CN102382631A

CN102382631A - 粘度可控高性能硅基导热膏及其制备方法

Info

Publication number: CN102382631A
Application number: CN2010102685611A
Authority: CN
Inventors: 万炜涛
Original assignee: Tianjin Laird Technologies Co Ltd
Current assignee: Tianjin Laird Technologies Co Ltd
Priority date: 2010-08-30
Filing date: 2010-08-30
Publication date: 2012-03-21

Abstract

本发明提供了一种高性能硅基导热膏，该导热膏包括占5质量％～质量20％的基体，占大于1质量％～10质量％的粘度调节剂，和余量的的导热填充物，通过添加粘度调节剂，可实现导热膏粘度的设计控制要求，并且改善了导热粉末填充物在导热膏体系中的稳定性，获得性能优良的导热膏。

Description

粘度可控高性能硅基导热膏及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种热界面有机导热材料，尤其涉及一种粘度可控的高性能硅基导热膏。

背景技术

在电子元件的应用中，如果解决不好电子元件的热传导问题，将直接影响设备的使用寿命，降低信号的处理速度，以及增加设备的功率耗散等。随着电子设备功能集成规模的增加，对电子元件散热能力的要求也日益提高。

为了解决发热电子元件的散热问题，通常在电子元件上方安置散热装置以对电子元件进行散热。但是，由于工业生产技术的限制，电子元件与散热装置之间的接触面不能达到理想的平整面，即由于表面的凹凸不平，不能达到完全接触的程度。因此当电子元件与散热装置贴合时，在其接触界面的缝隙中会存有空气，而空气的导热系数很低，一般为0.025W/(m·℃)，这将增加界面热阻，严重影响整体的散热效果。因此，一般在散热装置与发热电子元件之间涂抹诸如热导环氧树脂、相变材料和导热膏等热界面材料，以填补散热装置与电子元件之间的空气缝隙，减小界面接触热阻，提高散热性能。

在热界面材料中，导热膏由于具有热导率高、胶层厚度薄等优点而得到广泛应用。所述导热膏是在液态高分子基体材料(如硅油)中添加陶瓷粉体、石墨粉或金属粉等填料制备而成的液态或半固态的膏体。在实际应用中，通过将上述导热性较高的填料均匀分散于所述基体内，而使导热膏具有提高导热性能的作用。

但是，随着微电子行业的发展，导热膏产品在电子元件中的实际使用方式也越来越多，例如可以直接涂抹、丝网印刷及注射成型等方式将导热膏施加至所需电子元件上。不同的使用方式和使用场合不仅对导热膏的导热性能提出了不同的要求，而且还对导热膏的流变性提出了不同的要求，因此，针对不同的使用方式，需要导热膏具有不同的粘度范围，以实现不同的工装方式。

中国专利申请公布CN101294067A中公开了一种由有机硅油、硅烷偶联剂和导热粉体组成的导热硅脂组合物，该文献中对导热粉体大、中、小三种粒径粉体进行极配，并对金属粉体进行热处理以在表面形成一层氧化膜，所得的导热硅脂组合物虽然具有较高热导率和改善的流动性能，但是其制备方法复杂，且不能随意控制导热硅脂组合物的粘度。

有鉴于此，需要提供一种导热性高、热阻性小、成本低廉且粘度可控，并能适用于多种成型工艺的高性能硅基导热膏。

发明内容

本发明第一方面的目的在于提供一种硅基导热膏，所述硅基导热膏的导热性能高、制备成本低廉并且具有可控的粘度，能够满足微电子器件发展多元化的需求。

为了实现上述发明目的，本发明涉及一种可用于电子元件与散热装置之间的硅基导热膏，所述硅基导热膏由下述成分组成：5质量％～20质量％的基体，大于1质量％～10质量％的粘度调节剂，以及余量的导热填充粉，所述硅基导热膏优选包括：7质量％～12质量％的基体，大于1质量％～3质量％的粘度调节剂，以及余量的导热填充粉。

其中，所述基体是硅氧烷基树脂，优选是甲基硅油，所述基体在25℃的粘度范围是50mm²/s～1000mm²/s；所述导热填充物是选自氧化铝、氧化锌、铝粉、银粉、氮化硼、氮化铝、铜粉、氧化钛、氢氧化铝、石墨等粉末中的一种或多种粉末的混合物。粘度调节剂主要是选自硅烷偶联剂、硅烷交联剂、铝酸酯偶联剂、钛酸酯偶联剂、分散剂、流平剂等物质中的一种或多种化合物的混合物。

与现有硅基导热膏相比，本发明提供的高性能硅基导热膏具有以下优点：第一，所用基体材料容易获得，使得该热界面材料容易制备，降低了生产的成本；第二，由于粘度调节剂的存在，使得导热膏的粘度得以实现设计控制；第三，由于粘度调节剂的存在，改善了导热粉末填充物在导热膏体系中的稳定性，从而得到更好的导热性能。

