TW569348B - Method of preparing thermally conductive compounds by liquid metal bridged particle clusters - Google Patents

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Description

569348 A7 _—_________ B7— 五、發明説明（i ) morphing填充物和熱界面物質 相關申請案的交又參考· 本發明是巾請於2_年…日，巾請案號剛43，㈤， 標題「經由液態金屬橋顆粒球團製備熱傳導化合物之方 法」、及中α於2000年10月17日，中請案號G9/69〇 994 , 標述「經由液態金屬橋顆粒球團製備熱傳導化合物之方 法」、及申印於2001年5月25日’申請案號〇9/865,778，標 題「用於印刷電路及半導體^件的熱傳導絕緣框架及其製 備方法」@部分延續，這些中請案全部被指定給同本發明 之相同受託人。 發明背景 本發明一般和為改善從會發熱的半導體元件傳熱到散熱 元件（如熱槽或熱擴散器）而製備熱傳導界面物質及化合物 的方法有關。更特定地說，本發明和製備銦合金混入聚合 物母體混合物有關，該聚合物在室溫是固態，而合金和聚 合物混合物的熔點介於約4〇 t到l2〇t之間，較佳為介於 約40°C到100°c之間。這些金屬合金和聚合物的混合已發 現會大大地減低熱阻或阻抗，該熱阻或阻抗一般來自位於 裝置元件間熱界面邊界或表面間較不完美的接觸。更詳細 地說，本發明涉及將常態為固體的聚合物母體和低熔點銦 金屬合金混合的方法以便形成能和高效能半導體元件共用 的改良熱處理系統。 在典型電子熱處理裝置中，當兩元件之相對面有表面瑕 戚時’產生於兩元件間的熱阻抗或阻力會增加。不良地實 貝接觸歸於一或兩者表面肉眼可見的歪曲、表面粗糙、或 本紙張尺度逋财國國家標準(CNS) A4規格(2ι()χ挪公爱)
裝 569348
發生在一或兩相對接觸面其他不平的特性。不密合的表面 接觸範圍導致有充滿空氣的空洞，其當然是極差的熱導 體。來自不良熱接觸的高熱阻抗、導致非預期的電子元件 加熱，其接著加速如半導體元件及包含裝置之元件的故障 速率。用熱傳導介質取代空氣空隙或空洞，包括良好熱處 理系統’已發現大大地減低熱阻抗及/或阻力。
裝 訂
過去冒提出將液態金屬加入用於會發熱之半導體元件的 熱傳導膏中。在一些案例中，液態金屬尚不適用於此目 的’主要因為液惡金屬傾向形成合金及/或混合物，會改 變或變更固定系統之熱或其他的物理特性，而產生的問 題。其他熱界面物質由分散熱傳導填充物於聚合物母體内 製成。當大部分聚合物母體之熱傳導係數範圍為〇1—〇2w_ πΓ^ίΓ1時，填充物之特性則是相當不同。它們包括有二氧 化石夕，氧化鋅（1〇—sOW-m^K·1)，氧化銘 (20-SOW-m'K·1)，氮化鋁（lOOW-m^K·1)，及氮化硼 pOOW-nTLiT1)。當這些化合物被放入熱接合處，它們會 傾向取代空氣並減低整個熱阻抗。添加一般由細小顆粒組 成的熱傳導填充物’可改善填入空洞化合物的熱傳導。 和我們同在申請的申請案第〇9/543,661號中，揭露了數 個低熔點合金，其極適用在熱處理系統中的熱界面，做為 增強熱能的滲透。本發明經由選擇性地使用某些聚合物母 體來保留低熔點合金，提供另外的熱界面優勢，該母體之 熔點也低，較佳為相當接近包住的合金熔點。這些聚合物 及合金在室溫為固態，而這特點有助於熱界面的操控，特 •5- 569348 A7 _____ B7 五、發明説明（ ） 3 7 別是在製造或使用過程中。 依照本發明，改良的界面物質已發展到根據低熔點合金 的加入用做填充物，能依熱及壓力來改變其形狀。在室 溫’這些填充物如是聚合物母體般是固態，而這特點的組 合有助於操作的便利性。此外，這些morphing填充物對熱 和壓力有反應，可藉此流入並填滿可能存在基地内的空氣 2隙或空洞’因而避免粒子間的疏遠或不良接觸（參閱圖 2)。 