CN109417061A - 凝胶型热界面材料 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种热界面材料，所述热界面材料可用于将来自诸如计算机芯片的发热电子设备的热量传递到诸如热扩散器和散热器的热耗散结构。所述热界面材料包含至少一种硅油和至少一种导热填料。

Description

凝胶型热界面材料
相关申请的交叉引用
本申请要求2016年7月26日提交的美国临时专利申请序列号62/366,704以及2016年12月20日提交的美国临时专利申请序列号62/436,746的优先权，这些临时专利申请据此全文明确地以引用方式并入本文。
技术领域
本公开整体涉及热界面材料，并且更具体地涉及凝胶型热界面材料。
相关领域说明
热界面材料(TIM)广泛用于从诸如中央处理单元、视频图形阵列、服务器、游戏控制台、智能手机、LED板等电子部件耗散热量。热界面材料通常用于将来自电子部件的过多热量传递到热扩散器，诸如散热器。
包含热界面材料的典型电子器件封装结构10在图1中示出。电子器件封装结构10示例性地包括诸如电子芯片12的发热部件以及诸如热扩散器14和散热器16的一个或多个热耗散部件。示例性热扩散器14和散热器包含金属、金属合金或镀金属基底，诸如铜、铜合金、铝、铝合金或镀镍铜。TIM材料(诸如TIM 18和TIM 20)提供发热部件与一个或多个热耗散部件之间的热连接。电子器件封装结构10包括连接电子芯片12和热扩散器14的第一TIM18。TIM 18通常称为“TIM 1”。电子器件封装结构10包括连接热扩散器14和散热器16的第二TIM 20。TIM 20通常称为“TIM 2”。在另一个实施方案中，电子器件封装结构10不包括热扩散器14，并且TIM(未示出)将电子芯片12直接连接到散热器16。将电子芯片12直接连接到散热器16的此类TIM通常称为TIM 1.5。
传统热界面材料包括诸如间隙垫的部件。然而，间隙垫具有某些缺点，诸如不能满足很小厚度要求以及难以用于自动化生产。
其他热界面材料包括凝胶产品。凝胶产品可自动地分配用于进行大规模生产，并且可形成为所需形状和厚度。然而，典型凝胶产品具有在温度循环测试中滴落和开裂的问题，包括产品可潜在地更可能在极端情况下失效。
希望在上述方面加以改进。
发明内容
本公开提供了热界面材料，所述热界面材料可用于将来自诸如计算机芯片的发热电子设备的热量传递到诸如热扩散器和散热器的热耗散结构。热界面材料包含至少一种硅油、至少一种导热填料和至少一种加成抑制剂。
在一个示例性实施方案中，提供了热界面材料。热界面材料包含：重均分子量(Mw)为小于50,000道尔顿的至少一种低分子量硅油；至少一种导热填料；至少一种加成催化剂；以及至少一种高分子量硅油，其中该高分子量硅油包括重均分子量(Mw)为至少60,000道尔顿的乙烯基官能化硅油。在更具体的实施方案中，所述至少一种低分子量硅油包括第一硅油和第二硅油，其中第一硅油是乙烯基官能化硅油，并且第二硅油是氢化物官能化硅油。
在更具体的实施方案中，导热填料包括第一导热填料和第二导热填料，其中第一导热填料是粒度为大于1微米的金属氧化物，并且第二导热填料是粒度为小于1微米的金属氧化物。在另一个更具体的实施方案中，导热填料包括第一导热填料、第二导热填料和第三导热填料，其中第一导热填料是平均粒度为大于10微米的金属氧化物，第二导热填料是平均粒度为介于1微米与10微米之间的金属氧化物，并且第三导热填料是平均粒度为小于1微米的金属氧化物。
在又一个更具体的实施方案中，热界面材料包含：2重量％至20重量％的低分子量硅油；50重量％至95重量％的导热填料；以及0.1重量％至5重量％的高分子量硅油。在又一个更具体的实施方案中，低分子量硅油包括第一硅油和第二硅油，其中第一硅油是乙烯基官能化硅油，并且第二硅油是氢化物官能化硅油。
在上述任一实施方案中的更具体实施方案中，提供了热界面材料。热界面材料包含：至少一种硅油；至少一种导热填料；以及至少一种加成抑制剂，其中加成抑制剂包括炔基化合物。在还更具体的实施方案中，加成抑制剂选自下述各项构成的组：多乙烯基官能化聚硅氧烷、乙炔基环己醇中的乙烯基封端的聚二甲基硅氧烷、2-甲基-3-丁炔-2-醇以及3-甲基-1-戊炔-3-醇。在上述任一实施方案中的更具体实施方案中，至少一种硅油包括第一硅油和第二硅油，其中第一硅油是乙烯基官能化硅油，并且第二硅油是氢化物官能化硅油。
在上述任一实施方案中的更具体实施方案中，导热填料包括第一导热填料和第二导热填料，其中第一导热填料是粒度为大于1微米的金属，并且第二导热填料是粒度为小于1微米的金属氧化物。在上述任一实施方案中的更具体实施方案中，第一导热填料与第二导热填料的比率为1.5:1至3:1。
在上述任一实施方案中的更具体实施方案中，热界面材料包含：2重量％至20重量％的硅油；0.1重量％至5重量％的硅烷偶联剂；50重量％至95重量％的导热填料；以及0.01重量％至5重量％的加成抑制剂。在更具体的实施方案中，加成抑制剂是乙炔基环己醇中的乙烯基封端的聚二甲基硅氧烷。在更具体的实施方案中，硅油包括第一硅油和第二硅油，其中第一硅油是乙烯基官能化硅油，并且第二硅油是氢化物官能化硅油。
在一个示例性实施方案中，提供了电子部件。该电子部件包括：散热器；电子芯片；热界面材料，其具有第一表面层和第二表面层，定位在散热器与电子芯片之间，并且包含至少一种硅油、至少一种导热填料以及至少一种加成抑制剂，其中该加成抑制剂包括炔基化合物。在更具体的实施方案中，至少一种硅油包括至少一种低分子量硅油和至少一种高分子量硅油。
