CN114106564B - 一种取向型导热凝胶、制备方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本申请涉及热界面材料的领域，具体公开了一种取向型导热凝胶及其制备方法及应用。取向型导热凝胶组包含以下原材料：液体树脂、球形填料、各向异性填料、延迟剂、固化剂、催化剂；其制备方法为：将上述取向型导热凝胶通过点胶的方式涂覆在电子产品发热器件的散热界面，取向型导热凝胶在电子产品散热界面上以胶点的形式存在；然后将散热器件通过取向型导热凝胶的粘性与发热器件贴合；最后通过热固化或常温固化的方式，使取向型导热凝胶固化成型。本申请的取向型导热凝胶可用于电子产品的散热领域。本申请中，通过球形填料和各向异性导热填料在液体树脂中的合理配比分散，制得的取向型导热凝胶具有优良的导热性能的同时保持有较好的挤出性能。

Description

一种取向型导热凝胶、制备方法及其应用

技术领域

本申请涉及热界面材料的领域，更具体地说，它涉及一种取向型导热凝胶、制备方法及其应用。

背景技术

随着互联网的快速普及，各种电子产品逐渐向微型化、精细化和高功率化的方向发展，导致电子芯片上晶体管的集成密度大幅增加。电子晶体管集成化大幅提升意味着封装在电路板中的电子元器件会产生更多的热量。电子元器件运行过程中产生的热量如果不及时传导出去，会严重影响电子设备的正常运行。为了提升电子产品的散热性能，目前多采用热界面材料作为导热介质进行散热。热界面材料是用于涂敷在散热器件与发热器件之间、降低它们之间接触热阻所使用的材料的总称。常用的热界面材料的类型主要有导热垫片、相变化金属片以及导热凝胶等。

导热凝胶是具有超高适配性的一种热界面材料，相较于导热垫片，导热凝胶更加柔软，并且具有更好的表面亲和性，可以压缩至非常低的厚度。导热凝胶常温下一般以胶体的形式存在，具有优异的可塑性，可以适应各种不规则、形状多变以及凹凸不平的散热界面，应用场景更加灵活多变。

目前市面上的导热凝胶主要是通过在树脂体系中掺杂导热填料的方式制备。为了获取更高的导热系数，一般会在树脂体系中添加更多的导热填料，通过提高导热填料的填充比例来获取更好地导热性能。但是当树脂体系中导热填料的填充量过高时，导热凝胶的粘度增加，进而影响导热凝胶在实际应用过程中的点胶特性或挤出特性，导热凝胶的挤出速率降低会严重影响应用过程中的生产效率。

发明内容

为了使导热凝胶具备到较高的导热系数的同时不影响产品的挤出速率，本申请提供一种取向型导热凝胶、制备方法及其应用。

第一方面，本申请提供一种取向型导热凝胶，采用如下的技术方案：

一种取向型导热凝胶，由包含以下重量份的原材料制成：

通过采用上述技术方案，在树脂体系中添加在轴向上具有超高导热效果的各向异性导热填料，通过取向的方式，使制得的取向型导热凝胶在各向异性导热填料的轴向排列的方向上具有超高导热性能。将此取向型导热凝胶应用于电子产品上，并使各向异性导热填料沿垂直散热界面的方向和/或接近于垂直散热界面的方向取向，可实现各向异性导热填料的导热效率的最大化利用，进而通过较少的导热填料用量即可实现较高的导热性能，使得取向型导热凝胶在具有高导热性能的同时保持较优的挤出特性。

