TWI553111B - 具有低熱阻之熱油脂 - Google Patents

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Description

具有低熱阻之熱油脂
本發明係關於熱界面材料及其用途。詳言之，本發明係關於具有低熱阻之熱油脂。
在電腦工業中，持續不斷地向更高的計算能力及速度行進。所製造的微處理器之特徵尺寸正變得愈來愈小，用以提高計算速度。因此，功率通量增加，且每單位面積之微處理器產生更多的熱量。由於微處理器之熱量輸出增加，導致熱量或「熱管理」變得更具挑戰。
熱管理之一個態樣在工業中已知為「熱界面材料」或「TIM」，藉此該種材料置於熱源(諸如微處理器)與散熱裝置之間以促進熱傳遞。該等TIM可呈油脂或片狀材料之形式。該等熱界面材料亦用於消除微處理器與散熱裝置之間的任何絕緣空氣。
TIM通常用於將熱源熱連接於熱散播器，亦即，與該熱源相比較大之導熱板，在此情形下，該等TIM稱為TIM I。TIM亦可用在熱散播器與散熱裝置(諸如冷卻裝置或鰭片散熱器)之間，在此情形下，該等TIM稱為TIM II。TIM可存在於特定設備中的一個或兩個位置。
在一個實施例中，本發明為一種導熱油脂。該導熱油脂包括載劑油、至少一種分散劑及導熱粒子。導熱粒子之D50(體積平均)粒度不大於約11微米，且以該導熱油脂中 導熱粒子之總體積計，該導熱油脂中該等導熱粒子含有小於3體積%之粒度為0.7微米或小於0.7微米的粒子。
在另一實施例中，本發明為一種微電子包裝(microelectronic package)，其包括基板、附接於該基板之至少一種微電子熱源及該微電子熱源上之導熱油脂。
在另一實施例中，本發明為一種製備導熱油脂之方法。該方法包括提供載劑油、分散劑及導熱粒子；混合載劑油與分散劑以形成混合物；及將導熱粒子混入該混合物中。導熱粒子之D50(體積平均)粒度不大於約11微米，且以該導熱油脂中導熱粒子之總體積計，該導熱油脂中該等導熱粒子含有小於3體積%之粒度為0.7微米或小於0.7微米的粒子。
在另一實施例中，本發明為一種導熱油脂，其包括載劑油、分散劑及導熱粒子。該等導熱粒子之D50(體積平均)粒度不大於約7微米且不小於約0.9微米。
如本文中所使用：「油脂」意謂一種在1/秒之剪切速率及20℃下黏度大於1×104 cps(10 Pa.s)且在1/秒之剪切速率及125℃下黏度小於108 cps的材料。
「導熱油脂」意謂體傳導度大於0.05 W/m-K之油脂。
除非另有說明，否則文中所有數值均假定為由術語「約」修飾。藉由端點列舉數值範圍包括彼範圍內包含的所有數值(例如，1至5包括1、1.5、2、2.75、3、3.80、4 及5)。
本發明之導熱油脂(TCG)包括載劑油、分散劑及導熱粒子。本發明之TCG具有低熱阻、良好網版印刷特性及良好導熱性值。為了使TCG具有較低熱阻及良好網版印刷特性，導熱粒子之粒度必須與載劑油之量達成平衡。若導熱粒子之粒度過小，則增加之表面積及界面可能提高TCG之熱阻。因此，當導熱粒子之粒度減小時，TCG中載劑油之量增加，且當導熱粒子之粒度增加時，TCG中載劑油之量增加。然而，載劑油之量亦會影響TCG之熱阻。載劑油過多會提高TCG之熱阻，而載劑油不足則會導致不良網版印刷特性。
載劑油向TCG提供基質(base)或基質(matrix)。適用載劑油可包含合成油或礦物油或其組合，且通常在環境溫度下可流動。適合載劑油包括聚矽氧油及烴基油。適用烴基載劑油之特定實例包括多元醇酯、環氧化物及聚烯烴或其組合。
