JP2014517440A - Ledアセンブリ内の熱管理方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、米国特許法第119条(e)に基づき、2011年3月22日出願の米国特許仮出願第61/466231号の利益を主張する。米国特許仮出願第61/466231号は、参照することにより本明細書に組み込まれる。
(a)熱管理組成物の堆積体を、少なくとも1つの開口部を有する付着手段を通じて、LED実装回路基板の第2面又はヒートシンクの表面のいずれかに適用し、少なくとも1つの開口部が側壁で囲まれた外周部を有し、側壁が高さを有し、高さが付着手段の平均高さと比べて、付着手段上の開口部の外周部の少なくとも一部の周囲で低くなっている、工程と、
(b)LED実装回路基板とヒートシンクとを固着し、熱管理組成物がLED実装回路基板の第2面とヒートシンクの表面との間に存在する、工程。
(A)1分子あたり平均で少なくとも2つの脂肪族不飽和有機基を有するポリオルガノシロキサンベースポリマーと、
任意で(B)1分子あたり平均で少なくとも2つのケイ素結合水素原子を有する架橋剤と、
(C)ヒドロシリル化反応触媒及び過酸化物硬化触媒から選択される触媒と、
(D)熱伝導性充填剤と、任意で、
(E)成分(A)に可溶性であり、組成物の硬化を阻害しない有機可塑剤。
ヒドロシリル化硬化性組成物は、(A’)1分子あたり平均で少なくとも2つの脂肪族不飽和有機基を有するポリオルガノシロキサンベースポリマーを100重量部、(B’)シラン又はシロキサンなどの、1分子あたり平均で少なくとも2つのケイ素結合水素原子を有する架橋剤、並びに(C’)組成物の硬化によって調製した硬化シリコーンがシリコーンゴムとなるように成分及び量を選択可能であり、組成物の硬化を開始するのに十分な量の白金族金属触媒、を含み得る。
ヒドロシリル化硬化性組成物の成分(A’)は、1分子平均で少なくとも2つの脂肪族不飽和有機基を有するポリオルガノシロキサンを含み得る。成分(A’)は直鎖又は分岐鎖構造を有し得る。成分(A’)は、ホモポリマー又はコポリマーであり得る。脂肪族不飽和有機基は、ビニル、アリル、ブテニル、及びヘキセニルによって例示されるがこれらに限定されないアルケニル基であり得る。不飽和有機基は、エチニル、プロピニル、及びブチニルによって例示されるがこれらに限定されないアルキニル基であり得る。成分(A’)の脂肪族不飽和有機基は、末端に、側枝に、又は末端及び側枝の両方に位置し得る。
式(I):R1 2R2SiO(R1 2SiO)d(R1R2SiO)eSiR1 2R2、
式(II):R1 3SiO(R1 2SiO)f(R1R2SiO)gSiR1 3、又はこれらの組み合わせ。
ヒドロシリル化硬化パッケージ中の成分(B’)は1分子あたり少なくとも2つのケイ素結合水素原子を有するシラン又はオルガノ水素ポリシロキサンであり得る。ヒドロシリル化硬化性組成物中の成分(B’)の量は、成分(B’)のSiH含有量、成分(A’)の不飽和基含有量、及び所望の組成物の硬化生成物の特性、を含む様々な因子によって決まるが、成分(B’)の量は、成分(B’)中におけるSIH基の、成分(A’)中における脂肪族不飽和有機基に対するモル比(SiH/Vi比と一般的に称される)を、0.3:1〜5:1の範囲で提供するのに十分であってよい。成分(B’)は、ホモポリマー又はコポリマーであり得る。成分(B’)は直鎖、分岐鎖、環状、又は樹脂性の構造を有し得る。成分(B’)中のケイ素結合水素原子は、末端に、側枝に、又は末端及び側枝位置の両方に、配置され得る。
(III)R4 3SiO(R4 2SiO)h(R4HSiO)iSiR4 3、
(IV)R4 2HSiO(R4 2SiO)j(R4HSiO)kSiR4 2H、又は
これらの組み合わせ。
a)ジメチル水素シロキシで末端処理したポリジメチルシロキサン、
