CN101982502A - 一种弹性体热界面材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种弹性体热界面材料及其制备方法。该材料包括一基体以及分散在该基体中的填充剂粉体，大量的填充剂粒子在基体中形成导热通路，但纳米厚度的有机薄膜将刚性粒子隔离开，避免大量的刚性粒子直接接触形成填料增强网络。该弹性体热界面材料制备方法包括下列步骤：使用液体硅橡胶类高分子材料包覆在填充剂粉体表面；将上述粉体进行等离子体处理；将上述处理过的粉体与基体共混并进行硫化，形成弹性体热界面材料。用上述方法制备的弹性体热界面材料由于填充剂粉体表面有一层纳米尺度的薄膜，因此模量和现有技术制备的弹性体热界面材料相比有大幅度的降低，而热传导性能未受到影响。本发明的材料具有模量低、热传导性能优的优点。

Description

一种弹性体热界面材料及其制备方法

【技术领域】

本发明是关于一种弹性体热界面材料及其制备方法，特别是关于弹性体热界面材料中导热填料的处理技术，以及关于一种低模量、热传导性能优的弹性体热界面材料及其制备方法。

【背景技术】

随着微电子技术水平的突飞猛进，各类轻、薄、小、高功能化电子整机产品的元件集成程度和组装密度不断提高，在提供强大使用功能的同时，也导致了其工作功耗和发热量的急剧增大。高温将会对电子元器件的性能稳定性、可靠性和寿命产生有害的影响。众所周知，接合处的操作温度对电路(晶体管)耐用性有极大影响，温度小幅降低(10℃-15℃)便能够使设备寿命增加两倍。更低的操作温度同样能缩短讯号延迟，从而有助于提高处理速度。因此，确保发热电子元器件所产生的热量的及时排出，已经成为微电子产品系统组装的一个重要方面。但由于散热器与半导体集成器件的接触界面并不平整，而没有理想的接触界面，会从根本上极大的影响半导体器件向散热器进行热传递的效果。此外，微电子元件较为精密，强度较低，因此在散热器与半导体器件的接触界面间增加一种导热系数较高、模量较低的弹性体热界面材料来增加界面的接触程度从而更好的辅助散热器进行散热就显得十分必要。

请参阅图1，一种现有技术的弹性体热界面材料10是在高分子材料基体11中直接添加一些具有优异热传导性质的填充剂粉体12，如石墨、氮化硼、氧化硅、氧化铝、氮化铝、碳化硅、氧化锌等。依照目前的技术，如果想要获得较为理想的热传导性能，需要向高分子材料基体11中大量填充导热填料12，使得导热填料12在高分子材料基体11中形成连续的导热通路，从而获得具有较高导热系数的弹性体热界面材料10。但是根据填料的纳米增强理论，导热填料的大量填充，会形成很强的填料增强网络结构，大幅度的增加弹性体热界面材料10的模量(请参阅图2)，最终影响其在微电子元件封装领域中的应用。

有鉴于此，提供一种热传导性能优异同时模量较低的弹性体热界面材料及其制备方法实为必要。

【发明内容】

本发明的目的是提供一种弹性体热界面材料，以及一种弹性体热界面材料制备方法，特别是其中填充的导热填料的有机化包覆、等离子体处理方法。

一种弹性体热界面材料，包括一基体橡胶以及分散在该基体橡胶中的多个填充剂粉体，其特征在于，液体硅橡胶类高分子材料包覆在填充剂粉体表面形成纳米厚度的有机薄膜，填充剂粉体粒子在基体中形成导热通路，但纳米厚度的有机薄膜将填充剂粉体刚性粒子隔离开。

