KR102496868B1 - 혼합 종횡비 입자 분산물을 갖는 열 인터페이스 재료 - Google Patents

혼합 종횡비 입자 분산물을 갖는 열 인터페이스 재료 Download PDF

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Abstract

전자 패키지가 전자 부품과 열 소산 부재 사이에 인터페이스 부재를 포함한다. 분산물 속성 범위 내의 실질적 구형 입자 및 실질적 판형 입자의 조합을 포함하는 입자 충전제 분산물을 갖는 인터페이스 부재는 열 에너지 전달 및/또는 전자기 방사선 억압에 상당히 효율적이다.

Description

혼합 종횡비 입자 분산물을 갖는 열 인터페이스 재료 {THERMAL INTERFACE MATERIAL WITH MIXED ASPECT RATIO PARTICLE DISPERSIONS}
본 발명은 일반적으로 열 인터페이스 재료, 보다 특별하게는 열 발생 전기 장치 및 열 싱크 구조물과 함께 사용하기 위한 전도성 인터페이스 제품에 관한 것이며, 여기서 인터페이스 제품은 추가로 그를 통해서 전자기 방사선이 전파되는 것을 억압하는 역할을 한다. 본 발명은 추가로 혼합 종횡비 입자 분산물을 사용하여 향상된 기능 특성이 유래된 인터페이스 재료에 관한 것이다.
열 전도성 인터페이스 재료는 열 발생 전자 부품을 열 싱크 구조물에 작동가능하게 커플링시키기 위해서 전자 산업에서 널리 사용된다. 가장 전형적으로, 그러한 열 전도성 인터페이스 재료는 열 발생 전자 부품, 예컨대 집적 회로 (IC), 중앙 처리 장치 (CPU), 및 비교적 고밀도의 전도성 트레이스 및 레지스터 요소를 포함하는 다른 전자 부품과 함께 사용된다. 특히, 열 인터페이스 재료는 그러한 열 발생 전자 장치를 열 싱크 구조물, 예컨대 핀형 열 싱크 구조물에 작동가능하게 커플링시키기 위해서 종종 사용된다. 그러한 방식에서, 전자 부품에 의해서 발생된 다량의 열 에너지는 열 인터페이스 재료를 통해서 열 싱크 구조물로 이동될 수 있다.
특정 전자 장치는 다량의 열 에너지를 발생시키는 것 이외에, 다양한 주파수에 걸친 전자기 방사선을 생성한다. 그러한 방사선은 제공된 전자기파 형태에 민감하고/민감하거나 제공된 전자기파 형태로 조정되는 다른 전자 장치에 전자기 간섭 (EMI)을 유발하는 효과를 가질 수 있다. 전자기 간섭에 감응성인 장치는 예를 들어, 휴대 전화, 이동식 라디오, 랩탑 컴퓨터 등을 포함한다.
전자기 간섭에 감응성인 이동식 전자 장치의 보급이 증가하기 때문에, 그러한 장치를 위한 내부 전자 부품의 제조는 전자기 방사선-발생 장치에 인접하게 배치된 열 전도성 인터페이스 재료에 전자기 방사선-흡수 물질을 혼입하였다. 따라서, 인터페이스를 통한 전자기 방사선의 투과를 흡수, 반사, 또는 달리 억압하는 작동 특징을 보유하는 열 인터페이스 재료로 구조체를 구현하였다. 그 결과, 그러한 열 인터페이스 재료 구조체는 열 방출 경로를 제공하고, 동시에 열 인터페이스 재료가 존재하는 상응하는 전자 부품으로부터의 전자기 방사선의 투과를 억압하는 역할을 한다.
그러나, 그러한 특징을 제공하기 위해서 지금까지 제안된 열 인터페이스 재료 구조체는 열 인터페이스 재료 골격 매트릭스 중의 열 전도성 입자와 방사선 억압 입자의 균질 분산물 또는 준-균질 분산물을 사용한다. 특히 낮은 총 충전제 적재 부피 분율 (예를 들어, ≤ 50 부피%)에서, 생성된 조성물은 제한된 열 전도율 및 전자기 간섭 억압 능력을 갖는다. 목적하는 기계 특성을 성취하는 데 종종 필요한 그러한 총 충전제 적재 부피 분율에서, 높은 열 전도율 및 전자기 방사선 억압을 동시에 성취하는 것은 어렵다. 전자 부품은 출력, 뿐만 아니라 패킹 밀도가 증가하기 때문에, 열 인터페이스 재료에서 열 전달 및 전자기 억압 능력을 향상시킬 필요가 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 종래에 입수가능한 것보다 우수한 열 전도율 및 전자기 간섭 억압 특성을 갖는 인터페이스 제품을 제공하는 것이다.
