CN110343389A - 各向异性绝缘导热组合物及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种各向异性绝缘导热组合物及其制备方法，各向异性绝缘导热组合物包括原料及其质量份数如下：含乙烯基的高分子量聚硅氧烷50‑95份；含乙烯基的低分子量聚硅氧烷5‑50份；非反应性低分子量聚硅氧烷5‑50份；片状导热填料100‑400份；绝缘导热填料50‑400份；纳米补强填料5‑20份；耐热添加剂1‑10份；以及固化剂0.05‑15份。本发明的各向异性绝缘导热组合物，用于高功率芯片等电子元器件的散热，通过定向片状导热填料来提高导热系数，纳米补强填料的加入来提高固化物的物理性能，所得的导热组合物的导热系数大于9W/(m·K)，拉伸强度大于0.2MPa，断裂伸长率大于80％；以挤出层压工艺制得本发明的各向异性绝缘导热，操作简单，利于大规模连续化生产。

Description

各向异性绝缘导热组合物及其制备方法
技术领域
本发明涉及元器件的导热材料技术领域，尤其涉及一种各向异性绝缘导热组合物及其制备方法。
背景技术
随着电子技术的不断发展，元器件的尺寸越来越小，集成度也在不断提高，它们在运行中会产生大量的热量，这些热量的堆积会对元器件的使用寿命和可靠性带来致命的影响。为了使元器件运行中产生的热量快速散去，必然要求具有更高导热系数的导热材料去传导这些热量。与此同时，在很多应用场合对导热材料的绝缘性能有严格的要求，因此导电类粉体的加入受到终端厂家的严格限制。传统的各向同性的导热填料已经不能满足制作出大于7W/m.K的具有良好力学性能的导热材料。当前普遍使用的7W/m.K以上的导热凝胶又因为其耐长期老化性能和极差物理性能受到行业使用者诸多诟病。
专利CN107995999A公开了一种热传导片，提到将碳纤维进行定向处理并且和热传导性填料等配合来实现高导热特性，但是由于碳纤维的导电特性在应用中受到很多限制，而且此专利中热传导片的生产方法过于复杂，不利于大规模连续化生产，此外也没有关注固化物的物理性能。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，提供一种具有高导热性能的各向异性绝缘导热组合物及其制备方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种各向异性绝缘导热组合物，包括原料及其质量份数如下：
优选地，所述含乙烯基的高分子量聚硅氧烷是一个分子中具有两个或两个以上的乙烯基基团的长链聚硅氧烷，每个硅原子上具有两个甲基基团。
优选地，所述含乙烯基的高分子量聚硅氧烷选用直链聚二甲基硅氧烷，其平均分子量为20万-100万。
优选地，所述含乙烯基的低分子量聚硅氧烷是一个分子中具有两个或两个以上的乙烯基基团的短链聚硅氧烷，每个硅原子上具有两个甲基基团。
优选地，所述含乙烯基的低分子量聚硅氧烷选用直链聚二甲基硅氧烷，其平均分子量为500-200000。
优选地，所述非反应性低分子量聚硅氧烷是一个分子中具有两个或两个以上的三甲基硅氧基团的短链聚硅氧烷，每个硅原子上具有两个甲基基团。
优选地，所述片状导热填料的厚径比为1:3-1：40，粒径为10微米-200微米；所述绝缘导热填料的粒径为0.1微米-20微米。
优选地，所述片状导热填料选用片状氮化硼；所述绝缘导热填料包括氮化硼、氧化铝、氮化铝、氮化硅及碳化硅中的一种或几种混合。
优选地，所述纳米补强填料选用BET法比表面积大于50m2/g的气相二氧化硅、气相法白炭黑、沉淀法二氧化硅或纳米氧化铝粉末。
优选地，所述耐热添加剂为氧化铁或氧化铈，粒径为0.05微米-100微米。
