包含具有多種粒度分布的熱導性填料的熱界面材料的制作方法

專利名稱：包含具有多種粒度分布的熱導性填料的熱界面材料的制作方法
技術領域：
本發明一般涉及熱界面材料，更具體涉及包含至少兩種具有不同粒度分布 的熱導性填料的熱界面材料。
熱控制是半導體和半導體器件或"芯片"的開發和生產中的一個重要問題。 半導體器件的有效運行需要使半導體的結溫保持低于閾溫或一定的閾溫范圍。 因此需要使半導體器件所產生的熱量散發掉。通常半導體器件所產生的熱量從 芯片傳送到必備的熱擴散器(heat spreader)(例如半導體封裝)上。然后可使用與 所述半導體封裝緊密接觸設置的散熱器使傳送到該半導體封裝上的熱散發掉。
熱從半導體器件有效散發取決于若干因素，其中一個因素是半導體芯片和 半導體封裝之間的有效熱耦合，第二個因素是半導體封裝和散熱器之間的有效 熱耦合。這些部分交界的表面通常在微觀上是粗糙的，在宏觀上是非平面的，使 得各界面處相鄰表面之間的熱耦合很差。經常在熱界面的相鄰表面之間使用由 一種或多種熱導性填料以及基質或粘合劑組成的熱界面材料，以求減小熱阻抗 和提供改進的熱耦合。
因此本發明的主要目標是提供一種具有特別低的熱阻抗的熱界面材料。本 發明的另一個主要目標是提供一種具有良好的粘度特征的熱界面材料，具體來 說，該熱界面材料的粘度足夠低，使得當將其用于兩個表面之間的時候，可以 提供良好的流動性質。本發明一個相關的目標是使用具有至少兩種不同粒度的 熱導性填料顆粒，使其同時具有極佳的熱界面性質和能夠提供極佳流動性的較 低粘度。本發明的另一個目標是能夠使用多種不同的熱導性填料，以適當的成本提 供極佳的性質。本發明的相關目標是能夠使用各自具有不同粒度的多種不同的 熱導性填料。本發明另一個目標是將改進的新穎熱導性填料包封在粘合劑體系 中，所述粘合劑體系提供極佳的性能特征，能夠在提高熱導性填料的有利特性 的同時提供出眾的相變特性。
本發明還必須提供一種熱界面材料，所述材料的組成是穩定的，而且能夠 長期保持穩定，在與之相連的電子元件的操作壽命期間，保持其低熱阻抗和其 它有利的特性。為了提高本發明熱界面材料的市場吸引力，這種材料還應具有 較低的制造成本，以便盡可能拓寬市場。最后，另一個目標是本發明熱界面材 料的上述所有優點和目標都能夠在不會引起任何顯著的相對缺點的前提下實 現。

發明內容
本發明克服了上述背景部分討論過的缺點和局限性。在本發明中，提供了 一種包含熱導性填料的熱界面材料，所述熱導性填料包括具有第一粒度分布的 第一顆粒材料，以及具有第二粒度分布的第二顆粒材料。所述第一顆粒材料和 第二顆粒材料都是由具有良好熱導性的材料制成的，例如銀、鋁、氮化硼、氮 化鋁、涂敷銀的銅、涂敷銀的鋁、涂敷銅的鋁和金剛石。所述第一顆粒材料和 第二顆粒材料可以由相同材料制成，或者由不同材料制成。
所述第一顆粒材料的平均粒度約為第二顆粒材料的四倍至二十倍。較大的 粒度用來降低粘度，較小的粒度用來提高熱導性填料的能級水平。另外，在所 述第一顆粒材料或者所述第一顆粒材料和第二顆粒材料中可不含粒度大于預 定粒度的顆粒。盡管這確實會略微增大粘度，但是可以通過更顯著的熱阻抗降 低來補償這一點。可以通過首先將粒度大于預定粒度的顆粒從第一顆粒材料中 分離，然后再將第一顆粒材料與第二顆粒材料相混合的方式，排除掉粒度大于 預定粒度的顆粒。或者可以通過首先將第一顆粒材料與第二顆粒材料混合，然 后再進行分離的方式，將粒度大于預定粒度的顆粒從填料體系中分離。
因此本發明的熱界面材料包含熱導性填料，所述熱導性填料由具有第一粒 度分布的第一顆粒材料和具有第二粒度分布的第二顆粒材料組成。所述熱導性 填料還包含基質材料，例如油(硅油、烴或礦物油、或凡士林和/或它們的混合 物)、粘合劑[例如烴橡膠、聚合物材料和/或低聚物材料(例如環氧樹脂材料和丙烯酸酯材料)和/或它們的混合物]、相變材料(例如石蠟、微晶蠟、聚合物蠟和/ 或它們的混合物)、偶聯劑(例如鈦酸酯偶聯劑)和/或抗氧化劑。本發明的熱界面 材料由于具有高熱導填料填充密度，因此有益地提供很薄的粘合層厚度和高填料含量，這又提供了高熱導性。
