專利名稱：具有良好可靠性的熱界面材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及熱界面材料，更具體地，一些實(shí)施方式涉及用在集成電路應(yīng)用中的聚合物基熱界面材料。相關(guān)技術(shù)描述對(duì)使用集成電路的更小、更快速和更強(qiáng)大的電子產(chǎn)品的要求增加已經(jīng)促進(jìn)開(kāi)發(fā)更強(qiáng)大和更小的半導(dǎo)體器件。關(guān)鍵的問(wèn)題是從這些器件中產(chǎn)生的熱應(yīng)當(dāng)被迅速并充分地去除，以避免過(guò)熱和隨后對(duì)器件的損害。熱管理器件，比如集成的散熱部件或熱管，通常地用 于使熱擴(kuò)散遠(yuǎn)離動(dòng)力產(chǎn)生器件。在散熱部件和半導(dǎo)體器件之間，可使用熱界面材料層以促進(jìn)傳熱。熱界面材料通常比空氣更好地導(dǎo)熱并被放置以填充半導(dǎo)體器件和散熱部件之間的空隙以增加傳熱效率。常見(jiàn)的熱界面材料可包括熱油脂(thermal grease),比如充填氧化鋁、氧化鋅或氮化硼的硅油。一些熱界面也使用微細(xì)化或粉末化的銀。也使用相變材料——在室溫或室溫附近為固體但具有熔點(diǎn)以便它們?cè)诓僮鳒囟然虻陀诓僮鳒囟认乱夯牟牧?。這類材料可容易應(yīng)用，因?yàn)樗鼈冊(cè)趹?yīng)用期間為固態(tài)。常規(guī)地，由于它們安裝后良好的熱性能，熱油脂已經(jīng)在市場(chǎng)上廣泛可得。但是，一旦長(zhǎng)期使用并隨著時(shí)間的推移，這些油脂可降解，在界面處產(chǎn)生更高的熱阻。這損害了熱傳遞遠(yuǎn)離半導(dǎo)體器件。該問(wèn)題歸因于兩個(gè)主要原因，它們有時(shí)稱為“抽去(pump-out)”和“變干(dry-out) ”。器件的給電和斷電(power up and down)造成芯片和散熱器之間的相對(duì)移動(dòng)，這是因?yàn)樗鼈儾煌臒崤蛎浵禂?shù)。這可能往往從界面空隙“抽”去糊膏。當(dāng)填料與有機(jī)基質(zhì)分開(kāi)并且在升高的溫度下有機(jī)物流出時(shí)發(fā)生油脂“變干”。這導(dǎo)致界面材料的分層，降低器件的可靠性。有數(shù)篇公開(kāi)的文章和其他出版物解決熱界面材料的可靠性問(wèn)題。在一個(gè)例子中，美國(guó)專利號(hào)6，597，575公開(kāi)了一種組合物，其包括固化的硅氧烷基凝膠，其中聚合物基質(zhì)是交聯(lián)的硅氧烷聚合物。該文件描述優(yōu)化的凝膠材料應(yīng)當(dāng)在125°C下具有小于約IOOkPa的儲(chǔ)能剪切模量(G’)，并且應(yīng)當(dāng)具有如G’ /G"的值指示的大于或等于I的膠凝點(diǎn)，其中G"是熱界面材料的損耗剪切模量。該文件聲稱具有適當(dāng)機(jī)械性能的熱材料可用于避免分層并滿足可靠性和性能要求。美國(guó)專利號(hào)6，791，839描述了基于硅氧烷聚合物基質(zhì)的可固化的熱界面材料。在描述的85°C、85%相對(duì)濕度的箱測(cè)試中，硅氧烷基材料的熱阻在35天的處理之后幾乎增加一個(gè)數(shù)量級(jí)，其指示材料的氧化穩(wěn)定性非常低。