CN103289651A - 热传导膏 - Google Patents
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Abstract
一种热传导膏，包括一载体、至少一石墨烯片及多个填充物，该石墨烯片及该填充物分散于该载体中，且至少一部分的该填充物与该石墨烯片的表面相接触。借助于石墨烯材料极高的热传导系数，且通过该石墨烯片特有的二维结构，而提供连续性的长距离热传导路径，使该热传导膏的热性质获得大幅改善。
Description
技术领域
本发明涉及一种热传导膏，尤指一种含片状石墨烯的热传导膏。
背景技术
综观现今较为重要的工业技术，不论是已处于成熟发展地位的电脑产品；或市场需求逐渐扩增的发光二极管照明设备；还是以节能环保为诉求而引发高度关注的太阳能电池，无一不受热传导的问题所扰。为解决前述问题，一般是将具有高热传导系数的材料设置于靠近热源处，或直接接触热源，以将热能迅速带离。
依相态(Phase)区分，热传导材料主要包括固态的块材(Bulk material)或具有流动性的流体，就优劣而言，块材的热传导性能较好，但却有成形性的问题，即其较难与结合在已完成制造的电子元件，举例而言，为达更佳的导热效果，如欲直接将热传导材料形成在电子元件的表面上，须通过烧结制程将热传导材料的复合粉体(Composite powder)结合于电子元件，因此必须在电子元件无法承受的摄氏数百度甚至超过摄氏千度的温度下进行，故具有制程上的问题；反观，流体虽拥有成形上的便利性，但其热传导效果却较块材差。
以流体状的热传导材料来说，如美国专利公开第US 2010/0022423号，提供一种纳米钻石导热膏，包括一纳米钻石粉末、一导热粉末及一基材，该纳米钻石粉末具有介于5％至30％之间的体积百分比，该导热粉末具有介于40％至90％之间的体积百分比，该基材具有介于5％至30％之间的体积百分比。该导热粉末可为金属粉末、金属氧化物粉末、碳化物粉末或硅化合物粉末等，如铜、铝、镍、氧化铝、氧化锌、二氧化钛、石墨、碳化硅，碳化铝、二氧化硅等，该基材可为多乙酸乙烯酯(Polyvinylacetate)、聚乙烯(Polyethylene)、丙烯酸脂(Acrylate)、聚丙烯(Polypropylene，PP)、环氧树脂(Epoxy resin)、聚甲醛(Polyformaldehyde)、聚乙烯醇(Polyvinyl alcohol，PVA)、烯烃树脂(Olefin resin)、硅油(Siliconoil)、甘油(Glycerin)、橄榄油(Olive oil)、石蜡油(Paraffin oil)或硬脂酸(Stearic acid)等。
此外，也有如美国专利公开第US 2011/0039738号，提供一种热传导的硅胶组成，主要包括两种有机多分子硅氧烷(Organopolysiloxane)及一导热填充物，其中，该导热填充物可为金属或金属氧化物的粉末，如银粉末、金粉末、铜粉末、铝粉末、氧化铝粉末、氧化锌粉末或氮化铝粉末等，该硅胶的热传导系数约可达4.2W/mK至8.5W/mK之间。另如美国专利公告第US 6,265,471号及公开第US 2007/0256783号，揭示一种具有导热效果的黏着剂，主要包括一有机树脂、一逸散性流体(Fugitive fluid)以及一无机填充物，该有机树脂可为热固性或热塑性树脂，该无机填充物可为球状或片状，且优选地为银，该逸散性流体的用途为增加该黏着剂的分散性，其中，该粘着剂的热传导系数约可达40W/mK以上。
