폴리에스터 수지 및 점토 충전제를 이용한 상변화 열인터페이스 재료 document_id A220623041478

현재의 반도체 장치는 이산 전력 회로이든 논리 집적 회로이든, 더 작고 더 빨리 작동하고 더 많은 일을 하며 열을 더 많이 발생시킨다. 전력 증가로 인해 일부 데스크탑 마이크로프로세서는 50와트 내지 100와트 범위의 열을 방산한다. 이러한 전력 수준에는 대용량의 열발산판(heat sink), 양호한 공기 흐름, 및 열 인터페이스 저항의 주의 깊은 관리를 수반하는 열 관리 기술이 필요하다. 잘 설계된 열 관리 프로그램은 장치의 성능 및 신뢰도를 최적화하기 위해서 작동 온도를 허용 한계점 내로 유지시킬 것이다. 반도체 장치는 접합부(junction)에서 발생된 폐열을 주변 실내 공기와 같은 주위 환경으로 전달함으로써 그의 작동 온도 한계점 내로 유지된다. 이는 반도체 패키지 표면에 열발산판을 부착하여 뜨거운 케이스와 냉각 공기 사이의 열 전달을 증가시킴으로써 가장 잘 달성된다. 열발산판은 최적의 열적 성능을 제공하도록 선택한다. 적당한 열발산판을 선택하였으면, 새로이 형성되는 열 인터페이스를 통해 효율적인 열 전달을 확보하도록 열발산판을 반도체 패키지에 주의해서 결합시켜야 한다. 반도체 패키지와 열발산판을 결합하고 마이크로프로세서와 같은 반도체 장치로부터 열을 방산시키기 위하여 열적 재료들을 사용하여 왔다. 전형적으로 TIM은 고분자 매트릭스와 열전도성 충전제를 포함한다. 전자 패키지에 사용되는 TIM 기술은 에폭사이드, 그리스(grease), 겔, 및 상변화 재료와 같은 몇몇 부류의 물질들을 포함한다. 금속을 충전한 에폭사이드는 통상적으로 고전도성 물질로서, 열경화되어 고도로 가교된 물질이 된다. 그러나, 금속을 충전한 에폭사이드는 패키지의 열역학적 거동 때문에 국소적인 상 분리를 나타내고, 그의 높은 모듈러스는 인터페이스 박리를 야기한다. 방열 그리스는 젖음성이 양호하고, 인터페이스에 부합되는 능력이 양호하며, 디스펜스 후(post-dispense) 공정이 없고, 높은 벌크(bulk) 열전도율을 나타낸다. 그러나, 그리스는 온도 순환 동안 받는 주기적인 응력하에 인터페이스 사이에서 이동하는 경향이 있는데, 이 현상은 "펌프 아웃(pump out)"으로 알려져 있다. 전형적으로 겔은 말단에 비닐기를 가진 실리콘 중합체와 같은 가교성 실리콘 중합체, 가교제 및 열전도성 충전제를 포함한다. 경화 후에, 겔은 가교되고 충전된 중합체가 되고, 가교 반응은 점착력을 제공하여, 온도 순환 동안 그리스에 의해 나타나는 펌프 아웃 문제를 해결한다. 겔의 모듈러스(E'')는 여전히 내부 응력을 소산시키고 인터페이스 박리를 방지할 수 있을 만큼 충분히 낮지만 신뢰도-부하 시험(reliability-stressing test)을 통과할 만큼 낮지는 않다. 상변화 재료(PCM; Phase Change Material)는 열이 가해지면 고체상에서 액체상으로 전이되는 물질류이다. 이들 재료는 실온에서는 고체 상태이고, 다이(die) 가동 온도에서는 액체 상태이다. PCM은 액체 상태에 있을 때 쉽게 표면에 부합되고, 낮은 열 인터페이스 저항을 제공한다. PCM은 필름 형태로 적용가능하고 디스펜스 후 공정이 없기 때문에 취급 및 처리가 용이하다. 그러나, 제형(formulation) 면에서, PCM에 이용되어 온 중합체 및 충전제의 조합은 이들 재료의 벌크 열전도율을 제한한다. 일반적으로, 펌프-아웃, 블리드-아웃(bleed-out) 및 드라이-아웃(dry-out)은 상변화 TIM에 대해 지속되고 있는 신뢰도 문제이다. 시판의 상변화 열 인터페이스 재료(예를 들어, 코메릭스(Chomerics) T454)는 폴리올레핀계이다. 폴리올레핀은 탄화수소의 화학 구조 때문에 약 125℃ 이상에서는 산소중에서 쉽게 열화되고, 이에 상응하여 열저항(Rja)이 증가한다(도 1 참조). 이는 약 110℃ 이하의 작동 온도에서는 시간 경과에 따라 열산화될 위험이 높다는 것을 나타내며, 110℃ 이상의 작동 온도에 의한 용도에서는 큰 문제임을 나타낸다.