CN114350153A - 导热片、电子设备和车载设备 - Google Patents

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草柳健一
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Abstract

导热片包含树脂组合物，该树脂组合物包含：硅酮橡胶；各向异性的第一导热填料，第一导热填料分散在硅酮橡胶中；和各向同性的第二导热填料，第二导热填料分散在硅酮橡胶中。第一导热填料在树脂组合物中的含量为40质量％以上且75质量％以下。第二导热填料在树脂组合物中的含量为10质量％以上且30质量％以下。第一导热填料的长轴在导热片的厚度方向上取向。

Description

导热片、电子设备和车载设备
技术领域
本发明涉及一种导热片以及分别使用该导热片的电子设备和车载设备。
背景技术
汽车配备有各种电子设备，并且这些电子设备可以使用诸如功率半导体器件这样的加热元件。由于由加热元件产生的热量可能会使电子设备失灵，所以要从加热元件有效地去除热量，以防止加热元件变得过热。因此，导热片设置在加热元件与诸如散热器这样的散热体之间，并且加热元件的热量通过导热片传递至散热体，以冷却加热元件。
已知导热片具有分散在树脂中的导热填料。作为这样的导热片的制造方法，JP2015-71287A公开了一种熔融树脂片前体的方法，该树脂片前体包括在平面方向上取向的填料，与此同时使其在大致垂直于挤出方向的方向上折叠，以使填料在树脂片的厚度方向上取向。
发明内容
当导热填料在树脂片的厚度方向上取向时，在厚度方向上形成导热路径，并且能够从加热元件有效地带走热量。然而，当JP2015-71287A的树脂片在厚度方向上以特定压缩率以上压缩时，可能打乱树脂片的内部结构，并且可能降低树脂片的导热性。
本发明是鉴于上述问题而做出的。本发明的目的是提供一种即使当在其厚度方向上被压缩时也具有高导热性的导热片，以及使用该导热片的电子设备和车载设备。
根据本发明的一个方面的导热片包括树脂组合物，所述树脂组合物包含：硅酮橡胶；各向异性的第一导热填料，所述第一导热填料分散在所述硅酮橡胶中；以及各向同性的第二导热填料，所述第二导热填料分散在所述硅酮橡胶中。第一导热填料在树脂组合物中的含量为40质量％以上且75质量％以下。第二导热填料在树脂组合物中的含量为10质量％以上且30质量％以下。第一导热填料的长轴在导热片的厚度方向上取向。
本发明提供了一种即使当在其厚度方向上被压缩时也具有高导热性的导热片，以及使用导热片的电子设备和车载设备。
附图说明
图1是根据本实施例的导热片的实施例的截面图。
图2是示出根据实施例和比较例的导热片的压缩率与热阻之间的关系的图。
具体实施方式
下面参考附图详细描述根据本实施例的导热板、电子设备和车载设备。附图中的尺寸比被夸大以用于解释，并且可以不同于实际比率。
[导热片]
根据本实施例的导热片10包括树脂组合物。如图1所示，树脂组合物包含：硅酮橡胶11；各向异性的第一导热填料12，第一导热填料12分散在硅酮橡胶11中；以及各向同性的第二导热填料13，第二导热填料13分散在硅酮橡胶11中。
硅酮橡胶11包括通过交联硅酮获得的交联体。硅酮橡胶11吸收物理振动的效果高，并且因此能够在具有许多振动的地方，例如，车辆中使用。硅酮是具有由硅氧烷键组成的主链的聚有机硅氧烷。硅酮可以包括有机硅氧烷的均聚物或共聚物，例如二甲基硅氧烷。硅氧烷可以包括选自由乙烯基硅酮、苯基硅酮和氟化硅酮所组成的组中的至少一种。
硅酮橡胶11可以是过氧化物交联型、加成反应交联型或其组合。在过氧化物交联型中，举例来说，将有机过氧化物添加到硅酮中以产生自由基，且使硅酮交联以产生硅酮橡胶11。在加成反应交联型中，例如，具有乙烯基的硅酮在铂催化剂存在下通过硅氢化交联以制备硅酮橡胶11。
