JPH08509324A - 改良された熱伝導性境界材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 特に電子部品の間の熱伝導に適する熱伝導性境界材が提供される。好ましい熱伝導性境界材は、その固体部分に付着されたコーティングされていない熱伝導性粒子を有する延伸ポリテトラフルオロエチレンのような、開口構造のフルオロポリマー材料を含む。この境界材は、改良された熱伝導率、高い適合性、より良好な圧縮性、空気の逃げを提供するための固有の多孔性、改良された応力の逃げ、及び熱サイクルの際の高い材料の追従性と疲労に対する抵抗のような、従来入手できる材料を超える多くの利点を有する。

Description

【発明の詳細な説明】 改良された熱伝導性境界材 発明の背景 １．発明の分野 本発明は電気的境界材（interface）、とりわけ種々のエレクトロニクス製品 に使用するための熱伝導性境界材に関する。 ２．関係技術の説明 集積回路（ＩＣ）チップは、次第に小さなパッケージに集約されながら、着実 により強力になっている。以前の集積回路チップに比較すると、この動向は、著 しくより緻密であり且つ所与の時間内により多くの機能を行う集積されたチップ を生産し、それらが使用する電流の増加に結びついている。その結果、より小型 でより高速のチップは、以前の製品よりもかなり高い温度で動作する傾向にある 。 その結果、エレクトロニクス製品の熱管理は、製品設計における主要な問題と なっている。電子回路の信頼性は、種々の電子部品の膨張率の適切な一致に束縛 される傾向にある。温度が高くなると、膨張率の相違は接合する部材間で応力を 発生させる。これらの条件下において、動作温度の全ての増加は、信頼性に負の 効果を有するであろう。 熱をよりうまく制御する努力において、種々の放熱子の使用は、電子機器の設 計において現在中心的な注力点である。今日使用されている一般的な放熱子の例 には、エポキシ、熱硬化性樹脂、シリコーン、及び熱可塑性樹脂のような種々の 充填材入り製品、ＩＢＭ熱伝導性モジュール（ＩＴＣＭ）、三菱高熱伝導性モジ ュール（ＨＴ ＣＭ）、日立ＳｉＣ放熱子、富士通ＦＡＣＯＭ ＶＰ２０００冷却メカニズム等 がある。 ＩＣチップを放熱子に首尾よく適合させるためには、装着を容易にし、電子部 品間の膨張と収縮の影響を最少限にするように、弾性あるいは別な仕方で適合性 のある境界材が好ましい。チップと放熱子の不適当な装着、及び／又は動作の際 の膨張・収縮サイクルにより生じた空気の隙間は、デバイスからの熱の流れを大 きく妨げることがある。放熱子とチップ傾斜の許容差が大きくなったとき（フリ ップチップの場合）、適合性は特に重要になる。 電子部品の間の許容差を吸収するため、一般に熱グリース又は熱伝導性熱硬化 性材料が使用される。例えば、Ａｍｅｅｎらの米国特許第５０２８９８４号を参 照されたい。このような材料は、いくつかの用途においては良好に作用すること ができるが、これらは依然として多くの欠点を有している。これらの材料は調節 することが困難な傾向にあり、電子デバイスの部品を汚染させがちである。例え ば、これらの材料を使用するとき、ハンダ接合部の不都合な汚染を、また電気伝 導性熱硬化性樹脂の場合は隣接した導体の不都合な汚染を防止するため注意が払 われなければならない。実際問題として、このことは一般に、相当な量の廃棄さ れる材料に結びつく。その上、洗浄は、不安全又は環境的に問題な溶媒の使用を 必要とすることが多い。 Ｇｉａｒｕｓｓｏらの米国特許第５１８７２８３号は、溶融性金属コアを囲む 薄いフィルムを含む、ガスケットタイプの材料を開示している。操作において、 ガスケットは境界材として装着され、その温度が高められて金属コアを溶融させ 、それが構成部品に適合することを可能にする。不都合なことに、この構造は、 デバイスの通常の熱サイクルの間に生成することがある空気の隙間を無効にする において有効でないと考えられる。さらに、一般に固体ガスケット材料にともな う共通問題のように、このデバイスは限られた圧縮性を顕すことがあり、合わせ 面への過度の圧力の適用や、ガスケットの許容できない厚い断面の使用を必要と することがあると考えられる。 Ｆｅｉｎｂｅｒｇらの米国特許第５０６０１１４号において、金属又は金属酸 化物の充填材入りシリコーンを、冷却されるべき部品の周りに硬化させることに より、適合性が探究されている。