ES2856408T3 - Material de interfaz térmica con dispersiones de partículas de relación de aspecto mixta - Google Patents

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Abstract

Un material de interfaz térmica que se puede colocar cerca de una fuente de calor para la disipación térmica de la fuente de calor y para el blindaje de interferencias electromagnéticas, comprendiendo dicho material de interfaz térmica: una matriz polimérica seleccionada de polímeros basados en silicona, acrílico, uretano, epoxi, polisulfuro, poliisobutileno y polivinilo o poliolefina; y relleno de partículas térmicamente conductor disperso en dicha matriz polimérica al 30-50 % en volumen, incluyendo dicho relleno de partículas sustancialmente esféricas que tienen una relación de aspecto de entre 0,8-1,2 y un diámetro de partículas esféricas, y partículas de la plaqueta que tienen una longitud, una anchura y un grosor y un diámetro de partícula de la plaqueta, en el que dicha longitud y dicho ancho son sustancialmente mayores que dicho grosor, y en el que dicha longitud y dicho ancho de dichas partículas de la plaqueta son iguales, teniendo dichas partículas de la plaqueta una relación de aspecto de al menos 100, un valor volumétrico la relación de carga de dichas partículas de la plaqueta a dichas partículas esféricas está entre 0,1:1 y 1:1, y una relación de diámetro de partículas de dicho diámetro de partículas de la plaqueta a dicho diámetro de partículas esféricas está entre 1:1 y 20:1, en el que dicho material de interfaz térmica exhibe un módulo de compresión de menos de 5 MPa a 20 °C y una conductividad térmica de al menos 0,5 W/m*K; y, en el que dicho diámetro de partícula esférica y dicho diámetro de partículas de la plaqueta son el diámetro de esfera equivalente en volumen medio de las partículas, medido usando instrumentación de difracción láser e interpretado por la teoría de Mie.

Description

DESCRIPCIÓN
Material de interfaz térmica con dispersiones de partículas de relación de aspecto mixta
Campo de la invención
La presente invención se refiere a materiales de interfaz térmica en general, y más particularmente a productos de interfaz conductores para su uso en conexión con dispositivos eléctricos generadores de calor y estructuras de disipación de calor, en los que los productos de interfaz actúan adicionalmente para suprimir la propagación de radiación electromagnética a través de ellos. La presente invención se refiere además a materiales de interfaz que obtienen propiedades funcionales mejoradas mediante el uso de dispersiones de partículas de relación de aspecto mixta.
Antecedentes de la invención
Los materiales de interfaz térmicamente conductores se utilizan ampliamente en la industria electrónica para acoplar de manera operativa componentes electrónicos generadores de calor a estructuras de disipación de calor. Más típicamente, tales materiales de interfaz térmicamente conductores se utilizan en conexión con componentes electrónicos generadores de calor como circuitos integrados (IC), unidades de procesamiento central (CPU) y otros componentes electrónicos que contienen densidades relativamente altas de trazas conductoras y elementos de resistencia. En particular, los materiales de interfaz térmica se utilizan a menudo para acoplar de manera operativa tales dispositivos electrónicos generadores de calor a estructuras de disipación de calor, tales como estructuras de disipador de calor con aletas. De esta manera, el exceso de energía térmica generada por los componentes electrónicos puede ser expulsado a las estructuras de disipación de calor a través del material de interfaz térmica. Ciertos dispositivos electrónicos, además de generar un exceso de energía térmica, crean radiación electromagnética en varias frecuencias. Tal radiación puede tener el efecto de causar interferencia electromagnética (EMI) sobre otros dispositivos electrónicos susceptibles y/o sintonizados a formas de ondas electromagnéticas recibidas. Los dispositivos sensibles a la interferencia electromagnética incluyen, por ejemplo, teléfonos móviles, radios portátiles, ordenadores portátiles y similares.
A medida que aumenta la prevalencia de dispositivos electrónicos portátiles que son sensibles a interferencias electromagnéticas, los fabricantes de componentes electrónicos internos para tales dispositivos han incorporado sustancias absorbentes de radiación electromagnética en materiales de interfaz térmicamente conductores dispuestos adyacentes a los dispositivos productores de radiación electromagnética. Por lo tanto, se han implementado construcciones en materiales de interfaz térmica que tienen una característica operativa de absorber, reflejar o suprimir de otro modo la transmitancia de radiación electromagnética a través de la interfaz. Como resultado, tales construcciones de material de interfaz térmica actúan para proporcionar una vía de liberación térmica al mismo tiempo que suprimen la transmitancia de radiación electromagnética del componente electrónico correspondiente al que se dirige el material de interfaz térmica.
