CN111019351B - 一种大功率led散热用导热硅脂 - Google Patents

一种大功率led散热用导热硅脂 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种大功率LED散热用导热硅脂，包括硅油、导热填料和添加物，导热填料包括三种粒径的氧化铝，粒径分别为15.1‑30μm，5.1‑15μm，1‑5μm，重量比为6:3:1。通过将体积平均粒径大小不同的同种填料、不同形态的同种填料进行复配、混杂填充，以使填料形成一种紧密堆积结构，使体系具有相对较高的热导率。

Description

一种大功率LED散热用导热硅脂
技术领域
本发明涉及LED照明技术领域，具体涉及一种大功率LED散热用导热硅脂。
背景技术
下面的背景技术用于帮助读者理解本发明，而不能被认为是现有技术。
近年来，作为新生代的绿色光源，新型的注入电致发光器件LED灯得到了迅猛的发展。但LED器件的电光转换效率仅为30％，其余约70％的电能则转化为热能。由于LED属于半导体发光器件，对于半导体而言，随着温度的变化，其特性会有明显的变化，对于LED，温度的升高会导致器件光性能的变化和衰减，其变化主要表现为：减少LED的内量子效率、缩短器件寿命和造成LED发出光的主波长的偏移，从而导致光源的颜色发生偏移。因此LED散热不畅和出光率不高的问题，将直接影响到LED的照明可靠性，进而影响LED的寿命及应用。
在实际应用中，LED在工作过程中产生的热量，是可以通过散热器传递到外界环境中，从而使LED芯片保持在适宜的温度。在理想状态下，LED芯片和散热器没有任何缝隙，处于一种紧密接触的状态，此时的传热效果是最理想的。但是由于受到加工工艺的限制，同时工业化生产中也需要考虑成本的因素，LED光源和散热器的实际接触面不可能做到绝对镜面，都是具有一定的粗糙度，二者之间的有效接触面积，远远小于理论接触面积，器件的空隙就由空气填充，空气本身是热的不良导体，热阻值很大，故导致散热效果很不理想。因此，在LED光源和散热器之间需要一个填充材料将芯片的热量有效的传递到散热器上。
导热硅脂作为一种膏状的界面散热材料，填充在LED芯片和散热器的粗糙接触面之间，可以排除两接触面之间的空气，由于导热硅脂的热阻远低于空气的热阻，因此可以大幅度提高大功率LED的传热效果。
导热硅脂是以特种硅油作为基础油，并在硅油中添加导热填料，同时添加不同功能的添加剂，经过特殊的加工工艺处理而形成的白色或其他颜色的膏状物，导热硅脂具有极佳的性能，如高导热性、电绝缘性、稳定性等特点，因此广泛应用于大功率LED光源散热。
导热填料分散在硅油基体中，彼此之间相互接触，从而形成三维导热网络结构，同时热量可以沿着三维导热网络迅速传递出去，从而起到传热的目的。填料的种类及用量对导热硅脂的导热率都有影响，一般导热硅脂的导热率会随着填料量的增加而增大，当填料量较少时，填料会被基体硅油完全包覆，绝大多数填料粒子相互孤立，不能直接接触；此时，硅油基体将成为填料粒子之间的热流障碍，从而抑制了填料热量的传递，因此无论添加何种填料都不能明显提高导热硅脂的热导率。随着填料量的增加，填料在硅油基体中逐渐形成稳定的导热网络结构，导热硅脂的导热率就会迅速增加，并且填充导热率高的填料更有利于提高导热硅脂的导热率。但是随着填料量的增加，体系的粘度也会随之增加，粘度大的导热硅脂，流动性差，不利于完全填充到LED芯片和散热器之间的缝隙中，因此，选择适当的填料种类和适当的添加量，控制较低的粘度值，才能有利于大功率LED光源的散热。
现有的导热硅脂产品中普遍存在以下不足：（1）填料量相同时，同种尺寸的颗粒填充，导热率较低。（2）随着填料量的增加，导热硅脂的粘度迅速增大，流动性变差，导致其在LED芯片和散热器之间填充较差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种大功率LED散热用导热硅脂，通过将体积平均粒径大小不同的同种填料、不同形态的同种填料进行复配、混杂填充，以使填料形成一种紧密堆积结构，使体系具有相对较高的热导率。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种大功率LED散热用导热硅脂，包括硅油、导热填料和添加物，其特征在于，导热填料包括三种粒径的氧化铝，粒径分别为15.1-30μm，5.1-15μm，1-5μm，重量比为6:3:1。
