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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2022-10-03
(54)【発明の名称】熱界面材料
(51)【国際特許分類】
H01L 23/36 20060101AFI20220926BHJP
H01L 23/373 20060101ALI20220926BHJP
H05K 7/20 20060101ALN20220926BHJP
【ＦＩ】
H01L23/36 D
H01L23/36 M
H05K7/20 F
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2022506457
(86)(22)【出願日】2020-07-30
(85)【翻訳文提出日】2022-03-10
(86)【国際出願番号】 US2020044286
(87)【国際公開番号】W WO2021022055
(87)【国際公開日】2021-02-04
(31)【優先権主張番号】62/880,370
(32)【優先日】2019-07-30
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】522041307
【氏名又は名称】リー，ヨンジュン
【氏名又は名称原語表記】ＬＥＥ， Ｙｏｎｇ， Ｊｏｏｎ
(71)【出願人】
【識別番号】522041318
【氏名又は名称】シメカ，ジョセフ
【氏名又は名称原語表記】ＳＣＩＭＥＣＡ， Ｊｏｓｅｐｈ
(71)【出願人】
【識別番号】522041329
【氏名又は名称】ブランビッラ，ニコロ
【氏名又は名称原語表記】ＢＲＡＭＢＩＬＬＡ， Ｎｉｃｏｌｏ
(71)【出願人】
【識別番号】522041330
【氏名又は名称】リッチ，ダニエル トンプソン
【氏名又は名称原語表記】ＲＩＣＨ， Ｄａｎｉｅｌ， Ｔｈｏｍｐｓｏｎ
(74)【代理人】
【識別番号】100145403
【弁理士】
【氏名又は名称】山尾 憲人
(74)【代理人】
【識別番号】100132263
【弁理士】
【氏名又は名称】江間 晴彦
(74)【代理人】
【識別番号】100221501
【弁理士】
【氏名又は名称】式見 真行
(72)【発明者】
【氏名】リー，ヨンジュン
(72)【発明者】
【氏名】シメカ，ジョセフ
(72)【発明者】
【氏名】ブランビッラ，ニコロ
(72)【発明者】
【氏名】リッチ，ダニエル トンプソン
【テーマコード（参考）】
5E322
5F136
【Ｆターム（参考）】
5E322AA01
5E322AA03
5E322AB04
5E322AB06
5E322EA10
5E322FA04
5F136BC07
5F136FA23
5F136FA25
5F136FA53
5F136FA63
5F136FA88
(57)【要約】
熱界面材料が開示される。この材料は、第１の主表面と第２の主表面との間に延在するシートを含み、シートが、低音材料と基材に埋め込まれた充填材とを含み、基材は、異方性配向された熱伝導素子を含み得る。いくつかの実施形態では、熱伝導素子は、第１の主表面から第２の主・表面に向かう一次の方向に沿って優先配向されて、一次の方向に沿ってシートを通る熱伝導を促進する。いくつかの実施形態では、基材に、シリコーンが実質的になく、いくつかの実施形態では＊、一次の方向に沿ったシートの熱伝導率は、少なくとも２０Ｗ／ｍＫ、３０Ｗ／ｍＫ ４０Ｗ／ｍＫ、５０Ｗ／ｍＫ、６０Ｗ／ｍＫ、７０Ｗ／ｍＫ、８０Ｗ／ｍＫ、９０Ｗ／ｍＫ、１００Ｗ／ｍＫであるか、またはそれよりも大きい。
【選択図】図１
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
熱界面材料であって、第１の主表面と第２の主表面との間に延在するシートを備え、前記シートが、
基材と、
異方性配向された熱伝導素子を備える、前記基材に埋め込まれた充填材と、
を備え、
前記熱伝導素子が、前記第１の主表面から前記第２の主表面に向かう一次の方向に沿って優先配向されて、前記一次の方向に沿って前記シートを通る熱伝導を促進し、
前記基材に、シリコーンが実質的になく、
前記一次の方向に沿った前記シートの熱伝導率が、少なくとも２０Ｗ／ｍＫである、熱界面材料。
【請求項2】
前記シートが、一括して圧縮された基材の複数の層のスタックから分離されたスライスを備え、前記層の各々に充填材が埋め込まれており、各層中の前記充填材が、異方性配向された熱伝導素子を備え、
前記スタックからの分離中の前記スライスの前記配向が、前記熱伝導素子が、前記第１の主表面から前記第２の主表面に向かう一次の方向に沿って優先配向されて、前記一次の方向に沿って前記シートを通る熱伝導を促進するようになっている、
先行請求項のいずれか一項に記載の熱界面材料。
【請求項3】
前記基材が、自立型可撓性層を備える、先行請求項のいずれか一項に記載の熱界面材料。
【請求項4】
前記基材が、熱可塑性材料を備える、先行請求項のいずれか一項に記載の熱界面材料。
【請求項5】
前記一次の方向に沿った前記シートの前記熱伝導率が、少なくとも３０Ｗ／ｍＫである、先行請求項のいずれか一項に記載の熱界面材料。
【請求項6】
前記一次の方向に沿った前記シートの前記熱伝導率が、少なくとも５０Ｗ／ｍＫである、先行請求項のいずれか一項に記載の熱界面材料。
【請求項7】
前記一次の方向に沿った前記シートの前記熱伝導率が、少なくとも６０Ｗ／ｍＫである、先行請求項のいずれか一項に記載の熱界面材料。
【請求項8】
前記シートが、４０～９０の範囲のショア硬さによって特徴付けられる、先行請求項のいずれか一項に記載の熱界面材料。
【請求項9】
前記シートが、５０～８０の範囲のショア硬さによって特徴付けられる、先行請求項のいずれか一項に記載の熱界面材料。
【請求項10】
前記シートが、６０～７０の範囲のショア硬さによって特徴付けられる、先行請求項のいずれか一項に記載の熱界面材料。
【請求項11】
前記充填材が、セラミックフレークを備える、先行請求項のいずれか一項に記載の熱界面材料。
【請求項12】
前記充填材が、窒化ホウ素のフレークを備える、先行請求項のいずれか一項に記載の熱界面材料。
【請求項13】
前記充填材が、黒鉛フレークを備える、先行請求項のいずれか一項に記載の熱界面材料。
【請求項14】
前記充填材が、グラフェンフレークを備える、先行請求項のいずれか一項に記載の熱界面材料。
【請求項15】
前記充填材が、カーボンナノチューブ、カーボンナノチューブの束、および配列されたカーボンナノチューブの凝集体からなるリストから選択される少なくとも１つを備える、先行請求項のいずれか一項に記載の熱界面材料。
【請求項16】
前記シートが、前記シートの前記第１の主表面または前記第２の主表面と近位の領域を備え、前記領域が、前記表面に対してより遠位に位置する前記熱伝導素子よりも小さく異方性配向されている前記充填材の前記熱伝導素子のサブセットを含有する、先行請求項のいずれか一項に記載の熱界面材料。
【請求項17】
前記シートが、前記シートの前記第１の主表面と近位の第１の領域と、前記シートの前記第２の主表面に対して近位の第２の領域と、を備え、前記第１および第２の領域の各々が、前記表面に対してより遠位に位置する前記熱伝導素子よりも小さく異方性配向されている前記充填材の前記熱伝導素子のそれぞれのサブセットを含有する、先行請求項のいずれか一項に記載の熱界面材料。
【請求項18】
前記シートの前記第１の主表面および前記第２の主表面のうちの少なくとも１つが、表面平滑性を促進するための溶剤で処理された表面領域を備える、先行請求項のいずれか一項に記載の熱界面材料。
【請求項19】
前記一次の方向に沿って前記第１の主表面から前記第２の主表面に前記シートを通って延在し、かつ前記第１の表面から前記第２の表面への熱流を促進するように構成された炭素素子をさらに備える、先行請求項のいずれか一項に記載の熱界面材料。
