KR100782235B1 - Sintered Metal Flake - Google Patents
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Abstract
본 발명은 금속 플레이크의 망을 포함하는 탄력적이며, 유연성 있으며, 다공성의 열 전달 물질에 관한 것이다. 그러한 상기 열 전달 물질은 바람직하게는 휘발성 유기 용제 및 전도성 금속 플레이크들을 포함하는 전도성 페이스트를 우선적으로 형성함으로서 제조된다. 상기 전도성 페이스트는 상기 금속 플레이크의 녹는점 이하의 온도까지 가열되며, 그 가열에 의하여 상기 용제는 증발되고 상기 플레이크들은 그 플레이크의 에지에서만 소결된다. 상기 플레이크들의 에지들은 적어도 몇몇의 인접하는 플레이크들 사이에 기공들이 한정되도록 상기 인접하는 플레이크들의 에지들에 융합되며, 그 융합에 의하여 금속 플레이크의 망이 형성된다. 이러한 상기 망 구조는 상기 열 전달 물질이 약 10Gpa 이하의 낮은 저장탄성계수를 가지는 반면, 양호한 전기 저항 특성을 가지는 것을 가능하게 한다. The present invention relates to a resilient, flexible, porous heat transfer material comprising a network of metal flakes. Such heat transfer material is preferably prepared by preferentially forming a conductive paste comprising a volatile organic solvent and a conductive metal flake. The conductive paste is heated to a temperature below the melting point of the metal flake, by which the solvent is evaporated and the flakes are sintered only at the edge of the flake. The edges of the flakes are fused to the edges of the adjacent flakes such that pores are defined between at least some adjacent flakes, thereby forming a network of metal flakes. This network structure enables the heat transfer material to have a low storage modulus of about 10 Gpa or less, while having good electrical resistance properties.
Description
본 발명은 집적회로 패키지(package)와 회로 기판의 제작에 관한 것이다. 보다 자세히는, 본 발명은 낮은 저장탄성계수(storage modulus)를 가지며, 전기적으로 도전성의, 집적회로 패키지를 위한 열적 인터페이스(interface)에 관한 것이다. The present invention relates to the fabrication of integrated circuit packages and circuit boards. More particularly, the present invention relates to a thermal interface for an electrically conductive, integrated circuit package having a low storage modulus.
집적회로는 잘 알려진 산업 제품이며, 다양한 상업적 전자 제품 및 개인 소비자 전자 제품에 사용된다. 집적회로는 전화, 라디오, 및 개인용 컴퓨터 등과 같은 소규모의 장치에서뿐만 아니라, 산업적 제어 장비와 같은 큰 규모의 응용물에 특히 유용하다. Integrated circuits are well known industrial products and are used in a variety of commercial and consumer electronics products. Integrated circuits are particularly useful in large scale applications such as industrial control equipment, as well as in small devices such as telephones, radios, and personal computers.
보다 강력한 전자 응용물에 대한 요구가 증가함에 따라, 보다 빠른 속도에서 동작하며, 보다 작은 공간을 차지하며, 보다 많은 기능을 제공하는 전기 시스템에 대한 요구도 증가된다. 이러한 요구를 충족시키기 위하여, 제조자는 비교적 매우 인접하여 존재하는 다수의 전기 부품(component)들을 구비하는 전기 및 전자 장치를 설계하게 된다. 이러한 부품들은 많은 양의 열을 발생시키는 경향이 있는데, 이 열은 장치의 고장 또는 오작동을 회피하기 위하여 특정 수단들에 의하여 발산되어야 한다. As the demand for more powerful electronic applications increases, so does the demand for electrical systems that operate at higher speeds, take up less space, and provide more functionality. To meet this need, manufacturers design electrical and electronic devices with a large number of electrical components that are relatively in close proximity. These parts tend to generate a large amount of heat, which must be dissipated by specific means to avoid failure or malfunction of the device.
전통적으로 전자 부품들은 장치의 하우징(housing)내에 있는 공기를 강제적으로 순환시키거나 또는 대류에 의해 순환시킴으로써 냉각되어져왔다. 냉각 팬(cooling fan)은 종종 전자 장치에 통합된 부분으로서 제공되어지거나 또는 공기 흐름에 노출되는 집적회로 패키지의 표면 면적을 증가시키기 위하여 상기 장치들에 별도로 부착된다. 그러한 상기 팬은 장치의 하우징 내에서 순환되는 공기의 부피를 증가시키기 위하여 사용된다. 미국 특허 제 5,522,700호는 전자 부품으로부터 열을 발산시키기 위한 통상적인 팬 장치의 사용을 설명한다. 미국 특허 제 5,166,775호는 공기 제트(jet)를 집적회로에 설치된 전자 장치로 유도하기 위한, 집적회로에 인접하여 설치된 공기 매니폴드(manifold)를 기술한다. 상기 공기 매니폴드는 하나의 공기 흡입구 및 공기를 전자 장치로 유도하기 위한 채널(channel)을 따라 위치한 다수의 방출 노즐(outlet nozzle)을 구비한다. Traditionally, electronic components have been cooled by forcibly circulating or by convection the air in the housing of the device. Cooling fans are often provided as an integrated part of the electronic device or separately attached to the devices in order to increase the surface area of the integrated circuit package exposed to the air flow. Such a fan is used to increase the volume of air circulated within the housing of the device. U. S. Patent No. 5,522, 700 describes the use of conventional fan devices for dissipating heat from electronic components. U. S. Patent No. 5,166, 775 describes an air manifold installed adjacent to an integrated circuit for directing an air jet to an electronic device installed in the integrated circuit. The air manifold has one air inlet and a plurality of outlet nozzles located along a channel for directing air to the electronic device.
