CN103497739A - 导热膏及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种导热膏及其制备方法。该导热膏按质量百分比计，包括基体8%～20%、表面处理剂0.1%～3%、粘度调节剂0.5%～3%及余量的导热填料。上述导热膏通过采用合适的组分和配比，在保证较高的导热系数的前提下，能够获得较高的填充度及合适的粘度，使得该导热膏的涂覆性能和浸润性较好，从而获得较低的热阻抗。因此，上述导热膏的导热系数较高，热阻抗较低。

Description

导热膏及其制备方法

技术领域

本发明涉及热界面导热材料，特别是涉及一种导热膏及其制备方法。

背景技术

随着集成电路的小型化、高功率化及高集成度，电子元器件的组装密度持续增加，在提供强大使用功能的同时，也导致其工作功耗和发热量的急剧增大。有数据表明，由于过热引起的CPU失效占CPU失效总数的比例高达55%。因此，为了确保敏感器件的运行可靠性和长寿命，必须保证发热电子元器件所产生的热量能够及时的排出。

为解决发热电子元件的散热问题，工业界在电子元件表面安置散热装置来对元器件进行散热。但是，限于现在的工业生产技术，电子元器件与散热片之间的接触面不能达到理想的平整面。空气会存在于二者之间的界面缝隙中，增加界面热阻，严重阻碍了热量的传导，影响整体的散热效果。鉴于此，开发出了多种类型的热界面材料来填补发热面和散热面结合或接触时产生的微观空隙及表面凹凸不平的孔洞，减少热传的阻抗，提高系统散热性能。

导热膏是一种普遍应用在热源和散热器接口处的热界面材料。常用的导热膏是基体和新型金属氧化物、石墨、陶瓷材料等导热填料组成的膏状物。导热填料互联形成的导热网络赋予导热膏相对较高的导热性。因此，在导热膏中尽可能多地填充导热填料能够显著地提升其导热系数。但是过多的导热填料会使导热膏粘度增大，导致导热膏的涂覆性、浸润性、与界面的形状配合性降低，反而会导致导热膏使用时的接触热阻抗增大。因此，综合性能优异的导热膏不仅需要具有高的导热系数，还必须具备较低的热阻抗，但是业界多关注导热膏的导热系数，对于热阻抗的关注则较少。

发明内容

基于此，有必要提供一种导热系数较高、热阻抗较低的导热膏。

进一步，提供一种导热膏的制备方法。

一种导热膏，按质量百分比计，包括如下组分：

在其中一个实施例中，所述基体为有机聚硅氧烷。

在其中一个实施例中，所述有机聚硅氧烷为二甲基硅油、氨基硅油及苯基硅油中的至少一种。

在其中一个实施例中，所述表面处理剂选自硅烷偶联剂、硅烷交联剂、钛酸酯偶联剂及铝酸酯偶联剂中的至少一种。

在其中一个实施例中，所述粘度调节剂选自羧酸有机胺、不饱和聚羧酸胺盐、BYK-161、聚硅氧烷-聚醚共聚物、丙烯酸酯共聚物及长链烷基硅油中的至少一种。

在其中一个实施例中，所述导热填料选自无机氮化物粉末、无机氧化物粉末、金属单质粉末及非金属粉末中的至少一种。

在其中一个实施例中，所述导热填料的粒径范围为0.02μm～200μm。

一种导热膏的制备方法，包括如下步骤：

用表面处理剂对导热填料进行表面处理；

将基体和粘度调节剂进行混合，得到第一混合物；

将经过表面处理的导热填料加入所述第一混合物中，搅拌均匀后进行真空加热除泡，得到第二混合物；及

将所述第二混合物进行研磨分散，得到所述导热膏；其中，所述基体、表面处理剂和粘度调节剂的质量百分比分别为8%～20%、0.1%～3%和0.5%～3%，余量为导热填料。

用表面处理剂对导热填料进行表面处理的步骤是采用湿法或喷雾法对导热填料进行表面处理。

上述导热膏，通过采用合适的组分和配比，在保证较高的导热系数的前提下，能够获得较高的填充度及合适的粘度，使得该导热膏的涂覆性能和浸润性较好，从而获得较低的热阻抗。因此，上述导热膏的导热系数较高，热阻抗较低。

