TW201910482A - 具有高熱傳導性及高絕緣性的散熱片 - Google Patents

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Abstract

一種散熱片，具有在補強層之玻璃布兩面層積含有氧化鋁之矽氧組成物層、且在玻璃布內部含有矽氧組成物的構成，其中氧化鋁之平均球形度為0.85以上，氧化鋁之頻率粒度分佈中在15～50μm之範圍、1～7μm之範圍及0.1～0.8μm之範圍有極大峰值，氧化鋁之平均粒徑為7～50μm，矽氧組成物中氧化鋁含有率為62～78體積%、矽氧樹脂含有率為22～38體積%之範圍，玻璃布為多條玻璃絲綁束之玻璃纖維束之織物，矽氧組成物相對於玻璃纖維束之含浸率為20%以上。

Description

具有高熱傳導性及高絕緣性的散熱片
本發明關於一種散熱片，係為了使發熱電子零件冷卻而密接於電子零件與散熱體或電路基板等散熱部分的界面。
散熱片一般為將含有熱傳導性充填劑之矽氧組成物（以下稱為矽氧組成物）塗佈於玻璃布等的補強層兩面者，因具有高熱傳導性、電氣絕緣性、處理性等優異特性，故在電子材料領域中，為了使發熱電子零件冷卻而將其密接於電子零件與散熱體或電路基板等散熱部分的界面作使用。例如下述專利文獻1～5已揭示於補強層上設置熱傳導層之散熱片。
然而，隨著近年來電子零件急速小型化、高集成化、高輸出化，於是運作溫度提高或者輸出電壓增加，因此現有散熱片的散熱性及絕緣性不足，有產生運作不良或絕緣不良之問題。因此，期望散熱片有高熱傳導化及高絕緣化。
然而，對於現有技術之散熱片之高熱傳導化，雖可舉出大量使用熱傳導性充填材之手法，但如此的現有手法會使散熱片中空隙等構造缺陷增加，降低絕緣性。又，雖可藉由於補強層使用高價金屬箔來提高熱傳導性，但絕緣性會因使用導電材料而降低，且有成本提升之問題。
又，現有技術之絕緣性強化係藉由於補強層使用高絕緣性之玻璃布或聚醯亞胺薄膜而可大幅提高絕緣性。玻璃布係將多條玻璃纖維成束編織，藉由使用具開孔者而不會阻斷絕熱傳導性充填材的全部熱傳達，故可減少散熱片熱傳導性的降低。但使用玻璃布時，其一課題為玻璃布的纖維間具有空氣層。當玻璃布之纖維束中有空氣層時，若於散熱片施加電壓，則會產生部分放電而無法完全確保絕緣性。因此，藉由於玻璃布纖維間之空氣層含浸熱傳導性充填材及矽氧樹脂雖可進一步提高熱傳導性及絕緣性，但對於現有玻璃布纖維徑並未考慮上述樹脂組成物之摻配、或熱傳導性充填材之粒度摻配、粒子形狀。聚醯亞胺薄膜由於其材料本身的熱傳導率低，熱傳導性充填材間之熱傳達會被聚醯亞胺薄膜阻斷，故散熱片之熱傳導性會降低，且成本較高而不利於使用。
又，雖然藉由薄化散熱片之厚度來嘗試提高散熱性，但必然會損及絕緣性，故未能解決上述問題。
鑑於以上問題，於是對熱傳導性及絕緣性優異之散熱片的需求越來越強烈。
[習知技術文獻] [專利文獻] [專利文獻1] 日本特開平8-336878號公報 [專利文獻2] 日本特開平9-001738號公報 [專利文獻3] 日本特開平11-307697號公報 [專利文獻4] 日本特開平7-266356號公報 [專利文獻5] 日本特開平9-199880號公報
[發明所欲解決的課題] 有鑑於如上述現有技術具有的問題，本發明之目的在於提供一種兼具高熱傳導性及高絕緣性之散熱片。
[解決課題的技術手段] 本發明人為解決上述課題而努力檢討時，發現：採用在補強層之玻璃布兩面層積含有氧化鋁之矽氧組成物層、且在該玻璃布內部含有該矽氧組成物的構成，藉由使矽氧組成物層中氧化鋁之平均球形度、平均粒徑、玻璃布之纖維徑及開口率適當化，於玻璃布之纖維間含浸矽氧組成物，進而可得熱傳導性及絕緣性皆優異之散熱片。
