熱傳導性複合片及其製造方法
2023-06-27 22:53:31
專利名稱：熱傳導性複合片及其製造方法
技術領域：
本發明涉及用作發熱性電子部件等的放熱片的熱傳導性複合片及其製造方法。
背景技術：
隨著電視、計算機、通信裝置等電子設備的小型化，在它們中搭載的電路的集成度增大。安裝於此集成電路的電子部件、特別是CPU等集成電路組件因發熱而性能降低，因此作為針對放熱的措施，使用由金屬板等構成的、傳導集成電路組件等的熱，並放出到外部的散熱片。
再有，為了提高集成電路組件與散熱片之間的熱傳導率，過去以來進行的是在兩者之間夾裝熱傳導性好的潤滑脂、矽橡膠片等。可是，熱傳導性潤滑脂除了汙染部件和滲出油(分離出油)外，粘度上升，與被粘附面牢固地密合，在再次加工(為了修理、更換電子部件等而拿下散熱片等熱傳導性構件的情況)時，存在電子部件與散熱片一起脫落等缺點。另外，在夾裝熱傳導性矽橡膠片的場合，當提高硬度時，再次加工性提高，但與電子部件的追隨性降低，界面熱阻變大，放熱性能劣化，另一方面，當硬度低時，存在在電子設備上的安裝變難的缺點。
由這樣的情況出發，有利用熱軟化性的樹脂片，提高與電子部件的追隨性，從而提高放熱性能的技術的報告(例如參照日本特開2002-329989號公報)。又，作為不僅提高片的厚度方向，而且提高在面方向的熱傳導性，從而進一步提高放熱性能的措施，有使用在面方向的熱傳導性好的石墨片的技術的報告(例如參照日本特公平3-51302號公報)。
可是，在上述日本特開2002-329989號公報記載的技術中，由於樹脂片表面為熱軟化性，因此再次加工性不充分。而在日本特公平3-51302號公報記載的技術中，雖然面方向的熱傳導性改善，但是在石墨層塗敷橡膠成分，通過此橡膠層賦予對電子部件的附著性(密合性)，因此塗敷工序非常麻煩，而且再次加工性也不能說是充分的。
另一方面，上述的各種問題，即要同時改善片的面方向的熱傳導性和與電子部件的再次加工性而層合多個片時，片的厚度方向的熱傳導性大幅度降低，放熱性能也劣化。因此，只單純地組合現有的放熱片，不能得到同時滿足放熱性能和再次加工性的片。
發明內容
本發明人為解決上述問題進行各種研究，結果發現為了確保再次加工性，利用在外層的至少一方設置矽橡膠層，在內層設置提高與對象物的追隨性的熱軟化性的中間層的三層結構，由此成功地同時提高了熱傳導性和再次加工性。另外，本發明人還發現，作為此中間層，當使用不含熱傳導性填充劑的材料時，放熱性能極端地降低。因此，本發明是為解決上述問題而完成的，其目的是提供能夠同時提高熱傳導性和再次加工性的熱傳導性複合片及其製造方法。
為了達到上述目的，本發明提供一種熱傳導性複合片，其特徵在於，具有按下述順序層疊了下述層的結構(a)由含有熱傳導性填充劑的矽橡膠(silicone gum)構成的熱傳導性矽橡膠層、(b)含有有機矽樹脂(silicone resin)和熱傳導性填充劑，並有粘著性的熱軟化性熱傳導層、和(c)在面方向的熱傳導率為20-500W/(m·K)的熱傳導層。
這樣，在外層側存在再次加工性優良的熱傳導性矽橡膠層，其熱通過熱軟化熱傳導層從相反側的熱傳導層高效率地放熱，因此能夠同時滿足熱傳導性、放熱性、以及再次加工性。
在上述熱傳導層表面上，還可以進一步設置有(d)含有有機矽樹脂和熱傳導性填充劑，並有粘著性的第二熱軟化性熱傳導層。
這樣，通過熱軟化使第二熱軟化性熱傳導層與散熱片等密合，因此從熱傳導層向散熱片等高效率地傳導熱，放熱性進一步提高。
另外，本發明又提供一種熱傳導性複合片，其特徵在於，具有按下述順序層疊了下述層的結構(a)由含有熱傳導性填充劑的矽橡膠構成的熱傳導性矽橡膠層、(b)含有有機矽樹脂和熱傳導性填充劑，並有粘著性的熱軟化性熱傳導層、和(e)由含有熱傳導性填充劑的矽橡膠構成，並且硬度比上述熱傳導性矽橡膠層低的第二熱傳導性矽橡膠層。
