KR20230106164A

KR20230106164A - 질화알루미늄 충전 열전도성 실리콘 조성물

Info

Publication number: KR20230106164A
Application number: KR1020237018569A
Authority: KR
Inventors: 옌 정; 도랍 바그와가르; 다렌 한센; 펑 웨이; 한 광 우
Original assignee: 다우 실리콘즈 코포레이션
Priority date: 2020-11-10
Filing date: 2020-11-10
Publication date: 2023-07-12
Also published as: WO2022099432A1; EP4244290A1; JP2024502530A; TW202229459A; CN116745363A; US20230313016A1

Abstract

조성물은 (a) 경화성 실리콘 조성물로서, (i) 30 내지 400 mPa*s의 점도를 갖는 비닐디메틸실록시 말단화된 폴리디메틸폴리실록산; (ii) SiH 관능성 가교결합제; 및 (iii) 하이드로실릴화 촉매를 포함하며, 가교결합제 SiH 관능기 대 비닐 관능기의 몰비는 0.5:1 내지 1:1인, 경화성 실리콘 조성물; (b) 알킬 트리알콕시실란 및/또는 모노-트리알콕시실록시 말단화된 디메틸폴리실록산 처리제; (c) 충전제 믹스(mix)로서, (i) 둘 다 30마이크로미터 이상의 평균 크기를 갖는 40 중량% 이상의 구형 및 불규칙 형상의 AlN 입자로서, 구형 AlN 충전제는 AlN 충전제의 중량의 40 내지 60 중량%인 구형 및 불규칙 형상의 AlN 입자; (ii) 1 내지 5 마이크로미터의 평균 크기를 갖는, 25 내지 35 중량%의 구형 Al₂O₃ 입자; (iii) 0.1 내지 0.5 마이크로미터의 평균 크기를 갖는, 10 내지 15 중량%의 추가적인 열전도성 충전제; 및 (iv) 선택적으로, 20 마이크로미터 초과의 평균 크기를 갖는 BN 충전제를 포함하는 충전제 믹스를 함유하며, 충전제 믹스는 90 내지 97 중량%이며, 중량%는 달리 언급되지 않는 한, 조성물 중량에 대한 것이다.

Description

질화알루미늄 충전 열전도성 실리콘 조성물

본 발명은 질화알루미늄 충전제를 함유하는 열전도성 실리콘 조성물에 관한 것이다.

더 작고 더 강력한 전자 장치에 대한 업계의 요구는 이러한 장치에서 발생하는 열을 분산시키는 데 유용한 열전도성 물질에 대한 수요를 증가시켰다. 예를 들어, 통신 산업은 5G 네트워크로의 세대교체를 거치고 있으며, 이는 더 작은 크기의 고집적 전기 장치가 요구되며, 이에 수반하여 필요한 전력은 두배(600 와트에서 1200 와트로)가 된다. 더 작은 장치에서 고전력에 의해 생성된 열은 효율적으로 분산되지 않으면 장치를 손상시킬 수 있다. 열전도성 인터페이스 물질은 발열 구성요소와 방열 구성요소를 열적으로 연결하기 위해 전자 제품에 자주 사용된다. 결합된 구성요소 사이에서 효율적으로 열을 전달하기 위해, 열전도성 조성물은 바람직하게는 ASTM 방법 D5470에 따라 측정시 미터*Kelvin 당 적어도 8.0 와트(W/m*K)의 열전도도를 갖는다. 동시에 전자 장치가 소형화됨에 따라 빠른 생산 공정 동안 적절한 구성요소에 열전도성 조성물을 정확하고 정밀하게 적용하는 것이 더 중요해졌다. 이와 관련하여, 열전도성 물질은 본원의 하기에 기재된 절차를 이용하여 표준 30 입방 센티미터 EFD 주사기 패키지로 0.62 메가파스칼(평방 인치당 90 파운드)의 압력에서 측정시 분당 40 그램(g/분) 초과의 큰 압출 속도(ER: extrusion rate)를 갖는 것이 바람직하다.

열전도성 물질에서 이러한 열전도도와 압출 속도를 동시에 달성하는 것은 어려운 일이다. 열전도성 충전제의 양을 증가시키면 열전도도를 증가시킬 수 있지만, 압출 속도를 저해하는 점도도 증가시킨다. 질화붕소는 열전도도가 높은 충전제이므로 너무 높은 점도를 회피하기에 충분히 낮은 농도에서 조성물의 열전도도를 증가시킬 수 있다고 생각할 수 있다. 그러나, 질화붕소는 소판형 형상을 가지므로 40 부피% 이상의 농도에서도 열전도성 조성물의 점도가 너무 높아서 40 g/분 초과의 ER을 달성할 수 없다.

40 g/분 초과의 ER 및 적어도 8.0 W/m*K의 열전도도를 동시에 달성할 수 있는 열전도성 조성물을 특정할 필요가 존재한다.

본 발명은 40 g/분 초과의 압출 속도 및 적어도 8.0 W/m*K의 열전도도를 동시에 달성하는 열전도성 물질을 제공한다. 또한, 열전도성 물질은 반응성이며 경화된 열전도성 물질로 경화될 수 있다.

