TW549011B - Dissipation of heat from a circuit board having bare silicon chips mounted thereon - Google Patents

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Description

549011 五、發明說明（i) 發明範圍： 本發明係關於自其上裝設外絡石夕晶月之電路板分散熱 量。 ， 相關技藝盡: 、、‘、 其上裝設電子元件之電路板已為我、們所熟悉，，如積體電 路晶片。該元件一般專-生過多熱量，所以必須提供熱分散 裝置。其中一種裝置為圍繞該電路板吹氣之風扇。另一種 裝置為與該電路板（或部件）傳熱連楱之散熱板。該散熱板 即可位於該電路板之前側（支持元件一側），又可位於後側 (支持元件一側的相反側）.。可用熱導材料在/散熱板及產熱 元件和/或電路板之間建立熱接觸。與電路板散熱有關之 說明揭示包括西普勒（Cipolla)等人的、辱國專利第 —— 5, 268, 8 1 5號（ 1 9 93 )、齊姆（Kim)等人的美國專利第 5，552，635號（1996)及夏弗（Shuff)的美國專利第 5, 812, 374 號（ 1 9 98 )。 在最近開發之電路板中，該元件為外露矽晶片。外露矽 晶系石夕之經暴露表面不受模塑包裝保護之晶片（雖然該晶 片可具有薄鈍化層或保護層）。外露矽盂片技術亦作為直 接晶片附著或DCA技術為我們所孰悉，其進一步描述於出 版文獻中，如電子電路包裝及製造（Electr〇nic 、
Packaging & Production)。第12一2〇 頁（NEPC〇N West 9 9 )。例如，由加利福尼亞，蒙坦沃的萊恩巴斯公司 (Rambus Inc· of Mountain View， Calif〇rnia)研制的 DRAM(動態隨機存儲器）芯片（晶片）組。因為此等〃芯片比一
O:\63\63647.ptd 第
頁 549011 五、發明說明（2) 般存儲芯片消耗功率大，所以需要更主動散熱之設計。例. 如，如果單獨用風扇散熱，則需要風扇處於極高轉速，其， 消耗功率更大，且產生嗓聲。在-其它設計中使用兩個風 扇，其中一個用於冷卻微處理器芯片、。，另一個專用於dram 芯片。但同時，如果不注意，外露芯>|1更易受損害。 加利福尼亞、Η洛帕克、瑞凯公司（R a y c h e m Corporation, of Merrl-o Park, California)頃銷售内部 經載熱導膠凝材料’作為界面材料用於電路板散熱。此類 材料係描述於同在申請中普通轉讓美國專利申請案序列號 第08/746, 024之圖1及圖lb，該申請案歸檔於1996年11月5 日。用戶已購買該經承載膠凝材料，，並以之黏結至電路板 或散熱片上。該内載體為包埋在膠凝組合物内之玻璃纖維 層（墊），且必須提供必要可操作性：茗則凝膠太軟、黏U 脆。然而該載體增加凝膠物件之抗壓模量，將機械應力不 理想傳遞至下面的電子元件。 因此，理想需要開發一種自含電路板之外露矽晶片散熱 之方法，同時保護其不受機械應力或避免機械應力傳至外 露矽晶片。 發明概述： 我們進行一項發明，該發明有效自夕卜露矽晶片電路分散 熱量，同時物理保護該晶片。因此，我們揭示一種製造散 熱裝置之方法，以該裝置用於其上裝設多個外露矽晶片之 電路板，其包括以下步驟： (a)提供一種於上裝設多個外露矽晶片之電路板，且該
549011 五、發明說明（3) 多個外露矽晶片分別具有暴露面； (b )提供一種傳熱片，該傳熱片具有大體平面部分，其 i 平面部分具有内面和外面，且大〜小和形狀適於附著至該電 路板上，使平面部份之内面面對該電路，板之承載外露矽晶 片側； 、、^ (c) 將可固化為凝膠組合物之前體組合物塗1該内面， 該凝膠組合物具有大於其黏附強度之内，聚強度，小於1. 3 兆帕之抗壓模量及大於1. 0瓦/米-°C之熱導系：數； (d) 將前體組合物固化成凝膠組合物，使該凝膠组合物 形成至少一個具約0 . 0 8毫米和約1 . 0毫米間之襯墊；當該 傳熱片附著到該電路板時，該至少一個襯墊係布置成接觸 及完全覆蓋該多個外露矽晶片之暴露面；及 (e )將該傳熱片附著至該電路板上^以便該至少一個f 膠組合物之襯墊接觸及完全覆蓋該多個外露石夕'晶片之暴露 表面。 本發明的一個具體實施例提供一種可裝配成供散熱用之 電路板裝置之組合物，其包括： 電路板，其上裝設多個外露矽晶片，該多個外露矽晶片 分別具有暴露表面； ^ 傳熱片，其與電路板離開，且具·有實、質上平面部分，該 平面部分具有内面及外面以及適於附著電路板之形狀和大 小，使平面部分之内面面對電路板之承載外露矽晶片； 凝膠組合物，其位於傳熱片之内面，具有大於其黏附強 度之内聚強度，小於1 . 3 8兆帕之抗壓模量及大於1 . 0瓦/米
