一种高强度超低介电性的发泡导热硅胶垫片及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种应用在高速通讯领域的导热界面材料,具体涉及到一种发泡导热硅胶垫片及其制备方法。
背景技术
近年来,小型化、集成化已成为电子设备的发展趋势。随着电子设备功率的不断增加,设备运行产生的热量急剧增加,直接影响着电子产品的功能稳定性和使用寿命,因此解决好热问题是电子产品快速发展的关键,特别是随着5G时代的商用铺开,5G元器件将会大量生产,但是基于5G信号的传输速度更快,传输信号强度较差的特点,材料本身对信号的干扰阻碍更加明显.介电常数与电磁信号延迟Td的关系如下:
式中,Td为信号传输延迟时间,L为信号传输的长度;c为光速。上式表明,材料的介电常数值越高,电磁信号的延迟越显著,因此5G时代对导热有更高要求的同时,要求导热材料具有较低介电常数,保证5G信号畅通传递。
而要获得既导热又具有超低介电性的复合材料途径有两个方面:第一、对基体进行微发泡改性;第二、采用介电性低的导热填料。而目前市场上的导热垫片普遍都是采用氧化铝、氮化铝、氧化锌、金属粉、或石墨粉来当做填料,侧重点在提升导热系数,但是介电常数通常都会偏大,介电常数在5.5以上。发泡导热垫片也有一些企业在研究,但是主要侧重点是低密度的特点,主要针对新能源汽车领域。目前市场上还没有针对高导热与低介电性的复合产品,但是确是立足5G商用的必备的产品。
中国发明专利申请公布号CN108977105A公开了一种导热硅胶片的制备方法,以乙烯-醋酸乙烯酯共聚物、导热石墨片、EPS泡沫颗粒、乙烯基酯树脂作为原料制备发泡片材,将乙烯-醋酸乙烯酯共聚物、玻璃纤维、膨胀石墨粉等混合加热得到玻纤树脂,将其涂覆于发泡片材表面热压硫化得到导热硅胶片,环氧大豆油中的极性基团与活泼性基团使丙烯酸酯基体树脂表现出优良的粘接强度、电绝缘性能和耐高温性能,EPS泡沫颗粒的苯环结构赋予基体树脂耐热性和刚性,达到高温下粘度不会降低的效果,通过偶联作用提高石墨片与乙烯-醋酸乙烯酯共聚物的相容性,通过膨胀舒张的导热石墨片,使硅胶片的导热面积提高。相关技术所制得的导热硅胶片在结构上不足以压延设备操作,故不能连续式成卷制备,生产效率较差,且产品特性不能满足高强度超低介电性的要求。
中国发明专利申请公布号CN108366511A公开了一种导热垫片及其制备方法,导热垫片本体由玻璃纤维布和硅胶,并加入以下原料均匀混炼制备而成:双乙烯基封端的聚二甲基硅氧烷、甲基硅油、含氢硅油、缓聚剂、铂金催化剂、导热粉体,该导热垫片具有良好的导热性、弹性和恢复性。相关技术所制得的导热垫片追求导热性与弹性,不考虑导热性与介电性的平衡。若贴附于电子产品,会有漏电或电性干扰的风险。
中国发明专利申请公布号CN104497574A公开了一种多功能有机硅热界面材料,按重量百分比计的如下组分复合而成 :硅橡胶 10 ~ 40,耐热剂 1 ~ 10,阻燃剂 1 ~20,硫化剂 1 ~ 10,功能填料 55 ~ 85。该热界面材料是将所述比例的硅橡胶、耐热剂、阻燃剂、硫化剂及功能填料相混合,并将所述混合物涂敷或者压延在玻璃纤维布或者聚酰亚胺膜上而形成的片状材料。相关技术所制得的导热垫片也没有达到导热性与介电性能的平衡。
