CN101045858B - 高导热性绝缘体及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种具有导热性、绝缘性和散热性的高导热绝缘体，这样制造：将成型材料加入模具中，该成型材料由绝缘树脂、反磁材料粉、以及顺磁材料(包含铁磁材料)粉组成，并且具有流动性；并且向模具中的成型材料施加磁场，使簇沿磁力线的方向取向，各簇由反磁材料粉的反磁材料颗粒结合成链状；以及，沿模具的成型面之一用磁力吸引顺磁材料(包含铁磁材料)粉，从而形成散热层。从对向部件传导到绝缘体一个表面的热量，经由簇快速传导至绝缘体的另一表面，并且从存在于另一表面的散热层有效散发。

Description

高导热性绝缘体及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种高导热性绝缘体及其制造方法。根据本发明的高导热性绝缘体可以用作散热板、散热片、具有散热性的电磁波屏蔽材料等，上述部件装配在多种电气设备中。
背景技术
随着电子部件装配的高密度化以及车辆的混合动力化，也需要各种电气设备的散热性不断发展。例如，为了加快CPU的冷却，在CPU上布置具有高导热性的金属散热片，并且借助于风扇用空气进行冷却。然而，在电子设备中使用的散热板等，经常也需要具有电绝缘性，以及，同时具备热传导性和电绝缘性二者通常比较困难。
在上述情况下，考虑使用由绝缘树脂构成的散热板，这是因为通过在树脂中混合各具高导热性的材料，所得到的散热板可以具有符合要求的导热性和电绝缘性。例如，陶瓷具有相当高的导热系数和良好的绝缘性。所以，可以考虑使用由混有陶瓷粉末的树脂所构成的成型体作为散热板。
然而，在由分散有陶瓷粉的树脂基质所构成的成型体中，具有导热性是由于陶瓷粉的偶然连续性，因而，为了获得目标导热性，必须增加陶瓷粉的含量。然而，随着陶瓷粉含量增加，成型体会易碎，或者由于陶瓷自身的脆性使其成型比较困难。另外，生产成本也变高。
未经审查的日本专利申请No.2000-281802公报披露了一种导热成型体，该导热成型体这样制备，通过向由树脂和反磁性材料粉构成的成型材料施加磁场，使反磁性材料粉在预定方向取向，然后，使成型材料固化。当向反磁性材料粉施加磁场时，反磁性材料粉在沿磁力线的方向取向，因而，即使少量的反磁性材料粉也能起到具有连续性的作用，并因而具有高导热性。据此，可以减少反磁性材料粉的含量，同时保持导热性。
然而，上述公报所披露的导热成型体在散热性方面不够，这是因为这种导热成型体由树脂和反磁性材料粉构成。另外，上述公报所披露的导热成型体具有这样的特性，在与取向相垂直的方向上散热性较低，因而，散热性的各向异性较大。由于上述公报中所披露的导热成型体在散热性方面为各向异性，因此不能满足要求。据此，散热性的各向异性需要进一步加以改进。
发明内容
考虑到上述情况提出本发明，以及，本发明的目的是，提供一种高导热绝缘体，这种高导热绝缘体同时具有导热性、绝缘性和散热性。
根据本发明的高导热绝缘体的特征在于：一种高导热绝缘体，在使用时其一个表面接触对向部件，并且从与高导热绝缘体一个表面相反的另一表面使对向部件散热，该高导热绝缘体包括：基体，由电绝缘树脂构成，并且具有一个表面和另一表面；以及，反磁材料粉和顺磁材料(包含铁磁材料)粉，其包含在基体中。多个反磁颗粒连接在一起链状成簇，并且在从一个表面向另一表面的方向取向，以及，顺磁材料(包含铁磁材料)颗粒主要存在于另一表面侧，以形成散热层。
优选的是，至少一部分顺磁材料(包含铁磁材料)粉出现在基体的另一表面。另外，优选的是，反磁材料粉也存在于散热层的一部分中。
根据本发明的制造方法，可以制造根据本发明的高导热绝缘体，其特征在于以下步骤：将成型材料加入模具中，该成型材料由具有电绝缘性的液状树脂、反磁材料粉和顺磁材料(包含铁磁材料)粉构成，并且具有流动性；向加入模具的成型材料施加磁场，以使簇沿磁力线的方向取向，各簇由反磁材料颗粒结合成链状；以及，用磁力吸引顺磁材料(包含铁磁材料)粉，使其符合于模具的成型面之一；以及，使成型材料在模具中固化，从而使反此材料粉和顺磁材料(包含铁磁材料)粉固定于基质树脂。