549011 五、發明說明（4) - °c之熱導系數；該凝膠組合物形成至少一個具0 . 0 8毫米 和約1 . 0毫米間之襯墊；當傳熱片附著至電路板時，該至 1 少一個襯墊係布置成接觸及完全覆蓋該多個外露矽晶片之 暴露面。 : 、 繪圖說明： .、、k 圖la及lb顯示本發明之散熱裝置。 圖2圖示本發明的一-種方法。 ： 圖3圖示本發明的另一種方法。 圖4顯示一種用於實例中檢測熱性能之傳熱片。 圖5顯示一種用於實例中檢測熱性能之晶片組。 在本文中，自一張圖至另一圖之熏複數字說明相同或等 價於相同元件。 ~ 、 發明詳述： 一 圖la顯示根據本發明製造的一個散熱裝置10'。裝置10包 括於一側上裝設多個外露矽晶片1 4之電路板1 2。（亦可將 其它電子元件裝設到電路板1 2上）。為分散晶片1 4產生之 熱量（或其它電子元件，如若存在），將傳熱片16附著到電 路板1 2之上裝晶片1 4側。傳熱片1 6具有平面部份1 8，該平 面部分1 8相應具有内面2 0和外面21。在附著傳熱片1 6前， 晶片14具有經暴露面25。在將傳熱片1 附著到電路板12 時，内面2 0面對晶片1 4，暴露面2 5完全由導熱凝膠組合物 2 3的多個分立襯墊2 2覆蓋，每襯墊一個晶片。晶片1 4和傳 熱片1 6間之熱接觸係由襯墊2 2建立，而以凝膠組合物作為 熱界面材料。該襯墊2 2具有大體與各晶片1 4呈相反對應之
第8頁 549011 五、發明說明（5) 輪廓。襯墊2 2將晶片1 4產生之熱量傳到傳熱片1 6，使熱量 分散。有時只有一個晶片熱時，熱量可由簡單熱傳導沿傳 熱片'1 6之長軸分散。由熱梯度建〜立之自然對流或用於有關 C P U之冷卻風扇產生之空氣流亦可幫助除熱。（與一些習用 設計相比’本發明的優點為無需專用，冷卻外露碎晶片1 4之 風扇）。前側附著傳熱片1 6對外露矽晶片1 4提供物理保護 之額外益處。 一 附著裝置2 4使電路板1 2和傳熱片1 6相互附著。可用電路 板1 2中之柱杆通過傳熱片1 6中之孔洞（或鉗具），或使用其 它附著裝置。如夾（可整體性形成傳熱片1 6之部分或獨立 提供組件）、鉚釘、螺釘或彈簧釘等，。 圖1 b顯示根據本發明製造的另一種熱分散裝置，其不同 之處在於用凝膠組合物之單一連續氣:塾代替多個襯墊。~ 晶片1 4之脆性及其高熱量輸出使得以盡可能’小的機械應 力完成良好熱接觸極為重要。為此目的，凝膠組合物2 3應 很軟。如，具有小於1 · 3 8兆帕（2 0 0磅/平方英寸）之低抗壓 模量，較佳小於0 . 6 9兆帕（1 0 0碎/平方英寸）。抗壓模量係 根據ASTM(美國材料實驗學會標準）D 5 7 5 ( 1 9 9 1 )。用25· 4 毫米（1英寸）圓盤，3毫米厚度，以0. 1毫米/分鐘壓縮速率 於1 0 %壓縮之模量。襯墊2 2應很薄，以經固化凝膠組合物 為基礎測量，具有約0 . 0 8毫米和約1. 0毫米間之厚度。 傳熱片1 6較佳在平面部分1 8很薄，具有小於5毫米。雖 然自散熱視·點看，厚重散熱器較佳，但具有代價，重量及 空間限制之缺點。傳熱片1 6 (或至少其平面部分）較佳由具
第9頁 549011 五、發明說明（6) 高熱導系數之材料製造，較佳為金屬，使用高熱導金屬更 佳，如鋁或銅。雖然本發明不需要，但傳熱片1 6可具有輻 1 射熱量所用之翼片，或者具有作〜為散熱板自平面部分傳熱 之較厚部分，或者可將傳熱片1 6連接另一個散熱元件。 本發明之方法係以圖2說明。凝膠、前體組合物2 3 a之襯墊 2 2係施予傳熱片1 6之内面2 0 (顯示於部分視圖内面2 0上部） 。可經習用印刷方法塗覆（例如）大於0 ·: 2 5毫米厚度之襯墊 2 2，如凹版印刷或彎曲膠版印刷，或者使用允許塗覆較厚 塗層之方法，如絲網印刷或模板印刷。亦可分配前體組合 物2 3 a之不連續珠粒，鏡片，條帶或點。在固化期間接合 在一起，形成凝膠組合物2 3之連續體。可結合使用分配及 模板印刷控制最終材料大小（面積)’及厚度。 各襯墊具有與晶片1 4最終相反對恚；之輪廓。繪圖中顯^ 具變化輪廓及不規則定位之襯墊2 2。應懂得，襯墊2 2可具 有相同輪廓及規則定位，例如依晶片1 4和其它電子元件之 輪廓及定位呈列布置，或者具有一些其它混合大小，形狀 及定位。凝膠前體組合物2 3 a經固化轉化成凝膠組合物 23。因此，各襯墊包括凝膠組合物23之單一體（連續或整 體性）為方便起見，亦將前體組合物2 3 a隨凝膠組合物2 3需 要塗覆成大體上相同大小，形狀及厚度、之連續體，然後固 化，固化時此等參量只有很小變化。固化方法決定於所選 擇轉化化學方式。可將其加熱（對熱固化組合物而言，如 於6 0 °C固化1 0分鐘），紫外照射（對可光固化組合物而 言），或者簡單通過一段時間（對於溫度固化組合物，如在
