CN104163016A - 高导热高压缩湿粘态导热垫片及其制备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及到导热垫片应用领域，尤其是涉及一种高导热、高压缩、硅凝胶与陶瓷填料组合物的湿黏态导热垫片。其包括具有中间层及上下表面层的层状结构，所述中间层由不完全硫化的硅凝胶与导热陶瓷填料组成。本发明的有益效果是：提供一种高导热、高压缩、硅凝胶与陶瓷填料组合物的湿黏态导热垫片,并以玻璃纤维布强化垫片表面，使能顺利以手工由离型膜或网纹膜上取下，转移贴附至金属散热器之上，填补发热组件与金属散热器之间隙，进行有效的热管理。

Description

高导热高压缩湿粘态导热垫片及其制备

技术领域

本发明涉及到导热垫片应用领域，尤其是涉及一种高导热、高压缩、硅凝胶与陶瓷填料组合物的湿黏态导热垫片。 

背景技术

近年来，随着电子产品设备功能的不断演进，芯片构装密度大幅提升，台式机、笔记本型计算机、智能手机、平板计算机、各式网络通讯设备的大量普及，云端服务器及资料中心的大量构建，LED照明与背光需求的广泛应用，使得电子产品产生的废热，与日俱增。所衍生的热，一方面除了影响电子产品设备的信赖度与寿命，另一方面更助长温室效应，成为破坏地球气候平衡的元凶。准此，热管理的实是当前刻不容缓的重要议题。 

如图1的傅立叶热传导方程式:dQ/dt=-λ.A.(dT/dx) 

Q:热能 

t:时间 

λ:热传导系数(W/mK) 

A:截面积 

dT:温度差 

dx:厚度 

定义: 

热阻抗=dx/λ 

热阻=dx/(λ.A) 

需知: 

若是有效的导热界面材料，导热系数比较高，在相同厚度之下，热阻抗与热阻会比较低。 

若是两个导热系数相同的热界面材料，硬度不同，在相同的接触压力之下，比较柔软的导热界面材料，压缩量比较大，界面厚度dx比较小，材料中导热陶瓷填料彼此间的有效接触面积增加，热阻抗与热阻会比较低。 

目前的导热垫片普遍存在以下问题: 

(1)导热系数λ不足，而 

热阻抗=dx/λ及热阻=dx/(λ.A) 

使得系统之热阻抗及热阻无法降低。 

(2)硬度不够柔软，甚至过硬，在相当的接触压力之下，压缩量有限，dx相对仍大，而 

热阻抗=dx/λ及热阻=dx/(λ.A) 

也使得系统之热阻抗及热阻无法降低。 

(3)缺乏表面湿润性，无法与发热组件及金属散热器之不平整表面，进行有效嵌合。导致热界面材料与发热组件之间，热界面材料与金属散热器之间，存在空隙，即有空气之存在，需知空气为热之不良导体，亦将造成可观之界面热阻。 

(4)出油:为降低产品硬度，于混练时加入二甲基硅油；或是为有效去除环状硅氧烷等低分子挥发物(Low Molecular Weight,Volatile Organic Compound)，却造成导热垫片使用时极易出油,污染电子产品主机板，甚至造成电气接点之障害。 

基于上述的不足之处，本发明人设计了本发明“高导热高压缩湿粘态导热垫片及其制备”。 

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种高导热、高压缩、硅凝胶与陶瓷填料组合物的湿黏态导热垫片,并以玻璃纤维布强化垫片表面，使能顺利以手工由离型膜或网纹膜上取下，转移贴附至金属散热器之上，填补发热组件与金属散热器之间隙，进行有效的热管理。 

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是： 

本发明的高导热高压缩湿粘态导热垫片，是混合100～2000重量份的导热陶瓷填料,与100重量份粘度10～2000mPa.s的硅凝胶,再以捏合机、万马力机、行星式搅拌机、开炼机等混合设备混练后，将混合物上下表面覆以补强用之玻璃纤维布，以挤出成型机、压延机、热压成型机等成型设备，在离型 膜上成型的高导热高压缩湿黏态导热垫片，进行不完全硫化，维持表面湿润状态，导热系数3.0W/mK以上，厚度为0.5～5.0mm，硬度Shore005～50的高导热高压缩湿黏态导热片。 