b)ジメチル水素シロキシで末端処理したポリ(ジメチルシロキサン/メチル水素シロキサン)、
c)ジメチル水素シロキシで末端処理したポリメチル水素シロキサン、
d)トリメチルシロキシで末端処理したポリ(ジメチルシロキサン/メチル水素シロキサン)、
e)トリメチルシロキシで末端処理したポリメチル水素シロキサン、
f)H(CH3)2SiO1/2単位、及びSiO4/2単位から本質的になる樹脂、及び
g)これらの組み合わせ。
ヒドロシリル化硬化性組成物の成分(C’)はヒドロシリル化触媒である。成分(C’)をヒドロシリル化硬化性組成物に、硬化性組成物の重量を基準として白金族金属の重量の0.1〜1000ppm、あるいは1〜500ppm、あるいは2〜200、あるいは5〜150ppmの範囲であり得る量で添加する。
あるいは、過酸化物硬化性組成物は、100重量部の(A”)ベースポリマー、任意で組成物を硬化させるのに十分な量の(B”)架橋剤、及び材料及び量が、組成物の硬化生成物がシリコーンゴムとなり得るように選択される、組成物の硬化を加速させるのに十分な量の(C”)過酸化物触媒、を含む場合がある。
過酸化物硬化パッケージの成分(A”)は、ヒドロシリル化硬化パッケージの成分(A’)として上に記されたポリオルガノシロキサンなどの、1分子平均で少なくとも2つの脂肪族不飽和有機基を有するポリジオルガノシロキサンを含み得る。
成分(B”)は架橋剤であり、任意で過酸化物硬化性組成物に添加してこの組成物を硬化することにより、調製した硬化シリコーンの圧縮永久ひずみを改善する(減じる)ことが可能である。過酸化物硬化性組成物中の成分(B”)の量は成分(B”)のSiH含有量、成分(A”)の不飽和基含有量、及び所望の組成物の硬化生成物の特性を含む様々な因子に依存するが、成分(B”)の量は、成分(B”)中のSIH基の、成分(A”)中の脂肪族不飽和有機基に対するモル比(SiH/Vi比と一般的に称される)を、0.3:1〜5:1の範囲で提供するのに十分であってよい。組成物中の成分(B”)の量は成分(A”)100重量部に対して0〜15重量部の範囲であり得る。成分(B”)は1分子あたり平均少なくとも2つのケイ素結合水素原子を有するポリジオルガノ水素シロキサンを含み得る。成分(B”)の例には、ヒドロシリル化硬化性組成物中で成分(B’)として記載されるポリジオルガノ水素シロキサンが挙げられる。
過酸化物硬化性組成物中の成分(C”)は過酸化物化合物を含む。組成物に添加される成分(C”)の量は、成分(C”)のために選択した特定の過酸化物化合物によって決まるが、量は成分(A”)100重量部に対して0.2〜5重量部であり得る。成分(C”)に好適な過酸化物化合物の例には、2,4−ジクロロベンゾイル過酸化物、ジクミル過酸化物、及びこれらの組み合わせ、並びに、このような過酸化物と第3級ブチルペルベンゾエートなどのベンゾエート化合物との組み合わせ、が挙げられるが、これらに限定されない。好適な過酸化物硬化性組成物は当該技術分野において既知であり、例えば米国特許第4,774,281号に開示される。
成分(D)は熱伝導性充填剤である。成分(D)は、熱伝導性及び導電性の両方であってよい。あるいは、成分(D)は、熱伝導性及び電気絶縁性であり得る。成分(D)は、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、アルミニウム三水和物、チタン酸バリウム、酸化ベリリウム、窒化ホウ素、炭素繊維、ダイヤモンド、黒鉛、水酸化マグネシウム、酸化マグネシウム、金属微粒子、オニキス、炭化ケイ素、炭化タングステン、酸化亜鉛、及びこれらの組み合わせから選択され得る。成分(D)は、金属充填剤、無機充填剤、溶融性充填剤、又はこれらの組み合わせを含み得る。金属充填剤は、金属の粒子及び粒子の表面上に層を有する金属の粒子を含む。