KR102470083B1

KR102470083B1 - 저열 임피던스를 갖는 고성능 열 계면 재료

Info

Publication number: KR102470083B1
Application number: KR1020227009560A
Authority: KR
Inventors: 브라이트 장; 링 셴; 후에이 왕; 야 췬 리우; 웨이 쥔 왕; 홍 민 후앙
Original assignee: 허니웰 인터내셔널 인코포레이티드
Priority date: 2014-12-05
Filing date: 2014-12-05
Publication date: 2022-11-23
Anticipated expiration: 2034-12-05
Also published as: US20170321100A1; ES2886846T3; SG11201704238YA; EP3227399B1; TWI723003B; TW201632606A; KR20170091669A; JP2018502946A; JP6542891B2; KR20220043233A; CN112080258A; EP3227399A4; MY183994A; MX2017006987A; MX390215B; WO2016086410A1; CN107250317A; US10287471B2; EP3227399A1

Abstract

예시적인 일 실시태양에서, 열 계면 재료는 폴리머, 상 변화 재료, 제1 입자 크기를 갖는 제1 열전도성 필러, 및 제2 입자 크기를 갖는 제2 열전도성 필러를 포함한다. 상기 제1 입자 크기는 상기 제2 입자 크기보다 크다. 열 계면 재료를 형성하기 위한 제형 및 열 계면 재료를 포함하는 전자 부품 또한 제공된다.

Description

저열 임피던스를 갖는 고성능 열 계면 재료{HIGH PERFORMANCE THERMAL INTERFACE MATERIALS WITH LOW THERMAL IMPEDANCE}

본 개시는 일반적으로 열 계면 재료에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 상 변화 재료를 포함하는 열 계면 재료에 관한 것이다.

열 계면 재료는 중앙 처리 장치, 비디오 그래픽 어레이, 서버, 게임 콘솔, 스마트폰, LED 보드등과 같은 전자 부품으로부터 열을 소산(dissipate)시키기 위해 널리 사용된다. 열 계면 재료는 전형적으로 전자 부품으로부터의 과잉 열(excess heat)을 히트 스프레더(heat spreader)로 전달한 다음, 히트 싱크(heat sink)로 열을 전달하는 데 사용된다.

도 1은 실리콘 다이(12), 인쇄 회로 기판(14) 및 상기 인쇄 회로 기판(14)상의 다수의 플립 칩 조인트(flip chip joint, 16)를 포함하는 전자 칩(10)을 개략적으로 도시한다. 예시적으로(illustratively), 상기 전자 칩(10)은 하나 또는 그 이상의 제1 열 계면 재료(TIM, 22)에 의해 히트 스프레더(18) 및 히트 싱크(20)에 연결된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 제1 TIM(22A)은 히트 싱크(20)와 히트 스프레더(18)를 연결하고, 제2 TIM(22B)는 히트 스프레더(18)와 전자 칩(10)의 실리콘 다이(12)를 연결한다. 열 계면 재료(22A, 22B) 하나 또는 둘 모두는 후술하는 열 계면 재료일 수 있다.

TIM(22A)은 TIM(2)으로 지정되고, 히트 스프레더(18)와 히트 싱크(20) 사이에 위치하여, TIM(22A)의 제1 표면은 히트 스프레더(18)의 표면과 접촉하고, TIM(22A)의 제2 표면은 히트 싱크(20)의 표면과 접촉한다.

TIM(22B)은 TIM(1)으로 지정되고, 전자 칩(10)과 히트 스프레더(18) 사이에 위치하여, TIM(22B)의 제1 표면은 실리콘 다이(12)의 표면과 같은 전자 칩(34)의 표면과 접촉하고, TIM(22B)의 제2 표면은 히트 스프레더(18)의 표면과 접촉한다.

일부 실시태양에서(미도시), TIM(22)은 TIM(1.5)으로 지정되고, 전자 칩(10)과 히트 싱크(20) 사이에 위치하여, TIM(22)의 제1 표면은 실리콘 다이(12)의 표면과 같은 전자 칩(10)의 표면과 접촉하고, TIM(2)의 제2 표면은 히트 싱크(22)의 표면과 접촉한다.

열 계면 재료는 열 그리스(thermal grease), 그리스 유사(grease-like) 재료, 엘라스토머 테이프 및 상 변화 재료를 포함한다. 전통적인 열 계면 재료는 갭 패드(gap pad) 및 열 패드와 같은 성분을 포함한다. 예시적인 열 계면 재료는 하기의 특허 및 출원에 개시되어 있으며, 이들에 개시된 내용은 그 전체가 참고로 여기에 인용된다: CN 103254647, CN 103254647, JP 0543116, U.S. 6,238,596, U.S. 6,451,422, U.S. 6,500,891, U.S. 6,605,238, U.S. 6,673,434, U.S. 6,706,219, U.S. 6,797,382, U.S. 6,811,725, U.S. 6,874,573, U.S. 7,172,711, U.S. 7,147,367, U.S. 7,244,491, U.S. 7,867,609, U.S. 8,324,313, U.S. 8,586,650, U.S. 2005/0072334, U.S. 2007/0051773, U.S. 2007/0179232, U.S. 2008/0044670, U.S. 2009/0111925, U.S. 2010/0048438, U.S. 2010/0129648, U.S. 2011/0308782, US 2013/0248163, 및 WO 2008/121491.

열 그리스 및 상 변화 재료는 매우 얇은 층 내에서 확산될 수 있고, 인접한 표면 사이에 밀착된(intimate) 접촉을 제공할 수 있기 때문에 다른 종류의 열 계면 재료보다 낮은 내열성을 갖는다. 그러나, 열 그리스의 단점은 VLSI(“very-large-scale-integration”) 칩에 사용되는 경우, 65℃ 내지 150℃와 같은 열적 주기(thermal cycling) 후, 또는 전력 주기(power cycling) 후에 열적 성능이 열화되는 것이다. 표면 평탄도로부터의 큰 편차가 전자 소자의 결합면(mating surfaces) 사이에 갭을 형성하는 것을 야기하거나, 또는 제조 공차(manufacturing tolerances)등과 같은 다른 이유로 결합면 사이에 큰 갭이 존재할 때, 이들 재료의 성능이 열화되는 것으로 밝혀졌다. 이들 재료의 열 전달특성(heat transferability)이 저하되면, 이들이 사용되는 전자 소자의 성능에 악영향을 미친다. 또한, 그리스 내의 실리콘 오일은 그리스로부터 증발되어, 상기 전자 소자의 다른 부분을 손상시킨다.

일부 실시 태양에서, 열 계면 재료는 또한, 우수한 열적 성능 및 열적 안정성을 갖는 것이 바람직하다.

본 개시는 컴퓨터 칩과 같이 열을 발생시키는 전자 소자로부터 히트 스프레더 및 히트 싱크와 같은 열을 소산시키는 구조물로 열을 전달하는데 유용한 열 계면 재료를 제공한다. 상기 열 계면 재료는 예시적으로, 적어도 하나의 상 변화 재료, 적어도 하나의 폴리머 매트릭스, 제1 입자 크기를 갖는 적어도 하나의 제1 열전도성 필러(filler) 및 제2 입자 크기를 갖는 적어도 하나의 제2 열전도성 필러를 포함하고, 여기서 상기 제1 입자 크기는 상기 제2 입자 크기보다 크다.

보다 구체적인 일 실시 태양에서, 열 계면 재료가 제공된다. 상기 열 계면 재료는 적어도 하나의 폴리머, 적어도 하나의 상 변화 재료, 제1 입자 크기를 갖는 제1 열전도성 필러 및 제2 입자 크기를 갖는 제2 열전도성 필러를 포함한다. 일 실시 태양에서, 상기 제1 입자 크기는 상기 제2 입자 크기보다 크다.

상기 실시 태양 중 임의의 보다 구체적인 일 실시 태양에서, 상기 제1 열전도성 필러는 알루미늄 입자를 포함한다. 상기 실시 태양 중 임의의 보다 구체적인 또 다른 실시 태양에서, 상기 제2 열전도성 필러는 산화 아연 입자를 포함한다.

상기 실시 태양 중 임의의 보다 구체적인 일 실시 태양에서, 상기 제1 입자 크기는 약 1미크론 내지 약 25미크론이다. 상기 실시 태양 중 임의의 보다 구체적인 일 실시 태양에서, 상기 제1 입자 크기는 약 3미크론 내지 약 15미크론이다. 상기 실시 태양 중 임의의 보다 구체적인 일 실시 태양에서, 상기 제1 입자 크기는 약 3미크론 내지 약 10미크론이다. 상기 실시 태양 중 임의의 보다 구체적인 일 실시 태양에서, 상기 제2 입자 크기는 약 0.1미크론 내지 약 3미크론이다. 상기 실시 태양 중 임의의 보다 구체적인 또 다른 실시 태양에서, 상기 제2 입자 크기는 약 0.1미크론 내지 약 1미크론이다.