【請求項20】
前記炭素素子が、黒鉛シートを備える、請求項１８に記載の熱界面。
【請求項21】
前記炭素素子が、黒鉛ストリップを備える、請求項１８に記載の熱界面。
【請求項22】
前記異方性配向された熱伝導素子が、主表面を有するフレーク状素子を備え、前記フレーク状素子のうちの少なくとも６５％が、前記シートの前記第１および第２の表面を横断して前記一次の方向に沿って延在する平面内に前記主表面が実質的に存在するように、配列されている、先行請求項のいずれか一項に記載の熱界面。
【請求項23】
前記異方性配向された熱伝導素子が、主表面を有するフレーク状素子を備え、前記フレーク状素子のうちの少なくとも７５％が、前記シートの前記第１および第２の表面を横断して前記一次の方向に沿って延在する平面内に前記フレーク状素子の前記主表面が実質的に存在するように、配列されている、先行請求項のいずれか一項に記載の熱界面。
【請求項24】
前記異方性配向された熱伝導素子が、主表面を有するフレーク状素子を備え、前記フレーク状素子のうちの少なくとも８５％が、前記シートの前記第１および第２の主表面を横断して前記一次の方向に沿って延在する平面内に前記フレーク状素子の前記主表面が実質的に存在するように、配列されている、先行請求項のいずれか一項に記載の熱界面。
【請求項25】
前記異方性配向された熱伝導素子が、主表面を有するフレーク状素子を備え、前記フレーク状素子のうちの少なくとも９５％が、前記シートの前記第１および第２の主表面を横断して前記一次の方向に沿って延在する平面内に前記主表面が実質的に存在するように、配列されている、先行請求項のいずれか一項に記載の熱界面。
【請求項26】
前記充填材が、前記シートの少なくとも５０重量％である、先行請求項のいずれか一項に記載の熱界面。
【請求項27】
前記充填材が、前記シートの少なくとも７０重量％である、先行請求項のいずれか一項に記載の熱界面。
【請求項28】
前記充填材が、前記シートの少なくとも８０重量％である、先行請求項のいずれか一項に記載の熱界面。
【請求項29】
前記充填材が、前記シートの少なくとも９０重量％である、先行請求項のいずれか一項に記載の熱界面。
【請求項30】
前記充填材が、前記シートの少なくとも９５重量％である、先行請求項のいずれか一項に記載の熱界面。
【請求項31】
熱界面材料を作製する方法であって、複数の層を備えるスタックを形成するステップであって、
各層が、基材と、異方性配向された熱伝導素子を備える充填材と、を備え、
各層が、垂直方向に沿って下面から上面に延在し、前記層が、前記垂直方向に積層される、形成するステップと、
前記スタックに力を印加して、前記垂直方向に沿って前記スタックを圧縮するステップと、前記垂直方向に延在し、かつ前記層の前記上面および下面を横断する平面に沿って前記スタックをスライスして、シートを形成するステップと、
を含み、
前記熱伝導素子が、前記垂直方向に横断する方向への優先的に促進される熱流に配向され、
前記シートが、第１の主表面と第２の主表面との間に延在し、前記基材および前記充填材の一部分であって、前記第１の主表面から前記第２の主表面に向かう一次の方向に沿って優先配向されて、前記一次の方向に沿って前記シートを通る熱伝導を促進する、異方性配向された熱伝導素子を備える、一部分を備える、方法。
【請求項32】
前記スタックを形成する前記ステップの完了前に、基材と熱伝導素子を備える充填材との混合物を提供するステップと、
前記混合物を物理的に操作して、前記熱伝導素子を前記層内で異方性配向させるステップと、
を含む方法で各層を形成すること
をさらに含む、請求項３０に記載の方法。
【請求項33】
前記混合物を物理的に操作して、前記熱伝導素子を前記層内で異方性配向させることが、前記層のために前記混合物を押し出すこと、前記混合物を圧縮して前記層を形成すること、前記混合物を繰り返し折り畳んで前記層を形成すること、のうちの少なくとも１つを含む、請求項３１に記載の方法。
【請求項34】
前記基材が、自己修復材料である、請求項３０～３２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項35】
前記スタックをスライスする前記ステップの前に、前記スタックの前記層のうちの少なくともいくつかの間に炭素素子を挟むことをさらに含む、請求項３０～３３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項36】
前記炭素素子が、黒鉛シート、黒鉛ストリップ、グラフェンシート、およびグラフェンストリップからなるリストからの少なくとも１つを含む、請求項３１に記載の方法。
【請求項37】
前記表面の平滑性を強化するために、前記シートの前記第１の主表面および前記第２の主表面のうちの少なくとも１つに溶剤を塗布することをさらに含む、請求項３０～３５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項38】
前記表面の少なくとも一部分に圧力を印加することをさらに含む、請求項３６に記載の方法。
【請求項39】
前記シートの前記第１の主表面または第２の主表面と近位の、前記シートの領域を形成することをさらに含み、前記領域が、前記表面に対してより遠位に位置する前記熱伝導素子よりも小さく異方性配向されている前記充填材の前記熱伝導素子のサブセットを含有する、請求項３０～３７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項40】
前記シートの前記第１の主表面および前記第２の主表面のうちの少なくとも１つに対する接着剤の層をさらに備える、先行請求項のいずれか一項に記載の方法。
【請求項41】
前記熱界面材料が、請求項１～２９のいずれか一項に記載の前記熱界面材料を備える、請求項３０～３９のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１９年７月３０日付けの、「ＴＨＥＲＭＡＬ ＩＮＴＥＲＦＡＣＥ ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ」と題された、米国仮特許出願第６２／８８０，３７０号の利益および優先権を主張し、これらの各々の内容は、それらの全体が本明細書に組み込まれる。
本出願は、２０１９年７月３０日付けの、「ＴＨＥＲＭＡＬ ＩＮＴＥＲＦＡＣＥ ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ」と題された、米国仮特許出願第６２／８８０，３７０号の利益および優先権を主張し、これらの各々の内容は、それらの全体が本明細書に組み込まれる。
【0002】
本明細書に開示される本発明は、熱界面材料に関し、特に、電子部品からの熱の効率的な伝達を提供するための複合材料に関する。
【背景技術】
【0003】
エレクトロニクスが、サイズの縮小を続けながら能力を増大させるに当たり、実際に即した極限的な問題は、発熱の問題である。すなわち、有効な放熱がなければ、高密度回路の性能が実質的に損なわれ得る。放熱における１つの重要なツールセットは、多様な熱界面材料を含む。
【0004】
「熱界面材料」（本明細書では「ＴＩＭ」とも呼ばれる）という用語は、概して、２つの部品間の熱結合を強化するために、２つの部分の間に挿入される任意の材料を記述する。多くの設計は、発熱デバイス（例えば、プロセッサなどの熱源）と放熱デバイス（例えば、ヒートシンク）との間に挿入される熱界面材料の使用を伴う。
【0005】
一般的に使用される熱界面材料には、いくつかの種類がある。これらには、熱グリース、熱接着剤、熱伝導パッド、熱着テープ、および相変化材料が含まれる。
【0006】
