CN1580116A - 散热界面材料组成 - Google Patents

Abstract

一种散热界面材料组成，用来制作成具有自我支撑能力的片状界面材料，并适用于各种几何形状的电子组件。此散热界面材料组成是用导热性粉末加入热塑性弹性体(Thermoplastic Elastomers；TPE)与低熔点有机物作为黏结剂，并经均匀混合后形成粉末与黏结剂的复合结构，其中具有高固含量的导热性粉末的填充量可提升复合结构物的导热性，且仍可保持其弹性变形的能力。在超过操作温度值(例如：55℃)时，黏结剂的部分成分开始产生相转变(Phase Transformation)而渗透流动，以有效地填充界面间的孔隙(Voids)，更可降低界面材料的热阻值。

Description

散热界面材料组成

技术领域

本发明涉及一种散热界面材料组成，特别是涉及一种适用于各种几何形状的电子组件的散热界面材料组成。

背景技术

「热」一直是电子组件工作时必须处理的问题，散热问题已成为科技发展上关键技术的瓶颈。早期电子组件的散热途径均采用内部封装的材质以将热传至表层，利用较大的散热片以热传导的方式将热传至发热源的外部，并加装鳍片或风扇来达到强制对流的效果。在这个散热路径上，相当多的介质会转换而形成热阻较大的界面，故必须填充适当的热界面材料，用来降低界面热阻问题，并提升散热的效率。

近几年来，热界面材料已成为热门的话题。由于电子电路中所产生的高温会影响到电子组件的工作效率，因此必须发展散热模块以维持电子组件的界面温度低于临界安全温度，来避免组件因为过热而造成性能上的衰退和不稳定。然而，由于在发热组件和散热组件的接触面上，几乎不可能做到完全的平坦光滑，因而导致散热瓶颈的发生。

美国专利第4,869,954号提出：在发热端与散热组件的两接触面间，往往存在了大量的微孔隙(Voids)。这些微孔隙在固定散热组件时，便被局限在接触面间，因而降低热传递的效率，并提高界面间的热阻。例如，一个粗糙的平面，若供应15W/cm²的能量时，可能因界面的热阻太大而产生14℃的跨越界面的温度差；即使在两抛光的接触表面上，其界面间依然存在有2℃的温度差。由此可知，当有越多的散热组件需要被接合时，若不改善其中的热阻问题，将会使电子组件的温度大幅地上升。

为了要改善电子组件与散热组件之间的热传导效率，必须将热传导能力较高的界面材料填充于两接触表面之间而消除因表面粗糙度所造成的界面微孔隙。美国专利第5,569,684号提出：为了消除界面微孔隙，将硅基胶体高分子材料加入石蜡(Paraffin Wax)与热导体粉末(如氧化铝，氧化镁，氮化铝或纯铝粉)，均匀后填入两接触表面间。并利用石蜡在某一操作温度下会先软化而后发生相转变(Phase Transformation)，以增加胶体的流动性并提高两接触表面间的接触面积，以填满所有接触表面的界面微孔隙，提高界面间的导热面积。

另外美国专利第5,250,209号提出：以聚丙二醇(Polypropylene glycol)混合氧化锌、氧化铝、氮化铝、碳化硅、及氧化镁等粉末并加入界面活性剂(如硬脂酸(Stearic Acid)等低熔点有机物，并经均匀混合后制作成膏状复合材料，此复合材料可应用于降低发热电子组件与散热组件之界面间的热阻问题，并且有效填充接触表面上的微孔隙。

美国专利第4,299,715号揭露：以类似蜡性质的高分子材料填入导热性粉末(如氧化铍、氧化锌及氧化铝等)，经充分混合后填入发热端与散热端的界面间，以此提高两组件间的散热效益。而前述的高分子材料可为蜡和石油精混合形成的胶状组织；或由棕榈树所取得之天然蜡与蜜蜡混合汽油精或石蜡而形成的在某一操作温度下具有可塑性的高分子材料。

美国专利第4,466,483号描述一种热传导热垫片，此种垫片在贴布上涂布热传导性良好，电绝缘性高的材料，并以卷筒或贴片的方式维持其外形。通常在此贴布表面会再涂上一层蜡、氧化锌及防火材料。

美国专利4,473,113号揭露一种应用于电子设备散热的散热贴片，此种贴片在操作温度下会由固态逐渐转变为液态，将接触面间的空气孔隙填满，以提高散热效果。通常，此贴片是由蜡、石油精、氧化锌和氧化铍混合制成的膏状复合材料，而此类膏状材料也可与玻璃丝混合并压制成片状结构，以增加界面材料的结构强度与可施工性。

