TWI651389B

TWI651389B - 導熱膠材及其製備方法

Info

Publication number: TWI651389B
Application number: TW105142161A
Authority: TW
Inventors: 張欽亮; 洪悟清; 楊啟榮; 陳昌達; 鄭嘉
Original assignee: 國家中山科學研究院
Priority date: 2016-12-20
Filing date: 2016-12-20
Publication date: 2019-02-21
Also published as: TW201823400A

Abstract

一種導熱膠材，其結構係包含一膠體、一經大氣電漿處理而具親水性官能基且分散填充於該膠體內的第一導熱材，及一經大氣電漿或化學改質處理而具親水性官能基且分散填充於該膠體內的第二導熱材，該第一導熱材的主要成分為陶瓷粉末，該第二導熱材為含碳成分。本發明進一步提供該導熱膠材之製備方法，藉此，使用大氣電漿對導熱材進行表面改質，增加導熱材於膠材內之分散性，進一步提升導熱膠材之導熱效果。

Description

導熱膠材及其製備方法

本發明係關於一種導熱膠材及其製作方法，特別是關於大氣電漿技術改質技術之導熱膠材及其製作方法。

現今各種電子設備具備高效之執行效能，在運作過程中因大量的電能使用而須考量設備的散熱問題，常見會使用導熱膠材作為散熱機制所需的媒介。在目前的導熱膠材中，有部分做法會加入導熱介質作為熱介面材料(thermal interface material，TIM)，藉以提升導熱膠材整體的熱傳導係數，提供較好的散熱效果。然而，就現有的技術而言，導熱膠材的散熱特性還具有提升空間。

有關中華民國專利第100107855號之申請案，該專利界定其絕緣導熱組成物包括5~80重量份的樹脂、30~95重量份的導熱絕緣粉體以及0.0001~2重量份的石墨烯，其中，導熱絕緣粉體的材質包括氮化硼、氧化鋁等。該專利揭露石墨烯的添加可提升其組成物的熱傳導值，但未說明絕緣粉體與石墨烯於該組成物之分散效果。

而中華民國專利第101116708號之申請案，提出絕緣化熱介面材料包含基材、第一填料及第二填料，基材為例如矽橡膠系樹脂之高分子聚合物，第一填料為石墨烯材料，第二填料為材質包含氮化鋁的導熱無機粉末，但未進一步說明填料於該基材之分散性及其導熱關係。

由目前已知的專利前案中，提出在膠體材料中加入氮化物及石墨烯(或氧化石墨烯、還原氧化石墨烯)作為熱介面材料(thermal interface materials，TIM)的構想，然而受限於熱介面材料的材質特性，目前導熱膠材的熱傳導特性仍有改善之空間。

因此，目前業界需要一種導熱膠材及其製備方法，透過簡單的製備流程，可得到導熱性好及分散性佳的導熱填充物，以製備出符合業界需求的導熱膠材。

鑒於上述習知技術之缺點，本發明之主要目的在於提供一種導熱膠材及其製作方法，係將大氣電漿改質或化學改質處理而具親水性官能基之導熱材分散於導熱膠材中，以提升導熱膠材之導熱效果。

為了達到上述目的，根據本發明所提出之一方案，提供一種導熱膠材，包含一膠體、一經大氣電漿處理而具親水性官能基且分散填充於該膠體內的第一導熱材，及一經大氣電漿或化學改質處理而具親水性官能基且分散填充於該膠體內的第二導熱材，該第一導熱材的主要成分為陶瓷粉末，該第二導熱材為含碳成分。

上述中，該親水官能基可以為C-N、C=O或C-H，該第一導熱材可以為氮化鋁等導熱陶瓷材料，該第一導熱材之粒徑係介於10μm~30μm之間，該第一導熱材於該導熱膠材內之重量百分含量係介於30%~80%之間。

上述中，該第一導熱材呈顆粒粉末狀，且該第一導熱材包括粒徑相異的大粉末顆粒及小粉末顆粒，大粉末顆粒的粒徑例如為30μm，小粉末顆粒的粒徑例如為10μm，藉由不同粒徑的粉末顆粒配合能夠增進在該膠體中的填充性而有助於形成熱傳導途徑，此外該第一導熱材可進一步採用更多重粒徑範圍的粉末顆粒進行混合。

上述中，該第二導熱材係為石墨烯、奈米碳管或其所組成的群組之一，其中，該石墨烯可為單層或多層之石墨烯，奈米碳管可為單壁或多壁奈米碳管，該第二導熱材呈顆粒粉末狀；該第二導熱材於該導熱膠材內之重量百分含量係介於1~10%之間。