El documento WO2013039081A1 (Nippon Catalytic Chem. Ind.) Describe un material térmicamente conductor que puede incorporarse dentro de una hoja adhesiva, dicho material que comprende: partículas en forma de hoja; una resina adhesiva; y partículas esféricas en una cantidad menor o igual a 500 partes en masa por una parte en masa de partículas en forma de hoja. La cantidad combinada de partículas en forma de hoja y partículas esféricas es de 1 a 600 partes en masa por 100 partes en masa de resina adhesiva.
El documento JP2002155110A (Sekisui Chemical Co. Ltd.) describe una composición polimerizable que comprende: 100 partes en peso de monómero polimerizable que tiene como componente principal C2-C1smonómero de éster de acrilato de alquilo; de 0,01 a 10 partes en peso de iniciador de fotopolimerización; y, un relleno conductor de calor, en la que el relleno conductor de calor tiene una conductividad térmica de al menos 20 Wm/K y está incluida en la composición en una cantidad de 15 a 80 % en volumen, en base al volumen total de la composición polimerizable. El documento US2011127461A1 (Fukuoka y otros) describe una composición térmicamente conductora obtenida por un procedimiento sol-gel, en cuyo procedimiento: se prepara un sol que contiene partículas inorgánicas, un alcoxisilano y agua; el sol se gelifica para preparar un gel; y el gel se cura térmicamente.
El documento US6048919A (McCullough) describe una composición de moldeo conductora que tiene una conductividad térmica superior a 22 Wm/K., dicha composición que comprende, en base al volumen de la composición: de 30 a 60 % en volumen de una matriz de base polimérica; de 25 a 60 % en volumen de un primer relleno termoconductor que tiene una relación de aspecto de al menos 10:1; y de 10 a 25 % en volumen de un segundo relleno térmicamente conductor que tiene una relación de aspecto de 5:1 o menos.
El documento JP2008010897A (Mitsubishi Electric Corporation) proporciona un material de lámina aislante que comprende al menos uno de entre una lámina de cerámica, una placa de laminación de vidrio y una lámina de metal, material que tiene una pluralidad de orificios perforados, cada uno lleno de resina que contiene rellenos aislantes.
Una región de al menos una superficie del material laminar se proporciona de una composición adhesiva cargada con al menos uno de los rellenos planos o rellenos esféricos.
Sin embargo, las construcciones del material de interfaz térmica propuestas hasta la fecha para proporcionar tales características utilizan dispersiones homogéneas o cuasi homogéneas de partículas térmicamente conductoras y de supresión de radiación dentro de la matriz de la estructura principal del material de interfaz térmica. Las composiciones resultantes, particularmente en fracciones de volumen de carga de relleno total bajas (por ejemplo, <50 % en volumen), tienen capacidades limitadas de conductividad térmica y supresión de interferencias electromagnéticas. A tales fracciones de volumen de carga de relleno total, que a menudo son necesarias para lograr las propiedades mecánicas deseadas, es difícil lograr simultáneamente una alta conductividad térmica y supresión de la radiación electromagnética. A medida que los componentes electrónicos aumentan en potencia, así como en densidades de empaque, surge la necesidad de mejorar las capacidades de transferencia térmica y supresión electromagnética en los materiales de interfaz térmica.
Por lo tanto, un objeto de la presente invención es proporcionar un producto de interfaz con propiedades superiores de conductividad térmica y supresión de interferencias electromagnéticas sobre el que está disponible convencionalmente.
Sumario de la invención
Por medio de la presente invención, la conductividad térmica y/o la supresión electromagnética de los materiales de interfaz adaptables pueden mejorarse en comparación con los materiales de interfaz convencionales que incorporan fracciones de volumen de carga de relleno de partículas equivalentes. Como resultado, los materiales de interfaz de la presente invención permanecen adecuadamente adaptables para minimizar la impedancia de transmisión de energía térmica en las interfaces con el componente electrónico y/o el miembro de disipación de calor.
En una realización, un material de interfaz térmica de la presente invención se puede colocar cerca de una fuente de calor para la disipación térmica de la fuente de calor y para el blindaje de interferencias electromagnéticas. El material de interfaz térmica como se define en la reivindicación 1 adjunta incluye una matriz polimérica seleccionada de silicona, acrílico, uretano, epoxi, polisulfuro, poliisobutileno y polímeros basados en polivinilo o poliolefina; y un relleno de partículas térmicamente conductora dispersada en la matriz de polímero al 30-50 % en volumen. El relleno de partículas incluye partículas sustancialmente esféricas que tienen una relación de aspecto de entre 0,8 y 1,2 y un volumen de partículas esféricas. El relleno de partículas incluye además partículas de la plaqueta que tienen una longitud, una anchura y un grosor, y un volumen de partículas de la plaqueta. La longitud y la anchura de las partículas de la plaqueta son cada una sustancialmente mayores que el grosor de las partículas de la plaqueta, de modo que las partículas de la plaqueta tienen una relación de aspecto de al menos 100. Una relación de carga volumétrica de las partículas de la plaqueta a las partículas esféricas está entre 0,1:1 y 1: 1. La relación entre el diámetro de las partículas de las plaquetas y el diámetro de las partículas esféricas está entre 1:1 y 20:1. El material de interfaz térmica exhibe un módulo de compresión de menos de 5 MPa a 20 °C y una conductividad térmica de al menos 0,5 W/m*K.