본 발명에 의해서, 순응성 인터페이스 재료의 열 전도율 및/또는 전자기 억압은 동등한 미립자 충전제 적재 부피 분율을 혼입한 종래의 인터페이스 재료에 비해서 개선될 수 있다. 그 결과, 본 발명의 인터페이스 재료는 전자 부품 및/또는 열 소산 부재와 함께 인터페이스에서 열 에너지 전달 임피던스를 감소시키도록 적합하게 순응되어 유지된다.
한 실시양태에서, 본 발명의 열 인터페이스 재료는 열원으로부터의 열 소산 및 전자기 간섭의 차폐를 위해서 열원의 근접부에 배치가능하다. 열 인터페이스 재료는 중합체 매트릭스, 및 30 내지 50 부피%로 중합체 매트릭스 중에 분산된 열 전도성 미립자 충전제를 포함한다. 미립자 충전제는 0.8 내지 1.2의 종횡비를 갖고, 구형 입자 부피를 갖는 실질적 구형 입자를 포함한다. 미립자 충전제는 길이, 폭 및 두께를 가지며 판형 입자 부피를 갖는 판형 입자를 추가로 포함한다. 판형 입자의 길이 및 폭은 각각 판형 입자의 두께보다 실질적으로 더 커서, 판형 입자는 적어도 10의 종횡비를 갖는다. 판형 입자 대 구형 입자의 부피 적재 비는 0.1:1 내지 1:1이다. 판형 입자 직경 대 구형 입자 직경의 입자 직경 비는 1:1 내지 20:1이다. 열 인터페이스 재료는 적어도 0.5 W/m * K의 열 전도율을 나타낸다.
일부 실시양태에서, 전자 부품 및 열 소산 부재를 갖는 전자 패키지가 제공될 수 있고, 여기서 열 인터페이스 재료가 전자 부품과 열 소산 부재 사이에서 그들과 접촉하게 배치되어 있다.
도 1은 본 발명의 전자 패키지의 개략도이고;
도 2는 도 1에 도시된 전자 패키지의 인터페이스 부분의 독립도이고;
도 3은 실질적 구형 입자의 도면이고;
도 4는 실질적 판형 입자의 도면이고;
도 5는 총 입자 충전제 적재 농도 및 상대적인 입자 직경 비에 따른 다양한 질화붕소/알루미나 입자 블렌드의 열 전도율 변화를 도시한 차트이고;
도 6은 상대적인 입자 직경 비 및 상대적인 부피 적재 비에 따른 질화붕소/알루미나 입자 블렌드의 열 전도율 변화를 도시한 차트이고;
도 7은 총 입자 충전제 적재 농도 및 상대적인 입자 직경 비에 따른 그라펜/알루미나 입자 블렌드의 열 전도율 변화를 도시한 차트이고;
도 8은 총 입자 충전제 적재 농도 및 상대적인 입자 직경 비에 따른 그라펜/알루미나 입자 블렌드의 열 전도율 변화를 도시한 차트이고;
도 9는 총 입자 충전제 적재 농도 및 상대적인 입자 직경 비에 따른 그라펜/알루미나 입자 블렌드의 전자기 방사선 흡수율 변화를 도시한 차트이고;
도 10은 총 입자 충전제 적재 농도 및 상대적인 입자 직경 비에 따른 그라펜/알루미나 입자 블렌드의 전자기 방사선 흡수율 변화를 도시한 차트이고;
도 11은 총 입자 충전제 적재 농도 및 상대적인 부피 적재 비에 따른 그라펜/알루미나 입자 블렌드의 열 전도율 변화를 도시한 차트이고;
도 12는 총 입자 충전제 적재 농도 및 상대적인 부피 적재 비에 따른 그라펜/알루미나 입자 블렌드의 전자기 방사선 흡수율 변화를 도시한 차트이다.
본 발명에 의해서 표현된 다른 목적, 특징 및 발전과 함께 상기에 열거된 목적 및 이점을 이제 첨부된 도면을 참고로 기술된 상세한 실시양태와 관련하여 나타낼 것이다. 본 발명의 다른 실시양태 및 측면은 관련 기술 분야의 통상의 기술자의 이해 범주 내인 것으로 인지된다.
