JP5809349B2 - サーマルインターフェースマテリアルならびにそれを含む組成物、システムおよび装置 - Google Patents
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Description
一部の実施形態は、マトリックス材料全体に分散した細長い熱伝導性粒子の伝導性パーコレーションネットワークを有する組成物を含む。細長い熱伝導性粒子は、少なくとも約25:1のアスペクト比を有する。好ましくは、アスペクト比は、少なくとも約40:1である。さらに好ましくは、アスペクト比は、少なくとも約50:1である。一部の構成では、アスペクト比は、少なくとも約100:1である。パーコレーションネットワークは、通常、三次元ネットワークである。細長い熱伝導性粒子は、好ましくは、パーコレーションネットワーク中で、ランダムに配向している。好ましくは、伝導性パーコレーションネットワークは、複数の熱伝導経路を有する。熱伝導経路は、低熱抵抗性である。
本明細書で使われる用語「a」または「an」実体は、1つまたは複数のその実体を意味する。従って、用語の「a」(または「an」)、「1つまたは複数の」および「少なくとも1つの」は、本明細書では同義に使用できる。また、用語の「含む(comprising)」、「含む(including)」、および「有する(having)」は、同義に使用できることに留意されたい。
パーコレーションネットワーク102経路は、好ましくは、低抵抗経路である。より好ましくは、低抵抗経路は、低抵抗性熱経路である。さらに、低抵抗経路は、好ましくは、2つ以上、さらに好ましくは、3つ以上の細長い熱伝導性粒子101の間で形成される。一部の構成では、パーコレーションネットワーク102は、通常、少なくとも約2Wm−1K−1の熱伝導率、よくある例では、少なくとも約5Wm−1K−1の熱伝導率、さらによくある例では、少なくとも約100Wm−1K−1の熱伝導率、さらによくある例では、少なくとも約500Wm−1K−1の熱伝導率、さらによくある例では、少なくとも約1000Wm−1K−1の熱伝導率である。
カーボンナノチューブは、通常、金属黒鉛ナノチューブ、半導体カーボンナノチューブ、または金属および半導体カーボンナノチューブの混合物のうちの1つを含む。「金属黒鉛ナノチューブ」は、通常、1つまたは複数の約500Wm−1K−1を超える熱伝導率を有するカーボンナノチューブを意味する。「半導体カーボンナノチューブ」は、通常、金属黒鉛ナノチューブ以外のカーボンナノチューブを意味する。別段の指示がない限り、「カーボンナノチューブ」は、通常、金属および半導体カーボンナノチューブの混合物を意味する。さらに典型的な例では、金属および半導体カーボンナノチューブの混合物を含む少なくともほとんどのカーボンナノチューブが、半導体カーボンナノチューブであり、またさらに典型的な例では、少なくとも約60%が半導体カーボンナノチューブであり、またさらに典型的な例では、少なくとも約70%が半導体カーボンナノチューブであり、またさらに典型的な例では、少なくとも約80%が半導体カーボンナノチューブであり、またさらに典型的な例では、少なくとも約90%が半導体カーボンナノチューブである。上述のように、カーボンナノチューブは、単層でも多層カーボンナノチューブでもよい。一部の構成では、カーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブ、二層カーボンナノチューブ、少数層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブはたは単層、二層、少数層および多層カーボンナノチューブの混合物である。
構成要素間の熱界面境界抵抗は、複数の構成要素からなる(すなわち、複合材料である)サーマルインターフェースマテリアルにおける熱伝導率損失の実質的な原因となる。熱界面境界抵抗は、典型的な例では、構成要素が相互に最接近状態である場合の接合部で測定される。構成要素間の熱移動は、電荷キャリア(電子およびホール)およびフォノンを介して起こると考えられている。電気伝導性の材料は、主に、電荷キャリアを介して熱エネルギーを移動する傾向があり、一方、電気絶縁体および/または半導体材料は、主にフォノン輸送を介して熱エネルギーを移動する傾向がある。
