CN1893803A - 散热部件及其制造方法 - Google Patents

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飞田雅之
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Polymatech Co Ltd
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Abstract

一种散热部件(10，20)，其中包含散热片(1)；以及设置于至少部分散热片(1)上的导热聚合物层(2)。导热聚合物层(2)在所述层(2)的厚度方向上的热导率比导热聚合物层(2)在与所述层(2)的表面平行方向上的热导率更高。所述散热部件(10，20)是通过将独立形成的包含导热填料(3，4)的导热聚合物层(2)接合到散热片(1)上而形成的。导热填料(3，4)以特定方向取向。作为选择，也可以通过将包含导热填料(3，4)的导热聚合物组合物放置在散热片(1)上，使导热填料(3，4)以特定方向取向，并在保持取向的同时固化导热聚合物组合物，从而形成散热部件(10，20)。

Description

散热部件及其制造方法
技术领域
本发明涉及用于散发由半导体装置和电子部件所产生的热量的散热部件，和该散热部件的制造方法。
背景技术
到目前为止，在电子设备中，将由诸如安装在电路板上的半导体装置和电子零件等发热部件产生的热量传送至诸如散热器或冷却风扇等冷却部件以进行散热。为此，在这些发热部件和冷却部件间的界面处使用包含导热填料、导热油脂、导热粘合剂或导热相变材料的柔软的导热片。随着最终产品的复杂的功能、更高的性能、小型化和薄型化的实现，在设备中用于安装其上包括发热部件的基材的空间变得更加狭窄。因而，在近年，为了在有限的狭窄空间中有效地扩散所产生的热量，使用由石墨或金属制成的散热片以沿其表面散发热量变得更为普遍。
然而，由石墨或金属制成的散热片与发热部件间无法以令人满意的粘合性而直接接触，其原因是由于石墨片或金属片的高硬度而使其与发热部件的随附性很差。因而，不能获得有关片材的优异的导热性质的预期效果。因而，提出了一种包含由导热聚合物材料制成的柔软片材的散热部件，该片材形成于具有高硬度的诸如石墨片或金属片等散热片的至少一侧上。
特开2003-168882号公报和特开2005-57088号公报都披露了包括形成于石墨片等片材的至少一侧上的柔软导热层的双层的或三层的导热片。特开2004-243650号公报披露了包括通过特定的聚合物层而形成于石墨片上的导热硅酮弹性体层的导热片从而改善了胶粘性、粘合性和可修理性。特开平11-340673号公报披露了具有电磁屏蔽性质的相似的导热电磁屏蔽片。
同时，在发热量日益增大的最近的电子设备的应用领域中，即使当使用上述散热部件时，接触性热阻的减少也不能令人满意。因而，特开2003-158393号公报提出了包括形成于石墨片上的特定相变导热材料层的放热结构体，其中所述层在高温下软化或熔化。然而，在由相变材料制成的导热材料层中，与由弹性体类材料制成的传统固体导热材料层相比其实际使用时的易处理性不能令人满意。此外，因为当暴露在高温下时由相变材料制成的导热材料层会软化或熔化，因此导热层会相对于发热部件而收缩和错位。这会降低该层的导热性。另外，由相变材料制成的导热材料软化或熔化从而与发热部件粘合。因而，由相变材料制成的导热材料的可修理性很差。此处，术语“可修理性”是指能够从发热部件上拆下并重新布置以校正错位/失位的性质。因而，该导热层的应用领域被限制在很窄的范围内。因此，非常需要这样的散热部件，该散热部件能够有效地将来自半导体装置和电子部件的热量传导至散热片，并且在安装时具有优异的易操作性，以及高的可修理性和散热部件与发热部件之间足够的粘合性以防止彼此之间的错位。
发明内容
考虑到上述问题而作出了本发明。本发明的一个目的是提供用于有效传导和扩散来自安装在电子设备上的发热部件的热量的散热部件，和该散热部件的制造方法。
在一个方面中，本发明提供包括散热片和设置在散热片的至少一个部分上的导热聚合物层的散热部件。导热聚合物层在层厚度方向上的热导率比导热聚合物层在与该层表面平行方向上的热导率高。
本发明还提供了制造散热部件的方法，该散热部件包括散热片和设置在散热片的至少一个部分上的导热聚合物层。在一个方面中，该方法包括下述步骤：由包含导热填料的导热聚合物组合物在片材中独立地形成导热层，其中该层中的导热填料以特定方向取向，以使导热聚合物层在层厚度方向上的热导率变得比导热聚合物层在与该层表面平行的方向上的热导率更高；并将所形成的导热层接合在散热片的至少一个部分上。
在另一方面中，所述方法包括下述步骤：将包含导热填料的导热聚合物组合物放置在散热片的至少一个部分上；使导热填料以特定方向取向，从而使所得导热聚合物层在层厚度方向上的热导率变得比导热聚合物层在与该层表面平行的方向上的热导率更高；固化该导热聚合物组合物，同时保持导热填料的取向，从而在散热片上形成导热层。
