KR101563042B1 - 에폭시화 너트쉘 오일을 포함하는 열전재 - Google Patents

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Abstract

열전재는 너트쉘 오일에서 유래된 에폭시 수지 또는 에폭시화 이합체 지방산, 또는 둘다, 및 첨가된 납이 실질적으로 없는 가융 금속 입자를 포함한다. 임의로, TIM 은 에폭시 관능기에 대한 촉매를 포함한다.

Description

에폭시화 너트쉘 오일을 포함하는 열전재 {THERMAL INTERFACE MATERIAL WITH EPOXIDIZED NUTSHELL OIL}
관련 출원에 대한 교차 참조
본 출원은 2009 년 10 월 27 일에 출원된 미국 특허 출원 일련번호 61/255,306 의 우선권을 주장하며, 그의 내용이 본원에 참조로 포함된다.
발명의 분야
본 발명은 열-생성 전자 장치로부터의 열을, 전달되는 열을 흡수하고 소산시키는 열 흡수원 (heat sink) 으로 전달하는데 이용되는 열 전도 재료에 관한 것이다.
반도체를 포함하는 전자 장치는 작동 중에 상당량의 열을 생성한다. 생성되는 열의 수준은 반도체의 성능과 관련되며, 고성능 장치일수록 높은 수준의 열을 생성한다. 반도체는 인정될 만한 성능을 얻기 위해 냉각되어야 하며, 반도체를 냉각시키기 위해 장치에 열 흡수원이 부착된다. 작동시, 사용 중에 생성되는 열은 반도체로부터 열 흡수원으로 전달되고, 열 흡수원에서 열이 무해하게 소산된다. 반도체로부터 열 흡수원으로의 열 전달을 최대화하기 위해, 열전재 (Thermal Interface Material: TIM) 로서 알려진, 열 전도 재료가 이용된다. TIM 은 열 흡수원과 반도체 사이에 이상적으로 밀접한 접촉을 제공하여 열 전달을 촉진한다.
현재 반도체 제조사에 의해 다양한 유형의 TIM 이 사용되고 있으며, 이들은 모두 고유의 장점 및 단점을 갖는다. 상당히 높은 수준의 열을 생성하는 반도체의 경우, 바람직한 열 해결책은 땜납 재료의 사용이다. 땜납 재료의 예는 순수한 인듐, 또는 인듐과 은의 합금, 또는 주석, 은 및 구리의 합금, 또는 인듐, 주석 및 비스무트의 합금이다. 이들 재료는 높은 열 전도성 (30 ~ 50 W/m-K) 을 제공하지만, 스트레스 하에 금이 가거나 박리되기 쉽다.
따라서, 취급 및 적용이 용이하지만, 또한 높은 열 전도성 및 신뢰할 만한 성능을 제공하는 열전재를 제공하는 것이 유리할 수 있다.
본 발명은 땜납 재료, 너트쉘 오일에서 유래된 에폭시 수지 및/또는 에폭시화 이합체 지방산을 포함하는, 열-생성, 반도체-포함 장치에서 열전재로서 사용되는 조성물이다. 하나의 구현예에서, 땜납 재료는 순수한 인듐으로부터, 또는 주석과 비스무트의 합금과 순수한 인듐의 조합으로부터 제조된다. 금속 입자에는 첨가된 납이 실질적으로 없다. 너트쉘 오일에서 유래된 에폭시 수지 및/또는 에폭시화 이합체 지방산의 존재는 조성물을 더욱 유연하게 만들어서, 크래킹을 방지하고 열 흡수원과 반도체 사이의 접촉을 증가시킨다. 촉매는 TIM 의 임의적 성분이다.
또다른 구현예에서, 본 발명은 열-생성 부품, 열 흡수원 및 상기 설명에 따른 열전재를 포함하는 전자 장치이다.
너트쉘 오일에서 유래된 에폭시 수지 및/또는 에폭시화 이합체 지방산의 사용은 열전재에 대한 최적 범위의 모듈러스를 제공한다. 이들 에폭시는 조성물에서 하기 2 가지 기능을 수행한다: 그들은 땜납 입자에 대한 융제로서 작용하고, 그들은 겔-같은 또는 끈적거리는 덩어리를 형성하여 땜납 입자를 물리적으로 연결된 상태로 유지한다. 이들 기능은 둘다 제자리에서 땜납 합금의 형성을 가능하게 하고, 그것이 열전재 안에서 제자리에 남는 것을 도움으로써, 열 임피던스 (thermal impedance) 를 시간의 흐름에 따라 안정적으로 유지한다.