美國(guó)專利號(hào)6，813，153描述了聚合物焊料混合物熱界面材料，其中具有低熔點(diǎn)的焊料添加至包含聚合物和具有高熔解溫度的填料的組合物中，所述聚合物通常指環(huán)氧乙烷或硅氧烷基有機(jī)物，比如聚二甲基硅氧烷(PDMS)或聚(二甲基二苯基硅氧烷)。據(jù)聲稱，當(dāng)回流時(shí)，高熔點(diǎn)填料擴(kuò)散進(jìn)入焊料，形成新的填料-焊料合金，其具有提高的熔點(diǎn)和增加的強(qiáng)健性。這些材料在實(shí)時(shí)應(yīng)用之前使用回流工藝，其增加了復(fù)雜性和加工成本。在另一例子中，美國(guó)專利號(hào)7，408，787報(bào)道了一種相變材料，其包括聚酯，比如熔點(diǎn)從稍微高于室溫(比如40°C )至接近或低于操作溫度(比如130°C )的聚己內(nèi)酯；體積導(dǎo)熱率大于約50W/mK的導(dǎo)熱填料；和其他任選的添加劑。該文件描述，如從熱重分析判斷的，該材料具有比聚烯烴更高的熱分解溫度?？傊?，常規(guī)技術(shù)提供了數(shù)種改善熱界面材料的可靠性的手段。它們中許多仍使用硅氧烷基聚合物作為主要基質(zhì)。最后一篇參考文獻(xiàn)(專利號(hào)7，408，787)使用相變材料。但是，硅氧烷基聚合物通常具有對(duì)氧和水二者的高滲透性；并且不是適合高可靠性熱界面材料的優(yōu)選材料。由于液相的形成，相變材料容易被抽去，尤其當(dāng)界面垂直放置時(shí)。本發(fā)明實(shí)施方式的簡(jiǎn)短概述根據(jù)本發(fā)明的各種實(shí)施方式，提供熱糊膏材料。在一些實(shí)施方式中，這些材料可 用作熱界面材料。本發(fā)明的實(shí)施方式可配置為在高加速應(yīng)力試驗(yàn)(HAST)處理后提供熱穩(wěn)定性和良好的可靠性。材料的實(shí)施方式在高溫環(huán)境下空氣和濕氣中是熱穩(wěn)定性的，并能夠防止空氣或濕氣滲透界面降解填料材料。這使得材料通過(guò)了廣泛的可靠性測(cè)試，比如烘焙、85°C和85%濕度箱和動(dòng)力循環(huán)。在一些實(shí)施方式中，材料使用具有氧和濕氣阻隔性能的熱穩(wěn)定的聚合物。在一種實(shí)施方式中，熱界面材料包括(A)抗?jié)窬酆衔铮?B)具有低氧滲透性的氣體阻隔聚合物，(C)抗氧化劑，(D)導(dǎo)熱填料和(E)其他添加劑或任選的材料?？寡趸瘎┯糜谧柚咕酆衔锏臒嵴T導(dǎo)氧化，并因此增強(qiáng)它們的熱穩(wěn)定性。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，熱界面材料包括水滲透系數(shù)小于約10_ncm3(STP) cm/cm2S Pa的聚合物；氧滲透系數(shù)小于約KT14Cm3 (STP) cm/cm2S Pa的聚合物；抗氧化劑；和導(dǎo)熱填料。溶劑或低分子量烴樹(shù)脂可也添加至材料。在一種實(shí)施方式中，水滲透系數(shù)小于約IO-11Cm3 (STP) cm/cm2S Pa的聚合物和氧滲透系數(shù)小于約l(T14cm3 (STP) cm/cm2S Pa的聚合物是相同的聚合物。在另一種實(shí)施方式中，組件可使用本文公開(kāi)的熱糊膏制造。例如，可提供生熱器件，比如半導(dǎo)體或其他電子電路元件。也可提供散熱器件，比如散熱部件、熱管或其他類似器件，作為從電子元件去除熱的機(jī)械裝置。本文公開(kāi)的熱糊膏放置在生熱器件和散熱器件之間，以促進(jìn)之間的傳熱。從下面詳細(xì)的說(shuō)明，結(jié)合附圖