第10頁 549011 五、發明說明（7) 室溫下約2小時）。固化後，傳熱片1 6和電路板1 2相互附 著，產生裝置10。該方法特別適於電子模件需要，因為在 或需要製造最終電路板裝配時，〜可將該傳熱片加界面材料 (凝膠）製造，運輸及貯存。（貯存期間：可由釋放片保護 凝膠）。 圖3顯示本發明的另一個具體實施例，其不同之處在於 形成單個凝膠襯墊22 /，、其尺寸足以大體覆蓋晶片14之暴露 表面（輪康在具打點線之邊線内顯示） 本發明所用之最適合凝膠使電路板和外露矽晶片及其它 電子元件所受之機械應力減少至最小。該凝膠組合組合物 亦適應由設計規範或製造變化導致冬元件高度變化。同 時，自晶片傳熱最大，使得可使用蛩用風扇系統，或者根 本不用與之相關風扇。凝膠組合物K府著性，高彈性及1 熱導性質適合保持熱接觸，無論外露矽晶片和'傳熱片相對 較小移動與否（無論暫時性或持久性），如在運輸或維修時 振動或較小錯位。 凝膠之適合性質對於電路板和外露矽晶片在經歷正常使 用過程溫度循環中減小應力亦很重要。在溫度循環期間， 較硬界面材料（如基於矽氧烷彈性體或環氧樹脂黏附劑）可 能產生足夠應力’破壞晶片和電路板間《之聯糸。 本發明提供一種超過先前技藝之優勢，先前技藝利用經 承載之凝膠組合物，其載體為處理極軟且黏之凝膠組合物 所必須。然而，該載體材料（一般為玻璃纖維網或聚合物 網）增加經載凝膠組合物之抗壓模量，使之不理想變硬。
第11頁 549011 發明說明（8) ，由=傳熱片上形成規定輪廓之凝膠襯墊直接固化，消除 而要提供處理能力之載體網，使凝膠具有總體較低抗壓模 量。 〜、 適用凝^膠組合物包括基於聚胺基甲夢醋、聚脲、矽酮 (如聚秒氧烧或有機聚矽氧烷），含酐' 聚合物及類似物之系 統。典型揭示内容包龟杜羅（Dubr〇w)等人，美國專利第 4,595,635 號（ 1 9 8 6 );德鮑（Debbaut)、：美國專利第 4,6 0 0,2 6 1號（1 9 8 6 );杜羅等人，美國專利第4,777,0 6 3號 (1988);杜羅等人，美國專利第5,〇79,3〇〇號（1992);林 迪（Rinde)等人’美國專利第5，1〇4,93〇號（1'9 92 );莫塞 (Mercer)等人。美國專利第5, 84 9, δ 24號998 );和丘提 斯（(：1^〇1^3)等人。美國專利第5,88 6':111號（1 9 99 );其1^ 示内容併於本文以供參考。 ’ 該凝膠較佳為基於聚二曱基矽氧烷（PDMS)之交聯矽_凝 膠，係藉由經乙烯基官能化PDMS和經氫化官能化PD MS間之 始觸媒化反應製備。該凝膠可用數種方法形成。其中一種 方法在非反應性增量流體存在下合成交聯聚合物，如以三 甲基矽氧基為端基之PDMS。另一種方法藉由化學計算過量 之多官能乙烯基取代矽酮與多官能氫化取代矽酮反應製備 矽酮凝膠。得到軟性，經流體增量之系統。後一方法係得 到富含乙烯基之溶膠部分。當然，亦可使用混合系統。此 等凝膠系統之適用實例包括，德鮑，美國專利第 4, 6 0 0, 2 6 1號（ 1 9 86 );德鮑，美國專利第4, 634, 207號 ( 1 987 );德鮑，美國專利第5, 3 5 7, 0 5 7號（ 1 994 );杜羅等
O:\63\63647.ptd 第12頁 549011 五、發明說明（9) 人，美國專利第5，0 7 9，3 0 0號（1 9 9 2 );杜羅等人。美國專 利第4, 7 7 7, 06 3號（ 1 9 8 8 );及耐森（Nelson)，美國專利第 i 3，0 2 0，2 6 0號（1 9 6 2 )，所有揭示内容均、以參考之方式併於 本文。亦可使用基於替代性固化技術'之石夕酮凝膠系統，如 過氧化、紫外照射及高能輻射。 、、、v 在一個較佳具體實施例中，該前體組合物包括： (A) —種在25°C具小…於5 0，0 0 0厘泊（c P )黏度之矽酮組合 物，其包括： (i ) 一種經烯基官能化之二有機聚矽氧烷、該化合物 於25 °C具50和1 0 0, 0 0 0厘泊間之黏度，且在每分子中具有 至少兩個連接矽之烯基；及 ， (i i ) 一種經氫官能化之聚有機矽氧烷，該化合物於2 5 °C具1和1，0 0 0，0 0 0厘泊間之黏度，X每分子含平均至少1 個連接矽之氫原子，對於經烯官能化之二有機'聚矽氧烷 (i )，每莫耳連接矽之烯基需提供約〇 . 2和L 0莫耳間之連 接矽之氫； (B ) —種以足夠量固化矽酮組合物（A )之氫矽作用觸媒； 及 (C )至少3 5體積％之顆粒材料，該材料具有大於2 0瓦/米-°C之本體熱導系數。 . 該矽酮組合物（A)可進一步包括用量多達80重量％之有機 矽氧烷樹脂，其平均分子式：
RaSiOb 其中R為除烯基以外之單價烴基，a為介於2 . 0和2. 2間之
