CN102585773A

CN102585773A - 一种相变化导热界面材料及其制备方法

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Publication number: CN102585773A
Application number: CN2011104514509A
Authority: CN
Inventors: 吴光勇; 王建斌; 陈田安; 解海华; 赵仁荔
Original assignee: SHENZHEN DARBOND INTERFACE MATERIALS CO Ltd
Current assignee: SHENZHEN DARBOND INTERFACE MATERIALS CO Ltd
Priority date: 2011-12-29
Filing date: 2011-12-29
Publication date: 2012-07-18

Abstract

本发明涉及一种相变化导热界面材料及其制备方法，制备步骤为：将固体树脂、液态树脂、抗氧化剂和偶联剂依次放入容器中，边加热边搅拌，至混合均匀，再加入高导热性填料，在真空并加热条件下进行混合，然后再加工成薄片状或在降温后加入稀释剂并搅拌均匀，再冷却至室温，即得到所述相变化导热界面材料。在本发明中，通过导热界面材料中不同类型的高性能导热材料之间的不同的重量配比，实现可调整的良好的导热性能。

Description

一种相变化导热界面材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种相变化导热界面材料及其制备方法，特别涉及一种用于电子电气设备和LED(发光二极管)器件的组装的导热界面材料及其制备方法。

背景技术

近些年来，电子电气设备和LED(发光二极管)器件得到了飞速的发展，其明显趋势是单位体积的功率越来越高，随之而来其产生的局部区域的热流密度显著增加；而这些局部区域又正好是这些设备和器件的关键工作区域，例如微处理器芯片、高功率LED芯片等。如果热量不能及时散发出去，其温度将急剧升高，可能直接导致这些关键工作区域的性能劣化，甚至完全失效。所以良好的热管理技术是实现这些设备和器件的功能的关键技术之一，而界面导热材料则是良好的热管理技术的关键材料之一。现在工业界普遍采用的界面导热设计所用到的导热界面材料主要是油状导热脂类、固体导热垫片或者相变化材料等导热材料，使用时将其放置于热源和散热部件之间的界面上，主要通过热传导的机理，把热源产生的热量尽量地传递到散热部件上散发出去。对于导热界面材料的导热性能，通常要求导热率≥1.0W/m·K，热阻≤0.10℃·in²/W；当用于高功率设备和器件的组装时，通常要求导热率≥2.0W/m·K，热阻≤0.05℃·in²/W。

导热脂类材料容易涂覆，对界面的润湿性能好，起始界面导热性能优良；但是其在温度周期变化的作用下，会发生逐步溢出，导致界面的材料缺失，界面导热能力严重劣化。固体导热垫片没有溢出的问题，本体导热优良，但是其对于界面的润湿能力较差，导致界面导热性能不佳，限制了其在高功率设备和器件上的应用。

相变化导热材料是一类热塑性材料，常温下为固体，在吸收热源散发的热量升温到相变温度以上后能变为液体，从而充分填充导热界面，实现良好的界面导热性能；而在冷却到相变温度以下后又变成固体，从而避免了溢出现象。这类材料可以根据界面导热设计的需要制备成膏状半固体或者薄片状固体形态。膏状半固体材料是添加了稀释剂的固体相变化导热材料，常温下为膏状，可以像导热脂类材料一样使用，涂覆后让稀释剂挥发，即可得到相变化导热薄层，组装后加压升温即可，长期使用不会有溢出的问题；薄片状固体材料可以像固体导热垫片一样使用，组装后加压升温即可，材料将变成液体充分润湿导热界面。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种界面热阻小，导热性能优良的相变化导热界面材料及其制备方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种相变化导热界面材料，包括如下重量百分比的原料：导热填料粉末75％～93％、固体树脂2％～8％、液态树脂5％～15％、抗氧化剂0.01％～1％、偶联剂0.02％～2％、稀释剂0％～15％。

