CN102675824B - 绝缘导热组合物与电子装置 - Google Patents

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Abstract

本发明一实施例提供一种绝缘导热组合物，包括5～80重量份的树脂；20～95重量份的导热绝缘粉体；以及0.0001～2重量份的石墨烯。此外，本发明另一实施例还提供含有上述绝缘导热组合物的电子装置。

Description

绝缘导热组合物与电子装置
【技术领域】
本发明涉及导热材料，且特别是涉及绝缘导热组合物及其应用。
【背景技术】
近年来，随着科技与资讯的日新月异，电子产品的制造技术亦日渐进步。电子产品除了追求轻、薄、短、小的特性外，更朝着优越的性能迈进。
以电脑为例，随着半导体技术的进步，电脑内的集成电路(integratecircuit)的体积亦逐渐缩小。为了使集成电路能处理更多的资料，就相同体积的集成电路而言，现今的集成电路已可容纳比以往集成电路多数倍以上的电子元件。当集成电路内的电子元件数量越来越多时，电子元件运算时所产生的热能亦越来越大。
以电脑里的主机板上的中央处理器(Central Processing Unit，CPU)为例，中央处理器在高满载的工作量的状态下，中央处理器所散发出来的热度足以烧毁中央处理器本身。因此，若不能有效移除因操作电子元件所产生的废热，将会使电子元件温度提高而降低运作效率，甚至损伤电子元件。
因此，通常会使电子元件连接一散热装置，以使电子元件产生的热传导至散热装置，再经由热对流或热辐射等方式散热。然而，电子元件与散热装置的表面皆非平坦光滑的表面，故两者无法紧密贴合，而必然存在有缝隙。由于空气的导热性不良，因此，电子元件与散热装置之间的缝隙会大幅降低热传导效率。
【发明内容】
本发明一实施例提供一种绝缘导热组合物，包括5～80重量份的树脂；20～95重量份的导热绝缘粉体；以及0.0001～2重量份的石墨烯。
本发明另一实施例提供一种电子装置，包括发热元件；散热元件；配置于发热元件与散热元件之间的绝缘导热层，绝缘导热层的材质包括：5～80重量份的树脂；20～95重量份的导热绝缘粉体；以及0.0001～2重量份的石墨烯。
【附图说明】
图1绘示本发明一实施例的电子装置的示意图。
【主要附图标记说明】
100～电子装置；
110～发热元件；
120～散热元件；
130～绝缘导热层。
【具体实施方式】
以下以实施例并配合附图详细说明本发明，应了解的是以下的叙述提供许多不同的实施例或例子，用以实施本发明的不同方案。以下所述特定的元件及排列方式仅用以举例说明，而非用以限定本发明。在附图中，实施例的形状或是厚度仅用以说明，并非用以限定本发明。此外，图中未绘示或描述的元件，可为本技术领域技术人员所知的形式。
本发明的绝缘导热组合物包括石墨烯、树脂与导热绝缘粉体，其中由于石墨烯的导热性质良好，因此，可有效提升绝缘导热组合物的热传导值，但同时仍维持其相当程度的绝缘性质。此外，当本发明与现有的绝缘导热组合物的热传导值相同时，本发明的绝缘导热组合物中的导热绝缘粉体的使用量较低，故可具有较低的粘性与较佳的成型性。
本实施例的绝缘导热组合物包括5～80重量份的树脂、20～95重量份的导热绝缘粉体以及0.0001～2重量份的石墨烯。在一实施例中，绝缘导热组合物中具有0.01～1重量份的石墨烯，石墨烯的厚度例如约为0.2纳米至50纳米，石墨烯的长度(或宽度)则可为纳米尺度至微米尺度。在本实施例中，绝缘导热组合物的体积电阻系数大于1012欧姆-厘米。
