JP5220467B2 - 電子部品を冷却するための熱ペースト及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、高い熱伝導性の調合物を作成するために用いられる高い熱伝導性のミックスを作成するために用いられる、高い熱伝導性の混合物に関し、この調合物の１つは、ＶＬＳＩチップのような電子部品を冷却する伝熱手段としての特定の用途を有する。

電子デバイス及び部品は熱を生成し、多くの用途においては、デバイスが機能するためには熱が有効に散逸されることが必要である。一例として、基板上にアレイとして取り付けられた集積回路チップは、より高速なコンピュータ速度を達成する必要があり、電子デバイスの小型化は、より多くの熱を生成し、且つ電子デバイスの能動部品のより高密度なパッキングを必要とする部品をもたらす結果となっている。しかしながら、このような部品及びより高密度なパッキングの使用は、生成された熱が能動部品から有効に除去される場合にのみ実施可能であり、そのような電子部品を冷却するための多くの技術が開発されている。

液体冷却剤はこのような高密度冷却用途で一般に使用されており、部品を冷却するために個別の冷却部材を提供する種々のシステムが当該分野において開示されている。電子部品から熱を除去するために、フィン、チャネル、バッフル、及び他の熱交換器タイプのデバイスが開発されている。集積回路チップの冷却のための例示的な装置は、特許文献１及び特許文献２に示されている。

これらの冷却デバイスの大部分において、冷却される電子部品と冷却デバイスとの間にはエア・スペースがあり、このエア・スペースは比較的低い伝熱率を有する。この問題を克服するために、両方の表面を接触及び接続し、高伝熱の伝導性手段を提供することによって、電子部品から冷却デバイスへの熱の伝達を増強するための、熱グリース又はペースト、ゲル、接着剤、及び複合体と通常呼ばれる、熱コンパウンド又は調合物が開発されている。以下の説明は、電子冷却デバイスのための熱ペーストに向けられるが、本発明は、化粧品、薬剤、及び自動車製品のような他の製品の製造にも適用可能である。

熱コンパウンドは、高い熱伝導率を有していなければならず、好ましくは、電気絶縁体である。このコンパウンドは、また、低い粘度を有していなければならず、かつ柔軟（compliant）でなければならず、その結果、熱コンパウンドは冷却される電子部品の表面に容易に塗布することができ、冷却プロセスに対して有害なエア・ギャップを最小化するために曲げられ又は傾けられていることが多い電子部品の微視的に粗い表面に適合することができる。低い粘度は、また、電子部品及び部品を基板に取り付ける固体結合剤が脆弱なので、熱コンパウンドを塗布するために必要とされる力は最小限とすべきであるため、重要である。

電子システムにおいて用いられる多くの熱コンパウンドが開発されており、一般に、熱コンパウンドは、硬化性又は非硬化性の液体誘電体媒体中に、分散剤、酸化防止剤、及び安定剤といった他の成分と共に、熱伝導性粒子を含む。

特許文献３及び特許文献４は、電子部品から熱を伝達するための、比較的一定の熱伝導率及び粘度を有する、相安定性の熱伝導性ペーストを提供する。このペーストの重要な成分は、熱伝導性粒子と反応性の官能基及び液体担体と類似の極性の官能基を有する有機シランのようなカップリング剤の使用である。

特許文献５において、安定な高固形分の、高い熱伝導率のペーストが開示され、これは、液体−固体分離を抑制する安定化分散剤を含み、より多くの熱伝導性固体がペースト中に混和されることを促進する。安定化分散剤の例は、モノマー酸、モノマー性、オリゴマー性及び／又はポリマー性の脂肪酸エステル及びそれらの塩、石油スルホン酸塩、並びにポリイミドである。ＩＣＩにより成され、Stansfield及びHypermersに与えられた特許文献６において開示されているようなポリエステルは、安定化分散剤として有用であることがこの特許において開示されている。

しかしながら、産業界の高まる需要は、現在開発中の新しいコンピュータ及び他の電子部品と共に使用するために、改良された熱伝導率を有する熱コンパウンドを必要としている。一般に、熱伝導率がより高いコンパウンドほど、より高い熱伝導性材料の添加量が必要とされ、１−６Ｗ／ｍＫ（ワット／メートル・度Ｋ）の範囲の熱電度率を有するコンパウンドが市販されているが、３Ｗ／ｍＫを超える熱伝導率のために必要とされる高い固形分添加量では、ペーストは濃厚すぎ、且つ硬すぎる傾向がある。

