TWI286514B - Interface materials and methods of production and use thereof - Google Patents
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Description
1286514 _"晒 丨, 五、發明説明( 發明藏|f[_ 本發明之範圍為在電子構件、半導體構件及其它相關的 層化材料應用中之界面材料。 背景 電子構件已使用在一直增加數量的消耗品及商業電子產 口口上。14些消耗品及商業產品之某些實例有電視、個人電 腦、網路伺服器、蜂窩式電話(cell ph〇ne)、攜帶型傳呼器 tigers)、掌上型萬用記事本、可攜帶式收音機、汽車立 =聲(car stereos)或遠端控制。隨著對這些消耗品及商業 電子設備之需求的增加,亦已對那些相同的消耗品及商業 產品有達成更小、更多功能及更具攜帶式的需要。 由於這些產品的尺寸減少,該些產品所包含的構件亦必 需變小。那些需要減低尺寸或縮小之構件的某些實例有印 刷電路或配線板、電阻器、配線、鍵盤、觸墊及晶片封裝。 …因此,已經拆解且研究構件以決定是否有較好的建構材 料及方法可讓其縮小以適應對較小的電子構件之需求。在 層狀構件中,目標之一為減少層的數量同時增加所保留的 層之功能性及耐久性。此項工作是困難的,但是,所提供 的數個層及該些層的構件應該通常地需要存在以便操作詨 裝置。 、 、同樣地,當電子裝置變小且在較高速下操作時,以熱形 式所散發的能量會戲劇性地增加。在工業上受歡迎方式為 在此裝置中單獨地或在載體上使用熱油脂(或油脂似的材 料),以將過量的熱轉移而透過物理界面來消除。最普通 -4 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Μ規格(21〇 χ 297公登) 五、發明説明(2 ) 的熱界面材料型式為熱油脂、相改變材料及彈性體膠帶。 熱油脂或相改變材料具有比彈性體膠帶低的熱阻,因為其 可被塗敷成非常薄的層之能力及可在毗連的表面間提供親 密的接觸。典型的熱阻抗值範圍在0.6 — 〗·6^平方公分/瓦 之間。但是,熱油脂的嚴重缺點為其熱性能會在熱^刀環後 (諸如從65°C至150。〇或在動力循環變化(當使用在vlsi晶 片時)後明顯地降低。亦已發現當在電子裝置中從表面= 平面性(planarity)來的大偏差而造成於接合面間形成間$ 時,或當因I其它理由(諸如製造容差等等)而在接合、 顯現出大的間隙時,這些材料的性能會降低。當這 的熱轉移性喪失時,它們所使用的電子裝置之性up 到相反的影響。 又 因此’已持續需要的有:3)設計及製造_熱界面材 層狀材料,其可滿;1顧客規格同時減少裝置的尺寸及 數1 ; b)製造更有效率、設計的較好且與材料、構件^ 成的產物之相容性需求㈣之㈣及/或構件; 展2 可信賴的能製造出想要的熱界面材料、層化材料及包= 期的熱界面及層化材料之構件的方法。 概述 於本文中所描述㈣化界面材料包含至少_種可 熱界面組分及至少一種盘該〃的 界面組分。形成預期的層化界面材 纖維 -種可交聯的熱界面組分;枓:方法包括:a)提供 楗供一種順從性纖維界面组 为,及C)物理地結合該熱界面έ 、" …介甶、、且刀及該順從性纖維界面組 5- 公袭:) 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格_(2l〇x297 1286514
1286514 五、發明説明(4 ) 及釋放。 形成於本文中所搞+ + 1 '、之可交聯的熱界面組分之方法包括 :二供:少一種飽和的橡膠化合物;b)提供至少一種胺樹 士)交聯1至夕種飽和的橡膠化合物與該至少一種胺 2樹脂’以形成—交聯的橡膠-樹脂混合物;d)加入至少 —種熱傳導充填劑至該交聯的橡膠-樹脂混合物;及e)加 入一潤溼劑至該交聯的橡膠-樹脂混合物:此方法亦可進 V I括加入至J 一種相改變材料至該交聯的橡膠-樹脂 混合物。 可提供預期的熱界面經分作為可利用分配方法來塗佈 =可:配的液體糊狀物,然:後如想要地硬化。其亦可提供 4為高順從性、硬化的、彈性體薄膜㈣片,而用於預塗 7在界面表面或在其它材料上,諸如熱庫、基材及/或順 T性纖維界面材料或構件。其可進_步提供及產生作為軟 凝膠或液體,而可利用任何合適的分配方法來塗佈至表面 。甚至進一步地,該材料可提供作為膠帶而直接地應用至 界面表面基材、順從性纖維界面材料或組分及/或電子 構件。 順從性纖維界面組分則包含幕多熱傳導纖維、至少一種 封閉劑及至少-種可選擇的黏著劑材料。合適的熱傳導纖 維包括鑽石纖維(diamond fibers)、導電聚合物纖維、碳纖 維石墨纖維及金屬纖維(諸如銅纖維及鋁纖維)。該些熱 傳導纖維可切割成特別的長度,通常依顧客或¥應商^ 求/規格而定,例如可從至少約0 0005英吋至至少約i英吋
1286514 A7
五、發明説明 。該熱傳導纖維亦可切刻士、二| 英叶及/或至少約ο#::::。,。。1英叶至至少約ο-約3微米,至少約30微米及/,:導纖維之纖維直徑至少 的導電纖維為直徑至少約職^目前較佳 於本文描述之預期的層化只 』嚐化界面材料、熱界 性纖維界面組分之應用包括脾兮故以 丨囬、且刀及順從 狀組分、電子構件、半導體槿株~ 層 的半導體產品。 產扣或疋成 本發明的不同目標、特徵、逾 α觀點及優點將從下列本發明 的較佳具體實施例之詳細說明而變得更明顯。 圖式簡述 ' 圖1為順從性纖維界面植合的1雜举> Ρ 4 ®、,且刀.:·的具體貫施例之位移對壓力 的曲線圖。 圖2為順從性纖維界面組分的具體實施例之熱阻對壓力 的曲線圖。 圖3為順從性纖維界面組分的具體實施例之厚度對敎阻 的曲線圖。 ' 圖4為順從性纖維界面組分的具體實施例之循環對熱阻 的曲線圖。 圖5 A_C顯示出本發明之順從性纖維界面組分的較佳具 體實施例之製造方法。 、 圖6為本發明之順從性纖維界面組分的較佳具體實施例。 圖7A-B顯示出本發明之層狀界面材料之一些較佳的具 體實施例。
