CN109504295B - 多层结构导热硅橡胶及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种多层结构导热硅橡胶及其应用，涉及导热硅橡胶技术领域。该多层结构导热硅橡胶，包括第一胶膜层、第二胶膜层以及位于第一胶膜层和第二胶膜层之间的中间层，通过将第一胶膜层和第二胶膜层设置于中间层的上下两面，使得上述各层能够复合成型为具有阶梯结构的多层结构导热硅橡胶，该多层结构导热硅橡胶可实现散热基板与具有阶梯结构的芯片之间良好且紧密的贴合，有利于散热基板与芯片之间的热量顺畅且迅速的散发，改善了现有常规导热垫片无法做成精细结构而很难实现芯片与散热基板的紧密贴合，不利于芯片与散热基板之间热量散发的技术问题。本发明还提供了上述多层结构导热硅橡胶在电子元器件中的应用。

Description

多层结构导热硅橡胶及其应用
技术领域
本发明涉及导热硅橡胶技术领域，尤其是涉及一种多层结构导热硅橡胶及其应用。
背景技术
随着微电子及大规模集成电路的发展，电子元件封装密度的不断提高，电子元件的散热问题已经成为设计中至关重要的关键问题之一。电子元件的热传导问题如果解决不好，将直接影响到各种电子设备的正常使用和寿命。为了解决发热电子元件的散热问题，导热垫片作为一种典型的热界面材料可以显著减小因接触空隙而产生的热阻，提高散热效果，在电子器件散热领域，例如芯片与散热基板的贴合领域，得到了广泛应用。
在芯片和散热基板的贴合过程中，由于芯片的背面多具有凹凸结构(或阶梯结构)，而现有的导热垫片很难做成较为精细的结构与之相贴合，而现有低硬度(硬度邵00硬度15-65)、高导热硅胶片(导热率＞2.5w/m*k)匹配对应电子元器件，需制作成凹凸不平的硅胶片，一般是通过模压生产。但低硬度高导热产品存在机械强度差，产品表面粘性高的普遍现象，模压时凹凸不平的地方容易粘模具，无法完整成型。
有鉴于此，特提出本发明以解决上述技术问题中的至少一个。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种多层结构导热硅橡胶，通过将第一胶膜层、第二胶膜层和中间层复合形成具有阶梯结构的多层结构导热硅橡胶，从而实现散热基板与具有阶梯结构的芯片之间良好且紧密的贴合。
本发明的第二目的在于提供一种多层结构导热硅橡胶的应用。
为解决上述技术问题，本发明特采用如下技术方案：
本发明提供的一种多层结构导热硅橡胶，包括第一胶膜层、第二胶膜层以及位于第一胶膜层和第二胶膜层之间的中间层；
所述第一胶膜层和第二胶膜层的材料相同，均包括以下重量份数的原料：热熔胶80-98份和氮化硼2-20份；
所述中间层由导热材料制作而成；
第一胶膜层、第二胶膜层和中间层能够复合成型为具有阶梯结构的多层结构导热硅橡胶。
进一步的，所述多层结构导热硅橡胶的导热系数为0.7-10W/m·k；
和/或，所述多层结构导热硅橡胶在10psi下压缩形变量大于30％。
进一步的，所述多层结构导热硅橡胶的每两个阶梯之间高度差不超过0.8mm。
进一步的，所述第一胶膜层和第二胶膜层的厚度分别独立地为10-25μm，优选为15-20μm，进一步优选为20μm。
和/或，所述第一胶膜层和第二胶膜层的断裂伸长率分别独立地大于400％。
进一步的，所述第一胶膜层和第二胶膜层的硬度分别独立地为邵A20-70，优选为邵A20-60，进一步优选为邵A30-50；
和/或，所述第一胶膜层和第二胶膜层的熔融温度为160-210℃。
进一步的，所述氮化硼的粒度D50为1-30μm，优选为5-20μm，进一步优选为10-11μm。
