热传导介电界面的制作方法
【专利摘要】一种热传导介电界面包括相对硬的聚合物基部以及布置在所述基部的第一和第二侧面的聚合物上涂层。所述上涂层具有相对较软且促进电子组件各部件的热连结的中间状态。将所述上涂层固化至完成状态以使得这一热连结变硬。
【专利说明】热传导介电界面
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求于2013年6月 25 日提交的、题为〃Thermally Conductive Dielectric Interface"的美国临时专利申请序列号No. 61/839, 116的权益，该临时申请的全部内容结 合在此。
【技术领域】
[0003] 本发明一般地涉及热管理材料，尤其涉及用于电子装置内各部件传热表面之间热 能传输的热传导介电界面。本发明的界面优选地与传热表面结合以在各部件之间形成牢固 连结。
【背景技术】
[0004] 热传输材料广泛地用作例如产热电子部件以及用于把来自电子部件的过多热能 传送至热耦接热沉的热沉之间的界面。已经实现了用于这类热界面的各种设计和材料，其 中最高性能在实质上避免热界面与电子部件的各传热表面和热沉之间的间隙时实现。因 此，在许多情况下，热界面材料相对较软，至少在操作温度下较软，由此"顺应"各部件有点 不那么平坦的传热表面。
[0005] 许多热传导界面的另一方面是介电的，以避免热界面所固定至的电子部件的短 路。一个常规界面的例子在美国专利No. 4, 810, 563中描述，其内容通过引用结合在此。
[0006] 热界面结构通常能够形成将电子组件的各分离部件固定在一起的连结。理想的连 结因此是高度热传输的，呈现出对部件传热表面的强结合特性，并且在某些情况下，是高度 电绝缘的（介电的）。这类界面还应该容易并入电子设备组装过程，并且是相对便宜的。当 前可用的界面不足以实现每个上述期望的特性。因此需要一种在电子组件内各分离部件的 传热表面之间良好传送热能的热传导介电界面，并且该界面能够在各部件之间提供强结合 以用作其间的永久连结。
【发明内容】
[0007] 通过本发明，各电子部件可以通过热传导介电界面可靠结合至关联的热耗散构 件。本发明的界面提供有助于获取至各电子部件以及至热耗散构件的热高效连接的一致且 粘性的外层。在安装之后，该界面可以经历额外的固化过程以在保持该界面的期望热传导 率和电阻率属性的同时永久固定所述组件。
[0008] 在一个实施例中，一种热传导介电界面，包括具有基本平行于基部平面的第一和 第二侧面并且呈现至少l〇 5Pa的压缩模量的基部，其中所述基部由第一硅酮聚合物制剂 (silicone polymer preparation)形成。所述界面还包括布置在所述基部的所述第一和第 二侧面处的上涂层，所述上涂层呈现小于l〇4Pa的压缩模量。所述上涂层包括第二硅酮聚 合物制剂，其中所述界面的厚度沿着与所述基部平面垂直的轴定义并且延伸通过所述上涂 层和所述基部。所述界面跨所述厚度呈现至少3kV的击穿电压值以及至少0. 5W/m*K的热 传导率。
[0009] -种用于向产热部件安装热沉的方法包括将上述热传导介电界面固定在所述热 沉和所述产热部件之间。
[0010] 在另一个实施例中，一种热传导介电界面，包括具有与核心平面基本平行的相对 的第一和第二表面并且分别定义所述界面的第一和第二侧面的核心。所述界面还包括具有 施加至所述核心的所述第一和第二表面的每一表面的内表面的基层，所述基层包括散布在 第一聚合物制剂中的热传导微粒。所述基层呈现至少l〇 5Pa的压缩模量。上涂层在所述界 面的所述第一和第二侧面的两侧施加至所述基层的所述外表面，所述上涂层包括散布在第 二聚合物制剂中的热传导微粒。所述上涂层呈现小于l〇 4Pa的压缩模量。所述热传导界面 的厚度沿着与所述核心平面垂直的轴定义，并且延伸通过所述上涂层、所述基层和所述核 心。所述界面跨所述厚度呈现至少〇. 5W/m*K的热传导率以及至少的电阻率。