1286514 五、發明説明(6 詳細說明 合適的界面材料或構件應該符合接合面(刪叫_ (“溼潤”表面)、具有低的體熱阻(bulk比 具有低的接觸電阻。體熱阻可表示為材料或構件及 熱傳導係數及面積之函數。接觸電阻為測量_材料或=件 =合:、層或基板接觸的程度。界面材料或構件的熱阻 aJ顯不如下·· 方程式1 Θ界面=t/kA+ 2®接觸 其中®為熱阻, t為材料厚度, k為材料的熱傳導係數 A為界面的面積 “t/kA”項表示整體材料的熱阻及“2Θ接〆,表示在二表面處 的熱接觸電阻。合適的界面材料或構件應該具有低的體阻 抗及低的接觸電阻,即在接合面處。 、許夕電子及半導體應用需要界面材料或構件可容納從製 么而產生的表面平坦度及/或因為熱膨脹係數(cte)不協調 而產生的構件翹曲來之偏差。 具有低k值的材料(諸如熱油脂)若界面薄時(即“(,,值低) 則表現良好。若界面厚度增加(如〇 〇〇2英对般些微)時,則 其熱性能會戲劇性地下降。同樣地,對此應用來說,在配 =的構件間之CTE差異會造成間隙隨著每個溫度或動力循 ~膨脹及縮小。此界面厚度的變化會造成將流體界面材料 (諸如油脂)泵出界面。 L _ 9 _ 本紙張尺度國家鮮(CNS) M規格(2iQx隱^· 1286514 A7 Γ ---------- Β7_ 五、發明説明(7 ) — ----*- ,界面的面積越大則越易於有從表面可平面性來的偏差(當 f造時產生)。為了最佳化熱性能,該界面材料應該能夠 I 付合不平坦的表面且因此較低的接觸電阻。 最理想的界面材料及/或構件具有高的熱傳導係數及高 的機械順從性,例如當施加力量時其將產生彈性。高熱傳 導係數可減低方程式丨的第一項,同時高機械順從性可減 低第二項。於本文描述的層化界面材料及層化界面材料的 各別構件可達成這些目標。當合適地定向時,於本文描述 之順從性纖維界面組分的熱傳導纖維將跨越在 距離,因此允許從-表面至另-表面的連續高傳導路= 若該些纖維具有撓性且能夠在其尖端區域移動時,此可製 得與表面有較好的接觸。此接觸將造成優良程度的表面接 觸且將減少界面材料的接觸電阻。 " 於本文描述的層化界面材料包括至少一種可交聯的熱界 面組分及與該熱界面組分結合的至少一種順從性纖維界面 組分。形成預期的層化界面材料之方法包括:勾提供一種 可交聯的熱界面組分;b)提供一種順從性纖維界面組分; 及c)物理地結合該熱界面組分與該順從性纖維界面組分。 可將至少一種額外的層與於本文中描述的層化界面材料結 合。該至少一種額外的層可包括另一種界面材料、表面、 基板、黏著劑或任何其它合適的層。 可交聯的熱界面組分 一預期的可交聯之熱界面組分可藉由結合至少一種橡膠 化合物、至少一種胺樹脂及至少一種熱傳導充填劑而製造
I 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公货) -;-— 1286514
1286514 五、發明説明(9 例有乙烯,丙烯橡膠(EPR,EPDM)、聚乙烯/ 丁烯、聚乙 烯-丁烯-苯乙烯、聚乙烯-丙烯_苯乙烯、氫化的聚烷二烯 @早'•醇類’,(諸如氫化的聚丁二烯單_醇、氫化的聚丙二烯 單醇氫化的聚戊一稀單-醇)、氫化的聚烧二婦‘‘雙醇類,, (諸女氫化的聚丁一烯二醇、氫化的聚丙二婦二醇、氫化 的聚戊二烯二醇)及氫化的聚異戊二烯。但是,若該化合 、為不飽和時,最佳的是該化合物可進行氫化製程以斷裂 或移除至少某些雙鍵。如於本文中所使用,措辭“氫化製 ^呈’’意謂著不飽和的有機化合物與氫反應,其藉由直接將 虱加入至某些或全部的雙鍵而產生飽和的產物(加成氫化 f應);或藉由完全地斷裂雙鍵,藉此,碎片進一步地與 虱反應(氫解)。不飽和橡膠及橡膠化合物的實例有聚丁二 婦、?《異戊二烯、聚苯乙婦_ 丁二婦及其它不飽和橡膠、 橡膠化合物或橡膠化合物的混合物/組合。 如於本文中所使用,名稱“順從性,,包括一易彎曲的及可 成形的材料或構件之性質(特別是在約室溫下),如盘在室 溫^為固體及不可筆曲的相反。如於本文中所使用的名稱 可父聯的”指為那些尚未交聯的材料或化合物。 如於本文中所使用,名稱“交聯,,指為一種過程,其中 至少二個分子(或長分子的二個部分)利用化學的交互作用 連結在一起。此交互作用可以許多不同的方法發生,包括 形成共價鍵;形成氫鍵;疏水、親水、離子或靜電的交互 作用。再者,分子交互作用之特徵亦可為藉由在一分 其自身間或在二個或多個分子間之至少臨時的物理連接。 本紙張尺歧财_ -12- 1286514 五、發明説明(10 可結合每種形式多於一種的橡膠化合物以產生一可交聯 的熱界面組分;但是,經考量,在較佳的熱界面組分中, 至少一種橡膠化合物或組分物將為一種飽和的化合物。含 烯烴或不飽和的熱界面組分(含適當的熱充填劑)具有少於 0.5平方么勿c /瓦的熱容量。不像熱油脂,該熱界面組分 的熱性能在熱循環或流動循環(在IC裝置中)後將不降低, 因為液體烯烴類及液體烯烴混合物(諸如包含胺樹脂的那 些)將交聯以在加熱活化之後形成一軟凝膠。