상기 실시 태양 중 임의의 보다 구체적인 일 실시 태양에서, 상기 제1 입자는 알루미늄을 포함하고, 제1 입자 크기는 약 1미크론 내지 약 15미크론이며, 상기 제2 입자는 산화 아연을 포함하고, 제2 입자 크기는 약 0.1 미크론 내지 약 1미크론이다.

상기 실시 태양 중 임의의 보다 구체적인 일 실시 태양에서, 상기 열 계면 재료는 제3 입자 크기를 갖는 제3 열전도성 필러를 더 포함하고, 상기 제2 입자 크기는 상기 제3 입자 크기보다 크다. 보다 구체적인 실시 태양에서, 상기 제3 입자 크기는 약 10nm 내지 약 100nm이다.

상기 실시 태양 중 임의의 보다 구체적인 일 실시 태양에서, 상기 열 계면 재료는 티타네이트(titanate) 커플링제와 같은 적어도 하나의 커플링제를 더 포함한다. 상기 실시 태양 중 임의의 보다 구체적인 또 다른 실시 태양에서, 상기 열 계면 재료는 적어도 하나의 산화방지제(antioxidant)를 더 포함한다. 상기 실시 태양 중 임의의 보다 구체적인 또 다른 실시 태양에서, 상기 열 계면 재료는 적어도 하나의 이온 스캐빈저(scavenger)를 더 포함한다. 상기 실시 태양 중 임의의 보다 구체적인 또 다른 실시 태양에서, 상기 열 계면 재료는 적어도 하나의 가교제(crosslinker)를 더 포함한다.

또 다른 실시 태양에서, 열 계면 재료를 형성하기 위한 제형(formulation)이 제공된다. 상기 제형은 용제(solvent), 적어도 하나의 상 변화 재료, 적어도 하나의 폴리머 매트릭스, 제1 입자 크기를 갖는 적어도 하나의 제1 열전도성 필러, 제2 입자 크기를 갖는 적어도 하나의 제2 열전도성 필러를 포함하고, 여기서 상기 제1 입자 크기는 상기 제2 입자 크기보다 크다. 보다 구체적인 실시 태양에서, 상기 제형은 제3 입자 크기를 갖는 제3 열전도성 필러를 포함하고, 여기서 상기 제2 입자 크기는 제3 입자 크기 보다 크다.

또 다른 실시 태양에서, 전자 부품이 제공된다. 상기 전자 부품은 히트 싱크, 전자 칩, 상기 히트 싱크 및 전자 칩 사이에 위치하는 열 계면 재료를 포함하고, 상기 열 계면 재료는 적어도 하나의 상 변화 재료, 적어도 하나의 폴리머 매트릭스 재료, 제1 입자 크기를 갖는 적어도 하나의 제1 열전도성 필러 및 제2 입자 크기를 갖는 적어도 하나의 제2 열전도성 필러를 포함하고, 여기서 상기 제1 입자 크기는 상기 제2 입자 크기보다 크다. 보다 구체적인 실시 태양에서, 상기 열 계면 재료의 제1 표면은 전자 칩의 표면과 접촉하고, 상기 열 계면 재료의 제2 표면은 히트 싱크와 접촉한다. 또 다른 보다 구체적인 실시 태양에서, 상기 전자 부품은 히트 싱크 및 전자 칩 사이에 위치하는 히트 스프레더를 포함하고, 여기서 상기 열 계면 재료의 제1 표면은 전자 칩의 표면과 접촉하고, 상기 열 계면 재료의 제2 표면은 히트 스프레더와 접촉한다. 또 다른 보다 더욱 구체적인 실시 태양에서, 상기 전자 부품은 히트 싱크 및 전자 칩 사이에 위치하는 히트 스프레더를 포함하고, 여기서 상기 열 계면 재료의 제1 표면은 히트 스프레더의 표면과 접촉하고, 상기 열 계면 재료의 제2 표면은 히트 싱크와 접촉한다.

본 개시의 전술된 특징 및 장점 그리고 다른 특징 및 장점, 및 이들을 얻는 방식은 첨부 도면과 함께 취한 본 발명의 실시예에 관한 이하의 설명을 참조하여 더 명백해질 것이고 본 발명 자체가 더 양호하게 이해될 수 있을 것이다. 여기서,
도 1은 전자 칩, 히트 스프레더, 히트 싱크와 제1 및 제2 열 계면 재료를 개략적으로 도시한 것이다.
대응 도면 부호는 다수의 도면 전체에 걸쳐 대응 부분을 지시하고 있다. 여기에 설명된 예시들은 본 발명의 예시적인 실시 태양을 예시하고 있고, 이와 같은 예시들은 임의의 방식으로 본 발명의 범주를 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다.

본 발명은 전자 부품으로부터 열을 전달하는데 유용한 열 계면 재료에 관한 것이다.

A. 열 계면 재료

예시적인 일 실시 태양에서, TIM(22)은 열 계면 재료이다. 예시적인 일부 실시 태양에서, TIM(22)은 하나 또는 그 이상의 상 변화 재료, 하나 또는 그 이상의 폴리머 매트릭스 재료, 둘 또는 그 이상의 열전도성 필러 및 선택적으로 하나 또는 그 이상의 첨가제를 포함한다.

a. 열전도성 필러

예시적인 일부 실시 태양에서, TIM(22)은 적어도 제1 열전도성 필러 및 제2 열전도성 필러를 포함한다.

예시적인 열전도성 필러는 금속, 합금, 비금속, 금속 산화물, 금속 질화물과 세라믹 및 이들의 조합을 포함한다. 예시적인 금속은 이에 한정되는 것은 아니나, 알루미늄, 구리, 은, 아연, 니켈, 주석, 인듐, 납, 은 코팅된 구리 또는 은 코팅된 알루미늄과 같이 은 코팅된 금속, 금속 코팅된 탄소 섬유 및 니켈 코팅된 섬유를 포함한다. 예시적인 비금속은 이에 한정되는 것은 아니나, 탄소, 카본블랙, 그래파이트, 탄소 나노튜브, 탄소 섬유, 그래핀, 분말화된 다이아몬드, 유리, 실리카, 실리콘 질화물 및 붕소 코팅된 입자를 포함한다. 예시적인 금속 산화물, 금속 질화물 및 세라믹은 이에 한정되는 것은 아니나, 알루미나, 알루미늄 질화물, 질화 붕소, 산화 아연 및 산화 주석을 포함한다.

상기 TIM(22)은 TIM(22)의 총 중량을 기준으로, 둘 또는 그 이상의 열전도성 필러를 10 wt.%, 25 wt.%, 50 wt.%, 75 wt.%, 80 wt.%, 85 wt.%만큼 작고 90 wt.%, 92 wt.%, 95 wt.%, 97 wt.%, 98 wt.%, 99 wt.%만큼 크거나 또는, 상기 전술한 값들 중 임의의 2개 사이에서 정의된 임의의 범위내에 있는 양으로 포함할 수 있다.

상기 열전도성 필러는 입자로 제공될 수 있다. 평균 입자 직경(D50)은 통상적으로 입자 크기를 측정하는데 사용된다. 예시적인 입자는 10 nm, 20 nm, 50 nm, 0.1 미크론, 0.2 미크론, 0.5 미크론, 1 미크론, 2 미크론, 3 미크론만큼 작고, 5 미크론, 8 미크론, 10 미크론, 12 미크론, 15 미크론 20 미크론, 25 미크론, 50 미크론, 100 미크론만큼 크거나, 전술한 값 중 임의의 2개 사이에서 정의된 임의의 범위 내의 평균 입자 직경을 가질 수 있다.

일 실시 태양에서, 상기 열전도성 필러는 필러 입자 사이에 팩킹 효과(packing effect)를 증가시키기 위해 상이한 입자 크기를 갖는다. 일부 실시 태양에서, 상기 제1 및 제2 열전도성 필러는 상이한 입자 크기를 갖는 2종의 상이한 유형의 열전도성 필러이다. 일부 실시 태양에서, 상기 제1 및 제2 열전도성 필러는 동일한 열전도성 필러일 수 있으나, 상이한 입자 크기를 갖는다.

예시적인 일 실시 태양에서, 각 열전도성 필러는 나머지 열전도성 필러의 D50과 적어도 특정 인자(certain factor)만큼 다른 D50 값을 갖는다. 예시적인 인자는 1, 2, 3, 5만큼 작고, 10, 20, 50 또는 100만큼 클 수 수 있다. 특정 이론에 구속되는 것을 바라는 것은 아니며, 일부 실시 태양에서, 평균 입자 직경에 더하여 입자 크기 분포 또한 팩킹 밀도에 중요한 것으로 알려져 있다.

