CN101121878A - 导热材料 - Google Patents

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Abstract

提供了低粘度组合物，用于不同应用，如电子器件中的密封剂、防蚀剂、粘合剂和/或热界面材料。所述组合物包括一种或多种树脂、一种或多种固化剂、一种或多种活性稀释剂和一种或多种含有高纵横比颗粒的导热填料的掺合物。

Description

导热材料
技术领域
[0001]本发明涉及导热材料，其被用于封装电子元件、粘接电子元件和/或将热量从发热电子器件传递给吸收并耗散所传递热量的冷却散热片。
背景技术
[0002]这里描述的本发明涉及低粘度、导热、电绝缘膏状组合物，其被用于多种电子应用，如电子器件的封装、将散热元件粘接到印制电路板上、将印制电路板粘接到散热片上，或任何其它需要热传导的应用。
[0003]除了保护电子器件外，这些组合物还可用于机械固定元件和控制电子器件的热传递。电子器件，如那些含有半导体的电子器件，在运行时通常会产生大量热量。为了冷却半导体，冷却散热片通常以某些方式固定在器件上。运行时，使用过程中所产生的热量被从半导体传递到冷却散热片，热量在这里被安全耗散。为了使从半导体到冷却散热片的热传递最大化，使用了导热热界面材料。热界面材料理想地在冷却散热片和半导体之间提供密切接触，以促进热传递。
[0004]一类传统应用的热界面材料是导热膜或片、润滑脂或相变材料。尽管这种材料提供高热导率，但它们大多经常必须结合额外的机械固定物，如螺丝钉或夹子，以使元件保持在适当的位置。
[0005]另一类热界面材料是有机热塑性或热固性有机粘接剂，其中填充金属，如银、金、铝、镍、铜及类似金属。这些材料的热导率通常较高并在3-5W/mK的范围内，但它们不能用于那些需要电绝缘的应用中。
[0006]现有的可分配的(dispensable)或可印制的电绝缘热界面材料具有1-1.5W/mK的热导率。如果具有更高的热导率，它们将不再是可分配的或可印制的。
[0007]提供一种低粘度、电绝缘组合物，其将提供比现有组合物增大的热导率，这将是有利的。
发明内容
[0008]本发明公开了低粘度热固性组合物，在电子器件中用作密封剂、粘合剂和/或热界面材料。此组合物包括一种或多种树脂、一种或多种固化剂、一种或多种活性稀释剂和一种或多种导热填料的掺合物。
[0009]在一种实施方式中，所述组合物具有低粘度，以便能够进行分配或模板印制(stencil printing)。
[0010]在进一步的实施方式中，本发明提供了热固性组合物，其包括范围在约5wt％到约40wt％(重量比)的有机物质和范围在约60wt％到约95wt％(重量比)的导热颗粒。
[0011]本发明的另一个方面提供了含有上述材料的电子器件。
具体实施方式
[0012]本发明的材料可以被用在几乎任何电子元件中，用于许多不同的应用，包括那些期望提供密封剂保护、腐蚀防护、一个或多个元件间的粘着、和/或热量耗散的应用。特别是，所述材料用于为电子器件中的接合处和元件提供保护，并有助于热量从此器件中发热元件处的耗散。另外，所述材料在如喷墨打印机之类的应用中是有用的，其中电子元件需要保护，避免因暴露于刺激性材料如墨水和具有各种pH范围的水而引起的腐蚀。所述材料还可被用作粘合膏，以将电子元件粘接到基板上，如，将功率二极管粘接到印制电路板上或将印制电路板粘接到金属散热片上。当作为热界面材料时，所述材料经常形成介于发热元件与冷却散热片之间的层，并将要被耗散的热传递到该冷却散热片。
[0013]对于更快流动的、低粘度板级密封剂或热传递组合物的需求日益增加。低粘度应用提供多种加工优势，包括消除了在应用前加热基板的要求，并允许容易的分配或模板印制。基板加热的去除导致以改善的制造生产量的形式呈现的提高的制造效率。
[0014]本发明的材料包括一种或多种可固化树脂、一种或多种固化剂和一种或多种导热填料，该导热填料没有尖锐的几何边缘，并具有大的颗粒纵横比，颗粒纵横比通过颗粒的长宽比度量。