再者,當應 用作為熱界面組分時,其將不會如熱油脂般在使用時被“擠 壓出去”,且在熱循環期間將不顯示出界面的層離。 將胺或以胺為基底的樹脂加入或摻入該橡膠組成物或橡 膠化合物的混合物,其主要為使在胺樹脂與在至少一種橡 膠化合物的一級或末端羥基間之交聯反應容易。在胺樹脂 與橡膠化合物間之交聯反應會在混合物中產生一 “軟凝膠,, 相,而非液體狀態。在胺樹脂與橡膠組成物間及/或在橡 膠化合物它們本身間的交聯程度將決定該軟凝膠的堅硬度 。例如,若該樹脂及該橡膠化合物進行最小量的交聯(在 交聯反應中實際上使用可獲得的交聯位置之丨〇%),則該軟 凝膠將更“液體似的”。但是,若該胺樹脂及橡膠化合物進 行明顯量的父聯(在交聯反應中實際上使用4〇-6〇〇/〇可獲得 的交聯位置,及在橡膠化合物它們本身間大概有一可測量 的程度之分子間或分子内的交聯),則該凝膠將變成較厚 且更“固體似的’’。 胺及胺基樹知為在樹脂骨架的任何部分上包含至少一個 13 1286514 五、發明説明(n 胺取代基的那些樹脂。胺及胺基樹脂亦可為一合成樹脂, 其源自於尿素、硫脲、馬來胺或類似的化合物與醛類(特 別是甲醛)之反應。典型且預期的胺樹脂有一級胺樹脂' 二級胺樹脂、三級胺樹脂、縮水甘油基胺環氧基樹脂、燒 氧基芊基胺樹脂、環氧基胺樹脂、馬來胺樹脂、烷基化的 馬來胺樹脂及馬來胺-丙烯酸樹脂。在本文描述的一些預 期具體貫施例中’馬來胺樹脂特別有用且較佳,因為a)它 們為以環為基底的化合物,藉此,該環包含三個碳及三個 氮原子;b)它們可容易地與其它化合物及分子經由縮合反 應而結合;C)它們可與其它分子及化合物反應,以促進鏈 生長及交聯;d)它們比尿素樹脂更具抗水性及抗熱性,e) 它們可以水-可溶的漿狀物使用或以可分散在水中而不溶 的粉末使用;及f)它們具有高熔點(大於325t:且相當不易 燃)。烧基化的馬來胺樹脂(諸如丁基化的馬來胺樹脂、丙 基化的馬來胺樹脂、戊基化的馬來胺樹脂、己基化的馬來 胺樹脂及其類似物)可藉由在樹脂形成期間摻入烷基醇類 而形成。這些樹脂可溶在塗料及釉瓷溶劑及表面塗層中。 可分散在熱界面組分或混合物的熱充填劑粒子應該有利 地具有高導熱度。合適的充填劑材料包括金屬,諸如銀、 銅、紹及其合金類;及其它化合物類,諸如氮化硼、氮化 銘、塗佈銀的銅、塗佈銀的鋁、導熱聚合物及碳纖維。氮 化爛與銀或氣化侧與銀/銅之組合亦可提供提高的導熱度 。氮化删的量至少20重量%及銀的量至少約60重量%特別 有用。較佳地,可使用具熱傳導係數大於約2〇的充填劑及 I-— ___-14- 本紙張尺/^適用中國國家標準(CNs) A#規格(⑽χ 297公货) 1286514 A7 B7 五、發明説明(12 ) 最佳地至少約40 w/m°C。最理想地,想要的是該充填劑之 熱傳導係數不小於約80 w/mt:。 如於本文中所使用,名稱“金屬,,意謂著那些在元素週期 表的d-區塊及f-區塊處之元素,與那些具有金屬似的性質 (諸如矽及鍺)之元素。如於本文中所使用,措辭“^區塊,, 思谓著電子已填入繞著該元素核子的3d、4d、5d及6d執域 之那些元素。至於所使用的措辭“f-區塊,,意謂著電子已填 入繞著元素核子的4f及5f執域之那些元素,包括鑭系及婀 糸。較佳的金屬包括銦、銀、銅、I呂、錫、祕、鎵及其合 金類、塗佈銀的銅及塗佈銀的鋁。該名稱“金屬,,亦包括合 金類、金屬/金屬複合物、金屬陶瓷複合物、金屬聚合物 複合物和其它金屬複合物。如於本文中所使用,名稱“化 合物意謂著一具有固定的組成之物質,其可藉由化學方 ' 法分解成元素。 特別有功效的為一種充填劑,其包含一特別形式指為‘‘氣 相生長的碳纖維’’(VGCF)(諸如可從應用科學有限公司 (Applied Sciences inc·),西達維里(Cedarville),〇hi〇 購 得的VGCF)之碳纖維,或“碳微纖維,,(其為藉由熱處理而 高度石墨化的型式)(熱傳導係數w/mt)。加入約〇 5 重量%的碳微纖維可提供明顯增加的導熱度。此類纖維可 以不同的長度及直徑形式獲得;換句話說,長度可從^亳 米(mm)至數十公分(cm)及直徑可從〇」至超過微米。一 有用的VGCF形式具有直徑不大於約2微米及長度約⑼至 100微米,且具有熱傳導係數大於其它普通具有直徑大於5 [_________ _ 15 - 本紙張尺度it财a a家料(CNS^格(細χ 297;疋 1286514 A7
1286514 A7 B7 五、發明説明(Η ) 組分有PCM45及PCM60HD,二者皆由漢尼威爾電子材料 (Honeywell Electronic Materials)製造。聚合物蠛典型地為 聚乙烯蠟、聚丙烯蠟而具有約40°C至160°C的熔點範圍。 PCM45具有約3.0 W/mK的導熱度、約〇.25°C平方公分/w (0.0038 t平方公分/W)的熱阻,而典型的塗佈厚度約 0.0015英对(0.04毫米)及包含典型的柔軟性約5至3〇碍/平 方英寸(在之下則會塑性地流動)。PCM45的典型特徵為a) 一超咼的填料密度(packaging density),超過80% ; b)—導 熱充填劑(conductive filler) ; c)極低的熱阻;及如較早所 提及的d)約45 °C的相改變溫度。PCM60HD具有約5 〇 W/mK的熱傳導係數、約〇.l7°C平方公分/W (〇.0028t:平方 公分/w)的熱阻,而典型的塗佈厚度約0 0015英吋⑺毫 米)及包含典型的柔軟性約5至30磅/平方英寸(在之下合# 性地流動)。PCM45的典型特徵為a)—超高的填料密^塑 超過80% ; b)—導熱充填劑;c)極低的熱阻;及如較=所 提及的d)約60。的相改變溫度〇 TM350 f—德丁 a人 v 種不包含相改變 材料的熱界面組分,且由漢尼威爾電子材料製造 3.0 W/mK的導熱度、約0.25°C平方公八/w μ ’、 約 丁万 Α 分/W (〇.〇038°C 平方 公分/W)的熱阻,而典型的塗佈厚声 旱度約0·0〇ΐ5英吋(0·04毫 米)及包含典型的柔軟性約5至30镑/伞古-1 丁乃央寸(在之下會您 性地流動)。TM350的典型特徵為a)_ 曰^ 過80%; b)一導熱充填劑;c)極低 又超 J …、阻,d)約;[25。66 兩 化溫度;及e)可分配的非矽酮系熱凝膠。 的硬 相改變材料在熱界面組分應用中右田 「1用的 ’因為當它們在
