(57)【要約】少なくとも１種類のシリコーン樹脂混合物と、少なくとも１種類の湿潤剤と、少なくとも１種類の熱伝導性フィラーとのコンプライアントな架橋性サーマルインターフェース材料、ならびにその製造方法および使用方法、ならびにポリマーおよび樹脂系の熱伝導率を向上させるための方法を開示する。【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１種類のシリコーン樹脂混合物と、少なくとも１種類の湿潤剤と、少なくとも１種類の熱伝導性フィラーとを含む、電子デバイスのインターフェース材料として有用であるコンプライアントな架橋性材料。
【請求項２】
前記少なくとも１種類のシリコーン樹脂混合物が、ビニル末端シロキサン、補強添加剤、架橋剤、および触媒を含む請求項１に記載のコンプライアントな架橋性材料。
【請求項３】
前記ビニル末端シロキサンがビニルシリコーンである、請求項２に記載のコンプライアントな架橋性材料。
【請求項４】
前記補強添加剤がビニルＱ樹脂である、請求項２に記載のコンプライアントな架橋性材料。
【請求項５】
前記架橋剤がヒドリド官能性シロキサンを含む、請求項２に記載のコンプライアントな架橋性材料。
【請求項６】
前記触媒が白金錯体を含む、請求項２に記載のコンプライアントな架橋性材料。
【請求項７】
前記白金錯体が白金−ビニルシロキサン化合物である、請求項６に記載のコンプライアントな架橋性材料。
【請求項８】
前記湿潤剤が有機チタン酸塩化合物を含む、請求項１に記載のコンプライアントな架橋性材料。
【請求項９】
前記フィラーが、銀、銅、アルミニウム、およびそれらの合金、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、アルミニウム球、銀メッキした銅、銀メッキしたアルミニウム、および炭素繊維、ならびにそれらの混合物の中の少なくとも１種類を含む、請求項１に記載のコンプライアントな架橋性材料。
【請求項１０】
少なくとも１種類の他のフィラー以外に炭素微小繊維をさらに含む、請求項９に記載のコンプライアントな架橋性材料。
【請求項１１】
前記フィラーが、前記炭素微小繊維と、銀、銅、アルミニウム、およびそれらの合金、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、銀メッキした銅、銀メッキしたアルミニウム、および炭素繊維、ならびにそれらの混合物を含む少なくとも１種類の他のフィラーとを含む、請求項１に記載のコンプライアントな架橋性材料。
【請求項１２】
前記フィラーの少なくとも一部が実質的に球形の粒子を含む、請求項１に記載のコンプライアントな架橋性材料。
【請求項１３】
酸化防止剤をさらに含む、請求項１に記載のコンプライアントな架橋性材料。
【請求項１４】
前記酸化防止剤が０．０１重量％から１重量％の量で存在する、請求項７に記載のコンプライアントな架橋性材料。
【請求項１５】
少なくとも１種類のシリコーン樹脂混合物と、少なくとも１種類の湿潤剤と、少なくとも１種類の熱伝導性フィラーとを含む、電子デバイスのインターフェース材料として有用であるコンプライアントな架橋性材料の定量供給可能なペースト。
【請求項１６】
少なくとも１種類のシリコーン樹脂混合物と、少なくとも１種類の湿潤剤と、少なくとも１種類の熱伝導性フィラーとを含む、電子デバイスのインターフェース材料として有用であるコンプライアントな架橋性材料のシートまたはフィルム。
【請求項１７】
少なくとも１種類のシリコーン樹脂混合物を、少なくとも１種類の湿潤剤および少なくとも１種類の熱伝導性フィラーと混合する工程を含む、コンプライアントな架橋性材料の製造方法。
【請求項１８】
前記材料の定量供給可能なペーストを配合する工程をさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
電子デバイスの構成要素間のインターフェースとしての大きさに切断して使用することが可能なシートまたはフィルムに前記材料を成形する工程をさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
炭素微小繊維と少なくとも１種類の熱伝導性フィラーとを混入する工程を含む、ポリマーの熱伝導率を増加させる方法。
【請求項２１】
前記炭素微小繊維が、少なくとも約０．５重量％の量で存在するか、ポリマーに対する炭素微小繊維の比率が少なくとも０．０５で存在する、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