熱グリースは、薄い接合ライン、したがって、小さな熱抵抗をもたらす。熱グリースには実効的な機械的強度がなく、したがって、外部の機械的固定機構を必要とする。熱グリースは硬化しないため、使用は、材料を含有することができる場所、またはグリースの粘度が材料を使用中に適切な位置に留めることを可能にする薄い用途に限定される。
【0007】
熱接着剤または熱粘着剤は、硬化後に接合剤にいくらかの機械的強度を提供する。熱粘着剤は、熱グリースが硬化するにつれて、熱グリースよりも厚い接合ラインを可能にする。
【0008】
熱伝導パッドは、概して、ほとんどがシリコーンまたはシリコーン様材料でできている。熱伝導パッドは、被着するのが容易であり、かつより厚い結合ラインを可能にする利点を有する。典型的には、熱伝導パッドは、熱パッドが特定のデバイスの表面に形状追従するように、熱源上のヒートシンクを押圧するためのより高い力を必要とする。このことは、変形があると信号干渉をもたらす高感受性デバイスにとって問題となり得るか、または禁止され得る。
【0009】
熱着テープが使用されてもよい。概して、熱着テープは、表面に付着し、硬化時間を必要とせず、被着するのが容易である。熱着テープは、接着特性を有する熱パッドに類似している。
【0010】
相変化材料（ＰＣＭ）が、使用されてもよい。概して、相変化材料は、自然粘着性材料であり、熱グリースの代わりに使用されてもよい。用途は、固体パッドに類似している。典型的には約５５～６０℃の融点に到達した後、相変化材料は、少なくとも部分的に液体の状態に変化し、熱源とヒートシンクとの間のすべてのギャップを満たす。
【0011】
熱界面材料のこれらおよび他の実施形態は、多様な組成物を使用する。組成物のいくつかの実施形態は、次元材料の分散体を含む。例えば、いくつかの組成物は、熱伝導ファイバを含んでもよい。いくつかの実施形態では、カーボンナノチューブが含まれてもよい。そのような実施形態はいくらかの有望性を示し得るが、性能に対する需要は、さらなる改善を必要としている。
【0012】
すなわち、不運にも、回路設計の進歩は、放熱技術の改善を上回っている。前述のタイプの熱界面材料は、今日の電子機器に役立っているが、システム設計の進歩は、発熱によって次第に制約されつつある。
【0013】
必要なものは、電子システムにおける放熱のための改善された技術である。
【発明の概要】
【0014】
一態様では、第１の主表面と第２の主表面との間に延在するシートを含む熱界面材料が開示され、シートは、基材、および基材に埋め込まれた充填材を含む。充填材は、異方性配向された熱伝導素子を含む。いくつかの実施形態では、熱伝導素子が、第１の主表面から第２の主表面に向かう一次の方向に沿って優先配向されて、一次の方向に沿ってシートを通る熱伝導を選択的に促進する。いくつかの実施形態では、基材に、シリコーンが実質的にない。いくつかの実施形態では、一次の方向に沿ったシートの熱伝導率は、少なくとも１５Ｗ／ｍＫ、２０Ｗ／ｍＫ、３０Ｗ／ｍＫ、４０Ｗ／ｍＫ、５０Ｗ／ｍＫ、６０Ｗ／ｍＫ、７０Ｗ／ｍＫ、８０Ｗ／ｍＫ、９０Ｗ／ｍＫ、１００Ｗ／ｍＫである、またはそれよりも大きい。
【0015】
別の態様では、以下のステップを含む、熱界面材料を作製する方法が開示される。あるステップでは、複数の層を備えるスタックを形成する。いくつかの実施形態では、各層が、基材と、異方性配向された熱伝導素子を備える充填材と、を備える。いくつかの実施形態では、各層が、垂直方向に沿って下面から上面に延在し、層が、当該垂直方向に積層される。いくつかの実施形態では、各層中の熱伝導素子が、垂直方向に横断する方向への熱流を優先的に促進するように異方性配向される。
【0016】
さらなるステップでは、スタックに力を印加して、垂直方向に沿ってスタックを圧縮する。いくつかの実施形態では、この圧縮により、スタックの層がつながり、モノリシック素子を形成する。
【0017】
さらなるステップでは、垂直方向に延在し、かつ層の上面および下面を横断する平面に沿って、スタックをスライスして、シートを形成する。いくつかの実施形態では、シートは、第１の主表面と第２の主表面との間に延在し、スタックから切断された基材および充填材の一部分を含む。充填材は、第１の主表面から第２の主表面に向かう一次の方向に沿って優先配向されて、一次の方向に沿ってシートを通る熱伝導を促進する、異方性配向された熱伝導素子を含む。
【0018】
様々な実施形態は、本明細書に記載される特徴および要素のうちのいずれかを、単独でまたは任意の好適な組み合わせのいずれかで含んでもよい。
【図面の簡単な説明】
【0019】
本発明の特徴および利点は、添付の図面と併せて以下の説明から明らかである。
【0020】
【図1】発熱部品、ヒートシンク、および熱界面材料の使用の態様を描示する概略図である。
【図2】熱界面材料パッドの概略図である。
【図4】熱界面材料パッドの６つのサンプルに対する熱インピーダンス対圧力のプロットである。上側の３つのトレースは、表面処理なしのサンプルの結果を示す。下側の３つのトレースは、図３に例示されるタイプの表面処理を伴うサンプルの結果を示す。
【図5】代替の実施形態の熱界面材料パッドの概略図である。
【図8】次元材料の分散体を含む熱界面材料の別の例の態様を描示する概略図である。
【図9】次元的に配向された材料の分散体を含む熱界面材料の別の例の態様を描示する概略図である。
【図12】競合製品と比較して本明細書に開示される配向パッドの熱性能を描示するグラフである。
【図13】熱界面材料の実施形態の比較性能を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0021】
本明細書では、熱界面材料の実施形態を、熱界面材料を加工するためおよび使用するための方法とともに開示する。概して、熱界面材料は、高度の熱伝導率を呈し、異方性放熱をさらに提供する。
【0022】
熱界面材料（ＴＩＭ）を導入する前に、本明細書での教示のための文脈を確立するために、いくつかの用語を提供する。
【0023】
概して、「自己修復」という用語は、問題の外部診断または人間の介入なしに、自己の損傷を自動的に修復する内蔵能力を有する材料を指す。典型的には、従来の材料は、疲労、環境条件、または動作中に生じる損傷に起因して、経時的に劣化する。顕微鏡レベルでの亀裂および他の種類の損傷は、従来の材料の熱的特性、電気的特性、および音響的特性を変化させることが示されており、亀裂の伝播は、従来の材料の最終的な欠陥につながる可能性がある。一般に、亀裂を早期に検出することは困難であり、定期点検および修理には、手動による介入が必要とされる。対照的に、自己修復材料は、微小損傷に応答する修復機構の開始を通じて劣化に対抗する。
【0024】
概して、「熱伝導率」（多くの場合、ｋ、λ、またはκと表記される）は、熱を伝導する材料の能力を指す。熱伝導率は、主に熱伝導についてのフーリエの法則の観点から評価される。一般に、熱伝導率は、テンソル特性であり、特性の異方性を表す。
【0025】
低熱伝導率の材料では、高熱伝導率の材料よりも低い速度で熱伝達が生じる。それに応じて、高熱伝導率の材料は、ヒートシンク用途に使用され、低熱伝導率の材料は、断熱材として使用される。材料の熱伝導率は、温度に依存し得る。熱伝導率の逆数は、「熱抵抗率」と呼ばれる。
【0026】
熱伝導率は、式（１）に提供されるように表現され得る。
式中、
は、熱流束を表し、－ｋは、熱伝導率を表し、
は、温度勾配を表す。
【数1】
【数2】
【数3】
【0027】
概して、本明細書で論じられるように、「熱インピーダンス」という用語は、材料の熱抵抗およびすべての接触抵抗の合計を指す。材料の熱インピーダンスが低い場合、材料は、その用途においてより良好な熱伝導体である。したがって、表面粗さ、表面平坦度、クランプ圧力、接着剤の存在、不均一、および材料厚さなどの要因は、材料の熱インピーダンスに影響を与える要因である。概して、熱インピーダンスは、熱インピーダンスが用途に特有のより多くの変数を考慮するため、熱性能を評価するための有用な指標である。