所述基体橡胶为甲基乙烯基硅橡胶，端乙烯甲基硅橡胶，端乙烯基甲基苯基硅橡胶，二甲基硅橡胶，甲基苯基硅橡胶，氟硅橡胶，乙基硅橡胶，乙基苯撑硅橡胶的一种或多种。

所述填充剂粉体材料为氧化铝、氮化硼、氮化铝、碳化硅、氧化锌、碳化铝、氧化硅或氧化钛中的一种或多种。

所述液体硅橡胶类高分子材料为，端乙烯基甲基硅橡胶，端乙烯基甲基苯基硅橡胶，端羟基硅橡胶，端甲酰基硅橡胶，甲基苯基硅橡胶或乙基苯撑硅橡胶的一种或多种。

所述的一种弹性体热界面材料的制备方法，包括以下步骤：

使用液体硅橡胶类高分子材料包覆在填充剂粉体表面；液体硅橡胶类高分子材料用量1-10/100g粉体；将液体硅橡胶类高分子材料溶解在有机溶剂中制成溶液，然后将填充剂粉体加入到制备好的硅胶类高分子材料溶液搅拌制成溶液，搅拌均匀后，放入真空烘箱中升温脱除溶剂；

其中，所述有机溶剂为正己烷，正庚烷，正辛烷，甲醇，乙醇，甲苯，四氢呋喃中的一种；放入真空烘箱中后，分两步对溶液进行烘干，先在50℃至80℃温度下烘干，之后在80℃至160℃温度下继续烘干脱除溶剂；

将上述粉体进行等离子体处理；等离子体处理时间为0.5-3小时；等离子体处理功率为40-120W；等离子体发生气体为氧气或氩气，

将上述处理过的粉体与基体橡胶按照以下比例共混并进行硫化，形成弹性体热界面材料；共混时，基体橡胶和增塑剂硅油质量份之和为100，其中基体橡胶50-100份，硅油50-0份；加入粉体质量为每100质量份基体橡胶和硅油混合物中加入200质量份至400质量份的粉体。

与现有技术相比，本实施例的弹性体热界面材料先将填充剂粉体进行有机化包覆、等离子体处理，该处理技术处理后的填充剂粉体即使在高分子材料基体中大量填充，也不会形成较强的填料网络，而大量填充的导热填料能够在高分子材料基体中形成粒子表面用纳米尺度有机薄膜隔离开的导热网路。该技术可以避免现有技术向基体中填充的大量的填充剂粉体在高分子材料基体中形成强烈的填料网络，从而提高弹性体热界面材料模量的问题，并且并不会对弹性体热界面材料的热传导性能有所影响。本实施例的弹性体热界面材料具有热传导性能优，模量低的优点。

【附图说明】

图1是一种现有技术弹性体热界面材料示意图。

图2是填料填充量对于复合材料模量的影响示意图。

图3是本发明弹性体热界面材料示意图。

图4是本发明弹性体热界面材料制备方法的流程图。

图5是本发明弹性体热界面材料中填充粉体的液体硅橡胶类高分子材料包覆过程。

图6是本发明导热填料粉体经过液体硅橡胶类高分子材料包覆后并经过等离子体处理后的粉体。

【具体实施方式】

下面将结合附图对本发明的弹性体热界面材料及其制备方法作进一步详细说明。

请参阅图3，是本发明提供的弹性体热界面材料20的示意图。该弹性体热界面材料20包括一基体21以及分散在该基体中的多个填充剂粉体22，该填充剂粉体使用液体硅橡胶类高分子材料23包覆，并经过等离子体处理，在基体21中形成纳米有机硅膜包覆的导热网络24。该基体21材料为甲基乙烯基硅橡胶，端乙烯甲基硅橡胶，端乙烯基甲基苯基硅橡胶，二甲基硅橡胶，甲基苯基硅橡胶，氟硅橡胶，乙基硅橡胶，乙基苯撑硅橡胶等高分子材料中的一种或多种，该填充剂粉体22材料为氧化铝、氮化硼、氮化铝、碳化硅、氧化锌、碳化铝、氧化硅或氧化钛等无机粉体中的一种或多种，液体硅橡胶类有机单体23为端乙烯基甲基硅橡胶，端乙烯基甲基苯基硅橡胶，端羟基硅橡胶，端甲酰基硅橡胶，甲基苯基硅橡胶或乙基苯撑硅橡胶等高分子材料中的一种或多种。

