Теплопроводящая прокладка для охлаждения изделий электроники

Полезная модель относится к области технологии микроэлектроники, а более конкретно, к получению теплопроводящих материалов, сочетающих высокую теплопроводность с низкой электропроводностью и способных использоваться в качестве прокладок между выделяющим тепло активным изделием электроники (ИЭ) и радиатором его охлаждения. Классические металлы непригодны для выполнения поставленной задачи, поскольку перенос тепла и электрического тока осуществляется транспортом электронов. Это означает, что при повышении теплопроводности в той же степени будет увеличена электропроводность, что для многих ИЭ является неприемлемым.
Известен способ получения теплопроводящих прокладок, материал которых содержит алмазный композит (по патенту US 3348918, 1967) [1], включающий нагрев смеси алмазов с порошком графита в окислительной среде с присутствием катализатора. При использовании температуры 250°С в течение 100 ч никаких существенных изменений в свойствах исходного алмаза не было обнаружено.
Известен способ получения теплопроводящей прокладки (по патенту US 4104344, 1987) [2], включающий прессование порошка алмазов в смеси с порошками меди или окиси бериллия с последующей термообработкой. В первом случае электропроводность композита была недопустимо высокой. При использовании второго варианта необходимо учитывать, что все без исключения соединения бериллия признаются токсичными и не допускаются к использованию в продукции гражданского назначения.
Известна теплопроводящая прокладка на основе керамики AIN (по патенту US 4659611, 1987) [3]. Недостатком этого материала является низкая теплопроводность: 40 W/(m×K), что сопоставимо с теплопроводностью искусственного сапфира, который по этой причине не рассматривается в качестве материала для прокладок охлаждения ИЭ.
Известна многослойная алмазная прокладка для охлаждения ИЭ (по патенту US 5391914, 1995) [4]. Она наиболее эффективна по сравнению с перечисленными выше вариантами, но ее изготовление сопряжено со значительными техническими трудностями, в связи с чем ее себестоимость может быть неприемлемо высокой.
Наиболее близким к заявляемому и принятым за прототип является теплопроводящая прокладка, содержащая алмазный композит, цементированный кремнием и карбидом кремния (по патенту US 2010149756 А1, 2010) [5]. Композит содержит 3 фазы: алмаз в форме порошка, частицы карбида кремния и непрореагировавший кремний. Недостатками решения [5] являются высокие твердость и хрупкость получаемого материала, а также использование электропроводящего внешнего корпуса из графита (металла), что может приводить к утечкам тока от ИЭ к охлаждающему радиатору и нарушениям работы ИЭ.
Главными отличительными признаками заявляемой полезной модели являются создание теплопроводящей прокладки без внешнего корпуса, использование недорогого порошка технических алмазов и поливинилацетата в качестве консолидирующего компонента.
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемая полезная модель, состоит в создании теплопроводящей прокладки из композиционного материала, сочетающего относительно высокую теплопроводность с низкой электропроводностью, а также доступного в компактной форме и способному к дальнейшей механической обработке. Важной характеристикой заявляемого материала является его пластичность после удаления подложки кремния.
Радиаторы внешнего охлаждения контактируют с ИЭ по поверхности, образованной ребрами или иглами, поэтому использование твердых и хрупких прокладок затруднено. Теплопроводящие пасты способны увеличить площадь поверхности контакта ИЭ с радиатором, но их теплопроводность невелика (от 1 до 2,5 W/(m×K)), кроме того она резко снижается после высыхания пасты.
Для достижения названного технического результата теплопроводящая прокладка для охлаждения изделий электроники включает композиционный материал на основе дисперсных алмазов, предварительно соединенных в друзы путем термической обработки в среде углеводородов в присутствии электрического поля. Матрицей композита является слой карбонизованного поливинилацетата, придающего материалу пластичность.
При этом исходные кристаллы алмаза увеличиваются и сращиваются в кристаллические друзы, что приводит к увеличению теплопроводности в 6,7 раз до значения 92,8 W/(mK). Удельное электрическое сопротивление получаемого материала составляет 0,4 Ом×см, что приемлемо для теплопроводящих прокладок указанного назначения.
Результаты дифракции рентгеновских лучей на полученном композиционном материале, подтверждающие наличие алмазов, приведены на Фиг. 1.
На Фиг. 2 приведены результаты измерения теплопроводности полученного материала: 1 - исходные алмазы в слое поливинилацетата; 2 - тот же слой после проведения рекристаллизации алмазов в среде углеводородов при наличии внешнего электрического поля. Теплопроводность увеличилась в 6,7 раза.