본 발명은, 부분적으로, 30 마이크로미터 이상의 입자 크기를 갖는 구형 및 불규칙 형상의 질화알루미늄 충전제의 특정 블렌드(blend)를 특정 양의 1 내지 5 마이크로미터의 입자 크기를 갖는 구형 산화알루미늄 충전제와 블렌딩할 수 있으며 추가적인 양의 0.1 내지 0.5 마이크로미터의 평균 입자 크기를 갖는 충전제가 심지어 질화붕소의 부재 하에도 40 g/분의 ER 및 적어도 8.0 W/m*K의 열전도도를 동시에 달성하는 열전도성 물질을 제공할 것이라는 발견의 결과물이다.

제1 양태에서, 본 발명은

(a) 경화성 실리콘 조성물로서, (i) 30 내지 400 밀리파스칼*초의 범위의 점도를 갖는 비닐디메틸실록시 말단화된 폴리디메틸폴리실록산; (ii) 수소화규소 관능성 가교결합제; 및 (iii) 하이드로실릴화 촉매를 포함하며, 상기 가교결합제로부터의 수소화규소 관능기 대 비닐 관능기의 몰비는 0.5:1 내지 1:1의 범위인 경화성 실리콘 조성물; (b) 알킬 트리알콕시실란 및 모노-트리알콕시실록시 말단화된 디메틸폴리실록산 중 하나 또는 둘 모두를 포함하는 충전제 처리제; (c) 열전도성 충전제 믹스(mix)로서, (i) 구형 및 불규칙 형상의 질화알루미늄 입자의 블렌드를 포함하는 40 중량% 이상의 질화알루미늄 충전제로서, 구형 및 불규칙 형상 입자 모두 30 마이크로미터 이상의 평균 입자 크기를 가지며 30 마이크로미터 이상의 입자 크기를 갖는 상기 구형 질화알루미늄 충전제는 30 마이크로미터 이상의 입자 크기를 갖는 질화알루미늄 충전제의 총 중량의 40 내지 60 중량%의 농도로 존재하는 질화알루미늄 충전제; (ii) 1 내지 5 마이크로미터의 평균 입자 크기를 갖는 25 중량% 내지 35 중량%의 구형 산화알루미늄 입자; (iii) 0.1 내지 0.5 마이크로미터의 평균 입자 크기를 갖는 10 중량% 내지 15 중량%의 추가적인 열전도성 충전제; 및 (iv) 선택적으로, 20 마이크로미터 초과의 평균 입자 크기를 갖는 질화붕소 충전제를 포함하는 열전도성 충전제 믹스를 포함하며, 각각의 열전도성 충전제의 중량%는 달리 언급되지 않는 한, 조성물 중량에 대한 것이고 열전도성 충전제 믹스의 총량은 조성물 중량의 90 내지 97 중량%인, 열전도성 조성물이다.

제2 양태에서, 본 발명은 또다른 물질 상에 제1 양태의 열전도성 조성물을 포함하는 물품이다.

본 발명의 열전도성 조성물은 예를 들어 전자 장치의 구성요소들 사이의 열전도성 계면 물질로서 유용하다.

날짜가 시험 방법 번호와 함께 표시되지 않는 경우, 해당 시험 방법은 본 문서의 우선일로부터 가장 최근의 시험 방법을 지칭한다. 시험 방법에 대한 참조는 시험 협회 및 시험 방법 번호에 대한 참조 둘 모두를 포함한다. 하기 시험 방법 약어 및 식별자(identifier)가 본원에 적용된다: ASTM은 ASTM International methods를 지칭하고; EN은 European Norm을 지칭하고; DIN은 Deutsches Institut fur Normung을 지칭하고; ISO는 International Organization for Standards를 지칭하며; 그리고 UL은 Underwriters Laboratory를 지칭한다.

상표명으로 식별되는 제품은 본 문서의 우선일에 이들 상표명 하에 입수 가능한 조성물을 지칭한다.

"다수의"는 2 이상을 의미한다. "및/또는"은 "그리고, 또는 대안으로서"를 의미한다. 모든 범위는 달리 명시되지 않는 한, 말단점(endpoint)을 포함한다. 달리 언급되지 않는 한, 모든 중량%(wt%) 값은 조성물 중량에 대한 것이며, 모든 부피%(vol%) 값은 조성물 부피에 대한 것이다.

개별 폴리실록산에 대한 "점도"는 달리 언급되지 않는 한, 섭씨 25도(℃)에서 유리 모세관 Cannon-Fenske 유형 점도계를 사용하여 ASTM D 445에 의해 결정된다.

표준 ¹H, ¹³C 및 ²⁹Si 핵자기 공명(NMR: nuclear magnetic resonance) 분석에 의해 폴리실록산에 대한 화학 구조를 결정한다. 레이저 회절 입자 크기 분석기(CILAS920 입자 크기 분석기 또는 Beckman Coulter LS 13 320 SW)를 조작 소프트웨어에 따라 사용하여 중위 입자 크기(D50)로서 충전제 입자에 대한 평균 입자 크기를 결정한다.