這樣，由於在表裡的外層側都存在再次加工性優良的熱傳導性矽橡膠層，因此再次加工性大幅度地提高。另外，一方的外層側的熱通過熱軟化性熱傳導層從相反側的外層放熱，因此熱傳導性也優良。
再有，本發明還提供一種製造熱傳導性複合片的方法，其特徵在於，在依次層疊了上述熱傳導性矽橡膠層、上述熱軟化性熱傳導層、以及上述熱傳導層或上述第二熱傳導性矽橡膠層的狀態下進行室溫壓合或熱壓合。
具體實施例方式
以下就本發明的熱傳導性複合片及其製造方法的實施方案進行說明。
1.第一實施方案[熱傳導性矽橡膠層]熱傳導性矽橡膠層位於本發明的熱傳導性複合片的外層側並與放熱對象物(電子部件等)接觸，是傳導其熱的，為了在賦予再次加工性(rework)的同時，提高形狀穩定性，確保片製造時的生產率，而有規定的硬度。另外，為了賦予熱傳導性，熱傳導性矽橡膠層中含有熱傳導性填充劑。作為矽橡膠，其種類沒有特別限制，例如可使用含有(A)在1個分子中含有2個以上鏈烯基的聚有機矽氧烷、(B)在1個分子中有2個以上與矽原子結合的氫原子的聚有機氫矽氧烷(ポリオルガノハイドロジエンシロキサン)、(C)鉑系催化劑的矽橡膠。另外，作為熱傳導性填充劑，可使用銅、銀、鋁等金屬粉末、氧化鋁、氧化矽、氧化鎂、氧化鋅等金屬氧化物粉末、氮化鋁、氮化矽、氮化硼等金屬氮化物粉末、人造金剛石粉末。熱傳導性填充劑的含有比例，例如相對於熱傳導性矽橡膠層整體，可為70-97重量％，理想情況可為85-95重量％。當熱傳導性填充劑的含有量少時，熱傳導性矽橡膠層的熱傳導性降低，當含有量多時，不能得到均勻的熱傳導性矽橡膠。
熱傳導性矽橡膠層的硬度，為確保片生產時的操作性、形狀保持性，優選ASKER C硬度為10-60，更優選ASKER C硬度為20-50。在此，所謂ASKER C硬度，是基於SRIS 0101(日本橡膠協會標準)及JIS-S6050，使用彈簧式硬度試驗機ASKER C型測定的硬度。熱傳導性矽橡膠層的ASKER C硬度不到10時，片過於軟，保持形狀困難，補強性不充分，生產率降低。相反，當硬度過大時，與電子部件等的密合性降低，追隨性不好，招致放熱性能降低。另外，以JIS-K6253中規定的肖氏A型硬度為指標的場合，優選為30-100，更優選為40-90。再者，一般ASKER C硬度是測定難以用肖氏A型硬度測定的軟的材料的硬度的指標。
作為可用於熱傳導性矽橡膠層的市售的熱傳導性矽橡膠片，可列舉出TC-50THS(ASKER C硬度20、信越化學工業株式會社制；商品名)、TC-50TXS(ASKER C硬度40、信越化學工業株式會社制；商品名)TC-20BG(肖氏A型硬度85、信越化學工業株式會社制；商品名)、TC-45BG(肖氏A型硬度85、信越化學工業株式會社制；商品名)、TC-30EG(肖氏A型硬度90、信越化學工業株式會社制；商品名)、TC-45EG(肖氏A型硬度90、信越化學工業株式會社制；商品名)。
熱軟化性熱傳導層是在有機矽樹脂基體中分散熱傳導性填充劑而構成的。另外，該層構成本發明的熱傳導性複合片的中間層，具有利用其粘著性接合外層的功能的同時，利用熱傳導性填充劑確保良好的熱傳導性，也使片整體的熱傳導性提高。有機矽樹脂只要是有粘著性的熱軟化性的樹脂就行，其種類沒有特別限制，例如可以是按規定組成含有用以下的式子表示的D體(2官能性結構單元)和T體(3官能性結構單元)的物質。
