專利名稱：相變熱界面材料的施涂方法
相關(guān)申請援引本申請是美國申請序列號08/801,047，1997-02-14提交，題為“電子元件用共形熱界面材料”，的部分繼續(xù)申請，在此將其公開內(nèi)容收作參考。
背景技術(shù)：
本發(fā)明廣義地說涉及一種相變熱界面材料，它可置于發(fā)熱電子元件與散熱元件如熱阱和電路板表面之間，以便為電子元件提供傳導(dǎo)冷卻。更具體地說，本發(fā)明涉及此種材料在電子元件與散熱元件的傳熱表面之間的噴涂以便在其表面獲得厚度較薄的膜，從而大大降低該電子元件與散熱元件之間的熱阻。
現(xiàn)代電子設(shè)備如電視機、收音機、電腦、醫(yī)療儀器、辦公機器、通訊設(shè)備之類的電路設(shè)計已變得日趨復(fù)雜。例如，已制造出用于這些以及其他包含相當于成千上萬個晶體管的設(shè)備的集成電路。盡管設(shè)計越來越復(fù)雜，這些設(shè)備的尺寸卻在不斷縮小，同時將電子元件制造得更小、將更多此種元件封裝在越來越小區(qū)域內(nèi)的能力也在不斷改進。
隨著電子元件變得越來越小，在集成板和芯片上封裝得越來越密，設(shè)計者和制造者目前正面臨如何散掉這些元件以電阻和其他方式產(chǎn)生的熱量的挑戰(zhàn)。的確，眾所周知，許多電子元件，特別是功率半導(dǎo)體元件如晶體管和微處理器，在高溫下更容易失效或出毛病。因此，散熱能力常常是元件性能的制約因素。
集成電路內(nèi)的電子元件傳統(tǒng)上一向是通過在設(shè)備外殼內(nèi)空氣的強制或?qū)α餮h(huán)達到散熱的。為此，提供冷卻翅片(散熱片)作為元件封裝整體的一部分或者作為單獨元件與之相連，以便增加整個插件(或封裝)暴露于對流產(chǎn)生的氣流的表面面積。另外，還采用電扇來增加外殼內(nèi)循環(huán)的空氣量。然而對于高功率電路以及作為現(xiàn)代電子設(shè)計的典型，更小但封裝得更密的電路來說，簡單的空氣循環(huán)常常發(fā)現(xiàn)已不足以充分冷卻這些電路元件了。
超出簡單空氣循環(huán)所能達到的那部分散熱可通過將電子元件直接安裝在諸如“冷板”或其他熱阱之類的散熱元件上來實現(xiàn)。該熱阱可以是專門的導(dǎo)熱金屬板或者簡單地就是裝置的底板或電路板。然而，隨著各物體之間的界面熱阻或接觸電阻的增加，在電子元件與熱阱之間將造成超過正常溫度梯度的顯著溫度梯度。
就是說，正如美國專利4,869,954所描述的，電子元件與熱阱之間的熱接合界面的表面，在典型情況下無論宏觀或是微觀上均不規(guī)則。當界面表面彼此配合時，其間產(chǎn)生氣袋或空穴空間，從而會窩藏空氣。氣袋會降低界面內(nèi)總接觸表面面積，這又會減少傳熱面積以及通過界面的總傳熱效率。加之，眾所周知，空氣是熱的相對不良導(dǎo)體，界面內(nèi)氣袋的存在勢必降低通過界面的傳熱速率。
為改善通過界面的傳熱效率，通常在熱阱與電子元件之間插入導(dǎo)熱、不導(dǎo)電的材料層以填平任何可能的表面不規(guī)則并消除氣袋。為此最初使用的材料是諸如硅脂或蠟并充填以導(dǎo)熱填料如氧化鋁。此類材料在正常室溫通常是半液態(tài)或固態(tài)，然而可液化或者，常常是在高溫下軟化而流動，從而與界面表面較好地保持共形。
例如，美國專利4,473,113和4,299,715公開一種蠟狀導(dǎo)熱材料，它配合另一種導(dǎo)熱材料如鈹、鋅或鋁的氧化物粉末，共同形成一種完成從受熱元件到熱阱的完整導(dǎo)熱路徑的混合物。優(yōu)選的蠟狀材料是普通凡士林與天然或合成蠟如蟲蠟、棕櫚蠟或礦物蠟的混合物，該混合物在溫度超過正常室溫時熔融并成為塑性的。該材料可通過按壓或揉搓而被刮下或部分消融，并粘附在揉搓表面上。因此，可將該材料成形為棒狀或條狀或者其他可裝在鉛筆狀分配器中進行施涂的可伸出形式。
美國專利3,928,907公開通過提供一種高導(dǎo)熱金屬界面安裝墊來優(yōu)化諸如晶體管之類熱源與多孔層合金屬絲網(wǎng)熱阱之間的熱傳導(dǎo)。該墊系通過在多孔金屬表面上火焰噴涂熔融金屬銅顆粒而堆積成的。
美國專利4,466,483公開一種導(dǎo)熱、電絕緣墊圈。該墊圈包括由浸漬上或載有電絕緣導(dǎo)熱材料的材料制成的片材或帶材。帶材或片材的功能是作為賦形劑，用以使可熔融材料以及，若有的話，導(dǎo)熱成分保持為墊圈樣形式。例如，可提供一種固態(tài)塑料的中心層，其兩面均涂以蠟、氧化鋅和阻燃劑的可熔融混合物。
美國專利4,473,113公開一種導(dǎo)熱、電絕緣片材，用于施加在電子設(shè)備的表面。該片材的每一面上備有一種在電子設(shè)備操作溫度范圍內(nèi)由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)的材料涂層。該材料可配制成由蠟和氧化鋅組成的可熔融混合物。
