JP6255089B2 - 伝熱界面のための構造およびそれを製造する方法 - Google Patents
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Description
本出願は、「伝熱界面のための構造およびそれを製造する方法（Ａ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｆｏｒ ａ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ａｎｄ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｓａｍｅ）」と題された２０１３年９月２７日に出願した欧州特許出願第１３３０６３４０．４号の優先権を主張するものであり、その内容は、全体として参照により本明細書に組み込まれる。
本開示は、伝熱装置に関する。
典型的には、電気電子部品は、動作中に熱を発生する。この熱を減少させるために、熱発生部品からの熱を吸収し放散するように熱発生部品に典型的には物理的に接触して配置されるヒート・シンクなどの放熱部品がしばしば使用される。しかしながら、２つの部品（例えば、ＩＣとヒート・シンク）の間で熱が伝導されるとき、これらの部分の界面を挟む温度差は、かなりのものであり得る。典型的には、この温度降下は、表面粗さの影響により共に接合されて得る２部品の表面間に間隙の気泡が生じるとき、そのような表面粗さの影響による接触熱抵抗のせいである。比較的滑らか且つ平坦と思われる結合表面については、典型的には、これらの２つの部分の間になされる接触は、比較的少ない点で生じる。これらの接触点の間の空隙は、しばしば、いくつかのタイプの流体（典型的には空気）で満たされる。この状況において、伝熱について２つの経路が存在し、一方はそれらの接触点における固体部品を通じての熱伝導であり、他方は比較的弱い導体である界面の空気層を通じての熱伝導である。同様に、弱い物理的接触は、過度に高い電気接触抵抗も引き起こし得、これは接触している接合を通じての電気伝導または接地が重要である所定のシステムではやはり問題であり得る。
２つの部品間の伝熱を改善するための対応策として、知られている手法の１つは、空気をより伝導性の熱伝導材料（ＴＩＭ：ｔｈｅｒｍａｌ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｍａｔｅｒｉａｌ）に置き換え、それによって２つの部品間の伝熱の経路を改善することである。
いくつかの実施形態の特徴部の熱伝導性の伝熱界面構造は、第１の表面および第２の表面を有する基板と、基板の第１の表面および第２の表面のうちの少なくとも１つに形成された複数の隆起特徴部とを備え、隆起特徴部は圧縮力のもとで変形可能であり、隆起特徴部のいくつかはそのそれぞれの端部に開口部を有し、
前記端部における隆起特徴部の厚さは隆起特徴部の中間部分における隆起特徴部の厚さよりも小さい。
前記端部における隆起特徴部の厚さは隆起特徴部の中間部分における隆起特徴部の厚さよりも小さい。
いくつかの特定の実施形態によれば、１つまたは複数の隆起特徴部は、その端部にある第１の位置に対応する第１の高さと、その端部にある第２の位置に対応する第２の高さとをそれぞれ備え、高さは、基板によって定められた平面から端部にある位置を通過する平行平面までの距離である。
いくつかの特定の実施形態によれば、隆起特徴部は壁を有し、壁はその外面に粗さを備える。
いくつかの実施形態の特徴部の機器は、熱を発生し得る電気部品と、放熱器部品と、本明細書中に開示された伝熱界面構造とを備えた機器であって、前記伝熱界面構造は電気部品と放熱器部品の間に位置する。
いくつかの実施形態の特徴部の方法は、
− それぞれの表面に突出部およびへこみのうち少なくとも１つをそれぞれ備えた２つのダイの間に熱伝導性材料の変形可能なシートを配置するステップであって、突出部はへこみと合わさっている形状および寸法を有する、配置するステップと、
− 突出部が対応する反対側のへこみ内に入り込むように、かつそのそれぞれの端部に開口部を有する隆起特徴部を変形可能なシートに生成するように突出部とへこみの間に位置する変形可能なシートに圧縮力が加えられるようにダイを他方に向かって移動させるステップと
を含む方法であって、
前記端部における隆起特徴部の厚さは隆起特徴部の中間部分における隆起特徴部の厚さよりも小さい。
