WO2023024570A1 - 金刚石基导热填料及制备方法、复合导热材料和电子设备 - Google Patents

金刚石基导热填料及制备方法、复合导热材料和电子设备 Download PDF

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WO2023024570A1
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Abstract

本申请提供一种复合导热材料，包括有机基体、导热填料和粘接介质。所述导热填料包括分布在所述有机基体中的多个大粒径颗粒以及多个小粒径颗粒。小粒径颗粒的平均粒径小于大粒径颗粒的平均粒径。多个小粒径颗粒包括多个第一小粒径颗粒和多个第二小粒径颗粒。第一小粒径颗粒粘接在大粒径颗粒的表面，第二小粒径颗粒随机分布在所述有机基体中。粘接介质附着在大粒径颗粒的表面以使第一小粒径颗粒通过粘接介质粘接在大粒径颗粒的表面。本申请还提供包括该复合导热材料的电子设备、金刚石基导热填料及其制备方法。所述复合导热材料的导热系数高且维持良好可应用性。

Description

金刚石基导热填料及制备方法、复合导热材料和电子设备
相关申请的交叉引用
本申请要求在2021年8月26日提交中国专利局、申请号为202110991018.2、申请名称为“金刚石基导热填料及制备方法、复合导热材料和电子设备”的中国专利的优先权，其全部内容通过引用结合在本申请中。
技术领域
本申请涉及导热材料领域，尤其涉及复合导热材料、复合导热材料中的金刚石基导热填料及其制备方法、应用复合导热材料的W电子设备。
背景技术
电子设备中发热功率器件，例如芯片，产生的热量通常需借助散热器实现热量向外部扩散。从微观角度看，芯片与散热器的接触界面为凹凸不平的，通常使用界面导热材料填充在芯片与散热器之间，降低接触热阻。界面导热材料通常包含导热硅脂、导热垫、导热凝胶、相变导热材料、导热胶等；且根据不同的应用场景，可使用不同类型、不同导热系数的界面导热材料。
界面导热材料可采用复合导热材料，而为了提高复合导热材料的导热系数，采用更高导热系数的导热填料是常规手段。当前采用导热系数约为27W/mk的氧化铝填料体系，填料含量重量百分比接近96％，体积百分比接近86％时，导热凝胶最高导热系数约6W/mk。采用氮化铝填料体系时，当填料含量重量百分比接近96％，体积百分比接近86％时导热凝胶导热系数可提升至10～12W/mk，接近采用氮化铝填料体系的能力极限。人工金刚石粉末呈绝缘特性，导热系数通常在1000W/mk以上，理论上采用金刚石填料有可能实现导热凝胶的导热系数提升至12W/mk以上。但金刚石导热填料容易团聚，当金刚石导热填料的体积百分比超过15％，会出现无法分散，胶体成胶成型差，易发生相分离等缺点，从而导致无法进行后端加工。而少量添加金刚石导热填料对导热凝胶导热系数的提升作用不大，难以提升导热凝胶的导热系数至12W/mk以上。
发明内容
本申请实施例第一方面提供了一种复合导热材料，包括：
有机基体；
导热填料，所述导热填料包括：
多个大粒径颗粒，分布在所述有机基体中；
多个小粒径颗粒，
所述小粒径颗粒的平均粒径小于所述大粒径颗粒的平均粒径，所述多个小粒径颗粒包括多个第一小粒径颗粒和多个第二小粒径颗粒；所述第一小粒径颗粒粘接在所述大粒径颗粒的表面，所述第二小粒径颗粒随机分布在所述有机基体中；
粘接介质，所述粘接介质附着在所述大粒径颗粒的表面以使所述第一小粒径颗粒通过所述粘接介质粘接在所述大粒径颗粒的表面。
本申请第一方面的所述复合导热材料，通过第一小粒径颗粒紧密结合在大粒径颗粒的表面，能极大的降低所述复合导热材料内部出现微观空隙的概率，从而所述复合导热材料具有较佳的导热系数。所述复合导热材料的微观导热通路结构为大粒径颗粒-粘接介质-第一小粒径颗粒-其他导热填料颗粒(例如另外一个大粒径颗粒)的相互接触或者搭接所构成。
本申请实施方式中，所述大粒径颗粒的平均粒径为20μm以上。
本申请实施方式中，所述小粒径颗粒的平均粒径为10μm以下。
本申请实施方式中，所述大粒径颗粒的导热系数高于所述小粒径颗粒的导热系数。
所述大粒径颗粒的导热系数通常为导热填料中导热系数最高的，其中大粒径颗粒在所述复合导热材料起到了主要的导热作用，小粒径颗粒对所述复合导热材料的流变性能、稳定性能起关键作用。
本申请实施方式中，所述大粒径颗粒为金刚石颗粒。
所述大粒径颗粒可为人工金刚石、石墨化金刚石；人工金刚石优选为原生料，多晶或者单晶均可，通常导热系数在600W/mk以上，形貌为多面体形貌；所述大粒径颗粒也可以使用破碎后的人工金刚石，这种金刚石填料的导热系数约200～400W/mk，呈不规则颗粒状形貌。
本申请实施方式中，所述金刚石颗粒的氮含量为500ppm以下。
通常金刚石的氮含量越低，其导热系数越高，因此控制所述金刚石颗粒的氮含量为500ppm以下可保证其具有较高的导热系数。
本申请实施方式中，所述小粒径颗粒的材料选自氧化物、氮化物、碳化物、金属、碳材料中的至少一种。
当所述复合导热材料对绝缘性有要求时，所述小粒径颗粒选自氧化物、碳化物、氮化物，所述氧化物可包括氧化铝、氧化锌等；所述氮化物包括氮化硼和氮化硅等；所述碳化物包括碳化硅等；当所述复合导热材料对绝缘性无要求时，小粒径颗粒也可以使用铝、银、金、锡、铜、铟等金属及其金属化合物材质。所述小粒径颗粒的材料还可为碳材料，比如石墨、石墨烯、碳纤维等。
本申请实施方式中，所述有机基体选自有机硅体系、环氧体系、丙烯酸体系、聚氨酯体系、聚酰亚胺体系中的至少一种。
本申请实施方式中，所述有机基体选自加成聚合反应固化型的有机硅体系。
本申请实施方式中，所述粘接介质为无机粘接材料。
所述无机粘接剂可为硅酸盐等粘接助剂，添加溶剂调整粘度后再进行包覆。
本申请实施方式中，所述粘接介质为有机粘接材料，所述粘接介质与所述有机基体选用相同的聚合物体系，且所述粘接介质的分子量低于所述有机基体的分子量。
本申请实施方式中，所述大粒径颗粒与所述小粒径颗粒的粒径比大于20。
所述大粒径颗粒与所述小粒径颗粒的粒径差值越大，同一个大粒径颗粒的表面可粘附的第一小粒径颗粒就越多，总体上会使复合导热材料中导热填料的堆积密度更大。
本申请实施方式中，所述导热填料还包括中粒径颗粒，所述中粒径颗粒的粒径小于所述大粒径颗粒的粒径且大于所述小粒径颗粒的粒径。
所述中粒径颗粒的平均粒径优选为10～20μm，通常在60μm以下。所述中粒径颗粒的种类可为碳化物、氮化物、氧化物、金属粉中的至少一种。
本申请实施方式中，所述小粒径颗粒的比表面积大于1m 2/g。
所述小粒径颗粒的比表面积越大，通常代表其具有较小的粒径。
本申请实施方式中，所述大粒径颗粒经表面处理以增加所述大粒径颗粒表面的羟基含量，所述大粒径颗粒的表面含氧量>10％。
添加大粒径颗粒到所述有机基体之前，先对金刚石颗粒进行表面处理，比如酸化、氧化、沉积氧化物或者氮化铝等方式，使得金刚石颗粒表面含有较多的活性官能团，比如羟基，从而使得金刚石颗粒表面含氧量增加。这种带有较多活性官能团的大粒径颗粒可与有机基体，比如硅油，相容性更好，从而进行高填充量的混合。
本申请实施方式中，所述小粒径颗粒表面含有羟基。
所述小粒径颗粒选用表面含有大量羟基的氧化物体系，例如氧化铝、氧化锌、氧化铁。优选地小粒径颗粒的表面含氧量大于30％，使用X射线光电子能谱进行测试。
本申请实施方式中，所述导热填料总的重量百分比为87％以上。
本申请实施方式中，所有导热填料在所述复合导热材料中的体积百分比为76％以上。
本申请实施方式中，通过所述粘接介质结合在所述大粒径颗粒的表面的小粒径颗粒的数量占所述导热填料中粒径为10μm以下的小粒径颗粒数量的50％以下。
本申请实施例第二方面提供了一种电子设备，其包括电子元件以及设置在所述电子元件上的本申请实施例第一方面所述的复合导热材料的固化产物。
本申请实施方式中，所述电子元件为芯片，所述电子设备还包括设置在所述电子元件上的散热器，所述电子元件与所述散热器之间设置有界面导热材料，所述界面导热材料为本申请实施例第一方面所述的复合导热材料的固化产物。
所述复合导热材料的导热系数高且可应用性良好，可作为界面导热材料，使电子元件的散热效果良好。
本申请实施例第三方面提供了一种复合导热材料，包括：
有机基体；
分布在所述有机基体中的导热填料，所述导热填料包括：
多个大粒径颗粒；
多个自融合导热颗粒，所述自融合导热颗粒为合金颗粒或金属颗粒，所述自融合导热颗粒能够在不高于所述有机基体的固化反应温度下相互融合从而与所述大粒径颗粒形成金属键结合。
使用过程中，将所述复合导热材料加热至指定温度，自融合导热颗粒之间相互结合，同时融合的自融合导热颗粒与大粒径颗粒之间形成金属键结合。微观导热通路结构为大粒径颗粒(例如金刚石)与其它导热填料(自融合导热颗粒)的结合或者紧密结合，且存在一定的概率形成大粒径颗粒(例如金刚石)与自融合导热颗粒或另一个大粒径颗粒(例如金刚石)的结合，而不是通过有机粘接介质(例如硅油)粘接起来。不同的大粒径颗粒可通过融合的自融合导热颗粒实现相互之间的连接，构成导热通路。通过该自融合填料方案可以数量级地降低体系内部的界面热阻，也可以实现具有超低界面热阻的导热通路更大或者更长。
本申请实施方式中，所述大粒径颗粒的导热系数高于所述自融合导热颗粒的导热系数。
所述大粒径颗粒的导热系数通常为导热填料中导热系数最高的，其中大粒径颗粒在所述复合导热材料起到了主要的导热作用，小粒径颗粒对所述复合导热材料的流变性能、稳定性能起关键作用。
本申请实施方式中，所述大粒径颗粒为金刚石颗粒。
本申请实施方式中，所述大粒径颗粒的平均粒径大于5μm。
所述金属颗粒的粒径越小，所述金属颗粒发生自融合反应的可行性及反应程度一般越好。本申请实施方式中，所述金属颗粒包括纳米银、纳米铜、纳米金、微米银、微米铜、微米金中的至少一种。
本申请实施方式中，所述金属颗粒的烧结温度为120度～250度。
本申请实施方式中，所述金属颗粒表面包覆有表面活性剂。
为了金属颗粒在烧结前具有良好的可靠性，一般需要添加表面活性剂包覆金属颗粒，表面活性剂可为聚乙烯毗咯烷酮(PVP)、十六烷基三甲基溴化氨(CTAB)、十二烷基硫酸钠(SDS)、油酸等。所述表面活性剂在一定温度下可挥发，例如固化反应时挥发掉，从而不影响所述金属颗粒的相互融合。
