CN101528902A - 油脂 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了显示低热阻并且改善了由热循环导致的劣化的油脂，尤其是适合于发热性电子部件的导热性材料的油脂。所述油脂含有选自由导热性材料(A)、导热性材料(B)和导热性材料(C)组成的组中的一种或两种以上的导热性材料粉末，该导热性材料粉末的通过激光衍射式粒度分布法测定的粒度分布中，在2.0～10μm、1.0～1.9μm和0.1～0.9μm的范围具有频率极大值，而且所述油脂含有表面张力在25℃下为25～40dyn/cm的基础油。

Description

油脂
技术领域
本发明涉及导热性油脂(grease)。
背景技术
随着计算机的CPU(中央处理装置)等发热性电子部件的小型化、高功率化，由这些电子部件产生的每单位面积的热量变得非常大。这些热量达到了烙铁的约20倍的热量。为了使该发热性电子部件长期不发生故障，需要冷却发热的电子部件。为了冷却，使用金属制的散热器、外壳，此外，为了使热从发热性电子部件有效传导到散热器、外壳等冷却部，使用导热性材料。使用该导热性材料的理由是，在使发热性电子部件与散热器等直接接触时，从微观上来看，在其界面存在空气，成为热传导的障碍。因此，通过将导热性材料填充在发热性电子部件与散热器之间以置换界面之间的空气，可以有效地传导热。
作为导热性材料，有：由在硅橡胶中填充导热性粉末而得到的固化物形成的导热性片；由在硅胶那样柔软的硅酮中填充导热性粉末而得到的具有柔软性的固化物形成的导热性衬垫；在液态硅酮中填充导热性粉末而得到的具有流动性的导热性油脂；在发热电子部件的工作温度下软化或流动化的相变型导热性材料等。在这些当中，导热性油脂尤其容易传导热。
导热性油脂是在由硅油等液态硅酮构成的基础油中加入导热性粉末而成的物质。为了满足高导热化的要求，提出了使用氮化铝粉末作为导热性粉末(专利文献1)。然而，氮化铝粉末是六方晶的结晶结构，由于它的形状不是球状，所以在通过提高导热性粉末的填充量来提高导热性方面会受到一定的限制。
在作为基础油的二甲基硅油中填充氧化铝粉末和氮化铝粉末(专利文献2和3)、或者氧化铝粉末和金属铝粉末(专利文献4)时，虽然具有高导热性，但在低温和高温下的热循环长期反复的地方使用时，作为基础油的硅油成分会分离而产生“油分离”现象，从而导致热阻上升。
另一方面，为了解决作为基础油的硅油成分分离的问题，提出了使用特殊硅酮的方案(专利文献5)，但关于提高导热性，在该专利文献5中没有记载。
专利文献1：日本特开2000-169873号公报
专利文献2：日本特开2002-194379号公报
专利文献3：日本特开2005-54099号公报
专利文献4：日本特开2005-170971号公报
专利文献5：日本特开2004-917743号公报
发明内容
发明要解决的问题
本发明的目的是提供显示低热阻并且改善了由热循环导致的劣化的油脂，尤其是提供适于发热性电子部件的导热性材料的油脂。
用于解决问题的方案
为了解决上述问题，本发明采用了以下方案。
(1)一种油脂，其特征在于，所述油脂含有选自由导热性材料(A)、导热性材料(B)和导热性材料(C)组成的组中的一种或两种以上的导热性材料粉末，该导热性材料粉末的通过激光衍射式粒度分布法测定的粒度分布中，在2.0～10μm、1.0～1.9μm和0.1～0.9μm的范围具有频率极大值，而且所述油脂含有表面张力在25℃下为25～40dyn/cm的基础油。
(2)一种油脂，其特征在于，含有平均粒径为2.0～10μm的导热性材料(A)、平均粒径为1.0～1.9μm的导热性材料(B)、平均粒径为0.1～0.9μm的导热性材料(C)以及表面张力在25℃下为25～40dyn/cm的基础油。
