专利名称：热传导性材料的组成与制造方法
技术领域：
本发明系有关于一种热传导性材料的组成与制造方法，特别是有关于一种利用可水解反应的化合物，来提高材料性能的热传导性材料的组成与制造方法。
背景技术：
“热”一直是电子元件工作时必须处理的问题，散热问题已成为科技发展上关键技术的瓶颈。早期电子元件的散热途径均采用内部封装的材质以将热传至表层，利用较大的散热片以热传导的方式将热传至发热源的外部，并加装鳍片或风扇来达到强制对流的效果。在这个散热路径上，相当多的介质会转换而形成热阻较大的介面，故必须使用适当的热传导性材料，用以降低介面热阻问题，并提高散热的效率。特别是在构装密度越来越高，发热功率越来越大的今天，如何让电子元件有效地散热更是相当重要的课题。
具有高热传导性质的导热胶、导热膏或导热片是解决上述问题常用的介质。热传导性材料可以将发热元件产生的热量传导到散热元件上，避免发热元件的工作温度过高，影响发热元件的工作效率与使用寿命。例如晶片与基材、印刷电路板、铝挤型散热器之间，或是电阻、电容、二极体内部，都需要使用导热胶、导热膏或导热片等热传导性材料。
习知的热传导性材料是使用有机材料和具有导热性粉末混合而成。常见的有机材料为环氧树脂、聚氨基甲酸酯树脂、压克力树脂和聚硅氧烷树脂等。而导热性粉末可分成金属粉末、陶瓷粉末与其他类型粉末等三大系统，例如银、氧化铝、氮化铝、氮化硅、氧化镁、氮化硼、碳化硅、氧化锌、二氧化钛、二氧化硅、人造钻石、纳米碳管和气相沉积的碳纤维等。习知的热传导性材料是将上述导热性粉末与有机材料加以混合，而提高有机材料的热传导系数3-20倍，其热传导性的改善程度则视粉末的种类、粒径大小、几何形状或添加比例等而定。
在习知技术中，美国专利第4,722,521号，美国专利第4,329,565号，美国专利第4,279,477号，美国专利第4,292,223号，4,147,669号和美国专利4,083,622号提出以金属粉末来提高有机材料的热传导系数。美国专利第4,685,987号和美国专利第4,602,678号提出以金属氧化物来提高有机材料的热传导系数。美国专利第4,584,336号提出以混合氮化硅与室温硬化型硅利康树脂来提高有机材料的热传导系数。美国专利4,588,768号提出混合氮化硅与高温硬化型硅利康树脂来提高有机材料的热传导系数。美国专利第4,574,879号，美国专利第3,499,859号和美国专利第4,763,158号提出混合氮化硼与硅利康树脂来提高有机材料的热传导系数。美国专利第4,604,424号提出使用氧化锌或氧化镁来提高硅利康橡胶的热传导系数。美国专利第6,479,563号提出使用35～70％的无机粉末与压克力型的紫外光硬化树脂掺混来提高紫外光硬化树脂的热传导系数。美国专利第4,855,002号提出使用铝或是氧化铝的无机粉末来提高厌氧胶的热传导系数。美国专利第6,040,362号提出使用外层包覆金属氧化物或是金属氮化物的金属粉末来制造导热高分子。美国专利第5,008,307号提出使用氧化铝于铂触媒催化的硅利康树脂系统。
由于有机材料的导热系数远小于导热性粉末，所以就相同种类的导热材料而言，提高导热系数最直接的方法就是提高固态粉末的含量，相对地降低有机材料的比例。美国专利第5,011,870号提出使用不同粒径分布的氮化铝来维持成品的粘度同时提高固态粉末的添加量；美国专利第4,292,223号提出使用硅油来降低硅利康树脂的粘度，提高固态粉末的添加量；美国专利第6,255,257号提出使用不同粒径分布的固态粉末添加于硅利康油脂中，以制造导热膏；美国专利第5,352,724号提出使用含量5％以下的有机钛的化合物来降低硅利康树脂系统粘度，提高固态粉末的添加量。
