DE60030267T2

DE60030267T2 - Wärmeableitung von einer leiterplatte mit blossen chips

Info

Publication number: DE60030267T2
Application number: DE60030267T
Authority: DE
Inventors: G. Paul Redwood City SCHOENSTEIN; L. Benjamin Los Altos SITLER; H. Robert Palo Alto REAMEY; E. Christine Sunnyvale VOGDES
Original assignee: Dow Corning Corp
Current assignee: Dow Silicones Corp
Priority date: 1999-04-20
Filing date: 2000-04-19
Publication date: 2007-07-05
Anticipated expiration: 2020-04-20
Also published as: KR20020005694A; EP1171914B1; EP1171914A1; JP5084987B2; KR100742521B1; JP2012054578A; TW549011B; ATE337614T1; WO2000063968A1; DE60030267D1; MXPA01010665A; US6162663A; JP2002542626A

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich auf die Ableitung von Wärme von einer Leiterplatte, auf der unabgedeckte Siliciumchips aufgebracht sind.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Leiterplatten, auf denen elektronische Komponenten, wie integrierte Schaltkreischips, aufgebracht sind, sind natürlich wohl bekannt. Häufig generieren die Bauteile erhebliche Wärme, so dass eine Wärmeableitung bereitgestellt werden muss. Eine Möglichkeit ist einfach ein Lüfter, der Luft über die Leiterplatte bläst. Eine andere Einrichtung ist eine Wärmesenke, die thermisch mit der Leiterplatte (oder den Komponenten) verbunden ist. Die Wärmesenke kann entweder an der Vorderseite der Leiterplatte (die Seite, auf der sich die Bauteile befinden) oder an der Rückseite (die der Seite, auf der sich die Komponenten befinden, gegenüberliegende Seite) angeordnet sein. Ein thermisch leitfähiges Material kann verwendet werden, um den thermischen Kontakt zwischen der Wärmesenke und den Wärme erzeugenden Bauteilen und/oder der Leiterplatte herzustellen. Veranschaulichende Offenbarungen mit Bezug auf die Wärmeableitung von Leiterplatten schließen Cipolla et al., US 5,268,815 (1993); Kim et al., US 5,552,635 (1996) und Shuff, US 5,812,374 (1998) ein.
Es gab kürzlich Entwicklungen betreffend Leiterplatten, bei denen die Komponenten unabgedeckte Siliciumchips waren. Unabgedeckte Siliciumchips sind Chips, bei denen die ausgesetzte Oberfläche aus Silicium nicht durch ein vergossenes Kunststoffgehäuse geschützt ist (auch wenn der Chip eine dünne Passivierungs- oder Schutzschicht aufweisen kann). Die Technologie der unbedeckten Siliciumchips ist auch bekannt als Direktverdrahtung oder DCA-Technologie und wird nä her beschrieben in Veröffentlichungen wie etwa Electronic Packaging & Production, Seiten 12 bis 20 (NEPCON West '99). Ein Beispiel sind DRAM-Chipsätze, entwickelt von Rambus Inc., Mountain View, Kalifornien. Weil diese Chips mehr Energie als ein typischer Speicherchip verbrauchen, ist eine wirksamere Wärmeableitkonstruktion erforderlich. Wird beispielsweise nur ein Lüfter allein zur Wärmeableitung verwendet, ist ein Rohrlüfter erforderlich mit einem extrem hohen Volumenstrom um den Preis eines erhöhten Energieverbrauches und stärkerer Lärmentwicklung. In anderen Anordnungen werden zwei Lüfter verwendet, einer zur Kühlung des Mikroprozessorships und ein weiterer speziell für die DRAM-Chips. Gleichzeitig macht die Gehäuselosigkeit der unabgedeckten Siliciumchips diese anfälliger für Beschädigungen, wenn nicht entsprechende Sorgfalt beachtet wird.
Raychem Corporation, Menlo Park, Kalifornien, hat innen gestützte thermisch leitfähige Gelmaterialien als Zwischenmaterial für die Wärmeableitung in Leiterplatten vertrieben. Solche Materialien sind in 1a und 1b in der erlaubten erteilten mitanhängigen, mitübertragenen Anmeldung von Mercer et al., Anmelde-Nr.: 08/746,024, eingereicht am 5. November 1996, dargestellt. Ein Kunde kauft das gestützte Gelmaterial und bringt es auf seine eigenen Leiterplatten oder Wärmesenken auf. Die innere Stütze in Form einer Glasfasermatte, die in die Gelzusammensetzung eingebettet ist, ist notwendig, um die erforderliche Handhabbarkeit zu gewährleisten, anderenfalls wäre die Gelzusammensetzung zu weich, klebrig und zerbrechlich. Das Trägermaterial erhöht jedoch den Kompressionsmodul des Gelproduktes, so dass mechanische Beanspruchung in unerwünschter Weise auf die darunterliegenden Bauteile übertragen werden.
Deshalb ist es wünschenswert, ein Verfahren zur Wärmeableitung von Leiterplatten mit unabgedeckten Siliciumchips zu entwickeln, während sie gleichzeitig vor mechanischer Beanspruchung geschützt werden oder eine Übertragung solcher mechanischer Beanspruchung auf die unabgedeckten Siliciumchips vermieden wird.
US 5,741,579 offenbart eine neue wärmeleitfähige Folie, die zur Wärmeleitung von einer Wärme erzeugenden Einrichtung; wie z. B. Halbleiterbauteile, zu einer daran angebrachten Wärmesenke, indem sie dazwischen angeordnet ist. Die wärmeleitfähige Folie besteht aus einem Laminatkörper enthaltend eine Aluminiumfolie und eine Schicht eines gelartigen Verbundmaterials, bestehend aus einem gehärteten Organopolysiloxan als Matrixphase und anorganischen wärmeleitfähigen Teilchen als die dispergierte Phase in der Matrix.
Kurze Zusammenfassung der Erfindung
Wir haben eine Erfindung gemacht, die effektiv Wärme von unabgedeckten Siliciumchip-Leiterplatten ableitet, bei gleichzeitigem physischen Schutz der Chips. Dementsprechend offenbaren wir ein Verfahren zur Herstellung einer Wärmeableitanordnung für eine Leiterplatte, auf der eine Mehrzahl von unabgedeckten Siliciumchips angebracht ist, das die Schritte umfasst:

(a) Bereitstellen einer Leiterplatte mit einer Vielzahl von unabgedeckten darauf angebrachten Siliciumchips, wobei die Vielzahl der unabgedeckten Siliciumchips eine freie Oberfläche aufweist;
(b) Bereitstellen eines Wärmeverteilers mit einem im Wesentlichen ebenen Abschnitt, der Innen- und Außenseiten aufweist und bemessen und geformt ist zur Befestigung an der Leiterplatte, so dass die Innenseite des ebenen Abschnittes zu der Seite der Leiterplatte weist, die die unabgedeckten Siliciumchips trägt;
(c) Aufbringen einer Vorläuferzusammensetzung, die aushärtbar ist zu einer Gelzusammensetzung mit einer Kohäsionsfestigkeit, die größer ist als ihre Haftfestigkeit, einem Kompressionsmodul von weniger als 1,38 MPa und einer Wärmeleitfähigkeit von mehr als 1,0 W/m·°C auf die Innenseite;
(d) Härten der Vorläuferzusammensetzung, um die Vorläuferzusammensetzung in die Gelzusammensetzung umzuwandeln, so dass die Gelzusammensetzung wenigstens ein Polster bildet mit einer Dicke zwischen ungefähr 0,08 mm und ungefähr 1,0 mm, wobei das wenigstens eine Polster angeordnet ist, um die freien Oberseiten der Vielzahl der unabgedeckten Siliciumchips zu berühren und mehr als 50 % davon abzudecken, sobald der Wärmeverteiler an der Leiterplatte angebracht ist; und
(e) Anbringen des Wärmeverteilers an der Leiterplatte, so dass das wenigstens eine Polster aus Gelzusammensetzung die freien Oberflächen der Vielzahl der unabgedeckten Siliciumchips berührt und mehr als 50 % davon bedeckt.

In einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird eine Kombination bereitgestellt, die zusammensetzbar zu einer Leiterplattenanordnung mit einer Einrichtung zur Wärmeableitung ist, enthaltend:
eine Leiterplatte mit einer Vielzahl darauf angebrachter unabgedeckter Siliciumchips, wobei jeder der unabgedeckten Siliciumchips eine freie Oberfläche aufweist;
einen Wärmeverteiler, der von der Leiterplatte beabstandet ist und einen im Wesentlichen ebenen Abschnitt aufweist mit Innen- und Außenseiten, und der bemessen und geformt ist zur Anbringung an der Leiterplatte, so dass die Innenseite des ebenen Abschnittes zu der Seite der Leiterplatte weist, die die unabgedeckten Siliciumchips trägt;
eine Gelzusammensetzung auf der Innenseite des Wärmeverteilers, wobei die Gelzusammensetzung eine Kohäsionsfestigkeit aufweist, die größer ist als die Klebefestigkeit, einen Kompressionsmodul von weniger als 1,38 MPa und eine thermische Leitfähigkeit von größer als 1,0 W/m·°C, wobei die Gelzusammensetzung wenigstens ein Polster mit einer Dicke zwischen ungefähr 0,08 mm und ungefähr 1,0 mm bildet und wobei das wenigstens eine Polster angeordnet ist, um die freien Oberflächen der Vielzahl der unabgedeckten Siliciumchips zu berühren und zu mehr als 50 % abzudecken, wenn der Wärmeverteiler an der Leiterplatte angebracht ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen)
1a und 1b zeigen Wärmeableitanordnungen gemäß dieser Erfindung.
2 zeigt eine schematische Darstellung des Verfahrens dieser Erfindung.
3 zeigt eine schematische Darstellung eines alternativen Verfahrens dieser Erfindung.
4 zeigt einen Wärmeverteiler, der verwendet wird für die Messung thermischer Eigenschaften in einem der Beispiele.
5 zeigt einen Chipsatz, der verwendet wird für die Messung thermischer Eigenschaften in einem der Beispiele.
Die hierin verwendete Nummerierung wiederholt sich in den Zeichnungen und bezeichnet jeweils dasselbe oder ähnliche Elemente.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
1a zeigt eine Wärmeableitungsanordnung 10 gemäß der Erfindung. Die Anordnung 10 umfasst eine Leiterplatte 12, auf der eine Vielzahl von unabgedeckten Siliciumchips 14 auf einer Seite angebracht sind (andere elektronische Komponenten können ebenfalls auf der Leiterplatte 12 angebracht werden). Um durch Chips 14 (oder anderen elektronischen Komponenten, falls vorhanden) erzeugte Wärme abzuleiten, ist ein Wärmeverteiler 16 an der Seite der Leiterplatte 12 angebracht, auf der die Chips 14 aufgebracht sind. Der Wärmeverteiler 16 hat einen ebenen Abschnitt 18 mit Innen- und Außenseiten 20 bzw. 21. Die Chips 14 haben Flächen 25, die vor der Befestigung des Wärmeverteilers 16 frei sind. Wenn der Wärmeverteiler 16 an der Leiterplatte 12 befestigt ist, weist die Innenseite 20 zu den Chips 14 und deren Flächen 25 sind vollständig durch eine Vielzahl von einzelnen Polstern 22 aus einer thermisch leitfähigen Gelzusammensetzung 23 bedeckt, jeweils ein Chip pro Polster. Der thermische Kontakt zwischen den Chips 14 und dem Wärmeverteiler 16 ist über die Polster 22 mit der Gelzusammensetzung 23 als thermischem Zwischenmaterial hergestellt. Jedes Polster 22 weist eine Form auf, die im Wesentlichen der des entsprechenden Chips 14 entspricht, dem gegenüber es angeordnet ist. Die Polster 22 leiten die durch die Chips 14 erzeugte Wärme zum Wärmeverteiler 16, der die Wärme ableitet. Die Wärme kann abgeleitet werden durch einfache thermische Leitung entlang der Längsachse des Wärmeverteilers 16, weil im Allgemeinen immer nur ein Chip gleichzeitig heiß ist. Natürliche Konvektionsströme, die durch Temperaturunterschiede ent stehen, oder durch Luftströme von einem Kühllüfter einer zugeordneten CPU können ebenfalls zur Wärmeableitung beitragen. (Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass auf die Anordnung eines speziellen Lüfters zum Kühlen der nicht abgedeckten Siliciumchips 14 im Vergleich zu einigen herkömmlichen Anordnungen verzichtet werden kann.) Die Vorderseitenbefestigung des Wärmeverteilers 16 bietet den zusätzlichen Vorteil des physischen Schutzes der nicht abgedeckten Siliciumchips 14.
Eine Befestigungseinrichtung 24 befestigt Leiterplatte 12 und Wärmeverteiler 16 miteinander. Sie kann aus einem Pfosten in der Leiterplatte 12 bestehen, der sich durch eine Öffnung im Wärmeverteiler 16 (oder umgekehrt) erstreckt oder einer anderen Befestigungseinrichtung, wie etwa einer Klammer (entweder einstückig geformt als Teil des Wärmeverteilers 16 oder als separates Einzelteil), einer Niete, einer Schraube, einem Federstift, etc.
1b zeigt eine alternative Wärmeableitungsanordnung gemäß der Erfindung, mit dem Unterschied, dass es anstelle einer Vielzahl von Polstern nur ein einziges durchgehendes Polster gibt. Andere alternative Wärmeableitungsanordnungen liegen innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung, wie etwa jede Anordnung, die im Wesentlichen die Oberfläche der Chips abdeckt. Mit dem Begriff "im Wesentlichen" ist mehr als 50 %, vorzugsweise mehr als 75 %, weiter bevorzugt mehr als 80 %, gemeint. Wünschenswerte Anordnungen können eine Vielzahl von durchgehenden oder unterbrochenen einzelnen voneinander beabstandeten Streifen, Wülsten, Punkten oder Rechtecken sein.
Die Zerbrechlichkeit der Chips 14 und ihre Wärmeentwicklung macht es wichtig, guten thermischen Kontakt mit so wenig mechanischer Beanspruchung wie möglich zu erreichen. Um dies zu erreichen, sollte die Gelzusammensetzung 23 sehr weich sein, d. h. sie sollte einen niedrigen Kompressionsmodul von weniger als 1,38 MPa (200 psi), vorzugsweise weniger als 0,69 MPa (100 psi) aufweisen. Mit Kompressionsmodul bezeichnet man den Modul bei 10 % Kompression, gemessen nach ASTM D 575 (1991) unter Verwendung einer Scheibe von 25,4 mm (1 Zoll) Durchmesser und 3 mm Dicke, bei einer Kompressionsgeschwindigkeit von 0,1 mm/min. Die Polster 22 sollten sehr dünn sein mit einer Dicke von zwischen etwa 0,08 mm und etwa 1,00 mm, basierend auf der ausgehärteten Gelzusammensetzung.