도 1 은 열 흡수원, 열 확산기 (heat spreader), 및 열전재를 갖는 전자 부품의 측면도이다.
도 2 는 TIM 조성물 샘플 F 의 시차주사열량측정 기록이다.
본 발명의 열전재는 열 소산이 요구되는 임의의 열-생성 부품, 특히 반도체 장치의 열-생성 부품에 이용될 수 있다. 그러한 장치에서, 열전재는 열-생성 부품과 열 흡수원 사이에 층을 형성하고, 소산시킬 열을 열 흡수원에 전달한다. 열전재는 열 확산기를 포함하는 장치에도 사용될 수 있다. 그러한 장치에서, 열-생성 부품과 열 확산기 사이에 열전재의 층이 위치하고, 열 확산기와 열 흡수원 사이에 열전재의 두번째 층이 위치한다.
너트쉘 오일에서 유래된 에폭시 수지는 하기 구조 중 하나 또는 둘다를 포함한다:
Figure 112012038615325-pct00001
.
이들 수지는 Cardolite Corporation (New Jersey) 에서 시판 중이다. 단관능성 에폭시 또는 이관능성 에폭시 중 하나 또는 임의의 비율의 블렌드는 본 발명 안에서 땜납 분말의 합금을 위한 융제로서, 및 땜납 입자를 뭉치게 하는 겔-같은 덩어리의 형성에 동등하게 효과적이다.
에폭시화 이합체 지방산은 이합체 지방산과 에피클로로히드린의 반응 산물이다. 하나의 구현예에서, 에폭시화 이합체 지방산은 하기 구조를 가지며, 식 중 R 은 C34H68 로 표시되는 34 탄소 사슬이다:
Figure 112012038615325-pct00002
.
이는 CVC Chemical (New Jersey) 에서 시판 중이다.
너트쉘 오일에서 유래된 에폭시 수지 및/또는 에폭시화 이합체 지방산은 조성물 중에서, 금속 입자를 포함하여, 2 ~ 30 중량 퍼센트의 범위 안에서 존재할 것이다. 둘다 존재하는 경우 에폭시 너트쉘 대 에폭시 이합체 지방산의 바람직한 비율은 약 9:1 ~ 약 1:1 이다.
에폭시 관능기에 대한 촉매의 사용은 임의적이나, 에폭시 관능기의 중합 또는 경화에 적합한 당업계에 공지된 임의의 촉매가 사용될 수 있다. 적합한 촉매의 예는 퍼옥시드 및 아민을 포함한다. 존재하는 경우, 촉매는 유효량으로 사용될 것이다; 하나의 구현예에서, 유효량은 조성물의 0.2 ~ 2 중량 퍼센트 범위이다.
열전 조성물에 사용하기에 적합한 금속 입자는 가융 금속 입자로서, 전형적으로 땜납으로 사용되는 융점이 낮은 금속 또는 금속 합금이다. 이러한 금속의 예는 비스무트, 주석, 및 인듐을 포함하며, 또한 은, 아연, 구리, 안티몬, 및 은 코팅된 질화붕소를 포함할 수 있다. 하나의 구현예에서 금속 입자는 주석, 비스무트, 또는 둘다로부터 선택된다. 또다른 구현예에서, 인듐이 또한 존재할 수 있다. 상기 금속들의 합금이 또한 사용될 수 있다.
바람직한 구현예에서, 금속 입자는 주석, 비스무트, 주석:비스무트의 합금, 인듐, 은 코팅된 질화붕소, 및 이들의 혼합물로부터 선택된다. 금속 입자 및/또는 합금은 조성물 중에서 총 조성물의 50 ~ 95 중량 퍼센트 범위에서 존재할 것이다.