进一步的，所述第一胶膜层和第二胶膜层均包括以下重量份数的原料：热熔胶80-95份和氮化硼5-20份；
优选地，所述第一胶膜层和第二胶膜层均包括以下重量份数的原料：热熔胶85-90份和氮化硼10-15份。
进一步的，所述中间层包括以下重量份数的原料：液体硅橡胶10-15份，氧化铝50-85份，氮化硼1-5份，偶联剂0.05-0.1份，铂金催化剂0.05-0.1份和色浆0.01-0.5份；
优选地，所述中间层包括以下重量份数的原料：液体硅橡胶10-15份，氧化铝50-85份，氮化硼1-5份，偶联剂0.05-0.1份，铂金催化剂0.05-0.1份和色浆0.01-0.5份。
进一步的，所述中间层的硬度为邵00硬度30-70；
和/或，所述中间层的厚度为0.20-10.0mm；
和/或，所述中间层的导热系数为2.5-10W/m·k。
本发明还提供了一种多层结构导热硅橡胶在电子元器件中的应用。
与现有技术相比，本发明提供的多层结构导热硅橡胶具有如下有益效果：
(1)本发明提供的多层结构导热硅橡胶，通过在中间层的上下两面分别设置第一胶膜层和第二胶膜层，使得上述各层能够复合成型为具有阶梯结构的多层结构导热硅橡胶，该多层结构导热硅橡胶可实现散热基板与具有阶梯结构的芯片之间良好且紧密的贴合，有利于散热基板与芯片之间的热量顺畅且迅速的散发，改善了现有常规导热垫片无法做成精细结构而很难实现芯片与散热基板的紧密贴合，不利于芯片与散热基板之间热量散发的技术问题。
(2)本发明提供的多层结构导热硅橡胶，将第一胶膜层和第二胶膜层设置于中间层的上下两面，由于第一胶膜层和第二胶膜层具有较好的弹性，使得上述各层在复合成型过程中不会被拉断，且可形成较为精细的阶梯丘陵结构，同时表面不粘，脱模容易。
(3)鉴于本发明多层结构导热硅橡胶所具有的优势，使得其在电子元器件中具有广泛的应用，可实现电子元器件快速、科学的散热，有利于提升电子元器件的应用性能以及使用寿命。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明第一胶膜层、中间层和第二胶膜层的位置关系示意图；
图2为采用硫化模具对第一胶膜层、中间层和第二胶膜层复合成型的示意图；
图3为本发明提供的一种多层结构导热硅橡胶的结构示意图；
图4为本发明提供的多层结构导热硅橡胶与芯片和散热基板之间的位置关系示意图。
附图标记：
图1：31-第一胶膜层；32-第二胶膜层；33-中间层；
图2：31-第一胶膜层；32-第二胶膜层；33-中间层；41-硫化模具上模；42-硫化模具底模；
图3：3-多层结构导热硅橡胶；
图4：1-芯片；2-散热基板；3-多层结构导热硅橡胶。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“中间”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
现有的垫片在现有工艺条件下不能做成与电子元器件(例如芯片)完全吻合的结构，故很难实现电子元器件和散热基板良好且紧密的贴合。
为解决上述问题，根据本发明提供了一种多层结构导热硅橡胶，具体如图1-4所示。该多层结构导热硅橡胶3包括第一胶膜层31、第二胶膜层32以及位于第一胶膜层31和第二胶膜层32之间的中间层33；
第一胶膜层31和第二胶膜层32的材料相同，均包括以下重量份数的原料：热熔胶80-98份和氮化硼2-20份；
中间层33由导热材料制作而成；
