PRODUCTION OF COMPOSITE MATERIALS WITH HIGH THERMAL CONDUCTIVITY

• Main Authors: PRIETO ALFONZO, RICHARD, LOUIS CERECEDA, ENRIQUE, NARCISO ROMERO, FRANCISCO, JAVIER, MOLINA JORDA, JOSE, MIGUEL
• Format: Patent
• Language: English; French; Spanish
• Published: 02.10.2008
• Subjects: ALLOYS; ARTIFICIAL STONE; BASIC ELECTRIC ELEMENTS; CEMENTS; CERAMICS; CHEMISTRY; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDINGMATERIALS; CONCRETE; ELECTRIC SOLID STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ELECTRICITY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; LIME, MAGNESIA; METALLURGY; REFRACTORIES; SEMICONDUCTOR DEVICES; SLAG; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS; TREATMENT OF NATURAL STONE

The present invention is concerned with high thermal conductivity materials for use as heat dissipators in microelectronic and optoelectronic devices and power generators and the principal objective is to develop a composite material with high thermal performance and low cost for use as heat dissipators in semiconductor devices, and to develop a process for producing said material. More specifically, the materials as per the invention have thermal conductivity above 200 Wm"1 K"1 and a thermal expansion coefficient in the interval 2-10 x 10"6 K"1 (measured in the temperature interval 20-3000C, in at least two directions). The composite material is constituted in three steps: 1) a step principally formed by graphite flakes (step A); 2) a second step (step B) involving particles or fibres of a material which can act as a separator of the flakes, chosen from a ceramic material (which preferably is chosen from SiC, BN, AIN, TiB2 and diamond) and carbon fibres, having high thermal performance in at least one direction; and finally, 3) a third step (step C) formed by a metal alloy. Although the three steps must have good thermal properties, step A (graphite flakes) is the principal source of the properties of the subject material of this invention. Step B acts as a separator of the layers of step A by facilitating the infiltration of step C which consolidates the preform. La presente invención está relacionada con materiales de alta conductividad térmica para su utilización como disipadores de calor en dispositivos microelectrónicos, opto-electrónicos y generadores de potencia y tiene como objetivo fundamental el desarrollo de un material compuesto de altas prestaciones térmicas y de bajos costes de producción para ser utilizado en dispositivos semiconductores como disipador de calor, y de un proceso para producir ese material. En particular, los materiales objeto de esta invención tienen una conductividad térmica superior a 200 Wm"1 K"1 y un coeficiente térmico de expansión en el intervalo 2-10 x 10"6 K"1 (medido en el intervalo de temperatura 20-3000C, en al menos dos direcciones). El material compuesto está constituido por tres fases: 1 ) una fase formada principalmente por copos de grafito (fase A); 2) una segunda fase (fase B) que comprende partículas o fibras de un material que puede actuar como separador de los copos, seleccionado entre un material cerámico (que de modo preferente se selecciona entre SiC, BN, AIN, TiB2 y diamante) y fibras de carbono, de altas prestaciones térmicas en al menos una dirección; y finalmente, 3) una tercera fase (fase C) formada por una aleación metálica. Aunque las tres fases deben tener buenas propiedades térmicas, es Ia fase A (copos de grafito) Ia responsable principal de las propiedades del material objeto de esta invención. La fase B por su parte actúa como separador de las capas de Fase A facilitando Ia infiltración de Ia fase C que consolida Ia preforma. La présente invention concerne des matériaux à haute conductivité thermique à utiliser en tant que dissipateurs de chaleur dans des dispositifs microélectroniques, opto-électroniques et générateurs de puissance et a pour objectif principal de développer un matériau composé à hautes propriétés thermiques et à faibles coûts de production à utiliser dans des dispositifs semi-conducteurs en tant que dissipateur de chaleur, ainsi qu'un procédé pour la production de ce matériau. De manière particulière, les matériaux de l'invention présentent une conductivité thermique supérieure à 200 Wm"1 K"1 et un coefficient de dilatation thermique dans l'intervalle 2-10 x 10"6 K"1 (mesuré dans l'intervalle de température 20-300 °C, dans au moins deux sens). Le matériau composé de l'invention est constitué de trois phases : 1 ) une phase formée principalement par des flocons de graphite (phase A); 2) une deuxième phase (phase B) qui comprend des particules ou des fibres d'un matériau qui peut faire office de séparateur des flocons, sélectionné parmi un matériau céramique (lequel est de préférence sélectionné parmi SiC, BN, AIN, TiB2 et diamant) et des fibres de carbone, à hautes propriétés thermiques dans au moins un sens; et enfin, 3) une troisième phase (phase C) formée par un alliage métallique. Bien que les trois phases doivent présenter des bonnes propriétés thermiques, c'est la phase A (flocons de graphite) qui est la principale responsable des propriétés du matériau de l'invention. La phase B, quant à elle, fait office de séparateur des couches de la phase A, ce qui facilite l'infiltration de la phase C qui consolide la préforme.