【0028】
本明細書で使用される場合、素子の「等方性配向された」セットは、素子が空間内の特定の方向に沿って優先的に配列されないか、または実質的に優先的に配列されないように、ランダムにまたは実質的にランダムに配置されると理解されたい。
【0029】
本明細書で使用される場合、素子の「異方性配向された」セットは、素子が空間内の特定の方向に沿って実質的に優先的に配列されるように配置されると理解されたい。
【0030】
ここで図１を参照し、電子デバイスの熱管理システムの態様を示す。示される熱管理システム１では、熱源５は、熱を発生する。熱源５の非限定的な例として、プロセッサ、メモリ、電源、電力変換器、発光ダイオード、およびレーザダイオードのうちの少なくとも１つが挙げられる。概して、熱源５は、支持体４に取り付けられている。支持体４の非限定的な例は、プリント基板（ＰＣＢ）である。この説明図では、熱源５は、支持体４上に表面実装されている。熱界面材料（ＴＩＭ）１０の第１の堆積物は、熱源５の直上にあり、熱源５と熱連通している。ヒートスプレッダ７は、第１の堆積物の上を覆って、かつそれと熱連通して、配設されている。ヒートスプレッダ７の上に、それと熱連通して、熱界面材料（ＴＩＭ）１０の第２の堆積物がある。ヒートシンク２は、第２の堆積物の上を覆って、かつそれと熱連通して、配設されている。
【0031】
通電されると、熱源５は、熱を発生する。熱は、ヒートスプレッダ７およびヒートシンク２を伴う熱界面材料（ＴＩＭ）１０の堆積物によって、熱源５から外へ伝導される。概して、熱界面材料（ＴＩＭ）１０の堆積物は、部品間のギャップおよび空隙を排除することによって、熱源５とヒートシンク２との間の熱伝導を強化する。
【0032】
概して、ヒートシンク２は、熱源５からの熱を周囲空気中に放散するために、表面積（フィンまたはピンを使用して）および気流（ファンを使用して）を最大化する伝統的な冷却ソリューションである。ヒートシンク２は、簡易な、軽量の、かつ完全に自立した冷却ソリューションとして、冷却ファンを備えて構築されてもよい。利用可能な気流に応じて、ヒートシンク２は、多くの場合、同様のサイズのヒートスプレッダ７よりも高性能であり得る。
【0033】
概して、ヒートスプレッダ７は、上部に大きな平坦な表面を有する。いくつかの実施形態では、ヒートスプレッダ７は、ファンおよびフィンを有していない。ヒートスプレッダ７は、別の大きな平坦な表面（例えば、車両のフレームまたは密封容器の内壁）に直接押し当てられてもよく、熱は、ヒートスプレッダ７からより大きな金属（熱伝導性の）表面に伝わることが可能になる。典型的な設計では、ヒートスプレッダ７は、熱源５（例えば、ＣＰＵ）を単独で冷却しない。むしろ、ヒートスプレッダ７は、熱が熱源５から外に安全に放散することができる別の物体に熱を伝達するように設計されている。概して、ヒートスプレッダ７は、極端な衝撃および振動下で動作することを想定する電子システム、または環境から保護されるように容器内に完全に密封される必要があるシステムに理想的である。理解できるように、ヒートシンク２およびヒートスプレッダ７、したがって熱源２（プロセッサなど）の性能は、熱界面材料（ＴＩＭ）１０の性能によって実質的に影響され得る。
【0034】
パッドとして利用可能な熱界面材料（ＴＩＭ）１０を有する図１の熱管理システム１において、組み立てを高速化し、かつ一貫した品質を提供し得ることは直ちに明らかであり得る。すなわち、例えば、グリースまたはペーストの形態の熱界面材料（ＴＩＭ）１０を分注するには、体積制御ならびに一貫した広がりが必要となる。対照的に、好適な物理的特性を有するパッドとしての実装態様の熱界面材料（ＴＩＭ）１０を設計することによって、卓越した品質制御を達成することができる。
【0035】
図２を参照し、例示的な熱界面材料（ＴＩＭ）１０１を示す。ＴＩＭ１０１は、第１の主表面１０３（示されるように、下面）と第２の主表面１０４（示されるように、上面）との間に延在するパッドまたはシート１０２として形成されている。平坦なシートが示されているが、所与の用途に望ましいように、湾曲したシート、またはカスタム形状および寸法に切断されたシートなどの、他の形状が使用され得ることは、当業者には明らかであろう。
【0036】
シート１０２は、基材１０５で形成されており、基材には熱伝導充填材１０６が埋め込まれている。
【0037】
基材１０５は、所望の機械的特性および熱的特性を有するように選定された材料であり得る。多数の例示的な好適な材料を以下に説明する。描示される例示的な実施形態の目的で、基材を、アクリルゴムまたはアクリル樹脂材料であると見なす。いくつかの実施形態では、基材１０５は、可塑剤材料と組み合わされた樹脂などの構成要素の混合物であってもよい。
【0038】
有利には、いくつかの実施形態では、基材に、高温での劣化、ガス放出、および他の望ましくない特性を呈することが知られているシリコーンまたは他のシロキサン系ポリマーがないか、または実質的になくてもよい。
【0039】
示されるように、充填材１０６は、異方性配向された熱伝導素子１０７を含み得る。熱伝導素子１０７は、第１の主表面１０３から第２の主表面１０４に向かう一次の方向（示されるように、垂直方向）に沿って優先配向されて、一次の方向に沿ってシートを通る熱伝導を促進し得る。
【0040】
いくつかの実施形態では、充填材の包含は、一次の方向に沿ってシート１０２を通した優れた熱伝導率を提供する。例えば、いくつかの実施形態では、一次の方向に沿ったシートの熱伝導率は、少なくとも１０Ｗ／ｍＫ、１５Ｗ／ｍＫ、２０Ｗ／ｍＫ、３０Ｗ／ｍＫ、４０Ｗ／ｍＫ、５０Ｗ／ｍＫ、６０Ｗ／ｍＫ、７０Ｗ／ｍＫ、８０Ｗ／ｍＫ、９０Ｗ／ｍＫ、１００Ｗ／ｍＫであるか、またはそれよりも大きい。いくつかの実施形態では、熱伝導率は、当技術分野で知られているＡＳＴＭ標準Ｄ５４７０を使用して測定され得る。
【0041】
いくつかの実施形態では、ＴＩＭ１０１は、印加圧力の関数として優れた熱インピーダンスを呈する。例えば、いくつかの実施形態では、この特性は、当技術分野で知られているＡＳＴＭ標準Ｄ５４７０に記載された手法を使用して測定されてもよく、１０ｐｓｉ圧力で０．１℃・インチ２／Ｗ未満、０．０９℃・インチ２／Ｗ未満、０．０８℃・インチ２／Ｗ未満、０．０７℃・インチ２／Ｗ未満、０．０５℃・インチ２／Ｗ未満か、またはそれよりも小さい熱インピーダンスをもたらす（例えば、０．５ｍｍ～５．０ｍｍの範囲の厚さを有するシートの場合）。例えば、いくつかの実施形態では、この特性は、当技術分野で知られているＡＳＴＭ標準Ｄ５４７０に記載された手法を使用して測定されてもよく、３０ｐｓｉ圧力で０．０６℃・インチ２／Ｗ未満、０．０５℃・インチ２／Ｗ未満、０．０４℃・インチ２／Ｗ未満、０．０３℃・インチ２／Ｗ未満、０．０２℃・インチ２／Ｗ未満、０．０１℃・インチ２／Ｗ未満か、またはそれよりも小さい熱インピーダンスをもたらす（例えば、０．５ｍｍ～５．０ｍｍの範囲の厚さを有するシートの場合）。
【0042】
いくつかの実施形態では、シート１０２は、自立型であり、例えば、可撓性ポリマー樹脂基材１０５から形成され得る。いくつかの実施形態では、シートは、０．１ｍｍ～１０ｍｍの範囲、またはその任意の部分範囲、例えば、０．５ｍｍ～５．０ｍｍの範囲の厚さを有し得る。いくつかの実施形態では、ＴＩＭ１０１は、ＡＳＴＭ Ｄ２２４０（ショア００）に説明されている手法によって決定されるような、４０～９０の範囲、または５０～８０、または６０～７０などのその任意の部分範囲の範囲のショア硬さを呈し得る。
【0043】
いくつかの実施形態では、ＴＩＭ１０１は、０．５ｇ／ｍＬ～５．０ｇ／ｍＬ、またはその任意の部分範囲、例えば１．０ｇ／ｍＬ～２．０ｇ／ｍＬ、の範囲の密度を有し得る。いくつかの実施形態では、ＴＩＭ１０１は、約１．７ｇ／ｍＬの密度を有し得る。