第一导热填料12是具有导热性并且从加热元件有效地提取热量的填料。优选地，第一导热填料12的导热率大于硅酮橡胶11的导热率。具体地，第一导热填料12的导热率优选地为5W/m·K以上，更优选地为10W/m·K以上。第一导热填料12的导热率优选为较大且没有上限，但可以是例如500W/m·K以下，或300W/m·K以下。通过计算热扩散率、比热容和密度的乘积来获得导热率。热扩散率根据JIS R1611通过激光闪光法来测量。比热容根据JISK7123-1987通过差示扫描量热(DSC)法测量。密度根据JIS K7112:1999通过水置换法测量。
第一导热填料12可以包含无机物或金属中的至少一种。无机物可以包括例如选自由氮化硼、碳、氧化铝和氮化铝组成的组的至少一种物质。优选地，第一导热填料12由于其优异的导热性和电绝缘性而包含氮化硼。
第一导热填料12具有各向异性，且各自具有例如除球形或大致球形之外的形状。具体地，第一导热填料12各自的穿过其中心的截面的长轴和短轴的纵横比为例如2以上。纵横比可以是5以上，或10以上。纵横比可以是100以下，或50以下。长轴是穿过第一导热填料12的中心的最长部分，而短轴是穿过第一导热填料12的中心的最短部分。第一导热填料12可以各自具有例如选自由鳞、板、膜、圆柱、椭圆、扁平、螺旋、纤维和针组成的组的至少一种形状。
第一导热填料12可以是包含氮化硼、石墨、石墨烯等的鳞状的、板状的、膜状的、圆柱的、椭圆的或扁平的填料。第一导热填料12可以是纤维状或针状填料，诸如碳、氧化铝、氮化铝、金属、氮化硼纳米管或碳纳米管。
优选地，第一导热填料12的平均粒径为20μm以上且100μm以下。当平均粒径为20μm以上时，分散在硅酮中的第一导热填料12在取向状态下容易彼此接触以形成导热路径，从而改善导热片10的散热性。当平均粒径为100μm以下时，获得具有稳定形状的导热片10。在本说明书中，平均粒径是使用显微镜，诸如透射电子显微镜(TEM)或扫描式电子显微镜(SEM)测量的至少10个以上的无机颗粒的长轴的平均值。
树脂组合物中的第一导热填料12的含量为40质量％以上且75质量％以下。当第一导热填料12的含量为40质量％以上时，导热片10的导热性增强。当导热填料12的含量为75质量％以下时，获得具有稳定形状的导热片10。优选地，第一导热填料12的含量为45质量％以上。导热填料12的含量优选为70质量％以下，更优选为65质量％以下。
第二导热填料13是具有导热性的填料，在导热片10中形成热传导路径，并且具有抵抗从导热片10的厚度方向上的压缩而防止导热片10中的内部结构紊乱的功能。优选地，第二导热填料13的导热率大于硅酮橡胶11的导热率。具体地，第二导热填料13的导热率优选地为5W/m·K以上，更优选为10W/m·K以上。第二导热填料13的导热率优选为较大且不具有上限，但可以是例如500W/m·K以下，或300W/m·K以下。通过以与前文所述相同的方式计算热扩散率、比热容和密度的乘积来获得导热率。
第二导热填料13可以包含无机物或金属中的至少一种。无机物可以包括例如选自由以下所组成的组的至少一种物质：氧化铝、氮化铝、氮化硼、诸如金刚石的碳、氧化镁和氧化钛。优选地，由于其优异的导热性和电绝缘性，第二导热填料13包括氧化铝或氮化铝中的至少一种。
第二导热填料13中各自具有各向同性且可以具有，例如选自由球形、大致球形及不定形所组成的组中的至少一种形状。第二导热填料13可以是其中多个导热填料聚集的聚集体。第二导热填料13穿过其中心的截面的长轴与短轴的纵横比为，例如，1以上且小于2。长轴是穿过第二导热填料13的中心的最长部分，而短轴是穿过第二导热填料13的中心的最短部分。