本发明第二方面的目的在于提供一种简单可行的制备高性能硅基导热膏的方法，所述硅基导热膏的导热性能高且制备成本低廉，通过所述方法可容易的实现对硅基导热膏的粘度控制，从而可以根据不同的需求制备出具有不同粘度的硅基导热膏。

本发明第二方面中制备硅基导热膏的方法包括：在温度0℃～50℃将a重量份基体和b重量份粘度调节剂混合于反应器中，并在较低速度下进行搅拌，使得基体和粘度调节剂混合均匀；然后保持温度不变，将c重量份的填充导热粉一次性或分成2～5等份或不等份分别加入至反应器中，同时在真空状态下进行搅拌，其中在每一次加入填充导热粉的过程中，分别将搅拌速度由较低速度调节至较高速度，待搅拌至混合均匀后，将搅拌速度调节至较低速度，并重复进行上述加入填充导热粉的操作，直至加入所有的填充导热粉，以形成所述硅基导热膏；其中，上述a值为5～20，b值为大于1～10，c值为(100-a-b)。

由此可见，上述制备高性能硅基导热膏的方法简单可行，而且，由于粉料粒径匹配合理及混合搅拌均匀，无需三辊研磨机进行进一步的捏合，减少了制备成本。另外，由于加入了粘度调节剂，可根据不同的需求，而通过本发明的制备方法制得粘度可控的硅基导热膏。

附图说明

图1是本发明高性能硅基导热膏的示意图。

具体实施方式

下面将结合附图及具体实施例对本发明进行详细说明。

本发明的一个方面提供了一种粘度可控高性能硅基导热膏，如图1所示，该硅基导热膏10由基体11、填充导热粉12及粘度调节剂13组成。

所述基体11为硅氧烷树脂，所述硅氧烷树脂包括甲基硅氧烷及其改性系列树脂，所述改性系列树脂包括氢基改性甲基硅氧烷，苯基改性甲基硅氧烷等。所述硅氧烷树脂包括可由市场上购得的产品，例如二甲基硅油。

所述填充导热粉12为导热性能优良的无机氧化物粉末及金属或非金属单质粉末，所述粉末为选自氧化铝、氧化锌、氮化硼、氮化铝、铝粉、银粉、铜粉、氧化钛、氢氧化铝、石墨等粉末中的一种或几种，其粒径范围为0.02μm～200μm，优选的粒径范围为0.05μm～100μm。优选的是，所述填充导热粉12的粒径是均一的，即填充导热粉中没有较大的粒径差。一般地，在同一种粉末中，所述粒径差不大于10μm，优选为不大于5μm。当所述填充导热粉12由两种以上的上述粉末组成时，不同粉末之间的粒径差不大于50μm，优选不大于25μm。

为了实现本发明粘度可控硅基导热膏的目的，本发明的硅基导热膏还包含粘度调节剂13。所述粘度调节剂13为选自硅烷偶联剂、硅烷交联剂、铝酸酯偶联剂、钛酸酯偶联剂、分散剂、流平剂等物质中的一种或几种，并且在高性能硅基导热膏10中的含量优选为大于1质量％～3质量％。所述分散剂例如本领域技术人员熟知的Texaphor963和L2428等，所述流平剂例如本领域技术人员常用的BYK333和T-306等。

其中，为了获得不同的粘度，可在上文列出的粘度调节剂化合物中选择两种或两种以上的化合物组成粘度调节剂，并通过设定粘度调节剂中不同化合物的含量，实现对预定粘度的调节，其中，本发明的硅基导热膏的粘度控制范围为80,000mPa·s～800,000mPa·s。

以下描述本发明的硅基导热膏的制备方法。

如上所述，本发明制备硅基导热膏的方法可分为：在温度0℃～50℃将a重量份基体11和b重量份粘度调节剂13混合于反应器中，并在较低速度下进行搅拌，以使基体和粘度调节剂混合均匀；然后保持温度不变，将c重量份的填充导热粉12一次性或分成2～5等份或不等份分别加入至反应器中，同时在真空状态下进行搅拌，其中在每一次加入填充导热粉的过程中，分别将搅拌速度由较低速度调节至较高速度，待搅拌至混合均匀后，将搅拌速度调节至较低速度，并重复进行上述加入填充导热粉的操作，直至加入所有的填充导热粉，以形成所述高性能硅基导热膏10。