1. 제1 열전도성 필러

예시적인 일 실시 태양에서, 상기 열전도성 필러는 제1 열전도성 필러를 포함한다. 예시적인 일 실시 태양에서, 상기 제1 열전도성 필러는 알루미늄, 구리, 은, 아연, 니켈, 주석, 인듐 또는 납과 같은 금속이다. 보다 구체적인 실시 태양에서, 상기 제1 열전도성 필러는 알루미늄이다.

예시적인 일 실시 태양에서, 상기 열전도성 필러는 1 미크론, 2 미크론, 3 미크론, 5 미크론, 8 미크론만큼 작고, 10 미크론, 12 미크론, 15 미크론, 20 미크론, 25 미크론, 50 미크론, 100 미크론만큼 크거나, 또는 전술한 값 중 임의의 2개 사이에서 정의된 임의의 범위 내의 평균 입자 직경을 가진다. 보다 구체적인 일 실시 태양에서, 상기 제1 열전도성 필러는 약 1 내지 약 25미크론의 입자 크기를 갖는다. 보다 구체적인 일 실시 태양에서, 상기 제1 열전도성 필러는 약 3 내지 약 5미크론의 입자 크기를 갖는다. 보다 구체적인 일 실시 태양에서, 상기 제1 열전도성 필러는 약 3 내지 약 15미크론의 입자 크기를 갖는다. 보다 구체적인 일 실시 태양에서, 상기 제1 열전도성 필러는 약 8 내지 약 12미크론의 입자 크기를 갖는다. 보다 구체적인 일 실시 태양에서, 상기 제1 열전도성 필러는 약 3 내지 약 10미크론의 입자 크기를 갖는다. 보다 구체적인 일 실시 태양에서, 상기 제1 열전도성 필러는 약 3미크론의 입자 크기를 갖는다. 보다 구체적인 일 실시 태양에서, 상기 제1 열전도성 필러는 약 10미크론의 입자 크기를 갖는다.

상기 TIM(22)은 TIM(22)의 총 중량을 기준으로, 제1 열전도성 필러를 10 wt.%, 25 wt.%, 50 wt.%, 75 wt.%, 80 wt.%, 85 wt.%만큼 작고, 90 wt.%, 92 wt.%, 95 wt.%, 97 wt.%, 98 wt.%, 99 wt.%만큼 크거나 또는, 전술한 값 중 임의의 2개 사이에서 정의된 임의의 범위 내에 있는 양으로 포함할 수 있다.

2. 제2 열전도성 필러

예시적인 일 실시 태양에서, 열전도성 필러는 상술한 제1 열전도성 필러 및 제2 열전도성 필러를 포함한다. 예시적인 일 실시 태양에서, 상기 제1 열전도성 필러는 상기 제2 열전도성 필러의 입자 크기보다 큰 입자 크기를 갖는다. 예시적인 일 실시 태양에서, 상기 제1 및 제2 열전도성 재료는 동일한 재료의 상이한 크기의 입자이다. 또 다른 예시적인 일 실시 태양에서, 상기 제1 및 제2 열전도성 재료는 상이한 재료의 상이한 크기의 입자이다.

예시적인 일 실시 태양에서, 상기 제2 열전도성 필러는 알루미늄, 구리, 은, 아연, 니켈, 주석, 인듐 또는 납과 같은 금속이다. 보다 구체적인 실시 태양에서, 상기 제2 열전도성 필러는 알루미늄이다.

또 다른 예시적인 일 실시 태양에서, 상기 제2 열전도성 필러는 알루미나, 알루미늄 질화물, 질화 붕소, 산화 아연, 또는 산화 주석과 같은 금속 산화물이다. 보다 구체적인 실시 태양에서, 상기 제2 열전도성 필러는 산화 아연이다.

예시적인 일 실시 태양에서, 상기 제2 열전도성 필러는 10 nm, 20 nm, 50 nm, 0.1 미크론, 0.2 미크론, 0.5 미크론, 0.6 미크론, 0.7 미크론, 0.8 미크론, 0.9 미크론, 1 미크론, 2 미크론, 3 미크론만큼 작고, 5 미크론, 8 미크론, 10 미크론, 12 미크론, 15 미크론 20 미크론, 25 미크론, 50 미크론, 100 미크론만큼 크거나 또는, 전술한 값 중 임의의 2개 사이에서 정의된 임의의 범위 내의 평균 입자 직경을 가진다. 보다 구체적인 일 실시 태양에서, 상기 제2 열전도성 필러는 약 1 내지 약 5미크론의 입자 크기를 갖는다. 보다 구체적인 일 실시 태양에서, 상기 제2 열전도성 필러는 약 3미크론의 입자 크기를 갖는다. 보다 구체적인 일 실시 태양에서, 상기 제2 열전도성 필러는 약 0.1 내지 약 1미크론의 입자 크기를 갖는다. 보다 구체적인 일 실시 태양에서, 상기 제2 열전도성 필러는 약 0.5 내지 약 1미크론의 입자 크기를 갖는다. 보다 구체적인 일 실시 태양에서, 상기 제2 열전도성 필러는 약 0.2미크론의 입자 크기를 갖는다.

상기 TIM(22)은 상기 TIM(22)의 총 중량을 기준으로 제2 열전도성 필러를 10 wt.%, 25 wt.%, 50 wt.%, 75 wt.%, 80 wt.%, 85 wt.%만큼 작고, 90 wt.%, 92 wt.%, 95 wt.%, 97 wt.%, 98 wt.%, 99 wt.%만큼 크거나 또는, 전술한 값 중 임의의 2개 사이에서 정의된 임의의 범위 내에 있는 양으로 포함할 수 있다.

상기 TIM(22)은 제1 열전도성 필러에 대한 제2 열전도성 필러의 비가 1:50, 1:10, 1:5, 1:3, 1:1만큼 작고, 2:1, 3:1, 5:1, 10:1, 20:1, 50:1만큼 크거나, 또는 1:50 내지 50:1, 1:10 내지 10:1, 또는 1:5 내지 5:1과 같이 전술한 값 중 임의의 둘 사이에서 정의된 임의의 범위 내에 있는 양으로 포함할 수 있다.

3. 제3 열전도성 필러

예시적인 일 실시 태양에서, 열전도성 필러는 상술한 제1 열전도성 필러와 제2 열전도성 필러 및 제3 열전도성 필러를 포함한다. 예시적인 일 실시 태양에서 상기 제1 열전도성 필러는 상기 제2 열전도성 필러의 입자 크기보다 큰 입자 크기를 갖고, 상기 제2 열전도성 필러는 상기 제3 열전도성 필러의 입자 크기보다 큰 입자 크기를 갖는다.

예시적인 일 실시 태양에서, 상기 제1, 제2 및 제3 열전도성 재료는 동일한 재료의 상이한 크기의 입자이다. 또 다른 예시적인 일 실시 태양에서, 상기 제1, 제2 및 제3 열전도성 재료 각각은 상이한 재료의 상이한 크기의 입자이다. 또 다른 예시적인 일 실시 태양에서, 상기 제1, 제2 및 제3 열전도성 재료 중 정확히 2개의 열전도성 재료는 동일한 재료의 상이한 크기의 입자이고, 나머지 열전도성 재료는 상이한 재료이다.

예시적인 일 실시 태양에서, 상기 제3 열전도성 필러는 알루미늄, 구리, 은, 아연, 니켈, 주석, 인듐 또는 납과 같은 금속이다. 보다 구체적인 실시 태양에서, 상기 제3 열전도성 필러는 알루미늄이다.

또 다른 예시적인 일 실시 태양에서, 상기 제3 열전도성 필러는 알루미나, 알루미늄 질화물, 질화 붕소, 산화 아연, 또는 산화 주석과 같은 금속 산화물이다. 보다 구체적인 실시 태양에서, 상기 제3 열전도성 필러는 산화 아연이다.

또 다른 예시적인 일 실시 태양에서, 상기 제3 열전도성 필러는 그래핀, 그래파이트 및 탄소 나노튜브로 이루어지는 군으로부터 선택된다.

