JP6542891B2 - 低い熱インピーダンスを有する高性能熱界面材料 - Google Patents
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Description
本開示は、コンピュータチップ等の熱を発生する電子デバイスから、熱拡散部及び放熱板等の熱放散構造に熱を伝達するのに有用な熱界面材料を提供する。熱界面材料は、例えば、少なくとも1種の相変化材料、少なくとも1種のポリマーマトリックス材料、第1の粒子径を有する少なくとも1種の第1の熱伝導性充填材、及び第2の粒子径を有する少なくとも1種の第2の熱伝導性充填材を含み、第1の粒子径は第2の粒子径よりも大きい。
A.熱界面材料
一実施態様では、TIM22は、熱界面材料である。いくつかの実施態様では、TIM22は、1種以上の相変化材料、1種以上のポリマーマトリックス材料、2種以上の熱伝導性充填材、及び任意に1種以上の添加剤を含む。
いくつかの実施態様では、TIM22は、少なくとも第1の熱伝導性充填材及び第2の熱伝導性充填材を含む。
一実施態様では、熱伝導性充填材は、第1の熱伝導性充填材を含む。一実施態様では、第1の熱伝導性充填材は、アルミニウム、銅、銀、亜鉛、ニッケル、スズ、インジウム、又は鉛等の金属である。より特定の一態様では、第1の熱伝導性充填材はアルミニウムである。
一実施態様では、熱伝導性充填材は、上述の第1の熱伝導性充填材及び第2の熱伝導性充填材を含む。一実施態様では、第1の熱伝導性充填材は第2の熱伝導性充填材の粒子径よりも大きい粒子径を有する。一実施態様では、第1及び第2の熱伝導性材料は、同じ材料の異なる大きさの粒子である。別の一実施態様では、第1及び第2の熱伝導性材料は、異なる材料の異なる大きさの粒子である。
一実施態様では、熱伝導性充填材は、上述の第1の熱伝導性充填材及び第2の熱伝導性充填材、並びに第3の熱伝導性充填材を含む。一実施態様では、第1の熱伝導性充填材は第2の熱伝導性充填材の粒子径より大きな粒子径を有し、第2の熱伝導性充填材は第3の熱伝導性充填材の粒子径より大きい粒子径を有する。
一実施態様では、第3の熱伝導性充填材は、小さくは10nm、20nm、50nm、0.1ミクロン、0.2ミクロン、大きくは0.5ミクロン、0.6ミクロン、0.7ミクロン、0.8ミクロン、0.9ミクロン、1ミクロン又は上記の値の任意の2つの間で規定される任意の範囲内にある粒子径を有する粒子を含む。別のより特定の一態様では、第3の熱伝導性充填材は、約0.1ミクロン〜約1ミクロンの粒子径を有する。より特定の一態様では、第2の熱伝導性充填材は、約0.5ミクロン〜1ミクロンの粒子径を有する。より特定の一態様では、第2の熱伝導性充填材は、約0.2ミクロンの粒子径を有する。別のより特定の一態様では、第3の熱伝導性充填材は、約10nm〜約0.1ミクロンの粒子径を有する。より特定の一態様では、第3の熱伝導性充填材は約10nm〜約50nmの粒子径を有する。
いくつかの実施態様では、熱伝導性充填材の少なくとも1種がカップリング剤で前処理される。いくつかの実施態様では、熱伝導性充填材は、カップリング剤で前処理されない。いずれの理論にも束縛されることを望むものではないが、カップリング剤は充填材及びポリマーマトリックス材料の両方と反応して界面での強い結合を形成又は促進し、それにより充填材粒子凝集体を破壊し、ポリマーマトリックスに充填材粒子を導入すると考えられる。また、カップリング剤は、ポリマーマトリックスポリマーの充填材からの分離を低減又は防止し、充填材−ポリマー複合材料の安定性を改善すると考えられる。カップリング剤は更に、系の粘度を低下させ、熱伝導性充填材粒子の流動性を改善し、それにより熱生成部材と熱拡散部材との間のボンドライン厚(bond-line thickness:BLT)が減少すると考えられる。
以下の実施態様は、熱伝導性充填材の混合物を説明することを意図しており、いかなる方法においても本発明の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。