【专利附图】
【附图说明】
[0011] 图1是本发明的电子设备组件的横截面示意图；
[0012] 图2是本发明的热传导介电界面的分离的横截面视图；
[0013] 图3是本发明的热传导介电界面的分离的横截面视图；
[0014] 图4是本发明的热传导介电界面的性能比较图表；
[0015] 图5是本发明的热传导介电界面的性能比较图表；以及
[0016] 图6是本发明的热传导介电界面的性能比较图表。
【具体实施方式】
[0017] 现将通过【具体实施方式】呈现本发明所代表的目标、特征和优点。本发明的其他实 施例和方面将被认为是本领域普通技术人员能够理解的。
[0018] 除非显见或声明，诸如"上"、"下"、"前"、"后"、"垂直"、"水平"、"顶部"和"底部" 等的方向参考旨在是如图所示相对于本发明具体实施例的定向。此外，附图中给定的参考 编号指示在不同附图中出现的相同或类似结构，并且相似的参考编号标识本发明的类似结 构元件和/或特征。
[0019] 现在参考附图，电子设备组件10包括在典型地是印刷电路板（PCB)的基底14上 支持的产热电子部件12。电子部件12可以是在电子学中常用的各类产热设备中的任意设 备，诸如微处理器、晶体管、集成微芯片或其他功率半导体器件。电子部件12可以通过诸如 焊接、管脚或其他连接之类的已知方法固定至基底14。电子部件12的操作产生热能，为了 最优性能会期望从电子部件12中耗散这些热能。为了帮助从电子部件12中耗散过多的热 能，电子设备组件10包括热耗散构件或热沉16。在一个示例性实施例中，热耗散构件16可 被设置为鳍状热沉或本领域中常用的其他传热结构。
[0020] 本发明的热传导介电界面18可以介于热耗散构件16和电子部件12的各传热表 面20、22之间，以有效传送其间的热能。界面18可以优选地符合传热表面20、22以最小化 界面18和传热表面20、22之间的气隙，否则气隙的存在会阻碍热能的传输。界面18优选 地提供将热耗散构件16与电子部件12的物理和热耦接两者的连结。然而应该理解，界面 18可以不直接将热耗散构件16连接至电子部件12,而是可以仅提供沿着产热电子部件12 和热耗散构件16之间的热路径的热传导连结。
[0021] 热传导介电界面18的单独的截面视图在图2中示出，其包括具有第一侧面32和 第二侧面34的基部30,以及布置在基部30的第一侧面32和第二侧面34处的上涂层36。 沿着可与基部30的第一侧面32和第二侧面34基本垂直的厚度轴38定义厚度"T"。如图2 所示，界面厚度"T"延伸通过上涂层36和基部30。界面18的厚度"T"旨在表示热耗散构件 16和电子部件12各传热表面20、22之间的尺寸。在某些实施例中，厚度"T"在100-600微 米（μπι)之间，其中基部30可以具有例如在50-350μπι之间的厚度尺寸"t/'，而上涂层36 则可以具有例如在50-300 μ m之间的总厚度尺寸（"t2A"+"t2B")。为了提供在此描述的益 处，每个上涂层的厚度尺寸"t 2A"和"t2B"优选地为至少25 μ m，并且更优选地在50-150 μ m 之间。
[0022] 材料、材料厚度和材料条件的组合为本发明的界面18提供一组期望的特性。在界 面18的期望属性中尤其包括上涂层36的符合性、上涂层36的粘合能力、上涂层36相对较 低的压缩模量、基部30相对较高的压缩模量、跨厚度"T"的高介电电压击穿力（也被称为 击穿电压）、以及跨厚度"T"的高热传导率。作为电子部件12和热耗散构件16之间有效的 热路径，界面18优选地呈现跨厚度"T"的至少0. 5W/m*K的热传导率，并且在某些实施例中 在0. 5-3W/m*K之间。此外，界面18是介电的，并且呈现至少3kV的击穿电压。