由上可知，热界面材料可以片状或膏状的型式来呈现。然而，当温度开始升高时，由于散热膏不具有自我支撑的能力，而容易产生滑动，且残留的散热膏容易造成其它组件的污染，使得清理上更加困难，导致散热效果大打折扣，使用时不容易控制。

另一方面，当散热界面复合材料以片状的型式应用到电子界面的散热时，由于片状结构具有自我定型支撑及弹性体的特性，因此使用上较为方便。然而，片状的复合材料通常无法完全填满两接触面之间，故无法完全去除因粗糙表面或接触表面之不平整所造成的微孔隙(其为热的不良导体)，仍会导致两接触面的温度差升高、热阻提高和热导性降低。

因此，美国专利第4,852,646号提出；将硅基弹性体的高分子材料加入低熔点蜡油，并与氮化铝、立方氮化硼以及合成钻石混合，以使导热系数提高至10～15W/m·K，其中也可加入六方氮化硼、氧化铝、氧化锌、氧化镁、氧化铍等材料作为填料。此种硅基弹性体与低熔点蜡混合的高分子材料除了可提供高接合性外，孔隙的填充及使用清理上都较膏状复合材料容易。

美国专利第4,869,954号揭露一种于常温常压下为凝固状态的片状导热界面材料，其可传导热量至较低温区。

美国专利第4,782,893号揭露一种可置于电子组件和散热组件间的具有热传导性和电绝缘性的散热片，以增加热传导的路径并提高散热效益。其特征为：将钻石粉末与高介电强度高分子材料在液相时相互混合后压制成片；利用化学腐蚀将表面层高分子移除以露出的钻石表面；结合金属薄膜作为上下接触面，以利用内部钻石颗粒作为热传路径；应用此散热片在电子散热时，则预估可得到良好的效果。由于这种散热片本身具有自我支撑的能力因此在一般的环境下不会任意散落滑移。

美国专利第6,020,424号揭露一种由典型的热传导粉末(如氮化硼)与热固性橡胶(如Vinyl Terminated Siloxane)所合成的具导热性的橡胶材料，其将粒径为约40μm的导热性粉末填入热固性橡胶中并加以混合；或是利用不同粒径大小的导热性粉末充分混合后填入橡胶内作为导热橡胶。其优点为改善散热鳍片与发热源之间热阻过大的问题；以及提高接触面间的结合性。

美国专利第4,974,119号揭露一种散热组件与印刷电路板间的弹性薄膜片。此弹性薄膜片可用以降低电路组件与散热片的温度，此弹性薄膜片通常以硅胶基高分子材料为基底并填入氧化铝或氮化硼等导热材料而制成。

台湾专利公告第332963号揭露用于电子组件的保形热界面材料，其中主要有机物为微结晶蜡(Microcrystalline Wax)或聚烯类高分子，从而产生相转变的能力；并加入丙烯酸类的高分子，提供感压接着的能力，此类的界面材料可以填入氮化铝、氮化硼、氧化铍、氧化铝等材料作为导热填料。

由上述可知，片型导热材料具有自我定型的优点。配合添加低分子量的有机物，可在低分子量有机物熔化时，填充发热端与散热端的界面而提升导热的能力。现有专利都以硅基弹性体作为定型的基础。然而，当硅胶基高分子材料加入导热性粉末填料时，由于硅胶基高分子材料的热固性的材料特性，使其形成的材料在高温时仍不具有相转变能力，不利于填充粉末且容易在材料内形成微孔隙，因而降低材料的导热能力。另一方面，若加入低熔点有机物(如石蜡或硬脂酸)，则可提供适当的相转变能力。但由于硅胶与石蜡的性质差异，使得制程中均匀混合的步骤相当不易进行，因此不适合于使用高固含量之导热性粉末的填料。

因此，非常需要发展一种散热界面材料组成，利于充分混合低熔点有机物，来提高导热性粉末的固含量；在高温时，低熔点有机物可具有熔融相转变之特性与形状保持的能力；以及具备弹性体的特性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种散热界面材料组成，利于充分混合低熔点有机物，来提高导热性粉末的固含量。