− それぞれの表面に突出部およびへこみのうち少なくとも１つをそれぞれ備えた２つのダイの間に熱伝導性材料の変形可能なシートを配置するステップであって、突出部はへこみと合わさっている形状および寸法を有する、配置するステップと、
− 突出部が対応する反対側のへこみ内に入り込むように、かつそのそれぞれの端部に開口部を有する隆起特徴部を変形可能なシートに生成するように突出部とへこみの間に位置する変形可能なシートに圧縮力が加えられるようにダイを他方に向かって移動させるステップと
を含む方法であって、
前記端部における隆起特徴部の厚さは隆起特徴部の中間部分における隆起特徴部の厚さよりも小さい。
いくつかの特定の実施形態による方法は、
− 変形可能なシートに突出部による力を及ぼし、突出部と変形可能なシートの間の接触点の近くで変形可能なシートに変形を受けさせるステップであって、
前記変形は、前記接触点で変形可能なシートに材料の降伏（ｍａｔｅｒｉａｌ ｙｉｅｌｄ）を引き起こすことによってもたらされて、前記端部における隆起特徴部の厚さを隆起特徴部の中間部分における隆起特徴部の厚さよりも小さくさせるステップをさらに含む。
− 変形可能なシートに突出部による力を及ぼし、突出部と変形可能なシートの間の接触点の近くで変形可能なシートに変形を受けさせるステップであって、
前記変形は、前記接触点で変形可能なシートに材料の降伏（ｍａｔｅｒｉａｌ ｙｉｅｌｄ）を引き起こすことによってもたらされて、前記端部における隆起特徴部の厚さを隆起特徴部の中間部分における隆起特徴部の厚さよりも小さくさせるステップをさらに含む。
いくつかの特定の実施形態によれば、方法は、隆起特徴部の端部に開口部を作り出すように変形可能なシートを裂くステップをさらに含む。
いくつかの特定の実施形態によれば、ダイはそれぞれの外面上に粗さを有し、変形可能なシートが変形されるときに、そのような粗さは、その上の粗さに関連した平らでない凹凸のある不均一性を隆起特徴部の表面へ伝えるように構成されている。
本発明のこれらのおよびさらなる特徴部および利点は、例示および非限定の目的のために、添付図面を参照して以下の明細書の中でおよび特許請求の範囲の中でより詳細に説明される。
本発明のこれらのおよびさらなる特徴および利点は、例示および非限定の目的のために、添付図面を参照して以下の明細書の中でおよび特許請求の範囲の中でより詳細に説明される。
従来の熱伝導材料（ＴＩＭ）は、しばしば、断熱有機マトリックス（例えば、接着剤またはグリース）中に分散された熱伝導性の粒子の複合材料である。そのような複合材料の熱伝導性は、適切な粘性を保証するためにしばしば必要とされる粒子の比較的低い密度によって、および粒子と粒子の接触についての熱抵抗によって限定される。さらに、空気で満たされた空隙は、熱伝導性が悪く、これらが有機マトリックス中に溜まることがあり、それによってＴＩＭの全体的な熱伝導性を減少させる。インジウムなどの軟質金属、またはグラファイトなどの他の軟質材料も、熱伝導材料として時々使用される。これらの材料の熱伝導性は複合材料よりも高いが、それらの材料は、非平面表面または不規則表面に適合する限定された能力を有する。これらの軟質材料のいくつかは、腐食しやすいとともに、低い溶融点を有し得る。これらの制限の全ては、信頼性、適用可能性、および組立ての選択肢を制限し得る。
上記の欠点に対処する手法は、米国出願公開第２００９／０３１５１７３号に記載されており、その内容は、全体として参照により本明細書に組み込まれる。米国出願公開第２００９／０３１５１７３号は、特定の使用ごとに特定の要求に従って使用できる様々な形状および構成を有する変形可能な隆起特徴部を備える伝熱構造について様々な実施形態を開示する。
図１は、知られている界面構造１００の簡略化された例を示す。図１に示された図面は上記文献中に開示された実施形態と同様であるが、図１は、本開示の目的を例示するとともに本開示をより良く理解するために与えられるものにすぎず、参照される米国出願公開第２００９／０３１５１７３号の各実施形態の全ての特徴部、限定および／または変形例を必ず含むとは解釈されない。