불행하게도, 전력밀도(power density)가 증가하는 반면 집적회로의 크기가 줄어듦에 따라, 간단한 공기 순환은 회로 부품을 적절히 냉각하는데 자주 불충분하다. 공기 순환에 의하여 달성될 수 있는 정도를 넘어서는 열 발산은 열 발산판(heat sink) 또는 다른 열 발산 장치를 전자 부품에 부착함으로써 달성될 수 있다. 미국 특허 제 4,620,216호는 다수의 냉각 핀 소자(fin element)를 구비하는 반도체 패키지를 위한 단일의(unitary) 열 발산판에 대해 기술하는데, 상기 열 발산판은 고밀도(high density) 집적회로 모듈(module)을 냉각하기 위하여 사용된다. 미국 특허 제 5,535,094호는 공기 블로우어(blower)와 열 발산판의 결합된 사용을 설명한다. 상기 특허는 집적회로 패키지를 냉각시키는 일체형 블로우어를 구비하는 모듈을 설명한다. 상기 블로우어는 집적회로 패키지에 설치된 열 발산판에 부착된다. 집적회로에 의하여 발생된 열은 열 발산판으로 전도된다. 블로우어는 열 발산판을 가로질러 흐르는 공기의 흐름을 발생시켜 패키지로부터 열을 제거한다. Unfortunately, as power density increases while integrated circuits shrink, simple air circulation is often insufficient to adequately cool circuit components. Heat dissipation beyond what can be achieved by air circulation can be achieved by attaching a heat sink or other heat dissipation device to the electronic component. U.S. Patent 4,620,216 describes a unitary heat spreader for a semiconductor package having a plurality of cooling fin elements, which heat dissipation plate is a high density integrated circuit module. Is used to cool). U. S. Patent No. 5,535, 094 describes the combined use of an air blower and heat dissipation plate. The patent describes a module having an integrated blower for cooling an integrated circuit package. The blower is attached to a heat dissipation plate installed in the integrated circuit package. Heat generated by the integrated circuit is conducted to the heat sink. The blower generates a flow of air flowing across the heat spreader to remove heat from the package.
당업계에는 상기 열 발산 장치들을 열 방출 부품(heat emitting component)에 부착하기 위하여 열적 또는 전기적 인터페이스(interface)를 사용하는 것이 알려져 있다. 그러나, 종래의 인터페이스들은 여러 단점을 가지는 것으로 알려져 있다. 반도체 산업에서 사용되는 인터페이스들은 일반적으로 금속 인터페이스 또는 전도성 충진재(filler)로 채워진 폴리머(polymer) 접착제를 포함한다. 솔더(solder), 은, 금 등과 같은 금속 인터페이스들은 낮은 저항률(resistivity)을 제공하지만, 높은 저장탄성계수를 가지며, 큰 IC 다이스(dice)에 적합하지 않다. 또한, 폴리머 접착제는 매우 낮은 탄성계수를 가질 수 있으나, 상기 접착제의 저항률은 너무 높다. 칩으로부터 방출된 열의 양이 증가함에 따라, 집적회로 패키지 또는 반도체 다이(die)에 대하여 사용될 수 있는 열적 인터페이스가 요구되는데, 상기 열적 인터페이스는 높은 열적 및 전기적 전도율(conductivity) 뿐만 아니라 낮은 탄성계수를 가지는 것이 요구된다. 또한, 상기 인터페이스에 대하여는 낮은 온도, 예를 들어 약 200℃ 또는 그 이하의 온도에서 조립되고 처리될 수 있는 것이 요구된다. It is known in the art to use a thermal or electrical interface to attach the heat dissipating devices to a heat emitting component. However, conventional interfaces are known to have several disadvantages. Interfaces used in the semiconductor industry generally include polymer adhesives filled with metal interfaces or conductive fillers. Metal interfaces such as solder, silver, gold and the like provide low resistivity, but have a high storage modulus and are not suitable for large IC dice. In addition, the polymer adhesive may have a very low modulus of elasticity, but the resistivity of the adhesive is too high. As the amount of heat dissipated from a chip increases, there is a need for a thermal interface that can be used for an integrated circuit package or a semiconductor die, which has a low modulus of elasticity as well as high thermal and electrical conductivity. Is required. In addition, the interface is required to be able to be assembled and processed at low temperatures, for example at temperatures of about 200 ° C or less.