优选地，所述固化剂为含50％过氧化物的含乙烯基的高分子量聚硅氧烷，所述过氧化物为过氧化苯甲酰、2,4-二氯过氧化苯甲酰、过氧化苯甲酰叔丁酯、过氧化二叔丁酯、过氧化二异丙苯及2,5-二甲基-2,5-二叔丁基过氧化己烷中的至少一种；或者，
所述固化剂为含氢硅油、延迟剂和铂金络合物的组合物；所述含氢硅油为单个分子量上至少有两个或以上的氢键的氢原子，粘度10cs-500cs，氢原子的质量百分含量为0.1％-1.6％；所述延迟剂为3-甲基-1-丁炔-3醇、1-乙炔基-1-环己醇、马来酸乙酯、马来酸烯丙酯中的一种或几种的混合物；所述铂金络合物为Karstedt催化剂，其铂金含量为500-20000ppm。
本发明还提供一种各向异性绝缘导热组合物的制备方法，包括以下步骤：
S1、将各原料按质量份数混合形成混合物；
S2、采用挤出机将混合物挤出成片；所述挤出机的挤出腔的长度为0.5cm-50cm，挤出腔的宽度为0.1cm-50cm，挤出腔的厚度为0.1mm-10mm；
S3、将挤出成型的片材以多个进行叠加，模压形成块状固化物，制得各向异性绝缘导热组合物。
优选地，制得的各向异性绝缘导热组合物的导热系数大于9W/(m·K)，拉伸强度大于0.2MPa，断裂伸长率大于80％。
本发明的各向异性绝缘导热组合物，用于高功率芯片等电子元器件的散热，通过定向片状导热填料来提高导热系数，纳米补强填料的加入来提高固化物的物理性能，所得的导热组合物的导热系数大于9W/(m·K)，拉伸强度大于0.2MPa，断裂伸长率大于80％；以挤出层压工艺制得本发明的各向异性绝缘导热，操作简单，利于大规模连续化生产。
具体实施方式
本发明的各向异性绝缘导热组合物，包括原料及其质量份数如下：
其中，含乙烯基的高分子量聚硅氧烷是一个分子中具有两个或两个以上的乙烯基基团的长链聚硅氧烷，每个硅原子上具有两个甲基基团。该含乙烯基的高分子量聚硅氧烷既可以是含有较长侧链的也可以是直链的。本发明中，含乙烯基的高分子量聚硅氧烷可以选用直链聚二甲基硅氧烷，其平均分子量为20万-100万，平均分子量优选30万-70万。
含乙烯基的低分子量聚硅氧烷是一个分子中具有两个或两个以上的乙烯基基团的短链聚硅氧烷，每个硅原子上具有两个甲基基团。该含乙烯基的低分子量聚硅氧烷既可以是含有较长侧链的也可以是直链的。本发明中，含乙烯基的低分子量聚硅氧烷可选用直链聚二甲基硅氧烷，其平均分子量为500-200000，平均分子量优选2000-50000。
非反应性低分子量聚硅氧烷是一个分子中具有两个或两个以上的三甲基硅氧基团的短链聚硅氧烷，通常每个硅原子上具有两个甲基基团，这种低分子量聚硅氧烷既可以是含有较长侧链的也可以是直链的。本发明中，非反应性低分子量聚硅氧烷优选直链聚二甲基硅氧烷，其平均分子量为500-200000，优选2000-50000。
各向异性绝缘导热组合物中，片状导热填料的加入主要是利用其片状在厚度方向取向以提高厚度方向导热系数。片状导热填料的厚径比为1:3-1：40，粒径为10微米-200微米，优选20微米-60微米。片状导热填料可以选用片状氮化硼。
绝缘导热填料包括氮化硼、氧化铝、氮化铝、氮化硅及碳化硅等中的一种或几种混合。绝缘导热填料的粒径为0.1微米-20微米，优选1微米-10微米。该绝缘导热填料的形状没有限定，比如可以是针状、棒状、片状、类球状或球形等等，优选球形导热填料。
纳米补强填料选用BET法比表面积大于50m2/g的气相二氧化硅、气相法白炭黑、沉淀法二氧化硅或纳米氧化铝粉末。
耐热添加剂可为氧化铁或氧化铈，粒径为0.05微米-100微米，优选5微米-40微米。
作为一种选择，固化剂为含50％过氧化物的含乙烯基的高分子量聚硅氧烷。其中，过氧化物为过氧化苯甲酰、2,4-二氯过氧化苯甲酰、过氧化苯甲酰叔丁酯、过氧化二叔丁酯、过氧化二异丙苯及2,5-二甲基-2,5-二叔丁基过氧化己烷中的至少一种。
