TWI723003B - 具有低熱阻抗性之高效能熱介面材料 - Google Patents

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Abstract

本發明係關於一種熱介面材料，在一個例示性實施例中，其包括聚合物、相變材料、具有第一粒徑之第一導熱填料及具有第二粒徑之第二導熱填料。該第一粒徑大於該第二粒徑。亦提供用於形成熱介面材料之調配物及包括熱介面材料之電子組件。

Description

具有低熱阻抗性之高效能熱介面材料
本發明大體上係關於熱介面材料，且更明確而言係關於包括相變材料之熱介面材料。
熱介面材料廣泛用於耗散來自電子組件(諸如，中央處理單元、視訊圖形陣列、伺服器、遊戲主機、智慧型電話、LED板及其類似物)之熱。熱介面材料通常用於將過多的熱自電子組件傳遞至熱散播器，接著將熱傳遞至散熱片。
圖1示意性地說明電子晶片10，其包括矽晶粒12、印刷電路板14及印刷電路板14上之複數個覆晶接頭16。電子晶片10藉由一或多個第一熱介面材料(TIM)22說明性地連接至熱散播器18及散熱片20。如圖1中所說明，第一TIM 22A連接散熱片20與熱散播器18，且第二TIM 22B連接熱散播器18與電子晶片10之矽晶粒12。熱介面材料22A、22B中之一者或兩者可為如下文所描述之熱介面材料。
TIM 22A被指定為TIM 2且定位於熱散播器18與散熱片20之間，使得TIM 22A之第一表面與熱散播器18之表面接觸且TIM 22A之第二表面與散熱片20之表面接觸。
TIM 22B被指定為TIM 1且定位於電子晶片10與熱散播器18之間，使得TIM 22B之第一表面與電子晶片10之表面(諸如，矽晶粒12之 表面)接觸，且TIM 22B之第二表面與熱散播器18之表面接觸。
在一些實施例(未展示)中，TIM 22被指定為TIM 1.5且定位於電子晶片10與散熱片20之間，使得TIM 22之第一表面與電子晶片10之表面(諸如，矽晶粒12之表面)接觸，且TIM 22之第二表面與散熱片20之表面接觸。
熱介面材料包括導熱油脂、類油脂材料、彈性體膠帶及相變材料。傳統的熱介面材料包括諸如間隙墊及導熱墊之組件。例示性熱介面材料揭示於以下專利及申請案中，其揭示內容特此以引用之方式全文併入：CN 103254647、CN 103254647、JP 0543116、美國6,238,596、美國6,451,422、美國6,500,891、美國6,605,238、美國6,673,434、美國6,706,219、美國6,797,382、美國6,811,725、美國6,874,573、美國7,172,711、美國7,147,367、美國7,244,491、美國7,867,609、美國8,324,313、美國8,586,650、美國2005/0072334、美國2007/0051773、美國2007/0179232、美國2008/0044670、美國2009/0111925、美國2010/0048438、美國2010/0129648、美國2011/0308782、美國2013/0248163以及WO 2008/121491。
由於擴展成極薄層及提供相鄰表面之間的緊密接觸之能力，因此導熱油脂及相變材料相較於其他類型之熱介面材料具有較低熱阻。然而，導熱油脂之缺點為當用於VLSI(「極大規模積體」)晶片中時，在熱循環(諸如，65℃至150℃)之後或在功率循環之後熱效能明顯降低。亦已發現，當表面平面度之較大偏差致使在電子裝置中之配合表面之間形成間隙時或當配合表面之間出於其他原因(諸如，製造公差等)而存在較大間隙時，此等材料之效能降低。當此等材料之熱傳遞性受損時，將不利地影響使用該等材料之電子裝置之效能。另外，油脂中之聚矽氧油蒸發至油脂之外且損壞電子裝置之其他部分。
在一些實施例中，亦需要熱介面材料具有極佳熱效能及熱穩定 性。
本發明提供用於將熱自產熱電子裝置(諸如，電腦晶片)傳遞至熱耗散結構(諸如，熱散播器及散熱片)的熱介面材料。熱介面材料說明性地包括至少一種相變材料、至少一種聚合物基質材料、至少一種具有第一粒徑之第一導熱填料及至少一種具有第二粒徑之第二導熱填料，其中第一粒徑大於第二粒徑。
在一個更特定之實施例中，提供熱介面材料。熱介面材料包括至少一種聚合物、至少一種相變材料、具有第一粒徑之第一導熱填料及具有第二粒徑之第二導熱填料。在一個實施例中，第一粒徑大於第二粒徑。
在以上實施例中之任何者中之一個更特定之實施例中，第一導熱填料包含鋁粒子。在以上實施例中之任何者中之另一更特定實施例中，第二導熱填料包含氧化鋅粒子。
在以上實施例中之任何者中之一個更特定實施例中，第一粒徑為自約1微米至約25微米。在以上實施例中之任何者中之一個更特定實施例中，第一粒徑為自約3微米至約15微米。在以上實施例中之任何者中之一個更特定實施例中，第一粒徑為自約3微米至約10微米。在以上實施例中之任何者中之一個更特定實施例中，第二粒徑為自約0.1微米至約3微米。在以上實施例中之任何者中之另一更特定實施例中，第二粒徑為自約0.1微米至約1微米。