본 발명은 이러한 문제의 해결책을 제공한다. 본 발명에 따라 탄력적이며, 유연성 있고, 다공성의 열 전달 물질이 형성되는데, 상기 물질은 금속 플레이크의 망을 포함한다. 바람직하게는, 상기 열 전달 물질은 휘발성 유기 용제(volatile organic solvent) 및 전도성 금속 플레이크를 포함하는 전도성 페이스트(paste)를 우선적으로 형성함으로써 제조된다. 상기 전도성 페이스트는 금속 플레이크의 녹는점 아래의 온도까지 가열되는데, 그 가열에 의하여 용제는 증발하고 플레이크는 그 에지(edge)에서만 소결된다. 플레이크의 에지는 적어도 몇몇의 인접하는 플레이크들 사이에 기공(open pores)들이 한정되도록 인접하는 플레이크의 에지들과 융합되는데, 그 융합에 의하여 금속 플레이크의 망이 형성된다. 이러한 상기 망 구조는 열 전달 물질로 하여금 약 10 Gpa 이하의 낮은 저장탄성계수를 가지게 하는 반면, 양호한 전기 저항 성질을 가지게 한다. The present invention provides a solution to this problem. According to the present invention an elastic, flexible, porous heat transfer material is formed, which comprises a network of metal flakes. Preferably, the heat transfer material is prepared by preferentially forming a conductive paste comprising a volatile organic solvent and a conductive metal flake. The conductive paste is heated to a temperature below the melting point of the metal flakes, by which the solvent evaporates and the flakes sinter only at the edges. The edge of the flake fuses with the edges of the adjacent flakes such that open pores are defined between at least some adjacent flakes, which form a network of metal flakes. This network structure allows the heat transfer material to have a low storage modulus of about 10 Gpa or less, while having good electrical resistance properties.
본 발명은 금속 플레이크의 망을 포함하는, 유연성 있고(flexible), 탄력적(resilient)이며, 다공성(porous)의 열 전달 물질을 제공하는바, 상기 플레이크는 에지를 구비하며, 플레이크는 그 플레이크의 에지에서만 소결되며 적어도 몇몇의 인접하는 플레이크들 사이에 기공들이 한정되도록 인접하는 플레이크의 에지에 융합된다. The present invention provides a flexible, resilient, porous heat transfer material comprising a network of metal flakes, the flakes having edges, the flakes having edges of the flakes Only sinter and fuse to the edges of adjacent flakes such that pores are defined between at least some adjacent flakes.
나아가 본 발명은 탄력적이며, 유연성 있고, 다공성의 열 전달 물질을 형성하기 위한 방법을 제공하는바, 상기 방법은Furthermore, the present invention provides a method for forming a resilient, flexible, porous heat transfer material, the method comprising
a) 용제 및 에지를 구비하는 전도성 금속 플레이크를 포함하는 전도성 페이스트를 형성하는 단계; 및a) forming a conductive paste comprising a conductive metal flake having a solvent and an edge; And
b) 전도성 페이스트를 금속 플레이크의 녹는점 아래의 온도로 가열하고, 그 가열에 의하여 용제가 증발하고 플레이크가 그 플레이크의 에지에서만 소결되어, 적어도 몇몇의 인접하는 플레이크들 사이에 기공들이 한정되도록 인접하는 플레이크의 에지들을 융합시키며, 그 융합에 의하여 금속 플레이크의 망을 형성하는 단계를 포함한다. b) The conductive paste is heated to a temperature below the melting point of the metal flakes, by which the solvent evaporates and the flakes sinter only at the edges of the flakes, adjoining so that the pores are defined between at least some adjacent flakes. Fusing the edges of the flakes, thereby forming a network of metal flakes.
더 나아가, 본 발명은 마이크로칩으로부터 열을 전도하여 방출시키기 위한 방법을 제공하는 바, 상기 방법은 Furthermore, the present invention provides a method for conducting and releasing heat from a microchip, the method of
a) 용제 및 에지를 구비하는 전도성의 금속 플레이크를 포함하는 전도성 페이스트를 형성하는 단계;a) forming a conductive paste comprising a conductive metal flake having a solvent and an edge;
b) 마이크로칩과 열 스프레더(spreader) 사이에서 전도성 페이스트의 층을 부착하며, 따라서 합성물(composite)을 형성하는 단계;b) attaching a layer of conductive paste between the microchip and the heat spreader, thus forming a composite;
c) 상기 합성물을 금속 플레이크의 녹는점 이하의 온도로 가열하고, 그 가열에 의하여 용제를 증발시키고 플레이크를 그 플레이크의 에지에서만 소결시켜, 적어도 몇몇의 인접하는 플레이크들 사이에 기공이 한정되도록 인접하는 플레이크들의 에지들을 융합시키고, 마이크로칩과 열 스프레더사이에 열 전달 물질층을 형성하는 단계로서, 상기 열 전달 물질은 금속 플레이크의 망을 포함하는 단계를 포함한다. c) heating the composite to a temperature below the melting point of the metal flakes, evaporating the solvent by the heating and sintering the flakes only at the edges of the flakes so that the pores are confined between at least some adjacent flakes Fusing the edges of the flakes and forming a layer of heat transfer material between the microchip and the heat spreader, the heat transfer material comprising a network of metal flakes.
도 1은 본 발명인 열 전달 물질층의 평면도(top view)를 도시한다. 1 shows a top view of a layer of heat transfer material of the present invention.
도 2는 본 발명인 열 전달 물질층의 근접(close-up) 평면도를 도시한다. 2 shows a close-up plan view of the layer of heat transfer material of the present invention.
도 3은 본 발명인 열 전달 물질층의 측면도를 도시한다. 3 shows a side view of a layer of heat transfer material of the present invention.
도 4는 마이크로칩에 부착된 본 발명인 열 전달 물질층의 측면도를 도시한다. 4 shows a side view of a layer of heat transfer material of the present invention attached to a microchip.
도 5는 마이크로칩과 열 스프레더 사이에 부착된 본 발명인 열 전달 물질층의 측면도를 도시한다. 5 shows a side view of a layer of heat transfer material of the present invention attached between a microchip and a heat spreader.
