CN102134469A - 含六方氮化硼的导热绝缘胶 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了用于电子应用的包含六方氮化硼(hBN)材料和至少一种其它陶瓷粉的导热绝缘胶，其中六方氮化硼的大粒度比小粒度的直径至少大两倍。所述导热绝缘胶当用于电子应用诸如热接口材料或金属芯印刷电路板相关产品中时具有优良的热传导率和增加的电绝缘。

Description

含六方氮化硼的导热绝缘胶
技术领域
本发明一般地涉及用于电子产品的导热绝缘胶，具体而言涉及用于电子应用的包含六方氮化硼(hBN)材料和至少一种其它陶瓷粉的导热绝缘胶。
背景技术
电子产品通常需用薄层的绝缘层，计算机中央处理器(CPU)的芯片为半导体(如硅)，它比金属散热片(通常为铜)的热膨胀系数小很多，通常不能用熔点低的合金焊材将半导体和金属焊在一起，以免接口因应力过大而产生裂纹。因此有所谓“导热胶”(Thermal Grease)，或称“热接口材料”(Thermal Interface Material或TIM)可以压在CPU及散热片(Heat Spreader)之间，或散热片和热沉(Heat Sink)之间，将其内的空气排除，这样CPU产生的热可以经胶传到金属散热片，乃至热沉。
又如印刷电路板(Printed Circuit Board或PCB)通常用玻璃纤维强化的复合胶(Fiber Reinforced Composite或FRC)压成。但FRC含玻璃及塑料，其热传导率很低(＜1W/mK)，因此高功率的电子产品(如LED)常使用金属载板(如铝基板)。为了绝缘，常将铜铂用胶压合在铝板上，制成所谓的MCPCB(Metal Core PCB)。黏合铜和铝的有机胶(如环氧树脂或Epoxy resin)，其热传导率远低于1W/mK，因此常造成LED过热，减低了其亮度或缩短了其寿命。
有机胶不仅热传导率极低，而且热膨胀率特大，因此在电子产品冷热交替之下，常会黏不住金属。胶的热稳定性也很低，其内的挥发成份(如H、O、N)会逐渐蒸发以致胶会逐渐变质，甚至干裂。
有机胶的上述问题可藉渗杂陶瓷粉(如AlN、Al2O3、SiO2、ZnO、Fe2O3、SiC)，钻石或立方氮化硼(Cubic Boron Nitride或cBN)等略为舒缓。但陶瓷粉等为硬质材料，而且形状多近球形。在有机胶里面，陶瓷粉乃以点接触的方式传热，因此含陶瓷粉的胶体其热传导率仍然很低，通常不及5W/mK。
因此，在本领域对具有优良热传导率和极佳绝缘性能的导热绝缘胶存在需求。
发明内容
本发明提供了一种含六方氮化硼的导热绝缘胶，其具有优良的热传导率和增加的电绝缘。
一方面，本发明提供了一种导热绝缘胶，其包含粘合剂成分、六方氮化硼(Hexagonal Boron Nitride或hBN)和至少一种其它陶瓷粉，其中所述六方氮化硼及陶瓷粉的颗粒彼此接触并且被所述粘合剂附着在一起。
一方面，本发明提供了一种导热绝缘胶，其包含粘合剂成分、六方氮化硼和至少一种其它陶瓷粉，其中所述六方氮化硼及陶瓷粉的颗粒彼此接触并且被所述粘合剂附着在一起。进一步地，所述六方氮化硼含有超过1％原子的金属。更进一步地，所述金属为Li、N、K、Be、Mg、Ca中的一种或多种。
在进一步的方面，本发明提供了一种导热绝缘胶，其包含粘合剂成分、六方氮化硼和至少一种其它陶瓷粉，其中所述六方氮化硼及陶瓷粉的颗粒彼此接触并且被所述粘合剂附着在一起。进一步地，所述六方氮化硼的大粒度比小粒度的直径至少大两倍。所述六方氮化硼具有两种粒度峰值。其中优选的一例含六方氮化硼的峰值为10μm±5μm和2μm±1μm。