本发明的另一目的在于提供一种散热界面材料组成，使其具备弹性体的特性；并且在高温时，低熔点有机物可具有熔融相转变之特性与形状保持的能力。

根据本发明的上述目的，提出一种散热界面材料组成。依照本发明较佳实施例，此散热界面材料组成至少包括：填充比例为约20.0Vol％(体积比)至约50.0Vol％的热塑性弹性体(Thermoplastic Elastomers；TPE)；填充比例为约10.0Vol％至约30.0Vol％的低熔点有机物；以及填充比例为约20.0Vol％至约70.0Vol％的导热性粉末，其中热塑性弹性体、低熔点有机物和导热性粉末混合在一起后，形成散热界面材料，而各成分的混合次序并不受限，可为任意次序。

因此，应用本发明，可充分混合低熔点有机物，而提高导热性粉末的固含量；在高温时，低熔点有机物可具有熔融相转变的特性与形状保持的能力；以及具备弹性体的特性。

具体实施方式

本发明的主要特征在于以热塑性弹性体取代热固性硅胶基弹性体。本发明不但通过低熔点有机物充分混合，来提高粉末的固含量；在高温时也具有低熔点有机物熔融相转变的特性及形状保持的能力；并具备弹性体的特性；且在重复使用及产品寿命的问题上，展现良好的特性。

本发明之散热界面材料组成的成分可包含热塑性弹性体的橡胶材料、低分子量的碳氢化合物、石蜡油(Paraffin Oil)、石蜡或硬脂酸等界面活化剂、以及作为内部填充物之高导热性粉末。一般而言，高导热性粉末的填充量越高，则高导热性粉末间之接触面增加，因而有助于提升热传效果。但散热界面材料组成的弹性体特性也随着减少。

在本发明中所叙述的有机结合剂的混合体，其特性都为热塑性或热熔性。在此混合体与各种导热性粉末充分混合后，可以滚压、挤压、喷附、刮附与浇洒等各种方式制作成适当形状的电子散热界面材料组成，以应用于各种场合。其中此导热有机物混合体(电子散热界面材料组成)与前述的习知材料不同的是，本发明并非仅使用现有材料所使用的低熔点的油或蜡，本发明更提供了由形状安定的热塑性高分子材料或其它非硅胶类橡胶等所形成的复合弹性结构物。此复合弹性结构物可以筒状、带状或胶带形式保存。

本发明中所提供的实施例所使用的材料为：约20至50Vol％的热塑性弹性体；约10至30Vol％的一种或多种低熔点有机物(如微结晶蜡、石蜡、石蜡油、硬脂酸以及其任意混合物)；以及约20至70Vol％之一种或多种导热性粉末的填充材料。通过一种或多种成分的有机物在工作温度下可自固体逐渐转变为半固体，再至半液体状态或可流动液体状，且处于半黏稠或黏稠的状况(此材料特性状态代表其中的有机高分子材料可相互滑移)，以使本发明的散热界面材料组成于高温时，可完全填满电子组件的介面孔隙。

本发明热塑性弹性体的成分一般可为苯乙烯及丁二烯崁段的共聚合体(Styrenic Block Copolymer；简称SBC)，其具备橡胶及塑料的特性。而SBC中依高分子主链的不同架构可分为苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS；Styrene-Butadiene-Styrene)、苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯(SIS；Styrene-Isotatic-Pentadiene-Styrene)、苯乙烯-乙烯/丁烯-苯乙烯(SEBS；Styrene-ethene/butene-Styrene)、苯乙烯-丁二烯(SB；Styrene-Butadiene)、苯乙烯-乙烯/丙烯(SEP；Styrene-Ethene-Propene)、苯乙烯-乙烯/丁烯(SEB；Styrene-Ethene-Butene)以及其任意混合物等。本发明的热塑性弹性体的成分也可是聚烯系热塑性弹性体(TPO)、聚二烯系热塑性弹性体(RB)、氯化聚乙烯系热塑性弹性体(CM)、聚氯乙烯系热塑性弹性体(TPVC)、聚酯系热塑性弹性体(TPEE)、聚酰胺系热塑性弹性体(TPA)、PU系热塑性弹性体(TPU)以及其任意混合物等。通过改变热塑性弹性体于复合材料内的成分比例，可调整本发明的散热界面材料组成的黏稠度与导热性质，以于不同的应用场合中，提供适当的流动性及相变化程度。以上所述的材料种类仅为举例说明，本发明并不在此限。