열전도성 조성물은 그 자체가 비닐디메틸실록시 말단화된 폴리디메틸폴리실록산(PDMS: polydimethylpolysiloxane), 수소화규소(SiH: silicon-hydride) 관능성 가교결합제 및 하이드로실릴화 촉매를 포함하는 경화성 실리콘 조성물을 포함한다. 비닐디메틸실록시-말단화된 PDMS 및 SiH 관능성 가교결합제의 상대 농도는 가교결합제로부터의 SiH 관능기 대 비닐 관능기의 몰비가 0.5:1 내지 1:1의 범위이고, 0.5:1 이상, 0.6:1 이상, 0.7:1 이상, 0.8:1 이상, 심지어 0.9:1 이상일 수 있으며, 동시에 1:1 이하이고, 0.9:1 이하, 0.8:1 이하, 0.7:1 이하, 또는 심지어 0.6:1 이하일 수 있다.

비닐디메틸실록시 말단화된 PDMS는 30 밀리파스칼*초(mPa*s) 이상, 바람직하게는 45 mPa*s 이상, 60 mPa*s 이상의 점도를 갖고, 90 mPa*s 이상, 100 mPa*s 이상, 120 mPa*s 이상, 140 mPa*s 이상, 160 mPa*s 이상, 심지어 180 mPa*s 이상의 점도를 가질 수 있으며, 동시에 400 mPa*s 이하, 300 mPa*s 이하, 200 mPa*s 이하, 180 mPa*s 이하, 심지어 160 mPa*s 이하, 140 mPa*s 이하, 120 mPa*s 이하, 100 mPa*s 이하, 80 mPa*s 이하 또는 심지어 60 mPa*s 이하의 점도를 갖는다. 점도가 너무 높으면 열전도성 조성물의 점도가 너무 높아 원하는 압출 속도를 달성할 수 없다. 점도가 너무 낮으면 열전도성 조성물의 점도가 너무 낮아 기계적 특성이 불량해지고 초킹(chalking)이 발생할 위험이 있다.

비닐디메틸실록시 말단화된 PDMS는 바람직하게는 하기 화학 구조 (I)를 갖는다:

Vi(CH₃)₂SiO-[(CH₃)₂SiO]_n-Si(CH₃)₂Vi (I)

상기 식에서, "Vi"는 비닐기(-CH=CH₂)를 지칭하고, n은 비닐디메틸실록시 말단화된 PDMS에 대한 중합도(DP: degree of polymerization)인 디메틸실록산 단위의 평균 수를 지칭한다. 비닐디메틸실록시 말단화된 PDMS에 대해 원하는 점도를 달성하도록 n을 선택한다. 통상적으로는, n은 25 이상의 값이고, 30 이상, 35 이상, 40 이상, 45 이상, 50 이상, 60 이상 70 이상, 80 이상, 심지어 90 이상일 수 있으며, 동시에 통상적으로는 200 이하, 190 이하, 180 이하, 170 이하, 160 이하, 150 이하, 140 이하, 130 이하, 120 이하, 100 이하, 90 이하, 80 이하, 70 이하, 60 이하, 심지어 50 이하이다.

바람직하게는, 비닐디메틸실록시 말단화된 PDMS는 1.2 내지 1.4 중량%의 비닐 관능기를 포함한다.

적합한 디비닐 PDMS 물질은 미국 특허 제5883215A호에 교시된 바와 같이 말단화를 위해 비닐 단부 차단제를 사용한 사이클로실록산의 개환 중합에 의해 제조될 수 있다. 시판중인 적합한 디비닐 PDMS는 Gelest로부터 DMS-V21이라는 명칭으로 입수 가능한 폴리실록산을 포함한다.

SiH 관능성 가교결합제는 SiH 관능기를 함유하는 폴리실록산이다. 바람직하게는, SiH 관능성 가교결합제는 분자당 2개 이상, 심지어 3개 이상의 SiH 관능기를 함유한다. 바람직하게는, SiH 관능성 가교결합제는 SiH 관능성 가교결합제의 중량을 기준으로, 0.1 중량% 이상, 0.2 중량% 이상, 0.3 중량% 이상, 0.4 중량% 이상, 0.5 중량% 이상이고, 0.6 중량% 이상, 0.7 중량% 이상, 0.8 중량% 이상, 심지어 0.9 중량% 이상일 수 있으며, 동시에 1.0 중량% 이하, 0.9 중량% 이하, 0.8 중량% 이하, 0.7 중량% 이하, 0.6 중량% 이하, 0.5 중량% 이하, 심지어 0.4 중량% 이하, 또는 0.3 중량% 이하인 SiH의 농도를 갖는다.