在更具体的实施方案中，至少一种高分子量硅油包括重均分子量(Mw)为至少60,000道尔顿的乙烯基官能化硅油。在另一个更具体的实施方案中，第一表面层与电子芯片的表面接触，并且第二表面层与散热器接触。在另一个更具体的实施方案中，电子部件还包括定位在散热器与电子芯片之间的热扩散器，其中第一表面层与电子芯片的表面接触，并且第二表面层与热扩散器接触。在还更具体的实施方案中，电子部件还包括定位在散热器与电子芯片之间的热扩散器，其中第一表面层与热扩散器的表面接触，并且第二表面层与散热器接触。
附图说明
通过参考以下结合附图对本发明实施方案的描述，本公开的上述及其他特征和优点以及实现它们的方式将变得更显而易见，并且本发明本身将得到更好的理解，在附图中：
图1示意性地示出了典型电子器件封装结构；
图2A与实施例1相关，并且示出了在热循环测试之前由实施例1形成的样品；
图2B与实施例1相关，并且示出了在热循环测试之前由比较例形成的样品；
图3A与实施例1相关，并且示出了在热循环测试之后由实施例1形成的样品；
图3B与实施例1相关，并且示出了在热循环测试之后由实施例1形成的样品；
图4A与实施例2相关，并且示出了在热循环测试之前由比较例2形成的样品；
图4B与实施例2相关，并且示出了在热循环测试之前由实施例2A形成的样品；
图4C与实施例2相关，并且示出了在热循环测试之前由实施例2B形成的样品；
图5A与实施例2相关，并且示出了在热循环测试之后由比较例2形成的样品；
图5B与实施例2相关，并且示出了在热循环测试之后由实施例2A形成的样品；
图5C与实施例2相关，并且示出了在热循环测试之后由实施例2B形成的样品；
图6A示出了根据本公开的实施方案的分配器装置；并且
图6B示出了操作中的图6A的分配器装置。
在这些若干视图中对应的附图标记指示对应的部分。本文所述的范例示出了本发明的示例性实施方案，并且这些范例不应被解释为以任何方式限制本发明的范围。
具体实施方式
A.热界面材料
本发明涉及可用于从电子部件传输热量的热界面材料(TIM)。在一个示例性实施方案中，TIM包含至少一种硅油、至少一种催化剂、至少一种导热填料以及至少一种粘附促进剂，至少一种粘附促进剂包含胺和烷基官能团两者。
在一些实施方案中，TIM可任选地包含以下组分中的一者或多者：硅烷偶联剂、有机增塑剂、表面活性剂以及助熔剂。
1.硅油
a.概述
本公开提供了TIM材料的基质，该基质包含至少一种低分子量硅油和至少一种高分子量硅油。硅油包含由催化剂交联的一个或多个可交联基团，诸如乙烯基、氢化物、羟基和丙烯酸酯官能团。在一个实施方案中，一种或多种硅油包括第一硅油和第二硅油，其中第一硅油是乙烯基官能化硅油，并且第二硅油是氢化物官能化硅油。硅油润湿导热填料并且形成TIM的可分配流体。
在一个示例性实施方案中，硅油包括硅橡胶，诸如可得自信越化学工业株式会社(Shin-Etsu)的KE系列产品，诸如可得自蓝星公司(Bluestar)的诸如可得自瓦克公司(Wacker)的 和诸如可得自迈图公司(Momentive)的诸如可得自道康宁公司(Dow Corning)的Dow 和诸如可得自森日有机硅材料公司(Square Silicone)的诸如可得自安必亚特种有机硅公司(ABspecialty Silicones)的其他聚硅氧烷可得自瓦克公司(Wacker)、信越化学工业株式会社(Shin-etsu)、道康宁公司(Dow Corning)、迈图公司(Momentive)、蓝星公司(Bluestar)、润禾公司(RUNHE)、安必亚特种有机硅公司(AB Specialty Silicones)、吉勒斯特公司(Gelest)以及联合化学技术公司(United Chemical Technologies)。
b.低分子量硅油
1.乙烯基官能化硅油
TIM包含如由凝胶渗透色谱法(GPC)测得的低重均分子量硅油。示例性低分子量硅油可包括具有如下所示通式的乙烯基硅油：
示例性低分子量乙烯基硅油还可包含少量铂催化剂。
乙烯基官能化硅油包含具有Si-CH＝CH2基团的有机硅组分。示例性乙烯基官能化硅油包括乙烯基封端的硅油和乙烯基接枝的硅油(其中Si-CH＝CH2基团接枝到聚合物链上)以及它们的组合。
示例性乙烯基封端的硅油包括乙烯基封端的聚二甲基硅氧烷，诸如DMS-V00(重均分子量(Mw)为186道尔顿)、DMS-V03(Mw为约500道尔顿)、DMS-V05(Mw为约800道尔顿)、DMS-V21(Mw为约6,000道尔顿)、DMS-V22(Mw为约9400道尔顿)、DMS-V25(Mw为约17,200道尔顿)、DMS-V25R(Mw为约17,200道尔顿)、DMS-V35(Mw为约49,500道尔顿)、DMS-V35R(Mw为约49,500道尔顿)，各自可得自吉勒斯特公司(Gelest,Inc)。示例性乙烯基封端的硅油包括乙烯基封端的二苯基硅氧烷-二甲基硅氧烷共聚物，诸如PDV-0325(Mw为约15,500道尔顿)、PDV-0331(Mw为约27,000道尔顿)、PDV-0525(Mw为约14,000道尔顿)、PDV-1625(Mw为约9,500道尔顿)、PDV-1631(Mw为约19,000道尔顿)、PDV-2331(Mw为约12,500道尔顿)，各自可得自吉勒斯特公司(Gelest,Inc)。示例性乙烯基封端的硅油包括乙烯基封端的聚苯基甲基硅氧烷，诸如可得自吉勒斯特公司(Gelest,Inc)的PMV-9925(Mw为约2000-3000道尔顿)。示例性乙烯基封端的硅油包括乙烯基封端的二乙基硅氧烷-二甲基硅氧烷共聚物，诸如可得自吉勒斯特公司(Gelest,Inc)的EDV-2025(Mw为约16,500-19,000道尔顿)。
