TW201125950A - Heat conductive insulating grease containing hexagonal boron nitride - Google Patents

Description

201125950 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明涉及一般用於電子産品的導熱絕緣膠，具體而 言涉及用於電子應用的包含六方氮化硼（hBN )材料和至 少一種其它陶瓷粉的導熱絕緣膠。 【先前技術】 電子産品通常需用薄層的絕緣層，計算機中央處理器 (CPU )的芯片爲半導體（如矽），它比金屬散熱片（通 _ 常爲銅）的熱膨脹係數小很多，通常不能用熔點低的合金 焊材將半導體和金屬焊在一起，以免介面因應力過大而産 生裂紋。因此有所謂“導熱膠” （Thermal Grease )，或 稱熱介面材料” （Thermal I nterface Materia 丨或 ΤΙ Μ ) 可以壓在CPU及散熱片（Heat Spreader)之間，或散熱 片和熱沈（Heat Sink)之間，將其内的空氣排除，這樣cpu 産生的熱可以經膠傳到金屬散熱片，乃至熱沈。 又如印刷電路板（Printed Circuit Board或PCB)通 常用玻璃纖維強化的複合勝（Fiber Reinforced Composite 或FRC)壓成。但FRC含玻璃及塑料，其熱傳導率很低 (< 1 W/mK)，因此高功率的電子産品（如發二極體（Led)) 吊使用金屬載板（如銘基板）。爲了絕緣，常將銅翻用膠 壓合在銘板上’製成所謂的MCPCB ( Metal Core PCB )。 黏合銅和銘的有機膠（如環氧樹脂或Epoxy resin)，其 熱傳導率遠低於1 W/mK，因此常造成LED過熱，減低了 其亮度或縮短了其壽命》 有機膠不僅熱傳導率極低，而且熱膨脹率特大，因卞< b S>> 3 201125950 在電子産品冷熱父替之下， ,,,/p ^ |點不住金屬。膠的熱穩定 性也很低，其内的揮發成份 ^ ^ 、如H、〇、N )會逐漸蒸發以 致膠會逐漸變質，甚至乾裂。 有機膠的上述問題可葬炎 ^ 』糟滲雜陶瓷粉（如氮化鋁（AIN)、 軋化鋁（ai2o3)、二氧化發（s /r_ Λ、IL>2) '氣化鋅（ZnO)、氧化鐵 (Fe203)、碳化矽（Sj〇)，鍇； 鑽石或立方氮化硼（Cubic Boron Nitride或cBN)等略s钰钨 . ’、’、备· °但陶瓷粉等爲硬質材料，而 且形狀多近球形°在有_裏面，陶聽乃以點接觸的方 式傳熱’因此含陶曼粉的膝體其熱傳導率仍然很低，通常 不及5W/mK。 因此在本領域對具有優良熱傳導率和極佳絕緣性能 的導熱絕緣膠存在需求。 【發明内容】 本發明提供了-種含六方氮化㈣導熱絕緣膠，其具 有優良的熱傳導率和增加的電絕緣。 ’ 一方面，本發明提供了一種導熱絕緣膠，其包含黏合 Φ 劑成分、六方氮化硼（Hexagonal Boron Nitride 或 hBN；) 和至少一種其它陶瓷粉，其中所述六方氮化硼及陶瓷粉的 顆粒彼此接觸並且被所述黏合劑附著在一起。 一方面’本發明提供了一種導熱絕緣膠，其包含黏合 劑成分、六方氮化硼和至少一種其它陶瓷粉，其中所述六 方氮化硼及陶瓷粉的顆粒彼此接觸並且被所述黏合劑附著 在一起。進一步地，所述六方氮化硼含有超過1 %原子的金 屬。更進一步地，所述金屬爲鋰（Li)、鈉（Na)、鉀（K)、鈹（Be)、 鑛（Mg)、#5 (Ca)中的一種或多種。 Γ 201125950 在進一步的方面’本發明提供了一種導熱絕緣膠，其 包含黏合劑成分、六方氮化硼和至少一種其它陶瓷粉，其 中所述六方氮化硼及陶瓷粉的顆粒彼此接觸並且被所述黏 合剤附著在一起。進一步地，所述六方氮化侧的大粒度比 小粒度的直徑至少大兩倍。所述六方氮化硼具有兩種粒度 峰值。其中優選的一例含六方氮化硼的峰值爲1 〇 # m±5 v m 和 2 # m±l 从 m。 在進一步的方面，本發明提供了一種導熱絕緣膠，其 φ 包含黏合劑成分、六方氮化硼和至少一種其它陶瓷粉，其 中所述六方氣化硼及陶瓷粉的顆粒彼此接觸並且被所述黏 合劑附著在一起。進一步地，所述六方氮化蝴占所述導熱 絕緣耀·總重量的1 〇 %以上。 在進步的方面，本發明提供了一種導熱絕緣膠，其 包含黏合劑成分、六方氮化蝴和至少一種其它陶曼粉，其 中所述六方氮化硼及陶瓷粉的顆粒彼此接觸並且被所述黏 合劑附著在一起。進一步地，所述黏合劑成分爲矽油、環 φ 氧樹脂或苯並環丁烯。 在進一步的方面，本發明提供了一種導熱絕緣膠，其 包含黏合劑成分、六方氮化硼和至少一種其它陶瓷粉，其 申所述六方氮化硼及陶瓷粉的顆粒彼此接觸並且被所述黏 合劑附著在一起，並且其中所述其它陶瓷粉爲氮化鋁 (AIN)、氧化鋁（ai2〇3) '二氧化矽（Si〇2)、碳化矽（Sic)、立 方氮化删（CBN)或鑽石之一種或多種。優選地，所述其它陶 瓷粉爲鑽石或立方氮化硼（CBN)。 另一方面，本發明提供了導熱絕緣膠在熱介面材料今 201125950 金屬芯印刷電路板中的應用。 【實施方式】 本發明涉及一種具有增加的熱傳導率以及期望的電絕 緣性能的新型導電絕緣膠。所述導電絕緣膠使用六方氮化 棚（Hexagonal Boron Nit「丨de或hBN)作爲絕緣材料。 所有的元素及其化合物中，只有“ϋ石墨” (Graphite)及俗稱“白石墨”的六方氮化硼具^學sp2鍵 結形成的平面晶格。然而黑石墨具有冗鍵的單電子，所以 它是導體。hBN的表面電子杲籍仝、德上 电丁疋穂疋的成雙成對，所以爲絕 緣體。