SiH 관능성 가교결합제는 바람직하게는 (II) 및 (III)에서 선택된 화학 구조를 갖는 하나 또는 하나 초과의 폴리실록산을 포함할 수 있다:

H(CH₃)₂SiO-[(CH₃)₂)SiO)]_x-Si(CH₃)₂H (II)

(CH₃)₃SiO-[(CH₃)HSiO]_y[(CH₃)₂)SiO]_z-Si(CH₃)₃ (III)

상기 식에서,

아래첨자 x는 10 내지 100의 범위의 값을 가지며, 10 이상, 15 이상, 20 이상, 30 이상, 40 이상, 50 이상, 60 이상, 70 이상, 심지어 80 이상일 수 있고 동시에, 일반적으로 100 이하, 90 이하, 80 이하, 70 이하, 60 이하, 50 이하, 40 이하, 30 이하, 또는 심지어 20 이하이고;

아래첨자 y는 3 내지 30의 범위의 값을 가지며, 3 이상, 4 이상, 5 이상, 10 이상, 15 이상, 20 이상, 심지어 25 이상일 수 있고 동시에 일반적으로 30 이하, 25 이하, 20 이하, 15 이하, 10 이하, 9 이하, 8 이하, 7 이하, 6 이하, 5 이하, 또는 심지어 4 이하이고;

아래첨자 z는 3 내지 100의 범위의 값을 갖고, 3 이상, 5 이상, 10 이상, 15 이상, 20 이상, 30 이상, 40 이상, 50 이상, 60 이상, 70 이상, 심지어 80 이상일 수 있으며, 동시에 일반적으로 100 이하, 90 이하, 80 이하, 70 이하, 60 이하, 50 이하, 40 이하, 30 이하, 20 이하, 10 이하이고, 5 이하, 심지어 4 이하일 수 있다.

적합한 시판중인 SiH 관능성 가교결합제는 모두 Gelest로부터 입수 가능한 HMS-071, MHS-301 및 DMS-H11이라는 명칭으로 입수 가능한 것들을 포함한다.

하이드로실릴화 촉매는 임의의 적합한 하이드로실릴화 촉매일 수 있다. 바람직하게는, 하이드로실릴화 촉매는 백금계 촉매, 예컨대 Speier 촉매(H2PtCl6) 및/또는 Karstedt 촉매(디비닐 함유 디실록산으로부터 유도된 유기백금 화합물, 백금-디비닐테트라메틸디실록산 착물 또는 1,3-디에테닐-1,1,3,3 테트라메틸디실록산 백금 착물로도 식별됨)를 포함한다. 하이드로실릴화 촉매는 (통상적으로 페닐 수지에서) 캡슐화되거나 캡슐화되지 않을 수 있다. 하이드로실릴화 촉매의 농도는 통상적으로 열전도성 조성물 중량에 대해, 0.01 중량% 이상, 0.02 중량% 이상, 0.03 중량% 이상, 0.04 중량% 이상, 심지어 0.05 중량% 이상이며, 동시에 0.10 중량% 이하, 0.09 중량% 이하, 0.08 중량% 이하, 0.07 중량% 이하, 또는 심지어 0.06 중량% 이하의 농도로 존재한다.

열전도성 조성물은 또한 하나 또는 하나 초과의 충전제 처리제를 포함한다. 충전제 처리제는 알킬 트리알콕시실란 및 모노-트리알콕시실록시 말단화된 디메틸폴리실록산 중 하나 또는 둘 모두를 포함한다.

알킬트리알콕시실란은 바람직하게는 6 내지 20개 탄소(C6-C20) 알킬 트리메톡시 실란, 바람직하게는 C8-C12 알킬 트리메톡시 실란이고 n-데실트리메톡시 실란일 수 있다. 적합한 알킬트리알콕시실란은 Dow, Inc.로부터 DOWSIL™ Z-6210 실란(DOWSIL은 The Dow Chemical Company의 상표임) 또는 Gelest로부터 SID2670.0의 명칭으로 입수 가능한 n-데실트리메톡시실란을 포함한다.

적합한 모노-트리알콕시실록시 말단화된 디메틸폴리실록산의 예는 화학 구조 (IV)를 갖는다:

(CH₃)₃SiO-[(CH₃)₂SiO]_a-Si(OR')₃ (IV)

상기 식에서, 아래첨자 a는 20 이상의 값을 갖고, 30 이상, 40 이상, 50 이상, 60 이상, 70 이상, 80 이상상, 심지어 90 이상일 수 있으며, 동시에 통상적으로는 150 이하, 140 이하, 130 이하, 120 이하, 110 이하, 100 이하, 90 이하, 80 이하, 70 이하, 60 이하, 50 이하, 40 이하, 심지어 30 이하이다. a의 값은 20 이상(중합도 20 이상)이 바람직한데, 이는 a가 20 미만일 때보다 모노-트리알콕시실록시 말단화된 디메틸폴리실록산이 더 큰 안정성을 갖기 때문이다. 그러나, 짧은 사슬 길이가 긴 사슬 길이보다 더 효율적으로 점도를 낮추기 때문에 a 값을 150 미만으로 유지하는 것이 바람직하다. R'은 바람직하게는 1 내지 12개의 탄소 원자(C1-C12)를 함유하는 알킬기이고, 가장 바람직하게는 메틸이다.

적합한 모노-트리알콕시실록시 말단화된 디메틸폴리실록산은 미국 특허출원공개 US2006/0100336호의 교시에 따라서 합성될 수 있다.