본원의 목적을 위해서, 용어 "전자기 방사선", "전자기 간섭", 및 "EMI"는 전자 부품, 예컨대 프로세서, 트랜스미터, 리시버 등의 일반적인 작동을 방해할 수 있는 방사선을 의미하려는 의도이다. 그러한 방사선은 전형적으로 1 내지 10 GHz 범위일 수 있다. 상기에 열거된 용어, 뿐만 아니라 다른 유사한 용어는 이러한 주파수 범위 내의 방사선을 지칭하려는 의도이며, 따라서 본 발명의 재료에 의해서 영향을 받은 (흡수, 반사, 함유 등) 방사선 전달을 정의하기 위해서 상호교환가능하게 사용될 수 있다.
이제 도면을 참고로, 먼저 도 1을 참고하면, 전자 패키지(10)는 전자 부품(12), 열 소산 부재(14), 및 전자 부품(12)과 열 소산 부재(14) 사이에서 그들과 접촉하게 배치된 열 인터페이스(16)를 포함한다. 다른 실시양태에서, 인터페이스(16)는 전자 부품(12) 및 열 소산 부재(14) 중 하나 또는 둘 모두와 물리적으로 접촉하지 않을 수 있지만, 그럼에도 불구하고 전자 부품(12)으로부터 열 소산 부재(14)로의 열 소산 경로를 따른다. 인터페이스(16)는 열 에너지를 효율적으로 전도하고, 전자기 방사선의 전달을 효율적으로 억압하도록 바람직하게 개작된다. EMI의 억압은 전자기 방사선의 흡수와 반사의 조합을 통해서 성취될 수 있다. 인터페이스(16)는 축(18)을 따라서 전자 부품(12)과 열 소산 부재(14) 사이에 배치될 수 있는데, 그 축은 열원 (전자 부품(12))으로부터 열 소산 부재(14)로의 발산 방향(20)을 정의한다.
인터페이스(16)는 바람직하게는 열가소성 또는 열경화성 중합체 매트릭스(24) 중에 분산된 미립자 충전제(22) 형태로 존재한다. 미립자 충전제(22)는 목적하는 열 전도율 및 EMI 억압 특성을 제공하기에 충분한 정도로 중합체 매트릭스(24) 중에 분산된 1종 이상의 열 전도성 재료 및 EMI 억압 재료를 포함한다. 미립자 충전제(22)는 1종 이상의 재료를 포함할 수 있지만, 그의 모폴로지는 불균질하다. 특히, 구형 유사 입자와 판형 유사 입자의 조합으로 구성된 불균질 미립자 충전제 모폴로지가, 단독으로 사용된 동등한 적재 부피 분율의 어느 하나의 미립자 충전제 형상보다 열 전도율 및/또는 EMI 차폐에서 비가산적인 개선을 산출함을 발견하였다. 대부분의 실시양태에서, 따라서, 미립자 충전제(22)는 불균질 충전제 모폴로지를 형성하는 2종 이상의 별개의 미립자 재료를 포함할 수 있다. 본 발명의 불균질 충전제 모폴로지가 성취되는 한, 미립자 충전제(22)를 구성하는 데 매우 다양한 재료가 유용할 수 있다. 본원의 목적을 위해서, 용어 "모폴로지"는 미립자 충전제(22)를 구성하는 입자의 형상을 지칭하며, 여기서 "불균질 모폴로지"는 상이한 물리적인 형상을 갖는 입자를 지칭하고, "균질 모폴로지"는 실질적으로 유사한 물리적인 형상을 갖는 입자를 지칭한다. 본 발명과 관련하여, 구형 입자 및 판형 입자를 포함하는 불균질 모폴로지가 고려된다. 넓은 주파수 범위에 걸친 전자기 방사선을 흡수하는 데 유용한 예시적인 재료는 자성 금속 분말, 예컨대 니켈 또는 니켈 합금 및 철 또는 철 합금을 포함한다. 다른 자성 금속, 자성 금속 산화물 세라믹 및 페라이트, 흑연/탄소 분말, 금속 합금 및 비금속 충전제가 또한 전자기 간섭 억압 재료로서 유용할 수 있다. EMI 억압 재료의 구체적인 예시적인 예는 Nn-Zn, Ni-Zn, Fe-Ni, Fe-Si, Fe-Al, Fe-Co, 철과 전도성 금속 입자 및 비금속 입자, 예컨대 은, 구리, 탄소 및 흑연의 합금, 뿐만 아니라 질화붕소, 폴리아크릴로니트릴, 흑연 및 자성 세라믹을 포함한다. 상기 재료는 단지 예시이며, 관련 기술 분야에 공지된 다양한 EMI 억압 재료의 사용을 제한하려는 의도가 아니다.
