DE69630278T2

DE69630278T2 - Kühlung durch Wärmeableitung für einen wärmeerzeugenden elektronischen Teil

Info

Publication number: DE69630278T2
Application number: DE69630278T
Authority: DE
Inventors: Miksa Windham De Sorgo
Original assignee: Parker Hannifin Corp
Current assignee: Parker Hannifin Corp
Priority date: 1996-01-30
Filing date: 1996-12-17
Publication date: 2004-08-26
Anticipated expiration: 2016-12-18
Also published as: EP0790762A3; DE69630278D1; EP0790762A2; EP0790762B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die leitende Kühlung von wärmeerzeugenden elektronischen Bauteilen.
Der Schaltungsaufbau für moderne elektronische Geräte wie z. B. Fernseher, Radios, Computer, medizinische Instrumente, Bürogeräte, Kommunikationsgeräte und dergleichen ist zunehmend komplex geworden. Für diese und andere Geräte wurden zum Beispiel integrierte Schaltungen hergestellt, die das Äquivalent von Hunderttausenden von Transistoren enthalten. Obwohl die Komplexität des Aufbaus zugenommen hat, hat die Größe der Geräte mit der Verbesserung der Fähigkeit, kleinere elektronische Bauteile herzustellen und mehr von diesen Bauteilen auf einer immer kleineren Fläche unterzubringen, weiterhin abgenommen.
Da elektronische Bauteile kleiner geworden sind und auf integrierten Schaltungen und Chips dichter gepackt werden, sind die Entwickler und Hersteller nun mit der Herausforderung konfrontiert, wie die Wärme abzuleiten ist, die auf ohmsche oder andere Weise von diesen Bauteilen erzeugt wird. Denn es ist wohlbekannt, dass viele elektronische Bauteile, und vor allem Halbleiterbauteile wie Transistoren, bei hohen Temperaturen für Ausfälle oder Fehlfunktionen anfälliger sind. Daher ist die Fähigkeit zur Wärmeableitung oft ein begrenzender Faktor des Bauteils.
Elektronische Bauteile wie z. B. integrierte Schaltungen von elektronischen Geräten werden traditionell durch erzwungene oder konvektive Luftumwälzung im Inneren des Gerätegehäuses gekühlt. Zu diesem Zweck werden Kühlrippen als integraler Bestandteil des Bauteils vorgesehen oder auf separate Weise daran angebracht, um die Fläche des Bauteils, die den konvektiv erzeugten Luftströmen ausgesetzt ist, zu vergrößern. Darüber hinaus wurden elektrische Lüfter verwendet, um das im Gehäuse umgewälzte Luftvolumen zu erhöhen. Bei Hochleistungsschaltungen und den kleineren, aber dichter gepackten Schaltungen, die für aktuelle elekt ronische Designs typisch sind, hat der einfache Luftumlauf sich aber zur angemessenen Kühlung der Schaltungsbauteile als unzureichend erwiesen.
Wie in den Patentschriften US-A-4,965,699 und US-A-4,266,267 beschrieben, kann eine Wärmeableitung, die über das hinausgeht, was durch einfache Luftumwälzung erreichbar ist, durch die direkte Anbringung des Bauteils an einer „Kühlplatte" oder an einem sonstigen Kühlkörper bewirkt werden. Der Kühlkörper kann eine eigens vorgesehene wärmeleitende Metallplatte oder einfach der Rahmen des Geräts sein. Da der Rahmen des Geräts jedoch allgemein mit dem Massepotential verbunden ist, ist es notwendig, elektrische Bauteile elektrisch vom Rahmen oder sonstigen Substrat zu isolieren, um einen Kurzschluss zu vermeiden. Zu diesem Zweck wurden zwischen dem elektrischen Bauteil und dem Kühlkörper elektrisch isolierende, wärmeleitende Schnittstellenmaterialien benutzt. Diese Schnittstellenmaterialien können so zusammengesetzt sein, dass sie einen oder mehrere wärmeleitende partikelförmige Füllstoffe enthalten, die in einem Polymerbindemittel zerstreut sind, und können in Form von ausgehärteten Folien, Bändern, Belägen oder Filmen vorliegen, oder als Klebstoffe oder Fette wie z. B. Siliconfett. Zu den typischen Bindemitteln gehören Silicone, Urethane, thermoplastische Kautschuke und andere Elastomere, mit typischen Füllstoffen, zu denen Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Zinkoxid, Bornitrid und Aluminiumnitrid gehören.
Beispielhaft für die obigen Schnittstellenmaterialien ist ein bornitridgefülltes Siliconelastomer, das unter dem Namen CHO-THERM^® von der Chomerics Division der Firma Parker-Hannifin Corp., Woburn, MA, angeboten wird. Darüber hinaus offenbart die Patentschrift US-A-4,869,954 ein ausgehärtetes, formstabiles, folienartiges, wärmeleitendes Material zur Übertragung von Wärmeenergie. Das Material wird aus einem Urethanbindemittel, einem Härtungsmittel und einem oder mehreren wärmeleitenden Füllstoffen hergestellt. Die Füllstoffe, die Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Bornitrid, Magnesiumoxid oder Zinkoxid enthalten können, liegen vorzugsweise in Partikelgrößen vor, die in einem Bereich zwischen 1–50 Mikron (0,05–2/1000 Zoll) liegen.
Die Patentschrift US-A-4,769,845 offenbart eine thermisch gekühlte elektronische Baugruppe, die ein Gehäuse mit elektronischen Bauteilen umfasst. Ein Kühlkörpermaterial füllt das Gehäuse in direktem Kontakt mit den elektronischen Bauteilen, um die Wärme daraus abzuleiten. Das Kühlkörpermaterial enthält eine pastenartige Mischung aus partikelförmigem mikrokristallinem Material wie Diamant, Bornitrid oder Saphir, und einen Füllstoff wie Fluorkohlenstoff oder Paraffin. Die Partikelgrößenverteilung und Füllung des Kühlkörpermaterials in dem Gehäuse ist derart, dass ein mittlerer Partikel-zu-Partikel-Abstand von 0,004/1000 Zoll (0,1 Mikron) erreicht wird.
