CN110591365A - 一种用于半导体芯片散热的高导热纳米硅脂 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于半导体芯片散热的高导热纳米硅脂，所述硅脂由硅油和导热填料组成，其特征在于，所述硅油和所述导热填料的体积百分比为硅油30％‑70％，导热填料30％‑70％，所述体积百分比以所述硅脂的总体积为基础；所述高导热纳米硅脂具有导热性能好，性质稳定，油离度低等优点。

Description

一种用于半导体芯片散热的高导热纳米硅脂
技术领域
本发明属半导体芯片散热领域，特别涉及一种用于半导体芯片散热的高导热纳米硅脂。
技术背景
近年来，随着科学技术的发展，集成电路的密集化及微型化程度越来越高，电子元器件不断变小并且以更快的速度运行，功率密度不断增加，半导体芯片在单位面积内会产生更多的热量。据统计，由于过热引起的CPU和GPU失效占CPU和GPU失效总数的50％，而且，工作温度每升高10％，可靠性就降低50％，同时半导体芯片的频率也受到散热问题的不良影响，进一步的，温度的升高也为散热提出了巨大的挑战，为了给半导体芯片散热，需要耗费大量的能源。导热硅脂(又称散热膏)是一种膏状的热界面导热材料，可用于发热或散热元件的散热，具有良好的导热性能，常应用于电子产品等领域。其主要特点是：既可应用于快速释放电子产品使用时产生的热量，在电子产品的密集化、小型化、可靠性、精密度及使用寿命等方面具有重要作用。目前半导体芯片的导热硅脂方面存在的主要问题是现有的导热硅脂通常采用硅油与导热无机填料混合制成，而导热填料与硅油的密度相差较大，相容性差，使其在使用过程中常常会出现不稳定的状态，造成油粉分离，导致导热散热性能大幅降低。
发明内容
针对上述不足，本发明公开了一种用于半导体芯片散热的高导热纳米硅脂。
一种用于半导体芯片散热的高导热纳米硅脂，由硅油和导热填料组成，所述硅油和所述导热填料的体积比为硅油30％-70％，导热填料30％-70％，所述体积百分比以所述硅脂的总体积为基础；
所述硅油选自二甲基硅油、环氧改性硅油、乙烯基硅油、苯甲基硅油、羟基硅油、甲基长链烷基硅油中的至少一种；
所述导热填料由氮化铝、改性氧化石墨烯、纳米银粒子、纳米氧化锌、鳞片状高导热碳粉和多壁碳纳米管组成。
使用氮化铝为主要的导热填料，添加具有优异导热性能的改性氧化石墨烯和鳞片状高导热碳粉可以进一步增加导热填料的导热性能，添加纳米银粒子和纳米氧化锌可以进一步增加硅脂在界面处的导热能力，添加多壁碳纳米管，利用其高分散性能和网状结构，能够充分的和硅油进行混合，锁住硅油，防止油粉分离。
进一步的，上述用于半导体芯片散热的高导热纳米硅脂，所述硅油和所述导热填料的体积比为1:1。
进一步的，上述用于半导体芯片散热的高导热纳米硅脂，所述硅油选自二甲基硅油和环氧改性硅油，所述二甲基硅油和环氧改性硅油的体积比为1:1。
进一步的，上述用于半导体芯片散热的高导热纳米硅脂，所述导热填料按质量百分比由以下成分组成：
进一步的，上述用于半导体芯片散热的高导热纳米硅脂，所述导热填料按质量百分比由以下成分组成：
进一步的，上述用于半导体芯片散热的高导热纳米硅脂，所述改性氧化石墨烯为经过(3-氨基丙基)三乙氧基硅烷改性后的氧化石墨烯。使用(3-氨基丙基)三乙氧基硅烷改性后的氧化石墨烯分散性能更好，充分与其他导热填料和硅油分散在一起，导热性能更好。
进一步的，上述用于半导体芯片散热的高导热纳米硅脂，所述纳米银粒子的平均粒径为50-100纳米；所述纳米氧化锌的平均粒径为50-150纳米。
