hBN絕緣層及相關方法

專利名稱：hBN絕緣層及相關方法
技術領域：
本發明一般地涉及電子應用中的六方一氮化硼材料。因此，本發明涉及電子和材料科學領域。
_4]發明背景·在許多國家，大部分人認為電子器件對于他們的生活是必不可少的。這種增加的使用和依賴已產生對更小和更快的電子器件的需要。隨著電子電路的速度增加和尺寸降低，這種器件的冷卻變成了問題。電子器件通常包含印刷電路板，其具有允許裝置的總功能性的集成連接的電子組件。這些電子組件一如處理機、晶體管、電阻器、電容器、發光二極管(LED)等一產生大量的熱。隨著熱積聚，熱可引起各種與印刷電路板和許多電子組件內部有關的熱問題。大量的熱可影響電子器件的可靠性，或甚至通過例如引起電子組件自身內部和橫穿印刷電路板表面燒壞或短路引起它發生故障。因此，熱的積累可最終影響電子器件的功能壽命。這對于具有高功率和高電流需求的電子組件以及對于支撐它們的印刷電路板尤其有問題。現有技術常常采用風扇、散熱裝置(heat sink)、珀爾貼和液體冷卻裝置等作為降低電子器件內的熱積累的機構。因為增加的速度和能量消耗引起增加的熱積累，這種冷卻裝置通常必須增加尺寸從而是有效的，并且其內部和自身也需要能量進行操作。例如，風扇必須增加尺寸和速度以增加氣流，并且散熱裝置必須增加尺寸以增加熱容和表面積。但是，對于更小電子器件的需要不僅排除了這種冷卻裝置的尺寸增加，而且還需要顯著的尺寸降低。發明概沭因此，本發明提供供應增強的電絕緣和增強的熱管理的材料、裝置和方法。一方面，例如，提供了印刷電路板，其包括基板和涂覆于基板的至少一個表面上的電絕緣層，電絕緣層包括多個結合在粘合劑材料中的hBN顆粒。另一方面，本發明提供電絕緣層，其包括多個結合在粘合劑材料中的hBN顆粒，其中電絕緣層的熱導率大于或等于大約5W/mK。多個hBN顆粒可取決于粘合劑的性質和層的期望性質以各種量存在于電絕緣層中。一方面,例如，電絕緣層以大約10至大約60vol%的量包括多個hBN顆粒。另一方面，電絕緣層以小于或等于大約35vol%的量包括多個hBN顆粒。應當注意，vol%可以是用于形成電絕緣層的預制混合物的vol%，或可以是完成的電絕緣層的vol%。因為hBN材料具有平面構造，所以可將其它材料添加至電絕緣層以提高hBN顆粒之間的物理接觸和/或熱接觸。一方面，例如，遍及電絕緣層分布接觸顆粒以在多個hBN顆粒的平面(planar face)之間提供熱通路(thermal pathway)。可與hBN相容并且可提供改進的熱接觸的任何顆粒可用作接觸顆粒。在一個具體方面，接觸顆粒是選自A1N、金剛石、cBN、SiC、A1203、BeO、SiO2以及其結合的成員。各種粘合劑材料被考慮用于結合hBN顆粒。應當注意，這種結合本質上可以是化學或機械的。一方面，粘合劑材料包括選自下列的成員氨基樹脂、丙烯酸酯樹脂、醇酸樹月旨、聚酯樹脂、聚酰胺樹脂、聚酰亞胺樹脂、聚氨酯樹脂、酚醛樹脂、酚醛/膠乳樹脂、環氧樹月旨、異氰酸酯樹脂、異氰脲酸酯樹脂、聚硅氧烷樹脂、反應性乙烯基樹脂、聚乙烯樹脂、聚丙烯樹脂、聚苯乙烯樹脂、苯氧基樹脂、茈樹脂、聚砜樹脂、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯樹脂、丙烯酸類樹脂、聚碳酸酯樹脂、聚酰亞胺樹脂以及其結合。另一方面，粘合劑材料包括選自A1N、SiC、A1203、BeO、SiO2以及其結合的成員。在本發明的另一方面，具有改進的散熱性質的發光二級管裝置根據本發明的方面被提供為具有熱連接至印刷電路板的發光二級管，以使電絕緣層是可操作的以加速熱移動離開發光二級管。·
在本發明的仍另一方面，具有改進的散熱性質的熱動力印刷電路板裝置根據本發明的方面被提供為具有熱連接至印刷電路板的中央處理單元，以使電絕緣層是可操作的以加速熱移動離開中央處理單元。仍另一方面，提供了用于冷卻印刷電路板和電絕緣印刷電路板的方法。這種方法可包括提供包括熱源的電路，電路置于電絕緣層的表面上，電絕緣層包括多個結合在粘合劑材料中的hBN顆粒，使得在電流通過電路后，由電路產生的熱以大于或等于5W/mK的速率通過電絕緣層加速離開熱源。本發明還提供熱界面材料(TIM)。這種材料可包括貼合(comformable)基體材料和置于貼合基體材料中的多個hBN顆粒。因此，已經相當廣泛地概述了本發明的各種特征，以便可更好地理解隨后其詳述，并且以便更好地領會本發明對于技術的貢獻。本發明的其它特征由連同所附權利要求一起的本發明的下列詳述將變得更清晰，或可通過本發明的實踐認識到。附圖