因此，應當看到本發明提供了具有特別低的熱阻抗的熱界面材料。本發明 的熱界面材料具有良好的粘度特性，具體來說是所述熱界面材料的粘度足夠 低，當用于兩個表面之間的時候，能夠提供良好的流動性質。本發明的熱界面 材料使用熱導性填料的顆粒，所述熱導性填料具有至少兩種不同的粒度，同時 具有極佳的熱界面性質以及能夠提供良好流動性的較低的粘度。
本發明的熱界面材料能夠使用任意多種不同的熱導性填料，從而以適當的 成本提供優良的性質。例如，本發明的熱界面材料可使用各自具有不同粒度的 多種不同熱導性填料。本發明熱界面材料的經過改進的新穎熱導性填料被包封 在粘合劑體系中，該體系提供優良的性能特點，不但能夠提高熱導性填料的有 益特性，而且在一些實施方式中還能提供出眾的相變特性。
本發明的熱界面材料具有穩定的組成，而且該組成能夠長期保持穩定，在 與該材料相連的電子元件的操作壽命期間，所述材料能夠保持低熱阻抗和其它 所需的特性。本發明的熱界面材料制造成本較低，能夠提高其市場吸引力，因 此能夠盡可能拓展市場。最后，本發明熱界面材料的所有上述優點和目標都是 在不會造成任何顯著的相關缺陷的前提下實現的。


參照附圖可以最好地理解本發明的這些優點和其它優點
圖l是用于本發明熱界面材料的第一顆粒材料的粒度分布圖以及同樣用于
本發明熱界面材料的第二顆粒材料的粒度分布；
圖2是具有圖1所示粒度分布的第一顆粒材料和第二顆粒材料的顆粒填充 的示意圖3是用于本發明另一實施方式中熱界面材料的第一顆粒材料的粒度分布 圖，以及用于本發明另一實施方式中熱界面材料的第二顆粒材料的粒度分布 圖，所述第一顆粒材料不含粒度大于預定粒度的顆粒；
圖4是熱阻抗與熱界面厚度的變化關系圖。
優選實施方式詳述本發明的熱界面材料的優選實施方式使用熱導性填料，該填料包含至少兩 種具有不同粒度分布特征的顆粒材料。參見圖l,熱界面材料的熱導性填料可包 含具有用數字10表示的第一粒度分布曲線的第一顆粒材料和具有用數字12表 示的第二粒度分布曲線的第二顆粒材料。在本文中，根據所述顆粒材料的幾何 結構，粒度可表示粒徑、最大顆粒橫截面、平均顆粒橫截面等。在圖l所示的 粒度分布曲線10和12中，各種顆粒材料的粒度可基本為正態分布的，其平均粒
度分別為14和16。本發明還考慮了不同于圖l所示的粒度分布，也考慮了非正態
分布的情況。例如在其它實施方式中，所述第一顆粒材料和/或第二顆粒材料可 具有多峰粒度分布，例如雙峰粒度分布。
通常第一顆粒材料的平均粒度14約為第二顆粒材料的平均粒度16的4-20 倍。在第一實施方式中，第一顆粒材料的平均粒度14可約為第二顆粒材料的平 均粒度16的10倍。在一個這樣的實施方式中，所述第一顆粒材料的平均粒度可 約為0.8密耳，第二顆粒材料的平均粒度可約為0.08密耳。盡管各種顆粒材料的 粒度可根據具體的用途改變，但是顆粒的總體平均粒度通常約為0.005-5密耳。
如圖l所示，在一些實施方式中，所述第一顆粒材料的粒度分布10和第二顆 粒材料的粒度分布12，在所述第一顆粒材料的粒度分布10的較大粒度范圍和所 述第二顆粒材料的粒度分布12的較小粒度范圍處可至少部分地重疊。在此實施 方式中，所述第一和第二顆粒材料可一起提供大體上呈現雙峰的粒度分布。但 是在其它實施方式中，所述第一和第二顆粒材料的粒度分布可不發生重疊。在 這樣的實施方式中，所述包含第一和第二顆粒材料的熱導性填料可具有兩個不 連續的粒度分布。
所述第一和第二顆粒材料各自的平均粒度14和16以及粒度分布10和12分 別可以促進顆粒材料在本發明的熱界面材料中的填充。下面來看圖2，圖中顯示 了位于第一界面24和第二界面26之間的包含熱導性填料的熱界面材料，所述熱 導性填料由第一顆粒材料20和第二顆粒材料22組成。所述第二顆粒材料22通常 位于第一顆粒材料20的間隙內。