本申请实施方式中，所述合金颗粒的熔点为150度以下。
本申请实施方式中，所述合金颗粒为Sn-Cu、Sn-Al、Sn-Zn、Sn-Pt、Sn-Mn、Sn-Mg、Sn-Ag、Sn-Au、Sn-Bi、Sn-In、Sn-Pd、Sn-Bi-In、Bi-Pb-Sn、Bi-Pb、Al-Li、Ga-In-Sn、Ga-In、Ga-Bi-Pb-In以及Zn-Li中的至少一种。
本申请实施方式中，所述大粒径颗粒的表面具有粘接介质层用以实现所述大粒径颗粒与熔融的所述自融合导热颗粒的结合。
本申请实施方式中，当所述自融合导热颗粒为金属颗粒，所述粘接介质层的材质为所述金属颗粒的金属材料；当所述自融合导热颗粒为合金颗粒，所述粘接介质层的材质为所述合金颗粒中的至少一种金属的金属间化合物。本申请实施方式中，当所述自融合导热颗粒为金属颗粒，则所述自融合导热颗粒在所述导热填料的体积占比在50％～85％。
本申请实施方式中，当所述自融合导热颗粒为合金颗粒，则所述自融合导热颗粒在所述导热填料的体积占比低于50％。
在电子设备使用过程中，为避免固化后的复合导热材料出现界面分层或者导热材料内部开裂等失效问题，需控制所述自融合导热颗粒为适量的。
本申请实施方式中，固化后的所述复合导热材料的导热系数比固化前的所述复合导热材料的导热系数高5倍以上。
本申请实施例第四方面提供了一种导热材料，其为本申请实施例第三方面所述的复合导热材料的固化产物，所述导热材料包括所述自融合导热颗粒相互融合形成的融合体，所述融合体与所述大粒径颗粒金属键结合。
本申请实施例第五方面提供了一种电子设备，包括电子元件以及设置在所述电子元件上的本申请实施例第四方面所述的导热材料。
本申请实施方式中，所述电子设备还包括设置在所述电子元件上的散热器，所述电子元件与所述散热器之间设置有界面导热材料，所述界面导热材料为本申请实施例第四方面所述的导热材料。
所述复合导热材料的导热系数高，可作为界面导热材料，使电子元件的散热效果良好。
本申请实施例第六方面提供了一种金刚石基导热填料，包括：
金刚石颗粒，所述金刚石颗粒为多面体形状；
多个小导热颗粒，包覆在所述金刚石颗粒的表面，所述小导热颗粒的粒径小于所述金刚石颗粒的粒径，所述金刚石颗粒与包覆其的多个小导热颗粒组合的形状趋于球形；
粘接介质，位于所述金刚石颗粒与小导热颗粒之间以及小导热颗粒之间以使所述多个小导热颗粒包覆在所述金刚石颗粒的表面。
本申请所述的金刚石基导热填料，通过采用小导热颗粒包覆在金刚石颗粒的表面，使金刚石基导热填料整体趋于球形，改善了多面体金刚石填料颗粒的表面形貌，避免了其由于表面硬度过高的因素导致的点胶组件磨损严重及芯片散热组件摩擦损伤问题；同时也解决采用高填料含量下金刚石填料制作的导热材料流动性较差，材料应用过程中受压变薄时压缩应力过大的问题。
本申请实施方式中，所述金刚石颗粒与所述小导热颗粒的平均粒径比值大于20。
本申请实施方式中，所述小导热颗粒的材料选自氧化物、氮化物、碳化物、金属、碳材料中的至少一种。
所述小导热颗粒可选自氧化物、碳化物、氮化物；所述氧化物可包括氧化铝、氧化锌等；所述氮化物包括氮化硼和氮化硅等；所述碳化物包括碳化硅等。小导热颗粒也可以使用铝、银、金、锡、铜、铟等金属及其金属化合物材质。所述小导热颗粒的材料还可为碳材料，比如石墨、石墨烯、碳纤维等。
本申请实施方式中，所述小导热颗粒的平均粒径为10μm以下。
本申请实施方式中，所述粘接介质为无机粘接介质。
所述无机粘接剂可为硅酸盐等粘接助剂，添加溶剂调整粘度后再进行包覆。
本申请实施方式中，所述粘接介质为有机粘接介质，所述粘接介质中含添加有与所述有机粘接介质相容的偶联剂。
所述偶联剂用以实现所述粘接介质和金刚石颗粒表面的良好浸润。
本申请实施方式中，所述粘接介质包覆所述金刚石颗粒的厚度不超过所述小导热颗粒包覆所述金刚石颗粒的厚度。
粘接介质包覆所述金刚石颗粒的厚度不超过所述小导热颗粒包覆所述金刚石颗粒的厚度，由此避免金刚石基导热填料的外表面主要是低导热性能的粘接介质，而不是高导热性能的导热颗粒。最理想的情况是在金刚石基导热填料的造粒及煅烧等制作过程中，接近金刚石颗粒的部位粘接介质良好填充，在金刚石基导热填料外露部位粘接介质填充较差，即粘接介质没有填平最外层的小导热颗粒之间，使得金刚石基导热填料的凹凸不平的外表面为一个个相对凸起的小导热颗粒构成。
本申请实施方式中，所述多个小导热颗粒由多种平均粒径<10μm的颗粒组成或者由平均粒径<10μm的多种粒径分布混合组成。
本申请实施方式中，所述金刚石颗粒的导热系数为600W/mk以上，所述金刚石颗粒为人工金刚石或石墨化金刚石。
本申请实施方式中，所述金刚石颗粒与包覆其的多个小导热颗粒组合的形状的球形度在0.7以上。
本申请实施方式中，所述金刚石基导热填料的表面含氧量>5％。
由于金刚石颗粒表面包覆有氧化铝及有机粘接剂，填料表面含氧量显著高于原始的金刚石颗粒，可容易实现在有机基体中的均匀分散，避免相分离。
本申请实施方式中，所述金刚石基导热填料的外表面为外露的小导热颗粒构成。
本申请实施方式中，所述小导热颗粒包覆所述金刚石颗粒的厚度不超过所述小导热颗粒粒径的10倍。
本申请实施方式中，所述金刚石基导热填料的外表面具有凹凸起伏的微结构，所述金刚石基导热填料的比面积为所述金刚石颗粒的比表面积的3倍以上。
通过在所述金刚石颗粒的表面包覆多个小导热颗粒，可有效增大所述金刚石基导热填料的比面积。
本申请实施例第七方面提供了一种复合导热材料，包括有机基体以及分散在所述有机基体中的本申请实施例第六方面所述的金刚石基导热填料。
本申请实施例第八方面提供了一种电子设备，包括电子元件以及设置在所述电子元件上的本申请实施例第七方面所述的复合导热材料的固化产物。
本申请实施方式中，所述电子设备还包括设置在所述电子元件上的散热器，所述电子元件与所述散热器之间设置有界面导热材料，所述界面导热材料为本申请实施例第六方面所述的复合导热材料的固化产物。
本申请实施例第九方面提供了一种金刚石基导热填料的制备方法，包括：
将多个金刚石颗粒和多个小导热颗粒分散在粘接介质中形成浆料，所述金刚石颗粒为多面体状，所述小导热颗粒的粒径小于所述金刚石颗粒的粒径；
使用所述浆料进行造粒成球，使小导热颗粒通过所述粘接介质包覆在金刚石颗粒的表面；
去除多余的粘接介质，使小导热颗粒与金刚石颗粒结合。
本申请实施方式中，所述小导热颗粒的材料选自氧化物、氮化物、碳化物、金属、碳材料中的至少一种。
本申请实施方式中，所述小导热颗粒的平均粒径为10μm以下。
本申请实施方式中，所述粘接介质包覆所述金刚石颗粒的厚度不超过所述小导热颗粒包覆所述金刚石颗粒的厚度。
附图说明
图1是设置有散热器的芯片的结构示意图。
图2是封装芯片的结构示意图。
图3是本申请第一实施例的复合导热材料的示意图。
图4是本申请第二实施例的复合导热材料的示意图。
图5是本申请第二实施例的复合导热材料中的导热填料的加工过程示意图。
图6是本申请第三实施例的复合导热材料含有的金刚石基导热填料的示意图。
图7是本申请第三实施例的复合导热材料的制备流程图。
主要元件符号说明
电路板 51
芯片 53
散热器 55
界面导热材料 57
散热盖 59
复合导热材料 100a、100b
有机基体 10
大粒径颗粒 31
粘接介质 32
小粒径颗粒 33
第一小粒径颗粒 33a
第二小粒径颗粒 33b
中粒径颗粒 35
自融合导热颗粒 37
粘接介质层 34
金刚石基导热填料 200
金刚石颗粒 20
小导热颗粒 40
具体实施方式
下面结合本申请实施例中的附图对本申请实施例进行描述。本申请中涉及的数据范围如无特别说明，均应包括端值。
电子设备中通常设置有很多发热的电子元器件，例如芯片。高温将会对电子元器件的稳定性、可靠性和寿命产生有害的影响，譬如过高的温度会危及半导体的结点，损伤电路的连接界面，增加导体的阻值和造成机械应力损伤等。如图1所示，电路板51上设置有发热功率器件或发热模组，本实施例中以所述发热功率器件为芯片53为例进行说明，芯片53上设置有散热器55。然而，芯片53和散热器55的接触界面之间通常存在细微的凹凸不平的空隙，如果将芯片53和散热器55直接安装在一起，芯片53和散热器55之间会存在很多的空气间隙。因为空气热导率只有0.024W/(m·K)，是热的不良导体，将导致电子元件与散热器间的接触热阻非常大，严重阻碍热量的传导，最终造成散热器55的效能低下。因此，芯片53与散热器55之间填充有界面导热材料57，以排除芯片53与散热器55之间的空气间隙，在芯片53与散热器55之间建立有效的热传导通道，可大幅度降低接触热阻，使散热器55的作用得到充分地发挥。
所述芯片53可为裸芯片或者上方设置有散热盖的球状引脚栅格阵列(Ball Grid Array，BGA)封装芯片。如图2所示的BGA封装芯片，芯片53与散热盖59之间也填充有界面导热材料57，所述界面导热材料57用以降低所述芯片53与所述散热盖59之间的接触热阻，使芯片53产生的热量能够有效传导至散热盖59。
然而，如果上述的界面导热材料57的导热效果不佳，将会极大的影响芯片53的散热效果。
因此，本申请提供一种导热系数高且维持良好可应用性的复合导热材料，其可作为界面导热材料使用。
第一实施例
如图3所示，本申请第一实施例的复合导热材料100a，包括有机基体10和分布在所述有机基体10中的导热填料。所述导热填料包括多个大粒径颗粒31和多个小粒径颗粒33。大粒径颗粒31随机、无规则地分布在所述有机基体10中。所述多个小粒径颗粒33包括多个第一小粒径颗粒33a和多个第二小粒径颗粒33b。第一小粒径颗粒33a通过粘接介质32结合在所述大粒径颗粒31的表面，第二小粒径颗粒33b随机分布在所述有机基体10中。随机分布在所述有机基体10中的第二小粒径颗粒33b未被粘接介质32所粘接从而没有结合在所述多个大粒径颗粒31的表面。粘接介质32附着在所述大粒径颗粒31的表面以使所述第一小粒径颗粒33a通过所述粘接介质32粘接在所述大粒径颗粒31的表面。
通常，将有机基体与导热填料搅拌分散的过程中，小粒径颗粒之间易出现局部富集或者局部团聚，大粒径颗粒和小粒径颗粒之间出现相分离现象，部分大粒径颗粒与其周边填料颗粒、大粒径颗粒与有机基体之间易存在局部空隙/孔洞。而复合导热材料中的空隙/孔洞会极大降低其导热系数，因此降低复合导热材料的空隙率有助于提升其导热系数，理论上空隙率越低越好。