Die Patentschrift US-A-4,782,893 offenbart einen wärmeleitenden, elektrisch isolierenden Belag zur Anordnung zwischen einem elektronischen Bauteil und seinem Tragrahmen. Der Belag ist aus einem Material mit einer hohen dielektrischen Stärke geformt, worin Diamantenpulver zerstreut ist. Zu diesem Zweck können das Diamantenpulver und eine Flüssigphase des Materials mit hoher dielektrischer Stärke vermischt werden und dann zu einer Folie geformt und ausgehärtet werden. In einer Ausführungsform ist das Diamantpulver mit einer Partikelgröße vorgesehen, die der Foliendicke entspricht oder etwas größer ist. Nach der Folienformung wird eine dünne Schicht davon durch chemisches Ätzen oder ähnliches abgetragen, um die Spitzen der Diamantpartikel freizulegen. Eine dünne Grenzschicht aus Kupfer oder einem anderen Metall wird dann so mit der oberen und unteren Foliefläche verbunden, dass die freiliegenden Diamantspitzen in die Flächen hinein verlaufen, um reine Diamantwärmeleitwege durch die Folie herzustellen.
Der Belag kann durch Lötung oder einen Klebstoff mit dem elektronischen Bauteil und dem Rahmen verbunden werden.
Die Patentschrift US-A-4,965,699 offenbart eine gedruckte Schaltung mit einem Speicherchip, der auf einer Chipkarte befestigt ist. Die Karte ist durch eine Schicht ungehärtetes Siliconelastomer, die auf der Oberfläche der Kühlplatte aufgetragen ist, von einer zugehörigen Kühlplatte getrennt.
Die Patentschrift US-A-4,974,119 offenbart einen Kühlkärperaufbau, der ein elektronisches Bauteil umfasst, das in einem beabstandeten Verhältnis zum Wärmeableiter auf einer Leiterplatte getragen wird. Zwischen der Leiterplatte und dem elektronischen Bauteil ist eine wärmeleitende Elastomerschicht angeordnet. Das Elastomerelement kann aus Silicon geformt sein und enthält vorzugsweise einen Füllstoff wie z. B. Aluminiumoxid oder Bornitrid.
Die Patentschrift US-A-4,979,074 offenbart ein Gerät mit einer gedruckten Schaltung, das eine Leiterplatte umfasst, die durch ein vorgeformtes Blatt aus Silicongummi von einer wärmeleitenden Platte getrennt ist. Das Blatt kann einen Füllstoff wie Aluminiumoxid oder Bornitrid enthalten.
Die Patentschrift US-A-5,137,959 offenbart ein wärmeleitendes, elektrisch isolierendes Schnittstellenmaterial, das ein thermoplastisches oder vernetztes Elastomer enthält, das mit hexagonalem Bornitrid oder Aluminiumoxid mit einem durchschnittlichen Partikelgrößendurchmesser von etwa 2–50 Mikron (0,08–2/1000 Zoll) gefüllt ist. Das Material kann in Form einer Mischung aus Elastomer und Füllstoff vorliegen, die dann zu einer Folie oder anderem gegossen oder geformt wird.
Die Patentschrift US-A-5,194,480 offenbart ein anderes wärmeleitendes, elektrisch isolierendes Füllelastomer. Ein bevorzugter Füllstoff ist hexagonales Bornitrid mit einer Partikelgröße von etwa 5–200 Mikron (2–8/1000 Zoll). Das Füllelastomer kann durch konventionelle Verfahren zu Blöcken, Folien oder Filmen geformt werden.
Die Patentschriften US-A-5,213,868 und US-A-5,298,791 offenbaren ein wärmeleitendes Schnittstellenmaterial, das aus einem Polymerbindemittel und einem oder mehreren wärmeleitenden Füllstoffen geformt wird. Die Füllstoffe können partikelförmige Festkörper wie z. B. Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Bornitrid, Magnesiumoxid oder Zinkoxid sein, die eine Partikelgröße von etwa 1–50 Mikron (0,05–2/1000 Zoll) aufweisen. Das Material kann durch Guss oder Formung geformt werden und ist vorzugsweise mit einem laminierten Acrylhaftband (PSA) versehen. Mindestens eine Fläche dieses Bands ist mit Kanälen oder Durchgangsöffnungen versehen, die darin geformt sind, damit die Luft zwischen dieser Fläche und der Oberfläche eines Substrats wie eines Kühlkörpers oder eines elektronischen Bauteils entweichen kann.
Die Patentschrift US-A-5,321,582 offenbart einen Kühlkörperaufbau für ein elektronisches Bauteil, der ein wärmeleitendes Laminat aufweist, das aus Polyamid geformt ist und unter einer Schicht aus bornitridgefülltem Silicon angeordnet ist. Das Laminat ist zwischen dem elektronischen Bauteil und dem Gehäuse des Aufbaus angeordnet.
Da die oben beschriebenen Zusammensetzungen als Schnittstellenmaterialien in leitend gekühlten elektronischen Bauteilen Akzeptanz gefunden haben, ist zu erwarten, dass weitere Verbesserungen dieser Materialien und Verfahren zur Herstellung solcher Baugruppen von der Elektronikindustrie gut aufgenommen werden. Besonders wünschenswert wäre eine Zusammensetzung, die sich leicht und wirtschaftlich in einem flüssigen Zustand direkt auf eine Leiterplatte, einen Kühlkörper, eine Leiterplatte oder dergleichen auftragen lässt und dann vor Ort ausgehärtet wird, um ein wärmeleitendes, elektrisch isolierendes Schnittstellenmaterial zu ergeben, das optimale Wärmeübertragungseigenschaften aufweist.
Einem Aspekt der Erfindung gemäß wird ein Verfahren zur leitenden Kühlung eines wärmeerzeugenden elektronischen Bauteils bereitgestellt, das in beabstandeter Nachbarschaft zu einer Fläche eines Wärmeableiters angeordnet ist, um dazwischen einen Spalt mit vorbestimmter Breite zu bilden, wobei dieses Verfahren die Schritte umfasst des:

(a) Vorsehens einer aushärtbaren Zusammensetzung, die ein elektrisch isolierendes Polymerbindemittel enthält, das wärmeleitende, elektrisch isolierende Füllstoffpartikel aufweist, die darin zerstreut sind, wobei mindestens ein Anteil dieser Partikel einen maximalen durchschnittlichen Durchmesser aufweist, der etwa der vorbestimmten Breite des Spalts entspricht.
(b) Vorsehens einer Schicht dieser Zusammensetzung, die mit dem elektronischen Bauteil und der Fläche des Wärmeableiters im leitenden Wärmeübertragungskontakt angeordnet werden kann, und
(c) Aushärtens dieser Schicht der Zusammensetzung, um im Inneren des Spalts eine Zwischenschicht zu formen, wobei mindestens ein Anteil der Füllstoffpartikel mit dem maximalen durchschnittlichen Durchmesser jeweils im wesentlichen mit dem elektronischen Bauteil und der Fläche des Wärmeableiters direkt in Kontakt ist, um Wärmeleitwege herzustellen, die für die Wärmeübertragung vom elektronischen Bauteil zum Wärmeableiter wirksam sind.

Einem anderen Aspekt der Erfindung gemäß wird eine leitend gekühlte elektrische Baugruppe bereitgestellt, umfassend:
einen Wärmeableiter, der eine Außenfläche aufweist:
ein wärmeerzeugendes elektronisches Bauteil, das in beabstandeter Nachbarschaft zu dieser Fläche des Wärmeableiters angeordnet ist, um dazwischen einen Spalt mit vorbestimmter Breite zu definieren; und
eine vor Ort ausgehärtete Zwischenschicht, die im Inneren des Spalts in leitendem Wärmeübertragungskontakt mit dem elektronischen Bauteil und der Fläche des Wärmeableiters angeordnet ist, wobei diese Zwischenschicht ein elektrisch isolierendes Polymerbindemittel mit wärmeleitenden, elektrisch isolierenden Füllstoffpartikeln enthält, die darin zerstreut sind, und mindestens ein Anteil dieser Partikel einen maximalen durchschnittlichen Durchmesser aufweist, der etwa der vorbestimmten Breite des Spalts entspricht und im wesentlichen mit dem elektronischen Bauteil und der Fläche des Wärmeableiters direkt in Kontakt ist, um Wärmeleitwege vom elektronischen Bauteil zum Wärmeableiter herzustellen.
Da die Füllstoffpartikel so gewählt sind, dass mindestens ein Anteil davon einen maximalen durchschnittlichen Durchmesser aufweist, der etwa der Breite des Spalts entspricht, wird der im wesentlichen direkte Kontakt zwischen dem elektronischen Bauteil und dem Wärmeableiter erleichtert, wodurch Wärmeleitwege zur besseren Wärmeübertragung vom Bauteil zum Wärmeableiter hergestellt werden.
Die aushärtbare Zusammensetzung kann in einem flüssigen Zustand auf die Fläche des elektronischen Bauteils oder Wärmeableiters aufgetragen und dann vor Ort auf dieser Fläche ausgehärtet werden, oder zwischen dem Bauteil und dem Wärmeableiter angeordnet werden, um eine wärmeleitende, elektrisch isolierende Zwischenschicht zu ergeben, die verbesserte Wärmeübertragungseigenschaften aufweist.
Die Erfindung wird durch das Beispiel in den beiliegenden Zeichnungen schematisch dargestellt, wobei:
1 eine fragmentarische Querschnittsansicht einer elektrischen Baugruppe ist, wobei ein elektronisches Bauteil davon erfindungsgemäß leitend gekühlt werden kann, indem zwischen dem Bauteil und einer zugehörigen Leiterplatte eine Zwischenschicht aus einer wärmeleitenden, elektrisch isolierenden aushärtbaren Zusammensetzung vorgesehen wird.
2 eine Querschnittsansicht eines Abschnitts der elektrischen Baugruppe von 1 ist, der vergrößert dargestellt ist, um die innere Morphologie der Zusammensetzung der erfindungsgemäßen Zwischenschicht detailliert darzustellen, und
3 eine fragmentarische Querschnittsansicht einer alternativen Ausführungsform einer erfindungsgemäß leitend gekühlten elektrischen Baugruppe ist, wobei die wärmeleitende, elektrisch isolierende Zwischenschicht von 1 zwischen dem Bauteil und einem zugehörigen Kühlkörper angeordnet ist.
Bezug nehmend auf die Zeichnungen, wobei gleiche Bezugszeichen in allen Zeichnungen gleiche Elemente bezeichnen, wird in 1 durch 10 allgemein eine elektrische Baugruppe bezeichnet, die ein wärmeerzeugendes digitales oder analoges elektronisches Bauteil 12 enthält, das auf einem zugehörigen Wärmeableiter 14 angeordnet ist. Der Wärmeableiter 14 weist eine Wärmekapazität gegenüber der des Bauteils 12 auf, die zur Abgabe der vom Bauteil 12 übertragenen Wärmeenergie wirksam ist. In dieser Zeichnung ist der Wärmeableiter 14 als Leiterplatte oder anderes Substrat 16 dargestellt, das das Bauteil 12 trägt und es von anderen elektronischen Bauteilen (nicht gezeigt) trennt. Das elektronische Bauteil 12 kann ein integrierter Mikrochip, Tran sistor oder sonstiger Halbleiter sein, oder ein ohmsches oder anderes wärmeerzeugendes Bauteil wie eine Diode, ein Relais, Widerstand, Transformator, Verstärker, Wechselstromdiodenschalter oder Kondensator. Zur elektrischen Verbindung des Bauteils 12 mit der Leiterplatte 16 ist ein Paar Anschlussdrähte oder Pins 18a und 18b vorgesehen, das von beiden Enden des Bauteils 12 aus zu einer Lötverbindung oder sonstigen Verbindung mit der Leiterplatte 16 verläuft. Die Anschlussdrähte 18 stützen das Bauteil 12 über der Leiterplatte 16 zudem so, dass eine äußere Wärmeübertragungsfläche 20 des Bauteils 12 von einer Gegenfläche 22 der Leiterplatte 16 beabstandet ist. Ein Spalt, der bei 24 mit einer bestimmten Breite 26 dargestellt ist, wird auf diese Weise zwischen dem Bauteil 12 und der Leiterplatte 16 definiert. Bei den meisten Leiterplattenanwendungen beträgt die Spaltbreite 26 typischerweise etwa 3/1000 Zoll (75 Mikron).