[0015]任选地，其它材料如活性稀释剂、增塑剂、增粘剂、粘度改进剂、染料及类似物可以产生期望结果必需的量掺入。
[0016]适当的可固化树脂可包括树脂，如环氧树脂、硅氧烷、氰酸酯、双马来酰亚胺、氨基甲酸乙酯、丙烯酸酯和它们的组合。25℃下树脂的粘性在3000cps以下是期望的。
[0017]适用于本导热组合物的环氧树脂的例子包括液态环氧树脂，如双酚A和双酚F的单官能和多官能缩水甘油醚、脂族和芳族环氧树脂、饱和和不饱和环氧树脂、酚醛环氧树脂、线型酚醛环氧树脂(phenolnovolac epoxies)、非缩水甘油醚环氧树脂如脂环系环氧树脂、或它们的组合。
[0018]缩水甘油醚环氧树脂可被单独用于所述材料中或与非缩水甘油醚环氧树脂联合使用。优选的此种类型的环氧树脂是双酚A树脂。另一种优选的环氧树脂是双酚F型树脂。进一步优选的环氧树脂类型是环氧官能的丁二烯/丙烯腈共聚物(epoxy functional butadieneacrylonitrile copolymers)，也可利用环氧官能的聚二甲基硅氧烷和它们的混合物。商业可得的双酚F型树脂可以名称8230E得自新泽西州Maple Shade的CVC Specialty Chemicals，，以及可以名称RSL1739得自Resolution Performance Products LLC。双酚A型树脂商业供应自Resolution Technology，如EPON 828，双酚A和双酚F的掺合物以名称ZX-1059得自Nippon Chemical Company。
[0019]非缩水甘油醚环氧树脂的例子包括环氧化二烯属烃(epoxidizeddiolefins)，如3，4-环氧环己基甲基-3，4-环氧环己烷羧酸酯(3，4-epoxycyclohexylmethyl-3，4-epoxycyclohexane carboxylate)——其含有两个为环结构的一部分的环氧基以及酯键，和双(3，4-环氧环己基甲基己二酸酯)(bis(3，4-epoxycyclohexylmethyl adipate))。另外的可被应用的环氧树脂可包括乙烯基环己烯二酮——其含有两个环氧基，且其中一个是环结构的一部分、3，4-环氧-6-甲基环己基甲基-3，4-环氧环己烷羧酸酯(3，4-epoxy-6-methyl cyclohexyl methyl-3，4-epoxycyclohexanecarboxylate)和二氧化双环戊二烯及它们的混合物。商业可得的非缩水甘油醚环氧树脂的例子包括ERL-4221和ERL-4299，都可从DowChemical Company商业获得。所使用的一种或多种环氧树脂的量通常为所述组合物的20wt％到约60wt％。
[0020]一种或多种固化剂以使组合物固化的有效量被使用。在环氧树脂的情况下，有用的固化剂是胺、酸酐、酚化合物、双氰胺(dicyanediamine)、封闭咪唑(blocked imidazoles)。特别有用的固化剂包括取代的咪唑，如2-甲基咪唑、2-苯基咪唑、2-苯基-4-甲基咪唑、2-乙基-4-甲基咪唑、2-十一烷基咪唑、1-苄基-2-甲基咪唑、1-氰乙基-2-甲基咪唑、1-氰乙基-2-乙基-4-甲基咪唑。
[0021]组合物的粘度可用稀释剂调节。通常优选地，组合物具有低粘度，以使组合物能够有效地分配或模板印制(stencil printing)。可被单独使用或联合使用的示例性活性稀释剂是缩水甘油醚，例如，1，4-丁二醇二缩水甘油醚；对-叔丁基-苯基缩水甘油醚、烯丙基缩水甘油醚、甘油二缩水甘油醚(glycerol diglycidyl ether)、烷基酚缩水甘油醚(以Cardolite NC513商业得自Cardolite Corporation)，尽管可以使用其它稀释剂。
