CN1603382A - 热界面材料 - Google Patents

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Abstract

一种组合物，用作发热电子装置的热界面材料。该组合物是下述物质的混合：丁腈橡胶，羧基封端丁二烯、羧基封端丁二烯腈或其混合物，以及热传导微粒。

Description

热界面材料
技术领域
本发明涉及一种热传导材料，用于将热量从发热电子装置传递到吸收和消散该热量的冷却散热器。
背景技术
电子装置，例如包含半导体的电子装置，在运行时会产生大量的热。为了冷却半导体，通常在装置上以某种方式安装冷却散热器。在运行过程中，产生的热量从半导体传递到冷却散热器，冷却散热器将热量无害消散。为了使热量能最大限度地从半导体传递到冷却散热器，热传导热界面材料得到了应用。热界面材料提供冷却散热器和半导体间的理想地紧密接触，从而促进热量传递。通常使用两种材料作为热界面材料：糊状热传导材料，例如硅脂；片状热传导材料，例如硅橡胶。
糊状热传导材料和片状热传导材料都有缺点，导致在使用中出现障碍。例如，有些糊状材料虽然具有很低的热阻，但是它们必须在液态或半固态下使用，因此要最优化其应用就需要对生产工艺加以控制。除了在应用中加强控制以外，糊状材料的处理也很困难。使用已有材料的困难包括：糊状材料再利用的控制，硅脂向不希望涂覆的地区的移动，相变材料或热固树脂的重复可加工性。传统的热界面薄膜找到解决糊状材料的处理和应用难题的办法，但是它们与糊状材料相比热阻较高。因此，提供一种既容易处理和应用又具有较低热阻的热界面材料是十分有益的。
发明内容
提供一种组合物，用作包含半导体的发热装置的热界面材料。该组合物含有下述物质：丁腈橡胶；羧基封端丁二烯、羧基封端丁二烯腈或其混合物；以及热传导微粒。
本发明的另一个方面是提供一种电子装置，包括一个发热元件、一个冷却散热器和一种如前所述的热界面材料。
具体实施方案
本发明的热界面材料实际上可以用于任何发热元件以消散热量。该热界面材料尤其有助于半导体装置中发热元件的散热。在这类装置中，热界面材料形成一个介于发热元件和冷却散热器之间的层，将热量传递到冷却散热器消散。
热界面材料含有下述物质：丁腈橡胶，羧基封端丁二烯橡胶(“CTB”)、羧基封端丁腈橡胶(“CTBN”)或者CTB和CTBN的混合物，热传导微粒，以及除了基本橡胶配方以外的其它可以增强热传递的添加剂。依靠该组合物，通过热熔体挤出，其可以形成薄膜。优选的是，材料经过一个混合步骤，从而使橡胶成分在填充大量微粒的情况下仍保持弹性，并使材料在加速应力测试中保持其性能。
组合物中的橡胶成分并不是如其通常所使用的作为抗冲击改性剂，而是作为形成薄膜的组分。橡胶是化学极性相容的，因此对基体和填充剂都有良好的亲和性。在传统的橡胶组合物中，橡胶聚合物通过过氧化物或硫化物硫化剂硫化。在本发明所述的组合物中，橡胶没有被硫化，并且通过选择合适的基础聚合物可以调整它们的成膜性和润湿性。
丁腈橡胶为组合物提供高分子量成膜成分。丁腈橡胶为组合物带来优良的处理性能和优良弹性的有利特性。丁腈橡胶和CTBN在化学上是相同的，但是在丁腈橡胶中羧基官能团沿分子主链被结合于其中，而在CTBN中羧基官能团则位于分子末端。两者的上述区别产生不同的反应动力学，丁腈橡胶为组合物带来较高的强度。
CTB成分在组合物中是液相调节剂和低粘度成分。根据技术数据统计，其在27℃时的布氏粘度为60,000cps。例如，材料Nipol 1072×28根据门尼粘度定义，其门尼粘度为35-55；而1072CG具有22-35的门尼粘度(ASTMD1646，100℃，ML(1+4))。当热界面材料为热塑性塑料时，流体调节剂所具有的非常好的流动性能是关键性的。在加热和/或加压时，组合物中的低粘度成分为材料带来良好的表面润湿性。由于低粘度成分适于加热和/或加压，热界面材料性能上类似于相变材料。更可取的是，低粘度成分使热界面材料具有与液相类似的润湿性。但是与相变材料或液体材料不同的是，热界面材料在最高温度下使用仍保持其物理完整性。
CTBN成分是可以成膜的高粘度成分，而低粘度的CTB调节剂由于其较低的粘度而无法作为成膜树脂。当CTBN与CTB混合用于组合物中时，由于它们化学上的相似性，两者具有非常好的相容性。市售CTBN为液体或半固体形式，这取决于其分子量和丙烯腈含量。
高粘度和低粘度橡胶的混合会产生一种材料，具有足够完整性从而在室温时为固体，并具有低粘度。形成的材料适于用作带子或薄膜，并具有良好的表面润湿性。该材料能够润湿高表面能的基体，例如金属；也能润湿低表面能的基体，例如塑料。更进一步地，由两种橡胶的混合物形成的材料是重复可使用的，并且在使用完后能够很容易地从基体上移除而不需要溶剂或加热。这种性能与其它低的热阻的热接触材料相比是独一无二的。本发明的热界面材料能够形成低热阻的薄膜，也是独一无二的。相对来说，脂类热界面材料具有低热阻，但需要散布器丝网或模板印刷。本发明的热界面材料的另一个益处是它们可以重新使用并且不需要加热或使用溶剂，这样就可以在任何地方重复可使用。典型的，这种材料的使用需要外部支撑，例如夹持。最后，在成膜过程中，本发明的热界面材料不会流到所使用的基体上任何不希望流到的地方。另外，对于薄膜还可以使用压敏胶以带来足够的粘性使薄膜在使用时保持不动。如果需要，该材料也可以为糊状。
热界面材料可以被大量已知的材料硫化，包括过氧化物和胺。硫化方法包括加压硫化和硫化罐硫化。硫化条件可以很宽泛，取决于硫化过程的时间、温度和压力。影响硫化过程的其它因素有聚合体混合物、硫化体系、中和剂、填充物体系和微粒结构。
除了橡胶混合物，热界面材料还含有热传导微粒。这些微粒既可以是导电的也可以是不导电的。优选的是，材料含有20-95wt％的导热微粒；最优选的是，导热微粒含量为50-95wt％。导热微粒可以是任何合适的热传导材料，包括：银、金、镍、铜、金属氧化物、氮化硼、铝矾土、氧化镁、氧化锌、铝、氧化铝、氮化铝、镀银有机颗粒、镀银镍、镀银铜、镀银铝、镀银玻璃、银薄片、炭黑、石墨、涂覆氮化硼的颗粒以及上述物质的混合物。优选的热传导微粒是氮化硼。