(3)根据前述项(1)或(2)所述的油脂，其中导热性材料(A)、(B)和(C)分别是选自由金属铝、氮化铝和氧化锌组成的组中的一种或两种以上。
(4)根据前述项(1)或前述项(2)所述的油脂，其中导热性材料(A)是金属铝，导热性材料(B)是氮化铝，并且导热性材料(C)是氧化锌。
(5)根据前述项(1)～前述项(4)的任一项所述的油脂，其中基础油的粘度为300～1000mPa·s。
(6)根据前述项(1)～前述项(5)的任一项所述的油脂，其中基础油是被烷基改性了的硅油。
(7)根据前述项(1)～前述项(6)的任一项所述的油脂，其中导热性材料(A)、(B)和(C)的含量为60～80体积％。
(8)根据前述项(1)～前述项(7)的任一项所述的油脂，其中在全部导热性材料中，导热性材料(A)为50～70体积％，导热性材料(B)为30～20体积％，并且导热性材料(C)为20～10体积％。
(9)根据前述项(1)～前述项(8)的任一项所述的油脂，其中进一步含有硅烷偶联剂。
(10)根据前述项(1)～前述项(9)的任一项所述的油脂，其中热阻为0.2℃/W以下。
发明效果
本发明提供对于由电子部件产生的热等具有适宜的导热性的油脂。所述油脂显示了低热阻，并且改善了由热循环导致的劣化。
具体实施方式
本发明的油脂所含有的导热性材料(A)、(B)和(C)分别是选自由金属铝、氮化铝和氧化锌组成的组中的一种或两种以上。导热性材料(A)、(B)或(C)例如还可以含有金属锡、金属银、金属铜、碳化硅、氧化铝、氮化硅、氮化硼粉末等导热性粉末，这些物质相对于金属铝、氮化铝和氧化锌的总量的替代用量优选在5体积％以下、尤其优选在3体积％以下。
在通过激光衍射粒度分布法测定的粒度分布中，本发明的油脂所含有的导热性材料的粉末在2.0～10μm、1.0～1.9μm和0.1～0.9μm的范围具有频率极大值，由此可以提高导热性材料之间的接触点数目。结果，可以提高作为油脂的导热性。作为获得具有这种频率极大值的导热性材料粉末的粒度分布的手段之一，有将具有不同粒度分布的导热性材料混合的方法。
通过将平均粒径不同的导热性材料(A)、(B)和(C)三种导热性材料混合，可以提高导热性材料的填充性。也就是说，通过将平均粒径2.0～10μm的导热性材料(A)、平均粒径1.0～1.9μm的导热性材料(B)和平均粒径0.1～0.9μm的导热性材料(C)混合，可以提高导热性材料的填充性。结果，可以提高油脂的导热性。此外，通过含有由平均粒径优选为0.1～10μm、更优选0.3～6μm的小粒径材料形成的导热性材料，填充了该导热性材料的油脂可以薄膜化，热阻变小(热传导容易)。由此，可以制造热传导非常容易的油脂。
本发明中所使用的平均粒径为2.0～10μm的导热性材料(A)的平均粒径有必要为2.0～10μm，更优选平均粒径为3～6μm的范围。在平均粒径大于10μm时，具有油脂难以薄膜化以及油脂的热阻升高的倾向。相反，在平均粒径小于2.0μm时，由于粒径与平均粒径1.0～1.9μm的导热性材料的粒子接近，有导热性材料的填充性变差以及油脂的热阻上升的倾向。作为导热性材料(A)，金属铝是优选的。
在本发明中使用的平均粒径为1.0～1.9μm的导热性材料(B)的平均粒径有必要为1.0～1.9μm，更优选平均粒径为1.3～1.7μm的范围。在平均粒径大于1.9μm时，由于粒径与平均粒径2.0～10μm的导热性材料的粒子接近，有填充性变差以及热阻升高的倾向。相反，在平均粒径小于1μm时，由于粒径与平均粒径0.1～0.9μm的导热性材料的粒子接近，具有导热性材料的填充性变差以及热阻升高的倾向。作为导热性材料(B)，氮化铝是优选的。