Der Wärmeverteiler 16 ist an seinem ebenen Abschnitt 18 vorzugsweise dünn, gemeint ist eine Dicke von weniger als 5 mm. Ein dicker, schwerer Wärmeverteiler 16, der im Hinblick auf die Wärmeableitung möglicherweise bevorzugt wird, ist unvorteilhaft aufgrund von Kosten, Gewicht und Raumbegrenzungen. Der Wärmeverteiler 16 (oder zumindest sein ebener Abschnitt) ist vorzugsweise aus einem Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit hergestellt, bevorzugt einem Metall und weiter bevorzugt einem hoch thermisch leitfähigen Metall, wie etwa Aluminium oder Kupfer. Obwohl es für diese Erfindung nicht erforderlich ist, kann der Wärmeverteiler 16 Rippen zum Abstrahlen von Wärme oder dickere Abschnitte entfernt von dem ebenen Abschnitt aufweisen, die als Wärmesenke wirken, oder der Wärmeverteiler 16 kann thermisch mit einer anderen Wärmesenke verbunden sein.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist in 2 gezeigt. Polster 22 aus einer Vorläufergelzusammensetzung 23a sind auf die Innenseite 20 des Wärmeverteilers 16 (gezeigt als Ausschnitt auf die Innenseite 20) aufgebracht. Ein Polster 22 kann mit konventionellen Druckverfahren, wie etwa Tiefdruck oder Flexodruck, oder alternativ durch Verfahren, die es erlauben, eine dickere Schicht aufzubringen, wie etwa Siebdruck oder Schablonendruck, beispielsweise größer als 0,25 mm Dicke, aufgebracht werden. Eine dickere Schicht kann auch erreicht werden durch Aufbringen von nicht verbundenen Wülsten, Linsen, Bändern oder Punkten der Vorläuferzusammensetzung 23a, welche sich beim Aushärten zu einem kontinuierlichen Körper der Gelzusammensetzung 23 zusammenfügen. Eine Kombination von Aufbringen und Schablonendruck kann angewendet werden, um die endgültige Materialgröße (Fläche) und Dicke zu kontrollieren.
Die Form jedes Polsters entspricht der eines Chips 14, demgegenüber es schließlich angeordnet ist. In dieser zeichnerischen Darstellung sind die Polster 22 mit abweichenden Formen und ungleichmäßiger Positionierung gezeigt. Es soll so verstanden werden, dass alle Polster 22 ebenso dieselbe Form und eine gleichmäßige Anordnung, beispielsweise in einem Raster, aufweisen können, abhängig von der Form und der Anordnung der Chips 14 und anderer elektronischer Bauteile oder einige andere Kombinationen von Größe, Form und Anordnung. Die Gelvorläuferzusammensetzung 23a wird ausgehärtet, um sie zu der Gelzusammensetzung 23 umzuwandeln. Daher umfasst jedes Polster einen einzelnen (d. h. durchgehend oder integralen) Körper aus der Gelzusammensetzung 23. Üblicherweise wird die Vorläuferzusammensetzung 23a ebenfalls als kontinuierlicher Körper von im Wesentlichen gleicher Größe, Form und Dicke, wie für die Gelzusammensetzung 23 gewünscht, aufgebracht und dann ausgehärtet, wobei kleine Abweichungen dieser Parameter durch das Aushärten gegeben sind. Das Aushärteverfahren ist abhängig von der ausgewählten Härtungschemie. Es kann Erwärmung (für wärmehärtbare Zusammensetzungen beispielsweise 10 min bei 60°C), Härtung durch UV-Licht (für photohärtbare Zusammensetzungen), oder einfach Zeitablauf (für bei Raumtemperatur härtbare Zusammensetzungen, beispielsweise etwa 2 h bei Raumtemperatur) umfassen. Nach dem Aushärten werden Wärmeverteiler 16 und Leiterplatte 12 miteinander verbunden, um die Anordnung 10 zu ergeben. Dieses Verfahren ist insbesondere wünschenswert für die Herstellung elektronischer Module, weil der Wärmeverteiler mit dem Schnittstellenmaterial (Gel) hergestellt, versandt und gelagert werden kann, um dann wann und wie benötigt in der Herstellung der endgültigen Leiterplattenanordnung eingesetzt zu werden (Während der Lagerung kann das Gel durch eine Schutzfolie geschützt werden).
3 zeigt eine alternative Ausführungsform der Erfindung, die sich dadurch unterscheidet, dass ein einzelnes Gelpolster 22 gebildet wird, das ausreichend groß ist, um im Wesentlichen die freien Oberflächen der Chips 14 abzudecken (deren Form ist in gepunkteten Linien dargestellt). Nicht gezeigt sind alternative Ausführungsformen der Erfindung, bei denen die freien Oberflächen der Chips im Wesentlichen, jedoch nicht vollständig abgedeckt sind. Mit dem Begriff "im Wesentlichen" ist mehr als 50 % gemeint, vorzugsweise mehr als 75 % und weiter vorzugsweise mehr als 80 %. Andere Muster können verwendet werden, beispielsweise zusammenhängende oder unterbrochene einzelne Streifen, die so orientiert sind, dass ihre Längsachsen parallel liegen, jedoch jeweils etwas voneinander entfernt. Andere Muster können Wülste, Punkte oder Rechtecke umfassen.
Das hochanpassbare hier verwendet Gel minimiert eine mechanische Beanspruchung sowohl der Leiterplatte als auch der nicht abgedeckten Siliconchips und anderer elektronischer Bauteile darauf. Die Gelzusammensetzung nimmt Unterschiede in der Höhe der Bauteile, entweder infolge von Konstruktionsspezifikationen oder Herstelltoleranzen, auf. Gleichzeitig wird die Wärmeableitung weg von den Chips maximiert, so dass es möglich wird, ein übliches Lüftersystem oder gar überhaupt keinen Lüfter in Verbindung damit einzusetzen. Die adhäsive hochelastische und hochthermisch leitfähige Eigenschaft der Gelzusammensetzung dient zur Aufrechterhaltung eines thermischen Kontaktes, unabhängig von geringfügigen Bewegungen (sowohl vorübergehenden als auch permanenten) der unabgedeckten Siliconchips und des Wärmeverteilers gegeneinander, die beispielsweise infolge von Vibrationen oder geringfügigen Missausrichtungen während des Transportes oder beim Service auftreten können.
Die anpassungsfähige Eigenschaft des Gels ist weiter wichtig, um die mechanische Belastung der Leiterplatte und der unabgedeckten Siliconchips zu minimieren, denen diese durch Temperaturschwankungen während des normalen Gebrauchs ausgesetzt sind. Bei Temperaturschwankungen können härtere Zwischenmaterialien, wie solche auf Basis von Siliconelastomeren oder Epoxidklebern, genügend hohe Spannungen erzeugen, um die Verbindung zwischen den Chips und der Leiterplatte zu brechen.
Diese Erfindung stellt einen Vorzug gegenüber dem Stand der Technik dar, der eine gestützte Gelzusammensetzung verwendet, wobei die Stützung erforderlich ist, um die Handhabung der sehr weichen und klebrigen Gelzusammensetzung zu ermöglichen. Dennoch führt das Stützmaterial (typischerweise ein Netz aus Glasfaser oder einem Polymer) zu einem Anstieg des Kompressionsmoduls der gestützten Gelzusammensetzung und macht sie dadurch unerwünscht hart. Durch das Ausbilden von Gelpolstern vorgeschriebener Konturen auf dem Wärmeverteiler, die direkt auf dem Wärmeverteiler ausgehärtet werden, wird die Notwendigkeit für ein Verstärkungsnetz für die Handhabbarkeit beseitigt, was dazu führt, dass das Gel einen insgesamt niedrigeren Kompressionsmodul aufweist.
Geeignete Gelzusammensetzungen umfassen Systeme auf Basis von Polyurethanen, Polyharnstoffen, Siliconen (auch bekannt als Polysiloxane oder Organopolysiloxane), Anhydrid enthaltenden Polymeren und dergleichen. Beispielhafte Offenbarungen umfassen Dubrow et al., US 4,595,635 (1986), Debbaut, US 4,600,261 (1986); Dubrow et al., US 4,777,063 (1988); Dubrow et al., US 5,079,300 (1992); Rinde et al., US 5,104,930 (1992); Mercer et al., US 5,849,824 (1998) und Chiotis et al., US 5,886,111 (1999).
