專利名稱：散熱片材和散熱結(jié)構(gòu)體的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于散逸由發(fā)熱體產(chǎn)生的熱的散熱片材以及配備所述散熱片材的散熱結(jié)構(gòu)體。
背景技術(shù)：
存在于例如便攜式電話等電子裝置中的電子組件和其它發(fā)熱體的安裝密度已隨著這些裝置的小型化和薄型化而日趨提高，同時這些電子裝置的熱容量也在降低。此外，隨著電子裝置的防水性和防塵性的改善，這些裝置的密閉程度也在增加。因此，除了從發(fā)熱體產(chǎn)生的熱易于在電子裝置內(nèi)局部積聚以外，電子裝置殼體表面的溫度往往也容易升高。結(jié)果，加之發(fā)熱體容易因?yàn)樾顭岫艿綋p壞，因?yàn)樵撾娮友b置內(nèi)的局部蓄熱導(dǎo)致的殼體表面溫度局部升高，更可能導(dǎo)致該電子裝置使用者的不適。因此，必須避免電子裝置內(nèi)的局部蓄熱，并且從發(fā)熱體產(chǎn)生的熱的擴(kuò)散已成為重要課題。
過去，使用石墨片在有限狹窄空間中高效地?cái)U(kuò)散產(chǎn)生的熱。在發(fā)熱體上設(shè)置石墨片，并且迫使所產(chǎn)生的熱在平行于石墨片表面的方向上散逸。然而，石墨片具有以下問題。
(1)因?yàn)槭哂写植诒砻嬉约拜^大的剛性，所以即使在施加高負(fù)荷使其粘附至發(fā)熱體的情況下也無法獲得對發(fā)熱體的足夠粘附性。結(jié)果，存在不能充分降低對發(fā)熱體的接觸熱阻的情況。此外，存在對發(fā)熱體上的石墨片施加高負(fù)荷時對發(fā)熱體具有不利影響的情況。
(2)可以例如通過改變石墨片內(nèi)部的石墨晶體結(jié)構(gòu)以增加沿著石墨片厚度方向的導(dǎo)熱系數(shù)，從而能夠更高效地進(jìn)行從發(fā)熱體向石墨片的熱傳導(dǎo)。然而，在這種情況下，因?yàn)槠叫杏谑砻娣较虻膶?dǎo)熱系數(shù)降低，石墨片的熱擴(kuò)散效果消失。
(3)因?yàn)槭哂辛钊藵M意的導(dǎo)電性，在優(yōu)選石墨片不表現(xiàn)出導(dǎo)電性的情況下，需要對石墨片采取絕緣措施。
(4)因?yàn)槭狈φ承?，需要使用粘著劑將石墨片貼附至發(fā)熱體。因此，將石墨片貼附至發(fā)熱體是很麻煩的，而且，由于設(shè)置在發(fā)熱體和石墨片之間的粘著層的厚度和導(dǎo)熱性所致，石墨片的散熱效果可能降低或變得不穩(wěn)定。此外，在使用粘著劑將石墨片貼附至發(fā)熱體后，當(dāng)因?yàn)槔缧拚N附位置等原因?qū)⑹瑥陌l(fā)熱體上脫離之后再次貼附石墨片時，石墨片內(nèi)部所層壓的石墨層之間會出現(xiàn)層間分離，使得石墨片易受損傷。因此，石墨片具有較低的再次加工性(再貼附的容易程度)。
日本特開2003-168882公開了具有高剛性的石墨片和在所述石墨片上設(shè)置有柔性聚合物材料層的散熱片材，以克服石墨片的上述問題。該散熱片材的目的在于用聚合物材料層克服石墨片的上述問題。然而，日本特開2003-168882的散熱片材不能充分克服上述問題，并且仍然具有改進(jìn)的余地。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是提供一種能夠優(yōu)選用于散逸從發(fā)熱體產(chǎn)生的熱的用途的散熱片材以及散熱結(jié)構(gòu)體。
為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的上述和其它目的，提供了與發(fā)熱體一起使用的散熱片材，該散熱片材包含石墨片和電絕緣彈性層。所述石墨片設(shè)置在發(fā)熱體上。所述電絕緣彈性層設(shè)置在所述石墨片的與發(fā)熱體相對的表面上。該石墨片具有小于或等于300μm的平均厚度。該彈性層由包含聚合物基質(zhì)和顆粒狀導(dǎo)熱性填料的彈性組合物形成。該彈性層具有10至280μm的平均厚度。該導(dǎo)熱性填料的平均粒徑小于或等于所述彈性層的平均厚度的50％。該彈性組合物的導(dǎo)熱性填料含量為大于或等于30體積％，并且對于所述導(dǎo)熱性填料中平均粒徑大于或等于所述彈性層的平均厚度的95％的導(dǎo)熱性填料，該導(dǎo)熱性填料在所述彈性組合物中的含量小于15體積％。