所述第一顆粒材料20和第二顆粒材料22各自的粒度優選提供高填充密度, 使得熱界面材料具有低自由體積。盡管可以分別選擇所述第一顆粒材料20和第 二顆粒材料22的平均粒度14和16以及粒度分布10和12以提供最小的自由體積， 但是在另外的實施方式中，可以使填料體系具有一定程度的自由體積。另外， 在其它的實施方式中，熱界面材料的熱導性填料可包含三種或更多種各自具有不同粒度的顆粒材料。與前面一樣，可對用于特定熱導性填料的各種顆粒材料 的平均粒度和粒度分布進行選擇，以提供較高的填充密度。
除了第一和第二顆粒材料的相對平均粒度以外，第一顆粒材料20與第二顆 粒材料22的體積混合比也會影響填充密度。例如，增大較大的顆粒(即第一顆粒
材料20)相對于較小的顆粒(即第二顆粒材料22)的比例會使得較大顆粒之間未
被較小顆粒填充的間隙體積增大。相反，增大較小的顆粒(即第二顆粒材料22)
相對于較大的顆粒(即第一顆粒材料20)的比例會使得較大顆粒(即第一顆粒材
料20)之間的間隙體積被過度填充。對較大顆粒之間的間隙體積的過度填充會迫
使較大的顆粒相分離，造成較大顆粒之間的間隔。較大顆粒之間的間隔會增大 填料體系的自由體積。
所需的填充密度或自由體積取決于(至少部分取決于)所預期的最終用途。 可根據所述熱界面材料最終的具體用途，也可基于具體粒度分布和顆粒形狀改 變熱界面材料中的第一顆粒材料20與第二顆粒材料22的體積比。在一個實施方 式中，第一顆粒材料20與第二顆粒材料22的體積比可大約為40/60，以提供較高 的填充密度。
適于提供較高的填充密度的第一顆粒材料20與第二顆粒材料22之間的體 積比可約為60/40至20/80。本發明還考慮了提供的填充密度小于最大密度的熱 界面材料的實施方式。因此可對第一顆粒材料20與第二顆粒材料22之比進行控 制，以提供各種具體用途所需的合適的填充密度和/或自由體積。總體來說，第 一顆粒材料20約占熱界面材料的20-70體積％,第二顆粒材料22約占熱界面材 料的10-70體積％。最佳的是，第一顆粒材料20約占熱界面材料的28.35體積％, 第二顆粒材料22約占熱界面材料的43.65體積％。
根據本發明另一實施方式，可在熱界面材料中確立最大粒度。可通過排除 粒度大于預定粒度的顆粒來提供最大粒度。排除粒度大于預定粒度的顆粒可包 括從第一顆粒材料20中除去粒度大于預定粒度的任何顆粒和/或從包含第一顆 粒材料20和第二顆粒材料22的熱界面材料除去粒度大于預定粒度的任何顆粒。
下面來看圖3，排除粒度大于選定的預定粒度的顆粒可以得到第一顆粒材 料的改進粒度分布30。第一顆粒材料20(圖2所示)的改進的粒度分布30可具有陡 急的粒度上限(如圖中左側所示)。在圖3所示的實施方式中，排除了第一顆粒材 料20中大于初始平均粒度14(見圖1所示的粒度分布10)的顆粒。因此，在圖3中, 數字14并不表示粒度分布30的平均值，而是表示圖1所示粒度分布10的平均值，是圖3所示粒度分布30的最大粒度。這有效地將該實施方式的熱界面材料的粘
合層厚度限定為改良的粒度分布30中最大顆粒的粒度，這與圖l中的粒度分布
IO不同，在圖1中，最小粘合層厚度是由粒度分布10中最大顆粒的粒度確定的a
或者可選擇預定的粒度限制，以提供不同于平均粒度14的排除性限制。因
此,將大于預定粒度的顆粒從熱界面材料中排除時，所依據的預定粒度不一定是 基于粒度分布的統計學特性。另外，預定的粒度不需要對粒度尺寸進行數字量 化。盡管圖l的特定粒度分布可能具有更佳的填充效果和較低的粘度，但是具有
圖3所示粒度分布的顆粒在粘度上的適度增加從價值上來講不及粘合層厚度的 有效減小，從而獲得了更低的(性能更佳的)熱阻抗。
可使用各種技術排除掉粒度大于預定粒度的顆粒。可通過篩分法排除顆 粒，其中第一顆粒材料20(圖2所示)的平均粒度約為0.8密耳，粒度約大于該平均 粒度的顆粒被排除，該篩分法使用635目的篩網完成所需的分離。本領域技術人 員將會意識到，可改變篩目尺寸以進行不同的粒度排除。應注意通過篩分進行 的粒度排除可能不完全，當用于非球狀顆粒時尤為如此。例如，非球狀顆粒可 能具有能夠通過特定篩目的第一橫截面積，還可能具有無法通過該篩目的第二 橫截面積。盡管具有如上所述的情況，但是篩分通常能夠提供充分的顆粒排除。