本申请的所述复合导热材料100a，通过第一小粒径颗粒33a紧密结合在大粒径颗粒31的表面，显著降低大粒径颗粒31周围存在局部空隙的概率，即能极大的降低所述复合导热材料100a内部出现微观空隙的概率，因此所述复合导热材料100a具有较佳的导热系数。
本申请的所述复合导热材料100a，微观导热通路结构由大粒径颗粒31(例如金刚石)、粘接介质32、小粒径颗粒33、其他导热填料颗粒(例如另外一个大粒径颗粒31)的相互接触或者搭接所构成。
所述大粒径颗粒31的平均粒径高于所述小粒径颗粒33的平均粒径，通常为导热填料中平均粒径最大的。一些实施例中，例如所述复合导热材料100a作为图1所示的界面导热材料57使用时，所述大粒径颗粒31的平均粒径为20μm以上。一些实施例中，所述大粒径颗粒31的平均粒径为40μm～250μm；另一些实施例中，所述大粒径颗粒31的平均粒径为60μm～160μm。
一些实施例中，所述大粒径颗粒31的导热系数高于所述小粒径颗粒33的导热系数；通常为导热填料中导热系数最高的。所述大粒径颗粒31可为金刚石颗粒，如人工金刚石、石墨化金刚石。人工金刚石优选为原生料，多晶或者单晶均可，通常导热系数在600W/mk以上，形貌为多面体形貌。所述大粒径颗粒31也可以使用破碎后的人工金刚石，这种金刚石填料的导热系数约为200～400W/mk，呈不规则颗粒状形貌。金刚石颗粒通常不是球形，其球形度推荐0.5～1，更优选为0.7～1。
理论上，所述大粒径颗粒31的材质除了金刚石之外，可以为氮化铝、氮化硼、氮化硅等高导热系数的氮化物，碳化硅等高导热系数的碳化物，或者，也可以为铜、银、铝、金、铟、锡等金属及其金属化合物。
本申请实施例中，上述人工金刚石的氮含量为500ppm以下，例如100ppm～300ppm，或者100ppm以下。氮含量通过元素分析杜马斯法(燃烧法)进行测定。通常金刚石的氮含量越低，其导热系数越高。
本申请实施例中，对上述金刚石颗粒的粒径进行严格的卡断处理，建议最大粒径与平均粒径差值少于30μm，推荐差值少于20μm，更优选地差值少于10μm。上述粒径分布测量手段采用干法激光粒度仪(马尔文帕纳科，Mastersizer 3000)进行测定。
小粒径颗粒33的粒径为10μm以下。一些实施例中，小粒径颗粒33的平均粒径为3μm以下；另一些实施例中，小粒径颗粒33的平均粒径为1μm以下。
所述小粒径颗粒33的材料选自氧化物、氮化物、碳化物、金属、碳材料中的至少一种。所述氧化物可包括氧化铝、氧化锌等；所述氮化物包括氮化硼和氮化硅等；所述碳化物包括碳化硅等；金属包括铝、银、金、锡、铜、铟等金属及其金属化合物等，碳材料包括如石墨、石墨烯、碳纤维等，但不以此为限。所述小粒径颗粒33通常可采用亚微米级氧化铝、纳米氧化锌、纳米氮化硼、纳米氮化硅等及其混合物。第一小粒径颗粒33a与第二小粒径颗粒33b的材质可相同，也可不同。多个第一小粒径颗粒33a可以是一种材质，也可以是多种材质。多个第一小粒径颗粒33a可以是一种粒径分布，也可以有多个粒径分布。多个第二小粒径颗粒33b可以是一种材质，也可以是多种材质。多个第二小粒径颗粒33b可以是一种粒径分布，也可以 有多个粒径分布。
当所述复合导热材料对绝缘性有要求时，所述小粒径颗粒33选自氧化铝、氧化锌等氧化物或者氮化铝等氮化物。当所述复合导热材料对绝缘性无要求时，小粒径颗粒33也可以使用铝、银、金、锡、铜、铟等金属及其金属化合物材质。
一些实施例中，所述小粒径颗粒33选用表面含有大量羟基的氧化物体系，例如氧化铝、氧化锌、氧化铁。优选地小粒径颗粒33的表面含氧量大于30％，使用X射线光电子能谱进行测试。上述小粒径颗粒33的比表面积应大于1m 2/g，推荐大于2m 2/g。
所述小粒径颗粒33的形貌可以为片状、针状、纤维状、球形或者类球形。优选地，小粒径颗粒33形状为球形。
所述有机基体10，也可称为聚合物基体，作为连续相将复合导热材料中的分散相(比如各种导热填料)固定在有机基体10中，构成宏观的复合导热材料。所述有机基体10选自有机硅体系、环氧体系、丙烯酸体系、聚氨酯体系、聚酰亚胺体系中的至少一种。复合导热材料100a在产品中使用时，例如图1中的应用场景中使用时，复合导热材料100a为固化后的产品，固化主要是指所述有机基体10的固化。
所述有机基体10作为可固化的聚合物，包括有机硅聚合物、环氧聚合物、氨基甲酸酯聚合物、酚类聚合物、不饱和聚酯、聚酰亚胺类聚合物、烯腈丁二烯橡胶、乙烯-丙烯-二烯橡胶、乙烯-丙烯橡胶、天然橡胶、聚丁二烯橡胶、聚异戊二烯橡胶、聚酯系、聚氨酯等。
一些实施例中，所述有机基体10的材质优选为有机硅橡胶、硅油、有机硅树脂等有机硅、或者环氧树脂，更优选为有机硅。有机硅可以为缩合固化型有机硅体系、加成反应固化型有机硅体系中的任一者，优选为加成反应固化型的有机硅体系，更优化为加成聚合反应固化型的有机硅橡胶。本申请中，硅油是有机聚硅氧烷的通俗叫法。
其中，加成反应固化型有机硅橡胶包括含烯基的有机聚硅氧烷、含氢基(Si-H基)的有机聚硅氧烷等两大类基础硅油组分，通常还会添加交联剂、偶联剂、催化剂、抑制剂等功能助剂。
其中，含烯基的有机聚硅氧烷可包括乙烯基两末端聚二甲基硅氧烷、乙烯基两末端聚苯基甲基硅氧烷、乙烯基两末端二甲基硅氧烷-二苯基硅氧烷共聚物、乙烯基两末端二甲基硅氧烷-苯基甲基硅氧烷共聚物、乙烯基两末端二甲基硅氧烷-二乙基硅氧烷共聚物等乙烯基两末端有机聚硅氧烷。
上述含烯基的有机聚硅氧烷在25℃下的粘度优选为5mPa·s以上且10000mPa·s以下，优选为30mPa·s以上且500mPa·s以下。
其中，含氢基的有机聚硅氧烷分子上的硅原子键合的氢原子的数目为2个以上，优选为2～50个。例如，甲基氢硅氧烷-二甲基硅氧烷共聚物、聚甲基氢硅氧烷、聚乙基氢硅氧烷、甲基氢硅氧烷-苯基甲基硅氧烷共聚物等含氢有机聚硅氧烷。其中含氢基的有机聚硅氧烷与含烯基的有机聚硅氧烷的摩尔比优选为0.3～3。
上述含氢基的有机聚硅氧烷在25℃下的粘度无特定的限定，优选为1mPa·s以上且1000mPa·s以下，能够与含烯基的有机聚硅氧烷进行混合固化，形成物性良好的聚合物。上述有机聚硅氧烷的粘度都是采用旋转粘度计进行测定。
此外，在使用固化性有机硅聚合物作为有机基体10的情况下，需配合贵金属催化剂使用。贵金属催化剂可为铂系催化剂、钯系催化剂、铑系催化剂等。优选地，采用铂系催化剂，例如单质铂、氧铂酸、铂-烯烃络合物、铂-醇络合物、铂配位化合物等铂系催化剂。上述催化 剂的含量为0.1ppm～300ppm，优选为0.1ppm～200ppm。
为了提高复合导热材料100a的存放期、适用期，抑制Si-H基等活性官能团在室温下发生副反应(氢化硅烷化反应)而被提前消耗掉，复合导热材料100a中需添加抑制剂。抑制剂可为1-乙炔基-1-环己醇、3-丁炔-1-醇等炔属化合物、异氰脲酸三烯丙酯和异氰脲酸三烯丙酯衍生物等各种氮化合物、三苯基膦等有机磷化合物等。上述抑制剂的含量为复合导热材料100a的0.01wt％～5wt％，优选为0.1wt％～1wt％。
所述粘接介质32将所述小粒径颗粒33紧密结合在所述大粒径颗粒31的表面。所述粘接介质32发挥紧密固定的过程可以是在大粒径颗粒31添加在有机基体10之前完成，比如提前通过粘接介质32将小粒径颗粒33包覆在大粒径颗粒31表面，也可以是在大粒径颗粒31已添加在有机基体10中后完成。
所述粘接介质32包覆所述大粒径颗粒31的厚度通常在10μm以下，优选为1μm以下。
所述粘接介质32可以和有机基体10为同类材质，也可以为不同类的材质。粘接介质32可以为无机粘接剂。无机粘接剂可以是黏土、磷酸盐、硅酸盐等。无机粘接剂可添加溶剂调整粘度后再进行包覆所述小粒径颗粒33的操作。粘接介质32也可以为有机粘接剂，有机粘接剂可以是聚乙烯醇(Polyvinyl Alcohol，PVA)、乙烯-醋酸乙烯共聚物(Ethylene Vinyl Acetate，EVA)、聚乙烯醇缩丁醛(Polyvinyl Butyral，PVB)等陶瓷粉体造粒常用的粘接材料，可添加溶剂显著降低有机粘接剂的粘度，实现大小粒径颗粒在有机粘接剂溶液中的均匀分散。粘接介质32可通过共价键或者离子键或者金属键等化学键结合力将小粒径颗粒33粘附在大粒径颗粒31的表面。
一些实施例中，所述粘接介质32为与有机基体10同质的材料，即所述粘接介质32与所述有机基体10选用相同的聚合物体系。比如，有机基体10的材质为有机硅，则所述粘接介质32的材质也为有机硅。以有机硅的有机基体10为例，所述粘接介质32为具有一定重复数量的-O-Si-键构成的有机硅氧烷。
一些实施例中，粘接所述第一小粒径颗粒33a的有机硅氧烷材料的硅氧键数量低于作为所述有机基体10的有机硅主体分子的硅氧键数量，即粘接用硅油的分子量低于有机硅油基体的分子量。也即，所述有机粘接介质32的分子量低于所述有机基体10的分子量。
一些实施例中，所述大粒径颗粒31(例如金刚石颗粒)、小粒径颗粒33的表面都含有一定量的羟基(-OH)活性官能团。优选所述粘接介质32，例如粘接硅油通过C-O-Si键和金刚石颗粒之间形成粘附，其中碳原子来自于金刚石。所述粘接硅油通过-O-Si键与小粒径颗粒33之间形成粘附。
一些实施例中，所述粘接介质32之硅油可以和有机基体10之硅油的聚硅氧分子链的末端具有相同的端基反应官能团，比如对于加成聚合有机硅体系而言，可以为乙烯基硅油，也可以为氢基硅油。当所述粘接介质32之硅油为乙烯基硅油时，有机硅基体中至少添加有两种不同分子量大小的乙烯基硅油。当所述粘接介质32之硅油为氢基硅油时，有机硅基体中至少添加有两种不同分子量大小的氢基硅油。
一些实施例中，所述粘接硅油可以为聚硅氧分子链的末端的另一端为可与-OH官能团反应的官能团，比如羧基、环氧基、羰基、双键、胺基、酰氯基、酯基、羟基、卤基等。
一些实施例中，所述粘接硅油也可以为聚硅氧分子链的末端的另一端为非活性官能团，比如烷基等。在这种情况下所述有机硅基体中还可添加可与所述粘接硅油的端基官能团反应的硅烷偶联剂，比如乙烯基硅烷偶联剂、氢基硅烷偶联剂。
