TWI668261B - 具有混合縱橫比之粒子分散物的熱介面材料 - Google Patents

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Abstract

本發明係關於一種電子封裝，其包括在電子組件與熱耗散部件間之介面部件。該介面部件在傳送熱能及/或阻抑電磁輻射中係高度有效的，且具有包括在分散物屬性範圍內之大體上球形粒子及大體上小板形粒子之組合之粒子填充劑分散物。

Description

具有混合縱橫比之粒子分散物的熱介面材料
本發明大體上係關於熱介面材料，且更具體而言係關於結合生熱電器件及散熱結構使用之傳導介面產物，其中該等介面產物另外起阻抑電磁輻射經由其傳播之作用。本發明進一步係關於藉助使用混合縱橫比粒子分散物產生經增強功能性質之介面材料。
熱傳導介面材料係廣泛用於電子產業中，用於可操作地將生熱電子組件耦合至散熱結構。最通常地，此等熱傳導介面材料係結合生熱電子組件使用，例如積體電路(IC)、中央處理器(CPU)及其他含有相對高密度之導電跡線及電阻器元件之電子組件。具體而言，常利用熱介面材料可操作地將此等生熱電子器件耦合至散熱結構，例如鰭片散熱結構。以此種方式，可將電子組件產生之過量熱能經由熱介面材料排出至散熱結構。
某些電子器件除產生過量熱能之外，亦產生跨越多個頻率之電磁輻射。此輻射可具有對其他對電磁波形敏感及/或經調諧以接收電磁波形之電子器件產生電磁干擾(EMI)之效應。對電磁干擾敏感之器件包括(例如)手機、手提式無線電、膝上型電腦及諸如此類。
由於對電磁干擾敏感之可攜式電子器件愈來愈盛行，此等器件之內部電子元件部分之製造商已將電磁輻射吸收物質納入毗鄰電磁輻 射產生器件佈置之熱傳導介面材料中。因此，已在熱介面材料中實施構築，該等熱介面材料具有吸收、反射電磁輻射或以其他方式阻抑電磁輻射經由該介面傳送之操作特徵。因此，此等熱介面材料構築起作用以提供熱釋放路徑，同時阻抑電磁輻射自熱介面材料定址至其之相應電子組件傳送。
然而，至今所提出之提供此等特徵之熱介面材料構築利用熱傳導及輻射阻抑粒子在熱介面材料主幹基質內之均勻或准均勻分散物。所得組合物，尤其在低總填充劑負載體積分數(例如50vol.%)下，具有有限的熱導率及電磁干擾阻抑能力。在通常為達成所期望機械性質所需的此等總填充劑負載體積分數下，難以同時達成高熱導率及電磁輻射阻抑。隨著電子組件之功率以及裝填密度增加，增強熱介面材料之熱轉移及電磁阻抑能力之需求亦增加。
因此，本發明之目標係提供具有優於以習用方式可獲得者之熱導率及電磁干擾阻抑性質之介面產物。
藉助本發明，與納入等效微粒填充劑負載體積分數之習用介面材料相比，適型介面材料之熱導率及/或電磁阻抑可經改良。因此，本發明之介面材料保持適宜地適型以使在與電子組件及/或熱耗散部件之介面處之熱能傳輸阻抗最小化。
在一實施例中，本發明之熱介面材料可定位於臨近熱源處，其用於自熱源進行熱耗散及用於屏蔽電磁干擾。熱介面材料包括聚合物基質及以30體積%至50體積%分散於聚合物基質中之熱傳導微粒填充劑。微粒填充劑包括具有介於0.8至1.2之間之縱橫比之大體上球形粒子及球形粒子體積。微粒填充劑進一步包括具有長度、寬度及厚度之小板粒子及小板粒子體積。小板粒子之長度及寬度各自顯著大於該等小板粒子之厚度，使得小板粒子具有至少10之縱橫比。小板粒子對球 形粒子之體積負載比率係介於0.1：1與1：1之間。小板粒子直徑對球形粒子直徑之粒子直徑比率係介於1：1與20：1之間。熱介面材料展現至少0.5W/m*K之熱導率。