図１の界面構造１００は、それぞれの境界表面１２５、１２７を有する部品１３０と１３２の間の伝熱界面構造として使用することが意図されている。境界表面１２５、１２７は、表面非均一性（または不規則性もしくは粗さ）を有する。構造１００は、隆起特徴部１２０を有する基板１１０を備える。隆起特徴部１２０は、表面１２５、１２７が同じ平面にあるか、あるいは表面１２５、１２７の一方または両方が湾曲しているか、または非平面であるかにかかわらず、両表面１２５、１２７に物理的に接触するように設計されている。隆起特徴部１２０は、金属性で変形可能であることができるとともに、予め変形された形状に比べて少なくとも一次元で圧縮されるように構成されている。少なくとも一次元の圧縮は、隆起特徴部の形状の屈曲または座屈によってあるいは隆起特徴部の形状の他の変更モードによって行われ得る。圧縮の方向は、矢印Ａ１またはＡ２あるいは両方の方向であり得る。
隆起特徴部１２０は、基板の１つまたは複数の表面上に設けることはでき、場合によっては直接形成され得る。図１の例に示されるように、隆起特徴部１２０は、平面基板１００の第１の側面および反対の第２の側面の表面の両方に設けられる。場合によっては、基板自体は、変形可能な金属基板である。
本開示は、図１の上述した例と同様の構成から出発し、以下さらに詳細に説明されるように追加の特定の設計特徴部を有する構造および製造技法をさらに示す。
図２は、いくつかの実施形態による伝熱界面構造２００（本明細書中では界面構造とも呼ばれる）の例示的概略図である。
本実施形態では、界面構造２００は、基板２１０と、複数の隆起特徴部２２０とを備える。好ましくは、隆起特徴部２２０は、中空であり、第１の側面（例えば、矢印よって上に示される図２の構造の上側）および反対側の第２の側面（例えば、図には見えない図２の構造の下側）の両表面に設けることができ、あるいは隆起特徴部２２０は、それらの片側にだけ設置することができる。この点に関して、用語「隆起」は、基板２１０の表面から上向きに現れる特徴部を指すだけでなく、基板２１０の表面から下向きに現れる特徴部も指すと理解されるべきである。隆起特徴部２２０は、基板２１０の本体に最も近い部分であるベース部２２２と、ベース部の反対側であるとともに基板２１０からある距離またはある高さにある端部２２３とを有する。
好ましくは、隆起特徴部２２０は、連続した複数のそのような隆起特徴部を備えた２次元配列（例えば、基板２１０の表面に対しての長さと幅）の形態で設けられる。
本開示によれば、隆起特徴部２２０は、その端部２２３に開口部２３０を有する。好ましくは、この開口部は、隆起特徴部の端部２２３の頂部を切る（すなわち、端部が隆起特徴部の高さに対して横方向に切断される）ことによって作製される。
図２では、隆起特徴部２２０は、切頂ドームの形態で示されるが、限定するものではないが切頂円錐または切頭多側面角錐などの他の形状を作製することもできる。
隆起特徴部について提案した形状は、それが特徴部の剛性を減少させ、このため全体構造が圧縮されるときに圧縮および金属流に対してより少ない抵抗を示すので、そのような開口部を組み入れていない既知の隆起特徴部の形状と比較していくつかの利点をもたらす。実際、開口部２３０を有する隆起特徴部は、そこに及ぼされる必要がある（そのよう開口部を備えていない隆起特徴部と比べて）比較的小さい圧力で屈曲または座曲することができる。
開口部２３０を有する隆起特徴部２２０は、ランダムにもしくは周期的にまたは任意のそのようなパターンに従って基板２１０上に配置された複数のそのような特徴部を備えている図２に示されるような配列で設けることができる。そのような配列は、表面の不規則性になじむために材料に必要とされる応力をかなり減少させ、したがって開口部２３０を有さない隆起特徴部の既知の構造に比べてより低い接触熱抵抗をもたらすことができる。
次に図３を参照すると、そのような構造が圧縮を受けた後の図２の伝熱界面構造の例示的概略図が示されている。図３では、同じ要素は、図２の要素と同じ参照符号で与えられている。
図３の圧縮された構造に見られるように、構造の様々な要素は、変形を受けている。隆起特徴部が屈曲モードおよび座屈モードを含む大規模な圧縮塑性変形を受けており、図に示されていない組立てた本体（例えば、電子部品およびヒート・シンク）間に連続した経路を形成する相対的に見てより平坦化された構造になることが容易に観察可能である。そのような平坦化された構造は、圧縮表面と密接に接触することになり得るエリアを含むことができる。
