CN109651761A - 一种热界面材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热界面材料及其制备方法。该热界面材料的制备方法包括步骤：S1、将球形氮化硼、热固性树脂、固化剂、催化剂和偶联剂搅拌混合均匀，获得混合浆料；S2、将混合浆料进行热固化，得到热界面材料。本发明还公开了一种热界面材料，其包括聚合物基体以及均匀填充在该聚合物基体中的球形氮化硼。本发明采用球形氮化硼填充树脂，提高了氮化硼在树脂中的填充量，从而提高了热界面材料的导热系数；同时降低了热界面材料的粘度，提高了热界面材料的可操作性能。本发明的制备方法简单易行，原料成本低廉，制备的热界面材料导热系数较高，可广泛应用于高密度电子器件散热领域。

Description

一种热界面材料及其制备方法

技术领域

本发明属于电子器件散热领域，尤其涉及一种热界面材料及其制备方法。

背景技术

随着电子器件向微型化、小型化方向发展，以及电子芯片的集成度越来越高，电子器件的工作效率和可靠性越来越依赖于散热问题的解决，因此电子封装的散热变得越发重要。热界面材料一般应用于集成电路(芯片)或微处理器与散热片或均热片以及均热片与散热片之间的固体界面。热界面材料导热系数的高低直接影响芯片的散热性能。因此，开发热界面材料显得尤为重要。

无机填料填充的聚合物基热界面材料通过向聚合物基体中填充具有高热导率的陶瓷或金属颗粒的方式，实现传热性能的提高。聚合物热界面材料保持了聚合物的加工温度低、柔性、易操作的特点，结合无机填料高导热系数的特点，是目前热界面材料最为常用的材料。由于陶瓷颗粒具有导热系数高、绝缘性好、耐击穿电压强的特点，是目前最为常用的无机填料，常用的陶瓷填料包括氧化铝、氮化铝、氮化硼、氮化硅、碳化硅。

氮化硼具有良好的电绝缘性，具有非常好的抗氧化性和抗腐蚀性。常见的氮化硼有无定型、立方和六方等多种晶型。六方氮化硼是最稳定的晶型，有类似于石墨的层状结构，有“白石墨”之称，受到广泛的研究和应用。氮化硼由于其本身的优越性能，在作为导热绝缘聚合物复合材料的导热填料时具有很好的应用前景。

然而，目前采用的氮化硼一般都是片状结构且其密度较强，当树脂与其混合时，树脂与氮化硼表面的摩擦阻力升高，导致树脂聚合物的粘度急剧上升，一般达到600Pa·s以上，由此难以高填充氮化硼，导致氮化硼的填充量最高只能达到35wt％，所以制备的聚合物热界面材料导热系数都低于1W/(m·K)。

发明内容

为解决上述现有技术存在的氮化硼填料添加量有限、热界面材料粘度太大及导热系数较低等问题，本发明从氮化硼填料的填充量、粒径大小、几何形状以及填料-基体间相互作用方面考虑，提供了一种球形氮化硼填充量高达60wt％、粘度不超过600Pa·s和导热系数可达6W/(m·K)的热界面材料及其制备方法。为了达到上述发明目的，本发明采用了如下的技术方案：

本发明提供了一种热界面材料的制备方法，包括步骤：

S1、将10～60质量份的球形氮化硼、10～50质量份的热固性树脂、10～50质量份的固化剂、1～5质量份的催化剂和1～5质量份的偶联剂进行混合，得到混合浆料。

S2、在60℃～200℃条件下对所述混合浆料进行加热固化0.5h～6h，得到热界面材料。

其中，步骤S1中所述混合浆料的总质量份为100。

进一步地，在所述步骤S1中，还包括将不超过10质量份的稀释剂一并混合，以获得所述混合浆料。

进一步地，将六方氮化硼一次颗粒进行烧结得到所述球形氮化硼。

进一步地，所述球形氮化硼的粒径为5μm～200μm。

进一步地，所述热固性树脂为液体环氧树脂或有机硅树脂；所述固化剂为甲基六氢苯酐、乙二胺、三乙烯四胺和间苯二胺中的至少一种；所述催化剂为2-乙基-4-甲基咪唑、N,N-二甲基苄胺和三-(二甲胺基甲基)苯酚中的至少一种；所述偶联剂为硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂和双金属偶联剂中的至少一种。