D1mTpD2m在此，D1表示二甲基矽氧烷單元(即(CH3)2SiO)，T表示苯基矽氧烷單元(即(C6H5)2SiO3/2)，D2表示甲基乙烯基矽氧烷單元(即(CH3)(CH2＝CH)SiO)。另外，存在(m+n)/p＝0.25-4.0(摩爾比)、(m+n)/m＝1.0-4.0的關係。如果是用上式表示的組成物，則呈現粘著性。
在此，熱軟化性是指因熱而導致低粘度化、熱軟化或者熔解，通過熱軟化性熱傳導層流動化，與被附著面追隨並密合，從而降低界面熱阻。其次，通常也可將在40-100℃、特別是在40-90℃的溫度範圍進行低粘度化、熱軟化、或者熔解，從而表面流動化的物質定為具有「熱軟化性」。
作為分散於有機矽樹脂的熱傳導性填充劑，可使用與用於上述的熱傳導性矽橡膠層的所述熱傳導性填充劑同樣的物質。另外，熱傳導性填充劑的含有比例，例如相對於熱軟化性熱傳導性層整體，可為70-97重量％，優選定為85-95重量％。規定熱傳導性填充劑的含量的理由，與上述熱傳導性矽橡膠層的情況同樣。
作為可用於熱軟化性熱傳導層的市售的熱軟化性熱傳導性片，可列舉出PCS-TC-10、PCS-TC-11、PCS-TC-20(均為信越化學工業株式會社制；商品名)。
熱傳導層位於片的相反側的外層，與散熱片等放熱構件等接觸，具有通過中間層放出所傳導的熱的功能，同時由於面方向的熱傳導性高，所以放熱性能變高。其次，通過使熱傳導層的面方向的熱傳導率為20-500W/(m·K)，從而熱容易向面方向傳導。當熱傳導性不到20W/(m·K)時，面方向的熱傳導性不是充分的，即使超過500W/(m·K)，熱傳導性的效果也飽和。作為熱傳導層可使用石墨片、鋁箔等。
作為可用於熱傳導層的市售的石墨片，可列舉出MACFOIL(日本マテツクス株式會社制；商品名)、PGS石墨片(松下電器產業株式會社制；商品名)。作為鋁箔，例如可列舉出日本輕金屬株式會社制的鋁箔。
其次，通過依次層合上述熱傳導性矽橡膠層、熱軟化性熱傳導層和熱傳導層，構成了第一實施方案的熱傳導性複合片。利用這樣的構成，離型性(脫模性)良好的熱傳導性矽橡膠層為最外層，由於與電子部件等放熱對象物接觸，因此能夠提高所說的再次加工性。其次，由於面方向的熱傳導性優良的熱傳導層位於相反側的外層，因此促進了從熱傳導層向外部的放熱。再有，利用成為中間層的熱軟化性熱傳導層，能夠將來自熱傳導性矽橡膠層的熱高效率地向熱傳導層傳導，因此放熱特性大幅度地提高。另外，通過熱軟化性熱傳導層熱軟化，外層的熱傳導性矽橡膠層也與放熱對象物密合，容易傳導放熱對象物的熱。
2.第二實施方案該熱傳導性複合片，是在上述熱傳導層表面上進一步設置第二熱軟化性熱傳導層的複合片。第二熱軟化性熱傳導層與上述熱軟化性熱傳導層同樣，是在有機矽樹脂基體中分散熱傳導性填充劑而構成的。第二熱軟化性熱傳導層所用的有機矽樹脂、熱傳導性填充劑、以及其含有比例，可從就上述熱軟化性熱傳導層進行的說明之中選擇，另外，可以使用與上述熱軟化性熱傳導層相同的樹脂和熱傳導性填充劑，也可以使用其他種類的樹脂等。
通過第二熱軟化性熱傳導層位於外層，該層的表面流動化，從而與被附著面(散熱片等)追隨、密合，因此在與被附著面之間不產生空隙，界面熱阻降低，能夠將熱傳導層的熱高效率地傳導到散熱片等，放熱特性大幅度地提高。
3.第三實施方案該熱傳導性複合片設置第二熱傳導性矽橡膠層以代替上述第一實施方案的熱傳導性複合片的熱傳導層。所述第二熱傳導性矽橡膠層所用的矽橡膠、熱傳導性填充劑、以及其含有比例可從就上述熱傳導性矽橡膠層進行的說明之中選擇。另外，可以使用與上述熱傳導性矽橡膠層相同的矽橡膠和熱傳導性填充劑，也可以使用其他種類的樹脂等。
第二熱傳導性矽橡膠層與上述熱傳導性矽橡膠層比，使硬度降低。其理由是因為，上述熱傳導性矽橡膠層為了提高形狀穩定性而具有比較高的硬度，因此沒有必要提高第二熱傳導性矽橡膠層的硬度，此時使與被附著面(電子部件或者散熱片等)的密合性、追隨性提高，改善放熱特性。