En algunas realizaciones, un paquete electrónico puede estar provisto de un componente electrónico y un miembro de disipación de calor, en el que el material de interfaz térmica se dispone entre y en contacto con el componente electrónico y el miembro de disipación de calor.
Breve descripción de los dibujos
La Figura 1 es una ilustración esquemática de un paquete electrónico de la presente invención;
La Figura 2 es una vista de aislamiento de una parte de interfaz del paquete electrónico ilustrado en la figura 1; La Figura 3 es una ilustración de una partícula sustancialmente esférica;
La Figura 4 es una ilustración de una partícula sustancialmente con forma de plaqueta;
La Figura 5 es un gráfico que representa la variación en la conductividad térmica de diversas mezclas de partículas de nitruro de boro/alúmina con concentraciones de carga de relleno de partículas totales y relaciones relativas de diámetro de partículas;
La Figura 6 es un gráfico que representa la variación en la conductividad térmica de mezclas de partículas de nitruro de boro/alúmina con relaciones relativas de diámetro de partículas y relaciones de carga volumétrica relativas;
La Figura 7 es un gráfico que representa la variación en la conductividad térmica de las mezclas de partículas de grafeno/alúmina con las concentraciones de carga de relleno de partículas totales y las relaciones de diámetro de partículas relativas;
La Figura 8 es un gráfico que representa la variación en la conductividad térmica de las mezclas de partículas de grafeno/alúmina con las concentraciones de carga de relleno de partículas totales y las relaciones de diámetro de partículas relativas;
La Figura 9 es un gráfico que representa la variación en la absorción de radiación electromagnética de mezclas de partículas de grafeno/alúmina con concentraciones de carga de relleno de partículas totales y relaciones relativas de diámetro de partículas;
La Figura 10 es un gráfico que representa la variación en la absorción de radiación electromagnética de mezclas de partículas de grafeno/alúmina con concentraciones de carga de relleno de partículas totales y relaciones relativas de diámetro de partículas;
La Figura 11 es un gráfico que representa la variación en la conductividad térmica de las mezclas de partículas de grafeno/alúmina con las concentraciones de carga de relleno de partículas totales y las relaciones de carga volumétricas relativas; y
La Figura 12 es un gráfico que representa la variación en la absorción de radiación electromagnética de mezclas de partículas de grafeno/alúmina con concentraciones de carga de relleno de partículas totales y relaciones de carga volumétricas relativas.
Descripción detallada de las realizaciones preferentes
Los objetos y ventajas enumerados anteriormente junto con otros objetos, características y avances representados por la presente invención se presentarán ahora en términos de realizaciones detalladas descritas con referencia a los dibujos adjuntos. Se reconoce que otras realizaciones y aspectos de la invención están al alcance de los expertos en la técnica.
A los efectos del presente, los términos "radiación electromagnética", "interferencia electromagnética" y "EMI" se refieren a la radiación que puede interferir con el funcionamiento normal de los componentes electrónicos, como procesadores, transmisores, receptores y similares. Normalmente, dicha radiación puede estar en el rango de 1 a 10 GHz. Los términos enumerados anteriormente, así como otros términos similares, están destinados a referirse a la radiación en este rango de frecuencia y, por lo tanto, pueden usarse indistintamente para definir la transmisión de radiación afectada (absorbida, reflejada, contenida, etc.) por los materiales de la presente invención.
Con referencia ahora a las figuras de los dibujos, y primero a la Figura 1, un paquete electrónico 10 incluye un componente electrónico 12, un elemento de disipación de calor 14 y una interfaz térmica 16 dispuesta entre y en contacto con el componente electrónico 12 y el elemento de disipación de calor 14. En otras realizaciones, la interfaz 16 puede estar fuera de contacto físico con uno o ambos del componente electrónico 12 y el miembro de disipación de calor 14, pero no obstante está a lo largo de una vía de disipación térmica desde el componente electrónico 12 al miembro de disipación de calor 14. La interfaz 16 se adapta preferiblemente para conducir eficientemente energía térmica y para suprimir la transmisión de radiación electromagnética. La supresión de EMI se puede lograr mediante una combinación de absorción y reflexión de la radiación electromagnética. La interfaz 16 puede disponerse entre el componente electrónico 12 y el elemento de disipación de calor 14 a lo largo de un eje 18, que define una dirección de disipación 20 desde la fuente de calor (componente electrónico 12) al elemento de disipación de calor 14.