市售載劑油包括HATCOL 1106(一種二異戊四醇與短鏈脂肪酸之多元醇酯)、HATCOL 3371(一種三羥甲基丙烷、己二酸、辛酸與癸酸之複合多元醇酯)及HATCOL 2938(一種基於三羥甲基丙烷之多元醇酯潤滑劑)，其全部可購自Hatco Corporation,Fords,NJ；HELOXY 71(一種脂族環氧酯樹脂)，可購自Hexion Specialty Chemicals,Inc.,Houston,TX；及SILICONE OIL AP 100(一種聚矽氧油)，可購自Sigma-Aldrich,St.Louis,MO。
載劑油在TCG中之含量可為總組合物之多達約12重量%、尤其多達約20重量%且更尤其多達約49.5重量%。在其他實施例中，載劑油之含量可為總組合物之至少約0.5重量%、尤其至少約1重量%且更尤其至少約2重量%。載劑油在本發明之TCG中之含量亦可介於約0.5至約20重量%之間、尤其介於約1至約15重量%之間且更尤其介於約2至約12重量%之間的範圍內。
本發明之TCG可含有一或多種分散劑。分散劑可與載劑油組合存在，或可在無載劑油存在下存在。分散劑改良導熱粒子(如下述)於載劑油(若存在)中之分散。適用分散劑性質上可表徵為聚合的或離子的。離子分散劑可為陰離子的或陽離子的。在一些實施例中，分散劑可為非離子的。可使用分散劑之組合，諸如，離子分散劑與聚合分散劑之組合。在一些實施例中，使用單一分散劑。
適用分散劑之實例包括(但不限於)：聚胺、磺酸酯、經改質之聚己內酯、有機磷酸酯、脂肪酸、脂肪酸鹽、聚醚、聚酯及多元醇，及無機分散劑，諸如經表面改質之無機奈米粒子，或其任何組合。
市售分散劑之實例包括彼等具有以下商標名者：SOLSPERSE 24000、SOLSPERSE 16000及SOLSPERSE 39000超分散劑(hyperdispersant)，可購自Noveon,Inc.,Lubrizol Corporation之子公司，Cleveland,OH；EFKA 4046(一種經改質之聚胺基甲酸酯分散劑)，可購自Efka Additives BV,Heerenveen,the Netherlands；MARVEL 1186(一種油基分散劑)，可購自Marvel Chemical Co.Ltd.,Taipei Taiwan；及RHODAFAC RE-610(一種有機磷酸酯)，可購自Rhone-Poulenc,Plains Road,Granbury,NJ。
分散劑在TCG中之含量係介於約0.5與約50重量%之間。在一個實施例中，分散劑之含量為總組合物之多達約5重量%、尤其多達約10重量%且更尤其多達約25重量%。在另一實施例中，分散劑之含量可為至少約1重量%。分散劑在本發明之TCG中之含量亦可介於約1至約5重量%之間的範圍內。
本發明之TCG含有導熱粒子。通常，可使用熟習此項技術者已知的任何導熱粒子。適合導熱粒子之實例包括(但不限於)彼等由以下材料製得者或包含以下材料者：金剛石、多晶金剛石、碳化矽、氧化鋁、氮化硼(六方或立方)、碳化硼、二氧化矽、石墨、非晶碳、氮化鋁、鋁、氧化鋅、鎳、鎢、銀、碳黑及其任何組合。儘管二氧化矽被列為導熱粒子，但規定煙霧狀二氧化矽不被視為適用導熱粒子為重要的。煙霧狀二氧化矽為已一起融合成分支、三維聚集體的二氧化矽粒子，該等二氧化矽粒子之初始粒度小於約200 nm。該等分支、三維聚集體通常包含鏈狀結構。