第13頁 549011 五、發明說明（ίο) 數字，b為0 . 9和1 . 0間之數字。重量％係根據有機矽氧烷樹 脂加烯基官能化二有機聚矽氧烷（i )和經氫官能化之有機 i 聚矽氧烷（i i )之用量為基礎計算〜。’、 可藉由向凝膠加入具有於2 0瓦/米-°C、本體熱導系數之顆 粒物質給予熱導系數。代表性適用：顆物質可選自由氧化 4呂、碳化碎、氧化鋅、氮化紹、二棚化鈦、紹、銅、銀、 金剛石、鎳、矽、石墨-、氧化鐵、氧化鈹 '、二氧化鈦、氧 化鎂及氮化硼組成之群。該顆粒材料一般以至少3 5體積％ 使用。該體積％係根據顆粒材料和該凝膠組合物之組合體 積計算。 一種用於本發明之較佳熱導性且X高度適用之凝膠組合 物為填加氧化鋁之凝膠，其揭示於經許可同在申請中普通 轉讓申請案（莫塞等人）序列號第〇 8 / 7J6，0 2 4號，該案歸1 於1996年11月5日，其揭示内容併於本文以供參考。使用 α -氧化鋁以高含量填料達到高熱導系數。而不導致減小 與高含量填料有關的伸長及軟度，其中至少1 0重量％ α -氧 化鋁顆粒具有至少7 4微米之顆粒大小。如果該α -氧化鋁 和凝膠（或其前體）以至少1 0焦耳/克之比能輸入混合，將 觀察到進一步改良。該比能輸入具有使所得組合物更為適 合之作用。 .· - 另一種熱控制之先進技藝方法使用熱導滑脂。滑脂具有 無需在晶片上施加大機械應力下流動適應表面。熱滑脂的 一個主要缺點為，經過一段時間時，趨向於自原置處流 開，折衷熱導系數。使熱滑脂流到不欲接觸之其它元件上
第14頁 549011 五、發明説明（Η) 亦不理想。然而熱滑脂的另一個缺點為’分配臟亂，且在 分配後不易在不被損害或移位下包裝^，運輸及處理；熱導 滑脂具有極低内聚強度；其内聚"強度小於黏附強度，以致 於分離經接觸元件時，得不到潔淨分離、‘。 本發明之經固化凝膠非液態滑脂^而‘為内聚強度大於黏 附強度之固態交聯材料。本發明之經熟化凝膠只以低安裝 壓力濕化及黏附多數表面（然而具有大於其黏附強度之内 聚強度，允許容易地自基片移除）’提供自晶.片和其它元 件至傳熱片之低阻熱路徑。為確定凝膠是否具有大於其黏 附強度之内聚強度。將經熟化凝膠置於（分配或固化於）I呂 板上。再將另一塊紹板覃於經固化擬膠樣品上。於室溫 籲 (約2 5 t )施加0 . 2 1兆帕（3 0磅/平方英寸）壓力至少5分鐘， 將上面鋁板移去。移去後，如果内聚^、、強度大於黏附強度一， 整個經熟化凝膠應保留在上部銘板或下部銘板'上。（應注 意到，如果凝膠與基片接觸時固化，凝膠對該基片之黏附 力可能更大。在該說明書中，凝膠之黏附強度不意味該就 地固化黏附強度，而指藉由前述技術測定之”後-固化"黏 附強度）。 本發明之凝膠可藉由沃蘭德硬度數說明其特徵，方法如 下。該儀器為LFRA型沃蘭德-斯迪文結構分析儀（Voland-Stevens texture analyzer)，結構技術結構分析儀 (Texture Technologies Texture Analyzer) ΤΑ-XT2 或類 _ 似儀器，且使用5千克測力負載室，5克觸發器及1 / 4英寸（ 6 · 3 5毫米）不銹鋼球探針，如杜羅等人，美國專利第
第15頁 549011
五、發明說明（12) 5，079,300號（1992)，其揭示内容以參考之方 文。例如將2 0毫升含約1 2 · 5克被分析物（凝膠 併於本 析物質）之玻璃管形瓶放入ΤΑ-XP2分析、儀，將$其它欲分 米/秒之速度驅入至4· 0毫米穿透深度、。、被測物’針以〇· 2毫 使探針穿刺被分析物或使之變形之‘’規、定y · 〇毫之硬度為驅 之克數力。自TA-XT2分析儀記錄數據。在運〜米距離所需 司，XT· RA維次3· 76版-本軟體之IBM PC咸来昏/丁微系統公 析。 、乂 σ十异機上分 習用散熱板之安裝壓力一般為0·14-〇·34兔 平方英寸），有時高0.69兆帕（100磅/平方英、杨（2〇〜5〇磅/ 熱片1 6之相對薄平面部分1 8彎曲。所以_ ^ 了）、。由於傳 帕（1 5磅/平方英寸）之安裝壓力。、雖、然安農又只達到(K i兆 發明仍能提供有效熱接觸。低安裝冕·力特、別成力+低，但本 需要。如BG A (球網格排列）或# BG A，因為卢^模接合方·'^ 計易受損害。 ，在應'力下此等設 通常，熱源（此處指晶片1 4或其它電子元 面材料（此處指凝膠組合物23)對散熱板（此）^•過插入界 之傳熱總效率可根據公式（1 )藉由測量熱阻獲^傳…片1 6 ) θ τ- ^11+ ^12 (1) 其中： θ T為總熱效率； 為跨越橋接熱源和散熱板之界面材料厚度之熱阻； Θ"為散熱板和界面材料間之界面熱阻.及 Θ 1 °為熱源和界面材料間之界面熱阻。