[0023] 为了实现上述属性，界面18能够以相对"硬"的基部30和相对"软"的上涂层36 的中间状态被安装在组件10内，其中基部30和上涂层36中的一个或多个具有合适的热传 导和电绝缘性。在此中间状态下，基部30呈现出至少10 5Pa(100,000Pa)的压缩模量，而上 涂层36则呈现小于104Pa(10,000Pa)的压缩模量。出于在此的目的，术语"压缩模量"旨在 指示弹性模量（杨氏模量），并且是以压力为单位的压力与应力之比。在电子设备组件10 的最终实现条件中，上涂层36可以具有超过10 4Pa的压缩模量。
[0024] 本发明的一个方面在于获取呈现由ASTM D149测试的期望击穿电压值的热传导介 电界面。本发明的布置使用足够刚性以防止界面18在被安装到电子设备组件10内时沿着 厚度轴38被过度压缩的相对较高压缩模量的基部30来实现期望的击穿电压。许多常规的 一致性热界面会沿着其厚度轴过分压缩，从而导致诸如电子部件和热耗散构件之间的各部 件之间的间隙变得小到足以引起电压击穿。此外，如果电子设备组件的一个组件的传热表 面具有不规则或隆起的表面，则通过相对"软"材料的突起会导致热界面的短路或提早的电 压击穿。
[0025] 认为有各种材料可用于界面18的制造，其总目标是获取压缩模量至少为105Pa的 核心30,压缩模量在中间状态下小于10 4Pa的上涂层，以及呈现出至少3kV击穿电压的界 面，以及跨厚度"T"的至少0.5W/m*K的热传导率。在某些实施例中，界面18可以跨厚度 "T"呈现至少ΚΓΩΦπι的电阻率。在一个实施例中，基部30包括其内散布有诸如氧化铝的 热传导微粒填充料的乙烯基娃酮聚合物基体（vinyl silicone polymer matrix)。上涂层 可以包括其内散布有诸如氧化铝的热传导微粒填充料的乙烯和氢基反应性硅酮聚合物基 体（hydride-functional silicone polymer matrix)〇
[0026] 基部30和上涂层36两者都可优选地由载有热传导微粒材料的热塑或热固聚 合物基体形成。可用于基部30和上涂层36的聚合物基体的热塑或热固树脂的例子包 括娃酮、丙烯酸（acrylic)、聚氨酯（urethane)、环氧树脂（epoxy)、聚硫化物、聚异丁烯 (polyisobutylene)、聚乙烯或聚烯经基聚合物。基部30和上涂层36的期望的压缩模量可 以通过聚合物基体材料的选择、交联剂的选择、交联控制和固化程度中的一种或多种来实 现。
[0027] 热传导微粒填充料在本领域内周知用以提升聚合物基体的热传导率。用于本发明 的聚合物基体的示例性热传导填充料包括金属或陶瓷，并且尤其包括例如氧化铝、氮化铝、 氢氧化铝、氧化铝、氮化硼、氮化锌和碳化硅。热传导微粒填充料可以按体积的约5-90%的 装载浓度散布在聚合物基体内，以实现跨厚度"T"的0. 5W/m*K的期望最小热传导率。虽然 在某些实施例中，基部30和上涂层36两者都呈现至少0. 5W/m*K的热传导率，但是在其他 实施例中可以考虑仅基部30和上涂层36之一呈现至少0. 5W/m*K的热传导率，但仍然需要 得到跨厚度"T"呈现至少0. 5W/m*K的热传导率的界面18。
[0028] 本发明的另一实施例在图3中示出，其中热传导介电界面118包括具有定义界面 118的第一侧面126和第二侧面127的相对的第一表面129A和第二表面129B的核心128。 基层130包括施加至核心128的第一表面129A和第二表面129B的每一个的内表面132。 在一个实施例中，核心128用作其上施加基层130的基底。在一个实施例中，核心128可以 是柔性玻璃纤维膜。核心128在某些实施例中可以不显著影响界面118的性能属性，而是可 以主要用作其上建立界面118的层叠结构的基底。因此，核心128不会显著阻碍跨界面118 的厚度"T"的热传输，并且也不会显著地不利影响界面118的电阻和电压击穿性能。因此 为每个应用而从各种材料和配置中选择核心128被认为是必须的。在某些实施例中，核心 128本身可以呈现至少0. 5W/m*K的热传导率，虽然可以理解这一热传导率特性对核心128 而言不是必须的。在某些实施例中，核心128可以包括散布其内以提升核心128的热传导 率的热传导微粒材料。
