TWI491722B - 具苯基酯之熱介面材料 - Google Patents

Description

具苯基酯之熱介面材料

本發明係關於一種用於將熱量自產熱電子器件轉移至散熱器之導熱性材料，該散熱器吸收並耗散所轉移之熱量。

包含半導體之電子器件在運行期間產生大量熱量。所產生熱量的多少與該半導體之性能有關，性能較小之設備產生較少的熱量。為冷卻該等必須經冷卻以獲得可觀性能之半導體，將散熱器連接至該設備。在運行中，使用期間所產生之熱量自半導體轉移至散熱器，熱量在此被耗散而不產生損害。為最大化自半導體轉移至散熱器之熱量，利用一種導熱材料，稱之為熱介面材料(TIM)。該TIM完美地實現了散熱器與半導體材料之間的親密接觸而便於熱量轉移。

目前半導體製造商所使用之各類TIM均具有各自的優點及缺點。對於較高性能半導體產生相對較少熱量之彼等半導體，較佳的熱解決方案係使用熱凝膠，其包含鋁作為導熱性材料。此等材料提供足夠的導熱性(3至4 W/m-K)，但是其等在壓力下易層離。

因此，最佳提供一種易處理並應用，且亦提供足夠強的導熱性及可靠性能之熱介面材料。

本發明係一種於產熱的含半導體設備中作為熱介面材料之組合物。

在一實施例中，該組合物包含金屬鋁顆粒及苯基酯。在另一實施例中，該組合物進一步包含環氧化二聚體脂肪酸。在第三個實施例中，該組合物進一步包含源自堅果殼油之環氧樹脂。在所有實施例中，視需要選擇觸媒。該等金屬顆粒實質上未添加有鉛。苯基酯作為主要樹脂組分存在使得組合物可撓性更強，因此避免破裂並增加散熱器與半導體之間的接觸。因此，苯基酯之存在起抑制熱降解之作用並因此使熱阻抗經時保持安定。

環氧化二聚體脂肪酸之使用，及在某些實施例中額外使用源自堅果油之環氧樹脂，為熱介面材料提供最有利之模量範圍。此等環氧物質形成凝膠狀或黏性物質，其使熱介面材料中之焊料顆粒物理上保持原位相連，從而使熱阻抗經時保持安定。

在另一實施例中，本發明係一種包含產熱元件、散熱器及如上述描述之熱介面材料的電子器件。

本發明之熱介面材料可用於任意需要熱耗散之產熱元件，且特定言之，用於半導體設備中之產熱元件。在該等設備中，熱介面材料在產熱元件與散熱器之間形成一層體並將待耗散之熱量轉移至散熱器。該熱介面材料亦可用於含有傳熱器之設備。在該設備中，將一層熱介面材料置於產熱元件與傳熱器之間，且將第二層熱介面材料置於傳熱器與散熱器之間。

在一實施例中，苯基酯係選自由下述化合物組成之群：

丙酸二乙酸酯

雙酚A二烯丙基二乙酸酯

二乙酸酯二聚體

單官能性乙酸酯

及

四官能性乙酸酯

苯基酯將以組合物總重量的5至35重量%存在於該組合物中。

環氧化二聚體脂肪酸係二聚體脂肪酸與表氯醇之反應產物。在一實施例中，環氧化二聚體脂肪酸具有以下結構，其中R係表示為C₃₄ H₆₈ 之34碳鏈：

其可自New Jersey之CVC Chemical購得。

源自堅果殼油之環氧樹脂包含一或兩種以下結構：

此等樹脂可自New Jersey之Cardolite公司購得。單官能性環氧樹脂或雙官能性環氧樹脂或任何比率之混合物在TIM組合物中係同等有效的。

視需要使用環氧官能基之觸媒，但可使用該技術中已知的適於聚合或固化環氧官能基之任何觸媒。適宜觸媒實例包括過氧化物及胺。該觸媒存在時，則以有效量使用；在一實施例中，有效量範圍係組合物的0.2至2重量%。