进一步的，上述用于半导体芯片散热的高导热纳米硅脂，所述鳞片状高导热碳粉的纯度大于99％。导热碳粉纯度越高，导热性能越好。
进一步的，上述用于半导体芯片散热的高导热纳米硅脂，所述多壁碳纳米管的平均外径为50-100纳米。
进一步的，上述用于半导体芯片散热的高导热纳米硅脂的制备方法，包括以下步骤：
(1)将改性氧化石墨烯、氮化铝按配比进行混合后加入少量硅油中预混合；
(2)在50℃，机械搅拌条件下，缓慢加入配方量的纳米银粒子、纳米氧化锌、鳞片状高导热碳粉和多壁碳纳米管，同时补充硅油至所需的量；
(3)对上述混合物进行精细研磨，获得所述高导热纳米硅脂。
本制备方法条件温和，对设备要求极低，可以大规模工业化应用。
与现有技术相比，本发明有如下有益效果：
(1)本发明所述的用于半导体芯片散热的高导热纳米硅脂，使用氮化铝为主要的导热填料，添加具有优异导热性能的改性氧化石墨烯和鳞片状高导热碳粉可以进一步增加导热填料的导热性能，添加纳米银粒子和纳米氧化锌可以进一步增加硅脂在界面处的导热能力，添加多壁碳纳米管，利用其高分散性能和网状结构，能够充分的和硅油进行混合，锁住硅油，防止油粉分离；最终获得的硅脂导热性能好，渗油率低；
(2)本发明所述的用于半导体芯片散热的高导热纳米硅脂不含有毒有害物质，无挥发性气体产生，符合绿色环保的理念；
(3)本发明所述的用于半导体芯片散热的高导热纳米硅脂使用(3-氨基丙基)三乙氧基硅烷改性后的氧化石墨烯分散性能更好，充分与其他导热填料和硅油分散在一起，导热性能好，锁油能力强。
(4)本发明所述的用于半导体芯片散热的高导热纳米硅脂的生产条件温和，对设备要求低，生产过程也不产生有毒有害废物，绿色环保。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
实施例1
一种用于半导体芯片散热的高导热纳米硅脂，由硅油和导热填料组成，所述硅油和所述导热填料的体积比为硅油30％，导热填料70％；所述硅油为二甲基硅油与环氧改性硅油1:1体积比混合；所述导热填料按质量百分比由以下成分组成：
所述改性氧化石墨烯为经过(3-氨基丙基)三乙氧基硅烷改性后的氧化石墨烯；
所述纳米银粒子的平均粒径为50纳米，所述纳米氧化锌的平均粒径为50纳米；
所述鳞片状高导热碳粉的纯度大于99％；
所述多壁碳纳米管的平均外径为50纳米。
实施例2
一种用于半导体芯片散热的高导热纳米硅脂，由硅油和导热填料组成，所述硅油和所述导热填料的体积比为硅油50％，导热填料50％；所述硅油为二甲基硅油与环氧改性硅油1:1体积比混合；所述导热填料按质量百分比由以下成分组成：
所述改性氧化石墨烯为经过(3-氨基丙基)三乙氧基硅烷改性后的氧化石墨烯；
所述纳米银粒子的平均粒径为100纳米，所述纳米氧化锌的平均粒径为100纳米；
所述鳞片状高导热碳粉的纯度大于99％；
所述多壁碳纳米管的平均外径为75纳米。
实施例3
一种用于半导体芯片散热的高导热纳米硅脂，由硅油和导热填料组成，所述硅油和所述导热填料的体积比为硅油30％，导热填料70％；所述硅油为二甲基硅油与环氧改性硅油1:1体积比混合；所述导热填料按质量百分比由以下成分组成：
所述改性氧化石墨烯为经过(3-氨基丙基)三乙氧基硅烷改性后的氧化石墨烯；
所述纳米银粒子的平均粒径为150纳米，所述纳米氧化锌的平均粒径为150纳米；
所述鳞片状高导热碳粉的纯度大于99％；
所述多壁碳纳米管的平均外径为100纳米。
实施例4
制备例
制备上述实施例1-3所述的用于半导体芯片散热的高导热纳米硅脂：按上述实施例1-3分别配置原料，包括以下步骤：
