JP2009507106A

JP2009507106A - サーマルインターフェース材料、この製造方法、およびこれらの適用

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Publication number: JP2009507106A
Application number: JP2008529186A
Authority: JP
Inventors: ルチヤート，ブライアン; フリント，ジエイムズ・パトリツク; タウンゼント，リチヤード
Original assignee: Honeywell International Inc
Current assignee: Honeywell International Inc
Priority date: 2005-09-02
Filing date: 2006-08-28
Publication date: 2009-02-19
Also published as: WO2007027670A1; EP1920463A1; KR20080044276A; US20070051773A1; CN101258594A; TW200722512A

Abstract

少なくとも１つの相変化材料、および少なくとも１つの溶媒、溶媒混合物またはこれらの組み合わせ（この少なくとも１つの溶媒、溶媒混合物またはこれらの組み合わせは、少なくとも１つの相変化材料を少なくとも部分的に溶媒和する。）を含む、サーマルインターフェース材料が、本明細書で記載される。少なくとも１つの相変化材料を提供すること；少なくとも１つの溶媒、溶媒混合物またはこれらの組み合わせ（この少なくとも１つの溶媒、溶媒混合物またはこれらの組み合わせは、少なくとも１つの相変化材料を少なくとも部分的に溶媒和する。）を提供すること；ならびに少なくとも１つの相変化材料および少なくとも１つの溶媒、溶媒混合物またはこれらの組み合わせを物理的に結合することを含む、サーマルインターフェース材料を製造する方法もまた、記載される。

Description

本発明の分野は、電子構成要素、半導体構成要素、および他の関連する層状材料の適用におけるサーマルインターフェース材料である。

電子構成要素は、依然として数が増加している消費者用製品および商業電子製品において使用される。これらの消費者用製品および商業製品の一部の例は、テレビ、パーソナルコンピュータ、インターネットサーバー、携帯電話、ポケットベル、手のひらサイズのシステム手帳、携帯用ラジオ、カーステレオまたはリモコンである。これらの消費者用および商業用電子機器に対する要求が増加するにつれて、それらの同じ製品が消費者およびビジネスのために、より小さく、より機能的に、およびより携帯可能になることも、求められている。

これらの製品において大きさが小さくなる結果として、製品を構成する構成要素も、より小さくなる必要がある。大きさを小さくするまたは規模を小さくする必要があるこれらの構成要素のいくつかの例は、プリント回路または配線盤、抵抗器、配線、キーボード、タッチパッドおよびチップ実装である。

従って、より小型の電子構成要素および半導体構成要素のための要求に順応させるためにそれらの規模を小さくさせる、より優れた組成物、材料、および方法が存在するかどうかを決定するために、構成要素は、細分化され、調査されている。層状構成要素において、１つの目標は、層の数および／または層の厚さを減少させ、同時に、残った層の機能性および耐久性を向上させるということのようである。層および層の構成要素のいくつかが、デバイスを作動するために通常存在するべきである場合、この仕事は困難であり得る。

また、電子デバイスがより小型化されおよびより高速で作動するにつれて、熱の形態において放出されるエネルギーが、劇的に増加する。産業における一般的な慣行は、このようなデバイス中で、サーマルグリース、またはグリース様の材料を単独でまたは担体に載せて使用し、物理的インターフェースを通して、過剰な熱を移動させることである。サーマルインターフェース材料の最も一般的な種類は、サーマルグリース、相変化材料、およびエラストマーテープである。薄層中にひろがり、隣接する表面間に密接な接触を提供する能力があるので、サーマルグリースまたは相変化材料は、エラストマーテープよりも熱抵抗が低い。通常の熱インピーダンス値は、０．６から１．６℃ｃｍ^２／ｗの間の範囲に及ぶ。しかし、熱グリースの重大な欠点は、熱的性能が、６５℃から１５０℃などの熱サイクル後、またはＶＬＳＩチップにおいて使用される場合のパワーサイクル後に、著しく悪化することである。表面の平面性からの大きなずれにより、電子デバイスにおける接合面の間に形成するギャップが生じる場合、または接合面の間の大きなギャップが、製作公差などの他の理由のために存在する場合、これらの材料の性能が劣化することも発見されている。これらの物質の熱伝達性能が急激に低下する場合、それらが使用される電子デバイスの性能は、悪影響を及ぼされる。

従って、ａ）デバイスの大きさおよび層の数を最小にしながら、顧客の仕様を満足させるサーマルインターフェース材料および層状材料を設計するおよび製造する；ｂ）材料、構成要素または完成品の適合性要求に関して、より効率的およびより良好に設計された材料および／または構成要素を製造する；ｃ）所望のサーマルインターフェース材料および層状材料ならびに企図されたサーマルインターフェースおよび層状材料を含む構成要素を製造する、信頼できる方法を開発する；およびｄ）サーマルインターフェース材料を含む従来の層状材料よりも薄い界面を得るために、「印刷」され得るかまたはさもなければ表面に適用され得るサーマルインターフェース材料を開発する、継続的な必要性が存在する。

（概要）
少なくとも１つの相変化材料、および少なくとも１つの溶媒、溶媒混合物またはこれらの組み合わせを含むサーマルインターフェース材料が、本明細書に記載され、ここで少なくとも１つの溶媒、溶媒混合物、またはこれらの組み合わせは、少なくとも１つの相変化材料を少なくとも部分的に溶媒和する。