鋁金屬顆粒因較焊料或銀成本更低而常用於熱介面材料中，儘管亦可能存在銀顆粒。一示例性鋁金屬粉末可自Illinois之Toyal America購得。在一實施例中，該金屬粉末之平均粒徑約為1-10微米。在一實施例中，該金屬粉末將以總組合物的50至95重量%存在於該組合物中。

在圖1所說明之一實施例中，利用兩層熱介面材料之電子元件10包含基板11，其藉由互連14而附接於矽晶粒12。該矽晶粒產生熱量，該熱量轉移通過與該晶粒之至少一側相鄰的熱介面材料15。傳熱器16鄰近該熱介面材料並用於耗散通過第一層熱介面材料之熱量中的一部份。散熱器17鄰近該傳熱器以耗散任何所轉移之熱量。熱介面材料位於傳熱器與散熱器之間。熱介面材料18通常較熱介面材料15更厚。

實例

製備包含下表所示之該等組分(以重量%計)之組合物。將本發明樣品標記為A、B、C、及D。將比較樣品標記為E、F及G。其等均包含聚合樹脂及鋁粉之液態反應混合物。

藉由測定置於矽晶粒與銅板之間的TIM組合物內之熱阻而測定該等TIM組合物的導熱性。加熱矽晶粒並利用電壓與電流表之組合測定所輸入之熱量。熱量通過TIM轉移至銅散熱器，且通過熱電偶讀出該散熱器之溫度。自此等值計算出熱阻。

結果列於裱中並顯示包含苯基酯之本發明組合物，與比較組合物相比顯示出安定性及較低的熱阻抗，尤其係在烘烤及熱循環之可靠性試驗後。低熱阻抗係熱耗散所需，且熱阻抗經時保持安定亦很重要，因此確保使用其之最終設備具有較長的壽命。

結果進一步顯示包含苯基酯之本發明組合物顯示較低的模量，其在暴露於高溫後不增加。需低模量從而使組合物保持柔軟及可撓，而得到更佳的導熱性。此與比較組合物相反，該等比較組合物在高溫烘烤後模量均顯著增加。此等比較組合物顯示高熱降解，變硬並變得易碎，其最終將導致TIM與其基板間之介面層離。

10．．．電子元件

11．．．基板

12．．．矽晶粒

14．．．互連

15．．．熱介面材料

16．．．傳熱器

17．．．散熱器

18．．．熱介面材料

圖1係一具有散熱器、傳熱器及熱介面材料之電子元件的側視圖。

10．．．電子元件

11．．．基板

12．．．矽晶粒

14．．．互連

15．．．熱介面材料

16．．．傳熱器

17．．．散熱器

18．．．熱介面材料

Claims (12)

1. 一種熱介面材料，其包含：(a)一種選自下述之苯基酯： ；及(b)導熱性填充料。
2. 一種熱介面材料，其包含：(a)一種選自由下述所組成之群之苯基酯： 及 (b)導熱性填充料；及(c)環氧化二聚體脂肪酸。
3. 如請求項1或2之熱介面材料，其中該導熱性填充料係鋁粉。
4. 如請求項2之熱介面材料，其中該環氧化二聚體脂肪酸具有以下結構：其中。
5. 如請求項2之熱介面材料，其進一步包含源自堅果殼油之環氧樹脂。
6. 如請求項5之熱介面材料，其中該源自堅果殼油之環氧樹脂包含一或兩種下述結構：
7. 2或5之熱介面材料，其中該苯基酯存在量為總組合物的5至35重量%。
8. 如請求項2或5之熱介面材料，其中該環氧化二聚體脂肪酸存在量為總組合物的1至10重量%。
9. 如請求項5之熱介面材料，其中源自堅果殼油之該環氧樹脂存在量為總組合物的1至10重量%。
10. 如請求項1或請求項2之熱介面材料，其中該導熱性填充料存在量為總組合物的50至95重量%。
11. 一種設備，其包含半導體晶片、傳熱器及其間之如請求項1、2或5之熱介面材料。
12. 一種設備，其包含傳熱器、散熱器及其間之如請求項1、2或5之熱介面材料。