(57)【要約】高い熱伝導性を有するコンパウンドを包含する熱界面材料は、指触乾燥状態であるが、自然に粘着性であり、そして種々の造形品、例えば、シートおよびブロックに成形して電子構成部品のための熱伝達性材料として働くことができる。このコンパウンドは、ポリオールエステルと酸化防止剤とのプレブレンド、少なくとも１種の充填材、高粘度油、および溶媒、界面活性剤、およびポリスチレンをベースとするポリマー、またはケイ酸アルミニウムを含む。このコンパウンドを使用する方法は下記工程を含む：第１表面を有する熱発生電子構成部品を準備し；第１表面を相接すべき第２表面を有する熱放散コンパウンドを準備し；そしてそれぞれの表面間にコンパウンドを配置してそれらの間で効率よい熱伝達を実現する。さらに、コンパウンドは単独で適用することができ、例えば、層状にし、スプレーし、またはスクリーン印刷することができ、熱伝導性箔裏材料、または熱伝導性および電気絶縁性裏材料に適用することができるか、あるいはブロックまたはシートのような造形品に成形することができる。また、除去可能なライナーをコンパウンドの露出した表面に適用して、取扱い、輸送および貯蔵を促進することができるが、除去した後、コンパウンドを電子構成部品とヒートシンクとの間に適用することができる。【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポリオールエステル、酸化防止剤、少なくとも１種の充填材、高粘度油、界面活性剤、ポリマーおよび溶媒を含む熱伝達性コンパウンド。
【請求項２】
ポリオールエステルおよび酸化防止剤がプレブレンドを形成し、ここでポリオールエステルがプレブレンドの約99wt％を構成し、そして酸化防止剤がプレブレンドの約１wt％を構成する、請求項１に記載のコンパウンド。
【請求項３】
プレブレンドがコンパウンドの約８〜12wt％の量で存在する、請求項２に記載のコンパウンド。
【請求項４】
少なくとも１種の充填材がコンパウンドの約65〜80wt％の量で存在する、請求項１に記載のコンパウンド。
【請求項５】
溶媒がナフサ、ヘキサンおよびヘプタンの１つであり、コンパウンドの約１wt％の量で存在する、請求項１に記載のコンパウンド。
【請求項６】
高粘度油がポリイソブテンであり、コンパウンドの約2.25〜5.5wt％の量で存在する、請求項１に記載のコンパウンド。
【請求項７】
界面活性剤がポリグリコールエーテルであり、コンパウンドの約0.2wt％の量で存在する、請求項１に記載のコンパウンド。
【請求項８】
ポリマーがポリスチレンをベースとするポリマーであり、コンパウンドの約2.7〜3.3wt％の量で存在する、請求項１に記載のコンパウンド。
【請求項９】
ポリオールエステル、酸化防止剤、少なくとも１種の充填材、高粘度油およびケイ酸アルミニウムを含む、熱伝達性コンパウンド。
【請求項１０】
ポリオールエステルおよび酸化防止剤がプレブレンドを形成し、ポリオールエステルがプレブレンドの約99wt％を構成し、そして酸化防止剤がプレブレンドの約１wt％を構成する、請求項９に記載のコンパウンド。
【請求項１１】
プレブレンドがコンパウンドの約10〜12wt％の量で存在する、請求項１０に記載のコンパウンド。
【請求項１２】
少なくとも１種の充填材が酸化亜鉛および酸化マグネシウムから選択される、請求項９に記載のコンパウンド。
【請求項１３】
酸化亜鉛がコンパウンドの約18〜22wt％の量で存在し、そして酸化マグネシウムが約55〜67wt％の量で存在する、請求項１２に記載のコンパウンド。
【請求項１４】
高粘度油がポリイソブテンであり、コンパウンドの約2.25〜2.75wt％の量で存在する、請求項９に記載のコンパウンド。
【請求項１５】
ケイ酸アルミニウムがコンパウンドの約4.68〜5.72wt％の量で存在する、請求項９に記載のコンパウンド。
【請求項１６】
下記成分を含んでなる熱グリースコンパウンド：
コンパウンドの約８〜10wt％を表すプレブレンドに混合されたポリオールエステルおよび酸化防止剤；
コンパウンドの約65〜80wt％の量の酸化亜鉛；
コンパウンドの約4.5〜5.5wt％の量の高粘度油；
コンパウンドの約0.2wt％の量の界面活性剤；
コンパウンドの約３wt％の量のポリスチレンをベースとするポリマー；および
コンパウンドの約１wt％の量の溶媒。
【請求項１７】
ポリオールエステルがプレブレンドの約99wt％を構成し、そして酸化防止剤が約１wt％を構成する、請求項１６に記載のコンパウンド。
【請求項１８】
下記成分を含んでなる熱グリースコンパウンド：
コンパウンドの約10〜12wt％を表すプレブレンドに混合されたポリオールエステルおよび酸化防止剤；
コンパウンドの約18〜22wt％の量の酸化亜鉛および約55〜67wt％の酸化マグネシウムの少なくとも1つ；
コンパウンドの約2.5〜2.75wt％の量の高粘度油；および
コンパウンドの約4.68〜5.72wt％の量のケイ酸アルミニウム。
【請求項１９】
ポリオールエステルがプレブレンドの約99wt％を構成し、そして酸化防止剤が約１wt％を構成する、請求項１８に記載のコンパウンド。
【請求項２０】
ポリオールエステル、酸化防止剤、少なくとも１種の充填材、高粘度油、界面活性剤、ポリマーおよび溶媒から作られた熱伝導性コンパウンドと、前記コンパウンドをその少なくとも１つの表面上に有する熱伝導性シートとを含む熱界面材料。
【請求項２１】
シートがアルミニウムフィルムおよびポリイミドフィルムの１つである、請求項２０に記載の材料。
【請求項２２】
シートが電気絶縁性である、請求項２０に記載の材料。
【請求項２３】
シートの少なくとも１つの表面上のコンパウンドを被覆するライナーをさらに含む、請求項２０に記載の材料。
【請求項２４】
下記工程を含む熱伝導性コンパウンドを形成する方法：