其中，第一導熱材的粒徑大於該第二導熱材的粒徑，且該第一導熱材與該第二導熱材大部分相互接觸，由於兩者都使用具有高熱傳導係數的材質並且彼此接觸形成熱傳導路徑，而且藉由不同粒徑的粉末顆粒提升在該膠體中的填充率，因此於該膠體中充分混合該第一導熱材與該第二導熱材後，可透過兩者形成的導熱架橋機制讓顆粒之間產生導熱之協同效應，實現熱介面材料之功用，因此能讓導熱膠材具有良好的熱傳導特性。

上述中，該膠體可以為一高分子膠體，該高分子膠體可以為聚二甲基矽氧烷(Polydimethylsiloxane，PDMS)。

本發明對該第一導熱材與該第二導熱材之粉末顆粒預先進行大氣電漿改質。經由大氣電漿技術(Atmospheric-pressure plasma,APP)處理後的導熱材，可於第一導熱材與該第二導熱材的表面形成具親水性的官能基，如此能增進第一導熱材、第二導熱材與膠體之間的密合性與分散性。

本發明進一步提供一種該導熱膠材之製備方法，步驟包括：(1)提供經大氣電漿處理而具親水性官能基的第一導熱材與第二導熱材；(2)提供一膠體，將該第一導熱材及該第二導熱材均勻混合於該膠體中而製得該導熱膠材。

上述中，可進一步將步驟(2)所製備的導熱膠材固化成形。

上述中，步驟(1)之第一導熱材與第二導熱材係在大氣電漿轟擊功率100W~500W，較佳為300W、轟擊時間1~10分鐘之條件下，進行表面改質處理。

上述中，步驟(2)可藉由真空脫泡攪拌技術使該第一導熱材與該第二導熱材均勻分散於該膠體中，並排出膠體中之氣泡；可將第一導熱材及第二導熱材混入膠體中，第一導熱材於該導熱膠材內之重量百分含量係介於30%~80之間，當重量百分含量越高則越能增進導熱效果以及黏稠度，在80% 以內能確保最終完成的導熱膠材具有良好的導熱效果並且不會過度黏稠而無法進行塗佈製程。上述第一導熱材可由粒徑1：4至1：10等不同粒徑的材質混合而成，第二導熱材可使用石墨烯、奈米碳管或其所組成的群組之一。

上述的分散方式，可透過行星式攪拌機等真空脫泡攪拌機，藉由公轉與自轉的速率上的差異，提供剪切力對混入第一導熱材及第二導熱材的膠體進行攪拌，並由幫浦形成真空環境以進行真空脫泡攪拌，使第一導熱材及第二導熱材的粉末顆粒可均勻地分散於該膠體中，並讓膠體中的氣泡排出，避免氣泡造成不必要的熱阻媒介。在上述攪拌步驟過程後，由於粉末顆粒之間因摩擦與碰撞現象會有熱能殘存，因此後續可以藉由公轉與自轉的速率降低設定減緩剪切力而產生降溫之效果。

本發明是一種導熱膠材及其製備方法，藉由在膠體中混合第一導熱材與第二導熱材作為熱介面材料，讓熱能可以透過第一導熱材與第二導熱材所提供的熱傳導路徑散逸，以確保良好的散熱效果。此外，藉由大氣電漿技術將第一導熱材與第二導熱材進行改質，能增進第一導熱材與第二導熱材在膠體中的分散性，有利於增進散熱效果，對產業利用具有相當經濟之改良。

以上之概述與接下來的詳細說明及附圖，皆是為了能進一步說明本發明達到預定目的所採取的方式、手段及功效。而有關本發明的其他目的及優點，將在後續的說明及圖式中加以闡述。

1‧‧‧膠體

2‧‧‧第一導熱材

3‧‧‧第二導熱材

4‧‧‧大氣電漿設備

41‧‧‧主體

42‧‧‧管路

43‧‧‧大氣電漿束

5‧‧‧容器

6‧‧‧漏斗

S101-S102‧‧‧步驟

第一圖係為本發明一種導熱膠材之結構示意圖；第二圖係為本發明一種導熱膠材之製備方法流程圖；第三圖係為本發明實施例大氣電漿對第一導熱材與第二導熱材表面改質示意圖；第四圖本發明實施例經大氣電漿表面改質之導熱材的傅里葉轉換紅外光譜(FTIR)圖。

以下係藉由特定的具體實例說明本發明之實施方式，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地了解本發明之優點及功效。

