DE60130176T2

DE60130176T2 - Wärmeleitende Platte mit Leiterfolie

Info

Publication number: DE60130176T2
Application number: DE2001630176
Authority: DE
Inventors: Akio c/o Kitagawa Industries Co. Nagoya-shi Yamaguchi; Yasuhiro Nagoya-shi Kawaguchi; Hideharu Nagoya-shi Kawai
Original assignee: Kitagawa Industries Co Ltd
Current assignee: Kitagawa Industries Co Ltd
Priority date: 2000-08-10
Filing date: 2001-08-08
Publication date: 2008-01-10
Anticipated expiration: 2021-08-09
Also published as: DE60130176D1; JP2002057254A; JP3609697B2; US20020037419A1; EP1180798B1; US6733614B2; US20030143412A1; EP1180798A1

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf ein wärmeleitendes Schichtmaterial mit einer leitenden Folie, das durch Druckverbinden bzw. Pressverbinden einer wärmeleitenden Schicht und einer leitenden Folie über eine Grundschicht hergestellt wird.
Hintergrund der Erfindung
Ein wärmeleitendes Schichtmaterial wurde bisher vorwiegend durch Kneten und Bilden eines Materials, wie z.B. Silikon-Kautschuk und EPDM, mit einem wärmeleitenden Füllmaterial hergestellt. Ein derartiges wärmeleitendes Schichtmaterial ist z.B. zwischen einem wärmeerzeugenden elektronischen Bauteil und einer Wärmesenke, wie z.B. einer Wärmezerstreuungsplatte oder einer Metallgehäusetafel, innerhalb eines elektrischen/elektronischen Geräts angeordnet, um die von dem elektronischen Bauteil erzeugte Wärme wirkungsvoll abzustrahlen. Es besteht daher ein Bedarf an einem derartigen wärmeleitenden Schichtmaterial, das als wesentlich betrachtet wird, um z.B. die Geschwindigkeit von CPUs zu erhöhen.
Zusätzlich können bei elektrischen/elektronischen Geräten äussere elektromagnetische Wellen den Eingabe/Ausgabe-Signalen des elektronischen Bauteils, wie z.B. einer CPU, als Rauschen überlagert werden, oder durch das elektronische Bauteil selbst erzeugte elektromagnetische Wellen können den anderen Signalen als Rauschen überlagert werden. Um das elektronische Bauteil gegenüber dem Einfluss der äuße ren elektromagnetischen Wellen zu schützen und um die durch das elektronische Bauteil erzeugten elektromagnetischen Wellen zu beeinflussen, kann eine leitende Folie an einer Seite des obigen wärmeleitenden Schichtmaterials zur Wärmesenke hin angeklebt werden. Da die leitende Folie im allgemeinen aus einem Metall mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit besteht, wird durch das Vorhandensein der leitenden Folie zwischen dem wärmeleitenden Schichtmaterial und der Wärmesenke die Strahlung des wärmeleitenden Schichtmaterials nicht gehemmt.
Ein wärmeleitendes Schichtmaterial ist aus der EP-A-0987757 bekannt und umfasst eine wärmeleitende Schicht sowie eine Klebeschicht, die mit wärmeleitenden Partikeln gefüllt ist.
Während des Bildens des wärmeleitenden Schichtmaterials wird jedoch eine Hautschicht auf der Oberfläche des wärmeleitenden Schichtmaterials gebildet, und es besteht die Möglichkeit, dass diese Hautschicht die Wärmeleitung von dem wärmeleitenden Schichtmaterial zu der leitenden Folie unterbricht. Obwohl die Hautschicht durch eine Vorabverarbeitung entfernt werden kann, wird eine unebene Oberfläche des wärmeleitenden Schichtmaterials erzeugt. Folglich tritt eine geringe Haftung zwischen dem wärmeleitenden Schichtmaterial und der leitenden Folie auf, wodurch eine Verringerung der Wärmeleitfähigkeit verursacht wird. Wenn die leitende Folie an dem wärmeleitenden Schichtmaterial haftet, ist es bei dem herkömmlichen Verfahren außerdem üblich, eine Grundschicht zwischen ihnen vorzusehen, um die Haftung zu verbessern. In diesem Fall kann jedoch auch die Grundschicht die Wärmeleitung von dem wärmeleitenden Schichtmaterial zu der leitenden Folie unterbrechen.