第一胶膜层31、第二胶膜层32和中间层33能够复合成型为具有阶梯结构的多层结构导热硅橡胶3。
具体的，该多层结构导热硅橡胶3中，第一胶膜层31和第二胶膜层32分别设置于中间层33的上下两面，形成类似“三明治”的复合结构。第一胶膜层31和第二胶膜层32可赋予中间层33一定的弹性，使得上述各层在压力成型过程中形成具有一定精细结构(异型结构)的产品。
其中，压力成型通常采用硫化模具(包括硫化模具上模41和硫化模具底模42)来完成，即将第一胶膜层31、中间层33和第二胶膜层32放置于硫化模具上模41和硫化模具底模42之间，具体如图2所示。在一定压力、温度和时间下硫化模具可将上述各层复合成型为具有阶梯结构的多层结构导热硅橡胶3。
本发明对第一胶膜层和第二胶膜层的材质作了具体限定。第一胶膜层和第二胶膜层主要由热熔胶和氮化硼等原料制成。
热熔胶典型但非限制性的重量份数为80份、82份、84份、85份、86份、88份、90份、92份、94份、95份、96份或98份。
氮化硼的加入，可降低热熔胶的热阻。例如，0.015mm热熔胶膜加入氮化硼后，热阻由原来的0.3(℃·in2/W)降低至0.18(℃·in2/W)。氮化硼典型但非限制性的重量份数为2份、4份、5份、6份、8份、10份、12份、14份、15份、16份、18份或20份。
中间层则采用导热材料制作而成，此处对导热材料的种类不作具体限定，只要能达到导热的目的即可。
需要说明的是，本发明中的“阶梯结构”也可以理解为凹凸结构或者类似丘陵结构，多层结构导热硅橡胶的“阶梯结构”的设计，主要是为了使其能够与背面具有凹凸结构的芯片1配合，使得芯片1与散热基板2之间达到良好而紧密的贴合。
本发明提供的多层结构导热硅橡胶，通过在中间层的上下两面分别设置第一胶膜层和第二胶膜层，使得上述各层能够复合成型为具有阶梯结构的多层结构导热硅橡胶，该多层结构导热硅橡胶可实现散热基板与具有阶梯结构的芯片之间良好且紧密的贴合，有利于散热基板与芯片之间热量顺畅且迅速的散发，改善了现有常规导热垫片无法做成精细结构而很难实现芯片与散热基板的紧密贴合。
作为本发明的一种优选实施方式，多层结构导热硅橡胶的导热系数为0.7-10W/m·k；
多层结构导热硅橡胶导热系数较高，热阻越小，散热效果较好。多层结构导热硅橡胶典型但非限制性的导热系数为0.7W/m·k、1.0W/m·k、2.0W/m·k、3.0W/m·k、4.0W/m·k、5.0W/m·k、6.0W/m·k、7.0W/m·k、8.0W/m·k、9.0W/m·k或10.0W/m·k。
作为本发明的一种优选实施方式，多层结构导热硅橡胶在10psi下压缩形变量大于30％。
通过对多层结构导热硅橡胶压缩形变量的限定，使得多层结构导热硅橡胶能够很好适应不同高度差的电子芯片散热使用。
作为本发明的一种优选实施方式，多层结构导热硅橡胶的每两个阶梯之间高度差不超过0.8mm。
通过对多层结构导热硅橡胶的每两个阶梯之间高度差的限定，使得制得的多层结构导热硅橡胶具有良好的断裂伸长率。若每两个阶梯之间高度差过大，会造成模压时超过上下层(第一胶膜层、第二胶膜层)的断裂伸长率极限，从而使上下两层破裂，不能复合成多层结构导热硅橡胶。
第一胶膜层和第二胶膜层的厚度可相同也可不同。作为本发明的一种优选实施方式，第一胶膜层和第二胶膜层的厚度分别独立地为10-30μm，优选为15-25μm，进一步优选为20μm；
典型但非限制性的第一胶膜层的厚度为10μm、12μm、15μm、18μm、20μm、22μm、25μm、28μm或30μm，典型但非限制性的第二胶膜层的厚度为10μm、12μm、15μm、18μm、20μm、22μm、25μm、28μm或30μm。
