CN1262002C - 电子部件的散热结构体和用于该散热结构体的散热片材 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于放热电子元件的散热结构，特征在于其包括在放热电子元件和散热元件之间的包括金属片材和堆叠其上的具有粘附性的导热元件的散热片材，其中金属片材连接到放热电子元件上，且具有粘附性的导热元件连接到散热元件上。

Description

电子部件的散热结构体和用于该散热结构体的散热片材
技术领域
本发明涉及一种可有效地将由放热电子元件如晶体管和计算机CPUs产生的热传导至散热元件如散热器的散热结构，和其中使用的散热片材。
背景技术
在用于电子设备如个人计算机、数字视频盘和移动式电话的CPUs、驱动器Ics、存储器和其它LSIs中，用于更高集成度和操作速度的新近的驱动器已增加了功率消耗。同时放热增加，这可造成电子设备的故障或对电子元件的损害。对付散热已变得非常重要。
在现有技术电子设备中，使用由黄铜和其它高导热率金属制成的板形式的散热器，以抑制电子元件在操作过程中的温度升高。散热器传导由电子元件产生的热并利用与环境空气的温差将热由其表面释放。
为了有效地将热由电子元件转移至散热器，散热器必须与电子元件紧密接触。由于装配工艺中的各种电子元件和交叉点的高度差异，将柔性导热片材或导热油脂插入电子元件和散热器之间，这样通过导热片材或导热油脂将热由电子元件转移至散热器。所用的导热片材通常是由导热硅氧烷橡胶或类似物制成的导热片材(即导热硅氧烷橡胶片材)，和所用的导热油脂通常是导热硅氧烷油。
但常用的导热硅氧烷橡胶片材在与电子元件的界面上具有显著的接触热阻，这对热转移性能产生一定限制。如果具有显著生热的高频驱动器的电子元件如CPUs需要冷却，这是一个严重的问题。最好降低界面接触热电阻。
另一方面，导热油脂由于其类似液体的性质而具有基本上可忽略水平的界面接触热电阻并产生良好的热转移性能，但产生的问题在于需要特殊设备如分配器且其回收必然带来低效操作。
为了克服一些上述问题，提出了一种相变散热片材(简称相变片材)，它在正常室温下是一种固体片材，但由于电子元件在操作过程中所产生的热而软化，将界面接触热电阻减至可忽略的水平。现有技术提出了以下相变片材。USP 4,466,483公开了一种在其相对表面上形成有相变蜡层的非金属片材。另外，USP 5,904,796公开了一种在其一个表面上形成有相变石蜡或石油胶冻并在其另一表面上形成有粘合剂的金属箔。JP-A 2000-509209公开了一种相变片材，特征在于包含丙烯酸压敏粘合剂、蜡和导热填料，其中排除网状结构、膜或类似物的中间层。
另一方面，该散热片材在使用时插入散热元件如散热器和放热电子元件如CPU之间。在新近的工业中出现这样一种情况，生产个人计算机元件的工艺和将这些元件装配成完整个人计算机的工艺在世界上不同的地点分开进行。因此通常将散热片材在一个地点附加到散热器上并将该组件运输至另一地点以装配至CPU上。
如果检查附加有散热片材的散热器组件的质量，该组件必须安装到模型CPU上并在与实际装配相同的状态下进行老化试验或热循环试验。在试验中，相变片材工作良好，因为它在熔点之上的温度下熔化并与散热器和CPU紧密接触。但如果散热器在试验之后从CPU上分离，相变片材会失效。甚至电子元件和散热器也会由于强粘附结合而失效。一旦相变片材失效，不仅必须再次附加新相变片材，而且必须再次进行试验以检查新相变片材是否满足所需质量，这是不合理的。在装配成个人计算机之后，有时进行老化试验或热循环试验，这产生相同的问题。