549011 五、發明說明（13) 其次，<9 μ由公式（2 )給出： Θ^Χ/kk (2)t k為界面材料之熱導系數， 一，、 t為界面材料之厚度；及 、: A為熱接觸之面積。 广v 本發明之凝膠組合物具有高熱導系數k，所以很小。 其高符合及黏附性能產-生對熱源及散熱板二者之極佳熱接 觸。0 u和0 12亦很小，簡要而言，不會相當，增加總熱阻。 再者，該凝膠襯墊仍可製成薄至約5和約4 0密耳（m i 1 )之 間，所以t很小。 在輪廓與欲分散熱量單個對置電干元件對應（襯墊與元 件之比為1 : 1)之單獨分立襯墊之具體實施例中。A值最 大，因而減小熱阻<9 μ。該方法對具|多個接觸單個元伴一 之凝膠組合物之襯墊較佳（如，小球粒或滴），'如齊浦樂 (Cipolla)等人，美國專利第5, 268, 815號（1993)所教示。 齊浦樂以多個襯墊針對一個元件導致降低A值及傳熱效率-有部分元件表面不接觸界面材料，不有效參與傳熱過程。 在另一個具體實施例中以一個襯墊針對多個元件（其中 凝膠之單一連續襯墊覆蓋多個電子元件）就傳熱效率而 言，與使用多個分立襯墊一樣有敫。然，而，該凝膠組合物 在熱變化期間沒有空間可以側向膨脹，所產生機械應力可 能傳到外露矽晶片上，因此有些不理想。該單襯墊具體實 施例不提供易於製造之優勢。尤其在電子元件靠近在一起 時。
第17頁 549011 五、發明說明（14) 簡而言之，本發明設計藉適當減小界面熱阻0 u和6112以 及跨越界面材料厚度之熱阻0 Μ將總_阻0 τ減至最小。其 次’在平衡其次要必材料性能同〜時（如、抗壓模量），經減小 t以及增大k和A，使θ Μ最小。 : 可進一步藉參考以下實例通曉本發、明‘，各實例係以說明 而非限制方式提供。 實例一1 … 首先以72份重量（39份體積）氧化鋁（自阿坎公司（Alcan C 〇 r p ·)得之細c — 7 5和末磨細C 7 5 1之7 0 : 3 0摻合物]混入低黏 度（< 1 0 0 0厘泊）、低硬度（< 2 0克沃蘭德硬度）工業用石夕嗣凝
膠，形成A部分。該A部分係用梅耶（M y e r s )'高剪切單轴混 合機製備。 .、 然後以7 2份重量（3 9份體積）氧化每:（如上述）混合低黏1 (< 1 0 0 0厘泊）、低硬度（< 2 〇克沃蘭德硬）工業用石夕酮凝膠， 幵> 成B部分。該b部分用梅耶高剪切單軸混合機製備。 隨後用給予相當剪切力的架空葉輪型混合機經3分鐘混 合5 0份A部分及5 0份B部分。將所得混合物鑄成3 · 2毫米 厚，50.8毫米直徑圓盤模型，在小於29英寸Hg柱真空下脫 氣5分鐘。使該樣品於8 〇 °c固化2小時，以產生交聯組合 物。 ~ 根據ASTM E1530 (1993)檢驗該圓盤之本體熱導系數。
在7 0 °C檢驗溫度時，所得數值為1 · 〇 8瓦/米。K。該材料在 1 0%壓縮之抗壓模量（根據上述AST M D5 7 5 - 9 1 )為32傍/平 英寸（0 · 2 2兆帕） 方
第18頁 549011 五、發明說明（15) 然後以小批量混合5 0份重量A與5 0重量B之相同組合物， 混合經手工進行3分鐘。將該未固化粹合物於1 0 A型分析技 術半導體熱分析儀（Analysis Tech/Semiconductor Thermal Analyzer)之散熱銅板上分布，。在該散熱板上形 成約0 . 5毫米厚和1 2 X 1 8毫米（寬度:和^長‘度）之未固化組合 物之襯塾。在室溫固化過夜，生成交聯組合物。 用具有約10x15毫米-基礎尺寸之經校準TIP 31 η-ρ-η晶 體管作為熱源。使該元件與散熱板上經固化組合物接觸。 其通過水壓筒施加壓力。在施加壓力期間測量厚度。跨越 熱界面之熱阻R jx根據公式（3 )以°C /瓦測量： RJX = (T』-Tr)/ 功率 ，（3) 其中T j為石夕之結溫。TI•為水冷卻散、熱板之參比溫度。 該Rh值為（結至殼）與Res(殼至散弟板）之和。Res為跨一越 有益熱材料之熱阻。Rje係用於測量該TIP 31元'件，且自RjX 減去。剩餘值為給定施加壓力下熱界面材料之視熱阻（公 式⑷）： ΤΓ 〜RCS = RJX - RJC (4) 用1 . 5 2厘米2 T I P面積以及各壓力水平之測量厚度計算樣 品之視熱導系數（視K)。 視K=厚度/(Trx面積）， ^ 上述組合物之視熱導系數顯示於下表1中。 實例2 此為一個比較性實例，說明低抗壓模量重要，高抗壓模 量界面材料較不理想。
第19頁 549011 五、發明說明（16) 為製備組合物，以7 2份重量（3 9份體積）實例1所述氧化 鋁馮入中間黏度（< 5 0 0 0厘泊）、中間硬度（<5 0肖氏（Sho re) A，根據ASTM D 2240- 1997)商業^L ί適用電器公司 (General Electric Company)得之矽，ipV (RTV 615 級 別）。用給予相當剪切力之架空葉輪式混合機將該組合物 混合3分鐘。 用與實例1相同之方法製備試驗樣品。自5 0. 8毫米直徑 圓盤得之本體熱導系數為〇· 78瓦/米。K。根據上述ASTM D 575-9 1測量，該材料在1〇%壓縮之抗壓模型為9 5 5磅/平方 英寸（6·59兆帕）。 , 然後將同等組合物分配到散熱銅板、上，形成襯墊，根據 實例1所述測量視熱導系數。此等結果顯示於以下表1中了 實例2材料之硬度導致不良熱接觸，於69千帕（10磅/平 方英寸）所得視熱導系數僅為理論本體熱導系數約7 8%。反 之’實例1之較軟材料具有良好熱接觸，於6 9千帕（1 0磅/ 平方英寸）所得視熱導數為理論本體熱導系數約94%。 實例3 以60· 7份重量（40份體積）氮化硼（ 35 0級，自高級瓷器公 司獲得（Advanced Ceramics Corporation))混入低黏度 (< 1 0 0 0厘泊）、低硬度（< 2 〇克沃蘭德硬度）工業用矽酮凝膠 製備組合物。 將該試驗樣品放入6〇厘米3碗中，在布雷本登塑計儀 (Brabender Plast icorder)上用高剪切輥式葉片以45轉/ 分鐘混合5分鐘。所得混合物鑄成3. 2毫米厚、50. 8毫米直