本發明之一種導熱膠材及其製作方法，透過混拌添加具有良好熱傳導特性的陶瓷粉末顆粒(如氮化鋁)以及石墨烯、奈米碳管等碳材質於高分子膠體(如聚二甲基矽氧烷)中，藉以獲得導熱效果好但不導電的導熱膠材。由於陶瓷、石墨烯及奈米碳管本身即具有高導熱特性，且粉末顆粒的粒徑大小有別(陶瓷粉末顆粒大於石墨烯、奈米碳管的粉末顆粒)，可由小粒徑之粉末顆粒填充於大粒徑之粉末顆粒之間，於充分混合後可透過導熱架橋作用讓顆粒之間產生導熱之協同效應，實現熱介面材料(thermal interface materials，TIM)之功用，因此能讓傳熱膠體具有良好的熱傳導特性。此外，對於上述陶瓷粉末顆粒或碳材質粉末顆粒，本發明先經由大氣電漿技術，對陶瓷粉末顆粒或碳材質粉末顆粒進行表面改質而於其表面形成具親水性的官能基，如此能增進粉末顆粒與高分子膠體之間的密合性與分散性。

請參閱第一圖，係為本發明一種導熱膠材之結構示意圖。如圖所示，一種導熱膠材，包含一膠體1、一經大氣電漿處理而具親水性官能基且分散填充於該膠體內的第一導熱材2，及一經大氣電漿或化學改質處理而具親水性官能基且分散填充於該膠體內的第二導熱材3，該第一導熱材的主要成分為陶瓷粉末，該第二導熱材為含碳成分。

在具體實施上，第一導熱材(陶瓷粉末顆粒)的重量百分含介於30%至80%之間，而且第一導熱材(陶瓷粉末顆粒)還可以使用不同粒徑的粉末顆粒，例如混合30μm的大粉末顆粒與10μm的小粉末顆粒、第一導熱材的粒徑大於該第二導熱材的粒徑。其中，該第一導熱材與該第二導熱材大部分相互接觸，可透過兩者形成的導熱架橋機制讓顆粒之間產生導熱之協同效應，能讓導熱膠材具有良好的熱傳導特性

請參閱第二圖，係為本發明一種導熱膠材之製備方法流程圖。如圖所示，本發明所提供一種導熱膠材之製備方法，步驟包括：(1)提供經大氣電漿處理而具親水性官能基的第一導熱材與第二導熱材；(2)提供一膠體，將該第一導熱材及該第二導熱材均勻混合於該膠體中而製得該導熱膠材。

上述中，可進一步將步驟(2)所製備的導熱膠材固化成形。

實施例：

首先製備經大氣電漿有親水性官能基的第一導熱材2、第二導熱材3，請參閱第三圖，為本發明實施例大氣電漿對第一導熱材與第二導熱材表面改質示意圖，如圖所示，該大氣電漿設備4包含用於產生大氣電漿的主體41、用於導引大氣電漿流通路徑的管路42，以及透出管路42外的大氣電漿束43。該大氣電漿束43是由乾燥壓縮空氣(clean dry air，簡稱CDA)產生，可進一步藉由漏斗6導引入容器5中以確保處理過程的穩定性並藉由漏斗6的使用防止第一導熱材2、第二導熱材3從容器5中散逸。大氣電漿束43改質的轟擊功率為300W、處理時間在1~10分鐘，藉以調整粉末顆粒的表面改質程度。此外也可以使用乾燥壓縮空氣以外的製程氣體產生電漿，而不以本實施例揭露內容為限。

接著，依序加入第一導熱材(氮化鋁)及第二導熱材(石墨烯或奈米碳管)進行機械攪拌機混拌，請參閱表一，為本發明實施例導熱膠材之配方表，根據配方表不同樣品之重量百分含量，將第一導熱材及第二導熱材混入膠體中。並採用行星式真空脫泡攪拌機，以第一階段公轉1000rpm，自轉 400rpm，時間60秒，第二階段公轉1200rpm，自轉1080rpm，時間180秒，對混入第一導熱材及第二導熱材的膠體進行攪拌，並由幫浦形成真空環境以進行真空脫泡攪拌，使第一導熱材及第二導熱材的粉末顆粒可均勻地分散於膠體中，並讓膠體中的氣泡排出，避免氣泡造成不必要的熱阻媒介。本步驟也可以透過其他攪拌方式進行處理，並不限定一定要在真空環境下或者透過行星式攪拌機進行製程。

