[发明专利]相变热界面材料的施涂方法

说明书

相关申请援引

本申请是美国申请序列号08/801,047，1997-02-14提交，题为“电子元件用共形热界面材料”，的部分继续申请，在此将其公开内容收作参考。

发明背景

本发明广义地说涉及一种相变热界面材料，它可置于发热电子元件与散热元件如热阱和电路板表面之间，以便为电子元件提供传导冷却。更具体地说，本发明涉及此种材料在电子元件与散热元件的传热表面之间的喷涂以便在其表面获得厚度较薄的膜，从而大大降低该电子元件与散热元件之间的热阻。

现代电子设备如电视机、收音机、电脑、医疗仪器、办公机器、通讯设备之类的电路设计已变得日趋复杂。例如，已制造出用于这些以及其他包含相当于成千上万个晶体管的设备的集成电路。尽管设计越来越复杂，这些设备的尺寸却在不断缩小，同时将电子元件制造得更小、将更多此种元件封装在越来越小区域内的能力也在不断改进。

随着电子元件变得越来越小，在集成板和芯片上封装得越来越密，设计者和制造者目前正面临如何散掉这些元件以电阻和其他方式产生的热量的挑战。的确，众所周知，许多电子元件，特别是功率半导体元件如晶体管和微处理器，在高温下更容易失效或出毛病。因此，散热能力常常是元件性能的制约因素。

集成电路内的电子元件传统上一向是通过在设备外壳内空气的强制或对流循环达到散热的。为此，提供冷却翅片(散热片)作为元件封装整体的一部分或者作为单独元件与之相连，以便增加整个插件(或封装)暴露于对流产生的气流的表面面积。另外，还采用电扇来增加外壳内循环的空气量。然而对于高功率电路以及作为现代电子设计的典型，更小但封装得更密的电路来说，简单的空气循环常常发现已不足以充分冷却这些电路元件了。

超出简单空气循环所能达到的那部分散热可通过将电子元件直接安装在诸如“冷板”或其他热阱之类的散热元件上来实现。该热阱可以是专门的导热金属板或者简单地就是装置的底板或电路板。然而，随着各物体之间的界面热阻或接触电阻的增加，在电子元件与热阱之间将造成超过正常温度梯度的显著温度梯度。

就是说，正如美国专利4,869,954所描述的，电子元件与热阱之间的热接合界面的表面，在典型情况下无论宏观或是微观上均不规则。当界面表面彼此配合时，其间产生气袋或空穴空间，从而会窝藏空气。气袋会降低界面内总接触表面面积，这又会减少传热面积以及通过界面的总传热效率。加之，众所周知，空气是热的相对不良导体，界面内气袋的存在势必降低通过界面的传热速率。

为改善通过界面的传热效率，通常在热阱与电子元件之间插入导热、不导电的材料层以填平任何可能的表面不规则并消除气袋。为此最初使用的材料是诸如硅脂或蜡并充填以导热填料如氧化铝。此类材料在正常室温通常是半液态或固态，然而可液化或者，常常是在高温下软化而流动，从而与界面表面较好地保持共形。

例如，美国专利4,473,113和4,299,715公开一种蜡状导热材料，它配合另一种导热材料如铍、锌或铝的氧化物粉末，共同形成一种完成从受热元件到热阱的完整导热路径的混合物。优选的蜡状材料是普通凡士林与天然或合成蜡如虫蜡、棕榈蜡或矿物蜡的混合物，该混合物在温度超过正常室温时熔融并成为塑性的。该材料可通过按压或揉搓而被刮下或部分消融，并粘附在揉搓表面上。因此，可将该材料成形为棒状或条状或者其他可装在铅笔状分配器中进行施涂的可伸出形式。

美国专利3,928,907公开通过提供一种高导热金属界面安装垫来优化诸如晶体管之类热源与多孔层合金属丝网热阱之间的热传导。该垫系通过在多孔金属表面上火焰喷涂熔融金属铜颗粒而堆积成的。

美国专利4,466,483公开一种导热、电绝缘垫圈。该垫圈包括由浸渍上或载有电绝缘导热材料的材料制成的片材或带材。带材或片材的功能是作为赋形剂，用以使可熔融材料以及，若有的话，导热成分保持为垫圈样形式。例如，可提供一种固态塑料的中心层，其两面均涂以蜡、氧化锌和阻燃剂的可熔融混合物。

美国专利4,473,113公开一种导热、电绝缘片材，用于施加在电子设备的表面。该片材的每一面上备有一种在电子设备操作温度范围内由固态变为液态的材料涂层。该材料可配制成由蜡和氧化锌组成的可熔融混合物。

美国专利4,764,845公开一种带散热冷却的电子组件，它包括里面装有电子元件的外壳。热阱材料填满外壳，与电子元件直接接触，以便将其热量导出。热阱材料包含一种糊状混合物，由诸如金刚石、氮化硼或蓝宝石之类的粒状微晶材料以及诸如碳氟化合物或石蜡之类的填料组成。