O:\63\63647.ptd 第20頁 549011 五、發明說明（i?) 徑圓盤模，在小於2 9英寸汞柱真空脫氣5分鐘。將該樣品 於8 0 °C固化2小時，生成交聯組合物： 根據ASTM E 1 5 3 0 ( 1 9 9 3 )測定該風盤之本體熱導系數。 自5 0 · 8毫米直徑圓盤得之本體熱導系：數、為丨· 7 i瓦/米。κ。 ，照上述ASTM D 575_91測量，該枒'斜於1〇%壓縮之抗壓模 量為102磅/平方英寸（〇·7〇兆帕）。 、 —然後將該同等組合物·分配於散熱銅板上，形成襯墊，如 實例1所述檢驗視熱導系數。此等結果顯示於以下表1中。 實例4 此為使用高抗壓模量矽酮界面材料之另一個比較性實 例。 i 以6 0 · 3份重量（4 0份體積）3 5 0級硎、化i混合中間黏度 (< 5 0 0 0 cps)、中間硬度（<50肖氏A) jTV 615級矽酮製一傷 組合物。 、 , 用與實例3相同之方法混合及製備試驗樣品。自5 〇 . 8毫 米直徑圓盤得之本體熱導系數為1. 39瓦/米。K。根據上述 ASTM D 575-91 ’該材料在1〇%壓縮之抗壓模量為764磅/ 方英寸（5.27兆帕）。 將同4組合物分配於散熱銅板上，形成襯蟄，如實例1 所述測定視熱導系數。此等結果顯.示於·以下表1中。
^例4材料之硬度導致不良熱接觸，於69千帕（1〇磅/平 方英寸）得之視熱導系數僅為理論本體熱導系數53%。與之 比較’實例3之較軟材料產生經改良之熱接觸，在6 9千巾白 、1 〇碎/平方英寸）得之視熱導系數為理想本體熱導系數
549011 五、發明說明（18) 8 3 %。實例3材料於2 1 〇千帕（1 0碎/平方英寸）得之視熱導系 數為理想本體熱導系數83%。實例3材•料於2 1 0千帕（30碎/ 平方英寸）之較高壓力能夠得到理論本、體熱導系數9 9%之視 熱導系數。 然後以7 2份重量（3 9份體積）氧化鋁（如實例1 ) \和2 · 0份 重量觸變劑（Aerosil R 9 7 2 )及5.0份重量以石夕&醇為、終端 實例5 首先以7 2份重量（3 9份體積） 份重量觸變劑Aerosil R 9 72 ( Corporation)獲得）及5· 0 份重 基矽氧烷混入低黏度（< 1 0 0 0厘 硬度）工業用矽酮凝膠、形成A 式低剪切攪拌機製備。 氧化鋁（如實例1所述）和2· 0 自迪克薩公司（Degussa 量以石夕炫醇為終端的聚二甲 泊〉、低硬度（< 2 0克沃蘭德 部分。該A部分係用雙行星
表1視熱導系數(瓦/米·'開） 3磅/平方英 寸(2Γ千帕） 5磅/平方英 寸(34千帕） 10磅/平方英 寸(69千節 20磅/平方英 寸(Ϊ40千帕） 30磅/平方英 寸(210千帕） 實例1(72%氧化鋁，矽酮 凝膠中） 1.00 1.00 1.02 1.05· 1.02 實例2(72%氧化鋁，矽酮 RTV 中） 0.59 0.60 0.61 0.63 0.66 實例3(60.7%氮化硼，矽酮 凝膠中） 1.21 1.33 1.42 1.48 1.70 實例4(60.3%氮化硼，矽酮 RTV 中） 0.60 0.66 0.?4 0.91 1.05 第22頁 549011 五、發明說明Π9) 的聚二甲基矽氧烷混入低黏度（〈丨〇 〇 〇厘泊）、低硬度（< 2 〇 克沃_德硬度）工業用石夕酮凝膠，形成Β部分。該Β部分係 用雙行星式低剪切攪拌機製備。〜’、 將此等物質放入習用靜態混合筒·，用元件（e 1 emen t) 混合區域提供1 ·· 1體積比之A部分和b却' 分之混合物 將該組合物手工分Si至一片釋放紙片[鐵弗龍（Tef 1〇n) 塗覆玻璃布]上。於室溫固化過夜生成交聯組合物。