以下以若干实施例来说明本发明：

〔实施例一〕：

本发明的散热界面材料组成由熔点50～60℃的石蜡、硬脂酸与热塑性弹性橡胶(体)混合而成，其配方为约33.0Vol％的热塑性SEBS弹性橡胶、约15.0Vol％的低温石蜡、约2.0Vol％的硬脂酸以及填入约50.0Vol％的导热性粉末，其中导热性粉末可为氮化铝、氮化硼、氧化铝、碳化硅、银、镍、铜或其任意混合物等材料。如果不考虑电绝缘性的因素，也可使用高导热材料(如银与铜等金属材料)的填充，以有效地提高本发明的散热界面材料组成的导热系数。请参照表一，其列示不同的导热性粉末填料对散热界面材料组成的导热系数的影响。

表一、不同的导热性粉末填料对散热界面材料组成的导热系数的影响

热塑性弹性体	低熔点有机物	粉末填料	粉末体积比例Vol％	热传导系数W/m·K
					SEBS	石蜡及硬脂酸	氮化铝	50	2.3
SEBS	石蜡及硬脂酸	氮化硼	50	2.1
					SEBS	石蜡及硬脂酸	氧化铝	50	1.4
SEBS	石蜡及硬脂酸	碳化硅	50	1.5
					SEBS	石蜡及硬脂酸	银	50	4.9
SEBS	石蜡及硬脂酸	镍	50	2.3
					SEBS	石蜡及硬脂酸	铜	50	4.7

〔实施例二〕：

本实施例使用与实施例一不同的热塑性弹性体，并配合以熔点50～60℃的石蜡与硬脂酸混合而成，其配方为约33.0Vol％的热塑性弹性橡胶(体)、约15.0Vol％的低温石蜡、约2.0Vol％的硬脂酸、以及填入约°50.0Vol％的氮化铝导热性粉末。由于不同热塑性弹性体的材料在工作温度下的黏度、混合性、伸长率和界面接合的能力都不相同，因此，对于在不同热塑性弹性体的材料中，填入相同的导热性粉末所得到的各种散热界面材料组成而言，其导热系数各不相同。当散热界面材料组成的流动性较高时，会呈现膏状的特性，而具有较高的导热系数；若散热界面材料组成的弹性模数较高时，则其结构支撑性会较高，但导热系数会较低。请参照表二，其列示不同的热导性弹性体对散热界面材料组成的导热系数的影响。

表二、不同的热导性弹性体对散热界面材料组成的导热系数的影响

热塑性弹性体	低熔点有机物	粉末填料	粉末体积比例Vol％	导热系数W/m.K
					SEBS	石蜡及硬脂酸	氮化铝	50	2.3
SBS	石蜡及硬脂酸	氮化铝	50	2.2
					TPO	石蜡及硬脂酸	氮化铝	50	2.2
TPU	石蜡及硬脂酸	氮化铝	50	2.1
					RB	石蜡及硬脂酸	氮化铝	50	1.9
CM	石蜡及硬脂酸	氮化铝	50	2.1

〔实施例三〕：

本实施例是混合SEBS热塑性弹性体、熔点50～60℃的石蜡与硬脂酸而成，其配方为：

(1)约20.0Vol％的热塑性弹性橡胶(体)；约9.0Vol％的低温石蜡；约1.0Vol％的硬脂酸；以及填入约70.0Vol％的氮化铝导热性粉末；

(2)约26.0Vol％的热塑性弹性橡胶(体)；约12.0Vol％的低温石蜡；约2.0Vol％的硬脂酸；以及填入约60.0Vol％的氮化铝导热性粉末；

(3)约33Vol％的热塑性弹性橡胶(体)，约15.0Vol％的低温石蜡，约2.0Vol％的硬脂酸以及填入约50.0Vol％的氮化铝导热性粉末；或

(4)约39.0Vol％的热塑性弹性橡胶(体)；约18.0Vol％的低温石蜡；约3.0Vol％的硬脂酸；以及填入约40.0Vol％的氮化铝导热性粉末。

请参照表三，其列示不同之热塑性弹性体的体积比例对于导热系数的影响。

表三、不同的热塑性弹性体的体积比例对于导热系数的影响

热塑性弹性体	低熔点有机物	粉末填料	粉末体积比例Vol％	导热系数W/m·K
					SEBS	石蜡及硬脂酸	氮化铝	40	1.9
SEBS	石蜡及硬脂酸	氮化铝	50	2.3
					SEBS	石蜡及硬脂酸	氮化铝	60	2.7
SEBS	石蜡及硬脂酸	氮化铝	70	3.0

