TW201425562A

TW201425562A - 熱傳導複合材料及製造方法

Info

Publication number: TW201425562A
Application number: TW101150393A
Authority: TW
Inventors: Cheng-Rui Zeng
Original assignee: Wha Yueb Technology Co Ltd
Priority date: 2012-12-27
Filing date: 2012-12-27
Publication date: 2014-07-01
Also published as: TWI476276B

Abstract

本發明係有關一種熱傳導複合材料及製造方法，該複合材料包括有：高分子聚合物，包含可自由基反應之高分子材料與可將該高分子材料以自由基反應聚合之過氧化物；導熱填料，至少包含兩種性質相容之導熱材料；以及矽烷物，至少包含兩種不同的官能基，一種官能基可參與該高分子聚合物自由基聚合反應，另一種官能基可於該導熱填料表面生成化學鍵結者。藉此，用以提供一種熱傳導複合材料及製造方法，而具有降低接觸熱阻及材料熱阻之功效。

Description

熱傳導複合材料及製造方法

本發明係有關一種熱傳導複合材料及製造方法，尤指一種具有降低接觸熱阻及材料熱阻功效之設計者。

按，電子產品的開發越來越輕薄短小，隨之而來的是產品的穩定性越益重要，因此更顯得熱管理方面的重要性；而無論是何種型態(例如筆記型電腦、桌上型電腦、手機或其它儀器裝置)，熱之產生源自於電子元件的高速運作，其產生之熱(稱為熱源)，若不於短時間內降低其溫度，將熱移往低溫(熱井)，則電子元件會有損壞的可能，導致電子產品壽命減少或是品質不穩定的問題。

然而，將熱由熱源移往熱井，其有三個途徑，分別為輻射、對流及傳導，而以傳導最為有效；移除熱時，可為其中之一的途徑，或是二種途徑合併的，端視儀器裝置之熱管理方式而定。在電子元件或儀器裝置內部之情況，以對流及傳導途徑居多，而傳導途徑的效果又優於對流途徑，此乃因固體的熱阻抗遠低於氣體的熱阻抗之故。再者，熱源與熱井彼此相互接觸的點越多，其熱阻抗越低，而當熱源表面與熱井表面越趨於平整，當此二平整表面接觸時，所剩餘的沒接觸到的空隙越少，熱傳導的效果越好，這是因為有低的熱阻抗。

因此，當熱源表面與熱井表面因接觸所產的空隙越少，遂將熱對流途徑轉成熱傳導途徑，而此熱井即是大眾所熟知的散熱材料、導熱材料或是介面導熱材料；此途徑改變的同時，其目的是在於降低接觸面的熱阻抗值，因此熱阻抗值越低，是越有利於熱源表面熱的移除；不過，除了熱源表面與熱井表面接觸介面的熱阻抗值之外，熱井製造時各原料間的接觸面，亦是影響熱阻抗值的另一關鍵。

此外，TWI325752揭示熱輻射薄板裝配了一石墨薄板以及在其表面上之一層電絕緣的彈性層，彈性層是由一種彈性組成物所形成，彈性組成物包含一種微粒狀之導熱性填料；TWM412971揭示一種石墨散熱器，包括一散熱主體及一保護層，散熱主體為一石墨基材，保護層至少部分包覆該石墨基材，其中保護層之材質為合成樹脂或天然樹脂，而藉由在石墨基材上設置保護層以改善石墨散熱器掉粉的缺點；TW201024399揭示一種含碳金屬複合材料及其製作方法，含碳金屬複合材料包括多個石墨、多個導熱顆粒以及一金屬基質。

因此，上揭專利，如我們所熟知石墨、氧化鋁、氧化鋅、氮化鋁、氮化硼、鋁粉、銅粉…等等，都是具有非常好熱傳導效果的導熱填料；然而，若是以單一填料型態存在，例如單一的石墨導熱均勻層或石墨基材，而無與具化學鍵結的化合物為一基礎物質形成複材，石墨導熱均勻層、石墨基材或金屬複合材料，機械性質不會優於具有化學鍵結的化合物，例如彎曲性及柔軟性或外施以微小力量，其結構體會有崩解之虞；況且石墨導熱傳均勻層、石墨基材或含碳金屬複合材料，對於發熱源的接觸介面，其接觸熱阻會高於具有化學鍵結的化合物，降低熱傳導效果。

