hBN绝缘层及相关方法

专利名称：hBN绝缘层及相关方法
技术领域：
本发明一般地涉及电子应用中的六方一氮化硼材料。因此，本发明涉及电子和材料科学领域。
_4]发明背景·在许多国家，大部分人认为电子器件对于他们的生活是必不可少的。这种增加的使用和依赖已产生对更小和更快的电子器件的需要。随着电子电路的速度增加和尺寸降低，这种器件的冷却变成了问题。电子器件通常包含印刷电路板，其具有允许装置的总功能性的集成连接的电子组件。这些电子组件一如处理机、晶体管、电阻器、电容器、发光二极管(LED)等一产生大量的热。随着热积聚，热可引起各种与印刷电路板和许多电子组件内部有关的热问题。大量的热可影响电子器件的可靠性，或甚至通过例如引起电子组件自身内部和横穿印刷电路板表面烧坏或短路引起它发生故障。因此，热的积累可最终影响电子器件的功能寿命。这对于具有高功率和高电流需求的电子组件以及对于支撑它们的印刷电路板尤其有问题。现有技术常常采用风扇、散热装置(heat sink)、珀尔贴和液体冷却装置等作为降低电子器件内的热积累的机构。因为增加的速度和能量消耗引起增加的热积累，这种冷却装置通常必须增加尺寸从而是有效的，并且其内部和自身也需要能量进行操作。例如，风扇必须增加尺寸和速度以增加气流，并且散热装置必须增加尺寸以增加热容和表面积。但是，对于更小电子器件的需要不仅排除了这种冷却装置的尺寸增加，而且还需要显著的尺寸降低。发明概沭因此，本发明提供供应增强的电绝缘和增强的热管理的材料、装置和方法。一方面，例如，提供了印刷电路板，其包括基板和涂覆于基板的至少一个表面上的电绝缘层，电绝缘层包括多个结合在粘合剂材料中的hBN颗粒。另一方面，本发明提供电绝缘层，其包括多个结合在粘合剂材料中的hBN颗粒，其中电绝缘层的热导率大于或等于大约5W/mK。多个hBN颗粒可取决于粘合剂的性质和层的期望性质以各种量存在于电绝缘层中。一方面,例如，电绝缘层以大约10至大约60vol%的量包括多个hBN颗粒。另一方面，电绝缘层以小于或等于大约35vol%的量包括多个hBN颗粒。应当注意，vol%可以是用于形成电绝缘层的预制混合物的vol%，或可以是完成的电绝缘层的vol%。因为hBN材料具有平面构造，所以可将其它材料添加至电绝缘层以提高hBN颗粒之间的物理接触和/或热接触。一方面，例如，遍及电绝缘层分布接触颗粒以在多个hBN颗粒的平面(planar face)之间提供热通路(thermal pathway)。可与hBN相容并且可提供改进的热接触的任何颗粒可用作接触颗粒。在一个具体方面，接触颗粒是选自A1N、金刚石、cBN、SiC、A1203、BeO、SiO2以及其结合的成员。各种粘合剂材料被考虑用于结合hBN颗粒。应当注意，这种结合本质上可以是化学或机械的。一方面，粘合剂材料包括选自下列的成员氨基树脂、丙烯酸酯树脂、醇酸树月旨、聚酯树脂、聚酰胺树脂、聚酰亚胺树脂、聚氨酯树脂、酚醛树脂、酚醛/胶乳树脂、环氧树月旨、异氰酸酯树脂、异氰脲酸酯树脂、聚硅氧烷树脂、反应性乙烯基树脂、聚乙烯树脂、聚丙烯树脂、聚苯乙烯树脂、苯氧基树脂、茈树脂、聚砜树脂、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯树脂、丙烯酸类树脂、聚碳酸酯树脂、聚酰亚胺树脂以及其结合。另一方面，粘合剂材料包括选自A1N、SiC、A1203、BeO、SiO2以及其结合的成员。在本发明的另一方面，具有改进的散热性质的发光二级管装置根据本发明的方面被提供为具有热连接至印刷电路板的发光二级管，以使电绝缘层是可操作的以加速热移动离开发光二级管。·
在本发明的仍另一方面，具有改进的散热性质的热动力印刷电路板装置根据本发明的方面被提供为具有热连接至印刷电路板的中央处理单元，以使电绝缘层是可操作的以加速热移动离开中央处理单元。仍另一方面，提供了用于冷却印刷电路板和电绝缘印刷电路板的方法。这种方法可包括提供包括热源的电路，电路置于电绝缘层的表面上，电绝缘层包括多个结合在粘合剂材料中的hBN颗粒，使得在电流通过电路后，由电路产生的热以大于或等于5W/mK的速率通过电绝缘层加速离开热源。本发明还提供热界面材料(TIM)。这种材料可包括贴合(comformable)基体材料和置于贴合基体材料中的多个hBN颗粒。因此，已经相当广泛地概述了本发明的各种特征，以便可更好地理解随后其详述，并且以便更好地领会本发明对于技术的贡献。本发明的其它特征由连同所附权利要求一起的本发明的下列详述将变得更清晰，或可通过本发明的实践认识到。附图