少なくとも１つの相変化材料を提供すること；少なくとも１つの溶媒、溶媒混合物、またはこれらの組み合わせを提供すること（ここで、少なくとも１つの溶媒、溶媒混合物、またはこれらの組み合わせは、少なくとも１つの相変化材料を少なくとも部分的に溶媒和する。）；ならびに少なくとも１つの相変化材料および少なくとも１つの溶媒、溶媒混合物またはこれらの組み合わせを物理的に結合することを含む、サーマルインターフェース材料を製造する方法も記載されている。

本発明の種々の対象、特徴、態様および有利点は、本発明の好ましい実施形態の以下の詳細な説明から、より明らかになる。

（詳細な説明）
適したサーマルインターフェース材料または構成要素は、接合面（「濡れた」表面）に適合するべきであり、低いバルク熱抵抗を有するべきであり、および低い接触抵抗を有するべきである。バルク熱抵抗は、材料のまたは構成要素の厚さ、熱伝導率および面積の関数として表され得る。接触抵抗は、材料または構成要素が、どれだけ良く、接合面、層または基材と接触することができるかの尺度である。該インターフェース材料または材料の熱抵抗は、
Θ（インターフェース）＝ｔ／ｋＡ＋２Θ_（接触）式１
で表すことができ、式中、
Θは熱抵抗であり、
ｔは材料の厚さであり、
ｋは材料の熱伝導率であり、
Ａはインターフェースの面積である。

項「ｔ／ｋＡ」は、バルク材料の熱抵抗を示し、項「２Θ_接触」は、２つの表面での接触熱抵抗を表している。適したインターフェース材料または構成要素は、低いバルク抵抗および低い接触抵抗（すなわち、接合面での）を有するべきである。

多くの電子および半導体適用は、サーマルインターフェース材料または構成要素が、構成要素の製造より生じる表面の平坦性からのずれおよび／または熱膨張係数（ＣＴＥ）の不一致による構成要素の反りに適応することを要求する。

サーマルグリースなどのｋの値が小さい材料は、境界面が薄い、すなわち、「ｔ」値が、小さい場合、良好な性能が得られる。境界面の厚さが、０．００２インチ程度のみ増加する場合、熱的性能は、劇的に低下し得る。熱的性能が低下するにつれて、こん包性能は、許容できない水準まで低下する。また、このような適用に対して、接合する構成要素間のＣＴＥにおける差異は、それぞれの温度サイクルまたはパワーサイクルで間隙の拡張および収縮を引き起こす。この境界面の厚さの変動によって、境界面から液体インターフェース材料（グリースなど）が排出される可能性がある。

境界面の面積が大きいほど、製造時の表面の平坦性からのずれが生じやすい。熱的性能を最適化するために、サーマルインターフェース材料は、非平面状の表面に適合可能となるべきであり、それにより接触抵抗が低くなる。

最適なサーマルインターフェース材料および／または成分は、高い熱伝導率および高い機械的コンプライアンスを有し、例えば、力が加えられる場合、弾性降伏する。高い熱伝導率が式１の第１項を減少させる一方、高い機械的コンプライアンスは、第２項を減少させる。本明細書に記載される、層状インターフェース材料および層状インターフェース材料の個別の構成要素により、これらの目標が達成される。

従来の材料による問題に応じて、本明細書に記載されるように、ａ）デバイスの大きさおよび層の数を最小にしながら、顧客の仕様を満たす；ｂ）材料、構成要素または完成品に必要な適合性に関して、より効率的およびより良好に設計された；ｃ）従来の材料よりも、より信頼できる方法により製造される；およびｄ）従来のサーマルインターフェース材料を含む従来の層状材料よりも薄い界面を得るために「印刷」され得るまたはさもなければ表面に適用され得る、サーマルインターフェース材料および相変化材料が設計され製造された。

本明細書で企図されるサーマルインターフェース材料は、相変化材料を１００％まで含み得る。例えば、企図されるサーマルインターフェース材料は、相変化材料を１００％含み得、または相変化材料を１００％以下、および少なくとも１つの架橋可能および／または順応性のある組成物を１％以上、および／または少なくとも１つのサーマルインターフェース組成物を含み得る（ＰＣＴ公開番号ＷＯ０２／９６６３６、ＷＯ０４／０２２３３０およびＷＯ０２／０６１７６４；ＰＣＴシリアル番号：ＰＣＴ／ＵＳ０２／２５４４７；ＵＳシリアル番号：１０／４６５９６８、１１／１５６６９８；ＵＳ特許番号：６４５１４２２、６６７３４３４、６７９７３８２、６９０８６６９、６２３８５９６、６６０５２３８、６８１１７２５および５９８９４５９、これらは全てＨｏｎｅｙｗｅｌｌＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＩｎｃにより全て所有され、およびこれらは、参照として本明細書に取り込まれる。）。サーマルインターフェース材料はまた、本明細書で企図されるように、ポリマーはんだ材料を含み得る（ＵＳ交付済み特許６７０６２１９、およびＵＳ係属出願シリアル番号：１０／７７５９８９において開示されるものなど、これらはＨｏｎｅｙｗｅｌｌにより両方とも所有され、およびこれらは、参照として本明細書に取り込まれる。）。従って、本明細書に記載されるように、相変化材料の０重量パーセントを超えて１００重量パーセントまでの量において、相変化材料を含むサーマルインターフェース材料が、本明細書で企図される。すなわち、本明細書で企図されるサーマルインターフェース材料のそれぞれにおいて、相変化材料の少なくともいくらかの量が存在するべきである。溶媒、溶媒混合物、または少なくとも１つの相変化材料と混合された溶媒の組み合わせが存在することも、理解されるべきである。

