TWI457387B - 絕緣導熱組成物與電子裝置 - Google Patents

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Description

絕緣導熱組成物與電子裝置
本發明有關於導熱材料，且特別是有關於絕緣導熱組成物及其應用。
近年來，隨著科技與資訊的日新月異，電子產品的製造技術亦日漸進步。電子產品除了追求輕、薄、短、小的特性外，更朝著優越的性能邁進。
以電腦為例，隨著半導體技術的進步，電腦內的積體電路的體積亦逐漸縮小。為了使積體電路能處理更多的資料，就相同體積的積體電路而言，現今的積體電路已可容納比以往積體電路多上數倍以上的電子元件。當積體電路內的電子元件數量越來越多時，電子元件運算時所產生的熱能亦越來越大。
以電腦裡的主機板上的中央處理器(Central Processing Unit，CPU)為例，中央處理器在高滿載的工作量之狀態下，中央處理器所散發出來的熱度足以燒毀中央處理器本身。因此，若不能有效移除因操作電子元件所產生的廢熱，將會使電子元件溫度提高而降低運作效率，甚至損傷電子元件。
因此，通常會使電子元件連接一散熱裝置，以使電子元件產生的熱傳導至散熱裝置，再經由熱對流或熱輻射等方式散熱。然而，電子元件與散熱裝置之表面皆非平坦光滑的表面，故兩者無法緊密貼合，而必然存在有縫隙。由於空氣的導熱性不良，因此，電子元件與散熱裝置之間的縫隙會大幅降低熱傳導效率。
本發明一實施例提供一種絕緣導熱組成物，包括5～80重量份的樹脂；20～95重量份的導熱絕緣粉體；以及0.0001～2重量份的石墨烯。
本發明另一實施例提供一種電子裝置，包括一發熱元件；一散熱元件；一絕緣導熱層，配置於發熱元件與散熱元件之間，絕緣導熱層的材質包括5～80重量份的樹脂；20～95重量份的導熱絕緣粉體；以及0.0001～2重量份的石墨烯。
以下以實施例並配合圖式詳細說明本發明，應了解的是以下之敘述提供許多不同的實施例或例子，用以實施本發明之不同樣態。以下所述特定的元件及排列方式僅用以舉例說明，而非用以限定本發明。在圖式中，實施例之形狀或是厚度僅用以說明，並非用以限定本發明。再者，圖中未繪示或描述之元件，可為所屬技術領域中具有通常知識者所知的形式。
本發明之絕緣導熱組成物包括石墨烯、樹脂與導熱絕緣粉體，其中由於石墨烯的導熱性質良好，因此，可有效提升絕緣導熱組成物的熱傳導值，但同時仍維持其相當程度的絕緣性質。此外，當本發明與習知的絕緣導熱組成物的熱傳導值相同時，本發明之絕緣導熱組成物中的導熱絕緣粉體的使用量較低，故可具有較低的黏性與較佳的成型性。
本實施例之絕緣導熱組成物包括5～80重量份的樹脂、20～95重量份的導熱絕緣粉體以及0.0001～2重量份的石墨烯。在一實施例中，絕緣導熱組成物中係具有0.01～1重量份的石墨烯，石墨烯的厚度例如約為0.2奈米至50奈米，石墨烯的長度(或寬度)則可為奈米尺度至微米尺度。在本實施例中，絕緣導熱組成物的體積電阻係數大於1012 歐姆-公分。
值得注意的是，由於石墨烯為二維結構，因此，石墨烯具有極高之熱傳導值。本實施例藉由添加少量之石墨烯，以使熱能可多半在導熱性較佳的導熱絕緣粉體與石墨烯中傳遞，而大幅縮短熱能於樹脂中之傳導路徑，進而大幅提升熱傳導值。然而，添加過多石墨烯會使得絕緣導熱組成物的絕緣特性下降，變成半導體甚至是導體，因此，石墨烯的添加量應在一適當之範圍內，例如但不限於前文所述石墨烯的添加範圍，尤其係可使絕緣導熱組成物的體電阻係數大於1012 歐姆-公分為佳。