プレブレンドの約99wt％の量のポリオールエステルとプレブレンドの約１wt％の量の酸化防止剤とを混合することによってプレブレンドを形成し、前記プレブレンドはコンパウンドの約8〜10wt％を構成し；
コンパウンドの約65〜80wt％の量の酸化亜鉛を添加し；
約4.5〜5.5wt％の量の高粘度油を添加し；
約0.2wt％の量の界面活性剤を添加し；
約３wt％の量のポリスチレンをベースとするポリマーを添加し；そして
約１wt％の量のナフサ溶媒を添加する。
【請求項２５】
請求項２４に記載の方法により製造された製品。
【請求項２６】
下記工程を含む熱伝導性コンパウンドを形成する方法：
ポリオールエステルと酸化防止剤とを混合することによってプレブレンドを形成し、前記プレブレンドはコンパウンドの約10〜12wt％を構成し；
コンパウンドの約18〜22wt％の量の酸化亜鉛およびコンパウンドの約55〜67wt％の量の酸化マグネシウムの少なくとも１つをプレブレンドに添加し；
約2.5〜5.5wt％の量の高粘度油を添加し；そして
コンパウンドの約５wt％の量のケイ酸アルミニウムを添加する。
【請求項２７】
請求項２６に記載の方法により製造された製品。
【請求項２８】
約0.02〜0.04℃in2/Wの熱抵抗を有する乾燥熱グリース。
【請求項２９】
下記工程を含む電子構成部品アセンブリーのための熱界面材料を提供する方法：
a)第１表面を有する熱発生電子構成部品を準備し；
b)第１表面と相接すべき第２表面を有する支持体を準備し；そして
c)請求項１に記載の製造されたコンパウンドを第１表面と第２表面との間に配置して、コンパウンドと支持体との間の熱伝達を実現する。
【請求項３０】
熱グリースを第１および第２の取り付け表面の少なくとも１つ上にスプレーすることによって、コンパウンドを配置する、請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
第１および第２の表面の少なくとも１つの上にグリースをスクリーン印刷することによって、コンパウンドを配置する、請求項２９に記載の方法。
【請求項３２】
下記工程によりコンパウンドを配置する、請求項２９に記載の方法：
a)第１の熱伝導性シートの対向する表面上にコンパウンドの比較的薄い層を配置して積層体を形成し；
b)積層体を第１および第２の表面に対応する形状に切断し；そして
c)第１および第２の表面との間に切断した積層体を配置する。
【請求項３３】
切断前に、コンパウンドの上にライナーを配置することをさらに含む、請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
下記工程を含む電子構成部品アセンブリーのための熱界面材料を準備する方法：
a)第１表面を有する熱発生電子構成部品を準備し；
b)第１表面と相接すべき第２表面を有する支持体を準備し；そして
c)請求項９に記載の製造されたコンパウンドを第１表面と第２表面との間に配置して、コンパウンドと支持体との間の熱伝達を実現する。
【請求項３５】
熱グリースを下記工程により配置する請求項３４に記載の方法：
a)第１表面と第２表面との間のギャップに適合するようにコンパウンドのブロックを形成し；
b)第１表面と第２表面との間のギャップの中にブロックを配置し；そして
c)コンパウンドと支持体の少なくとも1つに圧力を加える。
【請求項３６】
約0.02〜0.04℃in2/Wの熱抵抗を有する、請求項１８に記載の熱グリースコンパウンド。
【請求項３７】
ポリオールエステル、酸化防止剤、少なくとも１種の充填材、高粘度油、界面活性剤、ポリスチレンをベースとするポリマーおよび溶媒を含む、熱伝達性コンパウンド。
【請求項３８】
ポリスチレンをベースとするポリマーがコンパウンドの約2.7〜3.3wt％の量で存在する、請求項３７に記載の熱伝達コンパウンド。
【請求項３９】
ポリオールエステル、酸化防止剤、少なくとも１種の充填材、高粘度油、界面活性剤、ポリスチレンをベースとするポリマーおよび溶媒を含む、非水溶性熱伝達性コンパウンド。
【請求項４０】
ポリオールエステル、酸化防止剤、少なくとも１種の充填材、高粘度油およびケイ酸アルミニウムを含む、非水溶性熱伝達性コンパウンド。
【請求項４１】
下記成分を含む非水溶性熱グリースコンパウンド：
コンパウンドの約８〜10wt％を表すプレブレンドに混合されたポリオールエステルおよび酸化防止剤；
コンパウンドの約65〜80wt％の量の酸化亜鉛；
コンパウンドの約4.5〜5.5wt％の量の高粘度油；
コンパウンドの約0.2wt％の量の界面活性剤；
コンパウンドの約３wt％の量のポリスチレンをベースとするポリマー；そして
コンパウンドの約１wt％の量の溶媒。
【請求項４２】
下記成分を含む非水溶性熱グリースコンパウンド：
コンパウンドの約10〜12wt％を表すプレブレンドに混合されたポリオールエステルおよび酸化防止剤；
コンパウンドの約18〜22wt％の量の酸化亜鉛および約55〜67wt％の酸化マグネシウムの少なくとも１つ；
コンパウンドの約2.5〜2.75wt％の量の高粘度油；および
約4.68〜5.72wt％の量の界面活性剤。
【請求項４３】
ポリオールエステル、酸化防止剤、少なくとも１種の充填材、高粘度油、界面活性剤、ポリマーおよび溶媒から作られた熱伝導性コンパウンドと、前記コンパウンドをその少なくとも１つの表面上に有する熱伝導性シートとを含む、非水溶性熱界面材料。
【請求項４４】
下記工程を含む、熱界面材料を形成する方法：
ポリオールエステル、酸化防止剤、少なくとも１種の充填材、高粘度油、界面活性剤、ポリマーおよび溶媒から熱伝導性コンパウンドを形成し；
熱伝導性シートの少なくとも１つの表面を前記コンパウンドで被覆し；
溶媒の少なくとも一部分を蒸発させ；そして
溶媒をその上に有するシートを熱発生装置とヒートシンクとの間に配置する。
【請求項４５】
下記工程を含む、熱界面材料を形成する方法：