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_」17麵 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 1286514
1286514 A7 ______B7 五、發明説明(16 ) 或潤潤”劑(諸如有機矽烷、有機酞酸鹽、有機锆等等)來 | 促進。有機酞酸鹽可作為潤濕促進劑以減低糊狀物的黏度 且增加充填劑負載。可使用的有機酞酸鹽有異丙基三異硬 脂基献酸鹽。有機酞酸鹽的共通結構為R〇_Ti (〇XRY), 其中110為一可水解的基團,χ及γ為黏著性官能基團。 亦可加入抗氧化劑以抑制該硬化的橡膠凝膠或固體熱界 面組分氧化及熱降解。典型有用的抗氧化劑包括嘮荅諾克 斯(Irganox) 1076 (酚型式)或嘮:y:諾克斯565 (胺型式从在 0.01 %至約1重量%),可從豪松(Hawth〇rne),ν·Υ·之西巴 結距(Ciba Giegy)購得。典型的硬化加速劑包括三級胺類 ’諸如 didecylanethylamine (於 50 ppm—0·5 重量 %)。 亦可加入至少一種催化劑至該熱界面組分以促進在至少 一種橡膠化合物、至少一種胺樹脂、至少一種相改變材料 "或全部三種間之交聯或連鎖反應。如於本文中所使用,名 稱“催化劑”意謂著會明顯地影響化學反應速率而其自身沒 有消耗或經歷化學改變之物質或條件。該催化劑可為無^ 、有機或有機基團與金屬鹵化物之組合/然而它們可不為 物質,光及熱亦可作為催化劑。在預期的具體實施例中: 該催化劑為一種酸。在較佳的具體實施例中,該催化劑為 一種有機酸、諸如羧酸、醋酸、蟻酸、苯甲簸、水揚^ : 二羧酸、草酸、酞酸、癸二酸、己二酸、油酸、·棕櫚酸、 硬脂酸、苯基硬脂酸、胺基酸及績酸。 於本文所揭示用來形成可交聯的熱界面組分之方法包括 a)提供至少一種飽和的橡膠化合物;b)提供至少一種胺樹 I_____ _ _ 19 - 本紙張尺度適用t s a家標準(CNS) A4規格 1286514 五 、發明說明( 17 ^二C)父聯該至少一種飽和的橡膠化合物及該至少一種胺 乂开》成一父聯的橡膠-樹脂混合物;d)加入至少一 種”、、傳導充填劑至該交聯橡膠-樹脂混合物;及e)加入一 =溼劑至該交聯的橡膠-樹脂混合物。此方法亦可進一步 〇括加入至少一種相改變材料至該交聯的橡膠-樹脂混合 物如於本文所討論,可使用預期的方法來形成液體及固 體熱界面組分,而與膠帶、電子構件、半導體構件、層狀 材料及電子和半導體產品一起。 5預功的熱界面組分可提供作為一種可分配的液體糊狀 物而藉由分配方法(諸如絹版印刷)塗佈,然後如想要地 硬化。亦可提供為高順從性、硬化的、彈性體薄膜或薄片 而用於預塗佈在界面表面,諸如熱庫。其可進一步提供及 製仏成為一軟凝膠或液體,其可利用任何合適的分配方法 ^塗佈至表面。甚至進一步,該熱界面組分可提供為一種 膠帶’其可直接地應用至界面表面或電子構件。 為了闡明該熱界面組分的一些具體實施例,藉由混合在 貫例A至F中所描述的組分來製備一些實例。如在表中指 出,亦報導該些組成物的性質包括黏度、產物形式、熱阻 、彈性模數及導熱度。 … 該些顯示的實例包括一種或多種可選擇的添加物,例如 抗氧化劑、潤溼性促進劑、硬化加速劑、黏度減低劑及交 聯辅助劑。此類添加劑的量可變化,但是,通常地,它們 可有用地存在於下列的近似量(以重量%):充填劑,最高 為總量(充填劑加橡膠)的95% ;潤溼性促進劑,總量的〇玉 20- 本紙張尺度適用t關家標準(CNS) A4規格(2齡297公慶) 1286514 A7 B7 五、發明説明(18 ) 至1% ;抗氧化劑,(總量的)0.01至1% ;硬化加速劑,(總量) 的50 ppm —0.5% ;黏度減低劑,0.2-15% ;及交聯輔助劑 ,0.1-2%。應注意的是添加至少約0.5%的碳纖維可明顯地 增加導熱度。 組成物(重量%) A B C D E F 氫化的聚丁烯單-醇 7.5 6.3 10 11.33 5 18 氫化的聚丁二烯二醇 無 無 2 無 無 無 烷烴石蠟蠟 3.1 2.2 無 無 無 無 烷基化的馬來胺樹脂(丁基化) 1.7 0.4 1.33 2 1 4 有機酞酸鹽 1.5 1.0 6.67 6.67 4 8 橫酸催化劑 0.1 無 無 無 無 無 紛抗氧化劑 0.1 0.1 無 無 無 無 鋁粉末 86 90 80 80 無 無 銀粉末 無 無 無 無 90 無 氮化硼 無 無 無 無 無 70 產物形式 膠帶 膠帶 液體 液體 液體 液體 熱阻抗(°C平方公分/W) 0.25 0.18 0.25 0.25 0.3 0.35 導熱度(w.m/°C) 3.0 5.0 2.8 2.8 2.3 2.0 彈性模數,帕 300000 270000 500000 300000 280000 270000 黏度,帕·s N/A N/A 200 160 150 220 順從性纖維界面組分 順從性纖維界面組分(諸如於本文描述的那些)包含眾多 的熱傳導纖維、一封閉劑及一可選擇的黏著劑材料。