TW201320116A - 電磁波吸收性導熱片及電子機器 - Google Patents

Abstract

本發明的課題在於提供一種導熱特性與電磁波吸收特性兩種功能良好的電磁波吸收性導熱片。為解決此課題，該電磁波吸收性導熱片(11)，其係配置於電子機器(1)內部的發送高頻信號之高頻信號發送基板(17)附近，其特徵在於，於可撓性樹脂材料含有第1磁性金屬粒子及第2磁性金屬粒子，其中該第2磁性金屬粒子之平均粒徑與電阻率均小於第1磁性金屬粒子。

Description

電磁波吸收性導熱片及電子機器

本發明係有關於一種電磁波吸收性導熱片，其可自電子機器內部的發送高頻信號之信號發送部附近，例如半導體封裝體等電子零件，向散熱板或熱管、散熱器等散熱零件高效地傳導熱，並吸收電磁波。

本申請案係基於日本2011年8月18日所申請之日本專利申請編號特願2011-178854，主張優先權，藉由參照該申請案而引用至本申請案中。

近年來，電子機器不斷呈現出小型化之趨勢，且應用程式多樣化，然而未能使耗電量亦隨之變化，機器內的散熱對策愈加受到重視。

作為上述電子機器的散熱對策，由銅或鋁等導熱率較高的金屬材料製成之散熱板或熱管、或散熱器等被廣泛利用。將該等導熱性優異的散熱零件以貼近電子機器內部的作為發熱部之半導體封裝體等電子零件的方式進行配置，以謀求散熱效果或緩和機器內部之溫度上升。並且，該等導熱性優異的散熱零件，係自作為發熱部之電子零件向低溫處配置。並且，將具有可撓性之導熱片配置於電子零件與金屬散熱零件之間，以填補當電子零件與金屬散熱零件接合時所產生之空隙。

由於該等導熱性優異的散熱零件為金屬，因此作為其副作用，因接收電信號的高諧波成分而產生電磁感應，結 果經常引起多餘的電磁波輻射。

又，電子機器內部的發熱部，係高電流密度的半導體元件等電子零件。高電流密度指可能導致多餘的輻射之電場強度或磁場強度較大。因此，若將金屬製成之散熱零件配置於電子零件附近，則同時接收熱與流經電子零件內之電信號的高諧波成分之情況較為常見。

具體而言，由於散熱零件係由金屬材料製造而成，因此產生以下現象：其本身作為高諧波成分的天線而發揮功能，或作為高諧波雜訊成分的通信通路而發揮功能。

於此種背景下，有導熱片為了抑制散熱零件作為天線而發揮功能，即為了切斷磁場的耦合，而含有磁性材料之情形(專利文獻1)。此種導熱片係，藉由使有機矽系或丙烯酸系等高分子材料含有例如鐵氧磁體(ferrite)等具有高磁導率之磁性材料，來實現導熱特性與電磁波抑制特性這兩種功能。

專利文獻1：日本特開2006-310812號公報

具有上述導熱特性與電磁波抑制特性兩種功能之導熱片根據作為母材之高分子材料中所含有的目標粉末之填充量，其特性顯著變化。

例如，導熱率若根據布魯格曼(Bruggeman)公式，存在以下關係。(參考：「電子機器零件用散熱材料之高導熱化及導熱性之測定、評價技術」，技術資訊研究所，2003年出版)

此處，λ_e係片材整體的導熱率，λ_d係導熱性材料的導熱率，λ_c係母材的高分子材料的導熱率，φ係導熱性材料占片材之體積分率。

又，通常使用相對複磁導率(μ_r=μ_r’-jμ_r")的虛數部分μ_r"，作為電磁波抑制特性的指標。關於該磁氣特性，若根據例如李赫田納科(Lichtenecker)公式，亦存在以下關係。(參考：「低損耗高介電常數磁體之相關研究」，電子資訊通信學會論文期刊C,Vol.J86-C,No.4,pp.450-456,2003) log(μ _r )=v ₁×log(μ _r1)+v ₂×log(μ _r2)