在進行這種篩分的第一方法中，首先將粒度大于預定粒度的顆粒從第一顆 粒材料20排除，然后再將所述第一顆粒材料20和第二顆粒材料22(均示于圖2) 混合起來。例如，可以篩分第一顆粒材料20，以排除粒度大于預定粒度的顆粒。 因此，可以對第一顆粒材料20進行處理以提供圖3所示的改良的粒度分布。在進 行此篩分操作之后，可以將具有改良的粒度分布30的第一顆粒材料20與第二顆 粒材料22混合，以提供熱導性填料。如果第二顆粒材料22的粒度分布中的最大 粒度等于或小于預定粒度，可釆用該方法。
在用來進行該篩分的第二方法中，在將第一和第二顆粒材料混合起來之
后，排除掉粒度大于預定粒度的顆粒。可以使用合適的技術將所述第一和第二
顆粒材料混合起來，以制得初始熱導性填料。然后可對所述初始熱導性填料進
行篩分處理，以除去粒度大于預定粒度的顆粒。因此，對初始熱導性填料的篩 分制得了本文所述的熱導性填料。
與所述第二種方法相一致，如果第二顆粒材料22(圖2所示)包含一部分粒 度大于預定粒度的顆粒，這些顆粒將會被排除掉。該方法中所述的初始熱導性 填料同時包含第一顆粒材料20(也示于圖2)和第二顆粒材料22。因此，當對所述初始熱導性填料進行篩分的時候，來自第一粒度分布10的第一顆粒材料20和來 自第二粒度分布12的第二顆粒材料22中粒度大于預定粒度的顆粒都會被排除掉。
另外，在同時包含第一顆粒材料20和第二顆粒材料22(均示于圖2)的初始 熱導性填料中，確定所述第一顆粒材料20和第二顆粒材料22的體積比時，應考 慮到將被排除掉的粒度大于預定粒度的顆粒的質量和/或分數。粒度大于預定尺 寸的顆粒可主要和/或完全包含在第一顆粒材料20中。相對于所需的最終分數， 可以增大初始熱導性填料中第一顆粒材料20的相對分數。可通過增大所述初始 熱導性填料中第一顆粒材料20的分數來應對可能由于排除掉粒度大于預定粒 度的顆粒而造成的第一顆粒材料20的質量和/或分數的減小。
例如，為了提供第一顆粒材料20(見圖2)與第二顆粒材料22(同樣見圖2)的 所需最終體積比為40/60的熱界面材料，可以增大初始熱導性填料中第一顆粒 材料20相對于第二顆粒材料22之比，以彌補在排除粒度大于預定粒度的顆粒時 將要除去的第一顆粒材料20的量。在一個實施方式中，預定粒度設定為第一顆 粒材料20的平均粒度，在此情況下第一顆粒材料20有大約一半的體積將會被除 去，以排除粒度大于預定粒度的顆粒。
為使最終的熱界面材料中第一顆粒材料2(K見圖2)與第二顆粒材料22(同樣 見圖2)之比達到所需的40/60,初始熱導性填料中的體積比可為80/60，以便除去 大約一半體積的第一顆粒材料20。可以根據將被排除的第一顆粒材料20和/或第 二顆粒材料22的預期分數以及最終熱界面材料中第一顆粒材料20和第二顆粒 材料22所需的比例，改變第一顆粒材料20與第二顆粒材料22的確切比例。
在其它實施方式中，所述熱界面材料可包含兩種以上的顆粒材料。每種顆 粒材料可具有一定的粒度分布，例如可具有基本呈正態分布的粒度、多峰粒度 分布等。可以對最終熱界面材料中顆粒材料的相對粒度和比例進行選擇，以提 供所需的填充密度或自由體積。
在優選的實施方式中，本發明所述的熱導性填料適合用作熱界面材料。因 此所述第一和第二顆粒材料將包含熱導性顆粒材料。合適的熱導性顆粒材料的 例子包括銀、鋁、銅、氮化硼、氮化鋁、涂敷銀的銅、涂敷銀的鋁、涂敷銅的 鋁、金剛石等。也可使用本領域技術人員顯而易見的各種其它熱導性材料。例 如，所述第一顆粒材料20可以是銅，所述第二顆粒材料22可以是鋁。
另外，所述第一顆粒材料20和第二顆粒材料22(均示于圖2)可以由具有不同平均粒度和/或粒度分布的相同材料制成，或者可以由同樣具有(不同平均粒 度和/或粒度分布的)的不同材料制成。本發明所述的顆粒材料可包含任何合適 的顆粒幾何結構，例如但不限于球形、橢圓形、橢球形和平面形(即薄片、不規 則狀或棱形)。同樣，所述第一顆粒材料和第二顆粒材料可具有互不相同的顆粒 幾何結構。