本發(fā)明還提供了包含所述散熱片材、殼體和設(shè)置在該殼體內(nèi)的發(fā)熱體的散熱結(jié)構(gòu)體。所述散熱片材設(shè)置在該發(fā)熱體上，使得所述彈性層的表面接觸該發(fā)熱體。該殼體的自由空間的體積小于所述殼體的容積的20％。
根據(jù)下列說明，并結(jié)合附圖，舉例說明本發(fā)明的原理，本發(fā)明的其它方面和優(yōu)點(diǎn)將變得顯而易見。


通過參考對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案的下列說明，并結(jié)合附圖，可以較好地理解本發(fā)明及其目的和優(yōu)點(diǎn)，所述的附圖中圖1是本實(shí)施方案的散熱片材的橫截面圖；圖2是散熱片材的橫截面圖；圖3A是陶瓷加熱器和散熱片材的平面圖；和圖3B是陶瓷加熱器和散熱片材的橫截面圖。
具體實(shí)施例方式
下列提供了對實(shí)施方案的詳細(xì)說明，這些實(shí)施方案以基于附圖的散熱結(jié)構(gòu)體來實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。
如圖1所示，本實(shí)施方案的散熱結(jié)構(gòu)體11具有散熱片材21、殼體12和設(shè)置在所述殼體12內(nèi)的多個發(fā)熱體13。散熱片材21具有石墨片22、設(shè)置在所述石墨片22的表面22a上的彈性層23以及設(shè)置在石墨片22和彈性層23之間的阻擋層24。
將石墨片22設(shè)置在發(fā)熱體13上，在散逸從發(fā)熱體13產(chǎn)生的熱量的同時，所述熱量在平行于石墨片22的表面22a的方向上擴(kuò)散，以防止在發(fā)熱體13的內(nèi)部和附近積蓄熱量。
石墨片22的實(shí)例包括其原料為天然石墨的天然石墨片、其原料為人造石墨的人造石墨片、和其原料為天然石墨和人造石墨的混雜石墨片。石墨片22具有導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性。石墨片22的導(dǎo)熱性主要表現(xiàn)在平行于石墨片22的表面22a的方向上。即，在平行于石墨片22表面22a方向上的導(dǎo)熱系數(shù)是例如100至800W/mK，其與石墨片22的厚度方向上的導(dǎo)熱系數(shù)相比極高。因此，石墨片22容易以平行于其表面22a方向擴(kuò)散熱量。在平行于天然石墨片表面的方向上的導(dǎo)熱系數(shù)的下限是例如100W/mK，同時在平行于人造石墨片或混雜石墨片的表面方向上的導(dǎo)熱系數(shù)的下限是例如400W/m·K。
石墨片22的平均厚度是小于或等于300μm，優(yōu)選80至130μm。如果石墨片22的平均厚度超過300μm，因?yàn)槭?2由其材料性能所致而具有高剛性，所以石墨片22的柔性降低，結(jié)果，散熱片材21的柔性降低。如果石墨片22的平均厚度低于80μm，因?yàn)槭?2變得過薄，所以它變脆并且易于斷裂，同時還具有導(dǎo)致石墨片22的熱容量降低的風(fēng)險(xiǎn)。
彈性層23由包含聚合物基質(zhì)和顆粒狀導(dǎo)熱性填料的彈性組合物形成。彈性層23設(shè)置在石墨片22的一對表面22a中與發(fā)熱體13相對的表面22a整個面上。當(dāng)散熱片材21貼附至發(fā)熱體13時，在發(fā)熱體13和石墨片22之間插入彈性層23，并促進(jìn)從發(fā)熱體13向石墨片22的熱傳導(dǎo)。彈性層23具有電絕緣性質(zhì)以及由聚合物基質(zhì)帶來的柔性。
聚合物基質(zhì)將導(dǎo)熱性填料保持在彈性層23內(nèi)。根據(jù)彈性層23的必要性能例如耐熱性、耐化學(xué)性、生產(chǎn)性能或柔性，選擇聚合物基質(zhì)，并選擇熱塑性或熱固性聚合物材料用作聚合物基質(zhì)。熱塑性彈性體是熱塑性聚合物材料的實(shí)例，而交聯(lián)橡膠是熱固性聚合物材料的實(shí)例。