但是，以上述的习知技术来制备高导热材料有其下列的三点限制1.由于液态的有机材料有其基本的粘度，固态的有机材料本身更具有相当高的熔融粘度，故就掺混技术上而言，非常难以混入很高比率的无机粉末。
2.使用稀释剂来降低液态有机材料的粘度，或者是使用可塑剂来降低固态有机材料的熔融粘度，将会使成品的许多性质变差。
3.填充高含量的固态粉末到有机材料中，将导致所形成的混合物的粘度极高，因而丧失湿润性与流动性。
因此，非常需要发展一种热传导性材料的组成与制造方法，藉以降低有机材料的粘度，来提高无机粉末的添加比率；减少成品性质衰退的情况；提高成品的热传导能力；以及将有机材料的稀释剂与高导热粉末两者的功能结合在一起，同时改善产物的加工性能与成品性质。
发明内容
本发明的目的就是在提供一种热传导性材料的组成与制造方法，藉由混合有机材料、可水解反应的化合物和导热性粉末而形成热传导性材料。此热传导性材料会吸收环境中的水气而发生水解反应，生成新的高导热产物，进一步提升材料的导热性质。
根据本发明的上述目的，提出一种热传导性材料的组成。依照本发明较佳的实施例，此热传导性材料的组成至少包括有机材料、可水解反应的化合物以及导热性粉末。
另外，本发明亦提出两种热传导性材料的制造方法。热传导性材料的第一种制造方法系均匀搅拌一液体的热传导性材料的组成而形成一混合物。然后，可将此混合物在真空压力下脱泡一段预设时间，而制作成导热胶、导热膏或其他类型的导热材料。
热传导性材料的第二种制造方法系均匀混合一固体的热传导性材料的组成而形成一混合物。然后，利用适当的加工方法制作成导热胶、导热片或其他类型的导热材料。
因此，本发明的有盖效果在于制程简单，又可降低有机材料的粘度，而提高导热性粉末的添加比率；减少成品性质衰退的情况；提高成品的热传导能力；以及将有机材料的稀释剂与导热性粉末两者的功能结合在一起，同时改善产物的加工性能与成品性质。
具体实施例方式
本发明所提出的热传导性材料，系由有机材料、可水解反应的化合物和导热性粉末混合而成。其主要特征在于此热传导性材料会吸收环境中的水气而发生水解反应，生成新的高导热系数产物，进而提升材料的导热性质。该有机材料的重量填充比例为实质介于5％至50％之间；该可水解反应的化合物的填充比例系实质介于2％至20％之间；该导热性粉末的重量填充比例系实质介于40％至90％之间。
本发明的热传导性材料可应用于电脑中央处理器、温度感测器、马达转子以及其他需要热传导的应用领域。此热传导性材料可制作成接著剂(Adhesive)、涂料(Coating)、复合(Composite)材料、成型(Molding)材料、灌注(Potting)材料、膏状滑脂(grease)与固态弹性体(Elastomer)等型态，其可涂布或者是成型在发热元件的内部、周围或是包裹住发热元件，以将发热元件所产生的热量传导到外界，来维持发热元件的工作效率与使用寿命。
本发明的热传导性材料可用以形成导热胶、导热膏或是导热片。就形成导热胶而言，其有机材料可以利用不同的机构来进行硬化反应，而达到接著与固定的目的。常见的反应型态为，例如室温固化型、加热固化型、湿气固化型、厌氧固化型、紫外光固化型或可见光固化型等。而形成导热胶的有机材料可选用环氧树脂、聚胺基甲酸酯、酚醛树脂、聚醯胺树脂、压克力树脂或聚硅氧烷树脂等材质。就形成导热膏而言，能够长期保持液态，以提供贴合与重复加工的特性。而形成导热膏的有机材料可选用环氧树脂、聚胺基甲酸酯、酚醛树脂、聚醯胺树脂、矿物油以及聚硅氧烷等材质。就形成导热片而言，其有机材料在室温下能够长期保持固态，以提供贴合与重复加工的特性。而形成导热片的有机材料可选用聚乙烯、聚丙烯、聚醯胺等热塑性塑胶与橡胶、聚胺基甲酸脂、聚硅氧烷橡胶等弹性体。