例えば、図の隆起構造２２０−１は、ベース部２２２−１に向かって圧縮された、例えば、屈曲または座曲され、それによって既知の構造と比べて相対的に見てより平坦化された構造となっている端部２２３−１が示されていると考えられ得る。したがって、本実施形態における隆起特徴部の開口部は、合わさっている部品間の比較的有効な熱経路および電気経路を得ることを可能にする。
非常に有効な状況では、全ての圧縮された隆起特徴部は、全ての開口部が基板上の隆起特徴部のそのような圧縮および崩壊の結果として閉じ得るように屈曲または座屈し、それによって開放空間を占めることができる。しかしながら、多くの実際の場合には、圧縮すると全ての隆起特徴部が現実に開口部を閉じるわけではないことが起こり得、それによって、図３に示されるように、まだ開口部２３０を有するいくつかのエリアを構造上に残す。圧縮後のそのような開口部の存在は、以下にさらに説明されるようにグリースまたは接着剤を塗布することによって修復することができる。
図４Ａおよび図４Ｂは、図２の界面構造の一部の断面図を示す。詳細には、図４Ｂは、図４Ａの構造２００の一部２００−１をさらに詳細に示す。これらの図では、同じ要素は、図２の要素と同じ参照符号で与えられている。
図４Ａおよび図４Ｂに例示的に示されるように、隆起特徴部２２０は、ベース部２２２と端部２２３とを有する。隆起特徴部は、側面または壁２２４を有する切頂ドームの形状であり、各壁は厚さｔを有する。
しかしながら、壁２２４の厚さは、それがベース部２２２から端部２２３へ移動するにつれて変化する。これは図４Ｂにより明確に示されており、そこにはベース部２２２の近くの厚さｔ１が端部２２３の近くの厚さｔ２よりも多いことが示されている。
隆起特徴部のより効率的な屈曲または座屈過程を引き起こす最初の圧縮段階中に、より薄い端部はより厚いベース部と比べて圧縮に対してより弱い抵抗を示すので、壁２２４の厚さに関するこの特有の変化は機械的観点から見て有利である。壁２２４の厚さについての値の非限定の例は、約５から約５００ミクロンの範囲であり得る。
いくつかの実施形態では、１つまたは複数の隆起特徴部の高さ（図４Ａ、図４Ｂ中のｚ方向）は、隆起特徴部の対応する開口部２３０のまわりの異なる位置で変わり得る。本明細書中では、高さという用語は、基板２１０によって定められた平面から隆起特徴部の端部２２３に位置する点を通過する平行平面までの距離に関連付けられていると理解できる（一般に基板は隆起特徴部のベース部の高さに平面を定めることが理解される）。これの高さは、両頭の矢印ｈによって図４Ａに示されている。
この高さの変化は、特徴部のその端部２２３における一部分を接触させることができ、その後に同じ特徴部のその端部における別の部分を接触させることができる。これは、全体的なねじり屈曲または座屈の変形を構造自体に引き起こすのに寄与することができる。
上記の特徴部および圧縮過程中のその効果は、図５Ａから図５Ｅにより明らかに示されている。
図５Ａから始めると、互いの間で熱を伝達するものである部品２４０と部品２５０の間に位置し、それらの間の界面として作用する界面構造２００が示されている。例えば、部品２４０はヒート・シンクであり得るとともに、例えば、部品２５０は動作中に加熱し冷却される必要がある電子デバイスであり得る。
すでに上述されたように、界面構造２００は、基板２１０の（図中上下の）両側面から延びる隆起特徴部２２０を備える。隆起特徴部は、それぞれの開口部２３０を有する。図で理解できるように、隆起特徴部は、それらの対応する端部２２３で異なる高さを有することができる。例えば、隆起特徴部２２０−ａを考えると、第１の位置２２３−ａにおいて隆起特徴部２２０−ａは第１の高さを有し、第２の位置２２３−ｂにおいて隆起特徴部２２０−ａは第２の高さを有することが観察できる。図５Ａから理解できるように、圧縮動作の初めの例において、隆起特徴部２２０−ａの第１の位置２２３−ａは、第２の位置２２３−ｂよりも早く接触に入る。
図５Ｂ、図５Ｃ、図５Ｄ、および図５Ｅは、観察され得るように隆起特徴部が屈曲または座屈しそれによって図３に示されるような変形された熱界面構造を作り出す圧縮過程のその後の段階を示す。いくつかの実施形態では、壁、例えば、図４Ａおよび図４Ｂ中の壁２２４は、こぶ、小面、うねりの形態、または任意の他の適切な平らでない凹凸のある形態でそれらの外面上に粗さを備え得る。これらの粗さは、図８を参照して説明されるように、対応する粗さをダイ上に存在させることによって押圧過程中に形成される。これらの粗さは、熱界面構造の隆起特徴部の圧縮および屈曲をさらに容易にする。