熱塑性彈性體的實(shí)例包括苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物和其氫化聚合物、苯乙烯-異戊二烯嵌段共聚物和其氫化聚合物、苯乙烯類熱塑性彈性體、烯烴類熱塑性彈性體、氯乙烯類熱塑性彈性體、聚酯類熱塑性彈性體、聚氨酯類熱塑性彈性體和聚酰胺類熱塑性彈性體。
交聯(lián)橡膠的實(shí)例包括天然橡膠、丁二烯橡膠、異戊二烯橡膠、苯乙烯-丁二烯共聚物橡膠、丁腈橡膠、氫化丁腈橡膠、氯丁橡膠、乙烯-丙烯共聚物橡膠、氯化聚乙烯橡膠、氯磺化聚乙烯橡膠、丁基橡膠、鹵化丁基橡膠、氟橡膠、聚氨酯橡膠、硅橡膠、聚異丁烯橡膠和丙烯酸橡膠。
其中，優(yōu)選為選自硅橡膠、聚異丁烯橡膠和丙烯酸橡膠中的至少一種，因?yàn)椋@樣，彈性層23的柔性較高，并且其它基本性能例如耐熱性和溫度特性和電可靠性較高。
導(dǎo)熱性填料可通過增加彈性層23的導(dǎo)熱系數(shù)來增強(qiáng)彈性層23的導(dǎo)熱性。盡管對導(dǎo)熱性填料的材質(zhì)沒有特定限定，只要它能使彈性層23表現(xiàn)出電絕緣性質(zhì)即可，但是，因?yàn)閺椥詫?3的導(dǎo)熱系數(shù)較高，所以優(yōu)選所述導(dǎo)熱性填料為選自以下物質(zhì)中的至少一種氧化鋁、氫氧化鋁、氮化硼、氮化鋁、氧化鋅、硅石(二氧化硅)、云母和鋅白。
導(dǎo)熱性填料的平均粒徑等于或小于彈性層23的平均厚度的50％，并且優(yōu)選是彈性層23的平均厚度的1％至45％。如果導(dǎo)熱性填料的平均粒徑超過彈性層23的平均厚度的50％，則會在彈性層23的表面23a上形成由導(dǎo)熱性填料所致的表面凹凸，導(dǎo)致彈性層23的表面23a的平滑性的降低。在導(dǎo)熱性填料平均粒徑小于彈性層23的平均厚度1％的情況下，因?yàn)閺椥越M合物中所包含的導(dǎo)熱性填料的比表面積變得過大，彈性組合物的粘度變得過高，有可能難以制備彈性組合物及形成彈性層23。導(dǎo)熱性填料的形狀優(yōu)選是球形。這是因?yàn)椋艘种茝椥越M合物中導(dǎo)熱性填料的二次聚集之外，還可以抑制彈性組合物的粘度增加，同時也可以抑制由導(dǎo)熱性填料的形狀所致而在彈性層23的表面23a中形成表面凹凸。
彈性組合物中導(dǎo)熱性填料的含量大于或等于30體積％，并優(yōu)選為40至75體積％。如果導(dǎo)熱性填料的含量小于30體積％，則因?yàn)閺椥詫?3中導(dǎo)熱性填料的含量過低，彈性層23的導(dǎo)熱系數(shù)降低，并且彈性層23的導(dǎo)熱性降低。如果導(dǎo)熱性填料的含量超過75體積％，除了彈性層23的柔性降低以外，還會存在彈性層23的表面23a的平滑性降低的風(fēng)險(xiǎn)。
此外，彈性組合物中的平均粒徑大于或等于彈性層23的平均厚度的95％的導(dǎo)熱性填料(以下簡稱大粒徑填料)的含量小于15體積％。如果大粒徑填料的含量大于或等于15體積％，則因?yàn)樵趶椥詫?3的表面23a中形成由大粒徑填料所致的較大的表面凹凸，彈性層23的表面23a的平滑性顯著降低。彈性組合物中大粒徑填料的含量越小，彈性層23的表面23a的平滑性增加得越多。因此，彈性組合物優(yōu)選不包含大粒徑填料。除了上述各組分以外，彈性組合物還可以包含例如用于增強(qiáng)彈性層23的耐用性的穩(wěn)定劑。
彈性層23的硬度優(yōu)選是小于或等于40，更優(yōu)選小于或等于30。如果彈性層23的硬度超過40，則存在彈性層23不能表現(xiàn)出足夠柔性的風(fēng)險(xiǎn)。對彈性層23的硬度的下限沒有特定的限定。如果彈性層23的硬度小于或等于30，則彈性層23具有合適的粘性。遵照國際標(biāo)準(zhǔn)ISO7619-1(日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JIS K-6253)用A型硬度計(jì)測量彈性層23的硬度。
彈性層23的平均厚度是10至280μm，優(yōu)選為20至170μm。如果彈性層23的平均厚度小于10μm，則因?yàn)閺椥詫?3過薄，彈性層23不能充分追隨發(fā)熱體13的表面形狀，結(jié)果散熱片材21追隨發(fā)熱體13表面形狀的能力降低，導(dǎo)致散熱片材21的接觸熱阻的增加。此外，存在散熱片材21表現(xiàn)出導(dǎo)電性的情況。如果彈性層23的平均厚度超過280μm，因?yàn)閺陌l(fā)熱體13產(chǎn)生的熱向石墨片22的傳導(dǎo)所需的時間變長，散熱片材21的散熱效率降低。此外，會增加由散熱片材21施加至發(fā)熱體13的載荷，或在殼體12內(nèi)安裝散熱片材21所用的空間會變大。