導熱絕緣粉體可增加絕緣導熱組成物的熱傳導率，導熱絕緣粉體的材質例如為金屬氧化物、陶瓷、鑽石、木炭、或前述之組合。具體而言，導熱絕緣粉體的材質包括氮化硼、氧化鋁、氮化鋁、氮化鎂、氧化鋅、碳化矽、氧化鈹、鑽石、碳化鎢、或前述之組合。舉例來說，本實施例之導熱絕緣粉體可採用二種以上不同粒徑及/或不同組成的粉體，以提高填充比並提高絕緣導熱組成物之導熱效率，但仍需維持其相當程度的絕緣性質。
樹脂可使絕緣導熱組成物具有各種特性，以符合其在各種不同用途之需求，如絕緣性、機械強度、撓曲性、柔軟性、或接著性等。樹脂例如為有機樹脂、無機樹脂、或前述之組合。具體而言，樹脂包括環氧樹脂、矽氧烷樹脂、聚亞醯胺樹脂、聚氨脂樹脂、矽氧烷樹脂、乙烯-醋酸乙烯樹脂、壓克力樹脂、高分子樹脂、彈性體(elastomer)、橡膠、或前述之組合。
此處所用之石墨烯可為一化學改質或物理改質的石墨烯，改質的石墨烯包含接枝有機分子及無機分子的改質石墨烯、或貼附有機分子及無機分子的改質石墨烯。
本發明之絕緣導熱組成物可另外包括本技術領域所熟知之各式添加劑，以補強絕緣導熱組成物之物理及/或化學性質。然而，當添加劑之用量過高時，會影響絕緣導熱組成物之成形性或自黏性，造成加工困難，並導致導熱能力下降。因此，本實施例之添加劑的重量較佳小於樹脂的重量的五分之一，舉例來說，當樹脂的重量為80重量份時，添加劑的重量較佳小於16重量份。添加劑包括硬化劑、催化劑、消泡劑、抑制劑、抗氧化劑、耐燃劑、平坦劑、脫模劑、或前述之組合，其中催化劑與抑制劑是用來調控樹脂硬化反應之速率及反應程度。
以下將詳細介紹將前述絕緣導熱組成物應用於電子裝置的絕緣導熱層中的實施例。
第1圖繪示本發明一實施例之電子裝置的示意圖。請參照第1圖，本實施例之電子裝置100包括一發熱元件110、一散熱元件120、一絕緣導熱層130，其中絕緣導熱層130配置於發熱元件110與散熱元件120之間，且絕緣導熱層130的材質為本發明含有石墨烯之絕緣導熱組成物。具體而言，絕緣導熱層130的材質包括5～80重量份的樹脂、20～95重量份的導熱絕緣粉體、以及0.0001～2重量份的石墨烯。
發熱元件110例如為應用於消費性3C、工業、汽車、醫療、航太、及通訊等領域之電子產品，例如主機板、中央處理器(CPU)、晶片、或顯示器等，或者是其他的發熱裝置，例如發光二極體燈、金屬線路、熱機、冷機、或是引擎。
發熱元件110上的散熱元件120可有助於快速移除發熱元件110於運作時所累積的熱能，因此，可避免發熱元件110受到累積的熱能的影響而導致性能下降甚至損壞。散熱元件120例如為散熱鰭片、風扇、金屬片、熱導管、或前述之組合、或是其他適合的散熱元件。
配置於發熱元件110與散熱元件120之間的絕緣導熱層130可緊密貼合發熱元件110與散熱元件120，以填補兩者之間的縫隙，進而有效提升兩者之間的熱傳導，並可作為發熱元件110與散熱元件120之間的電性絕緣層(electric isolating layer)。
以下將介紹前述絕緣導熱組成物的多個實施例與多個比較例。
下述實施例與比較例係依據ISO22007之Hot disk Standard Method量測熱傳導值，並使用TA AR-G2 RHEOMETER量測黏度。下述實施例與比較例的絕緣導熱組成物之物性如熱傳導值、電阻值、黏度均表列於第1表中。
下述實施例與比較例係使用相同種類的環氧樹脂(EPON828，化學式如下第1式所示，購自Shell)與胺類硬化劑(D2000，化學式如下第2式所示，購自Huntsman)。
EPON828之化學式如第1式所示，其中n約為1~2：
D2000之化學式如第2式所示，其中x約為33：
實施例1
