NL8004908A

NL8004908A - Elektrisch isolerend substraat, tevens geschikt voor het afvoeren van warmte.

Info

Publication number: NL8004908A
Application number: NL8004908A
Authority: NL
Original assignee: Showa Denko Kk
Priority date: 1979-08-30
Filing date: 1980-08-29
Publication date: 1981-03-03
Also published as: US4307147A; GB2060435B; JPS5635494A; GB2060435A; FR2464540A1; DE3032744A1; FR2464540B1

Description

. «·" 4 *1

Elektrisch isolerend substraat, tevens geschikt voor het afvoeren van warmte.

De uitvinding heeft betrekking op een elektrisch isolerend substraat dat een goede thermische geleidbaarheid bezit en dat wordt gebruikt voor de vervaardiging van een printplaat of een plaat voor warmte-afvoer en dergelijke op het gebied van elek-5 tronische schakelingen.

Bekend is het gebruik voor een substraat van een printplaat of van een warmte-afvoer, van samengestelde materialen die bestaan uit een substraat en een organisch polymeer materiaal, bijvoorbeeld laminaten die zijn vervaardigd van een papieren sub-10 straat en een fenolhars of van een glazen substraat en een epoxyhars, of van keramische materialen, bijvoorbeeld platen van alumi-niumoxyde. Deze substraat-materialen schieten echter hierin tekort dat als gevolg van een geringe warmte-geleidbaarheid en een onvoldoende warmte-uitstraling elementen die een sterke warmte-ontwikke-15 ling veroorzaken zoals schakelingen in een iC-techniek, een MSI- techniek of een LSI-techniek, niet met grote dichtheid kunnen worden aangebracht op deze substraten.

Om aan dit bezwaar tegemoet tekomen zijn substraten ontwikkeld die als basis een metaal hebben welk metaal een wat 20 betreft elektrische geleidbaarheid en warmtegeleidbaarheid uitstekende eigenschappen heeft. Bijvoorbeeld zijn ontwikkeld een samengesteld laminaat omvattende een metaal en een organisch polymeer materiaal, en een samengestelde plaat uit metaal en keramiek in de vorm van aluminium plaat met een daarop een door anodisatie verkregen 25 oxydelaagje (alumilite). Echter schieten ook dergelijke substraten tekort. Wat betreft het eerstgenoemde substraat neemt de thermische weerstand toe als gevolg van de aanwezigheid van het organische polymeer materiaal en wat betreft het laatstgenoemde substraat blijkt 8004908 2 bij verhoging van de temperatuur het alumilite oxydelaagje te barsten hetgeen resulteert in een verslechtering van de elektrische isolatie-eigenschap.

Het doel van de uitvinding is een nieuw substraat 5 te verschaffen met een geringe thermische weerstand en tegelijk een goede elektrische isolatie. Tot dit doel wordt volgens de uitvinding verschaft een elektrisch isolerend en goed warmtegeleidend substraat dat bestaat uit een goed warmtegeleidende metalen plaat, bijvoorbeeld van aluminium, en een daarop gevormde film welke film bestaat 10 uit een dispersie van metaaloxyde-deeltjes met een vorm-factor die hierna wordt gedefinieerd, ten bedrage van 1-1,4 en met een veelhoekige vorm met gladde oppervlakken, in een klevend organisch polymeer.

De uitvinding zal hierna worden toegelicht met 15 een beschrijving van een uitvoeringsvoorbeeld. De beschrijving verwijst naar een tekening.

Pig. 1 geeft een doorsnede van het elektrisch isolerende substraat volgens de uitvinding.

Pig. 2 (a) is een doorsnede van een elektrisch 20 isolerend substraat in een reeds bekende uitvoering.

Fig. 2 (b) toont in een doorsnede een ter vergelijking aangevoerd elektrisch isolerend substraat.

Fig. 3 geeft in doorsnede de opstelling waarin de warmtegeleidbaarheid van het substraat wordt gemeten.