盡管本實(shí)施方案的彈性層23設(shè)置在整個石墨片22上，但對彈性層23的尺寸和石墨片22的尺寸之間的關(guān)系沒有特別限定，而且，如圖2所示，彈性層23可以小于石墨片22。此時，在石墨片22的表面22a上相應(yīng)于發(fā)熱體13的位置設(shè)置彈性層23。類似地，盡管對彈性層23的尺寸和發(fā)熱體13的尺寸之間的關(guān)系沒有特殊限定，但因?yàn)閺椥詫?3能夠高效地將進(jìn)行從發(fā)熱體13向石墨片22的熱傳導(dǎo)，優(yōu)選將彈性層23至少設(shè)置在整個發(fā)熱體13之上。此外，可以在石墨片22的表面22a上設(shè)置多個彈性層23。例如，在單個散熱片材21的兩面上設(shè)置多個發(fā)熱體13的情況下，在散熱片材21的每個表面22a上對應(yīng)于發(fā)熱體13的位置設(shè)置彈性層23。在這種情況下，由單個散熱片材21散逸多個發(fā)熱體13的熱。
阻擋層24可抑制彈性層23中的聚合物基質(zhì)向石墨片22方向遷移。此外，除了增強(qiáng)石墨片22和彈性層23之間的粘著性，阻擋層24還可通過由電絕緣材料形成來增強(qiáng)彈性層23的電絕緣性能。阻擋層24的材料實(shí)例包括聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚氨酯、聚酰胺、聚碳酸酯及它們的合金。優(yōu)選根據(jù)上述聚合物基質(zhì)選擇阻擋層24的材料。更具體地說，在聚合物基質(zhì)是硅橡膠或聚異丁烯橡膠的情況下，阻擋層24優(yōu)選由丙烯酸類樹脂材料形成，而在聚合物基質(zhì)是丙烯酸橡膠的情況下，阻擋層24優(yōu)選由硅酮類樹脂材料形成。
阻擋層24的平均厚度優(yōu)選是小于或等于10μm。如果阻擋層24的平均厚度超過10μm，則從彈性層23向石墨片22的熱傳導(dǎo)容易被阻擋層24阻礙。對阻擋層24的平均厚度的下限沒有特殊限定。
通過依次層壓石墨片22、阻擋層24和彈性層23來制造散熱片材21。對用于層壓石墨片22和層23和24的方法沒有特殊限定，可以在單獨(dú)形成石墨片22和每個層23和24后，通過壓著(crimp)或熔合依次在石墨片22上層壓每個層23和24，或依次在石墨片22的表面22a上形成每個層23和24。
殼體12除了構(gòu)成便攜式電話或其它電子裝置以外，還具有密閉性。殼體12內(nèi)除了布置發(fā)熱體13以外，還布置有例如基板14。殼體12內(nèi)的自由空間12a的體積，即殼體12內(nèi)的間隙，小于殼體12的容積的20％。如果殼體12內(nèi)的自由空間12a的體積等于或大于殼體12的容積的20％，則因?yàn)闅んw12變大，不能實(shí)現(xiàn)電子裝置等的小型化。
發(fā)熱體13安裝在例如基板14上。發(fā)熱體13的實(shí)例包括半導(dǎo)體器件和其它電子器件、電源和光源。發(fā)熱體13的熱密度通常大于或等于1W/mm2。
當(dāng)將散熱片材21貼附至發(fā)熱體13時，在發(fā)熱體13上放置散熱片材21，使得彈性層23的表面23a接觸發(fā)熱體13。發(fā)熱體13產(chǎn)生的熱經(jīng)由彈性層23和阻擋層24傳導(dǎo)至石墨片22。此時，彈性層23內(nèi)的導(dǎo)熱性填料可促進(jìn)向石墨片22的熱傳導(dǎo)。已經(jīng)傳導(dǎo)至石墨片22的熱量在平行于石墨片22的表面22a的方向上進(jìn)行擴(kuò)散的同時，從石墨片22散逸。
以下提供了由上述實(shí)施方案表現(xiàn)出的效果的說明。
