TWI457425B - 導熱膠包裝 - Google Patents

Description

導熱膠包裝

本發明係關於一種新穎的熱產品或形成要素，其集一可充分施配材料之熱性能及機械性能與傳統的間隙填充物墊之易用性於一身。特別而言，本發明係關於一種熱凝膠材料，其被囊封於順應性聚合物介電質包裝中，使其可方便地在要求熱管理之電子應用中使用。

本申請案主張於2008年9月26日申請的美國臨時申請案第61/100,297之權利，該申請案之揭示內容係以引用之方式併入本文中。

對於諸如電視、收音機、電腦、醫學器材、商務器械、通信設備及類似物之現代電子裝置之電路設計日益複雜。例如，積體電路已被製造用於此等及其他包含成千上百個電晶體之等效物之裝置。儘管該等設計之複雜性增加，隨著製造較小電子組件並將更多的此等組件包裝於一愈發小之區域中的能力之改良，該等裝置之尺寸持續減小。

近年來，電子裝置已變得更小且包裝得更加緊密。設計者及製造者現面臨的挑戰是使用各種熱管理系統來消散此等裝置中所產生之熱。熱管理已演變成解決此等電子裝置中由於該等裝置之處理速度及動力增加而造成的升高之溫度(之問題)。新一代的電子組件將更多的動力壓入更小之空間中；且因此該整個產品設計中之熱管理之相對重要性不斷增加。

熱設計程序之不可分割的部分在於針對特定的產品應用而選擇最佳之熱介面材料(「TIM」)。現已針對熱管理規劃了各種新的設計，以幫助使熱量自電子裝置消散以便進一步加強裝置之性能。其他熱管理技術採用諸如「冷板」之概念，或其他易於安裝於該等電子組件附近之散熱片以便進行散熱。該散熱片可為專用導熱金屬板或簡單地為該裝置之底盤或電路板。

為了提高經由該介面之熱傳遞效率，在該散熱片與電子組件之間常常插入導熱且電絕緣材料之墊或其他層以填充任何表面不規則部且消除氣袋。最早為此目的所採用的係諸如填充有例如氧化鋁之導熱填充物之聚矽氧(silicone)潤滑脂或蠟的材料。此等材料在正常室溫下通常係半液態或固態，但在高溫下可液化或軟化以流動並更好地順應該等介面表面之不規則部。

上述類型之潤滑脂及蠟在室溫下一般無法自支撐或保持形態安定，且將其施用至該散熱片或電子組件之該介面表面之舉被認為是相當棘手的。因此，此等材料一般係以易於處理而被認為較佳之薄膜、基板、網或其他載體之形式來提供，其等可將另一介面層引入可能於其中形成額外的氣袋之該等表面中或之間。此外，使用此等材料一般涉及手工施用或藉由電子裝配器使該等材料成層，而這會增加製造成本。

或者，另一方法是使用硬化的片狀材料來代替該聚矽氧潤滑脂或蠟。此等材料可包含一種或多種被分散於聚合物黏合劑中之導熱性顆粒填充物，且可以硬化片、帶、墊或薄膜之形式來提供。典型之黏合劑材料包含聚矽氧樹脂、胺基甲酸酯、熱塑性橡膠及其他彈性體，而典型之填充物包含氧化鋁、氧化鎂、氧化鋅、氮化硼及氮化鋁。

上述介面材料之實例係填充有礬土或氮化硼之聚矽氧樹脂或胺基甲酸酯彈性體。此外，美國專利第4,869,954號揭示用以傳遞熱能之硬化、形態安定、片狀之導熱材料。該材料係由胺基甲酸脂黏合劑、硬化劑及一或多種導熱填充物所形成。該等填充物可包含氧化鋁、氮化鋁、氮化硼、氧化鎂、氧化鋅之粒子。