예시적인 일 실시 태양에서, 상기 제3 열전도성 필러는 10 nm, 20 nm, 50 nm, 0.1 미크론, 0.2 미크론만큼 작고, 0.5 미크론, 0.6 미크론, 0.7 미크론, 0.8 미크론, 0.9 미크론 1 미크론만큼 크거나, 전술한 값 중 임의의 2개 사이에서 정의된 임의의 범위 내의 평균 입자 직경을 가진다. 또 다른 구체적인 일 실시 태양에서, 상기 제3 열전도성 필러는 약 0.1 내지 약 1미크론의 입자 크기를 갖는다. 보다 구체적인 일 실시 태양에서, 상기 제3 열전도성 필러는 약 0.5 내지 약 1미크론의 입자 크기를 갖는다. 보다 구체적인 일 실시 태양에서, 상기 제3 열전도성 필러는 약 0.2미크론의 입자 크기를 갖는다. 또 다른 보다 구체적인 일 실시 태양에서, 상기 제3 열전도성 필러는 약 10nm 내지 약 0.1미크론의 입자 크기를 갖는다. 보다 구체적인 일 실시 태양에서, 상기 제3 열전도성 필러는 약 10nm 내지 약 50nm의 입자 크기를 갖는다.

상기 TIM(22)은 상기 TIM(22)의 총 중량을 기준으로, 제3 열전도성 필러를 10 wt.%, 25 wt.%, 50 wt.%, 75 wt.%, 80 wt.%, 85 wt.%만큼 작고, 90 wt.%, 92 wt.%, 95 wt.%, 97 wt.%, 98 wt.%, 99 wt.%만큼 크거나 또는, 전술한 값 중 임의의 2개 사이에서 정의된 임의의 범위 내에 있는 양으로 포함할 수 있다.

상기 TIM(22)은 제1 열전도성 필러에 대한 제2 열전도성 필러의 비가 1:50, 1:10, 1:5, 1:3, 1:1만큼 작고, 2:1, 3:1, 5:1, 10:1, 20:1, 50:1만큼 크거나 또는, 1:50 내지 50:1, 1:10 내지 10:1, 또는 1:5 내지 5:1과 같이 전술한 값 중 임의의 2개 사이에서 정의된 임의의 범위 내에서 포함할 수 있다. 상기 TIM(22)은 제1 및 제2 열전도성 필러의 합에 대한 제3 열전도성 필러의 비가 1:50, 1:10, 1:5, 1:3, 1:1만큼 작고, 2:1, 3:1, 5:1, 10:1, 20:1, 50:1만큼 크거나 또는, 1:50 내지 50:1, 1:10 내지 10:1, 또는 1:5 내지 5:1과 같이 전술한 값 중 임의의 2개 사이에서 정의된 임의의 범위 내에서 포함할 수 있다.

4. 열전도성 필러의 커플링제 전처리(Pretreatment)

예시적인 일부 실시 태양에서, 적어도 하나의 열전도성 필러는 커플링제로 전처리된다. 예시적인 일부 실시 태양에서, 상기 열전도성 필러는 커플링제로 전처리되지 않는다. 특정 이론에 구속되는 것을 바라는 것은 아니며, 커플링제는 필러 및 폴리머 매크릭스 재료 모두와 반응하여 계면에서의 강한 결합을 형성 또는 촉진시켜, 필러 입자 집합체(aggregates)를 분쇄하고, 필러 입자를 폴리머 입자로 분산시키는 것을 돕는 것으로 알려져 있다. 상기 커플링제는 또한, 필러로부터 폴리머 매트릭스 폴리머의 분리를 감소 또는 방지하여, 필러-폴리머 복합체의 안정성을 개선하는 것으로 알려져 있다. 나아가, 상기 커플링제는 시스템의 점도를 감소시키고, 열전도성 필러의 유동성을 개선하여, 열 발생 성분과 열 확산 성분 사이의 접착층 두께(bond-line thickness, BLT)를 감소시키는 것을 돕는 것으로 알려져 있다.

일부 실시 태양에서, 커플링제를 사용하는 이러한 전처리는 80 wt.%, 85 wt.%, 90 wt.%, 95 wt.%, 99 wt.% 또는 그 이상과 같은 열전도성 필러의 고부하(high loadings)로 사용되는 필러 입자의 고부하로 사용될 수 있다. 일부 실시 태양에서, 커플링제를 사용하는 이러한 전처리는 제형화 동안 응집(clumps)을 형성하는 것을 방지하기 위해, 서브 미크론(sub-micron) 입자 크기와 같은 작은 입자 크기로 사용될 수 있다.

상기 전처리된 열전도성 필러는 상기 열전도성 필러의 총 중량을 기준으로 커플링제를 0.01 wt.%, 0.05 wt.%, 0.1 wt.%, 0.5 wt.%만큼 작고, 1 wt.%, 2 wt.%, 5 wt.%, 10 wt.%, 20 wt.% 또는 그 이상만큼 크거나 또는, 전술한 값 중 임의의 2개 사이에서 정의된 임의의 범위 내에 있는 양으로 포함할 수 있다.

열전도성 필러의 전처리에 사용되는 예시적인 커플링제는 실란 커플링제, 티타네이트 커플링제, 알루미네이트(aluminate) 커플링제, 지르코네이트(zirconate) 커플링제 및 스테아레이트(stearate) 커플링제를 포함한다. 일부 실시 태양에서, 열전도성 필러의 전처리에 사용되는 커플링제는 티타네이트 커플링제, 지방족(aliphatic) 커플링제 및 실란 커플링제로부터 선택된다.

5. 열전도성 필러의 예시적인 혼합물

하기의 예시적인 실시 태양은 열전도성 필러의 혼합물을 설명하기 위한 것이며, 어떠한 방식으로든 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다.

예시적인 일 실시 태양에서, 상기 열전도성 필러는 제1 평균 입자 직경(D50), 제2 평균 입자 직경, 제3 평균 입자 직경을 갖는 제1 열전도성 필러를 포함한다. 보다 구체적인 일 실시 태양에서, 제1 D50은 약 30미크론, 제2 D50은 약 3미크론이고 제3 D50은 약 0.3미크론이다. 보다 구체적인 또 다른 실시 태양에서, 제1 D50은 약 20미크론, 제2 D50은 약 3미크론이고 제3 D50은 약 0.6미크론이다. 더욱 구체적인 또 다른 실시 태양에서, 제1 D50은 약 5미크론, 제2 D50은 약 0.9미크론이고 제3 D50은 약 20nm이다.

일 실시 태양에서, 상기 열전도성 필러는 제1 입자 크기를 갖는 제1 열전도성 필러 및 제2 입자 크기를 갖는 제2 열전도성 필러를 포함한다. 보다 구체적인 일 실시 태양에서, 상기 제1 입자 크기는 약 8 내지 12 미크론이고, 상기 제2 입자 크기는 약 2 내지 5미크론이다. 보다 구체적인 실시 태양에서, 상기 제1 입자 크기는 약 10미크론이고, 상기 제2 입자 크기는 약 3미크론이다. 보다 구체적인 또 다른 실시 태양에서, 상기 제1 및 제2 열전도성 필러는 각각 알루미늄 입자이다.

상기 실시 태양의 보다 구제척인 실시 태양에서, 상기 열전도성 필러는 제3 입자 크기를 갖는 제3 열전도성 필러를 추가로 포함한다. 보다 구체적인 일 실시 태양에서, 상기 제3 열전도성 필러는 약 0.1 미크론 내지 약 1미크론의 입자 크기를 가지며, 보다 구체적으로는 약 0.2미크론이다. 보다 구체적인 또 다른 실시 태양에서, 상기 제1 열전도성 필러 및 제2 열전도성 필러는 각각 알루미늄이고, 상기 제3 열전도성 필러는 산화 아연이다.

또 다른 실시 태양에서, 상기 열전도성 필러는 제1 입자 크기를 갖는 제1 열전도성 필러 및 제2 입자 크기를 갖는 제2 열전도성 필러를 포함한다. 보다 구체적인 일 실시 태양에서, 상기 제1 입자 크기는 약 3 내지 약 12미크론이고, 상기 제2 열전도성 필러는 약 0.1미크론 내지 약 1미크론의 입자 크기를 갖는다. 보다 구체적인 실시 태양에서, 상기 제1 입자 크기는 약 3 미크론이고, 상기 제2 입자 크기는 약 0.1-1미크론이며, 보다 구체적으로는 약 0.2 미크론이다. 또 다른 보다 구체적인 실시 태양에서, 상기 제1 입자 크기는 약 10 미크론이고 상기 제2 입자 크기는 약 0.1-1미크론이며, 보다 구체적으로는 약 0.2미크론이다. 보다 구체적인 또 다른 실시 태양에서 상기 제1 열전도성 필러는 알루미늄이고, 상기 제2 열전도성 필러는 산화 아연이다.