順從 性纖維界面組分的實例可在美國專利申請序號:09/193,415 :美國專利申請序號:09/103,4 16及美國專利申請序號: 09/333,564中發現,其全部的全文以參考之方式併於本文 。同樣地,諸如於本文中描述的那些順從性纖維界面組分 為由漢尼威爾電子材料在商品名GELVET下製造的那些。 0£1^丁具有約30.0\^/111;^的熱傳導係數、約0.6 8〇(:平方公 -21 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 1286514 五、發明説明(19 分/W (0.001 〇°c平方公分/w)的熱阻,而典型的塗佈厚度 約0.012至0.100英吋(0.3 —2.5毫米)且包含典型的柔軟性在 10碎/平方英寸下約大於(1€]^(^〇11的25%。(^1^£丁的典型 特徵為a)厚度有廣泛的變化範圍;b)對幾何(ge〇metric)及 熱不協調(thermal mismatch)具順從性;c)非常高的熱傳導 係數’及d)该組分具長時間使用的可信賴性。圖1 顯示 出GELVET組分的一些性能之測量,包括位移對壓力(圖u 、熱阻對壓力(圖2)、厚度對熱阻(圖3)及循環對熱阻(圖4)。 合適的熱傳導纖維包括鑽石纖維、導熱聚合物纖維、碳 纖維、石墨纖維及金屬纖維(諸如銅纖維及鋁纖維)。熱傳 導纖維可切割成特別的長度,例如從至少約〇 〇〇〇5英吁至 至少約1英吋。於本文中預期的熱傳導纖維亦可切割成至 少約0.001英吋至至少約〇 〇1英吋及/或至少約〇1英吋。於 本文中預期的熱傳導纖維可具有至少約3微米、至少約3 〇 微米及/或至少約3 00微米的纖維直徑。目前較佳的導電纖 維之纖維直徑為至少約10微米。合適的熱傳導纖維具有至 少約25 W/mK的熱傳導係數。某些合適的纖維為可從阿摸 扣(Amoco)購得的那些而認定為κ」1〇〇、Κ-8〇〇、p_12〇、 P-100、P-70及T50 ;和可從托雷(T〇ray)購得的纖維而標為 M46J及 M46JB。 於本文甲揭示的熱傳導纖維可經淨化(若需要的話)以移 除任何存在於纖維上的塗佈物。某些商業上可購得的纖維 乃以在表面上塗佈-塗層之形式售出,其較佳地藉由淨化 該纖維而移除。-種淨化熱傳導纖維的方法為在空氣令加 1___^22- 本紙張尺度適财s a家標準(CNS) μ規格( χ撕公^^ 1286514 A7 B7 五、發明説明(2〇 ) 熱該纖維以燃燒掉塗層(即塗料)。但是,亦可使用化學淨 化方法。 形成該順從性纖維界面組分的方法包括:昀提供一具有 一定長度的熱傳導纖維;b)提供一基板;c)對該基板塗佈 黏著』,d)對該基板植絨(flocking)該纖維;e)將該纖維埋 入該黏著劑,而部分纖維則延伸出該黏著劑;f)硬化該黏 著劑,在延伸出黏著劑的纖維與向下的纖維自由末端間配 置一可硬化的封閉劑;S)將該些具有在纖維間之封閉劑的 纖維壓進該黏著劑;及h)在壓縮下同時硬化該封閉劑。 為了製造順從性纖維界面組分,將第一黏著劑塗佈至一 基板。該黏著劑可包含任何合適的材料,但是將類似地包 含一低應力黏著劑,例如,包含一環氧基化合物的黏著劑 (例如從葛雷絲特用聚合物(Grace Specialty p〇lymers)來的 艾可邦德(Eccobond) 281),然而氰酸酯黏著劑、BMI、石夕 酮類、有機矽酮類、凝膠及霧化襯墊材料(spray胖吐以 materials)亦有用。 該些纖維被植絨至基板’因此可例如利用電植絨法 (Electroflocking)將該些纖維埋入至黏著劑中,如顯示在圖 5 A。電植絨法為一種相當熟知的程序,其藉由對二片板子 (分開一些距離)充入相反的極性。該程序由柏金(B〇lgen)有 一般性描述(柏金,史狄格(stig) w·, ‘‘植絨技術(Flocking 丁 echnology)”,“塗佈的織物期刊(JournaI 〇f c〇ated Fabrics) ,第2 1冊,第123頁,1 99 1);及特別地對碳纖維的電植絨 物,由喜吉馬朱(Shigematsu)在“靜電植絨對熱控制塗層之 I -23- 本纸張尺度適用中國國家棵準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 1286514 A7 B7 五、發明説明(21 ) 應用(Application of Electrostatic Flocking to Thermal Control)”,太空技術及科學國際座談會第14次會議記錄 (Proceedings of the 14th International Symposium on Space Technology and Science),1984,頁 583 ;及由卡托(Kato) 在‘‘利用靜電植絨形成非常低反射係數的表面(Formation of a Very Low-Reflectance Surface by Elecrtrostatic Flocking)’’,太空環境及控制系統歐洲座談會第4次會議記 錄(Proceedings of the 4th European Symposium on Space