본 발명은 금속 플레이크들의 망을 포함하는 탄력적이고, 유연성 있으며, 다공성의 열 전달 물질에 관련된다. 우선 금속 플레이크와 용제의 합성물을 포함하는 전도성의 페이스트가 형성된다. 상기 페이스트는 믹싱(mixing)등과 같은 공지기술에서 이미 알려진 임의의 종래의 방법을 사용함으로써 형성될 수 있을 것이다. The present invention relates to an elastic, flexible, porous heat transfer material that includes a web of metal flakes. First, a conductive paste containing a composite of a metal flake and a solvent is formed. The paste may be formed by using any conventional method already known in the art, such as mixing.
바람직하게는, 상기 금속 플레이크들은 알루미늄, 구리, 아연, 주석, 금, 팔라듐, 납 및 그들의 합금 및 화합물 등과 같은 금속을 포함한다. 가장 바람직하게는, 플레이크는 은을 포함한다. 상기 금속 플레이크들은 바람직하게는 약 0.1㎛에서 약 2㎛까지의 두께를, 보다 바람직하게는 약 0.1㎛에서 약 1㎛까지의 두께를, 가장 바람직하게는 약 0.1㎛에서 약 0.3㎛까지의 두께를 가진다. 상기 플레이크들은 바람직하게는 약 3㎛에서 약 100㎛까지의 직경을, 보다 바람직하게는 약 20㎛에서 약 100㎛까지의 직경을, 가장 바람직하게는 약 50㎛에서 약 100㎛까지의 직경을 가진다. 가장 바람직한 실시예에서, 상기 각각의 플레이크는 플레이크의 중심보다 보다 얇은 에지를 구비한다. Preferably, the metal flakes comprise metals such as aluminum, copper, zinc, tin, gold, palladium, lead and their alloys and compounds and the like. Most preferably, the flakes comprise silver. The metal flakes preferably have a thickness from about 0.1 μm to about 2 μm, more preferably from about 0.1 μm to about 1 μm, most preferably from about 0.1 μm to about 0.3 μm. Have The flakes preferably have a diameter of about 3 μm to about 100 μm, more preferably a diameter of about 20 μm to about 100 μm, most preferably a diameter of about 50 μm to about 100 μm. . In the most preferred embodiment, each flake has an edge thinner than the center of the flake.
용제는 바람직하게는 금속 플레이크의 녹는점을 낮추기 위하여 사용된다. 바람직하게는 상기 용제는 약 200℃ 또는 그 이하의 끓는점을 가지는 휘발성 유기 용제를 포함한다. 적합한 휘발성 유기용제에는 에탄올(ethanol), 프로판올(propanol) 및 부탄올(butanol) 등과 같은 알코올이 비배타적으로 (nonexclusively) 포함된다. 바람직한 휘발성 유기용제는 부탄올을 포함한다. Solvents are preferably used to lower the melting point of the metal flakes. Preferably the solvent comprises a volatile organic solvent having a boiling point of about 200 ° C. or less. Suitable volatile organic solvents include nonexclusively alcohols such as ethanol, propanol and butanol. Preferred volatile organic solvents include butanol.
전도성 페이스트는 용제가 증발되고 금속 플레이크가 그 플레이크의 에지에서만 소결되어지도록 가열된다. 따라서 상기 플레이크는 적어도 몇몇의 인접하는 플레이크들 사이에 기공이 한정되도록 인접하는 플레이크의 에지들에 융합되며, 그 에 의하여 실질적으로 용제 및 바인더(binder)가 없는 탄력적이고, 유연성 있으며, 다공성의 열 전달 물질이 형성된다. 바람직하게는 전도성 페이스트의 가열은 금속 플레이크의 녹는점 아래의 온도에서 수행된다. 바람직한 실시예에서, 상기 가열은 약 100℃에서 약 200℃까지의 온도 범위에서, 보다 바람직하게는 약 150℃에서 약 200℃까지의 온도범위에서, 가장 바람직하게는 약 175℃에서 약 200℃까지의 온도범위에서 수행된다. The conductive paste is heated so that the solvent is evaporated and the metal flakes are sintered only at the edges of the flakes. The flake is thus fused to the edges of adjacent flakes such that pores are defined between at least some adjacent flakes, thereby providing a flexible, flexible, porous heat transfer substantially free of solvent and binder. Material is formed. Preferably the heating of the conductive paste is carried out at a temperature below the melting point of the metal flakes. In a preferred embodiment, the heating is in a temperature range from about 100 ° C. to about 200 ° C., more preferably in a temperature range from about 150 ° C. to about 200 ° C., most preferably from about 175 ° C. to about 200 ° C. It is carried out in the temperature range of.
