KR101280663B1 - 열 전달 물질 - Google Patents

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Abstract

일부 실시예에서, 폴리머 열 전달 물질이 제공된다. 이와 관련하여, 폴리머 매트릭스와, 용융재를 포함하는 매트릭스 첨가재와, 유기 땜납 보존재 코팅을 구비한 금속성 코어를 포함하는 구형 충진재를 포함하는 열 전달 물질이 소개되고 있다. 다른 실시예가 또한 개시되고 청구된다.

Description

열 전달 물질{POLYMER THERMAL INTERFACE MATERIALS}
폴리머 화합물은, 예컨대 집적 회로 다이를 일체형 히트 스프레더(IHS : Integrated Heat Spreader)와 결합하기 위해 열 전달 물질(TIM : Thermal Interface Material)로서 사용되어 왔다. 그러나, TIM의 경화(curing) 과정 및 신뢰성 스트레스(reliability stress)는 박리(delamination) 및 열 전도율의 감소라는 문제를 발생시킬 수 있다.
본 명세서는 본 발명으로서 간주되는 것을 특별히 언급하고 개별적으로 청구하는 청구항으로 종결되며, 본 발명의 이하의 설명을 첨부 도면을 참고로 읽음으로써 본 발명의 이점을 보다 용이하게 알 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 폴리머 열 전달 물질을 도시하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 구형 충진재(spherical filler material)의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 폴리머 열 전달 물질의 도포를 도시하는 도면이다.
이하의 상세한 설명에서, 본 발명을 실시할 수 있는 특정 실시예를 예시적으로 나타내는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있도록 충분히 상세하게 설명된다. 본 발명의 여러 실시예는 상이함에도 불구하고, 이들 실시예가 반드시 상호 배타적인 것은 아니라는 것을 이해해야 한다. 예컨대, 본 명세서에 개시되는 하나의 실시예와 관련된 특정의 특성, 구조, 또는 특징이 본 발명의 사상과 범위를 벗어나지 않고 다른 실시예 내에서 구현될 수 있다. 더욱이, 각각의 개시되는 실시예 내의 개별 요소의 위치 또는 배치는, 본 발명의 사상과 범위를 벗어나지 않고, 변경될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 따라서, 이하의 상세한 설명은 제한적인 의미는 아니며, 본 발명의 범위는, 청구항으로 청구하는 전체 범위의 등가물과 함께, 적절히 해석되는 첨부의 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서, 몇몇 도면에 걸쳐 동일 부호는 동일 또는 유사한 기능을 지칭한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 폴리머 열 전달 물질을 나타낸다. 도시된 바와 같이, TIM(100)은 폴리머 매트릭스(102), 매트릭스 첨가재(104), 구형 충진재(106), 및 섬유상 물질(fibrous material)(108)을 포함하고 있지만, 본 발명은 이들로 한정되는 것은 아니다. 일실시예에서, TIM(100)는 도 1에 도시된 모든 물질을 포함하지는 않을 수 있고, 예컨대, 섬유상 물질(108)이 없거나, 다른 물질(도시 생략)을 포함할 수 있다.
폴리머 매트릭스(102)는 접착성 및 유연성의 특성을 TIM(100)에 제공할 수 있다. 일실시예에서, 폴리머 매트릭스(102)는 실리콘계 젤이다. 다른 실시예에서, 폴리머 매트릭스(102)는 에폭시의 높은 접착성과 실리콘의 좋은 유연성의 잇점을 조합한 플렉시블 에폭시이다. 플렉시블 에폭시의 한가지 예는 지방족 폴리글리콜 디에폭시드(aliphatic polyglycol di-epoxide)이다. 다른 실시예에서, 폴리머 매트릭스(102)는 아세탈, 아크릴, 셀룰로오스, 아세테이트, 폴리에틸렌, 폴리스티렌, 비닐, 나일론, 또는 이들의 조합 등의 열가소성 물질이다. 다른 실시예에서, 폴리머 매트릭스(102)는 폴리올레핀, 폴리에스테르, 실리콘, 파라핀 또는 아크릴 등의 상 변화 폴리머이다.
매트릭스 첨가재(104)는 폴리머 매트릭스(102)와 구형 충진재(106) 간의 계면 특성을 개선시키기 위해, 및/또는, 보다 양호한 열 전도를 가능하게 하기 위해 제공될 수 있다. 일실시예에서, 매트릭스 첨가재(104)는, 예컨대, 단쇄(short chain)이지만 저휘발성의 카복실산, 아미노산, 알데히드, 로진, 및 백본 또는 측쇄에 산성 그룹을 가진 폴리머산 등의 용융재(fluxing agent)이다. 다른 실시예에서, 매트릭스 첨가재(104)는 가열 동안의 폴리머 매트릭스(102)의 산화 및 노화를 방지하여 열 안정성을 개선시키는 산화 방지재 또는 열 안정재이다. 산화 방지재 또는 열 안정재의 예로서는, 시아녹스(Cyanox), 벤조퀴논, 시아솔브(Cyasorb), 2,4,6-트리-테르트-부틸페놀, 및 디페닐아민이 있다.
구형 충진재(106)는 TIM(100)에 개선된 열전도율을 제공하도록 설계되어 있으며, 도 2를 참조하여 알 수 있는 바와 같은 구성을 가질 수 있다. 균일한 직경을 가진 것으로 도시되어 있지만, 구형 충진재(106)는 가변 직경을 가질 수 있다. 일실시예에서, 구형 충진재(106)의 직경은 대략 10 ㎛ ~ 대략 30 ㎛의 범위이다.
섬유상 물질(108)이 TIM(100)에 더해져서, TIM 팽창 동안에 열 경로의 팽창을 가능하게 할 수 있다. 일실시예에서, 섬유상 물질(108)은 높은 L/D(길이/직경) 비율을 가진 카본 파이버이다. 일실시예에서, 섬유상 물질(108)은 TIM(100)의 부피를 단위를 하여 최대로 대략 8%의 농도를 가진다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 구형 충진재의 단면을 나타낸다. 도시된 바와 같이, 구형 충진재(106)는 코어(202), 내측 쉘(204), 및 외측 쉘(206)을 포함할 수 있지만, 일부 실시예에서, 구형 충진재(106)는 도시된 모든 층을 포함하지는 않을 수 있으며, 예컨대, 내측 쉘(204)이 없거나, 추가층(도시 생략)을 포함할 수 있다.
코어(202)는 구형 충진재(106)의 벌크를 나타낸다. 일실시예에서, 코어(202)는 땜납, 금속, 저용융 합금, 또는 다른 고 열전도성 물질이다. 다른 실시예에서, 코어(202)는 상대적으로 높은 열 팽창 계수를 가진 디비닐 벤젠 가교성 폴리머 등의 팽창성의 폴리머 물질이며, 이 물질은 열에 노출되었을 때에 갭을 충진하여 열 노출 범위 전체의 효율적인 열 접촉을 가능하게 한다. 내측 쉘(204) 및/또는 외측 쉘(206)은 개선된 열 전도율 및/또는 산화 방지를 구형 충진재(106)에 제공할 수 있다. 일실시예에서, 코어(202)가 팽창성 폴리머 물질인 경우에, 내측 쉘(204)은 도전성 금속층이고, 외측 쉘(206)은 땜납층이다. 코어(202)가 저용융 합금(LMA : Low-Melting Alloy) 등의 열도전성이지만 산화적으로 안정적이지 않은 물질(oxidative unstable material)인 다른 실시예에서, 외측 쉘(206)은 유기 땜납 보존재(Organic Solderability Preservative: OSP) 코팅이다. 일실시예에서, OSP는, 코어(202)(내측 쉘(204))의 표면에서, 아마도, 아졸 또는 이미다졸기인 OSP 활성 성분과, 땜납 원자 간의 협력 반응의 결과인 유기 금속 폴리머로 구성되어 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 폴리머 열 전달 물질의 도포를 나타낸다. 패키지 구조물(300)이 도시되어 있으며, 여기서, TIM(100)은 다이(302)와 히트 스프레더 구조물(304) 사이에 배치되어 있으며, 또한, 히트 스프레더 구조물(304)과 히트 싱크 구조물(306) 사이에 배치되어 있다. TIM(100)은 본 발명의 실시예 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 일실시예에서, 다이(302)는 실리콘 다이를 포함할 수 있으며, 패키지 구조물(300)은 세라믹 패키지 및/또는 유기 패키지 구조물을 포함할 수 있다.
상술한 설명은, 본 발명의 방법에서 사용될 수 있는 특정의 단계 및 물질을 지정했지만, 당업자라면, 다양한 수정 및 대체가 이루어질 수 있음을 인지할 수 있다. 따라서, 이러한 모든 수정, 변경, 대체 및 부가는 첨부한 청구범위에 의해서 한정되는 본 발명의 사상과 범위에 포함될 수 있는 것으로 한다. 또한, 특정 측면의 마이크로일렉트로닉 장치는 본 기술 분야에서 잘 알려져 있다. 그러므로, 본 명세서에서 제공되는 도면은 본 발명의 실행에 포함되는 예시적인 마이크로일렉트로닉 구조의 일부분만을 예시한다. 따라서, 본 발명은 본 명세서에 개시된 구조로 한정되지 않는다.