作为本发明的一种优选实施方式，第一胶膜层和第二胶膜层的断裂伸长率分别独立地大于400％。
通过对第一胶膜层和第二胶膜层的断裂伸长率的限定，使得第一胶膜层和第二胶膜层具有良好的弹性，以防止第一胶膜层、第二胶膜层和中间层在复合压力成型中被拉断，从而影响“阶梯结构”的形成。
作为本发明的一种优选实施方式，第一胶膜层和第二胶膜层的硬度分别独立地为邵A20-70，优选为邵A20-60，进一步优选为邵A30-50；
和/或，第一胶膜层和第二胶膜层的熔融温度为160-210℃。第一胶膜层和第二胶膜层典型但非限制性的熔融温度为160℃、170℃、180℃、190℃、200℃或210℃。该第一胶膜层和第二胶膜层可长期耐温140℃，具有优异的可加工性。
第一胶膜层和第二胶膜层的硬度可相同也可不同。典型但非限制性的第一胶膜层的硬度为邵A20、邵A30、邵A40、邵A50、邵A60或邵A70；典型但非限制性的第二胶膜层的硬度为邵A20、邵A30、邵A40、邵A50、邵A60或邵A70。
作为本发明的一种优选实施方式，氮化硼的粒度D50为1-40μm，优选为5-20μm，进一步优选为10-11μm。
D50，也叫中位径或中值粒径，样品的累计粒度分布百分数达到50％时所对应的粒径。典型但非限制性的氮化硼的粒度D50例如为1μm、2μm、5μm、8μm、10μm、15μm、18μm、20μm、25μm、30μm、35μm或40μm。
作为本发明的一种优选实施方式，第一胶膜层和第二胶膜层均包括以下重量份数的原料：热熔胶80-95份和氮化硼5-20份；
优选地，第一胶膜层和第二胶膜层均包括以下重量份数的原料：热熔胶85-90份和氮化硼10-15份。
通过对第一胶膜层和第二胶膜层具体原料组成以及用量的限定，使得第一胶膜层和第二胶膜层具有更良好的性能。
作为本发明的一种优选实施方式，中间层包括以下重量份数的原料：液体硅橡胶10-15份，氧化铝50-85份，氮化硼1-5份，偶联剂0.05-0.1份，铂金催化剂0.05-0.1份和色浆0.01-0.5份；
优选地，中间层包括以下重量份数的原料：液体硅橡胶10-15份，氧化铝50-85份，1-5份氮化硼，偶联剂0.05份-0.1份，铂金催化剂0.05份-0.1份和色浆0.01份-0.5份。
作为本发明的一种优选实施方式，中间层的硬度为邵00硬度30-70；
和/或，中间层的厚度为0.20-10.0mm；
和/或，中间层的导热系数为2.5-10W/m·k。
中间层典型但非限制性的硬度为邵A10、邵A20或邵A30；中间层典型但非限制性的厚度为0.20mm、0.50mm、0.80mm、1.0mm、2.0mm、3.0mm、4.0mm、5.0mm、6.0mm、7.0mm、8.0mm、9.0mm或10mm；中间层典型但非限制性的导热系数为2.5W/m·k、3.0W/m·k、4.0W/m·k、5.0W/m·k、6.0W/m·k、7.0W/m·k、8.0W/m·k、9.0W/m·k或10.0W/m·k。
通过对中间层硬度、厚度以及导热系数的限定，使得中间层在具有良好的导热性能的同时，还具有一定的可加工性。
本发明还提供了上述多层结构导热硅橡胶的应用。
鉴于上述多层结构导热硅橡胶所具有的优势，使得其在电子元器件中具有广泛的应用，可实现电子元器件快速、科学的散热，有利于提升电子元器件的应用性能以及使用寿命。
下面结合具体实施例和对比例，对本发明作进一步说明。
实施例1