Vorzugsweise ist das Gel ein vernetztes Silicongel basierend auf Polydimethylsiloxan (PDMS) und hergestellt durch die platinkatalysierte Reaktion zwischen einem vinylfunktionalisierten PDMS und einem hydridfunktionalisierten PDMS. Solche Gele können auf einer Reihe von Wegen gebildet werden. Eine Methode synthetisiert die vernetzten Polymere in Gegenwart einer nichtreaktiven Extenderflüssigkeit, beispielsweise eines trimethylsiloxyterminierten PDMS. Ein alternatives Verfahren produziert das Silicongel durch Reaktion eines stöchiometrischen Überschusses eines multifunktionellen vinylsubstituierten Silicons mit einem multifunktionellen hydridsubstituierten Silicon, so dass ein weiches flüssigkeitsverlängertes System erhalten wird. Bei dem letzteren Weg wird eine vinylreiche Solfraktion erhalten. Selbstverständlich sind Kombinationssysteme möglich. Geeignete Beispiele eines dieser Gelsysteme sind unter anderem in Debbaut in US 4,600,261 (1986); Debbaut in US 4,634,207 (1987); Debbaut in US 5,357,057 (1994); Dubrow et al., in US 5,079,300 (1992); Dubrow et al., in US 4,777,063 (1988) und in Nelson in US 3,020,260 (1962) beschrieben. Silicongelsysteme, die auf alternativen Härtungstechniken wie Peroxiden, UV-Bestrahlung und Hochenergiebestrahlung basieren, können ebenfalls verwendet werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Vorläuferzusammensetzung:

(A) eine Siliconzusammensetzung mit einer Viskosität von weniger als 50.000 cP bei 25°C, enthaltend (i) ein alkenylfunktionalisiertes Diorganopolysiloxan mit einer Viskosität zwischen 50 und 100.000 cP bei 25°C, das wenigstens zwei siliciumgebundene Alkenylgruppen in jedem Molekül aufweist, und (ii) ein wasserstofffunktionalisiertes Organopolysiloxan mit einer Viskosität zwischen 1 und 1.000.000 cP bei 25°C, das weiter durchschnittlich wenigstens zwei siliciumgebundene Wasserstoffatome pro Molekül enthält in einer Menge, die zwischen 0,2 und 5,0 mol an siliciumgebundenem Wasserstoff pro mol siliciumgebundenem Alkenyl in dem alkenylfunktionalisierten Diorganopolysiloxan (i) bereitstellt;
(B) einen Hydrosilylierungskatalysator in einer Menge, die ausreichend ist, um die Aushärtung der Siliconzusammensetzung (A) zu bewirken, und
(C) wenigstens 35 Vol.-% eines teilchenförmigen Materials mit einer thermischen Leitfähigkeit von mehr als 20 W/m·°C.

Die Siliconzusammensetzung (A) kann ferner in einer Menge von bis zu 80 Gew.-% ein Organosilioxanharz der mittleren Formel R_aSiO_b enthalten, worin R eine monovalente Kohlenwasserstoffgruppe außer Alkenyl ist und a eine Zahl zwischen 2,0 und 2,2 und b eine Zahl zwischen 0,9 und 1,0 ist. Die Gew.-% basieren auf der Menge des Orgaynosiloxanharzes plus des alkenylfunktionalisierten Diorganopolysiloxans (i) und des wasserstofffunktionalisierten Organopolysiloxans (ii).
Die thermische Leitfähigkeit kann verbessert werden durch Füllen des Gels mit einem teilchenförmigen Material mit einer thermischen Leitfähigkeit von mehr als 20 W/m·°C. Beispielsweise geeignete teilchenförmige Materialen können ausgewählt werden aus der Gruppe enthaltend Aluminiumoxid, Siliciumcarbid, Zinkoxid, Aluminiumnitrid, Titandiborid, Aluminium, Kupfer, Silber, Diamant, Nickel, Silicium, Graphit, Eisen(III)-oxid, Berylliumoxid, Titandioxid, Magnesiumoxid und Bornitrid. Typischerweise ist das teilchenförmige Material in einer Menge von wenigstens 35 Vol.-% eingesetzt. Die Vol.-%-Angabe ist berechnet auf Basis der kombinierten Volumina des teilchenförmigen Materials und der Gelzusammensetzung.
Eine bevorzugte thermisch leitfähige und dennoch hochnachgiebige Gelzusammensetzung zur Verwendung bei dieser Erfindung ist ein aluminiumoxidgefülltes Gel, wie es in der bereits zugelassenen mitanhängigen und gemeinsam übertragenen Anmeldung von Mercer et al., Anmelde-Nr. 08/746,024, angemeldet am 5. November 1996, beschrieben ist. Die Verwendung eines α-Aluminiumoxids, bei dem wenigstens 10 Gew.-% der α-Aluminiumoxidteilchen eine Teilchengröße von wenigstens 74 μm aufweisen, ermöglicht die hohen Füllgrade, die erforderlich sind, um eine hohe thermische Leitfähigkeit zu erhalten, ohne einen Rückgang der Dehnung und Nachgiebigkeit zu verursachen, die normalerweise mit hohen Füllgraden zusammenhängt. Weitere Verbesserungen werden beobachtet, wenn das α-Aluminiumoxid und das Gel (oder dessen Vorläufer) mit einem spezifischen Energieeintrag von wenigstens 10 Joule/g gemischt werden. Der Eintrag einer solchen spezifischen Energie hat den Effekt, dass die resultierende Zusammensetzung anpassungsfähiger ist als sie anderenfalls wäre.
Eine andere Vorgehensweise des Wärmemanagements nach dem Stand der Technik verwendet ein thermisch leitfähiges Fett. Solch ein Fett hat den Vorteil des Fließens, um sich den Oberflächen anzupassen, ohne große mechanische Belastungen auf die Chips auszuüben. Ein wesentlicher Nachteil eines solchen thermischen Fetts ist, dass es über die Zeit dazu neigt, von der Stelle, an der es aufgebracht wurde, wegzufließen und damit die thermische Leitfähigkeit zu beeinträchtigen. Weiterhin ist es unerwünscht, dass thermisches Fett unter andere Bauteile fließt, für die ein solcher Kontakt nicht vorgesehen ist. Ein weiterer Nachteil eines thermischen Fettes ist, dass es unsauber aufzubringen ist und nach Aufbringung für eine Verpackung, Versand und Handhabung ohne Beschädigung oder Deplatzierung unzugänglich ist. Ein thermisch leitfähiges Fett hat eine sehr geringe Kohäsionsfestigkeit, seine Kohäsionsfestigkeit ist niedriger als seine Adhäsionsfestigkeit, so dass beim Trennen von dadurch miteinander verbundenen Bauteilen eine saubere Trennung nicht erhalten wird.
Die ausgehärteten Gele nach dieser Erfindung sind keine flüssigen Fette, sondern feste vernetzte Materialien mit einer Kohäsionsfestigkeit, die größer ist als ihre Adhäsionsfestigkeit. Die ausgehärteten Gele, die bei dieser Erfindung verwendet werden, benetzen und haften an den meisten Oberflächen bei Aufbringen eines nur geringen Montagedruckes (und haben jedoch eine Kohäsionsfestigkeit, die größer ist als ihre Adhäsionsfestigkeit, was ihre einfache saubere Entfernung von einem Substrat ermöglicht) und stellen einen Pfad mit niedrigem Wärmewiderstand von dem Chip und anderen Bauteilen zu dem Wärmeverteiler bereit. Um zu ermitteln, ob ein Gel eine Kohäsionsfestigkeit aufweist, die größer ist als ihre Adhäsionsfestigkeit, wird eine Probe eines ausgehärteten Gels auf einer Aluminiumplatte angeordnet (oder darauf aufgebracht und ausgehärtet). Eine weitere Aluminiumplatte wird auf die ausgehärtete Gelprobe gebracht. Ein Druck von 0,21 MPa (30 psi) wird für wenigstens 5 min bei Raumtemperatur (ca. 25°C) ausgeübt und die obere Aluminiumplatte wird entfernt. Nach Entfernen sollte im Wesentlichen die gesamte ausgehärtete Gelprobe entweder an der oberen oder unteren Aluminiumplatte verbleiben, wenn ihre Kohäsionsfestigkeit größer ist als ihre Adhäsionsfestigkeit (Es sollte beachtet werden, dass, wenn ein Gel ausgehärtet wird, während es sich in Kontakt mit einem Substrat befindet, die Adhäsion des Gels an diesem Substrat größer sein kann. Bei dieser Beschreibung bedeutet die Adhäsionsfestigkeit eines Gels nicht eine solche einer in situ-Aushärtung, sondern eine Adhäsionsfestigkeit nach dem Aushärten, wie durch die vorbeschriebene Technik bestimmt).