Environmental and Control Systems),1991,第 565 頁。這 些文章的揭示内容明確地全部以參考方式併入本文。 在電植絨製程中,在一個板上的纖維會獲得該板子的電 荷而被相對的板子吸引。當它們碰到相對的板子時,它們 會被埋在黏著劑中。若它們初始地不黏住,則纖維會在板 子間來回彈跳直到它們已埋入黏著劑中,然後跳脫該電場 或移除在該板子上的電荷。所產生的纖維結構乃相對於電 場線而排列,即,具有實質上垂直的方向且具有絲絨似的 外觀。 . 機械式植絨包括將塗佈黏著劑的物體通過一系列快速轉 動的滾筒或拍打棒,其會造成基板振動。纖維則利用重力 從貯存槽進料到基板上。由滾筒或拍打棒產生的振動可將 該些纖維定向且將其驅入黏著劑中。移除過量的纖維,遺 留下實質上垂直方向的纖維結構。 氣流式植絨則使用氣流將纖維傳送至塗佈黏著劑的表面 。在飛行同時,纖維本身會在氣流方向上排成且以此定向 1286514 五、發明説明(22 的方法埋入黏著劑。 ::植:方法可單獨地使用或與另一種組合著使用, =透2^?式植絨。隨著此組合方法,包含纖維的氣 肖。在喷嘴出口處’電荷將纖維定向成與電 W線有關。所產生的纖維結構亦已排列,即,且有實質上 垂直的方向,但是可更密集、更均句或可比當使用單獨的 任一種方法時更快速地製造。 經植絨的纖維固定至黏著劑,而其長度的_部分則從黏 著劑層延伸出而指為“自由纖維尖端,,。在植絨後,對該自 由纖維尖端施加向下的力量(壓縮)以將該些纖維安裝在黏 著劑中,及減少在埋入黏著劑之纖維尖端與塗佈黏著劑的 表面基板間之距離,如顯示在圖5B及5C中。 然後,可利用任何合適的方法來硬化該黏著劑,包括自 身-硬化、加熱硬化及/或紅外線硬化。往往,在約15(rc 下加熱約30分鐘,可角來硬化,依黏著劑及硬化條件而定。· 如圖6所顯示,可引進封閉劑,30,例如一凝膠(諸如ge RTV6 166介電質凝膠,可從通用電子股份(有限)公司 (General Electric Corporation)購得),以填滿在遺留的纖 維32與延伸出凝膠的自由纖維尖端34間之空間。此製程可 措由將未硬化的;旋膠打印到纖維上而完成,或將該凝膠塗 佈至送緯劍桿(givers)且讓凝膠浸泡(soak)或蕊吸(〜“"至 纖維而完成。在預期的具體實施例中,該凝膠將自然地潤 溼纖維且將蕊吸至該纖維結構。該凝膠可或可不包括一熱 傳導充填劑材料。可將脫模襯墊(例如蠟狀或塗佈矽酮的 25- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 1286514 A7 B7 五、發明説明… 紙)放置在該些纖維與未硬化的凝膠頂端,以防止該硬化 的凝膠/纖維材料黏至夾具,且在裝運或隨後的處理期間 對該界面材料提供保護。 將在纖維間具有未硬化的凝膠之界面材料壓縮到少於額 定的切割纖維長度,且適當地鉗至此壓縮高度。例如,若 該纖維為約0·020英忖長,當引進黏著的硬化凝膠,於硬 化該凝膠前則钳在約〇·〇 1 7英吋的高度,保持該纖維在此 高度,同時硬化該凝膠。 然後在壓縮下,硬化該凝膠(例如熱硬化)。加熱通常會 加速硬化,且想要的是產生一預期的自由纖維尖端結構Y 壓縮及熱硬化二者可辅助產生自由纖維尖端結構。熱硬化 為有益的’因為該凝膠的CTE高於纖維的,且該凝膠在冷 卻至室溫後將比纖維收縮更多,因此會曝露出更多的纖^ '尖端。 在製造該界面材料中,可延遲該黏著劑硬化以便與該凝 膠硬化相符合。在一個具體實施例中,該些纖維可在凝膠 及黏著劑硬化時同時固定。如所指出,壓縮為有益的,且 在壓縮下硬化為有益的,因為該凝膠將維持該硬化厚度而 纖維可猶微彈回以在凝膠上保持直立。凝膠對纖維的内聚 力並不夠強到可以讓該些纖維在硬化之前離開其假定的原 始位置。硬化會產生想要的自由纖維尖端,其可提高盥毗 連表面的熱接觸。 形成預期的層化界面材料之方法包括:a)提供一種可交 聯的熱界面組分;b)提供一種順從性纖維界面組分;及幻 L----26 _ _ 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) ----------- 1286514 五、發明説明(Ί7 物理地結合該熱界面組分與該順從性纖維界面組分。 該可父聯的熱界面組分及該順從性纖維界面組分可各別 也製備,且可藉由使用先前於本文中描述的方法來提供。 …、、後’物理地結合此二種組分以產生一層狀界面材料。如 於本文中所使用,名稱“界面,,意謂著一種結合或黏合,其 可在物質或空間(space)的二個部分間形成共同的邊界。一 界面可包含物質或構件的二個部分之物理附著或物理結合 ,或在物質或構件的二個部分間之物理吸引,其可包括鍵 、’、。力量(諸如共彳貝及離子鍵結)及非鍵結力量(諸如凡得瓦爾 、靜電、庫侖、氫鍵及/或磁吸引力)。二種組分(如於本文 中所描述)亦可藉由將一種組分塗佈至另一組分的表面之 作用而物理地結合。 乂後 了將該層狀界面材料塗佈至基板、另一個表面或 另一種層狀材料,如顯示在圖7A及7B。電子構件1〇〇包含 一層狀界面材料11〇、一基板層12〇及一額外的層13〇。該 層狀界面材料11 〇包含一種順從性纖維界面組分u 2及一種 熱界面組分1 1 4。於本文預期的基材可包含任何實質上想 要的固體材料。特別想要的基板層將包括薄膜、玻璃、陶 究、塑膠、金屬或經塗佈的金屬或複合物材料。