美國專利4,764,845公開一種帶散熱冷卻的電子組件，它包括里面裝有電子元件的外殼。熱阱材料填滿外殼，與電子元件直接接觸，以便將其熱量導(dǎo)出。熱阱材料包含一種糊狀混合物，由諸如金剛石、氮化硼或藍寶石之類的粒狀微晶材料以及諸如碳氟化合物或石蠟之類的填料組成。
美國專利5,250,209和5,167,851公開一種水溶性導(dǎo)熱脂，用于電子芯片與熱阱的熱耦合。該觸變性介電脂包含親水液態(tài)聚合物載體和微粒導(dǎo)熱填料。
然而，迄今為止技術(shù)上已知的上述類型脂和蠟一般都不能自支撐或在室溫保持穩(wěn)定的其他形式，因此若施加到熱阱或電子元件表面被認為會搞得很骯臟。為提供容易操作因而通常優(yōu)選的該材料的薄膜形式，必須提供一種基材、片材或其他載體，然而這又會引入另一個界面層，其中或其間又可能形成額外的氣袋。況且，使用此種材料一般要涉及電子組裝工人用手施加或放置，這又會增加制造成本。
替代地，另一種方法是將硅脂或蠟材料換成固化的片狀材料或墊。該材料可混煉成包含1種或多種分散在聚合物粘結(jié)劑中的導(dǎo)熱顆粒填料，并以固化片材、帶、墊或薄膜等形式提供使用。典型的粘結(jié)劑材料包括(聚)硅氧烷、聚氨酯、熱塑性橡膠以及其他彈性體，而典型的填料則包括氧化鋁、氧化鎂、氧化鋅、氮化硼和氮化鋁。
上述界面材料的例子是氧化鋁或氮化硼充填的硅氧烷或氨酯彈性體，商品名CHO-THERM，由Parker-Hannifin公司的Chomerics分部(77Dragon Court，Woburn，MA01888)供應(yīng)。另外，美國專利4,869,954公開一種熱能傳遞用的固化、形式穩(wěn)定的片狀導(dǎo)熱材料。該材料由聚氨酯粘結(jié)劑、固化劑以及1種或多種導(dǎo)熱填料制成。該填料可包括氧化鋁、氮化鋁、氮化硼、氧化鎂或氧化鋅，粒度介于約1～50μm(0.05～2密耳)。
美國專利4,606,962公開一種導(dǎo)電、導(dǎo)熱粘合劑轉(zhuǎn)移帶，用于將一個個半導(dǎo)體芯片(die或chip)固定到導(dǎo)電基材上。該轉(zhuǎn)移帶包含柔性、低粘附力載體片材，其上輕輕地粘附著一層含導(dǎo)電、導(dǎo)熱顆粒的粘合劑。該含顆粒粘合劑層被從載體片材上取下并放在芯片與基材之間壓縮，從而將芯片固定到基材上。
美國專利4,654,754公開一種在熱源與熱阱之間提供熱通路的“熱連接”。在一種實施方案中，諸如硅氧烷充填以銀-銅顆粒之類的導(dǎo)熱彈性體材料被成形為具有許多凸起段的墊。該凸起段在低壓力作用下變形，從而填滿熱源與熱阱之間的空間。
美國專利4,782,893公開一種導(dǎo)熱、電絕緣墊，用于放在電子元件與其支撐框之間。該墊由高介電強度材料，其中又分散著金剛石粉末，共同構(gòu)成。為此，金剛石粉末與高介電強度材料的液相可首先混合，然后成形為薄膜，再固化。成形為薄膜以后，用化學(xué)腐蝕之類的方法除掉其表面的一薄層，從而暴露出金剛石顆粒尖。在薄膜的上下表面粘合上銅或其他金屬的薄邊界層，其中使外露的金剛石尖一直伸入到上述表面內(nèi)，從而沿整個薄膜提供純金剛石傳熱通路。該墊可利用釬焊或粘合劑結(jié)合到電子元件和框架上。
美國專利4,842,911、4,685,987和4,602,678公開一種復(fù)合界面，利用相聯(lián)系的熱阱從電子、固態(tài)器件撤熱或散熱。該界面由分別由多孔玻璃布的兩面承載著的雙層柔順硅橡膠組成。這些層中充填了精細分散的導(dǎo)熱顆粒，可以是氧化鋁的或者是其他金屬氧化物的，或者是諸如鎳和石墨的導(dǎo)電材料構(gòu)成的。硅橡膠層之一為預(yù)硫化的，而另一層則等到該界面已經(jīng)施加到與電子器件相鄰接的熱阱表面上以后再進行就地固化和粘合。
共同轉(zhuǎn)讓的美國專利4,869,954公開一種用于從電子元件向熱阱轉(zhuǎn)移熱能的形式穩(wěn)定的材料。該材料被配制成一種聚氨酯樹脂與固化劑的反應(yīng)產(chǎn)物并充填以1種或多種導(dǎo)熱填料，例如氧化鋅、氧化鋁、氧化鎂、氮化鋁、氮化硼。該材料可成形為包括玻璃布、塑料網(wǎng)或膜或者金屬網(wǎng)或箔的支撐層的形式。
美國專利4,965,699公開一種印刷電路器件，它包括存儲芯片，安裝在印刷電路卡上。該卡同與之相聯(lián)系的冷板之間隔著一層施加在冷板表面的硅氧烷彈性體層。
美國專利4,974,119公開一種熱阱組件，包括電子元件，該元件由印刷電路板承載并且與散熱元件之間有一定間距。在板與電子元件之間夾著導(dǎo)熱彈性體層。該彈性體零件可由硅橡膠構(gòu)成并優(yōu)選包含諸如氧化鋁或氮化硼之類的填料。
美國專利4,979,074公開一種印刷電路板器件，它包括電路板、導(dǎo)熱板，二者之間隔著預(yù)模塑硅橡膠片。該片可載有諸如氧化鋁或氮化硼之類的填料。