进一步地，所述稀释剂为缩水甘油醚类化合物。

本发明还提供一种热界面材料，该热界面材料包括聚合物基体以及均匀填充在所述聚合物基体中的球形氮化硼。

进一步地，所述球形氮化硼为六方氮化硼一次颗粒经烧结获得的球形氮化硼。

进一步地，所述热界面材料中球形氮化硼的填充量不低于20wt％，以使所述热界面材料的导热系数不低于2.0W/(m·K)。

进一步地，所述热界面材料中球形氮化硼的填充量不低于35wt％且不高于60wt％，以使所述热界面材料的粘度不低于65Pa·s且不高于600Pa·s、导热系数不低于2.8W/(m·K)且不高于6W/(m·K)。

进一步地，所述热界面材料中球形氮化硼的填充量不低于10％且不高于35wt％，以使所述热界面材料的粘度不高于65Pa·s、导热系数不低于0.5W/(m·K)且不高于2.8W/(m·K)。

本发明采用球形氮化硼填充聚合物基体，降低了球形氮化硼表面与聚合物基体的摩擦阻力，增加了球形氮化硼在聚合物基体中的填充量，从而提高了热界面材料的导热系数；同时降低了热界面材料的粘度，提高了热界面材料的可操作性能。本发明克服了现有技术存在的热界面材料的氮化硼添加量有限、粘度太大和导热系数较低的缺陷。

附图说明

通过结合附图进行的以下描述，本发明的实施例的上述和其它方面、特点和优点将变得更加清楚，附图中：

图1是本发明所述的热界面材料的结构示意图：

图中，10为聚合物基体，20为球形氮化硼；

图2是根据本发明热界面材料的制备方法的示意图。

具体实施方式

以下，将参照附图来详细描述本发明的实施例。然而，可以以许多不同的形式来实施本发明，并且本发明不应该被解释为限制于这里阐述的具体实施例。相反，提供这些实施例是为了解释本发明的原理及其实际应用，从而使本领域的其他技术人员能够理解本发明的各种实施例和适合于特定预期应用的各种修改。

具体参照图1，本发明公开了一种热界面材料，该热界面材料包括聚合物基体10以及均匀填充在该聚合物基体10中的球形氮化硼20。

更为具体地，本发明的上述球形氮化硼是一种通过六方氮化硼一次颗粒经烧结获得的球形氮化硼；由此，相比现有技术中将片状氮化硼或者氮化硼一次颗粒与树脂直接聚合，本发明的球形氮化硼的表面与聚合物基体的摩擦阻力大大降低，内部热阻也大大减小。

再者，在本发明得到的热界面材料中，球形氮化硼形貌保持良好，六方氮化硼一次颗粒沿不同方向取向，有效抑制了导热系数的各向异性，从而进一步提高了热界面材料的导热性能。

进一步地，热界面材料中球形氮化硼的填充量可以控制不低于20wt％，以使热界面材料的导热系数不低于2.0W/(m·K)。

更进一步地，热界面材料中球形氮化硼的填充量可以控制不低于35wt％且不高于60wt％，以使热界面材料的粘度不低于65Pa·s且不高于600Pa·s、导热系数不低于2.8W/(m·K)且不高于6W/(m·K)。

进一步地，热界面材料中球形氮化硼的填充量可以控制不低于10％且不高于35wt％，以使热界面材料的粘度不高于65Pa·s、导热系数不低于0.5W/(m·K)且不高于2.8W/(m·K)。

该热界面材料的球形氮化硼的最大填充量可高达60wt％，粘度不超过600Pa·s，最大导热系数可高达6W/(m·K)。

值得说明的是，首先，从结构上来说，本发明的热界面材料中填充的是球形氮化硼，而现有技术中的热界面材料填充的是片状氮化硼或者氮化硼一次颗粒；其次，从性能方面来说，与现有的热界面材料相比，在相同的填充量条件下，本发明的热界面材料具有更低的粘度、更高的导热系数。可见，本发明的热界面材料相比现有技术中的以其他材料进行填充的热界面材料，具有更低的粘度、更高的填充量，由此导热系数也更高，能够获得更好的应用效果。