本发明的热界面材料优选包含体积含量为约10-约85％的丁腈橡胶、约2-约80％的CTB和/或约2-约80％的CTBN。，本发明的热界面材料最优选包含体积含量为约25-约50％的丁腈橡胶、约5-约30％的CTB和/或约5-约30％的CTBN。，该材料优选包含约20-约95wt％的热传导微粒。
除了传导微粒，配方中还可以加入添加剂来达到预期的性能。添加剂带来的最有利的性能之一是改良处理性能。特别是在室温时是固态的材料，例如苯酚甲醛、酚醛塑料、蜡、环氧化物、热塑性塑料和丙烯酸树脂，更有利于带来改良的处理性能。可以包括多种添加剂：表面活性剂、表面活化剂、稀释剂、润湿剂、抗氧化剂、触变胶、增强材料、硅烷基全氟乙醚、磷酸盐全氟乙醚、硅烷、钛酸盐、蜡、苯酚甲醛、环氧化物和其它具有表面亲和性和聚合物相容性的低分子量聚合物。
本发明可以通过以下的实施例进一步阐述，但不局限于下述实施例：
实施例1：表1列出了由六种热界面材料和控制材料所组成的配方(所有百分数均为重量百分含量)。丁腈橡胶以20％固相在甲基乙基酮中溶解。然后，各种成分被逐步加入到混合容器中。混合容器置于气动混合器内，混合20分钟。然后，材料被脱气并以5ft/min的速度涂覆到硅树脂处理过的载体基体上。在材料涂覆之后，薄膜在75℃被烘干20分钟以除去溶剂。
                                 表1  热界面配方
    配方     A     B     C     D     E
    丁腈橡胶1     9.0     8.2     6.3     4.5     6.3
    CTB2     2.7     4.5
    CTBN3     2.7
    S104     0.2
    F105     0.6
    Ag     91.0     91.0     91.0     91.0     91.0
1丁腈橡胶：Nipol 1072CG，购于Zeon Chemical
2CTB：合成橡胶2000×162，羧基封端丁二烯聚合物，购于Noveon
3CTBN：合成橡胶1300×13，羧基封端丁二烯丙烯腈共聚物，购于Noveon
4S10：硅烷基全氟乙醚，购于Ausimont
5F10：磷酸盐全氟乙醚，购于Ausimont
表1的配方通过稳态热分析进行了测试，测试结果如表2所示。
                            表2  热界面配方测试结果
       配方     A     B     C     D     E
    厚度，mil     3.6     4.1     3.5     3.6     3.8
  热阻，mm2K/W   第1次     28     24     22     28     27
  第2次     26     24     21     26     26
     重复使用     好     好     好     好     好
实施例2：为了提高热界面材料薄膜的处理性能，可以加入增强有机添加剂。表3显示几个具有改良处理性和极好热性能的配方。表3中的材料以与实施例1中相同的程序被涂覆。
                                       表3  热界面配方
  配方   F   G   H   I   J   K   L
  丁腈橡胶1   22.0   20.1   20.1   18.3   18.3   20.1   9.1
  CTB   9.4   8.6   8.6   7.9   7.9   8.6   3.9
  S10   0.8   0.7   0.7   0.7   0.7   0.7   0.3
  F10   0.8   0.7   0.7   0.7   0.7   0.7   0.3
  SP252   3.0   2.75
  70063   3.0   5.5   2.75
  1001F4   3.0   1.4
  BN5   67.0   67.0   67.0   67.0   67.0   67.0
  铝矾土   85.0
1丁腈橡胶：Nipol 1072CG，购于Zeon Chemical
2SP25：苯酚甲醛，购于Schenectady International
37006：氟链蜡，购于Ausimont
41001F：固体环氧树脂，购于Resolution Performance
5BN：氮化硼填充剂，购于Carborundum
表3的配方通过激光闪光法进行了测试，测试结果如表4所示。
                                   表4  热界面配方测试结果
    配方     F   G     H     I     J     K     L
    厚度，mil     4.5   3     4.5     4.5     4.5     10     4.5
热阻，mm2K/W     15   23     27     30     34     27     43
    重新使用     好   好     好     好     好     好     好
    处理性     一般   一般     好     好     好     好     好
如表4所示，含有固体添加剂的配方具有改良的处理性能。
对本领域技术人员来说显而易见的是，在不脱离本发明的宗旨和范围的情况下可以对本发明做出各种修正和变化。这里所具体描述的实施方仅仅是示范性的实施例，而本发明的宗旨和范围仅由下面所要求保护的权利要求对等的全部范围来确定。