サーマルインターフェース材料組成物において必要である相変化材料の量は、主として構成要素または製品の必要性による。具体的に、成分または製品の必要性が、組成物またはインターフェース材料が「ソフトゲル」形態またはいくらか液体の形態であることを求める場合、多量の相変化材料が加えられる必要がない可能性がある。しかしながら、成分、層状材料または製品が、組成物または材料がより固体様であることを要求する場合、もっと多くの相変化材料が加えられるべきである。

本明細書で企図される相変化材料は、ワックス、ポリマーワックス、またはその混合物（パラフィンワックスなど）を含む。パラフィンワックスは、一般式Ｃ_ｎＨ_２ｎ＋２および約２０℃から１００℃の範囲における融点を有する固体炭化水素の混合物である。いくつかの企図される融点の例は、約４５℃および６０℃である。この範囲における融点を有する相変化材料は、ＰＣＭ４５およびＰＣＭ６０ＨＤ（両方ともＨｏｎｅｙｗｅｌｌＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＩｎｃ製）である。ポリマーワックスは、通常、ポリエチレンワックス、ポリプロピレンワックスであり、約４０℃から１６０℃の融点の範囲を有する。

ＰＣＭ４５は、約３．０Ｗ／ｍＫの熱伝導率、約０．２５℃ｃｍ^２／Ｗ（０．００３８℃ｃｍ^２／Ｗ）の熱抵抗を含み、通常、約０．００１５インチ（０．０４ｍｍ）の厚さで適用され、約５から３０ｐｓｉ（この条件下で可塑的に流れる）の通常の柔軟性を含む。ＰＣＭ４５の通常の特徴は、ａ）超高実装密度（８０％を超える）、ｂ）熱伝導性充填材、ｃ）極低熱抵抗、および上で述べたｄ）約４５°の相変化温度である。ＰＣＭ６０ＨＤは、約５．０Ｗ／ｍＫの熱伝導率、約０．１７℃ｃｍ^２／Ｗ（０．００２８℃ｃｍ^２／Ｗ）の熱抵抗を含み、通常、約０．００１５インチ（０．０４ｍｍ）の厚さで適用され、約５から３０ｐｓｉ（この条件下で可塑的に流れる）の通常の柔軟性を含む。ＰＣＭ４５の通常の特徴は、ａ）超高実装密度（８０％を超える）、ｂ）熱伝導性充填剤、ｃ）極低熱抵抗性、および上で述べたｄ）約６０°の相変化温度である。

ＴＭ３５０（相変化材料を含まない、およびＨｏｎｅｙｗｅｌｌＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＩｎｃ製であるサーマルインターフェース材料）は、約３．０Ｗ／ｍＫの熱伝導率、約０．２５℃ｃｍ^２／Ｗ（０．００３８℃ｃｍ^２／Ｗ）の熱抵抗を含み、通常、約０．００１５インチ（０．０４ｍｍ）の厚さで適用され、約５から３０ｐｓｉ（この条件下で可塑的に流れる）の通常の柔軟性を含む。ＴＭ３５０の通常の特徴は、ａ）超高実装密度（８０％を超える）、ｂ）熱伝導性充填剤、ｃ）極低熱抵抗性、ｄ）約１２５°の硬化温度、およびｅ）塗布式の非シリコン系サーマルゲルである。ＴＭ３５０は、本明細書に記載された、企図された実施形態において使用されるサーマルインターフェース組成物として見なされる。

相変化材料が固体および液体形態間を変動するにつれてそれらが熱を蓄えおよび放出するので、相変化材料は、サーマルインターフェース材料適用において有用である。相変化材料は、固体の状態に変化するときに熱を放出する。相変化材料は、液体に戻るときに熱を吸収する。相変化温度は、熱吸収および排出が起こる融解温度である。

ａ）材料の物理的または電子の特性を、材料が適用される構成要素（単一または複数）の仕様に変更するために；ｂ）材料の適用を促進するために材料の物理的特性を変更するために；および／またはｃ）材料中に、他の成分または充填材を取り込みやすくするために、溶媒、溶媒混合物、更なる溶媒またはこれらの組み合わせが、相変化材料、サーマルインターフェース組成物および／またはサーマルインターフェース材料に加えられる。企図される溶媒は、臨界温度などの望ましい温度で揮発する、または上記の企図された目標または必要性のいずれかを促進することが出来る、いずれかの適した純粋な有機もしくは無機分子またはこれらの混合物を含む。また、企図される溶媒は、相変化材料と相容性の溶媒であり、この溶媒は、上記の目標を達成するために相変化材料と相互作用する。いくつかの実施形態において、該溶媒、溶媒混合物またはそれらの組み合わせは、それが印刷技術により適用され得るように、相変化材料を溶媒和する。該溶媒、溶媒混合物、またはそれらの組み合わせはまた、いずれかの適した純粋な極性および非極性化合物またはこれらの混合物を含み得る。本明細書では、用語「純粋な」は、一定の組成を有する溶媒成分を意味する。例えば、純粋な水は、Ｈ_２Ｏのみから成る。本明細書では、用語「混合物」は、塩水を含む、純粋でない溶媒成分を意味する。本明細書では、用語「極性」は、分子または化合物の一点でのまたは軸に沿った、不均等電荷、部分電荷、または自発的な電荷分布を生み出す分子または化合物の特性を意味する。本明細書では、用語「非極性」は、分子または化合物の一点でのまたは軸に沿った、均等電荷、部分電荷、または自発的な電荷分布を生み出す分子または化合物の特性を意味する。