具体参阅图2，本发明还提供了上述热界面材料的制备方法，包括以下步骤：

在步骤S1中，将10～60质量份的球形氮化硼、10～50质量份的热固性树脂、10～50质量份的固化剂、1～5质量份的催化剂和1～5质量份的偶联剂进行混合，形成100质量份的混合浆料。

具体来讲，将六方氮化硼一次颗粒进行烧结得到球形氮化硼。

优选地，该步骤中所使用的球形氮化硼的粒径为5μm～200μm。

在该步骤中，其混合操作采用的是高速混料机进行混合，具体控制转速为800rpm～2500rpm、混料时间为0.5min～10min。

更为具体地，在该步骤中，热固性树脂可以为液体环氧树脂或有机硅树脂。液体环氧树脂优选为双酚A型液态环氧树脂、双酚F型液态环氧树脂和脂环族液态环氧树脂中的至少一种。有机硅树脂优选为聚甲基硅树脂、聚乙基硅树脂、聚苯基硅树脂和聚苯基甲基硅树脂中的至少一种。

固化剂可以为甲基六氢苯酐、乙二胺、三乙烯四胺和间苯二胺中的至少一种。

催化剂可以为2-乙基-4-甲基咪唑、N,N-二甲基苄胺和三-(二甲胺基甲基)苯酚中的至少一种。

偶联剂可以为硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂和双金属偶联剂中的至少一种。硅烷偶联剂优选为KH550偶联剂、KH560偶联剂和KH570偶联剂中的至少一种。加入偶联剂一方面是为了改善球形氮化硼和热固性树脂的相容性，另一方面是为了增强球形氮化硼和热固性树脂间界面作用，从而增强互相渗透的导热网络。

优选地，在获得混合浆料的过程中，还可加入不超过10质量份的稀释剂。

稀释剂优选为缩水甘油醚类化合物；该缩水甘油醚类化合物进一步优选为正丁基缩水甘油醚、二缩水甘油醚、1,4-丁二醇二缩水甘油醚、多缩水甘油醚和三羟基甲基丙烷缩水甘油醚中的至少一种。

值得说明的是，当混合浆料的料体太粘稠导致气泡难以脱除时，可以考虑通过抽真空或加入消泡剂的方式消除混料过程中带入的气泡。其中，消泡剂可以采用改性有机硅酮复合物。

在步骤S2中，于60℃～200℃条件下，对混合浆料进行加热固化0.5h～6h，得到热界面材料。

优选地，可采用烘箱为热固性树脂的固化过程提供能量，当然也可以采用红外加热等其他加热方式。

值得说明的是，本发明的球形氮化硼，其球形度好、粒径范围大、机械强度高，在混料过程中与聚合物基体的摩擦阻力小，不易被破坏，有高的形貌保持度。将粒径为200μm的球形氮化硼与热固性树脂等材料在2000rpm的转速下混合10min后，球形氮化硼依然能承受住混料时受到的剪切力。

因此，本发明的热界面材料通过聚合物基体及填充在其内部的球形氮化硼达到了球形氮化硼填充量高达60wt％、粘度不超过600Pa·s、导热系数高达6W/(m·K)的效果，较现有技术中的一般热界面材料，氮化硼添加量增大、粘度降低和导热系数提高。

值得说明的是，一般来讲，导热系数的测定方法分为稳态法和非稳态法两大类。其中非稳态法的测定范围在0.1W/(m·K)～2000W/(m·K)，一般常用的非稳态法是激光闪射法。但是对于低导热材料，是不适合用激光脉冲法来进行测试的，这是因为激光闪射法通常是采用很薄的试样或者是采用高功率的激光脉冲。如果制样很薄，就会导致测量的结果离散性较大、测出的结果代表性不强；而高功率的激光脉冲会产生大量的热，在低导热材料的分解温度和熔点都不高的情况下，使用高功率的激光脉冲可能会导致试样发生化学反应或分解反应，所测得的导热系数也并非该待测材料真正的导热系数。而稳态法测定低导热材料的导热系数时不会出现上述问题。本发明的热界面材料属于低导热材料，因此对于本发明的热界面材料的导热系数的测定，为了获得更加可靠的结果数据，本发明选择采用稳态热流法进行导热系数的测定。