Zusammenfassung der Erfindung
Bei dem wärmeleitenden Schichtmaterial mit einer leitenden Folie, die durch Druckverbinden bzw. Pressverbinden des wärmeleitenden Schichtmaterials und der leitenden Folie über eine Grundschicht hergestellt wird, besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, die Wärmeleitung von dem wärmeleitenden Schichtmaterial zu der leitenden Folie zu verbessern und somit die Wärmestrahlung des wärmeleitenden Schichtmaterials mit der leitenden Folie zu verbessern.
Um diese Aufgabe zu lösen, wird eine wärmeleitendes Schichtmaterial mit einer leitenden Folie der vorliegenden Erfindung durch Druckverbinden bzw. Pressverbinden einer wärmeleitenden Schicht und einer leitenden Folie über eine Grundschicht hergestellt, in welche ein wärmeleitendes Füllmaterial in Form von Pulver, Schnipseln, Haaren oder Fasern gemischt wird.
Als Basismaterial der Grundschicht kann eine Silanverbindung, eine Titanatverbindung, eine Aluminatverbindung, eine Karbonsäureverbindung und eine Phosphatverbindung verwendet werden.
Da die Grundschicht der vorliegenden Erfindung das wärmeleitende Füllmaterial beigemischt hat, unterbricht sie nicht die Wärmeleitung von dem wärmeleitenden Schichtmaterial zu der leitenden Folie. Das wärmeleitende Füllmaterial liegt in Form von Pulver, Schnipseln, Haaren oder Fasern vor, und das wärmeleitende Schichtmaterial und die leitende Folie sind über die Grundschicht druckverbunden, in welcher das wärmeleitende Füllmaterial beigemischt ist. Somit erfolgt durch das wärmeleitende Füllmaterial zum Zeitpunkt des Druckverbindens eine mechanische Zerstörung einer Hautschicht auf der Oberfläche der wärmeleitenden Schicht. Daher wird die Wärmeleitung von der wärmeleitenden Schicht zu der leitenden Folie durch die Hautschicht überhaupt nicht gestört.
Das wärmeleitende Schichtmaterial mit der leitenden Folie der vorliegenden Erfindung verbessert die Wärmeleitung von der wärmeleitenden Schicht zu der leitenden Folie, wodurch die negative Wirkung der Hautschicht und der Grundschicht beseitigt wird und somit die Wärmestrahlung des wärmeleitenden Schichtmaterials mit der leitenden Folie verbessert wird. Da die wärmeleitende Schicht und die leitende Folie über die Grundschicht druckverbunden sind, hat das wärmeleitende Schichtmaterial der leitenden Folie der vorliegenden Erfindung darüber hinaus eine bessere Festigkeit.
Bei der vorliegenden Erfindung wird eine magnetische Folie als leitende Folie verwendet. Somit wird die Wirkung der Abschirmung elektromagnetischer Wellen bei der leitenden Folie weiter verbessert. Zusätzlich zu den zuvor erwähnten Vorteilen verhindert daher das wärmeleitende Schichtmaterial mit der leitenden Folie der vorliegenden Erfindung wirkungsvoll die Überlagerung äußerer elektromagnetischer Wellen auf die Eingabe/Ausgabe-Signale des elektronischen Bauteils und verhindert auch, dass durch das elektronische Bauteil erzeugte elektromagnetische Wellen den anderen Signalen überlagert werden.