在以上實施例中之任何者中之一個更特定實施例中，第一粒子包含鋁且具有自約1微米至約15微米之第一粒徑，且第二粒子包含氧化鋅且具有自0.1微米至約1微米之第二粒徑。
在以上實施例中之任何者中之一個更特定實施例中，熱介面材料進一步包括具有第三粒徑之第三導熱填料，第二粒徑大於第三粒 徑。在又一更特定實施例中，第三粒徑為自約10nm至約100nm。
在以上實施例中之任何者中之一個更特定實施例中，熱介面材料進一步包括至少一種偶合劑，諸如鈦酸酯偶合劑。在以上實施例中之任何者中之另一更特定實施例中，熱介面材料進一步包括至少一種抗氧化劑。在以上實施例中之任何者中之另一更特定實施例中，熱介面材料進一步包括至少一種離子清除劑。在以上實施例中之任何者中之另一更特定實施例中，熱介面材料進一步包括至少一種交聯劑。
在另一實施例中，提供用於形成熱介面材料之調配物。該調配物包括溶劑、至少一種相變材料、至少一種聚合物基質材料、至少一種具有第一粒徑之第一導熱填料及至少一種具有第二粒徑之第二導熱填料，其中第一粒徑大於第二粒徑。在一更特定實施例中，該調配物進一步包括具有第三粒徑之第三導熱填料，其中第二粒徑大於第三粒徑。
在另一實施例中，提供電子組件。該電子組件包括散熱片、電子晶片及定位於散熱片與電子晶片之間的熱介面材料，該熱介面材料包括：至少一種相變材料、至少一種聚合物基質材料、至少一種具有第一粒徑之第一導熱填料及至少一種具有第二粒徑之第二導熱填料，其中第一粒徑大於第二粒徑。在一更特定實施例中，熱介面材料之第一表面與電子晶片之表面接觸且熱介面材料之第二表面與散熱片接觸。在另一更特定實施例中，電子組件包括定位於散熱片與電子晶片之間的熱散播器，其中熱介面材料之第一表面與電子晶片之表面接觸且熱介面材料之第二表面與熱散播器接觸。在又另一更特定實施例中，電子組件包括定位於散熱片與電子晶片之間的熱散播器，其中熱介面材料之第一表面與熱散播器之表面接觸且熱介面材料之第二表面與散熱片接觸。
10‧‧‧電子晶片
12‧‧‧矽晶粒
14‧‧‧印刷電路板
16‧‧‧覆晶接頭
18‧‧‧熱散播器
20‧‧‧散熱片
22‧‧‧熱介面材料/TIM
22A‧‧‧熱介面材料/TIM/第一熱介面材料/第一TIM
22B‧‧‧熱介面材料/TIM/第二熱介面材料/第二TIM
參照以下結合附圖對本發明之實施例之描述，本發明之以上所提及以及其他特徵及優點以及其實現方式將變得更顯而易見且本發明自身將更好理解，其中：圖1示意性地說明電子晶片、熱散播器、散熱片及第一與第二熱介面材料。
貫穿若干視圖，對應的參考標號指示對應的零件。本文中所陳述之例證說明本發明之例示性實施例且此類例證不應解釋為以任何方式限制本發明之範疇。
本發明係關於用於將熱傳遞遠離電子組件之熱介面材料。
A.熱介面材料
在一個例示性實施例中，TIM 22為熱介面材料。在一些例示性實施例中，TIM 22包含一或多種相變材料、一或多種聚合物基質材料、兩種或兩種以上導熱填料及(視情況)一或多種添加劑。
a.導熱填料
在一些例示性實施例中，TIM 22至少包括第一導熱填料及第二導熱填料。
例示性導熱填料包括金屬、合金、非金屬、金屬氧化物、金屬氮化物及陶瓷，及其組合。例示性金屬包括(但不限於)鋁、銅、銀、鋅、鎳、錫、銦、鉛、塗佈銀之金屬(諸如，塗佈銀之銅或塗佈銀之鋁)、塗佈金屬之碳纖維及塗佈鎳之纖維。例示性非金屬包括(但不限於)碳、碳黑、石墨、碳奈米管、碳纖維、石墨烯、粉末狀金剛石、玻璃、矽石、氮化矽及塗佈硼之粒子。例示性金屬氧化物、金屬氮化物及陶瓷包括(但不限於)氧化鋁、氮化鋁、氮化硼、氧化鋅及氧化錫。
TIM 22可包含兩種或兩種以上導熱填料，該等導熱填料按TIM 22之總重量計呈少至10重量%、25重量%、50重量%、75重量%、80重量%、85重量%，多至90重量%、92重量%、95重量%、97重量%、98重量%、99重量%，或在界定於前述值之任何兩者之間的任何範圍內之量。
導熱填料可作為粒子提供。平均粒徑(D50)常用於量測粒徑。說明性粒子具有小至10nm、20nm、50nm、0.1微米、0.2微米、0.5微米、1微米、2微米、3微米，大至5微米、8微米、10微米、12微米、15微米、20微米、25微米、50微米、100微米，或在界定於前述值之任何兩者之間的任何範圍內的平均粒徑。
在一個實施例中，導熱填料具有不同粒徑以增大填料粒子之間的填集效應。在一些實施例中，第一與第二導熱填料為具有不同粒徑之兩種不同類型之導熱填料。在一些實施例中，第一與第二導熱填料為相同導熱填料，但具有不同粒徑。
在一個例示性實施例中，每一導熱填料具有與剩餘導熱填料之D50相差至少某一因數的D50值。例示性因數可少至1、2、3、5，多至10、20、50或100。在不希望受任何特定理論束縛之情況下，在一些實施例中，咸信除平均粒徑之外，粒徑分佈對於填集密度亦為重要的。