この方法はうまくいくことはあるが、実際の広 範囲な使用には過度に複雑で、コストが高く、時間を浪費すると考えられる。 さらに、殆どの熱硬化性樹脂、グリース、充填材を使用するガスケットについ ては、首尾よい熱の散逸において付加的な束縛が存在する。殆どの充填材は、熱 伝導体のそれぞれの個々の粒子を樹脂の中に覆う傾向にあり、本質的に熱伝導体 を断熱する。このことは、少なくとも２つの仕方で、製品の全体的な有効熱伝導 率を大きく低下させる。第１に、薄くコーティングされた（例えば、シリコーン 又はエポキシ層を用いて）表面であっても、断熱材として作用することがあり、 特に接触面において製品の有効熱伝導率を低下させる。第２に、このような断熱 を解決するため、熱伝導性粒子を強制的に相互に直接接触させて材料を貫く必要 な伝導レベルを得るために、境界材に相当な圧力を与える必要があることが多い 。このことは、実用的な熱伝導性境界材を形成するのに、集積回路にとって許容 できない圧縮力を必要とすることが多い。 この結果、殆どの市販の製品は、約１．８Ｗ／ｍ・Ｋ（グリースについて）か ら２．２Ｗ／ｍ・Ｋ（エポキシについて）のみの範囲の熱伝導率を提供すること ができるに過ぎない。銀充填材入りエポキシのような最も高等な（及び高価な） 材料であっても、３〜４Ｗ ／ｍ・Ｋの範囲の熱伝導率を達成することができるに過ぎない。商標ＣＨＯ−Ｔ ＨＥＲＭ熱境界材料としてＣｈｏｍｅｒｉｃｓ社（Ｗｏｂｕｒｎ、マサチューセ ッツ州）から、及び商標ＳＩＬ−ＰＡＤ熱管理材料としてＴｈｅ Ｂｅｒｇｑｕ ｉｓｔ社（ミネアポリス、ミネソタ州）から入手できる自己接着性材料のような 易取扱性材料については、それぞれわずか約０．３７〜０．９５Ｗ／ｍ・Ｋと０ ．６〜１．５Ｗ／ｍ・Ｋの熱伝導率を一般的に達成することができるに過ぎない 。これらの市販の材料は、高い装着圧力においては比較的良好な熱伝導率を提供 するが、低い装着圧力（例えば、２〜３ポンド／平方インチ未満の圧力）におい ては非常に乏しい熱伝導率を与えるに過ぎない。 多くの市販の熱硬化性樹脂によって経験されるこの他の問題には、不充分な適 合性（即ち、より高い熱伝導率を得るための過度の圧縮力）、熱サイクルの際に デバイスへのかなりの応力に結びつく硬化後の高い曲げ弾性率（flexural modul us）、硬化後に樹脂が縦に曲げられた場合の応力破壊に結びつく「追従性（comp liance）」の不足、長い硬化時間、大容積で作成する場合における困難性がある 。 したがって、本発明の主な目的は、割合に均等な放熱を与え、且つ曲げや疲労 の負の影響を低下させた熱伝導性境界材を提供することである。 本発明のもう１つの目的は、所望のレベルの熱伝導率を得るために、過度の圧 縮力を必要とすることなく、構成部品間の良好な適合を与えるために順応性のあ る熱伝導性境界材を提供することである。 本発明のさらにもう１つの目的は、追従性であり、材料が縦の応力に対して比 較的寛容性であることを可能にする熱伝導性境界材を提供することである。 本発明のこれら及びこの他の目的は、以降の発明の説明を吟味することによっ て明らかになるであろう。 発明の要旨 本発明は、高い熱伝導率と実体のある適合性を組み合せた、改良された熱伝導 性境界材である。 本発明は、粒子を非熱伝導性ポリマーで完全にコーティングする必要がなく、 開口性ポリマー支持構造体の固体部分の中に熱伝導性粒子が捕獲されている点で 、多くの従来の熱伝導性境界材とは異なる。その結果、より良好な粒子と粒子の 接触及び境界材と部品との接触が確立され、境界材を貫く熱移動を改良する。ま た、本発明の改良された熱境界材は、現状で得ることができる境界材よりも顕著 に小さい圧縮力で有効な装着を可能にする。 さらに、支持材料として、延伸ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）又は 類似のフルオロポリマーのような圧縮性構造体を採用することにより、本発明の 境界材は、相当な柔軟度が提供される。このことは、境界材が容易に適合し、構 成部品の間に緊密な接合を与え、熱サイクルの際に構成部品の間に緩衝を与えな がら、空気の隙間による非効率性を減らすことを可能にする。境界材の柔軟性も また、熱サイクルの際の縦の曲げと材料疲労に対するはるかに高い許容度を提供 する。最後に、多孔質フルオロポリマーの使用により、空気の逃げについて敏速 なメカニズムもまた提供される。 