本发明的有益效果是：在本发明中，通过在导热界面材料中不同类型的高性能导热材料之间的不同的重量配比，实现可调整的良好的导热性能。

导热界面材料的导热主要是通过导热填料粉末之间的多点接触来建立起良好的声子导热和电子导热的导热网链来实现的，所以导热界面材料的良好导热性能可以通过导热填料粉末的优化配比设计来实现。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述导热填料粉末主要是银粉、铝粉、铜粉、镍粉等金属粉末，氧化铝粉、氮化硼粉、碳化硅粉、氮化铝粉等陶瓷粉末，或其混合物；其主要形状为球形粉末，也可以为片状、无规则形状等其它形状。这些粉末的粒径分布范围为0.2微米～100微米，优选的范围为0.3微米～30微米，更加优选的范围为0.5微米～10微米。

进一步，所述低熔点固体树脂可以为石蜡、微晶蜡、硅蜡等，或其混合物；其中低熔点是指树脂的熔点范围在摄氏40度至80度之间。通常电子电气设备和LED器件组装的生产线工作温度低于40度，而电子电气设备和LED器件的工作温度需要低于80度。

进一步，所述液态树脂为常温下为液态的聚丁二烯、聚异戊二烯、聚丁二烯丙烯腈、端羟基聚丁二烯、端羟基聚异戊二烯、端羟基聚丁二烯丙烯腈等，或其混合物。

进一步，所述抗氧化剂为受阻酚类、亚磷酸酯类或硫代丙酸酯类抗氧化剂，包括2，6-二叔丁基对甲酚、2，2’-亚甲基双(4-甲基-6-叔丁基苯酚)、四(3，5-二叔丁基-4-羟基)苯丙酸季戊四醇酯、β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸异辛醇酯、四苯基二丙二醇二亚磷酸酯、季戊四醇四(3-月桂基硫代丙酸酯)、硫代二丙酸双十八碳醇酯等，或其混合物。

进一步，所述偶联剂为有机钛酸酯类或有机硅烷类偶联剂，包括异丙基三(二辛基磷酸酰氧基)钛酸酯、异丙基三(二辛基焦磷酸酰氧基)钛酸酯、双(乙酰丙酮基)(二异丙基)钛酸酯、γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷等，或其混合物。

进一步，所述稀释剂为高沸点溶剂油、异构烷烃溶剂等，或其混合物。当产品中不含有稀释剂，即其含量为0％时，其最终产品形态为薄片状固体；而当产品中含有稀释剂，即其含量大于0％时，其最终产品形态为膏状半固体。

本发明解决上述技术问题的另一技术方案如下：一种相变化导热界面材料的制备方法，包括以下步骤：

1)将固体树脂、液态树脂、抗氧化剂和偶联剂依次放入容器中，边加热边搅拌，至混合均匀，得到均匀的液态混合物A；

2)将高导热性填料加入到步骤1)得到的混合物A中，在真空并加热条件下进行混合，得到均匀的液态混合物B；

3)将步骤2)得到的混合物B加工成薄片状，然后冷却至室温，即得到所述相变化导热界面材料，所述相变化导热界面材料呈薄片状；或

先将步骤2)得到的混合物B降温，然后加入稀释剂，进行搅拌至混合均匀，再冷却至室温，即得到所述相变化导热界面材料，所述相变化导热界面材料呈膏状；

其中，所述导热填料粉末、固体树脂、液态树脂、抗氧化剂、偶联剂、稀释剂的重量百分比为75％～93％∶2％～8％∶5％～15％∶0.01％～1％∶0.02％～2％∶0％～15％。