銀塩の熱分解により銀金属でカーボンナノチューブを被覆した。銀金属に熱分解する銀塩のいくつかの例が知られている。親水性の表面処理剤と一緒に提供された市販のカーボンナノチューブを利用して、直接銀金属コーティングを進めた。この表面化学作用は、カーボンナノチューブと塩複合体の間に密な接触を生成するように選択された。カーボンナノチューブをグラインディングによりすり込むことによりポリマーマトリックス中へ導入した。銀塩複合体を少しずつ添加し、グラインディングによりすり込むことによりカーボンナノチューブと銀塩複合体をポリマーマトリックス中にさらに分散させた。
テルル化ビスマス結晶をカーボンナノチューブの表面上に成長させ、半連続的コーティングを残し(図16)、それらの存在を分析的手段で確認した。その後、薄膜の製作時にこれらの材料を、ポリマーマトリックス中に組み込んだ。
薄膜およびペースト試料をカーボンナノチューブおよび/または銀金属ナノワイヤの組込みにより調製した。カーボンナノチューブと銀ナノワイヤの共懸濁液から真空濾過法により試料を調製した。図13は、製作プロセスの模式図を示す。この図に示すように、懸濁液濃度が増加するに伴い、試料厚さおよび材料密度も増加する。
Claims (12)
- マトリックス材料全体に分布した細長い熱伝導性粒子を有する伝導性パーコレーションネットワークを含む組成物において、
前記細長い熱伝導性粒子が被覆された細長い粒子であり、被覆された細長い粒子が、被覆カーボンナノチューブ、被覆グラフェンシート、被覆された細長い黒鉛粒子およびこれらの混合物から本質的に構成される群から選択され、被覆された細長い粒子が、Ge、Si、Ga、As、Sb、Bi、Te、Cd、S、Se、Hg、P、In、Pb、Sn、Cu、Ag、Au、これらのうちの2つの元素の任意の原子比率での組み合わせ、これらのうちの3つの元素の任意の原子比率での組み合わせ、およびこれらのうちの他の組み合わせの1つまたは複数を含むコーティング材料で被覆され、かつ前記マトリックス材料が、有機高分子材料、無機高分子材料、高分子有機金属材料およびこれらの組み合わせ、から本質的に構成される群から選択される、組成物。 - 前記細長い熱伝導性粒子が、前記組成物の20容量%を超えない容量%を構成し、前記マトリックス材料が、前記組成物の少なくとも80容量%を構成し、かつ
前記細長い熱伝導性粒子が、
i)(a)少なくとも25:1;
(b)少なくとも40:1;および
(c)少なくとも100:1;
のうちの1つの平均アスペクト比;
ii)0.1〜500ナノメートルの平均厚さ;および
iii)10〜1,000ミクロン(μm)の平均長さ;
のうちの1つまたは複数を有する、請求項1に記載の組成物。 - パーコレーションネットワークが、三次元ネットワークであり、細長い熱伝導性粒子が、マトリックス材料全体にわたり等方向的に分布し、伝導性パーコレーションネットワークが複数の低抵抗経路を有し、低抵抗経路が低熱境界抵抗を有し、パーコレーションネットワークを形成する少なくとも一部の細長い熱伝導性粒子が、細長い熱伝導性粒子当たり少なくとも2つの低抵抗経路を有し、かつ少なくとも2つの低抵抗経路が1つの細長い熱伝導性粒子と少なくとも2つの他の細長い熱伝導性粒子との間にある、請求項1に記載の組成物。
- 伝導性パーコレーションネットワークが、熱伝導性であり、かつ組成物が少なくとも2Wm−1K−1の熱伝導率を有する請求項1に記載の組成物。
- 伝導性パーコレーションネットワークが、電荷キャリアおよびフォノン伝導性ネットワークの一方または両方を含む請求項1に記載の組成物。
- 有機高分子材料が、ポリオレフィン、ポリスチレン、ポリビニル、ポリアクリル酸、ポリハロオレフィン、ポリジエン、ポリオキシド/エーテル/アセタール、ポリスルフィド、ポリエステル/チオエステル、ポリアミド/チオアミド、ポリウレタン/チオウレタン、ポリウレア/チオウレア、ポリイミド/チオイミド、ポリ酸無水物/チオ酸無水物、ポリカーボネート/チオカーボネート、ポリイミン、ポリケトン/チオケトン、ポリスルホン/スルホキシド/スルホン酸塩/スルホンアミド、ポリフェニレンのホモポリマー、ブロック共重合体、高分子混合物およびブレンド、高分子合金、および共重合体、ならびにこれらの混合物、から本質的に構成される群から選択される請求項1に記載の組成物。