以下通过具体的实施例以进一步阐述本发明的上述热界面材料及其制备方法，但本发明并不限制于此，以下实施例仅是本发明的上述热界面材料及其制备方法的具体示例。

实施例一

取10质量份的粒径为5μm的球形氮化硼、50质量份的双酚A型液态环氧树脂、33质量份的甲基六氢苯酐固化剂、1质量份的2-乙基-4-甲基咪唑催化剂、1质量份的KH560硅烷偶联剂、5质量份的正丁基缩水甘油醚混合，在转速为800rpm的条件下将上述物质混合10min，得到混合均匀的混合物。将得到的混合物放置于烘箱中，在常压、200℃条件下将上述混合物固化0.5h，得到热界面材料。

依据上述制备方法制备得到的热界面材料，其包括聚合物基体和均匀地填充在该聚合物基体内部的球形氮化硼，其中，球形氮化硼的填充量为10wt％。

本实施例的热界面材料的粘度为2Pa·s。在常温、20psi压力条件下，采用稳态热流法，测定得到该热界面材料的导热系数为0.5W/(m·K)。

实施例二

取60质量份的粒径为200μm的球形氮化硼、10质量份的双酚F型液态环氧树脂、10质量份的三乙烯四胺固化剂、5质量份的N,N-二甲基苄胺催化剂、5质量份的KH550硅烷偶联剂、10质量份的1,4-丁二醇二缩水甘油醚进行混合，在转速为1500rpm的条件下将上述物质混合5min，得到混合均匀的混合物。将得到的混合物放置于烘箱中，在常压、60℃条件下将上述混合物固化6h，得到热界面材料。

依据上述制备方法制备得到的热界面材料，其包括聚合物基体和均匀地填充在该聚合物基体内部的球形氮化硼，其中，球形氮化硼的填充量为60wt％。

本实施例的热界面材料的粘度为600Pa·s。在常温、20psi压力条件下，采用稳态热流法，测定得到该热界面材料的导热系数为6.0W/(m·K)。

实施例三

取20质量份的粒径为100μm的球形氮化硼、30质量份的脂环族液态环氧树脂、40质量份的乙二胺固化剂、4质量份的三-(二甲胺基甲基)苯酚催化剂、2质量份的KH550硅烷偶联剂、4质量份的1,4-丁二醇二缩水甘油醚混合，在转速为2500rpm的条件下将上述物质混合0.5min，得到混合均匀的混合物。将得到的混合物放置于烘箱中，在常压、120℃条件下将上述混合物固化3h，得到热界面材料。

依据上述制备方法制备得到的热界面材料，其包括聚合物基体和均匀地填充在该聚合物基体内部的球形氮化硼，其中，球形氮化硼的填充量为20wt％。

本实施例的热界面材料的粘度为5Pa·s。采用稳态热流法，在常温、20psi压力条件下，测定得到该热界面材料的导热系数为2.0W/(m·K)。

实施例四

取40质量份的粒径为50μm的球形氮化硼、20质量份的双酚A型液态环氧树脂、20质量份的甲基六氢苯酐固化剂、5质量份的N,N-二甲基苄胺和三-(二甲胺基甲基)苯酚组成的催化剂、5质量份的KH560硅烷偶联剂、10质量份的正丁基缩水甘油醚混合，在转速为2000rpm的条件下将上述物质混合3min，得到混合均匀的混合物。将得到的混合物放置于烘箱中，在常压、200℃条件下将上述混合物固化3h，得到热界面材料。

依据上述制备方法制备得到的热界面材料，其包括聚合物基体和均匀地填充在该聚合物基体内部的球形氮化硼，其中，球形氮化硼的填充量为40wt％。

本实施例的热界面材料的粘度为110Pa·s。采用稳态热流法，在常温、20psi压力条件下，测定得到该热界面材料的导热系数为3.0W/(m·K)。

实施例五

取45质量份的粒径为200μm的球形氮化硼、20质量份的双酚A型液态环氧树脂、18质量份的甲基六氢苯酐固化剂、5质量份的N,N-二甲基苄胺和三-(二甲胺基甲基)苯酚组成的催化剂、2质量份的KH560硅烷偶联剂、10质量份的正丁基缩水甘油醚混合，在转速为1500rpm的条件下将上述物质混合8min，得到混合均匀的混合物。将得到的混合物放置于烘箱中，在常压、200℃条件下将上述混合物固化3h，得到热界面材料。