美國專利5,060,114公開一種可共形凝膠狀墊，它包含導(dǎo)熱填料，用于將熱量從包裝的電子功率器件導(dǎo)出。該墊由固化硅氧烷樹脂，其中充填導(dǎo)熱材料如鋁粉、鎳、氧化鋁、氧化鐵、氧化鈹或銀共同構(gòu)成。與該可共形墊表面相接觸，放有一個諸如鋁之類的導(dǎo)熱金屬薄層，用以加強傳熱。
共同轉(zhuǎn)讓的美國專利5,137,959公開一種導(dǎo)熱、電絕緣界面材料，它包含熱塑性或交聯(lián)的彈性體，充填以六方氮化硼或氧化鋁。該材料可首先制成一種彈性體與填料的混合物，然后該混合物可流延或模塑為片材或其他形式。
美國專利5,151,777公開一種用于將集成電路熱耦合到熱阱上的界面器件。該器件包括第1材料，例如銅，具有高導(dǎo)熱性，用它將許多內(nèi)芯區(qū)域完全包圍起來。這些內(nèi)芯區(qū)包含諸如鐵-鎳合金之類具有低熱膨脹系數(shù)的材料。
共同轉(zhuǎn)讓的美國專利5,194,480公開另一種導(dǎo)熱、電絕緣充填的彈性體。優(yōu)選的填料是六方氮化硼。該充填后的彈性體可用傳統(tǒng)方法成形為塊狀、片材或薄膜。
共同轉(zhuǎn)讓的美國專利5,213,868和5,298,791公開一種導(dǎo)熱界面材料，由聚合物粘合劑和1種或多種導(dǎo)熱填料構(gòu)成。該填料可以是粒狀固體，例如氧化鋁、氮化鋁、氮化硼、氧化鎂或氧化鋅。該材料可通過流延和模塑來成形，優(yōu)選做成層合的丙烯酸壓敏膠粘劑(PSA)帶。膠粘帶的至少1個表面帶有成形在其上的溝槽和通孔，用以排出該表面與諸如熱阱或電子元件之類基材之間的空氣。
美國專利5,309,320公開一種“傳導(dǎo)變換器”，用于裝有電子元件的印刷電路板。該變換器包括由導(dǎo)熱介電材料，如鋁充填的RTV硅氧烷構(gòu)成的本體，模塑成恰好該電子元件的構(gòu)型。變換器可夾在冷板與電路板之間，用以通過傳導(dǎo)來撤出電子元件的熱量。
美國專利5,321,582公開一種電子元件熱阱組件，它包括由聚酰胺及其襯托的氮化硼充填硅氧烷層構(gòu)成的導(dǎo)熱層合物。該層合物夾在電子元件與組件外殼之間。
同一受讓人的美國專利5,510,174公開一種導(dǎo)電二硼化鈦(TiB2)填料，它提供輕施壓條件下的導(dǎo)熱性改善。該填料可結(jié)合到彈性體、薄膜和帶中。
美國專利5,545,473公開一種電子元件用導(dǎo)熱界面。該界面由諸如發(fā)泡聚四氟乙烯之類的稀松結(jié)構(gòu)含氟聚合物材料組成。在部分含氟聚合物材料上附著有金屬或金屬氧化物，或者其他材料如氮化硼、氮化鋁、金剛石粉末或碳化硅制成的導(dǎo)熱顆粒。
美國專利5,533,256和5,471,027公開一種多層陶瓷(MLC)電子插件的連接方法。該方法包括使用雙面壓敏導(dǎo)熱膠粘帶將熱阱在芯片往電路板上安裝的過程中直接粘結(jié)到芯片外露上表面。
美國專利5,679,457公開一種可機械共形、導(dǎo)熱界面，用于將印刷電路板連接到熱阱、金屬底板或散熱器上。該界面由分子量受控硅氧烷聚合物，其中充填氧化鋁、氮化硼或其他導(dǎo)熱、電絕緣顆粒填料共同構(gòu)成。在該界面上可施加上壓敏粘合劑表面層，而在下面則備有剝離膜作為底表面層。
國際申請?zhí)朩O96/37915公開一種電子組件，包括具有表面安裝元件的有源電路、絕緣層以及鋁熱阱。絕緣層包含未充填的熱塑性片材，其相對的2個表面帶有粘合劑層。該粘合劑層優(yōu)選地選自熱塑性或熱固性粘合劑或者壓敏粘合劑制劑，它們又包含導(dǎo)熱并且任選導(dǎo)電的填料，該填料可以是金屬、無機物或陶瓷的顆粒。該未充填片材優(yōu)選是工程熱塑性塑料的薄層薄膜，例如聚酯、聚醚酰亞胺、聚酰亞胺之類。優(yōu)選的粘合劑是溶劑分散的、水性或者熱熔體的熱塑性粘合劑。
上述類型片材、墊和帶，作為界面材料，在諸如美國專利5,359,768所描述的半導(dǎo)體芯片之類電子元件組合件的傳導(dǎo)冷卻方面的應(yīng)用已獲得普遍接受。然而，在某些應(yīng)用場合，需要重載壓緊的元件如彈簧、夾子之類施加足夠大的力才能使這些材料與界面表面達到共形，以便獲得足夠的有效傳熱表面。的確，某些場合，諸如脂和蠟這樣一些在高溫發(fā)生液化、熔融或軟化的材料依然受到青睞，因為在較低夾緊壓力下能較好地與界面表面共形。