值得注意的是，由于石墨烯为二维结构，因此，石墨烯具有极高的热传导值。本实施例通过添加少量的石墨烯，以使热能大部分在导热性较佳的导热绝缘粉体与石墨烯中传递，而大幅缩短热能在树脂中的传导路径，进而大幅提升热传导值。然而，添加过多石墨烯会使得绝缘导热组合物的绝缘特性下降，变成半导体甚至是导体，因此，石墨烯的添加量应在一适当的范围内，例如但不限于前文所述石墨烯的添加范围，尤其可使绝缘导热组合物的体积电阻系数大于1012欧姆-厘米为佳。
导热绝缘粉体可增加绝缘导热组合物的热传导率，导热绝缘粉体的材质例如为金属氧化物、陶瓷、钻石、木炭、或前述的组合。具体而言，导热绝缘粉体的材质包括氮化硼、氧化铝、氮化铝、氮化镁、氧化锌、碳化硅、氧化铍、钻石、碳化钨、或前述的组合。举例来说，本实施例的导热绝缘粉体可采用二种以上不同粒径和/或不同组成的粉体，以提高填充比并提高绝缘导热组合物的导热效率，但仍需维持其相当程度的绝缘性质。
树脂可使绝缘导热组合物具有各种特性，以符合其在各种不同用途中的需求，如绝缘性、机械强度、挠曲性、柔软性、或附着性等。树脂例如为有机树脂、无机树脂、或前述的组合。具体而言，树脂包括环氧树脂、硅氧烷树脂、聚酰亚胺树脂、聚氨脂树脂、硅氧烷树脂、乙烯-醋酸乙烯酯树脂、压克力树脂、高分子树脂、弹性体(elastomer)、橡胶、或前述的组合。
此处所用的石墨烯可为化学改性或物理改性的石墨烯，改性的石墨烯包含接枝有机分子及无机分子的改性石墨烯、或贴附有机分子及无机分子的改性石墨烯。
本发明的绝缘导热组合物可另外包括本技术领域所熟知的各种添加剂，以补强绝缘导热组合物的物理和/或化学性质。然而，当添加剂的用量过高时，会影响绝缘导热组合物的成形性或自粘性，造成加工困难，并导致导热能力下降。因此，本实施例的添加剂的重量优选小于树脂的重量的五分之一，举例来说，当树脂的重量为80重量份时，添加剂的重量优选小于16重量份。添加剂包括硬化剂、催化剂、消泡剂、抑制剂、抗氧化剂、耐燃剂、平坦剂、脱模剂、或前述的组合，其中催化剂与抑制剂是用来调控树脂硬化反应的速率及反应程度。
以下将详细介绍将前述绝缘导热组合物应用于电子装置的绝缘导热层中的实施例。
图1绘示本发明一实施例的电子装置的示意图。请参照图1，本实施例的电子装置100包括发热元件110、散热元件120、绝缘导热层130，其中绝缘导热层130配置于发热元件110与散热元件120之间，且绝缘导热层130的材质为本发明含有石墨烯的绝缘导热组合物。具体而言，绝缘导热层130的材质包括5～80重量份的树脂、20～95重量份的导热绝缘粉体、以及0.0001～2重量份的石墨烯。
发热元件110例如为应用于消费性3C、工业、汽车、医疗、航空、及通讯等领域的电子产品，例如主机板、中央处理器(CPU)、晶片、或显示器等，或者是其他的发热装置，例如发光二极管、金属线路、热机、冷机、或是引擎。
发热元件110上的散热元件120可有助于快速移除发热元件110于运作时所累积的热能，因此，可避免发热元件110受到累积的热能的影响而导致性能下降甚至损坏。散热元件120例如为散热鳍片、风扇、金属片、热导管、或前述的组合、或是其他适合的散热元件。
配置于发热元件110与散热元件120之间的绝缘导热层130可紧密贴合发热元件110与散热元件120，以填补两者之间的缝隙，进而有效提升两者之间的热传导，并可作为发热元件110与散热元件120之间的电性绝缘层(electric isolating layer)。
以下将介绍前述绝缘导热组合物的多个实施例与多个比较例。