包含具有可控制的填充密度或自由體積，而且含有通過排除大于預定粒徑 的顆粒而制得的具有預定最大粒度的第一和第二顆粒材料的熱導性填料的熱 界面材料，可用來提供較低的熱阻抗。所述低熱阻抗促進了較熱的第一界面表
面24(例如半導體芯片或半導體封裝)與較冷的第二界面表面26(例如集成的熱
擴散器或散熱器)之間的熱傳遞。
一般來說，熱阻抗是熱從熱表面通過界面材料流入冷表面的總阻抗的度
量。如圖4所示，熱阻抗與連接處的厚度成正比，即與熱的第一界面表面24(例如 半導體封裝)和冷的第二界面表面26(例如熱擴散器或散熱器)之間的熱導性填 料的厚度成正比。所述熱阻抗還與所述熱導性填料的熱導率成反比。
因此可以通過減小粘合層的厚度(較熱表面和較冷表面之間的熱導性填料 的平均厚度)來減小由結合在熱界面材料中的熱導性填料帶來的熱阻抗。所述粘 合層的厚度會在一定程度上隨熱界面材料中熱界面材料的顆粒密度而變化。熱 導性填料顆粒通常不具有可壓縮性和/或容易變形的特性，因此最小粘合層厚 度通常不會小于最大的填料顆粒的粒度。因此，本說明書所述的熱導性填料通 過排除粒度大于預定粒度的顆粒，提供了很薄的粘合層厚度。在優選的實施方 式中，粘合層厚度可以是一個顆粒的厚度。如上所述，可使用635目的篩網排除 掉粒度大于0.8密耳的顆粒。這樣可以由使用本文所述的熱導性填料的熱界面材 料獲得0.8密耳的粘合層厚度。
使用第一顆粒材料20和第二顆粒材料22作為熱導性填料制得的較大顆粒 和較小顆粒的混合物為特定的填充密度提供了較大的平均粒度。當該混合物與 基質材料混合的時候，所述較大的平均粒度所提供的孔隙率低于具有較小平均 粒度的熱導性填料。較低的孔隙率使得包含熱導性填料和基質材料的熱界面材 料能夠在一定的負荷下壓縮成很小的厚度，從而有助于提供很小的粘合層厚 度，所述負荷是半導體芯片和/或半導體封裝能夠承受而不會發生破壞的。
另外，可以通過提供增大熱導率的基質材料，減小包含本發明熱導性填料 的熱界面材料的熱阻抗。如上所述，所述熱界面材料的熱阻抗與其中所結合的熱導性填料的熱導率成反比。所述熱界面材料的熱導率還與基質材料的熱導率 有關，還與所述熱導性填料和基質材料的體積分數有關。
通過包含具有較大顆粒的第一顆粒材料20和具有較小顆粒的第二顆粒材
料22，第二顆粒材料22的較小顆粒將會至少部分地填充第一顆粒材料20的間隙
從而增大熱導性填料顆粒的填充密度。通過這種方式，熱導性填料的體積分數
將會相對于基質材料增大。通過增大熱導性填料顆粒的填充密度造成的熱導性 填料體積分數相對于基質材料的增大，將會增大熱導性填料的熱導率。熱導性
填料熱導率的增大可減小熱界面材料造成的熱阻抗。
除了增加熱導性填料相對于熱導性較差的基質材料的體積分數以外，所述
熱界面材料還可提供比使用單獨的顆粒材料更高的堆積熱導率。對于熱界面材
料中特定的熱導性填料體積分數，本發明的熱界面材料具有較大的平均粒度,
平均粒度較大的熱導性填料能夠提供較高的堆積熱導率。因此，包含本發明所
述熱填料材料的熱界面材料，通過增大熱導性填料分數和增大堆積熱導率來增 大熱導率。
因此，使用本文所述的熱導性填料的熱界面材料，可以減小部件之間的熱 阻抗，從而提高熱控制系統的性能。通過排除直徑大于預定直徑的顆粒，可以 減小粘合層厚度，從而減小了熱阻抗。還通過增大熱導性填料的熱導率(這可通 過增大熱界面材料中熱導性填料的填充密度來完成)來降低熱阻抗。
可通過將熱導性填料與各種基質材料和/或另外的加工助劑、添加劑等混合 起來，制備包含本文所述熱導性填料的熱界面材料。通常所提供的熱界面材料 為熱脂的形式。在熱脂中，可將熱導性填料與硅油、烴或礦物油、凡士林等之 類的分散劑相混合。可以根據需要將熱導性填料分散在硅油、烴或礦物油和/ 或凡士林中，以制備糊料、粘性流體或凝膠。熱脂的粘度通常與熱界面材料的 粒度成反比，但是也會受到基質材料組分粘度的影響。
排除掉大于預定粒徑的顆粒和/或第二顆粒材料22的較小顆粒和第一顆粒 材料20的較大顆粒的混合物，略微減小了熱導性填料的平均粒度。所述平均粒 度的減小可以略微增大該熱脂的粘度。熱脂粘度的增大可減少熱脂的遷移，還 可減少"抽出"的發生和/或速率，在"抽出"中，系統的熱循環迫使熱脂從熱 控制系統的配對表面之間溢出。