，本發(fā)明的其他特征和方面將顯而易見(jiàn)，所述附圖通過(guò)例子圖解說(shuō)明按照本發(fā)明實(shí)施方式的特征。概述不意欲限制本發(fā)明的范圍，范圍僅通過(guò)所附權(quán)利要求限定。附圖簡(jiǎn)述參考下述附圖詳細(xì)描述依據(jù)一種或多種不同實(shí)施方式的本發(fā)明。提供附圖，僅僅為了圖解說(shuō)明的目的且僅僅描繪了本發(fā)明典型的或示例性的實(shí)施方式。提供這些附圖以有助于讀者理解本發(fā)明，并且不應(yīng)認(rèn)為限制本發(fā)明的寬度、范圍或適用性。應(yīng)當(dāng)注意，為了清楚和圖解方便，這些附圖未必按照比例繪制。圖I是圖解說(shuō)明不同聚合物的水和氧滲透系數(shù)的圖，從左向右水滲透系數(shù)增加。接近左軸的聚合物具有低的水滲透性。I軸顯示O2和H2O的滲透系數(shù)(PX IO13) (Cm3(STP)cm/cm2S Pa)。圖2.不同聚合物的水和氧滲透系數(shù)，氧滲透系數(shù)從左向右增加。接近左軸的聚合物具有低的氧滲透性。I軸顯示O2和H2O滲透系數(shù)(PX IO13) (cm3 (STP) cm/cm2S Pa)。本發(fā)明實(shí)施方式的詳述本發(fā)明提供新的熱糊膏材料，在一些實(shí)施方式中用作熱界面材料。本發(fā)明的實(shí)施方式可配置為在高加速應(yīng)力試驗(yàn)(HAST)處理后提供熱穩(wěn)定性和良好的可靠性。材料的實(shí)施方式在高溫環(huán)境下空氣和濕氣中是熱穩(wěn)定的，并能夠防止空氣或濕氣滲透界面降解填料材料。這使得材料通過(guò)了廣泛的可靠性測(cè)試，比如烘焙、85°C和85%濕度箱和動(dòng)力循環(huán)。在一些實(shí)施方式中，材料使用具有氧和濕氣阻隔性能的熱穩(wěn)定的聚合物。在一種實(shí)施方式中，熱界面材料包括(A)抗?jié)窬酆衔铮?B)具有低氧滲透性的氣體阻隔聚合物，(C)抗氧化劑，(D)導(dǎo)熱填料和(E)其他添加劑或任選的材料?？寡趸瘎┯糜?阻止聚合物的熱誘導(dǎo)氧化，并因此增強(qiáng)它們的熱穩(wěn)定性。具有低氧和水滲透性的聚合物用于保護(hù)熱填料避免與環(huán)境氧和濕氣接觸，并因此保護(hù)填料避免氧化或分解。在一些實(shí)施方式中，熱界面材料不是相變材料，并在器件操作期間保持相同的相。在一些實(shí)施方式中，低水滲透性，優(yōu)選滲透系數(shù)小于10_ncm3(STP)cm/cm2S Pa的聚合物(A)包括聚烯烴、聚(鏈烷)、聚(鏈烯)、聚酰胺和含氟或氯聚合物。在進(jìn)一步的實(shí)施方式中，具有良好的濕氣阻隔性能的聚烯烴、聚(鏈烷)或聚(鏈烯)包括從具有2-10個(gè)碳原子、尤其2-6個(gè)碳原子的單體制備的聚合物，所述單體比如乙烯、丙烯、丁烷-I、丁二烯、4-甲基戊烯-I、己烷、或兩個(gè)或多個(gè)這些烯烴的共聚物。在仍進(jìn)一步的實(shí)施方式中，可使用乙烯α烯烴共聚物、乙烯丙烯共聚物、橡膠改性的乙烯丙烯共聚物、或乙烯丙烯丁烯三聚物、或其混合物。