Kurzbeschreibung der Figuren
Die Erfindung wird nun beispielhaft anhand der begleitenden Zeichnung beschrieben, wobei:
eine einzige Figur eine erklärende Ansicht ist, welche einen schematischen Aufbau des wärmeleitenden Schichtmaterials mit der leitenden Folie gemäss der vorliegenden Erfindung darstellt.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Zunächst wird ein wärmeleitendes Schichtmaterial als eine wärmeleitende Schicht der vorliegenden Erfindung folgendermaßen hergestellt.
Durch Mischen eines fluidförmigen Basismaterials, eines wärmeleitenden Füllmaterials und eines Öls wird das wärmeleitende Füllmaterial in dem Basismaterial dispergiert. Es können Paraffin oder Polyethylen-Kautschuk oder Harz als Basismaterial mit Thermoplastizität verwendet werden, und Silikon-Kautschuk oder ein anderer synthetischer Kautschuk können als Basismaterial mit wärmeaushärtenden Eigenschaften verwendet werden. Als wärmeleitendes Füllmaterial können Aluminiumoxid, Siliziumkarbid, Bornitrid, Metalloxid und Metallpulver und dergleichen verwendet werden.
Zum Mischen des Basismaterials und des Füllmaterials können eine Extrusionsmaschine, eine Zweiwalzen-Maschine, ein Kneter und ein Planetenmischer verwendet werden. Ein derartiges Basismaterial in fester Form, das mit dem wärmeleitenden Füllmaterial geknetet wird, wird zu einer Folie geformt, und man erhält das wärmeleitende Schichtmaterial. Eine Kalanderwalze, eine Extrusionsmaschine, eine Pressmaschine, eine Beschichtungsmaschine und dergleichen können für das Pressformen verwendet werden.
Unter Verwendung des oben beschriebenen wärmeleitenden Schichtmaterials als wärmeleitende Schicht, wird nun das wärmeleitende Schichtmaterial mit leitender Folie der vorliegenden Erfindung erzeugt. Eine einzige Figur zeigt eine erklärende Ansicht, die einen schematischen Aufbau eines wärmeleitenden Schichtmaterials mit leitender Folie der vorliegenden Erfindung zeigt. Wie man in der Figur sieht, erhält man das wärmeleitende Schichtmaterial 1 mit leitender Folie gemäss dem Ausführungsbeispiel durch Druckverbinden einer magnetischen Folie 5, die eine leitende Folie aus einer magnetischen Metallfolie ist, mit der wärmeleitenden Schicht 3, die wie oben über eine Grundschicht hergestellt ist. Als Basismaterialien können Silanverbindungen, Titanatverbindungen, Aluminatverbindungen, Karboxylsäureverbindungen und Phosphatverbindungen verwendet werden. Eine Silanverbindung ist z.B. ein Silan-Kopplungsmaterial, wie z.B. γ-Methacryloxypropyl-Trimethoxysilan, γ-Aminopropyl-Triethoxysilan und Polyethoxy-Dimethylsiloxan. Die Grundschicht 7 besteht aus einem Gemisch der oben erwähnten Verbindungen und einem Lösungsmittel, wie z.B. Xylen, Zyklohexan und Ethylazetat. Vor dem Druckverbinden wird die Grundschicht 7 mit demselben wärmeleitenden Füllmaterial 9 geknetet, das auch in der wärmeleitenden Schicht 3 verwendet wurde, und es wird an die magnetische Folie 5 geklebt. Nach dem Druckverbinden wird die wärmeleitende Schicht 3 derart vulkanisiert, dass das Basismaterial einen elastomeren Zustand einnimmt. Somit wird das wärmeleitende Schichtmaterial 1 mit der leitenden Folie der vorliegenden Erfindung gewonnen.
