JP2006270088A - サーマル・インタフェイス材料構造とその製造方法 - Google Patents

サーマル・インタフェイス材料構造とその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】半導体デバイスなどとその冷却装置との間に介そうして熱伝導を達成するサーマル・インタフェイス材料及びその製造方法の提供。
【解決手段】可塑性材料にダイヤモンド状構造の炭素微粉末を均一に分散混合したサーマル・インタフェイス材料であって、可塑性材料として、熱伝導性樹脂にアルミ、銅などの高熱伝導性金属微粒子を混合して金属コロイド状とし、これにダイヤモンド状構造の炭素微粉末を均一に分散混合して、圧延して薄板上に形成する。半導体チップと冷却用ヒートシンクとの間を接着して優れた熱伝導特性を発揮する。
【選択図】なし

Description

本発明は、サーマル・インタフェイス材料構造とその製造方法に関し、特にサーマル・インタフェイス材料構造は半導体デバイスなどのチップと冷却装置の間に用い、混合方式による製造方法で可塑性材料及びダイヤモンド状構造の炭素を含むサーマル・インタフェイス材料構造を形成する。
熱伝導構造に使用する材料は通常は銅やアルミが現在の熱伝導技術の主流である。熱伝導構造でチップ表面を覆い、チップの動作による温度上昇から出た廃熱を吸収する。上述の二つの材質のうち、銅材料の熱伝導率は一般にアルミ材料の二倍以上であり、良好な熱伝導体であるが、銅材料で形成した熱伝導部材は、ヒートシンクなどのように、チップ表面を直接覆うことができない。こういったヒートシンクの表面は平滑なようで、実際には粗く平らではなく、直接チップ表面を覆っても、銅製のヒートシンクの粗い表面ではチップの接触面と密着できず、微小な間隙を生じて効果的にチップから発生する廃熱を吸収できず、伝熱不均等を招いてしまう。そのため、間隙を補填してスムーズに廃熱をヒートシンクやその他の冷却装置に伝達するインタフェイスが必要になる。このようなインタフェイスは現在ほとんどが熱伝導効果と粘着性があるシリコンを主要成分としたサーマル・グリスか、完全にチップに緊密に接着できるアルミ材料で形成したサーマル・シートが主流となっている。この二つの公知のサーマル・インタフェイス材料構造とその熱伝導方式は以下の通りである。
図１に示すサーマル・シートと他のデバイスとの関係略図では、公知技術の一実施例に基づき、サーマル・シート１１、ヒートシンク１２及びチップ１３を具える。サーマル・シート１１は公知技術によりアルミ製材質とし、サーマル・シート１１は上表面１１１をヒートシンク１２に粘着し、上表面１１１の反対面に下表面１１２を有してチップ１３の接着表面１３１に粘着し、ヒートシンク１２がサーマル・シート１１を通じてチップ１３の接着表面１３１に密着できるようにしている。
図２に示すサーマル・グリスと他のデバイスとの関係略図では、サーマル・グリス２１、図１と同様にヒートシンク１２及びチップ１３を具える。サーマル・グリス２１は公知技術によりシリコンを主要成分とし、良好な熱伝導効果と粘着性を具える。サーマル・グリス２１は、チップ１３の接着表面１３１に塗布し、薄膜状態を形成してヒートシンク１２がサーマル・グリス２１を通じてチップ１３の接着表面１３１に密着できるようにしている。以上のように、二種のサーマル・インタフェイスの熱伝導反応プロセスは、チップ１３の動作により高温の廃熱が生じ、チップ１３の表面１３１からサーマル・シート１１またはサーマル・グリス２１に伝達され、サーマル・シート１１またはサーマル・グリス２１が吸収した廃熱がヒートシンク１２に伝わり発散することによって、熱伝導の運転プロセスを達成している。
上述の公知技術のサーマル・インタフェイスには限界があり、アルミ材料で形成したサーマル・シートで構成するサーマル・インタフェイスは、アルミ材質の熱伝導率に制限され、更にチップの急速な発展による高温度の熱伝導によりネックに面している。シリコンを主要成分として形成したサーマル・グリスで構成するサーマル・インタフェイスは使用期限があり、定期的に交換しなければ、長期にわたって高温環境下にあって変質しやすく硬化したり粉末になったりして熱伝導機能を失ってしまう。そのため、高い熱伝導率を具えた材料をサーマル・インタフェイスとして廃熱を伝達する必要がある。
周知のダイヤモンドは、現存の既知材料中で硬度が最高、熱伝導率が最高、光透過波長帯が広いといった特性を具え、ダイヤモンドの優れた特性のために長い期間にわたって工業上の重要な材料であった。また同時に、ダイヤモンドの熱伝導率は常温下で銅の５倍、高温時のダイヤモンドの熱膨張率は小さいため、熱伝導効率は高温時により一層顕著である。ダイヤモンドの熱伝導率の高さは一般的にダイヤモンドの真偽を判断するのにも用いられている。公知技術において様々な製造工程が開発されているが、中でも炭水化合物を直接分解する方法が最もよく見られる。マイクロ波プラズマ化学気相成長法（ＭＰＣＶＤ）、熱フィラメント化学気相成長法（ＨＦＣＶＤ）などによって多結晶ダイヤモンド膜を堆積でき、多結晶ダイヤモンド膜は天然単結晶ダイヤモンドと同様の特性を具えている。
特開２００６−５０３９号公報 特開２００４−１０４１４８号公報
公知技術ではチップの廃熱伝達の効率向上に問題があるため、チップの小体積、高密度、高機能への発展に即時に対応して向上することをねらい、本発明はサーマル・インタフェイス材料構造を提供して、チップ表面への粘着に使用するとともにヒートシンクを接着して、チップの動作によって生じた高温で起こる廃熱をヒートシンクにスムーズに伝達し、熱伝導効率を増大できるようにすることを課題とする。また、本発明が提供するサーマル・インタフェイス材料構造はチップとヒートシンクの間の廃熱伝達における使用だけでなく、その他の熱伝導部材装置にも応用できるものとする。
