熱伝導性周期構造ギャップフィラー及びその利用方法

专利摘要:
熱源と熱シンクの間で熱を伝導させるための方法には、機械的に協同して、加えられる圧縮力に応答して変化する総熱伝導率を有するボディ構造を形成する複数の熱伝導単位気泡構造を、圧縮力が加えられた状態で熱源と熱シンクの間に配置するステップが含まれており、圧縮力に応答して所望の総熱伝導率が得られるよう、ボディ構造の中に配置される前記複数の熱伝導単位気泡構造の量を選択することができる。
公开号:JP2011512690A
申请号:JP2010547707
申请日:2009-02-17
公开日:2011-04-21
发明作者:クリシュナン，シャンカル；ケンパース，ロジャー，スコット；ピコット，ウォルター，ジェイ．；ボロヴィエク，ジョセフ，エー．；ラグロッタ，リチャード，トーマス
申请人:アルカテル−ルーセント ユーエスエー インコーポレーテッド；
IPC主号:H01L23-36

专利说明:

[0001] 本発明は熱管理に関し、より具体的には、発熱デバイスの十分な冷却を保証するための、発熱デバイスとその対応する個々の冷却構造の間の効率的な熱伝導の提供に関する。]
背景技術

[0002] 電子冷却、熱交換器、等々などの熱インタフェースアプリケーションの場合、デバイスの温度を動作限度内に維持するためには、発熱デバイス（例えば電力散逸電子コンポーネント）とその対応する冷却構造（例えば熱シンク）の間の物理的なギャップを効率的に架橋しなければならない状況がしばしば存在している。多くのこのようなケースでは、デバイスは、適切な冷却を提供するためにこれらのデバイスが取り付けられるシャーシへの熱伝導を利用している。製造上の変化及び制限のため、これらのギャップのサイズは１ｍｍから１０ｍｍ程度である。適切な隙間材料がない場合、デバイスから冷却構造への熱伝達は、確立される熱経路の品質及び一貫性に応じて、伝導及び対流の何らかの組合せによって提供される。熱経路は、例えば、エアギャップ中の対流又はコンポーネント・リード・フレームを介した印刷回路基板への伝導を含むことができる。デバイスを冷却するためにはこれらの機構単独では不十分であることがしばしばである。]
発明が解決しようとする課題

[0003] 従来技術の様々な欠点は、熱源と熱シンクの間で熱を伝導させるための方法であって、機械的に協同して、加えられる圧縮力に応答して変化する総熱伝導率を有するボディ構造を形成する複数の熱伝導単位気泡構造を熱源と熱シンクの間に配置するステップを含み、圧縮力に応答して所望の総熱伝導率が得られるよう、ボディ構造の中に配置される前記複数の熱伝導単位気泡構造の量を選択することができる方法を含む実施形態によって対処される。]
[0004] 本発明の教示については、添付の図面と共に以下の詳細な説明を考察することによって容易に理解されよう。]
図面の簡単な説明

[0005] 熱伝導性エラストマ・ギャップフィラーを示す図である。
圧縮された熱伝導性エラストマ・ギャップフィラーを示す図である。
体心立方構造を示す図である。
面心立方構造を示す図である。
混成立方体構造を示す図である。
熱源と熱シンクの間に圧縮されたギャップフィラーを示す図である。
ギャップフィラーの一例示的圧縮応力−歪プロファイルを提供するための、歪の関数としての応力を示すグラフである。
ギャップフィラーの一例示的熱伝導率プロファイルを提供するための、歪の関数としての熱伝導率を示すグラフである。
気泡構造の一部が故意に修正された、図２に示されているようなギャップフィラーの一例示的実施形態を示す図である。
力によって共に加圧された２つのコンポーネントであって、それらの２つのコンポーネントの間にギャップフィラー及び誘電材料が配置されたコンポーネントを示す図である。] 図２
実施例