바람직한 실시예에서, 열 전달 물질은 열 전달 물질층의 형태로 제조된다. 바람직하게는, 이러한 상기 제조는 실질적으로 평평한 기판의 표면에 전도성 페이스트 층을 적용하고, 상술된 바와 같이 열 전달 물질층을 형성하기 위해 전도성 페이스트를 가열함으로써 이루어진다. 그 후, 상기 열 전달 물질층은 선택적으로 기판에서 제거될 수도 있다. 적합한 기판의 예로는 열 스프레더, 실리콘 다이, 및 열 발산판 등이 비배타적으로 포함된다. 바람직한 기판은 실리콘 다이를 포함한다. 페이스트는 주사기로부터 주사되는 것과 같은 이미 알려진 임의의 종래의 기술을 사용하여서 적용될 수 있다. 바람직하게는, 열 전달 물질층은 약 10㎛에서 약 50㎛까지의 두께를, 보다 바람직하게는 약 10㎛에서 약 35㎛까지의 두께를, 가장 바람직하게는 약 20㎛에서 약 30㎛까지의 두께를 가진다. 열 전달 물질층은 바람직하게는 약 10Gpa 이하의 저장탄성계수를, 보다 바람직하게는 약 1Gpa에서부터 약 5Gpa까지의 저장탄성계수를, 가장 바람직하게는 약 1Gpa에서부터 약 3Gpa까지의 저장탄성계수를 포함한다. 또한 열 전달 물질층은 바람직하게는 약 1×10-6 ohm/cm 에서부터 약 1×10-4 ohm/cm 까지의 전기 저항을, 보다 바람직하게는 약 1×10-6 ohm/cm 에서부터 약 5×10-5 ohm/cm 까지의 전기 저항을, 가장 바람직하게는 약 1×10-6 ohm/cm 에서부터 약 2×10-5 ohm/cm 까지의 전기 저항을 포함한다. In a preferred embodiment, the heat transfer material is made in the form of a heat transfer material layer. Preferably, this preparation is made by applying a conductive paste layer to the surface of the substantially flat substrate and heating the conductive paste to form a heat transfer material layer as described above. Thereafter, the heat transfer material layer may optionally be removed from the substrate. Examples of suitable substrates include, but are not limited to, heat spreaders, silicon dies, heat spreaders, and the like. Preferred substrates include silicon dies. The paste may be applied using any conventional technique known in the art, such as injected from a syringe. Preferably, the heat transfer material layer has a thickness from about 10 μm to about 50 μm, more preferably from about 10 μm to about 35 μm, and most preferably from about 20 μm to about 30 μm. Has a thickness. The heat transfer material layer preferably comprises a storage modulus of about 10 Gpa or less, more preferably a storage modulus of about 1 Gpa to about 5 Gpa, and most preferably a storage modulus of about 1 Gpa to about 3 Gpa. . The layer of heat transfer material also preferably has an electrical resistance from about 1 × 10 −6 ohm / cm to about 1 × 10 −4 ohm / cm, more preferably from about 1 × 10 −6 ohm / cm to about 5 Electrical resistances up to x10 -5 ohm / cm, most preferably from about 1x10 -6 ohm / cm to about 2x10 -5 ohm / cm.
본 발명의 상기 열 전달 물질은 금속 표면과 실리콘 다이 사이, 또는 열 방출 아티클(article)들과 열 흡수 아티클들 사이 등의 열적 인터페이스와 같은 다양한 목적을 위하여 사용될 수 있다. 바람직한 한 실시예에서, 열 전달 물질층의 제 1 표면은 열 방출 아티클에 부착된다. 적합한 열 방출 아티클의 예들에는 마이크로칩, 멀티칩 모듈(multi-chip modules), 레이저 다이오드(laser diodes) 등이 비배타적으로 포함된다. 바람직한 열 방출 아티클은 마이크로칩을 포함한다. 그 후, 선택적으로 상기 열 전달 물질층의 제 2 표면은 열 흡수 아티클에 부착될 수 있다. 적합한 열 흡수 아티클의 예들에는 열 스프레더, 열 발산판, 증기 챔버(vapor chamber), 열 파이프 등이 비배타적으로 포함된다. 바람직한 열 흡수 아티클은 열 스프레더를 포함한다. 당업계에 알려진 임의의 종래의 방법을 사용하여 상기 열 방출 또는 흡수 아티클이 열 전달 물질층에 부착될 수 있다. 가장 바람직한 실시예에서, 열 방출 아티클과 열 흡수 아티클 사이에 부착된 전도성 페이스트의 층을 포함하는 합성물을 우선적으로 형성함으로써 열 전달 물질층이 형성된다. 그 후에, 상기 합성물 전체는 가열되어 상기 열 방출 아티클과 상기 열 흡수 아티클 사이에서 열 전달 물질을 형성한다. 본 발명인 상기 열 전달 물질은 특히 마이크로 전자 장치의 제조에 유용하다. The heat transfer material of the present invention may be used for a variety of purposes, such as thermal interfaces between a metal surface and a silicon die, or between heat release articles and heat absorbing articles. In one preferred embodiment, the first surface of the layer of heat transfer material is attached to a heat release article. Examples of suitable heat dissipation articles include, but are not limited to, microchips, multi-chip modules, laser diodes, and the like. Preferred heat release articles include microchips. Thereafter, optionally, the second surface of the layer of heat transfer material may be attached to a heat absorbing article. Examples of suitable heat absorbing articles include, but are not limited to, heat spreaders, heat sinks, vapor chambers, heat pipes, and the like. Preferred heat absorbing articles include heat spreaders. The heat release or absorption article can be attached to the heat transfer material layer using any conventional method known in the art. In the most preferred embodiment, a layer of heat transfer material is formed by preferentially forming a composite comprising a layer of conductive paste attached between the heat release article and the heat absorbing article. Thereafter, the entire composite is heated to form a heat transfer material between the heat release article and the heat absorbing article. The heat transfer material of the present invention is particularly useful for the manufacture of microelectronic devices.