いくつかの企図される実施形態において、溶媒、溶媒混合物（少なくとも２つの溶媒を含む）またはこの組み合わせは、溶媒の炭化水素族の一部であると考えられるこれらの溶媒を含む。炭化水素溶媒は、炭素および水素を含む溶媒である。炭化水素溶媒の大部分は非極性であるが、極性であると見なされ得る少しの炭化水素溶媒が存在すると理解するべきである。炭化水素溶媒は、一般に３つの種類：脂肪族、環式および芳香族に細分される。脂肪族炭化水素溶媒は、直鎖状化合物、ならびに分枝状および場合により架橋している化合物を両方含み得るが、しかし脂肪族炭化水素溶媒は、環式と見なされない。環式炭化水素溶媒は、脂肪族炭化水素溶媒と同様の特性を有する、環構造内に配向された少なくとも３つの炭素原子を含む溶媒である。芳香族炭化水素溶媒は、単一の環、または共通の結合および／または一緒に融合された複数の環により結びつけられた複数の環を有する、一般に３つ以上の不飽和結合を含む溶媒である。企図される炭化水素溶媒は、トルエン、キシレン、ｐ−キシレン、ｍ−キシレン、メシチレン、ソルベントナフサＨ、ソルベントナフサＡ、ＩｓｏｐａｒＨ、および他のパラフィン油、アルカン（ペンタン、ヘキサン、イソヘキサン、ヘプタン、ノナン、オクタン、ドデカン、２−メチルブタン、ヘキサデカン、トリデカン、ペンタデカン、シクロペンタン、２，２，４−トリメチルペンタン、石油エーテルなど）、ハロゲン化炭化水素（塩素化炭化水素など）、ニトロ化炭化水素、ベンゼン、１，２−ジメチルベンゼン、１，２，４−トリメチルベンゼン、ミネラルスピリット、ケロシン、イソブチルベンゼン、メチルナフタレン、エチルトルエン、リグロインを含む。特に企図される溶媒は、限定されないが、ペンタン、ヘキサン、ヘプタン、シクロヘキサン、パラフィン油、ベンゼン、トルエン、キシレン、およびこれらの混合物または組み合わせを含む。

他の企図される実施形態において、溶媒または溶媒混合物は、ケトン（アセトン、ジエチルケトン、メチルエチルケトンなど）、アルコール、エステル、エーテルおよびアミンなどの、化合物の炭化水素溶媒族の一部と見なされない溶媒を含み得る。更に他の企図される実施形態において、溶媒または溶媒混合物は、本明細書で示唆されるいずれかの溶媒の組み合わせを含み得る。

本明細書で企図されるサーマルインターフェース材料において、溶媒、溶媒混合物、またはそれらの組み合わせは、相変化材料に対し、およびまたサーマルインターフェース組成物および／またはサーマルインターフェース材料に対し、適切な重量パーセントにおいて存在する。１つの実施形態において、ＩｓｏｐａｒＨなどの溶媒は、約４０重量パーセント未満の量において存在し得る。もう１つの実施形態において、ＩｓｏｐａｒＨは、約２０重量パーセント未満の量において存在し得る。更に他の実施形態において、ＩｓｏｐａｒＨは、約１０重量パーセント未満の量において存在し得る。この例は、溶媒が、本明細書中で開示される実施形態において、どのように利用され得るかを例示するであろう。

相変化材料およびサーマルインターフェース組成物の両方を含むサーマルインターフェース材料の１つの例は、本明細書に記載の企図される実施形態のいくつかなどのゴム樹脂改質パラフィンポリマーワックスである。パラフィンに基づく相変化材料は、それだけでは、非常に脆く、取り扱いにくい可能性がある。それらはまた、熱循環の間にそれらが適用されるデバイスからの隙間から絞り出される傾向があり、グリースに非常によく似ている。相変化材料および他の「非−相変化材料」サーマルインターフェース組成物との組み合わせは、これらの問題を回避し、著しく改善された扱い易さを提供し、柔軟なテープまたは固体の層の形において製造され得、および圧力下で、排出されたりまたは滲出したりしない。ゴム−樹脂−ワックス混合物は、同じかまたはほとんど同じ温度を有し得るが、これらの融解粘度ははるかに高く、およびそれらは容易に移動しない。更に、ゴム−ワックス−樹脂混合物は、自己架橋するように設計され得、このことは、特定の適用における排出の問題を排除することを確実にする。企図される相変化材料の例としては、マレイン化パラフィンワックス、ポリエチレン−無水マレイン酸ワックス、およびポリプロピレン−無水マレイン酸ワックスが挙げられる。ゴム−樹脂−ワックス混合物は、約５０から１５０℃の間の温度で機能的形態になり、架橋ゴム−樹脂網目状構造を形成する。