いくつかの実施態様では、TIM22はポリマーマトリックス材料を含む。いくつかの実施態様では、ポリマーマトリックス材料は、熱伝導性充填材を組み込むためのマトリックスを提供し、熱及び圧力下でプレスされると流動性を付与する。
いくつかの実施態様では、TIM22は、TIM22の総重量に基づいて、少なくは1重量%、3重量%、5重量%、10重量%、多くは15重量%、25重量%、50重量%、75重量%、又は前記の値の任意の2つの間で規定される任意の範囲内の量のポリマーマトリックス材料を含んでもよい。
いくつかの実施態様では、TIM22は、1種以上の相変化材料を含む。相変化材料は、TIM22が使用される電子デバイスの一部の動作温度以下の融点又は融点範囲を有する材料である。代表的な相変化材料は、パラフィンワックス等のワックスである。パラフィンワックスは、一般式CnH2n+2を有し、約20℃〜100℃の範囲の融点を有する固体炭化水素の混合物である。ポリマーワックスには、ポリエチレンワックス及びポリプロピレンワックスが含まれ、典型的には約40℃〜160℃の範囲の融点を有する。他の相変化材料の例としては、ウッドメタル、フィールドメタル、又は約20℃〜90℃の融点を有する金属若しくは合金等の低融点合金が挙げられる。
いくつかの実施態様では、TIM22は、1種以上のカップリング剤を含む。いくつかの実施態様では、カップリング剤を含むことにより、熱特性、例えば比較的高い温度での特性を改善し得る。典型的なカップリング剤には、例えば、米国特許出願公開第2011/0308782号に開示されているチタネート系カップリング剤が含まれ、その開示は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。カップリング剤の例としては、チタン(IV)=2,2(ビス2−プロペノラトメチル)ブタノラト・トリス(ジオクチル)ピロホスファト−O、ジルコニウム(IV)=2,2(ビス2−プロペノラトメチル)ブタノラト・トリス(ジイソオクチル)ピロホスファト−O、チタン(IV)=2−プロパノラト・トリス(ジオクチル)ピロホスファト−Oの1モルのジイソオクチルホスファイトとの付加物、チタン(IV)=ビス(ジオクチル)ピロホスファト−O・オキソエチレンジオラート(付加物)ビス(ジオクチル)(水素)ホスファイト−O、チタン(IV)=ビス(ジオクチル)ピロホスファト−O・エチレンジオラート(付加物)ビス(ジオクチル)水素ホスファイト、及びジルコニウム(IV)=2,2−ビス(2−プロペノラトメチル)ブタノラト・シクロジ[2,2−(ビス−2−プロペノラトメチル)ブタノラト]・ピロホスファト−O,Oが挙げられる。一実施態様では、カップリング剤はチタン(IV)=2,2(ビス2−プロペノラトメチル)ブタノラト・トリス(ジオクチル)ピロホスファト−Oである。
いくつかの実施態様では、TIM22は、1種以上の添加剤を含む。添加剤の例としては、酸化防止剤、イオン捕捉剤、及び架橋剤が挙げられる。
いくつかの態様では、TIM22は、1種以上のポリマーマトリックス材料、1種以上の相変化材料、2種以上の熱伝導性充填材、1種以上の溶媒、及び所望により1種以上の添加剤を含む計量分配可能な調合物から形成される。
いくつかの実施態様では、TIM22の焼成は、低くは25℃、50℃、75℃、80℃、高くは100℃、125℃、150℃、170℃、又は上記の値の任意の2つの間で規定される任意の範囲内の温度での焼成を含む。いくつかの実施態様では、TIM22は、少なくは0.5分、1分、30分、1時間、2時間、長くは8時間、12時間、24時間、36時間、48時間、又は上記の値の任意の2つの間で規定される任意の範囲内の時間焼成される。
いくつかの実施態様では、TIM22は、低くは0.05℃・cm2/W、0.06℃・cm2/W、0.07℃・cm2/W、0.75℃・cm2/W、高くは0.08℃・cm2/W、0.09°C・cm2/W、0.1°C・cm2/W、0.12°C・cm2/W、又は上記の値の任意の2つの間で規定される任意の範囲内にある熱インピーダンスを有する。