다음의 비한정적인 예시들은 본 발명을 설명하기 위하여 제공된다. 본 발명의 구성요소의 성분들에 대한 균등예(proportions) 및 변형예(alternatives) 내에서의 변경은 당업자에게 자명할 것이며 본 발명의 보호 범위 내에 속한다.
The following non-limiting examples are provided to illustrate the present invention. Changes in equivalents and alternatives to the components of the components of the invention will be apparent to those skilled in the art and are within the protection scope of the invention.
예 1Example 1
은 플레이크가 균질 페이스트를 형성하기 위하여 유기 용제와 혼합되었다. 적어도 네 개의 페이스트가 혼합되었다. 페이스트의 금속 플레이크에 대한 유기 용제의 비율은 아래의 표 1에서 보여진다.
Silver flakes were mixed with an organic solvent to form a homogeneous paste. At least four pastes were mixed. The ratio of organic solvent to metal flakes of the paste is shown in Table 1 below.
[표 1] 플레이크에 대한 용제의 비율TABLE 1 Ratio of solvents to flakes
그 후, 상기 페이스트들은 주사기에 채워졌으며, 페이스트의 점도는 1℃ 첨봉(cone) 및 플레이트(plate)를 구비하는 Haake 점도계를 사용하여 테스트되었다. 측정은 22s-1 및 40s-1에서 이루어졌다. 준비된 여러 물질의 점도가 표 2에서 보여진다.
The pastes were then filled into syringes and the viscosity of the paste was tested using a Haake viscometer with a 1 ° C. cone and plate. Measurements were made at 22s- 1 and 40s- 1 . The viscosity of the various materials prepared is shown in Table 2.
[표 2] 22s-1 및 40s-1에서의 점도TABLE 2 Viscosity at 22s -1 and 40s -1
상기 표에서 보여지는 바와 같이, 구분 #1 및 구분 #2 양자는 4000cps 부근에서 유사한 점도를 가졌다. 양자는 동일한 혼합 비율의 구성요소를 가지기 때문에 유사한 점도를 가지는 것이 예상되었다. 그러나, 구분 #3 및 구분 #4는 매우 상이한 점도를 가졌는데, 이는 구성요소의 각각의 혼합비율과 상관관계를 가질 수 있다.As shown in the table, both
그 후, 상기 물질은 이하의 표 3에서 기술되어지는 바와 같은 네 가지의 서로 다른 경화(cure) 프로파일(profiles)로 경화되었다. 경화는 다음의 단계를 이용하여 수행되었다. The material was then cured into four different cure profiles as described in Table 3 below. Curing was carried out using the following steps.
1. 프로파일 당 최소 3개의 슬라이드(slides)가 다음과 같이 준비되었다:1. At least three slides per profile were prepared as follows:
a. 1"X3" 유리 슬라이드가 이소프로필기 알코올(isopropyl alcohol) 및 건조 된 공기로 세척되었다.a. 1 "X3" glass slides were washed with isopropyl alcohol and dried air.
b. 유리 슬라이드가 유리 슬라이드 홀더(holder)내에 단단히 배치되었다.b. The glass slide was placed firmly in the glass slide holder.
c. 가이드(guide)로서 상기 홀더 위에 그어진 선을 사용하여, 테이프의 스트립(strip)들은 슬라이드의 길이 방향에 평행하게 100mils 분리되어 배치되었다. 사용된 스트립의 길이는 적어도 2.5" 길이였다.c. Using a line drawn on the holder as a guide, the strips of tape were placed 100 mils apart parallel to the longitudinal direction of the slide. The strip used was at least 2.5 "long.
d. 상기 테이프 아래에는 주름(wrinkles) 또는 공기방울들이 없었다.d. There were no wrinkles or bubbles under the tape.
2. 상기 은 페이스트는 상기 슬라이드의 어느 한 끝단에 배치되었다. 상기 슬라이드에 대하여 대략 30도 각도로 유지되는 면도날을 사용하여, 상기 은 페이스트 물질은 상기 슬라이드의 반대편 끝단을 향해 빼내어졌으며, 상기 물질은 상기 테이프 스트립들 사이에서 압착되었다. 2. The silver paste was placed at either end of the slide. Using a razor blade held at an approximately 30 degree angle with respect to the slide, the silver paste material was pulled out toward the opposite end of the slide, and the material was pressed between the tape strips.
3. 테이프가 조심스럽게 제거되었다. 3. The tape was carefully removed.
4. 상기 물질이 오븐에서 경화되었다.
4. The material was cured in an oven.
[표 3] 페이스트 형성을 위한 경화 프로파일TABLE 3 Cure Profiles for Paste Formation
그 후, 상기 경화된 물질들은 부피 저항률에 대해 테스트되었다. 구분 #1 및 2가 동일한 혼합비율의 구성요소를 구비하였으므로, 구분 #2는 테스트되지 않았다. 부피 저항률은 다음의 단계를 이용하여 테스트되었다. The cured materials were then tested for volume resistivity. Since
1. 경화된 물질의 단면적(㎛2)이 상기 테이프 스트립들에 따라 세 가지 다른 지점에서 측정되었다. 1. The cross-sectional area (μm 2 ) of the cured material was measured at three different points depending on the tape strips.
2. 저항 측정은 Hewlett-Packard 4-포인트 프로브(probe), 모델 번호 34401A를 사용하여 이루어졌다. 2. Resistance measurements were made using a Hewlett-Packard 4-point probe, model number 34401A.