另外，USP 5,550,326公开了一种散热器或散热结构，其中粘合剂导热垫层在金属箔的一个表面上形成并使用使得粘合剂导热垫层的表面与电子元件侧紧密接触且金属箔的表面与散热元件紧密接触。该结构的问题在于，因为粘合剂导热垫与电子元件紧密接触，尝试从电子元件上剥离粘合剂导热垫会导致粘合剂导热垫的失效和甚至电子元件的失效。
本发明希望改善上述情况，因此其目的是提供一种用于放热电子元件的散热结构，它可有效地将由电子元件产生的热传导至散热元件如散热器，而且即使在为了质量检查而进行老化试验或热循环试验之后，能够使电子元件和散热元件分离而没有散热片材的结构失效或电子元件的失效；以及提供其中使用的散热片材。
发明内容
为了实现以上目的，本发明提供了一种用于放热电子元件的散热结构，特征在于在放热电子元件和散热元件之间包含一种包括金属片材和堆叠其上的具有粘附性的导热元件的散热片材，其中金属片材连接到放热电子元件上，且具有粘附性的导热元件连接到散热元件上。本发明还提供了一种插入放热电子元件和散热元件之间的散热片材，特征在于包括位于放热电子元件侧的金属片材和堆叠在金属片材上并位于散热元件侧的具有粘附性的导热元件，其中具有粘附性的导热元件由包含至少一种选自硅氧烷聚合物、丙烯酸聚合物和聚烯烃聚合物的树脂组分和导热填料的导热组合物形成，所述组合物能够借助在操作过程中来自电子元件的热而相变或软化。
根据本发明，热可有效地由放热电子元件传导至散热元件，通常为散热器。甚至在老化试验或热循环试验之后，电子元件或散热元件也可从散热片材上去除而没有不便的包括结构散热片材的结构失效和电子元件的失效问题。
附图的简要描述
图1是根据本发明的一个实施方案的散热片材的横截面视图。
图2是根据本发明的一个实施方案的散热结构的横截面视图。
实施本发明的最佳方式
现在更详细描述本发明。
本发明的散热片材介于放热电子元件和散热元件之间且特征在于包括位于放热电子元件侧的金属片材和堆叠在金属片材上并位于散热元件侧的具有粘附性的导热元件，其中具有粘附性的导热元件由包含至少一种选自硅氧烷聚合物、丙烯酸聚合物和聚烯烃聚合物的树脂组分和导热填料的导热组合物形成，所述组合物能够借助在操作过程中来自电子元件的热而相变或软化。
本文所用的优选的金属片材是铝片、铜片、不锈钢片、钨片、金片或类似物，其中铝片和铜片因为低成本而更优选。金属片材优选具有厚度3-200μm，更优选5-75μm。如果厚度低于3μm，强度可能不足。超过200μm的厚度可不利地影响散热片材的柔韧性，有损与电子元件的紧密接触。
本文所用的导热元件可由其中配混有导热填料的通常是丙烯酸基压敏粘合剂、硅氧烷基压敏粘合剂或烯烃基压敏粘合剂的具有压敏粘附性的粘土状导热组合物形成。
优选粘土状导热组合物在25℃下的可塑性是100-1,000。如果可塑性低于100，导热元件可能具有低的强度并变得不太方便使用。如果可塑性超过1,000，散热片材可能缺乏柔韧性，在与散热元件紧密接触时产生问题。
在优选的实施方案中，粘合剂导热元件包含相变材料或热软化材料，因为在操作过程中响应电子元件的放热，该导热元件由固体相变至液体或流体/半流体或热软化以减少它和散热元件之间的接触热电阻。本文所用的相变或热软化材料包括石蜡，α-烯烃，硅氧烷树脂，和氟树脂。这些相变或热软化材料优选具有例如由示差扫描量热计(DSC)测定的与相变或热软化有关的吸热峰在35-120℃，更优选40-100℃的范围内，尤其50-80℃的电子元件的操作温度范围内。
用于导热元件的导热填料包括金属粉末如铁、铝、镍、银和金，无机氧化物粉末如氧化硅、氧化铝、氧化锌、氧化铁和氧化镁，和无机氮化物粉末如氮化铝和氮化硼。导热填料可具有平均颗粒尺寸0.1-30μm，其中最大颗粒尺寸优选最高100μm。
可以理解，相变或配混的热软化材料的量和配混在丙烯酸、硅氧烷或烯烃基压敏粘合剂中的导热填料的量可根据需要确定。优选相变或热软化材料的量是10-1,000重量份，尤其50-500重量份，基于每100重量份粘合剂，且导热填料的量是0-3,000重量份，尤其100-2,000重量份，基于每100重量份粘合剂。