加入球形填料可以提升各向异性导热填料在液体树脂体系中分散的均匀性。各向异性导热填料呈纤维状或片状，在与液体树脂混合的过程中很难分散均匀且易发生团聚。通过先将球形填料与液体树脂混合，当球形填料完全分散在液体树脂体系中后，可以起到改性的作用，使得纤维状或者片状的各向异性导热填料与液体树脂体系之间的相容性提升，进而利于提升各向异性导热填料在液体树脂中的分散均匀性。另一方面，球形填料自身具有良好的导热效果，可以进一步提升液体树脂体系的整体导热性能。再一方面，取向型导热凝胶点胶涂覆在导热界面上以后，各向异性导热填料在胶点内并不是全部沿垂直导热界面的方向取向，而添加球形填料后，球形填料均匀分布在取向型导热凝胶内部，通过提升取向型导热凝胶整体热传导效果，进一步提升导热填料取向方向的导热性能。

固化剂和催化剂可以促进液体树脂交联固化，使取向型导热凝胶点胶后固化成型。延迟剂可以抑制液体树脂在常温下的交联速率，为混料预留处足够的操作时间，便于原材料混合均匀，同时也利于取向型导热凝胶的保存。

优选的，所述各向异性导热填料为碳纤维、氮化铝晶须和六方晶氮化硼中的至少一种。进一步优选，所述各向异性导热填料为碳纤维。

通过采用上述技术方案，碳纤维、氮化铝晶须和六方晶氮化硼均呈纤维状或片状，其导热性能具有明显的各项异性，在轴向上的导热效果更高，并且具有优良的力学强度。添加至液体树脂中以后，在起到取向型导热效果的同时，还可以提升产品的强度和韧性。

优选的，所述球形填料为氧化铝、氮化铝和金刚石微粉中的一种或多种组合。进一步优选，所述球形填料为氧化铝、氮化铝和金刚石微粉三种的组合。

优选的，所述球形填料的粒径为0.5-20μm。

通过采用上述技术方案，氧化铝、氮化铝和金刚石微粉均具有良好的导热性能，可以有效提高取向型导热凝胶的整体导热性能。同时其机械强度高，稳定性好，可以提升产品的韧性和机械性能。

球形填料颗粒的粒径要保持在合理的范围，当其粒径过小时，颗粒之间易发生团聚，难以均匀分散与液体树脂中，不能起到提升各向异性导热填料分散均匀性的作用；若其粒径过大，一方面难以在液体树脂中分散开来，另一方面，球形填料会影响各向异性导热填料在液体树脂中的分布，进而影响产品的导热性能。

可选的，所述液体树脂为乙烯基硅油和苯基乙烯基硅树脂中的至少一种。

第二方面，本申请提供一种取向型导热凝胶的制备方法，采用如下的技术方案：

一种取向型导热凝胶的制备方法，包括以下步骤：

将液体树脂和球形填料混合，搅拌混合均匀；

加入各向异性导热填料继续搅拌混均匀；

依次加入延迟剂和固化剂，搅拌，然后加入催化剂，继续搅拌至混合均匀，然后抽真空，得到取向型导热凝胶。

通过采用上述技术方案，先将球形填料均匀分散在液体树脂中，然后将各向异性导热填料加入，可以使各项异性导热填料更好地在液体树脂中分散均匀。延迟剂在固化剂和催化剂之前加入，可以有效抑制液体树脂和固化剂在常温下的交联固化速率。

所有原材料混合均匀后，通过抽真空抽出取向型导热凝胶中混合的空气，尽量避免取向型导热凝胶中掺杂有气泡，将取向型导热凝胶应用于电子产品散热界面后，可以减少因气泡存在而带来的内部空隙，进一步升导热效果。