本発明が提供するサーマル・インタフェイス材料構造はチップとヒートシンクの緩衝インタフェイスとして用い、可塑性材料及びダイヤモンド状構造の炭素を結合し、且つ可塑性材料は、金属微粒子を銅コロイドまたはアルミコロイドまたは樹脂またはその他の高熱伝導率の金属コロイド状として含有する。また、ダイヤモンド状構造の炭素はダイヤモンドとし、且つダイヤモンド状構造の炭素は金属コロイド及び樹脂表面を覆うのに用いるかまたは金属コロイド及び樹脂材料中に混入して用いる。
本発明のサーマル・インタフェイス材料構造及び製造方法は、可塑性材料とダイヤモンド状構造の炭素を結合することによって、公知技術ではチップとヒートシンクとの間の緩衝インタフェイスが材質が高温に耐えられずに熱伝導効果が発揮されない問題を改善できる。
図３に示すように、混合方式で可塑性材料及びダイヤモンド状構造の炭素を含むサーマル・インタフェイス材料構造の半製品を形成する略図は、本発明の一実施例であり、混合槽３１、混合攪拌構造３２を具える。混合槽３１は気密構造であり第一入口３１１、第二入口３１２及び出口３１３を具える。混合攪拌構造３２は混合槽３１内に設置する。
製造工程は、まず可塑性材料を作製する。始めに第一入口３１１から樹脂を高圧で混合槽３１内に注入する。この樹脂は耐高熱及び高い熱伝導率を具え、例えばポリイミドおよびエポキシ樹脂などの材質を使用し、樹脂が混合槽３１に進入すると同時に混合攪拌構造３２を起動して樹脂を攪拌する。第二入口３１２から他の材料を高圧で混合槽３１に入れ、他の材料として、銅材料で形成した銅微粒子、アルミ材料で形成したアルミ微粒子、他の金属材料で形成した金属微粒子など、または樹脂のみで形成した可塑性材料を使用することができる。前述で樹脂が混合槽３１に流入すると同時に混合攪拌構造３２を起動するが、少し後に第二入口３１２から入る他の金属材料微粒子は、混合攪拌構造３２によって均一に混合するように攪拌混入し、銅微粒子は樹脂と結合して、攪拌によって銅コロイド状となり、アルミ微粒子は樹脂と結合して、攪拌によってアルミコロイド状となり、また、他の金属微粒子は樹脂と結合して、攪拌によって他の金属コロイド状となった可塑性材料を得る。可塑性材料を得た後も攪拌状態を維持し、更に第二入口３１２からダイヤモンド状構造の炭素としてダイヤモンド微粒子を高圧で注入し、混合攪拌構造３２の攪拌によって可塑性材料とダイヤモンド微粒子を混合し、ダイヤモンド微粒子を均一に可塑性材料中に混入させるようにして、混合方式の製造工程でサーマル・インタフェイス材料構造の半製品を得る。
図４に示すように、サーマル・インタフェイス材料構造のシート状成型の略図では、ローラ装置４１、水平型オーブン４２及び複数個の調整可能な裁断工具装置４３を具える。図３の混合方式の製造工程で得たサーマル・インタフェイス材料構造の半製品は、混合槽３１の出口３１３からサーマル・インタフェイス材料構造の半製品をローラ装置４１へ送られる。ローラ装置４１は、装置表面を粘着防止処理してサーマル・インタフェイス材料構造の半製品が圧延時に粘着して圧延の進行に影響がでるのを予防する。更にローラ装置４１でサーマル・インタフェイス材料構造の半製品を扁平状に圧延する。圧延されて扁平状に形成したサーマル・インタフェイス材料構造の半製品を水平型熱硬化炉４２に入れ、ベーキングを行い硬化した半製品を形成する。半製品は複数個の調節可能な裁断工具装置４３によって必要に応じてまたは覆うチップの平面の寸法に応じてカットし、シート状のサーマル・インタフェイス材料構造を得て、図１に示すサーマル・シート１１と成る。
上述の製造プロセスの説明に続き、図５に示すサーマル・インタフェイス材料構造の製造方法フローチャートでは、Ｓ５１でまず図３に示す方法により可塑性材料を作製し、この可塑性材料は、銅コロイドまたはアルミコロイドまたは樹脂または他の金属コロイド状とし、銅コロイドまたはアルミコロイドまたは他の金属コロイドは銅微粒子またはアルミ微粒子または他の金属微粒子を樹脂に攪拌混合して、上述のプロセスでコロイド状構造を形成して可塑性材料を得る。Ｓ５２で同時にダイヤモンド微粒子をダイヤモンド状構造の炭素として図３に示す混合槽３１に投入する。Ｓ５３で混合槽３１内の混合攪拌構造３２で十分に攪拌して可塑性材料とダイヤモンド微粒子を混合し、ダイヤモンド微粒子が可塑性材料中に均一に混入するようにして、サーマル・インタフェイス材料構造の半製品を形成する。Ｓ５４で、サーマル・インタフェイス材料構造の半製品を図４に示すローラ装置に入れ、図４に示す形成方法で完成したサーマル・インタフェイス材料構造を得る。
公知技術のサーマル・シートと他のデバイスの関係略図である。 公知技術のサーマル・グリスと他のデバイスの関係略図である。 本発明の一実施例であり、可塑性材料及びダイヤモンド状構造の炭素を含むサーマル・インタフェイス材料構造の半製品を混合方式で形成する略図である。 本発明の一実施例のサーマル・インタフェイス材料構造のシート状成型の略図である。 本発明の一実施例のサーマル・インタフェイス材料構造の製造方法フローチャートである。
符号の説明
１１ サーマル・シート
１１１ 上表面
１１２ 下表面
１２ ヒートシンク
１３ チップ
１３１ 接着表面
２１ サーマル・グリス
３１ 混合槽
３１１ 第一入口
３１２ 第二入口
３１３ 出口
３２ 混合攪拌構造
４１ ローラ装置
４２ 水平式熱硬化炉
４３ 複数個の調整可能な裁断工具装置
Ｓ５１〜Ｓ５４ サーマル・インタフェイス材料構造の製造方法フローの説明