此處，μ_r係片材整體的相對複磁導率，μ_r1係磁性材料的相對複磁導率，μ_r2係母材的相對複磁導率，υ₁係磁性材料的體積分率，υ₂係母材的體積分率。

如上所述，導熱特性及電磁波抑制特性根據填充於各片材之磁性材料及導熱性材料的填充量，而顯著變化。

然而，在製造此種電磁波吸收性導熱片時，僅是將任意的磁性粉末與樹脂混合，則粉末的填充量有限。

當最為緊密地填充相同尺寸的球狀磁性粉末時，其最大填充率為74vol%。當填充更多的磁性粉末時，在先前填充之球狀磁性粉末的縫隙中，依次填入直徑較小的球狀磁性粉末。

如此一來，當於樹脂中填充物質時，與樹脂的親密性 成為問題，填充物質之比表面積較小的可高填充，通常，粒徑較大的填充物質由於單位體積的比表面積較小，因此容易高填充。

然而，當使用粒徑較大的金屬磁性粒子作為填充物質時，受集膚效應(skin effect)影響，高頻帶中的磁導率降低，無法實現良好的磁吸收特性。如果使用電阻率較高的金屬材料以減輕此種集膚效應，通常會產生導熱率變小，導熱性受損之問題。

本發明係鑒於此種實際情況而提出，其目的在於提供一種導熱特性與電磁波吸收特性兩種功能良好的電磁波吸收性導熱片、及構裝有該電磁波吸收性導熱片之電子機器。

為解決上述課題，本發明提供一種電磁波吸收性導熱片，配置於電子機器內部的發送高頻信號之信號發送部附近，其特徵在於，於可撓性樹脂材料含有第1磁性金屬粒子及第2磁性金屬粒子，其中該第2磁性金屬粒子之平均粒徑與電阻率均小於第1磁性金屬粒子。

又，本發明的電子機器具備：發送高頻信號之信號發送部；及，配置於信號發送部附近之電磁波吸收性導熱片；電磁波吸收性導熱片於可撓性樹脂材料含有第1磁性金屬粒子及第2磁性金屬粒子，其中該第2磁性金屬粒子之平均粒徑與電阻率均小於第1磁性金屬粒子。

由於本發明係於可撓性樹脂材料含有第1磁性金屬粒子及第2磁性金屬粒子，其中該第2磁性金屬粒子之平均粒徑與電阻率均小於該第1磁性金屬粒子，因此，可提供 一種導熱特性與電磁波抑制特性兩種功能良好的導熱片。進而，可提供一種具有高導熱性與高電磁波抑制效果，且兼具可撓性之電磁波抑制散熱片。

以下，參照圖式，詳細地說明實施方式。再者，本發明並非僅限定於以下實施方式，在不脫離本發明的要旨之範圍內，當可作各種更動。

應用本發明之電磁波吸收性導熱片，係配置於電子機器內部的發送高頻信號之信號發送部附近。該電磁波吸收性導熱片，係自例如半導體封裝體等電子零件，向散熱板或熱管、散熱器等散熱零件高效地傳導熱，並吸收電磁波。

<貼著有導熱性片之電路板>

應用本發明之電磁波吸收性導熱片，係貼著於例如圖1A所示之電子機器1內部的電路板1a上。即，如圖1A所示之具有電磁波吸收性與導熱性之片材11，係配置於發送高頻信號之高頻信號發送基板17、與使高頻信號發送基板17所發出之熱散熱之散熱金屬板12之間。具體而言，片材11係以分別使一面11a緊貼於將構成高頻信號發送基板17之半導體封裝體密封之樹脂模具13，使另一面11b緊貼於散熱金屬板12的方式貼著於電路板1a。

高頻信號發送基板17，係電子機器1內部的發送高頻信號之信號發送部的具體例，由在介電基板16的一面形成為GND電極之銅箔15、與在另一面經圖案化而構成之銅的信號線14形成，並構成微帶線(microstripline)。

高頻信號發送基板17，係設計為將本身作業時的遠電場強度抑制在特定值以下，以避免產生多餘的輻射的影響。在具有此種高頻信號發送基板17之電路板1a中，散熱金屬板12，透過片材11，接收流經相對向之高頻信號發送基板17的信號線14內之電信號的高諧波成分，並作為高諧波成分的天線而發揮功能，結果使遠電場強度增大。為了抑制散熱金屬板12作為天線而發揮作用，並實現良好的導熱特性，於片材11中含有磁性金屬粒子，且使磁性金屬粒子占片材11之體積分率在特定值以上。

再者，例如圖1B所示，具有應用本發明之電磁波吸收性導熱功能之片材11，亦可不緊貼於散熱金屬板12。即，如圖1B所示地使用，藉此，片材11不會使高頻信號發送基板17所產生之熱的散熱效率惡化，可吸收由高頻信號發送基板17所放出之電磁波。

繼而，說明應用本發明之片材11的具體構成。片材11係於可撓性樹脂材料含有第1磁性金屬粒子及第2磁性金屬粒子，其中該第2磁性金屬粒子之平均粒徑與電阻率均小於第1磁性金屬粒子。