如美國專利第5,359,768號所更為詳盡描述的，上述類型之片、墊及帶已獲得廣泛接受來作為用於諸如半導體晶片之電子組件裝配件之傳導性冷卻中之介面材料。然而，在某些應用中，需要諸如彈簧、夾具及類似物之緊固元件來施加足夠的力以使此等材料順應該等介面表面，以獲得足夠的表面來進行有效的熱傳遞。這代表將此等材料用於實際應用中存在明顯的缺點。

近來已引入相變材料，相變材料在室溫下可自支撐且形態安定以便於處理，但其在電子組件之操作溫度範圍內之溫度下可液化或軟化以形成可更好地順應該等介面表面之黏性、觸變性相。此等可提供作為自立式薄膜或被印刷於基板表面上之受熱篩之相變材料有利地可極類似潤滑脂及蠟般作用，其在相對低之夾持壓力下在該組件之操作溫度內順應性地流動。美國專利第6,054,198號對此等材料做了進一步之描述。

對於典型之商業應用，可以帶或片之形式來提供該熱介面材料，該帶或片包含內部釋放襯墊及外部釋放襯墊及由熱化合物形成之夾層。除非該熱化合物本身具黏性，該化合物層之一側可塗布一薄層之壓敏黏著劑(PSA)，以將該化合物施加至散熱片之該熱傳遞表面。

為了促進自動化施配及應用，可對該帶或片之該外部釋放襯墊及化合物夾層加以模切以形成一系列個別且大小預定之墊。因此，在習知之「剝去及黏附(peel and stick)」應用中，可將各個墊自該內部釋放襯墊移除且使用該黏性層將之結合至該散熱片，這可由該散熱片製造者來執行。

美國專利第6,054,198號揭示用以冷卻生熱電子組件之導熱介面，該導熱介面具有關聯之散熱構件，諸如散熱片。該介面係形成為導熱材料之自支撐層，該導熱材料在第一相中在正常室溫下係形態安定的，且在第二相中係實質上順應於該電子組件與散熱構件之該等介面表面。該材料具有自該第一相轉變至該第二相之轉變溫度，該轉變溫度在該電子組件之該操作溫度範圍內。

美國專利第7,208,192號揭示將導熱及/或導電化合物施用以填充介於第一表面與第二表面之間的間隙。吾人提供硬化聚合物凝膠組份與顆粒填充物組份之混合物作為易於流動且形態安定之化合物之供應。該化合物係於所施加之壓力下自噴嘴施配至與相對之表面接觸之該等表面中之一者上，以填充介於該等表面之間的間隙。

上文列舉之該等專利及專利申請案中的各者的個別揭示之全部內容係以引用之方式併入本文中。

鑑於上文所例示之目前用於熱管理中之材料及應用之多樣性，可以預期的是，熱管理材料及應用之不斷改良將受到電子裝置製造者之大力歡迎。

據此，本發明之目的在於提供改良之熱管理材料，此等熱管理材料具有高度的熱傳遞效率及散熱性，其完全順應於特定之應用，且易於使用及製造。

本發明係一種熱凝膠材料，其被囊封於諸如聚醯亞胺、聚醯胺或其他此類材料之介電聚合物中，以形成包裝、袋子或類似之包封物，其之益處在於產生充分硬化且可施配之間隙填充物材料，而無需使用或投資昂貴的施配設備。這使得顧客能將極度順應性之材料應用於敏感應用中，而同時維持拾放(pick-and-place)技術的簡易性及便利的產品形成要素。

在一具體實施例中，本發明係可依形(conformable)且導熱之介面，其適於被安置於兩個熱傳遞表面之間以於該等熱傳遞表面之間提供熱路徑，該介面包括導熱聚合物凝膠，該聚合物凝膠被囊封於包括聚合物材料之順應性包裝中。在一態樣中，該導熱聚合物凝膠包括聚矽氧聚合物，該聚矽氧聚合物包含導熱顆粒填充物，諸如氮化硼之粒子，且該聚合物包裝材料係介電聚合物，諸如聚醯亞胺或聚醯胺。在另一態樣中，該包裝包括兩層囊封該導熱凝膠之熱可密封聚合物材料，且其中一層可視需要地包括熱膠帶層。