Die Gele gemäß der vorliegenden Erfindung können charakterisiert werden durch einen Voland-Härtewert, die Messung eines solchen ist nachfolgend beschrieben. Das Instrument ist ein Voland-Stevens Textur-Analysator Modell LFRA, ein Texture Technologies Texture-Analysator TA-XT2 oder eine ähnliche Vorrichtung, die eine 5-kg-Messzelle zur Messung einer Kraft, einen 5-g-Auslöser und einen 1/4 Zoll (6,35 mm)-Edelstahlkugelprüfkörper aufweist, wie in Dubrow et al. in US 5,079,300 (1992) beschreiben. Beispielsweise wird ein 20-ml-Glasfläschchen enthaltend ungefähr 12,5 g des Analyts (Gel oder anderes Material, das analysiert werden soll) in dem TA-XT2-Analysator angeordnet und der Prüfkörper wird in das Analyt mit einer Geschwindigkeit von 0,2 mm/s bis in eine Eindringtiefe von 4,0 mm eingedrückt. Die Härte des Analyts entspricht der Kraft in Gramm, die erforderlich ist, um den Prüfkörper eindringen zu lassen oder die Oberfläche des Analyts bis zur spezifizierten Strecke von 4,0 mm zu deformieren. Höhere Werte kennzeichnen härtere Materialien. Die Daten des TA-XT2-Analysators werden aufgezeichnet und analysiert auf einem IBM-PC oder einem ähnlichen Computer, auf dem die Software XT.RA Dimension, Version 3.76, von Microsystems Ltd. läuft.
Der Montagedruck für übliche Wärmesenken beträgt typischerweise 0,14 bis 0,34 MPa (20 bis 50 psi) und ist manchmal bis zu 0,69 MPa (100 psi) hoch. Infolge der Verbiegung des relativ dünnen ebenen Abschnittes 18 des Wärmeverteilers 16 werden im Allgemeinen nur niedrige Montagedrücke der Größenordnung von 0,1 MPa (15 psi) oder weniger erreicht. Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine wirksame thermische Verbindung trotz des niedrigen Montagedruckes. Niedrige Montagedrücke sind insbesondere vorteilhaft bei Befestigungsmethoden wie BGA (Ball Grid Array) oder μBGA, da diese Konstruktionen unter Spannung anfällig gegen Beschädigung sind.
Im Allgemeinen kann die Gesamtwirksamkeit eines Wärmetransportes von einer Wärmequelle (hier Chips 14 oder anderen elektronischen Bauteilen) zu einer Wärmesenke (hier Wärmeverteiler 16) über ein dazwischen befindliches Übertragungsmaterial (hier Gelzusammensetzung 23) gemessen werden durch den thermischen Widerstand gemäß der Gleichung (1): θT = θI1 + θM + θI2 (1)wobei

θ_T: der thermische Gesamtwiderstand;
θ_M: der thermische Widerstand über die Dicke des Zwischenmaterials, das eine Wärmequelle und eine Wärmesenke überbrückt;
θ_I1: der Grenzflächenwiderstand zwischen der Wärmesenke und dem Zwischenmaterial; und
θ_I2: der Grenzflächenwiderstand zwischen der Wärmequelle und dem Zwischenmaterial ist.

θ_M ist wiederum gegeben durch die Gleichung (2): θM = t/kA (2)wobei

k: die thermische Leitfähigkeit des Zwischenmaterials;
t: die Dicke des Zwischenmaterials; und
A: die thermische Kontaktfläche ist.

Die Gelzusammensetzung gemäß der vorliegenden Erfindung hat eine hohe thermische Leitfähigkeit k, so dass θ_M klein ist. Die hohe Nachgiebigkeit und Hafteigenschaften führen zu einem exzellenten thermischen Kontakt sowohl mit der Wärmequelle als auch mit der Wärmesenke, so dass θ_I1 und θ_I2 ebenfalls sehr gering sind insoweit, dass sie nicht signifikant zum thermischen Gesamtwiderstand beitragen. Weiterhin können die Gelpolster recht dünn gemacht werden, zwischen 0,013 (5) und 0,102 cm (40 mils), so dass t klein ist.
In der Ausführungsform mit einzelnen diskreten Polstern mit einer Kontur, die der eines einzelnen gegenüberliegenden elektronischen Bauteils entspricht, von dem Wärme abgeleitet werden soll (d. h. einem Verhältnis Polster zu Bauteil von 1:1), ist der Wert A maximiert und daher der thermische Widerstand θ_M reduziert. Dieser Ansatz ist zu bevorzugen gegenüber dem mit einer Vielzahl von Polstern (z. B. kleine Wülste oder Tropfen) der Gelzusammensetzung ein einzelnes Bauteil berührend, wie durch Cippola et al. in US 5,268,815 (1993) gelehrt. Cippolas "viele-zu-eins"-Polster zu Bauteil-Verhältnis vermindert den Wert von A und damit die Wirksamkeit der Wärmeübertragung – es werden Abschnitte einer Bauteiloberfläche bestehen, die nicht das Zwischenmaterial berühren und damit nicht wirksam bei dem Wärmeübertragungsvorgang mitwirken.
Die alternative Ausführungsform mit einem Polster zu Bauteil-Verhältnis von 1:viele, bei dem ein einziges durchgehendes Polster aus Gelmaterial eine Vielzahl von elektronischen Bauteilen überdeckt, ist bezüglich der Effizienz der Wärmeübertragung so wirksam wie eine Vielzahl einzelner Polster. Dennoch hat die Gelzusammensetzung keinen Platz, um sich seitlich bei Temperaturwechseln auszudehnen, was zu mechanischen Spannungen führt, die auf die unabgedeckten Sili conchips übertragen werden können und insoweit etwas weniger wünschenswert sind. Die Ein-Polster-Ausführung hat den Vorteil einer einfacheren Herstellung, insbesondere wo die elektronischen Bauteile dicht zusammenliegen. Um die mechanischen Spannungen zu vermindern, die auf die unabgedeckten Siliconchips übertragen werden, können alternative Anordnungen, wie durchgehende oder einzelne Streifen, Würste, Punkte oder Rechtecke verwendet werden, wie oben beschrieben. Bei Kompression kann sich die Gelzusammensetzung in den Raum ausdehnen, der nicht bereits durch die Polster eingenommen ist. Solche Anordnungen sind effizient ohne zu zusätzlichen mechanischen Beanspruchungen zu führen.
Zusammenfassend ist die vorliegende Erfindung ausgerichtet, den thermischen Gesamtwiderstand θ_T geeigneterweise zu verringern durch Verringern der thermischen Übergangswiderstände θ_I1 und θ_I2 und des thermischen Widerstandes θ_M über die Decke des Zwischenmaterials. θ_M ist wiederum minimiert durch Minimierung von t und Maximierung von k und A, wobei andere notwendige Materialeigenschaften, wie der Kompressionsmodul, ausgewogen bleiben.
Die Erfindung kann besser verstanden werden durch Bezugnahme auf die nachfolgenden Beispiele, die zum Zwecke der Erläuterung und nicht zur Beschränkung dienen.
Beispiel 1
Eine Zusammensetzung wurde hergestellt durch zunächst Mischen von 72 Gewichtsteilen (39 Volumenteilen) eines Aluminiumoxids (einer 70:30-Mischung der Typen C-72 Fein und ungemahlenem C751 von Alcan Corp.) zu einem Teil A eines kommerziell erhältlichen Silicongels mit einer niedrigen Viskosität (< 1.000 cps), einer geringen Härte (< 20 g Voland-Härte). Dieser Teil A wurde unter Verwendung eines hochscherenden Einwellen-Myers-Mischers hergestellt.
Dann wurde eine Zusammensetzung hergestellt durch zunächst Mischen von 72 Gewichtsteilen (39 Volumenteilen) eines Aluminiumoxids (wie oben beschrieben) zu einem Teil B eines kommerziell erhältlichen Silicongels mit einer niedrigen Viskosität (< 1.000 cps), einer geringen Härte (< 20 g Voland-Härte). Dieser Teil B wurde hergestellt mit einem hochscherenden Einwellen-Myers-Mischer.
