CN115819977A - 一种导热垫片和液冷设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及导热材料技术领域，尤其是涉及一种导热垫片和液冷设备。本发明的导热垫片，按重量份数计，包括：硅胶18～28份、填料处理剂5～10份和导热填料65～75份；所述导热填料包括按重量份数计的如下组分：平均粒径为80～90μm的AlN粉末45～55份、平均粒径为75～85μm的Al2O3粉末10～15份、平均粒径为10～20μm的Al2O3粉末1～5份和平均粒径为35～45μm的MgO粉末5～10份。本发明的导热垫片同时兼具优异的导热性能的弹性，与冷却液具有优异的兼容性，可长期用于液冷设备中。
Description
技术领域
本发明涉及导热材料技术领域，尤其是涉及一种导热垫片和液冷设备。
背景技术
导热垫片是填充发热器件和散热片或金属底座之间的空气间隙，它们的柔性、弹性特征使其能够用于覆盖非常不平整的表面。热量从分离器件或整个PCB传导到金属外壳或扩散板上，从而能提高发热电子组件的效率和使用寿命。
在垫片的使用中，压力和温度二者是相互制约的，随着温度的升高，在设备运转一段时间后，垫片材料发生软化、蠕变、应力松弛现象，机械强度也会下降，密封的压力降低。
目前，导热垫片多为有机硅氧烷作为基体或者为无硅基体，大部分的导热垫片与矿物油基的冷却液不兼容，长时间浸泡在矿物油基冷却液中会导致导热垫片硬化、弹性降低，最终在冷却液的冲刷作用下碎裂，丧失作用。另一部分可兼容的导热垫片，存在导热系数较低、导热性能无法满足散热需求的问题；或者，存在弹性较低、易发生脆性断裂、无法承受冷却液的冲刷的问题。目前，液冷设备中所需要的导热垫片的导热系数需要大于8W/(mK)，以达到良好的导热散热效果，且垫片需具有较好的弹性，以保障不会在压装到设备上时发生断裂。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种导热垫片，同时兼具优异的导热性能的弹性，与冷却液具有优异的兼容性，可长期用于液冷设备中。
本发明的第二目的在于提供一种液冷设备，包括如上所述的导热垫片。
为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
本发明提供了一种导热垫片，按重量份数计，包括：硅胶18～28份、填料处理剂5～10份和导热填料65～75份；
所述导热填料包括按重量份数计的如下组分：平均粒径为80～90μm的AlN粉末45～55份、平均粒径为75～85μm的Al2O3粉末10～15份、平均粒径为10～20μm的Al2O3粉末1～5份和平均粒径为35～45μm的MgO粉末5～10份。
进一步地，所述填料处理剂与所述导热填料的比值为8～13：100。
进一步地，所述硅胶的邵氏硬度(Shoer00)为10～60；所述硅胶的断裂伸长率≥600％。
进一步地，所述填料处理剂包括按重量份数计的如下组分：矿物油消泡剂20～40份、油性环氧树脂1～5份、毕克BYK-R605分散剂0.01～0.1份、硅氧烷5～10份、闪点提高剂0.03～0.08份和端羟基聚丁二烯0.02～0.06份。
进一步地，所述油性环氧树脂与所述毕克BYK-R605分散剂的质量比为220～330：1。
进一步地，所述矿物油消泡剂包括有机硅消泡剂、聚醚消泡剂和聚醚改性硅消泡剂中的一种或多种。
进一步地，所述硅氧烷包括二甲基硅油、乙基三乙氧基硅烷和二异丁基二甲氧基硅烷中的一种或多种。
进一步地，所述闪点提高剂包括铈改性硅油闪点提高剂和/或煤油闪点提高剂。
进一步地，所述导热垫片的导热系数为7～9W/(m·K)，所述导热垫片的断裂伸长率为120％～160％。
本发明还提供了一种液冷设备，包括如上所述的导热垫片。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明的导热垫片，以硅胶作为基体材料，添加导热填料以提高导热垫片的导热性能，与此同时添加填料处理剂，以降低导热填料中的缺陷，从而使得导热垫片同时兼具优异的导热性能和弹性；并且，与冷却液具有优异的兼容性，可长期用于液冷设备中；在满足液冷设备对于导热性能需求的基础上，长期浸泡在冷却液环境中仍然能够保持较好的弹性，导热垫片安装到液冷设备上时即使施加较大的压力也不容易破损，冷却液的冲刷也不会对其造成影响。
具体实施方式