最近，推出了一種相變材料，它在室溫下為自支撐，以便容易操作，而在電子元件的操作溫度范圍的溫度則液化或軟化，從而形成較好地與界面表面保持共形的粘稠、觸變性相。此種相變材料，以自由站立的薄膜或者以加熱網(wǎng)印到基材表面的形式供應(yīng)，能夠在約5psi(35kPa)的較低夾緊壓力下共形地流動而起到基本如脂和蠟?zāi)菢拥淖饔谩４朔N材料還描述在共同未決美國申請序列號08/801,047，1997-02-14提交，以及對應(yīng)文獻國際公開號WO97/41599中，并以商品名THERMFLOWTMT310、T705和T710，由Parker-Hannifin公司的Chomerics分部(77DragonCourt，Woburn，MA01888)供應(yīng)。另一類相變材料由Bergquist公司(Minneapolis，MN)以商品名“HI-FLOWTM”以及由Orcus公司(Stilwell，KS)以商品名“THERMAPHASE”市售供應(yīng)。
然而，不難看出，在相變界面材料及其施涂方法方面的任何改進都將受到電子工業(yè)的熱烈歡迎。關(guān)于這一點，已觀察到，業(yè)已制造出許多新型熱阱，具有嚴格的允差和機加工光潔度的傳熱表面，其偏差范圍僅約1～2密耳(0.025～0.05mm)。然而，此種厚度范圍內(nèi)的干膜則難以制造、操作和切割。因此，倘若有一種將相變熱材料施加到傳熱表面上形成介于約1～2密耳(0.025～0.05mm)的較薄膜層的方法，將是特別需要的。此種層的厚度將足以填滿一種傳熱表面同與之配合傳熱表面之間的間隙，然而，與較厚的，即，4～25密耳(0.1～0.63mm)迄今為止技術(shù)上已知的干或網(wǎng)印膜相比，其間熱阻大大縮小，從而改善了傳熱。
發(fā)明廣義表述本發(fā)明涉及一種可放在發(fā)熱電子元件與散熱元件彼此面對的傳熱表面之間的熱界面材料。該界面材料是一種相變物質(zhì)，它在電子元件操作溫度范圍的溫度或范圍熔融或軟化，從而在較低夾緊壓力下能較好地與熱界面共形以改善從電子元件到散熱元件的傳熱。然而不同于迄今為止技術(shù)上已知此種類型脂或蠟，本發(fā)明界面材料在室溫下卻是形式穩(wěn)定的和自支撐的。
有利的是，該材料可以一種可流動組合物施加，即，作為一種氣溶膠或微?；瘒婌F施涂到電子元件和散熱元件傳熱表面之一或二者上。此種方式的施涂在傳熱表面產(chǎn)生一種較薄的膜，即，小于約2密耳(0.05mm)該材料，因此使界面內(nèi)的熱阻達到最小。該流動組合物可利用自動設(shè)備施涂到，例如，散熱元件的界面表面，該表面可以是板翅、針翅、波紋或其他熱阱。替代地，該制劑可從傳統(tǒng)氣溶膠噴霧罐中噴出。
按本發(fā)明的實施方案，將該流動組合物配制成下列成分的溶液、乳液、分散體、懸浮體或其他混合物(I)相變材料(PCM)以及；(II)相容稀釋劑。在優(yōu)選的實施方案中，PCM包含(a)約25～50wt％壓敏粘合劑(PSA)組分，其熔融溫度介于約90～100℃；(b)約50～75wt％α-烯烴熱塑性組分，其熔融溫度介于約30～60℃；以及(c)約20～80wt％1種或多種導(dǎo)熱填料。該PCM是利用稀釋劑，優(yōu)選有機溶劑，將其總固體含量調(diào)節(jié)到約10～30％，粘度介于約10～25厘泊而變得可流動的，溶劑的例子包括甲苯、二甲苯、丁酮、甲基異丁基甲酮、石腦油或其混合物。組合物噴涂到電子元件和散熱元件傳熱表面之一或二者上以后，將溶劑蒸發(fā)或用其他方式揮發(fā)，從而在傳熱表面之一或二者上留下一般為自粘附的薄的膜層PCM。
因此，本發(fā)明一種范例實施方案的特征是提供一種將導(dǎo)熱相變材料施涂到某組件內(nèi)的傳熱表面的方法，該組件包括發(fā)熱電子元件和與之處于熱相鄰從而在二者之間形成界面的散熱元件。該材料是在正常室溫下處于第1相并且是形式穩(wěn)定的，但處于第2相時是可在界面內(nèi)共形的種，其從第1相到第2相的轉(zhuǎn)變溫度位于電子元件操作溫度范圍內(nèi)。
提供用于作為流動、可固化組合物施涂的相變材料是該材料與稀釋劑的混合物，該稀釋劑可以是有機溶劑。該流動組合物噴涂到傳熱表面上以覆蓋其至少一部分。隨后，沉積的組合物進行固化，例如利用揮發(fā)或其他蒸發(fā)出稀釋劑的方法，從而在傳熱表面上形成相變材料的膜層。優(yōu)選的是，此種膜層的厚度小于2密耳(0.5mm)。
因此，本發(fā)明包括元件的組合及其零件和步驟的安排，正如下面的詳細公開中所例舉的。本發(fā)明的優(yōu)點包括施用一種相變熱界面材料，它能熔融或軟化因而改善了共形性，然而在室溫下又能自支撐和形式穩(wěn)定，因此容易操作。另外的優(yōu)點包括在電子元件或散熱元件的傳熱表面上施加相變熱界面材料的低熱阻薄膜層。上述以及其他優(yōu)點在本領(lǐng)域技術(shù)人員研讀了本文給出的公開內(nèi)容以后立刻就清楚了。
附圖簡述為更全面地理解本發(fā)明的性質(zhì)和目的，在閱讀下面的詳細描述時應(yīng)參考附圖，其中

圖1是一個電氣組件的部分斷面圖，其中組件的發(fā)熱電子元件，按照本發(fā)明，是通過在電子元件同與之相聯(lián)系的散熱元件之間的界面內(nèi)提供導(dǎo)熱相變材料的薄中間膜層來達到傳導(dǎo)冷卻的。