本发明的高导热高压缩湿粘态导热垫片，其包括具有中间层及上下表面层的层状结构。其中, 

(A)所谓中间层由不完全硫化的硅橡胶与导热陶瓷填料组成，其组合物包括 

(a)硅凝胶:乙烯基硅氧烷、交联剂、铂催化剂、抑制剂，其具有至少一个选自环氧基团、烷氧基团、乙烯基团、硅氢基团的官能基团。 

(b)导热陶瓷填料 

(B)所谓上下表层系指具备耐热性、电绝缘性、与机械强度的玻璃纤维布层。 

做为补强作用，具有同时促进垫片柔软及强度的作用。同时，由于玻璃纤维布表面已使用硅烷偶联剂进行表面改性，可与中间层的硅橡胶产生强力的粘合，使得整体高导热高压缩湿粘态导热垫片材料具有出色的操作加工性与耐久性。 

本发明的高导热高压缩湿粘态导热垫片，是以玻璃纤维布强化垫片表面，导热系数3.0W/mK以上，厚度为0.5～5.0mm，硬度Shore005～50的高导热高压缩湿黏态导热片。 

混合100～2000重量份的导热陶瓷填料,依照不同导热陶瓷填料的种类、粒径进行排列组合，可以有效提高导热系数至3W/mK以上。 

用于本发明的湿黏态导热硅胶垫片的硅凝胶是属于加成型硅橡胶材料。 

将粘度10～2000mPa.s的硅凝胶，与导热陶瓷填料混合后，加上表面补强的玻璃纤维布，制成本发明的湿粘态导热垫片，使用压延连续线，在离型膜上成型为片材，其导热系数为3W/mK以上。 

本发明所述的”不完全硫化”，是”不完全硬化”的意思，包括”未硬化”、”部分硬化”、”半硬化”状态。交联程度的高低，主要取决于交联剂使用量的程度。市售硅凝胶由A剂及B剂组成。A剂由含有乙烯基的聚二甲基硅氧烷及铂催化剂组成，B剂由含有乙烯基的聚二甲基硅氧烷、交联剂、抑制剂组成。本发明优选A剂:B剂=70:30。 

要求在离型膜上加工成型，裁切后可以顺利揭取的湿粘态导热垫片，厚度优选为0.5～5.0mm。 

本发明所使用的硅凝胶是含有特定官能基的聚硅氧烷，通常末端为乙烯基。此外，也有甲基，丙基，异丙基，含氟烃基，苯基等。优选硅凝胶粘度为10～2000mPa.s。 

本发明所使用的交联剂含氢基硅油是分子链中含有Si-H键的聚合物，有高中低含氢量之分，通常一个分子中有3个以上的Si-H基。 

本发明所使用的催化剂为铂催化剂，优选使用可容于二甲基硅油的铂络合物。例如使用铂的醇变性络合物和甲基乙烯基聚硅氧烷络合物。 

本发明所使用的抑制剂，为抑制硅氢加成反应之抑制剂。包括炔属醇类、甲基乙烯基环四硅氧烷、硅氧烷改性的炔属醇等。 

本发明中，添加100～2000质量份的导热陶瓷填料，与100质量份的10～2000mPa.s粘度的硅凝胶进行混合。 

本发明使用导热系数最高的氮化硼陶瓷填料，并使用硅烷偶联剂进行表面改性。本发明中，为了提升热界面材料的热稳定性，可以添加抗氧化剂。抗氧化剂可以是金属氧化物、金属氢氧化物。具体而言，可以使用氧化铁、氧化钇、氧化铈、氢氧化铈等。其使用量为相对硅凝胶之使用量而定，一般用量为硅凝胶使用质量份之1～10%。 