本发明所使用的可水解反应的化合物可以是硅烷、钛酸酯或铝氧烷等；本发明的导热性粉末可选用各种金属、陶瓷粉末与其他类别等系统；本发明的导热性粉末可为银、氧化铝、氮化铝、氮化硼、氮化硅、碳化硅、氧化锌、氧化镁、二氧化钛、二氧化硅、人造钻石、纳米碳管或气相层积的碳纤维等。
另外，可将本发明的高热传导性材料组成分散于有机溶剂，再喷在标的片(如金属片或塑胶、橡胶片)上形成导热片，其中金属片可为铝片或铜片，有机溶剂的重量百分比可为20-95％，其中有机溶剂可为烟类(例如己烷、石油醚、环己烷、甲苯等)、卤代烟烷(例如二氯甲烷、四氯化碳、一氟三氯甲烷等)、酮类(例如丙酮、丁酮、异佛尔酮等)、醚类(例如乙醚、苯乙醚、四氢呋喃、乙二醇二甲醚等)、醇类(例如异丙醇、正丁醇、苯甲醇等)、酯类(例如乙酸乙酯、乙二醇二乙酸酯、丙二醇碳酸酯等)等或上述混合或多官能基的有机溶剂(例如乙二醇一甲醚、双丙酮醇等)或无机溶剂(例如水、液态二氧化碳)。
以下以若干实施例来说明本发明实施例一本实施例系使用8.9％的双酚F缩水甘油醚系列的环氧树脂(例如美国ResolutionPerformance Products LLC.所生产的型号EPON 862的环氧树脂)、2.2％的丁二醇缩水甘油醚的环氧树脂稀释剂(例如英国Anchor Chemical Limited所生产的型号EPODIL 750的环氧树脂稀释剂)、0.3％的胺类硬化剂(例如日本Shikoku Chemical Co.所生产的型号2MA-OK的硬化剂)、7.6％的硅烷(例如美国Dow Corning Co.所生产的型号Z-6040的硅烷)、以及81％的氮化铝粉末。
首先，以搅拌机将上述材质均匀搅拌混合。然后，将经过搅拌的上述材质在133Pa的真空压力下脱泡约1小时，便可制作成一热硬化的单液型环氧树脂。接着，将上述的环氧树脂在150℃下加热约1小时，制备成直径60mm，厚度1mm的试片。然后，依照美国ASTM E1530标准量测室温的导热系数，并依照美国ASTM D2196-86标准量测室温的粘度。
实施例二本实施例系使用12.9％的双酚F缩水甘油醚系列的环氧树脂(例如美国ResolutionPerformance Products LLC.所生产的型号EPON 862的环氧树脂)、5.5％的丁二醇缩水甘油醚的环氧树脂稀释剂(例如英国Anchor Chemical Limited所生产的型号EPODIL 750的环氧树脂稀释剂)、0.6％的胺类硬化剂(例如日本Shikoku Chemical Co.所生产的型号2MA-OK的硬化剂)以及81％的氮化铝粉末。
首先，以搅拌机将上述材质均匀搅拌混合。然后，将经过搅拌的上述材质在133Pa的真空压力下脱泡约1小时，便可制作成一热硬化的单液型环氧树脂。接着，将上述的环氧树脂在150℃下加热约1小时，制备成直径60mm，厚度1mm的试片。然后，依照美国ASTM E1530标准量测室温的导热系数，并依照美国ASTM D2196-86标准量测室温的粘度。