第三方面，本申请提供一种取向型导热凝胶在电子器件散热领域的应用，包括以下步骤：

将上述取向型导热凝胶通过点胶的方式涂覆在电子产品发热器件的散热界面，取向型导热凝胶在电子产品散热界面上以胶点的形式存在；

装配散热器件，散热器件通过取向型导热凝胶的粘性与发热器件贴合；

通过热固化或常温固化的方式，使取向型导热凝胶的胶点固化成型。

优选的，所述胶点在发热器件的散热界面上阵列分布，所述胶点的大小为2*2～8*8㎜。

优选的，装配散热器件时，取向型导热凝胶的胶点在垂直于散热界面方向上的压缩量不超过5％，且压缩后相邻胶点扩散至边缘互相接触。

通过采用上述技术方案，可以使用3D打印设备或者高精度点胶机，利用程序控制多个点胶头进行同时点胶，或者在同一个平台上实现在多个电子器件散热界面上同步点胶，将上述取向型导热凝胶应用在电子器件的散热界面上。取向型导热凝胶在散热界面上以胶点的形式存在，胶点的大小在2*2～8*8㎜范围内，使得单个胶点内部的各向异性导热填料大部分沿着垂直散热界面的方向取向和/或接近垂直于散热界面方向，而胶点过大会使得各向异性导热填料在胶点内部的取向杂乱无章，降低沿垂直于散热界面方向上和/或接近垂直于散热界面方向取向的各向异性导热填料的占比，进而影响取向型导热凝胶的导热效果；而胶点过小时对点胶设备的精度要求过高不易实现。

装配散热器件时控制胶点沿垂直于散热界面方向上的压缩量不超过5％，可以尽量减少沿垂直于散热界面方向和/或接近垂直于散热界面方向取向的各向异性导热填料的偏移。胶点压缩后在散热界面上扩散至相邻胶点边缘接触，可以减少发热器件与散热器件之间存在的空气，进而降低两者之间的接触热阻，进一步提升散热效率。

综上所述，本申请具有以下有益效果：

1.本申请提供的取向型导热凝胶，通过在液体树脂体系中分散合理配比的球形填料和各向异性导热填料，使制得的取向型导热凝硅胶通过添加较少量的导热填料即可获得较高的导热系数，同时取向型导热凝胶保持有较高的挤出速率。

2.本申请中的球形导热填料通过不同粒径的氧化铝、氮化铝和金刚石微粉的合理复配，使得制得的取向型导热凝胶具有更高的到然而性能，同时，球形填料对各向异性导热填料的辅助分散效果更好。

3.将本申请制得的取向型导热凝胶通过3D打印或者精密点胶的方式应用在电子产品发热器件的散热界面，可以起到良好的导热性能，同时，由于其具有良好的挤出性能，点胶操作高效简单。

具体实施方式

以下结合实施例和对比例对本申请作进一步详细说明。以下实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行；以下实施例中所用原料除特殊说明外均可来源于普通市售。

本申请实施例和对比例中所使用的部分原材料来源见下表1：

表1：本申请实施例和对比例中部分原材料来源

原料	类型	厂商	型号
				乙烯基硅油	/	广州鑫厚化工	/
苯基乙烯基硅树脂	/	广州鑫厚化工	AM-8071
				延迟剂	乙炔基环己醇	中山子钧	PH
催化剂	铂金催化剂	广东超特	PNTT
				固化剂	含氢硅油	广州辰矽	CX-350

实施例

实施例1-9

提供一种取向型导热凝胶，采用如下方法制得：

参照表2的用量，将乙烯基硅油、苯基乙烯基硅树脂、氧化铝、氮化铝和金刚石微粉加入搅拌器中，在3000r/min的转速下匀速搅拌30min；再加入各项异性导热填料(碳纤维)，继续搅拌15min；然后依次加入延迟剂和固化剂，在2500r/min的转速下继续搅拌5min，最后加入催化剂继续搅拌5min，得到最终混合均匀的取向型导热凝胶，将混合均匀的取向型导热凝胶抽真空保存，真空度为-0.09MPa。

其中，乙烯基硅油的粘度为300mPa·s，苯基乙烯基硅树脂的粘度为2000mPa·s；氧化铝、氮化铝和金刚石微粉的平均粒径均为5μm。

表2：实施例1-9中所用原材料组分配比(单位：g)