简述图I是根据本发明的一个实施方式的电子器件的横截面图。图2是根据本发明的另一个实施方式的电子器件的横截面图。发明详述定义在描述本发明和要求保护本发明时，根据以下阐述的定义将使用下列术语。单数形式“一种”、“一个”和“该”包括复数指示物，除非上下文另外明确地指出。因此，例如，提及“一种颗粒”包括提及一种或多种这种颗粒，并且提及“该材料”包括提及一种或多种这种材料。如本文使用，六方一氮化硼(hexagonal boron nitride) (hBN)指sp2结合的六方晶格的BN,结构类似于石墨烯(graphene)。hBN颗粒可包括单一 hBN层或多个hBN层的堆叠。在每个层中，硼和氮原子通过共价键结合在一起，但是层通过弱的范德华力保持在一起。如本文使用，“粘合剂”指用于促进hBN置于基板或其它结构上的材料。因此，粘合剂可以是引起hBN化学或机械结合至基板或结构的材料。术语“传热”、“热移动”和“热传输”可互换使用，并且指热从较高温度区域至较低温度区域的移动。热移动意欲包括本领域技术人员已知的任何热传输的机理，如，非限制性地，传导的、对流的、辐射的等。
如本文使用，“印刷电路板”和“电路板”可用于描述任何芯片的电路结构和电子器件的封装水平结构。一方面，电路板可包括基板、绝缘层和传导迹线(conductive trace)。如本文使用，“动力的”或“动力上”或“热动力”指其中材料在传输能量时是活性的材料的特性。通常地，在传输热能时动力材料是活性的。如本文使用，“热源”指具有一定量的大于直接邻近区域的热能或热的装置或物体。在印刷电路板中，例如，热源可以是比邻近区域更热的板的任何区域。热源可包括产生热作为它们操作的副产物的装置(在下文中称为“主要热源(primary heat sourse) ”或“主动热源(active heat sourse) ”)，以及通过将热能传递至其而变热的物体(下文称为“次级热源(secondary heat sourse) ” 或“被动热源(passive heat sourse)”)。主要或主动热源的实例非限制性地包括CPU、电迹线(electrical trace)、LED等。次级或被动热源的实例非限制性地包括散热片(heat spreader)、散热装置等。如本文使用，“传导迹线”指在能够传导热、电或二者的印刷电路板或其它电子器件上的传导通路。如本文使用，“沉积的”和“沉积”指沿着已经与被沉积的材料紧密接触的基板的外表面的至少一部分的区域。在一些方面，沉积的材料可以是基本上覆盖基板的整个表面的层。在其它方面，沉积的材料可以是仅覆盖基板表面的一部分的层。如本文使用，“贴合的”指在其被施加后有能力贴合表面的形状的材料。在热界面材料的情况中，贴合材料是一种这样的材料当置于两个相对表面之间时，最大化那些表面之间的接触。如本文使用，术语“基本上”指行为、特性、性质、状态、结构、项目或结果的完全或几乎完全的范围或程度。例如，“基本上”封闭的物体意指物体完全被封闭或几乎完全被封闭。偏离绝对完全的精确可允许程度在一些情况中可取决于具体背景。但是，一般而言，接近完成将是具有如同获得绝对和总完成的相同的总体结果。当用于否定含义中以指完全或接近完全没有行为、特性、性质、状态、结构、项目或结果时，“基本上”的使用可同样适用。例如，“基本上没有”颗粒的组合物可完全没有颗粒，或如此几乎完全没有颗粒——效果如同完全没有颗粒一样。换句话说，“基本上没有”一种组分或元素的组合物可实际上仍包含这项，只要其不存在可测量的影响。如本文使用，术语“大约”用于通过假定给定值可以在端点“略微以上”或“略微以下”提供对于对于数字范围端点的灵活性。如本文使用，多个项目、结构要素、组合要素和/或材料可为了便利呈现在常用列表中。