本实施例提供的多层结构导热硅橡胶，包括第一胶膜层、第二胶膜层以及位于第一胶膜层和第二胶膜层之间的中间层；
第一胶膜层和第二胶膜层的材料相同，均采用以下重量份数的原料：热熔胶85份和氮化硼15份；其中，第一胶膜层和第二胶膜层的厚度均为15μm，硬度均为A30，断裂伸长率均为410％，氮化硼的粒度D50为10μm。
中间层由导热材料制作而成，中间层包括以下重量份数的原料：液体硅橡胶10份、氧化铝60份、氮化硼5份、偶联剂0.05份、铂金催化剂0.05份和色浆0.01份；其中，中间层的硬度为邵00硬度50，中间层的厚度为2.0mm。
第一胶膜层、第二胶膜层和中间层在硫化模具压力下复合成型为具有阶梯结构的多层结构导热硅橡胶。
实施例2
本实施例提供的多层结构导热硅橡胶，除了第一胶膜层和第二胶膜层均采用以下重量份数为95份的热熔胶和重量份数为5份的氮化硼制成之外，其余结构、组成与实施例1相同。
实施例3
本实施例提供的多层结构导热硅橡胶，除了第一胶膜层的厚度为20μm，第二胶膜层的厚度为25μm，其余结构、组成与实施例1相同。
实施例4
本实施例提供的多层结构导热硅橡胶，除了中间层的厚度为10.0mm，其余结构、组成与实施例1相同。
实施例5
本实施例提供的多层结构导热硅橡胶，包括第一胶膜层、第二胶膜层以及位于第一胶膜层和第二胶膜层之间的中间层；
第一胶膜层和第二胶膜层的材料相同，均采用以下重量份数的原料：热熔胶90份和氮化硼10份；其中，第一胶膜层的厚度为15μm，硬度为A50，断裂伸长率为420％，第二胶膜层的厚度为20μm，硬度为A30，断裂伸长率为450％，氮化硼的粒度D50为8μm。
中间层由导热材料制作而成，中间层包括以下重量份数的原料：液体硅橡胶15份、氧化铝80份、氮化硼3份、偶联剂0.08份、铂金催化剂0.08份和色浆0.3份；其中，中间层的硬度为邵A30，中间层的厚度为10.0mm。
第一胶膜层、第二胶膜层和中间层在硫化模具压力下复合成型为具有阶梯结构的多层结构导热硅橡胶。
对比例1
本对比例提供的一种导热垫片，该导热垫片与实施例1中的中间层相同，包括以下重量份数的原料：液体硅橡胶10份、氧化铝60份、氮化硼5份、偶联剂0.05份、铂金催化剂0.05份和色浆0.01份；
其中，导热垫片的硬度为邵00硬度50，导热垫片的厚度为2.0mm，此导热垫片为平面结构。
对比例2
本对比例提供的一种导热垫片，该导热垫片与实施例5中的中间层相同，包括以下重量份数的原料：液体硅橡胶15份、氧化铝80份、氮化硼3份、偶联剂0.08份、铂金催化剂0.08份和色浆0.3份；
其中，导热垫片的硬度为邵A30，导热垫片的厚度为10.0mm，此导热垫片为异型结构(多阶梯结构)。
对比例3
本对比例提供的一种导热垫片，该导热垫片将第一胶膜层、第二胶膜层和中间层在硫化模具压力下复合成型为平面的多层结构导热硅橡胶，其余结构组成与实施例1相同，此导热垫片为平面结构。
为进一步验证上述实施例和对比例的效果，特设以下实验例。
实验例
为了进一步验证上述实施例与对比例的技术效果，对实施例1-6得到的多层结构导热硅橡胶和对比例1-3得到的导热垫片进行性能测试。其中，厚度测试采用测厚仪，检测标准依据ASTM D374；导热系数测试采用导热系数测试仪，检测标准依据ASTM D5470；体积电阻率采用体积电阻率测试仪，检测标准依据ASTM D257；击穿电压采用5万伏电压击穿实验仪，检测标准依据ASTM D149，具体检测结果见表1。
表1各实施例和对比例的导热性能测试结果