其中，上述a值为5～20，b值为大于1～10，c值为(100-a-b)。而且，上述a、b、c的取值优选：a为7～12，b为大于1～3，c＝100-a-b。

基体11、填充导热粉12和粘度调节剂13的选材如上文所述的那样，其中，所述基体11优选为甲基硅氧烷及其改性树脂的混合物，所述粘度调节剂13的成分按照预定的粘度值进行选择，以实现具有不同粘度的硅基导热膏。

所述带搅拌的反应器可以为高速分散机、双行星搅拌机或小型捏合机等本领域中常见的混合用反应器。

反应中所述的真空状态为大于0Mpa～0.1MPa，优选为约0.02MPa～约0.08MPa。另外，本发明中使用的真空系统和仪器为本领域技术人员常用的真空系统和仪器，例如真空泵。

所述搅拌速度分为较低速度和较高速度以分别控制搅拌，其中，较低速度为大于0RPM～10RPM，较高速度为30RPM～100RPM。

本发明所述方法中的搅拌时间可因加入原料的多少而不同，本领域技术人员可容易地通过判断混合物达到均匀混合而确定搅拌时间，因而不在本发明中具体限定搅拌时间。一般地，本发明所述在较低速度下的搅拌时间不低于0.5小时，而在较高速度下的搅拌时间不低于1小时。

下面结合实施例更详细的描述本发明，应该理解的是，不应认为本发明受限于这些实施例。

实施例1～4

(1)原料

本发明的实施例选用了以下物质作为原料，并按照原料的重量比进行了称量：

①基体：

二甲基硅氧烷(道康宁公司制造，品牌为XIAMETER的二甲基硅油)，粘度为50mm²/s以及

苯基改性聚二甲基硅氧烷(日本信越公司制造)，粘度为1000mm²/s。

②填充导热粉：

氧化锌粉末，平均粒径为0.5μm～2μm(常州源潮化工有限公司制造的活性氧化锌)，

氧化铝粉末，平均粒径为3μm～5μm(中国铝业股份有限公司制造)，

铝粉，平均粒径为10μm～20μm(河南东华金属粉材有限公司制造)。

③粘度调节剂：

实施例1使用了硅烷偶联剂A151(美国联碳公司制造)，

实施例2使用了作为非硅烷偶联剂的钛酸酯偶联剂TTS(美国Kenrich石油化学公司制造)，

实施例3中使用了重量比为2∶1的硅烷偶联剂A151和钛酸酯偶联剂TTS的混合物，

实施例4中使用了重量比为1∶1的硅烷偶联剂A151和钛酸酯偶联剂TTS的混合物。

按照下表1中所示的上述各原料的重量比配制本发明的组合物，可以理解的是，表1中各原料的选用和重量比是出于更好地描述本发明的目的，而不加以任何限制。本领域技术人员能够了解的是，除了实施例1～4采用的原料之外，还可选用其它种类和数目的原料，只要所述原料的选用使相应的组分满足本发明在上文所述的要求，例如填充导热粉可视情况选用1～2种如上文所述的粉末；而且，本领域技术人员能够理解，所述原料的配比不限于表1中的特定配比。

表1实施例1～4硅基导热膏的组成

首先，在实施例1～2中说明使用单组份粘度调节剂的情况。

(2)实施例1硅基导热膏的制备

首先称量出重量比为3∶3∶2.5的氧化锌粉末、氧化铝粉末和铝粉，混合上述粉末后将所得导热填充粉按重量分为3等份；然后在30℃下，将重量比为1.2的二甲基硅氧烷作为基体与重量比为0.3的硅烷偶联剂A151一起加入至双行星搅拌器腔体中，在转速为5RPM下搅拌0.5小时，待混合均匀后，将混料腔体抽至约0.02MPa的真空，并加入第一等重量份的上述导热填充粉，将搅拌速度调节为65RPM，搅拌1小时后，将转速调节为5RPM；然后重复上述操作加入另外2份导热填充粉，搅拌均匀后即得到所述硅基导热膏。室温下，通过使用Brookfield粘度测试仪(美国Brookfield公司制造)在10RPM测试所得硅基导热膏的粘度，并将测得的粘度值示于下表2中。

(3)实施例2硅基导热膏的制备

通过与实施例1相同的方法制备实施例2的硅基导热膏，不同之处在于，实施例2中使用的粘度调节剂为钛酸酯偶联剂TTS。将所得硅基导热膏的粘度测量值示于下表2中。

表2单组份粘度调节剂

硅基导热膏	粘度(cp)	基体(重量％)	填料(重量％)	粘度调节剂(重量％)
					实施例1	80,000～100,000	12	85	3
实施例2	600,000～800,000	12	85	3