為了使TCG具有較低熱阻及良好網版印刷特性，導熱粒子之粒度須控制在特定尺寸範圍。若粒度過大，則咸信大粒度將導致TIM厚度增加，因為當TIM在使用期間置於兩個組件之間時，大粒度會限制可製備TIM的薄度。該增加 之厚度據認為可提高TIM之熱阻。若粒度或粒子之既定分佈中粒度的分數過小，則可能難以將該等粒子完全濕潤且將其分散至導熱油脂中，從而導致油脂之流動特性及網版可印性較差。在一些實施例中，導熱粒子之D50(體積平均)粒度不大於約11微米、不大於約7微米、不大於約5微米及不大於約4微米。在一些實施例中，導熱粒子之D50(體積平均)粒度不小於3微米、不小於約2微米、不小於約1微米、不小於約0.9微米及不小於約0.7微米。在一些實施例中，D50(體積平均)粒度之範圍介於0.7至11微米、0.9至7微米、2至5微米及2至4微米。在一些實施例中，以導熱油脂中粒子之總體積計，導熱油脂中導熱粒子含有小於3體積%、小於2體積%及甚至小於1體積%之粒度為0.7微米或小於0.7微米的粒子。
在一個實施例中，以TCG中導熱粒子之總體積計，TCG中導熱粒子含有小於約3體積%之粒度為0.7微米或小於0.7微米的粒子。大多數導熱粒子之粒度為至少約0.7微米。在一些實施例中，以TCG中導熱粒子之總體積計，至少約80體積%、約90體積%、約95體積%、約97體積%、約98體積%或約99體積%之導熱粒子的粒度大於0.7微米。
在一些實施例中，提供具有最大可能體積分數之熱傳導粒子的TCG為合乎需要的，該TCG與所得TCG之所需物理特性相一致，例如該TCG適應於其所接觸之表面，及該TCG可充分流動以易於塗覆。
在一個實施例中，導熱粒子在本發明之TCG中之含量可 為至少約50重量%。在其他實施例中，導熱粒子之含量可為至少約70、約75、約80、約85、約86、約87、約88、約89、約90、約91、約92、約93、約94、約95、約96、約97或約98重量%。在其他實施例中，導熱粒子在本發明之TCG中之含量可為至多約99、約98、約97、約96、約95、約94、約93、約92、約91、約90、約89、約88、約87、約86或約85重量%。
本發明之TCG及TCG組合物亦可視情況包括添加劑，諸如(但不限於)：抗負載劑、抗氧化劑、調平劑及溶劑(用以降低塗覆黏度)，例如，甲基乙基酮(MEK)、甲基異丁基酮，及酯類，諸如乙酸丁酯。
在一個實施例中，TCG包括搖變劑(例如煙霧狀二氧化矽)以在網版印刷期間防止濕透。市售搖變劑之實例包括彼等具有商標名CAB-O-SIL M5及CAB-O-SIL TS-610者，其均可購自Cabot Corporation,Boston,MA。
在一個實施例中，本發明之TCG的熱阻小於約0.15℃×cm2/W、尤其小於約0.13℃×cm2/W、更尤其小於約0.12℃×cm2/W、更尤其小於約0.11℃×cm2/W且甚至更尤其小於約0.10℃×cm2/W。
本發明之TCG通常藉由一起摻合分散劑及載劑油接著以最精細至最大平均粒度之次序將熱傳導粒子相繼摻入該分散劑/載劑油混合物中來製備。亦可將導熱粒子彼此預混合，且隨後添加至液體組分中。將熱量加至該混合物以便降低總黏度且幫助達成均勻分散之混合物。在一些實施例 中，在將粒子混入分散劑/載劑混合物中之前首先使用分散劑預處理或預分散一部分或所有導熱粒子可為合乎需要的。
在其他實施例中，TCG可藉由對經摻合組分進行溶劑澆鑄、隨後進行乾燥以移除溶劑來製備。例如，可在適合釋放表面(例如離型襯墊或載體)上提供TCG組分摻合物。
在其他實施例中，TCG可藉助於能源(例如，熱量、光、聲音或其他已知能源)塗覆於載體或意欲使用之裝置。
在一些實施例中，本發明之材料的較佳組合合併Hatcol 2938作為載劑、Marvel 1186作為分散劑及氧化鋅與球狀鋁之摻合物。