ポリオールエステル、酸化防止剤、少なくとも１種の充填材、高粘度油、界面活性剤、ポリマーおよび溶媒から熱伝導性コンパウンドを形成し；
熱伝導性シートの少なくとも１つの表面を前記コンパウンドで被覆してフィルムを形成し；
溶媒の少なくとも一部分を蒸発させ；そして
前記フィルム上に第２シートを配置する。
【請求項４６】
下記工程をさらに含む、請求項４５に記載の方法：
第２シートを除去し；そして
熱発生装置とヒートシンクとの間に第１シートを配置する。
【請求項４７】
下記工程を含む、熱発生コンパウンドに対して熱界面材料を提供する方法：
a)熱発生コンパウンドに第１表面を形成し；
b)熱発生コンパウンドの第１表面を取り付けるべき第２表面を熱放散コンパウンド上にを形成し；そして
c)ポリオールエステルを含む熱界面材料を第１および第２の表面の間に配置して、熱発生コンパウンドから熱放散コンパウンドへの熱伝達を実現する。
【請求項４８】
第１および第２の表面の少なくとも１つ上に材料をスプレーすることによって、配置工程を実施する、請求項４６に記載の方法。
【請求項４９】
下記工程により配置工程を実施する、請求項４６に記載の方法：
a)第１および第２の表面間のギャップに適合するように材料のブロックを造形し；そして
b)第１および第２の表面の間に前記ブロックを配置する。
【請求項５０】
下記工程により配置工程を実施する、請求項４６に記載の方法：
a)熱伝導性箔シート上に材料の比較的薄い層を配置し；
b)材料および箔シートを第１および第２の表面の１つの形状に切断し；そして
c)材料および箔を第１および第２の表面の前記１つに取り付ける。
【請求項５１】
ポリオールエステル、酸化防止剤、少なくとも１種の充填材、高粘度油、界面活性剤、ポリマーおよび溶媒から本質的に成る、熱伝達性コンパウンド。
【請求項５２】
ポリオールエステル、酸化防止剤、少なくとも１種の充填材、高粘度油およびケイ酸アルミニウムから本質的に成る、熱伝達性コンパウンド。
【請求項５３】
下記成分から本質的に成る、熱グリースコンパウンド：
コンパウンドの８〜10wt％を表すプレブレンドに混合されたポリオールエステルおよび酸化防止剤；
コンパウンドの約65〜80wt％の量の酸化亜鉛；
コンパウンドの約4.5〜5.5wt％の量の高粘度油；
コンパウンドの約2.0wt％の量の界面活性剤；
コンパウンドの約３wt％の量のポリスチレンをベースとするポリマー；および
コンパウンドの約１wt％の量の溶媒。
【請求項５４】
下記成分から本質的に成る、熱グリースコンパウンド：
コンパウンドの約10〜12wt％を表すプレブレンド中のポリオールエステルおよび酸化防止剤；
コンパウンドの約18〜22wt％の量の酸化亜鉛および約55〜67wt％の酸化マグネシウムの少なくとも１つ；
コンパウンドの約2.5〜2.75wt％の量の高粘度油；および
約4.68〜5.72wt％のケイ酸アルミニウム。
【請求項５５】
ポリオールエステル、酸化防止剤、少なくとも１種の充填材、高粘度油、界面活性剤、ポリマーおよび溶媒から作られた熱伝導性コンパウンドと、前記コンパウンドをその少なくとも１つの表面上に有する熱伝導性シートとから本質的に成る、熱界面材料。
【請求項５６】
ポリオールエステル、酸化防止剤、少なくとも１種の充填材、高粘度油、界面活性剤、ポリスチレンをベースとするポリマーおよび溶媒から本質的に成る、熱伝達性コンパウンド。
【請求項５７】
ポリオールエステル、酸化防止剤、少なくとも１種の充填材、高粘度油、界面活性剤、ポリマーおよび溶媒から本質的に成る、非水溶性熱伝達性コンパウンド。
【請求項５８】
ポリオールエステル、酸化防止剤、少なくとも１種の充填材、高粘度油およびケイ酸アルミニウムから本質的に成る、非水溶性熱伝達性コンパウンド。
【請求項５９】
下記成分から本質的に成る、非水溶性熱グリースコンパウンド：
コンパウンドの約８〜10wt％を表すプレブレンドに混合されたポリオールエステルおよび酸化防止剤；
コンパウンドの約65〜80wt％の量の酸化亜鉛；
コンパウンドの約4.5〜5.5wt％の量の高粘度油；
コンパウンドの約0.2wt％の量の界面活性剤；
コンパウンドの約３wt％の量のポリスチレンをベースとするポリマー；および
コンパウンドの約１wt％の量の溶媒。
【請求項６０】
下記成分から本質的に成る、非水溶性熱グリースコンパウンド：
コンパウンドの約10〜12wt％を表すプレブレンドに混合されたポリオールエステルおよび酸化防止剤；
コンパウンドの約18〜22wt％の量の酸化亜鉛およびコンパウンドの約55〜67wt％の量の酸化マグネシウムの少なくとも1つ；
コンパウンドの約2.5〜2.75wt％の量の高粘度油；および
約4.68〜5.72wt％のケイ酸アルミニウム。
【請求項６１】
ポリオールエステル、酸化防止剤、少なくとも１種の充填材、高粘度油、界面活性剤、ポリマーおよび溶媒から作られた熱伝導性コンパウンドと、前記コンパウンドをその少なくとも１つの表面上に有する熱伝導性シートとから本質的に成る、非水溶性熱界面材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱伝達性材料に関し、さらに詳しくは、乾燥熱界面材料、およびこの材料を製造し、電子構成部品とヒートシンクとの間にこの材料を適用する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子アセンブリーは、通常、基板、例えば、印刷回路板に取り付けられた複数の電子構成部品を使用して製作される。これらのアセンブリーが長期間適切にかつ信頼性をもって作動するために、構成部品が発生する熱を構成部品からヒートシンクとして作用するボードに効率よくかつ信頼性をもって伝達しなくてはならない。
【０００３】