根據上述發現所完成的涉及本發明一實施方式中，散熱片具有在補強層之玻璃布兩面層積含有氧化鋁之矽氧組成物層、且在該玻璃布內部含有該矽氧組成物的構成，其中，氧化鋁之平均球形度為0.85以上，前述氧化鋁之頻率粒度分佈中在15～50μm之範圍、1～7μm之範圍及0.1～0.8μm之範圍有極大峰值，前述氧化鋁之平均粒徑為7～50μm之範圍，矽氧組成物中前述氧化鋁含有率為62～78體積%，矽氧樹脂含有率為22～38體積%之範圍，前述散熱片之玻璃布為多條玻璃絲綁束之玻璃纖維束之織物，前述矽氧樹脂組成物相對於前述玻璃纖維束之含浸率為20%以上。
涉及本發明之散熱片之另一其他實施方式中，散熱片可為輥狀散熱片，另一其他實施方式中熱傳導率可為2.0W/（m･K）以上，另一其他實施方式中體積電阻率可為1013 Ω･cm以上，又另一其他實施方式中可提供含有散熱片之散熱構件。
[發明功效] 藉由涉及本發明之散熱片，可兼具高熱傳導性及高絕緣性。又，如此的散熱片可發揮以下功效：可製備為能夠有效率地自動化沖切加工的輥狀形態。
以下進一步詳細說明本發明。本說明書所示的數値範圍在未特別說明下，係同時包括下限値及上限値。
涉及本發明之散熱片具有補強層之玻璃布、及層積於該補強層兩面之具有預定性質之矽氧組成物層，且該玻璃布內部亦含有該矽氧組成物。已知矽氧物具有電子材料領域中較佳素材之性質，其特徵為在寬溫度範圍中兼具持續安定的電氣絕緣性或優異的熱傳導性及耐水性等。本發明人對於由如此矽氧物所得的矽氧組成物，進一步最佳化氧化鋁之平均球形度、粒度分佈及平均粒徑，藉此發現發揮散熱片之優異熱傳導性及絕緣性之功效，進而想到本發明。
[補強層] 涉及本發明之散熱片中可使用之補強層係含有玻璃布，藉此使散熱片具有機械強度，以進一步發揮抑制散熱片在平面方向延伸的效果，且可獲得熱傳導性及絕緣性。在另一實施方式中，在不損及本發明效果下亦可因應散熱片之用途而在該補強層進一步含有其他材料，例如為電子材料領域之散熱片時，作為該其他材料亦可含有樹脂薄膜（聚酯、聚醯胺、聚醯亞胺、聚碳酸酯、丙烯酸樹脂等）、布纖維網格布（木綿或麻、芳綸纖維、纖維素纖維、耐綸纖維、聚烯烴纖維等）、不織布（芳綸纖維、纖維素纖維、耐綸纖維、聚烯烴纖維等）、金屬纖維網格布（不鏽鋼、銅、鋁等）、或金屬箔（銅箔、鎳箔、鋁箔等）。
上述玻璃布可使用一般市售之具有開口部之玻璃布。本說明書中，玻璃布是指多條玻璃絲綁束之玻璃纖維束之織物。以熱傳導性之觀點來看，例如玻璃布的厚度可為10μm～150μm（0.01～0.15mm）之範圍，更佳為20～90μm之範圍，又更佳為30～60μm之範圍。玻璃布的厚度若為10μm以上，則透過散熱片之強度提高而變得容易處理。玻璃布的厚度若為150μm以下，可發揮提高熱傳導率之效果。又，玻璃布之纖維徑較佳為3～7μm之範圍。玻璃布之纖維徑若為3μm以上，於是散熱片的強度提高。玻璃布之纖維徑若為7μm以下，則可得到矽氧組成物相對於玻璃布纖維束之含浸性提高之效果。又，玻璃布之拉伸強度例如可為100～1000N/25mm之範圍。又，以取得熱傳導性與強度的平衡之觀點而言，玻璃布的開口部之一邊長度例如可為0.1mm以上且1.0mm以下之範圍。
使用於補強層的玻璃布所用之玻璃長纖維較佳為將以高溫窯熔融之玻璃原材由噴嘴高速拉出的絲狀物。玻璃長纖維為更佳由於是經熱處理或耦合劑處理者係低不純物。
[矽氧組成物層] 涉及本發明實施方式之散熱片中可使用之矽氧組成物層，係藉由氧化鋁具有預定範圍之平均球形度、粒度分佈、平均粒徑及含有率，而與上述補強層接合並且協同作用，進而可得顯著的熱傳導性及絕緣性。
