SE531018C2 - Användning av ett kompositmaterial som termiskt kontaktmaterial för mikroelektroniska komponenter - Google Patents

Description

531 018 2 Dagens material för kondensatorer har blivit den begränsande faktorn för miniatyrísering av elektronik. Som exempel på små kondensatorer som ”01005 storlek”, 0.2 x 0.2 x 0.4 mm, är bara tillgängliga i små kapacitansområden. Det finns därför ett stort behov av material som kan öka kapacitansen i kondensatorer tör att främja miniatyrisering av elektronisk utrustning. 531 GiB Sammanfattning av uppfinningen Målet med denna uppfinning är att presentera ett material som har väsentligt högre värmeledningsfórmåga och bättre mekaniska egenskaper än material som är tillgängliga idag. Detta material kommer att vara viktigt inom Värmereglering av mikroelektroník idag och i framtiden samt for att öka tilliörlitligheten hos elektroniken.

Uppfinningen idag är relaterad till bra värmeledande nanostrukturer bestående av polymera nanofibrer med inblandade värmeledande nanopartiklar (kiselkarbid, SiC, Bornitrid (BN), silver partiklar (Ag)), rnikropartíldar (koppar, (Cu)), kolnanorör (Carbon NanoTubes, CNTs) eller andra partiklar. Värmeledningstörmâgan för nanostrukturen av varierande tjocklek är väsentligt förbättrad i närvaro av andra värmeledande partiklar, antingen genom partikelinkapsling i nanofibrer eller genom att befästa nanopartiklar på ytan av nanofiber under elektrospinn processen.

Dessa nanostruktunnaterial är attraktiva som ett värmeledande material inom mikroelektronik på grund av deras egenskaper så som hög elasticitet, renhet, högt termisk ledningstörmåga och dess möjlighet att formas till tunna skikt. Dessa egenskaper uppfyller utmaningen av fortsatt miniatyrisering av milcroelektronik.

Ett armat mål med uppfinningen är att skapa nya material med hög kapacitans som består av polymera nanofibrer blandade med oorganiska nanopartiklar (t.ex. BaTi03) för kondensatorer. Dessa tunna material kan användas för att minska storleken på kondensatorerna som tillåter fortsatt miniatyrisering av elektronik.

Ytterligare ett annat mål med uppfinningen är att skapa en enkel och billig metod fór att producera tunna kompositmateñal som består av nanofibrer och andra metalliska, oorganiska eller organiska partiklar i nano-eller mikroskalan.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGAR, FIGURER OCI-l TABELLER Figur 1 är en schematisk illustration av tekniken elektrospinning.

Figur 2a och 2b âr fotografier med svepelektronmikroskopi av nanofibrer av fenolharts (2a) med nanopartiklar av silver (2b).

Figur 3 visar en typisk tillämpning av materialet som termiskt kontaktmaterial.

Figur 4 visar en typisk tillämpning av materialet som kondensator.

Tabell 1 visar typiska termiska och mekaniska egenskaper hos nâgra olika nanofiberrnaterial ijåmförelse med konventionella material från 3M. 53% D18 DETALJERAD BESKRIVNING AV FÖREDRAGNA REALISERINGAR AV UPPFiNNINGEN.

I figur 1 visas tekniken elektrosplnning, vilken används för att producera nanofibrer blandade med nanoparilklar, mikropartlklar och/eller nanokolrör. l processen upplöses en polymer (företrädesvis en harts med hög elasticitet, stark kohesionfömiåga, slagtâlighet, seghet och tänjbarhet, exempelvis polyuretan och fenolhartser) l ett organiskt lösningsmedel (exempelvis blandning av tetrahydrofuran, THF, och dimetylformarnid, DMF, fördelaktligen med 40 - 60 viktprocent THF). För termiska kontaktmaterial kan nano- eller míkropartiklar med hög termisk iedningsfönnåga (exempelvis kiselkarbid (SiC), bomitrid (BN), silver (A9), koppar (Cu) och guld (Au)), kolnanorör ochleller andra partiklar blandas med den viskoelastiska polymerlösningen.