1.第一導熱填料
在一個例示性實施例中，導熱填料包括第一導熱填料。在一個例示性實施例中，第一導熱填料為金屬，諸如鋁、銅、銀、鋅、鎳、錫、銦或鉛。在一更特定實施例中，第一導熱填料為鋁。
在一個例示性實施例中，第一導熱填料包含具有小至1微米、2微米、3微米、5微米、8微米，大至10微米、12微米、15微米、20微米、25微米、50微米、100微米，或在界定於前述值之任何兩者之間的任何範圍內的粒徑之粒子。在一個更特定實施例中，第一導熱填料具 有自約1微米至約25微米之粒徑。在一個更特定實施例中，第一導熱填料具有自約3微米至約5微米之粒徑。在一個更特定實施例中，第一導熱填料具有自約3微米至約15微米之粒徑。在一個更特定實施例中，第一導熱填料具有自約8微米至約12微米之粒徑。在一個更特定實施例中，第一導熱填料具有自約3微米至約10微米之粒徑。在一個更特定實施例中，第一導熱填料具有約3微米之粒徑。在一個更特定實施例中，第一導熱填料具有約10微米之粒徑。
TIM 22可包含第一導熱填料，其呈按TIM 22之總重量計少至10重量%、25重量%、50重量%、75重量%、80重量%、85重量%，多至90重量%、92重量%、95重量%、97重量%、98重量%、99重量%，或在界定於前述值之任何兩者之間的任何範圍內之量。
2.第二導熱填料
在一個例示性實施例中，導熱填料包括如上文所描述之第一導熱填料，及第二導熱填料。在一個例示性實施例中，第一導熱填料具有大於第二導熱填料之粒徑的粒徑。在一個例示性實施例中，第一與第二導熱材料為具有不同粒徑之相同材料之粒子。在另一例示性實施例中，第一與第二導熱材料為具有不同粒徑之不同材料之粒子。
在一個例示性實施例中，第二導熱填料為金屬，諸如鋁、銅、銀、鋅、鎳、錫、銦或鉛。在一更特定實施例中，第二導熱填料為鋁。
在另一例示性實施例中，第二導熱填料為金屬氧化物，諸如氧化鋁、氮化鋁、氮化硼、氧化鋅或氧化錫。在一更特定實施例中，第二導熱填料為氧化鋅。
在一個例示性實施例中，第二導熱填料包含具有小至10nm、20nm、50nm、0.1微米、0.2微米、0.5微米、0.6微米、0.7微米、0.8微米、0.9微米、1微米、2微米、3微米，大至5微米、8微米、10微米、 12微米、15微米、20微米、25微米、50微米、100微米，或在界定於前述值之任何兩者之間的任何範圍內之粒徑的粒子。在一個更特定實施例中，第二導熱填料具有自約1微米至約5微米之粒徑。在一更特定實施例中，第二導熱填料具有約3微米之粒徑。在一個更特定實施例中，第二導熱材料具有自約0.1微米至約1微米之粒徑。在一更特定實施例中，第二導熱填料具有約0.5微米至1微米之粒徑。在一更特定實施例中，第二導熱填料具有約0.2微米之粒徑。
TIM 22可包含第二導熱填料，其按TIM 22之總重量計呈少至10重量%、25重量%、50重量%、75重量%、80重量%、85重量%，多至90重量%、92重量%、95重量%、97重量%、98重量%、99重量%，或在界定於前述值之任何兩者之間的任何範圍內之量。
TIM 22可包含呈小至1：50、1：10、1：5、1：3、1：1，大至2：1、3：1、5：1、10：1、20：1、50：1，或在界定於前述值中之任何者之間的任何範圍(諸如，自1：50至50：1、自1：10至10：1或自1：5至5：1)內之量的第一導熱填料與第二導熱填料之比率。
3.第三導熱填料
在一個例示性實施例中，導熱填料包括如上文所描述之第一導熱填料及第二導熱填料，及第三導熱填料。在一個例示性實施例中，第一導熱填料具有大於第二導熱填料之粒徑的粒徑，且第二導熱填料具有大於第三導熱填料之粒徑的粒徑。
在一個例示性實施例中，第一導熱材料、第二導熱材料及第三導熱材料為具有不同粒徑之相同材料之粒子。在另一例示性實施例中，第一導熱材料、第二導熱材料及第三導熱材料中之每一者為具有不同粒徑之不同材料之粒子。在又一例示性實施例中，第一導熱材料、第二導熱材料及第三導熱材料中之恰好兩者為具有不同粒徑之相同材料之粒子，且剩餘之導熱材料為不同材料。
在一個例示性實施例中，第三導熱填料為金屬，諸如鋁、銅、銀、鋅、鎳、錫、銦或鉛。在一更特定實施例中，第三導熱填料為鋁。
在另一例示性實施例中，第三導熱填料為金屬氧化物，諸如氧化鋁、氮化鋁、氮化硼、氧化鋅或氧化錫。在一更特定實施例中，第三導熱填料為氧化鋅。
在又一例示性實施例中，第三導熱填料係選自由以下各者組成之群：石墨烯、石墨及碳奈米管。
在一個例示性實施例中，第三導熱填料包含具有小至10nm、20nm、50nm、0.1微米、0.2微米，大至0.5微米、0.6微米、0.7微米、0.8微米、0.9微米、1微米，或在界定於前述值之任何兩者之間的任何範圍內之粒徑的粒子。在另一更特定實施例中，第三導熱填料具有自約0.1微米至約1微米之粒徑。在一更特定實施例中，第三導熱填料具有約0.5微米至1微米之粒徑。在一更特定實施例中，第三導熱填料具有約0.2微米之粒徑。在另一更特定實施例中，第三導熱填料具有自約10nm至約0.1微米之粒徑。在一更特定實施例中，第三導熱填料具有約10nm至約50nm之粒徑。