簡述圖I是根據本發明的一個實施方式的電子器件的橫截面圖。圖2是根據本發明的另一個實施方式的電子器件的橫截面圖。發明詳述定義在描述本發明和要求保護本發明時，根據以下闡述的定義將使用下列術語。單數形式“一種”、“一個”和“該”包括復數指示物，除非上下文另外明確地指出。因此，例如，提及“一種顆粒”包括提及一種或多種這種顆粒，并且提及“該材料”包括提及一種或多種這種材料。如本文使用，六方一氮化硼(hexagonal boron nitride) (hBN)指sp2結合的六方晶格的BN,結構類似于石墨烯(graphene)。hBN顆粒可包括單一 hBN層或多個hBN層的堆疊。在每個層中，硼和氮原子通過共價鍵結合在一起，但是層通過弱的范德華力保持在一起。如本文使用，“粘合劑”指用于促進hBN置于基板或其它結構上的材料。因此，粘合劑可以是引起hBN化學或機械結合至基板或結構的材料。術語“傳熱”、“熱移動”和“熱傳輸”可互換使用，并且指熱從較高溫度區域至較低溫度區域的移動。熱移動意欲包括本領域技術人員已知的任何熱傳輸的機理，如，非限制性地，傳導的、對流的、輻射的等。
如本文使用，“印刷電路板”和“電路板”可用于描述任何芯片的電路結構和電子器件的封裝水平結構。一方面，電路板可包括基板、絕緣層和傳導跡線(conductive trace)。如本文使用，“動力的”或“動力上”或“熱動力”指其中材料在傳輸能量時是活性的材料的特性。通常地，在傳輸熱能時動力材料是活性的。如本文使用，“熱源”指具有一定量的大于直接鄰近區域的熱能或熱的裝置或物體。在印刷電路板中，例如，熱源可以是比鄰近區域更熱的板的任何區域。熱源可包括產生熱作為它們操作的副產物的裝置(在下文中稱為“主要熱源(primary heat sourse) ”或“主動熱源(active heat sourse) ”)，以及通過將熱能傳遞至其而變熱的物體(下文稱為“次級熱源(secondary heat sourse) ” 或“被動熱源(passive heat sourse)”)。主要或主動熱源的實例非限制性地包括CPU、電跡線(electrical trace)、LED等。次級或被動熱源的實例非限制性地包括散熱片(heat spreader)、散熱裝置等。如本文使用，“傳導跡線”指在能夠傳導熱、電或二者的印刷電路板或其它電子器件上的傳導通路。如本文使用，“沉積的”和“沉積”指沿著已經與被沉積的材料緊密接觸的基板的外表面的至少一部分的區域。在一些方面，沉積的材料可以是基本上覆蓋基板的整個表面的層。在其它方面，沉積的材料可以是僅覆蓋基板表面的一部分的層。如本文使用，“貼合的”指在其被施加后有能力貼合表面的形狀的材料。在熱界面材料的情況中，貼合材料是一種這樣的材料當置于兩個相對表面之間時，最大化那些表面之間的接觸。如本文使用，術語“基本上”指行為、特性、性質、狀態、結構、項目或結果的完全或幾乎完全的范圍或程度。例如，“基本上”封閉的物體意指物體完全被封閉或幾乎完全被封閉。偏離絕對完全的精確可允許程度在一些情況中可取決于具體背景。但是，一般而言，接近完成將是具有如同獲得絕對和總完成的相同的總體結果。當用于否定含義中以指完全或接近完全沒有行為、特性、性質、狀態、結構、項目或結果時，“基本上”的使用可同樣適用。例如，“基本上沒有”顆粒的組合物可完全沒有顆粒，或如此幾乎完全沒有顆粒——效果如同完全沒有顆粒一樣。換句話說，“基本上沒有”一種組分或元素的組合物可實際上仍包含這項，只要其不存在可測量的影響。如本文使用，術語“大約”用于通過假定給定值可以在端點“略微以上”或“略微以下”提供對于對于數字范圍端點的靈活性。如本文使用，多個項目、結構要素、組合要素和/或材料可為了便利呈現在常用列表中。