圖2是圖1的相變材料部分的放大視圖，特別詳細地表示出其形態(tài)；圖3是用于將圖1和2的熱界面材料噴涂到圖1的散熱元件上的本發(fā)明方法透視示意圖；以及圖4是沿圖3的直線4-4代表的平面截取的斷面視圖，展示其熱界面材料和散熱元件，其中另外包括覆蓋界面材料朝外表面的保護隔離片。
這些附圖將結(jié)合著下面的本發(fā)明詳細描述做進一步說明。
發(fā)明詳述在下文中可能使用某些術(shù)語，目的是為了簡便，而絕非為任何限制的目的。例如，術(shù)語“上”和“下”指出的是相關(guān)附圖中的方向，而“內(nèi)”、“內(nèi)部”或“向內(nèi)”和“外”、“外部”或“向外”則分別指朝向或離開所說元件(要素)的中心的方向。類似引入的術(shù)語，除非在上面具體提到的，同樣也視作為簡便計而使用，不具有任何限制意義。
來看附圖，其中相應(yīng)的代號在所有附圖中均指對應(yīng)的元件，在圖1的1 0處總的表示出一個電子組件，它包括發(fā)熱數(shù)字或模擬電子元件12，坐落在相聯(lián)系的印刷電路板(PCB)或其他基材14上。電氣元件12可以是集成微芯片(microchip)、微處理器、晶體管或其他功率半導(dǎo)體器件、電阻性的或者其他發(fā)熱組件，例如二極管、繼電器、電阻(器)、變壓器、放大器、二端交流開關(guān)(diac)或電容，或者替代地，其他發(fā)熱源。就典型而言，元件12將具有介于約60～100℃的操作溫度。為將元件12電氣連接到板14，設(shè)有一對引線或針16a和16b，從元件12的各自一端伸入到焊點或者以其他方式與板14相連接。引線16另外還可能將元件12舉到板14的上空，從而確定了一個二者之間約等于3密耳(75μm)、由17代表的間隙。替代地，元件12可直接坐落在板14上。
如圖示被支起在板14上，電子元件12提供第1傳熱表面18，它可與相聯(lián)系的散熱元件20的對應(yīng)第二傳熱表面22處于熱間隔相鄰。散熱元件20由金屬之類的材料構(gòu)成并且相對于元件12的熱容而言其熱容量能有效地將從后者傳導(dǎo)或按其他方式傳遞過來的熱能散開。為本實例的說明方便起見，散熱元件20被表示成熱阱，它具有大致平面的底座部分24，從這上面伸出許多冷卻翅片，翅片之一由26表示。在如圖所示的組件10中，翅片26有助于元件12的對流冷卻，但是替代地，也可被容納在相聯(lián)系的冷板內(nèi)或者諸如此類的位置(未畫出)，以便進一步將熱能從元件12傳導(dǎo)散開。
電子元件12的第1傳熱表面18與散熱元件20的第2傳熱表面22處于熱相鄰地放置，在二者之間確定了熱界面，由28代表。熱傳導(dǎo)界面30作為界面28內(nèi)的中間層被夾在傳熱表面18與22之間，從而提供經(jīng)其穿過的傳導(dǎo)通路，以便將熱能從元件12轉(zhuǎn)移到散熱元件20。該通路可單獨使用，或者與空氣對流循環(huán)一起，達到元件12的冷卻并保證其操作溫度保持在規(guī)定極限以下。
雖然散熱元件20被表示為單獨的熱阱元件，但板14本身就可用于此目的，只需替代地在其表面32與電子元件12的對應(yīng)表面34之間插入界面30。在任何一種布置中，可附加地設(shè)置固定夾、彈簧或夾子之類(未畫出)，以便將散熱元件20固定在元件12上，同時施加約5psi(35kPa)的外部夾緊力，由32代表。這樣的壓力將改善界面30與傳熱表面18和22或32和34之間的界面面積接觸。
按照本發(fā)明的實施方案，界面30由導(dǎo)熱相變材料(“PCM”)的自支撐膜層組成。所謂“自支撐”，意思是，界面30通常能自由站立，不需要片材或基材的支撐，否則將在熱界面中引入另一個層，而在它們之間又會形成氣袋。優(yōu)選的是，界面30的膜厚介于約1～2密耳(0.025～0.5mm)，優(yōu)選小于約2密耳(0.05mm)。
構(gòu)成界面30的導(dǎo)熱PCM被配制成在正常室溫，即，約25℃下為形式穩(wěn)定的，處于第1相，呈固態(tài)、半固態(tài)、玻璃態(tài)或晶態(tài)，然而當處于第2相時，即，液態(tài)、半液態(tài)或粘稠、通常為觸變的熔體時，卻又可分別與電子元件12和散熱元件20的界面18和22保持基本上共形。該材料的相變溫度，可以是其熔融或玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，優(yōu)選介于約40～80℃，并特意調(diào)節(jié)到落在電子元件12的操作溫度范圍內(nèi)。