石墨層結構 六方氣化硼

有約1.45A，爲所有物質 爲1.54A更小，因此石墨 黑石墨在層面的原子間距只 最緊密的結構，比鑽石的子間距 層導熱極快，甚至超過埶值道，办π &…得導率最高的鑽石（約2000 W/mK)。 白石墨層面的熱傳導率 熱最快的金屬（如銀、銅） 面層與層之間的距離很大（ 向的熱傳導率只有層面的十 爲陶瓷材料之最，也遠高於導 °然而黑石墨或白石墨本身平 3'35 ，因此沿層面垂直方 分之—。但既使如此，黑石墨 201125950 (如

SiC、AIN、 或白石墨的整體熱傳導率 π卞1々遇尚於陶瓷

Si〇2、AI2〇3) 〇 若將白石墨用元素周期表第—族（ 二族（Be、Mg、Ca·..)或其顏朴榀, ）次第 一其化物（如氧化鋰（L丨2〇))或 如氮化峰㈣W體參透，則白石墨層之 ';pt#(,nterca,^ 層之間的熱傳導率會顯著提高，但其電阻率則合下降。 傳統的有機料僅熱料率極低1且熱膨脹率特大，

二匕：電子産品冷熱交替之下常會黏不住金屬。膠的熱穩 也很低’其内的揮發成份（如Η、〇、N)會逐漸蒸發 以致膠會逐漸變質，甚至乾裂。 傳統有機膠的上述問題可藉渗雜陶究粉（如鳩、 AI2〇3、S丨〇2、Sic) ’鑽石或立方氮化蝴（Cub丨c B_n㈣如 或CBN)冑略爲舒緩。但陶瓷粉爲硬質材料，而且形狀多 近球形。在有機膠裏m粉乃以點接觸的方式傳熱， 因此含陶竟粉的膠體基熱傳導率仍然很低，通常不及 5W/mK。 白石墨柔軟’常用爲固體潤滑劑。當堅硬的陶究粉和 柔軟的白石墨壓合時，纟間常爲面的接觸，因此熱傳導率 可以顯著提高。不僅如此，冑竟粉更可刺穿白石墨，使熱 流在層間“架橋”而加速傳佈。 在一個實施方式中，所述陶瓷粉爲A|N、a|2〇3、引〇2、 SiC、cBN或鑽石之一種或多種。優選地，所述其它陶瓷粉 爲鑽石或立方氮化硼（cBN)。 在一個實施方式中，白石墨（六方氮化硼）含有超, 201125950 1%原子的金屬。所述金屬爲Li、Na、κ、Be、Mg、Ca中 的一種或多種。 陶瓷粕及白石墨可先以耗合劑（^叩丨丨叩Agent)潤 濕表面，彼此先混好或各別加入膠中混拌均勻使用。六方 氮化硼及陶瓷粉的顆粒彼此接觸並且被所述膠（黏合劑成 分）附著在一起。玻璃纖維布也可沾上混液再壓合在金屬 層之間，作爲電阻更高的絕緣層。 輕合劑通常一端親水（Hydrophmc )而另一端親油 # ( Lipophl1丨c)或疏水（Hydrophobic )。白石墨的表面若 合N或〇等多價元素原子則會呈現親水性，若表面含H或 F等單價元素原子，白石墨就會親油。以耦合劑潤濕白石 墨可在搞合劑溶劑的液體内進行。若白石墨的顆粒有結球 (Agglomeration)的現象，則可以超聲振蕩使顆粒彼此分 離。當顆粒表面被耦合劑潤濕後，可加入黏合劑成分。這 樣耦合劑的親油端就可溶入黏合劑成分而使白石墨顆粒分 開而均勻的散佈其中。 • 在一個實施方式中，所述黏合劑成分爲矽油或環氧樹 脂或苯並環丁烯（Benzocyclobutene，BCB)樹脂。輕合劑 的例子爲乙烯基矽烷及氨基矽烷的混合物（見us 2006/027561 6A5)，其它的耦合劑例子包括油醇聚乙二醇 醚（〇丨ey丨 alcohol polyethylene glycol ether)、乙氧基油 醇（Oleyl alcohol ethoxylated)、聚乙二醇辛酚醚（〇cty| Phenol ethoxylated (9_4))、聚乙二醇（Po丨yethy|ene Glycol) 、2-丁酮、4-甲基-2-戊酮、乙晴、丙酮、nn-二 甲基甲醯胺（问，问-(^1716111乂丨1：〇「1113171丨€16,01\/|「）等。 201125950 通常膠内滲陶瓷粉（包括 低，金屬板之間的附著強度會降下來：：：性較 則膠太多會使熱傳導率降低。在一個實施=仔白太少’ 占所述導電絕緣膠總重量的鄕以上。但使料顆粒=2 石墨而將其均句的分散在膠内，就可能提高白石墨的比率 而增加熱傳導率。這樣膠因未被大片白石墨擋住 的附著力也不致打折扣。 £黏

小顆粒白石墨的表面積增大，不利於熱流的傳導，但 大顆粒又易在膠内析出（Se抑gatiGn)，因此白石墨應: 入不同的粒徑才能同時平衡熱傳導及膠黏結這兩種難以結 合的功能。在-個實施方式巾，白石墨的大粒度比小粒声 的直徑大至少兩倍，並且白石墨具有兩種粒度峰值，其^ -例所述粒度峰值分別爲1G #m±5#m和2 _±1鋒。 在-個實施方式中，本發明也考慮根據本發明的導熱 絕緣膠用在熱介面材料（TIM )或金屬芯印刷電路板 (MCPCB)等相關產品中的應用。