図面の説明 本発明の操作は、添付図面と併せて考慮されると、次の説明より明らかになる はずである。 図１は、電子デバイスの構成部品の間に装着されて示された、本 発明の熱伝導性境界材の１つの態様の半横向きのアイソメ図である。 図２は、電子デバイスの２つの構成部品間に装着されて示された、本発明の熱 伝導性境界材のもう１つの態様の横断熱図である。 図３は、本発明の熱伝導性境界材の、２００倍に拡大された走査型電子顕微鏡 写真（ＳＥＭ）である。 図４は、フルオロポリマー膜のノードの間に埋設された熱伝導性粒子を示す、 本発明の熱伝導性境界材の２０００倍のＳＥＭである。 発明の詳細な説明 本発明は、熱エネルギーの移動を助けるための、種々の構成部品の間に装着す るための熱伝導性境界材を含む。 図１に、電子回路ボード16の上の２つの代表的な部品の放熱子12と集積回路14 の間に装着された、本発明の熱伝導性境界材10が示されている。現状で入手でき る多くの熱伝導性境界材と異なり、本発明は、構成部品間の比類ない適合性を提 供する。その結果、本発明の境界材10は、最小限の圧縮圧力を用いて、熱伝導を 遮断する空気の隙間の存在が殆ど又は全くなしに、境界材10と各々の部品の隣接 面18、20との緊密な接合を形成する。 本発明の境界材を用いて構成部品間に得られた接合を表すために用語「緊密な （tight）」が使用された場合、構成部品の間の接続を包含するものであり、そ れによって境界材材料が構成部品の表面の不規則性に適合してそれを満たし、そ れらの間の全ての空気の隙間を顕著に減じた又は除去したことを意味する。本発 明の境界材は、割合に低い取付け圧力で緊密な接合を確立するに特に有効である 。本願において用語「低い取付け圧力」が使用された場合、繊細なエ レクトロニクス製品（例えば、シリカＩＣチップ）が耐えることができ、約３０ ポンド／平方インチ（１４７ｋｇ／ｍ²）未満の圧力を含む制限された圧力を包 含することを意図するものである。 本発明の境界材10は、特定のニーズを満足させるため、各種の形状やサイズで 作成されることができる。図２に、本発明の熱伝導性境界材22のもう１つの態様 が示されている。この例において、境界材22は変形され、放熱子24と電子部品26 の間に追従性のある接合を提供する。 本発明の境界材の好ましい構成は、その中に埋設された熱伝導性粒子を有する フルオロポリマー材料を含む。熱伝導性粒子は、次の特性、即ち高い熱伝導率（ 例えば９．９〜２０００Ｗ／ｍ・Ｋの範囲）、１μｍ未満から約４４μｍまでの 粒子サイズ、及び良好な充填特性を有することが好ましい。大きく改良された充 填特性を達成するためには、粒子間の未充填の空気の隙間が最少限にされること ができるように、粒子が複数の異なる粒子サイズ（例えば、２モード又は３モー ド）を有することが好ましい。 本発明で使用するに好ましい粒子には、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）又 はニッケル（Ｎｉ）、又は亜鉛（Ｚｎ）のような金属、酸化亜鉛、酸化銅、及び 酸化アルミニウムのような金属酸化物、あるいはこの他の窒化ホウ素（ＢＮ）、 窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、ダイヤモンド粉末、及び炭化ケイ素（ＳｉＣ）の ような熱伝導性で非電気伝導性の物質がある。 下記により詳しく説明するように、熱伝導性粒子は、相互に直接接触している ことによって主な熱移動を提供する。現在入手できる熱伝導性境界材において、 この熱移動のメカニズムは、エポキシ、シリコーン、又は他のポリマーの中に充 填することによるような、いくつかの手段によって粒子が適所に支持されなけれ ばならないこ とによって妨害される。ポリマーコーティングは、粒子を被覆する傾向にあり、 それによって系の熱伝導率を低下させる。この状態を克服するため、本来の熱伝 導性を出すためには、境界材に過度のレベルの圧縮圧力が加えられて粒子を当を 得た方向に圧潰することを必要とすることが多い。 本発明の１つの態様において、粒子は、非熱伝導性材料によって完全に被覆さ れずに、フルオロポリマー支持材料自身の中に捕獲される。フルオロポリマー材 料は、熱伝導性粒子を含んで、構成部品間で適切な配列でそれらを保持する支持 体として役立つ。このように、理想的には、フルオロポリマー材料は、容易に圧 縮されて熱伝導性粒子を互いに直接接触させる開口構造を有する。 