Eine wärmeleitende, elektrisch isolierende Zwischenschicht 30 ist im Inneren des Spalts 24 im Wärmeleitungskontakt mit der Fläche 20 des Bauteils 12 und der Gegenfläche 22 der Leiterplatte 16 angeordnet. Die Zwischenschicht 30 füllt den Spalt 24 mindestens partiell aus, um einen Leitweg dadurch zur Übertragung der Wärmeenergie vom Bauteil 12 zur Leiterplatte 16 herzustellen. Dieser Leitweg kann ohne oder in Verbindung mit einer konvektiven Luftumwälzung verwendet werden, um das Bauteil 12 zu kühlen und zu gewährleisten, dass seine Betriebstemperatur innerhalb spezifizierter Grenzen gehalten wird.
In 2 wird die innere Morphologie der Zwischenschicht 30 durch 32 allgemein angezeigt. Die Zwischenschicht 12 ist allgemein aus einer durchgehenden Phase eines elektrisch isolierenden, ausgehärteten Polymerbindemittels 34 geformt, in der eine Vielzahl von wärmeleitenden, elektrisch isolierenden Füllstoffpartikeln 36a–h angeordnet sind. Die Füllstoffpartikel 36 können eine Größe aufweisen, die im wesentlichen einheitlich ist oder, wie gezeigt, eine Ver teilung aufweist, die einen Partikelgrößenbereich einschließt. Doch in welcher Form auch immer sie vorliegen, mindestens ein Anteil der Füllstoffpartikel 36, der durch die Füllstoffpartikel 36a–b dargestellt ist, ist mit einem maximalen durchschnittlichen Durchmesser oder einer diametrischen Ausdehnung versehen, die durch 38 angezeigt wird, die etwa der vorbestimmten Breite 26 des Spalts 24 entspricht. Wenn die Partikel 36 in einer einheitlichen Größe vorliegen, weisen im wesentlichen alle Partikel den spezifizierten maximalen durchschnittlichen Durchmesser auf. Andernfalls, wenn die Partikel 36 mit einer Größenverteilung vorgesehen werden, weist ein Anteil der Partikel, der dem maximalen durchschnittlichen Durchmesser der Population entspricht, den spezifizierten maximalen durchschnittlichen Durchmesser auf.
Mindestens ein Anteil dieser Füllstoffpartikel 36, der wieder durch die Füllstoffpartikel 36a–b dargestellt ist, weist die spezifizierte Größe auf und ist jeweils im wesentlichen in direktem Kontakt mit der Fläche 20 des Bauteils 12 und der Gegenfläche 22 der Leiterplatte 16. d. h., ein erstes Ende 40a des Partikels 36a ist mit der Fläche 20 des Bauteils 12 in Kontakt, während ein zweites Ende 40b des Partikels mit der Fläche 22 der Leiterplatte 16 in Kontakt ist. Auf diese Weise werden Wärmeleitwege direkt durch die Partikel 36a–b hergestellt, um die Wärme vom Bauteil 12 zur Leiterplatte 16 zu übertragen. Da die Füllstoffpartikel 36 durch Wärmeleitfähigkeiten gekennzeichnet sind, die größer sind als die der durchgehenden Polymerbindemittelphase 34, versteht es sich, dass die Zwischenschicht 30 Wärmeübertragungs- und andere thermische Eigenschaften aufweist, die besser sind als die der bisherigen, dem Stand der Technik entsprechenden Schnittstellenmaterialien. Zum Beispiel lassen sich mit geringeren Füllstoffladungen höhere thermische Volumenleitfähigkeiten erreichen.
Das Polymerbindemittel 34 kann ein in Wärme aushärtendes oder thermoplastisches Material sein und aus einer Vielzahl von im Handel erhältlichen Harzen und Elastomeren wie Polyurethane, Polyamide, Nylone, Polyamide, Polyester, Epoxide, Polyolefine, Polyetheretherketone, Silicone, Fluorsilicone, thermoplastische Elastomere, Acrylharze, und Copolymere und Mischungen davon gewählt werden. Doch aufgrund ihrer hervorragenden thermischen und elektrischen Eigenschaften werden Siliconharze und -elastomere bevorzugt, die ein oder zweiteilige Systeme sein können, die in Anwesenheit eine Härtungsmittels oder Katalysators bei Raumtemperatur aushärten (RTV), oder die fotoinitiiert oder feuchtigkeitsgehärtet werden.
Zu den wärmeleitenden, elektrisch isolierenden partikelförmigen Festkörpern, die geeignet sind, als Füllstoffpartikel 36 verwendet zu werden, gehören Bornitrid, Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Magnesiumoxid, Zinkoxid, Siliziumkarbid, Berylliumoxid und Mischungen davon. Wie oben erwähnt, weisen die Füllstoffpartikel 36 eine durchschnittliche Partikelgröße oder maximale durchschnittliche Größenverteilung auf, die relativ zur Breite 26 des Spalts 24 so gewählt ist, dass sie dieser im wesentlichen entspricht. Bei einer Breite 26 von etwa 3/1000 Zoll (75 Mikron) zum Beispiel beträgt die entsprechende durchschnittliche Partikelgröße oder maximale durchschnittliche Größenverteilung des Füllstoffs 36 etwa 3/1000 Zoll (75 Mikron). Dementsprechend beträgt bei einer Breite 26 von etwa 5/1000 Zoll (125 Mikron) die entsprechende durchschnittliche Partikelgrößen- oder maximale durchschnittliche Größenverteilung des Füllstoffs 36 etwa 5/1000 Zoll (125 Mikron). Die meisten dem Stand der Technik entsprechenden Schnittstellenmaterialien, die keine kontrollierte Partikelgrößenverteilung haben, weisen demgegenüber typischerweise Partikelgrößenverteilungen in einem Bereich von 1–1,5/1000 Zoll (25–40 Mikron) auf. Auch wenn es weder für die Breite 25 des Spalts 24 noch für die Partikelgröße oder die diametrale Ausdehnung 38 des Füllstoffs 36 eine theoretische Obergrenze gibt, kann je nach der verfügbaren Größe des gewählten Füllstoffs und je nach den Einschränkungen der Herstellungsanlage, die zur Herstellung des Materials verfügbar ist, eine praktische Obergrenze von etwa 8–10/1000 Zoll (200–250 Mikron) realisiert werden.