바람직하게는, 알킬트리알콕시실란은 통상적으로는 1.8 중량% 이상, 2.0 중량% 이상, 2.5 중량% 이상, 3.0 중량% 이상, 심지어 3.5 중량% 이상의 농도로 존재하며, 동시에 통상적으로는 4.0 중량% 이하, 3.5 중량% 이하 또는 심지어 3.0 중량% 이하의 농도로 존재하며, 중량%는 열전도성 조성물 중량에 대한 것이다.

동시에, 또는 대안적으로, 모노-트리알콕시실록시 말단화된 디메틸폴리실록산은 열전도성 조성물 중량에 대해서, 바람직하게는 0.05 중량% 이상, 0.1 중량% 이상, 0.2 중량% 이상, 0.3 중량% 이상 또는 심지어 0.4 중량% 이상의 농도로 존재하며, 동시에 통상적으로는 0.5 중량% 이하, 0.4 중량% 이하, 0.3 중량% 이하 또는 0.2 중량% 이하의 농도로 존재한다.

열전도성 조성물은 열전도성 충전제 믹스를 더 포함한다. 열전도성 충전제 믹스는 열전도성 조성물에 모든 열전도성 충전제를 포함한다. 열전도성 충전제는 열전도성 조성물을 통한 열전도를 용이하게 하는 미립자를 지칭한다.

충전제 믹스는 구형 및 불규칙 형상의 질화알루미늄 입자의 블렌드를 포함한다. "구형" 형상 입자는 1.0 +/- 0.2의 종횡비를 갖는 입자를 지칭한다. 주사 전자 현미경(SEM: scanning electron microscope) 이미징을 사용하여 적어도 10개의 입자의 최장 치수(장축) 및 최단 치수(단축)의 평균비를 취함으로써 입자의 종횡비를 결정한다. "불규칙" 형상 입자는 1.0 +/- 0.2 이외의 종횡비를 가지며, SEM 이미징에 의해 명백한 적어도 3개의 면을 가지는데, 이는, 1.0 +/- 2 이외의 종횡비를 가지며, 2개의 면을 갖는 "소판형"과 입자를 구별해준다.

구형 및 불규칙 질화알루미늄 충전제 양쪽 모두는 30 마이크로미터 이상의 평균 입자 크기를 가지며, 동시에 통상적으로 200 마이크로미터 이하, 175 마이크로미터 이하, 150 마이크로미터 이하, 125 마이크로미터 이하, 100 마이크로미터 이하의 평균 입자 크기를 갖고, 또는 심지어 90 마이크로미터 이하, 또는 80 마이크로미터 이하의 평균 입자 크기를 가질 수 있다.

이 블렌드로부터의 질화알루미늄 충전제의 농도는 바람직하게는 열전도성 조성물에서 임의의 및 모든 질화알루미늄 충전제의 합으로서 열전도성 조성물 중량을 기준으로, 40 중량% 이상이고, 41 중량% 이상, 42 중량%, 43 중량% 이상, 44 중량% 이상, 45 중량% 이상, 50 중량% 이상, 55 중량% 이상이며 60 중량% 이상일 수 있으며, 동시에 일반적으로 63 중량% 이하, 60 중량% 이하, 55 중량% 이하, 50 중량% 이하, 45 중량% 이하이고, 44 중량% 이하, 심지어 43 중량% 이하일 수 있다.

구형 질화알루미늄 입자는 40 중량% 이상, 45 중량% 이상, 50 중량% 이상, 또는 심지어 55 중량% 이상의 농도로 존재하며, 동시에 60 중량% 이하의 농도로 존재하고, 55 중량% 이하, 50 중량% 이하, 심지어 45 중량%일 수 있는 농도로 존재하며, 중량%는 30 마이크로미터 이상의 입자 크기를 갖는 질화알루미늄의 총 중량에 대한 것이다. 특히, 열전도성 조성물은 상기 기재된 구형 및 불규칙 형상의 질화알루미늄 입자의 특정 블렌드에 더하여 질화알루미늄 충전제 입자를 가질 수 있거나, 열전도성 조성물은 상기 기재된 구형 및 불규칙 형상의 질화알루미늄 입자의 특정 블렌드 외에 질화알루미늄 충전제 입자가 없을 수 있다.

열전도성 충전제 믹스는 구형 산화알루미늄 입자를 더 포함한다. 구형 산화알루미늄 입자는 1 마이크로미터 이상의 평균 입자 크기를 갖고, 2 마이크로미터 이상, 3 마이크로미터 이상, 또는 심지어 4 마이크로미터 이상일 수 있으며, 동시에 5 마이크로미터 이하의 평균 입자 크기를 갖고, 4 마이크로미터 이하, 심지어 3 마이크로미터 이하, 또는 2 마이크로미터 이하의 평균 입자 크기를 가질 수 있다. 구형 산화알루미늄 입자의 농도는 열전도성 조성물 중량을 기준으로, 25 중량% 이상이고, 30 중량% 이상일 수 있으며, 동시에 35 중량% 이하이고, 30 중량% 이하일 수 있다.