このような電子アセンブリーは、より小さく構築され、より速く実行するとき、増加するより高い温度で作動している。より小さい電子構成部品を使用するとき、密度もまた増加することがあり、これは熱の効率よい、信頼性ある除去の必要性を増加させる。
【０００４】
構成部品およびヒートシンクが連続的接触で相接する場合、究極的理論的熱伝達は起こる。しかしながら、現実には、構成部品およびヒートシンクのそれぞれの表面が空気を捕捉する不規則性、例えば、微視的空隙または孔を有する。空気は熱伝導性が低いので、これらの不規則性／空隙はある熱伝導性材料で充填して、いっそう効率よい熱伝達を実現しなくてはならない。この熱伝達を促進するために、下記の材料および技術が使用されてきている。
【０００５】
シリコーンをベースとする熱グリースは、電子アセンブリーのための初期の熱界面材料として働いた。このようなグリースは、熱伝導性セラミック充填材をシリコーン中に分散させて粘着性ペーストを形成することによって成形される。
【０００６】
グリースを電子構成部品の表面とヒートシンクの表面との間に適用するとき、グリースは空隙を充填し、隙間の空気を排除する。過剰のグリースは構成部品のへりから流出する。このグリースの使用は、両方のかみ合う表面がそれらの高い点で接触するようになるとき、最も薄い接合部を可能とし、非常に低い熱抵抗を生ずる。
【０００７】
このようなグリースは非常にすぐれた熱伝導体であることが証明されたが、その使用に関連する問題が存在する。それは、指触湿潤状態であり、粘着性であるために厄介であり、そして適用に時間のかかる（例えば、一般に正しい量のグリースを適用しなくてはならない)。また、グリースがシートライナーを保護し、取扱い、輸送、およびその他を促進するために適用する場合、ライナーを除去した後、グリースを電子構成部品の表面に適用するとき、グリースの50％まではライナー上に残り、コストを増加させ、そして必要よりも効果に劣る熱界面を生ずることがある。また、シリコーンをベースとするグリースは流動はんだ浴のシリコーン汚染を引き起こすという欠点を示す。シリコーン油が印刷回路板上に移動する場合、回路板上のはんだ再生は接着しないであろう。また、このような移動は回路板上で短絡を引き起こすことがある。
【０００８】
次いで、シリコーンをベースとする製品に関連する前述の問題の多数を処理するために、非シリコーン熱グリースが開発された。非シリコーングリースは、炭化水素油中に熱伝導性セラミック充填材を分散させることによって形成される。
【０００９】
非シリコーングリースはシリコーンをベースとする製品の移動／汚染特性を解決したが、それらは湿潤／粘着特性をなお示し、そして適用が困難でありかつ適用に時間を浪費したので、それらはなお厄介であった。
【００１０】
熱グリースの許容可能な代替物を提供するそれ以上の努力において、比較的より厚い、より乾燥したエラストマーパッドが開発された。それらの組成は、熱伝導性粒子、例えば、酸化亜鉛、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、および窒化ホウ素を含有する、基本的にシリコーンゴムである。これらのパッドを使用して得られる利点は、それらはそれほど厄介でなく（より乾燥しているために)、設置がより容易であり、そして各適用に正しい量のグリースのみを適用するという必要性を排除するという事実である。
【００１１】
しかしながら、前述したように、究極的熱界面は２つの部分ができるだけ多い点において接触するところであり、そして微視的空隙が出現する場合にのみ、それらは充填される。前述のグリースは空隙を充填し、容易に変位して構成部品とヒートシンクとの間のできるだけ多く乾燥した接触を可能とするが、これらのパッドは構成部品およびヒートシンクの表面間の直接的接触を可能としない。すなわち、これらのシリコーンエラストマーは、有意な圧縮負荷を加えたときにのみ、表面の不規則部分に対して変形し、これは電子構成部品に対して有害である。低圧において、パッドは表面間の空隙を簡単に充填することができず、比較的非常に高い熱抵抗を引き起こす。
【００１２】
また、蝋またはパラフィンをベースとする相変化材料が開発され、これらの材料はグリース様熱的性能を示し、比較的乾燥しているために、より容易なエラストマー様の取扱性および設置を示した。これらの相変化材料は独立の形態で使用され、ガラス繊維で強化されるか、あるいは箔またはKaptonTM上に被覆されてきている。Kaptonはデュポン・カンパニー(DuPont Company)から入手可能な熱伝導性であるが、電気絶縁性ポリイミドである。これらの相変化材料は室温において固体であるが、いったん相変化温度または溶融使用温度、すなわち、40℃〜70℃に到達すると、熱的ペーストまたはグリースに非常に似た挙動をする。
【００１３】
これらの相変化材料は室温において固体であり、乾燥しているので、適用が厄介でない。それらは加熱されるにつれて、液体となり、穴の中に流れる。しかしながら、電子構成部品の垂直位置において、それらは界面の中から外に流れ、再び空隙を去る。これらの材料はアセンブリー間に部分に接着するために接着剤を必要とし、これらの接着剤は熱抵抗を望ましくないほどに増加させる。相変化材料の高い使用温度範囲はわずかに150℃であるが、熱グリースについて200℃である。さらに、「常温回路板」適用において、すなわち、水および/または熱電モジュールを使用して電子アセンブリーの冷却を促進するとき、温度は溶融物使用温度に到達しないので、正しい場所に溶融する（表面をぬらす）ために十分な熱を受け取らず、したがって使用不可能であるが、グリースはこのような温度において働く。さらに、各熱サイクルおよび引き続く相変化は、再充填できない、新しい空隙を導入することがある。
【００１４】