상기 실시 태양의 보다 구체적인 실시 태양에서, 상기 열전도성 필러는 제3 입자 크기를 갖는 제3 열전도성 필러를 추가로 포함한다. 보다 구체적인 일 실시 태양에서, 상기 제3 열전도성 필러는 약 10nm 내지 약 0.1미크론, 보다 구체적으로는 약 10nm 내지 약 50nm의 입자 크기를 갖는다. 또 다른 보다 구체적인 실시 태양에서 상기 제1 열전도성 필러는 알루미늄, 상기 제2 열전도성 필러는 산화 아연이고, 상기 제3 열전도성 필러는 그래핀이다.

b. 폴리머 매트릭스 재료

일부 예시적인 실시 태양에서, TIM(22)은 폴리머 매트릭스 재료를 포함한다. 일부 예시적인 실시 태양에서, 상기 폴리머 매트릭스 재료는 열전도성 필러를 혼입(incorporating)시키기 위한 매트릭스를 제공하며, 열 및 압력하에서 가압될 유동성을 제공한다.

예시적인 일 실시 태양에서, 상기 폴리머 매트릭스 재료는 탄화수소(hydrocarbon) 고무 화합물 또는 고무 화합물의 블렌드(blend)를 포함한다. 예시적인 재료는 포화 및 불포화 고무 화합물을 포함한다. 일부 실시 태양에서, 포화 고무는 불포화 고무 화합물보다 열 산화 열화(thermal oxidation degradation)에 덜 민감할 수 있다. 예시적인 포화 고무 화합물은 에틸렌-프로필렌 고무(EPR, EPDM), 폴리에틸렌/부틸렌, 폴리에틸렌-부틸렌-스틸렌, 폴리에틸렌-프로필렌-스틸렌, 수소화된(hydrogenated) 폴리알킬디엔 "모노-올스"(예를 들어, 수소화된 폴리부타디엔 모노-올, 수소화된 폴리프로파디엔 모노-올, 수소화된 폴리펜타디엔 모노-올), 수소화된 폴리알킬디엔 "디올"(예를 들어, 수소화된 폴리부타디엔 디올, 수소화된 폴리프로파디엔 디올, 수소화된 폴리펜타디엔 디올) 및 수소화된 폴리이소프렌, 폴리올레핀 엘라스토머 또는 임의의 다른 적합한 포화 고무 또는 이들의 혼합물을 포함한다. 일 실시 태양에서, 폴리머 매트릭스는 수소화된 폴리부타디엔 모노-올이고, 이는 또한, 히드록실 말단기를 갖는 에틸렌 부틸렌(hydroxyl-terminated ethylene butylenes)공중합체, 특수 모노-올로 지칭된다.

예시적인 일 실시 태양에서, 상기 폴리머성 매트릭스 재료는 실리콘 고무, 실록산 고무, 실록산 공중합체 또는 임의의 다른 적합한 실리콘 함유 고무를 포함한다.

예시적인 일부 실시 태양에서, TIM(22)은 상기 TIM(22)의 총 중량을 기준으로 폴리머 매트릭스 재료를 1 wt.%, 3 wt.%, 5 wt.%, 10 wt.%만큼 작고, 15 wt.%, 25 wt.%, 50 wt.%, 75 wt.%만큼 크거나 또는 전술한 값 중 임의의 2개 사이에서 정의된 임의의 범위내에 있는 양으로 포함할 수 있다.

c. 상 변화 재료

예시적인 일부 실시 태양에서, TIM(22)은 하나 또는 그 이상의 상 변화 재료를 포함한다. 상 변화 재료는 TIM(22)이 사용되는 전자 소자의 일부분의 동작 온도 또는 그 이하의, 융점 또는 융점 범위를 갖는 재료이다. 예시적인 상 변화 재료는 파라핀 왁스와 같은 왁스이다. 파라핀 왁스는 일반식 C_nH_2n+2를 가지며, 약 20℃ 내지 100℃ 범위의 융점을 갖는 고체 탄화수소의 혼합물이다. 폴리머 왁스는 폴리에틸렌 왁스 및 폴리프로필렌 왁스를 포함하고, 전형적으로 약 40℃ 내지 160℃ 범위의 융점을 갖는다. 다른 예시적인 상 변화 재료는 우드 메탈(Wood's metal), 필드 메탈(Field's metal) 또는 20℃ 내지 90℃ 범위의 융점을 갖는 저융점 합금을 포함한다.

일부 실시 태양에서, 상 변화 재료의 양은 TIM(22)의 경도(hardness)를 조정하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 상 변화 재료의 부하가 낮은 일부 실시 태양에서, 조성물은 연질 겔의 형태일 수 있고, 상 변화 재료의 부하가 높은 일부 실시 태양에서, 조성물은 경질 고체의 형태일 수 있다. 상기 TIM(22)은 하나 또는 그 이상의 상 변화 재료를 상기 TIM(22)의 총 중량을 기준으로 1 wt.%, 3 wt.%, 5 wt.%, 10 wt.%만큼 작고, 15 wt.%, 25 wt.%, 50 wt.%, 75 wt.%만큼 크거나 또는, 전술한 값 중 임의의 2개 사이에서 정의된 임의의 범위내에 있는 양으로 포함할 수 있다.

d. 커플링제

일부 예시적인 실시 태양에서, TIM(22)은 하나 또는 그 이상의 커플링제를 포함할 수 있다. 일부 예시적인 실시 태양에서, 커플링제의 함유는 상대적으로 고온에서의 특성과 같은 열적 특성을 개선시킬 수 있다. 예시적인 커플링제는 미국 특허 출원 공보 2011/030878에 개시된 것과 같은 티타네이트 커플링제를 포함하며, 그 개시 내용 전체는 여기에 참조로 인용된다. 예시적인 커플링제는 티타늄 IV 2,2 (비스 2-프로페놀라토메틸)부탄올아토, 트리스(디옥틸)피로포스페이토-O; 지르코늄 IV 2,2 (비스 2- 프로페놀라토메틸)부탄올아토, 트리스(디이소옥틸) 피로포스페이토-O; 티타늄 IV 2-프로판올아토, 1몰의 디이소옥틱 포스파이트를 첨가한 트리스(디옥틸)- 피로포스페이토-O); 티타늄 IV 비스(디옥틸)피로포스페이토-O, 옥소에틸렌디올아토, (첨가), 비스(디옥틸) (하이드로겐)포스파이트-O; 티타늄 IV 비스(디옥틸)피로포스페이트-O, 에틸렌디올아토 (첨가), 비스(디옥틸)하이드로겐 포스파이트; 및 지르코늄 IV 2,2-비스(2-프로페놀라토메틸) 부탄올아토, 시클로 디[2,2-(비스 2-프로페놀라메틸) 부탄올아토], 피로포스페이토-O,O를 포함한다. 예시적인 일 실시 태양에서, 상기 커플링제는 티타늄 IV 2,2 (비스 2-프로페놀라토메틸)부탄올아토, 트리스(디옥틸)피로포스페이토-O이다.

일 실시 태양에서, 상기 커플링제는 열전도성 필러의 전처리용 커플링제와 동일하다. 또 다른 실시 태양에서, 상기 커플링제는 열전도성 필러의 전처리용 커플링제와 상이한 커플링제이다.

일부 예시적인 실시 태양에서, TIM (22)은 하나 또는 그 이상의 커플링제를 중앙 층의 총 중량을 기준으로 0.1 wt.%, 0.3 wt.%, 0.5 wt.%만큼 작고, 1 wt.%, 2 wt.%, 3 wt.%, 5 wt.%만큼 크거나, 전술한 값 중 임의의 2개 사이에서 정의된 임의의 범위내에 있는 양으로 포함할 수 있다.

e. 첨가제

예시적인 실시 태양에서, TIM (22)은 하나 또는 그 이상의 첨가제를 포함한다. 예시적인 첨가제는 산화방지제, 이온 스캐빈저 및 가교제이다.

예시적인 산화방지제는 페놀계 산화방지제, 아민계 산화방지제 또는 임의의 다른 적합한 산화방지제 또는 이들의 조합을 포함한다. 예시적인 일부 실시 태양에서, 상기 TIM (22)은 TIM의 총 중량을 기준으로 하나 또는 그 이상의 산화방지제를 0.1 wt.%, 0.5 wt.%, 1 wt.%만큼 작고, 1.5 wt.%, 2 wt.%, 5 wt.%, 10 wt.%만큼 크거나, 또는 전술한 값 중 임의의 2개 사이에서 정의된 임의의 범위내에 있는 양으로 포함할 수 있다.

예시적인 이온 스캐빈저는 PCT 출원 번호 PCT/CN2014/081724에 개시되어 있으며, 그 개시 내용 전체는 여기에 참조로 인용된다. 일부 예시적인 실시 태양에서 상기 TIM(22)은 TIM의 총 중량을 기준으로 하나 또는 하나 이상의 이온 스캐빈저를 0.1 wt.%, 0.5 wt.%, 1 wt.%만큼 작고, 1.5 wt.%, 2 wt.%, 5 wt.%, 10 wt.%만큼 크거나 또는, 전술한 값 중 임의의 2개 사이에서 정의된 임의의 범위내에 있는 양으로 포함할 수 있다.