[0029] 界面118的基层130可以与界面18的基部30相类似，不同之处在于核心128至 少部分位于基部内。因此，基层130实际上可以是施加至核心128的第一表面129A和第二 表面129B的基部30。基层130可以优选地是呈现至少10 5Pa的压缩模量的聚合物基体，并 且可以包括散布其内以提升其热传导率属性的热传导微粒。基层130的组成在某些实施例 可以类似于如上对界面18的基部30的描述。例如，基层130可以包括其内散布有热传导 微粒的硅酮聚合物制剂。
[0030] 界面118还包括在界面118的第一侧面126和第二侧面127两侧施加至基层130 的外表面134的上涂层136。在优选实施例中，上涂层136可以与如上所述的界面18的上 涂层36相类似。上涂层136可以包括聚合物基体，并且在中间状态下呈现小于10 4Pa的压 缩模量。在某些实施例中，上涂层136可以包括其中散布热传导微粒以提升其热传导率属 性的硅酮聚合物制剂。上涂层136可以在其完成状态下（诸如在电子组件10中）呈现超 过10 4Pa的压缩模量。
[0031] 界面118可以包括用于在生产电子设备组件10之前（诸如在上涂层136仍在其 中间状态下时）改善对界面18的加工处理的第一和第二防黏衬里（release liner) 142和 144。第一和第二防黏衬里142和144是本领域周知的，并且可以在电子设备组件10处安装 界面118之前被移除。结果，界面118的厚度"T"由于第一和第二防黏衬里142和144典 型地会在电子设备组件10内使用界面118之前被移除而不包括这些防黏衬里142和144。 界面118的厚度"T"沿着厚度轴138定义，并且延伸通过上涂层136、基层130和核心128。 界面118跨厚度"T"呈现至少0.5W/m*K的热传导率，以及至少ΚΓΩ*!!!的电阻率。此外， 界面118优选地跨厚度"Τ"呈现至少3kV的击穿电压值。
[0032] 如上所述，界面118不仅提供热能传送的有效路径，还可以用作将诸如电子设备 组件10的组件的各分立元件固定在一起的连结。本发明的界面因此还呈现用于建立与各 部件的强结合的粘合属性。本发明的各界面可以通过各种已知的技术制备。示例性的制备 技术包括向核心128的第一侧面126和第二侧面127溶剂涂覆重量为60-70%固体的基层 130,以得到厚度"t 3"在约100-250 μ m之间的基底，其包括基层130和核心层128的厚度。随 后可在强制通风烤箱中对基层130进行干燥试剂和交联（固化）以实现至少10 5Pa的压缩 模量。随后向基层130的外表面134溶剂涂覆重量为60-70%的固体，以得到在150-600 μ m 之间的总厚度"T"。随后对上涂层136进行干燥试剂，但大致保持其原样（未固化），以使 得上涂层136在中间状态下具有小于10 4Pa的压缩模量。由于相对低模量的未固化上涂层 136的一般黏着力，可对上涂层136应用防黏衬里142和144以在电子设备组件内的安装之 前方便对界面118的加工处理。在安装时，从上涂层136移除防黏衬里142和144的之一 或两者以暴露相对低模量（<l〇 4Pa)的未固化上涂层136。随后可以定位界面以附接至例如 热耗散构件16和电子部件12中的一个或多个，其中上涂层136分别与这些热耗散构件16 和电子部件12的传热表面相接触。可以施力以确保界面118和电子设备组件10各部件之 间的可靠接触，随后进行固化过程以引起上涂层136内的交联，这一交联（固化）增强各部 件与界面的粘合/结合，并将上涂层136带到完成状态。固定处理中施加的组装压力可在 约75-300psi之间。这一压力可以在用于上涂层136的固化处理之前施加预定时间段，或 者可以在整个上涂层136的固化处理期间以恒定或变化的水平施加。在一个实施例中，上 涂层136(和上涂层36)在设置在160°C的烤箱中六分钟后被固化至其完成状态。然而可以 理解的是可以利用各种固化模量和程序来恰当固化本发明界面的基底和上涂层。