附图说明

图1为一实施方式的导热膏的制备方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合图表对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

一实施方式的导热膏，按质量百分比计，包括基体8%～20%、表面处理剂0.1%～3%、粘度调节剂0.5%～3及余量的导热填料。

基体为有机聚硅氧烷，优选为二甲基硅油、氨基硅油及苯基硅油中的至少一种，更优选为二甲基硅油。

选用质量百分比为8%～20%的上述基体，有利于控制导热膏的粘度在合适的范围，以获得较低的接触热阻抗。

优选地，选用在25℃下，粘度为50～5000mm²/s的基体，有利于控制导热膏的粘度。

表面处理剂选自硅烷偶联剂、硅烷交联剂、钛酸酯偶联剂及铝酸酯偶联剂中的至少一种。其中，硅烷偶联剂可以为KH550，钛酸酯偶联剂优选为KR-138。

粘度调节剂选自羧酸有机胺、不饱和聚羧酸胺盐、BYK-161、聚硅氧烷-聚醚共聚物、丙烯酸酯共聚物和长链烷基硅油中的至少一种。

导热填料选自无机氮化物粉末、无机氧化物粉末、金属单质粉末及非金属粉末中的至少一种。

其中，无机氮化物粉末优选为氮化铝粉末或氮化硼粉末。无机氧化物粉末优选为氧化铝粉末、氧化锌粉末或氧化钛粉末。金属粉末优选为铝粉、银粉或铜粉。非金属粉末优选为石墨。

上述导热填料的导热性能较为优良，能够保证该导热膏具有较好的导热性能。

优选地，上述导热填料的粒径范围为0.02μm～200μm，以便能够较好地分散于基体中，有利于提高导热膏涂覆性和浸润性及与界面形状的配合性。更优选地，上述导热填料的粒径为0.05μm～100μm。

优选地，上述导热填料的粒径具有分级分布。导热填料为一种导热粉末时，其最大粒径与最小粒径的尺寸比例范围为1.2～300，优选为1.5～100。导热填料为两种或两种以上的导热粉末组成时，不同物质的粉末粒径差不大于50μm，优选不大于25μm。以保证导热填料在基体中的高填充。

上述导热膏，通过引入表面处理剂和粘度调节剂，并采用合适的组分和配比，在保证较高的导热系数的前提下，能够获得较高的填充度及合适的粘度，使得该导热膏的涂覆性能和浸润性较好，从而获得较低的热阻抗。因此，上述导热膏的导热系数较高、热阻抗较低。

因此，上述导热膏能够广泛应用于集成电路电子元器件的散热中，提高敏感器件的运行可靠性和使用寿命。

请参阅图1，一实施方式的导热膏的制备方法，包括如下步骤：

步骤S110：用表面处理剂对导热填料进行表面处理。

用表面处理剂对导热填料进行表面处理，可以采用湿法或喷雾法进行表面处理。

表面处理剂与基体的质量比为0.1～3:8～20。

用湿法进行表面处理的步骤为：首先配制表面处理剂的无水乙醇溶液，然后将导热填料加入该表面处理剂的无水乙醇溶液中，加热回流反应2～8小时后，过滤、用乙醇洗涤滤渣，并干燥，再用搅拌机打碎结块的粉体得到蓬松分散的粉体，即经过表面处理的导热填料。

湿法表面处理，表面处理剂的无水乙醇溶液的浓度为5～20mg/mL。

用喷雾法进行表面处理的步骤为：首先配制表面处理剂的无水乙醇溶液，然后将导热填料放入高速搅拌机中进行高速分散得到分散的粉体，然后将该表面处理剂的无水乙醇溶液以喷雾的方式喷洒于粉体表面，然后于80℃下烘干2小时，中间搅拌粉体，乙醇完全挥发后得到蓬松分散的粉体，即经过表面处理的导热填料。

喷雾法表面处理，表面处理剂的无水乙醇溶液的浓度为10～100mg/mL。

湿法表面处理因表面处理液体与粉体充分接触和反应，而获得比喷雾法更好的改性效果，从而使得导热膏的粘度得到更好的控制并获得更优异的导热性能。优选采用湿法对导热填料进行表面处理。