TIM 22可包含第三導熱填料，其按TIM 22之總重量計呈少至10重量%、25重量%、50重量%、75重量%、80重量%、85重量%，多至90重量%、92重量%、95重量%、97重量%、98重量%、99重量%，或在界定於前述值之任何兩者之間的任何範圍內之量。
TIM 22可包含呈小至1：50、1：10、1：5、1：3、1：1，大至2：1、3：1、5：1、10：1、20：1、50：1，或在界定於前述值中之任何者之間的任何範圍(諸如，自1：50至50：1、自1：10至10：1或自1：5至5：1)內之量的第一導熱填料與第二導熱填料之比率。TIM 22可進一步包含呈小至1：50、1：10、1：5、1：3、1：1，大至2：1、3：1、5：1、10：1、20：1、50：1， 或在界定於前述值中之任何者之間的任何範圍(諸如，自1：50至50：1、自1：10至10：1或自1：5至5：1)內之量的第一與第二填料之總和與第三填料之比率。
4.藉由偶合劑對導熱填料進行預處理
在一些例示性實施例中，藉由偶合劑對導熱填料中之至少一者進行預處理。在一些例示性實施例中，導熱填料並不藉由偶合劑預處理。在不希望受任何理論束縛之情況下，咸信偶合劑與填料及聚合物基質材料兩者反應以在介面處形成或促成較強接合，此有助於使填料粒子聚集體斷開且將該等填料粒子分散至聚合物基質中。亦咸信偶合劑減小或防止聚合物基質與填料之分離，從而改良填料聚合物複合體之穩定性。進一步咸信偶合劑降低系統之黏度且改良導熱填料粒子之流動性，此有助於減小產熱組件與熱擴散組件之間的接合線厚度(bond-line thickness；BLT)。
在一些實施例中，藉由偶合劑之此類預處理可在高裝載量之導熱填料(諸如，80重量%、85重量%、90重量%、95重量%、99重量%或更高)之情況下使用。在一些實施例中，藉由偶合劑之此類預處理可在小粒徑(諸如，亞微米粒徑)之情況下使用以避免在調配期間形成凝集塊。
經預處理之導熱填料可包含偶合劑，其按導熱填料之重量計呈少至0.01重量%、0.05重量%、0.1重量%、0.5重量%，多至1重量%、2重量%、5重量%、10重量%、20重量%或更大，或在界定於前述值之任何兩者之間的任何範圍內之量。
用於導熱填料之預處理中之例示性偶合劑包括矽烷偶合劑、鈦酸酯偶合劑、鋁酸酯偶合劑、鋯酸酯偶合劑及硬脂酸酯偶合劑。在一些實施例中，用於導熱填料之預處理之偶合劑選自鈦酸酯偶合劑、脂族偶合劑及矽烷偶合劑。
5.導熱填料之說明性混合物
以下例示性實施例意欲說明導熱填料之混合物，且不應解釋為以任何方式限制本發明之範疇。
在一個例示性實施例中，導熱填料包括具有第一平均粒徑(D50)、第二平均粒徑及第三平均粒徑之第一導熱填料。在一個更特定實施例中，第一D50為約30微米；第二D50為約3微米；且第三D50為約0.3微米。在另一更特定實施例中，第一D50為約20微米；第二D50為約3微米；且第三D50為約0.6微米。在又一更特定實施例中，第一D50為約5微米；第二D50為約0.9微米；且第三D50為約20nm。
在一個實施例中，導熱填料包含具有第一粒徑之第一導熱填料及具有第二粒徑之第二導熱填料。在一個更特定實施例中，第一粒徑為自約8微米至約12微米且第二粒徑為自約2微米至約5微米。在一更特定實施例中，第一粒徑為約10微米且第二粒徑為約3微米。在另一更特定實施例中，第一與第二導熱填料各自均為鋁粒子。
在以上實施例中之一更特定實施例中，導熱填料進一步包含具有第三粒徑之第三導熱填料。在一個更特定實施例中，第三導熱填料具有自約0.1微米至約1微米，且甚至更特定而言約0.2微米之粒徑。在另一更特定實施例中，第一導熱填料及第二導熱填料各自均為鋁且第三導熱填料為氧化鋅。
在另一實施例中，導熱填料包含具有第一粒徑之第一導熱填料及具有第二粒徑之第二導熱填料。在一個更特定實施例中，第一粒徑為自約3微米至約12微米且第二導熱填料具有自約0.1微米至約1微米之粒徑。在一更特定實施例中，第一粒徑為約3微米且第二粒徑為約0.1微米至1微米，且更特定而言為約0.2微米。在另一更特定實施例中，第一粒徑為約10微米且第二粒徑為約0.1微米至1微米，且更特定而言為約0.2微米。在另一更特定實施例中，第一導熱填料為鋁且第 二導熱填料為氧化鋅。
在以上實施例中之一更特定實施例中，導熱填料進一步包含具有第三粒徑之第三導熱填料。在一個更特定實施例中，第三導熱填料具有自約10nm至約0.1微米且甚至更特定而言約10nm至約50nm之粒徑。在另一更特定實施例中，第一導熱填料為鋁；第二導熱填料為氧化鋅；且第三導熱填料為石墨烯。
b.聚合物基質材料