これらの層は、例えば、粒子の表面上の金属窒化物層又は金属酸化物層であってよい。好適な金属充填剤の例としては、アルミニウム、銅、金、ニッケル、銀、及びこれらの組み合わせから選択される金属の粒子、あるいはアルミニウムが挙げられる。好適な金属充填剤としては、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、酸化銅、酸化ニッケル、酸化銀、及びこれらの組み合わせより選択される層をその表面に有する上記金属の粒子が更に挙げられる。例えば、金属充填剤は、表面上に酸化アルミニウム層を有するアルミニウム粒子を含み得る。
組成物は有機可塑剤を含む。理論に束縛されるものではないが、有機可塑剤は組成物を硬化することにより調製した硬化シリコーンの圧縮永久ひずみ特性を改善し得る。可塑剤は1分子あたり平均で、以下の式(V)の少なくとも1つの基を有する。
組成物は任意で1つ以上の追加材料を更に含むことができる。追加材料は、(F)スペーサー、(G)補強又は増量充填剤、(H)充填剤処理剤、(I)接着促進剤、(J)賦形剤、(K)界面活性剤、(L)融剤、(M)酸受容体、(N)安定剤(例えば、ヒドロシリル化硬化安定剤、熱安定剤、又はUV安定剤)、及びこれらの組み合わせから選択されてよい。
成分(F)はスペーサーである。スペーサーは、有機粒子、無機粒子、又はこれらの組み合わせを含み得る。スペーサーは、熱伝導性、導電性、又は両方であり得る。スペーサーは、例えばLED実装回路基板とヒートシンクとの間の界面の所望厚みに依存するなど、任意の粒径を有するが、粒径は100〜1000μm、あるいは150〜300μmの範囲であり得る。スペーサーは、ガラス又はポリマー(例えば、ポリスチレン)ビーズなどの単分散ビーズを含み得る。スペーサーは、アルミナ、窒化アルミニウム、噴霧金属粉、窒化ホウ素、銅、及び銀などの熱伝導性充填剤を含み得る。成分(F)の量は、粒度分布、硬化性組成物又はそれから調製した硬化生成物、及び設置する間の温度を含む多様な因子によって決まる。しかしながら、組成物は成分(F)を0.05〜2%、あるいは0.1〜1%の間の量を含み得る。成分(F)を添加して、硬化性組成物の硬化物の結合部の厚みを制御することができる。
成分(G)は、補強及び/又は増量充填剤である。組成物中の成分(G)の量は、成分(A)、(B)、(C)、(D)、及び(E)用に選択される材料並びに組成物の最終用途などの、様々な因子によって決まる。しかしながら、成分(G)の量は、組成物の重量に対して0.1〜10重量%の範囲となり得る。好適な補強及び増量充填剤は当該技術分野において既知であり、その例には沈降及び粉砕シリカ、沈降及び粉砕炭酸カルシウム、石英、タルク、細断されたKEVLAR(登録商標)などの短繊維、又はこれらの組み合わせが挙げられる。
成分(D)の熱伝導性充填剤、成分(G)の補強及び/若しくは増量充填剤、並びに/又は成分(F)のスペーサーは、存在する場合、任意に成分(H)処理剤で表面処理することができる。処理剤及び処理方法は、当該技術分野において既知であり、例えば、米国特許第6,169,142号(4段落42行〜5段落2行)を参照されたい。
成分(I)は接着促進剤である。好適な接着促進剤は、式R16 qSi(OR17)(4−q)のアルコキシシランを含み得、式中、下付き文字qは1、2、又は3であり、あるいはqは3である。各R16は独立して、1価の有機官能基である。R16は、グリシドキシプロピル若しくは(エポキシシクロヘキシル)エチルなどのエポキシ官能基、アミノエチルアミノプロピル若しくはアミノプロピルなどのアミノ官能基、メタクリルオキシプロピル、又は不飽和有機基であってよい。各R17は独立して、少なくとも1個の炭素原子を有する非置換の、飽和炭化水素基である。R17は、1〜4個の炭素原子、あるいは1〜2個の炭素原子を有し得る。R17の例には、メチル、エチル、n−プロピル、及びイソプロピルが挙げられる。