該矽氧組成物可為矽氧樹脂（silicone resin）或矽氧橡膠，其矽氧成分之種類雖無特別限定，但可適宜使用過氧化物硬化型、縮合反應硬化型、加成反應硬化型、紫外線硬化型。特別是矽氧橡膠因其彈性及硬度而容易發揮本發明效果，故認為較佳。
矽氧組成物之氧化鋁之平均球形度較佳為0.85以上，更佳為0.90以上。又，平均球形度小於0.85時由於難以提高混入樹脂等之混合率，故沒有發現充分的高熱傳導性，又，由於組成物之流動性惡化而未能含浸於玻璃布之玻璃纖維束，因此難以提高熱傳導性或絕緣性。本說明書中，平均球形度可使用流動式粒子影像分析裝置測定。
矽氧組成物中，氧化鋁之平均粒徑較佳為7～50μm。未滿7μm則有無法提高熱傳導率之問題，又，若超過50μm則無法提高絕緣性，並有混合成型機器的磨耗增大之問題。除了氧化鋁之平均粒徑為7～50μm之範圍內以外，氧化鋁之粒度分佈在頻率粒度分佈中，於15～50μm之範圍及1～7μm之範圍具有至少一個極大峰值（以下將15～50μm之範圍顯現之極大峰值稱為「峰值1」，將1～7μm之範圍顯現之極大峰值稱為「峰值2」），又更佳為特別在0.1～0.8μm之範圍更具有至少一個之極大峰值（以下將0.1～0.8μm之範圍所顯現之極大峰值稱為「峰值3」）。藉此，氧化鋁可更高度地充填，並藉由接觸點的增加而可進一步提高熱傳導性。又，高充填時若為相同充填量則粒子彼此更為密集，故滑動性良好且可維持高度流動性。又，若為具有如此粒度分佈之矽氧組成物，則會提高相對於玻璃布之玻璃纖維束的含浸率，故可更為提高熱傳導率及絕緣性。
本說明書中的平均粒徑為粒子之平均直徑，可藉由雷射繞射式粒度分佈測定裝置進行測定。
矽氧組成物中，氧化鋁含有率為62～78體積%，特別較佳為65～73%，又，矽氧樹脂含有率為22～38體積%，特別較佳為27～35體積%。若氧化鋁含有率超過78體積%或矽氧樹脂含有率未滿22體積%時，則有組成物黏度上升而損及成型性、或散熱片中產生空隙而降低絕緣性之虞。又，若氧化鋁含有率未滿62體積%或矽氧樹脂含有率超過38體積%時，則難以充分提高組成物之熱傳導性。
矽氧樹脂組成物相對於散熱片中玻璃布之玻璃纖維束的含浸率較佳為20%以上，更佳為40%以上。含浸率未滿20%時，玻璃布纖維束中空氣層變多，會大幅降低熱傳導性及絕緣性。
矽氧組成物之塗佈方法並無特別限定，可採用能夠均一塗佈之刮刀法、逗點塗佈機（Comma Coater）法、網版印刷法、輥式塗佈機法等習知塗佈方法，但考慮矽氧組成物之厚度精度，較佳為刮刀法、逗點塗佈機法。
散熱片厚度並無特別限定，但一般為0.05～1.2mm程度，若考慮降低熱電阻，則可較佳為1.0mm以下，更佳為0.4mm以下，又更佳為0.3mm以下。又，矽氧組成物層每一層之厚度只要為可得散熱片功能之範圍則無特別限制，但例如可為0.01～1.0mm程度，較佳為0.05～0.5mm程度之厚度。
又，上述記載中由於為簡化說明，故僅說明散熱片只具有二個矽氧組成物層及一個玻璃布層的態樣，但當然可在不損及該散熱片功能下設置任意的追加層、或亦可增加層數。例如可在矽氧組成物層之開放表面上設置追加層（黏著層、保護層或剝離紙等）。或者補強層可為多個，且可於其間設置追加層（接著劑層等）之態樣。
又，上述記載中係為簡化說明而舉玻璃布（補強層）與矽氧組成物層之面大小相同的例子，但其僅為例示，在不損及散熱片功能下，補強層與矽氧組成物層之面大小可相異、或二個矽氧組成物層之面大小可互相相異。又，二個矽氧組成物層之厚度可相同或相異。另一實施方式中可為在補強層上設置多個矽氧組成物層（依與薄片表面垂直之面分割為多個）之態樣，兩面矽氧組成物層之分割方式可相異。