但是，這些列表應當被解釋為如同列表的每個要素單獨地識別為獨立并且唯一的要素。因此，這種列表的個別要素在沒有相反指示的情況下實際上不應當解釋為單獨基于它們在普通組中的呈現的相同列表的任何其它要素的等效物。濃度、數量和其它數字數據在本文中可以以范圍形式表示或呈現。應當理解，這種范圍形式僅為了便利和簡潔而使用，并且因此應當靈活地被解釋為不僅包括明確敘述為范圍界限的數值，而且包括在那個范圍內包含的所有單獨數值或子范圍，如同明確敘述每個數值和子范圍一樣。作為例證，“大約I至大約5”的數字范圍應當解釋為不僅包括大約I至大約5的明確描述的值，而且也包括在指示范圍內的單獨值和子范圍。因此，在該數字范圍內包括的分別是單獨值如2、3和4和子范圍如1-3、2-4和3-5等，以及1、2、3、4和5。該同樣的原則應用至敘述僅一個數值作為最小值或最大值的范圍。而且，無論被描述的范圍或性質的寬度，應當應用這種解釋。本發明本發明涉及表現出增加的熱導率而不犧牲期望的電絕緣性質的新型材料。這些材料利用六方一氮化硼(hBN)作為電絕緣材料。hBN是具有優良電阻率的平面材料，并且因此可形成類似于石墨結構的sp2網絡。由于該平面性質，hBN可在平面之間形成面對面接觸，因此甚至在復合層中在低hBN濃度下促進改進的熱導率。相反，置于環氧中的非平面AlN顆粒由于它們的塊狀結構而在顆粒間表現更少的接觸點。因此，對于這種非-平面材料，熱導率更是有限的。而且，可壓縮hBN材料以改進面之間的接觸。
在本發明的一方面中，提供了電絕緣層。這種層可包括多個結合在粘合劑材料中的hBN顆粒。一方面，電絕緣層的熱導率大于或等于大約5W/mK。另一方面，電絕緣層的熱導率大于或等于大約7. 5W/mK。仍另一方面，電絕緣層的熱導率大于或等于大約10W/mK。因此，電絕緣層可有效地促進熱移動遠離熱源或其它熱點，而同時提供電阻層或表面。根據本發明的方面的電絕緣層可應用至期望熱導率的任何表面。另外，電絕緣層可應用至期望熱導率和電阻率的表面、結構或裝置。例如，電絕緣層可應用至電子器件，如印刷電路板或印刷電路。一方面，印刷電路板可包括基板和涂覆于基板的至少一個表面上的電絕緣層。電絕緣層包括多個結合在粘合劑材料中的hBN顆粒。因此，通過橫向越過板的表面加速傳熱和當熱橫向蔓延時加速傳熱至空氣，可有效地冷卻印刷電路板。應當注意，對于將熱引入至本領域技術人員已知的印刷電路板或其它電子器件的已知任何形式的熱源被認為在本發明的范圍內。一個方面，熱源可以是主動熱源，主動熱源的實例可以是產生熱的電子組件。這種組件可非限制性地包括電阻器、電容器、晶體管、包括中央處理單元和圖形處理單元的處理單元、LED、激光二極管、濾波器等。熱源還可包括含高密度傳導跡線的印刷電路板區域，和接收來自與印刷電路板不是物理接觸的熱源的傳熱的區域。它們還可包括與印刷電路板物理接觸但是不被認為集成至印刷電路板的熱源。這種的實例可以是具有連接至其上的子板的主板，其中從子板傳熱至主板。無論來源，存在于印刷電路板中的傳熱可通過電絕緣中的hBN材料被加速遠離熱源。應當注意，本發明不限于傳熱的具體理論。因此，一方面，熱遠離熱源的加速移動可至少部分地由于橫向通過hBN顆粒的熱移動。由于hBN材料的傳熱性質，熱可快速地橫向傳播通過電絕緣層并越過印刷電路板的表面。這種加速的傳熱可導致具有冷得多的操作溫度的印刷電路板。加速遠離熱源的傳熱不僅冷卻印刷電路板，而且可降低許多電子組件上的熱負
荷--其主要冷卻至印刷電路板周圍的空氣。例如，由于經由CPU插口通過印刷電路板的
增強的傳熱，具有外部散熱裝置和風扇的中央處理單元(CPU)可需要較少的外部冷卻。例如，圖I顯示了具有基板12的電路板，在基板12之上沉積電絕緣層14。電絕緣層14包括通過粘合劑18結合至基板12的多個hBN16顆粒。作為實例熱源，圖I顯示了置于電絕緣層14上的傳導跡線20和CPU封裝件(package) 22。因此，電絕緣層14通過防止電流漏泄至基板12和/或接近電路元件對熱源提供電絕緣。另外，通過熱源產生的熱被引導至hBN顆粒16并且橫向傳播通過電絕緣層14以增強散熱。如已描述的，電絕緣層是hBN顆粒和粘合劑的層。