추가의 구현예에서, 주석 및 비스무트의 공융 합금 분말 (융점 138 ℃) (주석 대 비스무트의 중량비 Sn:Bi::48:52) 이 인듐 분말 (융점 158 ℃) 과의 조합 (인듐이 Sn:Bi 합금과의 중량비 1:1 로 존재함) 으로 사용된다. TIM 에 열이 가해질 때, 중합체 수지는 융점이 60 ℃ 인 In-Sn-Bi 공융 합금의 형성을 촉진하는 융제로서 작용한다. 중합체 수지는 약하게 가교되어 In-Sn-Bi 합금 안에서 연성 겔 매트릭스를 형성한다. 융점이 60 ℃ 인 In-Sn-Bi 합금의 제자리 형성의 증거가 도 2, 조성물 샘플 F 의 시차주사열량측정 기록에 나타나 있다. 실행 1 은 138 ℃ 및 158 ℃ 에서 2 개의 구별되는 피크를 나타냈고, 이는 각각 Sn-Bi 및 In 의 용융과 연관될 수 있다. 반복된 가열 사이클 (실행 2 및 3) 에서, 약 60 ℃ 에서 매우 강한 피크가 관찰되었고, 한편 138 ℃ 및 158 ℃ 에서 피크가 거의 완전히 소멸했다. 60 ℃ 피크는 In-Sn-Bi 공융 합금의 형성과 연관된다.
도 1 에서 도시되는 하나의 구현예에서, 열전재의 층 2 개를 이용하는 전자 부품 (10) 은 인터커넥트 (14) 를 통해 실리콘 다이 (12) 에 부착되어 있는 기판 (11) 을 포함한다. 실리콘 다이는 열을 생성하고, 열은 다이의 하나 이상의 면에 인접하는 열전재 (15) 를 통해 전달된다. 열 확산기 (16) 이 열전재에 인접하여 위치하고, 첫번째 열전재 층을 통과하는 열의 일부를 소산시키는 작용을 한다. 열 흡수원 (17) 이 열 확산기에 인접하여 위치하여, 임의의 전달되는 열 에너지를 소산시킨다. 열전재 (18) 이 열 확산기와 열 흡수원 사이에 위치한다. 열전재 (18) 은 통상적으로 열전재 (15) 보다 두껍다.
실시예
하기 표에 제시된 중량 퍼센트의 성분들을 함유하는 조성물을 제조했다. 발명의 샘플은 E, F, G, H, 및 J 로 식별되며, 분배에 적합한 점도를 갖는다. 발명의 샘플은 모두 중합체 수지와 융점이 높은 땜납 분말의 액체 반응성 혼합물로 이루어진다. 인듐 분말은 융점이 158 ℃ 이고, 주석-비스무트 합금 분말은 융점이 138 ℃ 이다.
실리콘 다이와 구리 플랭크 사이에 배치된 TIM 조성물 내의 저항을 측정함으로써 TIM 조성물을 열 전도성에 대해 시험했다. 실리콘 다이를 가열하고, 전압계 및 전류계의 조합을 사용하여 열 투입을 측정했다. TIM 을 통해 구리 플랭크로 이동한 열, 및 구리 플랭크 상의 온도를 열전대로 판독했다. 이들 값으로부터 저항을 계산했다.
가열된 실리콘 다이로부터 구리 플랭크로 이동하는 열이 TIM 재료에 가해지면서, 에폭시화 너트쉘 오일 및/또는 이합체 지방산 중합체 수지가 땜납 재료에 대한 융제로서 작용했고, In-Sn-Bi 공융 합금의 형성을 촉진했다. 이 합금은 융점이 60 ℃ 였고, 이는 낮은 용융 온도로 여겨진다. 중합체 수지는 약하게 가교되어 In-Sn-Bi 합금 안에서 연성 겔 매트릭스를 형성했다. 융점이 약 60 ℃ ~ 약 100 ℃ 인 합금의 형성은, 특히 작동 온도가 약 70 ~ 100 ℃ 인, 반도체 장치의 효율적 열적 열 전달에 특히 유용하다.
비교 샘플은 A, B, C, 및 D 이고, 발명의 샘플과 동일한 방식으로 시험했다. 그 결과가 또한 표에 보고되어 있고, 너트쉘 오일에서 유래된 에폭시 수지 및/또는 에폭시화 이합체 지방산을 충분한 수준으로 함유하는 발명의 조성물이 비교 조성물에 비해 안정적이고 더 낮은 열 임피던스를 나타냄을 보여준다. 낮은 열 임피던스는 열 소산에 본질적이며, 열전재에서 바람직한 특성이다.
Figure 112012038615325-pct00003
* 경화제를 갖지 않는 조성물 샘플 E 의 열 임피던스는 150 ℃ 에서 베이킹된 후 약간 저하되었지만, 열 신뢰성은 열 사이클 시험 후 변하지 않았다.