열전도성 충전제 믹스는, 0.1 마이크로미터 이상, 0.2 마이크로미터 이상, 0.3 마이크로미터 이상, 또는 심지어 0.4 마이크로미터 이상의 평균 입자 크기를 가지며, 동시에 0.5 마이크로미터 이하의 평균 입자 크기를 갖고, 0.4 마이크로미터 이하, 0.3 마이크로미터 이하, 또는 심지어 0.2 마이크로미터 이하의 평균 입자 크기를 가질 수 있는 하나 또는 하나 초과의 추가적인 열전도성 충전제를 더 포함한다. 추가적인 열전도성 충전제의 총량은 10 중량% 이상이고, 11 중량% 이상, 12 중량% 이상, 13 중량% 이상, 심지어 14 중량% 이상의 농도로 존재할 수 있으며, 동시에 15 중량% 이하, 14 중량% 이하, 13 중량% 이하이고, 12 중량% 이하, 또는 심지어 11 중량% 이하일 수 있으며, 중량%는 열전도성 조성물 중량에 대한 것이다. 금속 질화물 및 금속 산화물(예컨대 산화알루미늄, 산화마그네슘 및 산화아연)을 포함하는 당업계에 알려진 임의의 충전제로부터 추가적인 열전도성 충전제를 선택한다. 바람직하게는, 추가적인 열전도성 필러는 산화아연이다.

선택적으로, 열전도성 충전제 믹스는 20 마이크로미터 초과의 평균 입자 크기를 갖는 질화붕소 충전제를 함유할 수 있다. 동시에, 통상적으로, 질화붕소 충전제는 200 마이크로미터 이하, 175 마이크로미터 이하, 150 마이크로미터 이하, 125 마이크로미터 이하 및 심지어 100 마이크로미터 이하, 75 마이크로미터 이하, 또는 50 마이크로미터 이하의 평균 입자 크기를 가질 것이다.

열전도성 충전제는 언급된 것 이외에 열전도성 충전제를 포함할 수 있거나 언급된 것 이외의 열전도성 충전제가 없을 수 있다. 열전도성 충전제 믹스는 바람직하게는 상기 기재된 질화알루미늄 충전제, 산화알루미늄 입자, 추가적인 열전도성 충전제 및 선택적인 질화붕소 충전제로 구성된다. 열전도성 충전제 믹스 (및 전체적으로 열전도성 조성물)에는 산화마그네슘 충전제, 질화붕소 충전제 또는 산화마그네슘 충전제 및 질화붕소 충전제 모두가 없을 수 있다.

열 조성물에서 열 전도성 필러 믹스의 농도는 열전도성 조성물 중량을 기준으로, 90 중량% 이상이고, 91 중량% 이상, 92 중량% 이상, 93 중량% 이상, 94 중량% 이상, 95 중량% 이하, 심지어 96 중량% 이상일 수 있으며, 동시에 97 중량% 이하이고, 심지어 96 중량% 이하, 심지어 95 중량% 이하일 수 있다.

열전도성 조성물은 하기 추가 성분 중 임의의 하나 또는 하나 초과의 임의의 조합을 더 포함할 수 있거나 없을 수 있다: 억제제(예컨대, 메틸(트리스(1,1-디메틸-2-프로피닐옥시))실란), 열 안정화제 및/또는 안료(예컨대, 구리 프탈로시아닌 분말), 틱소트로피제, 흄드 실리카(바람직하게는 표면 처리됨) 및 스페이서 첨가제(예컨대, 유리 비드).

열전도성 조성물은 표준 30 입방 센티미터 EFD 주사기 패키지로 0.62 메가파스칼(평방인치당 90 파운드)의 압력에서 측정시 40 g/분 초과의 압출 속도를 달성한다(자세한 내용은 하기 압출 속도 특성분석 하에서 제공됨). 이러한 특성은 열전도성 조성물을 또다른 물질 상에 적용하는 데 용이하게 분배할 수 있도록 한다.

동시에, 열전도성 조성물은 LonGwin 모델 LW 9389 TIM 열 저항 및 전도도 측정 장치를 사용하여 ASTM D-5470에 따라 측정시 적어도 8.0 W/m*K의 열전도도를 갖는다는 목적을 달성한다. 그러한 높은 열전도도를 갖고 용이하게 분배될 수 있음으로써 열전도성 조성물을 열 인터페이스 물질(TIM: thermal interface material)로서 특히 유용하게 한다. TIM은 장치의 두 물품 또는 구성요소를 열적으로 결합하는 데 사용된다. 예를 들어, TIM은 특히 전자 제품에서 발열 장치를 히트 싱크(heat sink), 냉각판, 금속 덮개 또는 다른 방열 구성요소와 열적으로 결합하는 데 유용하다. 그러한 응용에서, 열전도성 조성물은 적어도 2개의 구성요소, 통상적으로 발열 장치와 다음 중 적어도 하나 - 히트 싱크, 냉각판, 금속 덮개 또는 다른 방열 구성요소 - 사이에 존재하며 이들과 열 접촉한다.

실시예

표 1은 본원의 하기에 기재된 샘플의 열전도성 조성물에 사용하기 위한 물질을 나열한다. 주: "Vi"는 비닐기를 지칭한다. "Me"는 메틸 기를 지칭한다. SYL-OFF 및 DOWSIL은 The Dow Chemical Company의 상표이다.