25 Een samengesteld laminaat, bestaande uit een metaal en een organisch polymeer materiaal schiet, zoals hiervoor is uiteengezet, hierin tekort dat de warmteweerstand hoog is. Indien een elektrisch isolerende anorganische vulstof met een goed warmtege le idingsvermogen , zoals aluminiumoxyde of siliciumoxyde, in het 30 organische polymeer materiaal wordt opgenomen, kan de warmteweerstand in zekere mate geringer zijn. Aangezien echter een normaal verkrijgbare anorganische vulstof wordt gevormd door een produkt dat is verkregen langs de natte weg of langs de droge weg, te vermalen hebben de deeltjes een ingewikkeld oppervlak met uitsteeksels en holtes 35 waarbij deze oppervlakken van de deeltjes aan het substraat hechten 80 0 4 90 8 V * 3 voornamelijk via puntcontact. Deze wijze van contact maken is schematisch weergegeven in fig. 2(a) waarin de verwijzingscijfers 1, 2 en 5 een substraat, bijvoorbeeld een plaat aluminium, voorstellen, respectievelijk een organisch polymeer en een anorganische vulstof, 5 bijvoorbeeld aluminiumoxyde of siliciumoxyde. De vulstof 5 is in contact met het substraat 1 ter plaatse van de contactpunten 6. Hoewel dus de vulstof op zichzelf genomen een goede warmtegeleidbaar-heid heeft, wordt op deze wijze niet voldoende warmte naar het substraat toegevoerd.

10 Volgens de uitvinding wordt de anorganische vul stof gebruikt in de vorm van deeltjes met een bepaalde vorm-factor en met een veelhoekige vorm, bijvoorbeeld rechthoekig, vijfhoekig, zeshoekig of achthoekig, en bij voorkeur met gladde oppervlakken.

Door deze gladde vlakjes aan de deeltjes worden tussen het substraat 15 en de deeltjes volgens de uitvinding contacten verkregen van vlak tegen vlak waardoor de eigenschappen van het samengestelde laminaat ten opzichte van de bekende uitvoeringen beter zijn.

In fig, 1 die schematisch een substraat volgens de uitvinding voorstelt, is een metalen plaat 1 bijvoorbeeld een 20 plaat van aluminium At een alumilite-behandeling kan hebben ondergaan hoewel dit niet in de tekening is aangegeven. Een klevende organische polymeerlaag 2 bevat in dispersie metaaloxyde-deeltjes 3 met een vorm-factor ter waarde van 1-1,4, waarbij deze deeltjes 3 gladde vlakjes vertonen. Een van de vlakjes, het vlakje 4, van de 25 veelhoekige deeltjes is getekend in een contact van vlak of vlak met de plaat 1.

De "vorm-factor" waarvan hiervoor sprake was, wordt op de volgende wijze bepaald.

Deeltjes worden in de stabiele toestand gedis-30 pergeerd op een platte plaat en van elk deeltje wordt de grootste afmeting en de afmeting loodrecht daarop onder een rechte hoek gemeten in overeenstemming met de microscoop vergrotingswerkwijze die is gespecificeerd in JIS R-6002 (Japans normalisatieblad). De gemiddelde waarde van de verhouding tussen de grootste afmeting en 35 de aldus bepaalde kleinste afmeting wordt berekend. Het aantal van 80 0 4 90 8 4 de gemeten deeltjes bedraagt normaal 200. Volgens deze werkwijze worden de grootste afmeting en de kleinere gemeten in de toestand waarbij de deeltjes stabiel zijn geplaatst op het platte vlak. Indien de hierboven genoemde verhouding kleiner is dan 1,4 worden ook 5 plaat-vormige deeltjes daarbij inbegrepen. Indien de vorm-factor de waarde 1,4 overtreft, nemen de eigenschappen als gevolg van de vulling af en wordt het warmtegeleidingsvermogen geringer. Om deze reden worden deeltjes met een vorm-factor die groter is dan 1,4, niet bij de uitvinding toegepast. Ingeval de deeltjes een grote 10 vorm-factor hebben, bijvoorbeeld een vorm-factor 7 zoals in fig. 2 (fa) is getekend, overlappen de deeltjes elkaar gedeeltelijk en zijn de oppervlakken van deze overlappende deeltjes gewoonlijk gering hetgeen één reden is voor de verlaging van de warmtegeleidbaarheid. In het geval daarentegen van plaatvormige deeltjes met een vorm-15 factor die kleiner is dan 1,4, verslechteren de eigenschappen van de vulstof in de bekledingsfilm niet en is het contactoppervlak tussen het substraat en de deeltjes groot. Zelfs indien dergelijke deeltjes elkaar gedeeltelijk overlappen is het contactoppervlak tussen de deeltjes groot omdat de deeltjes goed vullen en daarom is 20 een goede warmtegeleidbaarheid verzekerd.

In fig. 1 en in fig. 2(a) is de toestand weergegeven waarbij de deeltjes zich bevinden in één enkele laag in de laag van het organische polymeer. Vanzelfsprekend kunnen de deeltjes willekeurig zijn geschikt en gedispergeerd in vele lagen in 25 het organische polymeer overeenkomstig de afmeting van de deeltjes * en dergelijke. In dit geval dienen natuurlijk de zijkanten van de deeltjes met elkaar in contact te worden gebracht. Aangezien echter de deeltjes die volgens de uitvinding worden gebruikt, gladde oppervlakken bezitten, neemt het contactoppervlak tussen de deeltjes toe 30 en dit vergrote contactoppervlak heeft een goede invloed op de warmtegeleiding.