由以下说明，结合有关附图，并通过本发明的原理的实例进行说明，本发明的其他方面和优点将变得显而易见。
附图说明
参考对本优选实施方式的说明并结合附图，可以更好地理解本发明及其目的和优点，其中：
图1是根据第一实施方式的散热部件的透视图；
图2是第一实施方式的散热部件的导热聚合物层2的截面图；
图3是根据第二实施方式的散热部件的透视图；
图4是第二实施方式的散热部件的导热聚合物层2的截面图；和
图5是用于散发来自安装在印刷电路板上的发热部件的热量的本发明的散热部件的示意图。
具体实施方式
下面将对本发明的优选实施方式进行详细描述。
(第一实施方式)
下面将参考附图对根据本发明的第一实施方式的散热部件进行描述。图1显示了根据第一实施方式的散热部件10的透视图。散热部件10包括散热片1和形成于散热片1部分顶面上的导热聚合物层2。优选地，导热聚合物层2选择性地形成于散热片1上与使用时产生热量的发热部件相对应的位置处。在该实施方式中，散热片1优选是石墨片。
图2显示了导热聚合物层2的截面图。导热聚合物层2包含作为基质的聚合物材料5和作为导热填料的碳纤维3。在导热聚合物层2中，碳纤维3以如此的方式取向以使纤维的纵轴沿着导热聚合物层2的厚度方向排列，即图2中所示的Z轴方向。因而，碳纤维3的纵轴基本与散热片1垂直。碳纤维3在纵轴方向上的热导率比纤维径向上的热导率更高。因而，将导热聚合物层2在厚度方向的热导率设置得比该层在与其表面平行方向上的热导率更高。碳纤维3的取向优选通过对其施加磁场来进行。
图5显示了将散热部件10安装在具有诸如半导体封装的发热部件7的印刷电路板6上。将散热部件10以这样的方式布置在印刷电路板6上以使导热聚合物层2与发热部件7紧密接触。结果，将发热部件7所产生的热量通过导热聚合物层2有效地传导至散热片1，在与散热片表面平行的方向上扩散进入散热片1，并进一步从散热片1的周边和表面散发至散热片外。
在第一实施方式中，导热聚合物层2在厚度方向上的热导率比该层在与其表面平行方向上的热导率更高。当布置导热聚合物层2使其与所用的发热部件7接触时，来自发热部件7的热量的传导方向与导热聚合物层2的厚度方向相一致。因而，导热聚合物层2能够快速有效地将来自发热部件7的热量传导至散热片1。
在第一实施方式中，使用在纵轴方向比在纤维的径向具有更高热导率的碳纤维3作为导热填料。由于碳纤维3具有磁各向异性，因而使得其取向易于通过对其施加磁场而进行控制，因此碳纤维3能够以这样的方式高度取向：碳纤维3的纵轴沿着导热聚合物层2的厚度方向排列。结果，导热聚合物层2在厚度方向上的热导率得到显著改善。在该情况中，与使用相同的但未取向的碳纤维3时相比，导热聚合物层2的热特性通过使用经取向的碳纤维3而得到明显改善。结果，能够以低材料成本获得优异的散热部件。
在第一实施方式中可以使用石墨片作为散热片1。在该情况中，该散热片1能够在与表面平行的方向上比在厚度方向上更快地散热，其原因是石墨片在与表面平行的方向上具有比片的厚度方向上高得多的热导率(100W/m·K～800W/m·K)。因而，由石墨片制成的散热片1能够更有效地沿着散热片放散由导热聚合物层2传导的热量。
(第二实施方式)
下面将参考图3～图5对根据本发明的第二实施方式的散热部件进行描述。图3中所示的散热部件20包括散热片1和形成于散热片1上的导热聚合物层2。优选将导热聚合物层2选择性地形成在散热片1上至少与使用时产生热量的发热部件相对应的位置处。在该实施方式中，散热片1优选是由石墨片1b和形成在石墨片1b整个两侧上的铝箔1a和1c组成的复合片。图4显示了导热聚合物层2的截面图。在该实施方式中，导热聚合物层2包括作为基质的聚合物材料5和作为导热填料的鳞片状的六边形氮化硼粉末4。如图4所示，在导热聚合物层2中，鳞片状六边形氮化硼粉末4以如此的方式取向：沿各鳞片表面的方向(即，基本与鳞片表面平行的方向)与导热聚合物层2的厚度方向相一致。因而，与各鳞片表面平行的方向基本与散热片1的表面垂直。鳞片状六边形氮化硼粉末在与表面平行的方向上具有比在各鳞片的厚度方向上更高的热导率。更具体地，在鳞片状六边形氮化硼粉末中，六边形氮化硼晶体通常在特定方向上有规律地取向。当将六边形晶体结构视为六方柱时，与鳞片表面平行的方向和与六方柱的横截面平行的方向一致。六边形氮化硼晶体在六方柱的横截面方向上具有更优异的导热性质。因而，如图4中所示，在鳞片状六边形氮化硼以这样方式取向，即沿各鳞片表面的方向与导热聚合物层2的厚度方向相一致的情况中，将导热聚合物层2在厚度方向的热导率设置得比在与该层表面平行的方向上的热导率更高。六边形氮化硼粉末4的取向优选通过对其施加磁场而进行。
将第二实施方式的散热部件20以如此的方式安装在印刷电路板6上以使导热聚合物层2与发热部件7紧密接触，如第一实施方式中的图5所示。结果，发热部件7所产生的热量通过导热聚合物层2传导至散热片1并有效地沿散热片1扩散。