在具體的實(shí)施方式中，合適的材料是具有結(jié)晶相或無(wú)定形相的聚丙烯或聚乙烯?？蛇x地，也可使用聚乙烯和聚丙烯之間的共聚物，或使用三單體的共聚物，比如聚(二烯)，或乙烯/丙烯/二烯共聚物丁基橡膠。在一些實(shí)施方式中，合適的聚酰胺材料包括，不限于，例如，聚(亞氨基-I-氧雜十一亞甲基)(尼龍6)。在一些實(shí)施方式中，合適的含氟或氯聚合物包括，例如，四氟乙烯/六氟丙烯共聚物特氟龍F(tuán)EP、聚(四氟乙烯)Hostaflon PFA ;聚(氟乙烯)Tedlar ;三氟氯乙烯/乙烯共聚物Halar ;聚(四氟乙烯)Hostaflon PFA、四氟乙烯/乙烯共聚物Hostaflon ET ;和聚(I, I-二氯乙烯)Saran。用于基底的其他合適的材料包括三氟氯乙烯-1，1_ 二氟乙烯共聚物(CTFE/VDF)、乙烯-三氟氯乙烯共聚物(ECTFE)、乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE)、氟化乙烯-丙烯共聚物(FEP)、聚三氟氯乙烯(PCTFE)、全氟烷基-四氟乙烯共聚物(PFA)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚1，I-二氟乙烯(PVDF)、聚氟乙烯(PVF)、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物(TFE/HFP)，四氟乙烯-六氟丙烯-1，I-二氟乙烯三聚物(THV)、聚三氟氯乙烯(PCTFE)、六氟丙烯-1，I-二氟乙烯共聚物(HFP/VDF)、四氟乙烯-丙烯共聚物(TFE/P)和四氟乙烯-全氟甲基醚共聚物(TFE/PFMe)。在一些實(shí)施方式中，具有低氧滲透性，優(yōu)選氧滲透系數(shù)小于10_14cm3 (STP) cm/cm2SPa的聚合物⑶包括聚(鏈烷)，即，高密度聚(乙烯)，HDPE ;聚(甲基丙烯酸酯)，即，聚(甲基丙烯酸甲酯)、聚(甲基丙烯酸乙酯) ’聚(腈)，即，聚(丙烯腈)、聚(甲基丙烯腈)、甲基丙烯腈/苯乙烯共聚物L(fēng)opac、丙烯腈/苯乙烯共聚物Barex、丙烯腈/丙烯酸甲酯/ 丁二烯共聚物；聚(乙烯基)，即，聚(1，1-二氯乙烯)Saran、未增塑的聚(氯乙烯)；含氟聚合物，即，聚(氟乙烯)Tedlar、未增塑的聚(三氟氯乙烯)、三氟氯乙烯/乙烯共聚物Halar、四氟乙烯/乙烯共聚物Hostaflon ET ;聚(二烯)，即，乙烯/丙烯/ 二烯共聚物丁基橡膠；多氧化物，即，用丁二烯接枝的聚(氧亞甲基)Flostaform ;聚(酯)或聚(碳酸酯)，即，聚(氧乙烯氧對(duì)苯二酰)Hostaphan、聚(氧乙烯氧對(duì)苯二酰)Mylar A、聚(氧羰氧基-1，4-亞苯基異亞丙基-1，4 -亞苯基)Lexan ;聚(酰胺)，即，聚(亞氨基-1-氧雜十一亞甲基)尼龍6，纖維素和衍生物，即，水合纖維素或玻璃紙。表1.用于比較氧或水滲透性的聚合物
權(quán)利要求
1.熱界面材料，包括 水滲透系數(shù)小于約KT11Cm3 (STP) cm/cm2S Pa的聚合物； 氧滲透系數(shù)小于約KT14Cm3 (STP) cm/cm2S Pa的聚合物； 抗氧化劑；和 導(dǎo)熱填料。
2.權(quán)利要求I所述的熱界面材料，進(jìn)一步包括溶劑或低分子量烴樹(shù)脂。