下面将结合具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本领域技术人员将会理解，下列所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。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。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面对本发明实施例的一种导热垫片和液冷设备进行具体说明。
在本发明的一些实施方式中提供了一种导热垫片，按重量份数计，包括：硅胶18～28份、填料处理剂5～10份和导热填料65～75份；
导热填料包括按重量份数计的如下组分：平均粒径为80～90μm的AlN粉末45～55份、平均粒径为75～85μm的Al2O3粉末10～15份、平均粒径为10～20μm的Al2O3粉末1～5份和平均粒径为35～45μm的MgO粉末5～10份。
本发明的导热垫片，同时兼具优异的导热性能和弹性，与冷却液具有优异的兼容性，可长期用于液冷设备中，能够满足液冷设备对导热性能的需求，且因为拥有较好的弹性，安装到液冷设备上时即使施加较大的压力也不容易破损，冷却液的冲刷也不会对其造成影响。
本发明的导热垫片中，降低硅胶的含量或者提高导热填料的含量，填充于导热填料间的硅胶较少，增加了材料中的孔隙等缺陷，导热垫片的断裂伸长率会显著降低，导热垫片变得容易受压破损，从而被液体冲刷脱落，进而导致导热性能丧失。提高硅胶的含量或者降低导热填料的含量，相互接触的导热填料颗粒的数量减少，阻碍导热通路的形成，则会导致导热系数降低。
硅橡胶、聚氨酯橡胶和柔性环氧树脂等材料，与冷却液兼容性差，制备出的导热垫片虽在空气中性能良好，但浸泡在冷却液中容易出现硬化、开裂等情况。本发明采用硅胶作为导热垫片的基体材料，相比于上述材料，有利于提高导热垫片的综合性能，与冷却液具有更好的兼容性。
本发明的导热填料由四种粒径不同的粉末组成，四种粉末组分协同作用，在不影响导热垫片弹性的基础上，提高了导热垫片的导热率。采用大粒径的AlN作为导热填料的主要成分，AlN具有良好的导热性能，AlN为构建导热通路的主要结构；采用大粒径、具有导热能力的Al2O3作为补充，辅助构建导热通路的主体；采用小粒径的Al2O3粉体，用于填补较小的空隙，辅助完成导热通路的构建；采用中粒径的MgO粉体，用于填补较大的空隙，连接各个颗粒，在导热通路的建立中起到桥接作用。
本发明的导热填料的各粉末配比改变，即使改变其中任一组分的比例都会导致导热通路构建不完善、导热通路数量的减少，进而导致导热性能的下降。
在本发明的一些实施方式中，典型但非限制性的，例如，硅胶的重量份数为18、20份、22份、24份、26份或者28份等等；填料处理剂的重量份数为5份、8份或者10份等等；导热填料的重量份数为65份、67份、69份、71份、73份或者75份等等。
在本发明的一些实施方式中，导热填料包括按重量份数计的如下组分：平均粒径为82～86μm的AlN粉末48～52份、平均粒径为78～82μm的Al2O3粉末11～13份、平均粒径为12～16μm的Al2O3粉末2～5份和平均粒径为38～42μm的MgO粉末5～8份。
在本发明的一些实施方式中，填料处理剂与导热填料的比值为8～13：100；典型但非限制性的，例如，填料处理剂与导热填料的比值为8：100、9：100、10：100、11：100、12：100或者13：100、等等。
填料处理剂与导热填料的比值较大，填料处理剂过多，会降低导热填料在垫片中的比例，导热通路不易形成，使导热性能下降；填料处理剂与导热填料的比值较小，填料处理剂不足，填料与基体结合较差，垫片中缺陷变多，垫片易在缺陷处断裂，垫片整体的弹性伸长率下降。
在本发明的一些实施方式中，硅胶的邵氏硬度(Shoer00)为10～60；硅胶的断裂伸长率≥600％；典型但非限制性的，例如，硅胶的邵氏硬度(Shoer00)为10、20、30、40、50或者60等等；硅胶的断裂伸长率为600％、650％、700％、750％、800％、850％、900％、950％或者1000％等等。
在本发明的一些具体的实施方式中，硅胶的邵氏硬度(Shoer00)为40～50；硅胶的断裂伸长率为900％～1000％。
断裂伸长率是表征材料柔软性能和弹性性能的指标，断裂伸长率越大表示材料的柔软性能和弹性越好。在导热垫片的应用过程中，通常会承受较大的压力而发生变形，因此需要有良好的弹性来确保导热垫片在发生形变时不会发生破损。本发明采用上述参数的硅胶，有利于提高导热垫片的弹性。