理想的には、フルオロポリマー材料は、多孔質ポリテトラフルオロエチレン（ ＰＴＦＥ）、とりわけＧｏｒｅの米国特許第３９５３５６６号明細書において教 示されているような押出及び又は延伸ＰＴＦＥである。好ましい材料は、米国特 許第３９５３５６６号明細書にしたがい、その元のサイズの少なくとも２〜４倍 に伸長された多孔質延伸ＰＴＦＥを含む。この伸長は、充填材入り材料が２つの 構成部品の間で圧迫されたとき、生来の空気逃げとして作用する気孔を形成した 。また、延伸ＰＴＦＥの性質のため、構成部品の間の熱膨張率の不一致によって 生じた応力は、構成部品の間にそれが配置されたならば、この熱伝導性層の中で 解放されることができる。 本発明において使用するに適切な境界材組成物の例を下記に示す。本発明の最 も簡単な形態において、境界材は、ＺｎＯ、ＢＮ、又は他の任意の熱的に良好な 伝導性であるが電気的に非伝導性の充填材の固体成分を、約５０〜６０体積％含 有するＰＴＦＥを含む。所望の適合度を得るため、最終的な生成品は４：１又は ３：１又は２：１の比で延伸されることができる。前述のように、延伸プロセス によって生じた気孔の存在は、仕上がり生成品の適合する性質の要因であり、そ の材料が２枚の平行な板の間に配置されて次いで一緒に圧迫されたとき、捕獲さ れた空気の逃げを助ける。これらの材料は、５〜１５ミル（０．１２７〜０．３ ８１ｍｍ）の範囲の厚さを有する薄いテープのような、任意の適切な形状に成形 されることができる。 本発明において使用するに適当なもう１つの組成は、１〜４０μｍの範囲の粒 子サイズを有する銅又はニッケルのような金属粉末で充填したＰＴＦＥを含む。 ４０〜４５μｍの範囲の粒子と混合された１〜５μｍの範囲の粒子を用意すると いってような、２モード又は３モードの分布は、この材料の充填率を高めること ができる。このことは、適合性を犠牲にすることなく、より高い充填密度とその 結果としての熱膨張率の増加を可能にする。得られた充填材入りＰＴＦＥに対す る金属の全体積％（空気を含む）は、２０〜９０％の範囲である。また、得られ た材料は、その材料の熱特性をさらに高めるため、錫／鉛、銅、又はニッケルの ような追加の金属でさらにメッキされることもできる。 前記の方法のいずれかによって作成された材料は、次に一緒に貼り合わされ、 電気絶縁性であって優れた熱伝導性の材料を形成することができる。これらの材 料の１種を、圧力下でより熱伝導性の高い材料、例えば限定されるものではない が銅、アルミニウム、炭化ケイ素、金属マトリックス複合材料、又は金属マトリ ックス中の高度に配向された炭素繊維に貼り合わせることにより、さらに改良さ れた材料を得ることができる。 熱伝導性をさらに改良するため、伸長によって形成された気孔を液体で埋め戻 し、その中の空気の隙間を減少させ又は除去し、熱伝導性を改良することができ る。例えば、液体は次の任意のもの、即 ち、シリコーンオイルの移動や蒸発を減らすように１モードの分子量分布を有す る高分子量のシリコーンオイル（例えば、１００００〜１０００００センチスト ークスの粘度範囲を有するダウコーニング社のＤＣ２００オイル）、ＦＲＥＯＮ フルオロカーボン液又はＫＲＹＴＯＸヘキサフルオロプロピレンエポキシドポリ マーオイル（それぞれデラウェア州ウィルミントンにあるＥ．Ｉ．ｄｕＰｏｎｔ ｄｅ Ｎｅｍｏｕｒｓ ａｎｄ Ｃｏｍｐａｎｙより入手可能）、ＦＯＭＢＬ ＩＮペルフルオロポリエーテルオイル（ニュージャージ州のＭｏｒｒｉｓｔｏｗ ｎにあるＡｕｓｉｍｏｎｔ Ｕ．Ｓ．Ａ．より入手可能）、又は類似の物質を含 むことができる。 充填材は、単なる拡散、圧力下の注入、真空下の吸引、超音波による押し込み 、移動を容易にする溶媒の使用、又は表面を横切る塗布（ドクターブレードのよ うな）を含む種々の方法によって構造体の中に配置されることができる。また、 純粋な金属を充填されたＰＴＦＥは、無電解又は電気分解メッキされ、得られる 生成品にさらに金属を付加することもできる。これが熱伝導性境界材に対して行 なわれると当然なから、それは電気伝導性でもあることができる。 最後に、充填材入り材料は他の充填材入り材料に、例えば金属充填材入りＰＴ ＦＥは金属酸化物充填材入りＰＴＦＥに、あるいは銅やアルミニウムのような純 粋金属に、あるいは炭化ケイ素のような混成材料、金属マトリックス複合材料、 又は高度に配向された炭素繊維に貼り合わされることができ、より高い熱伝導率 を得ることができる。 