3. 상기 저항 측정은 기록되었으며, 저항률은 다음의 공식을 사용하여 결정되었다. 3. The resistance measurement was recorded and the resistivity was determined using the following formula.
P = R (A / 2.54) ㎝P = R (A / 2.54) cm
여기서:here:
P = 저항률, Ohm.㎝P = resistivity, Ohm.cm
R = 측정된 저항, OhmR = measured resistance, Ohm
A = 단면 면적, ㎝2 A = cross-sectional area, cm 2
2.54 = 내부의 한 쌍의 전극 사이의 거리, ㎝.2.54 = distance between a pair of electrodes inside, cm.
결과는 아래의 표 4에서 보여진다. 상기 결과로부터 상기 물질은 프로파일 3에서 소결되지 않았음이 관찰될 수 있다. 이는 최고 온도 150℃는 은이 소결되기에는 너무 낮다는 사실에 기인한다.
The results are shown in Table 4 below. From the results it can be observed that the material is not sintered in
[표 4] 물질에 대한 부피 저항률 결과(Ohm.㎝)TABLE 4 Volume resistivity results for materials (Ohm. ㎝)
* 프로파일 3을 사용하여 경화된 샘플은, 샘플 상에 프로브가 놓여진 경우 스트립들이 손상되기(cracked) 때문에 측정될 수 없다. 상기 은 플레이크들은 서로 융합되지 않으며 상기 스트립들이 제거되었을 경우 유리 슬라이드 위에 잔류물(residue)이 있음이 관찰되었다. 프로파일 1 및 2에 대하여, 상기 스트립들은 유리 슬라이드로부터 제거되었을 경우 손상되지 않은 상태로 남아 있으며 잔류물도 관찰되지 않았다.Samples cured using
세 개의 금속 표면에 대한 소결된 금속 플레이크들의 접착 강도는 다이 전단(die shear)을 사용하여 테스트되었는데, 이는 상기 은 페이스트의 결합 강도(bond strength)를 결정하기 위한 것이다. 상기 테스트 표면들은 은 페이스트를 니켈로 도금된 표면들(nickel plated surfaces), 은 스팟으로 도금된 표면들(silver spot plated surfaces), 및 베어 구리 표면(bare copper surfaces)들 위에 코팅함으로써 형성되었다. 금속 표면들은 리드프레임(lead frame)상에 부착되었으며, 오븐에서 경화되었다. The adhesion strength of the sintered metal flakes to the three metal surfaces was tested using a die shear to determine the bond strength of the silver paste. The test surfaces were formed by coating a silver paste over nickel plated surfaces, silver spot plated surfaces, and bare copper surfaces. Metal surfaces were attached on a lead frame and cured in an oven.
상기 경화된 샘플들은 다음의 단계에 따라 테스트되었다: The cured samples were tested according to the following steps:
1. 기판은 다이 전단 테스터(die shear tester)상의 적절한 홀딩 지그(holding jig)에 세팅되었다. 1. The substrate was set in an appropriate holding jig on a die shear tester.
2. 다이 전단 툴 팁(die shear tool tip)은 테스트되는 엘리먼트(element)의 가장 넓은 면에 대하여 정렬되었다. 상기 다이 전단 툴은 상기 기판에 수직하며, 기판 표면을 수축함 없이 기판에 가능한 근접하게 세팅되었다. 2. The die shear tool tip was aligned with respect to the widest side of the element under test. The die shear tool was set perpendicular to the substrate and as close to the substrate as possible without shrinking the substrate surface.
3. '테스트" 버튼이 테스터 패널(tester's panel) 상에서 눌러져서 전단 테스트 사이클이 시작되었다. 3. The 'test' button was pressed on the tester's panel to begin the shear test cycle.
4. 상기 전단 테스트 사이클이 완료된 후에, 패널 상에 나타난 힘 레벨(force level)이 기록되었다. 4. After the shear test cycle was completed, the force level shown on the panel was recorded.
5. 1에서 4까지의 스텝이 모든 엘리먼트들이 상기 기판 상에서 전단될 때까지 반복되었다. 5.
6. 평균 전단 강도가 기판상의 엘리먼트들에 대하여 계산되었다. 6. Average shear strength was calculated for the elements on the substrate.
상기 결과로부터 경화 프로파일 3이 상기 물질을 충분히 소결시키지 못하는 반면 경화 프로파일 1은 당업계에서 적용되기에는 과도하게 높음을 알 수 있다. 프로파일 3은 소결시키지 못하는데, 이는 최고 온도 150℃는 은을 소결시키기에는 너무 낮은 온도라는 사실에 기인한다. 따라서, 접착력 측정은 단지 프로파일 2 및 4에 대해서만 이루어졌다. 이러한 실험에 사용된 페이스트 구분은 구분 #3으로부터의 것이다. 결과들은 이하의 표 5에서 보여진다.
From the results it can be seen that while curing
[표 5] 구분 3에 대한 다이 전단 접착력 결과 TABLE 5 Die Shear Adhesion Results for
접착 강도 100×100 mils 다이에서 측정되었다.
Adhesive strength was measured on a 100 × 100 mils die.