实施例三本实施例系使用9％的双酚A缩水甘油醚系列的环氧树脂(例如美国Dow Chemical Co.所生产的型号DER 331的环氧树脂)、3％的胺类硬化剂(例如美国Huntsman Corporation所生产的型号Jeffamine D-230的硬化剂)、6％的硅烷(例如日本Shin-EtsuChemical CO.，Ltd.所生产的型号KBM 04的硅烷)、2％的有机钛化物(例如美国E.I.du Pont DE Nemours andCompany所生产的型号Tyzor TnBT的钛酸酯)、80％的氮化铝粉末。
首先，以搅拌机将上述材质均匀搅拌混合。然后，将经过搅拌的上述材质在133Pa的真空压力下脱泡约1小时，便可制作成一热硬化的双液型环氧树脂。在室温下静置3天后，制备成直径60mm，厚度1mm的试片。然后，依照美国ASTM E1530标准量测室温的导热系数，并依照美国ASTM D2196-86标准量测室温的粘度。
实施例四本实施例系使用15％的双酚A缩水甘油醚系列的环氧树脂(例如美国Dow Chemical Co.所生产的型号DER 331的环氧树脂)、5％的胺类硬化剂(例如美国Huntsman Corporation所生产的型号Jeffamine D-230的硬化剂)、以及80％的氮化铝粉末。
首先，以搅拌机将上述材质均匀搅拌混合。然后，将经过搅拌的上述材质在133Pa的真空压力下脱泡约1小时，便可制作成一热硬化的双液型环氧树脂。在室温下静置3后，制备成直径60mm，厚度1mm的试片。然后，依照美国ASTM E1530标准量测室温的导热系数，并依照美国ASTM D2196-86标准量测室温的粘度。
实施例五本实施例系使用9％的压克力寡聚合物(例如美国Sartomer Company，Inc.所生产的型号SR 980的压克力寡聚合物)、5％的单官能基压克力单体(例如日本Kyoeisha Chemical Co.所生产的型号Light Acrylate L-A的单官能基压克力单体)、1％的光起始剂(例如德瑞士CibaSpecialty Chemicals lnc.的型号Darocur 1173的光起始剂)、10％的硅烷(例如日本Shin-EtsuChemical Co.，Ltd.所生产的型号KBM 503的硅烷)、75％的氧化铝粉末(例如日本Sumitomo Chemical Company Limited所生产的型号ALM-43的氧化铝)。
首先，在80℃下以搅拌机将9％的压克力寡聚合物、5％的单官能基压克力单体、1％的光起始剂均匀混合。然后，将上述产物冷却至室温，再将硅烷与氧化铝粉末加入上述产物中均匀搅拌。接着，将经过搅拌的上述材质在133Pa的真空压力下脱泡0.5小时，便可制作成一光硬化型压克力树脂。然后，将上述所得的树脂在365nm波长的紫外光下曝光2000mJ/cm2，制备成直径50mm，厚度100μm的试片。然后，依照美国ASTM E1530标准量测室温的导热系数，并依照美国ASTM D2196-86标准量测室温的粘度。
实施例六本实施例系使用14％的压克力寡聚合物(例如美国Sartomer Company，Inc.所生产的型号SR 980的压克力寡聚合物)、9％的单官能基压克力单体(例如日本Kyoeisha Chemical Co.所生产的型号Light Acrylate L-A的单官能基压克力单体)、2％的光起始剂(例如德瑞士CibaSpecialty Chemicals lnc.的型号Darocur 1173的光起始剂)、75％的氧化铝粉末(例如日本Sumitomo Chemical Company Limited所生产的型号ALM-43的氧化铝)。