请参阅图4，是本发明的弹性体热界面材料制备方法的流程图。该弹性体热界面材料制备方法包括以下步骤。

步骤101，提供单个或者多个填充剂粉体32，提供单个液体硅橡胶类高分子材料33。将液体硅橡胶类高分子材料33溶解在一定量的溶剂34中制成该材料的溶液35，然后将一定量的粉体32加入到制备好的液体硅橡胶类高分子材料溶液35中进行充分搅拌制成溶液36，搅拌时间一般为30分钟，使粉体32在溶液35中充分散开。待搅拌均匀后，将加有粉体的溶液36放入真空烘箱中升温脱除溶剂。烘箱的温度可先设定在一个较低的数值，一般为50℃-80℃，待溶剂大量脱除后再升高温度，将溶剂完全脱除。此时，烘箱的温度可设定为一个较高的数值，一般为80℃-160℃，烘制时间通常不少于4小时。烘制结束后，即可得到液体硅橡胶类高分子材料33包覆好的粉体37。该制备过程请参阅图5。

步骤102，将上述液体硅橡胶类高分子材料33包覆好的粉体37进行等离子体处理，制得粉体38。等离子体处理过程具体参数需要根据处理设备种类及粉体处理量的不同进行调整，通常为：等离子体发生气体为氧气、氩气等气体中的一种或多种，处理时间为0.5小时-3小时，处理功率为40W-120W。该步骤的目的主要是为了使得步骤101中处理好的粉体37表面包覆的液体硅橡胶类高分子材料33形成一层厚度为几个纳米的与导热填料粉体表面牢固结合薄膜，请参阅图6。该有纳米有机薄层对热流在导热填料粒子间传递影响很小，从而确保导热网络贯通，获得高导热性能；但可以避免导热填料粒子直接接触，形成填料增强网络，显著降低弹性体热界面材料的模量。步骤103，提供一基体39，将液体硅橡胶类高分子材料33包覆好的并且经过等离子体处理后的粉体38与基体39及其他硫化剂40及添加剂41进行共混得出共混材料42。将共混后的材料42进行硫化，制备出弹性体热界面材料43。该步骤的详细说明请参阅具体实施例。

与现有技术相比，本发明的弹性体热界面材料中其填充的粉体38是经过有机包覆及等离子体处理过程的，因此在使用该粉体填充制备弹性体热界面材料时，在不影响弹性体热界面材料热传导性能的同时，填充剂粉体表面包覆的有机薄膜能够将大量的填充剂粒子隔离开，从而避免填充剂粒子直接接触，形成填料增强网络。综上，该技术能够大幅度的降低弹性体热界面材料的模量。在制备粉体38的过程中，步骤102即等离子体处理粉体过程是非常关键的一步，该步骤能够使得液体硅橡胶类高分子材料在粉体表面形成一层厚度在几个纳米的薄膜，这一薄膜是降低弹性体热界面材料模量同时保证高导热性能的关键所在，这一特点也是现有技术所不具备的。

另外，本领域技术人员还可以在本发明精神内做其它变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。

实施例1：

填充剂粉体32选择α-Al₂O₃，液体硅橡胶类高分子材料33选择二甲基硅橡胶，有机溶剂34选择正己烷，基体39选择甲基乙烯基硅橡胶，硫化剂40选择2，5-二甲基-2，5-双(叔丁基过氧基)己烷过氧化物交联剂(简称双2，5)，添加剂41选择甲基硅油、三烯丙基异氰尿酸酯(TAIC)，等离子体发生气体选择氩气，等离子体处理时间选择2小时，等离子体处理功率选择90W。采用邵氏00型硬度计(美国Shore Instrument公司生产)以及邵氏A型硬度计(营口市新兴试验机械厂生产)测试导热弹性体复合材料的硬度。其中邵氏00型硬度采用ASTM D-2240标准进行测试，邵氏A型硬度采用GB/T531-1999标准。采用HC-110型导热仪(美国Laser Comp公司生产)测试导热弹性体复合材料热传导系数(用来表征弹性体热界面材料热传导性)。导热仪冷、热板温度分别设定为30℃和50℃，接触压力为414kPa。导热弹性体复合材料的电阻率，采用ASTM D-257标准进行测试。