当業者はさらに、これらの代わって取りうる態様の任意の組み合わせが、熱伝 導性を高めるために使用されることができることを理解すべきである。例えば、 金属充填材入り材料は、メッキされ、次いで金属箔にラミネートされ、次いでシ リコーンオイルを充填され ることができる。 前記の任意の組成を用い、必要により、複合材料の一方又は両方の表面に軽量 の接着剤を施し、電子デバイスのアセンブリーを補助することもできる。 本発明の境界材の構造は、図３と４の走査型電子顕微鏡写真（ＳＥＭｓ）によ って最も適切に例証されている。ＳＥＭｓに示されているように、延伸ＰＴＦＥ フルオロポリマー材料24は、フィブリル28によって相互に接続されたノード26の 網状構造を含む。前記の仕方で作成された場合、いくつかのノード26に直接付着 される又は埋設されることを含んで熱伝導性粒子30はポリマー構造の網みにかけ られ、このようにしてフルオロポリマー材料の中に固定されることになる。従来 のいくつかの境界材と異なり、本発明に伴う粒子の保持は、粒子のコーティング や熱伝導性の妨害を全く必要としない。また、この作成方法は、境界材の表面上 であっても粒子が露出されたままでいることを可能にし、したがって境界材と部 品表面の間の直接接触を与える。 本発明は、現状で入手できる商業的製品を超える改良を示す。本発明にしたが う境界材生産品は、次の特性即ち、≧０．５Ｗ／ｍ・Ｋの熱伝導率、大きな追従 性、大きな適合性、応力の逃げを与える気孔、適用の容易性の全てを組み合わせ た唯一の境界材である。これらの特性の組み合わせは、あり得る最も低い熱イン ピーダンスを有すると考えられる熱経路を提供する。 本発明の範囲を制限することを意図することなく、次の例を参照することによ って、本発明の製造と使用方法がより良く理解されることができよう。 例１ フィッシャーサイエンティフィク社（ピッツバーグ、ペンシルバニア州）から 入手した酸化亜鉛グレードＺ−５２の２２４０ｇと、２３８００ｍｌの脱イオン 水のスラリーを３０リットルの容器の中で調製した。このスラリーを３００ｒｐ ｍで攪拌しながら、ＰＴＦＥの固形分が２９．４％の分散系の形態の５６０ｇの ＰＴＦＥを、混合している容器の中に素早く注ぎ入れた。ＰＴＦＥ分散系はＥ． Ｉ．ｄｕＰｏｎｔ ｄｅ Ｎｅｍｏｕｒｓ ａｎｄ Ｃｏｍｐａｎｙ（ウィルミ ントン、デラウェア州）から入手した水系分散系であった。この混合物は自己凝 固性であり、１分以内に混合容器の底に凝塊が沈澱し、水は透明であった。 この凝塊を環流型オーブン中で１６５℃にて乾燥した。この材料は小さな割れ た厚さ約２ｃｍのケーキに乾燥し、０℃未満に冷却した。密な円形運動を行ない ながらわずかな下方への力で０．６３５ｃｍメッシュのステンレス鋼の篩を通す ことにより、冷却したケーキを手で粉砕し、粉末の１ｇあたり０．２６７ｇのミ ネラルスピリットを添加した。この混合物を冷却し、再度０．６３５ｃｍメッシ ュの篩に通し、１０分間混転し、次いで１８℃にて４８時間放置し、再度１０分 間混転した。 真空に引き、８００ｐｓｉで加圧することにより、シリンダー内でペレットを 作成した。次いでこのペレットを封管の中で加熱した。次いでこのペレットをテ ープ状に押し出した。 次いで加熱されたロールを通してそのテーブを圧延した。次いで加熱されたロ ールを横切ってテープを走らすことにより、潤滑剤を蒸発させた。テープの厚さ は乾燥後で約１１．７ミルであった。 例２ 例１で作成されたテープを、次にシリコーンオイルを用いて充填し、その中の 全ての空気の隙間を満たした。シリコーンオイルが境 界材を被覆し、その中の殆どの隙間を満たすまで、ドクターブレードを用いてテ ープの両側に約１ｇのダウコーニングＤＣ２００シリコーンオイル（３０ｋｃｓ ）を施した。この操作の後、境界材は約１１．５ミルの厚さであった。 例３ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｃｅｒａｍｉｃｓ Ｃｏｍｐａｎｙ（クリーブランド、オ ハイオ州）から入手した窒化ホウ素グレードＨＣＰの４３７６ｇと、５５０００ ｍｌの脱イオン水を３０リットルの容器の中で調製した。このスラリーを３００ ｒｐｍで攪拌しながら、１５．７％固形分のＰＴＦＥ分散系の形態のＰＴＦＥの ４３２４ｇを、混合している容器の中に素早く注ぎ入れた。ＰＴＦＥ分散系はＩ ＣＩアメリカ社（Ｂａｙｏｎｎｅ、ニュージャージ州）から入手した水系分散系 であった。