本发明中使用的平均粒径为0.1～0.9μm的导热性材料(C)的平均粒径有必要为0.1～0.9μm，平均粒径更优选为0.3～0.7μm的范围。在平均粒径大于0.9μm时，粒径与平均粒径1.0～1.9μm的导热性材料的粒子接近，具有填充性变差和热阻升高的倾向。在平均粒径小于0.1μm时，具有全体导热性材料的填充性变差和热阻升高的倾向。作为导热性材料(C)，氧化锌是优选的。
油脂中的导热性材料(A)、(B)和(C)的含量优选为60～80体积％，更优选为65～75体积％。在导热性材料的含量超过80体积％时，具有油脂变硬以及热阻变大的倾向。另外，在导热性材料的含量小于60体积％时，由于导热性材料的填充量少，具有热传导困难和热阻增大的倾向。
关于平均粒径不同的三种导热性材料的配合比例，导热性材料(A)优选为50～70体积％，尤其优选为55～65体积％，导热性材料(B)优选为30～20体积％，尤其优选为27～25体积％，另外，导热性材料(C)优选为20～10体积％，尤其优选为17～13体积％。在导热性材料(A)的含有比例小于50体积％时，具有油脂变硬和热阻增大的倾向。另外，在多于70体积％时，具有导热性材料的填充性变差和热阻增大的倾向。
本发明中的平均粒径使用岛津制作所制造的“激光衍射式粒度分布测定装置SALD-200”进行测定。作为评价样品，将50cc纯水和5g所要测定的导热性粉末添加到玻璃烧杯内，使用刮勺搅拌，此后用超声波清洗机分散处理10分钟。使用吸液管将分散处理后的导热性材料粉末的溶液一滴一滴添加到装置的进样器(sampler)部，等待吸光度稳定到可以测定。这样，在吸光度稳定了的时刻进行测定。在激光衍射式粒度分布测定装置中，根据传感器检测到的粒子的衍射/散射光的光强度分布数据来计算粒度分布。平均粒径通过将所测定的粒径值乘以相对粒子量(差分％)，再除以相对粒子量的总和(100％)来计算。另外，平均粒径是粒子的平均直径。
在本发明中使用的基础油优选表面张力在25℃为25～40dyn/cm，尤其优选为30～35dyn/cm。在表面张力小于25dyn/cm时，在油脂反复经历热循环时具有容易发生基础油分离的倾向，从而导致油脂变硬和导热性变差的倾向。另外，在表面张力大于40dyn/cm时，具有在制成油脂时的润湿性变差的倾向，并由于油脂难以扩展，具有导热性变差的倾向。
表面张力是具有使表面尽可能减小的倾向的液体的性质，是界面张力的一种。在与液体或气体接触时，液体具有尽可能缩小表面积的性质。液体内的分子被来自周围的引力吸引，与此相对，存在于表面上的分子中不与液体接触的部分不受液体分子的引力的影响。该部分越多，存在于表面上的分子的剩余能量就越大，这形成表面张力的强度。通过该表面张力增强并显示大的值，难以发生基础油从油脂中分离。
在本发明中，作为表面张力的测定方法，Wilhelmy法是优选的。Wilhelmy法为：相对于液面垂直浸入板(主要是铂板)，液体浸润到板上，此时表面张力发挥作用，想要减少所增加的液面面积。该力除以板的周围长(宽度与厚度的总和的2倍)，计算出单位长度的力(dyne/cm)。由此求得表面张力。作为表面张力的测定装置，可以使用协和界面化学制造的“自动表面张力计”等。
基础油的表面张力可以通过将表面张力大的添加剂加入到表面张力小的基础油中来调节。例如，通过在表面张力小的二甲基硅油等中添加具有烷基的硅烷偶联剂，可以调节表面张力。
基础油的粘度优选为300～1000mPa·s，尤其优选为500～700mPa·s。基础油的粘度低于300mPa·s时，在进行热循环后，具有油脂的基础油与导热性材料容易产生分离以及热阻增高的倾向。基础油的粘度超过1000mPa·s时，具有难以高密度地填充导热性材料以及油脂的导热性变差的倾向。