示例性乙烯基接枝的硅油包括乙烯基甲基硅氧烷均聚物，诸如VMS-005(Mw为约258-431道尔顿)、VMS-T11(Mw为约1000-1500道尔顿)，两者均可得自吉勒斯特公司(Gelest,Inc)。示例性乙烯基接枝的硅油包括乙烯基甲基硅氧烷-二甲基硅氧烷共聚物，诸如三甲基甲硅烷氧基封端的硅油、硅烷醇封端的硅油以及乙烯基封端的硅油。
在一个示例性实施方案中，乙烯基接枝的硅油是乙烯基甲基硅氧烷三元共聚物，包括乙烯基甲基硅氧烷-辛基甲基硅氧烷-二甲基硅氧烷三元共聚物，诸如VAT-4326(Mw为约10,000-12,000道尔顿)，或乙烯基甲基硅氧烷-甲氧基聚氧乙烯丙基甲基硅氧烷-二甲基硅氧烷三元共聚物，诸如VBT-1323(Mw为约8,000-12,000道尔顿)，或乙烯基甲基硅氧烷-苯基甲基硅氧烷-二甲基硅氧烷(Mw为约2,500-3,000道尔顿)；各自可得自吉勒斯特公司(Gelest,Inc)。
在一个示例性实施方案中，乙烯基官能化硅油包括乙烯基T树脂或乙烯基Q树脂。
在一个示例性实施方案中，硅油是乙烯基官能化油，诸如得自润禾公司(RUNHE)的RH-Vi303、RH-Vi301，诸如得自安必亚特种有机硅公司(AB Specialty Silicones)的VS 200、VS 1000。
2.氢化物官能化硅油
另一种示例性低分子量硅油可包括具有如下所示通式的含氢硅油：
在一个示例性实施方案中，硅油包括具有有机硅组分和Si-H基团的氢化物官能化硅油。示例性氢化物官能化硅油包括氢化物封端的硅油和氢化物接枝的硅油(其中Si-H基团接枝到聚合物链上)以及它们的组合。
在一个示例性实施方案中，氢化物封端的硅油是氢化物封端的聚二甲基硅氧烷，诸如DMS-H03(Mw为约400-500道尔顿)、DMS-H11(Mw为约1,000-1,100道尔顿)、DMS-H21(Mw为约6,000道尔顿)、DMS-H25(Mw为约17,200道尔顿)或DMS-H31(Mw为约28,000道尔顿)，各自可得自吉勒斯特公司(Gelest,Inc)。在一个示例性实施方案中，氢化物封端的硅油是甲基氢硅氧烷-二甲基硅氧烷共聚物，诸如三甲基甲硅烷氧基封端的共聚物或氢化物封端的共聚物。示例性三甲基甲硅烷氧基封端的共聚物包括HMS-031(Mw为约1,900-2,000道尔顿)、HMS-071(Mw为约1,900-2,000道尔顿)、HMS-082(Mw为约5,500-6,500道尔顿)、HMS-151(Mw为约1,900-2,000道尔顿)、HMS-301(Mw为约1,900-2,000道尔顿)、HMS-501(Mw为约900-1,200道尔顿)；示例性氢化物封端的共聚物包括HMS-H271(Mw为约2,000-2,600道尔顿)；其中的每一者均可得自吉勒斯特公司(Gelest,Inc)。在一个示例性实施方案中，氢化物接枝的硅油是三甲基甲硅烷氧基封端的聚甲基氢硅氧烷，诸如HMS-991(Mw为约1,400-1,800道尔顿)、HMS-992(Mw为约1,800-2,100道尔顿)、HMS-993(Mw为约2,100-2,400道尔顿)，各自可得自吉勒斯特公司(Gelest,Inc)。
示例性低分子量硅油的重均分子量(Mw)可为少至50道尔顿、500道尔顿、1000道尔顿，多至5000道尔顿、10,000道尔顿、50,000道尔顿，或在前述任两个值之间限定的任何范围内。
示例性低分子量硅油的运动粘度可为少至0.5cSt、5cSt、100cSt，多至5,000cSt、10,000cSt、50,000cSt，或在前述任两个值之间限定的任何范围内，如根据ASTM D445所测量。
基于TIM的总重量计，TIM包含的一种或多种低分子量硅油的量为少至0.1重量％、0.5重量％、0.67重量％、1重量％，多至3重量％、5重量％、10重量％、20重量％，或在前述任两个值之间限定的任何范围内诸如0.1重量％至15重量％、0.1重量％至3重量％或0.67重量％至10重量％。
c.高分子量硅油
TIM包含如由凝胶渗透色谱法(GPC)测得的高分子量硅油。示例性高分子量硅油可包括具有如下所示通式的类似于上述低分子量硅油的乙烯基硅油：
乙烯基官能化硅油包含具有Si-CH＝CH2基团的有机硅组分。示例性乙烯基官能化硅油包括乙烯基封端的硅油和乙烯基接枝的硅油(其中Si-CH＝CH2基团接枝到聚合物链上)以及它们的组合。
示例性乙烯基封端的硅油包括乙烯基封端的聚二甲基硅氧烷，诸如DMS-V41(Mw为约62,700道尔顿)、DMS-V42(Mw为约72,000道尔顿)、DMS-V46(Mw为约117,000道尔顿)、DMS-V51(Mw为约140,000道尔顿)以及DMS-V52(Mw为约155,000道尔顿)，各自可得自吉勒斯特公司(Gelest)。
示例性乙烯基接枝的硅油包括乙烯基甲基硅氧烷-二甲基硅氧烷共聚物，诸如三甲基甲硅烷氧基封端的硅油、硅烷醇封端的硅油以及乙烯基封端的硅油。