50 Gewichtsteile des obigen Teils A wurden dann mit 50 Gewichtsteilen des obigen Teils B 3 min lang mit einem Überkopf-Propellermischer gemischt, der wesentliche Scherung ausübte. Die erhaltene Mischung wurde in eine 3,2 mm dicke Scheibenform mit 50,8 mm Durchmesser gegossen und für 5 min unter einem Vakuum von unter 29 Zoll Hg entgast. Diese Probe wurde über 2 h bei 80°C ausgehärtet, um eine vernetzte Zusammensetzung zu bilden.
Die Scheibe wurde dann auf thermische Leitfähigkeit gemäß ASTM E1530 (1993) getestet. Der erhaltene Wert war 1,08 W/m°K bei einer Testtemperatur von 70°C. Der Kompressionsmodul dieses Materials bei 10 % Kompression (gemäß ASMT D 575-91 wie oben beschrieben) betrug 32 psi (0,22 MPa).
Dieselbe Zusammensetzung aus 50 Gewichtsteilen des obigen Teils A wurde dann mit 50 Gewichtsteilen des Teils B in einer kleinen Menge von Hand für 3 min gemischt. Diese ungehärtete Zusammensetzung wurde auf eine Kupferwärmesenke eines Analysis Tech Semiconductor Thermal Analyzers, Modell-10A, aufgebracht. Ein Polster der ungehärteten Zusammensetzung wurde auf der Wärmesenke gebildet, das ungefähr 0,5 mm dick und 12 × 18 mm breit und lang war. Dies wurde über Nacht bei Raumtemperatur ausgehärtet, um eine vernetzte Zusammensetzung zu bilden.
Ein kalibrierter TIP 31 n-p-n-Transistor mit Grundabmessungen von ungefähr 10 × 15 mm wurde als Wärmequelle verwendet. Dieses Teil wurde in Kontakt mit der ausgehärteten Zusammensetzung auf der Wärmesenke gebracht und Druck wurde über einen Hydraulikzylinder aufgebracht. Die Dicke wurde während der Ausübung des Druckes gemessen. Der thermische Widerstand über die thermische Verbindung, R_jx, wurde in °C/W gemäß der Gleichung (3) gemessen: Rjx = (Tj – Tr)/Leistung (3) wobei T_j die Verbindungstemperatur des Siliciums und T_r die Referenztemperatur der wassergekühlten Wärmesenke ist.
Der Wert von R_jx ist die Summe von R_jc (Verbindung zum Gehäuse) und R_cs (Gehäuse zu Senke). R_cs ist der thermische Widerstand über die interessierenden thermischen Materialien. R_jc wurde für den TIP 31 gemessen und von R_jx abgezogen. Der erhaltene Wert ist der scheinbare thermische Widerstand des thermischen Zwischenmaterials unter einem gegebenen aufgebrachten Druck (Gleichung (4)): Tr ~ Rcs = Rjx – Rjc. (4)Unter Verwendung der Fläche unter dem TIP mit 1,52 cm² und der gemessenen Dicke bei jedem Druckniveau wurde eine scheinbare thermische Leitfähigkeit (App. k) für diese Probe berechnet. App. k = Dicke/(Tr × Fläche)Für die oben beschriebene Zusammensetzung ist die scheinbare Leitfähigkeit in Tabelle 1 dargestellt.
Beispiel 2
Dies ist ein Vergleichsbeispiel, das die Bedeutung eines geringen Kompressionsmoduls zeigt und warum ein Zwischenmaterial mit einem hohen Kompressionsmodul unerwünscht ist.
Eine Zusammensetzung wurde hergestellt durch Mischen von 72 Gewichtsteilen (39 Volumenteilen) eines Aluminiumoxids, wie in Beispiel 1 beschrieben, zu einem kommerziell erhältlichen RTV-Silicon von General Electric Company, Type RTV615 mit einer mittleren Viskosität (< 5.000 cps), einer mittleren Härte (< 50 Shore A gemäß ASTM D 2240-1997). Diese Zusammensetzung wurde 3 min lang unter Verwendung eines Überkopf-Propellermischers gemischt, der bedeutende Scherung aufbringt.
Die Testprobe wurde auf die gleiche Weise präpariert wie in Beispiel 1. Die erhaltene thermische Leitfähigkeit der Scheibe mit 50,8 mm Durchmesser betrug 0,78 W/m°K. Der Kompressionsmodul dieses Materials bei 10 % Kompression gemäß ASTM D 575-91, wie oben beschrieben, betrug 955 psi (6,59 MPa).
Die gleiche Zusammensetzung wurde dann auf die Kupferwärmesenke aufgebracht und zu einem Polster geformt und auf scheinbare Leitfähigkeit wie in Beispiel 1 untersucht. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 dargestellt.
Die Härte des Materials nach Beispiel 2 führt zu schlechtem thermischen Kontakt und die erhaltene scheinbare Leitfähigkeit bei 69 kPa (10 psi) beträgt nur 78 der theoretischen Wärmeleitfähigkeit. Demgegenüber hat das weichere Material aus Beispiel 1 einen besseren thermischen Kontakt und die erhaltene scheinbare Leitfähigkeit bei 69 kPa (10 psi) beträgt etwa 94 % der theoretischen Wärmeleitfähigkeit.
Beispiel 3
Eine Zusammensetzung wurde hergestellt durch Mischung von 60,7 Gewichtsteilen (40 Volumenteilen) eines Bornitrids, Type 350, von Advanced Ceramics Corporation, in ein kommerziell erhältliches Silicongel mit niedriger Viskosität (< 1.000 cps) und einer geringen Härte (< 20 g Voland-Härte).
Die Testprobe wurde in einer 60 cm³-Schüssel auf einem Brabender Plasticorder 5 min lang bei 45 U/min unter Verwendung von hochscherenden Rollblättern gemischt. Die erhaltene Mischung wurde in eine 3,2 mm dicke Scheibenform von 50,8 mm Durchmesser gegossen und 5 min lang unter einem Vakuum von weniger als 29 Zoll Hg entgast. Diese Probe wurde 2 h bei 80°C gehärtet, um eine vernetzte Zusammensetzung zu bilden.
Die Scheibe wurde auf thermische Leitfähigkeit gemäß ASTM E 1530 (1993) getestet. Die erhaltene thermische Leitfähigkeit der Scheibe mit 50,8 mm Durchmesser betrug 1,71 W/m°K. Der Kompressionsmodul dieses Materials bei 10 % Kompression gemäß ASTM D 575-91, wie oben beschrieben, betrug 102 psi (0,70 MPa).
Dieselbe Zusammensetzung wurde dann auf die Kupferwärmesenke aufgebracht, zu einem Polster geformt und auf scheinbare Leitfähigkeit geprüft, wie in Beispiel 1 beschrieben. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 dargestellt.
Beispiel 4
Dies ist ein weiteres Vergleichsbeispiel mit einem Silicon-Zwischenmaterial mit einem hohen Kompressionsmodul.
Eine Zusammensetzung wurde hergestellt durch Mischen von 60,3 Gewichtsteilen (40 Volumenteile) eines Bornitrids, Type 350, in ein Silicon der Type RTV615 mit mittlerer Viskosität (< 5.000 cps) und einer mittleren Härte (< 50 Shore A).
Die Testprobe wurde gemischt und auf dieselbe Weise zubereitet wie in Beispiel 3. Die erhaltene thermische Leitfähigkeit der Scheibe mit 50,8 mm Durchmesser betrug 1,39 W/m°K. Der Kompressionsmodul dieses Materials bei 10 % Kompression gemäß ASTM D 575-91, wie oben beschrieben, betrug 764 psi (5,27 MPa).
Dieselbe Zusammensetzung wurde dann auf die Kupferwärmesenke aufgebracht und zu einem Polster geformt und auf scheinbare Leitfähigkeit geprüft, wie in Beispiel 1 beschrieben. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 unten dargestellt.