銀、銅、アルミニウム、およびそれらの合金、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、銀メッキした銅、銀メッキしたアルミニウム、および炭素繊維、ならびにそれらの混合物の中の少なくとも１種類を含むフィラーをさらに混入する工程をさらに含む、請求項２１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、米国特許出願第０９／７７４４６６号（この記載内容全体を参照して本明細書に組み込まれる）の利益を主張する。
【背景技術】
【０００２】
電子デバイスがより小さくなり動作速度がより高速になるにつれて、熱の形態で放出されるエネルギーが非常に増加する。この産業分野において一般的に実施されていることは、物理インターフェースに散逸した過剰な熱を移動させるためのデバイスなどにおいて、サーマルグリースまたはグリース状材料を単独またはキャリア上で使用することである。最も一般的な種類のサーマルインターフェース材料は、サーマルグリース、相転移材料、およびエラストマーテープである。サーマルグリースまたは相転移材料は、非常に薄い層に広がることができ隣接する面間の接触を密接にするため、エラストマーテープよりも耐熱性が低い。代表的な熱インピーダンス値は０．６℃ｃｍ２／ｗから１．６℃ｃｍ２／ｗの範囲である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
サーマルグリースの重大な欠点は、−６５℃から１５０℃などの熱サイクル後や、ＶＬＳＩチップに使用される場合のパワーサイクルの後で熱的性能が大きく低下することである。これらの材料の性能低下は、表面の平坦性から大きく逸脱して電子デバイスの係合する面の間に間隙が形成される場合、または製造許容差などの別の理由で係合する表面間に大きな間隙が存在する場合などでも発生することが分かっている。これらの材料の熱伝導性が低下すると、これらの材料が使用される電子デバイスの性能に悪影響が生じる。本発明は、電子デバイスのインターフェース材料として使用すると特に好適であるサーマルインターフェース材料を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明によると、シリコーン樹脂混合物（ビニルシリコーン、ビニルＱ樹脂、ヒドリド官能性シロキサン、および白金−ビニルシロキサンの混合物など）と、湿潤剤と、少なくとも１種類の熱伝導性フィラーとを含むコンプライアントな架橋性材料が提供される。本発明のコンプライアントな熱伝導性材料は、高出力半導体デバイスの放熱を向上させる能力を有し、安定な熱的性能を維持する。本発明の材料が使用される電子デバイスに熱−機械的応力が生じる間またはパワーサイクルの変動中に、本発明の材料の界面の剥離または相分離は起こらない。
【０００５】
本発明のコンプライアントな架橋性サーマルインターフェース材料は、構成要素を互いに混合することによって配合してペーストにすることができ、これを任意の特定の表面に供給して適用して室温または高温で降下させることができる。本発明の材料はヒートシンクなどのあらかじめ適用可能な他のインターフェース用途、またはその他のインターフェース用途で、非常にコンプライアントで、硬化し、粘着性であるエラストマーフィルムまたはシートとして配合することも可能である。
【０００６】
混入されるフィラーは好都合には、銀、銅、アルミニウム、およびそれらの合金、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、銀メッキした銅、銀メッキしたアルミニウム、ならびに炭素繊維などの少なくとも１種類の熱伝導性フィラーを含む。樹脂の酸化を軽減する酸化防止剤、表面のぬれを向上させる湿潤剤、室温での硬化を可能にするものなどの硬化促進剤、分散性を向上させる粘度低下剤、および架橋助剤を混入するとさらに有用である場合もある。インターフェース用途のコンプライアントな材料の圧縮率を制限するため、すなわち厚さを制限または制御するために、実質的に球形の粒子のフィラーを含むこことが望ましい場合も多い。
【０００７】