根据第二实施方式的散热部件20除了上述第一实施方式的优点之外还具有下述优点。
在第二实施方式中，使用鳞片状六边形氮化硼粉末4作为导热填料。由于鳞片状六边形氮化硼粉末4具有磁各向异性，使得其取向易于通过施加磁场而进行控制。因此鳞片状六边形氮化硼粉末4能够以如此的方式高度取向：与六边形氮化硼粉末4的鳞片的表面平行的方向与导热聚合物层2的厚度方向相一致。结果，导热聚合物层2在该层厚度方向上的热导率可以得到显著提高。在该情况中，与使用相同的但未取向的六边形氮化硼粉末4相比，导热聚合物层2的热特性通过使用经取向的六边形氮化硼粉末4而得到明显改善。结果，能够以低材料成本获得优异的散热部件。此外，使用鳞片状六边形氮化硼粉末4作为导热填料使得导热聚合物层2具有电绝缘性。因而，第二实施方式的散热部件在导热聚合物层2要求电绝缘性的任何应用中都极为有用，例如，在导热聚合物层2与诸如半导体装置等的发热部件的电气终端紧密接触的情况中。
在第二实施方式中，使用包括形成于石墨片1b两侧上的铝箔1a和1c的复合片作为散热片1。铝箔1a和1c具有优异的各向同性的导热性质。即，它们不仅在与表面平行的方向上具有很高的热导率而且在其厚度方向上也具有很高的热导率。因而，与导热聚合物层2紧密接触的铝箔1a将来自导热聚合物层2的热量有效地传导至石墨片1b，并且石墨片1b将来自导热聚合物层2的热量在与其表面平行的方向上进行扩散。另外，形成于石墨片1b的与铝箔1a相对一侧的铝箔1c能够将来自石墨片1b的热量更有效地由其表面散发至外侧。与仅使用石墨片相比，散热片的机械强度和形状保持性可以通过在石墨片上形成铝箔层而得到改善。在该实施方式中，由于石墨片的整个表面都覆盖有铝箔层，因此能够防止由于任何外力而使石墨碎片从石墨片的表面脱落。
下面将详细描述本发明的散热部件的各构成要素。
<散热片>
散热片1在与表面平行的方向扩散热量并进一步由片的周边和表面向外部环境散发热量。为确保散热功能，散热片1优选在与片表面平行的方向上具有150W/m·K～900W/m·K的热导率。可以使用由石墨、金刚石、诸如铝、铜或银等金属或任何合金等制成的片材作为散热片1。其中，优选使用石墨片、铝片或其至少两层的层压片作为散热片1，这是因为这些片在与片表面平行的方向上具有高热导率。
仅由诸如铜或铝等金属制成的片材具有相对较高的热导率(铜：约为400W/m·K，铝：180W/m·K～200W/m·K)。然而，该类片材的导热性质是各向同性的。如图5所示，当将包括仅由金属制成的散热片的散热部件安装在发热部件7的对侧时，例如，散热片将发热部件7产生的热量在与表面平行的方向上扩散，而且还能够有效地在与发热部件7相对的部分在厚度方向上传导热量。结果，与各发热部件7相对的各部分的温度局部升高，由此产生所谓的热斑(heat spot)。
相反，石墨片在与片表面平行的方向上与厚度方向相比具有极高的热导率(100W/m·K～800W/m·K)。因而，石墨片特别优选用作散热片1，其原因是石墨片在与表面平行的方向上能够比厚度方向上更快速地传导热量以扩散热量，由此防止热斑的产生。作为散热片1，也可以有利地使用包括在与片的表面平行的方向上具有更高热导率的石墨片和具有优异的各向同性的热导率的铝箔层的复合片。在该情况中，铝箔层可以形成在石墨片的一侧上或两侧上。铝箔层可以形成在石墨片的整个表面上或石墨片的一部分表面上。如图3所示，形成于石墨片1b与导热聚合物层2之间的铝箔1a有助于将热量由导热聚合物层2传导至石墨片。形成于石墨片1b的与导热聚合物层2相对一侧的铝箔1c能够将来自石墨片1b的热量通过其表面散发至外部。
对散热片1的厚度不作具体限定，优选为5μm～500μm。当散热片1的厚度小于5μm时，散热片1变脆，容易破裂，并且不利地具有较小的热容量。当散热片1的厚度大于500μm时，片的硬度变高，因此降低了加工效率。这从经济角度考虑是不优选的。散热片1的厚度优选为10μm～400μm，更优选为25μm～200μm。
<导热聚合物层>
在导热聚合物层2中，将该层在厚度方向的热导率设置得比在与该层表面平行方向的热导率更高。在与现有技术相似的散热部件中所包含的导热聚合物层中，在该层厚度方向上的热导率等于或小于与表面平行方向上的热导率。因而，现有技术的散热部件的热传导性和热扩散性不能令人满意。在本发明的散热部件中，将导热聚合物层2在厚度方向上的热导率设置得比在与该层表面平行方向上的热导率更高。这使得导热聚合物层2能够有效地将热量传导至散热片1。导热聚合物层2在厚度方向上的热导率优选设置得比散热片1在厚度方向上的热导率更高。这使得导热聚合物层2能够快速地将热量传导至散热片1并降低产生上述热斑的危险。导热聚合物层2可以为固态，其中用作基质的聚合物材料5已经完全硬化或固化。作为选择，导热聚合物层2也可以是未固化的半固化态，其中聚合物材料5仍未固化或部分固化(也称为“B阶段态”)。