成分(J)は、溶剤又は希釈剤などの賦形剤である。成分(J)は、例えば、混合及び送達を補助するために、組成物の調製中に添加することができる。成分(J)のすべて又は一部は、組成物を調製した後に任意に除去してもよい。
成分(K)は界面活性剤である。好適な界面活性剤としては、シリコーンポリエーテル、酸化エチレンポリマー、酸化プロピレンポリマー、酸化エチレンと酸化プロピレンとのコポリマー、その他の非イオン性界面活性剤、並びにこれらの組み合わせが挙げられる。組成物は、組成物の重量に対して最大0.05%の界面活性剤を含み得る。
成分(L)は融剤である。組成物は、組成物の重量に対して最大2%の融剤を含み得る。カルボン酸及びアミンなどの化学活性官能基を含有する分子を融剤として用いることができる。このような融剤は、コハク酸、アビエチン酸、オレイン酸、及びアジピン酸などの脂肪酸;安息香酸などの芳香族酸;トリエタノールアミン、アミンの塩酸塩、及びアミンの臭化水素酸塩などの脂肪族アミン並びにその誘導体を含み得る。融剤は当該技術分野において既知であり、市販されている。
成分(M)は酸受容体である。好適な酸受容体としては、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、及びこれらの組み合わせが挙げられる。組成物は、組成物の重量に対して最大2重量%の成分(M)を含み得る。
成分(N)は安定剤である。ヒドロシリル化硬化性組成物用安定剤の例には、メチルブチノール、エチニルシクロヘキサノール、ジメチルヘキシノール、及び3,5−ジメチル−1−ヘキシン−3−オール1,1−ジメチル−2−プロピニル)オキシ)トリメチルシラン、メチル(トリス(1,1−ジメチル−2−プロピニルオキシ))シラン並びにこれらの組み合わせなどのアセチレンアルコール類;1,3,5,7−テトラメチル−1,3,5,7−テトラビニルシクロテトラシロキサン、1,3,5,7−テトラメチル−1,3,5,7−テトラヘキセニルシクロテトラシロキサン、及びこれらの組み合わせによって例示されるメチルビニルシクロシロキサン類などのシクロアルケニルシロキサン類;3−メチル−3−ペンテン−1−イン、3,5−ジメチル−3−ヘキセン−1−インなどのエン−イン化合物;ベンゾトリアゾールなどのトリアゾール類;ホスフィン類;メルカプタン類;ヒドラジン類;テトラメチルエチレンジアミンなどのアミン類、ジアルキルフマレート類、ジアルケニルフマレート類、ジアルコキシアルキルフマレート類、ジアリルマレアートなどのマレアート類、並びにこれらの組み合わせ、が挙げられる。あるいは、安定剤はアセチレンアルコールを含んでもよい。好適なヒドロシリル化硬化安定剤は、例えば、米国特許第3,445,420号、同第3,989,667号、同第4,584,361号、及び同第5,036,117号に開示されている。
熱管理組成物は、硬化した時に0.2〜0.7W/mKの範囲の熱伝導率を有するように配合することができる。熱インピーダンスは、硬化シリコーンの厚み、並びに成分(D)について選択される充填剤の量及び種類などの、様々な因子によって決まる。
熱管理組成物の形成方法は、以下を含み得る。
1)上記の熱管理組成物を、熱供給源とヒートシンクとの間の熱経路に沿って配置する、工程と、
2)熱管理組成物を、組成物が硬化するのに十分な温度にまで加熱し、それによって硬化熱管理組成物を形成する、工程。工程1)においては、熱管理組成物を熱供給源(例えば、LED実装回路基板)に適用する、又は熱管理組成物をヒートシンクに適用することのいずれかが可能である。熱管理組成物がLED実装回路基板上、又はヒートシンク上に一旦配置されると、熱管理組成物は硬化し、続いてLED実装回路基板とヒートシンクとが互いに固着される。あるいは、熱管理組成物をLED実装回路基板又はヒートシンク上に配置し、LED実装回路基板とヒートシンクとが互いに固着されたその後、LED実装回路基板とヒートシンクとの間に存在する熱管理組成物が硬化されてもよい。