再者，對於第三實施方案的熱傳導性複合片，使與對象物的追隨性良好的第二熱傳導性矽橡膠層側與放熱對象物(電子部件等)接觸，使稍硬的熱傳導性矽橡膠層側接觸外部(散熱片等)為好。
通過第二熱軟化性熱傳導層位於外層，該層的表面容易與被附著面(電子部件或者散熱片等)追隨、密合，因此在與被附著面之間不產生空隙，界面熱阻降低，結果放熱特性提高。另外，作為粘著性的熱軟化性樹脂的中間層不出現在外層，因此片的操作性、再次加工性也變得良好。
其次，就本發明的製造熱傳導性複合片的方法進行說明。本發明的製造方法是，將熱傳導性矽橡膠層、熱軟化性熱傳導層、以及熱傳導層或第二熱傳導性矽橡膠層通過室溫壓合或熱壓合來製造熱傳導性複合片。
在進行室溫壓合的場合，例如在帶狀的熱傳導性矽橡膠片與石墨片之間，供給在表面粘貼了經離型處理的聚合物膜的帶狀熱軟化性熱傳導性片，剝離聚合物膜後，將依次層合了熱傳導性矽橡膠片、石墨片、以及熱軟化性熱傳導性片的層合片，通入到室溫的雙輥間，進行壓合。在進行熱壓合的場合，將上述雙輥加熱到熱軟化性熱傳導性片的熱軟化溫度以上(例如80-120℃)，同樣地壓合。再者，壓合除了使用輥法以外，還可以使用熱壓機壓制等。另外，在製造上述第二實施方案的熱傳導性複合片的場合，在石墨片的外側供給與上述同樣的帶狀的熱軟化性熱傳導性片，壓合整體即可。
下面舉出實施例進一步詳細說明本發明，但本發明並不限於這些實施例。
1.各材料的準備準備了以下的片和粘著劑。
a-1TC-50TXS(商品名；信越化學工業株式會社制、厚度500μm、ASKER C硬度40)a-2TC-50THS(商品名；信越化學工業株式會社制、厚度500μm、ASKER C硬度20)a-3TC-45BG(商品名；信越化學工業株式會社制、厚度450μm、肖氏A型硬度85)a-4TC-45EG(商品名；信越化學工業株式會社制、厚度450μm、肖氏A型硬度90)[熱軟化性熱傳導性片]b-1PCS-TC-20-G-10(商品名；信越化學工業株式會社制、厚度100μm)b-2PCS-TC-11-G-13(商品名；信越化學工業株式會社制、厚度130μm)[熱傳導性片]c-1MACFOIL(日本マテツクス株式會社制、厚度130μm、面方向的熱傳導率150W/(m·K))c-2鋁箔(日本輕金屬株式會社制、厚度50μm、面方向的熱傳導率237W/(m·K))[熱軟化性熱傳導性片]d-1PCS-TC-20-G-20(商品名；信越化學工業株式會社制、厚度200μm)[熱傳導性矽橡膠片]e-1TC-20BG(商品名；信越化學工業株式會社制、厚度200μm、肖氏A型硬度85)[矽氧烷粘著劑]b-3KR-101-10(商品名；信越化學工業株式會社制)2.熱傳導性複合片的製造適宜組合上述熱傳導性矽橡膠片、熱軟化性熱傳導性片、熱傳導性片，通入到室溫的雙輥間，進行壓合，製成熱傳導性複合片。在進行熱壓合的場合，將上述雙輥加熱到100℃，同樣地壓合。再者，對於一部分的試樣，使用矽氧烷粘著劑代替熱軟化性熱傳導性片，將該矽氧烷粘著劑塗布於上述熱傳導性矽橡膠片或者熱傳導性片之後，使用上述雙輥同樣地壓合。
3.評價將得到的各熱傳導性複合片切成5×5cm，對此試驗片評價下述特性。
(1)片厚度使用測微計(株式會社ミツトヨ制、型號M820-25VA)測定。
(2)熱阻在電晶體(富士電機株式會社制；商品名2SD923)和散熱片(株式會社オ-エス制、商品名FBA-150-PS)之間夾裝各試驗片，以壓縮加載345kPa的負載。散熱片預先放入恆溫水槽中，在65℃保溫，在實驗開始的同時從恆溫槽取出，安裝試驗片。接著，向電晶體供給10V、3A的電，測定經過5分鐘後的電晶體溫度T1、和埋入到散熱片的熱電偶的溫度T2，由下式算出樣品的熱阻Rs(℃/W)。