米国特許第５，１７７，６６７号 米国特許第５，２９４，８３０号 米国特許第５，０９４，７６９号 米国特許第５，２１３，７０４号 米国特許第５，０９８，６０９号 米国特許第３，７７８，２８７号

従って、従来技術の問題点及び欠点に鑑み、本発明の目的は、比較的低粘度、相安定性及び熱信頼性であると共に、約５−９Ｗ／ｍＫ及びそれ以上の広範囲の熱伝導率特性を与える必要な広範囲の熱伝導性材料の添加量レベルを有する、ペーストのような熱コンパウンドを作るために用いることができる、熱伝導性混合物を提供することである。本明細書における混合物を用いて作られる非常の望ましい熱ペーストは、５−９Ｗ／ｍＫ及びそれ以上の熱伝導度を有し、且つ１１０℃で測定して５０から５００Ｐａ・秒の粘度を有する。

本発明の他の目的は、電子部品と冷却機構との間の伝熱手段を提供するために、本発明の熱伝導性混合物を用いて作製された特別に調合された熱伝導性ペーストを使用することを含む、電子部品の冷却方法を提供することである。

本発明の他の目的は、エレクトロニクス用途のための熱ペーストを作るために用いられるのみならず、熱接着剤、ゲル、スラリー及び複合体を作るために用いることができる、熱導体混合物を提供することである。

本発明の更に他の目的は、一部は自明であり、一部は本明細書から明らかとなる。

上記の目的及び利点は本発明において達成され、本発明は、１つの態様において、熱伝導性製品を作るために有用な高い熱伝導率を有する熱伝導性充填材混合物に関し、この混合物は、
約３０から７０容量％まで、好ましくは５３から５８容量％までのＡ容量％の量の、約５から２０ミクロンまで、好ましくは１０から１５ミクロンまでの粒径範囲を有する第１の熱導体材料と、
約５から３５容量％まで、好ましくは１８から２３容量％までのＢ容量％の量の、約０．５から１０ミクロンまで、好ましくは３．０から７．５ミクロンまでの粒径範囲を有する第２の熱導体材料と、
約１０から５０容量％まで、好ましくは２１から２６容量％のＣ容量％の量の、約０．０５から２ミクロンまで、好ましくは０．３から０．５ミクロンまでの粒径範囲を有する第３の熱導体材料と、
を含み、Ａ、Ｂ及びＣは、Ａ＋Ｂ＋Ｃ≦１００の関係を満たし、
第１の熱導体材料と第２の熱導体材料と前記第３の熱導体材料とは、
第１の熱導体材料対第２の熱導体材料が約１：２から１０：１まで、好ましくは１：１から６：１まで、最も好ましくは１．２：１から５：１まで、
第１の熱導体材料対第３の熱導体材料が約１：４から６：１まで、好ましくは１：１から４：１まで、最も好ましくは１：１から３．２：１まで、且つ
第２の熱導体材料対第３の熱導体材料が約１：４から７：２まで、好ましくは１：４から１．５：１、最も好ましくは１：４から１．２：１まで
の粒子容量比率で混合物中に存在する。

本発明の他の態様において、上記混合物は、熱ペーストを作るために用いられ、この熱ペーストは、約８０重量％以上の混合物と、残余の酸化防止剤、分散剤及び／又は液体担体を含み、好ましくは、約９０から９６重量％の混合物と、２０重量％以下、好ましくは約４から１０重量％の酸化防止剤、分散剤及び／又は液体担体の有機ミックスとを含む。

本発明のさらに他の態様において、熱伝導性製品を作るために有用な熱伝導性充填材ミックスは、
約４５から９５容量％まで、好ましくは７０から７５容量％までのＤ容量％の量の、約５から２０ミクロンまで、好ましくは１０から１５ミクロンまでの粒径を有する第１の熱導体材料と、
約５容量％から５５容量％まで、好ましくは２５から３０容量％までのＥ容量％の量の、約０．０５から２ミクロンまで、好ましくは０．３から０．５ミクロンまでの粒径を有する第２の熱導体材料と、
を含み、Ｄ及びＥは、Ｄ＋Ｅ≦１００の関係を満たし、
第１の熱導体材料と前記第２の熱導体材料とは、
第１の導体材料対第２の導体材料が約１：２から４：１まで、好ましくは１：１から３：１まで、最も好ましくは１：１から２．３：１まで
の粒子容量比率で混合物中に存在する。