Claims (14)

  1. 半導体デバイスなどのチップとヒートシンクなどの間を接合すると共に熱伝導を行う接合材料であって、
    可塑性材料にダイヤモンド状構造の炭素微粉末を分散混合してなる、
    ことを特徴とするサーマル・インタフェイス材料。
  2. 該サーマル・インタフェイス材料は、グリス状であるようにして成ることを特徴とする請求項１記載のサーマル・インタフェイス材料。
  3. 該サーマル・インタフェイス材料は、シート状であるようにして成ることを特徴とする請求項１記載のサーマル・インタフェイス材料。
  4. 該可塑性材料は、銅微粒子をコロイド状で含有することを特徴とする請求項１記載のサーマル・インタフェイス材料。
  5. 該可塑性材料は、アルミ微粒子をコロイド状で含有することを特徴とする請求項１記載のサーマル・インタフェイス材料。
  6. 該可塑性材料は、樹脂材質であることを特徴とする請求項１記載のサーマル・インタフェイス材料。
  7. 該可塑性材料は、金属微粒子をコロイド状で含有することを特徴とする請求項１記載のサーマル・インタフェイス材料。
  8. 該ダイヤモンド状構造の炭素は、ダイヤモンドであることを特徴とする請求項１記載のサーマル・インタフェイス材料。
  9. 導体デバイスなどのチップとヒートシンクなどの間を接合すると共に熱伝導を行う接合材料の製造方法であって、可塑性材料にダイヤモンド状構造の炭素微粉末を添加し、混合することにより形成すること、
    を特徴とするサーマル・インタフェイス材料の製造方法。
  10. 該可塑性材料として銅微粒子をコロイド状で含有することを特徴とする請求項９記載のサーマル・インタフェイス材料の製造方法。
  11. 該可塑性材料としてアルミ微粒子をコロイド状で含有することを特徴とする請求項９記載のサーマル・インタフェイス材料の製造方法。
  12. 該可塑性材料として樹脂を含むことを特徴とする請求項９記載のサーマル・インタフェイス材料構造の製造方法。
  13. 該可塑性材料として金属微粒子をコロイド状で含有することを特徴とする請求項９記載のサーマル・インタフェイス材料構造の製造方法。
  14. 該ダイヤモンド状構造の炭素は、ダイヤモンドであることを特徴とする請求項９記載のサーマル・インタフェイス材料構造の製造方法。
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