首先，在80℃下以搅拌机将14％的压克力寡聚合物、9％的单官能基压克力单体、2％的光起始剂均匀混合。然后，将上述产物冷却至室温，再将氧化铝粉末加入上述产物中均匀搅拌。接着，将经过搅拌的上述材质在133Pa的真空压力下脱泡0.5小时，便可制作成一光硬化型压克力树脂。然后，将上述所得的树脂在365nm波长的紫外光下曝光2000mJ/cm2，制备成直径50mm，厚度100μm的试片。最后，依照美国ASTM E1530标准量测室温的导热系数，并依照美国ASTM D2196-86标准量测室温的粘度。
实施例七本实施例系使用15％的硅油(例如日本Shin-EtsuChemical Co.，Ltd.所生产的型号KF 96的硅油)、10％的有机钛化物(例如美国E.I.du Pont DE Nemours and Company所生产的型号Tyzor TnBT的钛酸酯)、以及75％的氮化铝粉末。
首先，将上述材质均匀搅拌混合。然后，将经过搅拌的上述材质在133Pa的真空压力下脱泡约1小时，将上述的液态材料倒入特定形状的模具内。然后，依照美国ASTM E1530标准量测室温的导热系数，并依照美国ASTM D2196-86标准量测室温的粘度。
实施例八本实施例系使用25％的硅油(例如日本Shin-EtsuChemical Co.，Ltd.所生产的型号KF 96的硅油)、以及75％的氮化铝粉末。
首先，将上述材质均匀搅拌混合。然后，将经过搅拌的上述材质在133Pa的真空压力下脱泡约1小时，将上述的液态材料倒入特定形状的模具内。然后，依照美国ASTM E1530标准量测室温的导热系数，并依照美国ASTM D2196-86标准量测室温的粘度。
实施例一与二为一对照组，三与四为一对照组，五与六为一对照组，七与八为一对照组，实施例一、三、五、七为一种利用可水解反应的化合物，来提升热传导性的材料组成，实验结果明显的显示，有添加可水解反应化合物的配方组成，在经30天的环测后其导热系数皆明显的提高。
实验结果
*1环测条件温度60℃，湿度95％*2环测30天后再置于100℃下加热24小时所得。
由上述本发明较佳实施例可知，相较于习知技术，本发明的导热材料具有以下优点(1)制程简化本发明技术系利用可水解反应的液态化合物，将有机材料的稀释剂与导热性粉末两者的功能结合在一起，可以同时达到降低有机材料的黏度与提高导热性粉末的添加比率这两项目的。
(2)性能提升本发明技术使用可水解反应的化合物作为有机材料的稀释剂，可以避免一般稀释剂会大幅地降低树脂性能的缺点。
(3)导热提高本发明技术所使用的可水解反应的化合物会透过水解反应，生成高热传导系数的产品，且产品在应用过程中，其导热能力会不断的提高。
虽然本发明已将较佳的实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此技艺者在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定为准。
权利要求
1.一种热传导性材料的组成，其特征在于，至少包括一可水解反应的化合物，其中该可水解反应的化合物系选自于由硅烷、钛酸酯以及铝氧烷所组成的一族群；一有机材料；以及一导热性粉末，其中该有机材料、该可水解反应的化合物与该导热性粉末系均匀混合在一起。
2.根据权利要求1所述的热传导性材料的组成，其特征在于，该导热性粉末系选自于由一金属粉末、一陶瓷粉末、一第一粉末以及其任意混合粉末所组成的一族群；其中该金属粉末系选自于由银、铜、镍、铝以及其任意混合粉末所组成的一族群；该陶瓷粉末系选自于由氧化铝、氮化铝、氮化硅、氧化镁、氮化硼、碳化硅、氧化锌、二氧化钛、二氧化硅以及其任意混合粉末所组成的一族群该第一粉末系选自于由人造钻石、纳米碳管、气相沉积的碳纤维以及其任意混合粉末所组成的一族群。