实施例10

本实施例与实施例9区别在于：氧化铝的平均粒径为5微米，氮化铝的平均粒径为1μm，金刚石微粉的粒径为10μm。

实施例11

本实施例与实施例10在于：氧化铝的平均粒径为5微米，氮化铝的平均粒径为0.8μm，金刚石微粉的粒径为15μm。

实施例12

本实施例与实施例9区别在于：各向异性导热填料由300g碳纤维、350g氮化铝晶须和300g六方晶氮化硼混合制得。

实施例13

本实施例与实施例12区别在于：各向异性导热填料由450g碳纤维、200g氮化铝晶须和300g六方晶氮化硼混合制得。

对比例

对比例1-4

提供一种取向型导热凝胶，采用如下方案制备：

参照表3的用量，将乙烯基硅油、苯基乙烯基硅树脂、氧化铝、氮化铝和金刚石微粉加入搅拌器中，在3000r/min的转速下匀速搅拌30min；再加入碳纤维，继续搅拌15min；然后依次加入延迟剂和固化剂，在2500r/min的转速下继续搅拌5min，最后加入催化剂继续搅拌5min，得到最终混合均匀的取向型导热凝胶，将混合均匀的取向型导热凝胶抽真空保存，真空度为-0.09MPa。

其中，乙烯基硅油的粘度为300mPa·s，苯基乙烯基硅树脂的粘度为2000mPa·s；氧化铝、氮化铝和金刚石微粉的平均粒径均为5μm。

表3：对比例1-4中各组分原材料配比(单位：g)

对比例5

提供一种导热凝胶，采用如下方案制备：

将60g乙烯基硅油、15g苯基乙烯基硅树脂、820g氧化铝、170g氮化铝以及290g金刚石微粉混合加入搅拌器中，在3000r/min的转速下匀速搅拌30min；然后依次加入0.15g延迟剂和5.5g固化剂，在2500r/min的转速下继续搅拌5min，最后加入6g催化剂继续搅拌5min，得到最终混合均匀的导热凝胶，将混合均匀的取向型导热凝胶抽真空保存，真空度为-0.09MPa。

其中，乙烯基硅油的粘度为300mPa·s，苯基乙烯基硅树脂的粘度为2000mPa·s；氧化铝、氮化铝和金刚石微粉的平均粒径均为5μm。

对比例6

提供一种取向型导热凝胶，采用如下技术方案：

将60g乙烯基硅油、15g苯基乙烯基硅树脂和950g碳纤维加入搅拌器中，在3000r/min的转速下匀速搅拌30min；然后依次加入0.15g延迟剂和5.5g固化剂，在2500r/min的转速下继续搅拌5min，最后加入6g催化剂继续搅拌5min，得到最终混合均匀的取向型导热凝胶，将混合均匀的取向型导热凝胶抽真空保存，真空度为-0.09MPa。

其中，乙烯基硅油的粘度为300mPa·s，苯基乙烯基硅树脂的粘度为2000mPa·s。

对比例7

与对比例6的区别在于，碳纤维的添加量为1330g。

应用例

将实施例1-13以及对比例1-7中制备的取向型导热凝胶使用3D打印设备进行点胶。通过多个点胶头同时运行，将取向型导热凝胶涂覆在电子产品发热器件的散热界面，取向型导热凝胶在散热界面上以胶点的形式存在，胶点呈矩形，大小为3*3㎜，胶点在散热界面上阵列分布；

点胶完成后将散热器件通过胶点自身的粘性贴合在散热界面上，贴合散热器件时，胶点在垂直散热界面方向上的压缩量控制为5％，并且压缩后相邻胶点在散热界面上扩散至边缘相互接触；