在根据本发明的高导热绝缘体中，因为在基体适合于接触对向部件的表面不存在顺磁材料(包含铁磁材料)粉，提供了对对向部件高电绝缘性。另外，从对向部件传导到前述表面的热量，经由簇(各簇由反磁材料颗粒结合成链状)快速传导到另一表面，并且从在另一表面的散热层有效散发。也就是，同时具有导热性、绝缘性和散热性。
根据本发明的高导热绝缘体，由于反磁材料粉和顺磁材料(包含铁磁材料)粉实现不同的功能，并且使其主要分布于不同位置，即使以较少的含量也能实现其功能。所以，可以抑制由于磁性材料粉的存在所导致的问题，从而，成型体易碎、成型步骤困难、或者成型成本高昂等问题都能得到克服。
另外，根据本发明的高导热绝缘体，由于散热层由顺磁材料(包含铁磁材料)粉构成，所以，散热层可以屏蔽电磁波。因此，具有散热性的本发明的高导热绝缘体，还可以用作针对电磁波的屏蔽件。
以及，根据本发明的高导热绝缘体的制造方法，可以在单一成型步骤中形成簇和散热层，各簇由多个反磁材料颗粒结合成链状，以及散热层通过使顺磁材料(包含铁磁材料)粉与基体一体方式结合形成。所以，提高了生产率，因而，能以较低的成本制造本发明的高导热绝缘体。
附图说明
图1是本发明一个实施例的散热板示例的剖视图；
图2是本发明一个实施例的散热板中散热层示例的放大剖视图；
图3是图示本发明一个实施例的制造方法示例的剖视图。
具体实施方式
根据本发明的高导热绝缘体包括基体、反磁性材料粉、以及顺磁性材料(包含铁磁材料)粉。各自具有电绝缘性的多种树脂，都可以用作基体，例如可使用：多种热塑性树脂，诸如聚烯烃、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚酰胺、丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物(ABS)、丙烯、聚酯等；以及多种热固性树脂，诸如环氧树脂、酚醛树脂、硅树脂等。基体的形状没有具体限制，只要基体的一个表面适合于接触对向部件如电气设备，并且基体的另一个表面位于上述一个表面的相反侧。
导热性比基体高的材料可以用作反磁性材料粉，以及，优选的材料为陶瓷，诸如氧化铝、氮化铝、氮化硼、氧化锆、氧化钛、氧化镁、氮化硅、碳化硅。特别地，氮化硼、氧化铝、氮化硅等中各材料具有的导热系数在20W/m·k以上，尤为理想。
这些反磁性材料粉具有各向异性的形状，诸如针状外形、鳞片状外形、纤维状外形等，并且尤为适宜的是具有的长径比大于等于5。使用具有各向异性形状的反磁性材料粉，容易在磁场中使其取向，使得簇(cluster)的连续性提高，从而以较少量的反磁性材料粉就能实现较高的导热性。
反磁性材料粉最合适的含量取决于其材质、外形、以及基体的材料等，但适宜的范围通常为体积百分比的10％至40％。小于此范围的含量，簇的形成比较困难，而高于此范围的含量，基体易碎，并且基体的成型可能比较困难。
顺磁性材料(包含铁磁材料)粉的实例包括不锈钢(SUS)粉末、铝粉、铁粉、铁氧体、镍等，特别地，铁粉、铁氧体、镍等作为铁磁材料粉是优选的。对于顺磁材料(包含铁磁材料)粉的外形没有具体限制。可以使用球状外形，但鳞片状外形特别适宜。因为，在鳞片状外形的情况下，容易在基体的另一表面中进行取向成为层状，因而，在这种情况下，用较少量的顺磁材料(包含铁磁材料)粉就能实现散热性。
顺磁材料(包含铁磁材料)粉的含量没有具体限制，只要所得到的散热层能以层状覆盖基体的另一表面，但最好使散热层的厚度较薄。所以，尽管这种含量取决于颗粒的外形，但一般而言，体积百分比5％至20％的范围是适宜的。含量少于此范围时，覆盖基体的另一表面比较困难，并且达不到足够的散热性。而含量高于此范围时，基体可能易碎，或者基体的成型可能比较困难。
理想的是至少一部分顺磁材料(包含铁磁材料)粉出现在另一表面上。即使在散热层的表面上形成薄树脂膜，也能获得一定程度的散热性，但在至少一部分顺磁材料(包含铁磁材料)粉出现在另一表面上时，优选地，使顺磁材料(包含铁磁材料)粉出现在另一表面的整个表面上，能进一步提高散热性。