[0033] 示例
[0034] 根据图3所示结构的界面被制备为250 μ m的厚度"T"（ "例1"），并与来自 Bear, Delaware的ArIon, LLC的商品名为Secure? 1500FG的常规界面（"比较样本"）相 t匕。下表阐明了比较结果，其中结合数据表示在声明的施加压力下经由各界面耦接至固体 铝基部的T0-220晶体管电子部件的应用。
[0035] 表 1
[0036]
【权利要求】
1. 一种热传导介电界面，包括： 基部，具有基本平行于基部平面的第一和第二侧面并且呈现至少l〇5Pa的压缩模量，所 述基部包括第一硅酮聚合物制剂；以及 布置在所述基部的所述第一和第二侧面处的上涂层，所述上涂层呈现小于l〇4Pa的压 缩模量，并且包括第二硅酮聚合物制剂，其中所述界面的厚度沿着与所述基部平面垂直的 轴定义并且延伸通过所述上涂层和所述基部，并且所述界面跨所述厚度呈现至少3kV的击 穿电压值以及至少〇. 5W/m*K的热传导率。
2. 如权利要求1所述的热传导介电界面，包括散布在所述第一和第二硅酮聚合物制剂 中的每一个中的微粒填充料。
3. 如权利要求1所述的热传导介电界面，其中所述第一硅酮聚合物制剂比所述第二硅 酮聚合物制剂更为完全地固化。
4. 如权利要求1所述的热传导介电界面，其中所述界面跨所述厚度呈现至少ΚΓΩ*!!! 的电阻率。
5. 如权利要求1所述的热传导介电界面，其中所述基部沿所述轴在0. 1-0. 25mm之间。
6. 如权利要求5所述的热传导介电界面，其中所述上涂层沿所述轴在0. 05-0. 30mm之 间。
7. -种用于向产热部件安装热沉的方法，所述方法包括将如权利要求1所述的热传导 介电界面固定在所述热沉和所述产热部件之间。
8. 如权利要求7所述的方法，其中所述上涂层将所述界面结合至所述热沉和所述产热 部件。
9. 如权利要求8所述的方法，包括：在将所述界面结合至所述热沉和所述产热部件之 后，将所述上涂层固化至使得所述上涂层呈现大于l〇 4Pa的压缩模量的程度。
10. 如权利要求9所述的方法，其中所述固化包括启动在所述第二硅酮结合制剂中的 交联反应。
11. 一种热传导介电界面，包括： 具有与核心平面基本平行的相对的第一和第二表面并且分别定义所述界面的第一和 第二侧面的核心； 具有施加至所述核心的所述第一和第二表面的每一表面的内表面的基层，所述基层包 括散布在第一聚合物制剂中的热传导微粒，其中所述基层呈现至少105Pa的压缩模量；以及 在所述界面的所述第一和第二侧面施加至所述基层的所述外表面的上涂层，所述上涂 层包括散布在第二聚合物制剂中的热传导微粒，其中所述上涂层呈现小于l〇4Pa的压缩模 量， 其中所述热传导界面的厚度沿着与所述核心平面垂直的轴定义，并且延伸通过所述上 涂层、所述基层和所述核心，并且所述界面跨所述厚度呈现至少〇. 5W/m*K的热传导率以及 至少ΚΓΩ*!!!的电阻率。
12. 如权利要求11所述的热传导介电界面，其中所述热传导微粒是金属或陶瓷。
13. 如权利要求11所述的热传导介电界面，其中所述核心包括玻璃纤维膜。
14. 如权利要求11所述的热传导介电界面，其中所述第一和第二聚合物制剂包括硅酮 聚合物基体。
【文档编号】H05K7/20GK104254229SQ201410289683
【公开日】2014年12月31日 申请日期:2014年6月25日 优先权日:2013年6月25日
【发明者】J·蒂莫曼, J·哈蒙德, J·施米茨 申请人:贝格斯公司