但是，这些列表应当被解释为如同列表的每个要素单独地识别为独立并且唯一的要素。因此，这种列表的个别要素在没有相反指示的情况下实际上不应当解释为单独基于它们在普通组中的呈现的相同列表的任何其它要素的等效物。浓度、数量和其它数字数据在本文中可以以范围形式表示或呈现。应当理解，这种范围形式仅为了便利和简洁而使用，并且因此应当灵活地被解释为不仅包括明确叙述为范围界限的数值，而且包括在那个范围内包含的所有单独数值或子范围，如同明确叙述每个数值和子范围一样。作为例证，“大约I至大约5”的数字范围应当解释为不仅包括大约I至大约5的明确描述的值，而且也包括在指示范围内的单独值和子范围。因此，在该数字范围内包括的分别是单独值如2、3和4和子范围如1-3、2-4和3-5等，以及1、2、3、4和5。该同样的原则应用至叙述仅一个数值作为最小值或最大值的范围。而且，无论被描述的范围或性质的宽度，应当应用这种解释。本发明本发明涉及表现出增加的热导率而不牺牲期望的电绝缘性质的新型材料。这些材料利用六方一氮化硼(hBN)作为电绝缘材料。hBN是具有优良电阻率的平面材料，并且因此可形成类似于石墨结构的sp2网络。由于该平面性质，hBN可在平面之间形成面对面接触，因此甚至在复合层中在低hBN浓度下促进改进的热导率。相反，置于环氧中的非平面AlN颗粒由于它们的块状结构而在颗粒间表现更少的接触点。因此，对于这种非-平面材料，热导率更是有限的。而且，可压缩hBN材料以改进面之间的接触。
在本发明的一方面中，提供了电绝缘层。这种层可包括多个结合在粘合剂材料中的hBN颗粒。一方面，电绝缘层的热导率大于或等于大约5W/mK。另一方面，电绝缘层的热导率大于或等于大约7. 5W/mK。仍另一方面，电绝缘层的热导率大于或等于大约10W/mK。因此，电绝缘层可有效地促进热移动远离热源或其它热点，而同时提供电阻层或表面。根据本发明的方面的电绝缘层可应用至期望热导率的任何表面。另外，电绝缘层可应用至期望热导率和电阻率的表面、结构或装置。例如，电绝缘层可应用至电子器件，如印刷电路板或印刷电路。一方面，印刷电路板可包括基板和涂覆于基板的至少一个表面上的电绝缘层。电绝缘层包括多个结合在粘合剂材料中的hBN颗粒。因此，通过横向越过板的表面加速传热和当热横向蔓延时加速传热至空气，可有效地冷却印刷电路板。应当注意，对于将热引入至本领域技术人员已知的印刷电路板或其它电子器件的已知任何形式的热源被认为在本发明的范围内。一个方面，热源可以是主动热源，主动热源的实例可以是产生热的电子组件。这种组件可非限制性地包括电阻器、电容器、晶体管、包括中央处理单元和图形处理单元的处理单元、LED、激光二极管、滤波器等。热源还可包括含高密度传导迹线的印刷电路板区域，和接收来自与印刷电路板不是物理接触的热源的传热的区域。它们还可包括与印刷电路板物理接触但是不被认为集成至印刷电路板的热源。这种的实例可以是具有连接至其上的子板的主板，其中从子板传热至主板。无论来源，存在于印刷电路板中的传热可通过电绝缘中的hBN材料被加速远离热源。应当注意，本发明不限于传热的具体理论。因此，一方面，热远离热源的加速移动可至少部分地由于横向通过hBN颗粒的热移动。由于hBN材料的传热性质，热可快速地横向传播通过电绝缘层并越过印刷电路板的表面。这种加速的传热可导致具有冷得多的操作温度的印刷电路板。加速远离热源的传热不仅冷却印刷电路板，而且可降低许多电子组件上的热负
荷--其主要冷却至印刷电路板周围的空气。例如，由于经由CPU插口通过印刷电路板的
增强的传热，具有外部散热装置和风扇的中央处理单元(CPU)可需要较少的外部冷却。例如，图I显示了具有基板12的电路板，在基板12之上沉积电绝缘层14。电绝缘层14包括通过粘合剂18结合至基板12的多个hBN16颗粒。作为实例热源，图I显示了置于电绝缘层14上的传导迹线20和CPU封装件(package) 22。因此，电绝缘层14通过防止电流漏泄至基板12和/或接近电路元件对热源提供电绝缘。另外，通过热源产生的热被引导至hBN颗粒16并且横向传播通过电绝缘层14以增强散热。如已描述的，电绝缘层是hBN颗粒和粘合剂的层。