La interfaz 16 está preferiblemente en forma de relleno de partículas 22 dispersado en una matriz 24 de polímero termoplástico o termoendurecible. El relleno de partículas 22 incluye uno o más materiales termoconductores y supresores de EMI dispersos en la matriz polimérica 24 en una extensión suficiente para proporcionar una conductividad térmica deseada y propiedades de supresión de EMI. El relleno de partículas 22 puede comprender uno o más materiales, pero es heterogéneo en su morfología. En particular, se ha descubierto que una morfología de relleno de partículas heterogénea formada por la combinación de partículas esféricas y en forma de plaquetas produce una mejora no aditiva en la conductividad térmica y/o blindaje EMI sobre una fracción de volumen de carga equivalente de cualquier forma de relleno de partículas cuando se usa solo. En la mayoría de las realizaciones, por lo tanto, el relleno 22 en partículas puede incluir dos o más materiales en partículas distintos, formando una morfología de relleno heterogénea. Puede resultar útil una amplia variedad de materiales para preparar el relleno 22 en partículas, siempre que se logre la morfología heterogénea de la carga de la presente invención. Para los propósitos de la presente, el término "morfología" se refiere a las formas de las partículas que componen el relleno de partículas 22, en la que una "morfología heterogénea" se refiere a partículas que tienen diferentes formas físicas, y una "morfología homogénea" se refiere a partículas con características físicas sustancialmente similares. formas. Con respecto a la presente invención, se contempla una morfología heterogénea que incluye partículas de forma esférica y partículas de forma de plaquetas. Los materiales de ejemplo útiles para absorber radiación electromagnética en una amplia gama de frecuencias incluyen polvos metálicos magnéticos, tales como níquel o aleaciones de níquel y hierro o aleaciones de hierro. Otros metales magnéticos, cerámicas y ferritas de óxido metálico magnético, polvos de grafito/carbono, aleaciones metálicas y rellenos no metálicos también pueden ser útiles como materiales de supresión de interferencias electromagnéticas. Ejemplos ilustrativos específicos de materiales de supresión de EMI incluyen Nn-Zn, Ni-Zn, Fe-Ni, Fe-Si, Fe-Al, Fe-Co, aleaciones de hierro y partículas conductoras metálicas y no metálicas como plata, cobre, carbono. y grafito, así como nitruro de boro, poliacrilonitrilo, grafito y cerámicas magnéticas. Los materiales anteriores son únicamente a modo de ejemplo y no se pretende que sean limitativos del uso de los diversos materiales de supresión de EMI conocidos en la técnica.
Además de la propiedad de supresión de EMI, el relleno de partículas 22 incluye material de relleno térmicamente conductor que ayuda en la transferencia de energía térmica a través de la interfaz 16. Los rellenos de partículas térmicamente conductoras son bien conocidas en la técnica e incluyen, por ejemplo, alúmina, nitruro de aluminio, hidróxido de aluminio, nitruro de boro, nitruro de zinc y carburo de silicio. La presente invención contempla otros materiales de relleno de partículas térmicamente conductivos como útiles en el relleno de partículas 22, y pueden dispersarse en la matriz polimérica 24 a una concentración suficiente para proporcionar la interfaz 16 con una conductividad térmica a lo largo de la dirección de disipación 20 de al menos 0,5 w/m*K.
Al trabajar para lograr una mayor conductividad térmica y/o rendimiento de protección electromagnética sobre las composiciones convencionales, el solicitante ha descubierto sorprendentemente que una morfología de relleno particulada heterogénea específica de una combinación de partículas esféricas y en forma de plaqueta dispersas en una matriz de polímero exhibe una mejora del rendimiento no aditivo en el cual una concentración de carga dada de la carga particulado heterogéneo exhibe sustancialmente mejor conductividad térmica y/o blindaje electromagnético que una fracción de volumen de carga equivalente de una morfología de la carga particulado homogéneo de las partículas esféricas o de la plaqueta solas en la matriz polimérica. Sin embargo, tal efecto se observa sorprendentemente solo dentro de un marco específico de atributos de combinación, incluida la concentración de carga de relleno total, relaciones de aspecto de partículas, relaciones de carga relativas entre las partículas esféricas y de la plaqueta y relaciones de tamaño de partículas relativas entre las partículas esféricas y de la plaqueta. En particular, se descubrió que solo la combinación de rangos de cantidad específicos de tales atributos da como resultado la mejora del rendimiento beneficioso observado, y solo si cada uno de dichos rangos de cantidad de cada atributo estaba presente en la combinación. Por consiguiente, el sorprendente descubrimiento de la presente invención se deriva de una combinación de atributos específicos que operan en concierto. Las composiciones conocidas, por el contrario, representan sólo algunos de los atributos clave de la presente invención y, por lo tanto, no se dan cuenta de los resultados inesperados de la presente combinación.