在一个示例性实施方案中，乙烯基接枝的硅油是乙烯基甲基硅氧烷三元共聚物。在一个示例性实施方案中，乙烯基官能化硅油包括乙烯基T树脂或乙烯基Q树脂。
另一种示例性高分子量硅油可包括具有有机硅组分和Si-H基团的氢化物官能化硅油。示例性氢化物官能化硅油包括氢化物封端的硅油、氢化物接枝的硅油(其中Si-H基团接枝到聚合物链上)以及它们的组合。
在一个示例性实施方案中，氢化物封端的硅油是氢化物封端的聚二甲基硅氧烷，诸如可得自吉勒斯特公司(Gelest,Inc)的DMS-H41(Mw为约62,700道尔顿)。在一个示例性实施方案中，氢化物封端的硅油是甲基氢硅氧烷-二甲基硅氧烷共聚物，诸如三甲基甲硅烷氧基封端的共聚物或氢化物封端的共聚物。示例性三甲基甲硅烷氧基封端的共聚物包括可得自吉勒斯特公司(Gelest,Inc)的HMS-064(Mw为约60,000-65,000道尔顿)。
示例性低分子量硅油的重均分子量(Mw)可为少至60,000道尔顿、70,000道尔顿、100,000道尔顿，多至1,000,000道尔顿、10,000,000道尔顿、100,000,000道尔顿，或在前述任两个值之间限定的任何范围内。
示例性高分子量硅油的运动粘度可为少至10,000cSt、20,000cSt、100,000cSt，多至1,000,000cSt、10,000,000cSt、100,000,000cSt，或在前述任两个值之间限定的任何范围内，如根据ASTM D445所测量。在一个示例性实施方案中，示例性高分子量硅油是运动粘度为2,000,000cSt的高分子量乙烯基硅油。
基于TIM的总重量计，TIM可包含的一种或多种高分子量硅油的量为少至0.01重量％、0.1重量％、0.25重量％、0.5重量％、0.67重量％、0.75重量％，多至1重量％、1.5重量％、2重量％、5重量％，或在前述任两个值之间限定的任何范围内诸如0.1重量％至5重量％、0.1重量％至1重量％或0.25重量％至0.67重量％。在一个示例性实施方案中，TIM包含的高分子量硅油的量为约0.6重量％。在另一个示例性实施方案中，TIM包含的高分子量硅油的量为约2.68重量％。
2.催化剂
TIM还包含用于催化加成反应的一种或多种催化剂。示例性催化剂包括含铂材料和含铑材料。示例性含铂催化剂可具有下面所示的通式：
示例性含铂催化剂包括：铂-环乙烯基甲基硅氧烷络合物(Ashby Karstedt催化剂)、铂-羰基-环乙烯基甲基硅氧烷络合物(Ossko催化剂)、铂-二乙烯基四甲基二硅氧烷-富马酸二甲酯络合物、铂-二乙烯基四甲基二硅氧烷-马来酸二甲酯络合物等。铂-羰基-环乙烯基甲基硅氧烷络合物的示例包括SIP6829.2，铂-二乙烯基四甲基二硅氧烷络合物的示例包括SIP6830.3和SIP6831.2，铂-环乙烯基甲基硅氧烷络合物的示例包括SIP6833.2，它们全部均可得自吉勒斯特公司(Gelest,Inc)。另外的示例性含铂材料催化剂包括可得自瓦克化学公司(Wacker Chemie AG)的催化剂OL，以及可得自联合化学技术公司(UnitedChemical Technologies Inc.)的PC065、PC072、PC073、PC074、PC075、PC076、PC085、PC086、PC087、PC088。
示例性含铑材料包括可得自吉勒斯特公司(Gelest,Inc)的产品代码为INRH078的三硫丁醚三氯化铑。
不希望受限于任何具体理论，据信铂催化剂与乙烯基硅油和含氢硅油反应，如下所示。
基于硅油的总重量计，TIM可包含的一种或多种催化剂的量为少至5ppm、10ppm、15ppm、20ppm，多至25ppm、30ppm、40ppm、50ppm、100ppm、200ppm、500ppm、1000ppm，或在前述任两个值之间限定的任何范围内诸如10ppm至30ppm、20ppm至100ppm或5ppm至500ppm。
在一个示例性实施方案中，催化剂作为与一种或多种硅油的混合物提供。在一个示例性实施方案中，将含铂材料催化剂与官能化硅油合并，诸如可得自信越化学工业株式会社(Shin-Etsu)的KE-1012-A、KE-1031-A、KE-109E-A、KE-1051J-A、KE-1800T-A、KE1204A、KE1218A，诸如可得自蓝星公司(Bluestar)的RT凝胶4725 SLD A，诸如可得自瓦克公司(Wacker)的612 A、LR 3153A、LR 3003A、LR 3005A、961A、927A、205A、9212A、2440，诸如可得自迈图公司(Momentive)的LSR 2010A，诸如可得自道康宁公司(Dow Corning)的RBL-9200A、RBL-2004 A、RBL-9050 A、RBL-1552 A、FL 30-9201 A、9202 A、9204 A、9206 A、184A、DowQP-1 A、DowC6 A、DowCV9204 A。
基于TIM的总重量计，TIM可包含的催化剂的量为少至0.01重量％、0.1重量％、0.2重量％，多至0.3重量％、0.4重量％、0.5重量％，或在前述任两个值之间限定的任何范围内。在一个示例性实施方案中，TIM包含的催化剂的量为约0.04重量％。在另一个示例性实施方案中，TIM包含的催化剂的量为约0.4重量％。
在另一个实施方案中，将含铂材料催化剂与高分子量乙烯基官能化硅油合并。
3.导热填料