【0044】
いくつかの実施形態では、ＴＩＭ１０１は、印加圧力の関数として望ましくは高いたわみを呈する。いくつかのそのような実施形態では、この特性は、圧力が印加される用途において、ＴＩＭ１０１と他の熱源およびヒートシンクとの間の優れた熱接触を可能にする。圧縮の関数としてのいくつかのたわみでは、当技術分野で知られているＡＳＴＭ Ｄ５４７０およびＡＳＴＭ Ｃ１６５標準の手法を使用して測定され得る。いくつかの実施形態では、ＴＩＭ１０２は、３０ｐｓｉの圧縮圧力で少なくとも１０％、２０％、３０％、４０％、５０％、６０％、またはそれよりも大きなたわみを呈し、５０ｐｓｉの圧力で少なくとも３０％、４０％、５０％、６０％、７０％、８０％、またはそれよりも大きなたわみを呈する。
【0045】
いくつかの実施形態では、ＴＩＭ１０１は、有意な劣化を伴わずに、－４０℃～１５０℃の範囲の温度で動作することができる。例えば、いくつかの実施形態では、ＴＩＭ１０１は、当技術分野で知られているＡＳＴＭ Ｅ５９５標準に説明されている手法を使用した熱重量分析下で、１５０℃、１６０℃、１７０℃、１８０℃、またはそれよりも高い温度で０．２％未満の総質量損失を呈する。
【0046】
いくつかの実施形態では、充填材は、窒化ホウ素フレークなどのセラミックフレークを含んでもよい。いくつかの実施形態では、充填材は、窒化ホウ素ナノフレークまたはナノスクロールを含んでもよい。
【0047】
いくつかの実施形態では、充填材は、黒鉛フレークまたはグラフェンフレークなどの炭素を含んでもよい。いくつかの実施形態では、充填材は、カーボンナノチューブ、カーボンナノチューブの束、および配列されたカーボンナノチューブの凝集体を含んでもよい。充填材の他の好適な例は、以下の例に提示される。
【0048】
いくつかの実施形態では、異方性配向された熱伝導素子は、主表面を有するフレーク状素子を含み、フレーク状素子のうちの少なくとも６５％、７５％、８５％、９５％、９９％、またはそれよりも多くが、シートの第１および第２の表面を一次の方向に沿って横断して延在する平面内に主表面が実質的に存在するように、配列されている。例えば、図２に示されるように、伝導素子の大部分は、フレークの主表面が上面および下面に対して横断して配向されるように、配向されている。
【0049】
いくつかの実施形態では、異方性配向された熱伝導素子は、主寸法および１つ以上の副寸法を有する長尺の素子（例えば、カーボンナノチューブ）を含み、長尺の素子のうちの少なくとも６５％、７５％、８５％、９５％、９９％、またはそれよりも多くが、主寸法がシートの第１および第２の表面を一次の方向に沿って横断して延在するように、配列されている。
【0050】
様々な実施形態では、使用される充填材の量は、所望の特性をもたらすように選択され得る。一般に、充填材の量が多いほど、より高い熱伝導率を提供する傾向がある（以下に詳述するように、充填材が不要な表面粗さを確実にもたらさないように十分な注意が払われている場合）。いくつかの実施形態では、充填材は、シートの少なくとも２０重量％、３０重量％、４０重量％、５０重量％、６０重量％、７０重量％、８０重量％、９０重量％、９５重量％であるか、またはそれよりも多い。
【0051】
図３を参照し、いくつかの実施形態では、基材１０５に埋め込まれた充填材素子１０７の存在は、主表面１０３、１０４（１０４が示されている）の一方または両方の不要な粗さをもたらし得る。いくつかのそのような実施形態では、表面１０４は、熱源およびヒートシンクなどの物体との良好な熱接触により適した、より平滑な表面を提供し、それによって熱インピーダンスを低減するように処理されてもよい。
【0052】
例えば、いくつかの実施形態では、溶剤１１０を表面１０４上に塗布（例えば、ノズルを介して噴霧）して、基材を部分的に溶解させてもよい。基材１０５がアクリル樹脂である実施形態では、イソプロピルアルコール（ＩＰＡ）が、好適な溶剤選定である。次いで、圧力を表面に印加し（例えば、機械的ローラまたは同様の手法を使用して）、基材１０５を平滑化し、表面１０４の近くで充填材素子１０７を再配向して、より平滑な界面を提供してもよい。
【0053】
いくつかの実施形態では、この表面処理に続いて、シート１０２は、充填材素子１０７が再配向されたシートの第１の主表面１０３（図示せず）および／または第２の主表面１０４（図示）と近位の領域１１２を含むことができる。この場合に、この領域１１２は、シートの内部部分の表面に対してより遠位に位置する熱伝導素子よりも小さく異方性配向されている充填材１０６の熱伝導素子１０７のサブセットを含有し得る。例えば、基材１０５が少なくとも部分的に溶解した状態で、領域１１２の充填材１０６は、より大きな等方配向に戻るように解放され得る。
【0054】
代わりに、この場合に、領域１１２は、シート１０２の内部部分の表面に対してより遠位に位置する熱伝導素子１０７とは異なる方向に沿って異方性配向されている充填材１０６の熱伝導素子１０７のサブセットを含有してもよい。例えば、圧延素子によって印加される圧力により、表面１０４の近くの素子１０７は、表面を横断して延在するのではなく、表面に沿って平坦に配向され得る。
【0055】
いくつかの実施形態では、溶剤１１０に代えて、または加えて、熱を表面１０３、１０４に印加して、領域１１２の基材を軟化させるか、または溶融させてもよい。
【0056】
いくつかの実施形態では、上述した表面処理に加えて、または代えて、接着材料の薄層（図示せず）の薄層を（例えば、噴霧ノズルを使用して）表面１０３、０４に被着してもよい。接着層は、表面粗さを充填し、熱源またはヒートシンクへのＴＩＭ１０１の接着を促進することができる。いくつかの実施形態では、接着材料は、空間充填材料（例えば、アクリルゴムなどの、基材としての使用に好適な材料）を含んでもよい。例えば、いくつかの実施形態では、空間充填材料は、溶剤中に溶解され、表面１０４内のようなもののギャップ、亀裂、くぼみ等を充填するために表面１０４上に噴霧されてもよい。いくつかの例では、次いで、溶剤は、乾燥し、空間充填材料を跡に残し、それによってシート１０２上により平滑な表面１０３、１０４を作成し得る。
【0057】
図４は、上述した溶剤ベースの表面処理の利益を例示している。各々の厚さが１．０ｍｍである、ＴＩＭ１０１の６つのサンプルを作製した。サンプルを、当技術分野で知られているＡＳＴＭ標準Ｄ５４７０に説明された手法を使用して、様々な圧力で熱インピーダンスについて試験した。サンプルのうち３つは、表面処理を改善するための表面処理を経たが、３つは経なかった。図４に示されるように、処理された試料（下側のトレース）の熱インピーダンスは、特に低圧では未処理の試料（上側のトレース）の熱インピーダンスよりも小さかった。このことは、表面処理が、評価に使用されるＴＩＭ１０１と熱源およびヒートシンクとの間のより良好な熱接触を促進することを明確に示している。
【0058】
図５を参照し、いくつかの実施形態では、ＴＩＭ１０１は、一次の方向（示されるように、垂直方向）に沿って第１の主表面１０３から第２の主表面１０４にシート１０２中を延在する熱伝導素子１２０を含む。これらの熱伝導素子は、表面１０３、１０４間の熱流を促進し得る。いくつかの実施形態では、これらの要素１２０は、炭素でできていてもよい。例えば、シート、ストリップ、ピラー、または他の好適な形状として形成された黒鉛またはグラフェンが使用されてもよい。
【0059】
いくつかの実施形態では、熱伝導素子の一部分が、シート１０２の第１および第２の主表面１０３、１０４で露出され得る。いくつかのそのような場合では、例えば、上述した溶剤系表面処理を使用することによって、または表面１０３、１０４に薄い保護接着層を被着することによって、表面を処理してこれらの領域を保護することが望ましい場合がある。
【0060】
【0061】