依据上述制备方法制备得到的热界面材料，其包括聚合物基体和均匀地填充在该聚合物基体内部的球形氮化硼，其中，球形氮化硼的填充量为45wt％。

本实施例的热界面材料的粘度为120Pa·s。采用稳态热流法，在常温、20psi压力条件下，测定得到该热界面材料的导热系数为4.3W/(m·K)。

实施例六

取35质量份的粒径为200μm的球形氮化硼、30质量份的双酚A型液态环氧树脂、28质量份的甲基六氢苯酐固化剂、1质量份的2-乙基-4-甲基咪唑催化剂、1质量份的KH560硅烷偶联剂、5质量份的正丁基缩水甘油醚混合，在转速为2000rpm的条件下将上述物质混合10min，得到混合均匀的混合物。将得到的混合物放置于烘箱中，在常压、200℃条件下将上述混合物固化1h，得到热界面材料。

依据上述制备方法制备得到的热界面材料，其包括聚合物基体和均匀地填充在该聚合物基体内部的球形氮化硼，其中，球形氮化硼的填充量为35wt％。

本实施例的热界面材料的粘度为65Pa·s。采用稳态热流法，在常温、20psi压力条件下，测定得到该热界面材料的导热系数为2.8W/(m·K)。

虽然已经参照特定实施例示出并描述了本发明，但是本领域的技术人员将理解：在不脱离由权利要求及其等同物限定的本发明的精神和范围的情况下，可在此进行形式和细节上的各种变化。

Claims (11)

1.一种热界面材料的制备方法，其特征在于，包括步骤：

S1、将10～60质量份的球形氮化硼、10～50质量份的热固性树脂、10～50质量份的固化剂、1～5质量份的催化剂和1～5质量份的偶联剂进行混合，得到混合浆料；

S2、在60℃～200℃条件下对所述混合浆料进行加热固化0.5h～6h，得到热界面材料；

其中，步骤S1中所述混合浆料的总质量份为100。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤S1中，还包括将不超过10质量份的稀释剂一并混合，以获得所述混合浆料。

3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，将六方氮化硼一次颗粒进行烧结得到所述球形氮化硼。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述球形氮化硼的粒径为5μm～200μm。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述热固性树脂为液体环氧树脂或有机硅树脂；所述固化剂为甲基六氢苯酐、乙二胺、三乙烯四胺和间苯二胺中的至少一种；所述催化剂为2-乙基-4-甲基咪唑、N,N-二甲基苄胺和三-(二甲胺基甲基)苯酚中的至少一种；所述偶联剂为硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂和双金属偶联剂中的至少一种。

6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述稀释剂为缩水甘油醚类化合物。

7.一种热界面材料，其特征在于，包括聚合物基体以及均匀填充在所述聚合物基体中的球形氮化硼。

8.根据权利要求7所述的热界面材料，其特征在于，所述球形氮化硼为六方氮化硼一次颗粒经烧结获得的球形氮化硼。

9.根据权利要求7或8所述的热界面材料，其特征在于，所述热界面材料中球形氮化硼的填充量不低于20wt％，以使所述热界面材料的导热系数不低于2.0W/(m·K)。

10.根据权利要求9所述的热界面材料，其特征在于，所述热界面材料中球形氮化硼的填充量不低于35wt％且不高于60wt％，以使所述热界面材料的粘度不低于65Pa·s且不高于600Pa·s、导热系数不低于2.8W/(m·K)且不高于6W/(m·K)。

11.根据权利要求7或8所述的热界面材料，其特征在于，所述热界面材料中球形氮化硼的填充量不低于10％且不高于35wt％，以使所述热界面材料的粘度不高于65Pa·s、导热系数不低于0.5W/(m·K)且不高于2.8W/(m·K)。