以下描述使用多组分粘度调节剂制备硅基导热膏的情况。

通过与实施例1相同的方法制备实施例3～4的硅基导热膏，不同之处在于，实施例3～4中各原料的用量不同。其中，如表1所示，实施例3～4采用了混合原料作为基体，而且采用了多组分的粘度调节剂。表3也示出实施例3～4硅基导热膏各组分的质量百分比。将上述实施例3～4中所得硅基导热膏的粘度测量值示于下表3中。

表3多组份粘度调节剂

硅基导热膏	粘度(cp)	基体(重量％)	填料(重量％)	粘度调节剂(重量％)
					实施例3	100,000～200,000	10.5	88	1.5
实施例4	200,000～400,000	8.5	89.5	2

由表1和表2可见，通过选择不同组分的粘度调节剂，本发明可根据设计而制备出预设粘度的高性能硅基导热膏，以满足不同应用者的使用要求。

实施例5导热硅脂热阻测试实验

将实施例1～4的硅基导热膏涂抹于根据ASTM5470标准的热阻仪(莱尔德公司制造)的测试台面上，在厚度为0.1mm的条件下，测定导热膏的热阻值。如表4所示，结果表明在同一测试平台上，与比较例(道康宁公司制造的导热膏，型号5021)相比，本发明的热阻性能更为优异。

表4本发明硅基导热膏的热阻

由表4可以看出，本发明的导热膏具有更好的导热性能。

在前述说明书和相关附图中存在的教导的帮助下，本领域技术人员将意识到本文所述发明的多种变形和其它实施方式。因此，将理解的是，本发明不限于所公开的特定实施方式，且任何变形和其它实施方式均视为包括在所附权利要求书的范围内。

Claims

1.一种粘度可控硅基导热膏，其特征在于，所述硅基导热膏由以下成分组成：

占5质量％～20质量％的基体，

占大于1质量％～10质量％的粘度调节剂，以及

余量的导热填充粉。

2.如权利要求1所述的粘度可控硅基导热膏，其特征在于，所述硅基导热膏组合物的组成含量为：

占7质量％～12质量％的基体，

占大于1质量％～3质量％的粘度调节剂，以及

余量的导热填充粉。

3.如权利要求1或2所述的粘度可控硅基导热膏，其特征在于，所述基体为硅氧烷树脂，所述硅氧烷树脂包括甲基硅氧烷及其改性系列树脂，所述改性系列树脂包括氢基改性甲基硅氧烷和苯基改性甲基硅氧烷。

4.如权利要求1或2所述的粘度可控硅基导热膏，其特征在于，所述基体在25℃时的粘度为50mm²/s～1000mm²/s。

5.如权利要求1或2所述的粘度可控硅基导热膏，其特征在于，所述导热填充粉为选自氧化铝、氧化锌、铝粉、银粉、氮化硼、氮化铝、铜粉、氧化钛、氢氧化铝、石墨中的一种或多种粉末。

6.如权利要求1或2所述的粘度可控硅基导热膏，其特征在于，所述粘度调节剂为选自硅烷偶联剂、硅烷交联剂、铝酸酯偶联剂、钛酸酯偶联剂、分散剂、流平剂中的一种或多种物质的混合物。

7.如权利要求1或2所述的粘度可控硅基导热膏，其特征在于，所述导热填充粉的平均粒径范围为50纳米～100微米。

8.如权利要求7所述的粘度可控硅基导热膏，其特征在于，所述导热填充粉的平均粒径范围为50纳米～20微米。

9.如权利要求1～8中任一项所述的粘度可控硅基导热膏，其特征在于，所述硅基导热膏粘度的控制范围为80,000mPa·s～800,000mPa·s。

10.一种制备如权利要求1～9中任一项所述的粘度可控硅基导热膏的方法，所述方法包括：

在温度0℃～50℃将a重量份基体和b重量份粘度调节剂混合于反应器中，并在较低速度下进行搅拌，使得基体和粘度调节剂混合均匀；

然后保持温度不变，将c重量份的填充导热粉一次性或分成2～5等份或不等份分别加入至反应器中，同时在真空状态下进行搅拌，其中在每一次加入填充导热粉的过程中，分别将搅拌速度由较低速度调节至较高速度，待搅拌至混合均匀后，将搅拌速度调节至较低速度，并重复进行上述加入填充导热粉的操作，直至加入所有的填充导热粉，以形成所述硅基导热膏，

其中，上述a值为5～20，b值为大于1～10，c值为(100-a-b)。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述a值为7～12，所述b值为大于1～3，所述c值为(100-a-b)。

12.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述的真空状态的压强为大于0Mpa～0.1MPa，优选为0.02Mpa～0.08MPa。

13.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述较低的搅拌速度为大于0RPM～10RPM，较高的搅拌速度为30RPM～100RPM。

14.如权利要求10～13所述的方法，其特征在于，根据不同的粘度设定要求，选择不同的粘度调节剂的组分，以实现对粘度的控制。