Claims (13)

  1. (a) 하기 구조:
    Figure 112015067537031-pct00004

    를 갖는, 너트쉘 오일에서 유래된 에폭시 수지
    또는
    (c) (a) 및 (b) 에폭시화 이합체 지방산 둘다
    및
    (d) 첨가된 납이 없는 가융 금속 입자
    를 포함하는 열전재.
  2. 제 1 항에 있어서, 에폭시화 이합체 지방산이 하기 구조를 갖는 열전재:
    Figure 112012038615325-pct00005
    .
  3. 제 1 항에 있어서, 너트쉘 오일에서 유래된 에폭시 수지가 총 조성물의 2 ~ 30 중량 퍼센트 범위의 양으로 존재하고, 에폭시화 이합체 지방산이 총 조성물의 2 ~ 30 중량 퍼센트 범위의 양으로 존재하는 열전재.
  4. 제 1 항에 있어서, 너트쉘 오일에서 유래된 에폭시 수지 및 에폭시화 이합체 지방산이 둘다 총 조성물의 2 ~ 30 중량 퍼센트 범위의 양으로, 에폭시 수지 대 에폭시화 이합체 지방산의 중량비 1:1 로 존재하는 열전재.
  5. 제 1 항에 있어서, 가융 금속 입자가 총 조성물의 40 ~ 95 중량 퍼센트 범위의 양으로 존재하는 열전재.
  6. 제 5 항에 있어서, 금속 입자가 주석, 비스무트, 주석:비스무트의 합금, 인듐, 은 코팅된 질화붕소, 및 이들의 혼합물로부터 선택되는 열전재.
  7. 제 6 항에 있어서, 주석:비스무트의 합금의 중량비가 Sn:Bi = 48:52 인 열전재.
  8. 제 7 항에 있어서, In 을 추가로 포함하고, In 이 Sn:Bi 합금에 대한 중량비 1:1 로 존재하는 열전재.
  9. 반도체 칩; 열 확산기; 및 그 사이에 제 1 항의 열전재를 포함하는 어셈블리.
  10. 열 확산기; 열 흡수원; 및 그 사이에 제 1 항의 열전재를 포함하는 어셈블리.
  11. 제 1 항에 있어서, 촉매를 추가로 포함하는 열전재.
  12. 삭제
  13. 삭제
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