在导热聚合物层2是未固化或半固化的情况中，聚合物材料5优选是粘合性树脂。此处使用的粘合性树脂是指当处于未固化或半固化态时能够与发热部件粘合的树脂。在安装过程中，将包含粘合性树脂作为聚合物材料5的导热聚合物层2放置于发热部件上以使其粘合，然后进行充分固化。因而，在安装过程中将这些导热聚合物层2与发热部件牢固地粘合而不会发生任何错位，由此能够提供优异的热传导性。
在导热聚合物层2是固体物的情况中，导热聚合物层2的硬度优选为小于或等于60。在本发明的应用中，硬度是由A型硬度计根据日本工业标准(“JIS”)K6253(对应于ISO 7619-1)测量的值。当导热聚合物层2的硬度在上述范围内时，导热聚合物层2具有足够高的柔软性。该导热聚合物层2在安装过程中具有优异的操作性能并具有相对于发热部件能够重新进行安置的可修理性。此外，由于该柔软的导热聚合物层2与发热部件具有良好的粘合性，因此能够提供优异的热传导性。硬度大于60的导热聚合物层2与发热部件的粘合性很差。导热聚合物层2的硬度更优选小于或等于40，更进一步优选小于或等于25。
当导热聚合物层2未固化或被半固化时，即，聚合物材料5是粘合性树脂时，对导热聚合物层2的硬度不作具体限定。
<导热聚合物层中的导热填料>
导热聚合物层2中包含的导热填料优选是选自碳纤维、碳纳米管、金属氮化物、金属氧化物、金属碳化物和金属氢氧化物中的至少一种。那些导热填料优选具有各向异性的热传导性质。例如，碳纤维在轴向上的热传导性能比在纤维径向上的热传导性能更高。
用于碳纤维的原料包括稠合的多环烃类化合物例如萘和菲，以及稠合的杂环化合物例如石油类沥青和煤类沥青。在这些原料中，优选石油类沥青和煤类沥青，优选为光学上各向异性的沥青，即，特别优选为中间相沥青。这些原料可以单独使用或两种或两种以上组合使用。最优选单独使用中间相沥青，即，碳纤维所含有的中间相沥青的含量为100％。本发明中使用的碳纤维可以是纤维(包括维持纤维状的粉碎产品或切割产品)、晶须状、螺旋或纳米管的形式，但并不局限于此。碳纤维的纤维直径优选为5μm～20μm，更优选为5μm～15μm，特别优选为8μm～12μm。当纤维直径小于5μm或大于20μm时，碳纤维的生产性不利地下降。碳纤维的平均长度优选为5μm～500μm，更优选为15μm～100μm，特别优选为15μm～45μm。当平均长度小于5μm时，碳纤维之间的接触减少，不能在导热聚合物层2中提供足够的传热通道，由此使导热聚合物层2的热导率减小。当平均长度大于500μm时，碳纤维的变得蓬松，很难以高浓度将其装入聚合物材料5中。碳纤维的平均长度值根据粒径分布通过激光衍射方式进行计算。
对碳纤维的热导率不作具体限定。然而，碳纤维纵向上的热导率优选为大于或等于400W/m·K，更优选大于或等于800W/m·K，特别优选大于或等于1,000W/m·K。可以通过诸如电解氧化等的氧化反应或用偶联剂或施胶剂(seizing agent)进行处理而对碳纤维进行表面改性。该表面改性能够改善对聚合物材料5的湿润性，或增大能够混合至聚合物材料5中的碳纤维的极限量或增强与聚合物材料5的界面处的剥离强度。也可以使用表面覆盖有金属或陶瓷的碳纤维。涂布可以通过例如非电解电镀、电解电镀、真空沉积、溅射或离子镀等物理沉积、化学沉积或诸如涂布、浸渍或对微粒的机械固定等机械化学方法进行。
金属氮化物的例子包括氮化硅和氮化铝，金属氧化物的例子包括氧化铝、氧化硅、氧化锌和氧化镁。金属碳化物的例子包括碳化硅，金属氢氧化物的例子包括氢氧化铝和氢氧化镁。特别优选使用鳞片状六边形氮化硼作为导热填料，这是因为它在与鳞片表面平行方向上的热导率比在鳞片厚度方向上的热导率更高。
<导热聚合物层中的聚合物材料>
下面描述导热聚合物层2中包含的作为基质的聚合物材料5。聚合物材料5的例子包括形成固体导热聚合物层2的热塑性弹性体、交联橡胶、热塑性树脂和形成粘合性(即处于未固化或半固化态)导热聚合物层2的粘合性树脂。
热塑性弹性体的例子包括苯乙烯-丁二烯共聚物、苯乙烯-异戊二烯嵌段共聚物、其氢化产物、苯乙烯类热塑性弹性体、烯烃类热塑性弹性体、氯乙烯类热塑性弹性体、聚酯类热塑性弹性体、聚氨酯类热塑性弹性体和聚酰胺类热塑性弹性体。
交联橡胶的例子包括天然橡胶、丁二烯橡胶、异戊二烯橡胶、苯乙烯-丁二烯共聚橡胶、丁腈橡胶、氢化丁腈橡胶、氯丁二烯橡胶、乙烯-丙烯共聚橡胶、氯化聚乙烯、氯磺化聚乙烯、丁基橡胶、卤化丁基橡胶、氟橡胶、氨基甲酸酯橡胶和硅橡胶。
热塑性树脂的例子包括聚乙烯、聚丙烯、诸如乙烯-丙烯共聚物等乙烯-α-烯烃共聚物、聚甲基戊烯、聚氯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚乙酸乙烯酯、乙烯-乙酸乙烯酯共聚物、聚乙烯醇、聚缩醛、诸如聚偏二氟乙烯或聚四氟乙烯等氟树脂、聚对苯二甲酸乙二酯、聚对苯二甲酸丁二酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚苯乙烯、聚丙烯腈、苯乙烯-丙烯腈共聚物、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)树脂、聚苯醚(PPE)树脂、改性PPE树脂、脂肪族聚酰胺、芳香族聚酰胺、聚酰亚胺、聚酰胺酰亚胺、诸如聚甲基丙烯酸酯(如聚甲基丙烯酸甲酯)等聚甲基丙烯酸酯、聚丙烯酸、聚碳酸酯、聚苯硫醚、聚砜、聚醚砜、聚醚腈、聚醚酮、聚酮、液晶聚合物和离聚物。