在散热层中，顺磁材料(包含铁磁材料)粉与基体一体方式结合，并且，使顺磁材料(包含铁磁材料)颗粒与构成基体的树脂彼此结合。所以，不会出现顺磁材料(包含铁磁材料)颗粒脱离基体的问题，因此，可以长期维持稳定的散热性。
根据用于生产本发明的高导热绝缘体的制造方法，可以使用常规的成型方法，诸如注射成型、压制成型等。将各包含反磁材料粉和顺磁材料(包含铁磁材料)粉的成型用粒料加入模具中之后，可以进行加热熔融处理，或者向模具中加入具有流动性的成型材料，成型材料由具有电绝缘性的液状树脂、反磁材料粉、以及和顺磁材料(包含铁磁材料)粉构成。
液状树脂，可以通过将热塑性树脂加热成液态提供，或者可由硬化之前的液状热固性树脂构成。可以使用上面例示的材料作为液状树脂、反磁材料粉、以及顺磁材料(包含铁磁材料)粉。
根据树脂的种类、粘度、粉的长径比等，各原料组成比的最优值发生变化，因而，需要通过反复试验，在上述含量范围内确定组成比的最优值。
向模具中的成型材料施加磁场，同时保持其流动性，使得簇(各簇由多个反磁材料颗粒结合成链状)在磁力线的方向取向，并且使得顺磁材料(包含铁磁材料)粉符合适于成型基体另一表面的成型面。例如，可以布置N极和S极，使这两极在基体的一个表面和另一表面上以彼此相对，或者，优选的是，在适合于成型基体另一表面的成型面侧布置一片磁体。在这种情况下，可以使磁力线的方向成为从基体的一个表面朝向其另一表面，或者与上述方向相反的方向，因而，可以使反磁材料粉在沿磁力线的方向取向。另外，磁体在吸引方向吸引顺磁材料(包含铁磁材料)粉，可以使顺磁材料(包含铁磁材料)粉沿位于磁体侧的成型面一个表面取向。
施加磁场可以使用永磁体，或者也可以使用(超导)电磁体。然而，在使用永磁体的情况下，在成型之后从模具中取出时，模具的成型面吸引顺磁材料(包含铁磁材料)粉，以及，剥离成型体的表面，因而，可能损坏散热层。所以，理想的是使用电磁体，因为电磁体可以容易地在通断之间改变磁力，反之亦然。另外，磁体可以构成模具的一部分，以及，磁体也可以布置在模具外部。
磁场强度的最优值随成型材料的粘度、粉的长径比等变化，因而，需要通过反复试验，在上述含量范围中确定最优值。为了充分形成反磁材料粉的簇，通常理想的是确定磁通密度大于等于1特斯拉。
模具可以由磁力线能透过的材料构成，而铝、铝合金、或者铜都为理想材料。
当施加磁场时，使簇(各簇由多个反磁材料颗粒结合成链状)在磁力线的方向取向，而顺磁材料(包含铁磁材料)粉受到磁力吸引，并且符合适于成型基体另一表面的成型面一个表面取向。使成型材料在这样一种状态下固化，因而，使反磁材料粉和顺磁材料(包含铁磁材料)粉在这样一种状态下固定。结果，成型出本发明的高导热绝缘体，其中使簇(各簇由反磁材料颗粒结合成链状)从一个表面朝向另一表面取向，使顺磁材料(包含铁磁材料)颗粒与构成基体的树脂结合，以及，在基体的另一表面上提供散热层。
[实施例]
下面，基于一个实施例具体说明本发明。在本实施例中，本发明应用于在变换器中所使用的散热板。
图1图示本实施例散热板的剖视图。此散热板具有一个表面10和另一表面11，并且包括：基体1，由聚苯硫醚(PPS)树脂制成；簇2，从一个表面10朝向另一表面11取向；以及散热层3，形成在另一表面11侧。
这样形成簇2，使得鳞片状氮化硼颗粒结合成链状。以及，如图2所示，散热层3具有一种结构，其中使片状铁粉30以数层的方式进行堆积，并且使散热层3最下面的部分与基体1结合，而在散热层3最上面的部分中，使片状铁粉30与构成基体1的PPS树脂互相结合。在散热层3中，片状铁粉30通常在整个表面上出现。以及，如图1所示，簇2局部位于散热层3中，因而，产生更为适宜的散热性能。
下面，为了详细说明散热板的布置，说明散热板的制造方法。