虽前述现有技术可改善流体状热传导材料的热性质，然而为适应消费者需求及产品间的竞争，电子元件持续朝高效能、轻薄化、高可靠度及稳定性的目标迈进，此相对使电子元件对于热传导材料的热效能的要求日趋升高，因此，在实际应用上，其仍有不足且尚待改进处。
发明内容
本发明的主要目的，在于解决已知热传导膏的热传导性质不佳的问题。
为达上述目的，本发明提供一种热传导膏，包括一载体、至少一分散于该载体中的石墨烯片以及多个分散于该载体中的填充物，其中，至少一部分的该填充物与该石墨烯片的表面相接触。
根据本发明的一实施例，该填充物为择自由钻石、六方氮化硼、立方氮化硼、氮化铝、氧化铝、二氧化硅及碳化硅所组成的群组。
根据本发明的一实施例，该填充物为择自由银、金、铜及铝所组成的群组。
根据本发明的一实施例，该载体为择自由硅油、环氧树脂及苯并环丁烯所组成的群组。
根据本发明的一实施例，其中还包括一与该载体相混合的耦合剂。且该耦合剂择自由乙烯基硅烷及氨基硅烷的混合物、油醇聚乙二醇醚、乙氧基油醇、聚乙二醇辛酚醚、聚乙二醇、2-丁酮、4-甲基-2-戊酮、乙晴、丙酮以及N，N-二甲基甲酰胺所组成的群组。
根据本发明的一实施例，该填充物的形状择自由粉体、块状及碎片所组成的群组。
由以上可知，本发明热传导膏相较于现有技术可达到的有益效果在于：
一、首先，通过石墨烯材料极高的热传导系数(优于钻石、纳米碳管)，使得该热传导膏的热传导系数获得显著的提升，明显优于现有流体状的热传导材料。
二、其次，一般热传导膏是以热传导颗粒与树脂相混而成，其热传导颗粒彼此之间以树脂相隔，在一定距离(或空间)内的相界面数量多，又因树脂本身的热传导效果不佳，故导致热传导膏整体的热传导系数不高；反观，于本发明中，由于该石墨烯片于该热传导膏的空间中呈连续结构的二维片状，并不会有相界面的问题，因此，本发明可达良好的热传导效果。
三、最后，通过与适当的该填充物相混，如银、金或铜等金属，可搭配石墨烯材料极高的导电率，提供兼备高热传导及高电传导的流体状材料。
具体实施方式
本发明涉及一种热传导膏，适合应用在任何可能发出热能的热源，例如半导体、晶体管、集成电路、印刷电路板等各种电子元件，或如发光二极管、高强度气体放电灯等发光元件。本发明除作为散热的用途外，也可用于任何需要进行热能转移的技术或产品。
该热传导膏包括一载体、至少一石墨烯片及多个填充物，该载体可为硅油(Silicone oil)、环氧树脂(Epoxy resin)、苯并环丁烯(Benzocyclobutene)或前述材料的混合物，该载体在常温下具有一定黏度的流体，以提供流动性。该填充物为具有热传导能力的金属材料、陶瓷材料或其复合材料，优选地，金属颗粒可使用银、金、铜、铝或其复合材料等，陶瓷颗粒可使用钻石、六方氮化硼、立方氮化硼、氮化铝、氧化铝或碳化硅等。其中，该填充物须至少一部分与该石墨烯片的表面相接触，以将热能通过该石墨烯片快速传导，而于本发明中，该石墨烯片可为单层原子的石墨烯，或为多层原子的石墨烯堆叠而成。
此外，该填充物的形状可为粉体、块状或碎片，本发明所称的粉体及块状，是泛指巨观上呈现颗粒形貌的物质，其差异应在于粒径(Particlesize)的不同，具体而言，块状的粒径大于粉体。又粉体可采用纳米级或微米级的颗粒，倘以微观上的形貌而言，根据不同的制备方法，粉体及块状可呈球状(如气喷雾粉)或不规则状(如水喷雾粉)。至于本发明所述的碎片，是指实质上呈平板状的物质，其尺寸也可选自纳米至微米等级。根据实际应用考虑，该热传导膏的该填充物可为单一尺寸范围，或为多种尺寸范围相混合。