この混合物は自己凝固性であり、１分以内に混合容器の底に凝塊が沈 澱し、水は透明であった。 この凝塊を環流型オーブン中で１６５℃にて乾燥した。この材料は小さな割れ た厚さ約２ｃｍのケーキに乾燥し、０℃未満に冷却した。密な円形運動を行ない ながら、わずかな下方への力で０．６３５ｃｍメッシュのステンレス鋼の篩を通 すことにより、冷却したケーキを手で粉砕し、粉末の１ｇあたり０．２６７ｇの ミネラルスピリットを添加した。この混合物を冷却し、再度０．６３５ｃｍメッ シュの篩に通し、１０分間混転し、次いで１８℃にて４８時間放置し、再度１０ 分間混転した。 真空に引き、８００ｐｓｉで加圧することにより、シリンダー内でペレットを 作成した。次いでこのペレットを封管の中で加熱した。次いでこのペレットをテ ープ状に押し出した。 次いで加熱されたロールを通してそのテープを圧延した。次いで加熱されたロ ールを横切ってテープを走らすことにより、潤滑剤を 蒸発させた。テープの厚さは乾燥後で１０．５ミルであった。 例４ 参考にして取り入れているＧｏｒｅの米国特許第３９５３５６６号明細書にし たがい、次の延伸条件下、即ち２７０℃に加熱された金属ロールを横切る２：１ の比と、５２．５フィート／分の入口速度と１０５フィート／分の出口速度で例 ３のテープを伸長させた。 例５ ３２５メッシュ通過（-325mesh）の銅粉末の３０１．７ｇと、７μｍ未満の銅 粉末の５．１ｇと、脱イオン水の９２０ｇのスラリーを、２リットルの邪魔板つ きステンレス鋼容器の中で調製した。銅粉末は、ＳＣＭ Ｍｅｔａｌ Ｐｒｏｄ ｕｃｔｓ社（Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｔｒｉａｎｇｌｅ Ｐａｒｋ、ノースカロライ ナ州）から購入した。１分間の混合の後、２５．０％分散系の形態のＰＴＦＥ固 形分１８．２ｇを混合している容器の中に素早く注ぎ入れた。この分散系はＥ． Ｉ．ｄｕＰｏｎｔ ｄｅ Ｎｅｍｏｕｒｓ ａｎｄ Ｃｏｍｐａｎｙ（ウィルミ ントン、デラウェア州）から入手した。１０秒後、３８．３ｇのＳＥＤＩＰＵＲ ８０３改質カチオン系界面活性剤を混合物の中に注ぎ入れた。この混合物は直ち に凝固した。混合プロセスを止めた後、凝塊が底に沈澱し、流出液は透明であっ た。 この凝塊を環流型オーブン中で１６５℃にて乾燥した。この材料は小さな割れ たケーキに乾燥し、０℃未満に冷却した。密な円形運動を行ないなからわずかな 下方への力で０．６３５ｃｍメッシュのステンレス鋼の篩を通すことにより、冷 却したケーキを手で粉砕し、混合物の１ポンドにつき、２部のプロピレングリコ ール（ＰＰＧ）と１部のイソプロパノール（ＩＰＡ）の混合物の７５ｃｃを添加 した。この混合物を冷却し、再度０．６３５ｃｍメッシュの篩に通 し、１０分間混転し、次いで１８℃にて４８時間放置し、再度１０分間混転した 。 真空に引き、２５０ｐｓｉで加圧することにより、シリンダー内でペレットを 作成した。次いでこのペレットを封管の中で加熱した。次いでこのペレットをテ ープ状に押し出した。 次いで加熱されたロールを通してそのテープを１５ｍｌに圧延した。次いで２ ５０℃にスチーム加熱したプレードを横切ってテープを走らすことにより、潤滑 剤を蒸発させた。テープの厚さは乾燥後で約１０．９ミルであった。 測定方法 材料のサンプルを５インチ平方に切り、５インチ×５インチの加熱された熱盤 の上に置いた。熱電対を備えた放熱子を、試験サンプルの上部に置く（参照文献 は、ＡＳＴＭ Ｅ １２２５−８７の保護された比較縦方向熱流技術による固体 の熱伝導率、及びＡＳＴＭ Ｃ１７７−８５の保護されたホットプレート装置を 用いる定常状態の熱束測定と熱伝達特性）。部屋の中の温度変動の影響を減らす ため、放熱子の上にマフィンファンを配置する。サンプルを加熱し、前記の熱電 対を用いて熱の流れと温度変化をモニターする。平衡に達した後、熱の流れと温 度を記録し、１次元の安定状態の熱の流れについてのフーリェの熱伝導式に代入 する。即ち、 ここで ｋ＝熱伝導率 ΔＱ／Ａ＝試験器からの熱の流れ ΔＴ＝試験器からの温度 試験器は、Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｉｎｓ ｔｒｕｍｅｎｔｓ Ｃｏｍｐａｎｙ（Ｄｅｌ Ｍａｒ）カリフォルニア州）のＭ ｏｄｅｌ Ｃ−６００−Ｓ熱伝導率セル、又は同様な装置である。 試験は、熱伝導率セルのメーカーによって規定された手順に従った。先ず機器 が較正された。