[0006] 理解を容易にするために、可能である場合、これらの図に共通の全く同じ構成要素を明確に示すために、全く同じ参照数表示が使用されている。]
[0007] 様々な実施形態について、熱伝導性コンプライアント金属ギャップフィラーのコンテキストの中で主として説明されているが、他の実施形態も同じく電気ボンディング、絶縁及び複数の他のアプリケーションを含むことができることは、当業者及び本明細書における教示によって教授される人々には認識されよう。さらに、熱伝導性コンプライアント金属ギャップフィラーのアプリケーションは、一般に、電子コンポーネント又は電気光学コンポーネントを冷却するコンテキストの中で説明されているが、これらの材料及び方法の利用は、熱交換器、ボイラ及び／又は他の工業設備にも適用することができる。これら及び他の修正は本発明者らによって企図されている。]
[0008] 図１Ａは一実施形態当たりの熱伝導性エラストマ・ギャップフィラー１１０の高さｌｏを示したものである。熱伝導性ギャップフィラー１１０は、機械的に協同して、加えられる圧縮力に応答して変化するボディ構造を形成する複数の熱伝導単位気泡構造を備えている。様々な例示的実施形態では、ギャップフィラー１１０は、熱源と熱シンクの間に圧縮状態で配置するのに好都合であり、それによりこれらの２つの間の熱伝導率が改善されるよう、比較的大きい伝導率を有する材料で構築される多孔性周期配置気泡（単位気泡）構造を有するものとして特性化されている。ギャップフィラー１１０は、アプリケーションに応じて、銅、アルミニウム、金及び銀などの比較的軟らかい１つ以上の金属、並びに黒鉛又は任意の他の適切な材料（複合物を含む）から構築することができる。一実施形態では、熱源とシンクコンポーネントの間のギャップは、ボディ構造を備えた、決められた量又は割合の複数の熱伝導単位気泡構造を使用して充填される。具体的には、使用される材料の量は、加えられる特定の（例えば期待又は指定）圧縮力に応答して所望の総熱伝導率が生じ／得られるように選択することができる。] 図１Ａ
[0009] 図１Ｂは、一実施形態による、熱伝導性ギャップフィラー１１０を高さＩｆまで圧縮することによって得られる圧縮熱伝導性ギャップフィラー１２０を示したものである。熱伝導性ギャップフィラー１１０が圧縮されると、その熱伝導率が大きくなる。これは、（１）構造の有孔率を小さくし（つまり内部の金属同士の接触を増やし、空気などの気泡「フィラー」材料を少なくする）、それによりボディ構造の実効熱伝導率を大きくする、及び（２）構造の総合厚さを薄くする、の２つの方法で達成される。圧縮ギャップフィラー１２０（ギャップフィラー１１０）の厚さが徐々に薄くなり、有孔率がゼロになる限界のケースでは、その熱伝導率ｋは固体材料の熱伝導率に近くなる。従って、本発明者らは、材料に加える圧縮力を制御することによって熱伝導率ｋを制御することができることを決定した。] 図１Ｂ
[0010] 様々な実施形態では、ギャップフィラーを備えた周期配置単位気泡の構造的な形状は、ギャップフィラー（ボディ構造）を適切に変形させるために必要な圧縮圧力と、その圧縮有孔率と、実効熱伝導率との間の最適平衡が達成されるように適合されている（つまり選択することができる）。図２Ａ、２Ｂ及び２Ｃは、特定のアプリケーションのためのギャップフィラーの所望の機械特性及び熱特性を達成するために有利に適合させることができる形状を備えた例示的単位気泡構造を示したものである。具体的には、図２Ａは体心立方構造２１０を示したものであり、図２Ｂは面心立方構造２２０を示したものであり、また、図２Ｃは混成立方体構造２３０を示したものである。これらの構造２１０、２２０及び２３０は、図１Ａを参照して説明した熱伝導性エラストマ・ギャップフィラー１１０のボディ構造を備えた単位気泡構造として使用するために適した周期構造開放多孔性セグメントである。構造２１０、２２０及び２３０の形状の外観及び／又は材料組成を変更することにより、これらの構造は、任意選択で、圧縮強度をより小さくするための高コンプライアンス、及び／又は例としてコンポーネント間で熱を流すための改善された有効熱経路など、複数の形状をギャップフィラーの中に統合するように適合される。構造２１０、２２０及び２３０に加えて、他の構造及びさらに他の構造を利用することも可能であり、且つ、依然として想定されている実施形態との一致を維持していることは当業者及び本明細書における教示によって教授される人々には理解されよう。これらには、任意選択で、上で言及した任意の適切な周期構造、並びに任意の適切な非周期、非対称閉幾何構造（閉ポア）又は開幾何構造（開ポア）構造が含まれている。通常、任意の構造を利用することができ、所望の機能又はその組合せを実行するようにその寸法（形状）及び／又は組成（材料）を適合させることができる。] 図１Ａ 図２Ａ 図２Ｂ 図２Ｃ