La carga 22 de partículas de la presente invención incluye una combinación de partículas 32 sustancialmente esféricas y partículas 34 sustancialmente en forma de plaquetas. A los efectos de la presente, se considera que una partícula esférica tiene una relación de aspecto de entre 0,8 y 1,2, en la que la relación de aspecto de una partícula se determina de la siguiente manera:
Figure imgf000005_0001
En el que:
A = relación de aspecto
Dmayor= la dimensión más larga tomada a lo largo del eje de longitud o ancho de la partícula
Dmenor= la dimensión tomada a lo largo del eje de grosor de la partícula
En la Figura 3 se ilustra un ejemplo de partícula 32 sustancialmente esférica, en la que el eje longitudinal "L", el eje ancho "W" y el eje de grosor "T" se encuentran ortogonalmente en un origen central "O" de la partícula 32. La relación de aspecto "A" de la partícula 32 sustancialmente esférica se define por lo tanto como la dimensión transversal mayor a lo largo de los ejes "L" o "W' de longitud o anchura dividida por la dimensión transversal a lo largo del eje "T" de grosor. En el caso de una esfera perfecta, por lo tanto, las dimensiones pasantes son dimensiones de diámetro tomadas a lo largo de los ejes respectivos, lo que daría como resultado una relación de aspecto "A" de 1,0.
En la Figura 4 se ilustra una partícula 34 sustancialmente en forma de plaqueta con ejes respectivos de longitud, anchura y grosor. A los efectos de la presente, se considera que unas partículas de la plaqueta tienen dimensiones similares a lo largo de sus ejes de longitud y anchura "L", "W', pero con una dimensión sustancialmente más pequeña a lo largo de su eje de grosor "T", para producir una relación de aspecto de al menos 100.
Se ha descubierto que los tamaños de partículas esféricas y de plaquetas y, de manera importante, sus tamaños relativos en las dispersiones de la presente invención, son un aspecto importante para lograr la conductividad térmica observada y las propiedades de supresión de EMI. Por tanto, los respectivos tamaños de partícula pueden expresarse utilizando el concepto de "esferas equivalentes". En este caso, el tamaño de partícula se define por el diámetro de una esfera equivalente que tiene la misma propiedad que la partícula real, como el volumen. Para los propósitos de esta solicitud, se considera que el diámetro de partícula es el diámetro de esfera equivalente de volumen medio medido utilizando instrumentación de difracción láser y la teoría de Mie para interpretar los resultados. También debe entenderse que las partículas esféricas 32 y las partículas de la plaqueta 34 pueden no ser monodispersas, sino que pueden exhibir una distribución de tamaño de partícula de partículas sustancialmente de forma esférica y sustancialmente de forma de plaqueta de diferentes tamaños. Tal distribución puede expresarse en distribuciones ponderadas en volumen, en la que la contribución de cada partícula en la distribución se relaciona con el volumen de esa partícula. Para distribuciones de tamaño de partícula ponderadas en volumen, como las medidas por difracción láser, es conveniente informar los parámetros basados en el tamaño de partícula máximo para un volumen porcentual dado de la muestra. Los percentiles pueden definirse como:
Da b
En el que:
D = diámetro
a = ponderación de distribución (v para volumen)
b = porcentaje de muestra por debajo de este tamaño de partícula
Por ejemplo, el valor Dv 50 es el diámetro máximo de partícula por debajo del cual existe el cincuenta por ciento del volumen de muestra; también conocido como tamaño medio de partícula (diámetro) por volumen. Las distribuciones de tamaño de partículas típicas de la presente invención incluyen un Dv 10 de aproximadamente el 40-100 % del diámetro mediano, y un valor DvValor de 90 que es aproximadamente el 100-160 % del diámetro medio. Las distribuciones de tamaño de partículas medidas por difracción láser pueden confirmarse mediante examen directo con microscopía electrónica.
El solicitante ha determinado que el relleno de partículas 22 se dispersa preferiblemente en la matriz polimérica 24 a una concentración de carga del 30 al 50 % en volumen, y con Valor mayor preferencia a una concentración de carga del 40 al 50 % en volumen. Como se indicó anteriormente, es deseable que la interfaz 16 mantenga una característica "conformable" con un módulo de compresión volumétrico relativamente bajo. La carga de concentraciones de relleno 22 en forma de partículas en exceso del 50 % en volumen puede elevar indeseablemente el módulo de compresión en masa de la interfaz 16. El presente descubrimiento de la conductividad térmica mejorada y la atenuación de la radiación electromagnética por unidad de volumen de relleno de partículas, por lo tanto, permite dispersiones con concentraciones de carga total relativamente bajas del relleno de partículas 22 para mantener valores bajos del módulo de compresión a granel para la interfaz 16 , mientras se retiene una alta conductividad térmica y/o EMI valores de atenuación.