Die Härte des Materials aus Beispiel 4 führt zu schlechtem thermischen Kontakt und die erhaltene scheinbare Leitfähigkeit bei 69 kPa (10 psi) beträgt nur 53 der theoretischen Wärmeleitfähigkeit. Im Gegensatz dazu führt das weichere Material aus Beispiel 3 zu einem verbesserten thermischen Kontakt und die erhaltene scheinbare Leitfähigkeit bei 69 kPa (10 psi) beträgt 83 % der theoretischen Wärmeleitfähigkeit. Eine scheinbare Leitfähigkeit von 99 % der theoretischen Wärmeleitfähigkeit kann erhalten werden bei einem höheren Druckniveau von 210 kPa (30 psi) bei dem Material aus Beispiel 3.
Beispiel 5
Eine Zusammensetzung wurde hergestellt durch zunächst Mischen von 72 Gewichtsteilen (39 Volumenteile) eines Aluminiumoxids (wie beschrieben in Beispiel 1) und 2,0 Gewichtsteilen eines thixotropen Agens der Type Aerosil R972 der Degussa Corporation und 5,0 Gewichtsteilen eines silanolterminierten Polydimethylsiloxans in Teil A aus einem kommerziell erhältlichen Silicongel mit niedriger Viskosität (< 1.000 cps) und einer niedrigen Härte (< 20 g Voland-Härte). Dieser Teil A wurde hergestellt unter Verwendung eines niedrigscherenden Doppelplanetenmischers.
Dann wurde eine Zusammensetzung hergestellt durch zunächst Mischen 72 Gewichtsteilen (39 Volumenteilen) Aluminiumoxid (wie in Beispiel 1), 2,0 Gewichts teilen eines thixotropen Agens (Typ Aerosil R972) und 5,0 Gewichtsteilen eines silanolterminierten Polydimethylsiloxans in Teil B aus einem kommerziell erhältlichen Silicongel mit niedriger Viskosität (< 1.000 cps) und einer niedrigen Härte (< 20 g Voland-Härte). Dieser Teil B wurde hergestellt unter Verwendung eines niedrigscherenden Doppelplanetenmischers.
Diese Materialien wurden in eine übliche statische Mischpatrone eingebracht, die eine 1:1-Volumenmischung von Teil A und Teil B unter Verwendung eines 20-elementigen Mischabschnittes liefert.
Diese Zusammensetzung wurde manuell auf ein Blatt eines Trennpapiers (teflonbeschichtetes Glasgewebe) aufgebracht und zu einer Folie von 0,5 mm Dicke geformt. Diese wurde über Nacht bei Raumtemperatur gehärtet, um eine vernetzte Zusammensetzung zu bilden.
Ein Polster von ca. 95 ×12 mm wurde aus diesem gehärteten Blatt geschnitten und auf den erhöhten Abschnitt des Aluminium-Wärmeverteilers aus 4 aufgebracht. Dieser Wärmeverteiler hat eine metallische Grunddicke von 0,96 mm und eine Länge und Breite wie in 4 angegeben. Die schraffierte Fläche A ist ein erhöhtes Podest zur Kontaktierung der Chips mit einem thermischen Zwischenmaterial und hat Abmessungen von 97 × 12 mm. Der nominelle Abstand zwischen dem Podest und dem Chip betrug 0,36 mm.
Dieser Wärmeverteiler mit dem Gelpolster wurde mit einer Matrix von 8 unabgedeckten Siliciumwiderstandsheizchips (Intel Corporation Testchips T13825) wie in 5 dargestellt in Kontakt gebracht. Die Matrix der Chips hat gleichmäßig voneinander um 12,375 mm beabstandete Mitten. Jeder Chip hat Abmessungen von 8,9 × 14,1 × 0,8 mm (Breite × Länge × Höhe). Der ausgeübte Druck betrug weniger als 10 psi (69 kPa). Chip Nr. 8 wurde auf ein Leistungsniveau von ungefähr 1,88 W unter Verwendung eines Hewlett Packard 4142 parametrischen Analyzers als Stromquelle gebracht und der Chipwiderstand und die Temperatur aufgezeichnet. Die Außentemperatur wurde ebenfalls aufgezeichnet. Der thermische Widerstand im Gleichgewicht bei ruhender Luft wurde berechnet zu [Chiptemperatur – Umgebungstemperatur/Eingangsleistung] und in °C/W ausgedrückt. Die ser Vorgang wurde wiederholt durch Anheben des Leistungspegels bei Chip Nr. 5 auf etwa 1,88 W und Aufzeichnen des thermischen Widerstandes. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 unten dargestellt.
Beispiel 6
Eine Zusammensetzung wurde wie in Beispiel 5 beschrieben hergestellt. Die Zusammensetzung wurde direkt auf die inneren Flächenabschnitte des Aluminiumwärmeverteilers aus 1 aufgebracht. Ein einziges Polster der ungehärteten Zusammensetzung wurde mit Abmessungen von etwa 95 × 12 × 0,5 mm Dicke gebildet. Dieses wurde über Nacht bei Raumtemperatur gehärtet, um die vernetzte Zusammensetzung zu erzeugen.
Diese aufgebrachte ausgehärtete Zusammensetzung wurde dann wie im Beispiel 5 beschrieben getestet. Die Ergebnisse für den thermischen Widerstand sind in Tabelle 2 dargestellt.
Beispiel 7
Eine Zusammensetzung wurde wie in 5 hergestellt und auf den Aluminiumwärmeverteiler aufgebracht und zu 8 einzelnen Polstern von etwa 12 × 11 mm geformt. Die Anordnung dieser Polster war ausreichend, um jeden der 8 Test-Chips vollständig abzudecken, nachdem der Wärmeverteiler mit den Polstern der ausgehärteten Zusammensetzung in Kontakt mit der Leiterplatte gebracht wurde, die die Testchips enthält.
Diese aufgebrachte ausgehärtete Zusammensetzung wurde dann wie in Beispiel 5 beschrieben getestet. Die Ergebnisse des thermischen Widerstandes sind in Tabelle 2 unten dargestellt.
Die Ergebnisse der Beispiele 5 bis 7 zeigen die Vorteile des Aufbringens eines Gels auf einem Wärmeverteiler gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Standardabweichung der Messungen des thermischen Widerstandes beträgt etwa 0,1°C/W. Daher ist die Verminderung des thermischen Widerstandes um 2,1°C/W bis 2,5°C/W, wie in Tabelle 2 gezeigt, statistisch bedeutend. Bei einer Leistung von 1,88 W, die bei diesem Test verwendet wurde, entspricht dies einer Reduktion der Chiptemperatur um 4°C. In Fällen, bei denen eine größere Leistung abgegeben wird, beispielsweise 10 W, würde diese Differenz größer als 20°C sein und könnte zu einer wesentlichen Verbesserung der Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit eines Gerätes führen.
Die vorstehende detaillierte Beschreibung der Erfindung umfasst Teile, die sich hauptsächlich oder ausschließlich auf bestimmte Teile oder Aspekte der Erfindung beziehen. Es soll so verstanden werden, dass dies der Bequemlichkeit und Deutlichkeit dient und dass ein bestimmtes Merkmal auch über gerade die Stelle, an der es offenbart ist, hinaus deutend sein kann und dass die Offenbarung hierin alle geeigneten Kombinationen der Informationen umfasst, die in den einzelnen Abschnitten aufgefunden werden können. In gleicher Weise ist zu verstehen, dass, wo ein bestimmtes Merkmal im Kontext mit einer bestimmten Zeichnung und Ausführungsform dargestellt ist, ein solches Merkmal auch im angemessenen Ausmaß im Zusammenhang mit einer anderen Zeichnung oder Ausführungsform, in Verbindung mit einem anderen Merkmal oder mit der Erfindung im Allgemeinen angewendet werden kann, auch wenn die verschiedenen Werte und Beschreibungen sich hier auf bestimmte Ausführungsformen der Erfindung beziehen.