實施例 實施例1 通過用約70微米厚的環氧樹脂壓縮黏合2 mm厚的鋁 (1050、5052或6061)板與5〇微米厚的銅猪，製備大小爲 24英寸（610 mm) x18英寸（457 mm)的金屬芯印刷電 路板（MCPCB)。環氧樹脂與65 wt〇/。的固體含量預混合， 所述固體含量包括比例爲8〇:2〇的Ai2〇3 (晶粒大小爲1_2 微米）和hBN粉末。亦即hBN的重量比爲13%。根據銅 201125950 從鋁板的剝離強度，測量該環氧樹脂_陶瓷複合材料的熱傳 導率（k值，以W/mK計）。當hBN的晶粒大小是1〇微米 時，k值是4 W/mK，而剝離強度非常低（6 |bs/in2) ^當 hBN的晶粒大小是2微米時，k值是3 5 w/mK，而剝離強 度高得多（9 Ibs’in”。當咖&兩種晶粒大小的混合物 (2微米：1〇微米爲大約3:1 )時，k值是4 5㈧/抓，而剝 離強度介於上述兩個結果之間（8 lbs/in2)。然而由於存 在細hBN粉末，總的hBN含量可以被進一步增加而達到 φ 5 W/mK 的 k 值。 2微米和10微米hBN的SEM顯微照片示於圖1A和 1B中。 實施例2 預混合環氧樹脂和耦合劑，達到95〇〇 cps的黏度。再 混合hBN和該預混合物，並在丁酮（Methy| ethy丨ket〇ne, MEK)溶劑中稀釋該溶液。 在混合過程中利用額外的丁酮溶劑添加A12〇3粉末。 鲁環氧硬化劑被加至該溶液中，並且纖維布被用於浸潰到複 合材料中，該複合材料隨後在17(rc固化9〇秒。塗覆的纖 維布被置於Cu和A丨之間並進行熱壓以黏合成pcB。 如上所述’輕合劑（基於矽烷的耦合劑）具有可水解 鍵（例如，具有Sj_0CH3鍵），水解後形成親水s卜〇h端， 其可黏合經過熱處理的hBN。hBN通常是疏水的，但是其 在溫HJO4 t預蒸煮，表面從而具有含s和〇的末端分子 團。在洛煮期間，使用超音波震盪使凝聚的團粒分散。具 有疏水端的耦合劑將使已分散的顆粒在懸浮液中保持分_ 1 S.j. 10 .201125950 離。再從蒸煮液中取出經耦合劑塗覆的hBN顆粒後，將該 塗覆hBN顆粒添加至經丁嗣稀釋的環氧樹脂溶液中，耦合 劑的疏水端，例如，_Ch3(曱基）末端，可附著環氧樹脂。 其結果是在複合材料中形成均勻分佈的hBN顆粒。 實施例3 在矽膠内滲入50 wt%的六方氮化硼（粒度約1〇" m) 及5 Wt%的鑽石（粒度約2/zm)。咖及鑽石都事先以皇 馨^在高溫（80(TC)下處理（30分鐘）使其表面吸附親油性的 氮原子以利在石夕膠内的分散。經量測播雜六方氮化獨及鑽 石的㈣其熱傳導率可達4 W/mK’比渗雜—般㈣粉者高 兩倍以上。 本實施例所制的散熱膠可用於接合電腦的cpu及散熱 片或熱管，也可用於接合熱沈及鰭片。 實施例4 六方氮化蝴粉末（2 及鑽石粉末（1⑽）混 入約3 wt。/。