フィラーと前述の混合したシリコーン樹脂混合物の組み合わせなどの樹脂系の熱伝導率は、炭素微小繊維を他のフィラーとともに系に混入することによって特に向上させることが可能なことも発見した。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明のコンプライアントな架橋性サーマルインターフェース材料は、ビニルシリコーン、ビニルＱ樹脂、ヒドリド官能性シロキサン、および白金−ビニルシロキサンの混合物などのシリコーン樹脂混合物と、有機チタン酸塩湿潤剤と、少なくとも１種類の熱伝導性フィラーとを混合することによって配合される。２種類以上のシリコーン樹脂混合物を混合して、コンプライアントな架橋性インターフェース材料を製造することも可能である。シリコーン樹脂と適切な熱伝導性フィラーとを含有するインターフェース材料は、熱容量が０．５ｃｍ２℃／ｗ未満となる。サーマルグリースとは異なり、この材料はＩＣデバイスの熱サイクルまたはフローサイクル後に熱的性能の劣化が起こらないが、その理由は、液体シリコーン樹脂は熱活性化によって架橋して軟質ゲルを形成するからである。さらに、インターフェース材料として適用される場合、サーマルグリースを使用する場合のように「絞り出される」ことはなく、熱サイクル中の界面剥離も生じない。この新規材料は、定量供給方法によって適用され、その後に希望に応じて硬化させる機能定量供給可能な液体ペーストとして提供することができる。ヒートシンクなどのインターフェース表面上に予備適用するための非常にコンプライアントな硬化エラストマーフィルムまたはシートを提供することもできる。好都合には、熱伝導率が約０．２ｗ／ｍ℃を超え、好ましくは少なくとも約０．４ｗ／ｍ℃であるフィラーが使用される。最適な場合では、熱伝導率が約１ｗ／ｍ℃以上であるフィラーが好ましい。コンプライアントな熱伝導性材料は、高出力半導体デバイスの放熱性を向上させる。このペーストは、官能性シリコーン樹脂と熱伝導性フィラーの混合物として配合することができる。
【０００９】
本明細書で使用される場合、用語「コンプライアントな」は、室温で固体であり降伏しない材料とは逆に、室温で降伏し成形可能である材料の性質を含んでいる。本明細書で使用される場合、用語「架橋性」は、まだ架橋していない材料または化合物を意味する。
【００１０】
ビニルＱ樹脂は、以下のベースポリマー構造：
【００１１】
【化１】
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を有する活性化硬化特殊シリコーンゴムである。
【００１２】
ビニルＱ樹脂は、付加硬化エラストマーの明らかな補強添加剤でもある。少なくとも２０％のＱ樹脂を含有するビニルＱ樹脂分散液の例は、ＶＱＭ−１３５（ＤＭＳ−Ｖ４１ベース）、ＶＱＭ−１４６（ＤＭＳ−Ｖ４６ベース）およびＶＱＸ−２２１（キシレンベース中５０％）である。
【００１３】
例えば、考慮されるシリコーン樹脂混合物は以下のように配合することができる。
【００１４】
【表１】
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これらの樹脂混合物は、室温または高温で硬化させてコンプライアントなエラストマーにすることができる。このときに起こる反応は、白金錯体またはニッケル触媒などの触媒の存在下でヒドリド官能性シロキサンによるビニル官能性シロキサンのヒドロシリル化（付加硬化）である。好ましい白金触媒は、ＳＩＰ６８３０．０、ＳＩＰ６８３２．０、および白金−ビニルシロキサンである。
【００１５】
ビニルシリコーンとして考慮される例としては、分子量が約１００００から５００００のビニル末端ポリジメチルシロキサン。ヒドリド官能性シロキサンとして考慮される例としては、分子量が約５００から５０００のメチルヒドロシロキサン−ジメチルシロキサンコポリマーが挙げられる。物理的性質は、架橋密度が非常に低い非常に軟質のゲルから、架橋密度が非常に高い強靱なエラストマー網目構造まで変動させることができる。
【００１６】
樹脂混合物に分散させる熱伝導性フィラー粒子は、好都合には高い熱伝導率を有する。好適なフィラー材料としては、銀、銅、アルミニウム、およびそれらの合金、窒化ホウ素、アルミニウム球、窒化アルミニウム、銀メッキした銅、銀メッキしたアルミニウム、ならびに炭素繊維が挙げられる。窒化ホウ素と銀または窒化ホウ素、および銀／銅の組み合わせも熱伝導率を向上させる。少なくとも２０重量％の量の窒化ホウ素、少なくとも７０重量％の量のアルミニウム球、および少なくとも約６０重量％の銀が特に有用である。
【００１７】
特に有効なフィラーは、オハイオ州シーダービルのアプライド・サイエンシズ（Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｉｎｃ．（Ｃｅｄａｒｖｉｌｌｅ，Ｏｈｉｏ））より入手可能なものなどの「気相成長炭素繊維」（ＶＧＣＦ）と呼ばれる特殊形態の炭素繊維を含む。ＶＧＣＦまたは「炭素微小繊維」は、熱処理によって高度にグラファイト化される（熱伝導率＝１９００ｗ／ｍ℃）。約０．５重量％の炭素微小繊維を添加することによって有意に熱伝導率が増加する。このような繊維は、様々な長さおよび直径のものが入手可能であり、長さ１ｍｍから数十ｃｍ、および直径０．１μｍ未満から１００μｍを超えるものが入手可能である。有用な形態の１つでは、直径が約１μｍ以下であり、長さが約５０μｍから１００μｍであり、直径が５μｍを超える他の一般的な炭素繊維の約２倍または３倍の熱伝導率を有する。