예시적인 가교제는 미국 특허 번호 7,244,491에 개시되어 있으며, 그 개시 내용 전체는 여기에 참조로 인용된다. 예시적인 가교제는 알킬화 멜라민 수지를 포함한다. 일부 예시적인 실시 태양에서, 상기 TIM(22)은 TIM의 총 중량을 기준으로 하나 또는 하나 이상의 가교제를 0.1 wt.%, 0.5 wt.%, 1 wt.%만큼 작고, 1.5 wt.%, 2 wt.%, 5 wt.%, 10 wt.%만큼 크거나 또는, 전술한 값 중 임의의 2개 사이에서 정의된 임의의 범위내에 있는 양으로 포함할 수 있다.

B. 열 계면 재료의 형성방법

일부 실시 태양에서, TIM(22)은 하나 또는 그 이상의 폴리머 매트릭스 재료, 하나 또는 그 이상의 상 변화 재료, 둘 또는 그 이상의 열전도성 필러, 하나 또는 그 이상의 용제 및 선택적으로 하나 또는 그 이상의 첨가제를 포함하는 분배가능한(dispensable) 제형으로 형성된다.

예시적인 용제는 미국 특허 출원 공보 2007/0517733에 개시되어 있으며, 그 개시 내용 전체는 여기에 참조로 인용된다. 적합한 용제는 임계 온도(critical temperature)와 같이 원하는 온도에서 휘발되거나, 또는 상기에서 언급한 설계 목표 또는 요구 중 임의의 것을 용이하게 달성할 수 있으며, 상 변화 재료와 양립할 수 있어, 상기 상 변화 재료와 반응하여 전술한 목표를 달성할 수 있는 순수 용제 또는 유기 또는 무기 용제의 혼합물을 포함한다. 일부 실시 태양에서, 상기 용제, 용제 혼합물 또는 이들의 조합은 상 변화 재료를 용제화(solvate)하여, 인쇄 기술에 적용될 수 있다. 일부 예시적인 실시 태양에서, 상기 용제 또는 둘 또는 그 이상의 용제의 혼합물은 탄화수소 계열의 용제로부터 선택된다. 탄화수소 용제는 탄소 및 수소를 포함한다. 탄화수소 용제의 대부분은 비극성이나, 극성으로 취급되는 소수의 탄화수소 용제가 있다.

탄화수소 용제는 일반적으로, 지방족, 고리형(cyclic) 및 방향족의 세가지 종류로 분류된다. 지방족 탄화수소 용제는 직쇄 화합물 및 브랜치형 및 가능하게는 가교결합된 화합물을 모두 포함하나, 지방족 탄화수소 용제는 전형적으로, 고리형으로 고려되지는 않는다. 고리형 탄화수소 용제는 지방족 탄화수소 용제와 유사한 특성을 갖는 고리 구조로 배향된 적어도 3개의 탄소 원자를 포함하는 용제이다. 방향족 탄화수소 용제는 일반적으로, 단일 고리 또는 공동 결합(common bond)에 의해 부착된 다수의 고리 및/또는 함께 융합된 다수의 고리를 갖는, 일반적으로 3개 이상의 불포화 결합을 포함하는 용제이다. 예시적인 일부 실시 태양에서, 상기 용제 또는 둘 또는 그 이상의 용제의 혼합물은 케톤, 알코올, 에스테르, 에테르 및 아민과 같은 화합물의 탄화수소 용제 계열 부분으로 고려되지 않는 용제로부터 선택된다. 다른 고려되는 실시 태양에서, 상기 용제 또는 용제 혼합물은 여기에서 언급된 임의의 용제의 조합을 포함할 수 있다.

예시적인 탄화수소 용제는 톨루엔, 자일렌, p-자일렌, m-자일렌, 메시틸렌, 용제 나프타 H, 용제 나프타 A, 이소파 H 그리고 다른 파라핀 오일 및 이소파라핀 유체, 알칸, 예를 들어 펜탄, 헥산, 이소헥산, 헵탄, 노난, 옥탄, 도데칸, 2-메틸부탄, 헥사데칸, 트리데칸, 펜타데칸, 사이클로펜탄, 2,2,4-트리메틸펜탄, 석유 에테르, 할로겐화 탄화수소, 예를 들어 염소화 탄화수소, 질산염화 탄화수소, 벤젠, 1,2-디메틸벤젠, 1,2,4-트리메틸벤젠, 미네랄 스피릿(mineral spirit), 케로신, 이소부틸벤젠, 메틸나프탈렌, 에틸톨루엔, 리그로인을 포함한다. 예시적인 케톤 용제는 아세톤, 디에틸 케톤, 메틸 에틸 케톤 등을 포함한다.

예시적인 일 실시 태양에서, 상기 용제는 펜탄, 헥산, 헵탄, 사이클로헥산, 파라핀 오일, 이소파라핀 유체, 벤젠, 톨루엔, 자일렌 및 이들의 혼합물 또는 조합으로부터 선택된 하나 또는 그 이상의 용제를 포함한다.

일부 예시적인 실시 태양에서, 상기 제형은 상기 제형의 총 중량을 기준으로 하나 또는 그 이상의 용제를 0.1 wt.%, 0.5 wt.%, 1 wt.%만큼 작고, 5 wt.%, 10 wt.%, 20 wt.%만큼 크거나 또는, 전술한 값 중 임의의 2개 사이에서 정의된 임의의 범위내에 있는 양으로 포함할 수 있다.

일부 실시 태양에서, TIM(22)을 형성하는 방법이 제공된다. 일부 실시 태양에서 TIM(22)의 형성은 TIM(22)의 베이킹(baking) 및 건조와 같은 공정을 포함한다.

예시적인 일부 실시 태양에서, TIM(22)은 25℃, 50℃, 75℃, 80 ℃만큼 작고, 100℃, 125℃, 150℃, 170℃만큼 크거나 또는, 전술한 값 중 임의의 2개 사이에서 정의된 임의의 범위내에 있는 온도로 베이킹될 수 있다. 예시적인 일부 실시 태양에서, TIM(22)은 0.5분, 1분, 30분, 1시간만큼 작고, 8시간, 12시간, 24시간, 36시간, 48시간만큼 크거나 또는 전술한 값 중 임의의 2개 사이에서 정의된 임의의 범위내에 있는 온도로 베이킹될 수 있다.

C. 열 계면 재료 특성

일부 예시적인 실시 태양에서, TIM(22)은 0.05℃·cm²/W, 0.06℃·cm²/W, 0.07℃·cm²/W, 0.75℃·cm²/W만큼 작고, 0.08℃·cm²/W, 0.09℃·cm²/W, 0.1℃·cm²/W, 0.12℃·cm²/W만큼 크거나 또는, 전술한 값 중 임의의 2개 사이에서 정의된 임의의 범위내에 있는 열 임피던스를 가질 수 있다.

일부 예시적인 실시 태양에서, TIM(22)은 조정 전의 TIM(22)의 열적 임피던스의 20% 초과 값 이하, 10% 초과 값 이하, 5% 초과 값 이하, 또는 그 이하인 조정 후 열적 임피던스로서, 96시간 동안 130의 온도 및 85%의 상대 습도에서의 조정 후 열적 임피던스를 갖는다.

일부 예시적인 실시 태양에서, TIM(22)은 조정 전의 TIM(22)의 열적 임피던스의 20% 초과 값 이하, 10% 초과 값 이하, 5% 초과 값 이하, 또는 그 이하인 조정 후 열적 임피던스로서, 1000시간 동안 150의 온도 및 85%의 상대 습도에서의 조정 후 열적 임피던스를 갖는다.

열 발생 및 열 소산 성분 사이에 적용된 TIM의 최종 두께는 접착층 두께(BLT)로 지칭된다. BLT 값은 발열 성분에 의해 가열될 때의 TIM의 유동성에 의해 부분적으로 결정된다. 상 변화 재료(PCM)은 열 발생 성분에 의해 가열될 때 TIM의 유동성을 증가시키는 왁스 또는 다른 재료를 포함하고, 이는 BLT를 감소시킨다. BLT는 열 임피던스(TI) 및 열전도도(TC)에 대한 식, TI = BLT / TC와 관련되어, 동일한 열전도도에서 BLT가 낮을수록 열 임피던스는 낮아진다. 임의의 특정 이론에 구속되는 것을 바라는 것은 아니며, 다양한 크기의 열전도성 필러를 포함하는 것은 더 작은 입자 크기가 더 큰 입자 크기 사이에 존재하는 갭을 채울 수 있고, TIM의 유동성을 증가시키고, BLT를 감소시키는 것으로 알려져 있다. 낮은 BLT를 갖는 TIM 제형은 낮은 열 임피던스를 갖는 경향이 있다.