上記に照らして見ると、熱的パッドは使用が容易であるが、比較的高い熱抵抗を示す。そして、相変化材料は熱伝達効率の点からみると性能がすぐれているが、使用および性能においてなお制限を有するであろう。熱グリースはこれらのグリース代替物よりもすぐれた性能、例えば、特に最低の熱抵抗を提供するが、適用間に非常に厄介であり、労力を必要とすることがある。
【００１５】
前述の先行技術は熱伝達技術において固有の問題のあるものを排除するが、この先行技術は最も効率よいコンパウンドおよび関係する製造および使用の方法を開示または教示していない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
したがって、本発明の目的は、従来の熱グリースの積極的属性を示すが、適用が容易である、熱界面材料を提供することである。
【００１７】
本発明の他の目的は、材料の相変化を必要としないで、電子構成部品とヒートシンクとの間の空隙を充填する完全な湿潤作用を可能とする、乾燥熱界面材料を提供することである。
【００１８】
本発明の他の目的は、正の熱膨張係数と湿潤作用を改良するチキソトロープ性質とを有し、これにより電子構成部品とヒートシンクとの間の完全な熱界面接触を促進する、熱界面材料を提供することである。
【００１９】
本発明のなお他の目的は、相変化を必要としないで、任意の使用温度において即時の熱伝達を可能とし、常温板適用に材料を特に適当とする、熱伝達性材料を提供することである。
【００２０】
本発明のそれ以上の目的は、熱的パッドおよび相変化材料の利点および便宜を提供するが、熱グリースのよりすぐれた性能を有する、熱伝達性材料を提供することである。
【００２１】
本発明のなお他の目的は、取扱いを促進し、移動を防止する熱グリースを提供することである。
【００２２】
本発明のしかも他の目的は、自然に粘着性である、非シリコーンおよび非蝋をベースとする熱グリースまたはペーストを提供することである。
【００２３】
本発明の他の目的は、シート、ブロックおよび他の形態に成形し、次いで切断して、電子構成部品とヒートシンクとの間の配置を促進する、熱伝達性コンパウンドを提供することである。
【００２４】
また、本発明の目的は、多数の製作環境における使用および取扱いが容易である、ドロップ・イン・プレイス（drop−in−place）熱伝達性コンパウンドが提供される。
【００２５】
また、本発明の目的は、最小の圧力で適用できる熱伝達コンパウンドを提供することである。
【００２６】
本発明のなお他の目的は、熱伝達効率を減少させることがある接着剤または他の接着剤を必要としない、乾燥しているが、自然に粘着性である、熱伝達性材料を提供することである。
【００２７】
また、本発明の目的は、特質がチキソトロープであり、コンパウンドの操作間に電子構成部品とヒートシンクとの間からの流出を防止する、熱伝達性コンパウンドを提供することである。
【００２８】
本発明の他の目的は、多少粘着性を有するが、比較的乾燥した熱伝達性コンパウンドを形成する方法を提供することである。
【００２９】
また、本発明の目的は、よりすぐれた熱伝達性および電気絶縁性の両方を示す、熱伝達性材料を提供することである。
【００３０】
本発明の他の目的は、電子構成部品とヒートシンクとの間に熱伝達性材料をいっそう効率よく適用する方法を提供することである。
【００３１】
また、本発明の目的は、電子構成部品とヒートシンクとの間の完全な界面接触を実行するために最小の力のみを使用して、熱伝達性材料を適用する方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００３２】
本発明の前述および他の目的を達成するために、高い熱伝導性を有し、比較的指触乾燥状態であり、自然に粘着性であり、そして種々の形状、例えば、ブロック、シート、およびその他に成形して、電子構成部品とヒートシンクとの間の適用を促進することができる、コンパウンドを包含する熱伝達性材料が提供される。このコンパウンドは、ポリオールエステルおよび酸化防止剤から構成されたプレブレンド、ならびに少なくとも１種の充填材、高粘度油、およびポリスチレンをベースとするポリマー、溶媒、および界面活性剤、またはケイ酸アルミニウムを含む。
【００３３】
本発明は、また、下記工程を含む熱伝導性コンパウンドを形成する方法に関する：約99wt％の量のポリオールエステルとコンパウンドの約１wt％の量の酸化防止剤とを混合することによってプレブレンドを形成し（プレブレンドはコンパウンドの約８〜12wt％を構成する)；約18〜80wt％の量の酸化亜鉛をおよび約60wt％の量の酸化マグネシウム充填材をプレブレンドに添加し；そして約2.5〜5.5wt％の量の高粘度油を添加する。さらに、１つの態様において、約0.2wt％の量の界面活性剤、約３wt％の量のポリスチレンをベースとするポリマー、および約１wt％の量の溶媒を添加する。別の態様において、ポリマー、溶媒および界面活性剤の代わりに、コンパウンドの約5.2wt％の量のケイ酸アルミニウムを添加する。
【００３４】
指触乾燥状態の熱伝達性材料は、従来の熱グリースと同様に、より低いクロージャー温度において非常に低い熱抵抗を提供するが、前述の従来のグリース代替物の取扱い易さを提供し、これにより熱的性能を犠牲する必要性を排除する。この材料のブロック、シート、およびその他の形態を打抜くことができ、そしてこれらの形態は、熱的性能を劣化させる追加の接着剤を使用しないで、電子構成部品またはヒートシンクに接着できる自然の粘着性を有する。この材料は、また、正の熱膨張係数を示し、そして湿潤作用を改良するチキソトロープ性質を示し、界面接触を促進する。そして、熱伝達は直ちに開始し、任意の温度において起こるので、この材料は常温板適用のためにきわめてすぐれる。また、それはシリコーンを含有せず、シリコーン汚染の問題を回避し、所望ならば、電気絶縁性であることができる。
【００３５】