[0011] 一実施形態では、熱伝導性ギャップフィラー１１０などのギャップフィラーは、構造２１０、２２０及び／又は２３０などの機械的に協同する複数の単位気泡構造からなっており、それぞれ表面粗度を有する熱源と熱シンクの間に配置されている。熱源及び熱シンクは、共により近くに引き寄せられ、ギャップフィラーを圧縮して対応する個々の表面の粗度と整合させ、及び／又は充填する。図３はこの実施形態の一例を示したものである。図３は、熱源表面空隙（粗度）３１２を有する熱源３１０、熱シンク表面空隙（粗度）３２２を有する熱シンク３２０、及び整合ギャップフィラー３３０を示したものである。整合ギャップフィラー３３０は、熱源３１０と熱シンク３２０の間に配置されており、力Ｆが熱源３１０及び熱シンク３２０に印加されている。力Ｆによって熱源３１０及び熱シンク３２０が共に加圧されると、整合ギャップフィラー３３０が圧縮される。上で言及したように、整合ギャップフィラー３３０が圧縮されると、整合ギャップフィラー３３０は、そのエラストマ特性によって熱源表面空隙３１２及び熱シンク表面空隙３２２を充填し、それにより、整合ギャップフィラー３３０が提供されていない場合、これらの空隙によって妥協を余儀なくされることになるこれらの２つの間の熱伝導率が最適化される。] 図３
[0012] 図４は、ギャップフィラーの一例示的圧縮応力−歪プロファイルを提供するための、歪（ε）の関数としての応力（σ）をグラフで示したものである。具体的には、図４は、一実施形態による、ギャップフィラー１１０及び／又は整合ギャップフィラー３３０などの金属ギャップフィラーに対する一例示的圧縮応力−歪プロファイル４１０をグラフで示したものである。比較的小さい応力では、ギャップフィラーは、応力−歪曲線（応力−歪プロファイル４００）が比較的一定のプラトー応力値σＰＬに到達するまでの間、ヤング率（Ｅ）に比例して可塑的に撓む。通常、連続気泡ギャップフィラーは、長く、且つ、明瞭なσＰＬ継続期間を有しており、この継続期間内では、ギャップフィラーを備える気泡構造はつぶれる。プラトーσＰＬは、稠密歪εＤまで続いており、この稠密歪εＤを越えると、有孔率（微小空隙部分）が急激に低下し、ギャップフィラーが密集して完全な稠密材料に近くなる。εＤに到達したポイントは応力−歪プロファイル４００上に示されている。特定の実施形態では、εＤに到達したポイント、又はほぼεＤに到達したポイントは、ギャップフィラーのための理想的な動作範囲と見なされ、従って応力−歪プロファイル４００上の理想動作範囲４１０として記されており、熱伝導率は、σＰＬの範囲内におけるその最大点に到達する。しかしながら、理想動作範囲４１０は、必ずしもすべての実施形態に対して理想動作範囲ではないこと、また、ギャップフィラーは、ギャップフィラーが実施されているアプリケーションに応じて、そのアプリケーションに有利な任意の適切な度合いの圧縮で利用することができることを強調しておかなければならない。] 図４
[0013] 様々な実施形態では、ギャップフィラーに加えられる大きい歪はその熱伝導率の増加に比例している。図５は、ギャップフィラーの一例示的熱伝導率プロファイルを提供するための、歪の関数としての熱伝導率をグラフで示したものである。具体的には、図５は歪（ε）対実効熱伝導率（Ｋｅｆｆ）プロファイル５００を示したもので、ギャップフィラー１１０及び／又は整合ギャップフィラー３３０などの材料中の歪（印加される応力によって生じる）が大きくなると熱伝導率が大きくなる典型的な例が示されている。通常（必ずしもそうではないが）、金属ギャップフィラーを有効な熱ギャップフィラーとして機能させるために、一例示的実施形態では、金属ギャップフィラーは小さい圧縮強度（降伏強度）及び大きい相対熱伝導率を有し、それによりεＤの近傍に理想動作条件を得ている。銅、アルミニウム、金及び銀などの純粋な金属は、それらの降伏応力が小さく、且つ、熱伝導率が大きいため、このような実施形態のための望ましい属性を有している。] 図５