Weiterhin ist die Erfindung nicht auf solche bevorzugten Ausführungsformen beschränkt, obwohl die vorliegende Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit bestimmten bevorzugten Ausführungsformen beschrieben ist. Der Bereich der Erfindung ist vielmehr definiert durch die anhängenden Ansprüche.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Wärmeableitanordnung für eine Leiterplatte, auf der eine Vielzahl von unabgedeckten Siliciumchips angebracht ist, mit folgenden Schritten: (a) Bereitstellen einer Leiterplatte mit einer Vielzahl von unabgedeckten darauf angebrachten Siliciumchips, wobei jeder der Vielzahl der unabgedeckten Siliciumchips eine freie Oberfläche aufweist; (b) Bereitstellen eines Wärmeverteilers mit einem im Wesentlichen ebenen Abschnitt, der Innen- und Außenseiten aufweist und bemessen und geformt ist zur Befestigung an der Leiterplatte, so dass die Innenseite des ebenen Abschnittes zu der Seite der Leiterplatte weist, die die unabgedeckten Siliciumchips trägt; (c) Aufbringen einer Vorläuferzusammensetzung, die aushärtbar ist zu einer Gelzusammensetzung mit einer Kohäsionsfestigkeit, die größer ist als ihre Haftfestigkeit, einem Kompressionsmodul von weniger als 1,38 MPa und einer Wärmeleitfähigkeit von mehr als 1,0 W/m·°C auf die Innenseite; (d) Härten der Vorläuferzusammensetzung, um die Vorläuferzusammensetzung in die Gelzusammensetzung umzuwandeln, so dass die Gelzusammensetzung wenigstens ein Polster bildet mit einer Dicke zwischen ungefähr 0,08 mm und ungefähr 1,0 mm, wobei das wenigstens eine Polster angeordnet ist, um die freien Oberseiten der Vielzahl der unabgedeckten Siliciumchips zu berühren und mehr als 50 % davon abzudecken, sobald der Wärmeverteiler an der Leiterplatte angebracht ist; und (e) Anbringen des Wärmeverteilers an der Leiterplatte, so dass das wenigstens eine Polster aus Gelzusammensetzung die freien Oberflächen der Vielzahl der unabgedeckten Siliciumchips berührt und mehr als 50 % davon bedeckt.
Eine Kombination zusammensetzbar zu einer Leiterplattenanordnung mit einer Einrichtung zur Wärmeableitung, enthaltend: eine Leiterplatte mit einer Vielzahl darauf angebrachter unabgedeckter Siliciumchips, wobei jeder der unabgedeckten Siliciumchips eine freie Oberfläche aufweist; einen Wärmeverteiler, der von der Leiterplatte beabstandet ist und einen im Wesentlichen ebenen Abschnitt aufweist mit Innen- und Außenseiten, und der bemessen und geformt ist zur Anbringung an der Leiterplatte, so dass die Innenseite des ebenen Abschnittes zu der Seite der Leiterplatte weist, die die unabgedeckten Siliciumchips trägt; eine Gelzusammensetzung auf der Innenseite des Wärmeverteilers, wobei die Gelzusammensetzung eine Kohäsionsfestigkeit aufweist, die größer ist als die Klebefestigkeit, einen Kompressionsmodul von weniger als 1,38 MPa und eine thermische Leitfähigkeit von größer als 1,0 W/m·°C, wobei die Gelzusammensetzung wenigstens ein Polster mit einer Dicke zwischen ungefähr 0,08 mm und ungefähr 1,0 mm bildet und wobei das wenigstens eine Polster angeordnet ist, um die freien Oberflächen der Vielzahl der unabgedeckten Siliciumchips zu berühren und zu mehr als 50 % abzudecken, wenn der Wärmeverteiler an der Leiterplatte angebracht ist.
Verfahren oder Kombination nach Anspruch 1 oder 2, wobei das wenigstens eine Polster aus der Gelzusammensetzung ein einzelnes durchgehendes Polster der Gelzusammensetzung ist.
Verfahren oder Kombination nach Anspruch 1 oder 2, wobei das wenigstens eine Polster aus der Gelzusammensetzung eine Mehrzahl von Polstern der Gelzusammensetzung umfasst, wobei jedes Polster angeordnet ist, um nur einen einzigen gegenüberliegenden unabgedeckten Silicium chip zu berühren, wenn der Wärmeverteiler an der Leiterplatte angebracht ist, und eine Kontur aufweist, die im Wesentlichen der des entsprechenden gegenüberliegenden unabgedeckten Siliciumchips entspricht.
Verfahren oder Kombination nach Anspruch 1 oder 2, wobei der ebene Abschnitt des Wärmeverteilers eine Dicke von weniger als 5 mm aufweist.
Verfahren oder Kombination nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Gelzusammensetzung ein vernetztes Silicongel umfasst, das mit einem teilchenförmigen Material gefüllt ist, das eine thermische Leitfähigkeit von mehr als 20 W/m·°C aufweist.
Verfahren oder Kombination nach Anspruch 6, wobei die Gelzusammensetzung hergestellt ist durch Aushärten einer Vorläuferzusammensetzung enthaltend: (A) eine Siliconzusammensetzung mit einer Viskosität von weniger als 50.000 cP bei 25°C, enthaltend (i) ein alkenylfunktionalisiertes Diorganopolysiloxan mit einer Viskosität zwischen 50 und 100.000 cP bei 25°C, das wenigstens zwei siliciumgebundene Alkenylgruppen in jedem Molekül aufweist, und (ii) ein wasserstofffunktionalisiertes Organopolysiloxan mit einer Viskosität zwischen 1 und 1.000.000 cP bei 25°C, das weiter durchschnittlich wenigstens zwei siliciumgebundene Wasserstoffatome pro Molekül enthält in einer Menge, die zwischen 0,2 und 5,0 mol an siliciumgebundenem Wasserstoff pro mol siliciumgebundenem Alkenyl in dem alkenylfunktionalisierten Diorganopolysiloxan (i) bereitstellt; (B) einen Hydrosilylierungskatalysator in einer Menge, die ausreichend ist, um die Aushärtung der Siliconzusammensetzung (A) zu bewirken, und (C) wenigstens 35 Vol.-% eines teilchenförmigen Materials mit einer thermischen Leitfähigkeit von mehr als 20 W/m·°C.
Verfahren oder Kombination nach Anspruch 7, wobei die Siliconzusammensetzung (A) ferner ein Organosiloxanharz der mittleren Formel R_aSiO_b worin R eine monovalente Kohlenwasserstoffgruppe außer Alkenyl ist und a eine Zahl zwischen 2,0 und 2,2 und b eine Zahl zwischen 0,9 und 1,0 ist, in einer Menge von bis zu 80 Gewichtsteilen je 100 Gewichtsteile des alkenylfunktionalisierten Diorganopolysiloxans (i) und des wasserstofffunktionalisierten Organopolysiloxans (ii)enthält.
Verfahren oder Kombination nach Anspruch 6, wobei das teilchenförmige Material ausgewählt ist aus der Gruppe enthaltend Aluminiumoxid, Siliciumcarbid, Zinkoxid, Aluminiumnitrid, Titandiborid, Aluminium, Kupfer, Silber, Diamant, Nickel, Silicium, Graphit, Eisen(III)-oxid, Berylliumoxid, Titandioxid, Magnesiumoxid und Bornitrid.
Verfahren oder Kombination nach Anspruch 6, wobei das teilchenförmige Material ein α-Aluminiumoxid umfasst, bei dem wenigstens 10 Gew.-% des α-Aluminiumoxids eine Teilchengröße von wenigstens 74 μm aufweisen.
Verfahren oder Kombination nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Gelzusammensetzung einen Kompressionsmodul von weniger als 0,69 MPa aufweist.
Verfahren oder Kombination nach Anspruch 1 oder 2, wobei das wenigstens eine Polster aus der Gelzusammensetzung eine Mehrzahl von Gelpolstern aufweist, von denen jedes angeordnet ist, um wenigstens einen unabgedeckten Siliconchip zu berühren.
Verfahren oder Kombination nach Anspruch 1 oder 2, wobei das wenigstens eine Polster aus der Gelzusammensetzung eine Vielzahl von Streifen, Wülsten, Punkten oder Rechtecken aufweist.