對那些相對表面面積小或相當平的應用中，可用有薄剖 面的界面。一般在此類應用中，只分散低熔點合金於聚合 物母體中，其分散作用良好（參閱圖3)。對用橫向排列機 械支撐，或那些非常不平的界面，一般希望用高熱傳導顆 粒填充物和低熔點合金之組合，以便製造大熱滲透球團 (例如參閱圖4)。 發明概要 依據本發明，選用在室溫是固態的含銦合金，其熔點介 於約40 C到120°C間。然後將合金尺寸縮小-一般將合金在 熔化狀態下’在感興趣的聚合物母體中乳化。在乳化過程 中’也可加入界面活性劑以增強其流變性及分散的能力。 或者可用吹或撞擊，又或者，可利用在低溫條件下磨碎或 摩擦來達成金屬合金尺寸的縮小。依據儀器的顆粒型態及 顆粒形成的條件，當在縮小顆粒大小時，有可能將界面活 性劑加入正被加工的材料中。然後能將金屬粉末和一定量 的母體聚合物混合（該聚合物亦在室溫時為固態，熔點介 ----— _ 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210X297公------
裝 訂
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用傳統處理技術處理，並有效反應在熱處理應用上。 其他及本發明進一步的目標對那些熟悉此項技藝者在研 讀接下來的詳述、附加的中請專利範圍及伴隨的圖形後將 會變明顯。 圖示說明 圖1說明用硬顆粒在傳統聚合物母體内的先前技藝熱界
面’並讀當施加熱或壓力時，其不反應性或不相容的天 性； 圖2類似圖1，用來說明低熔點合金在傳統聚合物母體内 的反應，並顯示其對熱或壓力的反應； 裝 圖3疋一 π意圖，說明分散在傳統聚合物母體内的金屬 合金； 圖4是一示意圖，說明金屬合金滲透球團的排列，在球 訂
團内有熱傳導無機顆粒分散其中，合金/顆粒球團交互排 列於聚合物母體内； 圖5是一示意圖，說明低熔點合金分散於聚合物母體 内，設計給小及/或平的面，並介於會生熱的半導體元件 及熱槽間； 圖6是一示意圖，說明低熔點金屬合金滲透球團和顆粒 的混合，固定位置在橫向排列機械支撐内，以用做介於大 歪曲面間之熱界面，高熱傳導係數填充物的存在被留意其 有助大熱滲透球團的產生； 圖7是一流程圖，說明根據本發明製備熱界面元件的典 型操作步驟； 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） 569348 A7
圖8說明根據本發明製備之相變化界面物質的金屬合金 及聚合組份之熱阻抗對溫度的改變；及 圖9說明典型半導體固定在加有突片的熱槽上，並將本 發明的熱界面插在半導體元件和熱槽之間。 較佳實例說明 在實行本發明的步驟中，最先選用熔點介於約4〇r到 100 C _含銦合金’不過合金炫點高到約12〇。〇也可發現 其應用，則是被了解的。較佳為低熔點銦合金如底下提及 地，包括含許多鉍、錫、及/或鋅的銦合金，。 所選用的銦合金經由乳化步驟，其中金屬被縮小成細小 分散型態。較佳為金屬合金被縮小成平均直徑約卜丨00微 米的顆粒。尺寸縮減或乳化可在高剪力攪拌器中進行，並 在此步驟的某一點添加可相容的界面活性劑。 在尺寸縮減之後，金屬微粒被混入聚合物，接著硬化成 聚合物母體的保留物。或者物料可在液態下混合成小金屬 滴分散在聚合物内的乳狀液。 特定較佳具體實例 為描述較佳的具體實例，提供了下列例子： 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 569348 A7
569348 A7 B7 五、發明説明（ 表II 配方 母體 合金1 40微米氮化硼 OTES 所佔重 量 體積％ 所佔重 量 體積％ 所佔重 量 體積％ 所佔重 量 體積％ 1 1001 30 1200 52 100 15 12 3 2 1001 34 1000 48 83 14 10 4 3 1001 35 1200 61 0 0 12 4 4 1001 40 1000 56 0 0 10 4 5 1002 35 1200 61 0 0 12 4 6 1003 30 1200 52 100 15 12 3