Indien de deeltjes groot zijn moet de dikte van de polymeerlaag dienovereenkomstig worden vergroot. Het verdient daarom gewoonlijk de voorkeur dat de deeltjesgrootte niet meer dan 35 200 micrometer bedraagt, in het bijzonder niet meer dan 20 micro- 80 0 4 90 8 V * 5 meter. Indien daarentegen de deeltjes klein zijn neemt het effect door het gebruikmaken van veelhoekige deeltjes af. Het verdient daarom de voorkeur dat de afmeting van de deeltjes niet minder dan 2 micrometer bedraagt.

5 Verder verdient het de voorkeur dat het warmte- geleidingsvermogen van de deeltjes groot is.

Als deeltjes die aan de hiervoor genoemde vereisten voldoen en die fabriekmatig kunnen worden vervaardigd, kunnen worden genoemd deeltjes van de metaaloxyden Al^O^, SiO^ en TiC^.

10 Korund-deeltjes (Al^) hebben in het bijzonder de voorkeur omdat gemakkelijk veelhoekige en plaatvormige deeltjes kunnen worden verkregen met het hydrothermische synthese-proces.

Als plaat met een goed warmtegeleidingsvermogen kan gebruik worden gemaakt van platen van aluminium, koper, zilver, 15 nikkel, titaan of ijzer. Vanuit de gezichtspunten van kostprijs en gewicht verdient in het bijzonder de voorkeur een plaat van aluminium, van aluminium dat een alumilite-behandeling heeft ondergaan (dat wil zeggen anodisch is geoxydeerd) of van ijzer. De dikte van een dergelijke metalen plaat bedraagt gewoonlijk tussen 0,5 en 3 mm.

20 Voor het klevende organische polymeer kan bij voorbeeld gebruik worden gemaakt van een epoxyhars of een fenolhars of anders van een siliconenrubber.

Wanneer het gehalte aan gedispergeerde metaal-oxydedeeltjes in het organische polymeer gering is, is de warmte-25 geleidbaarheid laag. Indien daarentegen het gehalte aan metaaloxyde-deeltjes groot is, wordt het moeilijk een sterke film te vormen. Het verdient daarom de voorkeur dat het volume van de deeltjes in de film van 5-55 % bedraagt, en bij voorkeur van 10-50 %, van het totale volume van de film. Het volume dat overeenkomt met van 2-30 % in 30 het deeltjes innemende volume van 5-55 %, kan worden ingenomen door in de handel verkrijgbaar fijn keramisch poeder (bijvoorbeeld hexagonaal Ki, BeO of Si02), en wel met een deeltjesgrootte die geringer is dan die van de metaaloxyde-deeltjes en voor zover de sterkte van de film niet ernstig wordt aangetast. Wanneer zulke fijne deeltjes 35 mee worden opgenomen, komen deze terecht tussen de metaaloxyde- 80 0 4 90 8 6 deeltjes en kan het warmtegeleidingsvermogen van de film op deze wijze verder worden vergroot.

De dispersie van de metaaloxyde-deeltjes in het organische polymeer kan worden aangebracht op een doek van glasvezel. 5 Het glasvezeldoek wordt op de metalen plaat gehecht op zodanige wijze dat het oppervlak daarvan waarop de dispersie is aangebracht, in contact is met de metalen plaat. Wanneer de dispersie wordt aangebracht op de glasvezeldoek zijn met voordeel de dikte van de disper-siefilm en daarmee de thermische weerstand zowel als de doorslag-10 spanning van de samengestelde film, gelijkmatig.

De dikte van de film is variabel afhankelijk van het gebruiksdoel van het substraat, maar ligt gewoonlijk tussen 0,01 en 0,2 mm en in het bijzonder tussen 0,01 en 0,1 mm.

De werkwijze voor het vormen van de film van een 15 substraat volgens de uitvinding zal nu worden beschreven.