[0022]所述材料还包括导热颗粒。这些颗粒是不导电的。导热颗粒具有光滑的几何表面和高纵横比，即，具有1以上的长宽纵横比，被用于组合物中，以提供相比于球形和/或具有粗糙几何边缘的颗粒而言增强的热导率。在一种实施方式中，所述颗粒的纵横比在约1到2.5范围内。具有1以上纵横比的颗粒提供比球形或其它形状颗粒高约20％范围内的热导率。
[0023]导热颗粒可包括任何适当的导热材料，包括可按需要添加以降低粘合剂的热膨胀系数的非传导填料。示例性导热填料包括二氧化硅、氧化铝、纳米二氧化硅、纳米氧化铝、氧化锌、氧化镁、氮化硼、氮化铝和它们的混合物。优选地，导热颗粒是氧化铝。
[0024]本发明的材料优选包括约5wt％到约40wt％的可固化树脂、约0.1wt％到约30wt％的固化剂或催化剂、约25wt％到95wt％的导热颗粒。任选地，此组合物可包含约2wt％到20wt％的活性稀释剂。
[0025]另外的成分如有机添加剂可被包括在配方中，以提供期望的特性。可以被包括的各种添加剂是表面活性剂(surface active agents)、表面活性物质(surfactants)、湿润剂、抗氧化剂、触变胶、增强材料、硅烷官能全氟***(silane functional perfluoroether)、磷酸盐官能全氟***(phosphate functional perfluoroether)、硅烷、钛酸盐、蜡、酚醛树脂、脱气剂、流动添加剂(flow additives)、增粘剂、流变改进剂、表面活性剂、间隔珠(spacer beads)及它们的混合物。这些成分被特定选择，以便针对具体组合物中所使用的树脂的用途获得期望的特性平衡。
[0026]在本发明的进一步实施方式中，提供了在一种或多种电子器件的元件间传递热量的方法。此方法涉及的步骤包括：提供电子元件，并将本发明的组合物施用于期望位置，使得它将有效地传递由一个或多个元件产生的任何热量。仍在进一步的实施方式中，提供了包含本发明组合物的电子元件。
[0027]本发明进一步通过下列非限制性实施例被阐明：
实施例：通过下面的方法，形成七种材料样品
环氧树脂掺合物与活性稀释剂一起被装填到行星式真空搅拌器中，并在中剪切力(medium shear)下混合约2-5分钟。添加固化剂或催化剂并在中剪切力下混合。将导热组分分几次增量添加到混合物中。在每次增加后，在中到低剪切力下搅拌混合物。最后的增加加入后，将混合物搅拌约30-60分钟。在缓慢搅拌下，将混合物通过真空脱气10-20分钟。样品的配方展示在表1中。
表1样品配方(所有量均以重量百分比计)
成分/样品 1  2  3  4  5  6  7
环氧树脂掺合物1 15.19  12.79  12.00  11.20  11.20  11.20  11.20
稀释剂2 3.25  2.74  2.57  2.40  2.40  2.40  2.40
催化剂3 0.91  0.64  0.60  0.56  0.56  0.56  0.56
高纵横比氧化铝4 80.00  83.00  84.00  85.00  -  -  -
球形氧化铝5 -  -  -  -  85.00  -  -
球形氧化铝6 -  -  -  -  -  85.00  -
球形氧化铝7 -  -  -  -  -  -  85.00
1双酚A环氧/具有专利树脂的胺加合物的掺合物
2BDDGE，可从Aldrich商业获得
32P4MZ和2E4MZ咪唑的掺合物，可从Aldrich获得
4AS-40，可从Showa Denko商业获得
5DAB-20 SA，可从Denki KKK商业获得
6DAB-30 Sl，可从Denki KKK商业获得
7DAB-45，可从Denki KKK商业获得
[0028]在恒定剪切速率流变仪(shear rate rheometer)上测试表1中的组合物的粘度，通过ASTM E1461-01的闪光技术测试其热导率。粘度和热导率测试的结果被表示在表2中。
表2配方测试结果
样品 1  2  3  4  5  6  7  15