本發明的熱界面材料還可在基質材料中使用粘合劑。所述粘合劑可以是橡 膠，例如烯烴橡膠之類的烴類橡膠。合適的橡膠可包括飽和橡膠以及不飽和橡膠，還可包括可交聯橡膠和/或不可交聯橡膠。還可另外使用各種其它的粘合 劑，或者使用所述其他粘合劑作為替代。這些其它粘合劑可包括各種聚合物和 /或低聚物材料鄰/或它們的混合物。合適的聚合物和/或低聚物材料可同時包括 熱塑性聚合物材料和熱固性聚合物材料，它們包括，但不限于環氧樹脂、聚氨 酯、聚酯、烯烴、丙烯酸樹脂等。
另外，所提供的熱界面材料可以將本發明所述的熱導性填料和相變材料結 合使用。通常相變材料可熔融和固化，以儲存和釋放熱量。較佳的是，合適的 相變材料的熔點可在熱控制系統的操作溫度范圍內，例如對于半導體熱控制系
統，其熔點可約為40-106"C。相變材料的例子是蠟，例如石蠟和微晶蠟，聚乙烯
蠟之類的聚合物蠟等，以及它們的混合物。
最優化的熱界面材料可包含與兩種或更多種基質材料相結合的本發明所 述的熱導性填料。例如，所述基質材料可包括石油或硅基油或者凝膠分散劑, 蠟之類的相變材料，鈦酸酯偶聯劑之類的偶聯劑，以及抗氧化劑和/或橡膠或膠 粘劑之類的粘合劑。基質材料的這種組合可以提供較低的熱阻抗，可抑制熱導 性填料的遷移。因此，這種組合可提高熱性能，還可延長壽命。如果在基質材 料中同時使用有機材料和無機材料，可以使用鈦酸酯偶聯劑之類的偶聯劑以促 進有機材料和無機材料之間的光滑界面。另外，可以使用抗氧化劑以防蠟和/ 或其它材料發生氧化。
例如，用來將第一顆粒材料20和第二顆粒材料22相結合的基質材料可包含
相變材料，例如微晶蠟或聚乙烯蠟；低粘度鋪展劑(例如礦物油或硅油)和高粘 度分散劑(例如凡士林)的混合物；偶聯劑，例如鈦酸酯偶聯劑；以及抗氧化劑。 在這樣的基質材料中，微晶蠟的用量可約為0-60%，礦物油的用量可約為0-60 %，凡士林的用量可約為0-30%，鈦酸酯偶聯劑的用量可約為0-50%，抗氧化劑 的用量可約為0-2%。
在優選的實施方式中，微晶蠟的用量可約為40%,礦物油的用量可約為 37-50%,凡士林的用量可約為10-70%，鈦酸酯偶聯劑的用量可約為10-70%, 抗氧化劑的用量可約為1-10%。合適的微晶蠟是熔點為55。C的微晶蠟，例如購 自International Group, Inc.的產品IGI 3040。合適的礦物油是4(TC下的88cST礦物 油，例如購自STE Oil有限公司的產品Crystal Plus 500FG。合適的凡士林是 Petrolatum A0101,例如購自The Candlewic公司的產品。合適的鈦酸酯是購自 Kenrich Petrochemicals Inc.的KRTTS 。最后，合適的抗氧化劑是購自CibaSpecialty Chemicals的Irganox 1076。
例如，結合了上述基質材料的熱導性填料可使用銅粉作為第一顆粒材料 20，使用鋁粉作為第二顆粒材料22。所述鋁粉的平均粒度可約為0.08密耳，約 為銅粉平均粒度的十分之一，銅粉的平均粒度約為0.8密耳，所述銅粉和鋁粉均 為球形。在本文所示的實施例中，熱界面材料的熱阻抗約為0.101。K-cm々W。如 果使用635目的篩子過濾熱導性填料以濾去更大的顆粒，同時保持所述第一顆 粒材料20和第二顆粒材料22的相對百分含量，則熱界面材料的熱阻抗約為 0.084 。K-cm2/W，減少17%。
因此由上述本發明優選實施方式可以理解，本發明描述了具有特別低的熱
阻抗的熱界面材料。本發明的熱界面材料具有良好的粘度特性，具體來說，其
粘度足夠低，當所述熱界面材料用于兩個表面之間的時候，可以提供良好的流
動性質。本發明的熱界面材料使用具有至少兩種不同粒度的熱導性填料顆粒， 從而同時具有極佳的熱界面性質和用以提供極佳流動性質的較低的粘度。
