CN109997423B - 具有高耐负荷性及高导热性的散热片 - Google Patents

具有高耐负荷性及高导热性的散热片 Download PDF

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Abstract

本发明提供以低成本同时实现高耐负荷性及高导热性的散热片。散热片具有在增强层的两面层叠含有导热性填充材料的有机硅组合物层而成的构成，其中，在位于上述散热片的两面的上述有机硅组合物层的至少一者中，未与上述增强层接合的一侧的表面的十点平均粗糙度RzJIS在15μm以上且70μm以下的范围内，上述有机硅组合物层的杜罗回跳式硬度计A硬度在25以上且90以下的范围内，上述散热片的厚度方向上的热导率为2.5W/(m·K)以上。

Description

具有高耐负荷性及高导热性的散热片
技术领域
本发明涉及密合于电子部件与热沉或电路基板等散热部分的界面处以使发热的电子部件冷却的散热片。
背景技术
散热片通常是将含有导热性填充剂的有机硅组合物(以下，称为有机硅组合物)涂布于玻璃布等增强层的两面而成的，由于具有高导热性、电绝缘性、操作性等优异的特性，因此在电子材料领域中，密合于电子部件与热沉或电路基板等散热部分的界面处而使用，以使得发热的电子部件冷却。例如下述的专利文献1～5中公开了将导热层设置于增强层之上而成的散热片。
但是，伴随着近年来电子部件的快速的小型化·高集成化·高输出化，工作温度变高，对于以往的散热片而言，存在散热性变得不充分、发生工作不良这样的问题。因此，为了提高散热性，期望散热片的高导热化、与电子部件及散热部分的密合性增强。
然而，就基于现有技术的散热片的高导热化而言，需要大量使用昂贵的导热性填充材料、将昂贵的金属箔用于增强层，因此成本上升，不理想。另一方面，就基于现有技术的与电子部件及散热部分的密合性增强而言，通过提高电子部件及散热部分间的负荷，能够降低界面热阻，使散热性提高，但以往的散热片中存在下述问题：若过度施加负荷，会发生破裂。若发生这样的散热片的破裂，将变得绝缘不良或者引起蓄热从而导致电子部件的工作不良，有可能成为重大事故的原因。
另外，就现有技术涉及的散热片的耐负荷性增强而言，通过使增强层的玻璃布变厚、使玻璃布的纤维直径增大而能够得到改善，但因热导率的降低而使散热性降低，因此仍然不理想。
此外，也尝试了通过减薄散热片的厚度来提高散热性，但耐负荷性必然受损，因此未能解决上述的问题。
鉴于以上问题，对于耐负荷性及导热性优异并且成本低的新型散热片的期待变得日益强烈。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平8-336878号公报
专利文献2：日本特开平9-001738号公报
专利文献3：日本特开平11-307697号公报
专利文献4：日本特开平7-266356号公报
专利文献5：日本特开平9-199880号公报
发明内容
发明要解决的课题
鉴于上述那样的现有技术所存在的问题，本发明的目的在于提供以低成本同时实现高耐负荷性及高导热性的散热片。
用于解决课题的手段
为解决上述课题，本申请的发明人进行了深入研究，结果发现，通过下述方式能够得到高导热性和高耐负荷性均优异的散热片：采用在增强层的两面层叠含有导热性填充材料的有机硅组合物层的构成，并且在两面的有机硅组合物层的至少一者中，对未与增强层接合的一侧的表面的表面粗糙度及硬度进行优化。
