento laboriosas. La soldadura de AuSn no solo es costosa y es difícil trabajar con ella, sino que también es propensa a la formación de huecos y la producción de fases intermetálicas frágiles durante el procesamiento. Se presentan problemas similares cuando se conectan LED de alta potencia a un disipador de calor.
También pueden usarse materiales menos térmicamente estables, tales como epoxi de plata y otros epoxis metálicos térmicos, para establecer una interfaz térmica para diversos componentes electrónicos de alta potencia. Sin embargo, las estabilidades térmicas bajas de dichos epoxis pueden requerir hacer funcionar un conjunto del dispositivo a una potencia inferior a su potencia máxima para mantener la temperatura resultante baja. Esto representa una condición operacional ineficiente. Específicamente, el funcionamiento a una potencia inferior a la potencia máxima reduce la densidad de potencia del conjunto del dispositivo por unidad de área, lo que puede requerir añadir componentes electrónicos adicionales para compensar la funcionalidad operativa disminuida. La adición de componentes electrónicos adicionales aumenta indeseablemente el coste, el peso y el tamaño de los conjuntos de los dispositivos.
En respuesta a los problemas anteriores, los presentes inventores descubrieron que pueden usarse fácilmente nanopartículas metálicas, especialmente nanopartículas de cobre, para establecer una capa de interfaz térmica entre los componentes electrónicos de alta potencia y un disipador de calor. Las capas de interfaz térmica formadas a partir de nanopartículas metálicas son metálicas y tienen valores elevados de conductividad térmica que se aproximan a los del metal en bruto correspondiente. Ventajosamente, las composiciones que contienen nanopartículas metálicas pueden aplicarse usando técnicas de aplicación fáciles, comparables a las utilizadas para aplicar epoxis térmicos, pero sin encontrar los problemas de estabilidad térmica asociados a los últimos tipos de materiales. Las nanopartículas metálicas también se procesan mucho más fácilmente que las soldaduras metálicas, al tiempo que conservan su estabilidad térmica cuando se fabrican en una capa de interfaz térmica. Específicamente, las nanopartículas metálicas evitan la generación de huecos y los problemas de contención que pueden prevalecer al hacer fluir soldaduras metálicas, tales como la soldadura de AuSn. Por ejemplo, la FIGURA 3 muestra una imagen ilustrativa de un LED 3 unido a un disipador de calor 4 a través de una capa 5 formada a partir de nanopartículas de cobre, que está dispuesta entre el contacto de plata 6 y el contacto de oro 7. Como puede observarse, sustancialmente no hay ningún hueco presente. La FIGURA 4 muestra una imagen de rayos X correspondiente de la interfaz térmica formada a partir de nanopartículas de cobre en la FIGURA 3, demostrando nuevamente la falta sustancial de huecos en el plano x-y.
Las nanopartículas metálicas pueden ser particularmente ventajosas para su uso junto con dispositivos electrónicos de alta potencia que funcionan a altas frecuencias, tales como los CIMm. En el caso específico de CIMM a base de GaN o SiC, por ejemplo, los inventores reconocieron que las composiciones que contienen nanopartículas de cobre pueden proporcionar una unión particularmente eficaz entre el CIMM y la superficie de un disipador de calor. Para estos tipos de CIMM, con frecuencia se usan aleaciones de cobre dentro del disipador de calor para hacer coincidir el coeficiente de expansión térmica de GaN o SiC y con frecuencia hay una capa superficial de cobre presente en el CIMM. Por tanto, una capa de interfaz térmica a base de cobre puede proporcionar una mínima falta de coincidencia de CET y una buena compatibilidad de materiales entre el CIMM y su disipador de calor. Como se analiza a continuación en el presente documento, también pueden incluirse diversos aditivos con las nanopartículas de cobre para potenciar adicionalmente los valores de conductividad térmica y/o adaptar el CET a un valor particular. Las nanopartículas metálicas pueden proporcionar beneficios similares cuando se usan junto con LED de alta potencia.
Los dispositivos electrónicos de alta potencia que funcionan a bajas frecuencias con frecuencia utilizan configuraciones de empaquetamiento qFn (cuádruples planos, sin cables) en su diseño, incluso cuando usan soldadura de AuSn para su fijación a un disipador de calor. Por el contrario, las aplicaciones de alta frecuencia, tales como las que utilizan CIMM, por lo general no son capaces de emplear configuraciones de empaquetamiento QFN debido a la inductancia interna inaceptable que es resultado de la aplicación de soldadura de AuSn. Ventajosamente, las nanopartículas metálicas disminuyen la probabilidad de inductancia interna en un conjunto del dispositivo, puesto que evitan en gran medida las dificultades de procesamiento de la soldadura de AuSn que en última instancia conducen a la inductancia. En consecuencia, el uso de nanopartículas metálicas permite mejor la implementación de CIMM en configuraciones de empaquetamiento QFN, dando como resultado tolerancias de conjunto mejoradas durante la fabricación y costes de fabricación reducidos.
Cuando se usan junto con LED, las nanopartículas metálicas pueden proporcionar una transferencia térmica más eficiente desde los LED, lo que puede aumentar su vida útil. Además, una transferencia térmica más eficiente puede aumentar la emisión de lúmenes de los LED.
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Los inventores también descubrieron que pueden adaptarse deseablemente composiciones de nanopartículas metálicas para abordar las dificultades particulares planteadas por los disipadores de calor utilizados normalmente en combinación con CIMM a base de GaN y SiC. Específicamente, los inventores descubrieron que pueden añadirse diversos reactivos para el grabado a las composiciones para promover la retirada de una capa superficial de óxido metálico pasivante sobre los disipadores de calor de aleación de cobre utilizados normalmente con estos tipos de CIMM, pero sin repercutir negativamente en el proceso de consolidación de nanopartículas metálicas para formar la capa de interfaz térmica. Al menos la retirada parcial de la capa superficial de óxido metálico pasivante puede aumentar deseablemente la resistencia de unión entre el CIMM y la superficie del disipador de calor. Las composiciones de nanopartículas metálicas también pueden adaptarse para su uso en conjunto con LED así como con el fin de obtener ventajas similares.
Adicionalmente, las composiciones de nanopartículas metálicas pueden adaptarse de forma deseable para ajustar la porosidad de la capa de interfaz térmica formada a partir de las mismas, lo que puede ayudar a acomodar cualquier falta de coincidencia de CET restante dentro de los conjuntos de los dispositivos. A diferencia de los huecos, que de manera indeseable dan como resultado la falta de un material de la interfaz térmica entre una porción del componente electrónico y el disipador de calor, puede ser deseable la porosidad, puesto que todavía se mantiene una vía de conducción térmica continua. Mediante el mantenimiento de la porosidad dentro de la capa de interfaz térmica, puede disminuirse la resistencia interna en la misma, lo que de lo contrario podría dar como resultado agrietamiento y/o delaminación. En diversas realizaciones, la porosidad de la capa de interfaz térmica puede oscilar entre aproximadamente el 1 % y aproximadamente el 40 %, medida en función del volumen de espacio libre interno que queda en la misma.
Por último, pueden introducirse deseablemente aditivos adicionales en las composiciones para aumentar adicionalmente sus valores de conductividad térmica u otras propiedades, de nuevo sin comprometer la capacidad de las nanopartículas metálicas para formar una capa de interfaz térmica. Las partículas de diamante representan un potenciador de conductividad térmica ilustrativo con una alta estabilidad térmica. Otros aditivos que pueden usarse para mejorar la conductividad térmica y/o adaptar el CET de las composiciones incluyen, por ejemplo, nitruro de boro, nanotubos de carbono, fibras de carbono molidas o trituradas, polvo de grafito, grafeno, metales (por ejemplo, W o Mo) y similares. Otros ejemplos adecuados serán reconocidos por un experto habitual en la materia.
Como se usa en el presente documento, la expresión "nanopartícula metálica" se referirá a partículas metálicas que tienen un tamaño de aproximadamente 100 nm o menos, sin referencia particular a la forma de las partículas metálicas. Como se usa en el presente documento, la expresión "metal en bruto" se referirá a partículas metálicas que son mayores de aproximadamente 100 nm de tamaño, en particular de aproximadamente 1 micrómetro o más grandes, o a nanopartículas metálicas que se han fundido al menos parcialmente entre sí para formar una masa o capa consolidada.
Las nanopartículas metálicas pueden presentar una serie de propiedades que difieren significativamente de las del metal en bruto correspondiente. Una propiedad de las nanopartículas metálicas que puede ser de particular importancia es la fusión o consolidación de nanopartículas que se produce a la temperatura de fusión de las nanopartículas metálicas. Como se usa en el presente documento, la expresión "temperatura de fusión" se referirá a la temperatura a la que se licúa una nanopartícula metálica, proporcionando de este modo el aspecto de masa fundida. Como se usan en el presente documento, los términos "fusión" o "consolidación" se referirán a la coalescencia o coalescencia parcial de nanopartículas metálicas entre sí para formar una masa más grande, tal como una capa que define una interfaz térmica. Los términos "consolidar", "consolidación" y otras variantes de los mismos se usarán indistintamente en el presente documento con los términos "fusionar", "fusión" y otras variantes de los mismos. Tras la disminución del tamaño, en particular por debajo de aproximadamente 20 nm en un diámetro esférico equivalente, la temperatura a la que las nanopartículas metálicas pueden licuarse cae dramáticamente desde la del metal en bruto correspondiente. Por ejemplo, las nanopartículas de cobre que tienen un tamaño de aproximadamente 20 nm o menos pueden tener temperaturas de fusión de aproximadamente 220 °C o inferiores, o de aproximadamente 200 °C o inferiores, en comparación con el punto de fusión del cobre en bruto de 1083 °C. Después de experimentar al menos una consolidación parcial entre sí para formar una masa más grande, el punto de fusión aumenta, acercándose de nuevo al del metal en bruto correspondiente dependiendo del grado de consolidación que se ha producido. En consecuencia, las nanopartículas metálicas son particularmente ventajosas para formar una capa de interfaz térmica metálica de acuerdo con las realizaciones de la presente divulgación. Específicamente, las composiciones de nanopartículas metálicas proporcionan la aplicación a baja temperatura de las nanopartículas metálicas antes de la fusión de las nanopartículas, al tiempo que soportan altas temperaturas de funcionamiento después de la fusión al menos parcial de las nanopartículas metálicas. Además, si se necesita volver a realizar trabajo, tal como retirar un componente electrónico fallido, una interfaz de cobre en bruto formada a partir de nanopartículas metálicas puede desintegrarse fácilmente a bajas temperaturas de procesamiento usando metal de bismuto, como se describe en la Patente de los EE.UU. 8.167.189 del mismo solicitante, que se incorpora en el presente documento por referencia en su totalidad.