由後述性能評價可知，具有此種構成之片材11，可同時具備良好的導熱特性與良好的電磁波抑制特性。

繼而，使用於下列條件下製成之片材11作為電磁波吸收性導熱片的實施例，並評價導熱特性與電磁波抑制效果。

首先，使用矽氧樹脂作為可撓性樹脂材料，使用平均粒徑為6μm之球狀磁性非晶合金作為第1磁性金屬粒子， 使用平均粒徑為1.5μm之球狀鐵粉作為第2磁性金屬粒子。在本實施方式中，「平均粒徑」具體指依據中徑(亦稱為D50。)定義粉體之值，所述中徑係當由某一粒徑分成兩個時，較大一側與較小一側為等量，例如在該實施例中，可利用雷射繞射、散射方法來計算。

於100g矽氧樹脂中，加入10g耦合劑，50vol%球狀磁性非晶合金及24vol%球狀鐵粉，並用真空攪拌機攪拌，然後使其成為厚1.5mm的片狀，在100℃、30分鐘之環境下使之硬化，從而製造電磁波吸收性導熱片。

此處，在實施例的片材中，為了實現高頻信號所放出之電磁波的吸收性，例如實現1GHz帶域以上的電磁波吸收性，使用電阻率為0.5μΩm以上之材料作為第1磁性金屬粒子，但就增大平均粒徑並提高填充性之觀點來看，尤佳為使用電阻率為0.8μΩm以上之材料。又，在實施例的片材中，第2磁性金屬粒子的電阻率小於第1磁性金屬粒子，即低於0.5μΩm即可，尤佳為0.3μΩm以下，以實現良好的導熱性。

高電阻率的磁性金屬非晶粒子適合作為第1及第2磁性金屬粒子。磁性金屬非晶粒子例如可列舉：Fe-Si-B系、Fe-Si-B-C系、Co-Si-B系、Co-Zr系、Co-Nb系及Co-Ta系等，但並非僅限於此。

再者，並非僅限於磁性金屬非晶系，亦可使用結晶系、微結晶系的磁性材料。作為結晶系的磁性金屬，可列舉出，Fe系、Co系、Ni系，或Fe-Ni系、Fe-Co系、Fe-Al 系、Fe-Si系、Fe-Si-Al系、Fe-Ni-Si-Al系等。作為微結晶系的磁性金屬，係在該等結晶系材料中加入微量的N、C、O及B等，並使其微細結晶化後的材料。

在實施例的片材中，使用該等複數種材料中電阻率為0.5μΩm以上且球、多面體等大致呈球狀之磁性粒子的至少一種以上來作為第1磁性金屬粒子，並使用相較於第1磁性金屬粒子，平均粒徑較小，且電阻率小於0.5μΩm之磁性粒子的至少一種以上來作為第2磁性金屬粒子。

又，若第2磁性金屬粒子的平均粒徑相對於第1磁性金屬粒徑，粒徑比率在5~50%的範圍內，則可設定為複數種。即，可組合使用複數種材料、組成、粒徑，來作為第2磁性金屬粒子。

又，在實施例的片材中，除第2磁性金屬粒子的粉體之外，亦可添加氧化鋁、氮化硼、氮化矽、氮化鋁及碳化矽等導熱粒子，以提高導熱率。較佳為，此種導熱粒子相較於第1磁性金屬粒子，粒徑較小，且形狀近似於球形。

又，可撓性樹脂例如可列舉：環氧樹脂、酚醛樹脂、三聚氰胺樹脂、脲樹脂、不飽和聚酯等樹脂；或矽氧橡膠、胺酯橡膠、丙烯酸橡膠、丁基橡膠及乙烯丙烯橡膠等橡膠，但並非僅限於此。又，在實施例的片材中，更可適量添加阻燃劑、反應調節劑、交聯劑及矽烷耦合劑等表面處理劑而使用。

測定相對複磁導率與導熱率，以調查如此製成之片材的性能。

首先，如下述所地進行複磁導率之測定。將製成之片材打通成外徑20mm、內徑6mm之環狀，從而製造測定用樣品。使用安捷倫科技公司(Agilent Technologies)製造之測定器「Agilent 4291B RF阻抗/材料分析儀」，測定該測定用樣品的相對複磁導率。

又，如下所述地進行導熱率之測定。將製成之片材切割成大小為1cm左右的方形，並將該切割出之樣品夾持於金屬性散熱器與金屬製加熱箱(heater case)之間，在以1kgf的力加壓使其接觸之狀態下，對金屬製加熱箱充電而進行加熱。當金屬製加熱箱與金屬性散熱器達到固定溫度時，測量其間的溫度差。根據下述公式，計算導熱率。