选择鳞片状氮化硼粉作为反磁材料粉，而选择片状铁粉作为顺磁材料粉。氮化硼的平均颗粒直径为1.5μm，而长径比平均为10。以及铁粉的平均颗粒直径为45μm，而长径比平均为5。将氮化硼粉和铁粉与PPS树脂混合，来制备成型用粒料，使得氮化硼粉与PPS树脂的组成比为体积百分比20％，而铁粉与PPS树脂的组成比为体积百分比10％。
如图3所示，利用模具4，对成型用粒料进行压制成型。模具4由铝合金构成，并且包括上模40和下模41，这两模在模具内部限定板状型腔42。将模具4置于强磁场中，如图3所示。磁力线在型腔42的厚度方向透过型腔42。使用超导线圈5作为强磁场产生设备，产生磁场。
向型腔42中加入预定量成型用粒料，以及，在加热到350℃之后，对熔融状态的粒料进行压制成型。因此，使氮化硼粉平行于磁力线的方向进行取向，以形成簇2，以及，铁粉受到磁力的吸引，沿着限定型腔42的一个成型面取向。通过在这种状态下冷却模具，PPS固化，并且使氮化硼粉和铁粉固定在上述状态。
如上所述，采用根据本发明的制造方法，采用单一的成型处理，就能同时形成簇2和散热层3。
采用上述方法制造的本实施例散热板这样布置，使其一个表面10接触变换器的壳体表面。一个表面10上没有铁粉，因而在一个表面10与变换器的壳体之间能保证高电绝缘性。而变换器中产生的热量，则通过簇2从一个表面10传导到另一表面11，并且从散热层3有效散发，从而避免变换器过热。另外，散热层3实现对电磁波的屏蔽功能，避免电磁波从变换器向外泄漏，或者从变换器外部侵入变换器。

Claims (8)

1.一种高导热绝缘体，用于以其一个表面与对向部件接触，以从与所述一个表面相反的另一表面使所述对向部件散热，所述高导热绝缘体包括：
基体，由具有电绝缘性的树脂构成，并且具有一个表面以及与所述基体的所述一个表面相反的另一表面；以及
反磁材料粉和顺磁材料粉，包含在所述基体中，其中使所述反磁材料粉从所述基体一个表面朝向所述基体另一表面取向成簇，各所述簇由所述反磁材料粉的多个反磁材料颗粒结合成链状，以及，所述顺磁材料粉主要存在于所述基体的另一表面侧，从而形成散热层，
其中，在所述基体中包含所述反磁材料粉，含量为体积百分比10％至40％，
其中，在所述基体中包含所述顺磁材料粉，含量为体积百分比5％至20％，以及，
其中，所述顺磁材料粉选自不锈钢粉末、铝粉、铁粉、铁氧体、镍。
2.根据权利要求1所述的高导热绝缘体，其中至少一部分所述顺磁材料粉出现在所述基体另一表面。
3.根据权利要求1所述的高导热绝缘体，其中所述反磁材料粉是陶瓷。
4.根据权利要求1所述的高导热绝缘体，其中所述反磁材料粉也存在于所述散热层的一部分中。
5.根据权利要求1所述的高导热绝缘体，其中所述反磁材料粉具有的长径比大于等于5。
6.根据权利要求1所述的高导热绝缘体，其中所述反磁材料粉选自由氮化硼、氧化铝、以及氮化硅组成的组。
7.根据权利要求1所述的高导热绝缘体，其中所述顺磁材料粉选自由铁、铁氧体、以及镍组成的组。
8.一种用于制造高导热绝缘体的方法，所述高导热绝缘体用于以其一个表面与对向部件接触，以从与所述一个表面相反的另一表面使所述对向部件散热，所述高导热绝缘体包括：
基体，由具有电绝缘性的树脂构成，并且具有一个表面以及与所述基体的所述一个表面相反的另一表面；以及
反磁材料粉和顺磁材料粉，包含在所述基体中，其中，使所述反磁材料粉从所述基体一个表面朝向所述基体另一表面取向成簇，各所述簇由所述反磁材料粉的多个反磁材料颗粒结合成链状，以及，所述顺磁材料粉主要存在于所述基体的另一表面侧，从而形成散热层，
其中，所述方法包括以下步骤：
将成型材料加入模具中，所述成型材料由电绝缘液状树脂、反磁材料粉和顺磁材料粉组成，并且具有流动性；
向所述成型材料施加磁场，以使簇沿磁力线方向取向，其中各簇由所述反磁材料粉的反磁材料颗粒结合成链状，以及，用所述磁力吸引所述顺磁材料粉，使所述顺磁材料粉符合于所述模具的成型面之一；以及
使所述成型材料在所述模具中固化，以将所述反磁材料粉和所述顺磁材料粉固定于基质树脂。
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