Como se usan en el presente documento, las expresiones "parcialmente fusionados", "fusión parcial" y otros equivalentes gramaticales de los mismos se referirán a la coalescencia parcial de nanopartículas metálicas entre sí. Mientras que las nanopartículas metálicas totalmente fusionadas no conservan esencialmente ninguna de las
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morfologías estructurales de las nanopartículas metálicas originales no fusionadas (es decir, se asemejan al metal en bruto), las nanopartículas metálicas parcialmente fusionadas conservan al menos parte de la morfología estructural y las propiedades de las nanopartículas metálicas originales no fusionadas. Las propiedades de las nanopartículas metálicas parcialmente fusionadas pueden ser intermedias entre las del metal en bruto correspondiente y las nanopartículas metálicas sin fusionar originales.
Se ha desarrollado una serie de procesos escalables para producir cantidades en bruto de nanopartículas metálicas en un intervalo de tamaños objetivo, varios de los cuales se describen adicionalmente a continuación. Dichos procesos implican normalmente la reducción de un precursor metálico en presencia de un tensioactivo, seguida del aislamiento de las nanopartículas metálicas de la mezcla de reacción.
Las nanopartículas metálicas sintetizadas pueden formularse en diversas composiciones que mejoran sus propiedades de dispensación y la fusión entre sí, como se analiza adicionalmente a continuación en el presente documento. Dichas composiciones pueden denominarse en el presente documento "composiciones de pasta de nanopartículas" o "formulaciones de pasta de nanopartículas". Como se usan en el presente documento, las expresiones "composiciones de pasta de nanopartículas" o "formulaciones de pasta de nanopartículas" se referirán a un fluido viscoso dispensable que contiene nanopartículas metálicas dentro de una matriz orgánica. El uso del término "pasta" no implica necesariamente una función adhesiva. Las composiciones de pasta de nanopartículas pueden adaptarse de forma deseable para proporcionar propiedades particulares tales como, por ejemplo, valores de conductividad térmica mejorados, una viscosidad y consistencia de aplicación deseadas, una incidencia reducida de agrietamiento y formación de huecos durante la consolidación, haciendo coincidir los coeficientes de expansión térmica de un componente electrónico y su disipador de calor, y similares.
En diversas realizaciones, en el presente documento se describen conjuntos de los dispositivos que contienen nanopartículas metálicas. En algunas realizaciones, los conjuntos de los dispositivos descritos en el presente documento contienen un componente electrónico generador de calor en comunicación térmica con un disipador de calor metálico a través de una capa de interfaz térmica metálica. La capa de interfaz térmica metálica está dispuesta entre el componente electrónico generador de calor y el disipador de calor metálico. La capa de interfaz térmica metálica se forma a partir de una composición que contiene una pluralidad de nanopartículas metálicas que están fusionadas al menos parcialmente entre sí. Los componentes electrónicos ilustrativos pueden incluir, por ejemplo, CIMM y LED.
Las FIGURAS 5A y 5B muestran esquemas de un conjunto del dispositivo ilustrativo de acuerdo con las realizaciones de la presente divulgación, antes y después de la fusión al menos parcial de las nanopartículas metálicas en el mismo. Como se representa en la FIGURA 5A, el conjunto del dispositivo inacabado 10 incluye un disipador de calor metálico 16, sobre el cual se deposita el componente electrónico generador de calor 12. En algunas realizaciones, el componente electrónico generador de calor 12 puede funcionar en el intervalo de frecuencias de microondas, tal como un circuito integrado de microondas monolítico, como se analiza adicionalmente en el presente documento. Dispuesto entre el disipador de calor metálico 16 y el componente electrónico generador de calor 12 está la composición de nanopartículas metálicas 14, que contiene nanopartículas de cobre en algunas realizaciones. Se ha de reconocer que otros componentes electrónicos generadores de calor 12 pueden unirse a un disipador de calor 16 de una forma similar con el fin de promover la disipación de calor desde el mismo. Otros componentes electrónicos ilustrativos 12 pueden incluir, por ejemplo, amplificadores de potencia, moduladores de frecuencia, convertidores de analógico a digital (convertidores A/D), circuitos integrados específicos de aplicación (ASIC, por sus siglas en inglés), mezcladores, matrices de compuertas programables de campo (FPGA, por sus siglas en inglés), receptores, transmisores, sintonizadores, módulos de potencia de microondas (MPM), acondicionadores de potencia integrados (IPC, por sus siglas en inglés), fuentes de alimentación, convertidores de potencia, LED, diodos láser y ánodos de rayos X.
Como se analiza en el presente documento, los LED de alta potencia pueden unirse a un disipador de calor usando nanopartículas de cobre de una forma similar a las descritas para los CIMM. Cualquiera de las técnicas de procesamiento analizadas en el presente documento puede usarse para unir un LED a un disipador de calor a través de modificaciones apropiadas que serán evidentes para un experto en la materia y el beneficio de la presente divulgación.
En algunas realizaciones, el componente electrónico generador de calor puede ser un circuito integrado de microondas monolítico, en particular un circuito integrado de microondas monolítico que tiene un sustrato formado a partir de GaN o SiC. Pueden ser particularmente deseables disipadores térmicos de aleación de cobre, tales como disipadores de calor de WCu o MoCu, para su uso junto con dichos componentes electrónicos generadores de calor, como se analiza adicionalmente en el presente documento. Pueden usarse de forma similar disipadores de calor de aluminio, incluyendo los que tienen un recubrimiento de aleación de cobre, en las realizaciones que se describen en el presente documento.
En algunas realizaciones, el disipador de calor metálico 16 puede formarse a partir de metales o aleaciones metálicas tales como, por ejemplo, AI, Sn, SnAgCu, W, WCu, Mo, MoCu y similares. También pueden usarse disipadores de calor de aluminio recubiertos de aleación de cobre. En algunas realizaciones, el grafito, los
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compuestos de nanotubos de cobre-carbono, los compuestos de cobre-fibra de carbono, las aleaciones de cobre- aluminio o los compuestos de metal-diamante pueden ser como el disipador de calor. En diversas realizaciones, estos y otros disipadores de calor metálicos pueden incluir pasivar la capa superficial de óxido metálico 18 que se forma a través de la oxidación superficial del metal. Como se analiza adicionalmente a continuación, la composición de nanopartículas metálicas 14 puede contener un aditivo que al menos parcialmente grabe la capa superficial de óxido metálico pasivante 18 para dar lugar al establecimiento de un contacto térmico directo entre el disipador de calor metálico 16 y al menos una porción de la capa de interfaz térmica metálica 22 en el conjunto del dispositivo 20 terminado, como se representa en la FIGURA 5B.
Con referencia todavía a las FIGURAS 5A y 5B, puede haber capas adicionales recubiertas en el lado inferior del componente electrónico generador de calor 12 con el fin de aumentar la eficacia de la unión al mismo. Estas capas no repercuten significativamente en la eficacia de la transferencia de calor desde el componente electrónico generador de calor 12. En algunas realizaciones, la capa de adhesión 24, tal como una capa de Ti o Cr, se deposita directamente sobre el lado inferior del componente electrónico generador de calor 12 a través de una técnica de deposición de capa delgada adecuada. Las técnicas de deposición de capa fina adecuadas incluyen, por ejemplo, metalizado por bombardeo atómico, deposición catódica, deposición de capa atómica, deposición de vapor químico y similares. A continuación, se deposita una capa de unión metálica 25 sobre la capa de adhesión 24. En algunas realizaciones, la capa de unión metálica 25 puede formarse a partir de cobre. Otras capas adecuadas de unión de metal pueden incluir plata, oro, níquel, platino y paladio. Es decir, en algunas realizaciones, una superficie de sustrato del componente electrónico adyacente a la capa de interfaz térmica metálica puede recubrirse con un metal seleccionado entre el grupo que consiste en cobre, plata, oro, níquel, platino, paladio o cualquier combinación de los mismos. Los espesores de la capa de unión metálica 25 pueden oscilar entre aproximadamente 10 nm y aproximadamente 5 micrómetros, tales como entre aproximadamente 10 nm y 100 nm, o de entre aproximadamente 100 nm y aproximadamente 1 micrómetro, o de entre aproximadamente 1 micrómetro y aproximadamente 5 micrómetros. A diferencia de la capa superficial de óxido metálico pasivante 18, la capa de adhesión 24 y la capa de unión metálica 25 no se retiran en el curso de la formación del conjunto del dispositivo terminado 20 tras la fusión al menos parcialmente de las nanopartículas metálicas entre sí, como se representa en la FIGURA 5B.
En algunas realizaciones, el componente electrónico generador de calor puede funcionar en el intervalo de frecuencias de microondas (es decir, de 300 MHz a 300 GHz). Como se ha analizado anteriormente, algunas realizaciones de los conjuntos de los dispositivos de la presente divulgación pueden incluir un circuito integrado de microondas monolítico que está en comunicación térmica con un disipador de calor a través de una capa de interfaz térmica metálica formada a partir de nanopartículas metálicas que están fusionadas al menos parcialmente entre sí. La función del CIMM o el conjunto del dispositivo formado a partir del mismo no se considera en particular limitada. Las funciones ilustrativas del CIMM pueden incluir, pero no se limitan a, la mezcla de microondas, la amplificación de potencia, la amplificación de ruido bajo, la conmutación de altas frecuencias, la modulación de frecuencias, la recepción, la transmisión, el acondicionamiento de potencia y cualquier combinación de los mismos. En diversas realizaciones, los conjuntos de los dispositivos que contienen CIMM pueden usarse en una diversidad de aplicaciones de RF incluyendo sistemas de comunicaciones y radar. Las configuraciones y funciones adecuadas para CIMM serán familiares para un experto habitual en la materia y, por tanto, no se describirán adicionalmente en detalle en el presente documento, excepto como se especifica a continuación.
En algunas realizaciones, los CIMM de los conjuntos de los dispositivos descritos en el presente documento pueden incluir un sustrato formado a partir de GaN o SiC. Es decir, la circuitería del CIMM puede fabricarse sobre o dentro del sustrato y la parte inferior del sustrato puede ponerse en contacto con la capa de interfaz térmica metálica en el conjunto del dispositivo. Como se ha analizado anteriormente, los CIMM que contienen uno o ambos de estos materiales pueden ser particularmente resistentes térmicamente, proporcionando de este modo ímpetu para desarrollar materiales de interfaz térmica que sean capaces de soportar sus temperaturas de funcionamiento más altas, tal como a través de las realizaciones de la presente divulgación. Los substratos de CIMM alternativos pueden formarse a partir de sustancias tales como, por ejemplo, GaAs, InP, Si, SiGe, GaN, AIGaN sobre SiC y GaN sobre SiC.