取決于如電路板的預期用途、電路板可達到的可能溫度、制造成本等因素，電絕緣層可涂覆于印刷電路板或其它電子器件的各個部分上。電絕緣層可涂覆于印刷電路板的一部分、一個面或兩個面上。電絕緣層可置于整個表面上，或表面的僅一部分上。例如，電絕緣層可置于在其上放置電路的基板的基本上整個表面上。這對于傳導材料如金屬用于基板的情況尤其關鍵。同樣，另外的電絕緣層可置于與原來的電絕緣層相對的基板的表面上，如圖2中顯示的。根據hBN顆粒和材料可得性的制造條件，hBN顆粒可以具有任何實際尺寸。倘若可獲得足夠大的hBN “片”，一方面，hBN材料的大小可充分地匹配涂覆有電絕緣層的表面的大小，或被配置以覆蓋表面大小的一半、四分之一等。另一方面，hBN顆粒可小于1000微米。另一方面，hBN顆粒可以是大約I微米至大約100微米。仍另一方面，hBN顆粒可以是大 約I微米至大約50微米。在進一步的方面中,hBN顆粒可以是大約5微米至大約30微米。應當注意，由于hBN材料的平面性質(planar nature),本文指出的尺寸是面平面(facialplane)的近似平均尺寸。垂直于面平面的hBN顆粒的尺寸可取決于被堆疊以形成顆粒的hBN層的數目變化。具有I至成千上萬層的hBN顆粒應當包括在本范圍內。在一些方面，hBN顆粒的雙峰粒度分布(bimodal size distribution)可以是有益的。因此，兩種、或在一些情況中至少兩種粒度分布的顆粒存在于配制物中。較大的hBN顆粒——例如大約10微米數量級——具有優良的熱導率，但是可能限制配制物中的粘合劑的粘合強度。較小的顆粒更容易并入粘合劑中，因此允許較大的表面接觸和增加的粘合強度。但是，在更小hBN顆粒周圍增加的晶粒間界可傾向于降低熱導率。發明人已發現較大顆粒與較小顆粒混合的雙峰粒度分布可促進增加熱導率和增加粘合強度。雖然引起增強的熱導率和增加的粘合強度的任何雙峰粒度分布被認為在本范圍內，但是一方面雙峰粒度分布包括大約5微米至大約15微米的第一 hBN顆粒大小和大約I微米至大約3微米的第二hBN顆粒大小。另一方面，雙峰粒度分布包括大約10微米的第一 hBN顆粒大小和大約2微米的第二 hBN顆粒大小。仍另一方面，第一 hBN顆粒大小大于第二 hBN顆粒大小至少大約2倍。應當注意，該效果還可以被觀察到具有多于兩種的hBN顆粒的粒度分布的配制物，并且因此被認為在本范圍內。同樣，這些改進的效果由于雙峰粒度分布可遍及材料類型發生。例如，一方面，較大hBN顆粒(例如10微米)可混合入具有較小金剛石顆粒(例如2微米)的粘合劑中。電絕緣層可相對于層的總體積以各種比例包括多個hBN顆粒。hBN顆粒的平面性質允許使用較低比例的hBN，但是，這不排除層具有大部分是hBN的組分材料。因此，電絕緣層可以以任何量包含hBN以獲得期望或預期結果。但是，在一個具體方面，電絕緣層以大約10至大約60vol%的量包括多個hBN顆粒。在另一具體方面，電絕緣層以小于或等于大約40vol%的量包括多個hBN顆粒。在仍另一具體方面，電絕緣層以小于或等于大約30vol%的量包括多個hBN顆粒。在另一具體方面，電絕緣層以小于或等于大約20vol%的量包括多個hBN顆粒。在另一具體方面中，電絕緣層以小于或等于大約10vol%的量包括多個hBN顆粒。應當注意，增加粘合劑材料中的hBN的比例增加熱接觸的可能數量，從而增加電絕緣層的熱導率。還應當注意，vol%可以是用于制造電絕緣層的預制混合物的vol%，或其可以是完成的電絕緣層的vol%。由于hBN顆粒的平面性質，粘合劑可用于hBN顆粒彼此結合和結合至基板。許多粘合劑可被考慮，并且因此可取決于電絕緣層的期望或預期結果而變化。連同hBN材料一起使用具有電絕緣性質的粘合劑材料可起到防止電流漏泄的作用。雖然，可使用任何已知的粘合劑材料，但是實例可非限制性地包括無機材料、聚合材料等，包括其結合。一方面，有用的無機粘合劑的非限制性實例可包括例如A1203、MgO、BeO、ZnO, SiO2, AIN、SiC等，包括其結合。在一個具體方面，無機粘合劑可包括ai2o3。在另一具體方面，無機粘合劑可包括A1N。