粘合性树脂的例子包括环氧树脂、聚酰亚胺树脂、丙烯酸树脂、双马来酰亚胺、苯并环丁烯、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂、二烯丙基邻苯二甲酸酯、硅树脂、聚氨酯树脂、聚酰亚胺硅树脂、热固型PPE树脂和热固型改性PPE树脂。
从确保固化产物的硬度为小于或等于60的柔软性、诸如耐热性等基本性质、温度特性和电学可靠性的观点考虑，固体导热聚合物层2优选由选自硅橡胶、丙烯酸橡胶、诸如聚异丁烯等烯烃类橡胶和聚氨酯中的至少一种材料形成。这些聚合物材料可以单独使用或两种或两种以上组合使用。也可以使用两种或两种以上聚合物材料的聚合物合金。对聚合物材料5的交联结构的有无不作具体限定，可以采用诸如热固化、光固化和湿气固化等的已知交联方法。
<散热部件的制造方法>
用于制造本发明的散热部件的第一方法的特征在于将单独形成的导热聚合物层2接合在散热片1的至少一个部分上。导热聚合物层2包括预先以特定方向取向以使其在厚度方向上的热导率比与表面平行方向上的热导率更高的导热填料。更具体地，为制造导热聚合物层2，首先制备包含聚合物材料5和导热填料(例如，碳纤维3或六边形氮化硼粉末4)的导热聚合物组合物。将导热聚合物组合物独立成型为片材后，使导热填料以特定方向取向，以使所获得的导热聚合物层2在厚度方向上的热导率比与表面平行方向上的热导率更高。在维持导热填料取向状态的同时，将导热聚合物组合物硬化或固化以获得导热聚合物层2。将所获得的许多导热聚合物层2通过包括但不限于压力粘合或热熔合的任何方法与散热片接合。这样，可以容易地制造本发明的散热部件。
在用于制造本发明的散热部件的第二方法中，将包含导热填料的导热聚合物组合物放置在散热片1的至少一个部分上。然后，将导热聚合物组合物中所包含的导热填料以特定方向取向，在保持取向的同时使导热聚合物组合物固化。结果，可以形成在厚度方向上的热导率比与表面平行方向上的热导率更高的导热聚合物层2。
根据第二方法，易于制造具有处于未固化或半固化状态(B阶段状态)的导热聚合物层2的散热部件，以及具有固态导热聚合物层2的散热部件。根据第二方法，散热片1与导热聚合物层2之间的粘合除了采用压力粘合和热熔合之外，还可以通过固化粘合来进行，通过该固化粘合使未固化或半固化的导热聚合物层充分固化。
在第一和第二方法中，导热填料在导热聚合物层2中的取向可以通过使用流场、切变场、磁场或电场进行。在导热填料是由选自碳纤维、碳纳米管、金属氮化物、金属氧化物、金属碳化物和金属氢氧化物中的至少一种材料形成的情况中，特别优选导热填料的取向通过对其施加磁场或电场进行。在该情况中，由于这些导热填料各自所固有的磁各向异性，通过对导热聚合物组合物外加磁场或电场易于使导热填料在与磁力线平行或垂直的方向上高度取向。根据使用磁场或电场的方法，可以将导热填料的取向方向控制到任何所需方向。
根据本发明的散热部件，导热聚合物层2有效地将热量由发热部件传送至散热片1，并且散热片1快速地在与其表面平行的方向扩散热量，由此有效地散发热量。此外，根据本发明的散热部件的制造方法，可以容易地获得上述散热部件。
对本领域的技术人员显而易见的是本发明能够以任何其他特定的形式实施而不会脱离本发明的精神或范围。特别是，应当理解本发明能够以下述形式实施。
在第一实施方式和第二实施方式中，导热聚合物层2可以形成在散热片1的整个表面上。
在第一实施方式和第二实施方式中，可以在导热聚合物层2与散热片1之间形成粘合层或压敏粘合层。导热聚合物层2与散热片1之间的粘合也可以通过预先处理散热片的表面(例如，电晕处理、紫外线处理和以偶联剂进行处理)而得到改善。
提供以下的实施例和比较例是为进一步描述本发明而并不限制本发明的范围。
实施例
(实施例1)
首先，将作为导热填料的70重量份石墨化碳纤维(Nippon GraphiteFiber Corporation生产，平均纤维直径：9μm，平均纤维长度：100μm)和150重量份氧化铝粉末(Showa Denko K.K.生产，球形，平均粒径：3.5μm)与100重量份作为聚合物材料5的液体硅橡胶(GE Toshiba SiliconeCo.，Ltd.生产)混合。将所得混合物进行真空消泡以制备导热聚合物组合物。然后，将该导热聚合物组合物注入具有与预定片材相对应形状的模具的空腔中。以如此的方式施加磁场(磁通密度为10特斯拉)以使空腔中磁力线与导热聚合物组合物的厚度方向相一致。由此，使成型为片材的导热聚合物组合物中的石墨化碳纤维在厚度方向上取向。在保持该石墨化碳纤维取向的同时，将导热组合物进行热固化以在片中获得厚度为0.15mm、长度为10mm、宽度为10mm(硬度为40)的导热聚合物层2。