In het geval van aluminiumoxyde, siliciumoxyde en titaanoxyde kunnen korrelvormige of plaatvormige veelhoekige deeltjes met een vorm-factor tussen 1 en 1,4 worden verkregen door middel van de hydrothermische synthese-werkwijze. Bijvoorbeeld 20 kunnen korrelvormige veelhoekige deeltjes van aluminiumoxyde met een vorm-factor tussen 1 en 1,4 en waarvan het merendeel begrensd is door gladde oppervlakken, worden verkregen met de werkwijze die is beschreven in de ter inzake gelegde Japanse octrooiaanvrage 15498/ 77 (Amerikaans octrooischrift 4.193.768), en kunnen plaatvormige 25 deeltjes van aluminiumoxyde worden verkregen volgens de werkwijze die is beschreven in de openbaar gemaakte Japanse octrooiaanvrage 7750/ 62.

Deze deeltjes worden pp voldoende wijze gemengd en gedispergeerd in het genoemde organische polymeer en in de disper-30 sie worden een uithardmiddel en eventueel andere toevoegingen opgenomen. De dispersie wordt in een laag aangebracht op één of beide oppervlakken van de metalen plaat door spuiten of door drukken en wordt vervolgens gedroogd en uitgehard.

Bij gebruik van het goed warmtegeleidende en goed 35 elektrisch isolerende substraat volgens de uitvinding als substraat 80 04 90 8 7 voor een printplaat wordt een koperen folie of een bekledingslaag van koper gevormd op het oppervlak van de film en wordt in de aangebrachte laag koper een schakeling gevormd. Wanneer het substraat volgens de uitvinding gebruikt wordt als warmte-afvoerorgaan wordt 5 op de beide oppervlakken een warmte-afvoervet in een laag aangebracht en het substraat wordt ingebracht en bevestigd tussen een transistor en een warmte-afvoer en wordt in deze toestand gebruikt. In sommige gevallen, namelijk wanneer de film een rubber-achtige kleefstof bevat behoeft het warmte-afvoervet niet te worden ge-10 bruikt.

Voorbeeld I

Door middel van het hydrothermische synthese-proces werden korund-deeltjes bereid met gebruikmaking van alumi-niumhydroxyde als uitgangsmateriaal en van aluminiumoxyde van de 15 leverancier Bayer als kiemkristal-materiaal. De zo bereide korund-deeltjes werden gebruikt als metaaloxyde-deeltjes. De meeste deeltjes waren korrelvormige veelhoekige deeltjes, begrensd door gladde oppervlakken (zie de ter inzage gelegde Japanse octrooiaanvrage 15498/77 met betrekking tot de werkwijze voor het bereiden van de 20 gebruikte korund-deeltjes). De eigenschappen van de deeltjes zijn opgesomd in tabel A.

De deeltjes (250 g) werden goed gemengd met 100 g van een epoxyhars (Epikote 828 van Shell Chemicals Co.). Het volume van de deeltjes in het mengsel bedroeg 38 %. In het mengsel 25 werd een uithardmiddel van het imidazool-type (vervaardigd door

Shikoku Kasei K.K.) opgenomen. De verkregen samenstelling werd in een laag aangebracht op het ene oppervlak van een aan een alumilite behandeling onderworpen aluminium plaat met een dikte van 1 mm.

Het aanbrengen in een laag geschiedde door middel van spuiten of 30 met behulp van een rakel. De dikte van de aangebrachte film bedroeg 0,06 mm.

Ter vergelijking werd een substraat vervaardigd op dezelfde wijze als hierboven beschreven behalve dan dat een poederprodukt van door elektrofusie verkregen aluminiumoxyde werd 35 gebruikt in plaats van het hiervoor genoemde korund.

80 04 90 8 8

De temperatuurverschillen werden bepaald met gebruikmaking van een inrichting als getekend in fig. 3 om zo de substraten te vergelijken ten aanzien van het warmtegeleidingsver-mogen. In fig. 3 werd een transistor 10 van het type TO-3 bevestigd 5 op het bovenoppervlak van het substraat 11. Het onderoppervlak van het substraat werd verbonden met een warmte-afvoer 12 bestaande uit aluminium. Teneinde een dichte aansluiting te verkrijgen werd tussen de transistor en het substraat een voor de warmte-afvoer werkzaam siliconenvet aangebracht. De door de transistor opgewekte 10 warmte tot stand gebrachte temperatuurgradiënt werd bepaald en het warmtegeleidingsvermogen werd berekend uitgaande van het temperatuurverschil tussen de punten A en B in fig. 3. De verkregen resultaten zijn weergegeven in tabel A.