För tillämpningar där hög kapacitans är önskvärt kan oorganlska nanopartiklar blandas med polymerlösningen. För vidhäftningsfönnåga kan llmmets beståndsdelar (hårdare och bas) direkt blandas i l polymerlösningen. För att förbättra lösningens homogenitet kan exempelvis magnetomröming användas.

Med lösningen placerad I en kapillär (1) eller spruta appliceras ett elektrostatiskt fält (högspänning, exempelvis mellan 15-50 kV) mellan lösningen och kollektom (3) (exempelvis en aluminiumfolie). Kollektom är placerad på ett visst avstånd från kapillärröret (1). När den elektrostatiska kraften (2) övervinner ytspänningen hos den kon eller lilla droppe (4) som sticker ut från änden av kaplllårröret (1) skapas en stråle av polymerlösning (5). Genom att det elektrostatiska fältet tänjer strålen skapas nano- fibrösa strukturer med elektrostatisk laddning. Dessa fibrösa strukturer färdas genom luften ner mot kollektom och under färden avdunstar lösnlngsmedlet. Detta resulterar I att extremt tunna fibrer (vanligtvis mindre än 100 nm i diameter) ansamlas på kollektom (3). Nanofibrema har stor yta (per massenhet) och relativt små porer. Olika strukturer kan tillverkas med hjälp av denna metod, exempelvis slumpmässiga fördelade fiberstruktrurer och riktade fiberstrukturer.

Om så önskas kan nanopartiklama (7) kapslas in i det nanfibrösa polymermaterialet eller användas för att täcka ytan av polymera fiber och skapa tenniskt ledande strukturer.

Tunna skikt eller folier av olika tjocklekar bestående av nano-fibrösa strukturer, fördelaktligen blandade med nanopartiklar, mikropartiklar, kolnanorör och/eller andra 53% G13 5 partiklar kan tillverkas. Tunna skikt (några tiotals till hundra mikrometer i tjocklek) med nano-fibrösa polymer blandade med några av ovan nämnda partiklar har tillverkats.

Speciellt för tillämpning som terrniskt kontaktmaterlal har, i en realisering av uppfinningen, 2 viktprooent kolnanorör med termisk konduktivitet på cirka 2 000 W/(Km) använts (i ett speciellt fall användes flerväggade kolnanorör, MWCNTs, 10 nm - 30 nm i diameter). I ett annat fall användes 5 viktprocent SlC (beta) partiklar (45 nm - 55 nm i diameter) med termisk konduktivitet på cirka 150 W/(Km). l ytterligare en realisering användes 20 viktprocent Ag partiklar (0,5 um - 1 um i diameter) med termisk ledningsiörmåga på cirka 420 W/(Km). Även Cu (0.5-1,5pm) partiklar har använts.

Nanopartiklar och mikropartiklar av guld, diamant, kiselnitrat, (SiN), boronnitrat (BN) med flera kan också användas.

Vad gäller uppfinningens tillämpning som termiskt kontaktmaterial kan, l en realisering, silikonolja fördelaktligen placeras på kollektom och/eller fibrema för att underiâtta avlägsnandet av nanofibrema från kollektom. Om så önskas kan det producerade materialet blötläggas ytterligare i sllikonolja. Användandet av silikonolia höjer den tennlska konduktlviteten ytterligare för det termiska kontaktmaterialet i denna uppfinning.

Det antas att den ökade konduktiviteten beror på att silikonoljan fyller upp de små håligheter och porer mellan fibrerna och runt partiklama genom kapillärkraft.

Tabell 1 visar typiska termiska och mekaniska egenskaper för de några olika tillverkade nano-fibrösa materialen som exempel.

Bindmedel (exempelvis ledande lim) kan, om så önskas, inkluderas l ovan nämnda blandning för att ge de tunna skikt och folier som produceras vidhäftande egenskaper och således underlätta användningen av dem som terrnlska kontaktmaterial. Slutligen kan, vid en realisering av uppfinningen, skyddsfilm av polyester appliceras ovanpå nanofiberrnaterialet (exempelvis nanofiberiilm eller -tejp). Syftet med skyddsfilmen är att skydda produkten under transport och hantering. Skyddsfilmen avlägsnas vid användandet.