第二导热填料13包含无机材料或金属，无机材料例如氧化铝、氮化铝、氮化硼、例如金刚石的碳、氧化镁或氧化钛，其中的每一者为球形、大致球形或不定形。其中，优选地，第二导热填料13包括选自由以下所组成的组的至少一种导热填料：球形氧化铝、球形氮化铝、大致球形的氧化铝和大致球形的氮化铝。
优选地，第二导热填料13的平均粒径小于第一导热填料12的平均粒径。使第二导热填料13的平均粒径小于第一导热填料12的平均粒径使得第二导热填料12能够容易地布置在第一导热填料13之间。
优选地，第二导热填料13的平均粒径为1μm以上且100μm以下。当平均粒径为1μm以上时，第二导热填料13与第一导热填料12接触，并且容易在导热片10中形成传导路径。当平均粒径为100μm以下时，第二导热填料13易于存在于第一导热填料12之间，并且第一导热填料12和第二导热填料13易于形成致密结构。平均粒径优选为3μm以上，更优选地为5μm以上。平均粒径优选为50μm以下，更优选为30μm以下。平均粒径是使用显微镜，诸如透射电子显微镜(TEM)或扫描电子显微镜(SEM)测量的至少10个以上无机颗粒的长轴的平均值。树脂组合物可以包括具有不同材料和平均粒径的两种以上第二导热填料13。
第二导热填料13在树脂组合物中的含量为10质量％以上且30质量％以下。将第二导热填料13的含量设定在上述范围内甚至在导热片10被压缩时也防止了导热片10的导热性降低。
除了硅酮、第一导热填料和第二导热填料之外，树脂组合物还可以包括已知添加剂，例如增强剂、填料、软化剂、增塑剂、抗老化剂、粘合剂、抗静电剂和捏合粘合剂。
第一导热填料12的长轴在导热片10的厚度方向上取向。这改善了导热片10的厚度方向上的导热性。优选地，导热片10在厚度方向上的导热率为8W/m·K以上。这样的导热片10具有从一个表面到另一个表面的高导热性，并且因此有效地从加热元件去除热量。导热率优选较大并且不具有上限，然而例如是100W/m·K。通过计算热扩散率、比热容和密度的乘积来获得导热率。根据JIS R1611通过激光闪光法测量热扩散率。根据JIS K7123-1987通过差示扫描量热(DSC)法测量比热容。根据JIS K7112:1999通过水置换法测量密度。
导热片10的厚度可以根据应用适当地变化，但是可以是例如0.1mm至10mm。当导热片10的厚度处于这样的范围内时，散热性高，并且处理容易。
根据本实施例的导热片10包含树脂组合物，该树脂组合物包含：硅酮橡胶11；分散在硅酮橡胶11中的各向异性的第一导热填料12；以及分散在硅酮橡胶11中的各向同性的第二导热填料13。第一导热填料12在树脂组合物中的含量为40质量％以上且75质量％以下。第二导热填料13在树脂组合物中的含量为10质量％以上且30质量％以下。导热填料12的长轴在导热片10的厚度方向上取向。
树脂组合物包含各向异性的第一导热填料12，并且第一导热填料12的长轴方向在导热片10的厚度方向上取向。因此，导热片10在厚度方向上具有高导热性。然而，当树脂组合物仅仅包含第一导热填料12时，如果导热片10在厚度方向上被压缩，则可能干扰导热片10的内部结构，并且导热片10的导热性可能降低。
根据本实施例的树脂组合物还包含各向同性的第二导热填料13。因此，第二导热填料13填充在第一导热填料12之间的间隙中。因此，即使当导热片10在厚度方向上被压缩时，导热片10的内部结构也不容易受到干扰，并且容易保持第一导热填料12的长轴在导热片10的厚度方向上取向的状态。即使当第二导热填料13的取向改变时，由于第二导热填料13夹在第一导热填料12之间，因此导热片10的厚度方向上的导热路径难以被切断。因此，即使导热片10在厚度方向上被压缩时，导热片10也具有高导热性。作为导热片10在厚度方向上压缩的情况的示例，当导热片10被夹在加热元件与散热体之间并结合于加热元件与散热体之间时，导热片10以例如为20％以上或30％以上且60％以下的压缩率压缩。