在一些實施例中，可提供具有電子組件及熱耗散部件之電子封裝，其中熱介面材料經佈置在電子組件與熱耗散部件之間且與該電子組件及該熱耗散部件接觸。
10‧‧‧電子封裝
12‧‧‧電子組件
14‧‧‧熱耗散部件
16‧‧‧熱介面
18‧‧‧軸
20‧‧‧耗散方向
22‧‧‧微粒填充劑
24‧‧‧聚合物基質
32‧‧‧大體上球形粒子
34‧‧‧大體上小板形粒子；小板粒子
L‧‧‧長度軸
O‧‧‧中心原點
T‧‧‧厚度軸
W‧‧‧寬度軸
圖1係本發明之電子封裝之示意圖；圖2係於圖1中所圖解說明之電子封裝之介面部分的分離圖；圖3係大體上球形粒子之圖解說明；圖4係大體上小板形粒子之圖解說明；圖5係繪示各種氮化硼/氧化鋁粒子摻合物之熱導率隨總粒子填充劑負載濃度及相對粒子直徑比率之變化之圖表；圖6係繪示氮化硼/氧化鋁粒子摻合物之熱導率隨相對粒子直徑比率及相對體積負載比率之變化之圖表；圖7係繪示石墨烯/氧化鋁粒子摻合物之熱導率隨總粒子填充劑負載濃度及相對粒子直徑比率之變化之圖表；圖8係繪示石墨烯/氧化鋁粒子摻合物之熱導率隨總粒子填充劑負載濃度及相對粒子直徑比率之變化之圖表；圖9係繪示石墨烯/氧化鋁粒子摻合物之電磁輻射吸收隨總粒子填充劑負載濃度及相對粒子直徑比率之變化之圖表；圖10係繪示石墨烯/氧化鋁粒子摻合物之電磁輻射吸收隨總粒子填充劑負載濃度及相對粒子直徑比率之變化之圖表；圖11係繪示石墨烯/氧化鋁粒子摻合物之熱導率隨總粒子填充劑負載濃度及相對體積負載比率之變化之圖表；且圖12係繪示石墨烯/氧化鋁粒子摻合物之電磁輻射吸收隨總粒子 填充劑負載濃度及相對體積負載比率之變化之圖表。
上文所列舉之目標及優點連同本發明所表示之其他目標、特徵及進步現將藉助參照附圖所述之詳細實施例一起呈現。將本發明之其他實施例及態樣視為為熟習此項技術者所掌握。
出於此目的，術語「電磁輻射」、「電磁干擾」及「EMI」意欲指能夠干擾電子組件(例如處理器、發射機、接收器及諸如此類)之正常操作之輻射。此輻射可通常係在1GHz至10GHz之範圍內。上文所列之術語以及其他類似術語意欲指在此頻率範圍內之輻射，並可因此可互換地用於定義受本發明之材料所影響(吸收、反射、限制等)之輻射傳輸。
現參照圖示，且首先參照圖1，電子封裝10包括電子組件12、熱耗散部件14及佈置在電子組件12及熱耗散部件14之間並與電子組件12及熱耗散部件14接觸之熱介面16。在其他實施例中，介面16可不與電子組件12及熱耗散部件14中之一者或二者物理接觸，但仍依循自電子組件12至熱耗散部件14之熱耗散路徑。介面16較佳適於有效傳導熱能，並適於阻抑電磁輻射傳輸。可藉助電磁輻射之吸收及反射之組合達成EMI之阻抑。介面16可沿軸18佈置在電子組件12與熱耗散部件14之間，該軸18定義自熱源(電子組件12)至熱耗散部件14之耗散方向20。