在进一步的方面，本发明提供了一种导热绝缘胶，其包含粘合剂成分、六方氮化硼和至少一种其它陶瓷粉，其中所述六方氮化硼及陶瓷粉的颗粒彼此接触并且被所述粘合剂附着在一起。进一步地，所述六方氮化硼占所述导热绝缘胶总重量的10％以上。进一步地，所述六方氮化硼占所述导热绝缘胶总重量的30％以上。
在进一步的方面，本发明提供了一种导热绝缘胶，其包含粘合剂成分、六方氮化硼和至少一种其它陶瓷粉，其中所述六方氮化硼及陶瓷粉的颗粒彼此接触并且被所述粘合剂附着在一起。进一步地，所述粘合剂成分为硅油、环氧树脂或苯并环丁烯。
在进一步的方面，本发明提供了一种导热绝缘胶，其包含粘合剂成分、六方氮化硼和至少一种其它陶瓷粉，其中所述六方氮化硼及陶瓷粉的颗粒彼此接触并且被所述粘合剂附着在一起，并且其中所述其它陶瓷粉为AlN、Al2O3、SiO2、SiC、cBN或钻石之一种或多种。优选地，所述其它陶瓷粉为钻石或立方氮化硼(cBN)。
另一方面，本发明提供了导热绝缘胶在热接口材料或金属芯印刷电路板中的应用。
附图简述
图1A是10微米hBN的SEM显微照片。
图1B是2微米hBN的SEM显微照片。
发明详述
本发明涉及一种具有增加的热传导率以及期望的电绝缘性能的新型导电绝缘胶。所述导电绝缘胶使用六方氮化硼(Hexagonal BoronNitride或hBN)作为绝缘材料。
所有的元素及其化合物中，只有“黑石墨”(Graphite)及俗称“白石墨”的六方氮化硼具化学sp2键结形成的平面晶格。然而黑石墨具有π键的单电子，所以它是导体。hBN的表面电子是稳定的成双成对，所以为绝缘体。
Figure GSA00000095275200031
石墨层结构    六方氮化硼
黑石墨在层面的原子间距只有约
Figure GSA00000095275200032
为所有物质最紧密的结构，比钻石的子间距为
Figure GSA00000095275200033
更小，因此石墨层导热极快，甚至超过热传导率最高的钻石(约2000W/mk)。
白石墨层面的热传导率为陶瓷材料之最，也远高于导热最快的金属(如银、铜)。然而黑石墨及白石墨层间的距离很大
Figure GSA00000095275200041
因此沿层面垂直方向的热传导率只有层面的十分之一。但既使如此，黑白石墨的整体热传导率仍远高于陶瓷(如SiC、AlN、SiO2、Al2O3)。
若将白石墨用元素周期表第一族(Li、Na、K...)或第二族(Be、Mg、Ca...)或其氧化物(如Li2O)或氮化物(如Li3N)熔化的液体渗透，则白石墨层之间会夹杂(Intercalation)这些导电金属，这样白石墨层与层之间的热传导率会显著提高，但其电阻率则会下降。
传统的有机胶不仅热传导率极低，而且热膨胀率特大，因此在电子产品冷热交替之下常会黏不住金属。胶的热稳定性也很低，其内的挥发成份(如H、O、N)会逐渐蒸发以致胶会逐渐变质，甚至干裂。
传统有机胶的上述问题可藉渗杂陶瓷粉(如AlN、Al2O3、SiO2、SiC)，钻石或立方氮化硼(Cubic Boron Nitride或cBN)等略为舒缓。但陶瓷粉为硬质材料，而且形状多近球形。在有机胶里面，陶瓷粉乃以点接触的方式传热，因此含陶瓷粉的胶体基热传导率仍然很低，通常不及5W/mK。
白石墨柔软，常用为固体润滑剂。当坚硬的陶瓷粉和柔软的白石墨压合时，其间常为面的接触，因此热传导率可以显著提高。不仅如此，陶瓷粉更可刺穿白石墨，使热流在层间“过桥”而加速传布。
在一个实施方式中，所述陶瓷粉为AlN、Al2O3、SiO2、SiC、cBN或钻石之一种或多种。优选地，所述其它陶瓷粉为钻石或立方氮化硼(cBN)。
在一个实施方式中，白石墨(六方氮化硼)含有超过1％原子的金属。所述金属为Li、N、K、Be、Mg、Ca中的一种或多种。
