CN101247715B

CN101247715B - 热扩散片及其制造方法

Info

Publication number: CN101247715B
Application number: CN2008100807091A
Authority: CN
Inventors: 小沢元树
Original assignee: Polymatech Co Ltd
Current assignee: Jishui Baoli Ma Technology Co., Ltd.
Priority date: 2007-02-15
Filing date: 2008-02-05
Publication date: 2010-12-29
Anticipated expiration: 2028-02-05
Also published as: TW200835727A; US20080199688A1; CN101247715A; KR20080076761A; JP2008198917A

Abstract

一种设有导热层、热扩散层和隔热层的热扩散片，该热扩散层设置在导热层的表面上，该隔热层设置在热扩散层的表面上。导热层由包含有机聚合物和导热填料的合成物构成。热扩散层由金属材料构成。隔热层由具有电绝缘性的材料构成。通过在热扩散层的表面上设置隔热层，制备合成物并构成导热层而制成热扩散片。当制备合成物时，将具有热固性的液态有机聚合物和导热填料混合。当构成导热层时，将上述合成物涂布于热扩散层的表面上，该表面面向已设有隔热层的表面，并且在此之后，合成物被加热，使有机聚合物固化。

Description

热扩散片及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种热扩散片及其制造方法，该热扩散片用于将电子元器件，诸如中央处理器(CPU)或集成电路(IC)这类发热体生成的热量扩散。

背景技术

现有的导热片是用于将热量从电子元器件，诸如中央处理器(CPU)或集成电路(IC)这类发热体扩散。这些导热片被夹在，例如电子元器件和散热器之间或电子元器件和外壳之间，使得热量从电子元器件扩散到散热器或外壳。此外，导热片被安装在诸如电子元器件上，以距外壳有一定距离的状态，使得来自电子元器件的热量扩散。这样的导热片已在3435097号日本专利、3504882号日本专利和3712943号日本专利中公开。

此外，石墨片可被用作导热片。石墨片的导热系数，在与表面平行的方向，即在平面内的方向，通常约为240W/m·k至400W/m·k，并且与石墨片在厚度方向的导热系数相比较高。因此，石墨片在平面内方向具有高导热系数。然而，石墨片具有低强度且易碎，并且还具有导电性。因此，在电子设备中的石墨片破碎的情形下，可能发生石墨片的碎片散落的危险，从而会破坏电子设备。

发明内容

本发明的目的是提供一种热扩散片及其制造方法，该热扩散片更适于在将热量从发热体扩散的应用中使用。

为了达到上述目的并根据本发明的一个方面，提供了一种具有导热层、热扩散层和隔热层的热扩散片。导热层由包含有机聚合物和导热填料的合成物构成。热扩散层层压在导热层的表面上且由金属材料构成。隔热层层压在热扩散层的表面上，并且由具有电绝缘性的材料构成。

根据本发明的另一方面，提供了一种热扩散片制造方法，该热扩散片包括：由含有热固性有机聚合物和导热填料的合成物构成的导热层，层压在导热层的表面上且由金属材料构成的热扩散层，以及层压在热扩散层的表面上且由电绝缘性材料构成的隔热层。该方法包括：在热扩散层的表面上设置隔热层；通过将具有热固性的液态有机聚合物与导热填料混合而制备合成物；通过将合成物涂布在热扩散层的表面上，该表面面向已设有隔热层的表面，并且在此之后，加热合成物使有机聚合物固化而形成导热层。

附图说明

参照以下本发明的优选实施例的说明书并结合附图，可充分理解本发明及其目的和优点，其中：

图1是示出了根据一个实施例的热扩散片的横剖面图；以及

图2是示出了容器的横剖面图。

具体实施方式

以下参照附图，对根据本发明实施例的热扩散片进行详述。如图1所示，根据本发明实施例的热扩散片11配有导热层12，层压于导热层12表面上的热扩散层13，以及层压于热扩散层13表面上的隔热层14。热扩散片11安装于例如为电子设备内的发热体的电子元器件上，以便扩散由电子元器件生成的热量，因而避免热量在电子元器件及其邻近区域内积聚。