TIM包含一种或多种导热填料。示例性导热填料包括金属、合金、非金属、金属氧化物和陶瓷以及它们的组合。金属包括但不限于铝、铜、银、锌、镍、锡、铟和铅。非金属包括但不限于碳、石墨、碳纳米管、碳纤维、石墨烯、氮化硼和氮化硅。金属氧化物或陶瓷包括但不限于矾土(氧化铝)、氮化铝、氮化硼、氧化锌和氧化锡。
基于TIM的总重量计，TIM可包含的一种或多种导热填料的量为少至10重量％、20重量％、25重量％、50重量％，多至75重量％、80重量％、85重量％、90重量％、95重量％、97重量％，或在前述任两个值之间限定的任何范围内诸如10重量％至95重量％、50重量％至95重量％、或85重量％至97重量％。
示例性导热填料的平均粒度可为少至0.1微米、1微米、10微米，多至50微米、75微米、100微米，或在前述任两个值之间限定的任何范围内。
在一个示例性实施方案中，TIM可包含第一导热填料和第二导热填料，其中第一导热填料的平均粒度为大于1微米，并且第二导热填料的平均粒度为小于1微米。在更具体的实施方案中，第一导热填料与第二导热填料的比率可为少至1:5、1:4、1:3、1:2，多至1:1、1.5:1、2:1、3:1、4:1、5:1，或在前述任两个值之间限定的任何范围内，诸如1:5至5:1、1:1至3:1或1.5:1至3:1。
在一个示例性实施方案中，TIM可包含第一导热填料、第二导热填料和第三导热填料，其中第一导热填料的粒度为大于10微米，第二导热填料的平均粒度为少至1微米、2微米、4微米，多至6微米、8微米、10微米，或在其间限定的任何范围内，并且第三导热填料的平均粒度为小于1微米。
在一个示例性实施方案中，相对于总TIM组成而言，TIM包含的第一导热填料的量为少至30重量％、35重量％、40重量％，多至45重量％、50重量％、60重量％，或在前述任两个值之间限定的任何范围内。第一导热填料的平均粒度为少至30微米、35微米、40微米，多至45微米、50微米、60微米，或在前述任两个值之间限定的任何范围内。相对于总TIM组成而言，示例性TIM还包含的第二导热填料的量为少至5重量％、10重量％、15重量％，多至25重量％、30重量％、40重量％，或在前述任两个值之间限定的任何范围内。第二导热填料的平均粒度为少至1微米、3微米、5微米，多至10微米、15微米、20微米，或在前述任两个值之间限定的任何范围内。相对于总TIM组成而言，示例性TIM还包含的第三导热填料的量为少至5重量％、10重量％、15重量％，多至25重量％、30重量％、40重量％，或在前述任两个值之间限定的任何范围内。第三导热填料的平均粒度为少至0.1微米、0.3微米、0.5微米，多至1微米、1.5微米、2微米，或在前述任两个值之间限定的任何范围内。
在一个示例性实施方案中，相对于总TIM组成而言，TIM包含的第一导热填料的量为少至5重量％、10重量％、15重量％，多至25重量％、30重量％、40重量％，或在前述任两个值之间限定的任何范围内。第一导热填料的平均粒度为少至30微米、35微米、40微米，多至45微米、50微米、60微米，或在前述任两个值之间限定的任何范围内。相对于总TIM组成而言，示例性TIM还包含的第二导热填料的量为少至30重量％、35重量％、40重量％，多至45重量％、50重量％、60重量％，或在前述任两个值之间限定的任何范围内。第二导热填料的平均粒度为少至1微米、3微米、5微米，多至10微米、15微米、20微米，或在前述任两个值之间限定的任何范围内。相对于总TIM组成而言，示例性TIM还包含的第三导热填料的量为少至5重量％、10重量％、15重量％，多至25重量％、30重量％、40重量％，或在前述任两个值之间限定的任何范围内。第三导热填料的平均粒度为少至0.1微米、0.3微米、0.5微米，多至1微米、1.5微米、2微米，或在前述任两个值之间限定的任何范围内。
示例性导热填料包括氧化铝和氧化锌。
4.加成抑制剂
TIM包含用于抑制或限制硅油的交联的一种或多种加成抑制剂。加成抑制剂包括至少一种炔基化合物，并且任选地，加成抑制剂还包括多乙烯基官能化聚硅氧烷。
示例性加成抑制剂包括炔醇，诸如1-乙炔基-1-环己醇、2-甲基-3-丁炔-2-醇、2-苯基-3-丁炔-2-醇、2-乙炔基-异丙醇、2-乙炔基-丁-2-醇以及3,5-二甲基-1-己炔-3-醇；甲硅烷基化炔醇，诸如三甲基(3,5-二甲基-1-己炔-3-氧基)硅烷、二甲基-双-(3-甲基-1-丁炔-氧基)硅烷、甲基乙烯基双(3-甲基-1-丁炔-3-氧基)硅烷以及((1,1-二甲基-2-丙炔基)氧基)三甲基硅烷；不饱和羧酸酯，诸如马来酸二烯丙酯、马来酸二甲酯、富马酸二乙酯、富马酸二烯丙酯以及马来酸双-2-甲氧基-1-甲基乙酯、马来酸单辛酯、马来酸单异辛酯、马来酸单烯丙酯、马来酸单甲酯、富马酸单乙酯、富马酸单烯丙酯、马来酸2-甲氧基-1-甲基乙酯；富马酸酯/醇混合物，诸如其中的醇选自苯甲醇或1-辛醇和乙烯基环己基-1-醇的混合物；共轭烯炔，诸如2-异丁基-1-丁烯-3-炔、3,5-二甲基-3-己烯-1-炔、3-甲基-3-戊烯-1-炔、3-甲基-3-己烯-1-炔、1-乙炔基环己烯、3-乙基-3-丁烯-1-炔以及3-苯基-3-丁烯-1-炔；乙烯基环硅氧烷，诸如1,3,5,7-四甲基-1,3,5,7-四乙烯基环四硅氧烷，以及共轭烯炔与乙烯基环硅氧烷的混合物。在一个示例性实施方案中，加成抑制剂选自2-甲基-3-丁炔-2-醇或3-甲基-1-戊炔-3-醇。