En diversas realizaciones, la capa de interfaz térmica metálica formada a partir de nanopartículas metálicas de acuerdo con la presente divulgación puede tener un valor de conductividad térmica de hasta aproximadamente 200 W/m ■ K o de hasta aproximadamente 600 W/m ■ K. En realizaciones más particulares, la capa de interfaz térmica metálica puede tener un valor de conductividad térmica que oscila entre aproximadamente 100 W/m ■ K y aproximadamente 600 W/m ■ K, o entre aproximadamente 100 W/m ■ K y aproximadamente 200 W/m ■ K, o entre aproximadamente 200 W/m ■ K y aproximadamente 300 W/m ■ K, o entre aproximadamente 300 W/m ■ K y aproximadamente 400 W/m ■ K, o entre aproximadamente 400 W/m ■ K y aproximadamente 500 W/m ■ K, o entre aproximadamente 500 W/m ■ K y aproximadamente 600 W/m ■ K.
La capa de interfaz térmica metálica dispuesta entre el componente electrónico y el disipador de calor puede fabricarse deseablemente muy delgada para soportar una alta tasa de transferencia de calor entre ellos. En algunas realizaciones, el espesor de la capa de interfaz térmica metálica puede ser inferior a aproximadamente 100 micrómetros, en particular de entre aproximadamente 1 micrómetro y aproximadamente 100 micrómetros. En realizaciones más específicas, el espesor de la capa de interfaz térmica metálica puede oscilar entre
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aproximadamente 2 micrómetros y aproximadamente 50 micrómetros, o entre aproximadamente 3 micrómetros y aproximadamente 20 micrómetros, o entre aproximadamente 4 micrómetros y aproximadamente 15 micrómetros, o entre aproximadamente 5 micrómetros y aproximadamente 10 micrómetros, o entre aproximadamente 2 micrómetros y aproximadamente 5 micrómetros.
En algunas realizaciones, la capa de interfaz térmica metálica puede ser porosa. En algunas realizaciones, la porosidad de la capa de interfaz térmica metálica puede oscilar entre aproximadamente el 1 % y aproximadamente el 40 %, más en particular entre aproximadamente el 5 % y aproximadamente el 40 %. En realizaciones más específicas, la porosidad de la capa de interfaz térmica metálica puede oscilar entre aproximadamente el 1 % y aproximadamente el 5 %, o entre aproximadamente el 5 % y aproximadamente el 10 %, o entre aproximadamente el 10% y aproximadamente el 20%, o entre aproximadamente el 20% y aproximadamente el 30%, o entre aproximadamente el 30% y aproximadamente el 40%, o entre aproximadamente el 10% y aproximadamente el 25 %, o entre aproximadamente el 25 % y aproximadamente el 40 %.
En algunas realizaciones, los conjuntos de los dispositivos descritos en el presente documento pueden incluir un disipador de calor metálico formado a partir de una aleación de cobre, incluyendo aleaciones de cobre aplicadas como recubrimiento sobre un sustrato de aluminio. Como se ha analizado anteriormente, las aleaciones de cobre pueden ser particularmente deseables para igualar el coeficiente de expansión térmica de los CIMM formados sobre un sustrato de GaN o SiC. Las aleaciones de cobre particularmente adecuadas para su uso junto con dichos CIMM pueden incluir aleaciones de WCu y aleaciones de MoCu. Por ejemplo, una aleación de MoCu ilustrativa adecuada para su uso junto con CIMM a base de GaN puede incluir aproximadamente el 85 % de Mo y aproximadamente el 15 % de Cu. La variación de los dos componentes en proporción entre sí también es posible. De forma similar, las aleaciones de WCu ilustrativas adecuadas para su uso junto con CIMM a base de GaN pueden incluir aproximadamente el 50-90 % de W y aproximadamente el 10-50 % de Cu. Las nanopartículas de cobre pueden ser particularmente adecuadas para su uso junto con dichos disipadores térmicos de aleación de cobre con el fin de formar una capa de interfaz térmica sobre los mismos. Las nanopartículas de cobre que contienen diversos aditivos conductores (por ejemplo, diamante, nitruro de boro, nanotubos de carbono, grafeno, fibras de carbono y materiales similares analizados en el presente documento) pueden ser igualmente ventajosas a este respecto.
En algunas realizaciones, el disipador de calor metálico puede incluir una capa superficial de óxido metálico pasivante sobre el mismo. Los disipadores térmicos metálicos formados a partir de una aleación de cobre, en particular los descritos anteriormente, pueden ser particularmente susceptibles a la formación de una capa superficial de óxido metálico debido a su reacción con el oxígeno atmosférico. Como se ha analizado anteriormente, la capa superficial de óxido metálico pasivante puede ser problemática si no se retira antes de formar una capa de interfaz térmica en el disipador de calor metálico.
Aunque una capa superficial de óxido metálico pasivante puede retirarse (por ejemplo, mediante grabado con ácido) de un disipador de calor metálico antes de la deposición de una composición de nanopartículas metálicas sobre el mismo, puede ser muy difícil evitar la formación de nuevo de la capa de óxido metálico antes de completar la fabricación de un conjunto del dispositivo. Por ejemplo, a veces pueden ser necesarias condiciones de trabajo en vacío o en atmósfera inerte para proteger un disipador de calor metálico al que se le ha retirado su capa de óxido metálico pasivante, lo que puede aumentar significativamente el tiempo y el gasto necesarios para completar la fabricación de un conjunto del dispositivo de la presente divulgación.
Con frecuencia puede ser más deseable realizar la retirada in situ de una capa superficial de óxido metálico pasivante cuando se fabrican los conjuntos de los dispositivos de la presente divulgación. Es decir, la capa superficial pasivante de óxido metálico se retira deseablemente con los otros componentes ya situados en su lugar. Específicamente, en algunas realizaciones, la composición a partir de la cual se forma la capa de interfaz térmica metálica también puede contener un reactivo para el grabado capaz de grabar o al menos retirar parcialmente un óxido metálico del disipador de calor metálico. Dicho reactivo para el grabado puede tener lugar junto con la fusión al menos parcial de las nanopartículas metálicas de la composición entre sí.
En algunas realizaciones, los reactivos para el grabado adecuados pueden incluir diversos ácidos y compuestos generadores de ácido. Aunque uno tiene cierta ligereza al elegir un ácido o compuesto generador de ácido adecuado, la fuerza y la concentración del ácido deben ser suficientemente bajas para no reaccionar u oxidar sustancialmente las nanopartículas metálicas o la capa de interfaz térmica metálica formada a partir del mismo. En realizaciones más específicas, el reactivo para el grabado puede incluir un ácido carboxílico o un anhídrido del mismo. Un experto habitual en la materia reconocerá la utilidad de los anhídridos a este respecto puesto que pueden descomponerse químicamente en el ácido libre correspondiente en condiciones suaves y controladas, manteniendo de ese modo la concentración del ácido libre a un nivel deseablemente bajo. Pueden usarse ésteres carboxílicos en una línea similar a un compuesto generador de ácido.
Incluso cuando se genera un reactivo para el grabado a partir de un compuesto generador de ácido, no todos los ácidos carboxílicos son necesariamente adecuados para poner en práctica las realizaciones que se describen en el presente documento. Por ejemplo, algunos ácidos carboxílicos pueden ser demasiado ácidos para estar presentes junto con nanopartículas metálicas o una capa de interfaz térmica metálica formada a partir de los mismos, incluso
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cuando se producen in situ a partir de un compuesto generador de ácido. Los reactivos para el grabado de ácido carboxílico están más deseablemente en estado líquido cuando se graba la capa superficial de óxido metálico pasivante del disipador de calor, de manera que puedan filtrarse a través de la matriz de nanopartículas metálicas y poner en contacto más eficazmente la capa superficial. Sin embargo, no se incorporan deseablemente reactivos para el grabado de ácido carboxílico o precursores de los mismos en la composición de nanopartículas metálicas en estado líquido, puesto que pueden reaccionar prematuramente con la capa superficial o las nanopartículas metálicas cuando se licuan. Mucho más deseablemente, el ácido carboxílico o precursor del mismo se incorpora en la composición de nanopartículas metálicas como un sólido y después se forma un ácido libre en estado líquido tras el calentamiento, idealmente por debajo de la temperatura de fusión de las nanopartículas metálicas. Por ejemplo, cuando se utilizan nanopartículas de cobre en las realizaciones que se describen en el presente documento, el ácido carboxílico puede tener un punto de fusión por debajo de aproximadamente 200 °C con el fin de estar por debajo de la temperatura de fusión de las nanopartículas de cobre, que pueden estar en el intervalo de 200-220 °C dependiendo de su tamaño. Mediante la formación de un reactivo para el grabado de ácido carboxílico licuado por debajo de la temperatura de fusión de las nanopartículas metálicas, la capa superficial de óxido metálico pasivante puede retirarse eficazmente antes de que las nanopartículas metálicas se licuen, entren en contacto directo con el disipador de calor metálico y, posteriormente, se vuelvan a solidificar para formar una capa de interfaz térmica metálica en la que las nanopartículas metálicas se fusionen al menos parcialmente entre sí. Dado el conocimiento de un experto en la materia y que tiene el beneficio de la presente divulgación, un experto habitual en la materia será capaz de elegir un ácido carboxílico adecuado o un precursor del mismo para poner en práctica las realizaciones de la presente divulgación.
En realizaciones aún más específicas, un reactivo para el grabado particularmente adecuado para poner en práctica la divulgación en el presente documento puede ser ácido abiético o un anhídrido del mismo. La estructura del ácido abiético y su anhídrido se muestran en las Fórmulas 1 y 2, respectivamente.
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El ácido abiético y otros ácidos de colofonia similares son sólidos pegajosos que se funden bien por debajo de la temperatura de fusión de nanopartículas de cobre (punto de fusión del ácido abiético = 140 °C), que colectivamente los hacen adecuados para la incorporación en las composiciones de nanopartículas descritas en el presente documento. El ácido abiético y otros ácidos de colofonia similares también se usan habitualmente en la formación de dispositivos electrónicos como parte de un flujo de soldadura, lo que los hace compatibles con técnicas de fabricación existentes. También pueden usarse mezclas de ácido abiético con más ácidos reactivos o precursores de ácido junto con las realizaciones que se describen en el presente documento.
En general, la estructura del ácido o precursor de ácido está equilibrada entre la reactividad y la volatilidad. Los ácidos carboxílicos de cadena corta y los precursores de ácido son generalmente demasiado reactivos, mientras que los ácidos de cadena más larga y el precursor de ácido pueden carecer de suficiente reactividad y especialmente de la volatilidad necesaria para la retirada de la interfaz térmica. El ácido que permanece en la interfaz térmica puede dar como resultado una disminución de la comunicación térmica y producir problemas de corrosión a largo plazo. Aparte de ácido abiético y compuestos similares, los ácidos particularmente adecuados o los precursores de ácido pueden contener, en algunas realizaciones, entre aproximadamente 14 y aproximadamente 18 átomos de carbono, que pueden ser ramificados, de cadena lineal, anillados, saturados, insaturados o cualquier combinación de los
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mismos. Los puntos de fusión preferidos para los ácidos pueden oscilar entre aproximadamente 40 °C y aproximadamente 175 °C. Por ejemplo, los ácidos adecuados pueden incluir derivados de ácido salicílico o anhídridos de los mismos que contienen grupos alquilo o acilo. En diversas realizaciones, el ácido puede estar presente a una concentración que oscila entre aproximadamente el 0,1 % y el 3,5 % en peso de la composición.