Dentro de la concentración de carga total del relleno de partículas 22 descrita anteriormente, el solicitante ha descubierto que una relación de carga entre las partículas de la plaqueta 34 y las partículas esféricas 32 logra los beneficios funcionales observados. A los efectos de la presente, el término "relación de carga volumétrica" se refiere a la relación de concentración, en volumen, de las partículas de la plaqueta 34 a las partículas esféricas 32. En las dispersiones de la presente invención se prefiere una relación de carga volumétrica de las partículas de la plaqueta 34 a las partículas esféricas 32 de entre 0,1:1 y 1:1.
Se ha determinado además que un elemento en la preparación de las dispersiones de la presente invención es una relación de diámetro de partícula entre las partículas de la plaqueta 34 y las partículas esféricas 32. La "relación de diámetro de partícula" compara los diámetros de partícula medianos de la plaqueta y las partículas esféricas de la dispersión, definiéndose anteriormente los diámetros de partícula medianos. Se ha descubierto que una relación de diámetro de partícula entre el diámetro medio de partículas de la plaqueta y el diámetro medio de partícula esférica está entre 1:1 y 20:1. El sorprendente beneficio funcional de la presente invención se elimina sustancialmente en relaciones de diámetro de partícula fuera de este intervalo.
Preferiblemente, la matriz polimérica 24 proporciona una característica general suave y flexible a la interfaz 16. Específicamente, la interfaz 16 exhibe un módulo de compresión global de menos de aproximadamente 5 MPa, y con mayor preferencia un módulo de compresión de volumen de menos de 1 MPa, así como una dureza aparente de entre aproximadamente 10 Shore 00 y 50 Shore A, y con mayor preferencia un Dureza aparente de entre 10 Shore 00 y 70 Shore 00, todo ello a una temperatura ambiente de 20 °C. En realizaciones particulares, la interfaz 16 puede exhibir una dureza de entre 15 Shore 00 y 30 Shore 00 a 20 °C. Tal flexibilidad y suavidad permite la aplicación de la interfaz 16 a superficies irregulares del componente electrónico 12 y el miembro de disipación de calor 14 sin la formación de espacios. El aspecto de adaptabilidad de la interfaz 16, provocado por sus bajos valores de módulo y dureza, es importante para garantizar un área de contacto continuo entre la interfaz térmicamente conductora 16 y los componentes asociados del paquete 10, para maximizar la eficiencia de transferencia de calor, así como para minimizar el riesgo de daño al componente electrónico 12 en el ensamblaje del paquete electrónico 10.
El módulo de compresión volumétrico y las propiedades de dureza volumétrica de la interfaz 16, que se derivan de la matriz polimérica 24, son tales que permiten la manejabilidad de la interfaz 16. En otras palabras, se desea que la interfaz 16 tenga una suavidad que esté dentro de un rango viable que proporcione tanto los beneficios de flexibilidad como de cumplimiento descritos anteriormente, así como suficiente dureza para ser relativamente estable dimensionalmente en su manipulación y montaje. El solicitante ha encontrado que los rangos de dureza descritos anteriormente, que incluyen entre 10 y 70 Shore 00, logran un equilibrio útil en el blindaje contra la radiación y la transferencia térmica en combinación con su facilidad de manejo, incluso mediante equipo automatizado. En algunas realizaciones, la interfaz 16 puede ser un cuerpo autoportante que es relativamente estable dimensionalmente a temperatura ambiente, o puede ser menos viscoso, incluyendo líquido dispensable para aplicaciones de forma in situ. Se pretende que los rangos de dureza y módulo descritos anteriormente se apliquen a la presente interfaz 16 instalada a temperatura ambiente. En condiciones operativas, con temperaturas elevadas, los valores de dureza de la presente interfaz 16 pueden reducirse, particularmente en el caso de que se empleen materiales de cambio de fase en las matrices poliméricas 24 de la presente interfaz 16.
La matriz polimérica 24 puede formarse a partir de un polímero termoplástico o termoendurecible. La matriz polimérica 24 se selecciona de entre polímeros basados en silicona, acrílico, uretano, epoxi, polisulfuro, poliisobutileno y polivinilo o poliolefina. Las matrices poliméricas desarrolladas a partir de tales resinas termoplásticas o termoendurecibles proporcionan un sustrato relativamente blando y flexible en el que el relleno 22 en partículas puede dispersarse a una concentración de entre aproximadamente 30 y 50 % en volumen.