將9克之環氧樹脂及24克之胺類硬化劑置入250毫升之反應器後快速攪拌均勻，再緩慢加入187克氧化鋁粉體，以形成一混合物。上述混合物經快速攪拌5分鐘、再加入50毫克石墨烯(Graphene，厚度為2~3nm)並高速攪拌均勻後，再經滾筒加工分散三次，然後，置於150℃之烘箱2小時使之硬化，即得高熱傳導之絕緣導熱組成物。絕緣導熱組成物的粉體固含量約為85wt%。由第1表可知，其熱傳導值為3.2W/mK。
實施例2
將9克之環氧樹脂及24克之胺類硬化劑置入250毫升之反應器後快速攪拌均勻，再緩慢加入187克氮化硼粉體，以形成一混合物。上述混合物經快速攪拌5分鐘、再加入50毫克石墨烯(Graphene，厚度為2~3nm)並高速攪拌均勻後，再經滾筒加工分散三次，然後，置於150℃之烘箱2小時使之硬化，即得高熱傳導之絕緣導熱組成物，其粉體固含量約為85wt%。由第1表可知，其熱傳導值為3.7W/mK。
比較例1
將9克之環氧樹脂及24克之胺類硬化劑置入250毫升之反應器後快速攪拌均勻，再緩慢加入187克氧化鋁粉體，以形成一混合物。上述混合物經快速攪拌5分鐘，再經滾筒加工分散三次後，置於150℃之烘箱2小時使之硬化，即得絕緣導熱組成物，其粉體固含量約為85wt%。
由第1表可知，比較例1的絕緣導熱組成物的熱傳導值為2W/mK。經由比較實施例1與比較例1的絕緣導熱組成物的性質可知，添加少量約0.05wt%的石墨稀可大幅增加熱傳導值，而電阻值依然維持不下降。
比較例2
將9克之環氧樹脂及24克之胺類硬化劑置入250毫升之反應器後快速攪拌均勻，再緩慢加入187克氮化硼粉體，以形成一混合物。上述混合物經快速攪拌5分鐘，再經滾筒加工分散三次後，置於150℃之烘箱2小時使之硬化，即得絕緣導熱組成物，其粉體固含量約為85wt%。
由第1表可知，其熱傳導值為2.6W/mK。經由比較實施例2與比較例2的絕緣導熱組成物的性質可知，添加少量約0.05wt%的石墨烯可大幅增加熱傳導值，而電阻值依然維持不下降。
比較例3
將9克之環氧樹脂及24克之胺類硬化劑置入250毫升之反應器後快速攪拌均勻，再緩慢加入297克氧化鋁粉體，以形成一混合物。上述混合物經高速攪拌均勻後，再經滾筒加工分散三次，之後，置於150℃之烘箱2小時使之硬化，即得絕緣導熱組成物，其粉體固含量約為90wt%。
由第1表可知，絕緣導熱組成物的熱傳導值為3.3W/mK，其黏度已達300萬cP(centi Poise)，故其難以加工成型。
比較例4
將9克之環氧樹脂及24克之胺類硬化劑置入250毫升之反應器後快速攪拌均勻，再加入50毫克石墨(Graphite)並高速攪拌均勻後，再緩慢加入187克氧化鋁粉體，以形成一混合物。上述混合物經高速攪拌均勻後，再經滾筒加工分散三次，之後，置於150℃之烘箱2小時使之硬化，即得絕緣導熱組成物，其粉體固含量約為85wt%。
由第1表可知，比較例4的絕緣導熱組成物的熱傳導值為2.1W/mK，由此可知，加入50毫克的石墨(0.05wt%)無法提升熱傳導值。
比較例5
將9克之環氧樹脂及24克之胺類硬化劑置入250毫升之反應器後快速攪拌均勻，再加入4.8克石墨並高速攪拌均勻，然後，再緩慢加入183克氧化鋁粉體，以形成一混合物。上述混合物經高速攪拌均勻後，再經滾筒加工分散三次，之後，置於150℃之烘箱2小時使之硬化，即得絕緣導熱組成物，其粉體固含量約為85wt%。
由第1表可知，絕緣導熱組成物的熱傳導值為4.2W/mK。由此可知，加入4.8克的石墨(2.2wt%)可提升絕緣導熱組成物的熱傳導值，但其體積電阻也大幅下降(1.5x1010 Ω-cm)，而無法有效絕緣。
綜上所述，本發明藉由在絕緣導熱組成物中加入少量導熱性質良好的石墨烯，以有效提升絕緣導熱組成物的整體導熱性質，但仍維持其相當程度的絕緣性質。此外，添加石墨烯可減少絕緣導熱組成物中的導熱絕緣粉體的使用量，並維持熱傳導值，故本發明之絕緣導熱組成物可具有較低的黏性與較佳的成型性。另外，將本發明之絕緣導熱組成物配置於發熱元件與散熱元件之間可緊密貼合發熱元件與散熱元件，進而有效提升兩者之間的熱傳導。