En algunas realizaciones, el calentamiento del ácido o el compuesto generador de ácido para retirar la capa superficial de óxido metálico pasivante puede tener lugar en presencia de una fuente de agua. En muchos casos, la fuente de agua es la humedad atmosférica, que puede promover la degradación de un precursor de ácido en el ácido libre. En algunas u otras realizaciones, puede usarse un material hidratado (por ejemplo, un material hidratado inorgánico u orgánico que contiene al menos un agua de hidratación) que libera su agua de hidratación a una temperatura por debajo de la temperatura de descomposición del compuesto generador de ácido para promover la formación de un ácido durante el calentamiento. La generación in situ de agua a partir de un material hidratado puede ser deseable para ralentizar el proceso de reacción y prolongar la vida útil de las composiciones. Además, un material hidratado puede evitar una reacción prematura con el agua en la producción de un ácido o un compuesto generador de ácido.
En lugar o además del reactivo para el grabado, las composiciones de nanopartículas también pueden incluir adicionalmente un aditivo que aumenta la conductividad térmica de la capa de interfaz térmica metálica en el conjunto del dispositivo. En algunas realizaciones, el aditivo puede ser una pluralidad de partículas de diamante, incluyendo partículas de diamante tanto de tamaño nanométrico como de tamaño micrométrico. Las partículas de diamante también pueden ajustar ventajosamente el coeficiente de expansión térmica de la capa de interfaz térmica metálica, puesto que demuestra una expansión térmica mínima en comparación con el metal en bruto formado a partir de las nanopartículas metálicas. Por tanto, cuantas más partículas de diamante están presentes en la composición, más bajo se vuelve eficazmente el coeficiente de expansión térmica. Otros aditivos potenciadores de la conductividad térmica adecuados que pueden estar presentes en lugar o además de las partículas de diamante incluyen, por ejemplo, partículas de metal en bruto, partículas de grafito, partículas de grafeno (grafeno tanto de una única capa como de pocas capas), partículas de negro de carbono, partículas de carbono amorfo, fibras de carbono molidas o trituradas, partículas de nitruro de boro, partículas de carburo de silicio, similares y cualquier combinación de las mismas.
Cuando está presente, una cantidad del uno o más aditivos en las composiciones puede oscilar desde superior a cero hasta aproximadamente el 50 % en peso de la composición. En realizaciones más específicas, el uno o más aditivos pueden estar presentes en un intervalo de aproximadamente el 0,1 % a aproximadamente el 40 % en peso de la composición, o de aproximadamente el 1 % a aproximadamente el 25 % en peso de la composición, o de aproximadamente el 5 % a aproximadamente el 20 % en peso de la composición, o de aproximadamente el 10 % a aproximadamente el 35 % en peso de la composición.
En realizaciones más específicas, las nanopartículas metálicas son nanopartículas de cobre. Las nanopartículas de cobre se consideran ventajosas en el contexto de las presentes realizaciones por las razones mencionadas anteriormente. Debe reconocerse, sin embargo, que otros tipos de nanopartículas metálicas pueden reemplazar al cobre a discreción de un experto habitual en la materia. Otras nanopartículas metálicas adecuadas que pueden estar presentes en las composiciones y pueden usarse junto con la formación de una capa de interfaz térmica, ya sea individualmente o en combinación con nanopartículas de cobre incluyen, entre otras, nanopartículas de níquel, nanopartículas de aluminio, nanopartículas de estaño, nanopartículas de plata, nanopartículas de paladio, nanopartículas de hierro, nanopartículas de cobalto, nanopartículas de titanio, nanopartículas de circonio, nanopartículas de hafnio, nanopartículas de tantalio, nanopartículas de oro, similares y cualquier combinación de las mismas. Cualquiera de estos metales también puede usarse para formar una cubierta sobre nanopartículas de cobre en diversas configuraciones de la presente divulgación.
Se describen técnicas de fabricación de nanopartículas metálicas particularmente fáciles en las Patentes de los EE.UU. 7.736.414, 8.105.414, 8.192.866 y 8.486.305 del mismo solicitante; y las Publicaciones de Solicitud de Patente de los EE.UU. 2011/0215279, 2012/0114521 y 2013/0209692 del mismo solicitante, cada una de las cuales se incorpora en el presente documento por referencia en su totalidad. Como se describe en el presente documento, pueden fabricarse nanopartículas metálicas en un intervalo de tamaños estrecho mediante la reducción de una sal metálica en un disolvente en presencia de un sistema tensioactivo adecuado. A continuación, se detalla una descripción adicional de sistemas tensioactivos adecuados. En presencia de un sistema tensioactivo adecuado, pueden producirse nanopartículas metálicas que tienen un intervalo de tamaños de entre aproximadamente 1 nm y aproximadamente 50 nm y que incluyen un recubrimiento de tensioactivo sobre las mismas. En realizaciones más particulares, pueden producirse nanopartículas metálicas que tienen un recubrimiento tensioactivo y un intervalo de tamaños de entre aproximadamente 1 nm y aproximadamente 20 nm, o de entre aproximadamente 1 nm y aproximadamente 10 nm, o de entre aproximadamente 1 nm y aproximadamente 7 nm, o de entre aproximadamente 1 nm y aproximadamente 5 nm. Sin quedar ligados a teoría o mecanismo alguno, la FIGURA 6 muestra la presunta estructura de una nanopartícula metálica ilustrativa que tiene un recubrimiento de tensioactivo sobre la misma. Como se muestra en la FIGURA 6, la nanopartícula metálica 30 incluye la esfera metálica 32 y el recubrimiento de tensioactivo 34 dispuesto sobre la misma. Permaneciendo sin quedar ligados a teoría o mecanismo alguno, se cree que el sistema tensioactivo puede mediar en la nucleación y el crecimiento de las nanopartículas metálicas, limitar la
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oxidación superficial de las nanopartículas metálicas y/o inhibir que las nanopartículas metálicas se agreguen ampliamente entre sí antes de la fusión de nanopartículas.
Los disolventes orgánicos adecuados para solubilizar sales metálicas y formar nanopartículas metálicas pueden incluir disolventes apróticos tales como, por ejemplo, formamida, N,N-dimetilformamida, dimetilsulfóxido, dimetilpropilenurea, hexametilfosforamida, tetrahidrofurano, glima, diglima, triglima, tetraglima y similares. Los agentes reductores adecuados para reducir sales metálicas y promover la formación de nanopartículas metálicas pueden incluir, por ejemplo, un metal alcalino en presencia de un catalizador adecuado (por ejemplo, naftalida de litio, naftalida de sodio o naftalida de potasio) o agentes reductores de borohidruro (por ejemplo, borohidruro de sodio, borohidruro de litio, borohidruro de potasio o un borohidruro de tetraalquilamonio).
En diversas realizaciones, el sistema tensioactivo utilizado para preparar las nanopartículas metálicas puede incluir uno o más tensioactivos. Las propiedades diferentes de diversos tensioactivos pueden usarse para adaptar las propiedades de las nanopartículas metálicas, tales como su tamaño. Los factores que pueden tenerse en cuenta cuando se selecciona un tensioactivo o combinación de tensioactivos para su uso en la síntesis de nanopartículas metálicas pueden incluir, por ejemplo, la facilidad de disipación del tensioactivo de las nanopartículas metálicas durante la fusión de nanopartículas, la nucleación y las tasas de crecimiento de las nanopartículas metálicas, la afinidad de los tensioactivos con el metal elegido y similares.
En algunas realizaciones, puede usarse un tensioactivo de amina o una combinación de tensioactivos de amina, en particular aminas alifáticas, durante la síntesis de nanopartículas metálicas. En algunas realizaciones, pueden usarse dos tensioactivos de amina combinados entre sí. En otras realizaciones, pueden usarse tres tensioactivos de amina combinados entre sí. En realizaciones más específicas, pueden usarse una amina primaria, una amina secundaria y un agente quelante de diamina combinados entre sí. En realizaciones aún más específicas, los tres tensioactivos de amina pueden incluir una amina primaria de cadena larga, una amina secundaria y una diamina que tiene al menos un sustituyente de nitrógeno de grupo alquilo terciario. A continuación, se proporciona una divulgación adicional con respecto a tensioactivos de amina adecuados.
En algunas realizaciones, el sistema tensioactivo puede incluir una alquilamina primaria. En algunas realizaciones, la alquilamina primaria puede ser una alquilamina C2-C18. En algunas realizaciones, la alquilamina primaria puede ser una alquilamina C7-C10. En otras realizaciones, también puede usarse una alquilamina C5-C6 primaria. Sin quedar ligados a teoría o mecanismo alguno, el tamaño exacto de la alquilamina primaria puede equilibrarse entre ser lo suficientemente largo para proporcionar una estructura de micela inversa eficaz frente a tener una volatilidad rápida y/o facilidad de manipulación. Por ejemplo, también pueden ser adecuadas alquilaminas primarias con más de 18 carbonos para su uso en las presentes realizaciones, pero pueden ser más difíciles de manipular debido a su carácter ceroso. Las alquilaminas C7-C10 primarias, en particular, pueden representar un buen equilibrio de propiedades deseadas para su facilidad de uso.
En algunas realizaciones, la alquilamina C2-C18 primaria puede ser n-heptilamina, n-octilamina, n-nonilamina o n- decilamina, por ejemplo. Aunque todas estas son alquilaminas primarias de cadena lineal, también pueden usarse alquilaminas primarias de cadena ramificada en otras realizaciones. Por ejemplo, pueden usarse alquilaminas primarias de cadena ramificada tales como, por ejemplo, 7-metiloctilamina, 2-metiloctilamina o 7-metilnilamina en algunas realizaciones. En algunas realizaciones, dichas alquilaminas primarias de cadena ramificada pueden estar estéricamente impedidas cuando están unidas al átomo de nitrógeno de la amina. Los ejemplos no limitantes de dichas alquilaminas primarias estéricamente impedidas pueden incluir, por ejemplo, t-octilamina, 2-metilpentan-2- amina, 2-metilhexan-2-amina, 2-metilheptan-2-amina, 3-etiloctan-3-amina, 3-etilheptan-3amina, 3-etilhexan-3-amina y similares. También puede haber presente una ramificación adicional. Sin quedar ligados a teoría o mecanismo alguno, se cree que las alquilaminas primarias pueden servir como ligandos en la esfera de coordinación del metal, pero pueden disociarse fácilmente durante la fusión de nanopartículas metálicas.