スクリーン及びステンシル印刷向けの最も一般的なブレードは金属又はポリマーのいずれかである。金属のブレードは典型的にステンレス鋼から作られる。ポリマーブレードは、一般的にはスキージと呼ばれ、典型的にはポリウレタンから作られる。スキージはショアA硬度60〜90で入手可能である。自動印刷の場合、金属ブレード又はポリマースキージブレードのいずれも、特定の取り付け装置に嵌めこむように機械加工又は切断することができ、手動印刷では単純なホルダー/ハンドルに嵌めこむように切断できる。堆積させるパターンの印刷タイプに応じて、ステンシルは耐久性がより高いために典型的に金属ブレードに使用され、ポリマースキージはより精巧であるためにスクリーンに使用される。
印刷スクリーンは金属枠で支持される織ったワイヤメッシュからなる。スクリーンメッシュはステンレス鋼ワイヤから作ることができるが、ポリエステル及びナイロンを使用したポリマー糸もまた一般的である。スクリーンワイヤメッシュは、接着剤を用いて高い張力の下で金属フレームに接着させる。スクリーンワイヤメッシュの数は1インチあたりのワイヤ糸数と一致する。熱管理組成物のスクリーン印刷には、特定の熱管理組成物に応じて25〜100メッシュのスクリーンを使用することができるが、60〜80がより一般的である。スクリーンパターンを製作するため、スクリーン全体をポリマーエマルションでコーティングし、ワイヤ間のメッシュの口を塞ぐ。次にリソグラフィプロセスを使用して、熱管理組成物の付着物をLED又はヒートシンク上に移す。一般的には、スクリーン印刷による熱管理組成物の印刷厚みの制御は、メッシュ織の厚み、織ワイヤの直径、及び裏側のエマルションコーティングの組成など、いくつかの因子によって制御される。
ステンシルは典型的には金属枠に接着され、かつ支持される金属シート又は箔である。ステンシルのパターンは、エレクトロラル成形法(electoral form)、化学的エッチング法、レーザー穴あけ法など、様々な方法によって箔中に作ることができる。ワイヤソーイング法及びウォータージェット法もまたコースパターンを作るのに使用することができる。熱管理組成物をステンシル印刷するには、25〜500μmのステンシル箔を使用することができるが、100〜300μmが最も一般的である。100μm未満のより薄いステンシル箔は、脆弱性が高まり、損傷を受けやすくなり得る。300μmを超える箔は、印刷時に望ましくないエッジ効果をもたらし得る。ステンシル印刷による一般的な熱管理組成物の印刷厚みの制御は、ステンシル箔の厚みによって制御することができる。
熱抵抗を、ASTM D5470準拠のガーデッドホットプレート(Guarded Hot Plate)技術を使用して測定した。この計器は熱抵抗を単位cm2 ℃/Wで、結合部の厚みを加圧力の関数(kPa(psi))として単位mmで、測定する。
Claims (12)
- LED実装回路基板とヒートシンクとの間に熱管理組成物を適用する方法であって、前記LED実装回路基板が少なくとも1つのLEDが実装された第1面、及び前記第1面の反対側にある第2面を有する基板を備え、
(a)熱管理組成物の付着物を少なくとも1つの開口部を有する付着手段を通じて前記LED実装回路基板の前記第2面又は前記ヒートシンクの表面のいずれかに適用する工程であって、前記少なくとも1つの開口部が側壁で囲まれた外周部を有し、前記側壁が高さを有し、前記高さが前記付着手段の平均高さと比べて、前記付着手段の前記開口部の前記外周部の少なくとも一部の周囲で低くなっている、工程と、