在較佳的 具體實施例中,該基板包括一矽或砷化鍺沖模或晶圓表面 :一封裝表面,諸如在銅、銀、鎳或鍍金的焊接框架 (leadframe)中發現;一銅表面,諸如在電路板或封裝連接 器圖樣(package interconnect trace)中發現;一通道-邊壁 或剛性構件(stiffener)界面(“銅,,包括裸銅及其氧化物之考 -27- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐) 1286514 A7 ---—--- —__B7 五、發明説明(25 ) " —~ 慮)’以聚合物為基底的封裝或板子界面,諸如在以聚 酿亞胺為基底的撓性物封裝、錯或其它金屑合金谭接球表 ^、玻璃及聚合物(諸如p〇lyimide)中發現。該“基板,,甚至 可疋義為另一種聚合物材料當考慮到有内聚性的界面時。 在更佳的具體實施例中,該基板包括一種在封裝及電路板 工業中常見的材料,諸如矽、銅、玻璃及另一種聚合物。 材料的額外層可與層狀界面材料結合,以連續建構一層 狀構件或印刷電路板。經考量,該額外的層將包含與已於 本文中描述的那些材料類似,包括金屬、金屬合金、複合 材料、聚合物、單體、有機化合物、無機化合物、有機金 屬化合物、樹脂、黏著劑及光波導材料。 一積層材料或電鍍材料層可依構件所需求的規格而與層 狀界面材料結合。層狀壓板通常視為纖維-補強的樹脂介 電材料。電鍍材料為層狀壓板的次小組,其於金屬及其它 材料(諸如銅)摻入該層狀壓板時而製造(哈柏(Harper),查 理斯(Charles) A.,電子封裝及互連手冊(五•叹 and Interconnection Handbook) > 第二版麥克葛羅-希爾 (McGraw-Hill)(紐約),1997)。 旋壓(spin-on)層及材料亦可加入至該層狀界面材料或連 續的層。旋壓堆疊薄膜由麥克E·湯瑪斯(Michael E. Thomas)教導,“低Keff介電性的旋壓堆疊薄膜(Spin-〇n Stacked Films for Low Keff Dielectrics)”,i) m (Solid State Technology) (2001年7月),其全文以參考方式併入本 文。 I -28- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(21〇x 297公赞)
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線 1286514 五、發明説明(26 於本文中描述之預期 從性纖維界面组分之靡用“:界面組分、層狀界面材料及順 入另-層化材料、電子構:二,將該些材料及/或組分摻 所預期,電 或凡成的電子產物。如於本文 基礎的產物之層化構件。猫f匕3任何可使用在以電子為 u Μ ψ八H 預功的電子構件包括電路板、晶 片=分隔板(separartorsheet)、電路板 印:配線板及電路板的其它構件(諸如 及電阻器)。 电4應时 、電子為基礎的產物可已“完成,,,在此觀念中它們已準 備好可使用在工孝上或A A h — 泵上次由其匕沩耗品所使用。完成的消耗 品之貫例有電視、電腦、蜂窩式電話、攜帶型傳呼器、掌 上里式萬用s己事本、可攜帶式無線電、汽車立體聲及遠端 控制。亦翻的有m物諸如電路板,晶片封裝及鍵 盤,其可潛在地使用於完成的產物中。 電子_產品亦可包括一原型構件,在從概念模型至最後的 放大/實體模型之任何階段的發展。原型可或可不包括全 部意欲在完成的產物中之實際構件,及原型可具有某些構 造超越複合物材料的構件以取消其在其它構件上的起始影 響,同時為了初始測試。 因此,已揭示出界面材料的特定具體實施例及應用。但 疋,應該由熟知此技藝之人士所明瞭的是除了那些已經描 述的外,可有許多改質而沒有離開於本文中的發明概念。 因此,本發明的主題事件除了在附加的申請專利範圍之精 神中外並不欲限制。再者,在解釋規格及申請專利範圍二 29- 1286514 A7 B7 五、發明説明(27 ) 者中,全部的項目應該以其最寬廣可能的方式與上下文一 致地解釋。特別地,該名稱“包括”及“包含”應該解釋指為 於非專用的方式之元素、構件或步驟,其指出該參考的元 素、構件或步驟可存在、或使用、或與其它無明確地提出 的元素、構件或步驟結合。 -30- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐)
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- 12865邊知111709號專利申輪 ±申請專利範圍 一種層狀界面材料,其包含: 至少一種可交聯的熱界面組分;及 至少一種與該熱界面組分結合的包含熱傳導纖維及封閉 劑之順從性纖維界面組分; 其中該至少一種熱界面組分包括至少一種橡膠化合物 、至少一種胺樹脂及至少一種熱傳導充填劑。 2.如申請專利範圍第1項之層狀界面材料,其中該至少一 種熱界面組分進一步包含至少一種相改變材料。 3·如申请專利範圍第1項之層狀界面材料,其中該至少一 種橡膠化合物包含至少一個末端羥基。 4.如申請專利範圍第1項之層狀界面材料,其中該至少一 種橡膠化合物包含至少一種飽和的化合物。 5·如申請專利範圍第3項之層狀界面材料,其中該至少一 種橡膠化合物進一步包含至少一種飽和的化合物。 6·如申請專利範圍第3項之層狀界面材料,其中該至少一 種橡膠化合物包括氫化的聚烷二烯單.醇、氫化的聚烷 一稀二醇或其組合物或混合物。 7·如申請專利範圍第6項之層狀界面材料,其中該氫化的 聚烷二烯單-醇包括氫化的聚丁二烯單-醇。 8·如申請專利範圍第6項之層狀界面材料,其中該氫化的 聚烷二烯二醇包括氫化的聚丁二烯二醇。 9·如申請專利範圍第1項之層狀界面材料,其中該至少一 種胺樹脂包括一種馬來胺樹脂。 