另外，TWM308849揭示一種多層複合材料，係包含一或若干導熱層以及一或若干電磁波吸收層，且各層之間彼此以交互疊置而密接組成，係選用比例10%~70%之間的一種或兩種膠材與90%~30%之間的一種或兩種熱傳導粉體搭配為導熱層；TWM390642揭示之散熱膜，係由一石墨材料以及一樹脂材料所形成，樹脂材料中之填充物為氧化鋯、氧化鈰、氧化鋁、奈米碳管、氧化鐵、氧化鎂、氧化鋅、氧化鈦及奈米氧化物；TW201012910揭示一種熱傳導複合層，包含凝膠狀導熱層以及離型層，導熱層填充物包含氧化鋁粉末、硼氮化物粉末、鋁氮化物粉末、氧化鎂粉末、氧化鋅粉末、矽碳化物粉末、石英粉末、氫氧化鋁粉末、碳纖維粉末、鑚石粉末、石墨粉末、鋁粉單一一種或兩種以上組合；TWI273118揭示複材，由含硼之天然石墨、人造石墨、膨脹石墨、碳黑、碳質纖維、氣相法碳質纖維、碳質毫微管，與酚樹脂、不飽和聚酯樹脂、環氧樹脂、乙烯酯樹脂、丙烯酯樹脂製成；TW200837083揭示傳導性複材，由一聚烯烴聚合物及一膨脹之石墨組成；TWM401536揭示方便重黏妥之複合導散熱結構，由一層陶磁粉末組成物及充填於陶磁粉末之熱固性膠、一金屬基材及一層自黏性矽膠組成，陶磁粉末組成物可為碳化矽、氮化鋁、氧化鋅、氧化鋁或由石墨所取代。

於是，上揭專利製作之導熱材料，使用的導熱填料與膠料為眾所周知的技藝，但其對導熱填料與膠材彼此混練，不論是使用一種或兩種以上的導熱填料或是一種或兩種以上的膠材，最重要的是材料間的相容性，故不同的導熱填料間或膠材與導熱填料間的的相容性要高，所製作之導熱材料才會有低的熱阻抗值；因此，若是使用兩種以上的導熱填料，則選用相似性高的導熱填料，讓導熱填料間的相容性提升，且對導熱填料併用界面改質劑，改善導熱填料與膠材間的相容性，如此才能製作較佳的導熱材料。

本發明之主要目的，係欲提供一種熱傳導複合材料及製造方法，而具有降低接觸熱阻及材料熱阻之功效。【00010】為達上述功效，本發明之熱傳導複合材料之結構特徵，係包括有：高分子聚合物，包含可自由基反應之高分子材料與可將該高分子材料以自由基反應聚合之過氧化物；導熱填料，至少包含兩種性質相容之導熱材料；以及矽烷物，至少包含兩種不同的官能基，一種官能基可參與該高分子聚合物自由基聚合反應，另一種官能基可於該導熱填料表面生成化學鍵結者。【00011】此外，該高分子材料為含有至少兩個乙烯基官能基之聚二甲基矽氧烷；該導熱填料含有具孔洞及可壓縮性之石墨粉體與以鎳包裹石墨之複合無機材；該矽烷物含有乙烯基與烷氧基。又，該導熱填料以鎳包裹石墨之複合無機材與石墨粉體之混摻具有可壓縮性，俾以降低石墨粉體形成片狀後之空隙而降低熱阻抗；石墨本質的酸性及吸附水份的特性，致使該矽烷物之烷氧基與之發生水解縮合之化學反應，而於石墨表面形成化學鍵，使得石墨表面因與該矽烷物的結合而具有乙烯基，進而參與該高分子材料藉由過氧化物所發生之聚合反應，導致石墨與高分子聚合物形成化學鍵，俾以降低高分子聚合物與填料間之空隙而降低熱阻抗。再者，進一步於該熱傳導複合材料之至少一面複合膠合層，該膠合層可為黏而不沾手或完全不具黏著性，端視用途而定，該膠合層由加成型液態高分子材料製成而與該高分子聚合物可自由基反應之高分子材料同為以矽氧烷高分子為主鏈，該加成型液態高分子材料由至少含有乙烯基及氫基之兩種高分子材料經加成聚合反應而成。另，該高分子聚合物聚合反應之溫度為150~200℃，時間為2~10分鐘。【00012】本發明之熱傳導複合材料製造方法，係包括下列步驟：a.取用可自由基反應之高分子材料，而取用量佔高分子材料總需求量之50%以上；b.加入含有可參與高分子材料自由基反應與可於導熱填料表面生成化學鍵結之矽烷物，而加入量佔矽烷物總需求量50%以下，並將加入之矽烷物與於步驟a取用之高分子材料混合；c.加入至少包含兩種性質相容導熱材料之導熱填料，而加入量佔導熱填料總需求量50%以下，並將加入之導熱填料與完成步驟b之混合物混合，直到混合物外觀呈現光亮或無明顯填料出現；d.加入與步驟b相同之矽烷物，而加入量佔矽烷物總需求量50%以下，並將加入之矽烷物與完成步驟c之混合物混合；e.加入與步驟c相同之導熱填料，而加入量佔導熱填料總需求量50%以下，並將加入之導熱填料與完成步驟d之混合物混合，直到混合物外觀呈現光亮或無明顯填料出現；f.重複步驟d及步驟e，直到矽烷物及導熱填料之總需求量完全加入；g.加入可將高分子材料以自由基反應聚合之過氧化物及剩餘之高分子材料之混合物與完成步驟f之混合物混合；以及h.取出完成步驟g之混合物，施以高壓及抽真空而成型者。【00013】另者，步驟a之高分子材料取用量佔高分子材料總需求量85~95%，步驟b及步驟d之矽烷物加入量佔矽烷物總需求量25~40%，步驟c及步驟e之導熱填料加入量佔導熱填料總需求量25~40%。又，步驟a之高分子材料取用量佔高分子材料總需求量90%，步驟b及步驟d之矽烷物加入量佔矽烷物總需求量33.3%，步驟c及步驟e之導熱填料加入量佔導熱填料總需求量33.3%。再者，步驟c至步驟f在減壓及升溫至100~130℃的環境中進行，輔助混拌效果；步驟g在室溫的環境中進行；步驟h在升溫至150~200℃的環境中進行。另，步驟c至步驟f在減壓及升溫至110℃的環境中進行；步驟h在升溫至170℃的環境中進行。