Der Füllstoff 36 muss in einem Verhältnis im Polymerbindemittel 34 enthalten sein, das ausreicht, um die gewünschte Wärmeleitfähigkeit für die beabsichtigte Anwendung bereitzustellen. Diesbezüglich ist die thermische Volumenleitfähigkeit der Zwischenschicht 30 allgemein proportional zur Füllstoffdichte, da durch die einzelnen Füllstoffpartikel direkte Wärmeleitwege hergestellt werden. Für typische Anwendungen kann die Zwischenschicht 30 etwa 50 bis 55 Gewichtsprozent des Füllstoffs 36 enthalten, was etwa 30 Volumenprozent entspricht.
Zusätzliche Füllstoffe und Zusätze können in der Zwischenschicht 30 enthalten sein, soweit die Wärmeleitfähigkeit und andere physikalische Eigenschaften davon nicht übermäßig beeinträchtigt werden. Zum Beispiel kann während der Vermischung des Bindemittels 34 ein Lösungsmittel oder ein anderes Verdünnungsmittel verwendet werden, um seine Viskosität zu verringern und die Mischung und den Auftrag/die Ausgabe des Materials zu erleichtern. Je nach beabsichtigter Anwendung können auch Pigmente, Flammenhemmstoffe und Antioxidationsmittel zugesetzt werden.
In 3 wird eine alternative Anordnung der leitend gekühlten elektrischen Baugruppe 10 durch das Bezugszeichen 40 allgemein dargestellt. Auch die Baugruppe 40 enthält das wärmeerzeugende elektronische Bauteil 12, das auf der Leiterplatte 16 über die Anschlussdrähte 18a und 18b getragen wird. In der Ausführungsform 40 ist das Bauteil 12 jedoch zwischen der Leiterplatte 16 und einem separaten Wärmeableiter angeordnet, der durch 14' angezeigt wird und ein separater Kühlkörper ist. Der Wärmeableiter 14' wird über dem Bauteil 12 getragen und ist zur Veranschaulichung als eine wärmeleitende Platte 42 konfiguriert, die aus einem Metall wie Aluminium oder einem anderen Material mit einer relativ hohen Wärmekapazität und anderen Wärmeabgabeeigenschaften besteht.
Wie zuvor wird das Bauteil 12 so über der Leiterplatte 16 getragen, dass die äußere Wärmeübertragungsfläche 20' des Bauteils 12 von einer Gegenfläche 22' der Platte 42 beabstandet ist. Dadurch wird zwischen dem Bauteil 12 und der Platte 42 ein Spalt 24' mit einer vorbestimmten Breite 26' definiert. Die wärmeleitende, elektrisch isolierende Zwischenschicht 30 ist im Inneren des Spalts 24' in leitendem Wärmeübertragungskontakt mit der Fläche 20' des Bauteils 12 und der Gegenfläche 22' der Platte 42 angeordnet. Auch hier füllt die Zwischenschicht 30 den Spalt 24' mindestens zum Teil aus, um durch sie einen Wärmeleitweg zur Wärmeübertragung vom Bauteil 12 zur Platte 42 zu bilden. Der Spalt 24 zwischen der Fläche 20 des Bauteils 12 und der Fläche 22 der Leiterplatte 16 kann ungefüllt bleiben, um die leitende Kühlung des Bauteils 12 weiter zu unterstützen. Alternativ dazu kann der Spalt 24 mit einer zweiten Zwischenschicht 30 (nicht gezeigt) gefüllt werden, wie in Verbindung mit 1 beschrieben, um einen zweiten Wärmeleitungsweg vom Bauteil 12 vorzusehen.
Die Zwischenschicht 30 kann in Form einer Schicht aus einer aushärtbaren Zusammensetzung in die Baugruppen 10 oder 40 integriert werden, die in einem flüssigen Zustand auf die Fläche 22 der Leiterplatte 16 (1) aufgetragen wird, bevor das Bauteil 12 darauf befestigt wird, oder auf die Fläche 20' des Bauteils 12 (3), bevor das Bauteil 12 in eine beabstandete Nachbarschaft zur Kühlkörperplatte 42 angeordnet wird. In beiden beschriebenen Varianten kann die aufgetragene Schicht der aushärtbaren Zusammensetzung entweder vor dem Zusammenbau oder nach dem Zusammenbau vor Ort um Inneren des Spalts 24 (1) oder 24' (3) ausgehärtet werden. Unter „ausgehärtet" ist zu verstehen, dass das Bindemittel der Zusammensetzung polymerisiert, vernetzt, weiterpolymerisiert oder -vernetzt, vulkanisiert, gekühlt, gehärtet oder auf sonstige Weise chemisch oder physikalisch von einer flüssigen oder fließenden in eine feste Harz-, Elastomer- oder sonstige Polymerphase versetzt wird.
Alternativ dazu kann die Zwischenschicht 30 in Form einer Schicht aus einer aushärtbaren Zusammensetzung vorgesehen werden, die in einem fließenden Zustand in den Spalt 24 des Aufbaus 10 (1) oder in den Spalt 24' des Aufbaus 10 (3) eingespritzt oder extrudiert wird, worin sie dann vor Ort ausgehärtet wird. In allen oben beschriebenen Varianten versteht es sich, dass die Zwischenschicht 30 entweder auf einer Fläche des Bauteils 12 oder des Wärmeableiters 14 oder 14' ausgehärtet wird, oder vor Ort zwischen dem Bauteil 12 und dem Wärmeableiter 14 oder 14'. Dadurch entfällt die Notwendigkeit, das Schnittstellenmaterial in separaten Schritten als Folie oder Belag vorzuformen und dann das Material auf dem Bauteil oder dem Kühlkörper zu befestigen. Überdies wird durch dieses formteilgratfreie Verfahren im Vergleich zu Formschneide- oder Gussverfahren die Abfallerzeugung verringert. Solch ein Aushärtungsverfahren vor Ort ist zudem weniger arbeitsintensiv und kann zu einem Vorgang abgeändert werden, der stärker automatisiert ist.