作为另一种选择，固化剂为含氢硅油、延迟剂和铂金络合物的组合物。以质量份数算，固化剂中，含氢硅油为0.1-10份，延迟剂为0.1-2份，铂金络合物为0.1-5份。其中，含氢硅油为单个分子量上至少有两个或以上的氢键的氢原子，粘度10cs-500cs，氢原子的质量百分含量为0.1％-1.6％。延迟剂为3-甲基-1-丁炔-3醇、1-乙炔基-1-环己醇、马来酸乙酯、马来酸烯丙酯中的一种或几种的混合物。铂金络合物为Karstedt催化剂，其铂金含量为500-20000ppm。
另外，本发明的各向异性绝缘导热组合物中，还可以根据需要任意添加其他的添加剂比如着色剂或抗紫外线剂等，确保各向异性绝缘导热组合物具有的高导热性能等上还可以具有各种所需颜色或者抗紫外功能等。
本发明的各向异性绝缘导热组合物的制备方法，可包括以下步骤：
S1、将各原料按质量份数混合形成混合物。
S2、通过挤出机将混合物挤出成片。
其中，挤出机的挤出腔的长度为0.5cm-50cm，优选2cm-10cm；挤出腔的长度小于2cm取向度不足，大于10cm则难以挤出。挤出腔的宽度为0.1mm-50mm。优选1cm-5cm；挤出腔的宽度小于1cm会导致制成品尺寸太小，大于5cm则难以挤出完整的片材。挤出腔的厚度为0.1mm-10mm，优选0.3mm-2mm；挤出腔的厚度小于0.3mm会导致片材难以成片挤出，大于2mm则难以使得片状导热填料在水平方向取向。
S3、将挤出成型的片材以多个进行叠加，模压形成块状固化物，制得各向异性绝缘导热组合物。
其中，进行叠加的片材数量取决于成品尺寸。
制得的各向异性绝缘导热组合物的导热系数大于9W/(m·K)，拉伸强度大于0.2MPa，断裂伸长率大于80％。
进一步，将制得的各向异性绝缘导热组合物按预定尺寸进行切割，可获得各向异性绝缘导热垫，用于高功率芯片等电子元器件。
上述的制备方法中，各原料可以在捏合机中以逐步加料捏合方式进行混合，然后通过开炼机再混合均匀形成混合物，最后再通过挤出机挤出成片。挤出机为双轴挤出机，进一步可以是螺杆型或间隙式的挤出机。
此外，本发明的各向异性绝缘导热组合物也可以采用班伯里混炼机(密炼机)制得。
以下通过具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
分别将600g的平均分子量为50万的长链聚二甲基硅氧烷、200g平均分子量为1000的端乙烯基二甲基硅氧烷、200g的平均分子量为1000的聚二甲基硅氧烷加入到2L的捏合机中，常温捏合搅拌5分钟，然后分别分批加入1000g的平均粒径为25μm的片状氮化硼粉、500g平均粒径为3μm的球形氧化铝粉、500g平均粒径为2μm的球形氧化铝粉、200g的BET法比表面积为200m2/g的气相法白炭黑，常温混合2小时。混合完毕出料，取出400g加入2g含50％2,5-二甲基-2,5-二叔丁基过氧化己烷的平均分子量为50万的长链聚二甲基硅氧烷混合物，在开炼机上混合均匀。所得混合物使用螺杆挤出机挤出成0.6mm厚、30mm宽、(模具通道长度5cm)40cm长的片材。将此种片材再叠成3cm厚、30mm宽、40cm长的预硫化物，放入模具中，在平板硫化机上180℃下模压硫化300秒，制得各向异性绝缘导热组合物。
实施例2
分别将700g的平均分子量为50万的长链聚二甲基硅氧烷、100g平均分子量为5000的端乙烯基二甲基硅氧烷、200g的平均分子量为500的聚二甲基硅氧烷加入到2L的捏合机中，常温捏合搅拌5分钟，然后分别分批加入1000g的平均粒径为40μm的片状氮化硼粉、500g平均粒径为3μm的球形氮化铝粉、300g平均粒径为2μm的氮化硼粉、200g的BET法比表面积为200m2/g的气相法白炭黑，常温混合2小时。混合完毕出料，取出400g加入2g含50％2,5-二甲基-2,5-二叔丁基过氧化己烷的平均分子量为50万的长链聚二甲基硅氧烷混合物，在开炼机上混合均匀，再通过螺杆挤出机挤出成0.6mm厚、30mm宽、40cm长的片材。将此种片材再叠成3cm厚、30mm宽、(模具通道长度5cm)40cm长的预硫化物，放入模具中，在平板硫化机上180℃下模压硫化300秒，制得各向异性绝缘导热组合物。