进一步，在步骤1)中，所述加热后的温度为60～80℃，搅拌的时间为3分钟～30分钟。

进一步，在步骤2)中，所述加热后的温度为80～120℃；混合的时间为20～240分钟。

进一步，在步骤3)中，所述降温后的温度为30～50℃，所述混合的时间为10～120。

具体实施方式

以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例1

在室温下，分别按照下表中实施例1指定的各组分，分别加入石蜡(熔点50度)、端羟基聚异戊二烯、受阻酚类类抗氧化剂和有机硅烷类偶联剂，升温至60度，混合3分钟至均匀；然后加入球形氧化铝粉，升温至80度，真空混合20分钟至均匀；然后降温至40度，加入异构烷烃溶剂，混合60分钟成为均匀混合物，搅拌下冷却至室温，即制得膏状半固体的相变化导热界面材料。

实施例2

在室温下，分别按照下表中实施例2指定的各组分，分别加入石蜡(熔点50度)、微晶蜡(熔点70度)、聚丁二烯、亚磷酸酯类抗氧化剂和有机钛酸酯类偶联剂，升温至80度，混合10分钟至均匀；然后加入球形氧化铝粉和球形铝粉，升温至100度，真空混合120分钟至均匀；然后降温至40度，加入高沸点溶剂油，混合60分钟成为均匀混合物，搅拌下冷却至室温，即制得膏状半固体的相变化导热界面材料。

实施例3

在室温下，分别按照下表中实施例3指定的各组分，分别加入石蜡(熔点50度)、硅蜡(熔点62度)、端羟基聚丁二烯丙烯腈、硫代丙酸酯类抗氧化剂和有机硅烷类偶联剂，升温至70度，混合30分钟至均匀；然后加入球形氧化铝粉和球形铝粉，升温至120度，真空混合240分钟至均匀；然后降温至40度，加入高沸点溶剂油，混合60分钟成为均匀混合物，搅拌下冷却至室温，即制得膏状半固体的相变化导热界面材料。

实施例4

在室温下，分别按照下表中实施例4指定的各组分，分别加入微晶蜡(熔点70度)、硅蜡(熔点62度)、端羟基聚丁二烯丙烯腈、亚磷酸酯类抗氧化剂和有机钛酸酯类偶联剂，升温至80度，混合10分钟至均匀；然后加入球形氧化铝粉和球形铝粉，升温至100度，真空混合120分钟至均匀；然后降温至40度，加入异构烷烃溶剂，混合60分钟成为均匀混合物，搅拌下冷却至室温，即制得膏状半固体的相变化导热界面材料。

实施例5

在室温下，分别按照下表中实施例5指定的各组分，分别加入石蜡(熔点50度)、微晶蜡(熔点70度)、端羟基聚异戊二烯、硫代丙酸酯类抗氧化剂和有机钛酸酯类偶联剂，升温至80度，混合15分钟至均匀；然后加入球形氧化铝粉和球形铝粉，升温至100度，真空混合160分钟至均匀；然后通过压延机将其加工成薄片状，冷却至室温后根据需要裁切成不同形状，得到薄片状固体的相变化导热界面材料。

实施例6

在室温下，分别按照下表中实施例6指定的各组分，分别加入石蜡(熔点50度)、硅蜡(熔点62度)、聚丁二烯、受阻酚类类抗氧化剂和有机钛酸酯类偶联剂，升温至80度，混合10分钟至均匀；然后加入球形铝粉，升温至100度，真空混合120分钟至均匀；然后通过压延机将其加工成薄片状，冷却至室温后根据需要裁切成不同形状，得到薄片状固体的相变化导热界面材料。

各实施例的材料的导热率和热阻的测试依照ASTM D 5470标准来进行，其中膏状半固体材料经丝网印刷成100微米厚的薄层，并在40度下加热60分钟后测试；薄片状固体材料选用50微米厚的薄片直接测试。各个实施例子的测试结果列出在下表中。

从上表中可以看出，本发明在相变化导热界面材料中使用了合理搭配的不同类型的高性能导热填料组合，实现可调整的良好的导热性能，可以满足各种电子电气设备和LED器件组装的对于导热性能的不同需求。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种相变化导热界面材料，其特征在于，包括如下重量百分比的原料：导热填料粉末75%～93%、固体树脂2%～8%、液态树脂5%～15%、抗氧化剂0.01%～1%、偶联剂0.02%～2%、稀释剂0%～15%。