在基于上述见解而完成的本发明涉及的一个实施方式中，能够提供具有在增强层的两面层叠含有导热性填充材料的有机硅组合物层而成的构成的散热片，所述散热片的特征在于，在该有机硅组合物层的至少一者中，未与增强层接合的一侧的表面的十点平均粗糙度RzJIS(依照JIS B0601：2013的附录JA的十点平均粗糙度RzJIS)在15μm以上且70μm以下的范围内，该有机硅组合物层的杜罗回跳式硬度计A硬度在25以上且90以下的范围内，该散热片的厚度方向上的热导率为2.5W/(m·K)以上。
在本发明涉及的散热片的另一实施方式中，上述导热性填充材料可以包含选自由氮化硼、氮化铝、氧化铝、氮化硅、氧化硅、及氧化锌组成的组中的一种以上的材料。该实施方式的某个方案中，氮化硼可以为六方晶氮化硼。
本发明涉及的散热片的又一实施方式中，上述氮化硼可以为氮化硼的鳞片状一次粒子未取向地聚集而成的聚集体状。
本发明涉及的散热片的又一实施方式中，相对于有机硅成分的合计100质量份，有机硅组合物层可以含有20～1,500质量份的导热性填充材料。
另外，本发明涉及的散热片的又一实施方式中，上述增强层可以包含选自由玻璃布、树脂膜、布纤维网格布、无纺布、金属纤维网格布、及金属箔组成的组中的一种以上的材料。
本发明涉及的散热片的又一实施方式中，散热片可以为卷状散热片，另外，在又一实施方式中，能够提供使用散热片而得到的散热构件。
发明的效果
利用本发明涉及的散热片，能够以低成本同时实现高耐负荷性及高导热性。此外，这样的散热片还发挥出可制备成能够高效地冲裁加工的卷状形态这样的效果。
附图说明
[图1]为聚集体状的六方晶氮化硼粉末的SEM照片的例子。
[图2]为示例本发明的实施方式涉及的散热片的使用方法的示意图。
[图3]为示例本发明的实施方式涉及的散热片的使用方法的示意图。
[图4]为说明本发明的效果的示意图。
[图5]为用于说明用于测定散热片的体积电阻率的试验片的形状的图
具体实施方式
以下，对本发明更详细地进行说明。就本说明书中使用波浪号“～”来表示的数值范围而言，只要没有特别说明，则是指将某范围的下限值和上限值均包含在内的数值范围。
本发明涉及的散热片具有：增强层；和层叠于该增强层的两面上的具有规定性质的有机硅组合物的层。已知有机硅在电子材料领域中具有作为合适原材料的性质，其特征在于，在宽温度范围内兼具稳定的电绝缘性、优异的导热性和耐水性等。本申请的发明人发现，通过对由这种有机硅得到的有机硅组合物进一步优化表面粗糙度及硬度，从而发挥出作为散热片的优异的耐负荷性及导热性，由此想到了本发明。
[增强层]
能够在本发明涉及的散热片中使用的增强层担负对散热片赋予机械强度的作用，此外，还发挥出抑制散热片向平面方向延伸的效果。该增强层的材料可根据散热片的用途任意选择。例如为电子材料领域中的散热片的情况下，优选包含玻璃布、树脂膜(聚酯、聚酰胺、聚酰亚胺、聚碳酸酯、丙烯酸树脂等)、布纤维网格布(棉、麻、芳族聚酰胺纤维、纤维素纤维、尼龙纤维、聚烯烃纤维等)、无纺布(芳族聚酰胺纤维、纤维素纤维、尼龙纤维、聚烯烃纤维等)、金属纤维网格布(不锈钢、铜、铝等)、或金属箔(铜箔、镍箔、铝箔等)。此外尤其是，分别地，从导热性的观点考虑，进一步优选包含玻璃布或金属箔，从导热性和绝缘性的观点考虑，进一步优选包含玻璃布，此外从绝缘性的观点考虑，进一步优选包含树脂膜。
在增强层中包含金属箔或树脂膜的情况下，优选使用具有贯通孔的金属箔或树脂膜，电子材料领域中，优选该金属箔或树脂膜的各贯通孔直径为0.2mm以上、各贯通孔间距间隔为0.7mm以下、开口率为20～80％、厚度为0.001～0.3mm。特别地，树脂膜的绝缘性非常高，并且结构的缺陷非常少，因此发挥出绝缘性的可靠性也非常高这样的优异效果。