实施例3
分别将600g的平均分子量为50万的长链聚二甲基硅氧烷、200g平均分子量为5000的端乙烯基二甲基硅氧烷、300g的平均分子量为300的聚二甲基硅氧烷加入到2L的捏合机中，常温捏合搅拌5分钟，然后分别分批加入1000g的平均粒径为45μm的片状氮化硼粉、700g平均粒径为3μm的球形氧化铝粉、300g平均粒径为2μm的球形氮化铝粉、200g的BET法比表面积为200m2/g的气相法白炭黑。常温混合2小时。混合完毕出料，取出400g加入2g含50％2,5-二甲基-2,5-二叔丁基过氧化己烷的平均分子量为50万的长链聚二甲基硅氧烷混合物，在开炼机上混合均匀，再通过螺杆挤出机挤出成0.6mm厚、30mm宽、(模具通道长度10cm)40cm长的片材。将此种片材再叠成3cm厚、30mm宽、40cm长的预硫化物，放入模具中，在平板硫化机上180℃下模压硫化300秒，制得各向异性绝缘导热组合物。
比较例1
分别将700g的平均分子量为50万的长链聚二甲基硅氧烷、100g平均分子量为1000的端乙烯基二甲基硅氧烷、200g的平均分子量为300的聚二甲基硅氧烷加入到2L的捏合机中，常温捏合搅拌5分钟，然后分别分批加入1000g的平均粒径为35μm的片状氮化硼、1000g平均粒径为3μm的球形氧化铝粉，常温混合2小时。混合完毕出料，取出400g加入2g含50％2,5-二甲基-2,5-二叔丁基过氧化己烷的平均分子量为50万的长链聚二甲基硅氧烷混合物，在开炼机上混合均匀，通过螺杆挤出机挤出成2mm厚、30mm宽、(模具通道长度10cm)40cm长的片材。将此种片材再叠成3cm厚、30mm宽、40cm长的预硫化物，放入模具中，在平板硫化机上180℃下硫化300秒，制得导热组合物。
比较例2
分别将600g的平均分子量为50万的长链聚二甲基硅氧烷、200g平均分子量为2000的端乙烯基二甲基硅氧烷、300g的平均分子量为300的聚二甲基硅氧烷加入到2L的捏合机中，常温捏合搅拌5分钟，然后分别分批加入1000g的平均粒径为20μm的片状氮化硼、700g平均粒径为3μm的氧化铝粉、300g平均粒径为2μm的碳化硅粉、200g的BET法比表面积为200m2/g的气相法白炭黑，常温混合2小时。混合完毕出料，取出400g加入2g含50％2,5-二甲基-2,5-二叔丁基过氧化己烷的平均分子量为50万的长链聚二甲基硅氧烷混合物，在开炼机上混合均匀，通过螺杆挤出机挤出成2mm厚、30mm宽、(模具通道长度0.5cm)40cm长的片材。将此种片材再叠成3cm厚、30mm宽、40cm长的预硫化物，放入模具中，在平板硫化机上180℃下模压硫化300秒，制得导热组合物。
将上述实施例1-3及比较例1-2制得的导热组合物进行测试的各项参数如下表1所示：
表1
测试项目 实施例1 实施例2 实施例3 比较例1 比较例2
硬度(邵氏A) 30 35 32 35 29
拉伸强度MPa 0.23 0.25 0.32 0.06 0.21
断裂伸长率％ 112 82 86 70 123
导热系数W/(m·K) 10.1 11.2 10.4 2.9 4.5
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (13)

1.一种各向异性绝缘导热组合物，其特征在于，包括原料及其质量份数如下：