介面16係較佳呈分散於熱塑性或熱固性聚合物基質24中之微粒填充劑22之形式。微粒填充劑22包括一或多種分散於聚合物基質24中之熱傳導及EMI阻抑材料，至足以提供期望熱導率及EMI阻抑性質之程度。微粒填充劑22可包含一或多種材料，但其形態不均勻。具體而言，已發現由球狀及小板狀粒子之組合構成之不均勻微粒填充劑形態相對於單獨使用之任一微粒填充劑形狀之等效負載體積分數產生熱導 率及/或EMI屏蔽之非累加性改良。因此，在大多數實施例中，微粒填充劑22可包括兩種或更多種不同微粒材料，形成不均勻填充劑形態。多種材料可用於構成微粒填充劑22，只要達成本發明之不均勻填充劑形態即可。出於此目的，術語「形態」係指構成微粒填充劑22之粒子之形狀，其中「不均勻形態」係指具有不同物理形狀之粒子，且「均勻形態」係指具有大體上類似之物理形狀之粒子。關於本發明，涵蓋包括球形粒子及小板形粒子之不均勻形態。用於吸收在寬頻率範圍內之電磁輻射之實例材料包括磁性金屬粉末，例如鎳或鎳合金及鐵或鐵合金。其他磁性金屬、磁性金屬氧化物陶瓷及肥粒鐵、石墨/碳粉末、金屬合金及非金屬填充劑亦可用作電磁干擾阻抑材料。EMI阻抑材料之特定說明性實例包括Nn-Zn、Ni-Zn、Fe-Ni、Fe-Si、Fe-Al、Fe-Co、鐵與傳導金屬及非金屬粒子(例如銀、銅、碳及石墨)之合金，以及氮化硼、聚丙烯腈、石墨及磁性陶瓷。上文材料僅係實例性的，且不意欲限制此項技術內已知之各種EMI阻抑材料之使用。
除EMI阻抑性質之外，微粒填充劑22包括有助於經由介面16轉移熱能之熱傳導填充劑材料。熱傳導微粒填充劑為此項技術所熟知，且包括(例如)氧化鋁、氮化鋁、氫氧化鋁、氮化硼、氮化鋅及碳化矽。本發明涵蓋其他用於微粒填充劑22中之熱傳導微粒填充劑材料，且其可以足以提供沿耗散方向20具有至少0.5W/m * K之熱導率之介面16之濃度分散於聚合物基質24中。
在達成相對於習用組合物較高之熱導率及/或電磁屏蔽性能之工作中，申請者已令人驚訝地發現，分散於聚合物基質中之球形及小板形粒子之組合之特定不均勻微粒填充劑形態展現非累加性性能增強，其中不均勻微粒填充劑之既定負載濃度展現顯著優於單獨在聚合物基質中之球形或小板粒子之均勻微粒填充劑形態之等效負載體積分數之熱導率及/或電磁屏蔽。然而，令人驚訝地，僅在組合屬性(包括總填 充劑負載濃度、粒子縱橫比、球形及小板粒子之間之相對負載比率，及球形及小板粒子之間之相對粒度比率)之特定範圍內觀測到此效應。具體而言，發現僅特定數量範圍之此等屬性之組合產生所觀測到之有益性能增強，且僅在每一此等數量範圍之每一屬性存在於組合中時產生該性能增強。因此，本發明之驚人發現係源自協同操作之特定屬性之組合。相比之下，已知組合物僅解釋本發明之關鍵屬性中之一些屬性，且因此無法實現本發明組合之意外結果。
本發明之微粒填充劑22包括大體上球形粒子32及大體上小板形粒子34之組合。出於此目的，認為球形粒子具有介於0.8-1.2之間之縱橫比，其中如下文測定粒子之縱橫比：A=D主要/D次要
其中，A=縱橫比
D主要=沿粒子之長度軸或寬度軸所取之最長尺寸
D次要=沿粒子之厚度軸所取之尺寸
於圖3中圖解說明大體上球形粒子32之實例，其中長度軸「L」、寬度軸「W」及厚度軸「T」於粒子32之中心原點「O」正交相遇。因此將大體上球形粒子32之縱橫比「A」定義為沿長度軸或寬度軸「L」或「W」之較大貫穿尺寸除以沿厚度軸「T」之貫穿尺寸。因此，在理想球體情形中，貫穿尺寸係沿各別軸所取之直徑尺寸，其將產生1.0之縱橫比「A」。
於圖4中圖解說明大體上小板形粒子34，其具有各別長度、寬度及厚度軸。出於此目的，將小板粒子視為沿其長度軸及寬度軸「L」、「W」具有類似尺寸，但沿其厚度軸「T」具有顯著較小之尺寸，以產生大於10之縱橫比。在一些實施例中，小板粒子34展現至少100之縱橫比。