EMI 억압 특성에 더하여, 미립자 충전제(22)는 인터페이스(16)를 통한 열 에너지의 이송에 도움이 되는 열 전도성 충전제 재료를 포함한다. 열 전도성 미립자 충전제는 관련 기술 분야에 널리 공지되어 있고, 예를 들어 알루미나, 질화알루미늄, 수산화알루미늄, 질화붕소, 질화아연 및 탄화규소를 포함한다. 다른 열 전도성 미립자 충전제 재료가 본 발명에서 미립자 충전제(22) 중에서 유용한 것으로서 고려되며, 그것은 발산 방향(20)을 따르는 열 전도율이 적어도 0.5 W/m * K인 인터페이스(16)를 제공하기에 충분한 농도로 중합체 매트릭스(24) 중에 분산될 수 있다.
종래의 조성물보다 더 높은 열 전도율 및/또는 전자기 차폐 성능을 성취하기 위한 연구를 수행하던 중에, 본 출원인은 놀랍게도 중합체 매트릭스 중에 분산된 구형 입자와 판형 입자의 조합의 특정 불균질 미립자 충전제 모폴로지가 비가산적인 성능 향상을 나타내고, 여기서 주어진 적재 농도의 불균질 미립자 충전제는, 중합체 매트릭스 중에 단독으로 존재하는 동등한 적재 부피 분율의 구형 입자의 균질 미립자 충전제 모폴로지 또는 판형 입자의 균질 미립자 충전제 모폴로지보다 실질적으로 더 양호한 열 전도율 및/또는 전자기 차폐를 나타낸다는 것을 발견하였다. 그러나, 그러한 효과는 놀랍게도 총 충전제 적재 농도, 입자 종횡비, 구형 입자와 판형 입자 사이의 상대적인 적재 비, 및 구형 입자와 판형 입자 사이의 상대적인 입자 크기 비를 비롯한 조합 속성의 특정 틀 내에서만 관찰된다. 특히, 그러한 속성의 특정 양 범위의 조합에서만, 그리고 각각의 속성의 그러한 양 범위 각각이 그 조합으로 존재하는 경우에만 이로운 성능 향상이 관찰되는 것을 발견하였다. 따라서, 본 발명의 놀라운 발견은 특정 속성 조작의 조화로운 조합으로부터 유래된다. 이에 반해서, 공지된 조성물은 본 발명의 주요 속성 중 일부 만을 고려하고, 따라서 본 조합의 예상치 못한 결과를 실현시키지 않는다.
본 발명의 미립자 충전제(22)는 실질적 구형 입자(32)와 실질적 판형 입자(34)의 조합을 포함한다. 본원의 목적을 위해서, 구형 입자는 0.8 내지 1.2의 종횡비를 갖는 것으로 간주되고, 여기서 입자의 종횡비는 다음과 같이 결정된다:
A = D메이저/D마이너
상기 식에서,
A = 종횡비
D메이저 = 입자의 길이 축 또는 폭 축을 따라서 측정된 최장 치수
D마이너 = 입자의 두께 축을 따라서 측정된 치수
예시적인 실질적 구형 입자(32)가 도 3에 도시되어 있는데, 여기서 길이 축 "L", 폭 축 "W", 및 두께 축 "T"는 입자(32)의 중심 "O"에서 직교한다. 따라서, 실질적 구형 입자(32)의 종횡비 "A"는 길이 축 또는 폭 축 "L" 또는 "W"를 따르는 더 큰 관통 치수를 두께 축 "T"를 따르는 관통 치수로 나눈 값으로서 정의된다. 따라서, 완전한 구형인 경우, 관통 치수는 각각의 축을 따라서 측정된 직경 치수이고, 이것은 1.0의 종횡비 "A"를 나타낼 것이다.
실질적 판형 입자(34)가 각각의 길이 축, 폭 축 및 두께 축과 함께 도 4에 도시되어 있다. 본원의 목적을 위해서, 판형 입자는 그의 길이 축 및 폭 축 "L", "W"를 따르는 유사한 치수를 갖지만, 그의 두께 축 "T"를 따르는 실질적으로 더 작은 치수를 가져서, 10을 초과하는 종횡비를 나타내는 것으로 간주된다. 일부 실시양태에서, 판형 입자(34)는 적어도 100의 종횡비를 나타낸다.