【00014】首先，請參閱「圖1」所示，本發明之熱傳導複合材料，係以高分子聚合物10為基材混合導熱填料20以及含官能基矽烷物30；該高分子聚合物10包含了可自由基反應之高分子材料以及可將該高分子材料以自由基反應聚合之過氧化物，而聚合反應之溫度較佳為150~200℃，時間為2~10分鐘，更佳的溫度為170℃，時間為5分鐘，進而獲得熟化之高分子聚合物，該高分子材料為含有至少兩個乙烯基官能基之聚二甲基矽氧烷；該導熱填料20至少包含了兩種性質極為相容之熱傳導性物，其中一種為具孔洞及可壓縮性之石墨粉體21，另一種為以鎳為外層包裹石墨為內層之複合無機材22；含官能基矽烷物30至少含有兩種不同的官能基，其中一種官能基可同時參與上述可自由基反應之高分子材料進行自由基聚合反應，比較適當的官能基為乙烯基，另一種官能基可於石墨填料表面生成化學鍵結，比較適當的官能基為烷氧基。【00015】再者，請參閱「圖2」所示，本發明之熱傳導複合材料製造方法，首先，取用總需求量85%~95%的可自由基反應之高分子材料，比較適當的用量為90%；接續，加入總需求量25~40%的含官能基矽烷物混合，比較適當的用量為33.3%，應用二滾筒、捏拌機或三滾筒將其混合均勻，比較適當的機器為捏拌機；接續，加入總需求量25~40%的導熱填料(預先混合至少包含兩種性質相容之導熱材料)混合，比較適當的用量為33.3%，並且同時在減壓環境中進行，直到混合物外觀呈現光亮、油亮或無明顯填料出現，此時可以外部熱水或熱煤油等介質加熱至100~130℃，比較適當的溫度為110℃，輔助混拌效果；接續，再次加入總需求量25~40%的含官能基矽烷物混合，比較適當的用量為33.3%，以相同的混拌機與相同的溫度及相同的減壓環境混合均勻；接續，再次加入總需求量25~40%的導熱填料混合，比較適當的用量為33.3%，以相同的混拌機與相同的溫度及相同的減壓環境混合均勻，直到混合物外觀呈現光亮、油亮或無明顯填料出現；接續，加入剩餘的含官能基矽烷物混合，以相同的混拌機與相同的溫度及相同的減壓環境混合均勻；接續，加入剩餘的導熱填料混合，以相同的混拌機與相同的溫度及相同的減壓環境混合均勻，直到混合物外觀呈現光亮、油亮或無明顯填料呈現；接續，通入冷水或冷煤油等介質，將外部溫度降至室溫；接續，加入可將高分子材料以自由基反應聚合之過氧化物及剩餘之高分子材料之混合物，以相同的混拌機與相同的溫度及相同的減壓環境混合均勻；接續，取出最終混合物，再藉油壓機以高壓及抽真空成型，成型時需加熱溫度至150~200℃，比較期望的溫度為170℃；藉此，經由以上程序製作出導熱填料中兩性質相容之導熱填料間可緊密壓合且填料與高分子材料間具有化學鍵結之熱傳導複合材料。