Rs＝(T1-T2)/30(3)再次加工性在2片標準鋁板之間夾入各試驗片，以壓縮加載490kPa的負載後，在150℃的烘箱中放置96小時。放置後，用手向拉離鋁板的方向加力，判定鋁板和試驗片之間的容易剝離程度。
評價A容易剝離評價B施加少許的力就剝離評價C難剝離評價D非常難剝離，容易引起層間剝離得到的熱傳導性複合片的構成、以及評價結果示於表1中。再者，在表1中，按第一層、第二層的順序層合各片(或粘著劑)，並且使第一層側接觸電晶體，使相反側的外層接觸散熱片側。
表1
由表1可以看出，各實施例均熱阻低(0.5℃/W以下)，放熱性能優良，同時再次加工性也優良。再者，實施例3、4由於將高硬度的矽橡膠作為熱傳導性矽橡膠片設置在外層側，因此熱阻變高少許，但實用上沒有問題，而再次加工性大幅度地提高。另外，在將面方向的熱傳導性優良的熱傳導層設置於外層側的實施例1、2、5-7和9中，熱阻極低，為約0.3℃/W以下。
另一方面，作為中間層使用了矽氧烷粘著劑的比較例1-3中，由於該中間層的熱傳導性降低，因此熱阻均超過了0.5℃/W。另外，製成2層結構的比較例4、5中，外層與外部密合，引起層間剝離。在外層側設置了粘著性的熱軟化性熱傳導層的比較例6中，由於片表面的粘著性變高，因此再次加工性惡化。
如以上說明的那樣，本發明的熱傳導性複合片，熱傳導性和再次加工性均優良，適合作為用於發熱性電子部件等的放熱、冷卻所用的放熱結構體。
權利要求
1.一種熱傳導性複合片，其特徵在於，具有按下述順序層疊了下述層的結構(a)由含有熱傳導性填充劑的矽橡膠構成的熱傳導性矽橡膠層、(b)含有有機矽樹脂和熱傳導性填充劑，並有粘著性的熱軟化性熱傳導層、和(c)在面方向的熱傳導率為20-500W/(m·K)的熱傳導層。
2.根據權利要求1所記載的熱傳導性複合片，其特徵在於，在所述熱傳導層表面還進一步設置了(d)含有有機矽樹脂和熱傳導性填充劑，並有粘著性的第二熱軟化性熱傳導層。
3.一種熱傳導性複合片，其特徵在於，具有按下述順序層疊了下述層的結構(a)由含有熱傳導性填充劑的矽橡膠構成的熱傳導性矽橡膠層、(b)含有有機矽樹脂和熱傳導性填充劑，並有粘著性的熱軟化性熱傳導層、和(e)由含有熱傳導性填充劑的矽橡膠構成，並且硬度比所述熱傳導性矽橡膠層低的第二熱傳導性矽橡膠層。
4.一種製造權利要求1-3的任一項所記載的熱傳導性複合片的方法，其特徵在於，在依次層疊了所述熱傳導性矽橡膠層、所述熱軟化性熱傳導層、以及所述熱傳導層或所述第二熱傳導性矽橡膠層的狀態下進行室溫壓合或熱壓合。
全文摘要
本發明提供可使熱傳導性和再次加工性同時提高的熱傳導性複合片及其製造方法。所述的熱傳導性複合片具有依次層疊了下述層的結構(a)由含有熱傳導性填充劑的矽橡膠構成的熱傳導性矽橡膠層、(b)含有有機矽樹脂和熱傳導性填充劑，並有粘著性的熱軟化性熱傳導層、(c)在面方向的熱傳導率為20－500W/(m·K)的熱傳導層、或者由含有熱傳導性填充劑的矽橡膠構成並且硬度比上述熱傳導性矽橡膠層低的第二熱傳導性矽橡膠層。所述熱傳導性複合片的製造方法包括在依次層疊了上述熱傳導性矽橡膠層、上述熱軟化性熱傳導層、以及上述熱傳導層或上述第二熱傳導性矽橡膠層的狀態下進行室溫壓合或熱壓合。
文檔編號H01L23/34GK1536653SQ200410030029
公開日2004年10月13日 申請日期2004年3月17日 優先權日2003年4月3日
發明者青木良隆, 丸山貴宏, 米山勉, 手塚裕昭, 美田邦彥, 磯部憲一, 一, 宏, 彥, 昭 申請人:信越化學工業株式會社