Además de la propiedad de conductividad térmica descrita anteriormente, la interfaz 16 puede proporcionar además supresión de radiación electromagnética. En consecuencia, la radiación electromagnética que emana, por ejemplo, del componente eléctrico 32 puede ser absorbida o reflejada en una extensión significativa por la interfaz 16 para no transmitir a través del grosor "T". Preferiblemente, al menos aproximadamente el 10 % de la radiación electromagnética es absorbida o reflejada hacia una fuente en, por ejemplo, el componente electrónico 12. En algunas realizaciones, se permite que menos de aproximadamente el 90 % de la radiación electromagnética se transmita a través de la interfaz 16 de la presente invención. Se puede lograr una absorción de radiación electromagnética de al menos 1 dB/pulgada, y con mayor preferencia al menos 10 dB/pulgada a 2,4 GHz, mediante la interfaz 16 de la presente invención. Esta medida de la eficacia de la absorción electromagnética se puede medir mediante la siguiente relación:
Sil Szi
A = 10 * L0G ( 10^ 10^ ~ ) - h T
En el que:
A = absorción electromagnética (dB/in)
S11 = coeficiente de reflexión electromagnética
S21 = coeficiente de transmisión electromagnética
T = grosor de la almohadilla de interfaz (pulg.)
Ejemplos
Se prepararon conjuntos de almohadillas de interfaz térmica para probar la conductividad térmica y la absorción de radiación electromagnética con varias concentraciones de carga de relleno de partículas totales, relaciones de carga volumétrica entre partículas de la plaqueta y partículas esféricas, y relaciones de diámetro de partículas entre partículas de la plaqueta y partículas esféricas. Las almohadillas de interfaz se prepararon con un grosor de aproximadamente 1 mm para la prueba.
Ejemplo 1
Se preparó un primer conjunto de muestras de almohadillas de interfaz con partículas de alúmina sustancialmente esféricas disponibles de Denka y partículas de la plaqueta de nitruro de boro (BN) disponibles de Momentive. Se preparó una mezcla de una silicona con función de vinilo y una silicona con función de hidruro con un catalizador de platino y un inhibidor de maleato como resina base para la matriz polimérica de la almohadilla de interfaz. La mezcla de los materiales de resina, junto con las partículas de carga de alúmina y nitruro de boro se realizó usando lotes de 100 g en un mezclador de velocidad FlackTek durante treinta segundos a 2200 rpm. Después de mezclar, se dejó enfriar el material a 25 °C y luego se mezcló durante otros quince segundos a 2200 rpm.
Ejemplo 2
Se preparó otro conjunto de almohadillas de interfaz utilizando partículas de alúmina sustancialmente esféricas disponibles de Denka y partículas de grafeno en forma de plaquetas disponibles de Cabot. La matriz de polímero se preparó a partir de una silicona de moldeo de curado por condensación de dos componentes RTV disponible comercialmente. La cara de silicona A se mezcló con las partículas de grafeno y alúmina durante treinta segundos a 2200 rpm. Se dejó enfriar el material a 25°C, y luego se añadió el lado B de silicona y se mezcló durante otros 15 segundos a 2200 rpm.
Las Figuras 5-12 representan gráficamente la conductividad térmica y la absorción de radiación electromagnética de las almohadillas de interfaz de ejemplo descritas anteriormente mezcladas a diversas relaciones de carga volumétrica de plaquetas/esferas y relaciones de tamaño de partículas, así como concentraciones de carga de relleno de partículas totales. Las representaciones gráficas de los datos experimentales demuestran las propiedades de rendimiento deseadas dentro de rangos de atributos específicos, a saber, una concentración de carga de relleno de partículas total de 30-50 % por volumen en la matriz de polímero, una relación de carga volumétrica de partículas de la plaqueta a partículas esféricas entre 0,1:1 y 1:1, y una relación de diámetro de partícula entre el diámetro de partículas de la plaqueta y el diámetro de partícula esférica entre 1:1 y 20:1.
La Figura 5 representa la variación en la conductividad térmica de varias mezclas de partículas de nitruro de boro/alúmina con concentraciones de carga de relleno de partículas totales y relaciones de tamaño de partículas relativas. El gráfico muestra claramente que la dispersión de relleno de partículas que contiene partículas esféricas y de plaquetas supera significativamente a las dispersiones de relleno de partículas con partículas únicamente esféricas o de plaquetas, a concentraciones de carga total equivalentes. Esto demuestra un efecto "no aditivo", en el que el rendimiento de una combinación de partículas esféricas y de la plaqueta supera con creces el rendimiento esperado a esa concentración de carga.
La Figura 6 demuestra la variación en la conductividad térmica de las mezclas de dispersión de partículas de nitruro de boro/alúmina con relaciones relativas de diámetro de partículas y relaciones de carga volumétrica relativas. Puede verse en la Figura 6 que el sorprendente beneficio no aditivo de las presentes dispersiones disminuye significativamente más allá de una relación de diámetro de partícula plaqueta: esfera de 20:1.