導熱率=(電力×樣品厚度)/(溫度差×測定面積)

藉由上述測定，從而獲得如圖2所示之相對複磁導率的測定結果。即，圖2係表示相對複磁導率的虛數部分的測定結果。由於相對複磁導率的虛數部分為磁導率的磁損耗項，因此，可用作磁吸收特性的評價指標。由圖2可明確看出，以2GHz為中心，磁損耗較大。

此種磁性金屬材料的高頻中的磁損耗，主要係由渦流損耗與鐵磁共振所導致。

其中，磁性材料的飽和磁化越高，鐵磁共振的峰值頻率越向高頻側偏移。其原因在於，當初始磁導率為μ_i，共振頻率為fr，且飽和磁化為Is時，(μ_i-1)fr與Is成比例關係。在如此高填充磁性粒子之片狀成形品中，由磁性粒子間的磁結合，去磁場的影響銳減，磁導率升高，共振頻 率向低頻側移動，但當磁體的飽和磁化為100A．m²/kg以上時，可使共振頻率處於GHz帶域中。因此，在低於該共振頻率之頻帶中，渦流損耗成為磁損耗的主體。作為參考文獻，可列舉出，久村、久保、加藤：「電磁雜訊抑制導熱片」，第33次日本磁氣學會學術演講會摘要集，14pF-14，(2009)。

又，球狀磁性金屬粒子中由渦流損耗所導致之磁導率的惡化，可使用以米氏散射(Mie scattering)為基礎之複數渦流因素(R.Ramprasad and et al：J.Appl.Phus,96519(2004))作為評價指標。

圖3係將球狀磁性金屬粒子的平均粒徑設為6μm，初始磁導率μ_i設為40，並計算當改變電阻率時的相對複磁導率的虛數部分μ_r"的頻率特性，以評價球狀磁性金屬粒子中由渦流損耗所導致之磁導率的惡化。

此處，相對複磁導率的虛數部分係使用初始磁導率μ_r"進行規格化而示出。如圖3所明示，若電阻率較低，則磁損耗向低頻層大幅偏移。在使用有平均粒徑為6μm之球狀磁性金屬粒子之片材中，為了使磁損耗的峰值處於GHz帶域中，電阻率須為0.5μΩm以上。

又，為了獲得與使用電阻率為0.5μΩm，平均粒徑為6μm，初始磁導率μ_i為40之磁性金屬粒子之片材相同的頻率特性，在使用電阻率為1.1μΩm、0.9μΩm、0.1μΩm之磁性金屬粒子之片材中，需要分別使平均粒徑為9μm、8μm、2.8μm，以。如此一來，若為電阻率較高的材料， 即使增大粒徑，亦可獲得良好的吸收高頻帶電磁波之頻率特性，若為電阻率較低的材料，則必須減小粒徑，才可獲得良好的吸收高頻帶電磁波之頻率特性。

在實施例的片材中，為了實現吸收如上所述之高頻帶的電磁波之頻率特性，考慮以下幾點，將平均粒徑不同的磁性金屬粒子高填充於可撓性樹脂材料。

首先，作為常被用於磁性金屬粒子之製造的方法，有霧化法，可製造之粒徑通常為數μm~數十μm，用於商業之材料的最小粒徑為約5~6μm。

因此，作為用於吸收GHz帶中的電磁波之電磁波吸收性片材的磁性金屬粒子，例如，當使用平均粒徑為5~6μm之粒子時，需要使用電阻率為0.5μΩm以上之材料。

將此種用於吸收GHz帶中的電磁波之材料作為第1磁性金屬材料，進而將平均粒徑較小的磁性金屬粒子作為第2磁性金屬材料，配置為填充於第1磁性金屬材料之間，則可提高粒子整體的填充率。

尤其，使用相對於第1磁性金屬粒子的平均粒徑，粒徑大小為5~50%之第2磁性金屬粒子，且相對於第1磁性金屬粒子，第2磁性金屬粒子的混合比率為10~60vol%，藉此，可提高磁性金屬粒子占可撓性樹脂之填充。

此處，第2磁性金屬粒子，由於粒徑小而不易受渦流損耗之影響，因此無需提高電阻率，就提高導熱率之觀點來看，選擇電阻率較小的粒子。其原因在於，由於金屬中的自由電子之移動影響導熱率，因此電導率較高，即電阻 率較小的金屬材料可提高導熱率。