取决于如电路板的预期用途、电路板可达到的可能温度、制造成本等因素，电绝缘层可涂覆于印刷电路板或其它电子器件的各个部分上。电绝缘层可涂覆于印刷电路板的一部分、一个面或两个面上。电绝缘层可置于整个表面上，或表面的仅一部分上。例如，电绝缘层可置于在其上放置电路的基板的基本上整个表面上。这对于传导材料如金属用于基板的情况尤其关键。同样，另外的电绝缘层可置于与原来的电绝缘层相对的基板的表面上，如图2中显示的。根据hBN颗粒和材料可得性的制造条件，hBN颗粒可以具有任何实际尺寸。倘若可获得足够大的hBN “片”，一方面，hBN材料的大小可充分地匹配涂覆有电绝缘层的表面的大小，或被配置以覆盖表面大小的一半、四分之一等。另一方面，hBN颗粒可小于1000微米。另一方面，hBN颗粒可以是大约I微米至大约100微米。仍另一方面，hBN颗粒可以是大 约I微米至大约50微米。在进一步的方面中,hBN颗粒可以是大约5微米至大约30微米。应当注意，由于hBN材料的平面性质(planar nature),本文指出的尺寸是面平面(facialplane)的近似平均尺寸。垂直于面平面的hBN颗粒的尺寸可取决于被堆叠以形成颗粒的hBN层的数目变化。具有I至成千上万层的hBN颗粒应当包括在本范围内。在一些方面，hBN颗粒的双峰粒度分布(bimodal size distribution)可以是有益的。因此，两种、或在一些情况中至少两种粒度分布的颗粒存在于配制物中。较大的hBN颗粒——例如大约10微米数量级——具有优良的热导率，但是可能限制配制物中的粘合剂的粘合强度。较小的颗粒更容易并入粘合剂中，因此允许较大的表面接触和增加的粘合强度。但是，在更小hBN颗粒周围增加的晶粒间界可倾向于降低热导率。发明人已发现较大颗粒与较小颗粒混合的双峰粒度分布可促进增加热导率和增加粘合强度。虽然引起增强的热导率和增加的粘合强度的任何双峰粒度分布被认为在本范围内，但是一方面双峰粒度分布包括大约5微米至大约15微米的第一 hBN颗粒大小和大约I微米至大约3微米的第二hBN颗粒大小。另一方面，双峰粒度分布包括大约10微米的第一 hBN颗粒大小和大约2微米的第二 hBN颗粒大小。仍另一方面，第一 hBN颗粒大小大于第二 hBN颗粒大小至少大约2倍。应当注意，该效果还可以被观察到具有多于两种的hBN颗粒的粒度分布的配制物，并且因此被认为在本范围内。同样，这些改进的效果由于双峰粒度分布可遍及材料类型发生。例如，一方面，较大hBN颗粒(例如10微米)可混合入具有较小金刚石颗粒(例如2微米)的粘合剂中。电绝缘层可相对于层的总体积以各种比例包括多个hBN颗粒。hBN颗粒的平面性质允许使用较低比例的hBN，但是，这不排除层具有大部分是hBN的组分材料。因此，电绝缘层可以以任何量包含hBN以获得期望或预期结果。但是，在一个具体方面，电绝缘层以大约10至大约60vol%的量包括多个hBN颗粒。在另一具体方面，电绝缘层以小于或等于大约40vol%的量包括多个hBN颗粒。在仍另一具体方面，电绝缘层以小于或等于大约30vol%的量包括多个hBN颗粒。在另一具体方面，电绝缘层以小于或等于大约20vol%的量包括多个hBN颗粒。在另一具体方面中，电绝缘层以小于或等于大约10vol%的量包括多个hBN颗粒。应当注意，增加粘合剂材料中的hBN的比例增加热接触的可能数量，从而增加电绝缘层的热导率。还应当注意，vol%可以是用于制造电绝缘层的预制混合物的vol%，或其可以是完成的电绝缘层的vol%。由于hBN颗粒的平面性质，粘合剂可用于hBN颗粒彼此结合和结合至基板。许多粘合剂可被考虑，并且因此可取决于电绝缘层的期望或预期结果而变化。连同hBN材料一起使用具有电绝缘性质的粘合剂材料可起到防止电流漏泄的作用。虽然，可使用任何已知的粘合剂材料，但是实例可非限制性地包括无机材料、聚合材料等，包括其结合。一方面，有用的无机粘合剂的非限制性实例可包括例如A1203、MgO、BeO、ZnO, SiO2, AIN、SiC等，包括其结合。在一个具体方面，无机粘合剂可包括ai2o3。在另一具体方面，无机粘合剂可包括A1N。