Speciellt gällande uppfinningens användningsområde som material med hög kapacitans har oorganiska nanopartiklar (exempelvis BaTIOS) använts. 531 018 Figur 2a visar ett fotografi med svepelektronmikroskopi av en bit material tillverkat av polyuretanbaserade nanofibrer med Ag nanopartiklar. Figur 2b visar ett fotografi av en bit material tillverkat av polyuretanbaserade nanofibrer och kolnanorör indränkt i silikonolja.

Figur 3a visar en möjlig tillämpning av det termiska kontaktmaterialet i denna uppfinning.

I figur 3a är material 2 placerat mellan den integrerade kretsen 1 och kylflånsen 3.

Riktningen på vârmeflödet ges av pil 4. l figur 3b är nanofibermaterialet 2 placerat mellan den integrerade kretsen (IC) 1 och substratet 3 för att förbättra värmeavledningen i den så kallade ”die attach" tillämpningen.

Figur 4 visar en möjlig tillämpning av materialet i denna uppfinning för kondensatorer.

Material 2 placeras mellan tvà metallager, signalplanet 1 och jordplanet 3.

Det skall klargöras att denna uppfinning kan realiseras på andra vis än de som exemplifierats ovan utan att avvika från den grundtanke som demonstrerats.

Uppfinningen är således inte begränsad till exakt de konstruktioner och metoder som skisserats ovan. Alltså, de exempel och realiseringar som visats skall i alla avseenden ses som illustrativa, ej restriktiva, och uppflnningen skall ej anses begränsad av de detaljer som presenterats. De som är bekanta med ämnet som uppfinningen relaterar till kommer att se ytterligare altemativ vad gäller materialval och metoder för att realisera uppfinningen enligt de påståenden som ges nedan. 53% CVIB 7 Tabell 1. Mâtdata Egenskaper Enhet SM material 3M material Fenolhartsbaserad Polyuretanbaserad 5506 5509 nanofiber med nanofiber med CNT indrànkti silverpartiklar silikonolja Termisk W/(Km) 4,0-5,2 4,4-6,5 4.39 0,37-0,93 ledningsförrnága Skikttjocklek pm 1000 500 100 90 Termisk resistans K/W 0.91-1,17 0,36-0,55 0.11-0,30 0,46-1,17 Arbetstemperatur QC 50-130 50-130 70 till 90 50-120 Temperatur för QC 500 500 400 410 sönderfall Maximal MPa 0,09 0,22 0,55 4,48 spänning vid brott (töjningshastighet :8.10°/s) Maximal töjning % 54,1 29,5 15 455 vid brott (töjningshastighet :8.10“°/s) E-modul MPa 0,31 0,76 3,67 1 ,O1 Färg Grà Grå Svart ljusgrå

Claims (4)

531 018 Nytt Anspråk

1. Användning av ett kompositmaterial som ett termiskt kontaktmaterial för värmetransportering för mikroelektrorliska komponenter med varierande tjocklek som inkluderar polymera nanoñbrer och nanopartiklar, nanorör, rnikropartiklar eller en blandning av dessa i form av organiska, oorganiska, keramiska och/eller metalliska material med hög termisk ledningsförrnåga.

2. I användningen enligt krav 1 kan nämnd polymer vara av polyuretan, polysulfoner, polyiniid, flytande kristalliria polymer (LCP) och/andra funktionella polymerer eller blandningar av dessa eller andra polymerer med hög termisk konduktivitet, elasticitet, sammansättningsstyrka, motståndskraft mot stötar, seghet och hög duktilitet.

3. I användningen enligt krav 1 kan nämnda nanopartiklar och inikropartiklar bestå av guld (AU), silver (Ag), koppar (Cu), blyfria och Sn-baserade nanolod, diamant, kiselkarbid (SiC), kiselnitrid (SiN), borninid (BN), kol-nanorör eller CNT (en eller flerväggs) och alla andra högternriska konduktiva nanopartildar och mikropartiklar och blandningar av dessa.

4. I användningen av krav 1 där nämnda nanopartiklar, lníkropartildar och CNT- rör är inkapslade eller belagda hos nämnda nanoñbrer eller blandningar av dessa situationer.