在另一具體實施例中，透過將導熱聚合物凝膠施配於第一層之介電聚合物或熱膠帶上來製備可依形且導熱之介面材料。第二層之介電聚合物層被放置於該第一層上方，且被熱密封(或利用黏著劑密封)至該第一層以囊封該導熱凝膠。該等所形成之膠包裝可被製造為若干分離物件或視需要而使用自動化處理器械以將該膠包裝施配於裝配線上之滾輪中。根據顧客之要求該膠包裝中之聚合物凝膠之量係可變動且可滿足大範圍之厚度要求。另可截切或剪切該包裝材料以允許於施壓下移置材料。

該膠包裝係可用於電子裝置中，在該電子裝置中，可將該膠包裝設置於第一熱傳遞表面與第二熱傳遞表面之間。該第一熱傳遞表面可為被設計用於吸收熱之組件的部分，諸如散熱片或電路板。該第二熱傳遞表面可為生熱源之部分，諸如電子組件。在使用中，該膠包裝被放置於該第一表面與該第二表面之間且在低偏移力下被移位，進而允許該材料順應該等接合表面，從而僅使用低包封壓力便可提供良好之導熱性。

熟悉此項技術者將理解，該等圖中對該等元件之繪示遵循簡潔且清晰之原則且不一定按照實際比例繪製。例如，該等圖中之一些元件的尺寸可相對於其他元件有所放大，以幫助提高對本發明之具體實施例之理解。本描述中所採用之某些術語係在於便利之用而非任何限制之目的。

本發明提供導熱膠包裝，其適於被安置於用於電子裝置中的各種元件之兩個熱傳遞表面之間。較目前所使用之其他產品，本發明之該膠包裝具有已改良之熱傳遞及處理特性以加強熱管理。

本文中所使用之術語「熱管理」係指將電子裝置中之溫度敏感元件保持於規定之操作溫度內以防止系統故障或發生嚴重的系統性能退化之能力。

術語「EMI屏蔽」包含電磁相容性(EMC)、電傳導或接地、電暈屏蔽、射頻干擾(RFI)屏蔽及防止靜電(即靜電放電(ESD)保護)且係可與其等互換。

「可依形」產品係顯示出充分的可撓性之產品，其能以最小或低之力偏移特性來順應介面的輪廓。

如本文所述，本發明之該等導熱及/或導電膠包裝係主要連同在熱管理裝配件內使用此等膠包裝以作為插入相鄰熱傳遞表面之間的熱介面材料來描述。該等熱傳遞表面可為諸如電子組件之生熱組件或諸如散熱片或電子電路板之散熱組件之一部分。然而，熟悉此項技術者不難理解，本膠包裝可具有其他用途，此等用途被完全包含於本發明之範圍內。

因此，根據本發明，所提供之膠包裝包括可撓性且可依形之塑膠包裝，例如袋子或其他容器，該塑膠包裝具有用以容納導熱基板(諸如導熱聚合物凝膠)之內部隔間。較佳的是，該塑料為可依形介電聚合物，例如聚醯胺或聚醯亞胺。

例如，可透過將該凝膠施配於第一塑料層上，且將第二塑料層放置於該第一層上，從而將該凝膠囊封於兩層塑膠之內，以此方式可便利地以兩層塑膠材料形成該包裝。然後可將該等塑膠層於該等層重疊之該等外側邊緣處加以熱密封或黏著以形成該膠包裝。該所得之膠包裝係完全可依形的以能夠填充電子裝置及電氣設備的該等電路組件、電路板及殼體之相鄰表面之間或其他諸如於建築結構及此類物中可發現之相鄰表面之間之間隙。