図６Ａを参照し、複数の層５０１を含むスタック５００を形成する。
【0062】
各層５０１は、示されるように、各層５０１は、ある方向（示されるように、垂直方向）に沿って下面５０２から上面５０３に延在し、層は、その方向に互いに上下に積層されている。
【0063】
各層５０１は、図２を参照して上述したタイプの基材１０５および充填材１０６を含む。各層中の充填材１０６は、異方性配向された熱伝導素子１０７で構成されている。しかしながら、最終的なＴＩＭ１０１で使用されるシート１０２におけるのとは異なり、素子１０７は、下面５０２から上面５０３までの垂直方向を、それに沿ってではなく、横断する熱流方向を、促進するように配向されている。よって、スタックのこれらの層５０１は、さらなる処理を行わずにＴＩＭ１０１として使用するのに好適ではない。
【0064】
図６Ｂを参照し、よって、いくつかの実施形態では、層５０１をつなぎ合わせてモノリシック素子を形成するために、スタック５００を圧縮するための力を（任意選択で、熱とともに）垂直方向に印加してもよい。スタック５０１は、例えば、微細なブレードを使用して、または垂直方向に延在する平面に沿って超音波またはレーザ切断（太い黒ずんだ矢印を用いて図６Ｂに示される）して、所望の厚さのシート１０２を形成してもよい。このシート１０２は、スタックから取り外され、ＴＩＭ１０１を形成する。注目すべきことに、ＴＩＭ１０１は、適正な方向に配向された異方性配向された熱伝導素子１０７で構成された充填材１０６を有するシート１０２を含む。すなわち、シート１０２は、第１の主表面１０３と第２の主表面１０４との間に延在し、充填材１０６は、異方性配向された熱伝導素子１０７であって、第１の主表面１０３から第２の主表面１０４に向かう一次の方向に沿って優先配向されて、一次の方向に沿ってシート１０２を通る熱伝導を促進する熱伝導素子１０７を含む。
【0065】
追加のスライスを取って、追加のＴＩＭ１０１パッドを生成してもよい。言い換えると、上述した積層およびスライスプロセスは、充填材がＴＩＭ１０１としての使用に好適でない方向の異方性配向を有する複数の層を取り、いくつかのＴＩＭ１０１パッドを、所望の配向を有する充填材とともに生成する。
【0066】
以下に詳細に記載されるように、層５０１を、大量生産手法に好適な簡易なプロセスを使用して生成することができる。例えば、いくつかの実施形態では、各積層５０１を、基材と熱伝導素子を含む充填材との混合物を提供することによって形成することができる。一般に、この混合物を、充填材を配向するためのいかなるステップも行わずに作製し、基材中の熱伝導素子の等方的な分布をもたらすことができる。次いで、結果として得られた混合物を物理的に操作して、熱伝導素子を層内で異方性配向させることができる。例えば、以下の追加の例で詳細に記載されるように、混合物を、押し出し成形して層５０１を形成し、圧縮して層５０１を形成し、それ自体の上に繰り返し折り畳んで層５０１を形成し、またはそれらを組み合わせることができる。
【0067】
上述したように、この物理的操作は、ＴＩＭ１０１で使用するために望ましくない方向に配向された異方性配向された熱伝導素子１０７を有する層をもたらすこととなる。しかしながら、このことを、図６Ａおよび図６Ｂを参照して上述した積層、圧縮、およびスライスステップを実行することによって修正することができる。
【0068】
いくつかの実施形態では、基材１０５は、自己修復材料であり、それによって、上記で提供された圧縮ステップ中に、層５０１を融合させてモノリシック素子にすることを促進する。自己修復材料はまた、図６Ｂを参照して上述したスライスステップ中に生じ得る損傷（例えば、亀裂）に耐性を有する点で有利である。
【0069】
様々な実施形態では、方法は、図３を参照して上述したように、ＴＩＭ１０１の主表面１０３、１０４の１つ以上に表面処理を適用することをさらに含み得る。
【0070】
図７Ａおよび図７Ｂを参照し、上述のプロセスを、図５に示されるＴＩＭ１０１の代替バージョンを生成するように容易に修正することができる。いくつかの実施形態では、スタックを圧縮およびスライスするステップの前に、スタック５００の層５０１のうちの少なくともいくつかの間に、導電素子、例えば炭素素子５１０を挟む。炭水化物
【0071】
炭素素子は、黒鉛またはグラフェンを含んでもよく、シート（例えば、層５０１の表面を横断して連続的に延在する）もしくはストリップ（例えば、層５０１の一部分のみを覆う）または任意の他の好適な形状として形成されてもよい。いくつかの実施形態では、炭素素子５０１は、黒鉛またはグラフェンで形成されてもよい。
【0072】
図７Ｂに示されるように、スタック５００をスライスしてＴＩＭ１０１のシート１０２を形成すると、炭素素子５２０の部分が、図５を参照して上述したように、シート１０２中を第１の主表面１０３から第２の主表面１０４まで延在する熱伝導素子１２０を形成する。
【0073】
当業者に明らかであろうように、上記のプロセスを、本明細書に記載されるタイプのうちのいずれかのＴＩＭ１０１を提供するように容易に適合させることができる。
【0074】
なお、図６Ａ～図７Ａは、特定の数の層５０１および導電素子５１０を示しているが、好適な数を使用してもよい。例えば、いくつかの実施形態は、例えば２～１００層の範囲またはその部分範囲で、２、３、４、５、１０、１５、２０、またはそれよりも多くの層５０１を使用する。
【0075】
追加の例
【0076】
【0077】
熱界面材料（ＴＩＭ）のパッド１０を加工するためのプロセスは、図８に示されるものから始まる。
【0078】
図８に、ある体積の好適な熱伝導組成物２１を示す。熱伝導組成物２１は、充填材、例えば、金属粉末およびそれらの混合物（例えば、アルミニウム粉末、銀粉末、銅粉末）、黒鉛フレーク、セラミック粉末（例えば、アルミナ、窒化ホウ素など）を含み得る。組成物２１はまた、ゴム（例えば、アクリルゴム）、油、ポリマー、熱可塑性樹脂、および熱硬化性樹脂などの材料を含む自立型基材を含んでもよい。概して、熱伝導組成物２１は、好適な特性を呈する材料から加工され得る。この特性は、例えば、たわみ性および良好な熱伝導率を含み得る。多様な他の材料を使用してもよい。
【0079】
いくつかの実施形態では、室温で実質的に固体である熱可塑性樹脂が使用される。好適な熱可塑性樹脂のいくつかの例としては、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、フッ素樹脂などが挙げられる。これらは、単独で、または（実行可能な限り）他の材料と組み合わせて使用され得る。
【0080】
熱可塑性樹脂を、固体と組み合わせて使用してもよい。使用され得る熱可塑性ポリマー／樹脂としては、例えば、ポリ（２－エチルヘキシルアクリレート）、２－エチルヘキシルアクリレート－アクリル酸コポリマー、ポリメタクリル酸またはそのエステル、ポリアクリル酸またはそのエステルなどのアクリル樹脂、シリコーン樹脂、フッ素樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン－プロピレンコポリマー、ポリメチルペンテン、ポリ塩化ビニル、ポリ酢酸ビニル、エチレン－酢酸ビニルコポリマー、ポリビニルアルコール、ポリアセタール、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリアクリロニトリル、－スチレンアクリロニトリルコポリマー、アクリトリル－ブタジエン－スチレン（ＡＢＳ樹脂）－－コポリマー、スチレンブタジエンブロックコポリマーまたはその水素化物、スチレン－イソプレンブロックコポリマーコポリマーまたはその水素化物、ポリフェニレンエーテル、変性ポリフェニレンエーテル、脂肪族ポリアミド、および芳香族ポリアミド、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリフェニレンスルファイド、ポリスルフォン、ポリエーテルスルフォン、ポリエーテルニトリル、ポリエーテルケトン、ポリケトン、ポリウレタン、液晶ポリマー、アイオノマーなどが挙げられる。これらは、単独で、または（実行可能な限り）他の材料と組み合わせて使用され得る。