优选的，氧化铝的表面均经过硅烷偶联剂改性。
优选的，氧化铝的形态为球形或类球形。优选的，粒径为15.1-30μm和5.1-15μm的氧化铝的形态为球形，粒径为1-5μm的氧化铝的形态为类球形。
优选的，所述添加物为石墨烯。
优选的，所述石墨烯的片层为5-10层，粒径为10-20μm。
优选的，硅油的重量份为100份，氧化铝的重量份为500-900份，添加物重量份为10-100份。
优选的，硅油为二甲基硅油，乙烯基硅油，苯基硅油中的一种。
优选的，所述硅油的粘度为100 cs-1000 cs。
本发明还提供了导热硅脂的制备方法，包括以下步骤：称取适量的硅油倒入加工设备中，按物料配方称取物料并混合均匀，逐渐向设备中加入导热填料，保持转速为500-1000 Rpm，在导热填料加入量达到70-80%时，加入相应计量的添加物，待物料搅拌混合均匀后，将余下的导热填料继续向设备中添加，导热填料添加结束后保持转速继续搅拌4-5h，待所有的物料充分搅拌混匀后停止搅拌，冷却后即得成品。
本发明的有益效果：
1、采用三种不同粒径、不同重量比的导热填料氧化铝制备的导热硅脂相对于市售的普通导热硅脂，导热填料填充量更大，同时体系粘度相对较低，利于涂覆，能够有效地填充到LED芯片和散热器之间，从而使散热效率提高。
2、本发明采用的导热填料为氧化铝，球化率高，填充量大，导热率相对较高，绝缘性好，而且价格便宜。
3、本发明通过利用5-10层石墨烯的润滑性，可以在保持导热填料添加量的情况下，避免团聚现象的发生，使体系的粘度有所降低。
具体实施方式
下面对本发明涉及的结构或这些所使用的技术术语做进一步的说明。这些说明仅仅是采用举例的方式进行说明本发明的方式是如何实现的，并不能对本发明构成任何的限制。
实施例1
称取适量的乙烯基硅油倒入加工设备中，按物料配方称取物料并充分混合均匀，逐渐向设备中加入氧化铝，保持转速为500-1000 Rpm，在氧化铝加入量达到70-80%时，加入相应计量的添加物，待物料搅拌混合均匀后，将余下的氧化铝继续向设备中添加，氧化铝添加结束后保持转速继续搅拌4-5h，待所有的物料充分搅拌混匀后停止搅拌，冷却后即得导热硅脂。
其中，所述乙烯基硅油在常温时，粘度为100cs。氧化铝的粒径分别为15.1-30μm，5.1-15μm，1-5μm，表面均经过硅烷偶联剂改性粒径。以乙烯基硅油质量为100份计，氧化铝的质量为700份，三种粒径的重量百分比分别为：15.1-30μm的氧化铝60%(420份)，5.1-15μm的氧化铝30%(210份)，1-5μm的氧化铝10%(70份)。之所以选用氧化铝，是因为其球化率高，填充量大，导热率相对较高，绝缘性好，而且价格便宜。
对比例1
对比例1与实施例1的区别在于三种粒径的百分比分别为：15.1-30μm的氧化铝50%(350份)，5.1-15μm的氧化铝40%(280份)，1-5μm的氧化铝10%(70份)。
对比例2
对比例2与实施例1的区别在于15.1-30μm的氧化铝70%(490份)，5.1-15μm的氧化铝20%(140份)，1-5μm的氧化铝10%(70份)。
对比例3
对比例3与实施例1的区别在于15.1-30μm的氧化铝80%(560份)，5.1-15μm的氧化铝10%(70份)，1-5μm的氧化铝10%(70份)。
实施例2
实施例2与实施例1相比区别仅在于体系中添加了10重量份的石墨烯(上海碳源汇谷新材料科技有限公司提供)，片层为5-10层，粒径为10-20μm。
对比例4
对比例4与实施例2相比区别仅在于添加石墨烯的层数和粒径不同，片层为1-3层，粒径为0.5-5μm。
对比例5
对比例5实施例2相比区别仅在于添加石墨烯的层数和粒径不同，片层为10层以上，粒径为10-50μm。
实施例1和对比例1-3导热硅脂具体如表1所示。
表1 不同成分和用量的导热硅脂(重量份)
物料组成 实施例1 对比例1 对比例2 对比例3
15.1-30μm氧化铝 420 350 490 560
5.1-15μm氧化铝 210 280 140 70
1-5μm氧化铝 70 70 70 70
实施例2和对比例4-5导热硅脂具体如表2所示。