１つの企図される架橋可能なサーマルインターフェース組成物は、少なくとも１つのゴム化合物、少なくとも１つのアミン樹脂および少なくとも１つの熱伝導性充填材を組み合わせることにより製造される。この企図されるサーマルインターフェース組成物は、液体または「ソフトゲル」の形態をとる。本明細書では、「ソフトゲル」は、分散相が連続相と組み合わされて粘着性の「ゼリー様」生成物を形成する、コロイドを意味する。サーマルインターフェース組成物のゲル状態またはソフトゲル状態は、少なくとも１つのゴム化合物組成物と少なくとも１つのアミン樹脂組成物の間の架橋反応を通して生じる。より具体的に、アミン樹脂が、ゴム組成物中に取り込まれ、ゴム化合物上で第一ヒドロキシル基を架橋し、ソフトゲル相を形成する。従って、ゴム化合物の少なくともいくつかが、少なくとも１つの末端ヒドロキシル基を含むことが企図されている。本明細書では、語句「ヒドロキシル基」は、溶液中でイオン化する多くの無機および有機化合物において発生し、ＯＨラジカルを生じる、一価の基「−ＯＨ」を意味する。また、「ヒドロキシル基」は、アルコールの特徴的な基である。本明細書では、語句「第一ヒドロキシル基」は、ヒドロキシル基が、分子または化合物の末端位置にあることを意味する。本明細書で企図されるゴム化合物はまた、アミン樹脂と架橋反応をも引き起こせるような、追加的な、第二級、第三級、またはさもなければ内部のヒドロキシル基を含み得る。この追加的な架橋は、ゲルが組み込まれるべき生成物または構成要素に対して必要な最終ゲル状態によって決まることが望ましいことがある。

ゴム化合物は、それが、組成物の他の成分に応じ、他のゴム化合物と分子間で、またはそれら自体と分子間で架橋出来るという点で、「自己架橋可能」であり得ることが企図されている。ゴム化合物がアミン樹脂化合物により架橋され、それら自体とまたは他のゴム化合物といくらかの自己架橋作用を示し得ることも、企図される。

好ましい実施形態において、利用されるゴム組成物または化合物は、飽和または不飽和のどちらかであり得る。飽和ゴム化合物は、熱酸化分解を受けにくいので、この適用において好ましい。使用され得る飽和ゴムの例としては、エチレン−プロピレンゴム（ＥＰＲ、ＥＰＤＭ）、ポリエチレン／ブチレン、ポリエチレン−ブチレン−スチレン、ポリエチレン−プロピレン−スチレン、水素化ポリアルキルジエン「モノオール」（水素化ポリブタジエンモノオール、水素化ポリプロパジエンモノオール、水素化ポリペンタジエンモノオールなど）、水素化ポリアルキルジエン「ジオール」（水素化ポリブタジエンジオール、水素化ポリプロパジエンジオール、水素化ポリペンタジエンジオールなど）および水素化ポリイソプレンがある。しかし、化合物が不飽和である場合、化合物を水素化処理して、二重結合の少なくともいくつかを破壊するまたは取り除くことが、最も好ましい。本明細書では、語句「水素化処理」は、二重結合のいくつかまたは全てに水素を直接付加して、飽和生成物を生成すること（水素添加）により、または二重結合を完全に破壊して、その断片が更に水素と反応する（水素化分解）ことのどちらかにより、不飽和有機化合物が水素と反応することを意味する。不飽和ゴムおよびゴム化合物の例は、ポリブタジエン、ポリイソプレン、ポリスチレン−ブタジエンおよび他の不飽和ゴム、ゴム化合物、またはゴム化合物の混合物／組み合わせである。

本明細書では、用語「順応性がある」は、室温で固体であり降伏しない材料とは対照的に、特にほぼ室温で、降伏し成形可能である、材料または構成要素の性質を包含する。本明細書では、用語「架橋可能な」は、まだ架橋されていない材料または化合物をいう。

本明細書では、用語「架橋」は、少なくとも２つの分子、または長い分子の２つの部分が、化学的相互作用により一緒に連結する過程をいう。このような相互作用は、共有結合の形成、水素結合の形成、疎水性相互作用、親水性相互作用、イオン性相互作用または静電相互作用を含む、多くの異なる方法において生じ得る。更に、分子相互作用はまた、分子およびそれ自身の間、または２つ以上の分子の間の、少なくとも一時的な物理接続により特徴付けられ得る。

各種のゴム化合物の複数を混合して、架橋可能なサーマルインターフェース組成物を生成し得るが、しかし、これらのサーマルインターフェース組成物において、ゴム化合物または成分の少なくとも１つが飽和化合物であることが、企図される。オレフィン含有または不飽和のサーマルインターフェース材料に適切な伝熱充填材を加えることによって、熱能力は、０．５ｃｍ^２℃／ｗ未満となる。熱グリースとは異なり、サーマルインターフェース組成物の熱的性能は、ＩＣデバイスにおける熱循環または流れ循環の後に低下しないが、なぜなら、液体オレフィンおよび液体オレフィン混合物（アミン樹脂を含むものなど）が、架橋して、熱活性化によってソフトゲルを形成するからである。更に、サーマルインターフェース材料として適用される場合、使用時にサーマルグリースのように「絞り出される」ことなく、熱循環の間に境界面はく離が起こらない。

アミンまたはアミンに基づく樹脂は、ゴム組成物、またはゴム化合物の混合物中に加えられるかまたは取り込まれ、主に、アミン樹脂と、ゴム化合物の少なくとも１つの第一または末端ヒドロキシル基の間の架橋反応を容易にする。アミン樹脂とゴム化合物の間の架橋反応は、液体状態の代わりに、混合物における「ソフトゲル」相を生成する。アミン樹脂とゴム組成物の間の架橋の程度、および／またはゴム化合物それ自体の間の架橋の程度は、ソフトゲルの軟度を決定する。例えば、アミン樹脂およびゴム化合物が最小量の架橋を経る（架橋に使用可能な部位の１０％が、架橋反応において実際に使用される。）場合、次いで、ソフトゲルは、より「液状」になる。しかし、アミン樹脂およびゴム化合物が著しい量の架橋を経る（架橋に使用可能な部位の４０から６０％は、架橋反応において実際に使用され、場合により、ゴム化合物自体の間の分子間架橋または分子内架橋が、測定可能な程度に存在する。）場合、次いで、該ゲルは、より厚くおよびより「固体様」になるであろう。