表1.实施例1配方

原材料	用量(质量份)
		甲基乙烯基硅橡胶	60
甲基硅油	40
		处理后的氧化铝	300
双2，5	0.1
		TAIC	0.4

按照上表配方，将硅橡胶在开炼机上进行简单塑炼，加入配合剂，混炼5min，制得混炼胶。然后将其余混炼胶装入模具，在170℃，20MPa条件下在平板硫化机上硫化15min，制得样品。

实施例2：

填充剂粉体32选择α-Al₂O₃，液体硅橡胶类高分子材料33选择二甲基硅橡胶，有机溶剂34选择正庚烷，基体39选择端乙烯基甲基苯基硅橡胶，硫化剂40选择2，5-二甲基-2，5-双(叔丁基过氧基)己烷过氧化物交联剂(简称双2，5)，添加剂41选择甲基硅油、三烯丙基异氰尿酸酯(TAIC)，等离子体发生气体选择氧气，等离子体处理时间选择1.5小时，等离子体处理功率选择110W。采用邵氏00型硬度计(美国ShoreInstrument公司生产)以及邵氏A型硬度计(营口市新兴试验机械厂生产)测试导热弹性体复合材料的硬度。其中邵氏00型硬度采用ASTM D-2240标准进行测试，邵氏A型硬度采用GB/T 531-1999标准。采用HC-110型导热仪(美国Laser Comp公司生产)测试导热弹性体复合材料热传导系数(用来表征弹性体热界面材料热传导性)。导热仪冷、热板温度分别设定为30℃和50℃，接触压力为414kPa。导热弹性体复合材料的电阻率，采用ASTM D-257标准进行测试。

表2.实施例2配方

原材料	质量份
		端乙烯基甲基苯基硅橡胶	65
甲基硅油	35
		处理后的氧化铝	250
双2，5	0.2
		TAIC	0.5

按照上表配方，将硅橡胶在开炼机上进行简单塑炼，加入配合剂，混炼5min，制得混炼胶。然后将其余混炼胶装入模具，在160℃，20MPa条件下在平板硫化机上硫化12min，制得样品。

实施例3：

填充剂粉体32选择碳化硅，液体硅橡胶类高分子材料33选择端羟基硅橡胶，有机溶剂34选择乙醇，基体39选择乙基苯撑硅橡胶，硫化剂40选择2，5-二甲基-2，5-双(叔丁基过氧基)己烷过氧化物交联剂(简称双2，5)，添加剂41选择甲基硅油、三烯丙基异氰尿酸酯(TAIC)，等离子体发生气体选择氧气，等离子体处理时间选择3小时，等离子体处理功率选择120W。采用邵氏00型硬度计(美国ShoreInstrument公司生产)以及邵氏A型硬度计(营口市新兴试验机械厂生产)测试导热弹性体复合材料的硬度。其中邵氏00型硬度采用ASTM D-2240标准进行测试，邵氏A型硬度采用GB/T 531-1999标准。采用HC-110型导热仪(美国Laser Comp公司生产)测试导热弹性体复合材料热传导系数(用来表征弹性体热界面材料热传导性)。导热仪冷、热板温度分别设定为30℃和50℃，接触压力为414kPa。导热弹性体复合材料的电阻率，采用ASTM D-257标准进行测试。

表3.实施例3配方

原材料	质量份
		乙基苯撑硅橡胶	70
甲基硅油	30
		处理后的氧化铝	350
双2，5	0.2
		TAIC	0.4

按照上表配方，将硅橡胶在开炼机上进行简单塑炼，加入配合剂，混炼5min，制得混炼胶。然后将其余混炼胶装入模具，在150℃，20MPa条件下在平板硫化机上硫化18min，制得样品。