10.如申請專利範圍第9項之層狀界面材料,其中該馬來胺 78780-960518.doc · 1 _ 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐) 六、申請專利範園 樹脂包括烷基化的馬來胺樹脂。 11.如申請專利範圍第H)項之層狀界面材料,Λ中該烧基化 的馬來胺樹脂.包括丁基化的馬來胺樹脂。 12·如申請專利範圍第i項之層狀界面材料,其中該至少一 種熱傳導充填劑包括金屬粉末、氮化硼化合物或置组人。 13.如申請專利範圍第12項之層狀界面材料,其中該金^粉 末包括鋁粉末、銀粉末、銅粉末或其組合。 H.如申請專利範圍第2項之層狀界面材料,其中該至少一 種相改變材料包括一種蟻。 其中該蠟包括 15. 如申請專利範圍第14項之層狀界面材料 一種烷烴石蟻。 進一步包含至 16. 如申請專利範圍第丨項之層狀界面材料 少一種催化材料。 進一步包含至 17·如申請專利範圍第2項之層狀界面材料 少一種催化材料。 其中該順從担 18.如申請專利範圍第〗項之層狀界面材料^ 纖維界面組分包括眾多經植絨的熱傳導纖維 A如申請專利範圍第18項之層狀界面材料,其中該眾多經 植絨的熱傳導纖維埋入一黏著劑材料中。 20. 如申請專利範圍第19項之層狀界面材料,其中該眾多經 植絨的熱傳導纖維以實質上垂直的方向埋人,且咳眾多 的纖維有部分延伸出該黏著劑材料。 21. 如申請專利範圍第2〇項声 、層狀界面材料,其中該眾多經 植絨的熱傳導纖維包含一種射 ^種封閉劑材料,其配置在該眾 -2 - 78780-960518.doc 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(加X 297公h 六、申請專利範園 2 ^ /、中Μ眾數纖維延伸出該封閉劑材料。 22·如申請專利範圍第丨8 币項之層狀界面材料,其中該眾多經 植絨的熱傳導纖維包括碳、石墨、金屬 合物、鑽石或其組合。 23. 如申請專利範圍第22項之層狀界面材料 植絨的熱傳導纖維包括碳。 24. 如申請專利範圍第18項之層狀界面材料^ 植絨的熱傳導纖維之長度至少約0.0005英吋_ 2=申請專利範圍第24項之層狀界面材料:其中該眾多經 植絨的熱傳導纖維之長度至少約〇 〇〇1英吋。 26:申請專利範圍第25項之層狀界面材料,其中該眾多經 絨的熱傳導纖維之長度至少約〇 · 〇丨英忖。 27.如申請專利範圍第26項之層狀界面材料,其中該眾多經 植絨的熱傳導纖維之長度至少約〇1英吋。 28·如申請專利範圍第27項之層狀界面材料 植絨的熱傳導纖維之長度至少約丨英吋。 29·如申請專利範圍第18項之層狀界面材料, 植絨的熱傳導纖維之纖維直徑至少約3微米^ 30.如申請專利範圍第29項之層狀界面材料,其中該眾多經 植截的熱傳導纖維之纖維直徑至少約3〇微米。 31·如申請專利範圍第30項之層狀界面材料,其中該眾多經 植絨的熱傳導纖維之纖維直徑至少約3〇〇微米。 32.如申請專利範圍第18項之層狀界面材料,其中該封閉劑 包括一種凝膠材料。 陶瓷、導電聚 其中該幕多經 其中該眾多經 其中該眾多經 其中該眾多經 78780-960518.doc β 本紙張尺度適财S 0家料(CNS) Α鐵格(2謂97公爱) 1286514 、申請專利範園 33.如申請專利範圍第32項之層狀界面材料,其中該凝膠材 料包括矽凝膠、霧化襯墊材料(spray gasket mateHals) 或其組合。 %如申請專利範圍第18項之層狀界面材料,其中該眾多經 植絨的熱傳導纖維之熱傳導係數至少約h W/mK。 35·如申請專利範圍第_項之層狀界面材料,其 狀構件。 曰 36. 如申請專利範圍第_項之層狀界面材料,其係作為電 子構件。 37. 如申請專观圍第2項之層狀界面材料,其係作為膠帶。 38·種層狀界面材料之製造方法,其包括: 形成一種可交聯的熱界面組分; 提供一種包含熱傳導纖維及封閉劑之順從性纖維界 組分;及 |由 物理地結合該熱界面組分與該順從性纖維界面袓分. 其中形成該可交聯的熱界面鈒分之步驟係包括:刀’ 提供至少一種飽和的椽膠化合物; 提供至少一種胺樹脂; 交聯該至少一種飽和的橡膠化合物與該至少一種乂 ,以形成一交聯橡膠-樹脂混合物; 3、脂 加入至少一種熱傳導充填劑至該交聯的橡膠·樹脂汜 合物;及 加入一潤溼劑至該交聯的橡膠_樹脂混合物。 39.如申請專利範圍第38項之方法,進一步包1括加入至少— 種相改變材料至該交聯橡膠-樹脂混合物。 78780-960518.doc - 4 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐) A B c D 1286514 六、申請專利範園 40.—種形成申請專利範圍第38項之方法中所定義的包含熱 傳導纖維及封閉劑之順從性纖維界面組分的方法,其包 括: 提供一種具有一定長度的熱傳導纖維; 提供一基板; 塗佈黏著劑至該基板; 植絨該纖維至該基板; 將纖維埋入該黏著劑,且部分纖維延伸出該黏著劑; 硬化該黏著劑; 在延伸出該黏著劑的纖維與向下之自由末端纖維間配 置一可硬化的封閉劑; 將該些具有在該些纖維間之封閉劑的纖維壓進該黏著 劑;及 在加壓下同時硬化該封閉劑。 78780-960518.doc - 5 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐)
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