以下、図６を参照して、本開示のいくつかの実施形態による界面構造を製造する方法を説明する。この界面構造は、金属箔などの変形可能なおよび好ましくは平坦なシート６１０から開始して製造することができる。シートの材料は、特定の設計および応用に必要とされる伝熱特性、電気特性、および化学特性を有するように選ばれる。
伝熱特性、または他の語では熱伝導性と言われる用語の使用に関して明確にするために、本明細書中使用される場合、以下の説明が与えられる。知られているように、多くの材料、および純粋に理論的な観点からも任意の材料は、各材料はあるレベル（場合によってそのようなレベルがとても低い場合でも）の熱伝導性を有するので、熱伝導性である（したがって伝熱能力を有する）とみなすことができる。しかしながら、本開示の内容の範囲内では、当業者は、熱伝導性と当業界でみなされる材料を例えば断熱材などのそのようにみなされない材料と区別することができる。
いっそうさらなる説明によれば、本開示の内容の範囲内で、約１Ｗ／ｍＫ（ワット毎メートル・ケルビン（Ｗａｔｔ ｐｅｒ Ｍｅｔｅｒ Ｋｅｌｖｉｎ））よりも大きい熱伝導性を有する任意の材料は、熱伝導性材料とみなすことができることに留意されたい。逆に、約１Ｗ／ｍＫ未満の熱伝導性を有する任意の材料は、熱的に不導体とみなすことができる。上記の熱伝導性の範囲内で、１００Ｗ／ｍＫより大きい熱伝導性は、高い熱伝導性値とみなすことができ、１〜１００Ｗ／ｍＫの範囲内のものは、許容値とみなすことができる。
そのような材料のいくつかの例が、さらに以下に示される。
変形可能なシート６１０は、次いで、図６に概略的に示されるように、２つのダイ６２０と６３０の間に置かれる。ダイ６２０および６３０は、それぞれに表面に設けられた突出部６２１および６３１とへこみ６２２および６３２をそれぞれ有する。一方のダイ上の突出部はある方向に向いているが（例えば、突出部６２１は、図中上向きに向いて示されている）、他方の（反対側の）ダイ上の突出部は、反対方向に向いている（突出部６３１は下向きに向いている）ことに留意されたい。次いで、ダイは、それらの間に配置された変形可能なシート６１０を圧縮および押圧するように十分な力で互いに向かって移動させられる。
２つのダイが変形可能なシート６１０を圧縮しているとき、突出部は対応する反対側のへこみ内に入り込む一方で、それが突出部・へこみの入り込んだ対の形状に実質的に従ってそれを成形するように中間の変形可能なシートを変形させているようにへこみと合わさる形状および寸法を有するように、突出部６２１、６３１およびへこみ６２２、６３２は構成されている。
ダイ６２０および６３０が共に圧縮されるとき、ダイの突出部６２１、６３１は、変形可能なシート６１０を「打ち抜き」および押し出して、隆起特徴部ごとの対応する開口部と共に変形可能なシート６１０で隆起特徴部を作り出し、それによって図２に示された界面構造１００を製造する。
この製造過程は、望ましい界面材料の幾何学的形状の製造を容易にするだけでなく、製造過程は、界面構造の高い容積、低コストの製造に適用可能でもある。
ダイ６２０および６３０は、当業者によって知られている様々な製造技法を用いてある範囲の材料から製造することができる。例えば、図６の本実施形態に示されたダイは、３Ｄ印刷ポリマーを用いて製造することができる。ダイ６２０および６３０に関連したさらなる詳細は、図８を参照して以下に説明される。
高さ、アスペクト比、金属厚さ、および特徴部のサイズまたは直径などの隆起特徴部の全部の寸法は、特定の応用に適するように設計され得、これは（微小粗さから形態のうねりまたはより大きい誤差までの範囲にある）様々な長さ規模における表面の凹凸と、利用可能な組立て圧力とによって決定され得るがこれに限定されない。したがって、隆起特徴部の結果として得られる幾何学的形状は、ダイの幾何学的形状および変形可能なシートの最初の厚さに依存し得、これは各設計および応用の特定の要求に従って変更することができる。
界面構造に適しているいくつかの材料は、ある範囲の可鍛性および伝導用の純粋な金属または合金を含むことができる。一例は、その低い降伏強度および合理的に高い熱および電気の伝導性のため、スズである。応用、組立て圧力、または化学的考慮事項に応じて、より堅い、より高い伝導性、または化学的代替の金属もしくは合金が望ましいものであり得る。