本發明的熱界面材料能夠使用任意多種不同的熱導性填料，以適當的成本 提供極佳的性質。例如，本發明的熱界面材料可使用各自具有不同粒度的多種 不同的熱導性填料。本發明的熱界面材料中經過改進的新穎熱導性填料被包封 在粘合劑體系中，提供了極佳的性能特征，不但提高了熱導性填料的有益特性， 在一些實施方式中，還可提供優良的相變性質。
本發明的熱界面材料具有穩定的組成，而且該組成能夠長期保持穩定，使 得所述材料在與其相關的電子元件的操作壽命期間保持低熱阻抗和其它有益 的特性。本發明的熱界面材料制造起來較為廉價，提高了其市場吸引力，因此 可以盡可能地拓寬市場。最后,本發明的熱界面材料的所有上述優點和目標都可 以在不造成任何顯著的相關缺點的前提下實現。
盡管上文中已經參照本發明的特定實施方式和應用對本發明熱導性材料 進行了描述，但是所述舉例和說明不是窮舉性的，本發明并不限于所揭示的具 體實施方式和應用。本領域普通技術人員可以顯而易見地看到，可以對本文所 述的本發明熱導性材料進行大量的改變、修改、變化或替代，而不會背離本發 明的精神或范圍。選擇和描述了本發明的特定實施方式和應用，以便最佳地闡 釋本發明的原理，本領域普通技術人員可以將本發明用于各種實施方式，可以 對預期的具體應用采取各種適當的改變。因此所有的這些改變、修改、變化和 替代，只要其含義合理、合法、正當地在所附權利要求書所確定的本發明范圍 之內，都應看作在本發明的范圍之內。
權利要求
1.一種熱界面材料，該材料包含基質材料；熱導性填料，所述熱導性填料包含具有第一粒度分布和第一平均粒度的第一熱導性顆粒材料，具有第二粒度分布和第二平均粒度的第二熱導性材料，所述第一平均粒度大于所述第二粒度。
2. 如權利要求l所述的熱界面材料，其特征在于，所述第一平均粒度約為第二平均粒度的4-20倍。
3. 如權利要求2所述的熱界面材料，其特征在于，所述第一平均粒度約為 所述第二平均粒度的10倍。
4. 如權利要求l所述的熱界面材料，其特征在于，從所述第一熱導性顆粒 材料中排除大于第一粒度的顆粒。
5. 如權利要求1所述的熱界面材料，其特征在于，從所述熱導性填料中排 除了大于第一粒度的顆粒。
6. 如權利要求l所述的熱界面材料，其特征在于，所述第一粒度分布和所 述第二粒度分布部分重疊。
7. 如權利要求l所述的熱界面材料，其特征在于，所述第一粒度分布和所 述第二粒度分布不重疊。
8. 如權利要求1所述的熱界面材料，其特征在于，所述第一熱導性顆粒材 料和所述第二熱導性顆粒材料由相同的材料制成。
9. 如權利要求l所述的熱界面材料，其特征在于，所述第一熱導性顆粒材 料和所述第二熱導性顆粒材料由不同材料制成。
10. 如權利要求l所述的熱界面材料，其特征在于，所述第一和第二熱導 性顆粒材料各自由以下的材料制成銀、鋁、銅、氮化硼、氮化鋁、涂敷銀的 銅、涂敷銀的鋁、涂敷銅的鋁和金剛石。
11. 如權利要求l所述的熱界面材料，其特征在于，所述第一和第二熱導 性顆粒材料基本為球形結構。
12. 如權利要求l所述的熱界面材料，其特征在于，所述第一和第二熱導 性顆粒材料基本為橢圓形結構。
13. 如權利要求l所述的熱界面材料，其特征在于，所述第一熱導性顆粒材料由銅粉制成，所述第二熱導性顆粒材料由鋁粉制成。
14. 如權利要求l所述的熱界面材料，其特征在于，以所述熱界面材料的體積為基準計，所述第一熱導性顆粒材料的含量約為20-70體積％，所述第二熱 導性顆粒材料的含量約為10-70體積％ 。
15. 如權利要求14所述的熱界面材料，其特征在于，以所述熱界面材料 的體積為基準計，所述第一熱導性顆粒材料的含量約為28.35體積％,所述第二 熱導性顆粒材料的含量約為43.65體積％。
16. 如權利要求l所述的熱界面材料，其特征在于，所述基質材料包含相 變材料。
17. 如權利要求16所述的熱界面材料，其特征在于，所述相變材料包含蠟。
18. 如權利要求17所述的熱界面材料，其特征在于，所述相變材料包括 微晶蠟。
19. 如權利要求l所述的熱界面材料，其特征在于，所述基質材料包含鋪 展劑。
20. 如權利要求19所述的熱界面材料，其特征在于，所述鋪展劑包括以 下的至少一種礦物油、硅油和凡士林。