表2 不同成分和用量的导热硅脂(重量份)
物料组成 实施例2 对比例4 对比例5
氧化铝 700 700 700
石墨烯 5-10层 1-3层 10层以上
实验数据比较
使用瑞典Hot Disk公司生产的Hot Disk TPS 2500S导热系数仪测试样品的导热系数，利用上海昌吉地址仪器有限公司生产的NDJ-8S旋转粘度计对样品进行粘度测试。根据如下公式计算析油量：析油量=ω1/ω0，其中，ω1代表静置48h后析出硅油的质量，ω0代表硅油的初始用量，结果如表3所示。
表3 导热硅脂性能对比
导热系数（W/mK） 析油量（%） 粘度（mPa·s）
实施例1 2.85 17.1 55700
对比例1 2.52 17.2 63200
对比例2 2.57 17.2 59500
对比例3 2.61 17.0 58500
实施例2 3.02 5.1 54300
对比例4 2.68 5.2 77400
对比例5 2.85 5.2 55800
结合表3，实施例1和对比例1-3相比较，其区别在于复配的氧化铝的不同尺寸的比例不同，实施例1的导热系数明显高于对比例1-3，通过对比，表明不同粒径的氧化铝进行复配，尤其在重量比为6:3:1时，能够形成最紧密的堆积方式，更有利于热量的传递。
当所述氧化铝在硅脂中的量较少的时候，导热硅脂的热导率也比较小，但随着导热填料量的增加，易于发生团聚现象，导热填料很难再继续添加到硅油中，此时体系的粘度也会迅速增加，会使界面热阻增大，导致整体导热效果变差，基于存在的添加量与粘度的平衡问题。
本发明进行了实施例2、对比例4和对比例5，理论上石墨烯的层数越少，导热性能越好，但同时石墨烯的层数越少，自身的团聚倾向也将趋于严重，不利于材料自身的性能发挥，故片层数较少（1-3层），对导热硅脂的性能改善作用不明显，如对比例4所示。实施例2改变了石墨烯的片层数，通过对比可以发现，在体系中加入少层（5-10层）的石墨烯，比较表中数据可以看出，少层石墨烯的加入对体系粘度的改善比较明显，少层石墨烯克服自身的团聚倾向，使材料的润滑性在硅脂体系中得以发挥，因此将其加入到体系中，能平衡添加量与粘度这两个因素，使体系的导热性能得以充分的发挥。因此，利用石墨烯的润滑性，尤其是片状石墨烯的自润滑性能，可以在保持填料添加量的情况下，避免团聚现象的发生，使体系的粘度有所降低，便于填充到LED芯片和散热器之间，从而起到较好的热传递效果。
在采用相同功率的COB芯片的情况下，实施例2制备的导热硅脂的热传递效果更好，可以实现更快散热，在保持其他情况相同的情况下，光源和散热器的温差仅有2-3℃。
在缺少本文中所具体公开的任何元件、限制的情况下，可以实现本文所示和所述的发明。所采用的术语和表达法被用作说明的术语而非限制，并且不希望在这些术语和表达法的使用中排除所示和所述的特征或其部分的任何等同物，而且应该认识到各种改型在本发明的范围内都是可行的。因此应该理解，尽管通过各种实施例和可选的特征具体公开了本发明，但是本文所述的概念的修改和变型可以被本领域普通技术人员所采用，并且认为这些修改和变型落入所附权利要求书限定的本发明的范围之内。
本文中所述或记载的文章、专利、专利申请以及所有其他文献和以电子方式可得的信息的内容在某种程度上全文包括在此以作参考，就如同每个单独的出版物被具体和单独指出以作参考一样。申请人保留把来自任何这种文章、专利、专利申请或其他文献的任何及所有材料和信息结合入本申请中的权利。

Claims (1)

1.一种大功率LED散热用导热硅脂，包括硅油、导热填料和添加物，其特征在于，导热填料包括三种粒径的氧化铝，粒径分别为15.1-30μm，5.1-15μm，1-5μm，重量比为6:3:1；
氧化铝的表面均经过硅烷偶联剂改性；
氧化铝的形态为球形或类球形；
粒径为15.1-30μm和5.1-15μm的氧化铝的形态为球形，粒径为1-5μm的氧化铝的形态为类球形；
所述添加物为石墨烯；
所述石墨烯的片层为5-10层，粒径为10-20μm；
硅油的重量份为100份，氧化铝的重量份为500-900份，添加物重量份为10-100份；
硅油为二甲基硅油，乙烯基硅油，苯基硅油中的一种；
所述硅油的粘度为100cs-1000cs。
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