在本发明的一些实施方式中，填料处理剂包括按重量份数计的如下组分：矿物油消泡剂20～40份、油性环氧树脂1～5份、毕克BYK-R605分散剂0.01～0.1份、硅氧烷5～10份、闪点提高剂0.03～0.08份和端羟基聚丁二烯0.02～0.06份。
当冷却液进入到导热垫片中，会在导热垫片的缺陷处聚集，使导热垫片膨胀，扩大导热垫片中的缺陷。填料处理剂添加降低了导热垫片中的缺陷，当导热垫片浸泡到冷却液中之后，冷却液难以进入导热垫片中，导热垫片就不会因为长期的浸泡而导致其弹性下降过多而容易破损。
在本发明的一些实施方式中，油性环氧树脂与毕克BYK-R605分散剂的质量比为220～330：1；典型但非限制性的，例如，油性环氧树脂与毕克BYK-R605分散剂的质量比为220：1、250：1、280：1、320：1或者330：1等等。
在本发明的一些实施方式中，矿物油消泡剂包括有机硅消泡剂、聚醚消泡剂和聚醚改性硅消泡剂中的一种或多种；优选地，矿物油消泡剂包括有机硅消泡剂。
在本发明的一些实施方式中，硅氧烷包括二甲基硅油、乙基三乙氧基硅烷和二异丁基二甲氧基硅烷中的一种或多种；优选地，硅氧烷包括二异丁基二甲氧基硅烷。
在本发明的一些实施方式中，闪点提高剂包括铈改性硅油闪点提高剂和/或煤油闪点提高剂。
在本发明的一些实施方式中，填料处理剂的制备方法，包括如下步骤：
各组分混合后，进行抽真空处理，得到填料处理剂。
在本发明的一些实施方式中，填料处理剂的制备方法中，抽真空处理的压力为150～300Pa，抽真空处理的时间为0.5～3h。
在本发明的一些实施方式中，导热垫片的导热系数为7～9W/(m·K)，导热垫片的断裂伸长率为120％～160％。导热系数的测试标准为ASTM D5470；断裂伸长率的测试标准为ASTM D412。
在本发明的一些实施方式中还提供了导热垫片的制备方法，包括如下步骤：
各组分混合后，进行抽真空处理，然后倒入模具中固化成型。
在本发明的一些实施方式中还提供了一种液冷设备，包括上述导热垫片。
在本发明的一些具体的实施方式中，液冷设备采用的冷却液包括矿物油基冷却液。
实施例1
本实施例提供的导热垫片的制备方法，包括如下步骤：
先将填料处理剂7.65份和导热填料71.2份在100rpm的转速下搅拌混合15min，然后加入硅胶21.15份，在800rpm的转速下搅拌，充分混匀后，在相对压力-0.08MPa的真空中除去混料中的气体，最后倒入模具中静置24小时使其充分固化成型，得到导热垫片。
其中，硅胶的邵氏硬度(Shoer00)为40、断裂伸长率为950％。
导热填料由按重量份数计的如下组分混合而成：平均粒径为85μm的AlN粉末49.45份、平均粒径为80μm的Al2O3粉末12.25份、平均粒径为15μm的Al2O3粉末3.2份和平均粒径为40μm的MgO粉末6.3份。
填料处理剂的制备方法，包括如下步骤：
将有机硅消泡剂28.3份加入反应釜中，加热温度为25℃，120r/min持续搅拌，再依次加入油性环氧树脂3份、毕克BYK-R605分散剂0.01份、二异丁基二甲氧基硅烷7份、煤油闪点提高剂0.057份和端羟基聚丁二烯0.033份，混匀后，常温抽真空去除其中的挥发分得到填料处理剂，抽真空的压力为200Pa，时间为1h。
实验例2
本实施例提供的导热垫片的制备方法，包括如下步骤：
先将填料处理剂9份和导热填料75份在100rpm的转速下搅拌混合15min，然后加入硅胶25份，在800rpm的转速下搅拌，充分混匀后，在相对压力-0.08MPa的真空中除去混料中的气体，最后倒入模具中静置24小时使其充分固化成型，得到导热垫片。
其中，硅胶的邵氏硬度(Shoer00)为50、断裂伸长率为1000％。
导热填料由按重量份数计的如下组分混合而成：平均粒径为82μm的AlN粉末48份、平均粒径为78μm的Al2O3粉末13份、平均粒径为16μm的Al2O3粉末5份和平均粒径为42μm的MgO粉末8份。
填料处理剂的制备方法与实施例1相同。
对比例1
本对比例提供的导热垫片的制备方法参考实施例1，不同之处在于，未添加填料处理剂。
对比例2
本对比例提供的导热垫片的制备方法参考实施例1，不同之处在于，将硅胶替换为硅橡胶，硅橡胶的邵氏硬度(ShoerA)为45A，断裂伸长率为90％。
对比例3
本对比例提供的导热垫片的制备方法参考实施例1，不同之处在于，将硅胶替换为聚氨酯橡胶，聚氨酯橡胶的邵氏硬度(ShoerA)为10A，断裂伸长率为1000％。