ゴムエラストマー、第1の熱伝導性充填材(約0.1〜約25ミクロンのアルミニウム粒子)、第2の熱伝導性充填材(約0.1〜6ミクロンの酸化亜鉛粒子)、チタネート系カップリング剤、酸化防止剤、及びワックスを含む実施例を以下のように調製した。実施例1〜5は、一般に、約65〜75重量%のアルミニウム充填材及び約13〜15重量%の酸化亜鉛充填材を含有していた。実施例6〜13は、一般に、約50〜80重量%のアルミニウム充填材及び約15〜45重量%の酸化亜鉛充填材を含有していた。
各TIMの熱インピーダンスは、ASTM D5470−06に準拠した切断片(cut bar)試験によって測定した。各TIMを、2つのライナーフィルム間にテープで、90℃で15分間固定した。ライナーを剥がして直径25mmの円形試料をTIMから切断した。この試料を2つのニッケル被覆銅棒の間に置き、40psiの圧力をかけた。電力を125Wに設定し、20分、25分、及び30分で熱特性を測定した。3つの値の平均を用いて、表1に示す熱インピーダンス値を決定した。
実施例2〜4及び比較例2は、表2に提供される処方に従って調製した。
比較例4は、熱伝導性充填材の混合物をアルミニウム粉末で置き換えた以外は、実施例5〜10と同様にして調製した。
各TIMを、2つのライナーフィルム間にテープで、90℃で15分間固定した。ライナーを剥がして直径25mmの円形試料をTIMから切断した。この試料をニッケル被覆銅熱拡散部とシリコンダイの間に置き、試験用「サンドイッチ」試料を作製した。
さらに、実施例8と比較例4の結果を比較すると、実施例8が比較例4(92%)よりも高い充填材充填率(93%)を有するにもかかわらず、実施例8は比較例4より低いBLTを有する。これは、実施例8は充填材充填量がより高いにもかかわらず、比較例4よりも良好な圧縮性を有し、熱インピーダンスがより低くなることを示している。
[1]少なくとも1種のポリマー、少なくとも1種の相変化材料、第1の粒子径を有する第1の熱伝導性充填材、及び、第2の粒子径を有する第2の熱伝導性充填材、を含み、前記第1の粒子径は前記第2の粒子径よりも大きい、熱界面材料。
[2]前記第1の熱伝導性充填材はアルミニウム粒子を含む、[1]に記載の熱界面材料。
[3]前記第2の熱伝導性充填材は酸化亜鉛粒子を含む、[1]に記載の熱界面材料。
[4]前記第1の粒子径は約1ミクロン乃至約25ミクロンである、[1]に記載の熱界面材料。
[5]前記第2の粒子径は約0.1ミクロン乃至約3ミクロンである、[1]に記載の熱界面材料。
[6]第3の粒子径を有する第3の熱伝導性充填材を更に含み、前記第2の粒子径は前記第3の粒子径よりも大きい、[1]に記載の熱界面材料。
[7]少なくとも1種のカップリング剤を更に含む、[1]に記載の熱界面材料。
[8]前記カップリング剤はチタネート系カップリング剤である、[7]に記載の熱界面材料。
[9]少なくとも1種の溶媒、少なくとも1種のポリマー、少なくとも1種の相変化材料、第1の粒子径を有する第1の熱伝導性充填材、及び、第2の粒子径を有する第2の熱伝導性充填材、を含み、前記第1の粒子径は前記第2の粒子径よりも大きい、熱界面材料を形成するための調合物。
[10]放熱板、電子チップ、及び、前記放熱板と前記電子チップとの間に配置された熱界面材料を含む電子部品であって、前記熱界面材料は、少なくとも1種のポリマー、少なくとも1種の相変化材料、第1の粒子径を有する第1の熱伝導性充填材、及び、第2の粒子径を有する第2の熱伝導性充填材、を含み、前記第1の粒子径は前記第2の粒子径よりも大きい、電子部品。
Claims (1)
- 少なくとも1種のポリマー、
少なくとも1種の相変化材料、
1ミクロン乃至25ミクロンの間の第1の粒子径を有するアルミニウム粒子の第1の熱伝導性金属充填材、
1ミクロン乃至10ミクロンの間の第2の粒子径を有するアルミニウム粒子の第2の熱伝導性金属充填材、及び
0.5ミクロン乃至1ミクロンの間の第3の粒子径を有し、前記第1及び第2の充填材とは異なる酸化亜鉛粒子の第3の熱伝導性充填材、
を含み、
前記第1の粒子径は前記第2の粒子径よりも大きく、前記第1及び第2の充填材は同じ材料の異なる大きさの粒子であり、
全熱伝導性充填材が、熱界面材料の総重量に基づいて90重量%乃至99重量%の間の総重量で存在する、
熱界面材料。
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