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DE102007027469A1 - Heat-conductance paste for use in power electronics for cooling components, like processors or power semiconductors, comprises base material and heat conductive additive - Google Patents

Heat-conductance paste for use in power electronics for cooling components, like processors or power semiconductors, comprises base material and heat conductive additive Download PDF

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DE102007027469A1
DE102007027469A1 DE200710027469 DE102007027469A DE102007027469A1 DE 102007027469 A1 DE102007027469 A1 DE 102007027469A1 DE 200710027469 DE200710027469 DE 200710027469 DE 102007027469 A DE102007027469 A DE 102007027469A DE 102007027469 A1 DE102007027469 A1 DE 102007027469A1
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Germany
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heat
thermal
base material
paste
processors
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Withdrawn
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DE200710027469
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German (de)
Inventor
Nico Correns
Karsten Maenz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Carl Zeiss Microscopy GmbH
Original Assignee
Carl Zeiss MicroImaging GmbH
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Publication date
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    • C09DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09KMATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
    • C09K5/00Heat-transfer, heat-exchange or heat-storage materials, e.g. refrigerants; Materials for the production of heat or cold by chemical reactions other than by combustion
    • C09K5/08Materials not undergoing a change of physical state when used

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Wärmeleitpaste, bestehend aus mindestens einem Grundstoff und mindestens einem wärmeleitenden Zusatzstoff. Erfindungsgemäß wird eine Wärmeleitpaste vorgeschlagen, bei der als Zusatzstoff Diamantpulver vorgesehen ist. Der Grundstoff soll die Diamantkörner optimal benetzen, um mit einem möglichst geringen Anteil an Grundstoff am Gesamtvolumen auszukommen. Diesbezüglich sind bevorzugt Epoxidharz oder Vaseline als Grundstoff in Betracht zu ziehen.The invention relates to a thermal compound consisting of at least one base material and at least one heat-conducting additive. According to the invention, a thermal compound is proposed in which diamond powder is provided as additive. The base material is intended to optimally wet the diamond grains, in order to make do with as little raw material as possible in the total volume. In this regard, epoxy resin or vaseline are the preferred raw material.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Wärmeleitpaste, bestehend aus mindestens einem Grundstoff und mindestens einem wärmeleitenden Zusatzstoff.The The invention relates to a thermal compound consisting of at least one base material and at least one heat-conducting Additive.

Wärmeleitpasten werden beispielsweise auf dem Gebiet der Leistungselektronik genutzt, um zu kühlende Komponenten, wie Prozessoren oder Leistungshalbleiter, gut wärmeleitend mit einem Kühlkörper zu verbinden. Dies ist vor allem dann von Bedeutung, wenn die zu kühlende Komponente eine hohe thermische Verlustleistung hat und diese über die Wärmeabgabe pro Flächeneinheit minimiert werden soll.Thermal Greases are used, for example, in the field of power electronics, to cool Components, such as processors or power semiconductors, good thermal conductivity with a heat sink too connect. This is especially important when the component to be cooled has a high thermal dissipation and this on the heat output per unit area should be minimized.

Weiterhin werden Wärmeleitpasten beispielsweise bei Peltier-Kühlgeräten zwischen dem Peltierelement und den Wärmeübertragern verwendet.Farther become thermal compounds for example, in Peltier refrigerators between the Peltier element and the heat exchangers used.