本発明は、また、下記工程を含む電子構成部品アセンブリーのための熱界面材料を提供する方法に関する：第１取り付け表面を有する熱発生電子構成部品を準備し；熱発生電子構成部品の第１取り付け表面と相接すべき第２取り付け表面をヒートシンク上に準備し；そして前述の熱伝達性材料を第１取り付け表面と第２取り付け表面との間に配置して、電子構成部品からヒートシンクへの熱伝達を実現する。
【００３６】
さらに、この材料は熱伝導性箔裏材料、または熱伝導性および電気絶縁性裏材料を含むことができ、所望ならば、打抜くことができる。また、除去可能なライナーをコンパウンドの露出した表面に適用して取扱い、輸送および貯蔵を促進できるが、ライナーを除去した後、この材料を電子構成部品とヒートシンクとの間に適用する。
【００３７】
本発明の他の特徴および利点は、添付図面と組み合わせて下記の説明から明らかとなるであろう。図面において、同様な参照文字はそれらの図面を通じて同一または類似する部分を表示する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
本発明は、自然に粘着性であり、例えば、電子構成部品とヒートシンクとの間において、非常に効率よい熱伝達性材料として使用できる、非シリコーン、非蝋をベースとする、指触乾燥状態の熱グリースまたはペーストコンパウンドに関する。
【００３９】
このコンパウンドは、約98.8wt％のポリオールエステル、例えば、HATCOL 2373、および約1.2wt％の酸化防止剤、例えば、ETANOX 330から構成されたプレブレンドをベースとする。このプレブレンドに、少なくとも１種の充填材、油、ポリマー、界面活性剤および溶媒、または少なくとも1種の充填材、油、およびケイ酸アルミニウムを、後述するように、組成物について意図する用途に依存して添加する。
【００４０】
第１態様によれば、典型的な構成部品およびwt％を下記表１に記載する。
【表１】
2005502776.tif 000002
【００４１】
酸化亜鉛は充填材材料として働く粉末である。充填材として、他の酸化物、銀、窒化アルミニウムおよび窒化ホウ素を包含する、この分野において知られている任意の熱伝導性充填材は適当であろう。酸化マグネシウムは比較的大きい粒度を有するので、一般に適用されないであろう。
【００４２】
油は好ましくはポリイソブテンであり、これは一般に粘度指数改良剤として知られている。１つの商業的に入手可能な油はインドポル（Indopol）と呼ばれている。
【００４３】
この態様のコンパウンドは、適当なポリマーの混入により、チキソトロープ性および比較的指触乾燥状態とする。ポリマーはポリスチレンをベースとする。チキソトロープ特性は、界面を横切って完全なぬれを提供し、垂直方向に配向された適用においてさえ、材料が界面の中から外に流れないように材料を保持する。乾燥性は取扱いおよび使用を有意に促進する。
【００４４】
典型的な溶媒は、ナフサ、ヘキサン、ヘプタン、および他の急速に散逸する石油蒸留物である。
【００４５】
典型的な界面活性剤は、ポリグリコールエーテル（Genapolとして販売されている）である。界面活性剤は、グリースコンパウンドの薄いフィルムへの成形を促進する。しかしながら、いっそう密である、後述する第２「ブロック」態様の組成物において、界面活性剤は不必要である。
【００４６】
このコンパウンドは、下記表２に示すように、従来の熱グリースと同様であるか、あるいはそれよりすぐれた性能を有する。表２において、従来の熱グリースの典型的な性質と、本発明の指触乾燥状態のコンパウンドと比較する。
【００４７】
【表２】
2005502776.tif 000003
【００４８】
本発明のコンパウンドは、相変化材料およびエラストマーパッド材料と同様に、指触乾燥状態であるが、これらの材料の前述の欠点に悩まされない。他方において、本発明のコンパウンドは従来の熱グリースの厄介さを示さず、非常に低い熱抵抗を有する。
【００４９】
このコンパウンドは正の張係数を示し、湿潤表面に対してコンパウンドを膨潤させ、従来のグリースよりもすぐれた空隙の充填促進する。正の張係数は微視的レベルで起こるので、コンパウンドにおける物理的変化は存在しない。
【００５０】
コンパウンドは、電子構成部品を支持体に適用する前に、電子構成部品または支持体に直接適用することができる。
【００５１】
また、コンパウンドは、この分野において知られているように、例えば、噴射剤と組み合わせ、電子構成部品または支持体上に必要な厚さで直接スプレーすることができる。また、この第１態様のコンパウンドを電子構成部品または支持体上にスクリーン印刷することができる。いずれの場合においても、コンパウンドは、溶媒が蒸発するために、適用の数秒以内で指触乾燥状態となるであろう。
【００５２】
選択的に、コンパウンドは第１保護ライナー上に積層することができる。次いで、第１保護ライナーの反対側の、コンパウンドのまだ露出した表面上に、第２保護ライナーを配置する。これらのライナーは、コンパウンドのフィルムを混乱しない高い剥離値を有する材料から作るべきである。好ましい材料はポリプロピレンである。フィルムが適用されるまで、ライナーはフィルムを単に保護する機能をする。このラミネートは、電子構成部品の基板の大きさに依存する大きさに切断することができる。
【００５３】
コンパウンドを適用するために、第１ライナーをラミネートから除去する。次いで、これにより露出したコンパウンドの表面を、「移動する指の圧力」で電子構成部品の基板表面に対して配置する。次いで電子構成部品の基板に接着したままであるコンパウンドから、第２ライナーを除去する。すなわち、コンパウンドは、その自然の粘着性のために、熱的性能を劣化させる接着剤または他の「非熱伝導性」材料材料を使用しないで、構成部品またはヒートシンクに接着する。次いで電子構成部品を約５PSIまたはそれ以上の圧力で支持体上に配置して、完全な界面接触を達成する。