所述大粒径颗粒31的表面含氧量>10％。以金刚石颗粒为例，为了改善金刚石颗粒的分散性，可在添加金刚石颗粒至所述有机基体10之前，对金刚石颗粒进行表面处理，比如酸化、氧化、沉积氧化物或者氮化铝等方式，使得金刚石颗粒表面含有较多的活性官能团，比如羟基，使得金刚石颗粒表面含氧量增加。这种带有较多活性官能团的大粒径颗粒31可与有机基体10，比如硅油，相容性更好，从而实现高填充量的混合。同时，硅烷偶联剂也更容易在这种表面有较多活性官能团的大粒径颗粒31上进行表面包覆，使得通过硅烷化合物进行了表面处理的大粒径颗粒31与高分子的有机基体10易于混合，可增加所述复合导热材料中的大粒径颗粒31的量。
一些实施例中，所述粘接硅油也可包括一个端基官能团为活性官能团，且可与-OH官能团反应的官能团，比如羧基、环氧基、羰基、双键、胺基、酰氯基、酯基、羟基、卤基等。
所述粘接硅油与大粒径颗粒31、小粒径颗粒33的粘附固定可以与主体有机硅基体的固化反应同步开展，也可以提前单独进行。
为了改善有机粘接介质32与大粒径颗粒31之间的粘接力，可添加有有机粘接剂相容的偶联剂，实现有机粘接介质32与大粒径颗粒31表面的良好浸润。
一些实施例中，所述大粒径颗粒31的平均粒径为所述小粒径颗粒33的平均粒径的20倍以上。优选所述大粒径颗粒31的平均粒径与所述小粒径颗粒33的平均粒径比值范围为30～1000，更优选粒径比值范围为50～500。所述大粒径颗粒31与所述小粒径颗粒33的粒径差值越大，同一个大粒径颗粒31的表面可粘附的第一小粒径颗粒33a就越多，总体上会使复合导热材料100a中导热填料的堆积密度更大。
所述导热填料除了包括上述的大粒径颗粒31和小粒径颗粒33以外，还可选择性地包括其它导热颗粒。
例如，当所述大粒径颗粒31与所述小粒径颗粒33的粒径比大于20时，所述导热填料还包括中粒径颗粒35，如图3所示。所述中粒径颗粒35的平均粒径小于所述大粒径颗粒31的平均粒径且大于所述小粒径颗粒33的平均粒径。
例如，当大粒径颗粒31与小粒径颗粒33的粒径比大于60时，所述导热填料还包括两种及以上不同粒径的中粒径颗粒35。
所述中粒径颗粒35的平均粒径优选为10～20μm，通常在60μm以下。所述中粒径颗粒35的种类可为碳化物、氮化物、氧化物、金属中的至少一种。所述中粒径颗粒35还可优选选用导热系数大于10W/mK的导热填料，例如金刚石、氮化铝、立方氮化硼等材料体系。
所述导热填料中，依照平均粒径大小进行排序分组，平均粒径相邻的两组颗粒中，粒径较大的那组颗粒与粒径较小那组颗粒的粒径比值小于40，优先小于30，更优选小于20。更具体地说明，大粒径颗粒31与小粒径颗粒33的粒径比大于60时，优选采用四种以上粒径分布的导热填料，一实施例中，导热填料按照粒径从大到小分组，包括大粒径颗粒31、第一中粒径颗粒、第二中粒径颗粒、小粒径颗粒，其中大粒径颗粒31与第一中粒径颗粒的粒径比低于40，第一中粒径颗粒与第二中粒径颗粒的粒径比小于40，第二中粒径颗粒与小粒径的粒径比小于40。
所述导热填料的总含量指的是所述复合导热材料中的大粒径颗粒31、中粒径颗粒35(如果有)、小粒径颗粒33的总含量。
所述导热填料总的重量占所述复合导热材料的87％以上，优选为90％以上，更优选在93％以上，通常极限重量百分比不超过98％。
所有导热填料在所述复合导热材料中的体积百分比为76％以上，优选为80％以上，更优化为83％以上，通常体积百分比不超过88％。
包覆在所述大粒径颗粒31的表面的小粒径颗粒33的数量占所述导热填料中粒径为10μm以下的小粒径颗粒33数量的50％以下，优选为20％以下。
其中大粒径颗粒31在所述复合导热材料100a起到了主要的导热作用，大粒径颗粒31的体积分数占所述复合导热材料100a的20％～60％，一般不超过60％，否则会导致复合导热材料相分离，力学性能较差的问题。大粒径颗粒31的体积分数占所述复合导热材料100a的优选为40～55％，更优化为45～50％。
中粒径颗粒35和小粒径颗粒33对所述复合导热材料的流变性能、稳定性能起关键作用。一般推荐中粒径颗粒35和小粒径颗粒33总的体积分数占所述复合导热材料的5％～25％，优选为8％～20％以上，更优化为12％～18％，以获得较佳的填充效果。
复合导热材料100a中的导热填料中，粒径低于10μm的小粒径颗粒33的体积百分比需低于50％，从更优的流动性考虑，粒径低于10μm的小粒径颗粒33的总体积优选为20％以下。
采用上述加成聚合固化型的有机硅橡胶作为有机基体10制作成所述导热复合材料时，导热复合材料可以制作成双组分体系，也可以制作为单组分体系。双组分体系是指所述各种导热填料添加在所述有机基体中以后，作为两个组分分开存储，使用时再将两个组分混合，例如两个组分混合后施加在电子设备的芯片及散热器之间，然后在常温下或者高温加热进行固化。单组分体系是指所述各种导热填料添加在所述有机基体中以后制作成单个组分进行存储，可以在所述复合导热材料出厂前固化，也可以在导热材料使用时再固化，例如施加在芯片与散热器之间时固化。
为了提高导热填料与有机基体10之间的润湿性及相互作用力，防止导热填料之间团聚而增大粘度，需在混合过程过中添加表面处理剂进行处理。其中，所上述的表面处理剂可为硅烷化合物、有机钛化合物、有机铝化合物、磷酸化合物等表面处理剂等进行表面处理，优选通过硅烷化合物进行表面处理。
作为表面处理剂使用的硅烷化合物，没有特别限制，可为烷氧基硅烷类、氯硅烷类，优选为烷氧基硅烷类。可举例为2-(3,4-环氧环己基)乙基三甲氧基硅烷、3-环氧丙氧基丙基三甲氧基硅烷、3-环氧丙氧基丙基甲基二乙氧基硅烷、3-环氧丙氧基丙基三乙氧基硅烷、3-(甲基)丙烯酰氧基丙基甲基二甲氧基硅烷、3-(甲基)丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、3-(甲基)丙烯酰氧基丙基甲基二乙氧基硅烷、3-(甲基)丙烯酰氧基丙基三乙氧基硅烷、3-氨基丙基三甲氧基硅烷、3-氨基丙基三乙氧基硅烷、N-苯基-3-氨基丙基三甲氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷、3-巯基丙基三甲氧基硅烷、3-巯基丙基甲基二甲氧基硅烷、芳基三烷氧基硅烷、烷基三烷氧基硅烷等三烷氧基硅烷、二烷基二烷氧基硅烷、二芳基二烷氧基硅烷等二烷氧基硅烷、甲基三甲氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷、正丙基三甲氧基硅烷、正丙基三乙氧基硅烷、正己基三甲氧基硅烷、正己基三乙氧基硅烷、正辛基三乙氧基硅烷、正癸基三甲氧基硅烷等烷基的碳原子数为1～10左右的烷基三烷氧基硅烷等。
此外，本申请的复合导热材料100a还可根据需要添加抗氧化剂、热稳定剂、着色剂、阻燃剂、抗静电剂等一般所使用的添加剂。
第二实施例
如图4所示，本申请第二实施例的复合导热材料100b，包括有机基体10和分布在所述有机基体10中的导热填料。所述导热填料包括多个大粒径颗粒31和多个自融合导热颗粒37。 在不高于所述有机基体10的固化温度下，所述自融合导热颗粒37为能够相互融合、可发生焊接反应的合金颗粒，或者相互融合、发生烧结生长效应的金属颗粒。所述自融合导热颗粒37可在指定温度(不高于所述有机基体10的固化温度)下相互融合从而与所述大粒径颗粒31形成金属键结合。本申请实施例中的金属键结合，指所述大粒径颗粒31与融合的自融合导热颗粒37结合而二者之间并不存在有机的粘接介质，二者之间的粘接介质为金属或者金属间化合物。
复合导热材料100b使用时，例如图1中的应用场景中使用时，需将所述复合导热材料100b加热至指定温度进行固化，固化主要是指所述有机基体10的固化，固化过程中，自融合导热颗粒37相互融合，使融合的自融合导热颗粒37相互之间、融合的自融合导热颗粒37与大粒径颗粒31等其它填料之间接触结合。自融合导热颗粒37相互融合后形成连结成一体的融合体(图未示)，微观上可能不再是一个个相互独立的颗粒。复合导热材料100b固化后形成的导热材料包括：固化后的有机基体10、分散在固化后的有机基体10中的大粒径颗粒31、自融合导热颗粒37相互融合形成的融合体，所述融合体与所述大粒径颗粒31形成金属键结合。不同的大粒径颗粒31可通过所述融合体实现相互之间的连接，构成导热通路。
所述大粒径颗粒31的粒径大于所述自融合导热颗粒37的粒径，通常为导热填料中粒径最大。所述大粒径颗粒31的平均粒径大于5μm。一些实施例中，所述大粒径颗粒31的平均粒径为20μm以上。一些实施例中，所述大粒径颗粒31的平均粒径为40μm～250μm；另一些实施例中，所述大粒径颗粒31的平均粒径为60μm～160μm。
一些实施例中，所述大粒径颗粒31的导热系数高于所述自融合导热颗粒37的导热系数；通常为导热填料中导热系数最高的。所述大粒径颗粒31为金刚石颗粒，如人工金刚石、石墨化金刚石。人工金刚石优选为原生料，多晶或者单晶均可，通常导热系数在600W/mk以上，形貌为多面体形貌。所述大粒径颗粒31也可以使用破碎后的人工金刚石，这种金刚石填料的导热系数约200～400W/mk，呈不规则颗粒状形貌。金刚石颗粒通常不是球形，其球形度推荐0.5～1，更优选为0.7～1。
本申请实施例中，上述人工金刚石的氮含量在500ppm以下，例如100ppm～300ppm，或者100ppm以下。氮含量通过元素分析杜马斯法(燃烧法)进行测定。
本申请实施例中，对上述金刚石颗粒的粒径进行严格的卡断处理，建议最大粒径与平均粒径差值少于30μm，推荐差值少于20μm，更优选地差值少于10μm。上述粒径分布测量手段为干法激光粒度仪(马尔文帕纳科，Mastersizer 3000)进行测定。
本申请第二实施例中的有机基体10的材料、成分等特征与第一实施例的有机基体10相同，在此不再赘述。
本实施例的自融合填料技术方案，如图4所示，微观导热通路结构为大粒径颗粒31(例如金刚石颗粒)与其它导热填料(融合的自融合导热颗粒37)的结合或者紧密结合，且存在一定的概率形成大粒径颗粒31(例如金刚石)通过自融合导热颗粒37的融合体与另一个大粒径颗粒31(例如金刚石)的结合，而不是通过有机粘接介质(例如硅油)粘接起来。这种结合界面不存在有机粘接介质等低导热性能界面层，属于金属键结合。由于有机粘接介质(例如硅油)的导热系数较低，声子传热模态(晶格构型)与无机非材料和金属材料相差较大，继而通过本实施例的自融合填料方案可以数量级地降低体系内部的界面热阻，也可以实现具有超低界面热阻的导热通路更大或者更长。从理论计算，界面热阻从10 -6m 2K/W降低至10 -7m 2K/W，复合导热材料的导热系数可成倍提升。采用这种自融合填料技术方案，预计复合 导热材料的导热系数可提升至40W/mK以上，甚至100W/mK以上。