本實(shí)施方案的散熱片材21具有石墨片22和彈性層23。石墨片22的導(dǎo)熱性主要表現(xiàn)在平行于石墨片22的表面22a的方向上。彈性層23具有導(dǎo)熱性填料，并且導(dǎo)熱性填料的含量是大于或等于30體積％。此外，彈性層23的平均厚度的上限是280μm。因此，可以將由發(fā)熱體13產(chǎn)生的熱高效地傳導(dǎo)至石墨片22，然后，在平行于石墨片22的表面22a的方向上擴(kuò)散的同時，也從石墨片22散逸。由此，散熱片材21能夠高效地?cái)U(kuò)散由發(fā)熱體13產(chǎn)生的熱，從而可以避免電子裝置等內(nèi)的局部蓄熱。
石墨片22的平均厚度是小于或等于300μm，并且彈性層23具有由聚合物基質(zhì)帶來的柔性。因此，散熱片材21能夠表現(xiàn)出優(yōu)良的柔性。此外，彈性層23具有由聚合物基質(zhì)帶來的適度粘性。因此，除了表現(xiàn)出優(yōu)良的處理和再加工性以外，散熱片材21還能表現(xiàn)出令人滿意的對發(fā)熱體13的粘附性。
因?yàn)閷?dǎo)熱性填料的平均粒徑小于或等于上述彈性層23的平均厚度的50％，而且平均粒徑大于或等于彈性層23的平均厚度的95％的導(dǎo)熱性填料的含量小于15體積％，所以彈性層23的表面23a具有高平滑性。此外，因?yàn)閺椥詫?3的平均厚度的下限是10μm，彈性層23追隨發(fā)熱體13的表面形狀的能力較高。因此，散熱片材21能夠充分地降低與發(fā)熱體13的接觸熱阻，從而無需施加高負(fù)荷即可從發(fā)熱體13散熱。
因?yàn)樽钃鯇?4阻礙彈性層23內(nèi)的聚合物基質(zhì)向石墨片22的遷移，所以可以抑制由所述遷移引起的彈性層23的厚度和硬度變化。因此，散熱片材21的生產(chǎn)性能和儲存性能可以保持穩(wěn)定。
本實(shí)施方案的散熱結(jié)構(gòu)體11具有散熱片材21，并且殼體12內(nèi)部的自由空間12a的體積小于殼體12的容積的20％。因此，該散熱結(jié)構(gòu)體11能夠?qū)崿F(xiàn)由殼體12構(gòu)成的電子裝置的小型化和薄型化，同時避免局部蓄熱。
上述實(shí)施方案可以通過如下所述的方式以變更來具體化。
還可以在石墨片22的表面23a上設(shè)置鋁箔層。在這種情況下，可以僅在石墨片22的一對表面22a的其中一個表面上設(shè)置鋁箔層，或可以將其設(shè)置在一對表面22a上。此外，可以在整個石墨片22上設(shè)置鋁箔層，或可以僅設(shè)置在石墨片22的一部分上。設(shè)置在石墨片22和阻擋層24之間的鋁箔層可促進(jìn)從發(fā)熱體13向石墨片22的熱傳導(dǎo)。石墨片22的表面23a上設(shè)置阻擋層24和彈性層23的位置以外的位置上所設(shè)置的鋁箔層可促進(jìn)從石墨片22散熱。此外，鋁箔層也起到石墨片22的增強(qiáng)材料的作用，例如能夠抑制在處理或彎曲加工散熱片材21期間石墨片22被破壞或從散熱片材21上脫落。
彈性層23還可以具有纖維狀導(dǎo)熱性填料(以下簡稱纖維狀填料)。纖維狀填料的材料的實(shí)例包括碳、金屬氮化物、金屬氧化物、金屬碳化物和金屬氫氧化物。因?yàn)槔w維狀填料在彈性層23的厚度方向上具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)，所以優(yōu)選沿著彈性層23的厚度方向取向。用于使纖維狀填料取向的方法的實(shí)例包括對彈性組合物施加磁場、電場或振動。
還可以省去阻擋層24。
還可以在散熱片材21上安裝冷卻部件例如散熱器。在這種情況下，可以增加從發(fā)熱體13散熱的效率。
可以在石墨片22的表面23a上進(jìn)行改善石墨片22的粘附性的表面處理。該表面處理的實(shí)例包括電暈放電處理、紫外線處理和偶聯(lián)劑處理。
實(shí)施例以下通過實(shí)施例和對比例提供了對上述實(shí)施方案更加詳細(xì)的說明。