已發現球形及小板粒度及(重要地)其在本發明分散物中之相對大小在達成所觀測熱導率及EMI阻抑性質中係重要態樣。因此，各別粒度可使用「等效球體」之概念表示。在此情形中，藉由與實際粒子具有相同性質(例如體積)之等效球體之直徑定義粒度。出於本申請案之目的，將粒子直徑視為中值體積等效球體之直徑，如使用雷射繞射儀表及解釋結果之米氏理論(Mie theory)所量測。亦應瞭解，球形粒子32及小板粒子34可並非單分散，但反而可展現不同大小之大體上球形及大體上小板形粒子之粒度分佈。此分佈可以體積加權分佈表示，其中在分佈中每個粒子之貢獻與該粒子之體積有關。對於體積加權粒度分佈，例如彼等藉由雷射繞射量測者，便捷地基於既定百分比體積之試樣之最大粒度報告參數。可將百分位數定義為：Dab
其中，D=直徑
a=分佈加權(v代表體積)
b=低於此粒度之試樣百分比
舉例而言，值Dv50係存在50%試樣體積低於其之最大粒子直徑；亦稱為以體積計之中值粒度(直徑)。本發明之典型粒度分佈包括中值直徑之約40%至100%之Dv10值，及係中值直徑之約100%至160%之Dv90值。藉由雷射繞射量測之粒度分佈可藉助直接電子顯微術檢查來確認。
申請者已確定，微粒填充劑22係較佳以30體積%至50體積%之負載濃度，且更佳以40體積%至50體積%之負載濃度分散於聚合物基質24中。如上文所指示，期望介面16維持具有相對低容積壓縮模數之「適型」特徵。微粒填充劑22之超過50體積%之負載濃度會不期望地提高介面16之容積壓縮模數。因此，本發明之每單位體積微粒填充劑 之經增強熱導率及電磁輻射衰減之發現允許具有相對低之微粒填充劑22之總負載濃度的分散物維持介面16之低容積壓縮模數值，同時保持高熱導率及/或EMI衰減值。
在上文所述微粒填充劑22之總負載濃度內，申請者已發現，小板粒子34及球形粒子32之間之負載比率達成所觀測之功能益處。出於此目的，術語「體積負載比率」係指小板粒子34對球形粒子32之以體積計之濃度比率。介於0.1：1與1：1之間之小板粒子34對球形粒子32之體積負載比率在本發明之分散物中係較佳的。
已進一步確定，在製備本發明之分散物中之一要素係小板粒子34與球形粒子32之間之粒子直徑比率。「粒子直徑比率」係比較分散物之小板及球形粒子之中值粒子直徑，其中中值粒子直徑定義於上文。已發現，中值小板粒子直徑對中值球形粒子直徑之粒子直徑比率係介於1：1與20：1之間。本發明之驚人功能益處在此範圍外之粒子直徑比率下大體上消除。
較佳地，聚合物基質24向介面16提供總體柔軟且可撓的特徵。特定而言，介面16較佳展現小於約5MPa之總體壓縮模數，及更佳小於1MPa之容積壓縮模數，以及介於約10蕭氏00與50蕭氏A之間之容積硬度，及更佳介於10蕭氏00與70蕭氏00之間之容積硬度，均在20℃之室溫下。在具體實施例中，介面16可在20℃下展現介於15蕭氏00與30蕭氏00之間之硬度。此撓性及柔軟度使得能在不形成間隙之情形下將介面16施加至電子組件12及熱耗散部件14之不均勻表面。藉由介面16之低模數及硬度值產生之其適型性態樣在確保熱傳導介面16與封裝10之相關聯組件之間之連續接觸區域中係重要的，以便將熱傳遞效率最大化，以及將電子封裝10總成中之電子組件12損壞之風險最小化。