次にサンプルが装填され、試験が開始された。第１の読みは３０ 分後に採取され、以降の読みはその後１５分毎に採取された。報告値は、機器が 平衡に達した後の読みであった（サンプルあたり約１．５時間）。 上記の例より各々のサンプルについて次の試験結果が得られた。熱伝導率（ｋ ）（Ｗ／ｍ・Ｋ）は、無加圧と、表示の圧力下にサンプルを置くことによって測 定された。比較用サンプルは、Ｃｈｏｍｅｒｉｃｓ社（Ｗｏｂｕｒｎ、マサチュ ーセッツ州）と、Ｔｈｅ Ｂｅｒｇｇｕｉｓｔ社（ミネアポリス、ミネソタ州） より入手した。 次の３つの試験は、本発明の境界材の適合性と追従性を定めるために提案する 。平らな一次試験ヘッド（「試験ヘッドＡ」（ＴＨＡ））が、±０．００１イン チの許容度にまで研磨された境界材表面に接触して配置されるべきである。不規 則表面に適合する本発明の性能を測定するため、２つの代わりの試験ヘッドが使 用されることができる。第１試験ヘッド（「試験ヘッドＢ」（ＴＨＢ））は１２ ５マイクロインチのミクロ的に粗い肌の表面に仕上げられるべきで ある。第２試験ヘッド（「試験ヘッドＣ」（ＴＨＣ））は、±０．００５インチ の凹凸に設計されるべきである。 「追従性」は、平らでない２つの表面間の隙間を満たす境界材の性能として定 義される。これは、例えば境界材と２つの合わせ面の間に境界材の厚さの１／３ 〜１／２の介在物を挿入することにより、その合わせ面に対して若干の角度で１ つの表面を傾斜させることによって試験することができる。熱伝導率がこのセッ トアップを用いて測定され、介在物なしでの境界材の熱伝導率に比較される。元 の熱伝導率の３０％未満の低下は、「追従性である」と評価された。境界材は、 ５インチ（１２７．０ｍｍ）の境界材の長さにわたって５ミル（０．１２７ｍｍ ）の相違を収容するに充分追従性であることが好ましい。 「適合性」は、表面の凹凸のある肌を満たす境界材の性能として定義される。 適合性は、試験ヘッドＴＨＢとＴＨＣを用いて試験することができる。境界材は 、ミクロな粗さの表面と±０．００５インチの面を有する表面に適合できるかを 判断するために試験される。±０．００５インチの試験ヘッドが、０．０１０イ ンチより大きい試験境界材と共に使用される。サンプルの熱伝導率は、これらの ２つのヘッドを用いて測定され、元の熱伝導率と比較されることができる。熱伝 導率が３０％より大きく低下しない場合、境界材は適合性であると評価される。 本発明のフルオロポリマー材料として使用するに適する、参考にして取り入れ ているＧｏｒｅの米国特許第３９５３５６６号にしたがって作成された一般的な 延伸ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）材料の追従性を試験するため、次 の試験を行った。前記の試験法にしたかって熱伝導率を試験した。 本発明の熱伝導性境界材は、とりわけ電力用電界効果トランジスター、コンピ ューター論理回路、及びこの他の高電子密度回路のような電子デバイスの構成部 品からの熱エネルギーの放散について設計される。ここで、本発明の適用は、電 源変圧器、トランジスターパッケージ（例えば、ＴＯ−３、ＴＯ−５、ＴＯ−１ ８、ＴＯ−３ ６、ＴＯ−６６、ＴＯ−２２０と称されるもの等）、及びダイオードパッケージ （例えば、ＤＯ−４、ＤＯ−５と称されるもの等）のような他の用途の広範囲な 選択を含むことができると理解されるベきである。 同様に、本発明から離れずに、本発明の熱伝導特性が、放熱子、低温プレート 等のようなある構成部品への熱移動にも利用されることができると理解されるべ きである。 本願において本発明の特定の態様を例示し、説明してきたが、本発明はこの例 示や説明に限定されるべきでない。いろいろな変化や変更が、次の請求の範囲の 範疇の中で本発明の一部として取り入れられ、具体化され得ることは明らかであ ろう。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，Ｂ Ｒ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ ，ＦＩ，ＧＢ，ＨＵ，ＪＰ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ， ＬＵ，ＭＧ，ＭＮ，ＭＷ，ＮＬ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，Ｐ Ｔ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＫ，ＵＡ，ＶＮ (72)発明者 ヨキムカス，ビクター ピー. アメリカ合衆国，デラウェア 19713，ニ ューアーク，キャノンズ ウェイ 327