另一方面，無機粘合劑的非限制性實例可非限制性地包括Li2O-Al2O3-SiO2基材料、MgO-Al2O3-SiO2 基材料、Li2O-MgO-SiO2 基材料、Li2O-ZnO-SiO2 基材料，以及其結合。另一方面，hBN顆粒可置于聚合物粘合劑中。一旦hBN顆粒與聚合物粘合劑混合，可將復合混合物施加至表面以進行固化。可通過任何已知方法一非限制性地包括噴涂、鋪展、浸潰等——進行這種施加。聚合物粘合劑的非限制性實例包括材料如氨基樹脂、丙烯酸酯樹脂、醇酸樹脂、聚酯樹脂、聚酰胺樹脂、聚酰亞胺樹脂、聚氨基甲酸乙酯樹脂、酚醛 樹脂、酚醛/膠乳樹脂、環氧樹脂、異氰酸酯樹脂、異氰脲酸酯樹脂、聚硅氧烷樹脂、反應性乙烯基樹脂、聚乙烯樹脂、聚丙烯樹脂、聚苯乙烯樹脂、苯氧基樹脂、茈樹脂、聚砜樹脂、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯樹脂、丙烯酸類樹脂、聚碳酸酯樹脂、聚酰亞胺樹脂，以及其結合。在一個具體方面，聚合物粘合劑可以是環氧樹脂。在另一具體方面，聚合物粘合劑可以是聚酰胺樹脂。在另一具體方面，粘合劑可以是苯并環丁烯。此外，電絕緣層的厚度可取決于將電絕緣層置于其上的材料和/或裝置的預期用途而變化。但是,一方面，電絕緣層可以是大約100 μ m厚至大約2000 μ m厚。另一方面，電絕緣層可以是大約10 μ m厚至大約100 μ m厚。仍另一方面，電絕緣層可小于或等于200 μ m厚。另一方面，電絕緣層可大于200 μ m厚。如已描述的，使用電絕緣層材料將hBN顆粒連接至基板以對置于其上的電路提供電絕緣，同時有效傳熱。因此，無論基板材料的傳導性質，可使用各種基板材料以形成電路板或其它電子器件基板的結構。例如，基板可以是金屬材料如鋁。通過將電路置于電絕緣層上，基板材料如金屬可用于各種電子器件的構造中。除了金屬以外，各種陶瓷和聚合物材料可用作基板。這種材料在本領域內是眾所周知的，并且可取決于電路板的性質和預期用途而變化。由于hBN材料的平面性質，可將非平面顆粒添加至電絕緣層以改進hBN顆粒之間的熱接觸。這種“接觸顆粒”的添加可引起平面hBN材料彎曲或起皺，因此通過在多個hBN顆粒的平面之間提供熱通路而改進熱接觸。與hBN顆粒和粘合劑相容的任何傳熱材料可用作接觸顆粒。一方面，接觸顆粒可以是陶瓷粉或顆粒。接觸顆粒的具體的非限制性實例包括A1N、金剛石、cBN、SiC、A1203、BeO、SiO2等，包括其結合。接觸顆粒添加至混合物的比例可取決于所獲得的電絕緣層的期望熱導率而變化。一方面，接觸顆粒在層中的比例小于hBN顆粒在層中的vol%。另一方面，接觸顆粒在層中的比例是大約I至大約20vol%。另一方面，接觸顆粒在層中的比例小于大約15vol%。應當注意，vol%可以是用于制造電絕緣層的預制混合物的vol%，或其可以是完成的電絕緣層的vol%。另外，一方面，接觸顆粒可具有大約O. I至大約20微米范圍的大小。另一方面，接觸顆粒可具有大約I至大約15微米范圍的大小。在一些情況中使用包括混溶劑的接觸顆粒和/或hBN顆粒影響顆粒在粘合劑中的溶解度也是有益的。一方面，混溶劑的一端是親水的，而其它端是親油或疏水的。作為一個實例，在混溶劑末端上的N或O原子傾向使試劑在該端親水。作為另一實例，在混溶劑末端上的H或F原子傾向使試劑在該端疏水。因此，這種混溶劑可改進這種顆粒在給定粘合劑中的溶解度，減少附聚并幫助在粘合劑內鋪開顆粒。在一個非限制性實例中，混溶劑可包括乙烯基硅烷、氨基硅烷以及其結合。其它非限制性實例可包括油醇聚氧乙烯醚(oleylalcohol polyethylene glycol ether)、油醇乙氧基化物(oleyl alcohol ethoxylate)、辛基酹乙氧基化物(octyl phenol ethoxylate)、聚乙二醇、2_ 丁酮、4-甲基_2_酮、丙酮、N，N-二甲基甲酰胺等。另外，因為hBN本質上是疏水的，它可在硝酸或氫硫酸中煮沸以將NO或SO自由基連接至表面。因此，通過將這種混溶劑并入至hBN表面，可促進均勻混合至各種粘合劑中。在一些方面，hBN顆粒可限制于層中，與其它材料分離或基本上分離。