基础油的粘度使用Brookfield制造的“数字粘度计DV-I”测定。使用RV芯轴组(Spindle Set)和转子No.1，并且使用能够放入该转子并加入基础油至基准线的容器。将转子浸入到基础油中，评价在10rpm的转速下的粘度值。
在本发明中，作为基础油，优选使用以碳数3以上的烷基、尤其优选以碳数8～12的烷基对表面张力优选为25～40dyn/cm且粘度为300～1000mPa·s的二甲基硅油的甲基进行了改性且表面张力优选为27～37dyn/cm和粘度为400～800mPa·s的硅油。被烷基改性的硅油的表面张力增大，在用作油脂时，可以抑制由于热循环导致的热阻的劣化。
在本发明的油脂中含有硅烷偶联剂，作为表面改性剂可以实现填料的疏水化和分散性提高、以及有机树脂的改性等。适合的硅烷偶联剂的实例是具有碳数8～10的烷基的烷基硅烷。优选的硅烷偶联剂的实例是正辛基三甲氧基硅烷、正辛基三乙氧基硅烷、正癸基三甲氧基硅烷等。
另外，除了上述各成分以外，根据需要，本发明的油脂可以进一步配合抗氧化剂、金属防腐蚀剂等。
本发明的油脂可以通过用万能混合搅拌机、捏合机、杂混机(hybrid-mixer)等将上述材料混炼来制备。
油脂的热阻的测定方法是，在嵌入加热器的长方体的铜制夹具的前端1cm2(1cm×1cm)与装有散热片的长方体的铜制夹具的前端1cm2(1cm×1cm)之间夹入油脂，施加每1平方厘米4kg的荷重，让试样与铜制夹具密接。试样的量应达到填满整个密接面的状态。对加热器施加20W电力，保持30分钟，测定铜制夹具之间的温度差(℃)，通过公式热阻(℃/W)＝{温度差(℃)/电力(W)}算出。
考虑到油脂的导热性，本发明的油脂的热阻优选为0.2℃/W以下，尤其优选为0.1℃/W以下。
关于本发明的油脂的分离状态，在厚度1mm、面积10000mm2(100mm×100mm)的透明玻璃板之间涂布厚度100μm的900mm2(30mm×30mm)的油脂，在该状态下，进行条件为-40℃、30分钟和130℃、30分钟的热循环试验来进行评价。循环数为100个循环。测定从导热性油脂中分离的基础油的重量，评价分离情况。
实施例
(实施例1～24、比较例1～8)
将表1中所示的导热性材料(A)、(B)、(C)、表2中所示的基础油(D)、表3中所示的硅烷偶联剂(E)按表4～6的比例配合，使用THINKY CORP ORATION制造的“あわとり
Figure A20078003854700121
太郎AR-250”混合5分钟，制造油脂。所得油脂的热阻和分离状态的评价结果在表4中示出。另外，在评价结果中，热阻超过0.2℃/W的导热性油脂具有难以从发热部有效传热至冷却部的热特性，因此作为比较例。
表1
  编号   种类   形状  平均粒径(μm)
  A-1   金属铝粉末   不定形   2.0
  A-2   金属铝粉末   不定形   5.5
  A-3   金属铝粉末   不定形   10
  A-4   金属铝粉末   不定形   0.05
  A-5   金属铝粉末   球状   30
  A-6   金属铝粉末   不定形   3.0
  A-7   金属铝粉末   不定形   6.0
  B-1   氮化铝粉末   不定形   1.0
  B-2   氮化铝粉末   不定形   1.6
  B-3   氮化铝粉末   不定形   1.9
  B-4   氮化铝粉末   不定形   0.05
  B-5   氮化铝粉末   不定形   30
  B-6   氮化铝粉末   不定形   1.3
  B-7   氮化铝粉末   不定形   1.7
  C-1   氧化锌粉末   不定形   0.1
  C-2   氧化锌粉末   不定形   0.6