本發明雖以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明的範圍，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許的更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧電子裝置
110‧‧‧發熱元件
120‧‧‧散熱元件
130‧‧‧絕緣導熱層
第1圖繪示本發明一實施例之電子裝置的示意圖。
100．．．電子裝置
110．．．發熱元件
120．．．散熱元件
130．．．絕緣導熱層

Claims (11)

  1. 一種絕緣導熱組成物，包括：5~80重量份的樹脂；20~95重量份的導熱絕緣粉體，其中該導熱絕緣粉體的材質包括氮化硼、氧化鋁、氮化鋁、氮化鎂、氧化鋅、碳化矽、氧化鈹、鑽石、碳化鎢、或前述之組合；以及0.0001~2重量份的石墨烯。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之絕緣導熱組成物，其中該石墨烯的厚度約為0.2奈米至50奈米。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之絕緣導熱組成物，其中該石墨烯係為0.01~1重量份。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之絕緣導熱組成物，其中該樹脂包括有機樹脂、無機樹脂、或前述之組合。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之絕緣導熱組成物，其中該樹脂包括環氧樹脂、矽氧烷樹脂、聚亞醯胺樹脂、聚氨脂樹脂、乙烯-醋酸乙烯樹脂、壓克力樹脂、橡膠或前述之組合。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之絕緣導熱組成物，其中該絕緣導熱組成物的體積電阻係數大於1012 歐姆-公分。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之絕緣導熱組成物，其中該石墨烯包含一改質的石墨烯，該改質的石墨烯包含接枝有機分子及無機分子的改質石墨烯、或貼附有機分子及無機分子的改質石墨烯。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之絕緣導熱組成物，更包括： 一添加劑，包括硬化劑、催化劑、消泡劑、抑制劑、抗氧化劑、耐燃劑、平坦劑、脫模劑、或前述之組合。
  9. 一種電子裝置，包括：一發熱元件；一散熱元件；一絕緣導熱層，配置於該發熱元件與該散熱元件之間，該絕緣導熱層的材質包括：5~80重量份的樹脂；20~95重量份的導熱絕緣粉體，其中該導熱絕緣粉體的材質包括氮化硼、氧化鋁、氮化鋁、氮化鎂、氧化鋅、碳化矽、氧化鈹、鑽石、碳化鎢、或前述之組合；以及0.0001~2重量份的石墨烯。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之電子裝置，其中該發熱元件包括晶片、中央處理器、主機板、顯示器、發光二極體燈、金屬線路、熱機、冷機、或引擎。
  11. 如申請專利範圍第9項所述之電子裝置，其中該散熱元件包括風扇、熱導管、散熱鰭片、金屬片或前述之組合。
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