的壓克力膠並混拌成麵團狀。再將混料在滾筒 中來回碾㈣成約⑽P厚的抽片。在純上喷上極薄 的壓克力膠後貼上上述的抽,’再噴上一薄層壓克力膠， 最後鋪上銅羯（30…、將此「三失板」在壓機内壓黏 成MCPCB。因黏接紹板及銅落的絕緣層含多量的六方氮化 硼及鑽石’其熱傳導率可達5〜1G W/_。可以對本發明進 行很多修改和變更而不偏離它的精神和範圍，這對本領域 的技術人員來說是明顯的。本文所逃的具體實施方式只， 11 201125950 過實施例的方式表達，本發明僅透過所附權利要求'連同 職予這些權利要求的等效物的全部範圍作限定。 【圖式簡單說明】 圖1A是1〇微米hBN的SEM顯微照片。 圖1B是2微米hBN的SEM _微照片。 【主要元件符號說明】 *»»>

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Claims (1)

1. 201125950 七、申請專利範圍： 1. 一種含六方氮化硼的導熱絕緣膠’其包含黏合劑成 分、六方氮化硼和至少一種其它陶究粉，其中所述六方氮 化硼及陶瓷粉的顆粒彼此接觸並且被所述黏合劑附著在一 起。 2. 如申請專利範圍第1項所述含六方氮化蝴的導熱 絕緣膠，其中所述六方氮化硼含有超過1 %原子的金屬。 3_如申請專利範圍第2所述含六方氮化棚的導熱絕 _ 緣膠，其中所述金屬爲Li、Na、K、Be、Mg、Ca中的一 種或多種。 4_如申請專利範圍第1到3項中任一項所述含六方 氮化硼的導熱絕緣膠，其中所述六方氮化硼的大粒度比小 粒度的直徑至少大兩倍。 5·如申請專利範圍第4項所述含六方氮化硼的導熱 絕緣膠，其中所述六方氮化硼具有兩種粒度峰值。 6. 如申請專利範圍第5項所述含六方氮化硼的導熱 # 絕緣膠，其中所述峰值爲10 和2 ± 1 # m。 7. 如申請專利範圍第1到3項中任一項所述含六方 氮化硼的導熱絕緣膠，其中所述六方氮化硼占所述含六方 氮化硼的導熱絕緣膠總重量的1 0%以上。 8. 如申請專利範圍第1到3項中任一項所述含六方 氮化硼的導熱絕緣膠，其中所述六方氮化硼占所述含六方 氮化硼的導熱絕緣膠總重量的30%以上。 9. 如申請專利範圍第1到3項中任一項所述含六；I; 13 201125950 氮化硼的導熱絕緣膠，其中所述黏合劑成分爲矽油、環氧 樹脂或苯並環丁烯（benzocyclobutene)。 10.如申請專利範圍第1到3項中任一項所述含六方 氮化硼的導熱絕緣膠，其中所述其它陶瓷粉爲A|N、A|2〇3、 Si02、ZnO、Fe2〇3、SiC、cBN或鑽石之—種或多種。 11 _如申請專利範圍第彳到3項中任—項所述含六方 氮化硼的導熱絕緣膠，其應用於熱介面材料或金屬芯印刷 電路板相關産品之.中。 • I2·如申請專利範圍第11項所述含六方氮化硼的導 熱絕緣膠’其含鑽石微粉。 八、圖式：（如次頁)