陶瓷粉及白石墨可先以偶合剂(Coupling Agent)润湿表面，彼此先混好或各别加入胶中混拌均匀使用。六方氮化硼及陶瓷粉的颗粒彼此接触并且被所述胶(粘合剂成分)附着在一起。玻璃纤维布也可沾上混液再压合在金属层之间，作为电阻更高的绝缘层。
偶合剂通常一端亲水(Hydrophilic)而另一端亲油(Lipophilic)或疏水(Hydrophobic)。白石墨的表面若含N或O等多价元素原子则会呈现水性，若表面含H或F等单价元素原子，白石墨就会亲油。以偶合剂润湿白石墨可在偶合剂溶剂的液体内进行。若白石墨的颗粒有结球(Agglomeration)的现象，则可以超声振荡使颗粒彼此分离。当颗粒表面被偶合剂润湿后，可加入粘合剂成分。这样偶合剂的亲油端就可溶入粘合剂成分而使白石墨颗粒分开而均匀的散布其中。
在一个实施方式中，所述粘合剂成分为硅油或环氧树脂或苯并环丁烯(BCB)树脂。偶合剂的例子为乙烯基硅烷及氨基硅烷的混合物(见US 2006/0275616A5)，其它的偶合剂例子包括油醇聚乙二醇(Oleyl alcohol polyethylene glycol ether)、油醇聚乙二醇醚(Oleylalcohol ethoxylated)、聚乙二醇辛酚醚(Octyl phenol ethoxylated(9.4))、聚乙二醇(Polyethylene Glycol)、2-丁酮、4-甲基-2-戊酮、乙腈、丙酮、N，N-二甲基甲酰胺等。
通常胶内渗陶瓷粉(包括白石墨)太多，胶的黏性较低，金属板之间的附着强度会降下来。若陶瓷粉加得太少，则胶太多会使热传导率降低。在一个实施方式中，白石墨占所述导电绝缘胶总重量的10％以上。但使用小颗粒的白石墨而将其均匀的分散在胶内，就可能提高白石墨的比率而增加热传导率。这样胶因未被大片白石墨挡住，其沾黏的附着力也不致打折扣。
小颗粒白石墨的表面积增大，不利于热流的传导，但大颗粒又易在胶内偏析(Segregation)，因此白石墨应加入不同的粒径才能同时平衡热传导及胶黏结这两种难以结合的功能。在一个实施方式中，白石墨的大粒度比小粒度的直径大至少两倍，并且白石墨具有两种粒度峰值，其中一例所述粒度峰值分别为10μm±5μm和2μm±1μm。
在一个实施方式中，本发明也考虑根据本发明的导热绝缘胶用在热接口材料(TIM)或金属芯印刷电路板(MCPCB)等相关产品中的应用。
实施例
实施例1
通过用约70微米厚的环氧树脂压缩粘合2mm厚的铝(1050、5052或6061)板与50微米厚的铜箔，制备大小为24英寸(610mm)×18英寸(457mm)的金属芯印刷电路板(MCPCB)。环氧树脂与65wt％的固体含量预混合，所述固体含量包括比例为80∶20的Al2O3(晶粒大小为1-2微米)和hBN粉末。亦即hBN的重量比为13％。根据铜从铝板的剥离强度，测量该环氧树脂-陶瓷复合材料的热传导率(k值，以W/mK计)。当hBN的晶粒大小是10微米时，k值是4W/mK，而剥离强度非常低(6lbs/in2)。当hBN的晶粒大小是2微米时，k值是3.5W/mK，而剥离强度高得多(9lbs/in2)。当hBN是两种晶粒大小的混合物(2微米∶10微米为大约3∶1)时，k值是4.5W/mK，而剥离强度介于上述两个结果之间(8lbs/in2)。然而，由于存在细hBN粉末，总的hBN含量可以被进一步增加，而达到5W/mK的k值。
2微米和10微米hBN的SEM显微照片示于图1A和1B中。
实施例2
预混合环氧树脂和偶合剂，达到9500cps的粘度。再混合hBN和该预混合物，并在甲基·乙基酮(Methyl ethyl ketone)溶剂中稀释该溶液。