申请人在中国发明专利申请公布号CN103059576A公开了一种高导热柔性硅胶垫片及其制备方法,按重量份计的以下原料:改性球形氧化铝粉末600-1000份、乙烯基硅油60-100份、二甲基硅油30-50份、含氢硅油1.5-4份、催化剂 0.2-0.8 份,经过(1)氧化铝粒子改性、(2)搅拌、(3)抽真空、(4)硫化等步骤制备而成。所述的高导热柔性硅胶垫片通过对球形氧化铝粉末改性、对原料的选择和对原料用量的控制来增加硅胶垫片内部导热通道,实现了提高硅胶垫片的柔性和导热性能。
申请人在中国发明专利申请公布号CN103436019A公开了一种高导热绝缘导热硅胶垫片及其制备方法,按重量份计的以下原料:球形氧化铝 600-1000 份,甲基乙烯基硅橡胶 5-15 份、二甲基硅油 30-70 份、含氢硅油 2-15 份、催化剂0.5-1.5 份,经过氧化铝粒子的筛分和烧结、甲基乙烯基硅橡胶和二甲基硅油的研磨、搅拌、抽真空、硫化成型等步骤制备而成。高导热绝缘导热硅胶垫片通过对球形氧化铝粒子的筛分、烧结,实现氧化铝粒子在硅胶基体中的合理分配和氧化铝粒子本身导热系数的提高 ;对基体材料的充分研磨,实现硅胶基体与氧化铝导热粒子的充分融合,提高硅胶垫片的导热性能。
发明内容
针对现有技术存在的问题,本发明提供了一种高强度超低介电性的发泡导热硅胶垫片,可以同时满足高导热及超低的介电常数双重效果,同时采用例如低介电性玻璃纤维布的结构抗拉层做为压延载体,提升整体的韧性,提供更好的操作性。
为了实现上述目的,本发明的技术方案如下:
提出一种高强度超低介电性的发泡导热硅胶垫片,使用的导热界面材料主要组成包括:液体基胶、导热填料、发泡剂、交联剂、催化剂、延迟剂和硅烷偶联剂。按照质量份数计包括:80-150份液体基胶、700-950份导热填料、5-12份发泡剂、0.05-0.3份延迟剂、5-20份交联剂、3-5份催化剂,具体是以材料的中间部位夹有低介电性的玻璃纤维布进行增强。所述发泡导热硅胶垫片包括位于中间部位且材质选自于玻璃纤维布或碳纤维布的结构抗拉层,所述导热界面材料在所述结构抗拉层的上下表面分别形成第一发泡硅胶层与第二发泡硅胶层,所述发泡导热硅胶垫片的拉伸强度≥2.5Mpa,并利用所述发泡剂在经过压延前加热搅拌与压延后烘烤固化的多段发泡控制所述发泡导热硅胶垫片的导热系数在3.0 W/m.k以上、介电常数在3.0@1MHz以下。
本发明通过结合多段发泡的工艺的发泡剂与低介电导热填料在结构抗拉层上下表面的组合,获得导热系数大于3.0 W/m.k且介电常数小于等于3.0、密度小于2.0g/cc、拉伸强度大于等于2.5 MPA的发泡导热硅胶垫片。其中,导热系数的测试方法采用ASTMD5470,介电常数的测试方法采用ASTM D150。
所述发泡导热硅胶垫片的可选方案中,所述液体基胶包括不同粘度的乙烯基硅油、乙烯基硅树脂、乙烯基苯基硅树脂的任意一种或者几种复配而成;
优选地,所述液体基胶中包含的乙烯基硅油为经过精细抽滤处理的,小分子挥发份D3-D20≤150ppm,粘度控制在300-10000mpa.s,特别是500-800mpa.s。
本发明利用前述优选方案的技术特点,所述液体基胶中包含的乙烯基硅油具有小分子挥发份D3-D20≤150ppm,粘度控制在300-10000mpa.s,更好的填充粉体。
所述发泡导热硅胶垫片的可选方案中,所述导热填料类型为介电性偏低的导热粉体,例如BN、碳化硅、硅微粉等任意一种或者几种复配;
优选地,所述导热填料为氮化硼粉末,粒径选择主要是1-3微米、40微米、70微米、120微米的搭配组合,具体的搭配比重是1-3微米:40微米:70微米:120微米在4:1:1:5或者4:0.5:0.5:5,但不仅仅局限于前面所述比例,还可以是其他组合搭配。