- 被覆カーボンナノチューブが、単層カーボンナノチューブ、二層カーボンナノチューブ、少数層カーボンナノチューブ、および多層カーボンナノチューブのうちの少なくとも1つ、または単層および多層カーボンナノチューブの混合物のうちの1つを含み、かつ無機高分子材料が、ポリシラン、ポリゲルマン、ポリスタンナン、ポリボラジレン、ポリホスファゼン、ポリシロキサン、ポリジメチルシロキサン、ポリメチルヒドロシロキサン、ポリジフェニルシロキサン、ポリシラザン、ペルヒドロポリシラザン、ポリ(ジクロロホスファゼン)、ポリ(窒化硫黄)、ポリチアジル、およびポリスルフィド、またはこれらの混合物から本質的に構成される群から選択される請求項6に記載の組成物。
- コーティングが短い電子フォノン結合長さを有し、かつコーティングが、10−2cmを超えない電子フォノン結合長さを有する請求項7に記載の組成物。
- 第1の熱エネルギーを受けるための第1の表面;
第2の熱エネルギーを出力するための第2の表面;および
第1の表面と第2の表面との間に配置され、かつマトリックス材料に全体にわたり分布した細長い熱伝導性粒子を有する熱伝導性の伝導性パーコレーションネットワークを含む複合材料を含み、第1の熱エネルギーが、第2の熱エネルギーより大きく、前記細長い熱伝導性粒子が被覆された細長い粒子であり、被覆された細長い粒子が、Ge、Si、Ga、As、Sb、Bi、Te、Cd、S、Se、Hg、P、In、Pb、Sn、Cu、Ag、Au、これらのうちの2つの元素の任意の原子比率での組み合わせ、これらのうちの3つの元素の任意の原子比率での組み合わせ、およびこれらのうちの他の組み合わせの1つまたは複数を含むコーティング材料で被覆され、被覆された細長い粒子が、被覆された細長いナノチューブ、被覆グラフェンシート、被覆された細長い黒鉛粒子およびこれらの混合物から本質的に構成される群から選択され、かつ前記マトリックス材料が、有機高分子材料、無機高分子材料、高分子有機金属材料およびこれらの組み合わせ、から本質的に構成される群から選択されるシステム。 - 以下のi)〜iv):
i)細長い熱伝導性粒子が、前記複合材料の20容量%を超えない容量%を構成する;
ii)細長い熱伝導性粒子が、少なくとも25:1の平均アスペクト比を有する;
iii)細長い熱伝導性粒子が、0.1〜500ナノメートルの平均直径および厚さのうちの少なくとも1つを有する;および
iv)細長い熱伝導性粒子が、10〜1,000ミクロン(μm)の平均長さを有する、
のうちの少なくとも1つが真であり、コーティングが10−2cmを超えない電子フォノン結合長さを有し、マトリックス材料が前記複合材料の少なくとも80容量%を構成し、有機高分子材料が、ポリオレフィン、ポリスチレン、ポリビニル、ポリアクリル酸、ポリハロオレフィン、ポリジエン、ポリオキシド/エーテル/アセタール、ポリスルフィド、ポリエステル/チオエステル、ポリアミド/チオアミド、ポリウレタン/チオウレタン、ポリウレア/チオウレア、ポリイミド/チオイミド、ポリ酸無水物/チオ酸無水物、ポリカーボネート/チオカーボネート、ポリイミン、ポリケトン/チオケトン、ポリスルホン/スルホキシド/スルホン酸塩/スルホンアミド、ポリフェニレンのホモポリマー、ブロック共重合体、高分子混合物およびブレンド、高分子合金、ならびに共重合体、ならびにこれらの混合物から本質的に構成される群から選択され、無機高分子材料が、ポリシラン、ポリゲルマン、ポリスタンナン、ポリボラジレン、ポリホスファゼン、ポリシロキサン、ポリジメチルシロキサン、ポリメチルヒドロシロキサン、ポリジフェニルシロキサン、ポリシラザン、ペルヒドロポリシラザン、ポリ(ジクロロホスファゼン)、ポリ(窒化硫黄)、ポリチアジル、およびポリスルフィド、またはこれらの混合物から本質的に構成される群から選択され、パーコレーションネットワークが三次元ネットワークであり、伝導性パーコレーションネットワークが複数の低抵抗経路を有し、低抵抗経路が低熱境界抵抗を有し、少なくとも一部のパーコレーションネットワークを形成する細長い熱伝導性粒子が細長い熱伝導性粒子当たり少なくとも2つの低抵抗経路を有し、少なくとも2つの低抵抗経路が1つの細長い熱伝導性粒子と少なくとも2つの他の細長い熱伝導性粒子との間にあり、伝導性パーコレーションネットワークが熱伝導性であり、複合材料が少なくとも2Wm−1K−1の熱伝導率を有し、伝導性パーコレーションネットワークが電荷キャリアおよびフォノン伝導性ネットワークの片方または両方を含み、システムが、パワーエレクトロニクスシステム、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ、コンピュータシステム、集積回路チップ、中央処理装置、集積回路、フィールドプログラマブルゲートアレー、グラフィックスプロセシングユニット、マイクロプロセッサグリッドアレイ、