本發明之TCG可用於微電子包裝中，且可用於幫助將熱量自熱源(例如微電子晶粒或晶片)耗散至散熱裝置。微電子包裝可包含至少一個熱源(例如安裝於基板上之晶粒或在基板上之堆疊晶粒)、在該熱源上之本發明的導熱油脂，且可包括與晶粒呈熱及物理接觸的其他散熱裝置，諸如熱散播器。熱散播器亦可為任何後續散熱裝置之熱源。本發明之導熱油脂適用於提供該晶粒與散熱裝置之間的熱接觸。另外，本發明之TCG亦可用於散熱裝置與冷卻裝置之間的熱及物理接觸中。在另一實施例中，本發明之TCG可用於熱量產生裝置與冷卻裝置之間，亦即，其間不使用熱量或熱散播器。本發明之TCG適用於TIM I及TIM II應用中。
實例
在以下實例中更具體地描述本發明，該等實例僅意欲用 作說明，此係因為本發明之範疇內的許多改變及變化將為熟習此項技術者顯而易知。除非另有說明，否則以下實例中報導之所有份數、百分比及比率均以重量計。
測試方法 熱阻
使用可購自Long Win Science and Technology Corporation,Yangmei,Taiwan之型號LW9389 TIM熱阻及導熱性測試設備根據ASTM 5470-06來量測熱阻。在80 psi之壓力下獲取熱阻之報導值。
D50及D100粒度
自導熱粉末之供應商獲得D50(基於對數常態分佈之質量中值直徑)及D100粒度。使用習知光散射技術及設備(諸如，Hydro 2000 MU，可購自Malvern Instruments,Ltd.,Worcestershire,United Kingdom)獲得該等粒度。
D50(體積平均)粒度
針對具有多種粒子類型之熱油脂調配物，基於個別D50之體積平均值計算調配物中粒子之D50(體積平均)粒度。使用呈2.7 g/cm3之鋁密度、呈3.21 g/cm3之碳化矽密度、呈5.606 g/cm3之氧化鋅密度及呈4.02 g/cm3之氧化鋁密度，計算各調配物中各類型之礦物的體積。隨後可計算D50(體積平均)粒度。接著進行樣品計算。假定調配物具有19.1體積份(pbv)之D50為12.2的第一粒子，8.0 pbv之D50粒度為1.5的第二粒子及2.3 pbv之D50粒度為0.7的第三粒子。D50(體積平均)=[(19.1×12.2)+(8.0×1.5)+(2.3×0.7)]/ [19.1+8.0+2.3]。在此情形下，D50(體積平均)=8.4。針對具有單一、導熱粒子類型之熱油脂調配物，D50(體積平均)為特定粒子分佈的D50值。在包括煙霧狀二氧化矽之TCG調配物中，煙霧狀二氧化矽不包括於D50(體積平均)之計算中，此係因為煙霧狀二氧化矽不被視為適用的導熱粒子。
網版可印性
藉由經由80網目網版(其對應於約177微米之開口)將熱油脂網版印刷於2.5 cm×2.5 cm耐綸片上來獲得網版可印性。網版亦為約2.5 cm×2.5 cm。將耐綸片置放於具有類似長度及寬度且具有約1.5 cm之深度的空腔中。空腔係呈鋁塊形式形成，7 cm×4 cm×2 cm。將網版置放於耐綸片上。將熱油脂接近一個邊緣置放於網版上。將基本尺寸為約2 cm×4 cm的塑料聚胺基甲酸酯刮刀手動刮過網版之長度，以推動油脂進入及經過網版。空腔之側壁充當塑料刮刀之導引。在自耐綸片移除網版之後，目檢獲得耐綸片上之印刷油脂的品質。
混合程序
根據以下一般性程序混合根據表1至5中之調配物的熱油脂。表中數值均以重量計。首先添加主要液體組分(Hatcol 2938或AP 100)，隨後添加分散劑、煙霧狀二氧化矽、Irganox 1010(若使用)。若單獨使用或與另一粉末組合使用ZnO粉末，則在混合之前將ZnO粉末添加至先前混合物中。該等組分隨後在2,500 rpm下之高剪切混合器中一起混合約3分鐘。在混合之後，添加任何其他粉末且在2,500 rpm下的高剪切下混合約3分鐘。
材料