包含在所得到的导热聚合物层2中的石墨化碳纤维以如此的方式取向以使其纤维轴基本排列在该层的厚度方向上。导热聚合物层2的热导率根据激光闪光法由热常数测量仪器(Rigaku Corporation生产的LF/TCM-FA8510B)测定。导热聚合物层2在厚度方向和与其表面平行方向上的热导率分别为5.7W/m·K和2.2W/m·K。通过压力粘合将该导热聚合物层2粘接在散热片1上以制造散热部件10。所使用的散热片1是厚度为0.13mm、长为30mm、宽为60mm的石墨片(GrafTech InternationalLtd.生产)且其厚度方向上的热导率为7W/m·K，与表面平行方向上的热导率为240W/m·K。
将所得到的散热部件10以如此的方式放置在作为发热部件的陶瓷加热器(SAKAGUCHI E.H VOC CORP.生产的微陶瓷加热器MS-3，热值：9W)上以使导热聚合物层2与陶瓷加热器接触。然后接通陶瓷加热器的电源。10分钟后，测定陶瓷加热器顶面(10mm×10mm)中心部分的温度t1和散热部件的散热片1的周边部分的温度t2(温度t1和t2的测量位置的间隔：40mm)。温度t1为65.2℃，温度t2为35.1℃。所得到的散热部件在安装时柔软并易于处理而且具有优异的可修理性。
(实施例2)
首先，将作为导热填料的120重量份石墨化碳纤维(Nippon GraphiteFiber Corporation生产，平均纤维直径：9μm，平均纤维长度：100μm)和100重量份氧化铝粉末(Showa Denko K.K.生产，球形，平均粒径：3.5μm)与100重量份作为聚合物材料5的液体硅橡胶(GE Toshiba SiliconeCo.，Ltd.生产)混合。将所得混合物进行真空消泡以制备导热聚合物组合物。然后，将该导热聚合物组合物注入具有与预定片材相对应形状的模具的空腔中。以如此的方式施加磁场(磁通密度为10特斯拉)以使空腔中磁力线与导热聚合物组合物的厚度方向相一致。由此，使成型为片材的导热聚合物组合物中的石墨化碳纤维在厚度方向上取向。在保持该石墨化碳纤维取向的同时，将导热组合物进行热固化以在片中获得厚度为0.15mm、长度为10mm、宽度为10mm(硬度为35)的导热聚合物层2。包含在所得到的导热聚合物层2中的石墨化碳纤维以如此的方式取向以使其纤维轴基本排列在该层的厚度方向上。导热聚合物层2的热导率以与实施例1中相同的方式进行测量。导热聚合物层2在厚度方向和与其表面平行方向上的热导率分别为11.2W/m·K和3.1W/m·K。通过压力粘合将该片状导热聚合物层2粘接在作为散热片1的石墨片(GrafTechInternational Ltd.生产)上以制造散热部件10。所述石墨片厚度为0.13mm、长为30mm、宽为60mm并且其厚度方向上的热导率为7W/m·K，与表面平行方向上的热导率为240W/m·K。
与实施例1相似，将所得到的散热部件10以如此的方式放置在作为发热部件的陶瓷加热器(SAKAGUCHI E.H VOC CORP.生产的微陶瓷加热器MS-3，热值：9W)上以使导热聚合物层2与陶瓷加热器接触。然后接通陶瓷加热器的电源。10分钟后，测定陶瓷加热器顶面(10mm×10mm)中心部分的温度t1和散热部件的散热片1的周边部分的温度t2(温度t1和t2的测量位置的间隔：40mm)。温度t1为51.4℃，温度t2为48.1℃。所得到的散热部件在安装时柔软并易于处理而且具有优异的可修理性。
(比较例1)
制备与实施例2中使用的导热组合物相同的导热组合物。使用该组合物，除了在固化导热聚合物组合物时不施加磁场之外以与实施例2相同的方式制造片状导热聚合物层。导热聚合物层中所包含的石墨化碳纤维未作取向。该导热聚合物层在厚度方向和与其表面平行方向上的热导率以与实施例1相同的方式测量。导热聚合物层2在厚度方向和与其表面平行方向上的热导率分别为2.4W/m·K和3.5W/m·K。通过压力粘合将该片状导热聚合物层粘接在作为散热片1的石墨片(GrafTech InternationalLtd.生产)上以制造散热部件。所述石墨片厚度为0.13mm、长为30mm、宽为60mm并且其厚度方向上的热导率为7W/m·K，与表面平行方向上的热导率为240W/m·K。
与实施例1相似，将所得到的散热部件以如此的方式放置在作为发热部件的陶瓷加热器(SAKAGUCHI E.H VOC CORP.生产的微陶瓷加热器MS-3，热值：9W)上以使导热聚合物层与陶瓷加热器接触。然后接通陶瓷加热器的电源。10分钟后，测定陶瓷加热器顶面(10mm×10mm)中心部分的温度t1和散热部件的散热片1的周边部分的温度t2(温度t1和t2的测量位置的间隔：40mm)。温度t1为77.5℃，温度t2为28.7℃。
(实施例3)