(實(shí)施例1-13和對比例1-14)實(shí)施例1中，通過將作為導(dǎo)熱性填料的球形氧化鋁(Micron Co.，Ltd.，平均粒徑3.5μm)混入作為聚合物基質(zhì)的硅酮凝膠(Dow Corning TorayCo.，Ltd，CY52-291)來制備彈性組合物，隨后由所述彈性組合物形成彈性層23。此外，通過將2重量份固化劑(Kaneka Corp.，CR500)、1重量份的防老化劑和0.05重量份的催化劑混入作為丙烯酸類樹脂材料的100重量份的聚丙烯酸酯(Kaneka Corp.，SA100A)來制備聚丙烯酸酯組合物。然后，將聚丙烯酸酯組合物涂布到石墨片22(GrafTech International Ltd.)的一個表面22a上，通過加熱固化該聚丙烯酸酯組合物來形成阻擋層24。通過壓著將彈性層23層壓在阻擋層24上，以獲得散熱片材21。導(dǎo)熱性填料的平均粒徑、平均粒徑大于或等于彈性層23的平均厚度的95％的導(dǎo)熱性填料的含量、彈性組合物中導(dǎo)熱性填料的含量、石墨片22和層23、24的平均厚度均列于表1。
實(shí)施例2至13中，以與實(shí)施例1相同的方法獲得散熱片材21，不同之處在于如表1和2所示變更導(dǎo)熱性填料的粒徑等。
對比例1至13中，以與實(shí)施例1相同的方法獲得散熱片材21，不同之處在于如表3和4所示變更導(dǎo)熱性填料的平均粒徑等。表1至4中，名稱為“大于或等于95％的粒徑的比例”的行中的各數(shù)值表示的是平均粒徑大于或等于彈性層23的平均厚度的95％的導(dǎo)熱性填料的含量，而名稱為“含量”的行中的各數(shù)值表示的是彈性組合物中的導(dǎo)熱性填料的含量。表3和4中，名稱為“導(dǎo)熱性填料”一欄中的名稱為“平均粒徑”等行中的符號“-”表明該彈性層23不具有導(dǎo)熱性填料。名稱為“平均厚度”一欄中的名稱為“石墨片”等行中的符號“-”表明該散熱片材21不具有石墨片等。對于散熱片材21的各個實(shí)例，測量以下每個參數(shù)或予以評估。其結(jié)果列于表1至4。
<彈性層硬度>
對于具有彈性層23的散熱片材21，使用A型硬度計(jì)遵照ISO 7619-1測量彈性層23的硬度。
<導(dǎo)熱系數(shù)>
從各個實(shí)例的石墨片22和彈性層23獲得圓板形測試片(直徑10mm)后，根據(jù)激光閃光法使用熱常數(shù)測量裝置(理學(xué)電機(jī)株式會社制造，LF/TCM-FA8510B)測量該測試片的導(dǎo)熱系數(shù)。對于從石墨片22得到的測試片，分別在平行于測試片的表面的方向上和在測試片的厚度方向上測量導(dǎo)熱系數(shù)。對于從彈性層23得到的測試片，在測試片的厚度方向上測量導(dǎo)熱系數(shù)。將在平行于從石墨片22得到的測試片的表面方向上的導(dǎo)熱系數(shù)列于名稱為“石墨片(表面)”的行內(nèi)，將在從石墨片22得到的測試片的厚度方向上的導(dǎo)熱系數(shù)列于名稱為“石墨片(厚度)”的行內(nèi)，將在從彈性層23得到的測試片的厚度方向上的導(dǎo)熱系數(shù)列于名稱為“彈性層”的行內(nèi)。
<熱阻值>
在陶瓷加熱器(坂口電熱株式會社制造，Microceramic Heater(微型陶瓷加熱器)MS-3，發(fā)熱量25W，上表面10mm長×10mm寬)和作為冷卻部件的散熱器之間插入各實(shí)例的散熱片材21，隨后用加壓機(jī)向散熱片材21施加10N/cm2的載荷。然后，對陶瓷加熱器通電，并將散熱片材靜置10分鐘。10分鐘后，對于散熱片材21，測量在陶瓷加熱器側(cè)的表面22a的溫度和在散熱器側(cè)的表面22a的溫度，以便使用以下公式求得熱阻值。公式中，θj1代表陶瓷加熱器側(cè)的表面22a的溫度，θj0代表散熱器側(cè)的表面22a的溫度。
熱阻值(℃/W)＝(θj1-θj0)/陶瓷加熱器的發(fā)熱量(W)<體積電阻率>
遵照國際標(biāo)準(zhǔn)IEC 60093(JIS K6911)測量各實(shí)例的散熱片材21的體積電阻率。
<熱擴(kuò)散性>
如圖3A和3B所示，將每個實(shí)例的散熱片材21貼附至陶瓷加熱器15(坂口電熱株式會社制造，Microceramic Heater MS-3，發(fā)熱量9W，上表面10mm長×10mm寬)，對陶瓷加熱器通電，并將散熱片材21靜置10分鐘。然后，10分鐘后，測量陶瓷加熱器15的上表面上的中心B處的溫度。此外，測量散熱片材21中一側(cè)(不是與陶瓷加熱器15相對的一側(cè))的表面上的與上述中心B對應(yīng)的位置C處的溫度，除此之外還測量了離陶瓷加熱器15的中心為280mm的位置D處的溫度。使用以下公式，根據(jù)中心B和位置C和D各處的溫度求得各個溫差。此外，在對比例14中，在省去散熱片材21的狀態(tài)下，通電10分鐘后，測量陶瓷加熱器15的上述中心B的溫度。