用來作為本發明之聚合物凝膠組件之凝膠包含以聚矽氧樹脂為基之凝膠(即，聚矽氧烷，諸如聚有機矽氧烷)及以其他聚合物(可為熱塑性或熱固性，諸如聚胺酯、聚脲、含氟聚合物、氯磺酸、聚丁二烯、丁基、氯丁二烯橡膠、亞硝酸鹽、聚異戊二烯和丁腈橡膠)、共聚物(諸如乙烯-丙烯(EPR)、苯乙烯-異戊二烯-苯乙烯(SIS)、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS)、乙烯-丙烯-二烯單體(EPDM)、腈基-丁二烯(NBR)、苯乙烯-乙烯-丁二烯(SEB)及苯乙烯-丁二烯(SBR))及其等之混合物(諸如乙烯或丙烯-EPDM、EPR或NBR)為基之凝膠。合適之熱凝膠包含THERM-A-GAP^TM 凝膠產品，該等產品係僅要求相對小之壓縮力之高度可依形、預硬化且單組份的化合物。

如本文所使用，術語「聚合物凝膠」(「polymer gel」或「polymeric gel」)一般具有其等習知之流體增充之聚合物系統之意義，該系統可包含連續之聚合物相或網路，該聚合物相或網路可化學性(例如離子地或共價地)或物理性地交聯；及例如聚矽氧樹脂或其他油之油類；塑化劑；非反應性單體或其他流體增充劑，該等流體增充劑可膨脹或可以其他方式填充該等網路之間隙。可控制此網路之交聯密度及該增充劑之比例以修改該凝膠之模數(即柔軟度)及其他性質。亦應將術語「聚合物凝膠」(「polymer gel」或「polymeric gel」)理解為包含或可被寬泛地分類為假凝膠或類凝膠之材料，該等材料具有類似凝膠之黏彈性性質(例如其具有由相對長之交聯鏈所形成之「鬆弛」交聯網路)，但不具流體增充劑。

根據本發明之一態樣，透過賦予該凝膠填充物組份(可包含一種或多種導熱顆粒填充物)，從而使得該聚合物凝膠組份具導熱性。就此而言，該聚合物凝膠組份一般形成一種黏合劑，而該導熱填充物則被施配於該黏合劑中。該填充物之包含比例係足夠用以提供預期應用所要求之導熱性，且一般將以佔該化合物總重量之約20%至約80%間之量來裝填。對於本發明之該等目的，該填充物之尺寸及形狀並不甚重要。就此而言，該填充物可為任何一般之形狀(寬泛地被稱為「顆粒」)，包含實心或中空球形或微球形薄片、小板片、不規則或纖維狀的，例如斬碎或碾磨之纖維或鬚狀物，但較佳為粉末以確保均勻的分散及均質的機械及熱性質。該填充物之粒子大小或分佈一般將在約0.01mil至約10mil(0.25μm-250μm)(其可為該粒子之直徑、估算直徑、長度或其他尺寸)之間的範圍內，但可進一步根據該有待填充之間隙之厚度而變動。若有需要，該填充物可係非導電性，使得該化合物既可介電或電絕緣又可導熱。或者，在不要求電隔離之應用中該填充物可具導電性。

合適之導熱填充物一般包含氧化物、氮化物、碳化物、二硼化物、石墨、金屬粒子及其等之混合物，且更特定而言係包含氮化硼、二硼化鈦、氮化鋁、碳化矽、石墨、金屬(諸如銀、鋁及銅)、金屬氧化物(如氧化鋁、氧化鎂、氧化鋅、氧化鈹及氧化銻)及其等之混合物。此等填充物特徵性地顯示出至少約20W/m-K之導熱性。鑑於經濟因素，可使用氧化鋁(即礬土)，而就導熱性改良而言，則氮化硼較佳。在裝填該導熱填充物後，該化合物一般可顯示出依循ASTM D5470至少約0.5W/m-K之導熱性，該導熱性可根據該化合物層之厚度而變動。

根據本發明之另一態樣，聚合物凝膠組份可藉由裝填導電填充物而具導電性，該導電填充物可附加地與導熱填充物一起提供(即混合物)或取代該導熱填充物。同時，根據所選擇之填充物，此填充物可兼具導熱填充物及導電填充物之作用。使用導電材料可賦予該凝膠EMI屏蔽之特性。