本発明の他の態様において、上記混合物は熱ペーストを作るために用いられ、この熱ペーストは、約８０重量％以上の混合物と、残余の酸化防止剤、分散剤及び／又は液体担体を含み、好ましくは約９０から９５重量％の混合物と、２０重量％以下、好ましくは約５から１０重量％の酸化防止剤、分散剤及び／又は液体担体の有機ミックスとを含む。

本発明の他の態様において、電子部品を冷却する方法が提供され、この方法は、
冷却する電子部品を準備するステップと、
電子部品の近傍に冷却手段を設けるステップと、
本発明の熱伝導性ペーストの層を電子部品の表面と冷却手段の表面に塗布し、電子部品と冷却手段の表面との間に熱ペーストの接続を設けるステップとを含む。

本発明で用いることができる熱導体材料粒子は、窒化ホウ素、ホウ化バナジウム、アルミニウム、及び酸化アルミニウムのような、比較的高い熱伝導率を示す広範囲の材料から選択することができる。好適な形状は、充填密度を最大化する一方で、エレクトロニクス製造に用いられる熱ペーストを作るために用いられる液体誘電体担体のような液体担体における、低粘度の粒子分散体を提供することができるように、球形又は立方体である。小板のような他の形状の材料を用いることができる。本発明で用いることができる例示的な金属粒子としては、アルミニウム、シリコン、銅、及び銀が挙げられる。炭化シリコン、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、ホウ化バナジウム、ダイアモンド、酸化アルミニウム、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、及び二酸化シリコンのようなセラミック材料を使用することができる。アルミニウム及び酸化アルミニウムが、その実証された有効性、入手可能性、及び費用効果のために好ましい。

本発明の熱ペーストの高い熱伝導率及び適切な粘度を達成するためには、異なる粒径分布の材料の混合物が重要である。

熱伝導性粒子は、好ましくは、液体担体中に分散される前にその表面が改質されるように処理される。粒子は、周囲から吸収された低い表面エネルギーの有機不純物を除去するために、空気中でのか焼のような熱処理によって改質することができる。

用途に応じた特定の特徴を有するペーストを提供するために、熱伝導性材料の混合物を利用することもできる。

混合物中の熱材料の各々の量、並びに混合物において用いられる熱伝導性材料の各々の粒径をここで記載するように制御することが、重要である。

ペースト組成物中の熱伝導性材料粒子混合物は、一般に、重量％で、９０％を超える量、通常は約９０から９６％の量、好ましくは９２から９５％の量となる。

ペーストの相分離を回避するために、分散剤材料がペースト組成物中で用いられる。

流動性で柔軟なペースト組成物を提供するために、液体担体、典型的には、油、及び溶媒で洗浄可能な飽和ポリ（アルファオレフィン）のような誘電体流体が、典型的に用いられる。

コンパウンドが酸素又は他の酸化剤に曝露されても相分離を引き起こす化学変化を起こさないように、ペースト組成物中に酸化防止剤を混和することも有利である。

特定の所望の効果を与えるために、当該分野で公知のように他の材料をペースト組成物中で利用することができる。従って、高い表面積の化学的に不活性な粒子を添加して、電子部品の電力サイクル（power cycling)がペースト組成物に熱的／機械的応力を与えてペースト組成物がブリードする傾向をもたらすような状況において、過剰な液体担体を吸収することによって相分離に抗することにより、ペースト組成物の安定性を増強することができる。ポリイソブチレンのようなポリマーをペースト組成物に添加することで、組成物の剪断安定性が増強される。

ペースト組成物は、モジュラ組み立ての際に電子部品の表面輪郭に沿うように流動性であるために十分なほど低い粘度であるが、特に電力変動に曝される場合に小さい間隙の中に塗布されて熱導体パスを形成する場合に、機械的に安定となるのに十分な粘性である。半導体部品の技術の現状において、これらの間隙は、熱パスの長さを最小化するために、１０ミル以下のサイズとすることができる。この小さな間隙は、これは安定性の問題に加えて、熱コンパウンドに高い剪断力がかかる原因となる。これらの基準を満たし、同時に本発明の熱伝導性ペーストによって提供される他の利点の全てを達成するためには、ペースト組成物は、約９０重量％から９６重量％の熱伝導性粒子を含み、残余が、分散剤、酸化防止剤、及び液体担体であることが好ましい。ペーストは、約５−１０Ｗ／ｍＫ、好ましくは約６Ｗ／ｍＫを超える熱伝導率を有し、１１０℃における粘度は約５０から５００Ｐａ・秒であることが望まれる。１１０℃における好適なペースト粘度は、約５００Ｐａ・秒未満であり、好ましくは約８０から２８０Ｐａ・秒であり、最も好ましくは約１１０Ｐａ・秒である。