為了同時具有在良好的高頻帶中的電磁波吸收性與導熱性，在上述實施例中，選擇電阻率為1.1μΩm、平均粒徑為6μm之球狀磁性非晶合金作為第1磁性金屬粒子，選擇電阻率為0.15μΩm、平均粒徑為1.5μm之球狀鐵粉作為第2磁性金屬粒子。因此，在實施例的片材中，可在如圖3所示之GHz帶域中獲得較大的磁損耗，並實現良好的電磁雜訊抑制效果。

又，在實施例的片材中，導熱率亦較高，為2.0W/m．K，兼具優異的導熱特性。

此處，作為比較對象，將與實施例組成相同的非晶粉用於磁性金屬粒子，與各實施例相同地分別摻合50vol%、24vol%之平均粒徑為10μm、3μm之粒子，從而製造出片材，並對導熱率進行評價。比較對象的片材的導熱率為1.71W/m．K。相較於此種比較對象的片材，實施例的片材11，由於係使用電阻率低於非晶粉之鐵粉，來作為第2磁性金屬粒子，藉此，可將導熱率提高18%左右。

如上所述，在實施例的片材中，自實現高頻帶中的電磁波吸收性之觀點而言，因為抑制集膚效應，故即便於第1磁性金屬粒子使用電阻率較高的材料，亦可藉由於第2磁性金屬粒子使用電阻率較低的材料，來使成品片材的導熱率大幅提高。

如上所述，由於應用本發明之電磁波吸收性導熱片係於可撓性樹脂材料含有第1磁性金屬粒子及第2磁性金屬 粒子，其中該第2磁性金屬粒子之平均粒徑與電阻率均小於該第1磁性金屬粒子，故可提供一種導熱特性與電磁波抑制特性兩種功能良好的導熱片。進而，可提供一種具有高導熱性與高電磁波抑制效果，且兼具可撓性之電磁波抑制散熱片。

尤其，電磁波吸收性導熱片，藉由選擇第1磁性金屬粒子的電阻率為0.5μΩm以上之材料，並選擇第2磁性金屬粒子的電阻率小於0.5μΩm之材料，可高效地吸收自發送GHz帶域之信號發送部所放射之電磁波，並獲得良好的導熱性。

1‧‧‧電子機器

1a‧‧‧電路板

11‧‧‧片材

12‧‧‧散熱金屬板

13‧‧‧樹脂模具

14‧‧‧信號線

15‧‧‧銅箔

16‧‧‧介電基板

17‧‧‧高頻信號發送基板

圖1A係表示構裝有應用本發明之電磁波吸收性導熱片之電子機器的構成。

圖1B係表示構裝有應用本發明之電磁波吸收性導熱片之電子機器的變化例之圖。

圖2係用於說明應用本發明之電磁波吸收性導熱性片的電磁波吸收特性之圖。

圖3係用於說明與應用本發明之電磁波吸收性導熱性片的電磁波吸收特性相關之頻率特性之圖。

1‧‧‧電子機器

1a‧‧‧電路板

11‧‧‧片材

11a、11b‧‧‧表面

12‧‧‧散熱金屬板

13‧‧‧樹脂模具

14‧‧‧信號線

15‧‧‧銅箔

16‧‧‧介電基板

17‧‧‧高頻信號發送基板

Claims (5)

1. 一種電磁波吸收性導熱片，配置於電子機器內部的發送高頻信號之信號發送部附近，其特徵在於：於可撓性樹脂材料含有第1磁性金屬粒子及第2磁性金屬粒子，其中該第2磁性金屬粒子之平均粒徑與電阻率均小於該第1磁性金屬粒子。
2. 如申請專利範圍第1項之電磁波吸收性導熱片，其中，該信號發送部，發送高於1GHz之高頻信號，該第1磁性金屬粒子之電阻率為0.5μΩm以上，該第2磁性金屬粒子之電阻率小於0.5μΩm。
3. 如申請專利範圍第1項之電磁波吸收性導熱片，其中，該第1磁性金屬粒子為球狀粒子。
4. 如申請專利範圍第3項之電磁波吸收性導熱片，其中，該第2磁性金屬粒子相對於該第1磁性金屬粒子之混合比率為10~60vol%，且，該第2磁性金屬粒子相對於該第1磁性金屬粒子之粒徑比率為5~50%。
5. 一種電子機器，具備：發送高頻信號之信號發送部；及配置於該信號發送部附近之電磁波吸收性導熱片，其中該電磁波吸收性導熱片於可撓性樹脂材料含有第1磁性金屬粒子及第2磁性金屬粒子，該第2磁性金屬粒子之平均粒徑與電阻率均小於該第1磁性金屬粒子。