TWI697556B

TWI697556B - 熱介面材料組成及其製造方法

Info

Publication number: TWI697556B
Application number: TW107121938A
Authority: TW
Inventors: 羅文亨; 張行; 何奇律; 王逸萍; 郭信良; 黃淑娟
Original assignee: 台灣中油股份有限公司
Priority date: 2018-06-26
Filing date: 2018-06-26
Publication date: 2020-07-01
Also published as: TW202000851A

Abstract

本發明提供一種熱介面材料組成及其製造方法。根據本明之熱介面材料組成包含流體基體以及多個石墨衍生物顆粒。多個石墨衍生物顆粒係均勻地分佈於流體基體內。多個石墨衍生物顆粒之添加比例為流體基體的30~80重量份。多個石墨衍生物顆粒之平均尺寸與比容之乘積範圍為500~5000微米‧升/公斤。

Description

熱介面材料組成及其製造方法

本發明關於一種熱介面材料組成及其製造方法，並且特別是關於限定所添加石墨衍生物顆粒之關鍵特性的介面材料組成。

近年來電子元件與產品需符合高效能、輕薄短小的發展趨勢。但是，各式晶片與元件在提供了更快的運算速度及更強大功能的同時，也導致其功率和發熱量的急劇增加。為能有效避免熱量的過度累積並穩定電子元件的運作效能，其元件散熱特性的提升更成為其整體發展的關鍵之一。

關於元件的散熱，做為填補發熱體與散熱元件間之空隙的熱介面材料的優劣更可能左右整體元件的散熱速率。因此，具有高導熱係數的熱介面材料的開發，也成為近期熱管理相關技術的重要項目之一。

二維結構的石墨因具有不錯的導熱特性，長期以來被廣泛應用在不同導熱或散熱材料。關於採用石墨材料的熱介面材料之先前技術，美國專利公開號第2012080639號揭露類球型石墨顆粒應用至熱介面材料，其具有較佳的導熱特性提升效果。類球型石墨顆粒的平均尺寸控制在5~70微米，並且其填充體積分率為15~60%，熱介面材料的導熱係數可大於0.5W/mK。但是，該先前技術僅揭露石墨材料形狀，未特定選擇所設定的材料。

另一先前技術，美國專利公開號第2013221268 號揭露一種包含載體、石墨烯以及其他填充物的導熱膠組成，其中至少一部分的填充物必須與石墨烯表面接觸。但是，該先前技術並未揭露何種石墨烯材料、尺寸與其添加量對於整體導熱膠材的提升效果。

另一先前技術，美國專利公開號第2014120399號揭露一種包含石墨烯以及多層石墨烯的熱介面材料組成，其石墨烯以及多層石墨烯的添加量為0.5~25%體積分率，且多層石墨烯的厚度介於0.35~10奈米。

本發明之發明人經長期研究後發現添加至熱介面材料內的石墨衍生物其材料尺寸、結構完整性、分散前處理對熱介面材料的導熱性能影響很大。目前尚無先前技術揭露添加石墨衍生物顆粒影響熱介面材料的導熱性能之關鍵特性。

因此，本發明之目的在於提供一種熱介面材料組成及其製造方法。根據本發明之熱介面材料組成揭露添加石墨衍生物顆粒影響熱介面材料的導熱性能之關鍵特性。

根據本發明之一較佳具體實施例之熱介面材料組成包含流體基體以及多個石墨衍生物顆粒。流體基體可以是矽油、有機聚矽氧烷、經改質的有機聚矽氧烷、礦物油、環氧樹脂、丙烯酸脂樹脂或上述基體材料的混合物。多個石墨衍生物顆粒係均勻地分佈於流體基體內。多個石墨衍生物顆粒之添加比例為流體基體的30~80重量份(phr)。多個石墨衍生物顆粒之平均尺寸與比容(L/公斤)之乘積範圍為500~5000微米‧升/公斤。多個石墨衍生物顆粒可以由天然石墨、人工石墨、石墨碳管、可膨脹石墨、膨脹石墨、多層石墨烯、單層石墨烯、還原氧化石墨烯或上述石墨衍生物的混合物所形成。熱介面材料組成之導熱係數範圍為6至20 W/mK。

與先前技術相比，根據本發明之熱介面材料組成揭露添加石墨衍生物顆粒影響熱介面材料的導熱性能之關鍵特性-平均尺寸與比容之乘積。

關於本發明之優點與精神可以藉由以下的發明詳述得到進一步的瞭解。

圖1係本發明所採用的石墨碳管之掃描式電子顯微鏡(SEM)照片。

圖2係本發明所採用的單層石墨烯的SEM照片。

圖3係本發明所採用的多層石墨烯的SEM照片。

圖4係本發明所採用的膨脹石墨的SEM照片。

圖5係本發明之熱介面材料組成之導熱係數隨添加不同石墨衍生物顆粒之平均尺寸的變化圖。

圖6係本發明之熱介面材料組成之導熱係數隨添加不同石墨衍生物顆粒之視密度的變化圖。

本發明之發明人經長期研究後發現添加至熱介面材料組成內的石墨衍生物，結晶性較佳、長徑比高之石墨衍生物於適當添加量下，熱介面材料組成的導熱係數可大幅提升。以下將對本發明之較佳具體實施例做詳細說明。但本發明並未限定於以下較佳具體實施例。