La Figura 7 muestra la variación en la conductividad térmica de las mezclas de grafeno/alúmina con la concentración de carga de relleno de partículas total y las relaciones de diámetro de partícula relativo a una relación de carga volumétrica de partículas de la plaqueta a partículas esféricas de 0,1:1. Asimismo, la Figura 8 muestra la variación en la conductividad térmica de las mezclas de grafeno/alúmina con las concentraciones de carga de relleno de partículas totales y las relaciones de diámetro de partícula relativo a una relación de carga volumétrica de partículas de la plaqueta a partículas esféricas de 0,2:1.
La Figura 9 muestra la variación en la absorción de radiación electromagnética de mezclas de partículas de grafeno/alúmina con concentraciones de carga de relleno de partículas totales y relaciones de diámetro de partícula relativo a una relación de carga volumétrica de partículas de la plaqueta a partículas esféricas de 0,1:1. De manera similar, la Figura 10 muestra la variación en la absorción de radiación electromagnética de las mezclas de partículas de grafeno/alúmina con la concentración de carga de relleno de partículas totales y las relaciones de diámetro de partícula relativo a una relación de carga volumétrica de partículas de la plaqueta a partículas esféricas de 0,2:1. Cada una de las Figuras 7-10 demuestra los beneficios no aditivos de las dispersiones presentes dentro de sus respectivos rangos de atributos.
Las Figuras 11 y 12 muestran datos de conductividad térmica y absorción de radiación electromagnética para mezclas de dispersión de partículas de grafeno/alúmina con concentraciones de carga de relleno de partículas totales y relaciones de carga volumétricas relativas de las partículas de la plaqueta a las partículas esféricas.
La invención se ha descrito en la presente memoria con considerable detalle para cumplir con los estatutos de patentes y proporcionar a los expertos en la técnica la información necesaria para aplicar los principios novedosos y construir y utilizar realizaciones de la invención según sea necesario.

Claims (9)

REIVINDICACIONES
1. Un material de interfaz térmica que se puede colocar cerca de una fuente de calor para la disipación térmica de la fuente de calor y para el blindaje de interferencias electromagnéticas, comprendiendo dicho material de interfaz térmica:
una matriz polimérica seleccionada de polímeros basados en silicona, acrílico, uretano, epoxi, polisulfuro, poliisobutileno y polivinilo o poliolefina; y
relleno de partículas térmicamente conductor disperso en dicha matriz polimérica al 30-50 % en volumen, incluyendo dicho relleno de partículas sustancialmente esféricas que tienen una relación de aspecto de entre 0,8-1,2 y un diámetro de partículas esféricas, y partículas de la plaqueta que tienen una longitud, una anchura y un grosor y un diámetro de partícula de la plaqueta, en el que dicha longitud y dicho ancho son sustancialmente mayores que dicho grosor, y en el que dicha longitud y dicho ancho de dichas partículas de la plaqueta son iguales, teniendo dichas partículas de la plaqueta una relación de aspecto de al menos 100, un valor volumétrico la relación de carga de dichas partículas de la plaqueta a dichas partículas esféricas está entre 0,1:1 y 1:1, y una relación de diámetro de partículas de dicho diámetro de partículas de la plaqueta a dicho diámetro de partículas esféricas está entre 1:1 y 20:1, en el que dicho material de interfaz térmica exhibe un módulo de compresión de menos de 5 MPa a 20 °C y una conductividad térmica de al menos 0,5 W/m*K; y,
en el que dicho diámetro de partícula esférica y dicho diámetro de partículas de la plaqueta son el diámetro de esfera equivalente en volumen medio de las partículas, medido usando instrumentación de difracción láser e interpretado por la teoría de Mie.
2. El material de interfaz térmica de acuerdo con la reivindicación 1, que presenta una absorción de radiación electromagnética de al menos 10 dB/pulg a 2,4 GHz.
3. El material de interfaz térmica de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dicho relleno de partículas se dispersa en dicha matriz polimérica al 40-50 % en volumen.
4. El material de interfaz térmica de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dichas partículas esféricas incluyen alúmina y dichas partículas de la plaqueta se seleccionan del grupo que consiste en nitruro de boro, grafeno y combinaciones de los mismos.
5. El material de interfaz térmica de acuerdo con la reivindicación 4, en el que dicha matriz polimérica es un elastómero termoplástico.
6. El material de interfaz térmica de acuerdo con la reivindicación 1, que presenta un módulo de compresión volumétrico de menos de 1 MPa a 20 °C.
7. El material de interfaz térmica de acuerdo con la reivindicación 1, que presenta una dureza aparente de entre 10 Shore 00 y 50 Shore A a 20 °C.
8. El material de interfaz térmica de acuerdo con la reivindicación 1, que presenta una dureza aparente de entre 10 Shore 00 y 70 Shore 00 a 20 °C.
9. Un paquete electrónico, que comprende:
un componente electrónico;
un miembro de disipación de calor; y,
el material de interfaz térmica de la reivindicación 1 dispuesto entre y en contacto con dicho componente electrónico y dicho miembro de disipación de calor.
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