본 발명의 분산물 중의 구형 입자 크기 및 판형 입자 크기, 및 중요하게는 그의 상대적인 크기가 관찰된 열 전도율 및 EMI 억압 특성을 성취하는 데 중요한 측면임을 발견하였다. 따라서, 각각의 입자 크기는 "등가 구체(equivalent sphere)"의 개념을 사용하여 표현될 수 있다. 이러한 경우에, 입자 크기는 실제 입자와 동일한 특성, 예컨대 부피를 갖는 등가 구체의 직경에 의해서 정의된다. 본 출원의 목적을 위해서, 입자 직경은 레이저 회절 장비 및 미 이론(Mie theory)을 사용하여 그 결과를 해석하여 측정된 바와 같은 중간 부피 등가 구체 직경인 것으로 간주된다. 구형 입자(32) 및 판형 입자(34)는 단분산성일 수 없지만, 대신에 상이한 크기의 실질적 구형 입자 및 실질적 판형 입자의 입자 크기 분포를 나타낼 수 있다는 것을 또한 이해해야 한다. 그러한 분포는 부피 가중 분포로 표현될 수 있고, 여기서 그러한 분포에서의 각각의 입자의 기여는 그 입자의 부피와 관련된다. 부피 가중 입자 크기 분포, 예컨대 레이저 회절에 의해서 측정된 것의 경우, 샘플의 주어진 부피%에 대한 최대 입자 크기를 기초로 하는 파라미터를 보고하는 것이 편리하다. 백분위수는 다음과 같이 정의될 수 있다:
Dab
상기 식에서,
D = 직경
a = 분포 가중 (부피의 경우 v)
b = 이러한 입자 크기보다 작은 샘플의 백분율이다.
예를 들어, 값 Dv50은 샘플 부피의 50%가 그보다 작은 직경으로 존재하는 최대 입자 직경이고; 또한 부피 기준 중간 입자 크기 (직경)로서 공지되어 있다. 본 발명의 전형적인 입자 크기 분포는 중간 직경의 약 40 내지 100%인 Dv10 값 및 중간 직경의 약 100 내지 160%인 Dv90 값을 포함한다. 레이저 회절에 의해서 측정된 입자 크기 분포는 직접적인 전자 현미경 관찰을 통해서 확인될 수 있다.
본 출원인은 미립자 충전제(22)를 바람직하게는 30 내지 50 부피%의 적재 농도, 보다 바람직하게는 40 내지 50 부피%의 적재 농도로 중합체 매트릭스(24) 중에 분산시키기로 결정하였다. 상기에 언급된 바와 같이, 인터페이스(16)가 비교적 낮은 벌크 압축 모듈러스로 "순응" 특징을 유지하는 것이 바람직하다. 50 부피%를 초과하는 미립자 충전제(22)의 적재 농도는 인터페이스(16)의 벌크 압축 모듈러스를 바람직하지 않게 증가시킬 수 있다. 따라서 미립자 충전제 단위 부피 당 향상된 열 전도율 및 전자기 방사선 감쇠의 본 발견은, 비교적 낮은 총 적재 농도의 미립자 충전제(22)를 갖는 분산물이, 높은 열 전도율 및/또는 EMI 감쇠 값을 유지하면서, 인터페이스(16)를 위해서 낮은 벌크 압축 모듈러스 값을 유지하도록 한다.
상기에 기술된 미립자 충전제(22)의 총 적재 농도 내에서, 본 출원인은 판형 입자(34)와 구형 입자(32) 사이의 적재 비가 관찰된 기능적인 이점을 성취하는 것을 발견하였다. 본원의 목적을 위해서, 용어 "부피 적재 비"는 판형 입자(34) 대 구형 입자(32)의 부피 기준 농도 비를 지칭한다. 0.1:1 내지 1:1의 판형 입자(34) 대 구형 입자(32)의 부피 적재 비가 본 발명의 분산물에서 바람직하다.
본 발명의 분산물의 제조에서의 요소는 판형 입자(34)와 구형 입자(32) 간의 입자 직경 비인 것을 추가로 확인하였다. "입자 직경 비"는 분산물의 판형 입자와 구형 입자의 중간 입자 직경을 비교하며, 중간 입자 직경은 상기에 정의되어 있다. 중간 판형 입자 직경 대 중간 구형 입자 직경의 입자 직경 비는 1:1 내지 20:1인 것을 발견하였다. 본 발명의 놀라운 기능적인 이점은 이러한 범위 밖의 입자 직경 비에서는 실질적으로 제거된다.