[0014] 他の実施形態では、複数の熱伝導単位気泡構造の一部が機械的に協同して、単位気泡構造の中に矛盾（例えば欠陥）を含んだ、ギャップフィラー１１０及び／又は３３０などのボディ構造を形成している。これらの矛盾は、所与の印加圧力の下でのギャップフィラーのつぶれ方、及び増加する圧縮（歪）の下での熱伝導率プロファイルの変化の仕方に具体的に影響を及ぼすために、単位気泡構造の中に故意に提供されている。図６は、このような実施形態の一例を示したもので、混成ギャップフィラー６１０は、その一部又は全体が修正単位気泡６２０からなっている。修正単位気泡６２０は、一例として、所望の方法でギャップフィラーの熱特性及び機械特性に影響を及ぼすことを意図して、何らかの方法でそれらの幾何構造のリガメント又は他のセクションが除去又は修正された構造２１０、２２０及び２３０などの単位気泡構造であってもよい。例えば、応力−歪プロファイル４００又は熱伝導率プロファイル５００、等々などの特定の応力−歪プロファイル又は熱伝導率プロファイルを達成するためには、このような実施形態が場合によっては必要である。特定の実施形態では、アプリケーション・ワラントとして、非一様な応力−歪プロファイル及び熱伝導率プロファイルを故意に生成するために、及び／又はボディ構造の中の異なる領域に特定の特性を実施するために、修正単位気泡６２０をギャップフィラー ボディ構造の中に戦略的に配置することが場合によっては望ましい。このような実施形態を利用することが可能な例は、それらの間でギャップフィラーが圧縮されるボディの熱源表面空隙３１２及び熱シンク表面空隙３２２などの表面形状が分かっている例であろう。これらの例では、修正単位気泡６２０は、所望の機能が達成されるよう、必要に応じてどの様にでも／どこにでも適合させ、且つ、配置することができる。] 図６
[0015] 様々な実施形態では、ギャップフィラー１１０及び／又は整合ギャップ構造３３０などのボディ構造は、２つのボディの間に圧縮状態で配置されると、電気ボンディングを実施するように適合されている。同様の実施形態では、ボディ構造は、単位気泡中の残りのすべての空隙が、遮蔽されることが望ましい入射電磁界の波長よりはるかに小さくなるように、ギャップフィラーの単位気泡構造がサイズ化されるか或いは十分に圧縮されると、電磁干渉（ＥＭＩ）を遮蔽するガスケット／装置として機能するように適合させることも可能である。このような実施形態（電気ボンディング、ＥＭＩ遮蔽、等々）では、ギャップフィラーの単位気泡構造は導電率が大きい材料で構築される。]
[0016] さらに他の実施形態では、ギャップフィラー１１０及び／又は整合ギャップ構造３３０などのボディ構造は、２つのコンポーネントの間に圧縮状態で配置されると、電気絶縁体として機能するように適合されている。図７は、力Ｆによって共に加圧されたコンポーネントＡ７００及びコンポーネントＢ７２０を示したもので、これらの２つのコンポーネントの間に、圧縮されたギャップフィラー１２０及び誘電材料７３０が配置されている。誘電材料７２０は、熱伝導率が大きく、且つ、導電率が小さい材料からなっている。このような材料の一例は、雲母（金雲母、黒雲母、チンワルダイト、リシア雲母、等々）又は所望の特性を有する単数又は複数の任意の適切な材料であろう。] 図７
[0017] 様々な他の実施形態では、圧縮されない単位気泡及び／又は完全に圧縮されない単位気泡によって残されるあらゆる空隙を充填することによってボディ構造の熱伝導率を大きくするために、任意選択で、本明細書において言及されているギャップフィラー例（ギャップフィラー１１０、整合ギャップフィラー３３０、等々）全体に熱伝導性グリースが含浸される。熱伝導性グリースは、そのギャップフィラーのためには電気ボンディング機能が望ましいか、或いは絶縁機能が望ましいかどうかに応じて、導電性又は誘電性のいずれかにすることができる。同様の実施形態では、間に配置され／圧縮されるすべてのコンポーネントに対するギャップフィラーの結合を促進するために、導電性又は誘電性のいずれかである接着剤をギャップフィラー全体に含浸させることができる。]
[0018] さらに他の例示的実施形態は、熱源と熱シンクの間で熱を伝導させるための方法であって、機械的に協同して、加えられる圧縮力に応答して変化する総熱伝導率を有するボディ構造を形成する複数の熱伝導単位気泡構造を熱源と熱シンクの間に配置するステップを含み、圧縮力に応答して所望の総熱伝導率が得られるよう、ボディ構造の中に配置される前記複数の熱伝導単位気泡構造の量を選択することができる方法として解釈することができる。]
[0019] 以上の説明は本発明の様々な実施形態を対象としたものであるが、本発明の基本的な範囲を逸脱することなく、本発明の他の実施形態及びさらに他の実施形態を創案することができる。従って本発明の適切な範囲は特許請求の範囲に従って決定されるものとする。]