对于粘合剂导热元件的厚度，较薄的元件是有利的，因为热电阻变得较低。但基本上不可能将厚度减至低于导热填料的最大颗粒尺寸。因此该厚度优选从等于导热填料的最大颗粒尺寸至约5倍，和通常为0.1-1,000μm，尤其1-500μm。
制备包含金属片材和在其一个表面上形成的导热元件的散热片材的方法是，例如，将导热组合物溶解在有机溶剂中并将所得浆料通过任何熟知的涂布或喷雾技术而施用。图1说明本发明散热片材的结构。在图1中，1表示散热片材，1-a表示导热元件，和1-b表示金属片材。
另一方面，本发明提供了一种用于放热电子元件的散热结构，其包括在放热电子元件和散热元件之间的包括金属片材和堆叠其上的粘合剂导热元件的上述散热片材，其中金属片材连接到放热电子元件上，和粘合剂导热元件连接到散热元件上。如图2所示，该结构构造成具有插入电子元件2和散热元件3之间的散热片材1。导热元件1-a连接到散热元件3上，和金属片材l-b连接到电子元件2上。通过这些连接，甚至在为了质量检查而进行老化试验或热循环试验之后，也可以去除电子元件和散热元件而没有散热片材的结构失效。因为该散热结构中的导热元件具有适度的压敏粘附性，散热片材可如同连接到散热元件上那些被去除。另外，因为粘合剂导热元件用金属片材增强，该散热片材可从散热元件上去除而没有片材的结构失效，确保容易修理。
实施例
以下给出的实施例用于说明本发明，但本发明不局限于这些实施例。
实施例1-6
将20重量份二甲苯加入100重量份具有表1所示配方的导热组合物中以形成浆料，利用棒涂布器涂覆到金属片材上，然后在80℃下干燥20分钟，得到0.1mm厚的散热片材。
通过以下测量方法测定散热片材的物理性能，结果示于表1。
由这些结果可以看出，本发明的散热结构和散热片材是非常有用的。
测量方法
1)可塑性测量：
通过JIS K-6249的可塑性试验测定
2)导热率测量：
通过导热率计QTM-500(商品名，Kyoto Denki Co.，Ltd.)测定
3)热电阻测量：
将冲压成TO-3晶体管形状的0.5mm厚的样品插入晶体管2SD923(商品名，Fuji Electric Co.，Ltd.)和散热器FBA-150-PS(商品名，OS Co.，Ltd.)之间，并施加压缩负荷1000gf/cm2。将散热器放在恒温水箱中并保持在60℃。
随后将10V和3A的功率供给至晶体管。5分钟之后，使用包埋在晶体管和散热器中的热电偶测定晶体管的温度(T1)和散热器的温度(T2)。样品的热电阻Rs(℃/W)根据以下等式计算：Rs＝(T1-T2)/30。
4)粘附强度测量：
通过JIS Z-0237的粘合剂胶带试验测定
5)热软化温度：
通过DSC由吸热峰测定
6)修理：
在以上热电阻测量结束之后，将晶体管和散热器分开。散热片材评定为OK(可修理的)，如果它在保持其形式的同时仍连接到散热器侧。
表1
  配混量(重量份)   实施例1   实施例2   实施例3   实施例4   实施例5   实施例6
  丙烯酸粘合剂   100   0   0   50   0   0
  硅氧烷粘合剂   0   100   0   0   50   0
  烯烃粘合剂   0   0   100   0   0   50
  α-烯烃   0   0   0   0   0   50
  石蜡   0   0   0   50   0   0
  硅氧烷树脂   0   0   0   0   50   0
  导热填料1   1400   1400   1400   0   0   0