实施例4：

填充剂粉体32选择氮化铝，液体硅橡胶类高分子材料33选择乙基苯撑硅橡胶，有机溶剂34选择乙醇，基体39选择端乙烯基甲基硅橡胶，硫化剂40选择2，5-二甲基-2，5-双(叔丁基过氧基)己烷过氧化物交联剂(简称双2，5)，添加剂41选择甲基硅油、三烯丙基异氰尿酸酯(TAIC)，等离子体发生气体选择氧气，等离子体处理时间选择1.5小时，等离子体处理功率选择70W。采用邵氏00型硬度计(美国ShoreInstrument公司生产)以及邵氏A型硬度计(营口市新兴试验机械厂生产)测试导热弹性体复合材料的硬度。其中邵氏00型硬度采用ASTM D-2240标准进行测试，邵氏A型硬度采用GB/T531-1999标准。采用HC-110型导热仪(美国Laser Comp公司生产)测试导热弹性体复合材料热传导系数(用来表征弹性体热界面材料热传导性)。导热仪冷、热板温度分别设定为30℃和50℃，接触压力为414kPa。导热弹性体复合材料的电阻率，采用ASTM D-257标准进行测试。

表4.实施例4配方

原材料	质量份
		端乙烯基甲基硅橡胶	80
甲基硅油	20
		处理后的氧化铝	400
双2，5	0.1
		TAIC	0.4

按照上表配方，将硅橡胶在开炼机上进行简单塑炼，加入配合剂，混炼5min，制得混炼胶。取部分该混炼胶进行模量表征。然后将其余混炼胶装入模具，在170℃，20MPa条件下在平板硫化机上硫化15min，制得样品。

对比例1：

其他条件同实施例1，取消步骤102。

对比例2：

将未改性过的氧化铝作为填充剂直接加入到橡胶基体中进行共混，共混配方及硫化条件同实施例1。

表1不同实施例、对比例弹性体热界面材料模量及导热系数对比

Claims (5)

1.一种弹性体热界面材料，包括一基体橡胶以及分散在该基体橡胶中的多个填充剂粉体，其特征在于，液体硅橡胶类高分子材料包覆在填充剂粉体表面形成纳米厚度的有机薄膜，填充剂粉体粒子在基体中形成导热通路，但纳米厚度的有机薄膜将填充剂粉体刚性粒子隔离开。

2.如权利要求1所述的弹性体热界面材料，其特征在于：所述基体橡胶为甲基乙烯基硅橡胶，端乙烯甲基硅橡胶，端乙烯基甲基苯基硅橡胶，二甲基硅橡胶，甲基苯基硅橡胶，氟硅橡胶，乙基硅橡胶，乙基苯撑硅橡胶的一种或多种。

3.如权利要求1所述的弹性体热界面材料，其特征在于：所述填充剂粉体材料为氧化铝、氮化硼、氮化铝、碳化硅、氧化锌、碳化铝、氧化硅或氧化钛中的一种或多种。

4.如权利要求1所述的弹性体热界面材料，其特征在于：所述液体硅橡胶类高分子材料为，端乙烯基甲基硅橡胶，端乙烯基甲基苯基硅橡胶，端羟基硅橡胶，端甲酰基硅橡胶，甲基苯基硅橡胶或乙基苯撑硅橡胶的一种或多种。

5.根据权利要求1所述的一种弹性体热界面材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

使用液体硅橡胶类高分子材料包覆在填充剂粉体表面；液体硅橡胶类高分子材料用量1-10/100g粉体；将液体硅橡胶类高分子材料溶解在有机溶剂中制成溶液，然后将填充剂粉体加入到制备好的硅胶类高分子材料溶液搅拌制成溶液，搅拌均匀后，放入真空烘箱中升温脱除溶剂；

其中，所述有机溶剂为正己烷，正庚烷，正辛烷，甲醇，乙醇，甲苯，四氢呋喃中的一种；放入真空烘箱中后，分两步对溶液进行烘干，先在50℃至80℃温度下烘干，之后在80℃至160℃温度下继续烘干脱除溶剂；

将上述粉体进行等离子体处理；等离子体处理时间为0.5-3小时；等离子体处理功率为40-120W；等离子体发生气体为氧气或氩气，

将上述处理过的粉体与基体橡胶按照以下比例共混并进行硫化，形成弹性体热界面材料；共混时，基体橡胶和增塑剂硅油质量份之和为100，其中基体橡胶50-100份，硅油50-0份；加入粉体质量为每100质量份基体橡胶和硅油混合物中加入200质量份至400质量份的粉体。

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