本发明利用前述可选方案的技术特点,导热填料是各种粒径选择的搭配组合,配合个别粒径的适当比例,当1-3微米或细粒径导热填料越多则增稠严重,且容易团聚,使导热系数降低; 70微米、120微米的或粗粒径导热填料的适当选用可防止增稠严重的现象,且可有效的提高导热,得到粒径配比的平衡。
优选地,所述氮化硼粉末为经过偶联剂表面包覆处理;
优选地,所述氮化硼粉末在使用之前要经过烘烤去除水分处理,烘烤的温度可以是120-150℃、烘烤时间为 1-3H。
本发明利用前述可选方案的技术特点,以氮化硼粉末作为导热填料,不仅导热性好,低介电特性也好;偶联剂的表面包覆是为了分散氮化硼粉末; 当压延完后的烘烤温度与发泡剂的分解温度接近或者稍高于发泡剂的分解温度,压延成型后可以增加发泡剂在后段烘烤继续发挥发泡的作用,维持使用上的低介电性稳定性。
所述发泡导热硅胶垫片的可选方案中,所述偶联剂种类主要包括长链烷基硅氧烷、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂、乙烯基硅烷偶联剂、环氧基硅烷偶联剂任意一种或者上述几种的任意组合;
优选地,所述包覆氮化硼粉末的偶联剂为十六烷基三甲氧基硅氧烷。
本发明利用前述可选方案的技术特点,偶联剂改变了导热填料的表面特性,使导热填料更均匀分散在第一发泡硅胶层与第二发泡硅胶层中。
所述发泡导热硅胶垫片的可选方案中,所述发泡剂主要包括偶氮化合物、磺酰肼类化合物、亚硝基化合物、碳酸盐、水玻璃、炭黑中的任意一种或者上述几种的任意组合;
优选地,所述发泡导热硅胶垫片采用的发泡剂具体包括偶氮二异丁腈,其分解温度可在90-115℃之间,但不局限于偶氮二异丁腈与其他发泡剂的搭配。例如,所述发泡剂是复合型。其他发泡剂的搭配的为了调整发泡剂的分解温度。
本发明利用前述可选方案的技术特点,发泡剂具有特定的分解温度,匹配于压延前的预热温度与压延后的硅胶固化热处理温度,使压延前的预热与压延后的硅胶固化热处理过程中都能够使发泡剂进行分解发泡。
所述发泡导热硅胶垫片的可选方案中,在材料内部夹有玻璃纤维布作为所述结构抗拉层,起到支撑增韧的作用;优选地,所述结构抗拉层为厚度小于等于0.02mm的玻璃纤维布,玻璃纤维布本身具有低介电特性,本身的介电常数<3.2@1MHz。
本发明利用前述可选方案的技术特点,玻璃纤维布使结构抗拉层具有对垫片支撑增韧、低介电的作用,配合上下表面的第一发泡硅胶层与第二发泡硅胶层的发泡气体,实现了发泡导热硅胶垫片的产品介电性低于结构抗拉层的中间层介电性的技术效果。结构抗拉层的厚度可以极薄设计,留给更多形成第一发泡硅胶层与第二发泡硅胶层的配置厚度。
所述发泡导热硅胶垫片的可选方案中,所述发泡导热硅胶垫片的密度≤2.0 g/cc,所述发泡导热硅胶垫片还具有≥3.0Mpa的拉伸强度;所述第一发泡硅胶层或/与所述第二发泡硅胶层的拉伸强度<0.2Mpa。
本发明利用前述可选方案的技术特点,发泡导热硅胶垫片的密度可以达到≤2.0g/cc,借由结构抗拉层使发泡导热硅胶垫片具有≥3.0Mpa的拉伸强度,整体的发泡导热硅胶垫片具有良好的高导热、低介电与高强度的平衡度,适用于例如5G或5G时代以上的高速通信电子装置产品的导热装置。
本发明另外提出一种发泡导热硅胶垫片的制备方法,具体实施操作包括以下步骤:
步骤S1:将液体基胶包含的不同粘度的乙烯基硅油、MQ硅树脂分散混合均匀,依次加入交联剂、发泡剂继续搅拌混合均匀,并经过加温120±5℃热处理3-20min,冷却得到胶料A;
步骤S2:在胶料A中依次加入延迟剂、导热填料、催化剂,并通过开炼捏合搅拌充分混合均匀,得到胶料B,优选是导热填料使用之前预先高温120±5℃下3±1 H烘干除湿处理;
步骤S3:将胶料B进行抽真空处理后,同时将胶料B在结构抗拉层的上下两表面加料,使例如玻璃纤维布的结构抗拉层夹在垫片的中间,经过压延机压延成特定厚度的胶片;
步骤S4:把压延好的胶片经过120-150℃的烘箱烘烤15-30min,得到最终的发泡导热硅胶垫片产品。
本发明在工艺的基础方案中,步骤S3的抽真空操作是用于排除材料中的空气影响,步骤S2固化前且搅拌均匀的导热界面材料能在步骤S3压延时顺利接触到结构抗拉层的表面而不会形成气阱,加上步骤S3的抽真空后压延操作,导热界面材料不会在接触到结构抗拉层表面处发泡,使导热界面材料与结构抗拉层之间得到更紧密的接触,让硅胶固化后的整体产品结构上更紧密不可分。步骤S4的压延后加热有足够温度,也会使发泡剂继续发泡,但是在前面步骤S1的预先加热可以使发泡效果更为充分,由发泡剂形成的微小气泡在导热界面材料内更加分散均匀,即预发泡的作用。
所述发泡导热硅胶垫片的制备方法的可选方案中,在步骤S1中,加热预处理的时间为10-30min,具体是控制在10±1min,使所述发泡剂能够正常发泡; 所述发泡剂的分解温度在90-115℃之间;在步骤S4中,烘烤温度为120-150℃,烘烤时间为15-30min,具体是控制在20±2min。
本发明利用前述可选方案的技术特点,步骤S1的预热处理温度相同或相近于步骤S4的发泡分解温度,并在步骤S1中给足够开始发泡但不完全发泡的预发泡时间,实现了发泡剂在压延前后的两段发泡。
本发明另外提出一种导热界面材料,用于制备如上所述任一技术方案的一种高强度超低介电性的发泡导热硅胶垫片。
综上所述,本发明包括以下至少一种对现有技术作出贡献的技术效果:
1.使硅胶垫片同时达到高导热性(≥3.0 W/m.k)与低介电性(≤3.0)的平衡,硅胶垫片的厚度范围可以控制在0.5-5mm,适合高速运算电子装置(具体如5G元器件)的贴附导热,利用结构抗拉层作为上下表面第一发泡硅胶层与第二发泡硅胶层固化成形前的压延载膜,最终产品的发泡导热硅胶垫片具有的拉伸强度≥2.5Mpa,适用于连续式成卷压延制造设备的生产工艺;
2.使导热硅胶垫片的密度≤2.0g/cc,在一些对整体重量有严格要求的场合具有较为理想的选择;
3.利用结构抗拉层增加整体的强度,使产品拉伸强度≥2.5Mpa,在实际应用过程中具有更好的操作性,适用于连续式成卷压延制造设备的生产工艺。
附图说明
图1绘示本发明一些较佳实施例中一种高强度超低介电性的发泡导热硅胶垫片的剖切面示意图;
图2绘示本发明一些较佳实施例中一种发泡导热硅胶垫片的制备方法的流程示意图。
附图标记:10、结构抗拉层;20、第一发泡硅胶层;30、第二发泡硅胶层;21,31、气泡;22,32、导热填料。
具体实施方式
下面将对本发明实施案例中的技术方案进行清楚,完整的描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施案例,而不是全部的实施例,基于本发明中的实施例。本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