ΔT1(℃)＝(在中心B處的溫度(℃))-(在位置C處的溫度(℃))ΔT2(℃)＝(在位置C處的溫度(℃))-(在位置D處的溫度(℃))<柔性>
基于其硬度等來評估各實(shí)例的散熱片材21的柔性。各表中名稱為“柔性”的行中，“3”表示該散熱片材21表現(xiàn)出優(yōu)異的柔性，而且散熱片材21即使在彎曲時其表面中也沒有形成折皺或裂縫?！?”表示該散熱片材21表現(xiàn)出令人滿意的柔性，在正常使用散熱片材21期間該散熱片材21的表面中沒有形成折皺和裂縫。“1”表示該散熱片材21具有低柔性，而且在散熱片材21的表面中容易形成折皺和裂縫。
<形狀追隨性>
在評估熱擴(kuò)散性中當(dāng)將各實(shí)例的每個散熱片材21貼附至陶瓷加熱器15時，評估各實(shí)例的散熱片材追隨陶瓷加熱器15的表面形狀的能力。各表中名稱為“形狀追隨性”的行中，“3”表示該散熱片材21表現(xiàn)出優(yōu)異的形狀追隨性，而且散熱片材21的接觸熱阻非常低?！?”表示該散熱片材21表現(xiàn)出令人滿意的形狀追隨性，而且該散熱片材21的接觸熱阻較低。“1”表示該散熱片材21具有低形狀追隨性，而且該散熱片材21的接觸熱阻較高。
<粘著性>
對于各實(shí)例的散熱片材21評估陶瓷加熱器15側(cè)的表面上的粘著性。各表的名稱為“粘著性”的行中，“3”表示該散熱片材21具有的粘著性使其能夠表現(xiàn)出優(yōu)異的再加工性?！?”表示該散熱片材21具有輕微的粘著性，使其能夠表現(xiàn)出令人滿意的再加工性?！?”表示盡管該散熱片材21具有粘著性，但因?yàn)樵撋崞?1的粘著性較低，所以它沒有表現(xiàn)出再加工性。
<表面平滑性>
對于各實(shí)例的散熱片材21，評估陶瓷加熱器15側(cè)的表面上的平滑性。各表的名稱為“表面平滑性”的行中，“3”表示該散熱片材21的表面具有高平滑性，而“2”表示該散熱片材21的表面具有令人滿意的平滑性?！?”表示該散熱片材21的表面的平滑性較低，該散熱片材21的表面上明顯存在由導(dǎo)熱性填料所產(chǎn)生的突起和由導(dǎo)熱性填料的脫落產(chǎn)生的例如凹陷等表面缺陷。
<處理性>
對各實(shí)例的散熱片材21的處理性進(jìn)行評估。各表中的名稱為“處理性”的行中，“3”表明散熱片材21處理起來非常容易，“2”表明散熱片材21處理起來較為容易，“1”表明難以處理散熱片材21，而且難以在預(yù)定位置貼附散熱片材21。
表1

表2

表3

表4

如表1和2所示，對于實(shí)施例1至13，全部參數(shù)均獲得優(yōu)異的結(jié)果和評估值。因此，各實(shí)施例的散熱片材21優(yōu)選用于散逸由發(fā)熱體13產(chǎn)生的熱。
如表3和4所示，因?yàn)閷Ρ壤?、2、5、6、9和10中的散熱片材21不具有彈性層23，所以，與各實(shí)施例相比，例如散熱片材21的形狀追隨性等參數(shù)較差。在對比例3中，因?yàn)槭?2的平均厚度超過300μm，所以，與各實(shí)施例相比，柔性較差。在對比例4中，因?yàn)閷?dǎo)熱性填料的含量小于30體積％，所以，與各實(shí)施例相比，彈性層23的導(dǎo)熱系數(shù)較低，并且熱量積蓄在陶瓷加熱器15內(nèi)部。在對比例7和13中，因?yàn)槠骄酱笥诨虻扔趶椥詫?3的平均厚度的95％的導(dǎo)熱性填料的含量超過15體積％，所以，與各實(shí)施例相比，散熱片材21的表面的平滑性較差。在對比例8中，因?yàn)閺椥詫?3的平均厚度小于10μm，所以，與各實(shí)施例相比，散熱片材21的形狀追隨性較差。在對比例11中，因?yàn)樯崞?1不具有石墨片22，所以，與各實(shí)施例相比，熱量積蓄在陶瓷加熱器15內(nèi)。在對比例12中，因?yàn)閷?dǎo)熱性填料的平均粒徑超過彈性層23的平均厚度的50％，所以，與各實(shí)施例相比，散熱片材21的表面的平滑性較差。在對比例14中，因?yàn)樯崞?1沒有貼附至陶瓷加熱器15，所以，與各實(shí)施例相比，熱量積蓄在陶瓷加熱器15內(nèi)。