下述实施例与比较例系依据ISO22007的Hot disk Standard Method测量热传导值，并使用TA AR-G2 RHEOMETER测量黏度。下述实施例与比较例的绝缘导热组合物的物性如热传导值、电阻值、粘度均表列于表1中。
下述实施例与比较例系使用相同种类的环氧树脂(EPON828，化学式如下式1所示，购自Shell)与胺类硬化剂(D2000，化学式如下式2所示，购自Huntsman)。
EPON828的化学式如式1所示，其中n约为1～2：
D2000的化学式如式2所示，其中x约为33：
实施例1
将9克的环氧树脂及24克的胺类硬化剂置入250毫升的反应器后快速搅拌均匀，再缓慢加入187克氧化铝粉体，以形成一混合物。上述混合物经快速搅拌5分钟、再加入50毫克石墨烯(Graphene，厚度为2～3nm)并高速搅拌均匀后，再经滚筒加工分散三次，然后，置于150℃的烘箱2小时使之硬化，即得高热传导的绝缘导热组合物。绝缘导热组合物的粉体固含量约为85wt％。由表1可知，其热传导值为3.2W/mK。
实施例2
将9克的环氧树脂及24克的胺类硬化剂置入250毫升的反应器后快速搅拌均匀，再缓慢加入187克氮化硼粉体，以形成一混合物。上述混合物经快速搅拌5分钟、再加入50毫克石墨烯(Graphene，厚度为2～3nm)并高速搅拌均匀后，再经滚筒加工分散三次，然后，置于150℃的烘箱2小时使之硬化，即得高热传导的绝缘导热组合物，其粉体固含量约为85wt％。由表1可知，其热传导值为3.7W/mK。
比较例1
将9克的环氧树脂及24克的胺类硬化剂置入250毫升的反应器后快速搅拌均匀，再缓慢加入187克氧化铝粉体，以形成一混合物。上述混合物经快速搅拌5分钟，再经滚筒加工分散三次后，置于150℃的烘箱2小时使之硬化，即得绝缘导热组合物，其粉体固含量约为85wt％。
由表1可知，比较例1的绝缘导热组合物的热传导值为2W/mK。实施例1与比较例1的绝缘导热组合物的性质经比较可知，添加少量约0.05wt％的石墨稀可大幅增加热传导值，而电阻值依然维持不下降。
比较例2
将9克的环氧树脂及24克的胺类硬化剂置入250毫升的反应器后快速搅拌均匀，再缓慢加入187克氮化硼粉体，以形成一混合物。上述混合物经快速搅拌5分钟，再经滚筒加工分散三次后，置于150℃的烘箱2小时使之硬化，即得绝缘导热组合物，其粉体固含量约为85wt％。
由表1可知，其热传导值为2.6W/mK。实施例2与比较例2的绝缘导热组合物的性质经比较可知，添加少量约0.05wt％的石墨烯可大幅增加热传导值，而电阻值依然维持不下降。
比较例3
将9克的环氧树脂及24克的胺类硬化剂置入250毫升的反应器后快速搅拌均匀，再缓慢加入297克氧化铝粉体，以形成一混合物。上述混合物经高速搅拌均匀后，再经滚筒加工分散三次，之后，置于150℃的烘箱2小时使之硬化，即得绝缘导热组合物，其粉体固含量约为90wt％。
由表1可知，绝缘导热组合物的热传导值为3.3W/mK，其粘度已达300万cP(centi Poise)，故其难以加工成型。
比较例4
将9克的环氧树脂及24克的胺类硬化剂置入250毫升的反应器后快速搅拌均匀，再加入50毫克石墨(Graphite)并高速搅拌均匀后，再缓慢加入187克氧化铝粉体，以形成一混合物。上述混合物经高速搅拌均匀后，再经滚筒加工分散三次，之后，置于150℃的烘箱2小时使之硬化，即得绝缘导热组合物，其粉体固含量约为85wt％。
由表1可知，比较例4的绝缘导热组合物的热传导值为2.1W/mK，由此可知，加入50毫克的石墨(0.05wt％)无法提升热传导值。
比较例5
