层间热接合构件、层间热接合方法、层间热接合构件的制造方法技术

本发明专利技术的目的在于解决以往的高分子/无机复合体型层间热接合构件材料的问题，提供使用了石墨膜的低热阻且高耐热性的层间热接合方法和层间热接合构件。本发明专利技术的层间热接合方法为夹持在2个构件之间而传递热的层间热接合构件，其具有石墨膜，石墨膜的厚度T为200nm～3μm，石墨膜表面的算术平均粗糙度Ra与厚度T之比(Ra/T)为0.1～30。

Interlayer Thermal Joint Component, Interlayer Thermal Joint Method and Manufacturing Method of Interlayer Thermal Joint Component

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】层间热接合构件、层间热接合方法、层间热接合构件的制造方法
本专利技术涉及用于将源自热源的热量迅速传递至冷却/放热部的层间热接合构件、层间热接合方法、层间热接合构件的制造方法。
技术介绍
近些年，由于与微处理器的高速化、发光二极管(LED：LightEmittingDiode)芯片的高性能化相伴的发热量上升，手机、电脑、个人数字助理(PDA：PersonalDigitalAssistant)、游戏机等电子设备、LED照明等中的热问题成为要解决的主要课题。对于放热/冷却，有利用热传导、热辐射、热的对流的方法。为了对热源的热有效地进行放热/冷却，需要组合这些放热/冷却方式而将发热部的热有效地传递至电路板、散热片、散热器等放热/冷却部，因此降低发热部与放热/冷却部之间的热阻变得尤为重要。即使将金属、陶瓷等构件彼此简单地接合，由于表面的凹凸，层间的接合也会是点接触，结果在层间存在热导率较低的空气层(热导率：0.02W/mK)，因此产生较大的热阻。层间热接合构件(ThermalInterfaceMaterial、以下简称为TIM)用于降低这样的层间的热阻，其夹持在金属彼此之间、金属与陶瓷等构件之间而使用。一直以来，使用混合了用于形成面接触的具有柔软性的高分子材料和用于使TIM本身成为高热传导的高热导性无机填料(高分子/无机复合体、以下简称为复合型TIM)的材料，但未显示出充分的性能。根据本专利技术人等，在专利文献1中公开了较薄的石墨膜作为TIM具有优异的性能。具体而言公开了：开发出使用了如下石墨膜的TIM，所述石墨膜的厚度为10nm～15μm、膜面方向的热导率为500W/mk以上、膜面方向与厚度方向的热导率的各向异性为100以上，该石墨TIM例如在1.0kgf/cm2的压力下显示出0.98℃·cm2/W(厚度13μm)～0.33℃·cm2/W(厚度105nm)的优异的热阻特性。此处，本说明书中用MPa表示压力单位。1.0MPa相当于10.197kgf/cm2，因此可认为1.0kgf/cm2的压力相当于大致0.1MPa。现有技术文献专利文献专利文献1：日本特开2014-133669号公报
技术实现思路
专利技术要解决的问题本专利技术的目的在于提供与现有的复合型TIM、使用了上述专利技术中记载的石墨的TIM相比显示出压倒性的低热阻值、热阻值的压力依赖性小、而且耐热性、耐久性极其优异的作为层间热接合构件的石墨TIM和使用了其的层间热接合方法，及提供层间热接合构件的制造方法。用于解决问题的方案本专利技术人等对在先专利技术(专利文献1)进行了改良，并详细地研究了石墨膜的厚度、膜的热导率及其各向异性、膜的褶皱等的影响。其结果，通过满足厚度、热物性、褶皱等特定的条件，从而成功地制作了具有远低于在先专利技术的特性的热阻特性的石墨TIM，并完成了本专利技术。这是因为发现了如下的以往完全未知的新事实：本专利技术的石墨膜极其薄，因此能够使其本体的热阻变得极小，进而通过在这样的石墨膜上设置最佳的褶皱，能够使其界面电阻变得极小。例如，本专利技术的TIM在0.1MPa的加压下测定的热阻值为0.3℃cm2/W以下，最优异的热阻值也达到0.078℃cm2/W。虽然为固体但能够令人惊讶地实现低热阻值，这是迄今为止完全未知的。该事实是极其特殊的现象，可以通过绘制本专利技术的石墨TIM的厚度与热阻值的关系而明确地示出。图1示出0.1MPa加压时的石墨膜的厚度和热阻值的变化。对于石墨TIM，随着石墨的膜厚变薄而热阻值减少。这表明石墨TIM中，厚度越薄则界面热阻的值越小。然而，在本专利技术的石墨TIM的厚度范围即3μm以下时，该热阻值急速减小，在200nm～3μm的范围中实现0.3℃·cm2/W以下这样极其优异的热阻特性。对于通常的高分子复合型TIM，厚度与热阻值处于比例关系，外推至厚度为零而得到的点为界面电阻值(例如，参照图1中的点划线)。然而本专利技术的石墨TIM在3μm以下的区域与通常的TIM不同，即使外推至厚度为零，热阻特性也不与Y轴交叉。由此可知：本专利技术的石墨TIM的优异的低热阻特性是基于极其特殊的现象而实现的。