關(guān)于這一點還可參見圖2，其中給出界面28的部分放大視圖，詳細畫出在電子元件12通電從而實際將界面30加熱到超過其相變溫度的溫度期間，界面的內(nèi)部形態(tài)。因此，圖中表示的界面30已經(jīng)由形式穩(wěn)定的固態(tài)或半固態(tài)熔融或軟化為顯示分子內(nèi)相對鏈運動的可流動或可共形液態(tài)或半液態(tài)粘稠相。此種粘稠相提供與界面18和22之間增加的接觸面積，并通過從中排出氣袋或其他空隙而基本上完全填滿界面28，從而改善經(jīng)由界面的傳熱效率和速率。加之，例如視界面30的熔流指數(shù)或粘度以及任何外加壓力36(圖1)的大小而定，表面18與22之間的界面間隙可能變窄，從而進一步改善其間的傳熱效率和速率。與構(gòu)成界面材料的相變相聯(lián)系的任何潛熱還將額外地對元件12的冷卻做出貢獻。
在一種優(yōu)選實施方案中，界面30的PCM配制成由下列成分構(gòu)成的形式穩(wěn)定共混物(a)約25～50wt％壓敏粘合劑(PSA)組分，其熔融溫度介于約90～100℃；(b)約50～約75wt％α-烯烴熱塑性組分，其熔融溫度介于約30～60℃；以及(c)約20～80wt％1種或多種導(dǎo)熱填料。所謂“熔融溫度”在這里是就其廣義而言的，因此與“熔點”、“軟化溫度”和“軟化點”通用地指由形式穩(wěn)定的晶態(tài)或玻璃態(tài)固相到可流動液態(tài)、半液態(tài)或粘稠、觸變相或熔體的過渡，它們可統(tǒng)一地表征為顯示分子內(nèi)鏈旋轉(zhuǎn)。關(guān)于這一點，所規(guī)定的組分通常將表現(xiàn)出按差示掃描量熱法(DSC)或差熱分析(DTA)確定的所述軟化點或熔點。對于不具有明確的熔融峰的無定形材料，術(shù)語熔融溫度也可與玻璃化轉(zhuǎn)變溫度彼此通用地用來指，當此種材料可表征為表現(xiàn)出分子內(nèi)鏈旋轉(zhuǎn)時的溫度。
PSA組分通?？梢允潜┧嵯档臒崛廴诜N，例如丙烯酸或(甲基)丙烯酸的均聚物、共聚物、三元共聚物、互穿網(wǎng)絡(luò)或其共混物，丙烯酸酯如丙烯酸丁酯或其他醇的酯和/或酰胺如丙烯酰胺。術(shù)語“PSA”在本文中按其傳統(tǒng)含義用來指，該組分被配制成具有一定玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、表面能和其他性能，以致在正常室溫下顯示一定程度的膠粘性。此種類型的丙烯酸熱熔體PSA在市場上由Heartland粘合劑公司(Germantown，WI)按商品名“H600”和“H251”供應(yīng)。
該α-烯烴熱塑性組分優(yōu)選是一種可表征為“低熔點”組合物的聚烯烴。優(yōu)選類型的代表性材料是一種C10或更高級烯烴的無定形聚合物，由Petrolite公司(Tulsa OK)按商品名“VYBAR260”供應(yīng)。此種材料還可由表1的特性進一步表征。
表1代表性烯烴聚合物組分(VABAR260)的物理性能分子量 2600g/mol熔點(ASTM D 36)130°F(54℃)粘度(ASTM D 3236)在210°F(99℃) 357.5cp針入度(ASTM D 1321)在77°F(25℃) 12mm密度(ASTM D 1168)在75°F(24℃) 0.9g/cm3在200°F(93℃) 0.79g/cm3碘值(ASTM D 1959) 15
通過在規(guī)定極限內(nèi)改變PSA與熱塑性組分的比例，界面制劑的熱及粘度測定性能均可調(diào)節(jié)到其各自的控制范圍內(nèi)。具體地說，可選擇制劑的相變溫度和熔流指數(shù)或粘度以便就諸如發(fā)熱電子元件操作溫度、任何可能施加的外部壓力大小和元件界面構(gòu)型之類的變量對熱性能進行優(yōu)化。一般而言，介于約40～80℃的相變溫度被認為是本發(fā)明界面材料所優(yōu)選的。
在所述制劑中，樹脂組分構(gòu)成用于分散導(dǎo)熱填料的基料(粘結(jié)劑)。填料在基料中的含量應(yīng)足以提供預(yù)期用途所要求的導(dǎo)熱性。填料的尺寸和形狀，本發(fā)明并不嚴格要求。關(guān)于這一點，填料可以是任何普通的形狀，包括球形、薄片、小片狀、無規(guī)或纖維狀，例如切碎或磨碎的纖維，然而優(yōu)選的是，粉末或其他粒狀，以便保證均勻分散和均一的機械和熱性能。填料的粒度及其分布通常將介于約0.25～250μm(0.01～10密耳)，然而視界面28和/或界面30的厚度而定，也可能有一定變化。填料優(yōu)選地選擇為不導(dǎo)電的，以便使界面30能夠在電子元件12與散熱元件20之間提供一個介電或電絕緣，但導(dǎo)熱的壁壘。合適的導(dǎo)熱、電絕緣填料包括氮化硼、二硼化鈦、氧化鋁、氮化鋁、氧化鎂、氧化鋅、碳化硅、氧化鈹、氧化銻及其混合物。此種填料的特征在于，導(dǎo)熱率介于約25～50W/m-°K。出于經(jīng)濟的原因，氧化鋁是尤其優(yōu)選的。采用此種導(dǎo)熱填料，界面30在典型情況下將表現(xiàn)出，按照ASTM D5470，介于約0.1～1W/m-°K的導(dǎo)熱率以及小于約1℃-平方英寸/W(6℃-cm2/W)的熱阻。