例如，一方面，粘合劑中的hBN顆粒層可被安排為鄰接粘合劑中的另一材料層如陶瓷粉。在一些方面，·這種鄰接陶瓷顆粒層可滲入hBN層以通過增加hBN平面之間的熱導率而改進散熱。在一些方面，可通過將金屬原子插入hBN顆粒內增加熱導率。這種金屬原子的非限制性實例包括Li、Na、K、Be、Mg、Ca等，包括其結合。金屬原子也可作為改進hBN材料的熱導率的氧化物、氮化物或其它分子化合物并入。具體的非限制性實例可包括Li2O及其類似物、以及Li3N及其類似物。可在hBN顆粒的形成期間通過例如摻雜引入這種金屬原子，或在形成后金屬原子可滲入hBN顆粒。雖然任何量的金屬原子被認為在本范圍內，一方面，hBN顆粒包括至少大約Iat. %的金屬原子。在一些方面，纖維布可包括在電絕緣層中以改進層的電阻率。包括這種纖維布層可用于各種情況。在一個非限制性實例中，這種布可包括在用于關注電安全的高擊穿電壓情況的電絕緣層中。與沒有hBN顆粒的粘合劑中的布相比較，hBN顆粒可阻塞纖維之間的孔以改進電阻率。如果使用玻璃纖維布，可通過由hBN材料形成的熱通路有效地通過纖維之間的孔傳熱。考慮可根據本發明的各種方面冷卻各種熱源。例如，熱源可以是中央處理單元或圖形處理單元、LED、激光二極管、濾波器如表面聲波濾波器等。一方面，例如，可提供具有改進的散熱性質的LED裝置。這種裝置可包括熱連接至裝置的電路的發光二級管。因此，配置電絕緣層以加速熱移動離開發光二級管。因為它們在電子器件和照明裝置中已變得越來越重要，所以持續開發具有一直增加能量需求的LED。這種增加能量的趨勢已形成這些裝置的冷卻問題。通常這些裝置的小尺寸使這些冷卻問題惡化，這些裝置的小尺寸可使具有傳統招散熱鰭片(aluminum heat fin)的散熱裝置由于它們的大體積性質(bulky nature)而不起作用。通過根據本發明的方面冷卻LED，可完成甚至在非常高的功率下的充分冷卻，而同時維持小的LED封裝尺寸。作為一個具體實例，一方面，提供了具有改進的散熱性質的發光二級管裝置——其包括熱連接至所述印刷電路板的發光二級管——使得電絕緣層是可操作的以加速熱移動離開發光二級管。另一方面，提供了具有改進的散熱性質的熱動力印刷電路板裝置——其包括熱連接至所述印刷電路板的中央處理單元——使得電絕緣層是可操作的以加速熱移動離開中央處理單元。另外，本發明提供了使用所述電絕緣層的方法。一方面，例如，提供了用于冷卻和電絕緣印刷電路板的方法。這種方法可包括提供包含熱源的電路，其中電路置于電絕緣層的表面上。電絕緣層包括多個結合在粘合劑材料中的hBN顆粒，使得在電流通過電路后，由電路產生的熱以大于或等于5W/mK的速率通過電絕緣層加速離開熱源。將電絕緣層置于基板上的各種方法也被考慮，并且可取決于粘合劑材料而變化。例如，一方面，多個hBN顆粒可與粘合劑材料混合。這使用聚合物粘合劑可尤其有效。隨后，將混合物置于基板上以形成電絕緣層。可通過本領域普通技術人員已知的各種方法完成這種沉積，包括刮刀式燒鑄(knife casting)、噴涂、浸潰、壓煉、帶式燒鑄(tape casting)等。取決于材料的性質，可使粘合劑材料硬化，或它可被加熱或與催化劑反應。在類似的方面，hBN顆粒可沉積在基板上并且粘合劑材料可置于其上。在這種情況中，模壓可對于在施加和固化期間保持hBN顆粒和粘合劑材料有益。某些材料一特別是無機材料如AlN等一可隨后被沉積或與hBN顆粒共沉積。這種無機材料的沉積可包括燒結、派射、熔融噴涂(melt spraying)(例如火焰噴涂、等離子體噴涂)、混合、鋪展等。還考慮電絕緣層可以是熱界面材料( Μ)。這種材料常常用于改進散熱通路中的兩種材料之間的熱接觸。一個實例是使用CPU和CPU風扇之間的TIM以促進熱從CPU移動至風扇。類似地，可在任何熱源和相關的散熱裝置之間使用TIM。一方面， Μ可包括具有多個hBN顆粒置于其中的貼合基體材料。貼合材料也可稱為粘合劑或溶劑。貼合基體可包括任何貼合材料，其能包含hBN顆粒并且與表面——待在表面之間使用貼合基體——相容。貼合基體材料是本領域內眾所周知的，并且可包括如·熱脂膏的材料。在一個具體方面，貼合基體材料可包括液體或膠凝狀硅氧烷化合物(例如“硅氧烷糊狀物”或“硅氧烷油”)。在一些情況中，倘若利用充分的電絕緣以電絕緣地防止表面之間發生短路，則貼合基體材料可以是導電的。如已描述的，貼合基體材料還可包括非平面接觸顆粒以改進hBN顆粒之間的熱接觸。這種“接觸顆粒”的添加可引起平面hBN材料彎曲或起皺，從而通過在多個hBN顆粒的平面之間提供熱通路來改進熱接觸。