参阅图1,绘示本发明一些较佳实施例中一种高强度超低介电性的发泡导热硅胶垫片的剖切面示意图。一种高强度超低介电性的发泡导热硅胶垫片,使用的导热界面材料主要组成包括:液体基胶、导热填料、发泡剂、交联剂、催化剂、延迟剂和硅烷偶联剂。按照质量份数计包括:80-150份液体基胶、700-950份导热填料、5-12份发泡剂、0.05-0.3份延迟剂、5-20份交联剂、3-5份催化剂,具体是以材料的中间部位夹有低介电性的玻璃纤维布进行增强。所述发泡导热硅胶垫片包括位于中间部位且材质选自于玻璃纤维布或碳纤维布的结构抗拉层10,所述导热界面材料在所述结构抗拉层10的上下表面分别形成第一发泡硅胶层20与第二发泡硅胶层30,所述发泡导热硅胶垫片的拉伸强度≥2.5Mpa,并利用所述发泡剂在经过压延前加热搅拌与压延后烘烤固化的多段发泡控制所述发泡导热硅胶垫片的导热系数在3.0 W/m.k以上、介电常数在3.0@1MHz以下。通常第一发泡硅胶层20与第二发泡硅胶层30内含有所述发泡剂分解形成的气泡21,31与大小不同粒径的导热填料22,32,被固化的硅胶密封在内。
本发明产品的基本实施原理是:通过结合多段发泡的工艺的发泡剂与低介电导热填料在结构抗拉层上下表面的组合,获得导热系数大于3.0 W/m.k且介电常数小于等于3.0、密度小于2.0g/cc、拉伸强度大于等于2.5 MPA的发泡导热硅胶垫片。
参阅图2,绘示本发明一些较佳实施例中一种发泡导热硅胶垫片的制备方法的流程示意图。一种发泡导热硅胶垫片的制备方法包括以下步骤:
步骤S1:将液体基胶包含的不同粘度的乙烯基硅油、MQ硅树脂分散混合均匀,依次加入交联剂、发泡剂继续搅拌混合均匀,并经过加温120±5℃热处理3-20min,冷却得到胶料A;
步骤S2:在胶料A中依次加入延迟剂、导热填料、催化剂,并通过开炼捏合搅拌充分混合均匀,得到胶料B,胶料A要先混合好才能加入延迟剂、催化剂,其中延迟剂要分散均匀后,才能加入催化剂,以避免胶料B死料;优选是导热填料使用之前预先高温120±5℃下3±1 H烘干除湿处理;
步骤S3:将胶料B进行抽真空处理后,同时将胶料B在结构抗拉层10的上下两表面加料,使例如玻璃纤维布的结构抗拉层10夹在垫片的中间,经过压延机压延成特定厚度的胶片;
步骤S4:把压延好的胶片经过120-150℃的烘箱烘烤15-30min,得到最终的发泡导热硅胶垫片产品;在实际生产时,由胶片压延与烘烤后得到的发泡导热硅胶垫片可以卷收成卷。
本发明工艺的基本实施原理是:步骤S3的抽真空操作是用于排除材料中的空气影响,步骤S2固化前且搅拌均匀的导热界面材料能在步骤S3压延时顺利接触到结构抗拉层的表面而不会形成气阱,加上步骤S3的抽真空后压延操作,导热界面材料不会在接触到结构抗拉层表面处发泡,使导热界面材料与结构抗拉层之间得到更紧密的接触,让硅胶固化后的整体产品结构上更紧密不可分。步骤S4的压延后加热有足够温度,也会使发泡剂继续发泡,但是在前面步骤S1的预先加热可以使发泡效果更为充分,由发泡剂形成的微小气泡在导热界面材料内更加分散均匀,即预发泡的作用。
实施例1