做为高导热高压缩湿粘态导热垫片的混练方法，包括行星式搅拌机、捏合机、开炼机、密炼机、三辊机、万马力机等，可以依照热界面材料的性状而选择。 

做为高导热高压缩湿粘态导热垫片的成型方法，包括压延连续线、真空热压成型机、连续混练挤出机等，可以依照热界面材料的性状而选择。 

做为高导热高压缩湿粘态导热垫片的离型膜材料，包括涂已离型剂的聚酯膜、聚乙烯膜、聚丙烯膜，或是铁氟龙膜等，离型膜的厚度界于25～100μm，较常见为50μm及100μm。 

做为高导热高压缩湿粘态导热垫片的网纹膜材料，是以压花辊轮将聚酯膜、聚 乙烯膜、聚丙烯膜等压出表面凹凸起伏的纹路，包括菱形、网格、圆点等。压花纹路的凹凸高低差界于50～150μm，以透气方式，协助热界面材料在裁切之后，便利揭取的动作。 

本发明的高导热高压缩湿粘态导热垫片，在进行尺寸裁切加工之后，所使用之离型膜及网纹膜，可协助垫片以手工由离型膜及网纹膜上顺利取下，在平面及厚度方向上皆无变形。 

本发明的高导热高压缩湿粘态导热垫片，其在厚度方向上，达到压缩量50%的接触压力为80psi以下。 

本发明的高导热高压缩湿粘态导热垫片，其硬度介于Shore005～50。 

本发明的高导热高压缩湿粘态导热垫片，导热系数3.0W/mK以上。 

本发明的高导热高压缩湿粘态导热垫片，1mm标准厚度，10psi的接触压力下，其热阻抗值为0.5℃-in²/W以下。 

本发明的有益效果是：提供一种高导热、高压缩、硅凝胶与陶瓷填料组合物的湿黏态导热垫片,并以玻璃纤维布强化垫片表面，使能顺利以手工由离型膜或网纹膜上取下，转移贴附至金属散热器之上，填补发热组件与金属散热器之间隙，进行有效的热管理。 

附图说明

图1是傅立叶热传导方程式示意图。 

具体实施方式

本发明是这样实施的： 

本发明的高导热高压缩湿粘态导热垫片，是以玻璃纤维布强化垫片表面，导热系数3.0W/mK以上，厚度为0.5～5.0mm，硬度Shore005～50的高导热高压缩湿黏态导热片。能顺利以手工由离型膜或网纹膜上取下，转移贴附至金属散热器之上，填补发热组件与金属散热器之间隙。 

本说明书的”湿黏态”，是指控制硅凝胶中乙烯基硅油的乙烯基含量，与交联剂的含氢基硅油含量，使其成为一个”不完全硫化反应”。即使以25～200℃长时间加热，或是以10～80psi压力加压，皆无法再进一步发生交联反应。 

例如，市售硅凝胶由A剂及B剂组成。A剂由含有乙烯基的聚二甲基硅氧烷及铂催化剂组成，B剂由含有乙烯基的聚二甲基硅氧烷、交联剂、抑制剂组成。 

例如，将A剂，B剂以50:50比例混合，加热，一定时间后将由液态硬化为凝胶态。当调整上述比例时，将有可能不硬化为凝胶态。例如，当A剂:B剂=90:10～55:45时，不硬化为凝胶态。A剂与B剂的比例越悬殊,不硫化的程度越大。其实，就是减少硅凝胶聚合物所需的交联剂的用量，至交联所需的剂量以下，即可成为”不完全硫化”或是”不硫化”的”湿粘态”。 

此外，混合100～2000重量份的导热陶瓷填料,依照不同导热陶瓷填料的种类、粒径进行排列组合，可以有效提高导热系数至3W/mK以上。 

如上所述，用于本发明的湿黏态导热硅胶垫片的硅凝胶是属于加成型硅橡胶材料。 

将粘度10～2000mPa.s的硅凝胶，与导热陶瓷填料混合后，加上表面补强的玻璃纤维布，制成本发明的湿粘态导热垫片，使用压延连续线，在离型膜上成型为片材，其导热系数为3W/mK以上。湿黏态导热片能顺利以手工由离型膜或网纹膜上取下，转移贴附至金属散热器之上，填补发热组件与金属散热器之间隙。 