含乙烯基的高分子量聚硅氧烷 50-95份；
含乙烯基的低分子量聚硅氧烷 5-50份；
非反应性低分子量聚硅氧烷 5-50份；
片状导热填料 100-400份；
绝缘导热填料 50-400份；
纳米补强填料 5-20份；
耐热添加剂 1-10份；以及
固化剂 0.05-15份。
2.根据权利要求1所述的各向异性绝缘导热组合物，其特征在于，所述含乙烯基的高分子量聚硅氧烷是一个分子中具有两个或两个以上的乙烯基基团的长链聚硅氧烷，每个硅原子上具有两个甲基基团。
3.根据权利要求2所述的各向异性绝缘导热组合物，其特征在于，所述含乙烯基的高分子量聚硅氧烷选用直链聚二甲基硅氧烷，其平均分子量为20万-100万。
4.根据权利要求1所述的各向异性绝缘导热组合物，其特征在于，所述含乙烯基的低分子量聚硅氧烷是一个分子中具有两个或两个以上的乙烯基基团的短链聚硅氧烷，每个硅原子上具有两个甲基基团。
5.根据权利要求4所述的各向异性绝缘导热组合物，其特征在于，所述含乙烯基的低分子量聚硅氧烷选用直链聚二甲基硅氧烷，其平均分子量为500-200000。
6.根据权利要求1所述的各向异性绝缘导热组合物，其特征在于，所述非反应性低分子量聚硅氧烷是一个分子中具有两个或两个以上的三甲基硅氧基团的短链聚硅氧烷，每个硅原子上具有两个甲基基团。
7.根据权利要求1所述的各向异性绝缘导热组合物，其特征在于，所述片状导热填料的厚径比为1:3-1：40，粒径为10微米-200微米；
所述绝缘导热填料的粒径为0.1微米-20微米。
8.根据权利要求1所述的各向异性绝缘导热组合物，其特征在于，所述片状导热填料选用片状氮化硼；
所述绝缘导热填料包括氮化硼、氧化铝、氮化铝、氮化硅及碳化硅中的一种或几种混合。
9.根据权利要求1所述的各向异性绝缘导热组合物，其特征在于，所述纳米补强填料选用BET法比表面积大于50m2/g的气相二氧化硅、气相法白炭黑、沉淀法二氧化硅或纳米氧化铝粉末。
10.根据权利要求1所述的各向异性绝缘导热组合物，其特征在于，所述耐热添加剂为氧化铁或氧化铈，粒径为0.05微米-100微米。
11.根据权利要求1所述的各向异性绝缘导热组合物，其特征在于，所述固化剂为含50%过氧化物的含乙烯基的高分子量聚硅氧烷，所述过氧化物为过氧化苯甲酰、2,4-二氯过氧化苯甲酰、过氧化苯甲酰叔丁酯、过氧化二叔丁酯、过氧化二异丙苯及2,5-二甲基-2,5-二叔丁基过氧化己烷中的至少一种；或者，
所述固化剂为含氢硅油、延迟剂和铂金络合物的组合物；所述含氢硅油为单个分子量上至少有两个或以上的氢键的氢原子，粘度10cs-500cs，氢原子的质量百分含量为0.1%-1.6%；所述延迟剂为 3-甲基-1-丁炔-3醇、1-乙炔基-1-环己醇、马来酸乙酯、马来酸烯丙酯中的一种或几种的混合物；所述铂金络合物为Karstedt催化剂，其铂金含量为500-20000ppm。
12.一种权利要求1-11任一项所述的各向异性绝缘导热组合物的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将各原料按质量份数混合形成混合物；
S2、采用挤出机将混合物挤出成片；所述挤出机的挤出腔的长度为0.5cm-50cm，挤出腔的宽度为0.1cm-50cm，挤出腔的厚度为0.1mm-10mm；
S3、将挤出成型的片材以多个进行叠加，模压形成块状固化物，制得各向异性绝缘导热组合物。
13.根据权利要求12所述的各向异性绝缘导热组合物的制备方法，其特征在于，制得的各向异性绝缘导热组合物的导热系数大于9 W/(m·K)，拉伸强度大于0.2MPa，断裂伸长率大于80%。
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