[표 1]

샘플 제조

샘플에 대한 제형은 표 2 및 3에 있으며, 각 성분의 양은 그램(g)으로 보고된다. 주: "중량% 구형 AlN"은 30 마이크로미터 이상의 모든 AlN 입자에 비해 30 마이크로미터 이상의 구형 AlN의 중량%를 지칭한다.

Flack Components의 SpeedMixer™ DAC 400 FVZ를 사용하여 샘플을 제조하여 성분을 함께 혼합한다. SpeedMixer 컵에 Vi 중합체, 가교결합제, 처리제, C2 및 C3 TC 충전제를 첨가한다. 분당 1000 회전(RPM: revolution per minute)으로 20초 동안 혼합한 다음 1500 RPM으로 20초 동안 혼합한다. C1 TC 필러의 절반을 첨가하고 1000RPM으로 20초 동안 혼합한 다음 1500 RPM으로 20초 동안 혼합한다. 나머지 C1 TC 필러를 첨가하고 같은 방법으로 혼합한다. 혼합을 확실히 하기 위해 컵에서 조성물을 긁어낸 다음 억제제 E-1 및 안료 F-1을 첨가하고 유사한 방식으로 혼합하여 열전도성 조성물 샘플을 수득한다.

샘플 특징분석

하기 시험 방법을 사용하여 압출 속도 및 열전도도에 대해 각 샘플을 특징분석한다:

압출 속도 특징분석. Nordson EFD 분배 장비를 사용하여 샘플에 대한 압출 속도("ER: extrusion rate")를 결정한다. 샘플 물질을 2.54 밀리미터 개구부가 있는 30 입방 센티미터 주사기(Nordson Company의 EFD 주사기)에 장입한다. 주사기에 0.62 MPa의 압력을 가하여 개구부를 통해 샘플을 분배한다. 1분 후 압출된 그램(g)으로 표기된 샘플의 질량은 분당 그램(g/분)의 압출 속도에 해당한다. 본 발명의 목적은 40 g/분 초과, 바람직하게는 50 g/분 이상, 및 더욱 바람직하게는 60 g/분 이상의 압출 속도를 달성하는 것이다. 특히, 일부 샘플은 압출할 수 없는 분말 페이스트이기 때문에 0의 ER을 갖는 것으로 보고된다 (그리고 TC는 측정되지 않음).

열전도도 특징분석. 대만 Longwin Science and Technology Corporation의 LonGwin Model LW 9389 TIM 열 저항 및 전도도 측정 장치를 사용하여 ASTM D-5470에 따라 각 샘플에 대한 열전도도("TC: thermal conductivity")를 측정한다. 본 발명의 목적은 미터*Kelvin 당 적어도 8.0 와트(W/m*K)의 열전도도를 달성하는 것이다.

[표 2]

[표 3]

데이터 분석/토론

표 2의 제형은 모두 40 g/분 초과의 ER 및 8.0 W/m*K 초과의 TC라는 두 가지 목표를 달성한다. 이에 반하여, 표 3의 제형은 이러한 목적 중 적어도 하나를 달성하지 못한다.

샘플 1 내지 7은 30 마이크로미터 이상의 구형 질화알루미늄 입자 내지 30 마이크로미터 이상의 총 질화알루미늄 입자의 중량을 40 중량% 내지 60 중량%로 변화시키는 열전도성 조성물을 보여주고 다양한 크기의 질화알루미늄 입자를 갖는 이 범위의 제형을 보여준다.

샘플 1 내지 5는 또한 질화붕소 입자를 포함하는 반면, 샘플 6 및 7은 포함하지 않는다. 이들 샘플은 목표 TC 및 ER이 질화붕소가 존재하거나 부재한 제형에서 달성 가능함을 보여준다. 이들 샘플은 또한 질화붕소를 포함하게 되면, 일반적으로 바람직한 더 높은 TC 제형을 생성한다는 것을 보여준다.

샘플 A 내지 C는 30 마이크로미터 이상의 불규칙한 형태의 질화알루미늄 입자만을 갖는 제형을 예시하며, 불규칙한 형태의 질화알루미늄만이 30 마이크로미터 이상의 크기로 존재하는 경우 ER이 40 g/분 미만임을 나타낸다.

샘플 D, E, G 내지 I, 및 M은 30 마이크로미터 이상의 구형 질화알루미늄 입자만을 갖는 제형을 예시하며, 제형의 TC 값이 이들 제형에서 8.0 W/m*K 미만임을 나타낸다. 제형 G 내지 I는 TC를 증가시키기 위해 질화붕소, 산화마그네슘 또는 산화알루미늄을 첨가하는 효과를 탐색하지만, 여전히 8.0 W/m*K 이상의 TC 값을 얻지 못하는 것을 나타낸다.

샘플 F는 구형 및 불규칙 형상의 질화알루미늄 입자의 블렌드를 갖지만 구형 입자의 중량%가 60 중량%를 약간 초과하여 67 중량%인 제형을 예시한다. 제형은 압출할 수 없는 분말 페이스트이다.