【００１８】
前述のシリコーン樹脂混合物などの樹脂系に多量のＶＧＣＦを混入することは困難である。炭素微小繊維（例えば約１μｍ以下）を樹脂に加える場合、有用となる熱伝導率増加のためには樹脂量に対して多量の繊維を混入する必要があるのでうまく混合されない。しかし、本発明者らは、他のフィラーを比較的多量に含有する樹脂には、比較的多量の炭素微小繊維を加えることが可能なことを発見した。他の繊維とともに使用すると、単独でポリマーに加える場合よりもより多くの量の炭素微小繊維を樹脂に加えることができ、そのためサーマルインターフェース材料の熱伝導率を向上させるためにはより好都合である。望ましくは、炭素微小繊維のポリマーに対する重量比は０．０５から０．５０の範囲である。
【００１９】
充填密度を最大化するために実質的に球形のフィラーを混入することも好都合である。さらに実質的に球形またはそれと同様の形状によって、圧縮中の厚さをある程度制御することもできる。オルガノシラン、有機チタン酸塩、有機ジルコニウムなどの官能性有機金属カップリング剤または湿潤剤を添加することによって、フィラー粒子の分散を促進することができる。樹脂材料中のフィラーに有用である一般的な粒径は、約１μｍから２０μｍの範囲になることができ、最大で約１００μｍである。樹脂混合物ゲルの酸化および熱分解を防止するために酸化防止剤を加えることができる。代表的である有用な酸化防止剤としてはニューヨーク州ホーソーンのチバ・ガイギー（Ｃｉｂａ  Ｇｉｅｇｙ（Ｈａｗｔｈｏｒｎｅ，Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ）より入手可能なイルガノズ（Ｉｒｇａｎｏｚ）１０７６（イルガノックス（ｌｒｇａｎｏｘ）５６５のフェノール型、アミン型）（０．０１％から約１重量％）が挙げられる。
【実施例】
【００２０】
本発明の説明のため、以下の実施例ＡからＦに示される構成要素を混合して多数の実施例を調製した。これらの実施例は酸化防止剤や湿潤剤などの１種類以上の任意の添加剤を含む。これらの添加剤の量は変動しうるが、一般には、以下の適切な量（単位、重量％）で存在すると有用である。フィラー：全体（フィラー＋樹脂）の最大９５％、湿潤剤：（全体の）０．１％から５％、接着促進剤：（全体の）０．０１％から１％、酸化防止剤：（全体の）０．０１％から１％。少なくとも約０．５％の炭素繊維を加えると熱伝導率を有意に増加する。実施例では、考慮される混合物の物理化学的測定も示している。
【００２１】
熱伝導性ペーストの実施例
【００２２】
【表２】
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エポキシシランおよびシラノール末端ビニルシロキサンは接着促進剤である。有機チタン酸塩は、ペーストの粘度を減少させフィラーのフィラーを増加させる湿潤剤として機能する。使用した有機チタン酸塩はチタン酸イソプロピルトリイソステアリルであった。有機チタン酸塩の一般的構造はＲＯ−Ｔｉ（ＯＸＲＹ）であり、式中、ＲＯは加水分解性基であり、ＸおよびＹは結合性官能基である。アルミニウム球の粒径は１μｍから２０μｍの範囲である。
【００２３】
以上のように、コンプライアントな架橋性サーマルインターフェース材料の具体的な実施形態および用途について開示してきた。しかし、本明細書に記載される本発明の概念から逸脱せずに、すでに開示した内容以外の多くの修正が可能であることは当業者には明らかであろう。したがって、本発明の主題は、添付の請求項以外によって制限されるべきではない。さらに、明細書と請求項の両方の記述において、その状況で一貫性が維持されるかぎり最も広い意味ですべての用語が解釈されるべきである。特に、用語「含む」は、要素、構成要素、または工程を非限定的な意味で言及していると解釈すべきであり、言及された要素、構成要素、または工程が、特に言及されない要素、構成要素、または工程とともに存在したり、使用したり、組み合わせたりすることが可能なことを示している。
【国際公開パンフレット】
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2004526822.tif 000013
2004526822.tif 000014
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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