以自融合导热颗粒37采用纳米金属颗粒为例，将大粒径颗粒31(例如金刚石颗粒)、纳米金属颗粒、其它粒径填料均匀分散在有机基体10中，当复合材料体系加热至指定温度，纳米金属颗粒之间可自发产生烧结反应，融合在一起形成更大的导热通路结构，且部分融合的纳米金属与金刚石颗粒表面相结合，形成更大的导热通路结构。
所述金属颗粒可包括纳米银、纳米铜、纳米金、微米银、微米铜、微米金中的至少一种。一实施例中，所述金属颗粒可分为包覆在大粒径颗粒31周围的金属颗粒和随机分布在有机基体10的金属颗粒。一些实施例中，包覆在大粒径颗粒31周围的金属颗粒的粒径推荐低于5μm，优选低于1μm；随机分布的金属颗粒的粒径推荐低于25μm，优选低于10μm。上述金属颗粒的平均粒径约为所述大粒径颗粒31(例如金刚石颗粒)平均粒径的1/50以下，即尺寸为10nm～1000nm，更优选地，为10nm～500nm。通常所述金属颗粒的粒径越小，所述金属颗粒发生自融合反应的可行性及反应程度一般越好。
所述金属颗粒的烧结温度为120度～250度，更优的烧结温度为150度～200度。使用所述复合导热材料100b需进行加热烧结，以使所述金属颗粒产生烧结生长效应。烧结时，可施加一定压力，推荐的压力大于10psi，为了更好地烧结键合，更优的施加压力大于20psi。
为了金属颗粒在烧结前具有良好的可靠性，一般需要添加表面活性剂包覆金属颗粒。该表面活性剂可为聚乙烯毗咯烷酮(PVP)、十六烷基三甲基溴化氨(CTAB)、十二烷基硫酸钠(SDS)、油酸等。所述表面活性剂在一定温度下可挥发，例如固化反应时挥发掉，从而不影响所述金属颗粒的相互融合。
所述自融合颗粒与其它导热填料的体积分数比例为:自融合颗粒/其它导热填料＝1/50～5/1的范围内。
以自融合导热颗粒37采用合金颗粒为例，在有机基体10比如有机硅中，添加含有大粒径颗粒31(例如金刚石颗粒)、低熔点的合金颗粒、其它导热填料，将各种导热填料在有机基体10中分散均匀后制作成导热复合材料。这种材料体系通常设计为在实际电子设备使用过程中进行固化，且固化方式通常为加热固化，典型的固化加热温度为100度～150度。
所述合金颗粒的熔点为150度以下，优选熔点为50度～150度范围内，更优选熔点为70度～150度范围内的低熔点合金。使用所述复合导热材料100b需进行加热，以使所述合金颗粒相互融合、发生焊接反应。所述合金颗粒发生相互融合的温度不高于所述有机基体10的固化反应温度。
所述合金颗粒为Sn-Cu、Sn-Al、Sn-Zn、Sn-Pt、Sn-Mn、Sn-Mg、Sn-Ag、Sn-Au、Sn-Bi、Sn-In、Sn-Pd、Sn-Bi-In、Bi-Pb-Sn、Bi-Pb、Al-Li、Ga-In-Sn、Ga-In、Ga-Bi-Pb-In以及Zn-Li中的至少一种，但不以此为限。一些实施例中，所述合金颗粒的熔点在150度以下，优选熔点在50度～150度范围内，更优选熔点在70度～150度范围内，比如Sn-Bi、Sn-In、含Ga低熔点合金。
在加热固化温度下，低熔点的合金颗粒会熔化，并与周边的导热颗粒形成良好浸润并结合，也可以通过发生焊接反应形成紧密结合，最终形成超低界面热阻且更大、更长的导热通路。与自烧结的金属颗粒方案相比的主要差异在于采用低熔点合金替代纳米金属颗粒实现金刚石/导热填料的直接结合导热通路。
优选的，复合导热材料中大粒径颗粒31为金刚石颗粒，小粒径颗粒33为低熔点的合金颗粒。但一些实施例中，所述低熔点合金颗粒的粒径也可以比所述金刚石颗粒的粒径更大。
为了改善熔化后的低熔点的合金成分可与大粒径颗粒31表面形成低界面热阻的结合或者焊接，或者提升低熔点的合金成分与大粒径颗粒31结合的概率，可在有机基体10中添加一定量的助焊剂，如松香、酚醛树脂、丙烯酸树脂、氯乙烯树脂、聚氨酯等助焊剂。
上述低熔点合金与其它导热填料的体积分数比为:低熔点合金/导热填料＝1/50～5/1的范围内。
如图5所示，所述大粒径颗粒31的表面预先包覆粘接介质层34。本实施例中，所述粘接介质层34是焊接类或者烧结类的粘接介质，但不以此为限。所述粘接介质层34使所述融合的自融合导热颗粒37能够与所述大粒径颗粒31之间形成金属键结合。
当所述自融合导热颗粒37为可通过自烧结反应与大粒径颗粒31实现相互融合的金属颗粒时，所述粘接介质层34的材料为与小粒径颗粒33相容的金属，优选与小粒径颗粒33相同的金属材料，例如所述粘接介质层34的材料为所述金属颗粒的金属材料。比如纳米金属颗粒为纳米银时，所述粘接介质层34的材质为金属银。
当所述自融合导热颗粒37为可通过焊接反应与大粒径颗粒31实现相互融合的合金颗粒时，所述粘接介质32可为所述合金颗粒中的至少一种金属(同质相容)、与所述合金颗粒具备焊接相容(焊接相容指可发生金属间扩散、融合等固相反应)的金属、或者焊接反应生成的金属间化合物，但不以此为限。金属间化合物可为所述合金颗粒中的一种金属的金属间化合物，比如含Sn、含Ga、含In的金属间化合物，金属间化合物也可为锡铟、镓锡等。所述大粒径颗粒31表面包覆与低熔点的合金颗粒具备焊接相容性的金属材料；比如所述低熔点的合金颗粒为AuSn、SnPd、SnAg、SnBi、SnIn等材料体系时，大粒径颗粒31表面的金属材料材质可以为Au、Ag、Ni、Sn、Al等。
所述大粒径颗粒31表面的粘接介质层34可采用沉积、蒸镀、离子镀等方式形成，也可以是采用包覆法等方法包裹。
当大粒径颗粒31的表面材质为与纳米金属颗粒同质的金属材料，推荐大粒径颗粒31表面的金属材料呈微米级甚至纳米级凹凸不平状。如图5所示，具体为：先在大粒径颗粒31(例如金刚石颗粒)的表面溅镀一粘接介质层34，如铝、银、钛等金属作为粘接介质层34，然后在粘接介质层34上沉积包裹一层自融合导热颗粒37，比如纳米银粉、纳米铜粉或者纳米金粉等。所述复合导热材料经低温烧结固化后，自融合导热颗粒37相互融合，大粒径颗粒31(例如金刚石)可通过自融合导热颗粒37的融合而与另一个大粒径颗粒31(例如金刚石颗粒)结合。
虽然采用上述两种自融合导热颗粒37实现的复合导热材料可实现超高导热系数，但容易出现固化后的导热材料模量过高，在电子设备使用过程中可能更容易出现界面分层或者导热材料内部开裂等失效。因此，为避免出现上述失效问题，当所述自融合导热颗粒37为金属颗粒，所述自融合导热颗粒37在所述导热填料的体积占比在50％～85％，优选体积百分比为70％～80％，更优化体积百分比为72％～78％。当所述自融合导热颗粒37为合金颗粒，所述自融合导热颗粒37在所述导热填料的体积占比低于50％，优选为30％以下。
所述大粒径颗粒31呈随机、不规则分布在有机基体10中。所述复合导热材料100b固化前，所述自融合导热颗粒37分布在有机基体10中，且可呈随机、不规则分布在所述大粒径颗粒31的周围。所述复合导热材料100b固化后，自融合导热颗粒37相互结合的同时与所述大粒径颗粒31结合。
本实施例中，自融合型复合导热材料100b的导热系数在固化前后，导热系数存在显著差别，固化后的导热系数比固化前的导热系数高5倍以上。
第三实施例
本申请第三实施例的复合导热材料(图未示)，包括有机基体和分布在所述有机基体中的一种特殊的金刚石基导热填料200。如图6所示，所述金刚石基导热填料200包括金刚石颗粒20和包覆在所述金刚石颗粒20的表面的多个小导热颗粒40。所述金刚石颗粒20为多面体状。所述小导热颗粒40的粒径小于所述金刚石颗粒20的粒径。一实施例中，小导热颗粒40的粒径为10μm以下。所述金刚石颗粒20与包覆其的多个小导热颗粒40组合的形状趋于球形。
所述金刚石基导热填料200还包括粘接介质32，所述粘接介质32位于所述金刚石颗粒20与小导热颗粒40之间以及小导热颗粒40之间使所述多个小导热颗粒40连接包覆在所述金刚石颗粒20的表面。
可以理解的，所述复合导热材料还可包括其他粒径的导热填料。本申请第三实施例的复合导热材料，有机基体的材料、成分等特征以及复合导热材料中可添加的功能添加剂和其他粒径的导热填料，均可参第一实施例，在此不再赘述。
金刚石填颗粒的硬度高且为多面体结构，采用高比例金刚石填料的导热材料在高压挤胶时可能出现堵胶，无法挤出，甚至会磨损点胶管道组件的情况。当施加在芯片与散热器之间后，在机械应力、热应力等作用下芯片与散热器之间的装配间隙可能会持续变化，在这种局部错动下金刚石填料过硬时可能会导致芯片或者散热器表面产生划痕。特别是针对裸芯片场景，使用这种金刚石填料导热材料，可能导致芯片损伤。
本申请所述的金刚石基导热填料200，通过采用小导热颗粒40包覆在金刚石颗粒20的表面，使金刚石基导热填料200整体趋于球形，改善了多面体金刚石填料颗粒20的表面形貌，避免了点胶组件磨损严重及芯片散热组件摩擦损伤问题；同时也解决采用高填料含量下金刚石填料制作的导热材料流动性较差，材料应用过程中受压变薄时压缩应力过大的问题。可以理解的，其他的实施例中，所述金刚石颗粒20也可以通过球磨的方式呈现球形。
所述小导热颗粒40对金刚石颗粒20的包覆可采用造粒、超临界沉积、表面包覆、溅镀、化学沉积、成膜包覆、滚球包覆等手段，在金刚石颗粒20表面包覆一层由0.1～10微米的小导热颗粒40组成的包覆层。优选采用喷雾造粒、成膜包覆、滚球包覆等工艺及其工艺组合。
所述金刚石颗粒20的导热系数为600W/mk以上，所述金刚石颗粒20为人工金刚石或石墨化金刚石。
所述金刚石颗粒20和所述小导热颗粒40的平均粒径比值大于20，一些实施例中，所述金刚石颗粒20和所述小导热颗粒40的平均粒径比值为30～1000，另一些实施例中，所述金刚石颗粒20和所述小导热颗粒40的平均粒径比值为50～500。
所述小导热颗粒40的材料选自氧化物、氮化物、碳化物、金属、碳材料中的至少一种。所述氧化物可包括氧化铝、氧化锌等；所述氮化物包括氮化硼和氮化硅等；所述碳化物包括碳化硅等；金属可包括铝、银、金、锡、铜、铟等金属及其金属化合物等；碳材料包括如石墨、石墨烯、碳纤维等，但不以此为限。一些实施例中，所述小导热颗粒40的平均粒径为3μm以下。