最後，在熱源處塗布導熱膠材，並在50℃下，時間12小時，進行加熱固化處理，以實現導熱膠材的實際應用。

請參閱第四圖，為本發明實施例經大氣電漿表面改質之導熱材的傅里葉轉換紅外光譜(FTIR)圖。為證實本發明實施例已成功製備表面改質之導熱材，將未以大氣電漿改質之氮化鋁顆粒及大氣電漿改質10分鐘後之氮化鋁顆粒各取5克，各自在100ml的酒精溶液分散，再以超音波進行5分鐘震盪，用滴管汲取溶液並滴在適當大小的矽晶片試片上，利用自然的方式陰乾，完成FTIR試片的製作。如圖所示，圖四(a)係為未以大氣電漿改質之氮化鋁顆粒的FTIR光譜圖，圖四(b)係為大氣電漿改質10分鐘後之氮化鋁顆粒的FTIR光譜圖。比較大氣電漿表面改質處理前後的光譜圖，可看出氮化鋁粉末在表面改質後，多了1172cm^-1、1735cm^-1及2959cm^-1的吸收峰，這些峰值對應於官能基團分別為C-N、C=O以及C-H三種，此三種官能基團皆具有極性。由FTIR光譜圖推斷，由於大氣電漿表面改質後的氮化鋁粉末表面嫁接官能基團使其具有極性，進而添加至長鏈末端為-OH極性鍵的聚二甲基矽氧烷膠體裡，能達到溶解度提升以及分散性更佳的效果，能進一步提升之導熱膠材之導熱效果。

請參閱表二，為驗證大氣電漿處理對導熱膠材之導熱係數的影響，進行導熱係數的測試，其測試標準符合ASTM D 5470標準。測試樣品為將導熱膠材固化後形成的試片，試片尺寸為長度2公分、寬度2公分、厚度1公釐。在樣品一及樣品二的導熱膠材中，均使用經大氣電漿處理過的第一導熱材，然而第二導熱材的部分只有樣品一導熱膠材有進行大氣電漿處理，樣品二則沒有。從最終對導熱膠材之導熱係數的測試結果可知，樣品一完整對第一導熱材與第二導熱材進行大氣電漿處理所得之導熱膠材的導熱係數為2.3 K，遠大於樣品二導熱膠材之導熱係數1.7K，由此可知大氣電漿處理確實能提升導熱膠材之導熱係數，提升其散熱效果。再參照樣品三與樣品四的導熱膠材，兩者僅採用70wt%之氮化鋁作為第一導熱材，但沒有添加第二導熱材。由測試結果可知，經大氣電漿對第一導熱材進行處理的樣品三導熱膠材，其導熱係數為1.6K，遠大於未經大氣電漿處理之樣品四導熱膠材的導熱係數1.0K。由此可知，即使只使用單一種導熱材，也能夠藉由對導熱材之粉末顆粒進行大氣電漿處理，而提升導熱膠材的散熱效果。

本發明提供一種導熱膠材及其製備方法，此方法藉由在膠體中混合高熱傳導係數的第一導熱材與第二導熱材作為熱介面材料，讓熱能可以透過第一導熱材與第二導熱材所提供的熱傳導路徑散逸，以確保良好的散熱效果。此外，藉由大氣電漿技術將第一導熱材與第二導熱材進行表面改質，能增進導熱材在膠體的分散性，有利於增進散熱效果，證實本發明之一種導熱膠材及其製備方法，可直接用於製備導熱效果良好之散熱元件，使其在未來的應用領域更加寬廣。

上述之實施例僅為例示性說明本發明之特點及功效，非用以限制本發明之實質技術內容的範圍。任何熟悉此技藝之人士均可在不違背發明之精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與變化。因此，本發明之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。

Claims

一種導熱膠材，係包含：一膠體，其導熱係數係為2.3W/mK；一第一導熱材，該第一導熱材係為氮化鋁，經大氣電漿處理而具親水性官能基；一經第二導熱材，該第二導熱材係為石墨烯、奈米碳管或其所組成的群組之一，經大氣電漿處理而具親水性官能基；其中，該第一導熱材及該第二導熱材係均勻混合於該膠體中，該第一導熱材於該導熱膠材內之重量百分含量係為60%，該第二導熱材於該導熱膠材內之重量百分含量係為4%，該第一導熱材與該第二導熱材均呈顆粒粉末狀，且該第一導熱材的粒徑大於該第二導熱材的粒徑。
如申請專利範圍第1項所述之導熱膠材，其中，該第一導熱材之粒徑係介於10μm~30μm之間。
如申請專利範圍第1項所述之導熱膠材，其中，該膠體係為一高分子膠體。
一種如申請專利範圍第1項所述之導熱膠材之製備方法，步驟包括：(1)提供經大氣電漿處理而具親水性官能基的第一導熱材與第二導熱材，該大氣電漿處理係將第一導熱材與第二導熱材係在大氣電漿轟擊功率100W~500W與轟擊時間1~10分鐘之條件下，進行表面改質處理； (2)提供一膠體，將該第一導熱材及該第二導熱材均勻混合於該膠體中而製得該導熱膠材。
如申請專利範圍第4項所述之導熱膠材之製備方法，其中，步驟(2)係藉由真空脫泡攪拌技術使該第一導熱材與該第二導熱材均勻分散於該膠體中。
如申請專利範圍第4項所述之導熱膠材之製備方法，其中，係進一步將步驟(2)所製備的導熱膠材固化成形。