在增强层中包含玻璃布的情况下，可使用通常市售那样的具有开口部的玻璃布，从导热性的观点考虑，例如玻璃布的厚度可以在10μm～150μm的范围内，更优选在20～150μm的范围内，进一步优选在30～100μm的范围内。另外，从导热性的观点考虑，玻璃布的密度例如可以在5～100条/25mm的范围内，更优选在10～70条/25mm的范围内。另外，玻璃布的拉伸强度例如可以在100～1000N/25mm的范围内。另外，从获得导热性与强度的均衡性的观点考虑，玻璃布的开口部的一边长度例如可以在0.1mm以上且1.0mm以下的范围内。
用于增强材料的玻璃布中所使用的玻璃长纤维优选为将在高温窑中熔融的玻璃坯料从喷嘴高速地抽出而成的丝状的物质。对于玻璃长纤维而言，经热处理、偶联剂处理的情况下杂质少，因此更优选。
[有机硅组合物层]
就可在本发明涉及的散热片中使用的有机硅组合物层而言，通过兼具规定范围的十点平均粗糙度RzJIS和杜罗回跳式硬度计A硬度，从而能够与上述增强层接合并协作而获得显著的散热性。
该有机硅组合物可以为有机硅树脂(silicone resin)或有机硅橡胶，其有机硅成分的种类没有特别限定，可合适地使用过氧化物固化型、缩合反应固化型、加成反应固化型、紫外线固化型。尤其是对于有机硅橡胶而言，因其弹性和硬度而容易发挥出本发明的效果，认为是优选的。
有机硅组合物的开放表面(未与增强层接合的一方的表面)的十点平均粗糙度RzJIS(依照JIS B0601：2013的附录JA的十点平均粗糙度)优选在15μm以上且70μm以下的范围内，更优选在20μm以上且65μm以下的范围内。需要说明的是，当RzJIS小于15μm时，表面凹凸部分的应力缓冲效果降低，耐负荷性降低，因此不理想。另外，当RzJIS大于70μm时，厚度精度降低，在将散热片制成卷状时产生松弛，因此不理想。对于调节十点平均粗糙度RzJIS而言，例如，由以下方式可以实现：可以在涂布有机硅组合物后，在进行加压或加热而使之接合·硫化(固化)时适当地设定其压力和温度(详细内容如后文所述)。需要说明的是，当测定RzJIS时，沿着将测定对象表面上的两点间连接的直线采集粗糙度曲线。此时，为了使得即使在表面设置了具有各向异性的图案的情况下测定值也不偏离，例如，通常进行以下这样的处理中的任一者。即，改变采集粗糙度曲线的方向而进行两次以上的采集，进行所得值的取舍选择(采用值高的一方、或者取值的平均等)。以不沿着具有各向异性的图案的方式设定采集粗糙度曲线的方向。预先规定具有各向异性的图案的凹凸间距离(RSm)，将粗糙度曲线的高度/深度中不满足最小高度的基准的高度/深度作为噪声除去，以此进行RzJIS的测定。这些处理也可通过测定装置自动地进行。
有机硅组合物的杜罗回跳式硬度计A硬度优选在25以上且90以下的范围内，更优选在50以上且85以下的范围内。杜罗回跳式硬度计A硬度小于25的情况下，在将包含有机硅组合物层的散热片加工成卷状时发生断裂，无法制作成卷状，是不理想的。另外，杜罗回跳式硬度计A硬度大于90的情况下，将散热片制成卷状时在表面的一部分中产生裂纹，因此不理想。杜罗回跳式硬度计A硬度利用依照JIS K6253的方法进行测定。需要说明的是，本说明书中，为了统一测定方法，即使在硬度大于90或小于20的情况下，方便起见，仍使用A型杜罗回跳式硬度计来得到测定值。
有机硅组合物的涂布方法没有特别限定，可以采用能够均匀地涂布的刮刀法、逗号涂布机法、丝网印刷法、辊涂机法等已知的涂布方法，若考虑到有机硅组合物的厚度精度，则优选刮刀法、逗号涂布法。
相对于有机硅成分的合计100质量份，有机硅组合物优选以20质量份以上且1,500质量份以下的范围含有后述的导热性填充材料，更优选以100质量份以上且1，300质量份以下的范围含有，还可优选以200质量份以上且800质量份以下的范围含有，进一步更优选以240质量份以上且730质量份以下的范围含有。导热性填充材料少于20质量份时，热导率变低，散热性降低。另一方面，导热性填充材料多于1,500质量份时，有机硅与导热性填充材料的混合性不好，向具有开口部的玻璃布等增强层涂布时，存在厚度变得不均匀的情况。