首先，将作为导热填料的140重量份鳞片状六边形氮化硼粉末(得自GE Specialty Materials Japan Co.，Ltd.，平均粒径：7μm～10μm，表面积：13m2/g)和80重量份氧化铝粉末(Showa Denko K.K生产，球形，平均粒径：3.5μm)与100重量份作为聚合物材料5的液体硅橡胶(GE ToshibaSilicone Co.，Ltd生产)混合。将所得混合物进行真空消泡以制备导热聚合物组合物。然后，将具有与所需导热聚合物层的形状相对应的空腔的结构形式的模具安置在厚度为0.13mm、长为30mm、宽为60mm且两侧覆盖有16μm厚的铝箔的作为散热片1的石墨片(GrafTech InternationalLtd.生产)上。所述石墨片在厚度方向上的热导率为7W/m·K，与表面平行方向上的热导率为240W/m·K，并在表面上形成6μm厚的丙烯酸压敏粘合层。将导热聚合物组合物注入排列在石墨片上的空腔中。以如此的方式施加磁场(磁通密度为10特斯拉)以使磁力线的方向与成型为片状的导热聚合物组合物的厚度方向相一致，从而在导热聚合物组合物中使六边形氮化硼粉末进行取向。在保持该六边形氮化硼粉末的取向的同时，将导热聚合物组合物热固化以获得包括形成于石墨片上的厚度为0.15mm、长为10mm、宽为10mm的导热聚合物层2(JIS A型硬度36)的散热部件20。在所得的导热聚合物层2中所包含的六边形氮化硼粉末以如此的方式取向以使每一个鳞片状颗粒的表面沿片的厚度方向排列。导热聚合物层2的热导率以与实施例1相同的方式测量。导热聚合物层2在厚度方向和与其表面平行方向上的热导率分别为2.7W/m·K和1.6W/m·K。
与实施例1相似，将所得到的散热部件10以如此的方式放置在作为发热部件的陶瓷加热器(SAKAGUCHI E.H VOC CORP.生产的微陶瓷加热器MS-3，热值：9W)上以使导热聚合物层2与陶瓷加热器接触。然后接通陶瓷加热器的电源。10分钟后，测定陶瓷加热器顶面(10mm×10mm)中心部分的温度t1和散热部件的散热片1的周边部分的温度t2(温度t1和t2的测量位置的间隔：40mm)。温度t1为70.5℃，温度t2为29.6℃。所得到的散热部件柔软，并在安装时易于处理，而且具有优异的可修理性。
(比较例2)
制备与实施例3中相同的导热组合物，从而除了在固化导热聚合物组合物时不施加磁场之外以与实施例3相同的方式制造散热部件。该导热聚合物层中所包含的六边形氮化硼粉末未作取向。该导热聚合物层的热导率以与实施例1相同的方式测量。导热聚合物层2在厚度方向和与其表面平行方向上的热导率分别为1.8W/m·K和2.4W/m·K。
与实施例3相似，将所得到的散热部件以如此的方式放置在作为发热部件的陶瓷加热器(SAKAGUCHI E.H VOC CORP.生产的微陶瓷加热器MS-3，热值：9W)上以使导热聚合物层与陶瓷加热器接触。然后接通陶瓷加热器的电源。10分钟后，测定陶瓷加热器顶面(10mm×10mm)中心部分的温度t1和散热部件的散热片1的周边部分的温度t2(温度t1和t2的测量位置的间隔：40mm)。温度t1为81.7℃，温度t2为24.3℃。
(实施例4)
首先，将作为导热填料的40重量份石墨化碳纤维(Nippon GraphiteFiber Corporation生产，平均纤维直径：9μm，平均纤维长度：100μm)、80重量份氧化铝粉末(Showa Denko K.K.生产，球形，平均粒径：10μm)和20重量份单晶氧化铝粉末(Showa Denko K.K生产，平均粒径：2μm)与100重量份作为粘合性树脂的环氧树脂(Three Bond Co.，Ltd.生产)混合。将所得混合物进行真空消泡以制备导热聚合物组合物。然后，将具有与所需导热聚合物层的形状相对应的空腔的结构形式的模具安置在散热片1上。所使用的散热片1是厚度为0.13mm、长为30mm、宽为60mm且完全覆盖有16μm厚铝箔的石墨片(GrafTech International Ltd.生产，厚度方向的热导率：7W/m·K，与表面平行方向的热导率：240W/m·K，并在表面上形成6μm厚的丙烯酸压敏粘合层)。将导热聚合物组合物注入布置在石墨片上的空腔中。
以如此的方式施加磁场(磁通密度为10特斯拉)以使磁力线的方向与成型为片材的导热聚合物组合物的厚度方向相一致，从而排列导热聚合物组合物中所包含的石墨化碳纤维，以使其纤维轴基本与片材的厚度方向平行排列。在保持该石墨化碳纤维取向的同时，加热导热组合物至半固化以进入B阶段状态从而获得包括层叠在石墨片上的粘合性导热聚合物层2的散热部件。包含在所获得的导热聚合物层2中的石墨化碳纤维在厚度方向上取向。以与实施例1相同的方式测量导热聚合物层2的热导率。导热聚合物层2在厚度方向和与其表面平行方向上的热导率分别为6.5W/m·K和2.3W/m·K。