在一些例示性實施例中，TIM 22包含聚合物基質材料。在一些例示性實施例中，聚合物基質材料提供用於併入有導熱填料之基質，且當在加熱及加壓情況下經按壓時提供流動性。
在一個例示性實施例中，聚合物基質材料包含烴類橡膠化合物或橡膠化合物之摻合物。例示性材料包括飽和橡膠化合物及不飽和橡膠化合物。在一些實施例中，飽和橡膠相較於不飽和橡膠化合物可對熱氧化降解較不敏感。例示性飽和橡膠化合物包括乙烯-丙烯橡膠(EPR、EPDM)、聚乙烯/丁烯、聚乙烯-丁烯-苯乙烯、聚乙烯-丙烯-苯乙烯、氫化聚烷基二烯「單醇」(諸如，氫化聚丁二烯單醇、氫化聚丙二烯單醇、氫化聚戊二烯單醇)、氫化聚烷基二烯「二醇」(諸如，氫化聚丁二烯二醇、氫化聚丙二烯二醇、氫化聚戊二烯二醇)及氫化聚異戊二烯、聚烯烴彈性體或任何其他適合之飽和橡膠或其摻合物。在一個實施例中，聚合物基質材料為氫化聚丁二烯單醇，其亦可被稱作以羥基封端之乙烯丁烯共聚物，特殊單醇。
在一個例示性實施例中，聚合基質材料包含聚矽氧橡膠、矽氧烷橡膠、矽氧烷共聚物或任何其他適合之含有聚矽氧之橡膠。
在一些例示性實施例中，TIM 22可包含聚合物基質材料，其按TIM 22之總重量計呈少至1重量%、3重量%、5重量%、10重量%，多至15重量%、25重量%、50重量%、75重量%，或在界定於前述值之 任何兩者之間的任何範圍內之量。
c.相變材料
在一些例示性實施例中，TIM 22包含一或多種相變材料。相變材料為熔點或熔點範圍處於或低於TIM 22待使用於之電子裝置之一部分之操作溫度的材料。例示性相變材料為蠟，諸如石蠟。石蠟為具有通式CnH2n+2且具有在約20℃至100℃範圍內之熔點的固態烴之混合物。聚合物蠟包括聚乙烯蠟及聚丙烯蠟，且通常具有自約40℃至160℃之熔點範圍。其他例示性相變材料包括低熔點合金，諸如伍氏合金、菲爾德金屬，或具有在約20℃與90℃之間的熔點之金屬或合金。
在一些實施例中，一定量之相變材料可用於調整TIM 22之硬度。舉例而言，在相變材料之裝載量較低之一些實施例中，組合物可呈軟凝膠形式；且在相變材料之裝載量較高之一些實施例中，組合物可為硬固體。TIM 22可包含一或多種相變材料，其按TIM 22之總重量計呈少至1重量%、3重量%、5重量%、10重量%，多至15重量%、25重量%、50重量%、75重量%，或在界定於前述值之任何兩者之間的任何範圍內之量。
d.偶合劑
在一些例示性實施例中，TIM 22包含一或多種偶合劑。在一些例示性實施例中，包括偶合劑可改良熱性質，諸如在相對高溫下之性質。例示性偶合劑包括鈦酸酯偶合劑，諸如美國專利申請公開案2011/0308782中所揭示之彼等者，該美國專利申請案公開案之揭示內容特此以引用之方式全文併入。例示性偶合劑包括：鈦IV 2,2(雙2-丙烯醇根基甲基)丁醇根基，參(二辛基)焦磷酸根-O；鋯IV 2,2(雙2-丙烯醇根基甲基)丁醇根基，參(二異辛基)焦磷酸根-O；鈦IV 2-丙烯醇根基，參(二辛基)-焦磷酸根-O與1莫耳二異辛基亞磷酸酯加合物；鈦IV雙(二辛基)焦磷酸根-O，氧代乙二醇根基(加合物)，雙(二辛基)亞磷 酸(氫)酯-O；鈦IV雙(二辛基)焦磷酸根-O，乙二醇根基(加合物)，雙(二辛基)亞磷酸氫酯；及鋯IV 2,2-雙(2-丙烯醇根基甲基)丁醇根基，環二[2,2-(雙2-丙烯醇根基甲基)丁醇根基]，焦磷酸根-O,O。在一個例示性實施例中，偶合劑為鈦IV 2,2(雙2-丙烯醇根基甲基)丁醇根基，參(二辛基)焦磷酸根-O。
在一個實施例中，該偶合劑與用於導熱填料之預處理之偶合劑相同。在另一實施例中，偶合劑為不同於用於導熱填料之預處理之偶合劑的偶合劑。
在一些例示性實施例中，TIM 22可包含一或多種偶合劑，其按中心層之總重量計呈少至0.1重量%、0.3重量%、0.5重量%，多至1重量%、2重量%、3重量%、5重量%，或在界定於前述值之任何兩者之間的任何範圍內之量。
e.添加劑
在一些例示性實施例中，TIM 22包含一或多種添加劑。例示性添加劑包括抗氧化劑、離子清除劑及交聯劑。
例示性抗氧化劑包括酚類抗氧化劑、胺類抗氧化劑或任何其他適合之類型之抗氧化劑或其組合。在一些例示性實施例中，TIM 22可包含一或多種抗氧化劑，其按TIM之總重量計呈少至0.1重量%、0.5重量%、1重量%，多至1.5重量%、2重量%、5重量%、10重量%，或在界定於前述值之任何兩者之間的任何範圍內之量。
例示性離子清除劑揭示於PCT申請案第PCT/CN2014/081724號中，該申請案之揭示內容特此以引用之方式全文併入。在一些例示性實施例中，TIM 22可包含一或多種離子清除劑，其按TIM之總重量計呈少至0.1重量%、0.5重量%、1重量%，多至1.5重量%、2重量%、5重量%、10重量%，或在界定於前述值之任何兩者之間的任何範圍內之量。