바람직하게는, 중합체 매트릭스(24)는 인터페이스(16)에 종합적인 연성 특징 및 가요성 특징을 제공한다. 구체적으로, 인터페이스(16)는 바람직하게는 약 5 MPa 미만의 총 압축 모듈러스, 보다 바람직하게는 1 MPa 미만의 벌크 압축 모듈러스, 뿐만 아니라 약 10 쇼어(Shore) 00 내지 50 쇼어 A의 벌크 경도, 보다 바람직하게는 10 쇼어 00 내지 70 쇼어 00의 벌크 경도를 나타내며, 이 값들은 전부 20℃의 실온에서의 값이다. 특별한 실시양태에서, 인터페이스(16)는 20℃에서 15 쇼어 00 내지 30 쇼어 00의 경도를 나타낼 수 있다. 그러한 가요성 및 연성은 틈을 형성하지 않으면서 전자 부품(12) 및 열 소산 부재(14)의 불균일한 표면에 인터페이스(16)를 적용하는 것을 가능하게 한다. 인터페이스의 낮은 모듈러스 및 경도 값으로 유발되는 인터페이스(16)의 순응성 측면은, 열 전달 효율을 최대화할 뿐만 아니라 전자 패키지(10)의 조립에서 전자 부품(12)의 손상 위험을 최소화하도록, 열 전도성 인터페이스(16)와 패키지(10)의 관련 부품 사이의 연속적인 접촉 면적을 보장하는 데 중요하다.
중합체 매트릭스(24)로부터 유래되는, 인터페이스(16)의 벌크 압축 모듈러스 및 벌크 경도 특성은 인터페이스(16)의 취급을 가능하게 하는 정도이다. 다시 말해서, 인터페이스(16)는 상기에 기술된 조건 준수 및 가요성 이점 모두를 제공하는 작업가능한 범위 이내인 연성, 뿐만 아니라 취급 및 조립에서 비교적 치수 안정하기에 충분한 경도를 갖는 것이 바람직하다. 본 출원인은, 10 내지 70 쇼어 00을 비롯한 상기에 기술된 경도 범위가 자동화 장비에 의한 것을 비롯하여 취급 용이성과 조합하여 방사선 차폐 및 열 전달의 유용한 균형을 제공하는 것을 발견하였다. 일부 실시양태에서, 인터페이스(16)는 실온에서 비교적 치수 안정한 자립형 본체(self-supporting body)일 수 있거나, 또는 폼-인-플레이스(form-in-place) 응용을 위해서 액체가 불필요한 것을 비롯하여 덜 점성일 수 있다. 상기에 기술된 경도 및 모듈러스 범위는 실온에서 설치된 본 인터페이스(16)에 적용하려는 의도이다. 승온을 사용한 작동 조건 하에서, 특히 상-변화 재료가 본 인터페이스(16)의 중합체 매트릭스(24) 중에서 사용된 경우, 본 인터페이스(16)의 경도 값은 감소될 수 있다.
중합체 매트릭스(24)는 열가소성 중합체 또는 열경화성 중합체로부터 형성될 수 있다. 중합체 매트릭스(24)에서 유용한 열가소성 수지 및 열경화성 수지의 예는 예를 들어, 실리콘계 중합체, 아크릴계 중합체, 우레탄계 중합체, 에폭시계 중합체, 폴리술피드계 중합체, 폴리이소부틸렌계 중합체 및 폴리비닐계 중합체 또는 폴리올레핀계 중합체를 포함한다. 그러한 열가소성 수지 또는 열경화성 수지로부터 전개된 중합체 매트릭스는 미립자 충전제(22)가 약 30 내지 50 부피%의 농도로 분산될 수 있는 비교적 연성이고 가요성인 기재를 제공한다. 중합체 매트릭스는 열가소성 엘라스토머일 수 있다.
상기에 기술된 열 전도율 특성에 더하여, 인터페이스(16)는 전자기 방사선 억압을 추가로 제공할 수 있다. 따라서, 예를 들어, 전기 부품(32)으로부터 발생한 전자기 방사선은 두께 "T"를 통해서 투과되지 않도록 인터페이스(16)에 의해서 상당한 정도로 흡수되거나 또는 반사될 수 있다. 바람직하게는, 전자기 방사선의 적어도 약 10%가 흡수되거나 또는 예를 들어, 전자 부품(12)에서 공급원을 향해서 다시 반사된다. 일부 실시양태에서, 전자기 방사선의 약 90% 미만이 본 발명의 인터페이스(16)를 통해서 투과하게 된다. 2.4 GHz에서 적어도 1 dB/in, 보다 바람직하게는 적어도 10 dB/in의 전자기 방사선 흡수율이 본 발명의 인터페이스(16)에 의해서 성취될 수 있다. 전자기 흡수 효율성의 이러한 측정치는 하기 관계식에 의해서 측정될 수 있다:
Figure 112017001064834-pct00001
상기 식에서,
A = 전자기 흡수율 (dB/in)
S11 = 전자기 반사 계수
S21 = 전자기 전달 계수
T = 인터페이스 패드의 두께 (in.)