在混合过程中利用额外的甲基·乙基酮溶剂添加Al2O3粉末。环氧硬化剂被加至该溶液中，并且纤维布被用于浸渍到复合材料中，该复合材料随后在170℃固化90秒。涂覆的纤维布被置于Cu和Al之间并进行热压以粘合成PCB。
如上所述，偶合剂(基于硅烷的偶合剂)具有可水解键(例如，具有Si-OCH3键)，水解后形成亲水Si-OH端，其可粘合经过热处理的hBN。hBN通常是疏水的，但是其在温H2SO4中预蒸煮，表面从而具有含S和O的末端分子团。在蒸煮期间，使用超声震荡使凝聚的团粒分散。具有疏水端的偶合剂将使已离解颗粒在悬浮液中保持分离。在从蒸煮液中取出经偶合剂涂覆的hBN颗粒后，将该涂覆hBN颗粒添加至经甲基·乙基酮稀释的环氧树脂溶液中，偶合剂的疏水端，例如，-CH3(甲基)末端，可附着环氧树脂。其结果是在复合材料中形成均匀分布的hBN颗粒。
实施例3
在硅胶内渗入50wt％的六方氮化硼(粒度约10μm)及5wt％的钻石(粒度约2μm)。hBN及钻石都事先以氢气在高温(800℃)下处理(30分钟)使其表面吸附亲油性的氢原子以利于在硅胶内的分散。经测量掺杂六方氮化硼及钻石的硅油其热传导率可达4W/mK，比渗杂一般陶瓷粉者高两倍以上。
本实施例所制的散热胶可用于接合计算机的CPU及散热片或热管，也可用于接合热沉及鮨片。
实施例4
六方氮化硼粉末(2μm)及钻石粉末(1μm)混入约3wt％的压克力胶并混拌成面团状。再将混料在滚筒中来回碾压制成约100μm厚的抽片。在铝板上喷上极薄的压克力胶后贴上上述的抽片，再喷上一薄层压克力胶，最后铺上铜箔(30μm)。将此“三夹板”在压机内压黏成MCPCB。因黏接铝板及铜箔的绝缘层含多量的六方氮化硼及钻石，其热传导率可达5～10w/mK。
可以对本发明进行很多修改和变更而不偏离它的精神和范围，这对本领域的技术人员来说是明显的。本文所述的具体实施方式只通过实施例的方式给出，本发明仅通过所附权利要求、连同赋予这些权利要求的等效物的全部范围限定。

Claims (12)

1.一种导热绝缘胶，其包含粘合剂成分、六方氮化硼和至少一种其它陶瓷粉，其中所述六方氮化硼及陶瓷粉的颗粒彼此接触并且被所述粘合剂附着在一起。
2.根据权利要求1所述的导热绝缘胶，其中所述六方氮化硼含有超过1％原子的金属。
3.根据权利要求2所述的导热绝缘胶，其中所述金属为Li、N、K、Be、Mg、Ca中的一种或多种。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的导热绝缘胶，其中所述六方氮化硼的大粒度比小粒度的直径至少大两倍。
5.根据权利要求4所述的导热绝缘胶，其中所述六方氮化硼具有两种粒度峰值。
6.根据权利要求5所述的导热绝缘胶，其中所述峰值为10μm±5μm和2μm±1μm。
7.根据权利要求1-3中任一项所述的导热绝缘胶，其中所述六方氮化硼占所述导热绝缘胶总重量的10％以上。
8.根据权利要求1-3中任一项所述的导热绝缘胶，其中所述六方氮化硼占所述导热绝缘胶总重量的30％以上。
9.根据权利要求1-3中任一项所述的导热绝缘胶，其中所述粘合剂成分为硅油、环氧树脂或苯并环丁烯。
10.根据权利要求1-3中任一项所述的导热绝缘胶，其中所述其它陶瓷粉为AlN、Al2O3、SiO2、ZnO、Fe2O3、SiC、cBN或钻石之一种或多种。
11.根据权利要求1-3中任一项所述的导热绝缘胶在热接口材料或金属芯印刷电路板相关产品中的应用。
12.根据权利要求11所述的应用，其中所述导热绝缘胶含钻石微粉。
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