源自聚合物基質24之介面16之容積壓縮模數及容積硬度性質係如此以允許介面16之可處置性。換言之，期望介面16具有在提供上文 所述之順從性及撓性益處之可行範圍內之柔軟度，以及足夠硬度以在處置及裝配中在尺寸上係相對穩定的。申請者已發現，上文所述之包括介於10蕭氏00至70蕭氏00之間之硬度範圍在輻射屏蔽及熱轉移與其易處置性(包括藉由自動化設備處置)之組合中達成有用平衡。在一些實施例中，介面16可係在室溫下在尺寸上相對穩定之自，或可具有較低黏度，包括可流暢分配用於現場成型應用。意欲將上文所述硬度及範圍應用於如在室溫下安裝之本發明介面16。在具有升高溫度之操作條件下，本發明介面16之硬度值可減小，尤其在本發明介面16之聚合物基質24中採用相變材料之情況中。
聚合物基質24可自熱塑性或熱固性聚合物形成。用於聚合物基質24之熱塑性及熱固性樹脂之實例包括(例如)聚矽氧、丙烯酸、胺基甲酸酯、環氧樹脂，多硫化物、聚異丁烯及基於聚乙烯基或聚烯烴之聚合物。自此等熱塑性或熱固性樹脂研發之聚合物基質提供相對柔軟及可撓之基材，微粒填充劑22可以介於約30體積%至50體積%之間之濃度分散於其中。
除上文所述熱導率性質之外，介面16可進一步提供電磁輻射阻抑。因此，可藉由介面16以顯著程度吸收或反射自(例如)電組件32散發之電磁輻射，以便不經由厚度「T」傳送。較佳地，至少約10%之電磁輻射經吸收或經反射回向在(例如)電子組件12處之來源。在一些實施例中，允許少於約90%之電磁輻射經由本發明之介面16傳送。在2.4GHz下至少1dB/in，且更佳至少10dB/in之電磁輻射吸收可藉由本發明之介面16達成。此電磁吸收有效性之量度可藉由以下關係來量測：
其中，A=電磁吸收(dB/in)
S11=電磁反射係數
S21=電磁傳輸係數
T=介面墊之厚度(in.)
實例
以不同的總微粒填充劑負載濃度、小板粒子與球形粒子之間之體積負載比率及小板粒子與球形粒子之間之粒子直徑比率製備多組熱介面墊以測試熱導率及電磁輻射吸收。將介面墊製備至約1mm之厚度用於測試。
實例1
利用自Denka購得之大體上球形氧化鋁粒子及自Momentive購得之氮化硼(BN)小板粒子製備第一組介面墊試樣。製備乙烯基官能性聚矽氧及氫化物官能性聚矽氧與鉑觸媒及順丁烯二酸鹽抑制劑之摻合物作為介面墊之聚合物基質之基底樹脂。使用100g批料在FlackTek高速混合器中在2200rpm下實施樹脂材料連同氧化鋁及氮化硼填充劑粒子之混合30秒。混合後，允許材料冷卻至25℃，且然後在2200rpm下再混合15秒。
實例2
使用自Denka購得之大體上球形氧化鋁粒子及自Cabot購得之小板形石墨烯粒子製備另一組介面墊。自市售RTV兩部分冷凝固化模製聚矽氧製備聚合物基質。將聚矽氧A側與石墨烯及氧化鋁粒子在2200rpm下混合30秒。允許材料冷卻至25℃，且然後添加聚矽氧B側並在2200rpm下再混合15秒。
圖5至圖12以圖表方式繪示以不同小板/球體體積負載比率及粒度比率以及總粒子填充劑負載濃度摻合之上文所述實例介面墊之熱導率及電磁輻射吸收。實驗數據之圖示展示在特定屬性範圍內之期望性能性質，即在聚合物基質中30體積%至50體積%之總微粒填充劑負載濃 度，介於0.1：1與1：1之間之小板粒子對球形粒子之體積負載比率，及介於1：1及20：1之間之小板粒子直徑對球形粒子直徑之粒子直徑比率。