Die Grundschicht 7 des wärmeleitenden Schichtmaterials 1 mit der leitenden Folie hat das dispergierte wärmeleitende Schichtmaterial 9. Daher hat die Grundschicht 7 eine hohe Wärmeleitfähigkeit und unterbricht nicht die Wärmeleitung von der wärmeleitenden Schicht 3 zu der magnetischen Folie 5. Das wärmeleitende Füllmaterial 9 liegt in Form eines Pulvers, Schnipseln, Haaren oder Fasern vor, und über die Grundschicht 7, welche das wärmeleitende Füllmaterial 9 enthält, werden die wärmeleitende Schicht 3 und die magnetische Folie 5 druckverbunden. Deshalb zerstört das wärmeleitende Füllmaterial 9 nach dem Druckverbinden spontan eine Hautschicht auf der Oberfläche der wärmeleitenden Schicht 3.
Mit anderen Worten wird die Hautschicht mit einer niedrigen Wärmeleitfähigkeit auf der Oberfläche der wärmeleitenden Schicht 3 gebildet, wenn die wärmeleitende Schicht 3 zu ei nem Schichtmaterial geformt wird. Dennoch unterbricht die Hautschicht nicht die Wärmeleitung von der wärmeleitenden Schicht 3 zu der magnetischen Folie 5, da die Hautschicht des wärmeleitenden Schichtmaterials 1 mit der leitenden Folie zerstört wird. Daher verbessert das wärmeleitende Schichtmaterial mit der leitenden Folie der vorliegenden Erfindung die Wärmeleitung von der wärmeleitenden Schicht zu der leitenden Folie, wodurch ungünstige Wirkungen der Hautschicht und der Grundschicht beseitigt werden, wodurch die Wärmestrahlung des wärmeleitenden Schichtmaterials mit der leitenden Folie verbessert wird. Da die wärmeleitende Schicht und die leitende Folie über die Grundschicht druckverbunden sind, hat das wärmeleitende Schichtmaterial mit der leitenden Folie gemäss der vorliegenden Erfindung ausserdem eine bessere Festigkeit.
Beispiel
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand eines Beispiels speziell beschrieben. Das wärmeleitende Schichtmaterial 1 mit der leitenden Folie wird tatsächlich hergestellt, und die Differenz der Eigenschaften, die sich aus der Menge des wärmeleitenden Füllmaterials 9 ergeben, wird untersucht. Zunächst werden EPDM (Ethylen-Propylen-Dien-Terpolymer) als Basismaterial und Siliziumkarbid als wärmeleitendes Füllmaterial geknetet und mittels einer Pressmaschine (oder einer Kalanderwalze) geformt, um die wärmeleitende Schicht 3 zu gewinnen. Durch Druckverbinden des wärmeleitenden Schichtmaterials 3 und der magnetischen Folie 5 über die Grundschicht 7, welche unterschiedliche Mengen an Aluminiumoxid-Pulver enthält, wird dann das wärmeleitende Schichtmaterial 1 mit der leitenden Folie hergestellt. Die Grundschicht 7 des vorliegenden Beispiels umfasst eine Mischung aus γ-Methacryloxypropyl-Trimethoxy-Silan und Xylen. Was die magnetische Folie 5 anbelangt, können ein flachgewalztes magnetisches Material, wie z.B. Fe-Si, Fe-Cr, Fe-Si-Al, Fe, Fe-Ni, ein Nanokristall auf Fe-Basis oder auf amorpher Basis verwendet werden. Zum Vergleich werden zusätzlich das wärmeleitende Schichtmaterial 1 und die magnetische Folie 5 über die Grundschicht 7 druckverbunden, die kein Aluminiumoxid-Pulver enthält, und es wird ein anderes wärmeleitendes Schichtmaterial mit leitender Folie hergestellt. Die Wärmeleitfähigkeit jedes hergestellten wärmeleitfähigen Schichtmaterials ist in Tabelle 1 gezeigt. Tabelle 1