例示性交聯劑揭示於美國專利第7,244,491號中，該專利之揭示內容特此以引用之方式全文併入。例示性交聯劑包括烷基化三聚氰胺樹脂。在一些例示性實施例中，TIM 22可包含一或多種交聯劑，其按TIM之總重量計呈少至0.1重量%、0.5重量%、1重量%，多至1.5重量%、2重量%、5重量%、10重量%，或在界定於前述值之任何兩者之間的任何範圍內之量。
B.形成熱介面材料之方法
在一些實施例中，TIM 22由包括一或多種聚合物基質材料、一或多種相變材料、兩種或兩種以上導熱填料、一或多種溶劑及(視情況)一或多種添加劑之可施配調配物形成。
例示性溶劑描述於美國專利申請公開案2007/0517733中，該案之揭示內容特此以引用之方式全文併入本文中。適合之溶劑包括純溶劑或有機溶劑或無機溶劑之混合物，該等溶劑在所要溫度(諸如，臨界溫度)下揮發，或可促進上文所提及之設計目標或需要中之任一者，且與相變材料相容(因為其將與相變材料相互作用以達成先前提及之目標)。在一些實施例中，溶劑、溶劑混合物或其組合將溶合相變材料使得其可藉由印刷技術塗覆。在一些例示性實施例中，溶劑或兩種或兩種以上溶劑之混合物係選自烴族溶劑。烴溶劑包含碳及氫。大多數烴溶劑為非極性的；然而，存在少數幾個被認為極性之烴溶劑。
烴溶劑通常被分為三個種類：脂族、環狀及芳族。脂族烴溶劑包含直鏈化合物及分支及可能交聯之化合物兩者，然而，脂族烴溶劑通常不被認為為環狀的。環烴溶劑為包含以環結構定向之至少三個碳原子、具有類似於脂族烴溶劑之性質的彼等溶劑。芳族烴溶劑為通常包含與單個環或藉由共鍵附接之多個環及/或稠合在一起之多個環的三個或三個以上不飽和鍵的彼等溶劑。在一些例示性實施例中，溶劑或兩種或兩種以上溶劑之混合物係選自不被當作烴溶劑家族之化合物 之一部分的溶劑，諸如酮、醇、酯、醚及胺。在又其他所預期之實施例中，溶劑或溶劑混合物可包含本文中所提及之溶劑中之任何者之組合。
例示性烴溶劑包括：甲苯、二甲苯、對二甲苯、間二甲苯、均三甲苯、溶劑石腦油H、溶劑石腦油A、異烷烴H及其他石蠟油及異烷烴流體、烷烴(諸如，戊烷、己烷、異己烷、庚烷、壬烷、辛烷、十二烷、2-甲基丁烷、十六烷、十三烷、十五烷、環戊烷、2,2,4-三甲基戊烷)、石油醚、鹵化烴(諸如，氯化烴、硝化烴)、苯、1,2-二甲苯、1,2,4-三甲苯、礦油精、煤油、異丁基苯、甲基萘、乙基甲苯、石油英。例示性酮溶劑包括丙酮、二乙基酮、甲基乙基酮及其類似物。
在一個例示性實施例中，溶劑包括選自以下各者之一或多種溶劑：戊烷、己烷、庚烷、環己烷、石蠟油、異烷烴流體、苯、甲苯、二甲苯及其混合物或組合。
在一些例示性實施例中，調配物可包含一或多種溶劑，其按調配物之總重量計呈少至0.1重量%、0.5重量%、1重量%，多至5重量%、10重量%、20重量%，或在界定於前述值之任何兩者之間的任何範圍內之量。
在一些例示性實施例中，提供形成TIM 22之方法。在一些例示性實施例中，形成TIM 22包括諸如烘烤及乾燥TIM 22之製程。
在一些例示性實施例中，烘烤TIM 22包括在低至25℃、50℃、75℃、80℃，高達100℃、125℃、150℃、170℃，或在界定於前述值之任何兩者之間的任何範圍內之溫度下烘烤。在一些例示性實施例中，TIM 22經烘烤少至0.5分鐘、1分鐘、30分鐘、1小時、2小時，長達8小時、12小時、24小時、36小時、48小時，或在界定於前述值之任何兩者之間的任何範圍內之時間長度。
C.熱介面材料性質
在一些例示性實施例中，TIM 22具有低至0.05℃‧cm2/W、0.06℃‧cm2/W、0.07℃‧cm2/W、0.75℃‧cm2/W，高達0.08℃‧cm2/W、0.09℃‧cm2/W、0.1℃‧cm2/W、0.12℃‧cm2/W，或在界定於前述值之任何兩者之間的任何範圍內之熱阻抗性。
在一些例示性實施例中，在130℃的溫度及85%的相對濕度下調節96小時之後，TIM 22之熱阻抗性比該種調節之前的TIM 22之熱阻抗性大的量不超過20%、不超過10%、不超過5%或不大於該種調節之前的TIM 22之熱阻抗性。
在一些例示性實施例中，在150℃的溫度下調節1000小時之後，TIM 22之熱阻抗性比該種調節之前的TIM 22之熱阻抗性大的量不超過20%、不超過10%、不超過5%或不大於該種調節之前的TIM 22之該熱阻抗性。
在將TIM應用於產熱組件與熱耗散組件之間之後，所應用之TIM之最終厚度被稱作接合線厚度(BLT)。BLT之值部分地由當由產熱組件加熱時TIM之流動性判定。相變材料(PCM)包括蠟或其他材料以增大當由產熱組件加熱時TIM之流動性，此又減小BLT。BLT係根據式TI=BLT/TC與熱阻抗性(TI)及熱導率(TC)相關，使得在相同熱導率下較低BLT導致較低熱阻抗性。在不希望受任何特定理論束縛之情況下，咸信包括多種大小之導熱填料允許較小粒徑填充存在於較大粒徑之間的間隙，從而增大TIM之流動性且減小BLT。具有低BLT之TIM調配物往往會具有低熱阻抗性。