裝- 1由矽氧烷主鏈懸掛烷基支鏈組成的矽蠟，熔點60°C。 2微蠟，熔點60°C。 3由反應性矽氧烷彈性體組成的軟矽酮聚合物。 配方的典型特性列在表111: 表III 配方 熱導係數(W/m-K) 熱阻抗 4(K-cm2/W) 1 >7 0.25 2 5.0 0.20 3 1.8 0.20 6 >7 0.25
線 4美國材料與試驗協會（ASTM)D5470，表面平坦，無機械 支撐。 熱處理應用 -11- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 569348
依照表111配方製備的化合物是不同。特別是配方3、4、 及5可利用一般包括熱沖壓和網版印刷的塗覆技術做成塗 覆層’或是用其他方法直接應用到傳熱面。這些塗覆層一 般剖面厚度低於約丨〇密爾。 對較大頗面的塗覆層，那些含有顆粒填充物的配方，如 配方1、2及6，可有特別的應用。這些塗覆層可用做載 體’如玻璃或聚合物纖維、塑膠膜或金屬箔。當塗覆層有 支撐，易於處理，因而有助於它們在製造上的使用。 傳熱模式 對那些需要親密接觸的應用，即希望接觸線是盡可能薄 的應用’建議用配方3，雖配方4和5也極適用。無論那種 情況，金屬滴將完全變形，以便在不增加支撐的條件下減 少接觸障礙。參如圖5所示的分散示範。 對那些需要機械支撐的應用，可用配方1 ,該配方被注 意到有極良好的熱導特性。此外，當部分金屬成分存於較 大渗透球團中，存於配方中的金屬滴將繼續做為減少接觸 障礙，以增進熱能的傳遞。參如圖6所示滲透球團的分 散0 元件應用 現將注意力直接放在圖9，熱界面依任一選自由表π配 方1到6的配方製出，將該熱界面和傳統會發熱的半導體元 件結合在一起。如前所提，圖9所示裝置3〇包括指在3 1的 發熱半導體元件或整體包裝，該裝置含有熱槽、熱擴散 器、或其他指在32有突片的熱分散膜。插在半導體元件η -12-
訂
線 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210 X 297公釐) 569348 A7 B7 五、發明説明 改善熱傳導性及混合的穩定性。這些顆粒組分最高可有約 1 5%體積比的含量，即使混合物含最高約50。/()體積比的顆 粒組分也可能可用。當混合過程採用液態合金時，合金塗 覆在顆粒上。 聚合物母體 如被指出的，聚合物母體較佳為選自石蠟、微蠟、及含 燒基矽酮的矽蠟。已發現熔點約5〇一6〇 t的微蠟就大部分 目的而言，特別適合這個應用。如前所指，一般希望所用 聚合物母體，其產生相變化的溫度較合金產生相變化的溫 度抵10°C^ 混合合金與聚合物母體 一般較喜在兩組份同為液態時進行此步驟。就此項本 身，材料在咼剪力攪拌器中混合，直到金屬分散到整個聚 合物中，此時，可形成想要熱界面的形式。因該操作步驟 和大部分的液態處理操作相容，可採用傳統製備塗覆物的 技術。 熱界面的特性 如圖1所示，先前技藝中在傳統硬或結實聚合物母體内 有硬顆粒的熱界面，在加熱和壓力下，缺少流動的能力， 因此在相鄰或相對面間產生托高。 圖2說明當加發生相變化的填充物到聚合物母體時，其
表現和活動性’填充物在加熱和壓力下變形和改變其形 狀，藉此讓相對面能相配。 J 圖3示範金屬合金顆粒在聚合物内的分散，該顆粒型態 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐)
裝 訂
-14- 569348 A7 B7 五、發明説明（12 ) 主要用表面張力現象決定。 參考圖4，該圖顯示被金屬合金包住的無機顯和< ^，化