所述粘接介质32为无机粘接介质或有机粘接介质。所述粘接助剂可以为无机粘接介质32，例如为黏土、磷酸盐、硅酸盐，也可以为有机粘接介质，可以为PVA、EVA、PVB等有机聚合物材料，也可以是烷氧基封端聚硅氧烷等具有聚合能力硅烷分子结构。
一些实施例中，所述粘接介质32为与复合导热材料的有机基体同质的材料，即所述粘接介质32与所述有机基体选用相同的聚合物体系。比如，有机基体的材质为有机硅，则所述粘 接介质的材质也为有机硅。以有机硅的有机基体为例，所述粘接介质32为具有一定重复数量的-O-Si-键构成的有机硅氧烷。
一些实施例中，粘接所述小导热颗粒40的有机硅氧烷材料的硅氧键数量低于作为所述有机硅基体主体分子的硅氧键数量，即粘接用硅油的分子量低于有机硅油基体的分子量。也即，所述有机粘接介质32的分子量低于所述有机基体的分子量。
一些实施例中，所述粘接介质32之硅油可以和有机基体之硅油的聚硅氧分子链的末端具有相同的端基反应官能团，比如对于加成聚合有机硅体系而言，可以为乙烯基硅油，也可以为氢基硅油。当所述粘接介质32之硅油为乙烯基硅油时，有机硅基体中至少添加有两种不同分子量大小的乙烯基硅油。当所述粘接介质32之硅油为氢基硅油时，有机硅基体中至少添加有两种不同分子量大小的氢基硅油。
一些实施例中，所述粘接硅油可以为聚硅氧分子链的末端的另一端为可与-OH官能团反应的官能团，比如羧基、环氧基、羰基、双键、胺基、酰氯基、酯基、羟基、卤基等。
一些实施例中，所述粘接硅油也可以为聚硅氧分子链的末端的另一端为非活性官能团，比如烷基等。在这种情况下所述有机硅基体中还可添加可与所述粘接硅油的端基官能团反应的硅烷偶联剂，比如乙烯基硅烷偶联剂、氢基硅烷偶联剂。
为了改善有机的粘接介质32与金刚石颗粒20之间的粘接力，可添加与所述有机的粘接介质32体系相容的偶联剂，实现粘接介质32与金刚石颗粒20表面的良好浸润。
粘接介质32包覆所述金刚石颗粒20的厚度不超过所述小导热颗粒40包覆所述金刚石颗粒20的厚度，由此避免金刚石基导热填料200的外表面主要是低导热性能的粘接介质32，而不是高导热性能的导热颗粒。最理想的情况是在金刚石基导热填料200的造粒及煅烧等制作过程中，接近金刚石颗粒20的部位粘接介质32良好填充，在金刚石基导热填料200外露部位粘接介质32填充较差，即粘接介质32没有填平最外层的小导热颗粒40之间，使得金刚石基导热填料200的凹凸不平的外表面为一个个相对凸起的小导热颗粒40构成。即，所述金刚石基导热填料200的外表面为外露的小导热颗粒40构成。
所述多个小导热颗粒40由多种平均粒径<10μm的颗粒组成或者由平均粒径<10μm的多种粒径分布混合组成。
所述金刚石颗粒20与包覆其的多个小导热颗粒40组合的形状呈球形或者类球形，其球形度高于内部的金刚石颗粒20，所述金刚石基导热填料200的球形度在0.7以上，优选0.8以上。其中，球形度是表征颗粒形貌的参数，形貌上越接近球的颗粒，其球形度越接近于1。所述金刚石基导热填料200相对原始的多面体的金刚石颗粒20而言，空间位阻可显著降低，可有效避免填料应用中对设备及应用组件的磨损及刮伤，也可显著降低复合导热材料的压缩应力。
所述金刚石基导热填料200的表面含氧量>5％。一些实施例中，所述金刚石基导热填料200的表面含氧量>10％；另一些实施例中，所述金刚石基导热填料200的表面含氧量为15％～30％。由于金刚石颗粒20表面包覆有氧化铝及有机粘接剂，填料表面含氧量显著高于原始的金刚石颗粒20，可容易实现在有机基体10中的均匀分散，避免相分离。
小导热颗粒40在金刚石颗粒20表面不同位置的包覆厚度有所不同，在多面体的金刚石颗粒20的两表面连接的部位，包覆厚度较薄，最薄处可能无小导热颗粒40覆盖，优选此处包覆厚度为小导热颗粒40粒径的1～5倍，更优选为1～3倍。在多面体金刚石颗粒20的表面的平面部位，包覆的厚度相对较厚，优选此部位包覆厚度不超过小导热颗粒40粒径的10倍，更优选为3～5倍。结合小导热颗粒40的粒径特征，所述小导热颗粒40包覆所述金刚石颗粒的厚度不超过 20μm，优选低于10μm。具体包覆厚度可通过金刚石颗粒20与小导热颗粒40的配比、粘接介质32的粘度及造粒成型工艺等综合控制。
微观下所述金刚石基导热填料200表面为凹凸不平的，即外表面具有凹凸起伏的微结构。所述金刚石基导热填料200的比表面积显著高于原始金刚石颗粒20的比表面积。一些实施例中，所述金刚石基导热填料200的比表面积为原始金刚石颗粒20的比表面积的3倍以上；另一些实施例中，所述金刚石基导热填料200的比表面积为原始金刚石颗粒20的比表面积的5～10倍。
所述金刚石基导热填料200的直径大于原始金刚石颗粒20的直径，所述金刚石基导热填料200的平均粒径优选为20μm以上，更优选为40～250μm，更优选为60～160μm。
请参阅图7，上述金刚石基导热填料200的制备方法，包括如下步骤。
分散：将多个金刚石颗粒和多个小导热颗粒均匀分散在粘接介质中形成浆料，金刚石颗粒为多面体状，小导热颗粒的粒径小于金刚石颗粒的粒径。
造粒成球：使用所述浆料进行造粒成球，使小导热颗粒通过所述粘接介质包覆在金刚石颗粒的表面。
排胶：去除多余的粘接介质，使小导热颗粒与金刚石颗粒紧密结合。排胶可通过高温煅烧的方式。
尺寸筛选：通过纱网过滤、气流分级等方式筛选出尺寸、粒径分布符合需求的金刚石基导热填料。
将上述金刚石基导热填料和其它导热填料分散在有机聚合物基体中，即可制得复合导热材料。
继续参阅图7，一实施例中，制作复合导热材料的典型工艺包括如下步骤。
混料：将上述大粒径的金刚石基导热填料、其他填料(例如小粒径和中粒径填料)、功能助剂等按照指定配方设计添加到有机基体中。
搅拌分散：采用双行星混合，啮合分散、均质机等高速搅拌工艺实现上述填料在有机基体中的随机、均匀分散。通常搅拌时或者搅拌后需抽真空排除膏状混合物中的气泡。其中的混合工艺中的温度设定并没有特别限定，在10℃以上且150℃以下即可。
固化：按照配方设计，在指定固化条件下实现复合材料的固化，主要是指所述有机基体的固化，制作成复合导热材料。固化工艺无特别限定，通常为加热固化，典型加热固化温度为100度～250度范围内，加热时间为半小时～数小时不等。在固化前，可根据产品需求涂布成垫片或者薄膜状。在固化后，可根据产品需求，进行分装或者裁切等包装。
本申请还提供一种电子设备，工作时发热的电子元件以及覆盖所述电子元件的第一至第三实施例中的任一种复合导热材料的固化产物。一些实施例中，参图1所示，电子设备进一步包括电路板51和散热器55。电子元件为芯片53，芯片53设置在所述电路板51上，散热器55设置在芯片53背离电路板51的一侧，所述芯片53与所述散热器55之间的界面导热材料57为第一至第三实施例中的任一种复合导热材料的固化产物。图2所示的界面导热材料57也可为第一至第三实施例中的任一种复合导热材料的固化产物。
可以理解的，本申请所述的复合导热材料，还可用于导热结构件(比如上述芯片均温衬底、导热板)与另一导热结构件之间的界面导热，即电子设备中一个功能模组的结构壳体与另一功能模组的结构壳体之间的导热。
下面通过具体实施例对本申请实施例技术方案进行进一步的说明。
实施例1-7
制备金刚石基导热填料：通过对金刚石进行表面包覆，原料包括：
人工金刚石，未处理，河南黄河旋风股份有限公司，粒径范围120μm～150μm，球形度0.9，多面体状；
氧化铝，未处理，苏州锦艺新材料科技有限公司，平均粒径为0.4μm，球形度为1，球型体；
氧化铝，未处理，苏州锦艺新材料科技有限公司，平均粒径为4μm，球形度为1，球型体；
粘接介质：长碳链聚硅氧烷。
制备工艺：将上述的人工金刚石与氧化铝纳米粒分散在含有2wt％长碳链聚硅氧烷的丙酮溶液中，在30℃下搅拌30分钟后，经造粒成球，在70℃下加热12小时，将溶剂除去，即可得氧化铝包覆的人工金刚石。经表面修饰后，所得的包覆人工金刚石球形度提高至0.95，表面含氧量提升至50％，比表面积提升至0.5m 2/g。
复合导热材料制备：
有机基体1：含乙烯基的聚有机硅氧烷，二乙烯基聚二甲基硅氧烷，江西蓝星星火有机硅有限公司，粘度100Pa·s。
有机基体2：有机含氢聚硅氧烷，硅油:甲基氢聚硅氧烷，江西蓝星星火有机硅有限公司，粘度30Pa·s。
铂催化剂：铂-1,2-二乙烯基四甲基二硅氧烷络合物,江西蓝星星火有机硅有限公司。
抑制剂：乙炔基-1-环己醇，江西蓝星星火有机硅有限公司。
表面处理剂：十二烷基三甲氧基硅烷，江西蓝星星火有机硅有限公司。
采用加成反应型有机硅树脂作为聚合物基体，其中乙烯基两末端有机聚硅氧烷，表面处理剂为十二烷基三甲氧基硅烷，采用有机基体1并按照表一所示的体积分数加入进行了纳米颗粒包覆的金刚石及其他导热填料，进一步添加反应抑制剂、铂催化剂制备出A组分导热材料。
此外，采用有机基体2并按照表一所示的体积分数加入纳米颗粒包覆的金刚石及导热填料，制备出B组分导热材料，B组分与A组分区别在于有机基体不同。
将A组分与B组分以质量比1：1进行混合，制作出复合导热材料。其中，固化条件为80℃下，固化2小时即可。实施例1-7和对比例1的复合导热材料的配比如表一所示，并进行物理性能测试，具体见表一所示。
实施例1-7和比较例1中的评价方法和测定方法如以下。
导热性能测试
采用Longwin界面热阻测试仪，按照ASTM D5470标准进行测试。将导热复合材料涂敷在铜棒一段，在压力40psi下，逐步从常温升温至80℃，采用稳态传热手段进行测量，测量不同厚度下(0.5mm、1.0mm、1.5mm)导热材料的应用热阻，继而拟合出胶体的本征导热系数。
流动性测试
使用30cc针筒，内径2.54±5％mm，90±5％PSI压力，测1min内流出的胶重量。流动性测试通过以下评价基准进行了评价。
A:流动性>25g/min；
B:流动性15～25g/min；
C:流动性<15g/min；
表面含氧量
包覆前后的金刚石颗粒用XPS进行分析测定，主要关注金刚石表面的C/O比。将氧的含量定义为金刚石的表面含氧量进行评价。
空隙率
使用真密度仪(美国康塔仪器公司Quantachrome，全自动真密度仪Ultrapyc 1200e)对导热填料如金刚石、氧化铝等及有机硅助剂等各组分进行测定得出实际密度。按照上述混合配方得出导热材料的理论密度(无空隙)。再使用真密度仪对混合后导热胶体进行密度测量，得出实际密度。以实际密度除与理论密度的比得出复合材料的内部空隙率。
表一