實施例實施例I :hBN與溶于有機溶劑中的有機粘合劑混合。將漿料噴涂至鋁基板上固化以去除溶齊U。所獲得的層為大約50微米厚的可傳播熱的絕緣層。該電絕緣層用Cr濺射并且用Cu電鍍。然后蝕刻Cu以形成電路元件。然后將LED芯片安裝在基板上并且電連接至電路元件。通過引導熱至鋁基板的電絕緣層冷卻LED芯片。實施例2 hBN與SnO2納米粉末混合并且然后等離子體噴射至鋁基板上。hBN/Sn02層具有改進的熱導率，因為它不含有有機粘合劑。然后該電絕緣層用Cr濺射并且用Cu電鍍，并且蝕刻Cu以形成電路元件。實施例3
通過將70微米厚的環氧樹脂層壓在2mm厚的鋁基板(1050、5052或6061)和50微米厚的銅箔上，制備24英寸(610mm) X 18英寸(457mm)的金屬芯印刷電路板(MCPCB)。將環氧樹脂與包含80:20的Al2O3 (1-2微米粒度)和hBN粉末的65wt%固體內含物預混合，使得hBN的重量占總重量的13%。然后測試MCPCB的剝離強度和熱導率。當hBN顆粒大小是10微米時，K值是4W/mk并且剝離強度是61bs/in2。當hBN顆粒大小是2微米時，k值是3. 5ff/mK并且剝離強度是91bs/in2。當使用hBN大小的混合物(2微米和10微米為3:1)時，K值是4. 5ff/mk并且剝離強度是81bs/in2。實施例4 環氧樹脂與娃燒基偶聯劑混合,達到9500cps的粘度。hBN顆粒與該混合物結合，隨后用甲基·乙基酮溶劑稀釋。在混合過程期間，Al2O3粉末混入甲基·乙基酮溶劑中，并且還混入環氧固化劑。用所獲得的混合物浸潰纖維布，并且在170°C下固化該復合材料90秒。在Cu和Al之間熱層壓復合材料以形成PCB。 實施例5 將50wt%的10 μ m hBN顆粒和5wt%的2 μ m金剛石顆粒分散于硅膠中。hBN和金剛石顆粒已事先在氫環境中在800°C下處理30分鐘以吸收氫原子，從而促進在硅膠中的分散。以上處理的硅膠的熱導率是大約4W/mK。實施例6 2 μ m的hBN粉末和I μ m的金剛石粉末與大約3wt%的丙烯酸脂膏(acrylicgrease)混合以形成捏塑體。該捏塑體被成形、擠壓并且切成100 μ m厚的切片。將丙烯酸脂膏的薄層噴射至鋁基板上并且將100 μ m的切片置于其上。然后將30 μ m厚的銅箔施加至100 μ m的切片上。使用層壓機將所獲得的分層復合材料形成為MCPCB。由于在鋁基板和銅箔之間的絕緣層中包含多個hBN和金剛石粉末，該層壓結構的熱導率在大約5-10W/mK之間。當然，應當理解上述布置僅是本發明原理的應用的例證。可在不脫離本發明的精神和范圍的情況下由本領域技術人員設計許多改進和可選的布置，并且所附權利要求意欲覆蓋這樣的改進和布置。因此，盡管已結合目前被認為是本發明最實用和優選的實施方式以特性和細節在以上描述了本發明，可在不脫離本文闡述的原理和概念的情況下進行許多改進，包括但不限于大小、材料、形狀、形式、功能和操作方式、組件和用途上的變化，這對于本領域技術人員將是顯而易見的。
權利要求
1.一種印刷電路板,其包括 基板；和 涂覆于所述基板的至少一個表面上的電絕緣層，所述電絕緣層包括多個結合在粘合劑材料中的hBN顆粒。
2.權利要求I所述的印刷電路板，其中所述電絕緣層以大約10至大約60vol%的量包括所述多個hBN顆粒。
3.權利要求I所述的印刷電路板，其中所述電絕緣層以小于或等于大約40vol%的量包括所述多個hBN顆粒。
4.權利要求I所述的印刷電路板，其中所述電絕緣層的熱導率大于或等于大約5W/mK。
5.權利要求I所述的印刷電路板，其包括遍及所述電絕緣層分布的多個接觸顆粒，以使所述接觸顆粒在所述多個hBN顆粒的平面之間提供熱通路。