合適之導電填充物包含：貴重及非貴重金屬，例如鎳、銅、錫、鋁、鎳；鍍有貴重金屬之貴重金屬或非貴重金屬，諸如鍍銀銅、鍍銀鎳、鍍銀鋁、鍍銀錫或鍍銀金；鍍有非貴重金屬之貴重及非貴重金屬，諸如鍍鎳銅或鍍鎳銀；及鍍有貴重或非貴重金屬之非金屬，諸如鍍銀或鍍鎳之石墨、鍍銀或鍍鎳玻璃、鍍銀或鍍鎳陶瓷、鍍銀或鍍鎳塑膠、鍍銀或鍍鎳彈性體或雲母；及其等之混合物。該填充物在形式上再次被寬泛地歸類為「顆粒」(儘管此等形式之特定形狀被認為對本發明並非至關重要)，且可包含本文所涉及之該類型之導電材料之製造及形成中習知上所涉及之任何形狀，包含中空或實心的微球體、彈性氣球狀物、薄片、小板片、纖維、竿狀物、形狀不規則之粒子或其等之混合物。同樣地，該填充物之粒子之尺寸並非被認為至關重要，且可為狹窄或寬闊之分佈或範圍，但一般將為自約0.250μm至約250μm。

該熱凝膠係藉由將該凝膠囊封於介電聚合物中而被包裝於塑膠薄膜中。示例性介電聚合物包含各種熱塑性聚合物，諸如聚醯亞胺(例如Kapton)、聚醯胺及其等之共聚物及混合物。可使此等熱塑性聚合物形成於薄膜中且於邊緣部分加以熱密封，進而將該熱凝膠包封於密封袋或小袋中。在實務中，該熱凝膠被沈積於第一聚合物薄膜層上，且第二聚合物薄膜層被放置於該第一薄膜層之上方且被熱密封至該第一薄膜層。在一具體實施例中，該第一層及該第二層二者均為介電聚合物薄膜層，較佳係由相同的聚合物來形成。在另一具體實施例中，該等層中之一者(一般為該底層)為熱膠帶。合適之熱膠帶包含THERMATTACH導熱附接膠帶，其等係以一聚醯亞胺載體為基且具有良好的介電強度。

可在裝配線上於自動化裝配程序中有利且高效地製造多個膠包裝，進而可將該等包裝生產成卷且在使用之前進行個別切割。

該等膠包裝適於與電子設備配合使用，透過將該等膠包裝安放介於第一熱傳遞表面與第二熱傳遞表面之間來於該等表面之間提供熱路徑。一個熱傳遞表面可為設計用以吸熱之組件，諸如散熱片或電子電路板。另一(相對置的)熱傳遞表面可為生熱源，諸如生熱電子組件。該等相對置之熱傳遞表面較佳地具有小於約1℃-in² /W(6℃-cm² /W)之熱阻。

本發明之範圍內之典型電子設備包含例如：自動化電子組件及系統、電信基地台及消費電子產品，諸如電腦監視器及電漿TV(電視)。

現參考圖示，圖1及圖2顯示根據本發明之熱凝膠包裝之兩個具體實施例。在圖1中，熱凝膠1被顯示為由介電聚合物薄膜所形成之上層2與下層3所囊封。該等上層薄膜及下層薄膜之邊緣被熱密封以包封該凝膠。圖2類似圖1，其顯示由介電聚合物5形成之上薄膜層與熱膠帶6形成之下層所囊封之熱凝膠4。本發明之該等熱膠包裝可個別地製備，或可為於自動化製程中所製備之若干此等包裝之一部分。

可以預期，在不脫離本文所涉及之該等概念之範圍內，可對本發明做出某些變化，包含於先前描述中之所有物質應被解釋為說明之用而非限制意義。本文所引用之包括任何優先權文件在內的參考文件的全部內容係明確地以引用之方式倂入本文中。