표 5에서 보여지는 바와 같이, 상기 물질은 니켈 도금된 표면상에서 소결되지 않는 반면, 베어 구리 표면상의 접착력은 다소 낮았다. 구리는 상승된 온도에서 산화되어 표면상에서 소결되는 것에 대한 장애를 야기하였다. 그러나, 은 스팟으로 도금된 표면은 최고 온도 200℃에서 양호한 접착력을 제공하였다. 접착력은 180℃에서 매우 낮았다. 프로파일 2에 대한 고장모드는 다이/페이스트 인터페이스 상에 있는 반면 프로파일 4에 대한 고장모드는 페이스트/기판 인터페이스에 있음을 주목하여야 한다. 이는 프로파일 4에 대한 더 낮은 경화 프로파일은 더 적은 소결을 갖고, 따라서 물질 내에서 고장을 일으킴을 보여준다. 그러나, 프로파일 2의 200℃에서의 경화에 의하여 보다 높은 레벨로 소결되었다. 고장 인터페이스는 베어 실리콘(bare silicon)에 대한 접착력이 보다 낮은 다이/페이스트 인터페이스로 이전되어졌다. As shown in Table 5, the material did not sinter on the nickel plated surface, while the adhesion on the bare copper surface was rather low. Copper oxidized at elevated temperatures, causing obstacles to sintering on the surface. However, the surface plated with silver spots provided good adhesion at the maximum temperature of 200 ° C. Adhesion was very low at 180 ° C. Note that the failure mode for profile 2 is on the die / paste interface while the failure mode for profile 4 is on the paste / substrate interface. This shows that the lower cure profile for profile 4 has less sintering and therefore causes failure in the material. However, it sintered to a higher level by curing at 200 ° C. of profile 2. Failing interfaces have been migrated to die / paste interfaces with lower adhesion to bare silicon.
구분 #4의 접착력은 프로파일 2를 사용하여 테스트되었다. 그 결과는 아래의 표 6에서 보여진다.
The adhesion of Category # 4 was tested using Profile 2. The results are shown in Table 6 below.
[표 6] 구분 #4에 대한 다이 전단 접착력 결과Table 6 Die Shear Adhesion Results for Category # 4
접착력은 100×100 mils 다이에서 측정되었다.
Adhesion was measured on a 100 × 100 mils die.
표 6에서 보여지는 바와 같이, 은 스팟으로 도금된 표면에 대한 접착력이 가장 높았으며, 그 다음으로 베어 구리 표면이었다. 상기 실험에서 니켈로 도금된 표면이 최소의 접착력을 보여주었다. 그러나, 이러한 물질의 상기 특별한 구분은 구분 #3과 비교할 경우 은 스팟으로 도금된 표면에의 접착력이 현저히 낮음을 나타내고 있다. 이러한 결과는 구분 #4에서 유기 용제의 레벨이 보다 높다는 것에 기인한 것일 것이다.
As shown in Table 6, the adhesion to the surface plated with silver spots was the highest, followed by the bare copper surface. In this experiment, the nickel plated surface showed minimal adhesion. However, this particular distinction of these materials indicates that the adhesion to silver plated surfaces is significantly lower when compared to
분석 및 결론 Analysis and conclusion
상기 세 가지 종류의 물질이 혼합되었으며, 상기 물질들의 유기 함유물(content)의 혼합비율에 따라 점도가 결정되어졌다. 모든 페이스트들은 소결될 수 있었다. 소결에 대한 네 가지 서로 다른 프로파일이 사용되었다. 은 플레이크는 180℃ 또는 그 이상의 온도에서 소결될 수 있음이 밝혀졌다. 소결된 물질의 부피 저항률은 은으로 채워진 에폭시 수지 접착제보다 낮으며, 은 글라스와 솔더의 전도율(conductivity)과 거의 대등하다는 것이 밝혀졌다. 이러한 상기 페이스트들의 접착력은 주로 온도에 의존하였다. 또한 상기 접착력은 페이스트가 부착되는 표면에 의존하였다. 특히, 금속화된 다이 표면(예를 들면, 은으로 금속화된)이 보다 양호한 표면일 것이다. 다이 표면과는 별도로, 상기 물질은 니켈로 도금된 표면에 양호하게 소결될 수 없으나 은 스팟으로 도금된 표면에 대해서는 양호한 접착력을 가졌다. The three kinds of materials were mixed, and the viscosity was determined according to the mixing ratio of the organic contents of the materials. All pastes could be sintered. Four different profiles for sintering were used. It has been found that silver flakes can be sintered at temperatures of 180 ° C. or higher. It has been found that the volume resistivity of the sintered material is lower than that of silver filled epoxy resin adhesives and is nearly equivalent to the conductivity of silver glass and solder. The adhesion of these pastes was mainly dependent on temperature. The adhesion also depends on the surface to which the paste is attached. In particular, the metalized die surface (eg metallized with silver) will be a better surface. Apart from the die surface, the material could not be sintered well to the surface plated with nickel but had good adhesion to the surface plated with silver spots.
본 발명이 자세히 설명되고 바람직한 실시예에 대한 설명과 함께 기술되었음에도 불구하고, 본 발명의 의미 및 보호범위를 벗어나지 않으면서 다양한 변형 및 수정이 당업자에 의해 용이하게 이해될 수 있을 것이다. 본 발명의 청구범위는 첨부된 실시예, 상술된 변형예 및 모든 균등예 등을 포함하는 것으로 해석되도록 의도된다.
Although the invention has been described in detail and has been described with reference to the preferred embodiments, various modifications and changes will be readily apparent to those skilled in the art without departing from the spirit and scope of the invention. It is intended that the claims of the present invention be construed to include the appended embodiments, the modifications described above and all equivalents and the like.
Claims (20)
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