【００５４】
理解できるように、本発明の熱伝達性コンパウンドの適用は最小の圧力のみを使用して可能である。このようにして、感受性構成部品に対する損傷の可能性はより少ない。
【００５５】
選択的に、第１ライナーを除去し、コンパウンドを構成部品またはヒートシンクに接着させ、第２の露出したライナーは残留して材料を保護することができる、すなわち、構成部品は輸送、貯蔵および後のアセンブリーが容易でありかつ保護されるように前もって被覆することができる。
【００５６】
材料は常温適用可能であり、そしてその後の加熱または硬化を必要としない。この材料は、必要に応じて、アクセスおよび再生のために特別の道具を使用しないで、容易にかつきれいに除去することができる。
【００５７】
選択的に、コンパウンドを熱伝導性シート裏材料上に薄層として適用して熱伝達性材料を形成することができる。この熱伝達性材料は電子構成部品の種々の異なる形状に適合するように、切断することができる。
【００５８】
例えば、本発明の第１態様のコンパウンドは、以後詳細に記載するように、本明細書において「Ａ」と呼ぶアルミニウム箔支持体上に被覆して例外的熱伝導性を提供するか、あるいはKaptonTM、「Ｋ」上に被覆して、電気絶縁性および熱伝導性の両方を提供することができる。再び、使用容易さ（熱的パッドおよび相変化材料を使用するときのように）、ならびに熱グリースのよりすぐれた性能の利点が得られる。
【００５９】
前者に関すると、乾燥コンパウンドを箔支持体Ａの両側に好ましくは１ミル〜４ミルで変化する厚さで前もって適用する。例えば、２ミルの箔は、下記表３に示すように、各対向する表面に適用された１または２ミルのフィルムを有することができるであろう。もちろん、必要に応じて、より薄い／より厚い支持体、およびコンパウンドのより薄い／より厚い層をそれに適用することができる。
【００６０】
【表３】
2005502776.tif 000004
【００６１】
この態様は、従来の熱グリースのよりすぐれた性能を有する、使用が容易である、非パラフィン系熱界面フィルムである。相変化材料と異なり、このフィルムは25℃またはそれより低い温度において使用することができ、このコンパウンドを常温板適用に十分に適当とする。さらに、このコンパウンドは、完全な表面ぬれ、および界面接触を達成するために、最小の力のみを必要とするだけである。理解されるように、このフィルムは0.02(℃in2/W)程度に低い、例外的に低い熱抵抗を示す。
【００６２】
コンパウンドをその上に有する箔Ａを、電子構成部品の界面表面に適合するように、任意の必要な大きさおよび形状に切断し、それに取り付けることができる。また、電子構成部品上に適用する前に、輸送／貯蔵するために、これらの切断した熱界面材料をシート様材料のロールに適用することができる。
【００６３】
同様に、表４に例示するように、熱伝達能力を示すばかりでなく、かつまた電気絶縁性を示す支持体Ｋに、コンパウンドを適用することができる。
【００６４】
【表４】
2005502776.tif 000005
【００６５】
こうして、熱界面材料は、乾燥熱界面コンパウンドが両側に被覆された、打抜きポリイミドの、電気絶縁性支持体Ｋである。この材料は高い熱伝達および高い電気絶縁能力を提供し、表５に示すように、切断抵抗を有する。表５は本発明による熱界面材料ＡおよびＫの典型的な性質を比較して示す。
【００６６】
【表５】
2005502776.tif 000006
【００６７】
下記表６から理解できるように、本発明は、箔バージョンＡまたはKapton Ｋバージョンのいずれにおいても、前述の従来の界面材料と比較したとき、比較的低い圧力において例外的熱抵抗を示す (変更されたASTM D−5470を使用する)。
【００６８】
【表６】
2005502776.tif 000007
【００６９】
さらに、前述の箔の態様と同様に、保護ライナーを使用することができ、全体の熱界面材料の組み合わせを電子構成部品とヒートシンクとの間に約５PSIまたはそれ以上の圧力で適用することができ、そしてこの態様Ｋのシートを輸送および貯蔵用のロール上に配置することができる。
【００７０】
前述したように、構成部品／ヒートシンクに直接適用される構成部品のみの使用に比較して、箔ＡまたはKapton Ｋの態様の熱伝導性は、箔またはKaptonシートの追加的使用のために、わずかに低い。
【００７１】
前述の箔またはKaptonシートの支持体に加えて、他の支持体または担体、例えば、ガラス繊維メッシュを使用できる。
【００７２】
コンパウンドのなお他の態様によれば、前述の従来のエラストマーパッドと同様に、コンパウンド、ブロック、シートおよび他の形状を成形して電子構成部品とヒートシンクとの間のより大きいギャップを充填することができる。すなわち、電子構成部品およびヒートシンクの表面テキスチャーおよび／またはそれらの間の距離は不均一であるので、これらのブロックは構成部品とヒートシンクとの間の必要なギャップまたは形状に適合するように造形することができる。この分野において知られているように、形状は平坦、平滑、長方形または円形のシート、およびその他であることが好ましい。前述の態様におけるように、この態様は指触乾燥状態である。
【００７３】
コンパウンドの、本明細書においてブロック態様と呼ぶ、この態様について、典型的な構成部品およびwt％を下記表７に記載する。
【００７４】
【表７】
2005502776.tif 000008
【００７５】
プレブレンドおよび油は上に記載したとおりである。
酸化亜鉛および酸化マグネシウムは、充填材材料として働く粉末である。再び、他の既知の充填材を、前述したように、使用できる。
【００７６】
ケイ酸アルミニウムは前述の態様に関してコンパウンドを濃縮するために使用する粘土様材料であるので、これらの形状に成形することができる。こうして、第２態様の化学は一般に第１態様の化学に類似するが、ただしケイ酸アルミニウムの添加のために、第２態様はより乾燥しており、いっそう粘土に類似する。