  C-3   氧化锌粉末   不定形   0.9
  C-4   氧化锌粉末   不定形   0.05
  C-5   氧化锌粉末   不定形   30
  C-6   氧化锌粉末   不定形   0.3
  C-7   氧化锌粉末   不定形   0.7
表2
  编号   种类   表面张力(dyn/cm)   粘度(mPa·s)
  D-1   烷基改性硅油   25   500
  D-2   烷基改性硅油   30   550
  D-3   烷基改性硅油   35   600
  D-4   烷基改性硅油   40   1000
  D-5   烷基改性硅油   45   2000
  D-6   二甲基硅油   20   100
  D-7   烷基改性硅油   30   300
  D-8   烷基改性硅油   30   700
  D-9   烷基改性硅油   30   1000
  D-10   烷基改性硅油   30   200
  D-11   烷基改性硅油   30   1200
表3
  编号   种类
  E-1   正癸基三甲氧基硅烷
表4
Figure A20078003854700141
表5
Figure A20078003854700151
表6
Figure A20078003854700161
本发明的油脂的热阻低，热循环导致的劣化小，能够以良好的效率从发热性电子部件传热到散热器、外壳等冷却部。
产业上的可利用性
根据本发明的导热性油脂适用于各种领域，尤其，通过存在于发热性电子部件和散热器等之间，可以有效地传递热，因此可以用于发热的电子部件的冷却等。
另外，2006年10月17日申请的日本专利申请2006-282457号说明书、权利要求和摘要的全部内容在这里引用，作为本发明说明书的公开内容纳入。

Claims (10)

1.一种油脂，其特征在于，所述油脂含有选自由导热性材料(A)、导热性材料(B)和导热性材料(C)组成的组中的一种或两种以上的导热性材料粉末，该导热性材料粉末的通过激光衍射式粒度分布法测定的粒度分布中，在2.0～10μm、1.0～1.9μm和0.1～0.9μm的范围具有频率极大值，而且所述油脂含有表面张力在25℃下为25～40dyn/cm的基础油。
2.一种油脂，其特征在于，含有平均粒径为2.0～10μm的导热性材料(A)、平均粒径为1.0～1.9μm的导热性材料(B)、平均粒径为0.1～0.9μm的导热性材料(C)以及表面张力在25℃下为25～40dyn/cm的基础油。
3.根据权利要求1或2所述的油脂，其中导热性材料(A)、(B)和(C)分别是选自由金属铝、氮化铝和氧化锌组成的组中的一种或两种以上。
4.根据权利要求1或2所述的油脂，其中导热性材料(A)是金属铝，导热性材料(B)是氮化铝，且导热性材料(C)是氧化锌。
5.根据权利要求1～4的任一项所述的油脂，其中基础油的粘度为300～1000mPa·s。
6.根据权利要求1～5的任一项所述的油脂，其中基础油是被烷基改性了的硅油。
7.根据权利要求1～6的任一项所述的油脂，其中导热性材料(A)、(B)和(C)的含量为60～80体积％。
8.根据权利要求1～7的任一项所述的油脂，其中在全部导热性材料中，导热性材料(A)为50～70体积％，导热性材料(B)为30～20体积％，且导热性材料(C)为20～10体积％。
9.根据权利要求1～8的任一项所述的油脂，其中进一步含有硅烷偶联剂。
10.根据权利要求1～9的任一项所述的油脂，其中热阻为0.2℃/W以下。
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