步骤S120：将基体和粘度调节剂进行混合，得到第一混合物。

将基体和粘度调节剂按质量比8～20:0.5～3进行混合，搅拌均匀，得到第一混合物。

按照预定的粘度值选择粘度调节剂的种类和用量，以获得不同粘度的导热膏。

可以理解，步骤S110和步骤S120的顺序不分先后，在其他实施方式中，也可以先进行步骤S120，再进行步骤S110，或者，也可以同时进行步骤S110和步骤S120。

步骤S130：将经过表面处理的导热填料加入第一混合物中，搅拌均匀后进行真空加热除泡，得到第二混合物。

优选采用双行星搅拌机或小型捏合机进行混合搅拌，以将经过表面处理的导热填料和第一混合物充分搅拌均匀。

搅拌均匀后，在真空状态下加热除泡，得到第二混合物。

优选地，真空范围为0Mpa～0.2Mpa，更优选为0.02Mpa～0.1Mpa。加热的温度为40℃～120℃，更优选为50℃～90℃。加热时间优选为15min～1h。

步骤S140：将第二混合物进行研磨分散，得到导热膏；其中，基体、表面处理剂和粘度调节剂的质量百分比分别为8%～20%、0.1%～3%和0.5%～3%，余量为导热填料。

将第二混合物放置于三辊研磨机上进行研磨分散，得到导热膏。导热膏中中，基体、表面处理剂和粘度调节剂的质量百分比分别为8%～20%、0.1%～3%和0.5%～3%，余量为导热填料。

研磨分散的时间可因加入原料的多少而不同，当第二混合物达到均质分散即可。

上述导热膏的制备方法通过粘度控制和表面处理，能够保证导热系数较高的前提下，制备得到热阻抗较低的导热膏。

上述导热膏的制备方法工艺简单，易于大规模应用。

以下通过具体实施例进一步阐述。

实施例1

制备导热膏

（1）配制浓度为12mg/mL的表面处理剂的无水乙醇溶液(表面处理剂的质量为12g)，然后将555g导热填料加入该表面处理剂的无水乙醇溶液中，加热回流反应4小时后，过滤，用乙醇洗涤滤渣，然后用烘箱干燥得到粉体，再用搅拌机打碎结块的粉体得到蓬松分散的粉体，该蓬松分散的粉体即为经过表面处理的导热填料。其中，表面处理剂为硅烷基偶联剂KH550，导热填料包括380g粒径为2μm～15μm的氮化铝粉、55g粒径为200nm～1.3μm的球状氧化铝粉及质量和为120g、粒径分别为100～300nm和200nm～2.6μm的两种氧化锌粉，两种氧化锌粉的质量比为2:3；

（2）将100g基体和6g粘度调节剂进行混合，得到第一混合物。其中，基体为粘度为500mm²/s的二甲基硅油，粘度调节剂为聚硅氧烷-聚醚共聚物；

（3）将经过表面处理的导热填料加入上述第一混合物中，搅拌均匀后，在真空度为0.08Mpa，温度为60℃下进行真空加热除泡0.5小时，得到第二混合物。

（4）将上述第二混合物置于三辊研磨机上研磨分散4遍，得到导热膏。

实施例2

制备导热膏

（1）配制浓度为60mg/mL的表面处理剂的无水乙醇溶液(表面处理剂的质量为12g)，将555g导热填料放入高速搅拌机中进行高速分散，然后将该表面处理剂的无水乙醇溶液以喷雾的方式喷洒于粉体表面，然后于80℃下烘干2小时，中间搅拌粉体，乙醇完全挥发后得到蓬松分散的粉体，该蓬松分散的粉体即为经过表面处理的导热填料。其中，表面处理剂为硅烷偶联剂KH550，导热填料包括380g粒径为2μm～15μm的氮化铝粉、55g粒径为200nm～1.3μm的球状氧化铝粉及质量和为120g、粒径分别为100～300nm和200nm～2.6μm的两种氧化锌粉，两种氧化锌粉的质量比为1:1。