샘플 J는 40 내지 60 중량%의 구형 입자의 중량%를 갖는 구형 및 불규칙 형상의 질화알루미늄 입자의 블렌드를 갖는 제형을 예시하지만, 1 내지 5 마이크로미터의 입자 크기 범위의 구형 산화알루미늄 대신에 불규칙 형상의 산화알루미늄을 사용한다. 생성된 제형은 압출할 수 없는 분말 페이스트이다.

샘플 K 및 L은 30 마이크로미터 이상의 입자 크기를 갖지만 구형 입자의 중량은 40 내지 60 중량% 초과 또는 미만인 구형 및 불규칙 질화알루미늄 입자의 블렌드를 사용하는 제형을 예시한다. 생성된 TC 값은 8.0 W/m*K 미만이다.

Claims

열전도성 조성물로서,
a. 경화성 실리콘 조성물로서:
i. 30 내지 400 밀리파스칼*초의 범위의 점도를 갖는 비닐디메틸실록시 말단화된 폴리디메틸실록산;
ii. 수소화규소 관능성 가교결합제; 및
iii. 하이드로실릴화 촉매를 포함하며,
상기 가교결합제로부터의 수소화규소 관능기 대 비닐 관능기의 몰비는 0.5:1 내지 1:1의 범위인, 경화성 실리콘 조성물;
b. 알킬 트리알콕시실란 및 모노-트리알콕시실록시 말단화된 디메틸폴리실록산 중 하나 또는 둘 모두를 포함하는 충전제 처리제;
c. 열전도성 충전제 믹스(mix)로서,
i. 구형 및 불규칙 형상의 질화알루미늄 입자의 블렌드를 포함하는 40 중량% 이상의 질화알루미늄 충전제로서, 구형 및 불규칙 형상 입자 모두 30 마이크로미터 이상의 평균 입자 크기를 가지며 30 마이크로미터 이상의 입자 크기를 갖는 상기 구형 질화알루미늄 충전제는 30 마이크로미터 이상의 입자 크기를 갖는 질화알루미늄 충전제의 총 중량의 40 내지 60 중량%의 농도로 존재하는 질화알루미늄 충전제;
ii. 1 내지 5 마이크로미터의 평균 입자 크기를 갖는 25 중량% 내지 35 중량%의 구형 산화알루미늄 입자;
iii. 0.1 내지 0.5 마이크로미터의 평균 입자 크기를 갖는 10 중량% 내지 15 중량%의 추가적인 열전도성 충전제; 및
iv. 선택적으로, 20 마이크로미터 초과의 평균 입자 크기를 갖는 질화붕소 충전제를 포함하는 열전도성 충전제 믹스를 포함하며,
각각의 열전도성 충전제의 중량%는 달리 언급되지 않는 한, 조성물 중량에 대한 것이고 상기 열전도성 충전제 믹스의 총량은 상기 조성물 중량의 90 내지 97 중량%인, 열전도성 조성물.
제1항에 있어서, 상기 비닐디메틸실록시 말단화된 폴리디메틸폴리실록산은 60 내지 80 밀리파스칼*초의 범위의 점도를 가지며 1.2 내지 1.4 중량%의 비닐 관능기를 포함하는, 열전도성 조성물.
제1항 및 제2항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 수소화규소 관능성 가교결합제는 (II) 및 (III)에서 선택된 화학 구조를 갖는 하나 이상의 폴리실록산을 포함하며:
H(CH₃)₂SiO-[(CH₃)₂)SiO)]_x-Si(CH₃)₂H (II)
(CH₃)₃SiO-[(CH₃)HSiO]_y[(CH₃)₂)SiO]_z-Si(CH₃)₃ (III)
상기 식에서, 아래첨자 x는 10 내지 100의 범위의 값을 가지고, 아래첨자 y는 3 내지 30의 범위의 값을 가지며, 아래첨자 z는 3 내지 100의 범위의 값을 갖는, 열전도성 조성물.
제3항에 있어서, 상기 수소화규소 관능성 가교결합제는 화학 구조 (II)를 갖는, 열전도성 조성물.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 알킬 트리알콕시실란은 C6 내지 C12 알킬 트리메톡시실란으로부터 선택되고, 상기 모노-트리알콕시실록시 말단화된 디메틸폴리실록산은 평균 화학 구조 (IV)를 갖는 모노-트리메톡시 말단화된 디메틸 폴리실록산으로부터 선택되며:
(CH₃)₃SiO[CH₃)₂SiO]_aSi(OCH₃)₃ (IV)
상기 식에서, 아래첨자 a는 30 내지 110의 범위의 값인, 열전도성 조성물.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 산화마그네슘 충전제가 없는 열전도성 조성물.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 질화붕소 충전제가 없는 열전도성 조성물.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 추가적인 열전도성 충전제는 산화아연인, 열전도성 조성물.
또다른 물질 상에 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 열전도성 조성물을 포함하는 물품.
제9항에 있어서, 상기 열전도성 조성물은 전자 장치의 발열 구성요소와 다음 중 하나 또는 하나 초과 - 상기 전자 장치에 대한 히트 싱크(heat sink), 냉각판 및 금속 덮개 - 사이에 존재하며 이들과 열 접촉하는, 물품.