本实施案例提供一种高强度超低介电性的发泡导热硅胶垫片,制备的原材料按质量份数计为:液体基胶:65份500mpa.s的双封端乙烯基硅油,10份10000mpa.s的双封端乙烯基硅油,5份5000mpa.s的MQ硅树脂;8份的含H 硅油;0.15份延迟剂;3份铂金催化剂;氮化硼粉末(粒径为120微米400份,40微米80份,70微米80份,1-3微米320份),5份发泡剂。通过以下的操作步骤制备产品:S1、先将10000mpa.s的双封端乙烯基硅油、5000mpa.s的MQ硅树脂、500mpa.s的双封端乙烯基硅油搅拌混合均匀获得基胶,并在基胶中加入5份含H 硅油和5份发泡剂,经过加温120℃5min热处理,冷却得到胶料A;S2、在胶料A中添加0.1份延迟剂,800份氮化硼粉末 和3份铂金催化剂开炼混合均匀,获得胶料B;S3:将胶料B进行抽真空处理后,同时将胶料B在玻璃纤维布的上下两面加料,实现玻璃纤维布夹在产品的中间,经过压延机压延成特定厚度的产品;S4:把压延好的产品经过120-150℃的鼓风烤炉烘烤20min,最终得到所述高强度的低介电性发泡导热硅胶垫片。所述高强度的低介电性的导热界面材料,测试结果为:导热系数3.25 W/m.k,介电常数:2.85 @1MHZ,密度:1.8g/cc。
实施例2
本实施例2提供一种高强度超低介电性的发泡导热硅胶垫片,制备的原材料按质量份数计为:液体基胶:75份500mpa.s的双封端乙烯基硅油,10份5000mpa.s的MQ硅树脂;10份的含H 硅油;0.15份延迟剂;3份铂金催化剂;导热填料:120μm氮化硼400份,40μm氮化硼80份,70μm氮化硼80份,1-3μm氮化硼320份),8份发泡剂。具体的实施操作步骤参照实施例1的,所述高强度的低介电性的导热界面材料,测试结果为:导热系数3.11W/m.k,介电常数:2.8 @1MHZ,密度:1.65g/cc。
实施例3
本实施例3主要在实施案例2的基础上进行微调,制备的原材料按质量份数计为:液体基胶:75份500mpa.s的双封端乙烯基硅油,10份5000mpa.s的MQ硅树脂;10份的含H 硅油;0.15份延迟剂;3份铂金催化剂;导热填料:120μm氮化硼400份,40μm氮化硼80份,70μm氮化硼80份,1-3μm氮化硼320份),8份发泡剂。实施操作在步骤S1中加入发泡剂后加温120℃时间调整为2min,其他步骤参照实施例1的操作步骤完成。所述高强度的低介电性的导热界面材料,测试结果为:导热系数3.05W/m.k,介电常数:2.98 @1MHZ,密度:1.89g/cc,实施例主要验证了加入发泡剂后,一定要给发泡剂留足够的时间发泡,不然就不能体现出发泡的效果。
对比实施列1
本实施案例提供一种高强度超低介电性的发泡导热硅胶垫片,制备的原材料按质量份数计为:液体基胶:65份500mpa.s的双封端乙烯基硅油,10份10000mpa.s的双封端乙烯基硅油,5份5000mpa.s的MQ硅树脂;8份的含H 硅油;0.15份延迟剂;3份铂金催化剂;氮化硼粉末(粒径为120微米400份,40微米80份,70微米80份,1-3微米320份),0份发泡剂。具体实施操作步骤参照实施例1中的操作步骤。所述高强度的低介电性的导热界面材料,测试结果为:导热系数3.46W/m.k,介电常数:3.4 @1MHZ,密度:1.94g/cc。结果显示,发泡剂的减少,产品的导热性能会有一定的提高,但是介电性增大,也说明了发泡对产品制作过程中的影响。
以上所述实施例,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本发明的保护范围。因此,本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。