21. 如權利要求20所述的熱界面材料，其特征在于，所述鋪展劑包括礦 物油和凡士林的混合物，以提供合適的粘度。
22. 如權利要求l所述的熱界面材料，其特征在于，所述基質材料包含偶 聯劑。
23. 如權利要求22所述的熱界面材料，其特征在于，所述偶聯劑包括鈦 酸酯偶聯劑。
24. 如權利要求l所述的熱界面材料，其特征在于，所述基質材料包含抗 氧化劑。
25. 如權利要求l所述的熱界面材料，其特征在于，所述基質材料包含粘 合劑。
26. 如權利要求25所述的熱界面材料，其特征在于，所述粘合劑包括橡膠。
27. 如權利要求25所述的熱界面材料，其特征在于，所述粘合劑包括聚 合物或低聚物材料。
28. 如權利要求27所述的熱界面材料，其特征在于，所述聚合物或低聚物材料包括環氧化物或丙烯酸酯材料。
29. —種熱界面材料，該材料包含基質材料，該基質材料包含相變材料、鋪展劑、偶聯劑和抗氧化劑； 熱導性填料，該填料包含具有第一粒度分布的第一熱導性顆粒材料，以及 具有第二粒度分布的第二熱導性顆粒材料，大于第一粒度的顆粒從所述填料中除去了。
30. —種熱界面材料，該材料包含基質材料；熱導性填料，該填料包含具有第一粒度分布的第一熱導性顆粒材料，以及 具有不同于所述第一粒度分布的第二粒度分布的第二熱導性顆粒材料。
31. —種熱導性填料，該填料包含 具有第一粒度分布和第一平均粒度的第一熱導性顆粒材料； 具有第二粒度分布和第二平均粒度的第二熱導性材料，所述第一平均粒度大于所述第二粒度。
32. 如權利要求31所述的熱導性填料，其特征在于，從所述第一熱導性 顆粒材料中排除了大于第一粒度的顆粒。
33. 如權利要求31所述的熱導性填料，其特征在于，所述第一熱導性顆 粒材料具有第一平均粒度，所述第二熱導性材料具有第二平均粒度，所述第一 平均粒度約為所述第二平均粒度的4-20倍。
34. 如權利要求31所述的熱導性填料，其特征在于，所述第一熱導性顆 粒材料具有第一平均粒度，所述第二熱導性材料具有第二平均粒度，所述第一 平均粒度約為所述第二平均粒度的10倍。
35. 如權利要求31所述的熱導性填料，其特征在于，所述第一熱導性顆 粒材料包含銅。
36. 如權利要求31所述的熱導性填料，其特征在于，所述第二熱導性顆 粒材料包含鋁。
37. —種制備熱導性填料的方法，該方法包括 提供具有第一粒度分布和第一平均粒度的第一熱導性顆粒材料； 提供具有第二粒度分布和第二平均粒度的第二熱導性顆粒材料，所述第一平均粒度大于所述第二粒度；將所述第一和第二熱導性顆粒材料混合起來。
38. 如權利要求37所述的方法，該方法還包括排除所述第一熱導性顆粒中粒度大于預定粒度的部分。
39. 如權利要求37所述的方法，其特征在于，所述第一熱導性顆粒材料具有第一平均粒度，所述第二熱導性顆粒材料具有第二平均粒度，所述第一平均粒度約為所述第二平均粒度的4-20倍。
40. 如權利要求37所述的方法，其特征在于，所述第一熱導性顆粒材料 具有第一平均粒度，所述第二熱導性顆粒材料具有第二平均粒度，所述第一平 均粒度約為所述第二平均粒度的10倍。
41. 如權利要求37所述的方法，其特征在于，該方法還包括將所述第一 和第二熱導性顆粒材料與基質混合。
42. 如權利要求41所述的方法，其特征在于，所述基質包含相變材料。 如權利要求41所述的方法，其特征在于，所述基質包含聚合物或低
43. 聚物材料
44.
45.如權利要求41所述的方法，其特征在于，所述基質包含橡膠。 如權利要求37所述的方法，其特征在于，排除部分所述第一熱導性顆粒材料包括對所述第一熱導性顆粒材料進行篩分。
全文摘要
一種包含基質和熱導性填料的熱界面材料。所述熱導性填料包含具有不同粒度分布的第一和第二熱導性顆粒材料。可以通過從所述熱導性填料中排除掉粒度大于預定粒度的顆粒，確立熱導性填料的最大粒度。
文檔編號H05K7/20GK101288353SQ200680000454
公開日2008年10月15日 申請日期2006年11月1日 優先權日2005年11月1日
發明者G·L·克拉克, P·L·卡納萊 申請人:泰克菲爾姆有限公司