(1)将改性氧化石墨烯、氮化铝按配比进行混合后加入少量硅油中预混合；
(2)在50℃，机械搅拌条件下(每分钟100-200转)，缓慢加入配方量的纳米银粒子、纳米氧化锌、鳞片状高导热碳粉和多壁碳纳米管，同时补充硅油至所需的量；
(3)对上述混合物进行精细研磨，获得所述高导热纳米硅脂。
实施例5
测试例
取实施例1-3的产品与对比例按照GJB 3382-1998(国家导热硅脂规范)进行对比测试,所述对比例为某品牌的散热硅脂。具体检测结果如表1所示。
表1：散热硅脂性能检测表
由表1检测结果可知，本发明所公开的用于半导体芯片散热的高导热纳米硅脂具有出色的高导热性和低渗油率。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于半导体芯片散热的高导热纳米硅脂，由硅油和导热填料组成，其特征在于，所述硅油和所述导热填料的体积比为硅油30％-70％，导热填料30％-70％，所述体积百分比以所述硅脂的总体积为基础；
所述硅油选自二甲基硅油、环氧改性硅油、乙烯基硅油、苯甲基硅油、羟基硅油、甲基长链烷基硅油中的至少一种；
所述导热填料由氮化铝、改性氧化石墨烯、纳米银粒子、纳米氧化锌、鳞片状高导热碳粉和多壁碳纳米管组成。
2.根据权利要求1所述的一种用于半导体芯片散热的高导热纳米硅脂，其特征在于，所述硅油和所述导热填料的体积比为1:1。
3.根据权利要求1所述的一种用于半导体芯片散热的高导热纳米硅脂，其特征在于，所述硅油选自二甲基硅油和环氧改性硅油，所述二甲基硅油和环氧改性硅油的体积比为1:1。
4.根据权利要求1所述的一种用于半导体芯片散热的高导热纳米硅脂，其特征在于，所述导热填料按质量百分比由以下成分组成：
改性氧化石墨烯 5-10%
纳米银粒子 4-7%
纳米氧化锌 4-6%
鳞片状高导热碳粉 2-4%
多壁碳纳米管 1-2%
氮化铝 71-84%。
5.根据权利要求4所述的一种用于半导体芯片散热的高导热纳米硅脂，其特征在于，所述导热填料按质量百分比由以下成分组成：
改性氧化石墨烯 7.5%
纳米银粒子 5.5%
纳米氧化锌 5%
鳞片状高导热碳粉 3%
多壁碳纳米管 1.5%
氮化铝 77.5%。
6.根据权利要求1所述的一种用于半导体芯片散热的高导热纳米硅脂，其特征在于，所述改性氧化石墨烯为经过(3-氨基丙基)三乙氧基硅烷改性后的氧化石墨烯。
7.根据权利要求1所述的一种用于半导体芯片散热的高导热纳米硅脂，其特征在于，所述纳米银粒子的平均粒径为50-100纳米；所述纳米氧化锌的平均粒径为50-150纳米。
8.根据权利要求1所述的一种用于半导体芯片散热的高导热纳米硅脂，其特征在于，所述鳞片状高导热碳粉的纯度大于99%。
9.根据权利要求1所述的一种用于半导体芯片散热的高导热纳米硅脂，其特征在于，所述多壁碳纳米管的平均外径为50-100纳米。
10.权利要求1-9任一项所述的用于半导体芯片散热的高导热纳米硅脂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将改性氧化石墨烯、氮化铝按配比进行混合后加入少量硅油中预混合；
（2）在50℃，机械搅拌条件下，缓慢加入配方量的纳米银粒子、纳米氧化锌、鳞片状高导热碳粉和多壁碳纳米管，同时补充硅油至所需的量；
（3）对上述混合物进行精细研磨，获得所述高导热纳米硅脂。
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