使用上述混合程序，根據表1、2、3、4及5中所述調配物製備熱油脂組合物。實例藉由「Ex.」指定及比較性實例藉由「CE」指定。使用熱阻測試方法，針對各樣品量測熱阻。結果展示於表1、2、3、4及5中。針對一些樣品，亦根據以上網版可印性測試方法檢查網版可印性。結果在表1及表5中。
如表中所述，即使導熱粒子負載相同，TCG調配物中使用之粒度仍影響TCG之熱阻。當粒度減小時，熱阻亦降低。例如，在表2中，實例6之TCG調配物具有最小的之粒度，且具有最低之熱阻。令人吃驚地，已發現當D50(體積平均)粒度不大於約5微米且不小於約2微米時，TCG之熱阻展現最小值。
表1-4展示恰恰將其他導熱粒子添加至TCG調配物中，粒子之最大尺寸對TCG之熱阻的影響最大。另外，表4中之資料展示當導熱粒子之粒度相同時，粒子負載增加會降低熱阻。
儘管本發明已參考較佳實施例進行描述，但熟習此項技術者將認識到，在不背離本發明之精神及範疇之情形下可在形式及細節上作出改變。

Claims (16)

  1. 一種導熱油脂，其包含：載劑油；分散劑；及導熱粒子，其中該等導熱粒子之D50(體積平均)粒度不大於約11微米，及其中以該導熱油脂中導熱粒子之總體積計，該導熱油脂中之該等導熱粒子含有小於約3體積%之粒度為0.7微米或小於0.7微米的粒子，其中該導熱油脂具有小於約0.15℃×cm2/W之熱阻。
  2. 如請求項1之導熱油脂，其中該載劑油為烴基載劑油及聚矽氧油中之一者。
  3. 如請求項1之導熱油脂，其中當該載劑油為烴基載劑油時，該載劑油係選自由以下組成之群：多元醇酯、環氧化物及聚烯烴或其組合。
  4. 如請求項1之導熱油脂，其進一步包含搖變劑。
  5. 如請求項1之導熱油脂，其中該等導熱粒子包含選自由以下組成之群的材料：金剛石、多晶金剛石、碳化矽、氧化鋁、氮化硼(六方或立方)、碳化硼、二氧化矽、石墨、非晶碳、氮化鋁、鋁、氧化鋅、鎳、鎢、銀及其組合。
  6. 如請求項1之導熱油脂，其中該等導熱粒子之D50(體積平均)粒度不大於約7微米。
  7. 如請求項1之導熱油脂，其中該等導熱粒子之D50(體積平均)粒度不大於約5微米。
  8. 如請求項1之導熱油脂，其中該等導熱粒子之D50(體積平均)粒度不小於約0.9微米。
  9. 一種微電子包裝，其包含：基板；附接於該基板之至少一個微電子熱源；及在該至少一個微電子熱源上之如請求項1之導熱油脂。
  10. 如請求項9之微電子包裝，其進一步包含熱散播器，其中該導熱油脂係存在於該微電子熱源與該熱散播器之間。
  11. 如請求項10之微電子包裝，其進一步包含散熱裝置，其中該導熱油脂係存在於該熱散播器與該散熱裝置之間。
  12. 一種製備導熱油脂之方法，其包含：提供載劑油、分散劑及導熱粒子，其中該等導熱粒子之D50(體積平均)粒度不大於約11微米，及其中以該導熱油脂中導熱粒子之總體積計，該導熱油脂中之該等導熱粒子含有小於約3體積%之粒度為0.7微米或小於0.7微米的粒子，其中該導熱油脂具有小於約0.15℃×cm2/W之熱阻；混合該載劑油與該分散劑以形成混合物；及將該等導熱粒子混入該混合物中。
  13. 如請求項12之方法，其中該等導熱粒子之D50(體積平均)粒度不大於約7微米。
  14. 如請求項12之方法，其中該等導熱粒子之D50(體積平均) 粒度不大於約5微米。
  15. 一種導熱油脂，其包含：載劑油；分散劑；及導熱粒子，其中該等導熱粒子之D50(體積平均)粒度小於約7微米且大於約0.9微米，其中該導熱油脂具有小於約0.15℃×cm2/W之熱阻。
  16. 如請求項15之導熱油脂，其中該等導熱粒子之D50(體積平均)粒度小於約5微米且大於約2微米。
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