フリップチップボールグリッドアレイ、光電池、トランジスタ、オーディオアンプ、ヒートパイプジョイント、進行波管増幅器、パワーエレクトロニクス部品、遠隔操作航空機、無人飛行体、超小型飛行体、F−22航空機システム、F−35航空機システム、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ、指向性エネルギー兵器、固体レーザーシステム、高電圧電子部品システム、レーザーシステム、ソリッドステートリレー、高出力レーザーシステム、高出力レーダーシステム、高出力車両ラジエータシステム、相補型金属酸化膜半導体システム、電気通信システム、能動センシングシステム、画像処理システム、LED固定システム、電気および電子部品用のハウジングおよび筐体システムのうちの少なくとも1つ、電気コネクタシステム、自動車用アンダフード冷却システム、高性能車両用ラジエータエンドキャップシステム、燃料ポンプシステム、高温流体輸送用のパイプおよび管システムのうちの少なくとも1つ、電気自動車のIGBT/CMOS冷却適用システム、キャパシタシステム、ウルトラキャパシタシステム、熱伝導性接着剤システム、およびこれらの組み合わせのうちの1つを含み、第1の表面が、第2の表面より高い温度であり、第2の表面が、ヒートシンク、ヒートスプレッダまたはこれらの組み合わせのうちの少なくとも1つであり、かつ第1の表面が、
a)バイポーラトランジスタ;
b)銅層;
c)トランジスタ基板;
d)集積回路プロセッサ;
e)中央処理装置;
f)集積回路;
g)ゲートアレイ;
h)グラフィックスプロセシングユニット;
i)マイクロプロセッサチップ;
j)フリップチップボールグリッドアレイ;
k)光電池;
l)加熱管;
m)進行波管増幅器および進行波管増幅器ハウジング;
n)パワーエレクトロニクス部品;
o)金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ;
p)伝導性ナノコンポジット;
q)1つまたは複数の固体レーザー部品、ケーシング、およびレーザー駆動高電圧電子部品;
r)ソリッドステートリレー;
s)高出力電子部品;
t)相補型金属酸化膜半導体;
u)LED固定部品およびハウジングのうちの少なくとも1つ;
v)電気および電子部品のハウジングおよび筐体のうちの少なくとも1つ;
w)自動車用部品;および
x)キャパシタおよびウルトラキャパシタ、
のうちの少なくとも1つである請求項9に記載のシステム。 - 第1の部品;
熱エネルギー放散部品である第2の部品;および
第1の部品と第2の部品との間に配置された複合材料;
を含む装置であって、
複合材料が、マトリックス材料全体にわたり分布した細長い熱伝導性粒子を有する伝導性パーコレーションネットワークを含み、マトリックス材料が第1の部品と第2の部品との間に配置され、前記細長い熱伝導性粒子が被覆された細長い粒子であり、被覆された細長い粒子が、Ge、Si、Ga、As、Sb、Bi、Te、Cd、S、Se、Hg、P、In、Pb、Sn、Cu、Ag、Au、これらのうちの2つの元素の任意の原子比率での組み合わせ、これらのうちの3つの元素の任意の原子比率での組み合わせ、およびこれらのうちの他の組み合わせの1つまたは複数を含むコーティング材料で被覆され、被覆された細長い粒子が、被覆された細長いナノチューブ、被覆グラフェンシート、被覆された細長い黒鉛粒子およびこれらの混合物から本質的に構成される群から選択され、かつ前記マトリックス材料が、有機高分子材料、無機高分子材料、高分子有機金属材料およびこれらの組み合わせ、から本質的に構成される群から選択される装置。 - 以下のi)〜iv):
i)細長い熱伝導性粒子が、前記複合材料の20容量%を超えない容量%を構成する;
ii)細長い熱伝導性粒子が、少なくとも25:1の平均アスペクト比を有する;
iii)細長い熱伝導性粒子が、0.1〜500ナノメートルの平均直径および厚さのうちの少なくとも1つを有する;および
iv)長い熱伝導性粒子が、10〜1,000ミクロン(μm)の平均長さを有する、