根據本發明之一較佳具體實施例之熱介面材料組成包含流體基體以及多個石墨衍生物顆粒。流體基體可以是矽油、有機聚矽氧烷、經改質的有機聚矽氧烷、礦物油、環氧樹脂、丙烯酸脂樹脂或上述基體材料的混合物。多個石墨衍生物顆粒係均勻地分佈於流體基體內。多個石墨衍生物顆粒之添加比例為流體基體的30~80重量份(phr)。

進一步，多個石墨衍生物顆粒之較佳添加比例為流體基體的30~60重量份(phr)。

請參閱圖1、圖2、圖3及圖4，本發明透過掃描式電子顯微鏡(SEM)觀察本發明所使用石墨衍生物顆粒之尺度及微結構分析。圖1為本發明所採用的石墨碳管之SEM照片。圖2為本發明所採用的單層石墨烯的SEM照片。圖3為本發明所採用的多層石墨烯的SEM照片。圖4為本發明所採用的膨脹石墨的SEM照片。本發明所採用的多個石墨衍生物顆粒可以由天然石墨、人工石墨、石墨碳管、可膨脹石墨、膨脹石墨、多層石墨烯、單層石墨烯、還原氧化石墨烯或上述石墨衍生物的混合物所形成。

相較於傳統陶瓷粉體與金屬顆粒，使用石墨、奈米碳管、石墨、烯膨脹石墨等高結晶性石墨衍生物顆粒因其具有極佳之聲子傳遞特性，理論上具有高達1,000W/mK以上之導熱係數，因此近年來，奈米級石墨衍生物成為導熱應用領域之新興填充材料。然而，石墨衍生物的導熱特性深受其尺寸與結構完整性所影響，無論何種石墨衍生物系統，隨著石墨衍生物的結晶性下降以及材料晶界(grain boundary)的增加，其導熱特性則隨其材料缺陷與晶界導致散射行為而呈現急劇之衰退。以奈米石墨衍生物而言，具二維結構的片狀石墨、石墨烯/膨脹石墨等材料，因彼此間有較多的接觸面積會有較顯著的導熱提升效果。當分散之層數愈薄時，在相同的石墨衍生物填充量下即可能形成較好的聯結途徑。因此，石墨衍生物的幾何結構與尺寸成為導熱特性展現的關鍵，其導熱係數與其結晶尺寸之對數呈現一線性關係式，當其結晶尺寸增加時，其導熱係數將隨之增高。在不同石墨衍生物相同的添加量時，其平均尺寸以及視密度倒數與複材導熱係數的散佈圖請參閱圖5及圖6。圖5為本發明之熱介面材料組成之導熱係數隨添加不同石墨衍生物顆粒之平均尺寸的變化，石墨衍生物顆粒之添加比例約為流體基體的30重量份(phr)。圖6為本發明之熱介面材料組成之導熱係數隨添加不同石墨衍生物顆粒之視密度的變化，石墨衍生物顆粒之添加比例約為流體基體的30重量份(phr)。

圖5顯示，本發明之熱介面材料組成的導熱特性與石墨衍生物顆粒的尺寸大致呈現正向的關係，在低添加量下，尺寸愈大的石墨衍生物顆粒系統愈有機會形成較佳的導熱網絡途徑。若導熱係數欲達6W/mK以上，石墨衍生物顆粒的平均尺寸皆落在200μm以上。由圖5及圖6顯示結果不難發現在相同尺寸分佈下，搭配適當的視密度對整體熱介面材料組成的導熱特性呈現相當顯著的差異。

與先前技術不同處，本發明揭示多個石墨衍生物顆粒之平均尺寸與比容(L/公斤)之乘積範圍為500~5000微米‧升/公斤。熱介面材料組成之導熱係數範圍為6至20W/mK。

進一步，本發明揭示多個石墨衍生物顆粒之平均尺寸與比容之乘積的較佳範圍為1000~3500微米‧升/公斤。

關於本發明所採用的石墨衍生物顆粒結構完整性、缺陷、層數等基礎材料特性，本發明藉由Raman(拉曼)光譜的不同振動模式及振動能量以進行分析。典型的石墨衍生物通常會有包含D頻帶(~1300-1350cm^-1)、G頻帶(~1560-1610cm^-1)與2D頻帶(2650-2700cm^-1)等三個特徵峰。D頻帶與G頻帶分別反應不具石墨衍生物的sp3與sp2結構，並可藉由G/D特徵峰之比值作為其結晶性之判定標準。2D頻帶則為雙共振模式(double resonance)，其與石墨衍生物的結構與層數有關。