Die Montageflächen an den Kühlkörpern, die zwecks Wärmeübertragung mit einer zu kühlenden Komponente verbunden werden sollen, weisen durch mechanische Bearbeitung bedingte Rauhigkeiten auf. Auch wenn die Rauhtiefe dabei in der Regel klein ist, wird Luft darin eingeschlossen, die die Wärmeübertragung hemmt. Ebenso bei dem zu kühlenden Bauteil: beispielsweise tragen Prozessoren häufig vertieft aufgebrachte Markierungen, und oft sind bei Leistungshalbleitern die Metallflansche, die der Wärmeableitung dienen, technologisch bedingt uneben. Wärmeleitpasten füllen diese Rauhtiefen und Unebenheiten aus und ermöglichen somit eine bessere Wärmeübertragung von der wärmeabgebenden Komponente zum Kühlkörper.The mounting surfaces at the heat sinks, in order heat transfer with a component to be cooled are to be connected, have due to mechanical processing Roughness on. Even if the roughness depth is usually small, Air is trapped in it which inhibits heat transfer. Likewise at the component to be cooled: For example, processors often wear in-depth Markings, and often in power semiconductors are the metal flanges, the heat dissipation serve, uneven technologically. Thermal compounds fill these Roughness and unevenness and thus allow better heat transfer from the heat-emitting component to the heat sink.

Die stoffliche Zusammensetzung von Wärmeleitpasten ist von Hersteller zu Hersteller verschieden. Meist enthalten Wärmeleitpasten als Grundstoffe Silikonpaste oder Zinkoxid. Als Zusatzstoffe sind Aluminium-, Kupfer- oder Silberbestandteile in Pulverform bekannt. In jüngerer Zeit sind Wärmeleitpasten bekannt geworden, bei denen die Wärmeleitung auf thermoplastischen Kunststoffen basiert. Je nach Ausführung und Zusammensetzung variiert die Wärmeleitfähigkeit unter den verfügbaren Wärmeleitpasten um den Faktor drei bis vier.The Material composition of thermal compounds varies from manufacturer to manufacturer. Most contain thermal compounds as raw materials silicone paste or zinc oxide. As additives are aluminum, Copper or silver components in powder form known. More recently are thermal compounds have become known in which the heat conduction to thermoplastic Based on plastics. Depending on the design and composition varies the thermal conductivity among the available Thermal Greases by a factor of three to four.

Weitere, relativ neue Wärmeleitpasten verwenden Flüssigmetall. Da diese Wärmeleitpasten elektrisch leitfähig sind, ist beispielsweise eine Verwendung im Zusammenhang mit Aluminiumkühlkörpern nicht möglich, da sich bei dem Kontakt mit Aluminium Lokalelemente bilden, welche die Oxidschicht auflösen, die das Aluminium schützt, und so in Verbindung mit der stets vorhandenen Luftfeuchtigkeit die Korrosion begünstigen.Further, relatively new thermal compounds use liquid metal. Because these thermal compounds electrically conductive For example, use with aluminum heatsinks is not possible, since contact with aluminum forms local elements, which dissolve the oxide layer, which protects the aluminum, and so in conjunction with the ever-present humidity promote corrosion.

Ebenfalls neue Entwicklung verwenden Kohlenstoff-Nanopartikel als Zusatzstoff. Auch diese Pasten sind nachteiligerweise elektrisch leitfähig.Also new development use carbon nanoparticles as an additive. Also these pastes are disadvantageously electrically conductive.

Schließlich wird die Effizienz bei der Wärmeübertragung mittels Wärmeleitpasten auch von der Dicke ihres Auftrages mitbestimmt. Diesbezüglich ist die Größe der zugesetzten Teilchen aus Aluminium, Kupfer, Silber oder Kunststoffen von Bedeutung. Je größer diese Teilchen sind, um so größer ist auch der zu überbrückende Spalt und damit der Anteil der Grundstoffe wie Silikonpaste, die eine verhältnismäßig schlechte Wärmeleitfähigkeit hat. Andererseits ist, insbe sondere bei Kupfer und Silber, die minimale Korngröße aufgrund der Oberflächenoxidation beschränkt.Finally will the efficiency of heat transfer by means of thermal compounds also determined by the thickness of your order. In this regard, the Size of the added Particles of aluminum, copper, silver or plastics of importance. The bigger this one Particles are the bigger also the gap to be bridged and hence the proportion of raw materials like silicone paste, the one relatively bad thermal conductivity Has. On the other hand, especially for copper and silver, the minimum grain size due the surface oxidation limited.