Figure PCTCN2022091298-appb-000001
Figure PCTCN2022091298-appb-000002
由表一的结果可知，与对比例1相比，实施例1-7通过使用包覆金刚石颗粒作为导热性填料，能有效地降低金刚石之间的界面热阻，从而获得导热系数显著大于对比例1的高导热材料。
对金刚石颗粒表面微观结构进行改善，通过在造粒工艺，在金刚石表面紧密地包覆一层纳米颗粒，并使得金刚石从多面体形状变成球型。从而使得金刚石与金刚石之间仅通过少量的纳米颗粒进行连接，替代了传统工艺上的金刚石/硅油/金刚石的界面结构；从整个导热链路上分析，提高导热材料的关键举措为降低大颗粒金刚石之间的界面热阻，而这部分界面热阻的主要来源于中间的硅胶层。
另外，金刚石的球形度进一步提高，可以降低流动状态下填料之间的摩擦力，从而避免导热材料在点胶过程中堵胶，难以挤出等工艺问题以及装配过程中瞬间压缩应力过大，长期压缩应力过大等问题。
实施例8-11
实施例8-11不提前对金刚石颗粒进行表面包覆处理，而是直接在制作复合导热材料时实现这种效果。为了达到这种效果，关键在于有机硅油填充介质可以将小粒径颗粒有力粘附固定在大粒径填料四周。通常情况下有机硅油只能浸润填料表面，更具体而言，通过在金刚石颗粒与有机硅油界面的硅烷偶联剂实现相容/融合，硅烷偶联剂通过Si-O链和金刚石颗粒表面结合，硅烷偶联剂的另一端分子链与纳米小颗粒进行反应，一步法共混法制备出高性能导热凝胶。
制备复合导热材料
导热填料：
人工金刚石，未处理，河南黄河旋风股份有限公司，规格型号MGD90，粒径范围120μm～150μm，球形度0.9，多面体状。
氧化铝，未处理，苏州锦艺新材料科技有限公司，平均粒径为0.4μm，球形度为1，球型体。
氧化铝，未处理，苏州锦艺新材料科技有限公司，平均粒径为4μm，球形度为1，球型体。
有机基体1：含乙烯基的聚有机硅氧烷：二乙烯基聚二甲基硅氧烷，江西蓝星星火有机硅有限公司，粘度100Pa·s。
有机基体2：有机含氢聚硅氧烷：硅油：甲基氢聚硅氧烷，江西蓝星星火有机硅有限公司，粘度30Pa·s。
铂催化剂：铂-1,2-二乙烯基四甲基二硅氧烷络合物,江西蓝星星火有机硅有限公司。
抑制剂：乙炔基-1-环己醇，江西蓝星星火有机硅有限公司。
表面处理剂：十二烷基三甲氧基硅烷，江西蓝星星火有机硅有限公司。
采用加成反应型有机硅树脂作为聚合物基体，其中乙烯基两末端有机聚硅氧烷(25℃下的粘度为100mPa·s)，表面修饰剂为十二烷基三甲氧基硅烷，采用有机基体1并按照表二所示的体积分数加入进行了纳米氧化铝、人工金刚石、十二烷基三甲氧基硅烷，进一步添加反应抑制剂、铂催化剂通过双行星混合制备出A组分导热材料。
此外，相对于构成加成反应型有机硅树脂的固化剂的有机含氢聚硅氧烷(25℃下的粘度为100mPa·s)，采用有机基体2并按照表二所示的体积分数加入未处理的金刚石及导热填料，制备出B组分导热材料，B组分与A组分区别在于有机基体不同。
将A组分与B组分以质量比1：1进行混合，制作出新型导热材料，并进行上述的物理性能测试，其中，固化条件为80℃下，固化2小时即可。实施例8-11和对比例2的复合导热材料的配比如表二所示，并进行物理性能测试，具体见表二所示。
表二
Figure PCTCN2022091298-appb-000003
由表二的结果可知，与对比例2相比，实施例8-11通过添加表面粘接剂，可在一定程度上包覆金刚石颗粒，从而获得导热系数显著大于对比例2的高导热材料。
可以不用提前对金刚石填料进行表面包覆处理，但通过合理的多种填料复配设计及界面偶联剂材料选择，也可在填料和有机硅油的混合搅拌过程中达到小粒径颗粒包覆在大粒径金刚石填料表面的效果，相对于现有技术存在的上述问题可达到相当程度的改善作用。虽然这个技术方案的最终技术效果不是最佳，但规避了技术实现要求较高的金刚石填料表面包覆处理工艺，更容易在工业界批量实现。
实施例12-15
实施例12-15主要通过低温半烧结的手段，将金刚石/导热填料/金刚石的界面结构替代上述常规路径的金刚石/硅油/金刚石的界面结构来提升导热性能。使填料与填料之间的接触从范德华力转变为化学键结合，使得接触更为紧密，继而数量级地降低界面热阻。
金刚石表面包覆
导热填料
人工金刚石，未处理，河南黄河旋风股份有限公司，粒径范围120μm～150μm，球形度0.9，多面体状。
纳米银粉，未处理，广州宏武材料科技有限公司，平均粒径为0.1μm，球形度为1，球型体。
微米银粉，未处理，广州宏武材料科技有限公司，平均粒径为5μm，球形度为1，球型体。
表面成膜剂：长碳链聚硅氧烷。
将上述的人工金刚石颗粒进行溅镀处理，以铝为靶材，进行磁控溅镀，使其表面包覆一层金属铝薄膜。继而将上述颗粒与纳米银粉分散在含有2wt％长碳链聚硅氧烷的丙酮溶液中，在30℃下搅拌30分钟后，造粒后，在70℃下加热12小时，将溶剂除去，即可得纳米银粉包覆的人工金刚石。经表面修饰后，所得的包覆人工金刚石球形度提高至0.95。
高导热复合材料制备
有机基体1：含乙烯基的聚有机硅氧烷
二乙烯基聚二甲基硅氧烷，江西蓝星星火有机硅有限公司，粘度100Pa·s。
有机基体2：有机含氢聚硅氧烷
硅油：甲基氢聚硅氧烷，江西蓝星星火有机硅有限公司，粘度30Pa·s。
铂催化剂：铂-1,2-二乙烯基四甲基二硅氧烷络合物,江西蓝星星火有机硅有限公司。
抑制剂：乙炔基-1-环己醇，江西蓝星星火有机硅有限公司。
表面处理剂：十二烷基三甲氧基硅烷，江西蓝星星火有机硅有限公司。
采用加成反应型有机硅树脂作为聚合物基体，其中乙烯基两末端有机聚硅氧烷，表面修饰剂为十二烷基三甲氧基硅烷，采用有机基体1并按照表三所示的体积分数加入纳米银粉、微米银粉、人工金刚石、长碳链聚硅氧烷、十二烷基三甲氧基硅烷，进一步添加反应抑制剂、铂催化剂通过双行星混合制备出A组分导热材料。
此外，相对于构成加成反应型有机硅树脂的固化剂的有机含氢聚硅氧烷(25℃下的粘度为100mPa·s)，采用有机基体2并按照表三所示的体积分数加入纳米银包覆的金刚石及导热填料，制备出B组分导热材料，B组分与A组分区别在于有机基体不同。
将A组分与B组分以质量比1：1进行混合，在20psi，150℃高温加压下进行固化制备出新型导热材料，实施例12-15的复合导热材料的配比如表三所示，并进行物理性能测试，具体见表三所示。
表三
Figure PCTCN2022091298-appb-000004
固化前膏状复合材料的导热系数通常低于6W/mk，本申请实施例12-15中固化前的导热系数均低于4W/mk,但固化后导热系数增加5倍以上。
通过自融合型技术方案，理论上，可以实现20W/mk以上、40W/mk以上、100W/mk以上的导热凝胶。
实施例16-20
实施例16-20的复合导热材料体系中，添加一定量的低熔点的合金颗粒，使用过程中需通过加热使得低熔点的合金熔化与周边填料颗粒相互融合或者直接结合，在导热材料中构建出稠密的低热阻导热通路，从而制提升导热材料的导热性能。
高导热复合材料制备
导热填料
人工金刚石，未处理，河南黄河旋风股份有限公司，粒径范围120μm～150μm，球形度0.9，多面体状。
低熔点合金粉末：Sn 43Bi 57，日本YAMATO Metal，Sn 43Bi 57，熔点为138℃，平均粒径为5μm、20μm、100μm。
有机基体1：含乙烯基的聚有机硅氧烷
二乙烯基聚二甲基硅氧烷，江西蓝星星火有机硅有限公司，粘度100Pa·s。
有机基体2：有机含氢聚硅氧烷
硅油：甲基氢聚硅氧烷，江西蓝星星火有机硅有限公司，粘度30Pa·s。
铂催化剂：铂-1,2-二乙烯基四甲基二硅氧烷络合物,江西蓝星星火有机硅有限公司。
抑制剂：乙炔基-1-环己醇，江西蓝星星火有机硅有限公司。
表面处理剂：十二烷基三甲氧基硅烷，江西蓝星星火有机硅有限公司。
采用加成反应型有机硅树脂作为聚合物基体，其中乙烯基两末端有机聚硅氧烷，表面修饰剂为十二烷基三甲氧基硅烷，采用有机基体1并按照表四所示的体积分数加入进行了、人工金刚石、Sn 43Bi 57低温融化合金粉末、十二烷基三甲氧基硅烷，进一步添加反应抑制剂、铂催化剂通过双行星混合制备出A组分导热材料。
此外，相对于构成加成反应型有机硅树脂的固化剂的有机含氢聚硅氧烷(25℃下的粘度为100mPa·s)，采用有机基体2并按照表四所示的体积分数加入金刚石及导热填料，制备出B组分导热材料，B组分与A组分区别在于有机基体不同。
将A组分与B组分以质量比1：1进行混合，在20psi，150℃高温加压下进行固化制备出新型导热材料，实施例16-20的复合导热材料的配比如表四所示，并进行物理性能测试，具体见表四所示。
表四
Figure PCTCN2022091298-appb-000005
需要说明的是，以上仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内；在不冲突的情况下，本申请的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (59)

  1. 一种复合导热材料，其特征在于，包括：
    有机基体；
    导热填料，所述导热填料包括：
    多个大粒径颗粒，分布在所述有机基体中；
    多个小粒径颗粒，所述小粒径颗粒的平均粒径小于所述大粒径颗粒的平均粒径，所述多个小粒径颗粒包括多个第一小粒径颗粒和多个第二小粒径颗粒；所述第一小粒径颗粒粘接在所述大粒径颗粒的表面，所述第二小粒径颗粒随机分布在所述有机基体中；
    粘接介质，所述粘接介质附着在所述大粒径颗粒的表面以使所述第一小粒径颗粒通过所述粘接介质粘接在所述大粒径颗粒的表面。
  2. 根据权利要求1所述的复合导热材料，其特征在于，所述大粒径颗粒的平均粒径为20μm以上。
  3. 根据权利要求1或2所述的复合导热材料，其特征在于，所述小粒径颗粒的平均粒径为10μm以下。
  4. 根据权利要求1至3中任一项所述的复合导热材料，其特征在于，所述大粒径颗粒的导热系数高于所述第一小粒径颗粒的导热系数。
  5. 根据权利要求1至4中任一项所述的复合导热材料，其特征在于，所述大粒径颗粒为金刚石颗粒。
  6. 根据权利要求5所述的复合导热材料，其特征在于，所述金刚石颗粒的氮含量为500ppm以下。