與先前技術不同處，本發明揭示多個石墨衍生物顆粒之拉曼光譜G特徵峰與D特徵峰的比值範圍為2至100。

進一步，本發明揭示多個石墨衍生物顆粒之拉曼光譜G特徵峰與D特徵峰的較佳比值範圍為3至30。

進一步，本發明之熱介面材料組成還包還多個導熱性顆粒。多個導熱性顆粒係均勻地分佈於流體基體內。多個導熱性顆粒之添加比例為流體基體的50~500重量份。多個導熱性顆粒可以由氧化鋁、氧化鋅、鋁粉、氮化硼或上述材料之混合物所形成。

本發明之熱介面材料組成所採用的石墨衍生物系統，要提高熱介面材料組成的導熱特性，除了須考量石墨衍生物顆粒之平均尺寸與比容之乘積、結晶性較佳之外，還必須考量整體填充量與分散特性。所以，石墨衍生物顆粒與流體基體的相容性必須透過改質技術以改善其與流體基體的混摻性與添加量。

根據本發明之一較佳具體實施例製造之熱介面材料組成方法，首先，添加50~200重量份(phr)之改質劑以及1~50重量份(phr)之分散劑於流體基體內成混合物。

接著，本發明之方法利用機械攪拌對上述混合物進行混合10分鐘。

接著，本發明之方法添加欲定量的石墨衍生物顆粒至混合物內進行混合20分鐘後，再以三滾筒或二滾筒機進行充分混合，即完成本發明之熱介面材料組成。

於一具體實施例中，改質劑可以是氧化鋅粉體，但並不以此為限。氧化鋅粉體的添加有助於本發明之熱介面材料組成整體熱性質的改善。除導熱特性外，氧化鋅粉體的添加可以改善本發明之熱介面材料組成的均勻性與連續性，進一步提升石墨衍生物顆粒添加量與本發明之熱介面材料組成的導熱特性。

於一具體實施例中，分散劑係正辛基三乙氧基矽烷，但並不以此為限。

藉由以上對本發明之較佳具體實施例之詳述，可以清楚了解本發明揭示添加石墨衍生物顆粒影響熱介面材料的導熱性能之關鍵特性-平均尺寸與比容(L/公斤)之乘積範圍以及石墨衍生物顆粒較佳的結晶性。根據本發明之方法所製造的熱介面材料組成具有較佳的均勻性與連續性。

藉由以上較佳具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發明之面向加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍的面向內。因此，本發明所申請之專利範圍的面向應該根據上述的說明作最寬廣的解釋，以致使其涵蓋所有可能的改變以及具相等性的安排。

Claims

一種熱介面材料組成，包含：一流體基體，係選自由矽油、有機聚矽氧烷、經改質的有機聚矽氧烷、礦物油、環氧樹脂、丙烯酸脂樹脂以及上述基體材料之混合物所組成之群組中之其一；以及多個石墨衍生物顆粒，係均勻地分佈於該流體基體內，該多個石墨衍生物顆粒之添加比例為該流體基體的30~80重量份(phr)，該多個石墨衍生物顆粒之平均尺寸係大於200μm，該多個石墨衍生物顆粒之平均尺寸與比容(L/公斤)之乘積範圍為500~5000微米‧升/公斤，該多個石墨衍生物顆粒係由選自由天然石墨、人工石墨、石墨碳管、可膨脹石墨、膨脹石墨、多層石墨烯、單層石墨烯、還原氧化石墨烯以及上述石墨衍生物之混合物所組成之群組中之其一所形成，其中該熱介面材料組成之一導熱係數範圍為6至20W/mK。
如請求項1所述之熱介面材料組成，其中該多個石墨衍生物顆粒之平均尺寸與比容(L/公斤)之乘積範圍為1000~3500微米‧升/公斤。
如請求項1所述之熱介面材料組成，其中該多個石墨衍生物顆粒之添加比例為該流體基體的30~60重量份(phr)。
如請求項1所述之熱介面材料組成，其中該多個石墨衍生物顆粒之拉曼光譜G特徵峰與D特徵峰的比值範圍為2至100。
如請求項4所述之熱介面材料組成，其中該多個石墨衍生物顆粒之拉曼光譜G特徵峰與D特徵峰的比值範圍為3至30。
如請求項1所述之熱介面材料組成，進一步包含：多個導熱性顆粒，係均勻地分佈於該流體基體內，該多個導熱性顆粒之添加比例為該流體基體的50~500重量份(phr)，該多個導熱性顆粒係由選自由氧化鋁、氧化鋅、鋁粉、氮化硼以及上述材料之混合物所組成之群組中之其一所形成。
一種製造如請求項1至5中任一項所述之熱介面材料組成之方法，包含下列步驟：添加50~200重量份(phr)之一改質劑以及1~50重量份(phr)之一分散劑於該流體基體內成一混合物；攪拌、混合該混合物；以及添加該多個石墨衍生物顆粒至該混合物內，並將其充分混合即完成該熱介面材料組成。
如請求項7所述之方法，其中該改質劑係氧化鋅粉體。
如請求項8所述之方法，其中該分散劑係正辛基三乙氧基矽烷。