TABEL A

15 Uitvinding Vergelljkingsverb.

Deeltjes Korund Poederprodukt

Deeltjesgrootte tytra) 4-16 4-17

Oppervlaktetoestand Veelhoekig, glad Onregelmatig met holten en uitsteeksels 2q Vorm-factor 1,10 1,30 1,65

Temperatuurverschil (° C) 2,5 2,6 3,5

Voorbeeld II

3

In 500 cm van een siliciumoxydesol (met een 25 deeltjesgrootte van 15 nm en met een concentratie van 20 %) werd 3 g siliciumoxyde in poedervorm met een deeltjesgrootte van 3 /un opgenomen en het mengsel werd ingebracht in een autoclaaf. De reactie werd uitgevoerd bij 400° C onder een druk vein 40 MPa om zo hydro-thermisch gesynthetiseerd kwarts te vormen. Op dezelfde wijze als 30 beschreven in voorbeeld I werd een substraat vervaardigd, met de uitzondering dat gebruik werd gemaakt van het gesynthetiseerde kwarts in plaats van het in voorbeeld I gebruikte korund. De warmte-geleidbaarheid werd bepaald op de wijze als aangegeven in voorbeeld I. Ter vergelijking werd een substraat vervaardigd op dezelfde wijze 35 als hierboven beschreven, behalve dan dat in plaats van het hydro- 80 0 4 90 8 9 thermisch gesynthetiseerde kwarts verpoederd kwarts werd gebruikt.

De verkregen resultaten zijn opgesomd in tabel B.

TABEL B

Uitvinding Vergelljkingsverb.

5 Deeltjes Synthetisch kwarts Gemalen kwarts

Deeltjesgrootte (u,m) 6-14 6-14 /

Oppervlaktetoestand Veelhoekig, glad Onregelmatig met hol ten en uitsteeksels

Vorm-factor 1,15 1,35 1,5

Temperatuurverschil (° C) 3,0 3,2 3,9

Voorbeeld III

Het proces volgens voorbeeld I werd herhaald behalve dan dat een ijzeren plaat met een dikte van 1 mm werd ge-. 15 bruikt voor de metalen plaat. De eigenschappen van de metaaloxyde-deeltjes en de meetuitkomst van het temperatuurverschil zijn in tabel C opgesomd.

TABEL C

Uitvinding Vergelijkingsverb, 20 Deeltjes Synthetisch kwarts Gemalen kwarts

Deeltjesgrootte (pua) 5 - 60 6 - 14

Oppervlaktetoestand Veelhoekig, glad Onregelmatig met hol ten en uitsteeksels

Vorm-factor 1,10 1,30 1,65 __ Temperatuurverschil 25 (° C) 3,0 3,1 4,2 30 80 0 4 90 8

Claims

1. Elektrisch isolerend substraat dat een goede warmtegeleiding vertoont, gekenmerkt door een goed warmtegeleidende metalen plaat en daarop gevormde film, welke film is samengesteld 5 uit een dispersie van metaaloxyde-deeltjes met een vorm-factor tussen 1 en 1,4 en met een veelhoekige vorm met gladde vlakjes opgenomen in een klevend organisch polymeer.

2. Substraat volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het metaaloxyde Al2°3» si02 of Ti02 is·

3. Substraat volgens conclusie 2, met het ken merk, dat de metaaloxyde-deeltjes veelhoekige korund (A^O^) deeltjes zijn met gladde kristalgroeivlakken die zijn bereid volgens het hydrothermische synthese-proces.

4. Substraat volgens conclusie 3, met het ken-15 merk, dat de deeltjesgrootte valt tussen 2 en 200 m.

5. Substraat volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat het volume van de metaaloxyde-deeltjes in de film tussen 5 en 55 % van het totale volume van de film bedraagt.

6. Substraat volgens conclusie 5, met het ken-20 merk, dat 2-30 % van het deeltjes innemende volume behorende tot de 5-55 % wordt ingenomen door in de handel verkrijgbaar fijn keramisch poeder met een deeltjesgrootte die geringer is dan die van de metaal-oxydedeeltjes.

7. Substraat volgens conclusie 5, met het ken-25 merk, dat de dikte van de film ligt tussen 0,01 en 0,2 mm.

8. Substraat volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de thermisch geleidende metalen plaat bestaat uit aluminium, geanodiseerd aluminium of ijzer,

9. Substraat volgens conclusie 8, met het ken-30 merk, dat de dispersie is aangebracht op een glasvezeldoek welke doek op zodanige wijze is gehecht aan de goed warmtegeleidende metalen plaat dat het oppervlak waarop de dispersie is aangebracht, in aanraking is met deze plaat.

10. Substraat volgens conclusie 1, 2, 3, 4, 5, 35 6, 7 of 8, met het kenmerk, dat de metaaloxyde-deeltjes die zijn 80 0 4 90 8 aangebracht op de goed warmtegeleidende metalen plaat, een vlak op vlak contact hebben met de metalen plaat. 5 80 0 490 8