アミンおよびアミン樹脂は、樹脂主鎖のいずれかの部分に少なくとも１つのアミン置換基を含む樹脂である。アミンおよびアミン樹脂はまた、尿素、チオ尿素、メラミンまたは関連化合物と、アルデヒド、特に、ホルムアルデヒドとの反応から誘導される合成樹脂である。通常のおよび企図されるアミン樹脂は、第一級アミン樹脂、第二級アミン樹脂、第三級アミン樹脂、グリシジルアミンエポキシ樹脂、アルコキシベンジルアミン樹脂、エポキシアミン樹脂、メラミン樹脂、アルキル化メラミン樹脂およびメラミンアクリル樹脂である。メラミン樹脂が特に有用であり、本明細書に記載されるいくつかの企図される実施形態において好ましいが、なぜならば、ａ）該メラミン樹脂が、環系化合物であり、環が３つの炭素および３つの窒素原子を含み、ｂ）該メラミン樹脂が、縮合反応を通じて他の化合物および分子と容易に結合でき、ｃ）該メラミン樹脂が、他の分子および化合物と反応して鎖の成長および架橋を促進でき、ｄ）該メラミン樹脂が、尿素樹脂より、耐水性および耐熱性が優れており、ｅ）該メラミン樹脂が、水溶性シロップとしてまたは水中に分散可能な不溶性粉末として使用され得、およびｆ）該メラミン樹脂が、高融点を有する（３２５℃より高く、相対的に難燃性である）からである。アルキル化メラミン樹脂（ブチル化メラミン樹脂、プロピル化メラミン樹脂、ペンチル化メラミン樹脂、ヘキシル化メラミン樹脂など）は、樹脂形成の間にアルキルアルコールを組み込むことにより、形成される。これらの樹脂は、塗料およびエナメル溶媒中に、ならびに表面被覆中に可溶性である。

サーマルインターフェース材料または混合物中に分散される熱充填材粒子は、有利には高い熱伝導率を有するべきである。適した充填材材料は、銀、銅、アルミニウム、およびそれらの合金などの金属；ならびに窒化ホウ素、窒化アルミニウム、銀で被覆された銅、銀で被覆されたアルミニウム、伝導性ポリマーなどの他の化合物および炭素繊維を含む。窒化ホウ素および銀との組み合わせ、または窒化ホウ素および銀／銅との組み合わせはまた、増強された熱伝導率を提供する。少なくとも２０重量％の量における窒化ホウ素および少なくとも約６０重量％の量における銀が、特に有用である。好ましくは、約２０ｗ／ｍ℃を超える、および最も好ましくは少なくとも約４０ｗ／ｍ℃の熱伝導率を有する充填材が、使用され得る。最適には、約８０ｗ／ｍ℃以上の熱伝導率の充填材を有することが、望ましい。

本明細書では、用語「金属」は、ケイ素およびゲルマニウムなどの、金属様特性を有する元素に加えて、元素の周期律表のｄ−ブロックおよびｆ−ブロックに存在する元素を意味する。本明細書では、語句「ｄ−ブロック」は、元素の核を取り囲む、３ｄ、４ｄ、５ｄ、および６ｄ軌道を満たす電子を有する元素を意味する。本明細書では、語句「ｆ−ブロック」は、ランタニドおよびアクチニドを含む、元素の核を取り囲む４ｆおよび５ｆ軌道を満たす電子を有する元素を意味する。好ましい金属は、インジウム、銀、銅、アルミニウム、スズ、ビスマス、ガリウムおよびこれらの合金、銀で被覆された銅、ならびに銀で被覆されたアルミニウムを含む。用語「金属」はまた、合金、金属／金属複合物、金属セラミック複合物、金属ポリマー複合物、並びに他の金属複合物を含む。本明細書では、用語「化合物」は、化学的過程により元素にまで分解され得る一定の組成を有する物質を意味する。

追加的な充填材、物質または粒子（充填材粒子など）、湿潤剤、または酸化防止剤を、サーマルインターフェース材料に組み込むことも、好都合である。実質的に球状の充填剤粒子が、実装密度を最大限にするために、サーマルインターフェース材料に含まれ得る。更に、実質的に球状の形状または同様の形状は、圧密化の間、厚さをある程度制御する。ゴム材料中の充填材として有用な通常の粒径は、約１から２０μｍの範囲であり、最大約１００μｍである。

充填材粒子の分散は、オルガノシラン、有機チタン塩、有機ジルコニウムなどの官能性有機金属カップリング剤または「湿潤」剤の添加により促進され得る。有機チタン酸塩は、ペーストの粘度を減少させ、充填材の充填量を増加させる、湿潤促進剤として機能する。使用され得る有機チタン酸塩は、チタン酸イソプロピルトリイソステアリルである。有機チタン酸塩の一般的な構造は、ＲＯ−Ｔｉ（ＯＸＲＹ）（ここで、ＲＯは、加水分解性の基であり、ならびにＸおよびＹは、結合性官能基である。）である。