导热层12将热量从发热体传导到热扩散层13。导热层12由包含有机聚合物和导热填料的复合材料构成。当热扩散片11安装于发热体上时，导热层12与发热体紧密接触，从而降低由有机聚合物特性而引起的接触热阻值。

优选地，有机聚合物制成的导热层12为橡胶形式或者凝胶或润滑脂形式的弹性体。这样，导热层12可与发热体紧密接触，其间不会产生缝隙，并且因而使接触热阻值大大降低。此外，为了使制造热扩散片11的同时导热层12可顺利制成，优选地，有机聚合物具有热固性。硅氧烷基树脂、氨基甲酸乙酯基树脂、烯烃基树脂及橡胶可用作具有热固性的有机聚合物。由于有机聚合物的形式具有热固性，因此可采用凝胶。

金属氧化物、金属氮化物、金属碳化物与金属氢氧化物可用作导热填料的材料，并且特别地，可采用氧化铝、氮化硼、碳化硅与氢氧化铝。导热填料的形式没有特定限定，可为粉末状、颗粒状或纤维状。

导热层12的厚度优选为100微米或更薄，并且更优选地，为90微米或更薄。在导热层12的厚度超过100微米的情形中，导热层12过厚，因此有可能导热层12的热阻值会变得很高。导热层12的厚度下限不作特别限定。导热层12形成为遍及整个热扩散层13。

热扩散层13将从发热体传导出的热量，经由导热层12扩散。热扩散层13由金属材料构成。优选地，热扩散层13由具有高热传导性的金属材料构成，使得热扩散层13具有高热扩散性。铜、铝、铁和不锈钢可用作构成热扩散层13的金属材料。此外，合金，诸如铜合金和铝合金，可被用作构成热扩散层13的金属材料。因为导热系数高，金属纯度，诸如铜的纯度，优选地比较高。可采用紫铜和无氧铜作为具有高纯度的铜。紫铜和无氧铜所含铜的纯度是99.9％或更高。高纯度铜的导热系数为401W/m·k，铝的导热系数为237W/m·k，铁的导热系数为80W/m·k，以及SUS 304不锈钢的导热系数为15W/m·k。

优选地，热扩散层13的厚度是10微米或更厚，并且较优选地为30微米至110微米。当热扩散层13的厚度小于10微米时，发热体发出的热量很大的情形中，热扩散层13的热容可能会有发生饱和的危险。即使当热扩散层13的厚度超过110微米时，热扩散层13也不能将热扩散性增加到比之还高的程度。

由于构成热扩散层13的金属材料的特性，热扩散层13的导热具有各向同性。因此，隔热层14层压于热扩散层13上，并且因而遍及热扩散层13的厚度方向上的导热性被热扩散层13和隔热层14之间的边界挡阻，使得热扩散层13在平面内方向上的导热性增强。隔热层14形成为遍及整个热扩散层13。因而，隔热层14覆盖热扩散层13的表面，以避免由于金属材料特性而具有导电性的热扩散层13，除了与热扩散片11接触外，还与电子设备内的部件相接触，并且为热扩散片11提供了电绝缘特性。

隔热层14由具有电绝缘特性的材料构成。聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚苯硫醚(PPS)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚酰亚胺(PI)、聚碳酸酯(PC)、硅氧烷树脂和氨基甲酸乙酯树脂可用作构成隔热层14的材料。硅氧烷橡胶可作为硅氧烷树脂使用。

优选地，隔热层14的导热系数越小越好。特定地，导热系数优选地，为0.5W/m·k或更低，并且更优选地，为0.2W/m·k或更低。PET和PI的导热系数约为0.15W/m·k，PP的导热系数约为0.12W/m·k，PC的导热系数约为0.19W/m·k，PE的导热系数约为0.50W/m·k，以及PPS的导热系数约为0.29W/m·k。因此，来自上述实例中的PET、PP、PI和PC是优选的。