【00016】基於如是之構成，本發明使用之導熱填料中，以鎳為外層包裹石墨為內層之複合無機材，除了與石墨粉體有很好的相容性之外，其與石墨粉體混摻時具可壓縮性，可將石墨粉體形成片狀後的空隙予以填充，減少了填料中自由空間，提供了降低材料熱阻的解決途徑；另外，藉由石墨本質的酸性及吸附水份的特性，含官能基矽烷物之烷氧基可與之發生水解縮合之化學反應，亦即含官能基矽烷物可於石墨表面形成化學鍵，使得石墨表面因與含官能基矽烷物的結合而具有乙烯基，當可自由基反應之高分子材料藉由過氧化物發生聚合反應時，乙烯基可一併參與此聚合反應，導致石墨與高分子聚合物形成化學鍵，除了複合後材料表面平整且減少了高分子聚合物與填料間的自由空間，提供了降低接觸熱阻及材料熱阻的解決途徑。【00017】然是，本發明是漸近式與完整在導熱填料表面形成化學鍵，亦即初次加入導熱填料之前，已有含官能基矽烷物與可自由基反應之高分子材料的混合物，此時導熱填料在此混合物中的固含量是低的，故會有極佳混摻效果，導熱填料可均勻分散在混合物中，故控制外部的加熱溫度及因導熱填料本質酸性特性及吸附之水份，可與含官能基矽烷物之烷氧基進行水解縮合化學反應及形成化學鍵結，進而達到預期之低黏度的混合物；當接續加入第二次含官能基矽烷物於此混合物中，除了獲得有更低黏度的混合物之外，亦創造了與第一次相同的混合環境，有利於加入第二次導熱填料的混摻以及發生預期的水解縮合化學反應；接續加入第三次含官能基矽烷物以及第三次導熱性填料發生預期的水解縮合化學反應；經過如此程序，但不限於三次，其可分為四次或五次，考量工時成本，比較適當的次數為三次，此時可獲得均勻混合物，當將過氧化物加入時，其以可自由基反應之高分子材料為載體，有助於過氧化物的均勻分散在混合物中，同時縮短混摻時間；而此分次漸近式的加料方式，有助於混摻的同時完成在填料表面生成化學鍵結的表面改質。【00018】另者，本發明尚可進一步於熱傳導複合材料之一面或兩面提供膠合層，且該膠合層不是為加強熱傳導複合材料之機能性而製作，該膠合層可為黏而不沾手或完全不具黏著性，端視用途而定，該膠合層係由加成型液態高分子材料製成，該加成型液態高分子材料與上述可自由基反應之高分子材料為同一類型，即同為以矽氧烷高分子為主鏈，該加成型液態高分子材料係由至少兩種高分子材料經加成聚合反應而成，其分別為含有乙烯基及氫基，其可經由催化劑，比較適當的催化劑為含鉑成份之催化劑，其可將乙烯基與氫基以適當的比例於130~170℃，比較適當的溫度為150℃，經1~10分鐘，比較適當的時間為5分鐘，可以獲得膠合層。然而，在尚未生成膠合層之前，可先於熱傳導複合材料之一面以噴塗之方式適量的加入延遲劑，必要時可加入溶劑，再以上述溫度及時間，以連續式製程發生加成聚合反應，可在熱傳導複合材料之一面獲得可與熱傳導複合材料之乙烯基生成化學鍵結，進而形成黏而不沾手之膠合層；又，一般製作導熱複材之黏而不沾手膠合層時，係在混合物基材中加入矽油，此種方式必會有矽油滲出之情形發生，而本發明係應用基材本身調整乙烯基與氫基的適當比例，不會有矽油滲出之問題發生。【00019】綜上所述，本發明所揭示之技術手段，確具「新穎性」、「進步性」及「可供產業利用」等發明專利要件，祈請鈞局惠賜專利，以勵發明，無任德感。【00020】惟，上述所揭露之圖式、說明，僅為本發明之較佳實施例，大凡熟悉此項技藝人士，依本案精神範疇所作之修飾或等效變化，仍應包括在本案申請專利範圍內。