将9克的环氧树脂及24克的胺类硬化剂置入250毫升的反应器后快速搅拌均匀，再加入4.8克石墨并高速搅拌均匀，然后，再缓慢加入183克氧化铝粉体，以形成一混合物。上述混合物经高速搅拌均匀后，再经滚筒加工分散三次，之后，置于150℃的烘箱2小时使之硬化，即得绝缘导热组合物，其粉体固含量约为85wt％。
由表1可知，绝缘导热组合物的热传导值为4.2W/mK。由此可知，加入4.8克的石墨(2.2wt％)可提升绝缘导热组合物的热传导值，但其体积电阻也大幅下降(1.5x1010Ω-cm)，而无法有效绝缘。
表1
综上所述，本发明通过在绝缘导热组合物中加入少量导热性质良好的石墨烯，以有效提升绝缘导热组合物的整体导热性质，但仍维持其相当程度的绝缘性质。此外，添加石墨烯可减少绝缘导热组合物中的导热绝缘粉体的使用量，并维持热传导值，故本发明的绝缘导热组合物可具有较低的粘性与较佳的成型性。另外，将本发明的绝缘导热组合物配置于发热元件与散热元件之间可紧密贴合发热元件与散热元件，进而有效提升两者之间的热传导。
虽然本发明已以优选实施例披露如上，然其并非用以限定本发明的范围，任何本发明所属技术领域中的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，应可作些许的更动与润饰。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求书限定的范围为准。

Claims (8)

1.一种绝缘导热组合物，包括：
5～80重量份的树脂，其中该树脂包括环氧树脂、硅氧烷树脂、聚酰亚胺树脂、聚氨酯树脂、乙烯-醋酸乙烯酯树脂、压克力树脂、弹性体或前述的组合；
20～95重量份的导热绝缘粉体，其中该导热绝缘粉体的材质包括氮化硼、氧化铝、氮化铝、氮化镁、氧化锌、碳化硅、氧化铍、钻石、碳化钨、或前述的组合；以及
0.0001～2重量份的石墨烯，其中该石墨烯包含改性的石墨烯，该改性的石墨烯包含接枝有机分子及无机分子的改性石墨烯、或贴附有机分子及无机分子的改性石墨烯。
2.如权利要求1所述的绝缘导热组合物，其中该石墨烯的厚度为0.2纳米至50纳米。
3.如权利要求1所述的绝缘导热组合物，其中该石墨烯为0.01～1重量份。
4.如权利要求1所述的绝缘导热组合物，其中该绝缘导热组合物的体积电阻系数大于1012欧姆-厘米。
5.如权利要求1所述的绝缘导热组合物，还包括：
添加剂，包括硬化剂、催化剂、消泡剂、抑制剂、抗氧化剂、耐燃剂、平坦剂、脱模剂、或前述的组合。
6.一种电子装置，包括：
发热元件；
散热元件；
绝缘导热层，其配置于该发热元件与该散热元件之间，该绝缘导热层的材质包括：
5～80重量份的树脂，其中该树脂包括环氧树脂、硅氧烷树脂、聚酰亚胺树脂、聚氨酯树脂、乙烯-醋酸乙烯酯树脂、压克力树脂、弹性体或前述的组合；
20～95重量份的导热绝缘粉体，其中该导热绝缘粉体的材质包括氮化硼、氧化铝、氮化铝、氮化镁、氧化锌、碳化硅、氧化铍、钻石、碳化钨、或前述的组合；以及
0.0001～2重量份的石墨烯，其中该石墨烯包含改性的石墨烯，该改性的石墨烯包含接枝有机分子及无机分子的改性石墨烯、或贴附有机分子及无机分子的改性石墨烯。
7.如权利要求6所述的电子装置，其中该发热元件包括晶片、中央处理器、主机板、显示器、发光二极管、金属线路、热机、冷机、或引擎。
8.如权利要求6所述的电子装置，其中该散热元件包括风扇、热导管、散热鳍片、金属片或前述的组合。
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