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  13. 폴리머 매트릭스와,
    용융재(fluxing agent)를 포함하는 매트릭스 첨가재와,
    금속성 쉘을 구비한 팽창성 폴리머 코어(expanding polymer core)를 포함하는 구형 충진재
    를 포함하는 열 전달 물질(TIM).
  14. 제 13 항에 있어서,
    카본 파이버 물질을 더 포함하는 열 전달 물질.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 폴리머 매트릭스는 플렉시블 에폭시를 포함하는 열 전달 물질.
  16. 제 13 항에 있어서,
    상기 폴리머 매트릭스는 열가소성 물질을 포함하는 열 전달 물질.
  17. 제 13 항에 있어서,
    상기 폴리머 매트릭스는 상 변화 폴리머를 포함하는 열 전달 물질.

  18. 제 13 항에 있어서,
    상기 열 전달 물질은 다이와 히트 싱크 구조물 사이에 배치되는 열 전달 물질.
  19. 폴리머 매트릭스와,
    산화 방지재를 포함하는 매트릭스 첨가재와,
    금속성 쉘을 구비한 팽창성 폴리머 코어를 포함하는 구형 충진재
    를 포함하는 열 전달 물질(TIM).
  20. 제 19 항에 있어서,
    카본 파이버 물질을 더 포함하는 열 전달 물질.
  21. 제 19 항에 있어서,
    상기 폴리머 매트릭스는 플렉시블 에폭시를 포함하는 열 전달 물질.
  22. 제 19 항에 있어서,
    상기 폴리머 매트릭스는 열가소성 물질을 포함하는 열 전달 물질.
  23. 제 19 항에 있어서,
    상기 폴리머 매트릭스는 상 변화 폴리머를 포함하는 열 전달 물질.
  24. 제 19 항에 있어서,
    상기 TIM은 다이와 히트 싱크 구조물 사이에 배치되는 열 전달 물질.
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