[导热性填充材料]
作为能够添加于有机硅组合物层中的导热性填充材料而能够使用的物质没有限定，可举出氮化硼粉末、氮化铝粉末、氧化铝粉末、氮化硅粉末、氧化硅粉末、氧化锌粉末等。从使导热性及加工性良好的观点考虑，优选使用氮化硼粉末或氧化铝粉末，进一步优选使用氮化硼粉末(尤其是六方晶氮化硼粉末)。六方晶氮化硼的形态为鳞片状一次粒子未取向地聚集而成的聚集体状时，可获得不向导热性赋予各向异性这样的效果，因此优选。图1中以示例的方式示出聚集体状的六方晶氮化硼粉末的显微镜照片。就非聚集体状的六方晶氮化硼粉末而言，存在热导率变低、散热性降低的情况。
[散热片]
图2～图4是用于对本发明的实施方式涉及的散热片通过在其表面(即有机硅组合物层的开放表面)具有规定的表面粗糙度(十点平均粗糙度)且具有规定的硬度从而发挥出上述作用效果的理由进行说明的图。
图2中描绘了下述实施方式：散热片10具有增强层12、表面侧的有机硅组合物层14、和背面侧的有机硅组合物层16。夸张地描绘出在表面侧的有机硅组合物层14及背面侧的有机硅组合物层16的表面具有粗糙度的情形。散热片10置于散热构件30之上，并且发热的电子部件20置于散热片10之上(在各部件间描绘了夸张的间隔)。需要说明的是，就散热片的表面背面而言，本说明书中，将与发热的电子部件(晶体管等)接触的一侧的面设为“表面”，将与散热构件(热沉、基板等)接触的一侧的面设为“背面”，但应当理解，这只是为方便起见的定义，在散热片单独存在时，已无需明确确定表面背面。
图3中极夸张地描绘出以下情形：图2所示的部件被螺钉40固定，结果施加使电子部件20倾斜这样的应力，应力局部性地施加于散热片10。需要说明的是，该螺钉40可以从各部件的图2中未图示的贯通孔中通过。以扭力扭紧螺钉40时，电子部件20常常会以上述方式倾斜，若使用现有技术涉及的散热片，则存在无法耐受该局部性的应力集中、发生破裂这样的问题。与此相对，通过本发明涉及的散热片10，应力通过具有粗糙度的表面而被缓冲，发挥出不易破裂这样的效果。推测(尽管是个假设)是以下述方式发挥功能：通过在有机硅组合物层的具有粗糙度的面存在的凹凸的适当尺寸的凸部、与有机硅组合物层所具有的适当的硬度的组合，从而将局部性施加的应力缓冲。图4示意性地描绘出该应力分散的情形，认为被施加应力的凸部以被适度压溃的方式变形，从而与没有凸部的情况相比，能够适当地分散应力。
散热片的厚度没有特别限定，通常为0.05～1.2mm左右，若从降低热阻率方面考虑，可优选为1.0mm以下，更优选为0.4mm以下，进一步优选为0.3mm以下。此外，就有机硅组合物层的每一层的厚度而言，只要为可获得散热片的功能的范围，则没有特别限制，例如可设为0.01～1.0mm左右，优选为0.05～0.5mm左右的厚度。
需要说明的是，上述的记载中，为了简化说明，仅针对散热片只具有二个有机硅组合物层和一个增强层的方式进行了叙述，但当然只要不损害该散热片的功能，也可以设置任意附加的层、或者也可以增加层的个数。例如，也可以在有机硅组合物层的开放表面上设置附加的层(保护层、剥离纸等)。或者，也可以为下述方式：增强层为多个，在它们之间设置附加的层(粘接剂层等)。
此外，上述的记载中，方便起见，以增强层与有机硅组合物层的面的大小相同的方式进行了说明，但这也只不过是示例，只要不损害散热片的功能，增强层与有机硅组合物层的面的大小也可以不同，另外，两个有机硅组合物层的面的大小也可以彼此不同。此外，两个有机硅组合物层的厚度可以相同，也可以不同。在某个实施方式中，可以有在增强层上设置多个有机硅组合物层(在垂直于片表面的面上被分割为多个)这样的方式，两面的有机硅组合物层被分割的方式可以不同。