本發(fā)明的實(shí)施例和實(shí)施方案應(yīng)被視為說明性而非限制性，而且本發(fā)明不限于此處給出的細(xì)節(jié)，而是可以在所附的權(quán)利要求和其等效物范圍內(nèi)改變。
權(quán)利要求
1.一種與發(fā)熱體一起使用的散熱片材，該散熱片材包含設(shè)置在所述發(fā)熱體上的石墨片；設(shè)置在所述石墨片上的與所述發(fā)熱體相對的表面上的電絕緣彈性層，其特征在于所述石墨片的平均厚度小于或等于300μm；所述彈性層由彈性組合物形成，該彈性組合物包含聚合物基質(zhì)和顆粒導(dǎo)熱性填料；所述彈性層的平均厚度為10μm至280μm；所述導(dǎo)熱性填料的平均粒徑小于或等于所述彈性層的平均厚度的50％；和所述彈性組合物中導(dǎo)熱性填料的含量大于或等于30體積％，對于所述導(dǎo)熱性填料中平均粒徑大于或等于所述彈性層的平均厚度的95％的導(dǎo)熱性填料，該導(dǎo)熱性填料在所述彈性組合物中的含量小于15體積％。
2.如權(quán)利要求1所述的散熱片材，其特征在于，所述石墨片和彈性層之間設(shè)置有阻擋層，該阻擋層抑制所述彈性層內(nèi)的聚合物基質(zhì)向所述石墨片的遷移。
3.如權(quán)利要求2所述的散熱片材，其特征在于，所述阻擋層的平均厚度小于或等于10μm。
4.如權(quán)利要求2所述的散熱片材，其特征在于，所述聚合物基質(zhì)是硅橡膠或聚異丁烯橡膠，并且所述阻擋層由丙烯酸類樹脂材料形成。
5.如權(quán)利要求2所述的散熱片材，其特征在于，所述聚合物基質(zhì)是丙烯酸橡膠，并且所述阻擋層由硅酮類樹脂材料形成。
6.如權(quán)利要求1所述的散熱片材，其特征在于，所述石墨片的表面上設(shè)置有鋁箔層。
7.如權(quán)利要求1所述的散熱片材，其特征在于，所述石墨片的平均厚度為80μm至130μm，所述彈性層的平均厚度為20μm至170μm，所述導(dǎo)熱性填料的平均粒徑為所述彈性層的平均厚度的1％至45％，并且所述彈性組合物中的導(dǎo)熱性填料的含量為40體積％至75體積％。
8.如權(quán)利要求1所述的散熱片材，其特征在于，所述導(dǎo)熱性填料的材料是選自以下物質(zhì)中的至少一種物質(zhì)氧化鋁、氫氧化鋁、氮化硼、氮化鋁、氧化鋅、二氧化硅、云母和鋅白。
9.如權(quán)利要求8所述的散熱片材，其特征在于，所述導(dǎo)熱性填料的材料是氧化鋁。
10.如權(quán)利要求1所述的散熱片材，其特征在于，所述彈性層的硬度小于或等于40。
11.如權(quán)利要求10所述的散熱片材，其特征在于，所述彈性層的硬度小于或等于30。
12.一種散熱結(jié)構(gòu)體，該結(jié)構(gòu)體包含如權(quán)利要求1至11中任一項(xiàng)所述的散熱片材；殼體；以及設(shè)置在所述殼體內(nèi)的發(fā)熱體，其中所述散熱片材設(shè)置在所述發(fā)熱體上，以使得所述彈性層的表面接觸該發(fā)熱體；而且所述殼體的自由空間的體積小于該殼體的容積的20％。
全文摘要
散熱結(jié)構(gòu)體(11)具有散熱片材(21)、殼體(12)和發(fā)熱體(13)。散熱片材(21)具有石墨片(22)和設(shè)置在其表面(22a)上的電絕緣彈性層(23)。石墨片(22)的平均厚度小于或等于300μm。彈性層(23)由包含顆粒狀導(dǎo)熱性填料的彈性組合物形成。彈性層(23)的平均厚度是10μm至280μm。導(dǎo)熱性填料的平均粒徑小于或等于彈性層(23)的平均厚度的50％。該彈性組合物中，導(dǎo)熱性填料的含量大于或等于30體積％，并且平均粒徑大于或等于彈性層(23)的平均厚度的95％的導(dǎo)熱性填料的含量小于15體積％。殼體(12)內(nèi)的自由空間(12a)小于殼體(12)容積的20％。
文檔編號H01L23/373GK1893804SQ20061009597
公開日2007年1月10日 申請日期2006年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月30日
發(fā)明者太田充, 山崎潤, 藤原紀(jì)久夫 申請人:保力馬科技株式會社, 大塚電機(jī)株式會社