실시예
열 인터페이스 패드 세트를 제조하여 다양한 총 미립자 충전제 적재 농도, 판형 입자와 구형 입자 간의 부피 적재 비, 판형 입자와 구형 입자 간의 입자 직경 비를 사용하여 열 전도율 및 전자기 방사선 흡수율을 시험하였다. 인터페이스 패드는 시험을 위해서 약 1 mm 두께로 제조하였다.
실시예 1
덴카(Denka)로부터 입수가능한 실질적으로 구형인 알루미나 입자 및 모멘티브(Momentive)로부터 입수가능한 질화붕소 (BN) 판형 입자를 사용하여 제1 인터페이스 패드 샘플 세트를 제조하였다. 비닐 관능성 실리콘 및 히드리드 관능성 실리콘과 백금 촉매 및 말레에이트 억제제의 블렌드를 인터페이스 패드의 중합체 매트릭스를 위한 기재 수지로서 제조하였다. 2200 rpm에서 30초 동안 플락크테크 스피드 믹서(FlackTek speed mixer)에서 100 g 배치를 사용하여 알루미나 충전제 입자 및 질화붕소 충전제 입자와 함께 수지 재료의 혼합을 수행하였다. 혼합 이후에, 재료를 25℃로 냉각하고, 이어서 다시 15초 동안 2200 rpm에서 혼합하였다.
실시예 2
덴카로부터 입수가능한 실질적으로 구형인 알루미나 입자 및 캐봇(Cabot)으로부터 입수가능한 판형 그라펜 입자를 사용하여 또 다른 인터페이스 패드 세트를 제조하였다. 상업적으로 입수가능한 RTV 이액형 축합-경화 성형 실리콘으로부터 중합체 매트릭스를 제조하였다. 실리콘 A측을 30초 동안 2200 rpm에서 그라펜 입자 및 알루미나 입자와 혼합하였다. 재료를 25℃로 냉각하고, 이어서 실리콘 B측을 첨가하고, 다시 15초 동안 2200 rpm에서 혼합하였다.
도 5 내지 도 12는 다양한 판형/구형 부피 적재 비 및 입자 크기 비, 뿐만 아니라 총 입자 충전제 적재 농도로 블렌딩된 상기에 기술된 실시예 인터페이스 패드의 열 전도율 및 전자기 방사선 흡수율을 그래프로 도시한다. 실험 데이터의 그래프 재현은, 특정 속성 범위, 즉 중합체 매트릭스 중의 30 내지 50 부피%의 총 미립자 충전제 적재 농도, 0.1:1 내지 1:1의 판형 입자 대 구형 입자의 부피 적재 비, 및 1:1 내지 20:1의 판형 입자 직경 대 구형 입자 직경의 입자 직경 비 내에서의 목적하는 성능 특성을 예증한다.
도 5는 총 입자 충전제 적재 농도 및 상대적인 입자 크기 비에 따른 다양한 질화붕소/알루미나 입자 블렌드의 열 전도율의 변화를 도시한다. 차트는 구형 입자 및 판형 입자 모두를 함유하는 미립자 충전제 분산물이 동등한 총 적재 농도에서 구형 입자 만을 갖거나 또는 판형 입자 만을 갖는 미립자 충전제 분산물보다 상당히 높은 성능을 나타낸다는 것을 명백히 보여준다. 이는, 구형 입자와 판형 입자의 조합의 성능이 그 적재 농도에서 예견된 성능을 훨씬 더 초과한다는, "비가산적인" 효과를 예증한다.
도 6은 상대적인 입자 직경 비 및 상대적인 부피 적재 비에 따른 질화붕소/알루미나 입자 분산물 블렌드의 열 전도율 변화를 나타낸다. 도 6으로부터, 본 분산물의 비가산적인 이익은 20:1의 판형 입자 직경:구형 입자 직경 비를 초과할 경우 상당히 감소된다는 것을 인지할 수 있다.