权利要求:

請求項1
熱源と熱シンクの間で熱を伝導させるための方法であって、機械的に協同して、加えられる圧縮力に応答して変化する総熱伝導率を有するボディ構造を形成する複数の熱伝導単位気泡構造を前記熱源と熱シンクの間に配置するステップを備え、前記圧縮力に応答して所望の総熱伝導率が得られるよう、前記ボディ構造の中に配置される前記複数の熱伝導単位気泡構造の量を選択することができる方法。
請求項2
請求項１記載の方法であって、前記ボディ構造の少なくとも一部の機械特性に影響を及ぼすよう、前記複数の熱伝導単位気泡構造の前記量のための形状を選択するステップをさらに備える方法。
請求項3
請求項１記載の方法であって、前記ボディ構造の少なくとも一部の熱伝導特性に影響を及ぼすよう、前記複数の熱伝導単位気泡構造の前記量のための形状を選択するステップをさらに備える方法。
請求項4
請求項１記載の方法であって、前記ボディ構造に熱伝導グリースを含浸させるステップをさらに備える方法。
請求項5
請求項１記載の方法であって、前記熱源と複数の熱伝導単位気泡構造の間に誘電材料を配置するステップをさらに備える方法。
請求項6
請求項１記載の方法であって、前記熱伝導単位気泡構造が金属、黒鉛、複合物又はそれらの組合せのうちの少なくとも１つからなる方法。
請求項7
請求項１記載の方法であって、前記熱伝導単位気泡構造が開ポア幾何構造、閉ポア幾何構造又はそれらの組合せのうちの少なくとも１つを備える方法。
請求項8
請求項１記載の方法であって、前記ボディ構造が電磁干渉（ＥＭＩ）遮蔽を実施するように配置される方法。
請求項9
エラストマ・ギャップフィラーであって、機械的に協同して、加えられる圧縮力に応答して変化する総熱伝導率を有するボディ構造を形成する複数の熱伝導単位気泡構造を備え、前記圧縮力に応答して所望の総熱伝導率が得られるよう、前記ボディ構造の中に配置される前記複数の熱伝導単位気泡構造の量を選択することができるエラストマ・ギャップフィラー。
請求項10
エラストマ・ギャップフィラーであって、機械的に協同して、総熱伝導率を有するボディ構造を形成する複数の熱伝導単位気泡構造を備え、所望の総熱伝導率が得られるよう、前記ボディ構造の中に配置される前記複数の熱伝導単位気泡構造の量を選択することができるエラストマ・ギャップフィラー。