在散熱片之製造方法中係進行矽氧組成物層與玻璃布層的接合。在涉及本發明一實施方式中，較佳為在玻璃布層於兩面塗佈矽氧組成物後加壓並接合。製作輥形狀散熱片時，該接合例如較佳使用輥壓機，並在大氣環境中以線壓10～150N/mm之條件進行。線壓低於10N/mm時，可能會發生矽氧組成物與玻璃布層之接合性降低之問題。線壓高於150N/mm時，則可能有矽氧組成物及玻璃布層之強度降低之問題。其後為了去除矽氧組成物交聯反應中副反應生成之醇或羧酸及低分子矽氧烷，較佳在130～250℃、5～30小時之條件進行二次加熱，並使矽氧組成物熱硬化。又，輥壓的輥表面之形狀並無特別限定，但較佳為梨面圖樣、絲綢圖樣、方格圖樣、千鳥格圖樣等。
製作單片狀散熱片時，該接合例如較佳在玻璃布層塗佈矽氧組成物後，使用熱壓機，在大氣環境中以壓力700～2000N/cm2 之條件並以80℃～170℃之溫度且10～60分鐘之時間進行接合。壓力低於700N/cm2 時、接合溫度低於80℃時、或接合時間短於10分鐘時，矽氧組成物與玻璃布之接合性會降低。另一方面，壓力高於2000N/cm2 時、接合溫度高於170℃時、或接合時間多於60分鐘時，會產生矽氧組成物及玻璃布層之強度降低，以生產性降低之觀點來看較不佳。但是，接合時的環境為氮、氬、氫、真空時則不在此限。其後為了去除矽氧樹脂交聯反應中副反應生成之醇或羧酸及低分子矽氧烷，較佳在130～250℃、5～30小時之條件進行二次加熱，並使矽氧樹脂熱硬化。 [實施例]
（實施例1） 以重量比為100：1之方式混合聚有機矽氧烷系聚合物（東麗・道康寧公司製商品名「CF3110」）及交聯劑（東麗・道康寧公司製商品名「RC-4」），得到矽氧樹脂成分。將所得矽氧樹脂成分及作為熱傳導性充填材之氧化鋁粉末以表1及表2所示的體積%充填，並以攪拌機混合15小時，進而製備含氧化鋁之矽氧組成物。
使用流動式粒子影像分析裝置（希森美康公司製，商品名「FPIA-3000」）用以下方式測定熱傳導性充填材（氧化鋁粉末）之平均球形度。由粒子影像測定粒子之投影面積（A）及周長（PM）。若對應周長（PM）之正圓面積當作（B），則其粒子之球形度可表示為A/B。因此若假設一正圓具有與試樣粒子周長（PM）相同之周長，則PM=2πr、B=πr2 ，因此B=π×（PM/2π）2 ，各個粒子之球形度可計算為A/B=A×4π/（PM）2 。測定任意選擇之100個以上粒子，並以其平均値平方作為平均球形度。又，於樣品0.1g加入蒸餾水20ml及丙二醇10ml並進行3分鐘超音波分散處理，進而製備測定溶液。
使用雷射繞射式粒度分佈測定裝置（島津製作所製「SALD-200」）測定熱傳導性充填材（氧化鋁粉末）之平均粒徑及粒度分佈。於玻璃燒杯加入50cc純水及測定對象粉末5g，使用刮勺攪拌，其後以超音波清洗機分散處理10分鐘，製備評價樣品溶液。使用滴管於裝置之取樣部一滴一滴地添加評價樣品溶液，待其安定至可測定吸光度為止並進行測定。以雷射繞射式粒度分佈測定裝置之感測器檢測出粒子之繞射/散射光之光強度分佈資料，並由該資料計算粒度分佈。將所測定粒徑値乘以相對粒子量（差分%）並除以相對粒子量之合計（100%），求得平均粒徑。又，比較例中有峰值1～3任一者超出上述範圍之情形。
於表1或表2所示的作為補強層之玻璃布（尤尼吉可公司製商品名「H25」）上以逗點塗佈機將矽氧組成物於一面塗佈出厚度0.175mm，以75℃使其乾燥5分鐘後，再於玻璃布另一面以逗點塗佈機將矽氧組成物塗佈出厚度0.175mm，進而製作層積體。接著使用YURI ROLL公司製輥壓機進行壓製，製作厚度0.20mm之薄片。接著將其在常壓、150℃進行4小時之二次加熱，形成散熱片。