附加的填料和添加劑可以包括在該制劑中，具體視預(yù)定具體用途要求而定，并且加入量以不損害制劑的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性質(zhì)為度。此種填料和添加劑可包括傳統(tǒng)潤濕劑或表面活性劑，不透明劑或消泡劑、鏈伸展油、增粘劑、顏料、潤滑劑、穩(wěn)定劑、阻燃劑如十溴聯(lián)苯醚以及抗氧劑。該制劑可在傳統(tǒng)混合設(shè)備中進行混煉。
按照本發(fā)明的實施方案，在其施加到散熱元件20上去之前，界面30的PCM通過其與稀釋劑的摻混而獲得流動性，稀釋劑可以是有機溶劑，例如甲苯、二甲苯、丁酮、甲基異丁基甲酮、溶劑油或其混合物。所謂“流動性”是指該摻混組合物，它可以是溶液、乳液、分散體、懸浮體或其他混合物，將表現(xiàn)出在壓力下允許將它微?；驀婌F，并且在通過孔徑介于約0.04～0.06英寸(1～1.5mm)的定量噴嘴或其他小孔時以規(guī)定流速流動。優(yōu)選的是，將組合物調(diào)節(jié)到，總固體含量介于約10～30％；粘度介于約10～25厘泊。
下面參考圖3，圖中給出采用50代表的系統(tǒng)，將混合的PCM-稀釋劑組合物噴涂到諸如圖1所示熱阱20之類散熱元件上的過程。系統(tǒng)50包括噴嘴52，它帶有選擇直徑的小孔，組合物以54代表的微?；蚱渌麌婌F流形式通過該小孔被送到熱阱傳熱表面22上。提供的噴嘴52與虛線方塊56代表的供料源——它可以是自動噴涂設(shè)備的一部分或替代地，是氣溶膠罐——處于液體聯(lián)通。
為了將噴霧54限制在傳熱表面22的區(qū)域內(nèi)，在表面22與噴嘴52之間可任選地插入一個可拿掉的掩膜60。所提供的掩膜60具有1個或多個通孔，62表示出其中一個孔，而四周則對應(yīng)于界面30所要求的外部周邊，由64代表，如圖3所示，該界面是一個大體矩形的墊，稱作70。替代地，組合物由噴嘴52噴涂時可不帶掩膜60，從而覆蓋基本上全部表面22。
在如此沉積到表面22上以后，組合物可通過干燥或其他蒸出稀釋劑的方式固化而變硬，或固化為形式穩(wěn)定的，通常為自粘附的膜。關(guān)于這一點，視稀釋劑而定，涂布后的熱阱可放在烘箱、爐子或類似設(shè)備內(nèi)加熱到介于約70～125℃的高溫，以達到稀釋劑的揮發(fā)。替代地，組合物也可在環(huán)境條件下或減濕條件下干燥，以蒸發(fā)掉稀釋劑并在表面22上留下PCM的殘留膜。采用本發(fā)明的噴涂可獲得小于約2密耳(0.05mm)的膜厚。
不同于脂和蠟，固化墊70的優(yōu)點在于，在正常室溫下為形式穩(wěn)定，處于固態(tài)、半固態(tài)、晶態(tài)或玻璃相，而它在溫度提高時轉(zhuǎn)變?yōu)榭闪鲃右簯B(tài)、半液態(tài)或粘稠的觸變相。然而，當處于其形式穩(wěn)定相時，墊70和熱阱20允許運輸和操作，而不會使PCM下陷、松垂或流走，因此便于熱阱20向與之相聯(lián)系的電子元件12上的安放(圖1)。
為了用起來更容易，正如從圖4中可以看出的，PCM墊70的外露表面72可涂以薄層74硅氧烷、丙烯酸或其他壓敏粘合劑，以便在安裝期間將熱阱20固定到元件12上。如同粘合劑技術(shù)上普遍采用的那樣，可通過剝離片材76，即，一條涂蠟、硅氧烷或者涂其他材料的紙或塑料片之類，它們具有比較低的表面能，因此能夠揭去而不會將墊70從表面22明顯拉起。代表性的剝離片材包括增塑聚氯乙烯、聚酯、纖維素、金屬箔、復(fù)合材料之類的面料或其他薄膜。
有了如此施加的墊70以及剝離片材76保護其粘合劑層74，熱阱20便可封裝起來并作為一體化的單元運往電子制造廠、組裝廠或其他用戶。然后，用戶可簡單地揭去剝離片材76以暴露出粘合劑層74，將該層定位在電子元件12的傳熱表面18上(圖1)，最后，用夾子或其他外壓措施將熱阱20與元件12固定在熱相鄰狀態(tài)。
下面的實施例，其中所有百分數(shù)和份數(shù)均指重量而言，除非另行指明，僅用于說明本文涉及的本發(fā)明實施，不構(gòu)成任何意義的限制。
實施例按本發(fā)明制備相變熱界面以供鑒定。市售氮化硼(BN)-充填、形式穩(wěn)定的PCM(THERMFLOWTM705，Parker Chomerics，Woburn，MA)用有機溶劑稀釋到約15wt％總固體，從而獲得流動液態(tài)溶液。該溶液利用帶有球攪拌子的成套噴霧罐噴涂到市售1.75英寸(4.5cm)X1.75英寸(4.5cm)針翅熱阱(Wakefield工程公司，Beverly，MA)上，干燥后留下厚約2密耳(0.05mm)的粘附性薄膜殘余物。