在一些示例性实施方案中，加成抑制剂还包括多乙烯基官能化聚硅氧烷。示例性多乙烯基官能化聚硅氧烷是乙炔基环己醇中的乙烯基封端的聚二甲基硅氧烷，诸如可得自瓦克化学公司(Wacker Chemie AG)的Pt抑制剂88。不希望受限于任何具体理论，据信铂催化剂与乙炔基环己醇和乙烯基封端的聚二甲基硅氧烷形成络合物，如下所示。
据信该络合物的形成降低室温下的催化剂活性，从而保持TIM的可分配性和润湿性。在固化步骤的更高温度下，Pt从该络合物释放，并且有助于乙烯基官能化硅油和氢化物官能化硅油的氢化硅烷化，这提供了对“交联”的更大控制。
在一些示例性实施方案中，基于TIM的总重量计，TIM可包含的一种或多种加成抑制剂的量为少至0.01重量％、0.02重量％、0.05重量％、0.1重量％、0.15重量％，多至0.2重量％、0.25重量％、0.3重量％、0.5重量％、1重量％、3重量％、5重量％，或在前述任两个值之间限定的任何范围内诸如0.01重量％至1重量％、0.01重量％至0.5重量％或0.05重量％至0.2重量％。在一个示例性实施方案中，TIM包含的加成抑制剂的量为0.1重量％。在另一个示例性实施方案中，TIM包含的加成抑制剂的量为0.13重量％。
不希望受限于任何具体理论，据信在不存在加成抑制剂的情况下，乙烯基官能化硅油基于加成氢化硅烷化机制与氢化物官能化硅油极快反应，以形成无法通过典型方法自动地分配的固相。
在一个示例性实施方案中，将加成抑制剂与官能化硅油合并，诸如可得自信越化学工业株式会社(Shin-Etsu)的KE-1056、KE-1151、KE-1820、KE-1825、KE-1830、KE-1831、KE-1833、KE-1842、KE-1884、KE-1885、KE-1886、FE-57、FE-61，诸如可得自道康宁公司(DowCorning)的7395、7610、7817、7612、7780。
5.任选组分
在一些实施方案中，TIM可任选地包含以下组分中的一者或多者：硅烷偶联剂、有机增塑剂、表面活性剂以及助熔剂。
在一些示例性实施方案中，TIM包含一种或多种偶联剂。示例性偶联剂包括具有通式Y-(CH2)n-Si-X3的硅烷偶联剂，其中Y是有机官能团，X是可水解基团。有机官能团Y包括烷基、缩水甘油氧基、丙烯酰氧基、甲基丙烯酰氧基、胺。可水解基团X包括烷氧基、乙酰氧基。在一些示例性实施方案中，硅烷偶联剂包括烷基三烷氧基硅烷。示例性烷基三烷氧基硅烷包括癸基三甲氧基硅烷、十一烷基三甲氧基硅烷、十六烷基三甲氧基硅烷、十八烷基三甲氧基硅烷。在一个示例性实施方案中，TIM包含作为偶联剂的十六烷基三甲氧基硅烷，如下式所示。
示例性偶联剂与示例性填料相互作用，如以下示例性反应所示。氧化铝是以下反应中使用的代表性填料；但可使用其他替代填料。正如所示，将偶联剂加入水中，使之发生水解以去除乙氧基基团。然后使产物发生改性反应，在该反应中，水被去除并且偶联剂和氧化铝结合在一起。
在一些示例性实施方案中，基于TIM的总重量计，TIM可包含的一种或多种偶联剂的量为少至0.1重量％、0.25重量％、0.5重量％、0.67重量％、0.75重量％，多至1重量％、1.5重量％、2重量％、5重量％、10重量％，或在前述任两个值之间限定的任何范围内诸如0.1重量％至10重量％、0.1重量％至1重量％或0.25重量％至0.67重量％。在一个示例性实施方案中，TIM包含的偶联剂的量为0.4重量％。
在一些示例性实施方案中，TIM包含一种或多种有机增塑剂。示例性有机增塑剂包括基于邻苯二甲酸酯的增塑剂，诸如邻苯二甲酸双(2-乙基己基)酯(DEHP)、邻苯二甲酸二正丁酯(DnBP,DBP)、邻苯二甲酸二辛酯(DOP或DnOP)、邻苯二甲酸二乙酯(DEP)、邻苯二甲酸二异丁酯(DIBP)、邻苯二甲酸二异癸酯(DIDP)、邻苯二甲酸二异壬酯(DINP)以及邻苯二甲酸丁苄酯(BBzP)。
在一些示例性实施方案中，基于TIM的总重量计，TIM可包含的一种或多种有机增塑剂的量为少至0.01％、0.1重量％、0.25重量％、0.5重量％、0.67重量％、0.75重量％，多至1重量％、1.5重量％、2重量％、5重量％、10重量％，或在前述任两个值之间限定的任何范围内诸如0.01重量％至10重量％、0.1重量％至1重量％或0.25重量％至0.67重量％。
在一些示例性实施方案中，TIM包含一种或多种表面活性剂。示例性表面活性剂包括基于有机硅的表面添加剂，诸如可得自毕克化学公司(BYK Chemie GmbH)的BYK表面活性剂，包括BYK-307、BYK-306和BYK-222。
在一些示例性实施方案中，基于TIM的总重量计，TIM可包含的一种或多种表面活性剂的量为少至0.01％、0.1重量％、0.25重量％、0.5重量％、0.67重量％、0.75重量％，多至1重量％、1.5重量％、2重量％、5重量％、10重量％，或在前述任两个值之间限定的任何范围内诸如0.1重量％至10重量％、0.1重量％至1重量％或0.25重量％至0.67重量％。
在一些示例性实施方案中，TIM包含一种或多种助熔剂。示例性助熔剂包括热解法二氧化硅。
在一些示例性实施方案中，基于TIM的总重量计，TIM可包含的一种或多种助熔剂的量为少至0.1重量％、0.25重量％、0.5重量％、0.67重量％、0.75重量％，多至1重量％、1.5重量％、2重量％、5重量％、10重量％，或在前述任两个值之间限定的任何范围内诸如0.1重量％至10重量％、0.1重量％至1重量％或0.25重量％至0.67重量％。