In einer vorzugsweisen Ausführungsform wird die wärmeübertragende Zwischenschicht vor Ort aus einer aushärtbaren Zusammensetzung geformt, die ein Bindemittel aus einem bei Raumtemperatur vulkanisierenden (RTV-)Siliconelastomer enthält, das mit etwa 50–55 Gewichtsprozent graphithaltigen Bornitrid (BN)-Füllstoffpartikeln beladen ist. Der BN-Füllstoff wird mit einer Wärmeleitfähigkeit von etwa 25–50 W/m-°K gewählt und wird gemahlen oder auf andere Weise ver arbeitet, um eine maximale Partikelgrößenverteilung von mindestens etwa 3/1000 Zoll (75 Mikron) aufzuweisen, und vorzugsweise von mindestens etwa 5/1000 Zoll (125 Mikron). Geeignete bei Raumtemperatur vulkanisierende RTV-Silicone werden von Dow Corning Corp. (Midland, MI), General Electric Co. (Silicone Products Div., Pittsfield, MA) und Shinetsu Corp. (Torrance, CA) angeboten. Das Siliconbindemittel wird vorzugsweise als zweiteilige Formulierung aus zwei reaktiven Komponenten und einem Platinkatalysator vorgesehen.
Geeignete BN-Füllstoffe werden von Advanced Ceramic Corp. (Cleveland, OH) angeboten. Der Füllstoff ist als eine Mischung verfügbar, die eine Partikelgrößenverteilung von maximal 14–15/1000 Zoll (355–380 Mikron), durchschnittlich 8–9/1000 Zoll (200–230 Mikron), und minimal 3–4/1000 Zoll (75–100 Mikron) aufweist. Jede der reaktiven Komponenten wird durch einen Planetenmischer oder dergleichen mit den BN-Füllstoffpartikeln vorgemischt. Die Komponenten werden dann getrennt durch eine Dreiwalzenmühle oder ähnliches geführt, um die Partikelgröße des Füllstoffs auf maximal etwa 4–5/1000 Zoll (100–125 Mikron) zu reduzieren. Zu diesem Zweck werden die Walzen der Mühle so eingestellt, dass dazwischen ein Spalt von etwa 5/1000 Zoll (125 Mikron) gebildet wird, um die kennzeichnende kontrollierte Partikelgröße zu erreichen. Dies steht im Gegensatz zum herkömmlichen Mahlvorgang, bei dem die Größe des Füllstoffs auf Elementarpartikel mit maximal 1–1,5/1000 Zoll (25–40 Mikron) verkleinert wird.
Nach der Vermischung können die Komponenten gelagert werden, zur späteren reaktiven Verarbeitung durch eine handgeführte Kittpistole, die vom Typ mit Patrone und statischem Mischer sein kann, oder alternativ dazu mit einer automatisierten Spritzvorrichtung wie zum Beispiel einem Auftragsroboter. Die Komponenten werden direkt vor dem Auftrag vermischt und als eine reaktive Mischung auf eine Fläche der elektrischen Baugruppe ausgegeben, wobei die Mischung vor Ort ausgehärtet wird, um die wärmeleitende Zwischenschicht zu ergeben. Zur Verringerung der Zykluszeit kann die Aushärtung bei erhöhter Temperatur durchgeführt werden, damit die Vulkanisierungsreaktion beschleunigt wird. Die Komponenten können alternativ dazu auch vorgemischt und dann zwecks Lagerung gekühlt werden. Um die Mischung und den Auftrag zu erleichtern, wird das Zusatzmittel vorzugsweise so formuliert, dass es eine Viskosität von 300.000 cp aufweist. Es wurde empirisch beobachtet, dass die relativ größeren Füllstoffpartikelgrößen der Zusammensetzung fließende Viskositäten bei höheren Füllstoffbeladungsanteilen erreichen, d. h. 50–55 Gewichtsprozent, als die bisher vom Stand der Technik bekannten Zusammensetzungen, die typischerweise mit 35–40 Gewichtsprozent beladen sind. Da der graphithaltige BN-Füllstoff der vorzugsweisen Ausführungsform zudem im Vergleich zu den abtragenden Oxidfüllstoffen, die in konventionellen Formulierungen gängig sind, als Schmierstoff gelten kann, wird für die verwendeten Misch-, Dosier- und Ausgabevorrichtungen eine bessere Lebensdauer erreicht.
Als eine Alternative zum oben beschriebenen zweiteiligen RTV-System kann ein einteiliges System vorgesehen werden, das zum Beispiel ein hydrolysierbares polyfunktionales Silan oder Siloxan enthält, das durch Luftfeuchtigkeit aktiviert wird. In welcher Form auch immer das silconbasierte System vorliegt, aufgrund der Affinität des Siliconelastomers für die meisten Oberflächen lässt sich eine hervorragende Adhäsion des ausgehärteten Materials am Substrat erreichen, ohne dass ein Haftgrund oder ähnliches verwendet werden muss. Falls erwünscht, kann auch ein Haftgrund wie ein funktionalisiertes Silan, Silicatester, Cyanurat oder ähnliches verwendet werden.
Das folgende Beispiel, in dem alle Prozentsätze und Anteile Gewichtsprozentsätze und -anteile sind, außer bei ausdrück licher anders lautender Angabe, ist für die praktische Anwendung der vorliegenden Erfindung beispielhaft, aber nicht im einschränkenden Sinne zu verstehen.
BEISPIEL
Eine zweiteilige, bei Raumtemperatur vulkanisierende, auf Silicon basierende (RTV-) Zusammensetzung zur Formung der wärmeleitenden, elektrisch isolierenden Zwischenschicht wurde wie in Tabelle 1 gezeigt hergestellt:
TABELLE 1
Herstellung der zweiteiligen, bei Raumtemperatur vulkanisierenden (RTV-)Zusammensetzung
Teil A:

200 Teile Siliconharz (GE 615A, GE Sicicone Products Div)
225 Teile Bornitridpartikel (HCM-grade, Advanced Ceramics)

Teil B:

200 Teile Siliconharz (GE 615B, GE Sicicone Products Div)
225 Teile Bornitridpartikel (HCM-grade, Advanced Ceramics)
10 Teile Blaupigment (D 4900 grade, Harwick Chemical) Partikelgrößenverteilung von maximal 14–15/1000 Zoll (355–380 Mikron), durchschnittlich 8–9/1000 Zoll (200– 230 Mikron), minimal 3–4/1000 Zoll (75–100 Mikron).

Jeder der Teile A und B wurde in einem Doppelplanetenmischer (Charles Ross & Sons) hergestellt, indem der BN-Füllstoff in das Siliconharz vorgemischt wurde, bis er gleichmäßig verteilt war. Die vorgemischten Komponenten wurden dann separat durch eine Dreiwalzenmühle (Charles Ross & Sons) geführt. Die Walzen der Mühle waren auf einen Spaltabstand von etwa 5/1000 Zoll eingestellt, um den Füllstoff auf etwa maximal 4–5/1000 Zoll (100–125 Mikron) zu reduzieren.
Die wie beschrieben formulierten Komponenten Teil A und B wurden dann in eine Spritz- oder Kittpistole (Charles Ross & Sons) geladen, die eine statische Mischdüse und eine Doppelkolbenverdrängung aufwies, die auf ein Mischverhältnis von 10 : 1 Volumenanteilen von A : B eingestellt war, d. h. 38 cm³ Teil A auf 3,8 cm³ Teil B. Eine Menge des vermischten Materials wurde von der Pistole ausgegeben und dann 48 Stunden lang bei Raumtemperatur ausgehärtet. Die folgenden physikalischen Eigenschaften sind für die ausgehärtete Zusammensetzung repräsentativ und bestätigen ihre Eignung für die beabsichtigte Anwendung: TABELLE 2 Repräsentative Physikalische Eigenschaften