En algunas realizaciones, el sistema tensioactivo puede incluir una amina secundaria. Las aminas secundarias adecuadas para formar nanopartículas metálicas pueden incluir grupos alquilo C4-C12 normales, ramificados o cíclicos unidos al átomo de nitrógeno de la amina. En algunas realizaciones, la ramificación puede producirse en un átomo de carbono unido al átomo de nitrógeno de la amina, produciendo de este modo un impedimento estérico significativo en el átomo de nitrógeno. Las aminas secundarias adecuadas pueden incluir, sin limitación, dihexilamina, diisobutilamina, di-t-butilamina, dineopentililamina, di-t-pentilamina, diciclopentilamina, diciclohexilamina y similares. También pueden usarse aminas secundarias fuera del intervalo C4-C12, pero dichas aminas secundarias pueden tener propiedades físicas indeseables tales como puntos de ebullición bajos o consistencias cerosas que pueden complicar su manipulación.
En algunas realizaciones, el sistema tensioactivo puede incluir un agente quelante, en particular un agente quelante de diamina. En algunas realizaciones, uno o ambos átomos de nitrógeno del agente quelante de diamina pueden estar sustituidos con uno o dos grupos alquilo. Cuando hay presentes dos grupos alquilo en el mismo átomo de nitrógeno, pueden ser iguales o diferentes. Adicionalmente, cuando ambos átomos de nitrógeno están sustituidos, pueden estar presentes los mismos o diferentes grupos alquilo. En algunas realizaciones, los grupos alquilo pueden ser grupos alquilo C1-C6. En otras realizaciones, los grupos alquilo pueden ser grupos alquilo C1-C4 o grupos alquilo
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C3-C6. En algunas realizaciones, los grupos alquilo C3 o superiores pueden ser lineales o tener cadenas ramificadas. En algunas realizaciones, los grupos alquilo C3 o superiores pueden ser cíclicos. Sin quedar ligados a teoría o mecanismo alguno, se cree que los agentes quelantes de diamina pueden facilitar la formación de nanopartículas metálicas promoviendo la nucleación de nanopartículas.
En algunas realizaciones, los agentes quelantes de diamina adecuados pueden incluir N,N'-dialquiletilendiaminas, en particular N,N'-dialquiletilendiaminas C1-C4. También pueden usarse los derivados correspondientes de metilendiamina, propilendiamina, butilendiamina, pentilendiamina o hexilendiamina. Los grupos alquilo pueden ser iguales o diferentes. Los grupos alquilo C1-C4 que pueden estar presentes incluyen, por ejemplo grupos metilo, etilo, propilo y butilo o grupos alquilo ramificados, tales como grupos isopropilo, isobutilo, s-butilo y t-butilo. Las N,N'- dialquiletilendiaminas ilustrativas que pueden ser adecuadas para su uso en la formación de nanopartículas metálicas incluyen, por ejemplo, N,N'-di-t-butiletilendiamina, N,N'-diisopropiletilendiamina y similares.
En algunas realizaciones, los agentes quelantes de diamina adecuados pueden incluir N,N,N',N'- tetraalquiletilendiaminas, en particular N,N,N',N'-tetraalquiletilendiaminas C1-C4. También pueden usarse los derivados correspondientes de metilendiamina, propilendiamina, butilendiamina, pentilendiamina o hexilendiamina. Los grupos alquilo pueden ser nuevamente iguales o diferentes e incluyen los mencionados anteriormente. Las N,N,N',N'-tetraalquiletilendiaminas ilustrativas que pueden ser adecuadas para su uso en la formación de nanopartículas metálicas incluyen, por ejemplo, N,N,N',N'-tetrametiletilendiamina, N,N,N',N'tetrailetilendiamina y similares.
También puede haber presentes tensioactivos distintos de las aminas alifáticas en el sistema tensioactivo. A este respecto, los tensioactivos adecuados pueden incluir, por ejemplo, piridinas, aminas aromáticas, fosfinas, tioles o cualquier combinación de los mismos. Estos tensioactivos pueden usarse en combinación con una amina alifática, incluyendo las descritas anteriormente o pueden usarse en un sistema tensioactivo en el que no haya presente una amina alifática. A continuación, se proporciona una divulgación adicional con respecto a piridinas, aminas aromáticas, fosfinas y tioles adecuados.
Las aminas aromáticas adecuadas pueden tener una fórmula de ArNR1R2, donde Ar es un grupo arilo sustituido o no sustituido y R1 y R2 son iguales o diferentes. R1 y R2 pueden seleccionarse independientemente entre H o un grupo alquilo o arilo que contenga de 1 a aproximadamente 16 átomos de carbono. Las aminas aromáticas ilustrativas que pueden ser adecuadas para su uso en la formación de nanopartículas metálicas incluyen, por ejemplo, anilina, toluidina, anisidina, N,N-dimetilanilina, N,N-dietilanilina y similares. Un experto habitual en la materia puede visualizar otras aminas aromáticas que pueden usarse junto con la formación de nanopartículas metálicas.
Las piridinas adecuadas pueden incluir tanto piridina como sus derivados. Las piridinas ilustrativas que pueden ser adecuadas para su uso en la formación de nanopartículas metálicas incluyen, por ejemplo, piridina, 2-metilpiridina, 2,6-dimetilpiridina, colidina, piridazina y similares. También pueden usarse piridinas quelantes tales como agentes quelantes de bipiridilo. Un experto habitual en la materia puede visualizar otras piridinas que pueden usarse junto con la formación de nanopartículas metálicas.
Las fosfinas adecuadas pueden tener una fórmula de PR3, donde R es un grupo alquilo o arilo que contiene de 1 a aproximadamente 16 átomos de carbono. Los grupos alquilo o arilo unidos al centro de fósforo pueden ser iguales o diferentes. Las fosfinas ilustrativas que pueden usarse en la formación de nanopartículas metálicas incluyen, por ejemplo, trimetilfosfina, trietilfosfina, tributilfofina, tri-t-butilfosfina, trioctilfosfina, trifenilfosfina y similares. Los óxidos de fosfina también pueden usarse de forma similar. En algunas realizaciones, también pueden usarse tensioactivos que contnengan dos o más grupos de fosfina configurados para formar un anillo de quelato. Las fosfinas quelantes ilustrativas pueden incluir 1,2-bisfosfinas, 1,3-bisfosfinas y bisfosfinas tales como BINAP, por ejemplo. Un experto habitual en la materia puede visualizar otras fosfinas que pueden usarse junto con la formación de nanopartículas metálicas.
Los tioles adecuados pueden tener una fórmula de RSH, donde R es un grupo alquilo o arilo que tiene de aproximadamente 4 a aproximadamente 16 átomos de carbono. Los tioles ilustrativos que pueden usarse para formar nanopartículas metálicas incluyen, por ejemplo, butanotiol, 2-metil-2-propanotiol, hexanotiol, octanotiol, bencenotiol y similares. En algunas realizaciones, también pueden usarse tensioactivos que contengan dos o más grupos tiol configurados para formar un anillo de quelato. Los tioles quelantes ilustrativos pueden incluir, por ejemplo, 1,2-ditioles (por ejemplo, 1,2-etanotiol) y 1,3-ditioles (por ejemplo, 1,3-propanotiol). Un experto habitual en la materia puede visualizar otros tioles que pueden usarse junto con la formación de nanopartículas metálicas.
La disminución del agrietamiento y la formación de huecos durante la consolidación de nanopartículas metálicas también puede promoverse mediante una elección juiciosa del disolvente o disolventes que forman la matriz orgánica de las composiciones de nanopartículas utilizadas en diversas realizaciones de la presente divulgación. A este respecto, una combinación adaptada de disolventes orgánicos puede promover la consolidación de las nanopartículas metálicas con una menor incidencia de agrietamiento y formación de huecos. Más en particular, una matriz orgánica que contiene uno o más hidrocarburos, uno o más alcoholes, una o más aminas y uno o más ácidos orgánicos puede ser especialmente eficaz para este propósito. Sin quedar ligados a teoría o mecanismo alguno, se
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cree que esta combinación de disolventes orgánicos puede facilitar la retirada y el secuestro de moléculas tensioactivas que rodean a las nanopartículas metálicas, de modo que las nanopartículas metálicas puedan fusionarse más fácilmente entre sí. Más en particular, se cree que los disolventes hidrocarbonados y alcohólicos pueden solubilizar pasivamente las moléculas tensioactivas liberadas de las nanopartículas metálicas por el movimiento browniano y reducir su capacidad para volverse a unir a las mismas. En concierto con la solubilización pasiva de las moléculas de tensioactivo, los disolventes de amina y ácido orgánico pueden secuestrar activamente las moléculas de tensioactivo a través de una interacción química de manera que ya no estén disponibles para la recombinación con las nanopartículas metálicas.
Se puede realizar una adaptación adicional de la composición de disolvente para reducir la brusquedad de la contracción de volumen que tiene lugar durante la retirada de tensioactivo y la consolidación de nanopartículas metálicas. Específicamente, más de un miembro de cada clase de solvente orgánico (es decir, hidrocarburos, alcoholes, aminas y ácidos orgánicos) pueden estar presentes en la matriz orgánica, donde los miembros de cada clase tienen puntos de ebullición que están separados entre sí por un grado establecido. Por ejemplo, en algunas realizaciones, los diversos miembros de cada clase pueden tener puntos de ebullición que están separados entre sí en aproximadamente 20 °C a aproximadamente 50 °C. Mediante el uso de dicha mezcla disolvente, los cambios de volumen repentinos debido a la pérdida rápida de disolvente pueden minimizarse durante la consolidación de nanopartículas metálicas, ya que los diversos componentes de la mezcla de disolventes pueden retirarse gradualmente en un amplio intervalo de puntos de ebullición (por ejemplo, de aproximadamente 50 °C a aproximadamente 200 °C).
Además de adaptar las composiciones de nanopartículas, el perfil de calentamiento utilizado para promover la consolidación térmica de las nanopartículas metálicas también puede influir en el grado de agrietamiento y formación de huecos. En general, el calentamiento lento de las composiciones de nanopartículas hasta la temperatura de fusión de las nanopartículas metálicas puede reducir deseablemente el grado de agrietamiento y la formación de huecos. Además, mantener la temperatura en una o más mesetas de temperatura por debajo de la temperatura de fusión también puede reducir deseablemente la incidencia de agrietamiento y formación de huecos retirando lentamente los componentes más volátiles de las composiciones antes de que se produzca la fusión de nanopartículas metálicas. De nuevo sin quedar ligados a teoría o mecanismo alguno, se cree que el calentamiento lento y/o las mesetas térmicas pueden disminuir deseablemente la contracción de volumen que se produce durante la retirada del tensioactivo y el disolvente, disminuyendo de este modo la incidencia de agrietamiento y formación de huecos durante la consolidación de nanopartículas metálicas.