3.根据权利要求1所述的热传导性材料的组成，其特征在于，系用以形成一导热膏，其中形成该导热膏的该有机材料系选自于由环氧树脂、聚胺基甲酸酯、酚醛树脂、聚醯胺树脂、矿物油以及聚硅氧烷所组成的一族群。
4.根据权利要求1所述的热传导性材料的组成，其特征在于，系用以形成一导热胶，其中该导热胶用来进行一硬化反应的机构系选自于室温固化型、加热固化型、湿气固化型、厌氧固化型、紫外光固化型以及可见光固化型所组成的一族群。
5.根据权利要求4所述的热传导性材料的组成，其特征在于，其中形成该导热胶的该有机材料系选自于由环氧树脂、聚胺基甲酸酯、酚醛树脂、聚醯胺树脂、压克力树脂以及聚硅氧烷所组成的一族群。
6.根据权利要求4所述的热传导性材料的组成，其特征在于，该导热胶至少包括一材料，其中该材料系选自于由一硬化剂、一光起始剂、一催化剂以及其任意混合物所组成的一族群。
7.根据权利要求1所述的热传导性材料的组成，其特征在于，该热传导性材料的组成系分散于一有机溶剂，用以喷在一标的片上，而形成一导热片，该有机溶剂的重量百分比系实质介于20％和95％之间，该有机溶剂系选自于由一烟类、一卤代烟炕、一酮类、一醚类、一醇类、一酯类、一多官能基有机溶剂、一无机溶剂以及其任意混合所组成的一族群，该烟类系选自于由己烷、石油醚、环己烷、以及甲苯所组成的一族群，该卤代烟烷系选自于由二气甲烷、四氯化碳、以及氟三氯甲烷所组成的一族群，该酮类系选自于由丙酮、丁酮、以及异佛尔酮所组成的一族群，该醚类系选自于由乙醚、苯乙醚、四氢呋喃、以及乙二醇二甲醚所组成的一族群，该醇类系选自于由异丙醇、正丁醇以及苯甲醇等所组成的一族群，该酯类系选自于由乙酸乙酯、乙二醇二乙酸酯、以及丙二醇碳酸酯所组成的一族群，该多官能基有机溶剂系选自于由乙二醇一甲醚、以及双丙酮醇所组成的一族群，该无机溶剂系选自于由水、以及液态二氧化碳所组成的一族群。
8.根据权利要求1所述的热传导性材料的组成，其特征在于，系用以形成一导热固态弹性体，其中形成该导热固态弹性体的该有机材料系选自于由硅利康、橡胶以及聚氨酯所组成的一族群。
9.根据权利要求1所述的热传导性材料的组成，其特征在于，该有机材料的重量填充比例系实质介于5％至50％之间；该可水解反应的化合物的填充比例系实质介于2％至20％之间；该导热性粉末的重量填充比例系实质介于40％至90％之间。
10.一种热传导性材料的制造方法，其特征在于，至少包括均匀搅拌一热传导性材料的组成而形成一混合物，其中该热传导性材料的组成至少包括一有机材料、一可水解反应的化合物和一导热性粉末。
11.根据权利要求10所述的热传导性材料的组成，其特征在于，至少还包括将该混合物在一真空压力下脱除气泡一预设时间。
全文摘要
一种热传导性材料的组成与制造方法。此热传导性材料系由有机材料、可水解反应的化合物和导热性粉末混合而成。此热传导性材料会吸收环境中的水气而发生反应，进而提升材料的导热性质，形成高导热材料。此热传导性材料的制造方法将视材料种类的不同，选择适当的加工方法让有机材料、可水解反应的化合物和导热性粉末三者均匀搅拌，即可成型。
文档编号C09K5/00GK1704458SQ20041004881
公开日2005年12月7日 申请日期2004年5月28日 优先权日2004年5月28日
发明者赖振兴, 李明旭, 苏雅惠, 王炳松 申请人:台盐实业股份有限公司, 永宽化学股份有限公司