优选地，隔热层14的厚度为10微米至100微米。在隔热层14的厚度小于10微米的情形中，热扩散层13的导热性在厚度方向不能被充分地挡阻，并且因而，热扩散层13的导热性在平面内的方向内不能充分增强。在隔热层14的厚度超过100微米的情形中，热量在热扩散层13和隔热层14之间积聚，并且会有热量可能不从热扩散片11的表面扩散的危险。

以下描述热扩散片11的制造方法。在下列描述中，构成导热层12的有机聚合物具有热固性。热扩散片11通过在热扩散层13的表面上设置隔热层14、制备上述合成物、以及在热扩散层13的表面上形成导热层12而制成。

当在热扩散层13的表面上设置隔热层14时，薄膜形式的隔热层14层压于热扩散层13的表面上。当制备上述合成物时，具有热固性的液态有机聚合物和导热填料被混合，从而制备出合成物。当在热扩散层13的表面上构成导热层12时，上述合成物被涂布于热扩散层13的表面，该表面面向已经层压有隔热层14的表面。紧接着，该合成物被加热，并且使有机聚合物固化，从而形成了导热层12。在热扩散层13的表面上设置隔热层14和制备上述合成物的次序并不作特别限定。此外，制备上述合成物以及在热扩散层13的表面上形成导热层12，可在热扩散层13的表面上设置隔热层14之前进行。

上述实施例具有以下优点。

根据本实施例的热扩散片11除了设有热扩散层13之外，还设有导热层12和隔热层14。由于采用了导热层12，热扩散片11和发热体之间的接触热阻值被减小，使得发热体至热扩散层13的热传导加速。此外，由于采用隔热层14，热扩散层13的热扩散性在平面内的方向内增强。因而，热扩散片11的热扩散性得到增强。此外，隔热层14由具有电绝缘性的材料构成，并且热扩散层13的表面被隔热层14覆盖。因此，热扩散片11具有较高的电绝缘性。

根据本实施例而制造热扩散片11的过程中，在合成物被涂布于热扩散层13的表面后，通过加热上述合成物来构成上述导热层12。因此，包含有机聚合物和导热填料的导热层12可被轻易地层压于热扩散层13上。因而，可方便地制造热扩散片11。

本领域技术人员应理解，本发明可以其它多种具体方式实施，而不脱离本发明的精神和范围，尤其应当理解本发明可以下列方式实施。

上述隔热层14的外轮廓可大于热扩散层13的外轮廓。这样，隔热层14覆盖热扩散层13的端部，因而热扩散片11必定具有电绝缘性。

在制造上述热扩散片11的过程中，可通过制备用于构成隔热层14的合成物，将此合成物涂布于热扩散层13的表面并且使合成物固化，而形成隔热层14。

上述导热层12可仅形成于热扩散层13的一部分内。这样，导热层12形成于与发热体相对应的热扩散层13的一部分内。此外，上述隔热层14可仅形成于热扩散层13的一部分内。

以下，通过引用实例和比较例，更详细描述上述实施例。

(例1)

在例1中，由PET薄膜制成的、厚度为25微米的隔热层14层压于由铜箔制成的、厚度为35微米的热扩散层13。此时，热扩散层13和隔热层14在加热时被层压。此外，100重量份液态双组分硅氧烷树脂的、具有热固性的有机聚合物，600重量份球形氧化铝和200重量份氧化铝单晶粉的导热填料，50重量份双组分硅氧烷基胶粘剂和0.05重量份铂催化剂，由行星式混合机将它们揉合在一起，从而制备成合成物。

然后，上述合成物被涂布于热扩散层13的表面上，该表面面向已被层压有隔热层14的表面。随后，在80℃时采用热风和远红外固化炉将合成物加热20分钟，使得合成物中的硅氧烷树脂固化，并且形成导热层12，并且因而得到热扩散片11。导热层12的厚度是90微米。