在制造散热片的方法中，进行含有导热性填充材料的有机硅组合物层与增强层的接合，以规定的表面粗糙度对表面赋予凹凸。本发明涉及的一个实施方式中，优选在增强层(具有开口部的玻璃布等)的两面涂布有机硅组合物后进行加压而接合。该接合优选例如使用压花辊加压机、在大气气氛中在线压力为50～150N/mm的条件下进行。压力低于50N/mm时，可能发生含有导热性填充材料的有机硅组合物与具有贯通孔的增强材料的接合性降低的问题。压力高于150N/mm时，可能存在含有导热性填充材料的有机硅组合物及具有贯通孔的增强层的强度降低的问题。然后，为了除去因有机硅组合物的交联反应而副产生的醇、羧酸及低分子硅氧烷，优选在130～250℃、5～30小时的条件下进行二次加热、使有机硅组合物硫化。此外，压花辊加压的辊表面的形状没有特别限定，优选为梨皮纹、木纹、方格纹、Z字格子纹等。
实施例
(实施例1)
将聚有机硅氧烷基础聚合物(Dow Corning Toray Silicone公司制商品名“CF3110”)100质量份、交联剂(Dow Corning Toray Silicone公司制商品名“RC-4”)1质量份、聚集体状氮化硼粉末(电化株式会社，SGPS等级，以下简记为“SGPS”)以表1及表2所示的质量份进行填充，分散于500质量份的甲苯中，使用搅拌机混合15小时，制备含有导热性填充材料的有机硅橡胶组合物。
使用逗号涂布机，以一面的厚度为0.175mm的方式，将上述有机硅橡胶组合物涂布于表1所示的作为增强层的玻璃布(UNITIKA公司制商品名“H47”)上，于75℃干燥5分钟后，再次使用逗号涂布机将上述有机硅橡胶组合物以0.175mm的厚度涂布于玻璃布的另一面上，制作层叠体。接着，进行使用了Yuri-roll公司制的压花辊加压机的加压，制作厚度为0.20mm的片。接着，将其于常压、150℃进行4小时的二次加热，形成散热片。将得到的散热片卷起成宽1m×10m卷的卷状形态。
(实施例2～14及比较例1～4)
使用表1～3所示的条件，除此以外与实施例1同样地操作，制作散热片。
(评价)
利用下述的评价项目(1)～(5)对试制的实施例1～14、比较例1～4的散热片进行评价。将结果示于表1～3。需要说明的是，关于(由松弛、表面的裂纹导致)无法将散热片正常地卷起成宽1m×10m卷的卷状形态的例子，将“能否制作卷状”记载为“不能”。
(1)体积电阻率
从散热片制作图5所示形状的试验片，在该试验片的两面的图5的斜线部分所示的部位涂布银糊剂，按照JIS C2139：2008中记载的方法，进行体积电阻率的评价。
(2)热导率
就热导率(H；单位W/(m·K))而言，对散热片的厚度方向进行评价。根据热扩散率(A；单位m2/sec)、密度(B；单位kg/m3)和比热容量(C；单位J/(kg·K))，以H＝A×B×C的形式算出。就热扩散率而言，将测定用试样加工成宽度10mm×长度10mm，在散热片的两面涂布炭黑以防止测定用激光的反射，然后利用激光闪光法求出。测定装置使用氙闪光分析仪(NETZSCH公司制商品名“LFA447NanoFlash”)。密度利用阿基米德法求出。比热容量按照JISK 7123：1987中记载的方法求出。
(3)耐负荷性评价