  7. 根据权利要求1至6中任一项所述的复合导热材料，其特征在于，所述小粒径颗粒的材料选自氧化物、氮化物、碳化物、金属、碳材料中的至少一种。
  8. 根据权利要求1至7中任一项所述的复合导热材料，其特征在于，所述有机基体选自有机硅体系、环氧体系、丙烯酸体系、聚氨酯体系、聚酰亚胺体系中的至少一种。
  9. 根据权利要求1至8中任一项所述的复合导热材料，其特征在于，所述有机基体为加成聚合反应固化型的有机硅体系。
  10. 根据权利要求1至9中任一项所述的复合导热材料，其特征在于，所述粘接介质为无机粘接材料。
  11. 根据权利要求1至9中任一项所述的复合导热材料，其特征在于，所述粘接介质为有机粘接材料，所述粘接介质与所述有机基体选用相同的聚合物体系，且所述粘接介质的分子量低于所述有机基体的分子量。
  12. 根据权利要求1至11中任一项所述的复合导热材料，其特征在于，所述大粒径颗粒与所述小粒径颗粒的粒径比大于20。
  13. 根据权利要求12所述的复合导热材料，其特征在于，所述导热填料还包括中粒径颗粒，所述中粒径颗粒的平均粒径小于所述大粒径颗粒的平均粒径且大于所述小粒径颗粒的平均粒径。
  14. 根据权利要求1至13中任一项所述的复合导热材料，其特征在于，所述小粒径颗粒的比表面积大于1m 2/g。
  15. 根据权利要求1至14中任一项所述的复合导热材料，其特征在于，所述大粒径颗粒经 表面处理以增加所述大粒径颗粒表面的羟基含量，所述大粒径颗粒的表面含氧量>10％。
  16. 根据权利要求1至15中任一项所述的复合导热材料，其特征在于，所述小粒径颗粒表面含有羟基。
  17. 根据权利要求1至16中任一项所述的复合导热材料，其特征在于，所述导热填料在所述复合导热材料中总的重量百分比为87％以上。
  18. 根据权利要求1至17中任一项所述的复合导热材料，其特征在于，所有导热填料在所述复合导热材料中的体积百分比为76％以上。
  19. 根据权利要求1至18中任一项所述的复合导热材料，其特征在于，所述第一小粒径颗粒的数量占所述导热填料中粒径为10μm以下的小粒径颗粒数量的50％以下。
  20. 一种电子设备，其特征在于，包括电子元件以及设置在所述电子元件上的如权利要求1至19中任一项所述的复合导热材料的固化产物。
  21. 根据权利要求20所述的电子设备，其特征在于，所述电子设备还包括设置在所述电子元件上的散热器，所述电子元件与所述散热器之间设置有界面导热材料，所述界面导热材料为如权利要求1至19中任一项所述的复合导热材料的固化产物。
  22. 一种复合导热材料，其特征在于，包括：
    有机基体；
    分布在所述有机基体中的导热填料，所述导热填料包括：
    多个大粒径颗粒；
    多个自融合导热颗粒，所述自融合导热颗粒为合金颗粒或金属颗粒，所述自融合导热颗粒能够在不高于所述有机基体的固化反应温度下相互融合从而与所述大粒径颗粒形成金属键结合。
  23. 根据权利要求22所述的复合导热材料，其特征在于，所述大粒径颗粒的导热系数高于所述自融合导热颗粒的导热系数。
  24. 根据权利要求22或23所述的复合导热材料，其特征在于，所述大粒径颗粒为金刚石颗粒。
  25. 根据权利要求22至24中任一项所述的复合导热材料，其特征在于，所述大粒径颗粒的平均粒径大于5μm。
  26. 根据权利要求22至25中任一项所述的复合导热材料，其特征在于，所述金属颗粒包括纳米银、纳米铜、纳米金、微米银、微米铜、微米金中的至少一种。
  27. 根据权利要求22至26中任一项所述的复合导热材料，其特征在于，所述金属颗粒的烧结温度为120度～250度。
  28. 根据权利要求22至27中任一项所述的复合导热材料，其特征在于，所述金属颗粒表面包覆有表面活性剂。
  29. 根据权利要求22至25中任一项所述的复合导热材料，其特征在于，所述合金颗粒的熔点为150度以下。
  30. 根据权利要求22至25和29中任一项所述的复合导热材料，其特征在于，所述合金颗粒为Sn-Cu、Sn-Al、Sn-Zn、Sn-Pt、Sn-Mn、Sn-Mg、Sn-Ag、Sn-Au、Sn-Bi、Sn-In、Sn-Pd、Sn-Bi-In、Bi-Pb-Sn、Bi-Pb、Al-Li、Ga-In-Sn、Ga-In、Ga-Bi-Pb-In以及Zn-Li中的至少一种。
  31. 根据权利要求22至30项中任一项所述的复合导热材料，其特征在于，所述大粒径颗粒的表面具有粘接介质层用以实现所述大粒径颗粒与熔融的所述自融合导热颗粒的结合。
  32. 根据权利要求31所述的复合导热材料，其特征在于，当所述自融合导热颗粒为金属颗粒，所述粘接介质层的材质为所述金属颗粒的金属材料；当所述自融合导热颗粒为合金颗粒，所述粘接介质层的材质为所述合金颗粒中的至少一种金属的金属间化合物。
  33. 根据权利要求22至25项中任一项所述的复合导热材料，其特征在于，当所述自融合导热颗粒为金属颗粒，则所述自融合导热颗粒在所述导热填料的体积占比在50％～85％。
  34. 根据权利要求22至25项中任一项所述的复合导热材料，其特征在于，当所述自融合导热颗粒为合金颗粒，则所述自融合导热颗粒在所述导热填料的体积占比低于50％。
  35. 根据权利要求22至34中任一项所述的复合导热材料，其特征在于，固化后的所述复合导热材料的导热系数比固化前的所述复合导热材料的导热系数高5倍以上。
  36. 一种导热材料，其特征在于，其为权利要求22至35中任一项所述的复合导热材料的固化产物，所述导热材料包括所述自融合导热颗粒相互融合形成的融合体，所述融合体与所述大粒径颗粒结合。
  37. 一种电子设备，其特征在于，包括电子元件以及设置在所述电子元件上的如权利要求36所述的导热材料。
  38. 根据权利要求37所述的电子设备，其特征在于，所述电子设备还包括设置在所述电子元件上的散热器，所述电子元件与所述散热器之间设置有界面导热材料，所述界面导热材料为如权利要求36所述的导热材料。
  39. 一种金刚石基导热填料，其特征在于，包括：
    金刚石颗粒，所述金刚石颗粒为多面体形状；
    多个小导热颗粒，包覆在所述金刚石颗粒的表面，所述小导热颗粒的粒径小于所述金刚石颗粒的粒径，所述金刚石颗粒与包覆其的多个小导热颗粒组合的形状趋于球形；
    粘接介质，位于所述金刚石颗粒与小导热颗粒之间以及小导热颗粒之间以使所述多个小导热颗粒包覆在所述金刚石颗粒的表面。
  40. 根据权利要求39所述的金刚石基导热填料，其特征在于，所述金刚石颗粒与所述小导热颗粒的平均粒径比值大于20。
  41. 根据权利要求39或40所述的金刚石基导热填料，其特征在于，所述小导热颗粒的材料选自氧化物、氮化物、碳化物、金属、碳材料中的至少一种。
  42. 根据权利要求39至41中任一项所述的金刚石基导热填料，其特征在于，所述小导热颗粒的平均粒径为10μm以下。
  43. 根据权利要求39至42中任一项所述的金刚石基导热填料，其特征在于，所述粘接介质为无机粘接介质。
  44. 根据权利要求39至42中任一项所述的金刚石基导热填料，其特征在于，所述粘接介质为有机粘接介质，所述粘接介质中含添加有与所述有机粘接介质相容的偶联剂。
  45. 根据权利要求39至44中任一项所述的金刚石基导热填料，其特征在于，所述粘接介质包覆所述金刚石颗粒的厚度不超过所述小导热颗粒包覆所述金刚石颗粒的厚度。
  46. 根据权利要求39至45中任一项所述的金刚石基导热填料，其特征在于，所述多个小导热颗粒由多种平均粒径<10μm的颗粒组成或者由平均粒径<10μm的多种粒径分布混合组成。
  47. 根据权利要求39至46中任一项所述的金刚石基导热填料，其特征在于，所述金刚石颗粒的导热系数为600W/mk以上，所述金刚石颗粒为人工金刚石或石墨化金刚石。
  48. 根据权利要求39至47中任一项所述的金刚石基导热填料，其特征在于，所述金刚石颗粒与包覆其的多个小导热颗粒组合的形状的球形度在0.7以上。
  49. 根据权利要求39至48中任一项所述的金刚石基导热填料，其特征在于，所述金刚石基导热填料的表面含氧量>5％。
  50. 根据权利要求39至49中任一项所述的金刚石基导热填料，其特征在于，所述金刚石基导热填料的外表面为外露的小导热颗粒构成。
  51. 根据权利要求39至50中任一项所述的金刚石基导热填料，其特征在于，所述小导热颗粒包覆所述金刚石颗粒的厚度不超过所述小导热颗粒粒径的10倍。
  52. 根据权利要求39至51中任一项所述的金刚石基导热填料，其特征在于，所述金刚石基导热填料的外表面具有凹凸起伏的微结构，所述金刚石基导热填料的比面积为所述金刚石颗粒的比表面积的3倍以上。
  53. 一种复合导热材料，其特征在于，包括有机基体以及分散在所述有机基体中的如权利要求39至52中任一项所述的金刚石基导热填料。
  54. 一种电子设备，其特征在于，包括电子元件以及设置在所述电子元件上的如权利要求53所述的复合导热材料的固化产物。
  55. 根据权利要求54所述的电子设备，其特征在于，所述电子设备还包括设置在所述电子元件上的散热器，所述电子元件与所述散热器之间设置有界面导热材料，所述界面导热材料为如权利要求53所述的复合导热材料的固化产物。
  56. 一种金刚石基导热填料的制备方法，其特征在于，包括：
    将多个金刚石颗粒和多个小导热颗粒分散在粘接介质中形成浆料，所述金刚石颗粒为多面体状，所述小导热颗粒的粒径小于所述金刚石颗粒的粒径；
    使用所述浆料进行造粒成球，使小导热颗粒通过所述粘接介质包覆在金刚石颗粒的表面；
    去除多余的粘接介质，使小导热颗粒与金刚石颗粒结合。
  57. 根据权利要求56所述的金刚石基导热填料的制备方法，其特征在于，所述小导热颗粒的材料选自氧化物、氮化物、碳化物、金属、碳材料中的至少一种。
  58. 根据权利要求56或57所述的金刚石基导热填料的制备方法，其特征在于，所述小导热颗粒的平均粒径为10μm以下。
  59. 根据权利要求56至58中任一项所述的金刚石基导热填料的制备方法，其特征在于，所述粘接介质包覆所述金刚石颗粒的厚度不超过所述小导热颗粒包覆所述金刚石颗粒的厚度。
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