(例2至例10)

在例2至例10中，采用与例1中使用的相同方法得到热扩散片11，除了热扩散层13和隔热层14的材料和厚度依照表1中所示而改变。

(比较例1)

在比较例1中，采用如例1中所示的相同制造流程得到一个片，除了导热层12被省略，并且热扩散层13和隔热层14的厚度依照表1中所示而改变。

(比较例2)

在比较例2中，采用如例1中所示的相同制造流程得到一个片，除了导热层12由厚度为20微米的双面胶带构成，并且热扩散层13和隔热层14的厚度依照表1中所示而改变。双面胶带由片状基底和涂抹于基底两表面的胶粘剂构成，并且不含任何导热填料。

(比较例3)

在比较例3中，采用如例1中所示的相同制造流程得到一个片，除了热扩散层13由厚度为127微米的石墨片构成，此外，隔热层14的厚度被改为5微米。

(比较例4)

在比较例4中，采用如例1中所示的相同制造流程得到一个片，除了热扩散层13的厚度被改为70微米，此外，隔热层14被省略。

因而，基于以下各项，对各例中的热扩散片11与各比较例中的片进行测量或评估。结果如表1所示。

<在采用陶瓷加热器开始加热10分钟后的温度>

从各例中的热扩散片11与各比较例中的片中准备纵向和横向长度为100毫米的测试件。此外，如图2所示，容器24配有，具有底部的呈圆柱形的主体21，用于将主体21上部内形成的开口封闭的盖子22，以及设置于主体21底部的发热体的陶瓷加热器23。主体21和盖子22由隔热材料制成。然后，测试件25被放置于主体21内，并且在那之后，主体21的开口被盖子22封闭。此时，陶瓷加热器23暴露于主体21的底部，并且与测试件25相接触。

然后，热电偶被安装于陶瓷加热器23上的预定位置(以下称为S点)，测试件25表面上面向盖子22、并对应于陶瓷加热器23的位置(以下称为A点)，在从A点朝边距离为10毫米的位置(以下称为B点)，以及在与B点相反的方向、距A点20毫米的位置(以下称为C点)。然后，测试件25被陶瓷加热器23加热，其处于经由盖子22从上方向测试件25施加0.49kPa(5gf/cm²)载荷的状态。然后，在用陶瓷加热器23加热10分钟后，采用上述热电偶测量S点、A点、B点、C点处的温度。在表1的“10分钟后的温度”列中，列“S点”表示S点处的温度测量结果，列“A点”表示A点处的温度测量结果，列“B点”表示B点处的温度测量结果，列“C点”表示C点处的温度测量结果。

<热扩散性>

采用上述测量的S点、B点、C点处的温度来估计各例中的热扩散片11和各比较例中的片的热扩散性。具体地，对S点处的温度测量结果与各点，即B点和C点，的温度测量结果之间的差进行计算。在表1的“热扩散性”列中，列“S-B”表示S点和B点之间的温度差，列“S-C”表示S点和C点之间的温度差。

[0052] 如表1所示，在各例中的热扩散片11中，在用陶瓷加热器23加热10分钟后，在S点处温度很低，并且S点和各点，即B点和C点，间的温差很小。因此，发现各例中的热扩散片11将来自陶瓷加热器23的热量有效地扩散。

从例4至例6中的各项的结果发现，随着热扩散层13的厚度增加，来自陶瓷加热器23的热量被更加有效地扩散。从例5、例7及例8中的S点的温度测量结果发现，来自发热体的热量被更加有效地扩散，因而随着隔热层14的厚度增加，发热体的冷却效果更好。