另一方面，无机粘合剂的非限制性实例可非限制性地包括Li2O-Al2O3-SiO2基材料、MgO-Al2O3-SiO2 基材料、Li2O-MgO-SiO2 基材料、Li2O-ZnO-SiO2 基材料，以及其结合。另一方面，hBN颗粒可置于聚合物粘合剂中。一旦hBN颗粒与聚合物粘合剂混合，可将复合混合物施加至表面以进行固化。可通过任何已知方法一非限制性地包括喷涂、铺展、浸溃等——进行这种施加。聚合物粘合剂的非限制性实例包括材料如氨基树脂、丙烯酸酯树脂、醇酸树脂、聚酯树脂、聚酰胺树脂、聚酰亚胺树脂、聚氨基甲酸乙酯树脂、酚醛 树脂、酚醛/胶乳树脂、环氧树脂、异氰酸酯树脂、异氰脲酸酯树脂、聚硅氧烷树脂、反应性乙烯基树脂、聚乙烯树脂、聚丙烯树脂、聚苯乙烯树脂、苯氧基树脂、茈树脂、聚砜树脂、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯树脂、丙烯酸类树脂、聚碳酸酯树脂、聚酰亚胺树脂，以及其结合。在一个具体方面，聚合物粘合剂可以是环氧树脂。在另一具体方面，聚合物粘合剂可以是聚酰胺树脂。在另一具体方面，粘合剂可以是苯并环丁烯。此外，电绝缘层的厚度可取决于将电绝缘层置于其上的材料和/或装置的预期用途而变化。但是,一方面，电绝缘层可以是大约100 μ m厚至大约2000 μ m厚。另一方面，电绝缘层可以是大约10 μ m厚至大约100 μ m厚。仍另一方面，电绝缘层可小于或等于200 μ m厚。另一方面，电绝缘层可大于200 μ m厚。如已描述的，使用电绝缘层材料将hBN颗粒连接至基板以对置于其上的电路提供电绝缘，同时有效传热。因此，无论基板材料的传导性质，可使用各种基板材料以形成电路板或其它电子器件基板的结构。例如，基板可以是金属材料如铝。通过将电路置于电绝缘层上，基板材料如金属可用于各种电子器件的构造中。除了金属以外，各种陶瓷和聚合物材料可用作基板。这种材料在本领域内是众所周知的，并且可取决于电路板的性质和预期用途而变化。由于hBN材料的平面性质，可将非平面颗粒添加至电绝缘层以改进hBN颗粒之间的热接触。这种“接触颗粒”的添加可引起平面hBN材料弯曲或起皱，因此通过在多个hBN颗粒的平面之间提供热通路而改进热接触。与hBN颗粒和粘合剂相容的任何传热材料可用作接触颗粒。一方面，接触颗粒可以是陶瓷粉或颗粒。接触颗粒的具体的非限制性实例包括A1N、金刚石、cBN、SiC、A1203、BeO、SiO2等，包括其结合。接触颗粒添加至混合物的比例可取决于所获得的电绝缘层的期望热导率而变化。一方面，接触颗粒在层中的比例小于hBN颗粒在层中的vol%。另一方面，接触颗粒在层中的比例是大约I至大约20vol%。另一方面，接触颗粒在层中的比例小于大约15vol%。应当注意，vol%可以是用于制造电绝缘层的预制混合物的vol%，或其可以是完成的电绝缘层的vol%。另外，一方面，接触颗粒可具有大约O. I至大约20微米范围的大小。另一方面，接触颗粒可具有大约I至大约15微米范围的大小。在一些情况中使用包括混溶剂的接触颗粒和/或hBN颗粒影响颗粒在粘合剂中的溶解度也是有益的。一方面，混溶剂的一端是亲水的，而其它端是亲油或疏水的。作为一个实例，在混溶剂末端上的N或O原子倾向使试剂在该端亲水。作为另一实例，在混溶剂末端上的H或F原子倾向使试剂在该端疏水。因此，这种混溶剂可改进这种颗粒在给定粘合剂中的溶解度，减少附聚并帮助在粘合剂内铺开颗粒。在一个非限制性实例中，混溶剂可包括乙烯基硅烷、氨基硅烷以及其结合。其它非限制性实例可包括油醇聚氧乙烯醚(oleylalcohol polyethylene glycol ether)、油醇乙氧基化物(oleyl alcohol ethoxylate)、辛基酹乙氧基化物(octyl phenol ethoxylate)、聚乙二醇、2_ 丁酮、4-甲基_2_酮、丙酮、N，N-二甲基甲酰胺等。另外，因为hBN本质上是疏水的，它可在硝酸或氢硫酸中煮沸以将NO或SO自由基连接至表面。因此，通过将这种混溶剂并入至hBN表面，可促进均匀混合至各种粘合剂中。在一些方面，hBN颗粒可限制于层中，与其它材料分离或基本上分离。