本発明のペースト組成物は、当業者に公知のいかなる手段によっても作ることができる。一般に、分散剤及び液体担体が混合され、次に、連続的に撹拌しながら熱伝導性固体混合物が徐々に添加される。他の添加剤をここで添加することができる。次いで、この固体と液体との混合物を既知の技術（例えばロール・ミル）を用いてミリングして、均質なペーストを製造する。

以下の実施例は、本発明の作製及び使用の方法及びプロセスを説明し、本発明を実施するための最良の形態であると発明者が意図するものを示すが、限定と解釈すべきものではない。

熱伝導性混合物における熱伝導性材料の量及び互いの粒径比率の制御の重要性、及び熱ペースト調合物を作るための混合物の使用を示すために、比較用の熱ペースト組成物を調製した。各調合物は、残余として、Ｉｒｇａｎｏｘ酸化防止剤、担体油としてのＰＡ０６及びＰＡ０８、分散剤としての１２ヒドロキシステアリン酸エステルを含んでいた。

本発明を、特定の好適な実施形態と共に具体的に説明してきたが、前述の説明に鑑みて、多くの代替、改変及び変更が当業者には明らかとなることは明白である。従って、添付の特許請求の範囲は、本発明の真の範囲及び精神の範囲内にある限りは、そのような代替、改変及び変更のいかなるものをも包含することが意図されている。

Claims (2)

1. 熱伝導性製品を作るために有用な高い熱伝導率を有する熱伝導性充填材混合物を含む、電子部品を冷却するための熱ペーストであって、
   前記熱伝導性充填材混合物は、
   ５３容量％から５８容量％までのＡ容量％の量の、１０〜１５ミクロンまでの粒径範囲を有する第１の熱導体材料と、
   １８容量％から２３容量％までのＢ容量％の量の、３．０〜７．５ミクロンまでの粒径範囲を有する第２の熱導体材料と、
   ２１容量％から２６容量％までのＣ容量％の量の、０．３〜０．５ミクロンまでの粒径範囲を有する第３の熱導体材料と、を含み、
   前記第１の熱導体材料と前記第２の熱導体材料と前記第３の熱導体材料とが、
   第１の熱導体材料対第２の熱導体材料が１．２：１から５：１まで、
   第１の熱導体材料対第３の熱導体材料が１：１から３．２：１まで、且つ
   第２の熱導体材料対第３の熱導体材料が１：４から１．２：１まで、の粒子容量比率で前記混合物中に存在し、
   前記熱ペーストは、
   ９０〜９６重量％の前記熱伝導性充填材混合物に加えて、４〜１０重量％の分散剤、酸化防止剤、及び液体担体を含み、さらに、
   ６〜９Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有し、１１０℃における粘度が８０から２８０Ｐａ・秒である、熱ペースト。
2. 電子部品を冷却する方法であって、
   冷却する電子部品を準備するステップと、
   前記電子部品の近傍に冷却手段を設けるステップと、
   熱ペーストの層を前記電子部品の表面と前記冷却手段の表面に塗布して前記電子部品と前記冷却手段の表面との間に熱ペーストの接続を設けるステップとを含み、
   前記熱ペーストは、
   ９０〜９６重量％の熱伝導性充填材混合物と、４〜１０重量％の分散剤、酸化防止剤、及び液体担体とを含み、６〜９Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有し、１１０℃における粘度が８０から２８０Ｐａ・秒であり、
   前記熱伝導性充填材混合物は、
   ５３容量％から５８容量％までのＡ容量％の量の、１０〜１５ミクロンまでの粒径範囲を有する第１の熱導体材料と、
   １８容量％から２３容量％までのＢ容量％の量の、３．０〜７．５ミクロンまでの粒径範囲を有する第２の熱導体材料と、
   ２１容量％から２６容量％までのＣ容量％の量の、０．３〜０．５ミクロンまでの粒径範囲を有する第３の熱導体材料と、を含み、
   前記第１の熱導体材料と前記第２の熱導体材料と前記第３の熱導体材料とが、
   第１の熱導体材料対第２の熱導体材料が１．２：１から５：１まで、
   第１の熱導体材料対第３の熱導体材料が１：１から３．２：１まで、且つ
   第２の熱導体材料対第３の熱導体材料が１：４から１．２：１まで、の粒子容量比率で前記混合物中に存在する、方法。