用該經固化片切成約9 5 X 1 2毫米襯墊，置於圖4所示傳 熱链片之凸高部分上。該傳熱片具有〇.96毫米之基礎金屬 厚度’其長度和寬度如圖4所示。陰,影區域沁為凸高基面， 用於使熱界面與晶片接觸，且具有9 7、X 1 2毫米之大小。基 面和晶片間之標稱間隙為〇 · 3 6毫米。" — 使具凝膠襯塾之傳熱片接觸一列8個外露石夕阻加熱晶片 (因特爾（Intel)公司測試晶片T1 382 5 )，如圖5所示。該晶 片列具有經1 2 . 3 7 5毫米均勻分隔之中心。各晶片具有§ · 9 Χ14·1 X0.8毫米尺寸（長X寬X高）。施加壓力小於1〇磅〆 平方英寸（69千帕）。用休利帕克4142參數分析儀（Hewlett -Packard 4142 Parametric Anal. yzer)4乍電源將 8 號晶片 提南至約1 · 8 8瓦功率，記錄晶片熱阻及溫度。在靜止空氣 中平衡之熱阻以[(晶片溫度-周溫）/輸入功率]計算，且以 °c/瓦報告。由提高5號晶片功率至約1 88瓦重複^步驟， 吕己錄熱阻。結果顯示於以下表2中。 實例6 按實例5所述製備組合物。將該組合物直接分配於傳熱
549011 五、發明說明（20) 鋁片之内面部份，如圖1所示。用約95x12x0.5毫米厚度 形成未固化組合物之單個襯墊。於室溫固化過夜，以形成 交聯組合物。 〜 、 然後如實例5所述檢驗該經分配，固化組合物。熱阻結 果顯示於以下表2中。 ’、丨k 實例7 如實例5所述製備紐r，合物，並分配於傳熱鋁片上，製成8 個約1 2 X 1 1毫米之分立襯墊。在具固化組合物襯墊之傳熱 片與含測試晶片之電路板接觸後，此等襯墊之布置應足以 完全覆蓋8個測試晶片。 如實例5所述檢驗該經分配，固体之組合/物。熱阻結果 顯示於以下表2中。 、 實例5 - 7之結果顯示根據本發明在#熱片上應用凝膠-之 益處。測量熱阻之標準偏差約為0 . 1 °C /瓦。因'而，表2顯 示熱阻降低2. 1至2. 5 °C /瓦具有統計學意義。在該試驗中 功率為1 . 8 8瓦，表示晶片溫度減小4 °C。如果有更大需要 分散，如1 0瓦，那麼該差大於2 0 °C ，如此能夠有意義地改 良器件性能及可靠性。 表2熱阻 熱阻(°C/1：)#8晶片 •熱阻(°C/瓦)#5晶片 實例5單襯墊凝膠片 31.8 30.2 實例6單襯墊-分配凝膠 31.1 29.7 實例7多襯墊-分配凝膠 29.7 27.7 本發明之前面詳述主要或專門與本發明特殊部分或方面
第24頁 549011 五、發明說明（21) 有關。 但應懂得，此係為清晰和便利，特殊部件可能超過所揭 示段節，本文揭示内容包括不同段節中發現所有適合資料 之組合。同樣，雖然各圖及本文描述與本發明明確具體實 施例有關。但應明白，當某個具體部件於文中特定圖或具 體實施例中揭示時，亦可將該部件在適當範圍内以與其部 件組合之方式或本發明之通用方式用於文中另一個圖或具 體實施例中。 另外，儘管本發明按照某些較佳具體實施例描述，但本 發明不受此類較佳具體實施例限制。當然，本發明之範圍 係藉由附加申請專利範圍界定。
第25頁

Claims (1)

  1. 549011 六、申請專利範圍 1. 一種製造用於電路板之散熱裝置之方法，該電路板於 其上裝設多個外露矽晶片，其包括以下步驟： i (a) 提供於其上裝設多個外露矽晶、片之電路板，且該 多個外露矽晶片具有暴露面； ' : (b) 提供具有實質上平面部分乏、傳熱片，其平面部分 具有内面和外面以及適於附著該電路板之大小及形狀，使 平面部分之内面面對誤、.電路板之承載外露矽晶片側； (c) 將一種可固化為凝膠組合物之前體铒合物塗覆至 内面，該凝膠組合物具有大於其黏附強度之内聚強度，小 於1 . 3 8兆帕之抗壓模量以及大於1 . 0瓦/米-°C之熱導系 數； f (d) 將該前體組合物固化成凝膠、組合物，使該凝膠組 合物形成至少一個具約0. 0 8毫米和約0毫米間厚度之襯 墊；且在當該傳熱片附著至該電路板時；，該至'少一層襯墊 被布置成接觸及完全覆蓋該多個外露矽晶片之暴露面；及 (e) 將傳熱片附著至電路板，使該凝膠組合物之至少 一個襯墊接觸及完全覆蓋該多個外露矽晶片之暴露面。 2 .根據申請專利範圍第1項之方法，其中該凝膠組合物 之至少一個襯塾為凝膠組合物之一個單一連續襯塾。 3.根據申請專利範圍第1項之方法，其中該凝膠組合物 之至少一個襯墊包括凝膠組合物之多個襯墊；當該傳熱片 附著至電路板時，各襯墊係布置成只接觸一個相應對置外 露矽晶片，且具有實質上與各對置外露矽晶片對應之輪 廓0
    第26頁 549011 六、申請專利範圍 4.根據申請專利範圍第1、2或3項之方法，其中該傳熱 片之平面部分具有小於5毫米之厚度。 i 5 .根據申請專利範圍第1、2或〜3項之、方法，其中該凝膠 組合物包括填以顆粒材料之經交聯矽酮，凝膠，且該顆粒材 料具有大於20瓦/米-°C之本體熱導系。 6 .根據申請專利範圍第5項之方法，其中該凝膠組合物 係藉由固化前體組合物，造，該前體紙合~物包括： (A) —種於2 5 °C具小於5 0，0 0 0厘泊黏度冬矽酮組合 物，其包含： (i) 一種經烯基官能化之二有機聚矽氧烷，其於25 °C具有5 0和1 0 0，0 0 0厘泊間之黏度，，且在各分子中具有至 少兩個連接矽之烯基；及 ' . (i i ) 一種經氫官能化之有機？i :珍氧烷，其於2 5 °CT具 1和1，0 0 0，0 0 0厘泊之黏度，且每分子含有平均'至少兩個連 接矽之氫原子，對於經烯基官能化之二有機聚矽氧烷 (i)，每莫耳連接矽之烯基需提供0.2和5.0莫耳間之連接 矽之氫； (B) —種以足量固化矽酮組合物（A )之氫矽作用觸媒； 及 (C) 至少35體積％之顆粒材料.，該材廣具有大於20瓦/ 米- °C之本體熱導系數。 7.根據申請專利範圍第6項之方法，其中該矽酮組合物 (A)進一步包括每100份重量烯官能化二有機聚矽氧烷（i) 和氫官能化有機聚矽氧烷（i i )使用多及8 0份重量之有機矽