圖5繪示不同氮化硼/氧化鋁粒子摻合物之熱導率隨總粒子填充劑負載濃度及相對粒度比率之變化。圖表清晰顯示，在等效總負載濃度下，含有球形及小板粒子二者之微粒填充劑分散物顯著勝過僅含有球形或小板粒子之微粒填充劑分散物。此展示「非累加性」效應，其中球形及小板粒子之組合之性能遠超過在該負載濃度下之預期性能。
圖6展示氮化硼/氧化鋁粒子分散物摻合物之熱導率隨相對粒子直徑比率及相對體積負載比率之變化。自圖6可見，本發明分散物之驚人非累加性益處在20：1之小板：球體粒子直徑比率以外顯著減小。
圖7展現在0.1：1之小板粒子對球形粒子之體積負載比率下石墨烯/氧化鋁摻合物之熱導率隨總微粒填充劑負載濃度及相對粒子直徑比率之變化。同樣，圖8顯示在0.2：1之小板粒子對球形粒子之體積負載比率下石墨烯/氧化鋁摻合物之熱導率隨總粒子填充劑負載濃度及相對粒子直徑比率之變化。
圖9展現在0.1：1之小板粒子對球形粒子之體積負載比率下石墨烯/氧化鋁粒子摻合物之電磁輻射吸收隨總粒子填充劑負載濃度及相對粒子直徑比率之變化。類似地，圖10顯示在0.2：1之小板粒子對球形粒子之體積負載比率下石墨烯/氧化鋁粒子摻合物之電磁輻射吸收隨總微粒填充劑負載濃度及相對粒子直徑比率之變化。圖7至圖10中之每一者在其各別屬性範圍內展示本發明分散物之非累加性益處。
圖11及12顯示隨總粒子填充劑負載濃度及小板粒子對球形粒子之相對體積負載比率而變之石墨烯/氧化鋁粒子分散物摻合物之熱導率及電磁輻射吸收數據。
本文已非常詳細地闡述本發明，以遵從專利法規並向熟習此項技術者提供應用新穎原理及根據需要構築並使用本發明實施例所需之 資訊。然而，應瞭解，可在不背離本發明本身之範圍之情況下完成各種修改。

Claims (9)

  1. 一種可定位於臨近熱源之用於自該熱源進行熱耗散並用於屏蔽電磁干擾之熱介面材料，該熱介面材料包含：聚合物基質；及以30體積%至50體積%分散於該聚合物基質中之熱傳導微粒填充劑，該微粒填充劑包括具有介於0.8-1.2間之縱橫比及球形粒子直徑之大體上球形粒子，及具有一長度、一寬度及一厚度及一小板粒子直徑之小板粒子，其中該長度及該寬度各自實質地大於該厚度，該等小板粒子具有至少10之縱橫比，該等小板粒子對該等球形粒子之體積負載比率係介於0.1：1與1：1之間，且該小板粒子直徑對該球形粒子直徑之粒子直徑比率係介於1：1與20：1之間，其中該熱介面材料展現至少0.5W/m * K之熱導率。
  2. 如請求項1之熱介面材料，其展現在2.4GHz下至少10dB/in之電磁輻射吸收。
  3. 如請求項1之熱介面材料，其中該微粒填充劑係以40體積%至50體積%分散於該聚合物基質中。
  4. 如請求項1之熱介面材料，其中該等小板粒子具有至少100之縱橫比。
  5. 如請求項4之熱介面材料，其中該等小板粒子之該長度及該寬度大體上相等。
  6. 如請求項1之熱介面材料，其中該等球形粒子包括氧化鋁，且該等小板粒子係選自由氮化硼、石墨烯及其組合組成之群。
  7. 如請求項6之熱介面材料，其中該聚合物基質係熱塑性彈性體。
  8. 如請求項1之熱介面材料，其展現在20℃下小於5MPa之壓縮模 數。
  9. 一種電子封裝，其包含：電子組件；熱耗散部件；及經佈置在該電子組件與該熱耗散部件之間且與該電子組件及該熱耗散部件接觸之如請求項1之熱介面材料。
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