1．．．熱凝膠

2．．．上層

3．．．下層

4．．．熱凝膠

5．．．介電聚合物

6．．．熱膠帶

圖1係本發明之一具體實施例之橫截面圖，該視圖顯示包括一種導熱凝膠之膠包裝，該導熱凝膠被夾於兩塑膠片狀材料層之間且將該膠包裝之該等邊緣部分熱密封，以囊封該凝膠。

圖2係本發明之另一具體實施例之橫截面圖，該視圖顯示包括一種導熱凝膠之膠包裝，該導熱凝膠被夾於塑膠片狀材料層與熱膠帶之間且將該膠包裝的該等邊緣部分熱密封，以囊封該凝膠。

1．．．熱凝膠

2．．．上層

3．．．下層

Claims (16)

1. 一種可依形導熱膠包裝，其適於被安置於一電子性熱產生源與一對置之散熱構件之間並且與兩者接觸，以於該兩者之間提供熱路徑，該膠包裝包括一導熱聚合物凝膠，該聚合物凝膠被囊封於一順應性包裝中，該順應性包裝具有一包含聚合物薄膜或熱膠帶之第一薄膜層，及一包含聚合物薄膜之第二薄膜層，該凝膠進一步包含含有導熱顆粒填充物之聚矽氧聚合物，且該第一薄膜層及該第二薄膜層係經密封以形成該順應性包裝。
2. 如請求項1之膠包裝，其中該散熱構件為散熱片或電路板。
3. 如請求項1之膠包裝，其中該第一薄膜層為熱膠帶。
4. 如請求項1之膠包裝，其中該顆粒填充物係選自由氮化硼、二硼化鈦、氮化鋁、碳化矽、石墨、金屬、金屬氧化物及彼等之混合物所組成之群組。
5. 如請求項1之膠包裝，其中該導熱聚合物凝膠包括約20至80重量%之顆粒填充物。
6. 如請求項1之膠包裝，其中該顆粒填充物具有至少約20W/m-K之導熱性。
7. 如請求項1之膠包裝，其中該導熱聚合物凝膠具有至少約0.5W/m-K之導熱性。
8. 如請求項1之膠包裝，其中形成該順應性包裝之第二薄膜層之聚合物材料係選自由聚醯亞胺、聚醯胺及彼等之共聚物及摻合物所組成之群組。
9. 一種熱管理裝配件，其包括：一電子性熱產生源；一與該電子性熱產生源對置之散熱構件；及被設置介於該電子性熱產生源與該散熱構件之間並且與兩者接觸的可依形導熱膠包裝，以於該兩者之間提供導熱路徑，該膠包裝包括一導熱聚合物凝膠，該聚合物凝膠被囊封於一順應性包裝中，該順應性包裝具有一包含聚合物薄膜或熱膠帶之第一薄膜層，及一包含聚合物薄膜之第二薄膜層，該凝膠進一步包含含有導熱顆粒填充物之聚矽氧聚合物，且該第一薄膜層及該第二薄膜層係密封以形成該順應性包裝。
10. 如請求項9之裝配件，其中該散熱構件為散熱片或電路板。
11. 如請求項9之裝配件，其中該第一薄膜層為熱膠帶。
12. 如請求項9之裝配件，其中該顆粒填充物係選自由氮化硼、二硼化鈦、氮化鋁、碳化矽、石墨、金屬、金屬氧化物及彼等之混合物所組成之群組。
13. 如請求項9之裝配件，其中該導熱聚合物凝膠包括約20重量%至約80重量%之顆粒填充物。
14. 如請求項9之裝配件，其中該顆粒填充物具有至少約20W/m-K之導熱性。
15. 如請求項9之裝配件，其中該導熱聚合物凝膠具有至少約0.5W/m-K之導熱性。
16. 如請求項9之裝配件，其中形成該順應性包裝之第二薄 膜層之聚合物材料係選自由聚醯亞胺、聚醯胺及彼等之共聚物及摻合物所組成之群組。