酸化防止剤も、硬化ゴムゲルまたは固体サーマルインターフェース材料の、酸化および熱分解を防止するために加えられ得る。通常の有用な酸化防止剤は、Ｈａｗｔｈｏｒｎｅ．Ｎ．ＹのＣｉｂａＧｉｅｇｙから入手可能な、フェノール型のＩｒｇａｎｏｘ１０７６またはアミン型のＩｒｇａｎｏｘ５６５（０．０１％から約１重量％で）を含む。通常の硬化促進剤は、ジデシルメチルアミンなどの第三級アミンを含む（５０ｐｐｍ‐‐０．５重量％で）。

少なくとも１つの触媒も、サーマルインターフェース材料の成分のいくつかまたは全ての間の架橋反応または連鎖反応を促進するために、サーマルインターフェース組成物および／またはサーマルインターフェース材料に添加され得る。本明細書では、用語「触媒」は、それ自身が消費されるまたは化学変化を経ること無く、化学反応の速度に大きな影響を及ぼす物質または条件を意味する。触媒は、有機物、無機物、または有機基および金属ハロゲン化物との組み合わせであってよい。物質ではないが、光および熱も、触媒として作用することが出来る。企図される実施形態において、該触媒は、酸である。好ましい実施形態において、該触媒は、有機酸（カルボン酸、酢酸、ギ酸、安息香酸、サリチル酸、ジカルボン酸、シュウ酸、フタル酸、セバシン酸、アジピン酸、オレイン酸、パルミチン酸、ステアリン酸、フェニルステアリン酸、アミノ酸、およびスルホン酸など）である。

ＡｐｐｌｉｅｄＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｉｎｃ．，Ｃｅｄａｒｖｉｌｌｅ，Ｏｈｉｏから入手可能なものなどの、「気相成長炭素繊維」（ＶＧＣＦ）と呼ばれる炭素繊維の特別な形を含む充填材は、特に効果がある。ＶＧＣＦまたは「炭素超極細繊維」は、熱処理により高度に黒鉛化された種類のものである（熱伝導率＝１９００ｗ／ｍ℃）。約０．５重量％の炭素超極細繊維を添加すると、熱伝導率が著しく上昇する。このような繊維は、様々な長さおよび直径（すなわち、１ミリメートル（ｍｍ）から数十センチメートル（ｃｍ）までの長さ、および１μｍ未満から１００μｍを超える直径）において、利用可能である。ＶＧＣＦの１つの有用な形態は、約１μｍ以下の直径および約５０から１００μｍの長さを有し、ならびに５μｍを超える直径を有する他の通常の炭素繊維よりも約２または３倍大きい熱伝導率を有する。

ポリマー系ならびにインターフェース構成要素およびインターフェース系中に多量のＶＧＣＦを取り込むことは、困難である。炭素超極細繊維（例えば、約１μｍ以下）がポリマー中に添加される場合、それらは良く混ざらないが、なぜなら、主に、熱伝導における任意の著しい有益な改善を得るために、多量の繊維がポリマー中に添加されなければならないからである。しかしながら、我々は、比較的多量の炭素超極細繊維が、相対的に多量の他の従来の充填剤を有するポリマー系に添加され得ることを、以前に出願された出願中で発見し、明らかにした。単独でポリマーに添加することが出来る他の繊維と一緒に添加する場合、より多量の炭素超極細繊維が、ポリマーに添加され得、従って、サーマルインターフェース材料の熱伝導率の向上に関してより大きい利益を提供する。望ましくは、炭素超極細繊維のポリマーに対する比率は、重量で０．０５から０．５０の範囲である。

企図されるサーマルインターフェース材料、相変化材料および／またはサーマルインターフェース組成物は、塗布方法（スクリーン印刷、インクジェット印刷、液糸塗布；噴霧；スタンピング；リソグラフィまたはウェットオフセットのあらゆる種類；ローラー印刷；凸版印刷；グラビア印刷；フレキソ印刷；平板印刷；オフセット印刷；謄写版印刷；感熱複写法；ホットスタンピングおよび転写印刷技術；並びにブラッシングおよびステンシル技術など）により塗布される、塗布式の液体ペースト、ソフトゲル、または液体材料として提供され得る。要約すれば、ペースト、液体および／またはソフトゲル製品または材料を取り込むことが出来るいずれかの印刷方法または塗布方法が、本教示の実施形態で、効果的に使用され得る。塗布式の液体ペーストは、次いで所望どおり硬化され得る。「塗布層」は、構成要素の必要によって連続層またはパターン層として固着され得ることをまた、理解するべきである。これらの層はまた、連続層として固着され得、次いでパターン層を形成するためにエッチバックされる。上記で示した目標の少なくとも１つを満たすサーマルインターフェース材料を含む従来の層状材料よりも、より薄い界面を得るために、これらのサーマルインターフェース材料、相変化材料およびサーマルインターフェース組成物の能力は、「印刷され」またはさもなければ表面に適用される。

企図されるサーマルインターフェース材料はまた、ヒートシンクなどの境界面表面上に予め適用するための、高度に順応性のある、硬化された、エラストマーフィルムまたはシートとして提供され得る。それは更に、前に示唆したものを含む、いずれかの適した塗布方法により表面上に適用され得るソフトゲルまたは液体として提供および製造され得る。更に、該材料は、インターフェース表面または電子構成要素に直接適用され得るテープとして提供され得る。

本明細書に記載の、企図されるサーマルインターフェース組成物、サーマルインターフェース材料、層状インターフェース材料および相変化材料の適用は、他の層状材料、電子構成要素または完成した電子製品に、該材料および／または成分を取り込むことを含む。本明細書で企図される電子構成要素は、電子に基づく製品において利用され得るいずれかの層状構成要素を含むと一般に考えられる。企図される電子構成要素は、回路基板、チップ包装、分離シート、回路基板の誘電体構成要素、プリント配線板、および回路基板の他の構成要素（コンデンサ、インダクタおよび抵抗器など）を含む。