【００７７】
このブロック態様では、コンパウンドは前述の態様ＡおよびＫに関連する厚さよりも一般に非常に大きい厚さで成形することができる。例えば、ブロックは80〜200ミルの厚さである。
【００７８】
このブロックの態様は高度に順応性であり、かつ自然に粘着性であり、100％の表面接触を達成するために有意な圧力を必要とする、低い順応性の、従来のシリコーンエラストマーのギャップ充填材の、きわめてすぐれた代替物を提供する。前述したように、このような高い圧力は電子構成部品を損傷することがある。本発明のブロックの態様は、電子構成部品に対して発揮される圧力を非常に少なくして、ギャップを充填し、空気を変位させる。
【００７９】
ブロックの態様は高度に順応性の特質を有するので、パッドは熱発生装置とヒートシンクとの間のすべての空隙を充填することができる。その非シリコーン処方は、光学的適用および高い圧縮負荷について特に好都合である。また、この材料は熱を個々の構成部品から離れる方向に、金属カバー、フレームまたはスプレダープレートの中に伝導させる。この態様は、また、マイクロプロセッサ、キャッシュチップ、ヒートパイプインターポーザープレート、ラップトップ型PC、高密度手持ち携帯用エレクトロニクス、電子安定器および種々の自動車の用途のような用途において独特の利点を提供する。
【００８０】
ブロックの態様の典型的な性質を下記表８に記載する。
【００８１】
【表８】
2005502776.tif 000009
【００８２】
前述の箔／Kaptonの態様と異なり、ブロックの態様に取り付けられた裏材料は存在しない。それにもかかわらず、必要に応じて、ポリプロピレンライナーを再び使用できる。
【００８３】
形成されたブロック、シート、およびその他を約0.08”(２mm)およびそれ以上の正確な規格に打抜くことができる。
【００８４】
このブロックの態様はコンパウンドの任意の形状および／または大きさに対して順応して完全な物理的接触を可能として、熱流に対する抵抗を最小にし、かつ熱伝導路を最良とすることができる。
【００８５】
相変化材料と異なり、この態様はわずかに最小の圧力を必要とするばかりでなく、かつまた熱伝達は25℃において開始し、そして相変化を必要としないで、正の熱膨張係数を介して完全な湿潤作用を再び達成することができる。
【００８６】
前述の比較的薄い界面材料の態様ＡおよびＫ、および前述の比較的厚いブロックまたはシートの態様と比較して、本発明は、必要に応じて、それらの間の厚さで形成することができる。例えば、より厚い支持体または担体、例えば、ガラス繊維メッシュ、ならびに本発明のコンパウンドのより厚い層を使用できる。
【００８７】
さらに、Kaptonのような電気絶縁性材料の使用に比較して、熱伝導性ばかりでなく、かつまた導電性であることが望ましいことがある。このような構造の１例は、銀層をその上に有する銅箔であろう。
【００８８】
本発明の前述の態様に従う熱界面材料の特別の示唆される用途は下記のものを包含する：電力モジュール、IGBT、DC−DCコンバータモジュール、固体リレー、ダイオード、電力MOSFET、RF構成部品および熱電モジュール；マイクロプロセッサ、マルチチップモジュール、ASICおよび他のディジタル構成部品；電力増幅器、電力供給用大面積用途および他の特注囲い放熱表面。
【００８９】
また、上記説明から理解できるように、本発明は先行技術を超えた少なくとも下記の利点を示す：a)従来の熱グリースの立証された価値のすべてを保持する；b)電子構成部品とヒートシンクとの間の完全な界面接触のためにわずかに最小の力を必要とする；c)相を変化させないで電子構成部品とヒートシンクとの間の空隙を充填する完全な「湿潤作用」を可能とする；d)界面接触をなおさらに大きくする湿潤作用を増加させる正の熱膨張係数を示す；e)従来の相変化材料と異なり、熱伝達を直ちに可能とし、したがって任意の使用温度において使用することができ、常温板適用について材料をきわめてすぐれた選択材料とする；f)任意の製作環境における使用および取扱いが容易である、本質的に「ドロップ・イン・プレイス」製品を提供する；g)熱抵抗に影響を与えることがある別の接着剤または他の非伝導性材料（例えば、ガラス繊維）を使用しない、厄介でなく、指触乾燥状態であり、自然に粘着性である材料を提供する；h)微視的に変化して電子パッド表面上の粘度を充填する；i)そのチキソトロープ特質のために流出を防止する；j)熱伝達性および高い電気絶縁能力の両方を示すことができる；およびk)連続的熱または圧力条件下に、または垂直表面に適用する場合、その粘度を損失せず、適用後に、流動性とならない。
【００９０】
上記説明は本発明の原理を例示することだけを目的とする。さらに、多数の変更および変化は当業者にとって容易に明らかであるので、本明細書において示され、記載された正確な構成および操作に本発明は限定されない。したがって、すべての適当な変更および同等の態様は本発明の範囲および特許請求の範囲内に包含される。
【国際公開パンフレット】
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2005502776.tif 000035
2005502776.tif 000036
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2005502776.tif 000037
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2005502776.tif 000038
【国際調査報告】
2005502776.tif 000039
2005502776.tif 000040