如此制備的熱阱借助夾子，在小于約5psi(35kPa)的外加壓力下被表面安裝到IntelPentiumII266兆赫微處理器芯片上。采用附著在芯片外套和熱阱上的熱電偶取得溫差測定值，又測定了電腦內(nèi)部的環(huán)境溫度。在穩(wěn)態(tài)下，也就是約40min以后，記錄下最終溫度測定值。
實驗結(jié)果，其中所有溫度均以℃表示，總括在表2中，并與包括厚約5密耳(0.125mm)的傳統(tǒng)干膜熱界面材料(THERMFLOWTM705 ParkerChomerics)做了對比。
表2實驗噴涂的與傳統(tǒng)干膜PCM的界面的熱性能比較樣品厚度 T環(huán)境T亮T阱ΔT亮-阱噴涂2密耳(0.05mm) 35.0 54.51 53.72 0.43干膜5密耳(0.125mm)34.0 53.65 53.7 0.65以上結(jié)果證實，薄噴涂膜相變熱界面提供，與較厚傳統(tǒng)干膜相比性能方面的改善。因此，本發(fā)明的界面可用于高密度、高頻或其他重要、高保真應(yīng)用領(lǐng)域。
不難看出，在不偏離本文所涉及的實施方案條件下尚可對本發(fā)明做出某些改變，因此，上面描述的全部內(nèi)容都應(yīng)作為舉例說明而不具有限制的意義。本文所援引的所有文獻在此明確地收作參考。
權(quán)利要求
1.在一種組件中，其中包括發(fā)熱電子元件，其操作溫度范圍高于正常室溫并具有第1傳熱表面，該表面可布置成與散熱元件的第2傳熱表面處于熱相鄰，從而在二者之間形成界面，一種將導(dǎo)熱相變材料施加到第1和第2傳熱表面之一或二者上的方法，所述材料在正常室溫下處于第1相，為形式穩(wěn)定的，但在界面內(nèi)處于第2相時可與第1和第2界面表面共形，其中從所述第1相到所述第2相的轉(zhuǎn)變溫度在所述電子元件的操作溫度范圍內(nèi)，所述方法包括下列步驟(a)提供一種流動、可固化組合物，它包含由(I)所述相變材料，和(II)稀釋劑組成的混合物；(b)將步驟(a)的所述組合物噴涂到所述傳熱表面之一上，以覆蓋其至少一部分；以及(c)使所述組合物固化，從而在所述傳熱表面之一上形成所述相變材料(I)的膜層。
2.權(quán)利要求1的方法，它還包括含在步驟(b)之前在所述傳熱表面之一上放置可拿掉的掩膜，以便將步驟(b)的噴霧流限制在其選擇的區(qū)域，并且其中在步驟(c)中形成的所述膜層具有對應(yīng)于所述選擇區(qū)域的“頁邊”。
3.權(quán)利要求1的方法，其中所述組合物在步驟(c)中通過將所述稀釋劑(II)蒸發(fā)掉而實現(xiàn)固化。
4.權(quán)利要求1的方法，其中在步驟(c)中形成的所述膜層的厚度小于約2密耳(0.05mm)。
5.權(quán)利要求4的方法，其中所述膜層的熱阻小于約1℃-平方英寸/W(6℃-cm2/W)。
6.權(quán)利要求1的方法，其中所述步驟(a)的組合物的固體含量介于約10～30wt％。
7.權(quán)利要求1的方法，其中所述步驟(a)的相變材料包含按重量計，下列數(shù)量組分(i)～(iii)(i)約25～50wt％丙烯酸壓敏粘合劑組分，其熔融溫度介于約90～100℃；(ii)約50～75wt％α-烯烴熱塑性組分，其熔融溫度介于約30～60℃；以及(iii)約20～80wt％1種或多種導(dǎo)熱填料。
8.權(quán)利要求7的方法，其中所述相材料(I)的相轉(zhuǎn)變溫度介于約40～80℃。
9.權(quán)利要求7的方法，其中所述1種或多種導(dǎo)熱填料選自氮化硼、二硼化鈦、氧化鋁、氮化鋁、氧化鎂、氧化鋅、碳化硅、氧化鈹、氧化銻及其混合物。
10.權(quán)利要求1的方法，其中所述散熱元件是熱阱或電路板。
11.權(quán)利要求1的方法，其中所述層是在步驟(c)中施加到所述電子元件的傳熱表面上的。
12.權(quán)利要求1的方法，其中所述稀釋劑(II)是有機溶劑。
13.權(quán)利要求12的方法，其中所述溶劑是甲苯、二甲苯、丁酮、甲基異丙基甲酮、石腦油或其混合物。
全文摘要
一種相變熱界面材料在電子元件或諸如熱阱或散熱器之類散熱元件的傳熱表面上的施涂。該相變材料是以流動、可固化組合物形式供施涂的,它是該材料與可選自有機溶劑的稀釋劑的混合物。該流動組合物噴涂到傳熱表面上,以覆蓋其至少一部分。隨后,沉積的組合物進行固化,例如通過揮發(fā)或者其他蒸發(fā)出溶劑的方法,結(jié)果在傳熱表面形成相變材料的膜層。優(yōu)選的是,該膜層的厚度小于2密耳(0.5mm)。
文檔編號H05K7/20GK1335047SQ99816180
公開日2002年2月6日 申請日期1999年9月9日 優(yōu)先權(quán)日1998年12月15日
發(fā)明者M·H·邦彥, G·R·沃特科, J·A·德馬斯 申請人:帕克-漢尼芬有限公司