  导热填料2   0   0   0   800   800   800
  金属片材   Al箔0.05mm   Al箔0.05mm   Al箔0.05mm   Cu箔0.018mm   Cu箔0.018mm   Cu箔0.018mm
  厚度，mm   0.1   0.1   0.1   0.1   0.1   0.1
  导热率，W/mK   3.2   3.1   3.0   4.1   4.0   3.9
  热电阻，℃/W   0.06   0.06   0.07   0.03   0.03   0.03
  热软化温度，℃   -   -   -   55   59   65
  粘附强度，N/cm   0.60   0.45   0.17   0.13   0.15   0.10
  可塑性   300   310   400   500   600   700
  修理   OK   OK   OK   OK   OK   OK
用于实施例的材料
丙烯酸压敏粘合剂：SK-DYNE 1345(商品名，Soken Chemical &Engineering Co.，Ltd.)
硅氧烷压敏粘合剂：KR130(商品名，Shin-Etsu Chemical Co.，Ltd.)
烯烃压敏粘合剂：Lucant HC3000X(商品名，Mitsui ChemicalCo.，Ltd.)
α-烯烃：DIALEN 30(商品名，Mitsubishi Chemical Corp.)
石蜡：130(商品名，Nippon Seiro Co.，Ltd.)
硅氧烷树脂：X-40-9800-59(商品名，Shin-Etsu Chemical Co.，Ltd.)
导热填料1：矾土AO-41R(商品名，Admatechs Co.，Ltd.)
导热填料2：银粉末Ag-E-100(商品名，Fukuda Metal Foil/PowderIndustry Co.，Ltd.)
铝箔、铜箔：由Fukuda Metal Foil/Powder Industry Co.，Ltd.制造
本发明的用于放热电子元件的散热片材可有效地将由电子元件产生的热传导至散热元件如散热器，而且即使在为了质量检查而进行老化试验或热循环试验之后，也能够使电子元件和散热元件分离而没有散热片材的结构失效或电子元件的失效。

Claims (6)

1.一种用于放热电子元件的散热结构，特征在于包括位于放热电子元件和散热元件之间的包括金属片材和堆叠其上的具有粘附性的导热元件的散热片材，其中金属片材连接到放热电子元件上，具有粘附性的导热元件连接到散热元件上，其中所述具有粘附性的导热元件由包含选自压敏粘合剂硅氧烷聚合物、丙烯酸类聚合物和聚烯烃聚合物中的任一种树脂组分、导热填料和相变材料或热软化材料的粘土状导热组合物形成，所述组合物在25℃下的通过JIS K-6249测定的可塑性为100-1000，且在操作过程中所述组合物能在来自所述电子元件的热的作用下相变或软化。
2.权利要求1的散热结构，其中所述金属片材是铝片或铜片。
3.权利要求1的散热结构，其中所述树脂组分是压敏粘合剂硅氧烷聚合物。
4.权利要求1-3任何一项的散热结构，其中所述相变材料或热软化材料选自石蜡、α-烯烃、硅氧烷树脂和氟树脂中的任一种。
5.权利要求1-3任何一项的散热结构，其中所述相变或热软化材料的存在量为50-500重量份，和所述导热填料的存在量为100-2000重量份，以每100重量份所述树脂组分计。
6.权利要求1-3任何一项的散热结构，其中所述相变材料或热软化材料的与相变或热软化有关的吸热峰为35-120℃，由示差扫描量热计测量。
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