在制造上，可直接将该填充物及该石墨烯片加入该载体的中，并使用适当的分散或混合搅拌设备进行混合，例如采EXAKT生产的三滚筒研磨设备(Three roll mills)。也可先对该填充物及该石墨烯片进行干式或湿式混合，再将混合物加入该载体。实际工艺参数，如混合时间、温度等，均须视所选用的该载体、该填充物及该石墨烯片的物性及比例做调整，此应为本技术领域的公知常识，故不在此另行赘述。
此外，为增加该填充物于该载体中的分散性，该热传导膏可与一耦合剂相混合，该耦合剂可为乙烯基硅烷及氨基硅烷的混合物、油醇聚乙二醇醚(Oleyl alcohol polyethylene glycol ether)、乙氧基油醇(Oleyl alcoholethoxylated)、聚乙二醇辛酚醚(Octyl phenol ethoxylated(9.4))、聚乙二醇(Polyethylene Glyco1)、2-丁酮、4-甲基-2-戊酮、乙晴、丙酮或N，N-二甲基甲酰胺(N，N-dimethylformamide，简称DMF)等，优选地，该耦合剂先与该填充物混合，增加该填充物表面的润湿性。除添加该耦合剂外，也可以搭配超音波震荡设备，使该填充物彼此间在该载体保持适当的距离。换句话说，该填充物优选地为均匀分布在该载体内。
本发明的该填充物，应尽量避免团聚(Aggregation)的发生，尤其是当该填充物的粒径较小而内聚力(Cohesion force)上升。具体而言，若使用粉体或块状等实质上接近球状的材料，优选地为大部分的该填充物彼此间以点接触的状态分散于该载体内，且在空间分布中，球心间的距离大致相同；假使采用如碎片等实质上为平板状的材料，其优选地彼此间以面接触的状态存在于该载体内，如此方可增加该填充物的接触面积。
综上所陈，本发明热传导膏主要使用该石墨烯片搭配具有导热能力的该填充物，通过石墨烯材料具有极高的热传导系数(高于4,500W/mK)，提升整体热传导效果。由于石墨烯材料在机械性质上，还同时具备高强度及挠曲性，故于均匀混合于该载体后，仍可保有平面结构，此种呈连续结构的二维片状，可降低因相界面的形成而导致热传导系数下降的问题，以发挥该石墨烯片原有的热性质。此外，通过选用具有高导电性的该填充物，可搭配石墨烯材料极高的导电率，提供兼备高热传导及高电传导的流体状材料。
以上已将本发明做一详细说明，然而以上所述者，仅为本发明的优选实施例而已，当不能限定本发明实施的范围。即凡依本发明权利要求范围所作的均等变化与修饰等，皆应仍属本发明的专利涵盖范围内。
Claims (7)
1.一种热传导膏，其特征在于，包括有：
一载体；
至少一分散于所述载体中的石墨烯片；以及
多个分散于所述载体中的填充物；
其中，至少一部分的所述填充物与所述石墨烯片的表面相接触。
2.根据权利要求1所述的热传导膏，其特征在于，所述填充物择自由钻石、六方氮化硼、立方氮化硼、氮化铝、氧化铝及碳化硅所组成的群组。
3.根据权利要求1所述的热传导膏，其特征在于，所述填充物择自由银、金、铜及铝所组成的群组。
4.根据权利要求1所述的热传导膏，其特征在于，所述载体择自由硅油、环氧树脂及苯并环丁烯所组成的群组。
5.根据权利要求1所述的热传导膏，其特征在于，还包括一与所述载体相混合的耦合剂。
6.根据权利要求5所述的热传导膏，其特征在于，所述耦合剂择自由乙烯基硅烷及氨基硅烷的混合物、油醇聚乙二醇醚、乙氧基油醇、聚乙二醇辛酚醚、聚乙二醇、2-丁酮、4-甲基-2-戊酮、乙晴、丙酮以及N，N-二甲基甲酰胺所组成的群组。
7.根据权利要求1所述的热传导膏，其特征在于，所述填充物的形状择自由粉体、块状及碎片所组成的群组。
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