Claims (13)

1.一种用于将热量从发热元件传递到冷却散热器的热传导组合物，含有：丁腈橡胶；热传导微粒；和一种或以上的物质，该物质选自由羧基封端丁二烯、羧基封端丁二烯腈或其混合物组成的组。
2.如权利要求1所述的组合物，其中所述组合物通过热熔体挤出形成。
3.如权利要求1所述的组合物，其中所述组合物含有约5-30％体积百分含量的羧基封端丁二烯。
4.如权利要求1所述的组合物，其中所述组合物含有约5-30％体积百分含量的羧基封端丁二烯腈。
5.如权利要求1所述的组合物，其中所述组合物含有约20-85％体积百分含量的丁腈橡胶。
6.如权利要求7所述的组合物，其中：组合物含有约25-50％体积百分含量的丁腈橡胶。
7.如权利要求1所述的组合物，其中，热传导微粒包括：银、金、镍、铜、金属氧化物、氮化硼、铝矾土、氧化镁、氧化锌、铝、氧化铝、氮化铝、镀银有机颗粒、镀银镍、镀银铜、镀银铝、镀银玻璃、银薄片、炭黑、石墨、涂覆氮化硼的颗粒以及上述物质的混合物。
8.如权利要求9所述的组合物，其中：热传导组合物含有约20wt％-约95wt％的热传导微粒。
9.如权利要求1所述的组合物，还含有一种或多种添加剂。
10.如权利要求9所述的组合物，其中，添加剂选自：表面活性剂、抗氧化剂、表面活化剂、稀释剂、润湿剂、触变胶、增强材料、硅烷基全氟乙醚、磷酸盐全氟乙醚、硅烷、钛酸盐、蜡、苯酚甲醛、环氧化物、丙烯酸类、具有表面亲和性和聚合物相容性的低分子量聚合物、及其混合物。
11.如权利要求1所述的组合物，其中所述组合物是糊状的、有支撑的或独立式薄膜。
12.如权利要求1所述的组合物，还含有压敏胶。
13.一种电子装置，包括一个发热元件、一个冷却散热器和如权利要求1所述的热界面材料。
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