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde eine Wärmeleitpaste zu entwickeln, welche die vorstehend beschriebenen Nachteile weitestgehend beseitigt.From that starting the invention, the object is based on a thermal compound to develop, which the disadvantages described above as far as possible eliminated.

Erfindungsgemäß wird eine Wärmeleitpaste vorgeschlagen, die aus mindestens einem Grundstoff und mindestens einem wärmeleitenden Zusatzstoff besteht, wobei als Zusatzstoff Diamantpulver vorgesehen ist.According to the invention is a Thermal compound proposed, that of at least one base material and at least one heat-conducting Additive exists, with provided as an additive diamond powder is.

Vorteilhaft sollte das zugesetzte Diamantpulver unterschiedliche Korngrößen aufweist. Empfehlenswert sind Korngrößen im Bereich von 0,1 bis 54 μm.Advantageous the added diamond powder should have different grain sizes. We recommend grain sizes in the range from 0.1 to 54 μm.

Als Grundstoff, der zugleich die Funktion eines Bindemittels übernimmt, kann ein Epoxidharz oder eine Vaseline vorgesehen sein. Beispielsweise kommen dafür bevorzugt Epilox-Epoxidharz-Formulierungen oder Vaseline-Formulierungen auf Basis von Polyethylen- oder Polypropylenglykol in Betracht.When Raw material, which at the same time assumes the function of a binder, may be provided an epoxy resin or a Vaseline. For example, come preferred for that Epilox-epoxy resin formulations or Vaseline formulations based on polyethylene or polypropylene glycol into consideration.

Der wesentliche Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Wärmeleitfähigkeit von Diamant etwa fünfmal größer ist als die Wärmeleitfähigkeit von Silber, das bisher als optimaler Zusatzstoff angesehen wird. Bei Diamant kommt es nicht zur Oberflächenoxydation wie bei Metallen.Of the essential advantage of the invention is that the thermal conductivity by diamond about five times is larger as the thermal conductivity of silver, which is hitherto regarded as an optimal additive. Diamond does not cause surface oxidation as it does with metals.

Diamantpulver ist industriell in fast jeder Korngröße erhältlich. So ist es möglich, verschiedene Korngrößen miteinander kombiniert so dem Grundstoff einer Wärmeleitpaste zuzusetzen, dass der jeweils zu überbrückende Spalt im Hin blick auf eine maximale Wärmeübertragung optimal überbrückt werden kann.diamond powder is industrially available in almost any particle size. So it is possible to different grain sizes with each other combined so the basic substance of a thermal grease add that each to be bridged gap In view of a maximum heat transfer be bridged optimally can.

Der Anteil des Grundstoffes kann gering gehalten werden, indem die Hohlräume in Diamantpulver größerer Körnung durch Diamantpulver kleinerer Körnung ausgefüllt werden. Die dabei noch verbleibenden Hohlräume werden wiederum durch Diamantpulver noch kleinerer Körnung ausgefüllt, und so weiter.The proportion of the base material can be kept low by the cavities are filled in diamond powder larger grain size by diamond powder smaller grain size. The still remains Benden cavities are in turn filled by diamond powder even smaller grain size, and so on.

Der verwendete Grundstoff muß die Diamantkörner optimal benetzen, um mit einer möglichst geringen prozentualen Menge an Grundstoff auszukommen. Hierfür können außer dem bereits oben angegebenen Epoxidharz und der Vaseline weitere organische bzw. modifizierte anorganische, benetzende Bindemittel verwendet werden. Wasser scheidet aus, da es Diamant nicht benetzen kann.Of the used raw material must the diamond grains optimally wet to the lowest possible percent of raw material. For this purpose, except the already mentioned above epoxy resin and Vaseline further organic or modified inorganic wetting binder used become. Water is eliminated because it can not wet diamond.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Wärmeleitpaste ergibt sich daraus, dass mit Diamantpulver als Zusatzstoff keine elektrische Leitfähigkeit gegeben ist und somit entsprechende Anwendungsfälle erschlossen werden können.One Another advantage of the thermal paste according to the invention results from that with diamond powder as an additive no electrical conductivity is given and thus appropriate applications can be developed.