本发明所述的”不完全硫化”，是”不完全硬化”的意思，包括”未硬化”、”部分硬化”、”半硬化”状态。交联程度的高低，主要取决于交联剂使用量的程度。市售硅凝胶由A剂及B剂组成。A剂由含有乙烯基的聚二甲基硅氧烷及铂催化剂组成，B剂由含有乙烯基的聚二甲基硅氧烷、交联剂、抑制剂组成。因此，可以透过调整A剂与B剂比例的方法，改变交联剂的使用量。通常，A剂:B剂=50:50。本发明中，基于下述三项目的或手段: 

(1)塑造湿粘态表面:使导热垫片表面成为湿润态，增加与发热组件及金属散热器件表面的有效密合性，以降低界面热阻。 

(2)降低垫片硬度:使垫片产品在相同接触压力之下，有相对比较高的压缩量，增加导热陶瓷填料彼此间的有效接触面积，提供更多的导热路径，可以降低热阻抗及热阻。 

(3)表面补强之玻璃纤维布:可将上述不完全硫化的结构体，藉由上下表面两张玻璃纤维布进行补强，使能将湿黏态导热硅胶垫片顺利以手工由离型膜或网纹膜上取下。 

因此，本发明优选A剂:B剂=70:30。 

要求在离型膜上加工成型，裁切后可以顺利揭取的湿粘态导热垫片，厚度优选为0.5～5.0mm。 

本发明所使用的硅凝胶是含有特定官能基的聚硅氧烷，通常末端为乙烯基。此外，也有甲基，丙基，异丙基，含氟烃基，苯基等。优选硅凝胶粘度为10～2000mPa.s。 

本发明所使用的交联剂含氢基硅油是分子链中含有Si-H键的聚合物，有高中低含氢量之分，通常一个分子中有3个以上的Si-H基。 

本发明所使用的催化剂为铂催化剂，优选使用可容于二甲基硅油的铂络合物。例如使用铂的醇变性络合物和甲基乙烯基聚硅氧烷络合物。 

本发明所使用的抑制剂，为抑制硅氢加成反应之抑制剂。包括炔属醇类、甲基乙烯基环四硅氧烷、硅氧烷改性的炔属醇等。 

以下是硅凝胶进行硅氢加成反应的示意图: 

以下是硅凝胶硅凝胶进行硅氢加成反应的反应机理: 

本发明中，添加100～2000质量份的导热陶瓷填料，与100质量份的10～2000mPa.s粘度的硅凝胶进行混合。导热陶瓷填料是属于金属、金属氧化物、 金属氮化物和碳系中之至少一种，包括银粉、铝粉、铜粉、氧化铝、氧化镁、氧化锌、氮化硼、氮化铝、碳黑、石墨、奈米碳管、碳化硅等中之至少一种。粒径组合有粗粉细粉微粉三种组合，亦有仅使用粗粉搭配细粉、粗粉搭配微粉等另两种组合。 

若欲提升热界面材料之导热系数，一般做法是选用高导热率的陶瓷填料，透过有效率的种类搭配与粒径组合，进行提升。众所皆知，基本上，若填料的填充量可以有效提高，虽然热界面材料的导热系数也会提高，但是会衍生热界面材料硬度提高，反而热阻抗热阻下降有限的现象。 

因此，可以硅烷偶联剂将陶瓷填料进行粉体表面改性，一般有分为干法及湿法，皆可以有效对填料进行表面改性，除可以提升体系之粉体填充量之外，亦可以降低热界面材料之硬度。 

承上，本发明使用导热系数最高的氮化硼陶瓷填料，并使用硅烷偶联剂进行表面改性。 

本发明中，为了提升热界面材料的热稳定性，可以添加抗氧化剂。抗氧化剂可以是金属氧化物、金属氢氧化物。具体而言，可以使用氧化铁、氧化钇、氧化铈、氢氧化铈等。其使用量为相对硅凝胶之使用量而定，一般用量为硅凝胶使用质量份之1～10%。 