例如，一方面，粘合剂中的hBN颗粒层可被安排为邻接粘合剂中的另一材料层如陶瓷粉。在一些方面，·这种邻接陶瓷颗粒层可渗入hBN层以通过增加hBN平面之间的热导率而改进散热。在一些方面，可通过将金属原子插入hBN颗粒内增加热导率。这种金属原子的非限制性实例包括Li、Na、K、Be、Mg、Ca等，包括其结合。金属原子也可作为改进hBN材料的热导率的氧化物、氮化物或其它分子化合物并入。具体的非限制性实例可包括Li2O及其类似物、以及Li3N及其类似物。可在hBN颗粒的形成期间通过例如掺杂引入这种金属原子，或在形成后金属原子可渗入hBN颗粒。虽然任何量的金属原子被认为在本范围内，一方面，hBN颗粒包括至少大约Iat. %的金属原子。在一些方面，纤维布可包括在电绝缘层中以改进层的电阻率。包括这种纤维布层可用于各种情况。在一个非限制性实例中，这种布可包括在用于关注电安全的高击穿电压情况的电绝缘层中。与没有hBN颗粒的粘合剂中的布相比较，hBN颗粒可阻塞纤维之间的孔以改进电阻率。如果使用玻璃纤维布，可通过由hBN材料形成的热通路有效地通过纤维之间的孔传热。考虑可根据本发明的各种方面冷却各种热源。例如，热源可以是中央处理单元或图形处理单元、LED、激光二极管、滤波器如表面声波滤波器等。一方面，例如，可提供具有改进的散热性质的LED装置。这种装置可包括热连接至装置的电路的发光二级管。因此，配置电绝缘层以加速热移动离开发光二级管。因为它们在电子器件和照明装置中已变得越来越重要，所以持续开发具有一直增加能量需求的LED。这种增加能量的趋势已形成这些装置的冷却问题。通常这些装置的小尺寸使这些冷却问题恶化，这些装置的小尺寸可使具有传统招散热鳍片(aluminum heat fin)的散热装置由于它们的大体积性质(bulky nature)而不起作用。通过根据本发明的方面冷却LED，可完成甚至在非常高的功率下的充分冷却，而同时维持小的LED封装尺寸。作为一个具体实例，一方面，提供了具有改进的散热性质的发光二级管装置——其包括热连接至所述印刷电路板的发光二级管——使得电绝缘层是可操作的以加速热移动离开发光二级管。另一方面，提供了具有改进的散热性质的热动力印刷电路板装置——其包括热连接至所述印刷电路板的中央处理单元——使得电绝缘层是可操作的以加速热移动离开中央处理单元。另外，本发明提供了使用所述电绝缘层的方法。一方面，例如，提供了用于冷却和电绝缘印刷电路板的方法。这种方法可包括提供包含热源的电路，其中电路置于电绝缘层的表面上。电绝缘层包括多个结合在粘合剂材料中的hBN颗粒，使得在电流通过电路后，由电路产生的热以大于或等于5W/mK的速率通过电绝缘层加速离开热源。将电绝缘层置于基板上的各种方法也被考虑，并且可取决于粘合剂材料而变化。例如，一方面，多个hBN颗粒可与粘合剂材料混合。这使用聚合物粘合剂可尤其有效。随后，将混合物置于基板上以形成电绝缘层。可通过本领域普通技术人员已知的各种方法完成这种沉积，包括刮刀式烧铸(knife casting)、喷涂、浸溃、压炼、带式烧铸(tape casting)等。取决于材料的性质，可使粘合剂材料硬化，或它可被加热或与催化剂反应。在类似的方面，hBN颗粒可沉积在基板上并且粘合剂材料可置于其上。在这种情况中，模压可对于在施加和固化期间保持hBN颗粒和粘合剂材料有益。某些材料一特别是无机材料如AlN等一可随后被沉积或与hBN颗粒共沉积。这种无机材料的沉积可包括烧结、派射、熔融喷涂(melt spraying)(例如火焰喷涂、等离子体喷涂)、混合、铺展等。还考虑电绝缘层可以是热界面材料( Μ)。这种材料常常用于改进散热通路中的两种材料之间的热接触。一个实例是使用CPU和CPU风扇之间的TIM以促进热从CPU移动至风扇。类似地，可在任何热源和相关的散热装置之间使用TIM。一方面， Μ可包括具有多个hBN颗粒置于其中的贴合基体材料。贴合材料也可称为粘合剂或溶剂。贴合基体可包括任何贴合材料，其能包含hBN颗粒并且与表面——待在表面之间使用贴合基体——相容。贴合基体材料是本领域内众所周知的，并且可包括如·热脂膏的材料。在一个具体方面，贴合基体材料可包括液体或胶凝状硅氧烷化合物(例如“硅氧烷糊状物”或“硅氧烷油”)。在一些情况中，倘若利用充分的电绝缘以电绝缘地防止表面之间发生短路，则贴合基体材料可以是导电的。如已描述的，贴合基体材料还可包括非平面接触颗粒以改进hBN颗粒之间的热接触。这种“接触颗粒”的添加可引起平面hBN材料弯曲或起皱，从而通过在多个hBN颗粒的平面之间提供热通路来改进热接触。