（2）将120g基体和8g粘度调节剂进行混合，得到第一混合物。其中，基体为粘度为500mm²/s的二甲基硅油，粘度调节剂为长链烷基硅油；

（3）将经过表面处理的导热填料加入上述第一混合物中，搅拌均匀后，在真空度为0.02Mpa，温度为90℃下进行真空加热除泡15min，得到第二混合物。

（4）将上述第二混合物放置于三辊研磨机上进行研磨分散三遍，得到导热膏。

实施例3

制备导热膏

（1）配制浓度为10mg/mL的表面处理剂的无水乙醇溶液(表面处理剂的质量为13g)，然后将555g导热填料加入该表面处理剂的无水乙醇溶液中，加热回流反应8小时后，过滤，用乙醇洗涤滤渣，然后用烘箱干燥得到粉体，再用搅拌机打碎结块的粉体得到蓬松分散的粉体，该蓬松分散的粉体即为经过表面处理的导热填料。其中，表面处理剂为质量比为3:2的硅烷偶联剂KH550和钛酸酯偶联剂KR-138，导热填料包括380g粒径为2μm～15μm的氮化铝粉、55g粒径为200nm～1.3μm的球状氧化铝粉及质量和为120g、粒径分别为100～300nm和200nm～2.6μm的两种氧化锌粉，两种氧化锌粉的质量比为1:3；

（2）将100g基体和8g粘度调节剂进行混合，得到第一混合物。其中，基体为粘度为500mm²/s的二甲基硅油，粘度调节剂为质量比为3:1的长链烷基硅油和不饱和聚羧酸胺盐；

（3）将经过表面处理的导热填料加入上述第一混合物中，搅拌均匀后，在真空度为0.1Mpa，温度为50℃下进行真空加热除泡1h，得到第二混合物。

（4）将上述第二混合物放置于三辊研磨机上进行研磨4遍，得到导热膏。

实施例4

制备导热膏

（1）配制浓度为8mg/mL的表面处理剂的无水乙醇溶液(表面处理剂的质量为10g)，然后将700g导热填料加入该表面处理剂的无水乙醇溶液中，加热回流反应6小时后，过滤，用乙醇洗涤滤渣，然后用烘箱干燥得到粉体，再用搅拌机打碎结块的粉体得到蓬松分散的粉体，该蓬松分散的粉体即为经过表面处理的导热填料。其中，表面处理剂为硅烷偶联剂KH550，导热填料包括550g粒径为1.2μm～8μm的片状氧化铝粉及质量和为150g质量比为1:3粒径分别为100～300nm和200nm～2.6μm的两种氧化锌粉，两种氧化锌粉的质量比为1:3；

（2）将100g基体和6g粘度调节剂进行混合，得到第一混合物。其中，基体为质量比为9:1的500mm²/s二甲基硅油和1000mm²/s苯基硅油混合物，粘度调节剂为聚硅氧烷-聚醚共聚物；

（3）将经过表面处理的导热填料加入上述第一混合物中，搅拌均匀后，在真空度为0.2Mpa，温度为40℃下进行真空加热除泡，得到第二混合物。

（4）将上述第二混合物置于三辊研磨机上进行研磨3遍，得到导热膏。

实施例5

制备导热膏

（1）配制浓度为55mg/mL的表面处理剂的无水乙醇溶液(表面处理剂的质量为12g)，然后将700g导热填料加入该表面处理剂的无水乙醇溶液中，加热回流反应4小时后，过滤，用乙醇洗涤滤渣，然后用烘箱干燥得到粉体，再用搅拌机打碎结块的粉体得到蓬松分散的粉体，该蓬松分散的粉体即为经过表面处理的导热填料。其中，表面处理剂为钛酸酯偶联剂KR-138，导热填料包括550g粒径为1.2μm～8μm的片状氧化铝粉及质量和为150g、粒径分别为100～300nm和200nm～2.6μm的两种氧化锌粉，两种氧化锌粉的质量比为2:3；

（2）将120g基体和6g粘度调节剂进行混合，得到第一混合物。其中，基体为质量比25:4的500mm²/s二甲基硅油和2000mm²/s氨基硅油，粘度调节剂为长链烷基硅油；