6.热界面材料的示例性配方
在第一非限制性示例性实施方案中，TIM包含约2重量％至约20重量％硅油、约0.1重量％至约5重量％偶联剂、约50重量％至约95重量％导热填料、约0.1重量％至约5重量％加成抑制剂以及约0.1重量％至约5重量％加成催化剂。
在第二非限制性示例性实施方案中，TIM包含约2重量％至约10重量％的第一低分子量硅油、约2重量％至约10重量％的第二低分子量硅油、约0.1重量％至约5重量％的高分子量硅油、约0.1重量％至约5重量％的偶联剂、约25重量％至约50重量％的第一导热填料、约25重量％至约50重量％的第二导热填料、约25重量％至约50重量％的第三导热填料、约0.1重量％至约5重量％加成抑制剂以及约0.1重量％至约5重量％加成催化剂。
7.热界面材料的示例性特性
在一些示例性实施方案中，如上所述的热界面材料对高加速应力测试(HAST)具有优异耐受性。HAST测试通常应理解为涉及在热界面材料的热性能方面热界面材料对湿度和温度的耐受性。示例性HAST测试标准是JESD22-A110-B。在一个具体实施方案中，当以竖直取向的1.6mm间隙放置在玻璃与示例性铜散热器之间并且在一周以上的时间内经受-55℃与+125℃之间的10000次热循环时，热界面材料未显示滴落。在其他实施方案中，热界面材料在热循环测试后显示很少乃至没有开裂。
在一些示例性实施方案中，如上所述的热界面材料对温度循环具有优异耐受性。温度循环通常应理解为涉及热界面材料对高温和低温的极端条件的耐受性以及其承受周期性热应力的能力。示例性温度循环测试标准是JESD22-A104-B。在一个具体实施方案中，当以竖直取向的1.6mm间隙放置在玻璃与示例性铜散热器之间并且在一周内经受-55℃与+125℃之间的10000次热循环时，热界面材料未显示滴落。在其他实施方案中，热界面材料在温度循环测试后显示很少乃至没有开裂。
在一些示例性实施方案中，如上所述的热界面材料的热导率为至少1W/m.K.。示例性热导率测试方法标准是ASTM D5470。在一个示例性修正案中，如上所述的热界面材料的热导率为约4W/m.K.。在另一个示例性实施方案中，如上所述的热界面材料的热导率为约2W/m.K.。
在一些示例性实施方案中，如上所述的热界面材料在室温下的粘度为在10Pa.s至100,000Pa.s的范围内，或更具体地在100Pa.s至10,000Pa.s的范围内。示例性粘度测试方法标准是DIN 53018。在一个具体实施方案中，由Brookfield流变仪以剪切速率2s-1测试粘度。
当施加时，热界面材料可具有如千分尺所测得的改变的厚度。在一些示例性实施方案中，如上所述的热界面材料的厚度为少至0.05mm、0.5mm、1mm，多至3mm、5mm、7mm、10mm，或在前述任两个值之间限定的任何范围内，诸如0.05mm至5mm。
在一些示例性实施方案中，如上所述的热界面材料在固化时在给定温度下是可压缩的。在一个示例性实施方案中，热界面材料在约25℃的温度下可压缩至少10％。
在一些示例性实施方案中，如上所述的热界面材料的分配速率为在1g/min至1000g/min的范围内，或更具体地在10g/min至100g/min的范围内。在一个具体实施方案中，使用具有0.1英寸直径分配头开口的10ml注射器在0.6MPa压力下测试分配速率。
B.形成热界面材料的方法
在一些示例性实施方案中，通过在加热的混合器中合并单独组分并且将该组合物共混在一起来制备TIM。然后可将共混的组合物直接施加到基底而不烘烤。
C.利用热界面材料的应用
再次参见图1，在一些示例性实施方案中，热界面材料作为TIM 1定位在电子部件12与热扩散器14之间，如TIM 18所指示。在一些示例性实施方案中，热界面材料作为TIM 2定位在热扩散器14与散热器16之间，如TIM 20所指示。在一些示例性实施方案中，热界面材料作为TIM 1.5(未示出)定位在电子部件12与散热器16之间。
实施例
实施例1
根据表1中提供的配方来制备热界面材料。
表1：实施例1的配方(重量％)
组分 重量％
低MW硅油A 4.75
低MW硅油B 4.75
硅烷偶联剂 0.5
导热填料A 60
导热填料B 30
加成抑制剂 0.1
低分子量(MW)硅油A是包含乙烯基官能团的低分子量液体硅橡胶。低MW硅油的分子量为低于50,000道尔顿并且还包括铂催化剂。低MW硅油B是包含氢化物官能团的液体硅橡胶，并且具有低于50,000道尔顿的分子量。硅烷偶联剂是十六烷基三甲氧基硅烷。导热填料A是粒径为介于1与10微米之间的铝颗粒。导热填料B是粒径为小于1微米的氧化锌颗粒。加成抑制剂是可得自瓦克化学公司(Wacker Chemie AG)的Pt抑制剂88。
为了制备实施例1的配方，将硅油、硅烷偶联剂和加成抑制剂合并且用高速混合器共混。然后添加导热填料，并且再次共混该混合物。
从派克固美丽公司(Parker Chomerics)购得GEL 30Thermally ConductiveDispensable Gel(GEL 30导热可分配凝胶)以用作比较例。GEL 30包含部分交联的硅橡胶和氧化铝。
实施例1和该比较例的配方各自以竖直取向的1.6mm间隙夹在玻璃与示例性散热器之间，并且在一周内经受-55℃与+125℃之间的热循环。
图2A示出了在热循环测试之前由实施例1形成的样品，并且图2B示出了在热循环测试之前由GEL 30比较例形成的样品。图3A示出了在热循环测试之后由实施例1形成的样品，并且图3B示出了在热循环测试之后由GEL 30比较例形成的样品。