一例によれば、０．５ＭＰａを上回る圧力の適用は、グラファイト・パッド（ｇｒａｐｈｉｔｅ ｐａｄ）よりも比較的高い有効な熱伝導性および低い熱抵抗を示し得る構造化されたスズの界面材料をもたらす。さらに、この材料の大きい変形範囲により、それは、ある範囲の圧力にわたってより大きいコンプライアンス（ｃｏｍｐｌｉａｎｃｅ）を示すことができる。最後に、スズ界面材料の金属的性質により、それはかなり低い電気抵抗を示す。これらの要因の総合的な効果は、いくつかの市販のグラファイト・パッドを上回る、界面構造材料にスズ材料を用いた本実施形態のかなりの性能の改善になる。
界面構造を形成するための過程の前または後に、界面構造の材料は、その初期において（サンドウィッチの形態で）追加の材料の１つまたは複数の層を備えることができる。
さらなる可能性は、界面材料の電気的、熱的および／または化学的な応答または性能をかなり大きく変えるために重ねられる材料コーティングを使用することである。そのようなコーティングは、限定するものではないが、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐａ）、クロム（Ｃｒ）、亜鉛（Ｚｎ）、スズ（Ｓｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、またはロジウム（Ｒｈ）を含む主に金属であり得る。コーティング材料は、純金属、酸化金属、または金パラジウムなどの金属材料の混合物を含有する合金であり得る。好ましくは、軟質金属は、酸化に対して耐性があるとともに合わさっている表面間の電気接触抵抗を下げる伝導性材料（例えば、金）でコーティングすることができる。例えば、スパッタ・コーティング（ｓｐｕｔｔｅｒ ｃｏａｔｉｎｇ）の効果、スズ材料を用いた上記実施形態における金の追加の層は、コーティングされていない界面材料を上回る電気抵抗のかなり大きい減少をもたらし得る。合金で覆った層（ａｌｌｏｙｉｎｇ ｏｖｅｒ−ｌａｙｅｒ）の追加は、その後の酸化から表面を封止するように働くことができ、より長い稼働寿命を可能にする。より高いレベルのコンプライアンスを界面構造の材料に与えるために、インジウム、スズ、ガリウム、または鉛などのより高いレベルの延性を有する材料が使用でき、それによって圧縮中に間隙を満たすその能力を増大させるとともに、その適用時に層間で屈曲または圧縮されるときにそれがよりきつい封止を形成することを可能にする。
このやり方において、全体のＴＩＭの熱的および電気的な特性は強化される。
いくつかの実施形態では、接触熱抵抗を維持しつつ電気伝導性を制限することが望ましいものであり得る。そのような場合には、ポリマーなどの電気的絶縁コーティングを用いて所望の結果を得ることができる。典型的には、ポリマー材料は良好な電気絶縁体であり、適合している薄い連続したコーティングにおいて適用することができる。誘電体コーティングは、押圧の前後に塗布することができる。押圧の前のコーティングの塗布は、それがより簡単で実現するのにあまり費用がかからないものであり得るので好ましく、一方、様々なコーティング技法が使用され得る。しかしながら、全ての表面が絶縁されることを確実にすることが望まれる場合、好ましくは、圧縮および打ち抜き中に生成され露出した表面の縁がコーティングされることを確実にするために誘電体層が押圧動作の後に用いられ得る。有効な手法の一例は、ポリマー・パリレン（ｐｏｌｙｍｅｒ Ｐａｒｙｌｅｎｅ）を用いて打ち抜いたフィルムをコーティングすることである。このポリマー誘電体は、気相から堆積することができ、露出した表面全体を覆う均一な厚さのコンフォーマルなコーティング（ｃｏｎｆｏｒｍａｌ ｃｏａｔｉｎｇ）を確実にする。コーティング過程を実行するために、市販のコーティング設備の使用がなされてもよい。
そのようなコーティングは、たった１つの追加の層、またはサンドウィッチ型の構成ではいくつかの層を備えることができる。層間の界面は不連続でもよく、また明確であってもよく、またはそれらは材料の組成および形態学を徐々に変化させた中間金属層からなることができる。
コーティングは、これに限定されないが以下に示すいくつかの手法を含む方法によって、即ち、原位置化学酸化法によって、直流電流を用いたスパッタ・コーティングによって、磁気抵抗によって、めっき槽の中でめっきする電気めっきもしくは無電解めっきによって、または、金属有機前駆体、物理蒸着、またはプラズマを用いた蒸気蒸着によって施され得る。