在一些實施例中，當經受40psi之壓力且經加熱至80℃時，TIM 22具有大至80微米、70微米、60微米、50微米、40微米，小至30微米、25微米、20微米、15微米、10微米、5微米或5微米以下，或在界定於前述值之任何兩者之間的任何範圍(諸如，自80微米至5微米、自 60微米至10微米或自30微米至20微米)內之接合線厚度。
實例
如下文所描述而製備包括橡膠彈性體、第一導熱填料(在約0.1微米與約25微米之間的鋁粒子)、第二導熱填料(在約0.1微米與6微米之間的氧化鋅粒子)、鈦酸酯偶合劑、抗氧化劑及蠟之實例。實例1至5大體上含有約65重量%至75重量%之鋁填料及約13重量%至15重量%之氧化鋅填料。實例6至13大體上含有約50重量%至80重量%之鋁填料及約15重量%至45重量%之氧化鋅填料。
根據表1中所提供之調配物(按重量%)製備實例1及比較實例1。
Figure 104140824-A0202-12-0018-1
為了製備實例1，在經加熱之混合器中組合且摻合Kraton彈性體(羥基封端之乙烯丁烯共聚物，特殊單醇)、具有約45℃之熔點的微晶蠟及抗氧化劑，直至該組合已熔融且獲得實質上均質的外觀。添加鈦IV 2,2(雙2-丙烯醇根基甲基)丁醇根基，參(二辛基)焦磷酸根-O偶合劑，且再次摻合該組合直至其具有實質上均質的外觀。添加鋁粉及氧化鋅，繼而摻合直至混合物具有實質上均質的外觀。
類似於實例1而製備比較實例1，但是將實例1中的導熱填料之混合物替換為鋁粉。
使用根據ASTM D5470-06之切割條測試判定每一TIM之熱阻抗性。將每一TIM在90℃下膠黏在兩個內襯膜之間15分鐘。去除內襯且自TIM切除25mm直徑之圓形樣本。將該樣本置於兩個塗佈鎳之銅條 之間，且處於40psi之壓力下。將功率設定成125W，且在20分鐘、25分鐘及30分鐘時量測熱性質。三個值之平均值用於判定表1中所提供之熱阻抗性值。
如表1中所示，部分地將比較實例1中之一些鋁替換為當量重量%之氧化鋅導致0.012℃‧cm2/W之熱阻抗性減小。
根據表2中所提供之調配物製備實例2至4及比較實例2。
Figure 104140824-A0202-12-0019-2
為了製備實例2，在經加熱之混合器中組合且摻合Kraton彈性體(羥基封端之乙烯丁烯共聚物，特殊單醇)、具有約45℃之熔點的微晶蠟、抗氧化劑及胺樹脂，直至該組合已熔融且獲得實質上均質的外觀。添加鈦IV 2-丙烯醇根基，參異十八烷醇根基-O偶合劑，且再次摻合該組合直至其具有實質上均質的外觀。添加鋁粉及藉由鈦酸酯偶合劑預處理之氧化鋅，繼而摻合直至該混合物具有實質上均質的外觀。
類似於實例2而製備實例3，但是氧化鋅藉由脂族偶合劑而非鈦酸酯偶合劑預處理。類似於實例2而製備實例4，但是氧化鋅藉由矽烷偶合劑而非鈦酸酯偶合劑預處理。類似於實例2而製備比較實例2，但是氧化鋅不經預處理。
使用如上文所描述之根據ASTM D5470-06的切割條測試判定每一TIM之熱阻抗性。熱阻抗性值提供於表2中。如表2中所示，與藉由 鈦酸酯偶合劑或矽烷偶合劑預處理氧化鋅相比，藉由脂族偶合劑預處理氧化鋅導致熱阻抗性減小。
根據表3中所提供之調配物製備實例5至10。
Figure 104140824-A0202-12-0020-3
為了製備實例5至10，在經加熱之混合器中根據表3中給定之量組合且摻合Kraton彈性體(羥基封端之乙烯丁烯共聚物，特殊單醇)、具有約45℃之熔點的微晶蠟及抗氧化劑，直至該組合已熔融且獲得實質上均質的外觀。添加鈦IV 2,2(雙2-丙烯醇根基甲基)丁醇根基，參(二辛基)焦磷酸根-O偶合劑，且再次摻合該組合直至其具有實質上均質的外觀。添加鋁粉及氧化鋅，繼而摻合直至混合物具有實質上均質的外觀。
類似於實例5至10而製備比較實例3，但是代替氧化鋅而使用氧化鋁。
類似於實例5至10而製備比較實例4，但是將導熱填料之混合物替換為鋁粉。
比較實例5為可商購之PTM 3180材料，可從Honeywell國際有限公司購得。
將每一TIM在90℃下膠黏在兩個內襯膜之間15分鐘。去除內襯且自TIM切除25mm直徑之圓形樣本。將該樣本置於塗佈鎳之銅散播器與聚矽氧晶粒之間，從而形成測試「夾層」樣本。
使用由上海JINGHONG供應之烘箱D2F-6050在40psi壓力下使該樣本經受90℃烘烤60分鐘。藉由測微計量測「夾層」且讀數為聚矽氧晶粒-TIM-塗佈鎳之銅的總厚度。預先藉由測微計量測矽晶粒及塗佈鎳之銅之厚度以獲得TIM之接合線厚度(BLT)。具有良好可壓縮性之TIM調配物可經壓縮成極薄樣本，量測為極低BLT，且往往會具有低熱阻抗性。
使用測試夾層之閃光擴散性而判定每一TIM之熱阻抗性。使用具有氙氣光源之Netzsch LFA 447設備根據ASTM E1461而判定閃光擴散性。結果提供於表3中。
如表3中所示，包括鋁粒子及氧化鋅粒子兩者之實例相較於僅具有鋁粒子之比較實例具有較低熱阻抗性。