【0081】
いくつかの実施形態では、熱可塑性フルオロカーボン樹脂が使用される。これは、耐熱性、耐油性、および耐薬品性の改善などの特定の他の利点をもたらし得る。
【0082】
有用であり得る固体熱可塑性フッ素樹脂としては、例えば、フッ化ビニリデン、テトラフルオロエチレン－プロピレン、テトラフルオロエチレン－［ｐａｐｕｒｕｏｒｏｂｉｎｉｒｕｅｔｅ－ｒｕ［ｐａｐｕｒｕｏｒｏｂｉｎｉｒｕｅｔｅｒｕ］系など、結果として得られたエラストマーのフッ素含有重合性モノマーなどが挙げられる。より具体的には、ポリ－テトラフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン－ペルフルオロアルキルビニルエーテルコポリマー、テトラフルオロエチレンヘキサフルオロプロピレンコポリマー、テトラフルオロエチレン－エチレンコポリマー、ポリフッ化ビニリデン、ポリクロロトリフルオロエチレン、エチレン［ｋｕｒｏｒｏｈｕｒｕｏｒｏｅｃｈｉｒｅｎ［ｋｕｒｏｒｏｈｕｒｕｏｒｏｅｃｈｉｒｅｎ］コポリマー、テトラフルオロエチレン［ｐａｈｕｒｕｏｒｏｊｉｏｋｉｓｏｒｕ［ｐａｈｕｒｕｏｒｏｊｉｏｋｉｓｏｒｕ］コポリマー、ポリビニルフルオライド、テトラフルオロエチレン－プロピレンコポリマー、テトラフルオロエチレン－ヘキサフルオロプロピレンコポリマー［ｂｉｎｉｒｉｄｅｎｈｕｒｕｏｒａｉｄｏ［ｂｉｎｉｒｉｄｅｎｈｕｒｕｏｒａｉｄｏ］アクリル変性ポリテトラフルオロエチレン、ポリテトラフルオロエチレン変性エステル、エポキシ変性シラン変性ポリテトラフルオロエチレンおよびポリテトラフルオロフルオロエチレンなどである。
【0083】
熱硬化性樹脂として使用され得る追加の材料としては、例えば、天然ゴム、アクリレートゴム、ブタジエンゴム、イソプレンゴム、ニトリルゴム、水素化ニトリルゴム、クロロプレンゴム、エチレン－プロピレンゴム、塩素化ポリエチレン、クロロスルホン化ポリエチレン、ブチルゴム、ハロゲン化ブチルゴム、ポリイソブチレンゴム、ポリアクリルゴム、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、ビスマレイミド樹脂、ベンゾシクロブテン樹脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル、ジアリルフタレート樹脂、ポリイミド樹脂、ポリウレタン、熱硬化性ポリフェニレンエーテル、熱硬化性ポリフェニレンエーテルなどが挙げられる。
【0084】
いくつかの実施形態では、熱伝導組成物２１は、ポリ（酢酸ビニル）（ＰＶＡ）またはポリ（エテニルエタノエート）（ＰＶＡｃ）を含む。概して、ＰＶＡは、式（Ｃ４Ｈ６Ｏ２）ｎを有する脂肪族ゴム合成ポリマーである。ＰＶＡは、一般式－［ＲＣＯＯＣＨＣＨ２］－を有するポリビニルエステルファミリーに属し、熱可塑性物質の一種である。いくつかの実施形態では、熱伝導組成物２１は、非シリコーン基材である。追加の一例としては、大豆油基材が挙げられる。
【0085】
前述の材料のうちのいずれも、単独で、またはこれらもしくは他の材料と組み合わせて（実行可能な限り）使用され得る。
【0086】
熱伝導組成物２１内には、熱充填材の分散体が配設されている。熱充填材は、ナノ材料および／またはマイクロ材料として提供され得る。
【0087】
概して、熱充填材は、何らかの形状または形態を呈し、したがって、少なくとも１つの寸法態様（例えば、主表面かつ１つの副寸法を有する薄いフレーク、または１つの主寸法および２つの横方向の副寸法を有する長尺の素子）を有する。熱充填材は、分散のために選択され、優れた熱伝導率に良好であることを呈し得る。ナノ材料のいくつかの例としては、カーボンナノチューブの形態（単壁カーボンナノチューブ（ＳＷＣＮＴ）および多壁カーボンナノチューブ（ＭＷＣＮＴ）を含む）、ならびにナノホーン、ナノオニオン、カーボンブラック、フラーレン、グラフェン、酸化グラフェン、および前述の様々な処理形態が挙げられるが、これらに限定されない。いくつかの実施形態では、ナノ材料は、金属ナノ粒子、金属酸化物ナノ粒子、および／または熱伝導性ポリマーの少なくとも１つの形態をさらに含む。熱充填材は、マイクロ材料として提供され、黒鉛、窒化ホウ素、窒化ホウ素フレーク、窒化ホウ素ナノスクロール、窒化アルミニウム、窒化アルミニウムウィスカー、カーボンナノチューブ、金属粒子、金属酸化物粒子、および／または熱伝導性ポリマーの少なくとも１つの形態を含み得るが、これらに限定されない。
【0088】
本明細書で使用される場合、「マイクロ材料」という用語は、約０．１ミクロン～約２００ミクロンの範囲の１つ以上の寸法を呈する次元熱充填材料（例えば、マイクロスケール粒子またはフレーク）を指す。概して、「ナノ材料」という用語は、約数ナノメートル～約１００ナノメートル（０．１ミクロン）の範囲の１つ以上の寸法を呈する次元熱充填材料（例えば、ナノチューブ、ナノロッド、ナノ粒子、ナノシェル、ナノホーン、およびグラフェンフレークなどのナノスコピックフレーク）を指す。
【0089】
熱充填材が本来小さいことを考慮すると、いくつかの実施形態では、それらを混合して熱伝導組成物２１にするときの配向を制御することはできない。よって、熱充填材の分散は、熱伝導組成物２１の体積内に配設されたランダムに配向された次元材料２２をもたらす。
【0090】
熱充填材が熱伝導組成物２１内でランダムに配向されるため、方向性の熱伝導率の有利な特性は、存在しない。より具体的には、方向の矢印によって図８に示されるように、方向性の配置がなければ、熱充填材の等方性の熱伝導率の選好により、熱はランダムな方向に外へ伝導する。しかしながら、熱充填材のポテンシャルは、図９に示されるように、次元熱充填材を異方性配向に再配置して配向された材料１００を形成するときに、利用され得る。
【0091】
図９に示されるように、熱伝導組成物２１中に分散された熱充填材は、例えば図６Ａ～図７Ｂを参照して上述したスタックおよびスライスのプロセスにおける層５０１としての使用に好適な、配向された材料層１００中に方向性配向された次元材料３２として、配置され得る。
【0092】
配向次元材料３２を提供するための例示的な手法としては、油圧プレス加工または油圧押し出しが挙げられる。いくつかの実施形態では、油圧プレス加工は、ランダムに配向された次元材料２２の分散体を有するある体積の熱伝導組成物２１から始まる。材料の体積は、実質的に平面状の形態にプレス加工するか、または押し出す。いくつかの実施形態では、次いで、実質的に平面状の形態を、それ自体の上へと折り畳み、例えば、ボールまたは立方体の体積に実効的に再成形する。次いで、材料の体積を、再度、実質的に平面状の形態にプレス加工する。概して、繰り返しのプレス加工および折り畳みを通じて、ランダムな配向に配設された充填材は、例えば、図６Ａまたは図６Ｂを参照して層５０１に上記で示したように、平面状の配向に助勢される。
【0093】
充填材を所望の配向に移動させることを助勢するために、熱伝導組成物２１とランダムに配向された次元材料２２の分散体との混合物を、例えば、上述したようなプレス加工プロセスまたは押し出しプロセス中に加熱してもよい。概して、ランダムに配向された次元材料２２の分散体を用いて熱伝導組成物２１の混合物を加熱することは、熱伝導組成物２１の粘度を低下させ、それによって、ランダムに配向された次元材料２２を所望の配向に移動させることを助勢する。
【0094】
方向の矢印によって図９に示されるように、次元材料３２が方向性の配置で提供される場合、ナノ材料の異方性熱伝導率の選好により、概して、熱は、Ｘ－Ｙ平面内で外へ伝導する。この特性は、本明細書に開示される熱パッドを提供するために利用される。いくつかの実施形態では