圧縮可能な固体界面構造は、圧縮すると材料の熱特性、電気特性、または機械特性をさらに向上させるように、グリースまたは接着剤の浸透する連続した相と組み合わせて使用することもできる。圧縮中、隆起特徴部は、そのような圧縮中に形成され得る空隙を満たすように流体が流れることを可能にする。例えば、一旦、圧縮がされ接着剤が硬化されると、外部の締め付けまたは組立て圧力が取り除かれてもよく、界面材料の電気輸送能力は、接着剤の屈曲の影響によって維持される。
圧縮後、前述したように、全ての隆起特徴部がそれぞれの開口部を実際に閉じるのではなく、それによって開口部を有するいくらかのエリアを構造に残すことが生じ得る。開口部のこの配列は、グリースまたは接着剤が上界面と下界面の間で均一に流れることを可能にし、それによって捕われた空気をなくし、熱的性能を改善した界面を形成し、接着剤の場合、機械的接合強度を改善する。
さらに、開口部の配列は、組立てに必要とされる印加応力をあまり増大させることなく、グリースまたは接着剤が界面構造の上表面と下表面の間で流れることも可能にし、均一な厚さの材料を形成することができる。
当業者は、開口部がない場合、空気、グリースまたは接着剤、あるいはこれらの材料の組み合わせがポケットに捕われることになり得ることを理解されよう。これらの捕われたポケットは、抵抗を増大させるとともに、必要な組立て圧力を増加させる。
図４Ａおよび図４Ｂを参照して上述したように、隆起特徴部の壁の厚さは、隆起特徴部のベース部から端部までそれが移動するときに変化する。この効果は、変形可能なシート上のダイの突出部の作用に結果として製造過程中に実現することができる。
図７Ａおよび図７Ｂは、上記効果が観察できる圧縮過程の２つの例を示す。まず、図７Ａを参照すると、変形可能なシート７１０の一部がダイの突出部７２１および７２１−１とはじめて接触に入る第１の例に示されている。先の図面を参照してすでに上述された通り、実際は、変形可能なシート７１０が熱界面構造の基板であることが理解される。
図に明示的に示されていないが、突出部７２１および７２１−１は、図６に示した配列と同様の対向したダイの一部をそれぞれ形成する。
分かりやすくするために、以下において、変形可能なシート７１０上の突出部７２１の作用は、突出部７２１が変形可能なシート７１０に矢印Ｃの方向に力を及ぼすと説明され、一方、突出部７２１−１によって矢印Ｃの方向とは反対である矢印Ｃ’の方向に変形可能なシートに及ぼされる力の結果として同様な効果がもたらされることが理解される。
突出部７２１の先端７２５と変形可能なシート７１０との間の接触についての初めの例で、変形可能なシート７１０は初めの厚さｔｉを有すると仮定される。次に、図７Ｂを参照すると、変形可能なシート７１０に突出部７２１によって及ぼされた力の結果として、突出部７２１の先端７２５と変形可能なシートの間の接触点の近くで変形可能なシートが変形を受ける例が示されている。そのような変形は、矢印Ｃに平行な方向に、材料の降伏または変形可能なシールドにおいて引き起こされた流れの形態で、変形可能なシートを伸ばすことによってもたらされ、それによってベース部７２２、端部７１１、および壁７２４を有する隆起特徴部７２０を形成する。材料の降伏によるそのような変形の結果は、ベース部７２２から隆起特徴部の端部７１１までそれが移動するときに、隆起特徴部７２０の壁７２４の厚さが減少することである。したがって、前記端部ｔｅにおける隆起特徴部の厚さは、隆起特徴部の中間部分における隆起特徴部の厚さｔｓよりも小さくなる。突出部７２１によって変形可能なシート７１０に及ぼされた力が加えられ続けるとき、突出部７２１の先端７２５と変形可能なシートの間の接触点の近くで変形可能なシートが裂け（図示せず）、それによって図２から図６を参照して説明したものと同様の開口部を作り出し、開口部が位置している端部における隆起特徴部の厚さが、隆起特徴部の中間部分における隆起特徴部の厚さよりも小さいようになるという段階が到来する。
上述したように、いくつかの実施形態では、隆起特徴部は、その壁の粗い外面を備えることができる。これらの粗い外面は、対応する粗さを有するダイ、または他の等しくない形状を用いて製造することができる。
図８は、ダイは製造過程中に隆起特徴部の外面上に粗さをもたらすように設計されている、伝熱界面構造の製造動作における使用に適した例示的ダイの一部の側面図写真である。この図に見られるように、ダイ８００は、その第１の側面に突出部８２１を備える（分かりやすくするために、ダイの片面だけが示されている）。突出部８２１は、それらの外面に複数の粗さを備える。図８では、いくつかの粗さが、こぶ８２２の形態で示されている。