のうちの少なくとも1つが真であり、コーティングが10−2cmを超えない電子フォノン結合長さを有し、マトリックス材料が前記複合材料の少なくとも80容量%を構成し、有機高分子材料が、ポリオレフィン、ポリスチレン、ポリビニル、ポリアクリル酸、ポリハロオレフィン、ポリジエン、ポリオキシド/エーテル/アセタール、ポリスルフィド、ポリエステル/チオエステル、ポリアミド/チオアミド、ポリウレタン/チオウレタン、ポリウレア/チオウレア、ポリイミド/チオイミド、ポリ酸無水物/チオ酸無水物、ポリカーボネート/チオカーボネート、ポリイミン、ポリケトン/チオケトン、ポリスルホン/スルホキシド/スルホン酸塩/スルホンアミド、ポリフェニレンのホモポリマー、ブロック共重合体、高分子混合物およびブレンド、高分子合金、ならびに共重合体、ならびにこれらの混合物から本質的に構成される群から選択され、無機高分子材料が、ポリシラン、ポリゲルマン、ポリスタンナン、ポリボラジレン、ポリホスファゼン、ポリシロキサン、ポリジメチルシロキサン、ポリメチルヒドロシロキサン、ポリジフェニルシロキサン、ポリシラザン、ペルヒドロポリシラザン、ポリ(ジクロロホスファゼン)、ポリ(窒化硫黄)、ポリチアジル、およびポリスルフィド、またはこれらの混合物から本質的に構成される群から選択され、パーコレーションネットワークが三次元ネットワークであり、伝導性パーコレーションネットワークが複数の低抵抗経路を有し、低抵抗経路が低熱境界抵抗を有し、少なくとも一部のパーコレーションネットワークを形成する細長い熱伝導性粒子が細長い熱伝導性粒子当たり少なくとも2つの低抵抗経路を有し、少なくとも2つの低抵抗経路が、1つの細長い熱伝導性粒子と少なくとも2つの他の細長い熱伝導性粒子との間にあり、伝導性パーコレーションネットワークが熱伝導性であり、複合材料が少なくとも2Wm−1K−1の熱伝導率を有し、伝導性パーコレーションネットワークが電荷キャリアおよびフォノン伝導性ネットワークの片方または両方を含み、装置が、パワーエレクトロニクスシステム、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ、コンピュータシステム、集積回路チップ、中央処理装置、集積回路、フィールドプログラマブルゲートアレー、グラフィックスプロセシングユニット、マイクロプロセッサグリッドアレイ、フリップチップボールグリッドアレイ、光電池、トランジスタ、オーディオアンプ、ヒートパイプジョイント、進行波管増幅器、パワーエレクトロニクス部品、遠隔操作航空機、無人飛行体、超小型飛行体、F−22航空機システム、F−35航空機システム、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ、指向性エネルギー兵器、固体レーザーシステム、高電圧電子部品システム、レーザーシステム、ソリッドステートリレー、高出力レーザーシステム、高出力レーダーシステム、高出力車両ラジエータシステム、相補型金属酸化膜半導体システム、電気通信システム、能動センシングシステム、画像処理システム、LED固定システム、電気および電子部品用のハウジングおよび筐体システムのうちの少なくとも1つ、電気コネクタシステム、自動車用アンダフード冷却システム、高性能車両用ラジエータエンドキャップシステム、燃料ポンプシステム、高温流体輸送用のパイプおよび管システムのうちの少なくとも1つ、電気自動車のIGBT/CMOS冷却適用システム、キャパシタシステム、ウルトラキャパシタシステム、熱伝導性接着剤システム、およびこれらの組み合わせのうちの1つの熱界面部品であり、さらに、第2の部品が、ヒートシンク、ヒートスプレッダまたはこれらの組み合わせのうちの少なくとも1つであり、かつ第1の部品が、
a)バイポーラトランジスタ;
b)銅層;
c)トランジスタ基板;
d)集積回路プロセッサ;
e)中央処理装置;
f)集積回路;
g)ゲートアレイ;
h)グラフィックスプロセシングユニット;
i)マイクロプロセッサチップ;
j)フリップチップボールグリッドアレイ;
k)光電池;
l)加熱管;
m)進行波管増幅器および進行波管増幅器ハウジング;
n)パワーエレクトロニクス部品;
o)金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ;
p)伝導性ナノコンポジット;
q)1つまたは複数の固体レーザー部品、ケーシング、およびレーザー駆動高電圧電子部品;
r)ソリッドステートリレー;
s)高出力電子部品;
t)相補型金属酸化膜半導体;
u)LED固定部品およびハウジングのうちの少なくとも1つ;
v)電気および電子部品のハウジングおよび筐体のうちの少なくとも1つ;
w)自動車用部品;および
x)キャパシタおよびウルトラキャパシタ、
のうちの少なくとも1つである、請求項11に記載の装置。
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