如图3A所示，由实施例1形成的样品未显示滴落，如样品在测试期间保持其在玻璃与基底之间的初始竖直位置所指示。相比之下，由该比较例形成的样品显示显著滴落，如图2B与图3B之间的向下移动所指示。
另外，图3A示出了由实施例1形成的样品因热循环测试引起的有限开裂。相比之下，图3B示出了该比较例中显著更多的开裂。
实施例2
根据表2中提供的配方来制备热界面材料。
表2：实施例2的配方(重量％)
低分子量(MW)硅油A是包含乙烯基官能团的低分子量液体硅橡胶。低MW硅油A的分子量为低于50,000道尔顿并且还包括铂催化剂。低MW硅油B是包含氢化物官能团的低分子量液体硅橡胶。低MW硅油B的分子量为低于50,000道尔顿。高MW硅油的分子量为高于60,000道尔顿。硅烷偶联剂是十六烷基三甲氧基硅烷。导热填料A是粒径为介于1与10微米之间的氧化铝颗粒。导热填料B是粒径为小于1微米的氧化铝颗粒。加成抑制剂是可得自瓦克化学公司(Wacker Chemie AG)的Pt抑制剂88。
在制备比较例2、实施例2A、2B或2C之一后，将制备的混合物注入注射器50中并加以密封，如图6A、图6B所示。将注射器50连接到自动分配器工具52。可通过分配器工具52产生的空气压力将这些混合物吹扫出注射器50。分配器工具52还控制孔口直径。实际上，分配器工具52通过改变孔口直径和空气压力这两个参数来控制混合物从注射器50的分配速率。在一个实施方案中，该配方在90psi的压缩下以10立方厘米穿过未接针头的注射器50的0.100英寸孔口从注射器50分配。
将比较例2、实施例2A和实施例2B的配方各自分配在示例性散热器上，之后将玻璃板放置到示例性散热器上，其中例如当装置如图2A所示的那样呈竖直取向时，在散热器与玻璃之间存在1.6mm间隙。施加到配方上的压力使配方扩散到所需区域。在散热器与玻璃之间存在1.6mm间隙。如上所述的玻璃和示例性散热器装置在一周内经受-55℃与+125℃之间的热循环，且每次循环具有40分钟的持续时间。进行总共约250次循环，每次单独循环具有40分钟的持续时间。
图4A至图4C示出了在热循环测试之前由实施例2形成的比较例2、实施例2A和实施例2B，而热循环测试之后比较例2、实施例2A和实施例2B的所得配方在图5A至图5C中示出。
如图5A和图5B所示，比较例2和实施例2A各自显示显著滴落，如样品在测试期间不能保持其在玻璃与基底之间的相应初始竖直位置所指示。相比之下，如图5C所示，实施例2B显示有限滴落，如样品在测试期间保持其在玻璃与基底之间的初始竖直位置所指示。
另外，实施例2B(图5C)示出了由实施例1形成的样品因热循环测试引起的有限开裂。相比之下，比较例2和实施例2A(分别为图5A和图5B)示出了该比较例中显著更多的开裂。
虽然已经将本发明描述为具有示例性设计，但是可以在本公开的精神和范围内对本发明进行进一步的修改。因此，本申请旨在涵盖使用本发明基本原理对本发明所做出的任何变型、应用或修改。此外，本申请旨在涵盖那些尽管不同于本公开、但是在本发明所属领域的已知或习惯用法之内并且落在所附权利要求的限制之内的方案。

Claims (10)

1.一种热界面材料，包含：
重均分子量(Mw)为小于50,000道尔顿的至少一种低分子量硅油；
至少一种导热填料；以及
至少一种高分子量硅油，其中所述高分子量硅油包括重均分子量(Mw)为至少60,000道尔顿的乙烯基官能化硅油。
2.根据权利要求1所述的热界面材料，其中所述至少一种低分子量硅油包括第一硅油和第二硅油，其中所述第一硅油是乙烯基官能化硅油，并且所述第二硅油是氢化物官能化硅油。
3.根据权利要求1所述的热界面材料，其中所述导热填料包括第一导热填料和第二导热填料，其中所述第一导热填料是粒度为大于1微米的金属氧化物，并且所述第二导热填料是粒度为小于1微米的金属氧化物。
4.根据权利要求1所述的热界面材料，其中所述热界面材料包含：
2重量％至20重量％的所述低分子量硅油；
50重量％至95重量％的所述导热填料；以及
0.1重量％至5重量％的所述高分子量硅油。
5.一种热界面材料，包含：
至少一种硅油；
至少一种导热填料；以及
至少一种加成抑制剂，其中所述加成抑制剂包括炔基化合物。
6.根据权利要求5所述的热界面材料，其中所述加成抑制剂选自由下述各项构成的组：多乙烯基官能化聚硅氧烷、乙炔基环己醇中的乙烯基封端的聚二甲基硅氧烷、2-甲基-3-丁炔-2-醇以及3-甲基-1-戊炔-3-醇。
7.根据权利要求5所述的热界面材料，其中所述至少一种硅油包括第一硅油和第二硅油，其中所述第一硅油是乙烯基官能化硅油，并且所述第二硅油是氢化物官能化硅油。
8.根据权利要求5所述的热界面材料，其中所述导热填料包括第一导热填料和第二导热填料，其中所述第一导热填料是粒度为大于1微米的金属，并且所述第二导热填料是粒度为小于1微米的金属氧化物。
9.根据权利要求8所述的热界面材料，其中所述第一导热填料与所述第二导热填料的比率为1.5:1至3:1。
10.根据权利要求5所述的热界面材料，其中所述热界面材料包含：
2重量％至20重量％的所述硅油；
0.1重量％至5重量％的硅烷偶联剂；
50重量％至95重量％的所述导热填料；以及
0.01重量％至5重量％的所述加成抑制剂。
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