일부 실시 태양에서, 40psi의 압력이 가해지고, 80℃로 가열될 때, 상기 TIM(22)은 80 미크론, 70 미크론, 60 미크론, 50 미크론, 40 미크론만큼 크고, 30 미크론, 25 미크론, 20 미크론, 15 미크론, 10 미크론, 5 미크론 또는 그보다 작거나 또는, 80미크론 내지 5미크론, 60미크론 내지 10미크론 또는 30 내지 20미크론과 같이 전술한 값 중 임의의 2개 사이에서 정의된 임의의 범위 내에 있는 접착층 두께를 가질 수 있다.

실시예

실시예는 고무 엘라스토머, 제1 열전도성 필러(약 0.1 내지 약 25미크론 사이의 알루미늄 입자), 제2 열전도성 필러(약 0.1 내지 6미크론 사이의 산화 아연 입자), 티타네이트 커플링제, 산화방지제 및 왁스를 포함하며, 하기에 기재된 바와 같이 제조하였다. 실시예 1-5는 일반적으로 알루미늄 필러 65-75wt.%, 및 산화 아연 필러 13-15 wt.%를 함유한다. 실시예 6-13은 일반적으로 알루미늄 필러 50-80wt.%, 및 산화 아연 필러 15-45 wt.%를 함유한다.

실시예 1 및 비교예 1은 표 1에 제공된 제형(중량%)에 따라 제조되었다.

실시예 및 비교예1의 제형

	실시예 1	비교예 1
엘라스토머(wt.%)	8.6	8.6
왁스(wt.%)	3.1	3.
산화방지제(wt.%)	0.2	0.2
티타네이트 커플링제(wt.%)	1.1	1.1
알루미늄(wt.%)(5μm)	72.5	87
산화 아연(wt.%)(0.6μm)	14.5	0
열 임피던스(℃·cm²/W)	0.091	0.10.

실시예 1을 제조하기 위해, 크라톤 엘라스토머(히드록실 말단기를 갖는 에틸렌 부틸렌공중합체, 특수 모노-올), 융점이 약 45℃인 미세결정질 왁스 및 산화방지제를 혼합하고, 가열된 믹서에서 상기 혼합물이 용융될 때까지 블렌딩하여, 실질적으로 균일한 외관(appearance)을 얻었다. 티타늄 IV 2,2 (비스 2-프로페놀라토메틸)부탄올아토, 트리스(디옥틸)피로포스페이토-O 커플링제를 첨가하고, 상기 혼합물이 실질적으로 균일한 외관이 될 때까지 다시 블렌딩하였다. 알루미늄 분말 및 산화 아연 분말을 첨가하고, 상기 혼합물이 실질적으로 균일한 외관이 될 때까지 블렌딩하였다.

비교예 1은 실시예 1의 열전도성 필러 혼합물을 알루미늄 분말로 대체한 것을 제외하고는 실시예 1과 유사한 방법으로 제조하였다.

각 TIM의 열 임피던스는 ASTM D5470-06에 따른 컷 바 테스트(cut bar test)를 사용하여 측정하였다. 각 TIM은 15분 동안 90℃로 2개의 라이너 필름 사이에서 테이핑하였다. 상기 라이너를 제거하고 직경 25mm의 원형 샘플을 TIM으로부터 절단하였다. 상기 샘플을 2개의 니켈 코팅된 구리 막대 사이에 놓고 40psi의 압력 하에 두었다. 전력을 125W로 설정하고 열적 특성은 20분, 25분 및 30분에 측정되었다. 표 1에 제공된 열 임피던스 값을 결정하기 위해 상기 세 값의 평균을 사용하였다.

표 1에 나타난 바와 같이, 비교예 1의 알루미늄의 일부를 동등한 중량%의 산화 아연으로 부분적으로 대체하면, 열 임피던스가 0.012℃·cm²/W로 감소하였다.

실시예 2-4 및 비교예 2는 표 2에 제공된 제형에 따라 제조되었다.

실시예 2-4 및 비교예2의 제형

	실시예 2	실시예 3	실시예 4	비교예 2
엘라스토머(wt.%)	8.7	8.7	8.7	8.7
왁스(wt.%)	3.1	3.1	3.1	3.1
산화방지제(wt.%)	0.1	0.1	0.1	0.1
아미노 수지(wt.%)	0.6	0.6	0.6	0.6
티타네이트 커플링제(wt.%)	1.5	1.5	1.5	1.5
알루미늄(wt.%)(3μm)	71.67	71.67	71.67	71.67
산화 아연(wt.%)(0.9μm)	14.33	14.33	14.33	14.33
열 임피던스(℃·cm²/W)	0.106	0.079	0.115	0.098

*주: 실시예 2-4에서 산화 아연은 커플링제로 전처리됨.

실시예 2를 제조하기 위해, 크라톤 엘라스토머(히드록실 말단기를 갖는 에틸렌 부틸렌공중합체, 특수 모노-올), 융점이 약 45℃인 미세결정질 왁스 및 산화방지제를 혼합하고, 가열된 믹서에서 상기 혼합물이 용융될 때까지 블렌딩하여, 실질적으로 균일한 외관을 얻었다. 티타늄 IV 2-프로판올아토, 트리스 이소옥타데카노아토-O 커플링제를 첨가하고, 상기 혼합물이 실질적으로 균일한 외관이 될 때까지 다시 블렌딩하였다. 티탄삼염 커플링제로 전처리 된 알루미늄 분말 및 산화 아연 분말을 첨가하고, 상기 혼합물이 실질적으로 균일한 외관이 될 때까지 블렌딩하였다.

실시예 3은 산화 아연을 티타네이트 커플링제를 대체하여 지방족 커플링제로 전처리 한 것을 제외하고는 실시예 2와 유사한 방법으로 제조하였다. 실시예 4는 산화 아연을 티타네이트 커플링제를 대체하여 실란 커플링제로 전처리 한 것을 제외하고는 실시예 2와 유사한 방법으로 제조하였다. 비교예 2는 산화 아연을 전처리하지 않은 것을 제외하고는 실시예 2와 유사한 방법으로 제조하였다

각 TIM의 열 임피던스는 상술한 ASTM D5470-06에 따른 컷 바 테스트를 사용하여 측정하였다. 열 임피던스 값은 표 2에 제시되어 있다. 표 2에 나타난 바와 같이, 산화 아연을 지방족 커플링제로 전처리 하는 것은 티타네이트 커플링제 또는 실란 커플링제로 전처리 하는 것 모두와 비교하여 열 임피던스를 감소시켰다.

실시예 5-10은 표 3에 제공된 제형에 따라 제조되었다.

실시예 5-10의 제형 및 비료예 3의 특성

	실시예5	실시예6	실시예7	실시예8	실시예9	실시예10	비교예3	비교예4	비교예5
엘라스토머 (wt.%)	6.2	5.27	4.6	4.6	3.94	3.94	4.6	5.42	-
왁스 (wt.%)	1.4	1.5	1.31	1.31	1.12	1.12	1.31	1.50	-
산화방지제 (wt.%)	0.1	0.42	0.37	0.37	0.31	0.31	0.37	0.4	-
티타네이트 커플링제(wt.%)	1.3	0.57	0.72	0.72	0.74	0.74	0.72	0.68	-
알루미늄 (wt.%)(6.7μm)	74	76.9	77.5	67.13	78.24	67.06	67.13	92	-
산화아연 (wt.%)(0.9μm)	17	15.34	15.5	25.87	15.65	26.83	-	-	-
알루미나 (wt.%)(0.8μm)	-	-	-	-	-	-	25.87	-	-
필러 부하 (wt.%)	91	92	93	93	94	94	93	92	-
접착층두께 (μm)	-	-	-	25	-	28	28	30	-
열 임피던스 (℃·cm²/W)	-	-	-	0.07	-	0.08	0.09	0.09	0.1

실시예 5-10을 제조하기 위해, 크라톤 엘라스토머(히드록실 말단기를 갖는 에틸렌 부틸렌공중합체, 특수 모노-올), 융점이 약 45℃인 미세결정질 왁스 및 산화방지제를 상기 표 3에 주어진 양으로 혼합하고, 가열된 믹서에서 상기 혼합물이 용융될 때까지 블렌딩하여, 실질적으로 균일한 외관을 얻었다. 티타늄 IV 2,2 (비스 2-프로페놀라토메틸)부탄올아토, 트리스(디옥틸)피로포스페이토-O 커플링제를 첨가하고, 상기 혼합물이 실질적으로 균일한 외관이 될 때까지 다시 블렌딩하였다. 알루미늄 분말 및 산화 아연 분말을 첨가하고, 상기 혼합물이 실질적으로 균일한 외관이 될 때까지 블렌딩하였다.