做为高导热高压缩湿粘态导热垫片的混练方法，包括行星式搅拌机、捏合机、 开炼机、密炼机、三辊机、万马力机等，可以依照热界面材料的性状而选择。 

做为高导热高压缩湿粘态导热垫片的成型方法，包括压延连续线、真空热压成型机、连续混练挤出机等，可以依照热界面材料的性状而选择。 

做为高导热高压缩湿粘态导热垫片的离型膜材料，包括涂已离型剂的聚酯膜、聚乙烯膜、聚丙烯膜，或是铁氟龙膜等，离型膜的厚度界于25～100μm，较常见为50μm及100μm。 

做为高导热高压缩湿粘态导热垫片的网纹膜材料，是以压花辊轮将聚酯膜、聚乙烯膜、聚丙烯膜等压出表面凹凸起伏的纹路，包括菱形、网格、圆点等。压花纹路的凹凸高低差界于50～150μm，以透气方式，协助热界面材料在裁切之后，便利揭取的动作。 

本发明的高导热高压缩湿粘态导热垫片，在进行尺寸裁切加工之后，所使用之离型膜及网纹膜，可协助垫片以手工由离型膜及网纹膜上顺利取下，在平面及厚度方向上皆无变形。 

本发明的高导热高压缩湿粘态导热垫片，其在厚度方向上，达到压缩量50%的接触压力为80psi以下。 

本发明的高导热高压缩湿粘态导热垫片，其硬度介于Shore005～50。 

本发明的高导热高压缩湿粘态导热垫片，导热系数3.0W/mK以上。 

本发明的高导热高压缩湿粘态导热垫片，1mm标准厚度，10psi的接触压力下，其热阻抗值为0.5℃-in²/W以下。 

以上所述，仅是本发明一种咪唑基改性硅油及其制备与应用的较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，凡是依据本发明的技术实质对上面实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术的范围内。 

Claims (4)

1.一种高导热高压缩湿粘态导热垫片，其特征在于其包括具有中间层及上下表面层的层状结构，所述中间层由不完全硫化的硅凝胶与导热陶瓷填料组成，其中硅凝胶组合成分为:乙烯基硅氧烷、交联剂、铂催化剂、抑制剂，其具有至少一个选自环氧基团、烷氧基团、乙烯基团、硅氢基团的官能基团；所述上下表层系指具备耐热性、电绝缘性、与机械强度的玻璃纤维布层。

2.根据权利要求1所述的高导热高压缩湿粘态导热垫片，其特征在于硅凝胶是含有特定官能基的聚硅氧烷，末端为乙烯基，还有甲基，丙基，异丙基，含氟烃基，苯基，硅凝胶粘度为10～2000mPa。

3.根据权利要求1所述的高导热高压缩湿粘态导热垫片，其特征在于交联剂含氢基硅油是分子链中含有Si-H键的聚合物，一个分子中有3个以上的Si-H基；催化剂为铂催化剂，优选使用可容于二甲基硅油的铂络合物；抑制剂，为抑制硅氢加成反应之抑制剂。

4.一种高导热高压缩湿粘态导热垫片的制备方法，其特征在于该制备方法是：首先混合100～2000重量份的导热陶瓷填料,与100重量份粘度10～2000mPa．s的硅凝胶,再以捏合机、万马力机、行星式搅拌机、开炼机等混合设备混练后，将混合物上下表面覆以补强用之玻璃纤维布，以挤出成型机、压延机、热压成型机等成型设备，在离型膜上成型的高导热高压缩湿黏态导热垫片，进行不完全硫化，维持表面湿润状态，导热系数3.0W/mK以上，厚度为0.5mm～5.0mm，硬度Shore005～50的高导热高压缩湿黏态导热片。