    第27頁 549011 六、申請專利範圍 氧烷樹脂，其平均分子式為： RaSiOb , 其中R為除烯基外之單價烴基，a為'2,. 0和2 · 2間之數 字，b為0 . 9和1. 0間之數字。 8. 根據申請專利範圍第5項之方法'，其中該顆粒材料係 選自由氧化鋁、碳化咬、氧化辞、氮化鋁、二硼化鈦、 IS、銅、銀、金剛石、鎳、石夕、石墨、氧化鐵、氧化皱、 二氧化鈦、氧化鎂及氮化硼所組成之:群。 9. 根據申請專利範圍第5項之方法，其中該顆粒材料包 括α _氧化鋁，其中至少10重量％ α、氧化鋁具有至少74微 米之顆粒大小。 1 0.根據申請專利範圍第1項之方法…，，其中該凝膠組合~物 具有小於0. 6 9兆帕之抗壓模量。 ’ 11. 一種可裝配成供散熱用之電路板裝置之組合件，其 包括： 電路板，其上裝設多個外露矽晶片，且該多個外露 碎晶片分別具有經暴露面， 傳熱片，其與該電路板離開^且美有實質上平面部 分，該平面部分具有内面和外面以及適於附著電路板之形 狀和大小，使該平面部分之内面面對該電路板之外露石夕晶 片側； 一種凝膠組合物，其位於該傳熱片之内面上，且具 有大於其黏附強度之内聚強度，小於1. 3 8兆帕之抗壓模量 以及大於1. 0瓦/米-°C之熱導系數；該凝膠組合物形成至
    O:\63\63647.ptd 第28頁 549011 六、申請專利範圍 少一個具約0. 0 8毫米和約1 . 0毫米間厚度之襯墊；當傳熱 片附著該電路板時，該至少一個襯墊係布置成接觸及完全 i 覆蓋該多個外露矽晶片之經暴嶔面。、 1 2 .根據申請專利範圍第1 1項之組合备，其中該凝膠組 合物之至少一個襯塾為凝膠組合物一’個單一連續襯塾。 1 3.根據申請專利範圍第1 1項之組合件，其中該凝膠組 合物之至少一個連續襯墊包括凝膠組合物之多個襯墊；當 該傳熱片附著至該電路時，各襯墊係布置成尸、接觸一個相 應對置外露矽晶片，且具有實質上與相應對置外露矽晶片 對應之輪廓。 1 4.根據申請專利範圍第1 1項之粗合件，其中該傳熱片 之平面部分具有小於5毫米之厚度。、 1 5 .根據申請專利範圍第1 1項之組貪件，其中該凝膠組 合物包括填以顆粒材料之經交聯矽酮凝膠，且'該顆粒具有 大於2 0瓦/米-°C之熱導系數。 1 6 .根據申請專利範圍第1 5項之組合件，其中該凝膠組 合物係經固化前體組合物製造，該前體組合物包括： (A) —種於25 °C具小於5 0, 0 0 0厘泊黏度之矽酮組合 物，其包括： (i ) 一種經烯基官能化之二有機聚矽氧烷，其於 2 5 °C具有5 0和1 0 0，0 0 0厘泊間之黏度，且各分子具有至少 兩個連接矽之烯基；及 (i i ) 一種經氫官能化之有機聚矽氧烷，其於2 5 °C 具1和1，0 0 0，0 0 0厘泊間之黏度，且每分子含平均至少2個
    第29頁 549011 t、申請專利範圍 連接'之氫原子，對於經烯官能化之 (1 )、母莫耳連接砂兩 一有機水矽乳烷 矽之氫； 烯基而棱供0. 2和5.0莫耳間之連接 (B) —種以足量固化矽酮組人 a七斤 及 、’ σ物,（Α、）$虱石夕作用觸媒； \ (C) 至少35體積％ &顆粒材料，1呈 。 之本體熱導系數。八八有大於20瓦/未-c 項之組合件，其中該矽 有機聚矽氧烷 1 7 ·根據申請專利範圍第1 6 合物（A)進一步包括每1〇〇 石夕 ί =化t機聚石夕氧烧(11)使用多、謂份重量之有機 氧烧樹脂，其平均分子式· Mi〇h ' 其中R為除烯基外之單價烴基，a為2·〇和2.2間之數 字，b為0 · 9和1 · 〇間之數字。 、,18 ·根據申請專利範圍第1 5項之組合件，其中該顆粒材 料係選自由氧化鋁、碳化矽、氧化鋅、氮化鋁、二硼化 鈦、鋁、銅、銀、金剛石、鎳、矽.、石墨、氧化鐵、氧化 鍵、二氧化鈦、氧化鎂及氮化硼所組成之群。
    1 9 ·根據申請專利範圍第丨5項之組合件，其中該顆粒材 料包括α -氧化铭，其中至少重量-氧化紹具有至少 7 4微米之顆粒大小。 2 0 ·根據申請專利範圍第丨丨項之組合件，其中該凝膠組 合物具有小於〇 · 6 9兆帕之抗壓模量。
    O:\63\63647.ptd 第30頁
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