热导率(W/mK) 1.94  2.27  2.31  2.55  2.03  2.10  1.80
粘度(cps) 19.6  32.2  40.8  87.9  37.6  71.0  92.0
如表2中所示，含有高纵横比氧化铝填料的组合物比那些含有球形氧化铝填料的组合物提供更高的热导率。另外，具有高纵横比填料的组合物为可能使用它们的封装、粘合剂或热传递应用提供了适当的低粘度。
[0029]可以对本发明进行多种修改和变化，而不脱离其精神和范围，这对于本领域技术人员而言将是显而易见的。本文描述的具体实施方式仅作为例子提供，并且本发明仅通过所附的权利要求，以及这些权利要求所授权的等价物的全部范围来限定。

Claims (20)

1.导热组合物，包括一种或多种可固化树脂、一种或多种固化剂和导热颗粒，以及任选地包括一种或多种稀释剂，其中所述导热颗粒的至少一部分具有高纵横比。
2.权利要求1所述的组合物，其中所述一种或多种可固化树脂选自双酚A和双酚F的单官能和多官能缩水甘油醚、脂族和芳族环氧树脂、饱和和不饱和环氧树脂、酚醛环氧树脂、线型酚醛环氧树脂、非缩水甘油醚环氧树脂、脂环系环氧树脂、缩水甘油醚环氧树脂、环氧官能丁二烯/丙烯腈共聚物、环氧官能聚二甲基硅氧烷、环氧化二烯属烃、乙烯基环己烯二酮、3，4-环氧-6-甲基环己基甲基-3，4-环氧环己烷羧酸酯和二氧化双环戊二烯、硅氧烷、氰酸酯、双马来酰亚胺、氨基甲酸乙酯、丙烯酸酯或它们的混合物。
3.权利要求1所述的组合物，其中所述一种或多种固化剂选自胺、酸酐、酚化合物、双氰胺、封闭咪唑、2-甲基咪唑、2-苯基咪唑、2-苯基-4-甲基咪唑、2-乙基-4-甲基咪唑、2-十一烷基咪唑、1-苄基-2-甲基咪唑、1-氰乙基-2-甲基咪唑、1-氰乙基-2-乙基-4-甲基咪唑或它们的混合物。
4.权利要求1所述的组合物，其中所述一种或多种稀释剂选自缩水甘油醚、1，4-丁二醇二缩水甘油醚、对-叔丁基-苯基缩水甘油醚、烯丙基缩水甘油醚、甘油二缩水甘油醚、烷基酚的缩水甘油醚和它们的混合物。
5.权利要求1所述的组合物，其中所述导热颗粒选自二氧化硅、氧化铝、纳米二氧化硅、纳米氧化铝、氧化锌、氧化镁、氮化硼、氮化铝。
6.权利要求1所述的组合物，其中所述导热颗粒的至少一部分具有1.0以上的长宽纵横比。
7.权利要求6中所述的组合物，其中所述长宽纵横比在1.0以上到约2.5的范围内。
8.权利要求1所述的组合物，其中所述导热颗粒的至少一部分具有几何学平滑的表面。
9.权利要求1所述的组合物，还包括选自表面活性物质、表面活性剂、湿润剂、抗氧化剂、触变胶、增强材料、硅烷官能全氟***、磷酸盐官能全氟***、硅烷、钛酸盐、蜡、酚醛树脂、脱气剂、流动添加剂、增粘剂、流变改进剂、表面活性剂、间隔珠和它们的混合物的一种或更多。
10.权利要求1所述的组合物，其中所述组合物为膏状形式。
11.权利要求1所述的组合物，其中所述一种或多种可固化树脂占所述组合物的约5wt％到约40wt％的范围。
12.权利要求1所述的组合物，其中所述一种或多种固化剂占所述组合物的约0.1wt％到约30wt％的范围。
13.权利要求2所述的组合物，其中所述一种或多种稀释剂占所述组合物的约2wt％到约20wt％的范围。
14.权利要求1所述的组合物，其中所述一种或多种导热颗粒占所述组合物的约25wt％到约95wt％的范围。
15.用于电子器件中的粘合剂，其包含权利要求1所述的导热组合物。
16.用于电子器件中的热界面材料，其包含权利要求1所述的导热组合物。
17.用于电子器件中的密封剂，其包含权利要求1所述的导热组合物。
18.用于电子器件中的防腐蚀组合物，其包含权利要求1所述的导热组合物。
19.电子器件，其包含权利要求1所述的导热组合物。
20.一种利用权利要求1所述的导热组合物，从一个或多个电子元件中传递热量的方法。
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