6.權利要求5所述的印刷電路板，其中所述接觸顆粒是選自A1N、金剛石、cBN、SiC、Al203、Be0、Si02以及其結合的成員。
7.權利要求I所述的印刷電路板，其中所述粘合劑材料包括選自下列的成員氨基樹月旨、丙烯酸酯樹脂、醇酸樹脂、聚酯樹脂、聚酰胺樹脂、聚酰亞胺樹脂、聚氨基甲酸乙酯樹脂、酚醛樹脂、酚醛/膠乳樹脂、環氧樹脂、異氰酸酯樹脂、異氰脲酸酯樹脂、聚硅氧烷樹脂、反應性乙烯基樹脂、聚乙烯樹脂、聚丙烯樹脂、聚苯乙烯樹脂、苯氧基樹脂、茈樹脂、聚砜樹脂、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯樹脂、丙烯酸類樹脂、聚碳酸酯樹脂、聚酰亞胺樹脂以及其結合。
8.權利要求I所述的印刷電路板，其中所述粘合劑材料包括選自AlN、SiC、Al203、Be0、SiO2以及其結合的成員。
9.權利要求I所述的印刷電路板，其中所述基板是金屬材料。
10.權利要求I所述的印刷電路板，其中所述基板是陶瓷材料。
11.權利要求I所述的印刷電路板，其中所述基板是聚合物材料。
12.權利要求I所述的印刷電路板，其中所述電絕緣層包括纖維布材料。
13.權利要求I所述的印刷電路板，其中所述hBN顆粒是平面顆粒。
14.一種具有改進的散熱性質的發光二級管裝置，其包括 熱連接至權利要求I所述的印刷電路板的發光二級管，以使所述電絕緣層是可操作的以加速熱移動離開所述發光二級管。
15.一種具有改進的散熱性質的熱動力印刷電路板裝置，其包括 熱連接至權利要求I所述的印刷電路板的中央處理單元，以使所述電絕緣層是可操作的以加速熱移動離開所述中央處理單元。
16.—種電絕緣層，其包括多個結合在粘合劑材料中的hBN顆粒，其中所述電絕緣層的熱導率大于或等于大約5W/mK。
17.權利要求16所述的電絕緣層，其中所述電絕緣層以大約10至大約60vol%的量包括所述多個hBN顆粒。
18.權利要求16所述的電絕緣層，其中所述電絕緣層以小于或等于大約40vol%的量包括所述多個hBN顆粒。
19.權利要求16所述的電絕緣層，其包括遍及所述電絕緣層分布的多個接觸顆粒，以使所述接觸顆粒在所述多個hBN顆粒的平面之間提供熱通路。
20.權利要求16所述的電絕緣層，其中所述hBN顆粒具有雙峰粒度分布。
21.權利要求20所述的電絕緣層，其中所述雙峰粒度分布包括大約5微米至大約15微米的第一 hBN顆粒大小和大約I微米至大約3微米的第二 hBN顆粒大小。
22.權利要求20所述的電絕緣層，其中所述雙峰粒度分布包括大約10微米的第一hBN顆粒大小和大約2微米的第二 hBN顆粒大小。
23.一種用于冷卻和電絕緣印刷電路板的方法，其包括 提供包括熱源的電路，所述電路置于電絕緣層的表面上，所述電絕緣層包括多個結合在粘合劑材料中的hBN顆粒，使得在電流通過所述電路之后，由所述電路產生的熱以大于或等于5W/mK的速率通過所述電絕緣層加速離開所述熱源。
24.一種熱界面材料，其包括 貼合基體材料； 置于所述貼合材料中的多個hBN顆粒。
25.權利要求24所述的熱界面材料，其包括遍及所述貼合基體材料分布的多個接觸顆粒，以使所述接觸顆粒在所述多個hBN顆粒的平面之間提供熱通路。
26.權利要求25所述的熱界面材料，其中所述接觸顆粒是選自A1N，金剛石、cBN、SiC、Al203、Be0、Si02以及其結合的成員。
27.權利要求25所述的熱界面材料，其中所述接觸顆粒是陶瓷。
28.權利要求24所述的熱界面材料，其中所述hBN顆粒包含至少大約Iat.%的金屬。
29.權利要求28所述的熱界面材料，其中所述金屬包括選自Li、Na、K、Be、Mg、Ca以及其結合的成員。
全文摘要
公開了具有增加的熱導率的電絕緣層以及相關的裝置和方法。一方面，例如，提供了印刷電路板，其包括基板和涂覆于所述基板的至少一個表面上的電絕緣層，所述電絕緣層包括多個結合在粘合劑材料中的hBN顆粒。
文檔編號H05K1/02GK102948269SQ201180016152
公開日2013年2月27日 申請日期2011年1月26日 優先權日2010年1月26日
發明者宋健民, 胡紹中, 鄧建中, 楊尚叡, M·宋 申請人:宋健民