由表1中数据可以看出，本发明实施例提供的多层结构导热硅橡胶的性能整体要优于对比例1提供的导热垫片。
综上所述，本发明提供的多层结构导热硅橡胶可实现散热基板与具有阶梯结构的芯片之间良好且紧密的贴合，有利于散热基板与芯片之间的热量顺畅且迅速的散发。
最后应说明的是：以上各实施方式仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施方式对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施方式技术方案的范围。

Claims (14)

1.一种多层结构导热硅橡胶，其特征在于，包括第一胶膜层、第二胶膜层以及位于第一胶膜层和第二胶膜层之间的中间层；
所述第一胶膜层和第二胶膜层的材料相同，均包括以下重量份数的原料：热熔胶85-90份和氮化硼10-15份；
所述中间层包括以下重量份数的原料：液体硅橡胶10-15份，氧化铝50-85份，氮化硼1-5份，偶联剂0.05-0.1份，铂金催化剂0.05-0.1份和色浆0.01-0.5份；
第一胶膜层、第二胶膜层和中间层能够复合成型为具有阶梯结构的多层结构导热硅橡胶；
所述多层结构导热硅橡胶的每两个阶梯之间高度差不超过0.8mm；
所述第一胶膜层和第二胶膜层的断裂伸长率分别独立地大于400％。
2.根据权利要求1所述的多层结构导热硅橡胶，其特征在于，所述多层结构导热硅橡胶的导热系数为0.7-10W/m·k；
和/或，所述多层结构导热硅橡胶在10psi下压缩形变量大于30％。
3.根据权利要求1所述的多层结构导热硅橡胶，其特征在于，所述第一胶膜层和第二胶膜层的厚度分别独立地为10-25μm。
4.根据权利要求3所述的多层结构导热硅橡胶，其特征在于，所述第一胶膜层和第二胶膜层的厚度分别独立地为15-20μm。
5.根据权利要求3或4所述的多层结构导热硅橡胶，其特征在于，所述第一胶膜层和第二胶膜层的厚度为20μm。
6.根据权利要求1所述的多层结构导热硅橡胶，其特征在于，所述第一胶膜层和第二胶膜层的硬度分别独立地为邵A20-70，
和/或，所述第一胶膜层和第二胶膜层的熔融温度为160-210℃。
7.根据权利要求6所述的多层结构导热硅橡胶，其特征在于，所述第一胶膜层和第二胶膜层的硬度分别独立地为邵A20-60。
8.根据权利要求6或7所述的多层结构导热硅橡胶，其特征在于，所述第一胶膜层和第二胶膜层的硬度分别独立地为邵A30-50。
9.根据权利要求1所述的多层结构导热硅橡胶，其特征在于，所述氮化硼的粒度D50为1-30μm。
10.根据权利要求9所述的多层结构导热硅橡胶，其特征在于，所述氮化硼的粒度D50为5-20μm。
11.根据权利要求9或10所述的多层结构导热硅橡胶，其特征在于，所述氮化硼的粒度D50为10-11μm。
12.根据权利要求1所述的多层结构导热硅橡胶，其特征在于，
所述中间层包括以下重量份数的原料：液体硅橡胶10-15份，氧化铝50-85份，氮化硼1-5份，偶联剂0.05-0.1份，铂金催化剂0.05-0.1份和色浆0.01-0.5份。
13.根据权利要求1或12所述的多层结构导热硅橡胶，其特征在于，所述中间层的硬度为邵00硬度30-70；
和/或，所述中间层的厚度为0.20-10.0mm；
和/或，所述中间层的导热系数为2.5-10W/m·k。
14.权利要求1-13任意一项所述的多层结构导热硅橡胶在电子元器件中的应用。
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