另外，對實例8之結果與比較實例4之結果進行比較，實例8具有低於比較實例4之BLT，儘管實例8具有高於比較實例4(92%)之填料裝載量(93%)。此指示儘管填料裝載量較高，實例8相較於比較實例4具有較佳可壓縮性，此可導致較低熱阻抗性。
另外，對實例8之結果與比較實例3之結果進行比較，該等樣本具有類似填料裝載量，但實例8使用鋁粒子及氧化鋅粒子，而比較實例3具有鋁粒子及氧化鋁粒子。如表3中所示，實例8相較於比較實例3具有較低BLT，從而指示較佳可壓縮性。如根據BLT量測之較低厚度 按照式TI=BLT/TC與熱阻抗性相關，其中TI為熱阻抗性，BLT為接合線厚度，且TC為熱導率。
使用經高度加速之應力測試(HAST測試)測試實例8，其中該樣本在由ESPEC供應之環境腔室中在130℃之溫度及85%之相對濕度下經調節96小時。在樣本調節之前或之後量測該樣本之熱阻抗性。小於20%之熱阻抗性增大指示通過之HAST結果，而20%或高於20%之增大指示失敗之HAST結果。如表4中所示，實例8通過了HAST測試。
Figure 104140824-A0202-12-0022-4
亦使用烘烤測試來測試實例8，其中該樣本在由ESPEC供應之環境腔室中在150℃之溫度下經調節1000小時。在樣本調節之前或之後量測該樣本之熱阻抗性。小於20%之熱阻抗性增大指示通過之烘烤測試結果，而20%或高於20%之增大指示失敗之烘烤測試結果。如表5中所示，實例8通過了HAST測試。
Figure 104140824-A0202-12-0022-5
儘管已將本發明描述為具有例示性設計，但可在本發明之精神及範疇內進一步修改本發明。因此，本申請案意欲涵蓋使用本發明之一般原理的對其所進行之任何變化、使用或調適。另外，本申請案意欲涵蓋如在本發明涉及之領域中的已知或習用做法範圍內及在隨附申請專利範圍之限制內的與此揭示內容之偏離。
10‧‧‧電子晶片
12‧‧‧矽晶粒
14‧‧‧印刷電路板
16‧‧‧覆晶接頭
18‧‧‧熱散播器
20‧‧‧散熱片
22A‧‧‧熱介面材料/TIM/第一熱介面材料/第一TIM
22B‧‧‧熱介面材料/TIM/第二熱介面材料/第二TIM

Claims (10)

  1. 一種熱介面材料，其包含：至少一種聚合物；至少一種相變材料，其包含至少一種蠟；具有第一粒徑介於1微米至25微米之第一導熱金屬填料；具有第二粒徑介於1微米至10微米之第二導熱金屬填料；其中該第一粒徑大於該第二粒徑，且其中該第一及該第二導熱金屬填料為具有不同粒徑之相同材料；及與該第一及該第二導熱金屬填料不同之第三導熱金屬填料，其具有介於0.5微米至1微米之第三粒徑，其中基於該熱介面材料之總重量計，導熱金屬填料之總量係自90重量%至99重量%；且其中該熱介面材料當經受40psi之壓力且經加熱至80℃時具有5至80微米之接合線厚度(BLT)。
  2. 如請求項1之熱介面材料，其中該第一及該第二導熱金屬填料各自包含鋁粒子。
  3. 如請求項1之熱介面材料，其中該第三導熱金屬填料包含氧化鋅粒子。
  4. 如請求項1之熱介面材料，其中該第一粒徑為自1微米至15微米。
  5. 如請求項1之熱介面材料，其中該第二粒徑為自1微米至5微米。
  6. 如請求項1之熱介面材料，其中該第三粒徑為自0.7微米至0.9微米。
  7. 如請求項1之熱介面材料，其進一步包含至少一種偶合劑。
  8. 如請求項7之熱介面材料，其中該偶合劑為鈦酸酯偶合劑。
  9. 一種用於形成熱介面材料之調配物，其包含：至少一種溶劑；至少一種聚合物；至少一種相變材料，其包含至少一種蠟；具有第一粒徑介於1微米至25微米之第一導熱金屬填料；具有第二粒徑介於1微米至10微米之第二導熱金屬填料；其中該第一粒徑大於該第二粒徑，且其中該第一及該第二導熱金屬填料為具有不同粒徑之相同材料；及與該第一及該第二導熱金屬填料不同之第三導熱金屬填料，其具有介於0.5微米至1微米之第三粒徑，其中基於該熱介面材料之總重量計，導熱金屬填料之總量係自90重量%至99重量%；且其中該熱介面材料當經受40psi之壓力且經加熱至80℃時具有5至80微米之接合線厚度(BLT)。
  10. 一種電子組件，其包含：散熱片；電子晶片；定位於該散熱片與該電子晶片之間的熱介面材料，該熱介面材料包括：至少一種聚合物；至少一種相變材料，其包含至少一種蠟；具有第一粒徑介於1微米至25微米之第一導熱金屬填料；具有第二粒徑介於1微米至10微米之第二導熱金屬填料；其中該第一粒徑大於該第二粒徑，且其中該第一及該第二導熱金屬填料為具有不同粒徑之相同材料；及與該第一及該第二導熱金屬填料不同之第三導熱金屬填 料，其具有介於0.5微米至1微米之第三粒徑，其中基於該熱介面材料之總重量計，導熱金屬填料之總量係自90重量%至99重量%；且其中該熱介面材料當經受40psi之壓力且經加熱至80℃時具有5至80微米之接合線厚度(BLT)。
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