[电子设备]
根据本实施例的电子设备包括导热片10。如上所述，即使导热片10在厚度方向上被压缩时，导热片10也具有高的导热性。因此，使用用于电子设备的导热片10防止由于电子设备产生的热而导致的故障。电子设备可以包括加热元件和覆盖加热元件的导热片10。用导热片10覆盖加热元件从设置在导热片10的一个表面上的加热元件吸热，并从作为导热片10的另一表面的散热表面散热。诸如散热器这样的散热体可以设置在导热片10的散热表面上。加热元件和导热片10可以彼此直接接触，或者可以经由诸如粘合剂的层而间接接触。导热片10和散热体可以彼此直接接触，或者可以经由诸如粘合剂的层而间接接触。
加热元件包括例如功率半导体器件和IC(集成电路)。功率半导体器件的示例包括二极管、晶闸管、栅极关断晶闸管、MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)和IGBT(绝缘栅双极晶体管)。
硅酮橡胶11用于电子设备的导热片10。由于硅酮橡胶11容易吸收振动，所以电子设备可安装在车辆上。然而，电子设备不限于车载设备，并且可以是家用电子设备。
[车载设备]
根据本实施例的车载设备包括上述电子设备和电连接到电子设备的线束。如上所述，电子设备通过导热片10有效地去除热量。因此，设置有上述的电子设备的车载设备减少了由于热量而导致的故障。
线束可以包括多个绝缘电线以及设置在多个绝缘电线的端部处的连接器。绝缘电线可以各自包括金属导体和覆盖金属导体的绝缘层。连接器被设置为能够电连接到配合连接器，并且通过连接到配合连接器，连接器能够电连接到设置有配合连接器的电子设备。
[导热片的制造方法]
导热片10的制造方法包括层叠体形成步骤、交联步骤和切片步骤。
(层叠体形成过程)
在层叠体形成步骤中，形成第一导热填料12的长轴在平面方向上取向的树脂片。树脂片包含：树脂组合物，树脂组合物包含硅酮、分散在硅酮中的各向异性第一导热填料12以及分散在硅酮中的各向同性的第二导热填料13。例如，树脂片可以由挤出机形成。诸如硅酮、第一导热填料12和第二导热填料13的原材料可以在混合机中预先混合，然后间接地供给到挤出机中，或者可以直接供给到挤出机中。可以将原材料在一个步骤中一起供给到混合机或挤出机，或者可以在多个步骤中分开地供给到混合机或挤出机。通过向添加了大量的第一导热填料12的材料少量添加和混合第二导热填料13，更多的第二导热填料13被混合并且容易地分散。
只要可以混合原材料，混合机不受限制。例如，可使用已知的混合机，例如班伯里混合机(Banbury mixer)、捏合机或辊磨机。对于挤出机，可使用诸如单螺杆挤出机或双螺杆挤出机这样的已知的挤出机。在挤出机的出口处，例如，设置T模具，并且通过将树脂组合物从T模具挤出为片材形状和取出片状的挤出制品，第一导热填料12的长轴在挤出方向(机器方向)上取向。既，第一导热填料12的长轴能够在树脂片的平面方向上取向。在取出时，片状的挤出制品可以根据需要通过冷却辊等冷却。
在本实施例中，描述了使用挤出机制造树脂片的实例，但是本实施例不限于该实施例。例如，通过在辊磨机等中混合原材料生产的树脂片可以用作第一导热填料12的长轴在平面方向上取向的树脂片。
例如，能够通过脱水和冷凝由诸如二甲基二氯硅烷的有机卤代硅烷形成的硅烷醇来获得硅酮。硅酮也能够例如通过环状二硅氧烷的开环聚合而获得。
第一导热填料12可以是如上所述的填料。第一导热填料12在树脂组合物中的含量为40质量％以上且75质量％以下。第一导热填料12可以用诸如硅烷偶联剂或者表面活性剂这样的表面处理剂进行表面处理，以提高对硅酮的反应性。第一导热填料12可以在添加到硅酮之前进行表面处理，或者可以与硅酮混合的同时通过在整体共混工艺进行表面处理。然而，为了进一步改善第一导热填料12对硅酮的反应性，优选地，在将第一导热填料12添加到硅酮之前对其进行表面处理。