【0095】
図１０に示されるように、配向された材料１００を、セグメント化し、スタック４０中に配置し得る。スタック４０に入ると、配向された熱界面材料（ＴＩＭ）１００を、さらにセグメント化し得る。例えば、スタック４０を、Ｘ－Ｚ平面内にある、Ａ平面として表記された、仮想平面に沿って切断し得る。結果を図１１に描示する。
【0096】
図１１に示されるように、配向されたパッド５０は、図４に示されるスタック４０の一部分を含む。概して、配向されたパッド５０は、図１に例示される熱管理システム１での使用に好適な寸法に加工される。結果として得られるベクトルは、熱源５からの熱を、Ｘ－Ｙ平面を通して実質的に伝達する。熱充填材のうちのいくつかは、実質的にＸ方向に熱を伝達するが、ナノ材料の実質的に同等の一部分が、実質的にＹ方向に熱を伝達することが想定される。別の言い方をすれば、熱充填材の異方性熱伝導率は、熱のかなりの部分を、Ｘ－Ｙ平面を通して伝達させるが、Ｚ方向の熱の伝達は（同じ理由で）制限される。したがって、配向されたパッド５０内での熱の再循環は、制限される。
【0097】
配向されたパッド５０の熱伝導率の性能を、標準化された試験台を使用して一連の試験で評価した。試験は、競合製品との比較を含んでいた。試験台に設置されると、各製品は、いくらかの圧縮を受けた。呈される圧縮を、下の表１で説明する。以下のデータ表において、「ＮａＬパッド」は、配向されたパッド５０を指す。熱伝導率の評価のための試験データを、図１２に提示する。
【表1】
【0098】
図１２に示されるように、結果として生じる配向されたパッド５０は、試験されたすべての競合するパッド製品よりも高性能である。データは、配向されたパッド５０の熱伝導率性能が、ポッティング材の熱性能（すなわち、ポッティング材による熱源５の被覆）と実質的に同等であることを示す。
【0099】
図１３に、次元熱材料の配向から実現される効果を示す比較を示す。示されるデータを生成するために使用される熱管理システム１では、ヒートスプレッダ７を省略した。熱界面材料１０の３つのサンプルを試験した。第１のサンプルは、実質的に垂直に配向された熱充填材料を有する標準品（ＳＴＤ）を含んでいた。熱源５とヒートシンク２との温度差は、すぐに平衡に達し、約５℃に維持された。熱界面材料１０（４５度）の第２のサンプルは、本明細書に記載されるスライス手法を使用して加工され、スライスは約４５度の角度で行われた。熱界面材料１０の第３のサンプルは、熱流束の所望の方向に対して実質的に直交して（９０度）配向された熱充填材を含有していた。
【0100】
熱源５とヒートシンク２との間の呈する温度差が小さいほど、熱抵抗率が低いことを示す。したがって、第１のサンプルが最小の温度差を有することから、（図１１に定義されるような）Ｘ－Ｙ平面を通して伝熱されるように粒子を配向することが熱界面材料１０の熱伝導率を改善することは、明らかである。
【0101】
熱界面材料の態様を導入した後、いくつかのさらなる態様および例を提供する。
【0102】
熱界面材料は、軟質材料として形成されてもよい。概して、熱界面材料は、加工（スライスおよびスタックの手順）中に自己修復する。
【0103】
概して、熱界面材料は、ギャップ充填を必要とする用途に有用である。すなわち、熱界面材料は、不規則な表面に対して卓越した形状追従を提供する。
【0104】
いくつかの実施形態では、熱界面材料は、約０．２５ｍｍ～約５ｍｍの厚さ選択肢と最大約６０Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率とを有する可撓性ポリマーシート材料を含む。現在の高性能ＴＩＭシートは、およそ５Ｗ／ｍＫである傾向がある。結果として得られる４倍の性能向上は、高出力を使用する用途に有効な技術である。事実上任意の電源供給されるシステムが、高性能ＴＩＭを利用し得る。
【0105】
熱界面材料の用途としては、電源装置、自動車電子機器、モータ制御、電力半導体、ヒートシンク界面、処理システム、ならびに、コンピュータ、増幅器、ビデオ処理機器、制御システム、および多くの他のものなどの他の電子デバイスが挙げられるが、これらに限定されない。
【0106】
いくつかの実施形態では、結果として得られる生成物は、少なくとも６０Ｗ／ｍＫである熱伝導率を呈する。製品は、シートで、いくつかの実施形態ではほぼ標準プリンタ用紙サイズのサイズを有するシートで、提供されてもよい。生成物は、約０．２５ｍｍ～５ｍｍの厚さを有してもよく、厚さは、より小さくても、より大きくてもよい。生成物は、－６０℃～２５０℃（またはその任意の部分範囲、例えば、－４０℃～１５０℃）の範囲の温度で有用であってもよく、より小さいか、またはより大きい温度範囲で有用であってもよい。概して、生成物は、非ガス放出性であり、熱サイクルでクリープを呈さない。概して、製品は、たわみ性があり、周辺部品に形状追従する。概して、製品は、再加工可能であり、既存の／一般的な製造プロセスで使用され得る。
【0107】
本明細書における教示の態様を提供するために、様々な他の構成要素が含まれ、要請されてもよい。例えば、追加の材料、材料の組み合わせ、および／または材料の省略を使用して、本明細書における教示の範囲内にある追加される実施形態を提供してもよい。
【0108】
本明細書における教示の多様な修正を実現してもよい。概して、修正は、ユーザ、設計者、製造業者、または他の同様に利害関係者の必要性に応じて設計されてもよい。修正は、その当事者によって重要であると見なされる、性能の特定の標準を満たすことを意図してもよい。
【0109】
添付の請求項または請求項の要素は、「のための手段」または「のためのステップ」との語が特定の請求項において明示的に使用されない限り、米国特許法第１１２条（ｆ）を想起させると解釈されるものではない。
【0110】
本発明の要素またはその実施形態を導入する場合、冠詞「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、要素のうちの１つ以上があることを意味することが意図されている。同様に、形容詞「別の」は、要素を導入するために使用される場合、１つ以上の要素を意味することが意図されている。「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」および「有する（ｈａｖｉｎｇ）」という用語は、列挙される要素以外の追加の要素があり得るように包含的であることが意図されている。本明細書で使用される場合、「例示的な」という用語は、最上の例を含意するものではない。むしろ、「例示的な」は、多くの可能な実施形態のうちの１つである実施形態を指す。
【0111】
本発明を、例示的な実施形態を参照して記載してきたが、本発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更を行ってもよく、均等物をその要素に置き換えてもよいことを、当業者は理解するであろう。加えて、特定の器具、状況、または材料を、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく本発明の教示に適応させるための、多くの修正を、当業者は認識するであろう。したがって、本発明は、本発明を実施するために企図される最良のモードとして開示される特定の実施形態に限定されるものではなく、本発明は、添付の請求項の範囲内に入るすべての実施形態を含むことが意図されている。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6A】
【図6B】
【図7A】
【図7B】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【国際調査報告】