Menge von Aluminiumoxid-Pulver in Grundschicht (Gew.%) Wärmeleitfähigkeit (W/m·k)

0 1,71

10 1,77

20 1,88

30 1,84

50 1,82
Tabelle 1 zeigt, dass ein wärmeleitendes Schichtmaterial mit einer leitenden Folie, welche die Grundschicht 7 mit Aluminiumoxid-Pulver hat, eine höhere Wärmeleitfähigkeit als diejenige ohne Aluminiumoxid-Pulver hat. Man nimmt an, dass der Grund hierfür darin liegt, dass beim Druckverbinden der wärmeleitenden Schicht 3 und der magnetischen Folie 5 über die Grundschicht 7 die Hautschicht an der Oberfläche der wärmeleitenden Schicht 3 durch Aluminiumoxid-Pulver in der Grundschicht 7 spontan zerstört wird. Zusätzlich zeigt Tabelle 1, dass trotz Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit in Übereinstimmung mit der Erhöhung des in der Grundschicht 7 enthaltenen Aluminiumoxid-Pulvers eine Abnahme eintritt, nachdem die Spitze bei ungefähr 20 Gew.% Aluminiumoxid-Pulver erreicht wird.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf das obige Ausführungsbeispiel beschränkt, und es sind andere Abwandlungen und Veränderungen im Rahmen der vorliegenden Erfindung möglich. So kann z.B. Aluminiumhydroxid für das wärmeleitende Füllmaterial in der Grundschicht ersetzt werden. Eine durch Dampfabscheidung (PVD oder CVD) hergestellte Folie kann als magnetische Folie verwendet werden. Eine Aluminiumfolie, Eisenfolie oder Kupferfolie sind unter metallischer Folie ebenfalls enthalten (eine Form einer leitenden Folie). Die Kombination von Materialien, die für die wärmeleitende Schicht, die leitende Folie, die Grundschicht und das wärmeleitende Füllmaterial in der Grundschicht verwendet werden können, lässt sich aus den zuvor erwähnten Materialien frei auswählen.

Claims

Wärmeleitendes Schichtmaterial (1) zur Verwendung als wärmeleitende Schicht zwischen einem wärmeerzeugenden Element und einem wärmezerstreuenden Element, wobei das wärmeleitende Schichtmaterial aufweist: eine leitende Folie (5), die mit einer wärmeleitenden Schicht (3) druckverbunden ist über eine Grundschicht (7), die sich zwischen der leitenden Folie und der wärmeleitenden Schicht befindet, um das Haften und die thermische Leitfähigkeit zwischen der leitenden Folie und der wärmeleitenden Schicht zu erleichtern, wobei die Grundschicht ein Basismaterial aufweist, in welches ein wärmeleitendes Füllmaterial (9) in Form von Pulver, Schnipseln, Haaren oder Fasern gemischt ist.
Wärmeleitendes Schichtmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die leitende Folie eine magnetische Folie ist.
Wärmeleitendes Schichtmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wärmeleitende Schicht eine erste Oberfläche mit einer Hautschicht hat, die während des Druckverbindens mechanisch zerstört wird, um die Wärmeleitfähigkeit durch die Hautschicht zu erhöhen.
Wärmeleitendes Schichtmaterial nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetische Metallfolie ein flachgewalztes magnetisches Material ist, das aus einer Gruppe ausgewählt wird, die Fe-Si, Fe-Cr, Fe-Si-Al, Fe, Fe-Ni und Nanokristalle auf Fe-Basis enthält.
Wärmeleitendes Schichtmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundschicht aus einem thermoplastischen Basismaterial aus Paraffin oder Polyethylen-Kautschuk oder Harz hergestellt wird, und das wärmeleitende Füllmaterial aus der Gruppe ausgewählt wird, die Aluminiumoxid, Siliziumkarbid, Bornitrid, Metalloxid und Metallpulver enthält.
Verfahren zum Bilden eines wärmeleitenden Schichtmaterials (1) nach Anspruch 1 zur Verwendung als wärmeleitende Schicht zwischen einem wärmeerzeugenden Element und einem wärmezerstreuenden Element, wobei das Verfahren zur Bildung des wärmeleitenden Schichtmaterials die folgenden Schritte aufweist: – Herstellen einer wärmeleitenden Schicht (3), – Bilden einer Grundschicht (7) mit einem Basismaterial, das ein wärmeleitendes Füllmaterial (9) in Form von Pulver, Schnipseln, Haaren oder Fasern enthält, und – Druckverbinden bzw. Pressverbinden der Grundschicht zwischen der leitenden Folie (5) und der wärmeleitenden Schicht, um das Haften und die Wärmeleitfähigkeit zwischen der leitenden Folie und der wärmeleitenden Schicht zu erleichtern.