第二导热填料13可以是如上所述的填料。第二导热填料13在树脂组合物中的含量为10质量％以上且30质量％以下。第二导热填料13可以用诸如硅烷偶联剂或者表面活性剂这样的表面处理剂进行表面处理，以提高对硅酮的反应性。第二导热填料13可以在添加到硅酮之前进行表面处理，或者可以在与硅酮混合的同时通过整体共混工艺进行表面处理。然而，为了进一步改善第二导热填料13对硅酮的反应性，优选地，在将第二导热填料13添加到硅酮之前对其进行表面处理。
原材料可以包含交联剂、诸如硅油的增塑剂、或上述添加剂，例如增强剂。交联剂可以包含例如有机过氧化物。添加有机过氧化物在稍后描述的交联步骤中的硅酮中产生自由基。所使用的有机过氧化物的实例包括2，5-二甲基-2，5-双(叔丁基过氧基)己烷、过氧化二异丙苯、二叔丁基过氧化物、2，5-二甲基-2，5-双(叔丁基过氧基)己-3、1，3-双(叔丁基过氧基异丙基)苯、1，1-双(叔丁基过氧基)-3，3，5-三甲基环己烷、正丁基-4，4-双(叔丁基过氧基)戊酸酯、过氧化苯甲酰、2，4-二氯苯甲酰基过氧化物、过氧苯甲酸叔丁酯、叔丁基过氧异丙烯碳酸酯、过氧化乙酰、过氧化月桂酰和叔丁基过氧化异丙苯。有机过氧化物可以单独使用或以两种以上的组合使用。优选地，添加的有机过氧化物的量为每100质量份的硅酮0.05至3质量份。
优选地，挤出机中的成形温度低于硅酮通过交联剂交联的温度。成形温度取决于树脂组合物等的组成而适当地改变，但其例如为20℃至50℃。
虽然树脂片的厚度不受限制，但是通过在挤出过程中调整片的厚度，第一导热填料12的长轴在树脂片的挤出方向上取向。具体地，通过将片厚度设定在例如0.1至5mm的范围内，第一导热填料12的长轴在片的挤出方向上取向。
树脂片的厚度不受限制，但从生产速度的角度考虑，优选为0.1mm以上，更优选为0.3mm以上。从便于生产的角度考虑，树脂片的厚度优选为5mm以下，更优选2mm以下。
(层叠体形成过程)
在层叠体形成步骤中，树脂片被层叠，使得第一导热填料12的长轴处于相同的方向上。层叠树脂片的方法不受限制，并且仅要求以第一导热填料12的长轴在相同方向上的方式对树脂片进行层叠。例如，多个树脂片可以逐个层叠，或者卷状的树脂片可以被折叠并层叠。
(交联过程)
在交联步骤中，层叠体中的硅酮交联以形成交联的层叠体。层叠体中的硅酮通过交联彼此交联，并且因此产生了在物理特性上优异的硅酮橡胶11。在交联中，树脂片中的硅酮是交联的，并且树脂片的层叠部分之间的硅酮是交联的。
取决于用作原料的硅酮和交联剂的类型，硅酮的加热温度是例如120-190℃。取决于用作原料的硅酮和交联剂的类型，硅酮的加热时间为例如5至20分钟。层叠体可以在压力下加热，并且用于加压层叠体的压力是例如5至15kPa。层叠体可以通过例如电热压机在压力下加热，以交联层叠体中的硅酮以形成交联的层叠体。
(切片步骤)
在切片步骤中，交联的层叠体可以与第一导热填料12的长轴取向的方向垂直地切片。
因此，以这种方式对层叠体切片提供了具有期望厚度并且其中第一导热填料12的长轴在厚度方向上取向的导热片10。当切片之前的层叠体具有期望的厚度时，则不需要切片步骤，并且层叠体可以用作电子设备等中的导热片10。
在根据本实施例的导热片10的制造方法中，制造了如上所述的即使在厚度方向上被压缩时也具有高导热性的导热片10。
[实施例]
下面参考实施例和比较例更详细地描述本实施例。然而，本实施例不限于这些实施例。
以表1中的比率充分捏合下面的材料，并且由单螺杆挤出机制造厚度为1mm的树脂片，在该树脂片中，第一导热填料12的长轴在平面方向(挤出方向)上取向。