贴合完成后在常温下放置24h，取向型导热凝胶完全固化。

性能检测试验

将实施例1-16及对比例1-7中制得的取向型导热凝胶进行性能检测。

检测方法

导热性能检测：依据ASTM D 5470标准测试取向型导热凝胶的导热系数；

力学性能检测：依据ASTM D 412标准测试导热凝胶固化成型后的拉伸强度；

点胶速率检测：采用2.41㎜EFD注射头，用90psi压力将胶打出，测试1分钟内的出胶量。

测试结果见下表4。

表4：实施例1-13及对比例1-7性能检测数据

结合实施例1-13、对比例1-7以及表4中的数据，通过在树脂体系中添加合理配比的球形填料和各项异性导热填料，使用相对较少量的导热填料即可获得较高的导热系数。同时，制得的取向型导热凝胶具有良好的挤出速率。经测试，本申请提供的技术方案制得的取向型导热凝胶，其导热系数可达20W/(m·K)以上，同时挤出速率可达35g/min以上。此外，得到的取向型导热凝胶固化成型后具有良好的机型性能，其拉伸强度可达0.4MPa以上。

结合实施例9、对比例5-7以及表4中的数据进一步可知，通过球形填料和各向异性导热填料的合理配比，相较于单独添加等量的球形填料或者各项异性导热填料，本申请实施例提供的方案制得的取向型导热凝胶的导热系数与挤出速率的综合性能更佳。同时，对比例6和7中由于没有添加球形填料，在制备混料的过程中，发现碳纤维易发生团聚，在液体树脂中很难分散混合均匀，极大影响了制备导热凝胶的效率。

结合实施例1-5、对比例1-4以及表4中数据，液体树脂、球形填料和各向异性导热填料三者的配比对制得的取向型导热填料的性能有较大的影响。具体而言，当球形填料和各向异性导热填料的总体占比提升时，取向型导热凝胶的导热系数会提高，但同时挤出速率会下降；而球形填料和各向异性导热填料的总体占比过高时，在导致取向型导热凝胶的挤出速率降低的同时，也会影响产品的机械强度，使取向型导热凝胶固化成型后的拉伸强度降低。同样的，当球形填料和各向异性导热填料的总体占比较低时，制得的取向型导热凝胶虽然具有较高的挤出速率，但是其导热系数会明显下降。

结合实施例5-9及表1中的数据，通过不同粒径的氧化铝、氮化铝和金刚石微粉复配而成的球形填料，对取向型导热凝胶导热性能的改善更加有效，可以获得更高的导热系数。

本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (4)

1.一种取向型导热凝胶，其特征在于，由包含以下重量份的原材料制成：

所述取向型导热凝胶通过点胶的方式涂覆在电子产品发热器件的散热界面，所述取向型导热凝胶在电子产品发热器件的界面上以胶点的形式存在，所述胶点阵列分布，所述胶点的大小为2×2～8×8mm；

装配时所述胶点在垂直于散热界面方向上的压缩量不超过5％且压缩后相邻所述胶点扩散至边缘相互接触；

所述液体树脂为乙烯基硅油和苯基乙烯基硅树脂的混合物；

所述各向异性导热填料为碳纤维、氮化铝晶须和六方晶氮化硼的混合物；

所述球形填料为氧化铝、氮化铝和金刚石微粉的混合物。

2.根据权利要求1所述的一种取向型导热凝胶，其特征在于，所述球形填料的粒径为0.5-20μm。

3.权利要求1或2所述的一种取向型导热凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将液体树脂和球形填料混合，搅拌混合均匀；

加入各向异性导热填料继续搅拌混均匀；

依次加入延迟剂和固化剂，搅拌，然后加入催化剂，继续搅拌至混合均匀，然后抽真空，得到取向型导热凝胶。

4.权利要求1或2所述的取向型导热凝胶或权利要求3所述的方法制备得到的取向型导热凝胶在电子产品散热领域的应用，其特征在于：

将上述取向型导热凝胶通过点胶的方式涂覆在电子产品发热器件的散热界面，取向型导热凝胶在电子产品散热界面上以胶点的形式存在；

装配散热器件，散热器件通过取向型导热凝胶的粘性与发热器件贴合；

通过热固化或常温固化的方式，使取向型导热凝胶的胶点固化成型。