2.根据权利要求1所述的相变化导热界面材料，其特征在于，所述导热填料粉末为金属粉末或陶瓷粉末；所述固体树脂为石蜡、微晶蜡或硅蜡中的一种或任意几种的混合；所述液态树脂为聚丁二烯、聚异戊二烯、聚丁二烯丙烯腈、端羟基聚丁二烯、端羟基聚异戊二烯、端羟基聚丁二烯丙烯腈中的一种或任意几种的混合；所述抗氧化剂为受阻酚类抗氧化剂、亚磷酸酯类抗氧化剂或硫代丙酸酯类抗氧化剂；所述偶联剂为有机钛酸酯类偶联剂或有机硅烷类偶联剂；所述稀释剂为溶剂油、异构烷烃溶剂中的一种或任意几种的混合。

3.根据权利要求2所述的相变化导热界面材料，其特征在于，所述金属粉末为银粉、铝粉、铜粉、镍粉中的一种或任意几种的混合；所述陶瓷粉末氧化铝粉、氮化硼粉、碳化硅粉、氮化铝粉中的一种或任意几种的混合。

4.根据权利要求1至3任一项所述的相变化导热界面材料，其特征在于，所述导热填料粉末为球形、片状或无规则形状。

5.根据权利要求4所述的相变化导热界面材料，其特征在于，所述导热填料粉末的粒径为0.2微米～100微米。

6.根据权利要求1至3任一项所述的相变化导热界面材料，其特征在于，所述固体树脂的熔点熔点范围为摄氏40度～80度。

7.根据权利要求1至3任一项所述的相变化导热界面材料，其特征在于，所述抗氧化剂为2, 6-二叔丁基对甲酚、2,2’-亚甲基双（4-甲基-6-叔丁基苯酚）、四(3,5-二叔丁基-4-羟基)苯丙酸季戊四醇酯、β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸异辛醇酯、四苯基二丙二醇二亚磷酸酯、季戊四醇四(3-月桂基硫代丙酸酯)、硫代二丙酸双十八碳醇酯中的一种或任意几种混合。

8.根据权利要求1至3任一项所述的相变化导热界面材料，其特征在于，所述偶联剂为异丙基三(二辛基磷酸酰氧基)钛酸酯、异丙基三（二辛基焦磷酸酰氧基）钛酸酯、双(乙酰丙酮基)(二异丙基)钛酸酯、γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷。

9.一种相变化导热界面材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）将固体树脂、液态树脂、抗氧化剂和偶联剂依次放入容器中，边加热边搅拌，至混合均匀，得到均匀的液态混合物A；

2）将高导热性填料加入到步骤1）得到的混合物A中，在真空并加热条件下进行混合，得到均匀的液态混合物B；

3）将步骤2）得到的混合物B加工成薄片状，然后冷却至室温，即得到所述相变化导热界面材料，所述相变化导热界面材料呈薄片状；或

先将步骤2）得到的混合物B降温，然后加入稀释剂，进行搅拌至混合均匀，再冷却至室温，即得到所述相变化导热界面材料，所述相变化导热界面材料呈膏状；

其中，所述导热填料粉末、固体树脂、液态树脂、抗氧化剂、偶联剂、稀释剂的重量百分比为75%～93%：2%～8%：5%～15%：0.01%～1%：0.02%～2%：0%～15%。

10.根据权利要求9所述的相变化导热界面材料，其特征在于，在步骤1）中，所述加热后的温度为60～80℃，搅拌的时间为3分钟～30分钟；在步骤2）中，所述加热后的温度为80～120℃；混合的时间为20分钟～240分钟；在步骤3）中，所述降温后的温度为30～50℃，所述混合的时间为10分钟～120分钟。