（3）将经过表面处理的导热填料加入上述第一混合物中，搅拌均匀后，在真空度为0.08Mpa，温度为60℃下进行真空加热除泡45min，得到第二混合物。

（4）将上述第二混合物放置于三辊研磨机上进行研磨3遍，得到导热膏。

对比例1

制备导热膏

将100g基体和550g导热填料混合均匀，混合物置于三辊研磨机上进行研磨4遍，得到导热膏。其中，基体为粘度为100mm²/s的二甲基硅油，导热填料包括380g粒径为2μm～15μm的氮化铝粉、55g粒径为200nm～1.3μm的球状氧化铝粉及质量和为120g、粒径分别为100～300nm和200nm～2.6μm的两种氧化锌粉的质量比为2:3。

对比例2

制备导热膏

将100g基体和550g导热填料混合均匀，混合物置于三辊研磨机上进行研磨4遍，得到导热膏。其中，基体为粘度为500mm²/s的二甲基硅油，导热填料包括380g粒径为2μm～15μm的氮化铝粉、55g粒径为200nm～1.3μm的球状氧化铝粉及质量和为120g、粒径分别为100～300nm和200nm～2.6μm的两种氧化锌粉，两种氧化锌粉的质量比为1:1。

对实施例1～5和对比例1～2的导热膏，做以下测试：

（1）粘度测试

室温下，采用旋转流变仪(Anton Paar,MCR302)测试样品的粘度，剪切速率选择11/s。

（2）热阻抗测试

热阻抗按照ASTM D5470-06的方法进行测试，采用台湾瑞领的LW9389热界面热阻和导热系数测试仪器，测试压力为40psi，测试温度为80℃。

（3）导热系数测试

导热系数按照ISO 22007-2标准，采用Hot Disk TPS2500仪器测试，测试选用5465探头，测试温度为28℃。

上述测试结构如下表1所示。

表1

由表2可看出，引入表面处理剂和粘度调节剂，并通过合理地配比基体、表面处理剂、粘度调节剂和导热填料的量，能有效地提高导热填料在基体中的填充度并能获得更低的导热膏粘度。另外，湿法表面处理因表面处理液体与粉体充分接触和反应，而获得比喷雾法更好的改性效果，从而使得导热膏的粘度得到更好的控制并获得更优异的导热性能。

从实施例1～5和对比例1～2的比较还可看出，实施例1～5导热膏因其高填充度和可控的粘度，其热阻抗显著地低于对比例1的导热膏，对比例2的组分甚至不能成膏。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种导热膏，其特征在于，按质量百分比计，包括如下组分：

2.根据权利要求1所述的导热膏，其特征在于，所述基体为有机聚硅氧烷。

3.根据权利要求2所述的导热膏，其特征在于，所述有机聚硅氧烷为二甲基硅油、氨基硅油及苯基硅油中的至少一种。

4.根据权利要求2所述的导热膏，其特征在于，所述基体在25℃的粘度为50～5000mm²/s。

5.根据权利要求1所述的导热膏，其特征在于，所述表面处理剂选自硅烷偶联剂、硅烷交联剂、钛酸酯偶联剂及铝酸酯偶联剂中的至少一种。

6.根据权利要求1所述的导热膏，其特征在于，所述粘度调节剂选自羧酸有机胺、不饱和聚羧酸胺盐、BYK-161、聚硅氧烷-聚醚共聚物、丙烯酸酯共聚物及长链烷基硅油中的至少一种。

7.根据权利要求1所述的导热膏，其特征在于，所述导热填料选自无机氮化物粉末、无机氧化物粉末、金属单质粉末及非金属粉末中的至少一种。

8.根据权利要求1所述的导热膏，其特征在于，所述导热填料的粒径范围为0.02μm～200μm。

9.一种导热膏的制备方法，包括如下步骤：

用表面处理剂对导热填料进行表面处理；

将基体和粘度调节剂进行混合，得到第一混合物；

将经过表面处理的导热填料加入所述第一混合物中，搅拌均匀后进行真空加热除泡，得到第二混合物；及

将所述第二混合物进行研磨分散，得到所述导热膏；其中，所述基体、表面处理剂和粘度调节剂的质量百分比分别为8%～20%、0.1%～3%和0.5%～3%，余量为导热填料。

10.根据权利要求9所述的导热膏的制备方法，其特征在于，所述用表面处理剂对导热填料进行表面处理的步骤是采用湿法或喷雾法对导热填料进行表面处理。

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