实施例实施例I :hBN与溶于有机溶剂中的有机粘合剂混合。将浆料喷涂至铝基板上固化以去除溶齐U。所获得的层为大约50微米厚的可传播热的绝缘层。该电绝缘层用Cr溅射并且用Cu电镀。然后蚀刻Cu以形成电路元件。然后将LED芯片安装在基板上并且电连接至电路元件。通过引导热至铝基板的电绝缘层冷却LED芯片。实施例2 hBN与SnO2纳米粉末混合并且然后等离子体喷射至铝基板上。hBN/Sn02层具有改进的热导率，因为它不含有有机粘合剂。然后该电绝缘层用Cr溅射并且用Cu电镀，并且蚀刻Cu以形成电路元件。实施例3
通过将70微米厚的环氧树脂层压在2mm厚的铝基板(1050、5052或6061)和50微米厚的铜箔上，制备24英寸(610mm) X 18英寸(457mm)的金属芯印刷电路板(MCPCB)。将环氧树脂与包含80:20的Al2O3 (1-2微米粒度)和hBN粉末的65wt%固体内含物预混合，使得hBN的重量占总重量的13%。然后测试MCPCB的剥离强度和热导率。当hBN颗粒大小是10微米时，K值是4W/mk并且剥离强度是61bs/in2。当hBN颗粒大小是2微米时，k值是3. 5ff/mK并且剥离强度是91bs/in2。当使用hBN大小的混合物(2微米和10微米为3:1)时，K值是4. 5ff/mk并且剥离强度是81bs/in2。实施例4 环氧树脂与娃烧基偶联剂混合,达到9500cps的粘度。hBN颗粒与该混合物结合，随后用甲基·乙基酮溶剂稀释。在混合过程期间，Al2O3粉末混入甲基·乙基酮溶剂中，并且还混入环氧固化剂。用所获得的混合物浸溃纤维布，并且在170°C下固化该复合材料90秒。在Cu和Al之间热层压复合材料以形成PCB。 实施例5 将50wt%的10 μ m hBN颗粒和5wt%的2 μ m金刚石颗粒分散于硅胶中。hBN和金刚石颗粒已事先在氢环境中在800°C下处理30分钟以吸收氢原子，从而促进在硅胶中的分散。以上处理的硅胶的热导率是大约4W/mK。实施例6 2 μ m的hBN粉末和I μ m的金刚石粉末与大约3wt%的丙烯酸脂膏(acrylicgrease)混合以形成捏塑体。该捏塑体被成形、挤压并且切成100 μ m厚的切片。将丙烯酸脂膏的薄层喷射至铝基板上并且将100 μ m的切片置于其上。然后将30 μ m厚的铜箔施加至100 μ m的切片上。使用层压机将所获得的分层复合材料形成为MCPCB。由于在铝基板和铜箔之间的绝缘层中包含多个hBN和金刚石粉末，该层压结构的热导率在大约5-10W/mK之间。当然，应当理解上述布置仅是本发明原理的应用的例证。可在不脱离本发明的精神和范围的情况下由本领域技术人员设计许多改进和可选的布置，并且所附权利要求意欲覆盖这样的改进和布置。因此，尽管已结合目前被认为是本发明最实用和优选的实施方式以特性和细节在以上描述了本发明，可在不脱离本文阐述的原理和概念的情况下进行许多改进，包括但不限于大小、材料、形状、形式、功能和操作方式、组件和用途上的变化，这对于本领域技术人员将是显而易见的。
权利要求
1.一种印刷电路板,其包括 基板；和 涂覆于所述基板的至少一个表面上的电绝缘层，所述电绝缘层包括多个结合在粘合剂材料中的hBN颗粒。
2.权利要求I所述的印刷电路板，其中所述电绝缘层以大约10至大约60vol%的量包括所述多个hBN颗粒。
3.权利要求I所述的印刷电路板，其中所述电绝缘层以小于或等于大约40vol%的量包括所述多个hBN颗粒。
4.权利要求I所述的印刷电路板，其中所述电绝缘层的热导率大于或等于大约5W/mK。
5.权利要求I所述的印刷电路板，其包括遍及所述电绝缘层分布的多个接触颗粒，以使所述接触颗粒在所述多个hBN颗粒的平面之间提供热通路。