10．．．高分子聚合物

20．．．導熱填料

21．．．石墨粉體

22．．．複合無機材

30．．．矽烷物

【00021】圖1係本發明之熱傳導複合材料結構示意圖。圖2係本發明之熱傳導複合材料製造方法之工序流程圖。

Claims

一種熱傳導複合材料，係包括有：高分子聚合物，包含可自由基反應之高分子材料與可將該高分子材料以自由基反應聚合之過氧化物；導熱填料，至少包含兩種性質相容之導熱材料；以及矽烷物，至少包含兩種不同的官能基，一種官能基可參與該高分子聚合物自由基聚合反應，另一種官能基可於該導熱填料表面生成化學鍵結者。
如請求項1之熱傳導複合材料，其中，該高分子材料為含有至少兩個乙烯基官能基之聚二甲基矽氧烷；該導熱填料含有具孔洞及可壓縮性之石墨粉體與以鎳包裹石墨之複合無機材；該矽烷物含有乙烯基與烷氧基。
如請求項2之熱傳導複合材料，其中，該導熱填料以鎳包裹石墨之複合無機材與石墨粉體之混摻具有可壓縮性，俾以降低石墨粉體形成片狀後之空隙而降低熱阻抗；石墨本質的酸性及吸附水份的特性，致使該矽烷物之烷氧基與之發生水解縮合之化學反應，而於石墨表面形成化學鍵，使得石墨表面因與該矽烷物的結合而具有乙烯基，進而參與該高分子材料藉由過氧化物所發生之聚合反應，導致石墨與高分子聚合物形成化學鍵，俾以降低高分子聚合物與填料間之空隙而降低熱阻抗。
如請求項2或3之熱傳導複合材料，其中，進一步於該熱傳導複合材料之至少一面複合膠合層，該膠合層可為黏而不沾手或完全不具黏著性，該膠合層由加成型液態高分子材料製成而與該高分子聚合物可自由基反應之高分子材料同為以矽氧烷高分子為主鏈，該加成型液態高分子材料由至少含有乙烯基及氫基之兩種高分子材料經加成聚合反應而成。
如請求項4之熱傳導複合材料，其中，該高分子聚合物聚合反應之溫度為150~200℃，時間為2~10分鐘。
一種熱傳導複合材料製造方法，係包括下列步驟： a.取用可自由基反應之高分子材料，而取用量佔高分子材料總需求量之50%以上； b.加入含有可參與高分子材料自由基反應與可於導熱填料表面生成化學鍵結之矽烷物，而加入量佔矽烷物總需求量50%以下，並將加入之矽烷物與於步驟a取用之高分子材料混合； c.加入至少包含兩種性質相容導熱材料之導熱填料，而加入量佔導熱填料總需求量50%以下，並將加入之導熱填料與完成步驟b之混合物混合，直到混合物外觀呈現光亮或無明顯填料出現； d.加入與步驟b相同之矽烷物，而加入量佔矽烷物總需求量50%以下，並將加入之矽烷物與完成步驟c之混合物混合； e.加入與步驟c相同之導熱填料，而加入量佔導熱填料總需求量50%以下，並將加入之導熱填料與完成步驟d之混合物混合，直到混合物外觀呈現光亮或無明顯填料出現； f.重複步驟d及步驟e，直到矽烷物及導熱填料之總需求量完全加入；　　g.加入可將高分子材料以自由基反應聚合之過氧化物及剩餘之高分子材料之混合物與完成步驟f之混合物混合；以及 h.取出完成步驟g之混合物，施以高壓及抽真空而成型者。
如請求項6之熱傳導複合材料製造方法，其中，步驟a之高分子材料取用量佔高分子材料總需求量85~95%，步驟b及步驟d之矽烷物加入量佔矽烷物總需求量25~40%，步驟c及步驟e之導熱填料加入量佔導熱填料總需求量25~40%。
如請求項7之熱傳導複合材料製造方法，其中，步驟a之高分子材料取用量佔高分子材料總需求量90%，步驟b及步驟d之矽烷物加入量佔矽烷物總需求量33.3%，步驟c及步驟e之導熱填料加入量佔導熱填料總需求量33.3%。
如請求項6、7或8之熱傳導複合材料製造方法，其中，步驟c至步驟f在減壓及升溫至100~130℃的環境中進行，輔助混拌效果；步驟g在室溫的環境中進行；步驟h在升溫至150~200℃的環境中進行。
如請求項9之熱傳導複合材料製造方法，其中，步驟c至步驟f在減壓及升溫至110℃的環境中進行；步驟h在升溫至170℃的環境中進行。