도 7은 0.1:1의 판형 입자 대 구형 입자의 부피 적재 비에서의 총 미립자 충전제 적재 농도 및 상대적인 입자 직경 비에 따른 그라펜/알루미나 블렌드의 열 전도율 변화를 나타낸다. 마찬가지로, 도 8은 0.2:1의 판형 입자 대 구형 입자의 부피 적재 비에서의 총 입자 충전제 적재 농도 및 상대적인 입자 직경 비에 따른 그라펜/알루미나 블렌드의 열 전도율 변화를 보여준다.
도 9는 0.1:1의 판형 입자 대 구형 입자의 부피 적재 비에서 총 입자 충전제 적재 농도 및 상대적인 입자 직경 비에 따른 그라펜/알루미나 입자 블렌드의 전자기 방사선 흡수율 변화를 나타낸다. 마찬가지로, 도 10은 0.2:1의 판형 입자 대 구형 입자의 부피 적재 비에서 총 미립자 충전제 적재 농도 및 상대적인 입자 직경 비에 따른 그라펜/알루미나 입자 블렌드의 전자기 방사선 흡수율 변화를 보여준다. 도 7 내지 도 10 각각은 그의 각각의 속성 범위 내에서의 본 분산물의 비가산적인 이점을 예증한다.
도 11 내지 도 12는 판형 입자 대 구형 입자의 총 입자 충전제 적재 농도 및 상대적인 부피 적재 비에 따른 그라펜/알루미나 입자 분산물 블렌드에 대한 열 전도율 및 전자기 방사선 흡수율 데이터를 보여준다.
본 발명은 특허법을 준수하고, 관련 기술 분야의 통상의 기술자에게 신규 원리를 적용하는 데 필요한 정보를 제공하고, 필요에 따라서 본 발명의 실시양태를 구성하고 사용하기 위해서 상당히 상세하게 본원에 기술되어 있다. 그러나, 다양한 개질이 본 발명 자체의 범주로부터 벗어나지 않으면서 성취될 수 있음을 이해해야 한다.

Claims (9)

  1. 중합체 매트릭스; 및
    30 내지 50 부피%로 상기 중합체 매트릭스 중에 분산된 열 전도성 미립자 충전제
    를 포함하고, 적어도 0.5 W/m * K의 열 전도율을 나타내는, 열원으로부터의 열 소산 및 전자기 간섭의 차폐를 위해서 열원의 근접부에 배치가능한 열 인터페이스 재료이며,
    상기 미립자 충전제는, 0.8 내지 1.2의 종횡비를 가지며 구형 입자 직경을 갖는 실질적 구형 입자, 및 길이, 폭 및 두께를 가지며 판형 입자 직경을 갖는 판형 입자를 포함하고, 여기서 상기 길이 및 상기 폭은 각각 상기 두께보다 더 크고, 상기 판형 입자는 적어도 10의 종횡비를 갖고, 상기 판형 입자 대 상기 구형 입자의 부피 적재 비는 0.1:1 내지 0.2:1이고, 상기 판형 입자 직경 대 상기 구형 입자 직경의 입자 직경 비는 1:1 내지 10:1인 열 인터페이스 재료.
  2. 제1항에 있어서, 2.4 GHz에서 적어도 10 dB/in의 전자기 방사선 흡수율을 나타내는 열 인터페이스 재료.
  3. 제1항에 있어서, 상기 미립자 충전제가 40 내지 50 부피%로 상기 중합체 매트릭스 중에 분산된 것인 열 인터페이스 재료.
  4. 제1항에 있어서, 상기 판형 입자가 적어도 100의 종횡비를 갖는 것인 열 인터페이스 재료.
  5. 제4항에 있어서, 상기 판형 입자의 상기 길이 및 상기 폭이 동일한 것인 열 인터페이스 재료.
  6. 제1항에 있어서, 상기 구형 입자가 알루미나를 포함하고, 상기 판형 입자가 질화붕소, 그라펜, 및 그의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것인 열 인터페이스 재료.
  7. 제6항에 있어서, 상기 중합체 매트릭스가 열가소성 엘라스토머인 열 인터페이스 재료.
  8. 제1항에 있어서, 20℃에서 5 MPa 미만의 압축 모듈러스를 나타내는 열 인터페이스 재료.
  9. 전자 부품;
    열 소산 부재; 및
    상기 전자 부품과 상기 열 소산 부재 사이에서 그들과 접촉하게 배치된 제1항의 열 인터페이스 재료
    를 포함하는 전자 패키지.
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