将所得到的散热部件10以如此的方式放置在作为发热部件的陶瓷加热器(SAKAGUCHI E.H VOC CORP.生产的微陶瓷加热器MS-3，热值：9W)上以使导热聚合物层2与陶瓷加热器接触。然后通过加热使得导热聚合物层2完全固化并随后冷却至室温。之后，接通陶瓷加热器的电源。10分钟后，测定陶瓷加热器顶面(10mm×10mm)中心部分的温度t1和散热部件的散热片1的周边部分的温度t2(温度t1和t2的测量位置的间隔：40mm)。温度t1为63.7℃，温度t2为31.3℃。在将导热聚合物层2完全固化在发热部件上期间所得的散热部件相对于发热部件(陶瓷加热器)未发生错位。此外，充分固化后，导热聚合物层2与石墨片具有优异的粘合性。
(比较例3)
制备与实施例4相同的导热组合物。除了在固化导热聚合物组合物时不施加磁场之外，以与实施例4相同的方式制造散热部件。该导热聚合物层中所包含的石墨化碳纤维未作取向。该导热聚合物层的热导率以与实施例1相同的方式测量。导热聚合物层2在厚度方向和与其表面平行方向上的热导率分别为1.9W/m·K和2.5W/m·K。
将所得到的散热部件以如此的方式放置在作为发热部件的陶瓷加热器(SAKAGUCHI E.H VOC CORP.生产的微陶瓷加热器MS-3，热值：9W)上以使导热聚合物层2与陶瓷加热器接触。然后通过加热使得导热聚合物层2完全固化并随后冷却至室温。之后，接通陶瓷加热器的电源。10分钟后，测定陶瓷加热器顶面(10mm×10mm)中心部分的温度t1和散热部件的散热片1的周边部分的温度t2(温度t1和t2的测量位置的间隔：40mm)。温度t1为81.2℃，温度t2为24.5℃。
本发明的实施例和实施方式应当被理解为是描述性的而非限制性的，并且本发明不限于这里所提供的详细描述，而是可以在所附权利要求的范围和等同范围内进行改进。

Claims (13)

1.一种散热部件(10，20)，其特征在于，所述散热部件(10，20)具有：
散热片(1)；和
设置于所述散热片(1)的至少一个部分上的导热聚合物层(2)，其中所述导热聚合物层(2)在所述层(2)的厚度方向上的热导率比所述导热聚合物层(2)在与所述层(2)的表面平行方向上的热导率更高。
2.如权利要求1所述的散热部件(10，20)，其特征在于：所述导热聚合物层(2)在所述层(2)的厚度方向上的热导率比所述散热片(1)在该片厚度方向上的热导率更高。
3.如权利要求1所述的散热部件(10，20)，其特征在于：所述导热聚合物层(2)包含聚合物材料(5)和选自碳纤维、碳纳米管、金属氮化物、金属氧化物、金属碳化物和金属氢氧化物中的至少一种导热填料(3，4)；其中所述导热填料(3，4)在所述导热聚合物层(2)中以特定方向取向。
4.如权利要求3所述的散热部件(10，20)，其特征在于：所述导热填料(3，4)包含碳纤维。
5.如权利要求3所述的散热部件(10，20)，其特征在于：所述导热填料(3，4)包含六边形氮化硼粉末。
6.如权利要求1所述的散热部件(10，20)，其特征在于：所述导热聚合物层(2)的硬度小于或等于60。
7.如权利要求3所述的散热部件(10，20)，其特征在于：所述导热聚合物层(2)中的所述聚合物材料(5)已经完全固化。
8.如权利要求3所述的散热部件(10，20)，其特征在于：所述导热聚合物层(2)中的所述聚合物材料(5)已经半固化。
9.如权利要求8所述的散热部件(10，20)，其特征在于：所述导热聚合物层(2)中的所述聚合物材料(5)包含粘合性树脂。
10.如权利要求1～9任一项所述的散热部件(10，20)，其特征在于：所述散热片(1)是石墨片和包含石墨片(1b)及设置于所述石墨片上的铝箔(1a，1c)的复合片中的一种散热片。
11.一种散热部件(10，20)的制造方法，所述散热部件(10，20)包含散热片(1)和设置于所述散热片(1)的至少一个部分上的导热聚合物层(2)，其特征在于：
在片中由包含导热填料(3，4)的导热聚合物组合物独立形成导热聚合物层(2)，其中所述层(2)中的所述导热填料(3，4)以特定方向取向，以使所述导热聚合物层(2)在所述层(2)的厚度方向上的热导率比所述导热聚合物层(2)在与所述层(2)的表面平行方向上的热导率更高；和
将所形成的导热聚合物层(2)接合到所述散热片(1)的至少一个部分上。
12.一种散热部件(10，20)的制造方法，所述散热部件(10，20)包含散热片(1)和设置于所述散热片(1)的至少一个部分上的导热聚合物层(2)，其特征在于：
将包含导热填料(3，4)的导热聚合物组合物放置在所述散热片(1)的至少一个部分上；
使所述导热填料(3，4)以特定方向取向，以使所获得的所述导热聚合物层(2)在所述层(2)的厚度方向上的热导率比所述导热聚合物层(2)在与所述层(2)的表面平行方向上的热导率更高；和
在保持所述导热填料(3，4)的取向的同时，固化所述导热聚合物组合物，以在所述散热片(1)上形成所述导热聚合物层(2)。
13.如权利要求11或12所述的方法，其特征在于：所述导热填料(3，4)的取向通过施加电场或磁场来进行。
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