En algunas realizaciones, las composiciones de nanopartículas pueden formularse para que tengan una viscosidad deseada con el fin de promover su dispensación y aplicación a una fuente de calor o un disipador de calor. Dado el beneficio de la presente divulgación, un experto en la materia será capaz de preparar una composición de nanopartículas que tenga una viscosidad deseada que mantenga las otras características descritas en el presente documento. En diversas realizaciones, las composiciones de nanopartículas pueden tener una viscosidad que oscila entre aproximadamente 1000 cP y aproximadamente 250.000 cP, o entre aproximadamente 5.000 cP y aproximadamente 200.000 cP, o entre aproximadamente 25.000 cP y aproximadamente 250.000 cP, o entre
aproximadamente 50.000 cP y aproximadamente 250.000 cP, o entre aproximadamente 100.000 cP y
aproximadamente 250.000 cP, o entre aproximadamente 150.000 cP y aproximadamente 250.000 cP, o entre aproximadamente 100.000 cP y aproximadamente 200.000 cP, o entre aproximadamente 100.000 cP y
aproximadamente 200.000 cP, o entre aproximadamente 100.000 cP y aproximadamente 150.000 cP, o entre aproximadamente 150.000 cP y aproximadamente 200.000 cP. La viscosidad de las composiciones de
nanopartículas puede modularse mediante numerosos factores incluyendo, por ejemplo, la elección de los diversos disolventes orgánicos en la matriz orgánica, la cantidad de nanopartículas metálicas y otros sólidos en la matriz orgánica, el tamaño de las nanopartículas metálicas y el tamaño de partícula global dentro de las composiciones y la adición de diversos agentes espesantes y de control de la reología a las composiciones.
En algunas realizaciones, las composiciones de nanopartículas pueden tener un tamaño de partícula máximo de aproximadamente 75 micrómetros o menos. En otras realizaciones, las composiciones de nanopartículas pueden tener un tamaño de partícula máximo de aproximadamente 50 micrómetros o menos, o de aproximadamente 40 micrómetros o menos, o de aproximadamente 30 micrómetros o menos, o de aproximadamente 20 micrómetros o menos, o de aproximadamente 10 micrómetros o menos. El tamaño máximo de partícula puede incluir aglomerados de nanopartículas metálicas consigo mismas y con otros componentes de las composiciones de nanopartículas (por ejemplo, potenciadores de la conductividad térmica o partículas de metal a escala micrométrica).
En diversas realizaciones, al menos una porción de las nanopartículas metálicas presentes en las composiciones de nanopartículas puede tener un tamaño de aproximadamente 20 nm o menos. Como se ha analizado anteriormente, las nanopartículas metálicas en este intervalo de tamaños tienen temperaturas de fusión que son significativamente más bajas que las del metal en bruto correspondiente y, como resultado, se consolidan fácilmente entre sí. En algunas realizaciones, las nanopartículas de cobre que tienen un tamaño de aproximadamente 20 nm o menos, pueden tener una temperatura de fusión de aproximadamente 220 °C o inferior (por ejemplo, una temperatura de fusión en el intervalo de aproximadamente 150 °C a aproximadamente 220 °C) o aproximadamente 200 °C o menos, lo que puede proporcionar las ventajas que se han indicado anteriormente. En algunas realizaciones, al menos una
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porción de las nanopartículas metálicas puede tener un tamaño de aproximadamente 10nmo menos o un tamaño de aproximadamente 5 nm o menos. En algunas realizaciones, al menos una porción de las nanopartículas metálicas puede oscilar entre aproximadamente 1 nm de tamaño y aproximadamente 20 nm de tamaño, o entre aproximadamente 1 nm de tamaño y aproximadamente 10 nm de tamaño, o entre aproximadamente 1 nm de tamaño y aproximadamente 5 nm de tamaño, o entre aproximadamente 3 nm de tamaño y aproximadamente 7 nm de tamaño, o entre aproximadamente 5 nm de tamaño y aproximadamente 20 nm de tamaño. En algunas realizaciones, sustancialmente todas las nanopartículas metálicas pueden residir dentro de estos intervalos de tamaño. En algunas realizaciones, las nanopartículas metálicas más grandes pueden combinarse en las composiciones con nanopartículas metálicas que tienen un tamaño de aproximadamente 20 nm o menos. Por ejemplo, en algunas realizaciones, las nanopartículas metálicas que oscilan de aproximadamente 1 nm a aproximadamente 10 nm de tamaño pueden combinarse con nanopartículas metálicas que oscilan de aproximadamente 25 nm a aproximadamente 50 nm de tamaño, o con nanopartículas metálicas que oscilan de aproximadamente 25 nm a aproximadamente 100 nm de tamaño. Como se analiza adicionalmente a continuación, también pueden incluirse partículas de metal a escala micrométrica o partículas a escala nanométrica en las composiciones de nanopartículas en algunas realizaciones. Aunque las nanopartículas metálicas más grandes y las partículas de metal de escala micrométrica pueden no ser licuables a bajas temperaturas, aún pueden consolidarse al poner en contacto las nanopartículas metálicas licuadas a su temperatura de fusión o por encima de la misma, como se ha analizado en general anteriormente.
En algunas realizaciones, la matriz orgánica puede contener uno o más disolventes orgánicos. En algunas realizaciones, al menos algunos de los uno o más disolventes orgánicos pueden tener un punto de ebullición de aproximadamente 100 °C o más. En algunas realizaciones, al menos algunos de los uno o más disolventes orgánicos pueden tener un punto de ebullición de aproximadamente 200 °C o más. En algunas realizaciones, uno o más disolventes orgánicos pueden tener puntos de ebullición que oscilan entre aproximadamente 50 °C y aproximadamente 200 °C. El uso de disolventes orgánicos de alto punto de ebullición puede aumentar deseablemente la vida útil de las composiciones de nanopartículas y limitar la pérdida rápida de disolvente, lo que puede conducir a la formación de grietas y huecos durante la consolidación de las nanopartículas. En algunas realizaciones, al menos algunos de los disolventes orgánicos pueden tener un punto de ebullición que sea mayor que los de los tensioactivos asociados a las nanopartículas metálicas. En consecuencia, el tensioactivo puede retirarse de las nanopartículas metálicas mediante evaporación antes de que tenga lugar la retirada del disolvente o los disolventes orgánicos.
En algunas realizaciones, la matriz orgánica puede contener uno o más alcoholes. En diversas realizaciones, los alcoholes pueden incluir alcoholes monohidroxílicos, dioles, trioles, éteres de glicol (por ejemplo, dietilenglicol y trietilenglicol), alcanolaminas (por ejemplo, etanolamina, trietanolamina y similares) o cualquier combinación de los mismos. En algunas realizaciones, puede haber presentes uno o más hidrocarburos en combinación con uno o más alcoholes. Como se ha analizado anteriormente, se cree que los disolventes alcohólicos e hidrocarbonados pueden promover pasivamente la solubilización de los tensioactivos a medida que se retiran de las nanopartículas metálicas mediante el movimiento browniano y limitan su reasociación con las nanopartículas metálicas. Además, los disolventes hidrocarbonados y alcohólicos solo se coordinan débilmente con nanopartículas metálicas, por lo que no reemplazan simplemente a los tensioactivos desplazados en la esfera de coordinación de las nanopartículas. Los ejemplos ilustrativos pero no limitantes de disolventes alcohólicos e hidrocarbonados que pueden estar presentes en las composiciones de nanopartículas incluyen, por ejemplo, destilado de petróleo aromático ligero (CAS 64742-956), destilados de petróleo ligeros hidrotratados (CAS 64742-47-8), tripropilenglicol metil éter, ligroína (CAS 68551-177, una mezcla de alcanos C10-C13), diisopropileneglicol monometil éter, dietilenglicol dietil éter, 2-propanol, 2-butanol, t-butanol, 1-hexanol, 2-(2-butoxietoxi)etanol y terpineol. En algunas realizaciones, los disolventes de policetona pueden usarse de una forma similar.
En algunas realizaciones, la matriz orgánica puede contener una o más aminas y uno o más ácidos orgánicos. En algunas realizaciones, la una o más aminas y uno o más ácidos orgánicos pueden estar presentes en una matriz orgánica que también incluye uno o más hidrocarburos y uno o más alcoholes. Como se ha analizado anteriormente, se cree que las aminas y los ácidos orgánicos pueden secuestrar activamente los tensioactivos que se han solubilizado pasivamente mediante disolventes hidrocarbonados y alcohólicos, haciendo de este modo que los tensioactivos no estén disponibles para la reasociación con las nanopartículas metálicas. Por tanto, un disolvente orgánico que contiene una combinación de uno o más hidrocarburos, uno o más alcoholes, una o más aminas y uno o más ácidos orgánicos puede proporcionar beneficios sinérgicos para promover la consolidación de nanopartículas metálicas. Los ejemplos ilustrativos pero no limitantes de disolventes de amina que pueden estar presentes en las formulaciones de pasta de nanopartículas incluyen, por ejemplo, seboamina (CAS 61790-33-8), alquil (Cs-C-is) aminas insaturadas (CAS 68037-94-5), di(sebo hidrogenado)amina (CAS 61789-79-5), dialquil (C8-C20) aminas (CAS 68526-63-6), alquil (C10-C16)dimetilamina (CAS 67700-98-5), alquil (C-m-C-ib) dimetilamina (CAS 68037-93-4), seboilmetil amina dihidrogenada (CAS 61788-63-4) y trialquil (C6-C12) aminas (CAS 68038-01-7). Los ejemplos ilustrativos pero no limitantes de disolventes de ácidos orgánicos que pueden estar presentes en las formulaciones de pasta de nanopartículas incluyen, por ejemplo, ácido octanoico, ácido nonanoico, ácido decanoico, ácido caprílico, ácido pelargónico, ácido undecílico, ácido láurico, ácido tridecíclico, ácido mirístico, ácido pentadecanoico, ácido palmítico, ácido margárico, ácido esteárico, ácido nonadecílico, ácido a-linolénico, ácido estearidónico, ácido oleico y ácido linoleico.
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En algunas realizaciones, las composiciones de nanopartículas descritas en el presente documento pueden incluir una matriz orgánica que contiene uno o más disolventes orgánicos y una pluralidad de nanopartículas metálicas dispersas en la matriz orgánica, donde la composición de nanopartículas contiene de aproximadamente el 30 % a aproximadamente el 90 % de nanopartículas metálicas en peso y las nanopartículas metálicas tienen un recubrimiento tensioactivo sobre las mismas que comprende uno o más tensioactivos. El uno o más disolventes orgánicos pueden incluir un hidrocarburo, un alcohol, una amina y un ácido orgánico.