这意味着通过降低石墨的膜厚而使界面电阻减少，因此可认为在厚度为200nm～3μm的情况下作为TIM的热阻值也异常小(图1)。另一方面，石墨膜的厚度低于200nm时热阻值的值增大。可认为这是由于厚度低于200nm时，石墨膜与测定夹具表面的接触变得不充分，界面电阻增加。另外，使用了本专利技术的TIM的热接合中，能够实现其热阻值的压力依赖性极小这样的特殊热接合。具体而言，以0.1MPa加压时与以0.45MPa加压时的热阻的差在1.8倍以内，本专利技术中能实现的最小的压力依赖性仅为1.1倍。即使是固体的TIM，这样在较低的压力下的热阻极小，而且不存在该热阻值的压力依赖性的情况也是以往完全未知的特殊现象。热阻值的压力依赖性极小、以较小的加压力显示出较低的热阻特性这样的情况意味着无需机械性的强紧固，进而成为即使机械性紧固松弛、该热阻也几乎不受影响这样的实用上极其有用的特性。需要说明的是，本说明书中也将“加压”称为“施加载荷”。本专利技术的层间热接合构件是夹持在2个构件之间而传递热的层间热接合构件，其具有石墨膜，石墨膜的厚度T为200nm～3μm，石墨膜表面的算术平均粗糙度Ra与厚度T之比(Ra/T)为0.1～30。需要说明的是，Ra值是指如下的值：从粗糙度曲线在其平均线的方向上仅抽取基准长度，在该抽取部分的平均线的方向上取X轴，在纵向倍率的方向上取Y轴，用y＝f(x)表示粗糙度曲线时，将利用下式求出的值用μm表示。(Ra/T)为0.1～30的范围具体是指：本专利技术的厚度最薄的200nm的石墨薄膜的情况下，Ra的值为0.02μm以上且6μm以下，最厚的3μm的石墨薄膜的情况下，Ra的值为0.3μm以上且90μm以下。在这些数值中，重要的是厚度200nm的试样时限定为6μm以下及厚度3μm的试样时限定为0.3μm以上。因此可以换言之，本专利技术的石墨膜的表面粗糙度Ra的值为0.3μm以上且6μm以下是理想的。进而本专利技术人等发现：不仅褶皱的大小，调节其均匀性对于实现低热阻特性也是重要的，故而优选。褶皱的均匀性在原理上采用如下值即可：测定多个位置的算术平均粗糙度Ra时的各位置的值(Ra)相对于由全部多个位置处的测定结果求出的Ra的平均值(Rave)之比(Ra/Rave)。然而，测定一定面积的所有位置的Ra是不可能的，定量地记载褶皱极其困难。因此，我们利用图2所示的方法对褶皱的均匀性进行了定量化。首先，将作为试样的石墨膜切割成50×50mm2，沿着图2的黑线所示的5处线段方向测定表面粗糙度Ra值。此处，2α为约50mm见方的石墨膜的各边的中点，2β为5处黑色线段的中点，2γ为约50mm见方的石墨膜的重心。前述5处线段中，1条线段与前述石墨膜的各边形成45°的角，该线段的中点与前述石墨膜的重心一致。另外，其它4条线段分别与前述石墨膜的4条边平行，与最接近的边的距离为4mm，连接各线段的中点1β与最接近的边的中点1α而成的线段与最接近的边垂直。其结果可知：在利用这样的方法测定时，为了实现本专利技术优异的热阻特性，(Ra/Rave)的比率优选为0.2～5.0的范围。前述的(Ra/Rave)的值为0.2～5.0的范围是指：将在前述5本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种层间热接合构件，其特征在于，其为夹持在2个构件之间而传递热的层间热接合构件，其具有石墨膜，该石墨膜的厚度T为200nm～3μm，该石墨膜表面的算术平均粗糙度Ra与厚度T之比(Ra/T)为0.1～30。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2017.02.02 JP 2017-0176971.一种层间热接合构件，其特征在于，其为夹持在2个构件之间而传递热的层间热接合构件，其具有石墨膜，该石墨膜的厚度T为200nm～3μm，该石墨膜表面的算术平均粗糙度Ra与厚度T之比(Ra/T)为0.1～30。2.根据权利要求1所述的层间热接合构件，其中，所述石墨膜表面的算术平均粗糙度Ra为0.3μm～6.0μm，在多个位置进行测定并算出的各Ra与该各Ra的平均值(Rave)之比(Ra/Rave)为0.2～5.0。3.根据权利要求1或2所述的层间热接合构件，其中，所述石墨膜的密度为1.60g/cm3～2.26g/cm3，膜面方向的热导率为1000W/mK～2000W/mK。4.使用了权利要求1～3中任一项所述的层间热接合构件的层间热接合方法，其中，对所述层间热接合构件施加0.1MPa的载荷时的热阻值为0.3℃cm2/W以下。5.使用了权利要求1～3中任一项所述的层间热接合构件的层间热接合方法，其中，对所述层间热接合构件施加0.1MPa的载荷时的热阻值(R0.1p)与施加0.45MPa的载荷时的热阻值(R0.45p)之比(R0.1p/R0.45p)...

【专利技术属性】
技术研发人员：村上睦明，多多见笃，立花正满，
申请(专利权)人：株式会社钟化，
类型：发明
国别省市：日本,JP