エレクトロニクス製品は、それらが、産業においてまたは他の消費者により使用される準備ができているという意味において「完成」され得る。完成した消費者製品の例は、テレビ、コンピュータ、携帯電話、ポケットベル、手のひらサイズのシステム手帳、携帯用ラジオ、カーステレオおよびリモコンである。また、完成した製品において使用される可能性がある、回路基板、チップ包装およびキーボードなどの「中間」製品がまた、企図される。

電子製品はまた、概念モデルから最終のスケールアップ／原寸模型への開発のいずれかの段階での原型の構成要素を含み得る。原型は、最終製品中に企図される実際の構成要素の全てを含むまたは含まない可能性があり、および原型は、他の構成要素への初期効果を初期試験の間に消し去るために、複合材料から組み立てられるいくつかの構成要素を有し得る。

このようにして、サーマルインターフェース材料の具体的な実施形態および適用が、開示されてきた。しかしながら、すでに記載されたこと以外に、より多くの変更が本発明の概念から逸脱することなく可能であることが、当業者に明らかである。本発明の主題は、従って、添付の特許請求の範囲の精神内であること以外に制限されるべきでない。更に、明細書および特許請求の範囲の両方の解釈において、全ての用語は、文脈と矛盾しない、広範で可能な方法において解釈されるべきである。特に、用語「含む」および「含んでいる」は、要素、構成要素もしくは非排他的方法における段階を指し、言及された要素、構成要素もしくは段階が、存在しまたは使用され、または特に示唆されない他の要素、構成要素もしくは段階を、併せ持ち得ることを示すものとして、解釈されるべきである。

Claims

少なくとも１つの相変化材料、および
少なくとも１つの溶媒、溶媒混合物またはこれらの組み合わせ（該少なくとも１つの溶媒、溶媒混合物またはこれらの組み合わせは、少なくとも１つの相変化材料を少なくとも部分的に溶媒和する。）
を含む、サーマルインターフェース材料。
少なくとも１つの追加的な構成要素を更に含む、請求項１のサーマルインターフェース材料。
少なくとも１つの追加的な構成要素が、サーマルインターフェース組成物を含む、請求項２のサーマルインターフェース材料。
少なくとも１つの相変化材料が、約４０から約１６０℃の融点を有する、請求項１のサーマルインターフェース材料。
少なくとも１つの相変化材料が、パラフィンワックス、ポリマーワックス、またはこれらの組み合わせを含む、請求項１のサーマルインターフェース材料。
少なくとも１つのポリマーワックスが、ポリエチレンワックス、ポリプロピレンワックス、またはこれらの組み合わせを含む、請求項５のサーマルインターフェース材料。
少なくとも１つの溶媒または溶媒混合物が、少なくとも１つの炭化水素化合物を含む、請求項１のサーマルインターフェース材料。
少なくとも１つの炭化水素化合物が、ＩｓｏｐａｒＨを含む、請求項７のサーマルインターフェース材料。
請求項１のサーマルインターフェース材料を含む、層状構成要素。
請求項１のサーマルインターフェース材料を含む、電子構成要素。
請求項２のサーマルインターフェース材料を含む、層状構成要素。
請求項２のサーマルインターフェース材料を含む、電子構成要素。
請求項３のサーマルインターフェース材料を含む、テープ。
層が、表面または基材上に印刷された、請求項１のサーマルインターフェース材料の層。
層が、連続層である、請求項１４の層。
層が、パターン層である、請求項１４の層。
層が、印刷デバイスを使用することにより、またはスクリーン印刷により、表面または基材上に印刷される、請求項１４の層。
印刷デバイスが、インクジェットプリンタである、請求項１７の層。
少なくとも１つの相変化材料を提供すること；
少なくとも１つの溶媒、溶媒混合物またはこれらの組み合わせ（該少なくとも１つの溶媒、溶媒混合物またはこれらの組み合わせは、少なくとも１つの相変化材料を少なくとも部分的に溶媒和する。）を提供すること；ならびに
少なくとも１つの相変化材料および少なくとも１つの溶媒、溶媒混合物またはこれらの組み合わせを物理的に結合すること
を含む、サーマルインターフェース材料の製造方法。
少なくとも１つの追加的な構成要素を提供すること、ならびに少なくとも１つの追加的な構成要素と、少なくとも１つの相変化材料および少なくとも１つの溶媒、溶媒混合物またはこれらの組み合わせとを物理的に結合することを更に含む、請求項１９の方法。
少なくとも１つの追加的な構成要素が、サーマルインターフェース組成物を含む、請求項２０の方法。
少なくとも１つの相変化材料が、約４０から約１６０℃の融点を有する、請求項１９の方法。
少なくとも１つの相変化材料が、パラフィンワックス、ポリマーワックス、またはこれらの組み合わせを含む、請求項１９の方法。
少なくとも１つのポリマーワックスが、ポリエチレンワックス、ポリプロピレンワックス、またはこれらの組み合わせを含む、請求項２３の方法。
少なくとも１つの溶媒または溶媒混合物が、少なくとも１つの炭化水素化合物を含む、請求項１９の方法。
少なくとも１つの炭化水素化合物が、ＩｓｏｐａｒＨを含む、請求項２５の方法。