(b)前記LED実装回路基板及び前記ヒートシンクを固定する工程であって、前記熱管理組成物が前記LED実装回路基板の前記第2面と前記ヒートシンクの表面との間に存在する、工程と、
を含む方法。 - 前記付着手段がダウンステップステンシルであり、前記工程(a)がステンシル印刷によって実施される、請求項1に記載の方法。
- 前記付着手段が複数の開口部を有するスクリーンであり、各開口部が高さを有する側壁に囲まれており、前記側壁の高さが、前記スクリーンの平均厚みと比べて、前記スクリーンの各開口部の外周部の少なくとも一部で低くなっており、前記工程(a)がスクリーン印刷によって実施される、請求項1に記載の方法。
- 前記熱管理組成物が、
(A)1分子あたり平均で少なくとも2つの脂肪族不飽和有機基を有するポリオルガノシロキサンベースポリマーと、
任意で(B)1分子あたり平均で少なくとも2つのケイ素結合水素原子を有する架橋剤と、
(C)ヒドロシリル化反応触媒及び過酸化物硬化触媒から選択される触媒と、
(D)熱伝導性充填剤と、
(E)前記成分(A)に可溶性の有機可塑剤であって、前記組成物の硬化を阻害しない有機可塑剤と、
を含むシリコーン組成物であり、ただし、前記触媒がヒドロシリル化反応触媒である場合には成分(B)が存在する、シリコーン組成物である、請求項1〜3のいずれか一項に記載の方法。 - 前記成分(D)が、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、アルミニウム三水和物、チタン酸バリウム、酸化ベリリウム、窒化ホウ素、炭素繊維、ダイヤモンド、黒鉛、水酸化マグネシウム、酸化マグネシウム、金属微粒子、オニキス、炭化ケイ素、炭化タングステン、酸化亜鉛、及びこれらの組み合わせ、を含有する、請求項1〜4のいずれか一項に記載の方法。
- 前記成分(E)が、ビス(2−エチルヘキシル)テレフタレート;ビス(2−エチルヘキシル)−1,4−ベンゼンジカルボキシレート;2−エチルヘキシルメチル−1,4−ベンゼンジカルボキシレート;1,2シクロヘキサンジカルボン酸、ジノニルエステル、分岐鎖及び直鎖状;ビス(2−プロピルヘプチル)フタレート又はジ−(2−プロピルヘプチル)フタレート;ジイソノニルアジペート;トリオクチルトリメリテート;トリエチレングリコールビス(2−エチルヘキサノエート);ジエチレングリコールジベンゾエート;1,1,3−トリス(2−メチル−4−ヒドロキシ−5−tert−ブチルフェニル)ブタン;ジ(2−エチルヘキシル)フタレート;ビス(2−エチルヘキシル)アジペート;ジメチルフタレート;ジエチルフタレート;ジブチルフタレート;ジ−2−エチルヘキシルアジペート;1,2,4−ベンゼントリカルボン酸、トリス(2−エチルヘキシル)エステル;トリオクチルトリメリテート;トリエチレングリコールビス(2−エチルヘキサノエート);ビス(2−エチルヘキシル)テレフタレート;ジエチレングリコールジベンゾエート;1,1,3−トリス(2−メチル−4−ヒドロキシ−5−tert−ブチルフェニル)ブタン;1,2,3−トリアセトキシプロパン;脂肪酸エステル;及びこれらの組み合わせから選択される、請求項1〜7のいずれか一項に記載の方法。
- (F)スペーサー、(G)補強性又は増量充填剤、(H)充填剤処理剤、(I)接着促進剤、(J)賦形剤、(K)界面活性剤、(L)融剤、(M)酸受容体、(N)安定剤、及びこれらの組み合わせ、から選択される追加成分を更に含む、請求項1〜8のいずれか一項に記載の方法。
- 前記熱管理組成物が硬化される、請求項1〜9のいずれか一項に記載の方法。
- 前記工程(b)の前に、前記熱管理組成物が硬化される、請求項1〜10のいずれか一項に記載の方法。
- 前記工程(b)の後に、前記熱管理組成物が硬化される、請求項1〜10のいずれか一項に記載の方法。
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