界面構造を押圧する（すなわち、界面がそれらの間に配置される状態で２つの対向したダイを共にもたらす）動作中、突出部８２１上の粗い表面は、それらが形成されている通りに、そのうえの粗さに関係した平らでない凹凸のある不均一性を隆起特徴部の表面に伝える。
このやり方では、その外面上に粗さを有する隆起特徴部が生産される。
したがって、提案した解決策は、従来の界面材料を上回る熱的および電気的性能の改善をもたらす。さらに、本明細書に記載製造技法は、従来の界面技法の低コストの代替案である。界面材料への代替の金属コーティングの追加は、その電気特性をさらに改善し、それを熱および電気の界面応用にとって望ましい解決策にする。
本開示の様々な実施形態は、そのような組み合わせが両立しおよび／または相補的に組み合わせることができる。
さらに、権利主張した手段に対応する構造のリストは、網羅的ではなく、当業者は本開示の範囲から逸脱することなく挙げた構造の代わりになり得る均等な構造を理解することに留意されたい。
対応する特許請求の範囲に記載および列挙されたような本発明の方法のステップの順序は、提示および記載された順序に限定されず、本開示の範囲から逸脱することなく変更することができることにも留意されたい。
本明細書中の任意のブロック図は、本開示の原理を具体化する例示的回路の概念図を表すことが当業者には理解されるはずである。
Claims (8)
- 第１の表面および第２の表面を有する基板と、前記基板の前記第１の表面および前記第２の表面のうちの少なくとも１つに形成された複数の隆起特徴部とを備え、前記隆起特徴部は圧縮力のもとで変形可能であり、前記隆起特徴部のいくつかはそのそれぞれの端部に開口部を有し、
前記端部における隆起特徴部の厚さは前記隆起特徴部の中間部分における前記隆起特徴部の厚さよりも小さい、熱伝導性の伝熱界面構造。 - １つまたは複数の隆起特徴部は、その前記端部にある第１の位置に対応する第１の高さと、その前記端部にある第２の位置に対応する第２の高さとをそれぞれ備え、高さは、前記基板によって定められた平面から端部にある位置を通過する平行平面までの距離である、請求項１に記載の伝熱界面構造。
- 隆起特徴部は壁を有し、前記壁はその外面に粗さを備える、請求項１又は２に記載の伝熱界面構造。
- 熱を発生し得る電気部品と、放熱器部品と、前記請求項１乃至３のいずれか１項に記載の伝熱界面構造とを備えた機器であって、前記伝熱界面構造は前記電気部品と前記放熱器部品の間に位置する、機器。
- − それぞれの表面に突出部およびへこみのうち少なくとも１つをそれぞれ備えた２つのダイの間に熱伝導性材料の変形可能なシートを配置するステップであって、突出部はへこみと合わさっている形状および寸法を有する、配置するステップと、
− 突出部が対応する反対側のへこみ内に入り込むように、かつそのそれぞれの端部に開口部を有する隆起特徴部を前記変形可能なシートに生成するように前記突出部と前記へこみの間に位置する前記変形可能なシートに圧縮力が加えられるようにダイを他方に向かって移動させるステップと、
を含む方法であって、
前記端部における隆起特徴部の厚さが前記隆起特徴部の中間部分における前記隆起特徴部の厚さよりも小さい、方法。 - − 前記変形可能なシートに突出部による力を及ぼし、前記突出部と前記変形可能なシートの間の接触点の近くで前記変形可能なシートに変形を生じさせるステップであって、前記変形は、前記接触点で前記変形可能なシートに材料の降伏を引き起こすことによってもたらされ、前記端部における隆起特徴部の前記厚さを前記隆起特徴部の中間部分における前記隆起特徴部の厚さよりも小さくさせる、変形を生じさせるステップを含む、請求項５に記載の方法。
- 前記隆起特徴部の前記端部に開口部を作り出すように前記変形可能なシートを裂くステップをさらに含む、請求項６に記載の方法。
- 前記ダイは前記それぞれの外面上に粗さを有し、前記変形可能なシートが変形されるときに、そのような粗さは、その上の前記粗さに関連した凹凸を前記隆起特徴部の表面へ伝えるように構成されている、請求項５乃至７のいずれか１項に記載の方法。
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