Um die Ankopplung der Wärmeleitpaste an die Bauteile zu verbessern kann zusätzlich vorgesehen sein und liegt auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung, die aneinandergrenzenden bzw. zwecks Wärmeableitung miteinander zu verbindenden Flächen von Komponenten bzw. Bauteilen mit einer Beschichtung aus Diamantpulver zu versehen.Around the coupling of the thermal compound to improve the components may additionally be provided and is also within the scope of the present invention, the contiguous or for heat dissipation to be joined together surfaces of components or components with a coating of diamond powder to provide.

Mit dieser Beschichtung wird eine Oxydationsschicht auf diesen Flächen verhindert und gleichzeitig die Oberflächenbenetzung verbessert.With This coating prevents an oxidation layer on these surfaces and at the same time the surface wetting improved.

Als Ausführungsbeispiel sei eine Wärmeleitpaste angegeben mit Polypropylenglykol als Grundstoff und mit Diamantpulver der Korngrößen 20 μm, 7 μm, 3 μm und 0,25 μm.When embodiment be a thermal grease indicated with polypropylene glycol as base material and with diamond powder the grain sizes 20 microns, 7 microns, 3 microns and 0.25 microns.

Die erfindungsgemäße Wärmeleitpaste wird auf die Kontaktfläche zwischen Wärmequelle und Kühlkörper aufgebracht, wobei die beiden Kontaktflächen möglichst eben und glatt zu gestalten sind. Restliche Unebenheiten zwischen den Kontaktflächen werden durch die Wärmeleitpaste aufgefüllt. Die Korngrößenverteilung der Diamanten in der Wärmeleitpaste muss der Rauhigkeitsverteilung der Kontaktflächen angepasst sein, das heißt sie muß näherungsweise die gleiche Größenverteilung besitzen, damit die Unebenheiten möglichst gut ausgefüllt werden.The Thermal paste according to the invention gets on the contact surface between heat source and heat sink applied, the two contact surfaces preferably flat and smooth. Remaining bumps between the contact surfaces be through the thermal grease refilled. The Particle size distribution the diamond in the thermal grease must be adapted to the roughness distribution of the contact surfaces, that is, they must be approximate the same size distribution own, so that the bumps are filled as well as possible.

Claims (5)

Wärmeleitpaste, bestehend aus mindestens einem Grundstoff und mindestens einem wärmeleitenden Zusatzstoff, dadurch gekennzeichnet, dass als Zusatzstoff Diamantpulver vorgesehen ist.Thermal paste, consisting of at least one base material and at least one heat-conducting additive, characterized in that is provided as an additive diamond powder. Wärmeleitpaste nach Anspruch 1, bei welcher das zugesetzte Diamantpulver unterschiedliche Korngrößen aufweist.Thermal Compounds according to claim 1, wherein the added diamond powder has different grain sizes. Wärmeleitpaste nach Anspruch 2, bei welcher das zugesetzte Diamantpulver Korngrößen im Bereich von 0,1 bis 54 μm aufweist.Thermal Compounds according to claim 2, wherein the added diamond powder particle sizes in the range from 0.1 to 54 μm having. Wärmeleitpaste nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei welcher als Grundstoff ein Epoxidharz oder eine Vaseline vorgesehen ist.Thermal Compounds according to one of the preceding claims, wherein as a basic material an epoxy resin or a vaseline is provided. Wärmeleitpaste nach Anspruch 4, bei welcher als Grundstoff Epilox-Epoxidharz oder eine Paste auf Basis eines Polypropylenglykols vorgesehen ist.Thermal Compounds according to claim 4, wherein as a base Epilox epoxy resin or a paste based on a polypropylene glycol is provided.
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