3.權(quán)利要求I所述的熱界面材料，其中所述水滲透系數(shù)小于約10_ncm3(STP) cm/cm2SPa的聚合物和所述氧滲透系數(shù)小于約10_14cm3(STP) cm/cm2S Pa的聚合物是相同的聚合物。
4.組件,包括 生熱器件； 散熱器件； 放置在所述生熱器件和所述散熱器件之間的熱界面材料，所述熱界面材料包括 水滲透系數(shù)小于約KT11Cm3 (STP) cm/cm2S Pa的聚合物； 氧滲透系數(shù)小于約KT14Cm3 (STP) cm/cm2S Pa的聚合物； 抗氧化劑；和 導(dǎo)熱填料。
5.權(quán)利要求4所述的組件，其中所述熱界面材料進(jìn)一步包括溶劑或低分子量烴樹(shù)脂。
6.權(quán)利要求4所述的組件，其中所述水滲透系數(shù)小于約10_ncm3(STP) cm/cm2S Pa的聚合物和所述氧滲透系數(shù)小于約10_14cm3 (STP) cm/cm2S Pa的聚合物是相同的聚合物。
7.制造熱界面材料的方法，包括將下述結(jié)合 水滲透系數(shù)小于約KT11Cm3 (STP) cm/cm2S Pa的聚合物； 氧滲透系數(shù)小于約KT14Cm3 (STP) cm/cm2S Pa的聚合物； 抗氧化劑；和 導(dǎo)熱填料。
8.權(quán)利要求7所述的方法，進(jìn)一步包括將溶劑或低分子量烴樹(shù)脂與結(jié)合的材料結(jié)合。
9.權(quán)利要求7所述的方法，其中所述水滲透系數(shù)小于約10_nCm3(STP)Cm/Cm2SPa的聚合物和所述氧滲透系數(shù)小于約10_14cm3 (STP) cm/cm2S Pa的聚合物是相同的聚合物。
10.形成組件的方法，包括 在生熱器件和散熱器件之間施加熱界面材料； 其中所述熱界面材料包括 水滲透系數(shù)小于約KT11Cm3 (STP) cm/cm2S Pa的聚合物； 氧滲透系數(shù)小于約KT14Cm3 (STP) cm/cm2S Pa的聚合物； 抗氧化劑；和 導(dǎo)熱填料。
11.權(quán)利要求10所述的方法，其中所述熱界面材料進(jìn)一步包括溶劑或低分子量烴樹(shù)脂。
12.權(quán)利要求10所述的方法，其中所述水滲透系數(shù)小于約10_ncm3(STP) cm/cm2S Pa的聚合物和所述氧滲透系數(shù)小于約10_14cm3 (STP) cm/cm2S Pa的聚合物是相同的聚合物。
全文摘要
用于高度可靠熱界面材料的組合物，包括(A)水滲透系數(shù)優(yōu)選小于10-11cm3(STP)cm/cm2S Pa的抗?jié)窬酆衔铮?B)氧滲透系數(shù)優(yōu)選小于10-14cm3(STP)cm/cm2S Pa的氣體阻隔聚合物，(C)抗氧化劑，(D)導(dǎo)熱填料和(E)其他添加劑或任選的材料。放置在生熱器件和散熱器件之間的熱界面材料可有效阻隔水和氧滲透，防止熱填料降解并提高器件的可靠性。
文檔編號(hào)H01L23/373GK102893391SQ201180021872
公開(kāi)日2013年1月23日 申請(qǐng)日期2011年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月30日
發(fā)明者S·陳, N-C·李 申請(qǐng)人:銦泰公司