硅酮：Dow，SILASTIC(注册商标)DY32-1005U
交联剂A：2,5-二甲基-2,5-双(叔丁基过氧基)己烷，Dow，SILASTIC(注册商标)RC-4 50P
交联剂B：Dow，SILASTIC(注册商标)MR-53
增塑剂：硅油，Shin-Etsu Chemical Co.,Ltd.，Shin-Etsu Silicone(注册商标)KF9600-3000cs
第一导热填料：各向异性氮化硼(BN)、Momentive、PolarTherm(注册商标)PT110，平均粒径45μm
第二导热填料(5μm)：各向同性氮化铝，Tokuyama公司，HF-05，平均粒径5μm
第二导热填料(30μm)：各向同性氮化铝，FURUKAWA DENSHI CO.,LTD.，FAN-f30-A1，平均粒径30μm
层叠十五个树脂片，使得第一导热填料的长轴在相同方向上并且放置在厚度为10mm的模具中。将安装在模具中的树脂片的层叠体在170℃的温度和10kPa的压力下加热10分钟，并且交联层叠体中的硅酮以形成交联的层叠体。然后，将交联的层叠体从模具中取出，并且通过装接于手压机的剃刀与第一导热填料的长轴取向的方向垂直地将层叠体切片为1mm的厚度。以这种方式，获得了1mm厚度的导热片。
[表1]
实施例1 实施例2 比较例1
硅酮(质量份) 100 100 100
交联剂1(质量份) 1.75 1.75 1.75
交联剂2(质量份) 0.75 0.75 0.75
增塑剂(质量份) 200 200 200
第一导热填料(质量份) 700 700 700
第二导热填料(5μm)(质量份) 130 - -
第二导热填料(30μm)(质量份) - 420 -
总量(质量份) 1132.5 1422.5 1002.5
第一导热填料(质量％) 61.8 49.2 69.8
第二导热填料(质量％) 11.5 29.5 -
[评价]
(热阻)
厚度为1mm的导热片被压缩0.3mm、0.4mm、0.5mm和0.6mm。上述被压缩的导热片的压缩率分别设定为30％、40％、50％和60％，并且使用Siemen K.K的导热率测量装置(DynTIM测试仪)根据ASTM D5470测量这些导热片的热阻。这些结果在图2中示出。
如图2所示，与比较例1的导热片相比，实施例1和实施例2的导热片当压缩率增加时确认没有表现出热阻值的大的增加，并且导热性没有大幅降低。根据这些结果，认为由于第二导热填料防止第一导热填料的取向受到导热片的压缩的干扰，因此阻止了导热片的导热性降低。
上文已经描述了本实施例。然而，本实施例不限于此，并且可以在本实施例的主旨的范围内做出各种修改。

Claims (6)

1.一种导热片，包含：
树脂组合物，该树脂组合物包含：硅酮橡胶；各向异性的第一导热填料，该第一导热填料分散在所述硅酮橡胶中；以及各向同性的第二导热填料，该第二导热填料分散在所述硅酮橡胶中，其中，
所述第一导热填料在所述树脂组合物中的含量为40％质量％以上且75％质量以下，
所述第二导热填料在所述树脂组合物中的含量为10质量％以上且30质量％以下，并且
所述第一导热填料的长轴在所述导热片的厚度方向上取向。
2.根据权利要求1所述的导热片，其中，所述第二导热填料的平均粒径比所述第一导热填料的平均粒径小。
3.根据权利要求1或2所述的导热片，其中，所述第一导热填料包含氮化硼。
4.根据权利要求1或2所述的导热片，其中，所述第二导热填料包含氧化铝或氮化铝中的至少一种。
5.一种电子设备，包括
根据权利要求1至4中任一项所述的导热片。
6.一种车载设备，包括：
根据权利要求5所述的电子设备；以及
电连接到所述电子设备的线束。
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