6.权利要求5所述的印刷电路板，其中所述接触颗粒是选自A1N、金刚石、cBN、SiC、Al203、Be0、Si02以及其结合的成员。
7.权利要求I所述的印刷电路板，其中所述粘合剂材料包括选自下列的成员氨基树月旨、丙烯酸酯树脂、醇酸树脂、聚酯树脂、聚酰胺树脂、聚酰亚胺树脂、聚氨基甲酸乙酯树脂、酚醛树脂、酚醛/胶乳树脂、环氧树脂、异氰酸酯树脂、异氰脲酸酯树脂、聚硅氧烷树脂、反应性乙烯基树脂、聚乙烯树脂、聚丙烯树脂、聚苯乙烯树脂、苯氧基树脂、茈树脂、聚砜树脂、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯树脂、丙烯酸类树脂、聚碳酸酯树脂、聚酰亚胺树脂以及其结合。
8.权利要求I所述的印刷电路板，其中所述粘合剂材料包括选自AlN、SiC、Al203、Be0、SiO2以及其结合的成员。
9.权利要求I所述的印刷电路板，其中所述基板是金属材料。
10.权利要求I所述的印刷电路板，其中所述基板是陶瓷材料。
11.权利要求I所述的印刷电路板，其中所述基板是聚合物材料。
12.权利要求I所述的印刷电路板，其中所述电绝缘层包括纤维布材料。
13.权利要求I所述的印刷电路板，其中所述hBN颗粒是平面颗粒。
14.一种具有改进的散热性质的发光二级管装置，其包括 热连接至权利要求I所述的印刷电路板的发光二级管，以使所述电绝缘层是可操作的以加速热移动离开所述发光二级管。
15.一种具有改进的散热性质的热动力印刷电路板装置，其包括 热连接至权利要求I所述的印刷电路板的中央处理单元，以使所述电绝缘层是可操作的以加速热移动离开所述中央处理单元。
16.—种电绝缘层，其包括多个结合在粘合剂材料中的hBN颗粒，其中所述电绝缘层的热导率大于或等于大约5W/mK。
17.权利要求16所述的电绝缘层，其中所述电绝缘层以大约10至大约60vol%的量包括所述多个hBN颗粒。
18.权利要求16所述的电绝缘层，其中所述电绝缘层以小于或等于大约40vol%的量包括所述多个hBN颗粒。
19.权利要求16所述的电绝缘层，其包括遍及所述电绝缘层分布的多个接触颗粒，以使所述接触颗粒在所述多个hBN颗粒的平面之间提供热通路。
20.权利要求16所述的电绝缘层，其中所述hBN颗粒具有双峰粒度分布。
21.权利要求20所述的电绝缘层，其中所述双峰粒度分布包括大约5微米至大约15微米的第一 hBN颗粒大小和大约I微米至大约3微米的第二 hBN颗粒大小。
22.权利要求20所述的电绝缘层，其中所述双峰粒度分布包括大约10微米的第一hBN颗粒大小和大约2微米的第二 hBN颗粒大小。
23.一种用于冷却和电绝缘印刷电路板的方法，其包括 提供包括热源的电路，所述电路置于电绝缘层的表面上，所述电绝缘层包括多个结合在粘合剂材料中的hBN颗粒，使得在电流通过所述电路之后，由所述电路产生的热以大于或等于5W/mK的速率通过所述电绝缘层加速离开所述热源。
24.一种热界面材料，其包括 贴合基体材料； 置于所述贴合材料中的多个hBN颗粒。
25.权利要求24所述的热界面材料，其包括遍及所述贴合基体材料分布的多个接触颗粒，以使所述接触颗粒在所述多个hBN颗粒的平面之间提供热通路。
26.权利要求25所述的热界面材料，其中所述接触颗粒是选自A1N，金刚石、cBN、SiC、Al203、Be0、Si02以及其结合的成员。
27.权利要求25所述的热界面材料，其中所述接触颗粒是陶瓷。
28.权利要求24所述的热界面材料，其中所述hBN颗粒包含至少大约Iat.%的金属。
29.权利要求28所述的热界面材料，其中所述金属包括选自Li、Na、K、Be、Mg、Ca以及其结合的成员。
全文摘要
公开了具有增加的热导率的电绝缘层以及相关的装置和方法。一方面，例如，提供了印刷电路板，其包括基板和涂覆于所述基板的至少一个表面上的电绝缘层，所述电绝缘层包括多个结合在粘合剂材料中的hBN颗粒。
文档编号H05K1/02GK102948269SQ201180016152
公开日2013年2月27日 申请日期2011年1月26日 优先权日2010年1月26日
发明者宋健民, 胡绍中, 邓建中, 杨尚叡, M·宋 申请人:宋健民