비교예 3은 산화 아연을 알루미나로 대체한 것을 제외하고는 실시예 5-10과 유사한 방법으로 제조하였다.

비교예 4는 열전도성 필러를 알루미늄 분말로 대체한 것을 제외하고는 실시예 5-10과 유사한 방법으로 제조하였다.

비교예 5는 상업적으로 입수 가능한 PTM 3180 재료이며, Honeywell International, Inc로부터 입수 가능하다.

각 TIM은 15분 동안 90℃로 2개의 라이너 필름 사이에서 테이핑하였다. 상기 라이너를 제거하고 직경 25mm의 원형 샘플을 TIM으로부터 절단하였다. 상기 샘플을 니켈 코팅된 구리 막대 및 실리콘 다이 사이에 놓고 테스트 "샌드위치"샘플을 생성하였다.

상기 샘플을 Shanghai JINGHONG에서 공급된 D2F-6050 오븐을 사용하여, 40 psi 압력하에 90 베이킹 오븐에서 60분 동안 처리하였다. 상기 "샌드위치"는 마이크로미터로 특정되었으며, 판독값은 실리콘 다이-TIM-니켈 코팅된 구리의 총 두께이다. 실리콘 다이 및 니켈 코팅된 구리의 두께는 미리 마이크로미터로 측정하여, TIM의 접착층 두께(BLT)를 얻었다. 양호한 압축성(compressibility)을 갖는 TIM은 매우 얇은 샘플로 압축될 수 있고, 매우 낮은 BLT로 측정되며, 낮은 열 임피던스를 갖는 경향이 있다.

각 TIM의 열 임피던스는 테스트 샌드위치의 플래쉬 확산도(flash diffusivity)를 이용하여 결정되었다. 플래쉬 확산도는 Xenon 광원을 갖는 Netzsch LFA 447 장비를 이용하여 ASTM E1461에 따라 결정되었다. 그 결과는 표 3에 제시되어 있다.

표 3에 나타난 바와 같이, 알루미늄 입자 및 산화 아연 입자를 모두 포함하는 실시예는 알루미늄 입자만을 갖는 비교예보다 열 임피던스가 낮았다.

또한, 실시예 8이 비교예 4(92%)에 비해 더 높은 필러 부하(93%)를 가짐에도 불구하고, 실시예 8과 비교예 4의 결과를 비교하면, 실시예 8이 비교예 4보다 더 낮은 BLT를 갖는다. 이는 더 높은 필러 부하에도 불구하고 실시예 8은 비교예 4보다 양호한 압축성을 가지는 것을 나타내며, 이는 열 임피던스가 더 낮을 수 있음을 나타낸다.

또한, 실시예 8과 비교예 3의 결과를 비교하면, 상기 샘플은 필러 부하가 유사하나, 실시예 8은 알루미늄 및 산화 아연 입자를 사용하는 반면, 비교예 3은 알루미늄 및 알루미나 입자를 갖는다. 표 3에 나타난 바와 같이, 실시예 8은 비교예 3보다 BLT가 낮아, 압축성이 더 우수함을 나타낸다. BLT에 의해 측정된 더 얇은 두께는 식 TI = BLT / TC에 따라 열 임피던스와 관련되며, 여기서 TI는 열 임피던스이고, BLT는 접착층 두께이며, TC는 열전도도이다.

실시예 8은 ESPEC에 의해 제공된 환경 챔버(environmental chamber)에서, 샘플을 130 및 85 %의 상대 습도에서 96 시간 동안 조정한 고 가속 스트레스 테스트(Highly Accelerated Stress Test, HAST test)를 이용하여 테스트하였다. 상기 샘플의 열 임피던스는 조정 전후로 측정되었다. 열 임피던스가 20% 미만으로 증가하면 HAST 결과를 합격하는 반면, 20% 또는 그 이상으로 증가하면 HAST 결과가 불합격하는 것을 나타낸다. 표 4에 나타난 바와 같이 실시예 8은 HAST 테스트를 합격하였다.

HAST 결과

재료	샘플 번호	열 임피던스(AC)	열 임피던스(HAST96시간)
실시예 8	1	0.08	0.08
	2	0.08	0.08
	3	0.08	0.08
	4	0.08	0.08

실시예 8은 또한, ESPEC에 의해 제공된 환경 챔버에서, 샘플을 150에서 1000시간 동안 조정한 베이킹 테스트를 이용하여 테스트하였다. 상기 샘플의 열 임피던스는 조정 전후로 측정되었다. 열 임피던스가 20% 미만으로 증가하면 베이킹 테스트 결과를 합격하는 반면, 20% 또는 그 이상으로 증가하면 베이킹 테스트 결과가 불합격하는 것을 나타낸다. 표 5에 나타난 바와 같이 실시예 8은 HAST 테스트를 합격하였다.

HAST 결과

재료	샘플 번호	열 임피던스(AC)	열 임피던스 (150베이킹/1000hr)
실시예 8	1	0.07	0.07
	2	0.08	0.07
	3	0.08	0.07
	4	0.07	0.07

본 발명이 예시적인 구성을 갖는 것으로서 설명되었지만, 본 발명은 본 개시의 사상 및 범주 내에서 더 수정될 수 있다. 본 출원은 따라서 그 일반적인 원리를 사용하여 본 발명의 임의의 변형, 사용 또는 적용을 포괄하도록 의도된다. 또한, 본 출원은 본 개시가 속하는 그리고 첨부된 청구범위의 한계 내에 있는 기술 분야에서 공지의 실시 또는 통상의 실시 내에 있는 것으로서 본 발명으로부터 이러한 일탈을 포괄하도록 의도된다.

Claims

수소화된 폴리부타디엔 모노-올 또는 디올을 포함하는 적어도 하나의 폴리머;
열 계면 재료의 총 중량을 기준으로 1중량% 내지 5중량%의 총 함량으로 존재하는 적어도 하나의 왁스를 포함하는 적어도 하나의 상 변화 재료;
1 내지 15 미크론의 제1 입자 크기를 갖는 알루미늄 입자인 제1 열전도성 금속 필러;
1 내지 5 미크론의 제2 입자 크기를 갖는 알루미늄 입자인 제2 열전도성 필러; 및
0.5 내지 1 미크론의 제3 입자 크기를 갖는 산화 아연 입자인 제3 열전도성 필러;를 포함하는 열 계면 재료이며,
상기 제1 입자 크기는 상기 제2 입자 크기보다 크고,
상기 제2 입자 크기는 상기 제3 입자 크기보다 크며,
상기 제1 열전도성 금속 필러, 제2 열전도성 필러 및 제3 열전도성 필러의 총 함량은 열 계면 재료의 총 중량을 기준으로, 93중량% 내지 98.9중량% 미만이고,
상기 열 계면 재료는 40psi의 압력이 가해지고 80℃로 가열될 때 5 미크론 내지 25 미크론의 접착층 두께(BLT)를 갖는 것인, 열 계면 재료.
제1항에 있어서,
열 계면 재료의 총 중량을 기준으로 0.1중량% 내지 2.0중량%의 양으로 존재하는 적어도 하나의 티타네이트 커플링제를 더 포함하는 것인 열 계면 재료.
히트 싱크;
전자 칩;
상기 히트 싱크 및 전자 칩 사이에 위치하는 열 계면 재료를 포함하는 전자 부품이며,
상기 열 계면 재료는
수소화된 폴리부타디엔 모노-올 또는 디올을 포함하는 적어도 하나의 폴리머;
열 계면 재료의 총 중량을 기준으로 1중량% 내지 5중량%의 총 함량으로 존재하는 적어도 하나의 왁스를 포함하는 적어도 하나의 상 변화 재료;
1 내지 15 미크론의 제1 입자 크기를 갖는 알루미늄 입자인 제1 열전도성 금속 필러;
1 내지 5 미크론의 제2 입자 크기를 갖는 알루미늄 입자인 제2 열전도성 필러; 및
0.5 내지 1 미크론의 제3 입자 크기를 갖는 산화 아연 입자인 제3 열전도성 필러;를 포함하고,
상기 제1 입자 크기는 상기 제2 입자 크기보다 크고,
상기 제2 입자 크기는 상기 제3 입자 크기보다 크며,
상기 제1 열전도성 금속 필러, 제2 열전도성 필러 및 제3 열전도성 필러의 총 함량은 열 계면 재료의 총 중량을 기준으로, 93중량% 내지 98.9중량% 미만이고,
상기 열 계면 재료는 40psi의 압력이 가해지고 80℃로 가열될 때 5 미크론 내지 25 미크론의 접착층 두께(BLT)를 갖는 것인, 전자 부품.