对比例4
本对比例提供的导热垫片的制备方法参考实施例1，不同之处在于，将硅胶替换为柔性环氧树脂，柔性环氧树脂的邵氏硬度(ShoerA)为63A，断裂伸长率为90％。
对比例5
本对比例提供的导热垫片的制备方法参考实施例1，不同之处在于，填料处理剂的重量份数为8.05份，导热填料的重量份数为74.95份(导热填料与填料处理剂的质量比与实施例1相同)；硅胶的重量份数为17份。
对比例6
本对比例提供的导热垫片的制备方法参考实施例1，不同之处在于，填料处理剂的重量份数为7份，导热填料的重量份数为65份(导热填料与填料处理剂的质量比与实施例1相同)；硅胶的重量份数为28份。
对比例7
本对比例提供的导热垫片，按重量份数计，包括：AlN 50份、填料处理剂12.5份和硅胶37.5份。
本对比例提供的导热垫片的制备方法，包括如下步骤：
将填料处理剂加入丙酮中，得到改性混合液，改性混合液中的填料处理剂的质量分数为25wt％，填料处理剂与实施例1相同；
AlN粉体置于改性混合液中搅拌1h，之后并浸泡2h，AlN粉体与改性混合液的质量比为1：1；浸泡后进行旋转蒸发干燥得到AlN粉体，旋转蒸发干燥的工艺参数包括：温度为50℃、常压干燥、转速为60rpm、干燥时间为6h；
将粒度为40μm的改性AlN粉体与硅胶混合，充分搅拌20min，然后在相对压力-0.08MPa的真空中除去混料中的气体，最后倒入模具中静置24h使其充分固化成型，得到导热垫片。
对比例8
本对比例提供的导热垫片为TPAD-SO701，导热系数为7W/(m·K)。
对比例9
本对比例提供的导热垫片为AF-800，导热系数为8W/(m·K)。
对比例10
本对比例提供的导热垫片为HY153，导热系数为15.3W/(m·K)。
试验例1
对实施例1、对比例1和对比例5～7的导热垫片的导热系数和断裂延伸率进行测试，将导热垫片浸泡在keencool 2011冷却液中，分别测试浸泡前和浸泡6个月后的导热垫片的断裂延伸率，其结果记录至表1。其中，导热系数的测试标准为ASTM D5470，断裂伸长率的测试标准为ASTM D412。
表1
将实施例1和对比例1～10的导热垫片浸泡在keencool 2011冷却液中，观察导热垫片的变化。
表2
从表1和表2中可以看出，本发明的导热垫片兼具良好的导热性能和弹性，与矿物油基冷却液具有优异的兼容性，长期浸泡在冷却液中无明显变化。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种导热垫片，其特征在于，按重量份数计，包括：硅胶18～28份、填料处理剂5～10份和导热填料65～75份；
所述导热填料包括按重量份数计的如下组分：平均粒径为80～90μm的AlN粉末45～55份、平均粒径为75～85μm的Al2O3粉末10～15份、平均粒径为10～20μm的Al2O3粉末1～5份和平均粒径为35～45μm的MgO粉末5～10份。
2.根据权利要求1所述的导热垫片，其特征在于，所述填料处理剂与所述导热填料的比值为8～13：100。
3.根据权利要求1所述的导热垫片，其特征在于，所述硅胶的邵氏硬度为10～60；所述硅胶的断裂伸长率≥600％。
4.根据权利要求1所述的导热垫片，其特征在于，所述填料处理剂包括按重量份数计的如下组分：矿物油消泡剂20～40份、油性环氧树脂1～5份、毕克BYK-R605分散剂0.01～0.1份、硅氧烷5～10份、闪点提高剂0.03～0.08份和端羟基聚丁二烯0.02～0.06份。
5.根据权利要求4所述的导热垫片，其特征在于，所述油性环氧树脂与所述毕克BYK-R605分散剂的质量比为220～330：1。
6.根据权利要求4所述的导热垫片，其特征在于，所述矿物油消泡剂包括有机硅消泡剂、聚醚消泡剂和聚醚改性硅消泡剂中的一种或多种。
7.根据权利要求4所述的导热垫片，其特征在于，所述硅氧烷包括二甲基硅油、乙基三乙氧基硅烷和二异丁基二甲氧基硅烷中的一种或多种。
8.根据权利要求4所述的导热垫片，其特征在于，所述闪点提高剂包括铈改性硅油闪点提高剂和/或煤油闪点提高剂。
9.根据权利要求1所述的导热垫片，其特征在于，所述导热垫片的导热系数为7～9W/(m·K)，所述导热垫片的断裂伸长率为120％～160％。
10.一种液冷设备，其特征在于，包括权利要求1～9任一项所述的导热垫片。
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