Spezifischer 10¹³ Ω–cm

Durchgangswiderstand Dielektrische Stärke 500 Volt Wechselstrom/ 1/1000 Zoll

Härte 70 Shore A

Wärmeleitfähigkeit 1,2 W/m-°K

Spezifisches Gewicht 1,50

Claims

Verfahren zur leitenden Kühlung eines wärmeerzeugenden elektronischen Bauteils (12), das in beabstandeter Nachbarschaft zu einer Fläche (22, 22') eines Wärmeableiters (14, 14') angeordnet werden kann, um dazwischen einen Spalt (24, 24') mit vorbestimmter Breite (26, 26') zu definieren, wobei dieses Verfahren die Schritte umfasst des: (a) Vorsehens einer aushärtbaren Zusammensetzung, die ein elektrisch isolierendes Polymerbindemittel umfasst, das wärmeleitende, elektrisch isolierende Füllstoffpartikel (36a–h) aufweist, die darin zerstreut sind, wobei mindestens ein Anteil (36a–b) dieser Partikel (36a–h) einen maximalen durchschnittlichen Durchmesser (38) aufweist, der etwa der vorbestimmten Breite des Spalts (24, 24') entspricht, (b) Vorsehens einer Schicht dieser Zusammensetzung, die mit dem elektronischen Bauteil (12) und der Fläche (22, 22') des Wärmeableiters (14, 14') im leitenden Wärmeübertragungskontakt angeordnet werden kann, und (c) Aushärtens dieser Schicht dieser Zusammensetzung, um im Inneren des Spalts (24, 24') eine Zwischenschicht (30) auszubilden, wobei mindestens ein Anteil der Füllstoffpartikel (36a–b) mit dem maximalen durchschnittlichen Durchmesser (38) jeweils im wesentlichen direkt mit dem elektronischen Bauteil (12) und der Fläche (22, 22') des Wärmeableiters (14, 14') in Kontakt ist, um Wärmeleitwege herzustellen, die zur Wärmeübertragung vom elektronischen Bauteil (12) zum Wärmeableiter (14, 14') wirksam sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Wärmeableiter ein Kühlkörper (14') oder eine Leiterplatte (14) ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei in Schritt (b) die Schicht der Zusammensetzung vorgesehen wird, indem sie auf die Fläche des Wärmeableiters (14, 14') aufgetragen wird, und wobei das Verfahren nach Schritt (b) darüber hinaus einen zusätzlichen Schritt des Anordnens des elektronischen Bauteils (12) auf dieser Schicht umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei in Schritt (b) die Schicht der Zusammensetzung vorgesehen wird, indem sie auf eine Außenfläche des elektronischen Bauteils (12) aufgetragen wird, und wobei das Verfahren nach Schritt (b) darüber hinaus einen zusätzlichen Schritt des Anordnens des Wärmeableiters (14') auf dieser Schicht umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, außerdem umfassend einen zusätzlichen Schritt, vor Schritt (b), des Anordnens des elektronischen Bauteils (12) in beabstandeter Nachbarschaft zur Fläche des Wärmeableiters (14, 14'), und wobei die in Schritt (b) vorgesehene Schicht zwischen dem elektronischen Bauteil (12) und der Fläche des Wärmeableiters (14, 14') angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die in Schritt (a) vorgesehene aushärtbare Zusammensetzung eine erste und eine zweite reaktive Komponente umfasst, die jeweils einen Anteil der Füllstoffpartikel (36a–h) enthalten, und das Verfahren darüber hinaus vor Schritt (b) einen zusätzlichen Schritt des Mischens der ersten und zweiten reaktiven Komponente umfasst.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die erste reaktive Komponente ein mit Silanol abgeschlossenes Polymer und die zweite reaktive Komponente ein Vernetzungsmittel enthält, wobei diese reaktiven Komponenten sich bei ihrer Vermischung miteinander verbinden, um ein bei Raumtemperatur vulkanisierendes (RTV) Siliconelastomer zu ergeben, das das Polymerbindemittel der Zusammensetzung bildet.
Verfahren nach Anspruch 6, außerdem umfassend einen zusätzlichen Schritt, vor Schritt (b), des Anordnens des elektronischen Bauteils (12) in der beabstandeten Nachbarschaft zur Fläche des Wärmeableiters (14, 14'), und wobei die Schicht in Schritt (b) vorgesehen wird, indem die vermischte erste und zweite reaktive Komponente zwischen dem elektronischen Bauteil (12) und der Fläche des Wärmeableiters (14, 14') eingespritzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Füllstoffpartikel (36a–h) der aushärtbaren Zusammensetzung aus der Gruppe der Partikel aus Bornitrid, Aluminiumoxid, Alu miniumnitrid, Magnesiumoxid, Zinkoxid, Siliziumcarbid, Berylliumoxid und Mischungen davon gewählt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Füllstoffpartikel (36a–h) graphithaltiges Bornitrid enthalten.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Polymerbindemittel der aushärtbaren Zusammensetzung aus der Gruppe der Polyurethane, Polyimide, Nylone, Polyamide, Polyester, Polyolefine, Epoxide, Polyetheretherketone, Siliconelastomere, Fluorsiliconelastomere, thermoplastischen Elastomere, Acrylharze und Copolymere und Mischungen davon gewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Polymerbindemittel der aushärtbaren Zusammensetzung ein bei Raumtemperatur vulkanisierendes (RTV) Siliconelastomer enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die aushärtbare Zusammensetzung etwa 50 bis 55 Gewichtsprozent Füllstoffpartikel (36a–h) enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Breite des Spalts (24, 24') zwischen dem elektronischen Bauteil und der Fläche des Wärmeableiters (14, 14') mindestens etwa 3/1000 Zoll (75 Mikron) beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der durchschnittliche Durchmesser des Anteils (36a–b) der Partikel (36a–h) in der aushärtbaren Zusammensetzung, der einen maximalen durchschnittlichen Durchmesser (38) auf weist, der im wesentlichen der vorbestimmten Breite des Spalts (24, 24') entspricht, mindestens etwa 5/1000 Zoll (125 Mikron) beträgt.
Leitend gekühlte elektrische Baugruppe (10), umfassend: einen Wärmeableiter (14, 14'), der eine Außenfläche (22, 22') aufweist; ein wärmeerzeugendes elektronisches Bauteil (12), das in beabstandeter Nachbarschaft zu dieser Fläche (22, 22') des Wärmeableiters (14, 14') angeordnet ist, um dazwischen einen Spalt (24, 24') mit vorbestimmter Breite (26, 26') zu definieren; und eine vor Ort ausgehärtete Zwischenschicht (30), die im Inneren des Spalts (24, 24') in leitendem Wärmeübertragungskontakt mit dem elektronischen Bauteil (12) und der Fläche (22, 22') des Wärmeableiters (14, 14') angeordnet ist, wobei diese Zwischenschicht (30) ein elektrisch isolierendes Polymerbindemittel mit wärmeleitenden, elektrisch isolierenden Füllstoffpartikeln (30a–h) enthält, die darin zerstreut sind, und mindestens ein Anteil (30a–b) dieser Partikel einen maximalen durchschnittlichen Durchmesser (38) aufweist, der etwa der vorbestimmten Breite (26, 26') des Spalts (24, 24') entspricht und im wesentlichen mit dem elektronischen Bauteil (12) und der Fläche (22, 22') des Wärmeableiters (14, 14') direkt in Kontakt ist, um Wärmeleitwege vom elektronischen Bauteil (12) zum Wärmeableiter (14, 14') herzustellen.
Elektrische Baugruppe nach Anspruch 16, wobei der Wärmeableiter ein Kühlkörper (14') oder eine Leiterplatte (14) ist.
Elektrische Baugruppe nach Anspruch 16, wobei die Füllstoffpartikel (36a–h) der aushärtbaren Zusammensetzung aus der Gruppe der Partikel aus Bornitrid, Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Magnesiumoxid, Zinkoxid, Siliziumcarbid, Berylliumoxid und Mischungen davon gewählt sind.
Elektrische Baugruppe nach Anspruch 16, wobei die Füllstoffpartikel (36a–h) graphithaltiges Bornitrid enthalten.
Elektrische Baugruppe nach Anspruch 16, wobei das Polymerbindemittel der Zwischenschicht (30) aus der Gruppe der Polyurethane, Polyimide, Nylone, Polyamide, Polyester, Polyolefine, Epoxide, Polyetheretherketone, Siliconelastomere, Fluorsiliconelastomere, thermoplastischen Elastomere, Acrylharze und Copolymere und Mischungen davon gewählt ist.
Elektrische Baugruppe nach Anspruch 16, wobei das Polymerbindemittel der Zwischenschicht (30) ein bei Raumtemperatur vulkanisierendes (RTV) Siliconelastomer enthält.
Elektrische Baugruppe nach Anspruch 16, wobei die Zwischenschicht (30) etwa 50 bis 55 Gewichtsprozent Füllstoffpartikel (36a–h) enthält.
Elektrische Baugruppe nach Anspruch 16, wobei die Breite (26, 26') des Spalts (24, 24') zwischen dem elektronischen Bauteil (12) und der Fläche (22, 22') des Wärmeableiters (14, 14') mindestens etwa 3/1000 Zoll (75 Mikron) beträgt.
Elektrische Baugruppe nach Anspruch 16, wobei der durchschnittliche Durchmesser des Anteils (36a–b) der Partikel (36a-h) der Zwischenschicht (30), der einen maximalen durchschnittlichen Durchmesser aufweist, der im wesentlichen der vorbestimmten Breite (26, 26') des Spalts (24, 24') entspricht, mindestens etwa 5/1000 Zoll (125 Mikron) beträgt.