En algunas realizaciones, la matriz orgánica puede incluir más de un hidrocarburo, más de un alcohol, más de una amina y más de un ácido orgánico. Por ejemplo, en algunas realizaciones, cada clase de disolvente orgánico puede tener dos o más miembros, o tres o más miembros, o cuatro o más miembros, o cinco o más miembros, o seis o más miembros, o siete o más miembros, u ocho o más miembros, o nueve o más miembros, o diez o más miembros. Además, el número de miembros en cada clase de disolvente orgánico puede ser igual o diferente. Los beneficios particulares de usar múltiples miembros de cada clase de disolvente orgánico se describen a continuación en el presente documento.
Una ventaja particular de usar miembros múltiples dentro de cada clase de disolvente orgánico puede incluir la capacidad de proporcionar una amplia dispersión de puntos de ebullición en las composiciones de nanopartículas. Al proporcionar una amplia dispersión de puntos de ebullición, los disolventes orgánicos pueden retirarse gradualmente a medida que aumenta la temperatura afectando al mismo tiempo a la consolidación de nanopartículas metálicas, lo que limita la contracción del volumen y desfavorece el agrietamiento. Retirando gradualmente el disolvente orgánico de esta manera, puede ser necesario un menor control de la temperatura para afectar a la retirada lenta del disolvente que si se usara un solo disolvente con un intervalo de puntos de ebullición estrecho. En algunas realizaciones, los miembros dentro de cada clase de disolvente orgánico pueden tener una ventana de puntos de ebullición que oscilan entre aproximadamente 50 °C y aproximadamente 200 °C, o entre aproximadamente 50 °C y aproximadamente 250 °C, o entre aproximadamente 100 °C y aproximadamente 200 °C, o entre aproximadamente 100 °C y aproximadamente 250 °C. En realizaciones más particulares, los diversos miembros de cada clase de disolvente orgánico pueden tener cada uno puntos de ebullición que están separados entre sí por al menos aproximadamente 20 °C, específicamente de aproximadamente 20 °C a aproximadamente 50 °C. Más específicamente, en algunas realizaciones, cada hidrocarburo puede tener un punto de ebullición que difiere en aproximadamente 20 °C a aproximadamente 50 °C de otros hidrocarburos en la matriz orgánica, cada alcohol puede tener un punto de ebullición que difiere en aproximadamente 20 °C a aproximadamente 50 °C de otros alcoholes en la matriz orgánica, cada amina puede tener un punto de ebullición que difiere en aproximadamente 20 °C a aproximadamente 50 °C de otras aminas en la matriz orgánica y cada ácido orgánico puede tener un punto de ebullición que difiere en aproximadamente 20 °C a aproximadamente 50 °C de otros ácidos orgánicos en la matriz orgánica. Como reconocerá un experto habitual en la materia, cuantos más miembros de cada clase de disolvente orgánico estén presentes, menores serán las diferencias entre los puntos de ebullición. Al tener diferencias más pequeñas entre los puntos de ebullición, la retirada del disolvente puede hacerse de forma más continua, limitando de este modo el grado de contracción de volumen que se produce en cada etapa. Cuando hay presentes de cuatro a cinco o más miembros de cada clase de disolvente orgánico (por ejemplo, cuatro o más hidrocarburos, cuatro o más alcoholes, cuatro o más aminas y cuatro o más ácidos orgánicos; o cinco o más hidrocarburos, cinco o más alcoholes, cinco o más aminas y cinco o más ácidos orgánicos), teniendo cada uno puntos de ebullición que están separados entre sí dentro del intervalo anterior, la incidencia de agrietamiento puede disminuirse particularmente. Además, proporcionando disolventes orgánicos con un intervalo de puntos de ebullición, también puede disminuirse el riesgo de formación de huecos durante la consolidación de nanopartículas.
Además de nanopartículas metálicas y disolventes orgánicos, también puede haber presentes otros aditivos en las composiciones de nanopartículas. Dichos aditivos adicionales pueden incluir, por ejemplo, adyuvantes de control de la reología, agentes espesantes, aditivos conductores a escala micrométrica, aditivos conductores a escala nanométrica y cualquier combinación de los mismos. También puede haber presentes aditivos químicos. Como se analizará a continuación en el presente documento, la inclusión de aditivos conductores a escala micrométrica puede ser particularmente ventajosa.
En algunas realizaciones, los aditivos conductores a escala micrométrica pueden ser partículas metálicas de escala micrométrica. En algunas realizaciones, las composiciones de nanopartículas pueden contener de aproximadamente el 0,01% a aproximadamente el 15% de partículas metálicas a escala micrométrica en peso, o de aproximadamente el 1 % a aproximadamente el 10 % de partículas metálicas a escala micrométrica en peso, o de aproximadamente el 1 % a aproximadamente el 5 % de partículas metálicas a escala micrométrica en peso. La inclusión de partículas metálicas a escala micrométrica en las composiciones de nanopartículas puede reducir deseablemente la incidencia de agrietamiento que se produce durante la consolidación de las nanopartículas metálicas. Sin quedar ligados a teoría o mecanismo alguno, se cree que las partículas metálicas a escala micrométrica pueden consolidarse entre sí a medida que las nanopartículas metálicas se licúan y fluyen entre las partículas metálicas a escala micrométrica. En algunas realizaciones, las partículas metálicas a escala micrométrica pueden oscilar entre aproximadamente 500 nm y aproximadamente 100 micrómetros de tamaño en al menos una
dimensión o de aproximadamente 500 nm a aproximadamente 10 micrómetros de tamaño en al menos una
dimensión, o de aproximadamente 100 nm a aproximadamente 5 micrómetros de tamaño en al menos una
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dimensión, o de aproximadamente 100 nm a aproximadamente 1 micrómetro de tamaño en al menos una dimensión, o de aproximadamente 1 micrómetro a aproximadamente 10 micrómetros de tamaño en al menos una
dimensión, o de aproximadamente 5 micrómetros a aproximadamente 10 micrómetros de tamaño en al menos una
dimensión, o de aproximadamente 1 micrómetro a aproximadamente 100 micrómetros de tamaño en al menos una
dimensión. Las partículas metálicas de tamaño micrométrico pueden contener el mismo metal que las
nanopartículas metálicas o contener un metal diferente. Por tanto, pueden fabricarse aleaciones metálicas mediante la inclusión de partículas metálicas de tamaño micrométrico que difieren de las nanopartículas metálicas en las formulaciones de pasta de nanopartículas. Las partículas metálicas a escala micrométrica adecuadas pueden incluir, por ejemplo, partículas de Cu, Ni, Al, Fe, Co, Mo, Ag, Zn, Sn, Au, Pd, Pt, Ru, Mn, Cr, Ti, V, Mg o Ca. Pueden usarse partículas no metálicas tales como, por ejemplo, Si y B, de una forma similar. En algunas realizaciones, las partículas metálicas a escala micrométrica pueden estar en forma de escamas metálicas, tales como copos de cobre de alta relación de aspecto, por ejemplo. Es decir, en algunas realizaciones, las formulaciones de pasta de nanopartículas descritas en el presente documento pueden contener una mezcla de nanopartículas de cobre y copos de cobre de alta relación de aspecto. Específicamente, en algunas realizaciones, las composiciones de nanopartículas pueden contener de aproximadamente el 30 % a aproximadamente el 90 % de nanopartículas de cobre en peso y de aproximadamente el 0,01 % a aproximadamente el 15 % de copos de cobre de alta relación de aspecto en peso. Otras partículas metálicas a escala micrométrica que pueden usarse de forma equivalente a copos de metal de alta relación de aspecto incluyen, por ejemplo, nanohilos de metal y otras partículas de alta relación de aspecto, que pueden tener una longitud de hasta 300 micrómetros.
En algunas realizaciones, también puede haber presentes aditivos conductores a escala nanométrica en las composiciones de nanopartículas. Estos aditivos pueden proporcionar adicionalmente un refuerzo estructural adicional y reducir la contracción durante la consolidación de nanopartículas metálicas. Además, la inclusión de aditivos conductores a escala nanométrica puede aumentar los valores de conductividad eléctrica y térmica que pueden acercarse o incluso superar los del metal en bruto correspondiente después de la consolidación de nanopartículas. En algunas realizaciones, los aditivos conductores a escala nanométrica pueden tener un tamaño en al menos una dimensión que oscila entre aproximadamente 1 micrómetro y aproximadamente 100 micrómetros, o que oscila entre aproximadamente 1 micrómetro y aproximadamente 300 micrómetros. Los aditivos conductores a escala nanométrica adecuados pueden incluir, por ejemplo, nanotubos de carbono, grafeno y similares. Cuando están presentes, las composiciones de nanopartículas pueden contener de aproximadamente el 1 % a aproximadamente el 10 % de aditivos conductores a escala nanométrica en peso o de aproximadamente el 1 % a aproximadamente el 5 % de aditivos conductores a escala nanométrica en peso. Las sustancias adicionales que también pueden estar presentes opcionalmente incluyen, por ejemplo, retardantes de llama, agentes de protección frente a UV, antioxidantes, negro de carbono, grafito, materiales de fibra (por ejemplo, materiales de fibra de carbono molida) y similares.
Como se ha ejemplificado anteriormente, las composiciones de nanopartículas descritas en el presente documento pueden poseer un alto contenido de sólidos. Como se usa en el presente documento, la expresión "contenido de sólidos" se referirá a la cantidad total de material sólido distribuido en la matriz orgánica. El material sólido en la matriz orgánica que constituye el contenido de sólidos de las composiciones de nanopartículas puede incluir las nanopartículas metálicas y partículas metálicas a escala micrométrica, aditivos conductores a escala nanométrica y/u otros sólidos, si están presentes. Como se ha analizado anteriormente, mediante el mantenimiento de un alto contenido de sólidos, las composiciones de nanopartículas pueden presentar deseablemente una contracción de volumen reducida y una propensión disminuida hacia el agrietamiento durante la consolidación de nanopartículas metálicas. En algunas realizaciones, las composiciones de nanopartículas pueden tener un contenido de sólidos que oscila entre aproximadamente el 30 % y aproximadamente el 95 % de la composición de nanopartículas en volumen, o entre aproximadamente el 50 % y aproximadamente el 90 % de la composición de nanopartículas en volumen, o entre aproximadamente el 70 % a aproximadamente el 90 % de la composición de nanopartículas en volumen, o entre aproximadamente el 75 % y aproximadamente el 90 % de la composición de nanopartículas en volumen.