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．第１表面と第２表面を有する多孔質フルオロポリマー材料、及びその第１ と第２の表面の間のフルオロポリマー材料の中に埋設された熱伝導性粒子を含む 、電子部品の間に装着するための熱伝導性境界材であって、境界材はその部品の 間に装着される時、適合して部品の間にぴったりした熱伝導性境界材を提供し、 熱伝導性粒子をその各々の部品に直接接触させて配置する熱伝導性境界材。 ２．フルオロポリマー材料が、フィブリルによって相互に接続されたノードの 網状構造を含み、少なくとも一部の熱伝導性粒子がそのノードに付着されている 請求の範囲第１項に記載の熱伝導性境界材。 ３．フルオロポリマー材料が延伸ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を 含む請求の範囲第２項に記載の熱伝導性境界材。 ４．より大きい充填密度を供給するように、境界材が、混合された異なるサイ ズの粒子をその中に含む請求の範囲第１項に記載の熱伝導性境界材。 ５．境界材か約０．２５〜０．３８ｍｍの厚さであり、高い熱放散速度を有す る請求の範囲第１項に記載の熱伝導性境界材。 ６．境界材が、約１４７ｋｇ／ｍ² （３０ｐｓｉ）未満の圧力下でぴったり した熱伝導性境界材を形成するに充分適合性がある請求の範囲第１項に記載の熱 伝導性境界材。 ７．熱伝導性粒子がフルオロポリマーの第１と第２の表面上に露出され、その 粒子は断熱性コーティングを実質的に有しない請求の範囲第１項に記載の熱伝導 性境界材。 ８．境界材が、測定長さ約１２７ｍｍの境界材の１つの端から他の端の間の少 なくとも０．１２７ｍｍ（５ミル）の段差を受け入れ るに充分に追従性である請求の範囲第１項に記載の熱伝導性境界材。 ９．フルオロポリマー材料が多孔質であり、部品の間に境界材が装着されたと きに材料を貫く空気の逃げを提供する請求の範囲第１項に記載の熱伝導性境界材 。 １０．フルオロポリマー材料が延伸ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ） を含む請求の範囲第９項に記載の熱伝導性境界材。 １１．境界材が、部品の間の膨張率の差によって生じる応力の逃げを与える請 求の範囲第９項に記載の熱伝導性境界材。 １２．境界材が、平行でない２つの表面間の間隙を満たすに充分追従性である 請求の範囲第１項に記載の熱伝導性境界材。 １３．熱伝導性粒子が断熱性コーティングを実質的に有しない請求の範囲第１ 項に記載の熱伝導性境界材。 １４．フルオロポリマー材料が、フィブリルによって相互に接続されたノード の網状構造を含み、熱伝導性粒子の少なくとも一部がノードに付着された請求の 範囲第１３項に記載の熱伝導性境界材。 １５．境界材が多孔質であり、境界材が部品の間に装着されたときにフルオロ ポリマー材料を貫く空気の逃げを提供する請求の範囲第１４項に記載の熱伝導性 境界材。 １６．熱伝導性粒子が、亜鉛酸化物、窒化ホウ素、アルミニウム酸化物、銅、 ニッケル、及び炭化ケイ素からなる群より選択された請求の範囲第１項に記載の 熱伝導性境界材。 １７．フィブリルによって相互に接続されたノードの網状構造を含む多孔質フ ルオロポリマー材料、及び フルオロポリマー材料の中に含められ、その粒子の少なくとも一部がフルオロ ポリマーのノードの中に埋設された熱伝導性粒子を含み、 境界材が部品の間に装着されたとき、適合して部品の間にぴったりした熱伝導 性境界材を提供し、熱伝導性粒子を各々の部品に直接接触させて配置する熱伝導 性境界材。 １８．境界材が部品の間に装着されたとき、その境界材は、フルオロポリマー 材料を貫く空気の逃げを提供するに充分多孔質である請求の範囲第１７項に記載 の熱伝導性境界材。 １９．境界材が、１４７ｋｇ／ｍ²（３０ｐｓｉ）未満の割合に低い装着圧力 で、部品の間にぴったりしたシールを提供するに充分圧縮性である請求の範囲第 １７項に記載の熱伝導性境界材。 ２０．より大きい充填密度を供給するように、境界材が、混合された異なるサ イズの粒子をその中に含む請求の範囲第１７項に記載の熱伝導性境界材。