此外，从例5、例8及例9中的各项结果发现，例5、例8及例9中的热扩散片11所具有的热扩散性，与众所周知的具有高热扩散性的石墨片大致相同。此外，发现热扩散片11，尤其是各例中的例5、例8及例9，使热扩散片11中的热结(heat spot)的数量减小。热结是与诸如移动电话和笔记本电脑之类的电子设备中的其它部分相比，变得较热的结点，并且电子设备的用户可能会有遭受低温烫伤的危险。此外，在各例中的热扩散片11具有电绝缘性，因为热扩散层13的表面被隔热层14覆盖。

相比之下，在比较例1中，导热层12被省略，因而其热扩散性劣于具有相同配置的热扩散层13和隔热层14的例5中的热扩散性。在比较例2中，导热层12不包含导热填料，因而其热扩散性劣于具有相同配置的热扩散层13和隔热层14的例5中的热扩散性。在比较例3中，热扩散层13由石墨片构成，因而具有优良的热扩散性。然而，由于石墨片的易脆性，热扩散片很容易被破坏。在比较例4中，隔热层14被省略，因而其热扩散性劣于具有相同配置的导热层12和热扩散层13的例5至例8中的热扩散性。基于以上可作出判断，与各比较例中的片相比，各例中的热扩散片11更适于在将热量从发热体扩散的应用中使用。

因此，应认为本发明提出的实例和实施例是说明性的而非限制性的，并且本发明不限定于其中给出的细节，而可在所附的权利要求的范围和等同物内修改。

Claims

1.一种热扩散片，其特征在于，包括：

导热层，其由包含有机聚合物和导热填料的合成物构成；

热扩散层，其层压在所述导热层的表面上，并且由金属材料构成；以及

隔热层，其层压在所述热扩散层的表面上，并且由具有电绝缘性的材料构成。

2.如权利要求1所述的热扩散片，其特征在于：所述金属材料是铜或铝。

3.如权利要求1所述的热扩散片，其特征在于：所述具有电绝缘性的材料选自聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚苯硫醚、聚乙烯、聚丙烯、聚酰亚胺、聚碳酸酯、硅氧烷树脂和氨基甲酸乙酯树脂。

4.如权利要求1至3中任一项所述的热扩散片，其特征在于：所述有机聚合物是硅氧烷树脂，并且所述导热填料的材料是氧化铝。

5.如权利要求1至3中任一项所述的热扩散片，其特征在于：所述导热层的厚度是100微米或更薄。

6.如权利要求1至3中任一项所述的热扩散片，其特征在于：所述热扩散层的厚度是10微米或更厚。

7.如权利要求1至3中任一项所述的热扩散片，其特征在于：所述热扩散层的厚度是30微米至110微米。

8.如权利要求1至3中任一项所述的热扩散片，其特征在于：所述隔热层的导热系数是0.5W/m·k或更低。

9.如权利要求1至3中任一项所述的热扩散片，其特征在于：所述隔热层的厚度是10微米至100微米。

10.如权利要求1至3中任一项所述的热扩散片，其特征在于：所述导热层和所述隔热层形成为遍及整个所述热扩散层。

11.如权利要求8所述的热扩散片，其特征在于：所述隔热层的导热系数在0.12W/m·k至0.50W/m·k的范围内。

12.一种热扩散片制造方法，所述热扩散片设有导热层、热扩散层和隔热层，所述导热层由包含热固性有机聚合物和导热填料的合成物构成，所述热扩散层层压在所述导热层的表面上并且由金属材料构成，所述隔热层层压在所述热扩散层的表面上并且由具有电绝缘性的材料构成，其特征在于：

在热扩散层的表面上设置隔热层；

通过混合热固性液态有机聚合物和导热填料来制备合成物；以及

通过将合成物涂布于所述热扩散层的表面上，该表面面向已设有隔热层的所述表面，并且在此之后，加热所述合成物使所述有机聚合物固化而形成导热层。

13.如权利要求12所述的热扩散片制造方法，其特征在于：所述隔热层的材料选自聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚苯硫醚、聚乙烯、聚丙烯、聚酰亚胺、聚碳酸酯、硅氧烷树脂和氨基甲酸乙酯树脂。