En diversas realizaciones, en el presente documento se describen métodos para formar una capa de interfaz térmica metálica entre un componente electrónico y un disipador de calor metálico. En algunas realizaciones, los métodos incluyen colocar una composición que contiene una pluralidad de nanopartículas metálicas entre un disipador de calor metálico y un componente electrónico generador de calor, calentar la composición por encima de una temperatura de fusión de las nanopartículas metálicas para licuar las nanopartículas metálicas y enfriar las nanopartículas metálicas licuadas para formar una capa de interfaz térmica metálica entre el componente electrónico generador de calor y el disipador de calor metálico. Como se ha analizado anteriormente, la capa de interfaz térmica metálica incluye nanopartículas metálicas que se han fundido al menos parcialmente entre sí. En algunas realizaciones, la composición puede incluir al menos nanopartículas de cobre. En algunas realizaciones, al menos algunas de las operaciones pueden tener lugar en condiciones de atmósfera inerte o presión reducida.
En realizaciones más específicas, los métodos para formar una capa de interfaz térmica metálica entre un disipador de calor metálico y un componente electrónico generador de calor pueden incluir proporcionar un disipador de calor metálico, disponer una composición que incluya una pluralidad de nanopartículas metálicas sobre el disipador de calor metálico y colocar el componente electrónico generador de calor sobre la composición dispuesta en el disipador de calor metálico. Posteriormente, los métodos pueden incluir calentar las nanopartículas metálicas por
encima de su temperatura de fusión para licuar las nanopartículas metálicas y después enfriar las nanopartículas metálicas licuadas para formar una capa de interfaz térmica metálica en la que el componente electrónico generador de calor está unido al disipador térmico metálico a través de la capa de interfaz térmica metálica. La capa de interfaz térmica metálica se forma sustancialmente en las mismas ubicaciones donde está dispuesta la composición de 5 nanopartículas metálicas, sin hacer fluir un metal licuado. En realizaciones alternativas, las nanopartículas metálicas pueden fusionarse al menos parcialmente entre sí a través de la aplicación de presión.
Como se ha analizado anteriormente, en algunas realizaciones, el disipador de calor metálico puede contener una capa superficial de óxido metálico pasivante sobre el mismo. Una capa superficial de óxido metálico pasivante puede 10 estar presente en particular en sustratos de aleación de cobre, tales como los utilizados junto con CIMM fabricados a partir de GaN o SiC, por ejemplo. En algunas realizaciones, los métodos descritos en el presente documento pueden incluir adicionalmente grabar al menos una porción de la capa superficial de óxido metálico pasivante con un reactivo para el grabado mientras se calienta la composición de nanopartículas metálicas. Se cree que el reactivo para el grabado puede reaccionar con la capa superficial de óxido metálico pasivante para formar un producto de 15 reacción que se dispersa en el resto de la composición de nanopartículas metálicas y no repercute sustancialmente en las propiedades de la capa de interfaz térmica metálica formada a partir de la fusión de nanopartículas. Una vez que se ha retirado la capa superficial de óxido metálico pasivante, las nanopartículas metálicas licuadas después pueden poner en contacto la superficie expuesta del disipador de calor metálico con el fin de establecer una conexión térmica con el componente electrónico generador de calor.
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Claims (15)

  1. 5
    10
    15
    20
    25
    30
    35
    40
    45
    50
    55
    60
    REIVINDICACIONES
    1. Un conjunto del dispositivo que comprende:
    un componente generador de calor electrónico (12) en comunicación térmica con un disipador de calor metálico (16) a través de una capa de interfaz térmica metálica (22), estando dispuesta la capa de interfaz térmica metálica (22) entre el componente electrónico generador de calor (12) y el disipador de calor metálico (16) y estado formada la capa de interfaz térmica metálica a partir de una composición que comprende una pluralidad de nanopartículas metálicas que se fusionan al menos parcialmente entre sí, caracterizado porque el disipador de calor metálico (16) comprende una capa superficial de óxido metálico pasivante (18) y la composición comprende adicionalmente un reactivo para el grabado capaz de grabar un óxido metálico.
  2. 2. El conjunto del dispositivo de la reivindicación 1, donde el componente electrónico generador de calor (12) comprende un circuito integrado de microondas monolítico o un diodo emisor de luz.
  3. 3. El conjunto del dispositivo de la reivindicación 2, donde el componente electrónico generador de calor (12) comprende un circuito integrado de microondas monolítico.
  4. 4. El conjunto del dispositivo de la reivindicación 3, donde el circuito integrado de microondas monolítico comprende un sustrato que comprende GaN o SiC.
  5. 5. El conjunto del dispositivo de la reivindicación 4, donde el disipador de calor metálico (16) comprende una aleación de cobre y las nanopartículas metálicas comprenden nanopartículas de cobre.
  6. 6. El conjunto del dispositivo de la reivindicación 1, donde el reactivo para el grabado comprende ácido abiético o un anhídrido del mismo.
  7. 7. El conjunto del dispositivo de la reivindicación 1, donde la composición comprende adicionalmente una pluralidad de partículas de diamante.
  8. 8. Un método que comprende:
    colocar una composición que comprende una pluralidad de nanopartículas metálicas entre un disipador de calor metálico (16) y un componente electrónico generador de calor (12);
    calentar la composición por encima de una temperatura de fusión de las nanopartículas metálicas para licuar las nanopartículas metálicas; y
    enfriar las nanopartículas metálicas licuadas para formar una capa de interfaz térmica metálica (22) entre el componente electrónico generador de calor (12) y el disipador de calor metálico (16), comprendiendo la capa de interfaz térmica metálica (22) nanopartículas metálicas que se han fusionado al menos parcialmente entre sí, caracterizado porque el disipador de calor metálico (16) comprende una capa superficial de óxido metálico pasivante (18) y la composición comprende adicionalmente un reactivo para el grabado capaz de grabar un óxido metálico.
  9. 9. El método de la reivindicación 8, donde el componente electrónico generador de calor (12) comprende un circuito integrado de microondas monolítico o un diodo emisor de luz.
  10. 10. El método de la reivindicación 9, donde el componente electrónico generador de calor (12) comprende un circuito integrado de microondas monolítico.
  11. 11. El método de la reivindicación 10, donde el circuito integrado de microondas monolítico comprende un sustrato que comprende GaN o SiC.
  12. 12. El método de la reivindicación 11, donde el disipador de calor metálico (16) comprende una aleación de cobre y las nanopartículas metálicas comprenden nanopartículas de cobre.
  13. 13. El método de la reivindicación 8 o la reivindicación 12, donde el método comprende adicionalmente grabar al menos una porción de la capa superficial de óxido metálico pasivante (18) mientras se calienta la composición.
  14. 14. El método de la reivindicación 8, donde el reactivo para el grabado comprende ácido abiético o un anhídrido del mismo.
  15. 15. El método de la reivindicación 8, donde la composición comprende adicionalmente partículas de diamante.
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Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6276424B2 (ja) * 2014-12-16 2018-02-07 京セラ株式会社 回路基板および電子装置
US9551839B2 (en) 2015-03-31 2017-01-24 Raytheon Company Optical component including nanoparticle heat sink
WO2018125051A1 (en) 2016-12-27 2018-07-05 Whirlpool Corporation Nano-cooling in solid-state cooking microwave ovens
JP2018142569A (ja) * 2017-02-27 2018-09-13 株式会社アカネ 放熱基板
US11031704B2 (en) * 2017-07-25 2021-06-08 Lockheed Martin Corporation Cable with nanoparticle paste
US11198807B2 (en) 2019-09-23 2021-12-14 International Business Machines Corporation Thermal interface materials with radiative coupling heat transfer
US11232996B2 (en) 2019-10-18 2022-01-25 Industry-University Cooperation Foundation Hanyang University Erica Campus Semiconductor device package comprising thermal interface layer and method of fabricating of the same
US11032947B1 (en) 2020-02-17 2021-06-08 Raytheon Company Tailored coldplate geometries for forming multiple coefficient of thermal expansion (CTE) zones
US20220025239A1 (en) * 2020-07-27 2022-01-27 Google Llc Thermal interface material and method for making the same
CN116705726B (zh) * 2023-08-08 2023-10-27 合肥阿基米德电子科技有限公司 一种免焊模块封装结构及其双面散热模块封装结构

Family Cites Families (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7013965B2 (en) * 2003-04-29 2006-03-21 General Electric Company Organic matrices containing nanomaterials to enhance bulk thermal conductivity
JP2007516314A (ja) * 2003-05-22 2007-06-21 ザイベックス コーポレーション ナノコンポジットおよびナノコンポジットに関する方法
US7550097B2 (en) * 2003-09-03 2009-06-23 Momentive Performance Materials, Inc. Thermal conductive material utilizing electrically conductive nanoparticles
US7736414B1 (en) 2006-05-17 2010-06-15 Lockheed Martin Corporation Rhenium nanoparticles
US20080023665A1 (en) * 2006-07-25 2008-01-31 Weiser Martin W Thermal interconnect and interface materials, methods of production and uses thereof
US20080038871A1 (en) 2006-08-10 2008-02-14 George Liang-Tai Chiu Multipath soldered thermal interface between a chip and its heat sink
US8143654B1 (en) * 2008-01-16 2012-03-27 Triquint Semiconductor, Inc. Monolithic microwave integrated circuit with diamond layer
WO2009111488A2 (en) 2008-03-04 2009-09-11 Lockheed Martin Corporation Tin nanoparticles and methodology for making same
US8129001B2 (en) * 2008-03-17 2012-03-06 The Research Foundation Of State University Of New York Composite thermal interface material system and method using nano-scale components
US8900704B1 (en) * 2008-08-05 2014-12-02 Lockheed Martin Corporation Nanostructured metal-diamond composite thermal interface material (TIM) with improved thermal conductivity
US9095898B2 (en) 2008-09-15 2015-08-04 Lockheed Martin Corporation Stabilized metal nanoparticles and methods for production thereof
US8486305B2 (en) 2009-11-30 2013-07-16 Lockheed Martin Corporation Nanoparticle composition and methods of making the same
US8105414B2 (en) 2008-09-15 2012-01-31 Lockheed Martin Corporation Lead solder-free electronics
CN101899288B (zh) * 2009-05-27 2012-11-21 清华大学 热界面材料及其制备方法
US8834747B2 (en) 2010-03-04 2014-09-16 Lockheed Martin Corporation Compositions containing tin nanoparticles and methods for use thereof
KR20120078478A (ko) * 2010-12-31 2012-07-10 주식회사 효성 탄소나노튜브, 금속 및 세라믹 나노입자를 포함하는 열 계면 물질
US9045674B2 (en) * 2011-01-25 2015-06-02 International Business Machines Corporation High thermal conductance thermal interface materials based on nanostructured metallic network-polymer composites
US9005483B2 (en) 2012-02-10 2015-04-14 Lockheed Martin Corporation Nanoparticle paste formulations and methods for production and use thereof

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