硼）的滲透球團，和經由不同個別顆粒的合俗法A 叶建到滲透效 果。 將注意力放到圖5，該圖示範用低熔點金屬合金分散在 小和平坦面，發現金屬合金在熱和壓力的影響下會順應形 勢以便增進接觸面積。 參圖6 .，可觀察到分散的金屬合金/無機顆粒渗透球團留 在橫向分散機械支撐元素40-40的範圍内，以便適應大面 積表面或那些有歪曲不平的面。 現把注意力放到圖8，將注意到說明典型熱界面中金屬 合金組份和聚合物之表現與特性的曲線。如已指出的，金 屬合金組份的相變化發生在溫度約lot高於聚合物母體發 生相變化的溫度。關於依循本發明的溫度差，已發現是一 可行的安排。 一般評註 氮化硼或氧化鋁較佳的顆粒大小範圍從直徑或頗面厚度 約1微米到最大40微米。觀察到特別當用液態金屬濕潤 時’似板狀的氮化硼提供較想要的形態及組合。有效的氮 化硼圖示於圖4中。氮化硼的特點或特性也有助於黏度的 控制。 一個用做配方範例的矽蠟是GP- 533(熔點60°C )(密西根 州，Flint的Genesee聚合物），當然這些材料都是市售商品。 用的微蠟是M-7332(熔點55 °C )(康乃狄克州，shelt〇n的 ____ -15- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公董）
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線 569348 A7 B7 五、 發明説明（
Moore and Munger)。另一種採用的聚合物母體是部份軟的 反應性碎酮彈性體（曰本，東京GE Toshiba矽酮）。 電阻是本發明配方不尋常且非預期的特性或特徵。已發 現當配方1在厚3-5密爾的墊塊中形成，並插在半導體元件 和熱槽相對面間時，墊塊的電阻係數會大大增加，值最高 可到約1012歐姆-公分（配方1，表II)。
需知上述例子只為說明之用，而非推斷成對接著附上的 申請專利範圍.的限制。 -16- 裝， 訂
線 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐)

Claims (1)

  1. 569348
    第091120289號專利申請案 中文申請專利範圍替換本(92年10 六、申請專利範圍 1 · 種t備熱傳導機械性相容塾的方法，其包含： (a) 選擇含銦合金，該合金熔點介於約4〇c到約 間； (b) 處理該合金使其成為分散形式； (c )將該分散合金和相容的界面活性劑及熱傳導顆粒 結合，並混成糊狀；及 (d)將該包含分散合金的糊狀物和可流動的塑膠樹脂 物質結合以形成熱傳導機械性相容墊，該熱傳導機械性 相容墊包含體積比介於1 〇%到90%間的分散金屬合金和 熱傳導顆粒，由流動性塑膠樹脂來平衡。 2·如申凊專利範圍第1項的方法，其中組成該熱傳導顆粒 固體的顆粒有一個介於約1到40微米的直徑。 3·如申請專利範圍第1項的方法，其中該液態合金大體上 將該熱傳導顆粒封入以在其上形成塗覆，其中液態合金 對熱傳導顆粒的體積比至少為3: 1。 4·如申請專利範圍第1項的方法，其中該混合糊狀物進一 步和微蠛或碎壤混合成合適稱塾，該稱塾包含體積比介 於約10%到90%間的均質糊狀物，用微蠟或矽蠟來平 衡。 5·如申請專利範圍第1項的方法，其中該液態金屬合金的 特性是當溫度高於60°C時成液態狀。 6. —種配製熱傳導機械性相容墊的方法，其包含步騾： (a)配製下列的混合物： (1)含選自由鎵及銦組合之群的液態金屬合金，當 本紙張尺度適用中國理家標準(CMS) A4規格(210X 297公釐） 569348 Λ8 B8 C8
    其溫度高於60°C時為液態；及 (2)選自由氮化硼、氮化鋁、及氧化鋁組合之群的 熱傳導顆粒固體； (b) 機械混合該混合物，使該顆粒表面被該液態金屬 合金沾溼成均質糊狀物，其中該液態合金將個別包括該 微粒之該顆粒包住；及 (c) 將該均質糊狀物和可流動的塑膠樹脂物質結合成 熱傳導機械性相容塾，該熱傳導相容塾含約1 〇%到9〇〇/〇 體積比間塗有液態金屬合金的顆粒，由可流動的塑膠樹 脂平衡。 -2- 本紙張尺度適用中國a家樣準(CNS) A4規格(210 X 297公釐>
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