（實施例2～14及比較例1～10） 使用表1～2所示的條件，此外則以與實施例1相同方式製作散熱片。
（評價） 對所試作的實施例1～14、比較例1～10之散熱片進行下述評價項目（1）～（5）。結果表示於表1～2。又，對於無法正常將散熱片製作為片狀形態（由鬆弛或表面破裂所造成）之例係於「可否製作薄片」記載為「不可」。
（1）體積電阻率 根據JIS C2139：2008所記載之方法進行體積電阻率之評價。測定裝置係使用超絕緣計（日置電機股份有限公司製商品名「SM-10E」）。
（2）熱傳導率 熱傳導率（H；單位W/（m･K））係對於散熱片厚度方向進行評價。由熱擴散率（A；單位m2 /sec）及密度（B；單位kg/m3 ）、比熱容量（C；單位J/（kg･K）），以H=A×B×C計算。熱擴散率係將測定用試樣加工成寬度10mm×長度10mm，為了防止測定用雷射光之反射而於散熱片兩面塗佈碳黑，之後以雷射閃光法求得。測定裝置係使用氙閃光分析儀（耐馳公司製商品名「LFA447NanoFlash」）。密度係使用阿基米德法求得。比熱容量係根據JIS K 7123：1987所記載之方法求得。
（3）前述矽氧樹脂組成物相對於玻璃纖維束之含浸率 矽氧樹脂組成物相對於該玻璃纖維束之含浸率可由下式求得。
將散熱片中玻璃布之剖面以AVIONICS公司製TVIP-4100進行影像處理，並根據下式求含浸率。 含浸率=S2 /（S0 -S1 ）×100 （%） S0 =玻璃纖維束之剖面積 S1 =玻璃纖維束內玻璃絲之總剖面積 S2 =玻璃纖維束中含浸有矽氧組成物之剖面積
[表1]
[表2]
由表1之實施例及表2之比較例可知涉及本發明之實施例之散熱片具有優異熱傳導性及高絕緣性。
[產業上的可利用性] 本發明之散熱片因具有高熱傳導性及優異電氣絕緣性，故可用於TIM（Thermal Interface Material，導熱介面材料）等，以用於使熱從急速高性能化而運作溫度升高的電子零件中有效率地釋出。

Claims (6)

  1. 一種散熱片，具有在補強層之玻璃布兩面層積含有氧化鋁之矽氧組成物層、且在前述玻璃布內部含有前述矽氧組成物的構成，其中， 前述氧化鋁之平均球形度為0.85以上， 前述氧化鋁之頻率粒度分佈中在15～50μm之範圍、1～7μm之範圍及0.1～0.8μm之範圍有極大峰值， 前述氧化鋁之平均粒徑為7～50μm之範圍， 前述矽氧組成物中前述氧化鋁含有率為62～78體積%之範圍，矽氧樹脂含有率為22～38體積%之範圍， 前述玻璃布為多條玻璃絲綁束之玻璃纖維束之織物， 前述矽氧組成物相對於前述玻璃纖維束之含浸率為20%以上。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之散熱片，其中，前述玻璃布之厚度為0.01～0.15mm，纖維徑為3～7μm。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之散熱片，其係為輥狀散熱片。
  4. 如申請專利範圍第1項至第3項中任一項所述之散熱片，其中，熱傳導率為2.0W/（m･K）以上。
  5. 如申請專利範圍第1項至第4項中任一項所述之散熱片，其中，體積電阻率為1013 Ω･cm以上。
  6. 一種散熱構件，係含有申請專利範圍第1項至第5項中任一項所述之散熱片。
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