准备5张40mm×40mm的散热片，使用具有内径为φ5mm的汤姆逊刀的模具对各散热片的中心进行冲裁，设置螺钉孔。以将螺钉孔的位置对齐的方式，将各散热片夹持在TO-3P形状的晶体管(接触部分尺寸：20mm×26mm)与厚度为1mm的铝板之间，使用从该螺钉孔通过的M3P0.5形状的螺钉及扭力螺丝刀(torque driver)，以得到下述表1～3中记载的负荷(表面压力)的方式施加扭力，拧紧1小时。然后，拆下螺钉，目视确认有无片的破裂。在难以利用目视判断有无破裂的情况下，以避开螺钉孔周边部的方式使电极接触处于拆下螺钉的状态的片的两面并施加DC1.0kV的电压，将通电的情况评价为有破裂，将未通电的情况评价为无破裂。
(4)十点平均粗糙度RzJIS
就有机硅橡胶组合物层的表面的十点平均粗糙度RzJIS而言，使用共聚焦显微镜(Keyence公司制商品名“LT·9010M”)，在测量长度为10,000μm、测量间距为10μm、测量速度为500μm的条件下，按照JIS B0601：2013进行评价。
(5)杜罗回跳式硬度计A硬度
就有机硅橡胶组合物层的杜罗回跳式硬度计A硬度而言，利用基于JIS K6249：2003的方法，以与各实施例·比较例中使用的有机硅组合物层相同的材料·条件制作试验片，并进行测定。测定时的试验片的温度也按照该JIS的规定进行调节。需要说明的是，关于有机硅橡胶组合物层的杜罗回跳式硬度计A硬度，只要为本实施例中使用的程度的构成，则也可以通过将散热片叠合成为规定的厚度来进行测定从而得到目标值。
[表1]
Figure BDA0002063763980000121
[表2]
Figure BDA0002063763980000131
[表3]
Figure BDA0002063763980000141
由表1～2的实施例和表3的比较例可知，本发明的实施例涉及的卷状散热片显示出优异的耐负荷性和高导热性，也即，可知能够呈现出高的散热性。
产业上的可利用性
本发明的散热片由于具有高散热性和优异的电绝缘性，因此能够用于热界面材料(TIM，Thermal Interface Material)等，所述热界面材料用于从高性能化快速进展、工作温度提高的电子部件中高效地释放热量。
附图标记说明
10 散热片
12 增强层
14 表面侧的有机硅组合物层
16 背面侧的有机硅组合物层
20 发热的电子部件
30 散热构件
40 螺钉

Claims (8)

1.散热片，其具有在增强层的两面层叠含有导热性填充材料的有机硅组合物层而成的构成，
其中，在位于所述散热片的两面的所述有机硅组合物层的至少一者中，未与所述增强层接合的一侧的表面的十点平均粗糙度RzJIS在15μm以上且70μm以下的范围内，
所述有机硅组合物层的杜罗回跳式硬度计A硬度在25以上且90以下的范围内，
所述散热片的厚度方向上的热导率为2.5W/(m·K)以上。
2.如权利要求1所述的散热片，其中，所述导热性填充材料包含选自由氮化硼、氮化铝、氧化铝、氮化硅、氧化硅、及氧化锌组成的组中的一种以上的材料。
3.如权利要求2所述的散热片，其中，所述氮化硼为六方晶氮化硼。
4.如权利要求3所述的散热片，其中，所述氮化硼为氮化硼的鳞片状一次粒子未取向地聚集而成的聚集体状。
5.如权利要求1～4中任一项所述的散热片，其中，相对于有机硅成分的合计100质量份，所述有机硅组合物层以20质量份以上且1,500质量份以下的范围含有所述导热性填充材料。
6.如权利要求1或2所述的散热片，其中，所述增强层包含选自由玻璃布、树脂膜、布纤维网格布、无纺布、金属纤维网格布、及金属箔组成的组中的一种以上的材料。
7.如权利要求1或2所述的散热片，其为卷状散热片。
8.散热构件，其是使用权利要求1～7中任一项所述的散热片而得到的。
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