当热塑性弹性体的比例含量改变时，散热界面材料组成的导热性质也会发生变化。当考虑热量由发热源传递至散热组件时，由于热必须跨越导热填料及热塑性高分子材料两种介质，因此当导热性粉末填料的含量越高，则散热界面材料组成的导热系数也会增加，而得到优越的导热性质，其中约70.0Vol％高固含量的导热性粉末的组成可为：约49.0Vol％的粗粉(粒径为约30μm)、与约21.0Vol％的细粉(粒径为约4μm)混合而形成的具有双峰分布的粉末填料。然而，整体复合材料的弹性体特性与延展性也将随之降低。

另外，以1.25至5.0W/cm²的不同功率测试本发明的产品时，所测得的样品在温度高于50℃时，会呈现出半熔融状态，并可观察到油脂溢出并填充界面的情况。

以上的叙述与资料显示：本发明的相转变的温度与电子组件的工作温度相近，且具备有效的导热特性。本发明的有机结合剂的成分具有热塑性的特性，易于达成与导热填充物(粉末)均匀混合的目标。而且，本发明的有机物由多种成分所组成，其中部分成分具有于接近电子组件的工作温度时产生相转变的特性，而主干有机物具有弹性体的特性，其结构稳定性与形状保持的特性，除了容易贴覆在电子组件上外，也不会因温度过高而使低熔点有机物形成过多液相，以致无法支持散热端组件。故本发明可有效地提供全面积的接触与固液共存的特性，因而使本发明的应用范畴更加广泛。

另外，值得一提的是，在形成本发明的散热界面材料组成时，各成分的混合次序并不受限，其可为任意次序。

由上述本发明较佳实施例可知，应用本发明的优点为：不但可与低熔点有机物充分混合以提高粉末的固含量，并在高温时，具有低熔点有机物熔融相转变的特性及形状保持的能力，并具备弹性体的特性，且在重复使用及产品寿命的问题亦具有良好的特性。

虽然本发明已以一较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明之精神和范围内，当可作各种更动与润饰，因此本发明之保护范围当视后附的申请专利范围所界定者为准。

Claims (10)

1、一种散热界面材料组成，至少包括：

一热塑性弹性体，其中该热塑性弹性体选自于由苯乙烯-丁二烯-苯乙烯、苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯、苯乙烯-乙烯/丁烯-苯乙烯、苯乙烯-丁二烯、苯乙烯-乙烯/丙烯、苯乙烯-乙烯/丁烯、聚烯系热塑性弹性体、聚二烯系热塑性弹性体、氯化聚乙烯系热塑性弹性体、聚氯乙烯系热塑性弹性体、聚酯系热塑性弹性体、聚酰胺系热塑性弹性体、PU系热塑性弹性体以及其任意混合物所组成的一族群；

一低熔点有机物；以及

一导热性粉末，其中该热塑性弹性体、该低熔点有机物和该导热性粉末混合在一起后，形成该散热界面材料组成。

2、根据权利要求1所述的散热界面材料组成，其特征在于：该热塑性弹性体的填充比例为体积比20.0Vol％至50.0Vol％。

3、根据权利要求1所述的散热界面材料组成，其特征在于：该低熔点有机物的填充比例为体积比10.0Vol％至30.0Vol％。

4、根据权利要求1所述的散热界面材料组成，其特征在于：该导热性粉末的填充比例为体积比20.0Vol％至70.0Vol％。

5、根据权利要求1所述的散热界面材料组成，其特征在于：该低熔点有机物选自于由微结晶蜡(Microcrystalline Wax)、石蜡(Paraffin Wax)、石蜡油(Paraffin Oil)、硬脂酸(Stearic Acid)以及其任意混合物所组成的一族群。

6、根据权利要求1所述的散热界面材料组成，其特征在于：该低熔点有机物的熔点低于该热塑性弹性体的熔点。

7、根据权利要求1所述的散热界面材料组成，其特征在于：该散热填充物选自于由氧化铝、氧化硅、氧化锌、氮化铝、氮化硼、钻石、碳化硅、氮化硅、氧化铍以及其任意混合物所组成的一族群。

8、根据权利要求1所述的散热界面材料组成，其特征在于：该散热填充物选自于由石墨、硅以及其任意混合物所组成之一族群。

9、根据权利要求1所述的散热界面材料组成，其特征在于：该散热填充物选自于由铜、铝、银、金、铁、镍、钴、钼、钨以及其任意混合物所组成之一族群。

10、根据权利要求1所述的散热界面材料组成，其特征在于：该散热填充物选自于由氧化铝、氧化硅、氧化锌、氮化铝、氮化硼、钻石、碳化硅、氮化硅、氧化铍、石墨、硅、铜、铝、银、金、铁、镍、钴、钼、钨以及其任意混合物所组成之一族群。