一种导热胶及其制备方法与流程

本发明涉及一种用于散热器件的具有导热功能的导热胶及其制备方法，适用于各类热源发生器与散热器之间通过导热胶进行导热连接。

背景技术：

热传导一直是电子工业中的一项重要工艺，元器件的工作温度常常是可靠性的重要依据。特别是微电子的组装越来越密集化，其工作环境急剧向高温方向变化，散热问题也就成为电子产品设计中至关重要的考虑因素。各类热源发生器与散热器之间通过导热胶黏剂进行导热连接，例如半导体、电源电气、白色家电及led等等行业的散热设计大多都是这样。

导热胶是一种应用于粘接散热器件和其它的功率消耗元器件的功能性产品，这种胶带通常具有极强的粘合强度，良好的粘着力及导热性能，柔软、可压缩，易于模切，分为有基材和无基材。

目前的导热胶普遍存在导热系数低、物理性能差等缺陷，对于高散热环境适应性差。无基材的双面胶带导热性能受到导热胶的限制很大，导热系数难以通过低成本方案加以提高，且热阻随着厚度的增加下降很快。有基材的单双面胶带普遍采用pet膜作基材，除了受到导热胶的限制，还受到基材的限制，难以满足电子设备散热的需要。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种导热胶及其制备方法，以减少或避免前面所提到的问题。

具体来说，本发明的目的是提供一种工艺简单，操作安全，成本低的片状导热填料高定向导热胶，具有较高的导热系数，适用于各类热源发生器与散热器之间通过导热胶进行导热连接。

为解决上述技术问题，本发明提出了一种导热胶，用于设置于热源发生器与散热器之间通过所述导热胶进行导热连接，所述导热胶为平片状结构，所述导热胶具有相互平行的上表面和下表面，所述导热胶内部均匀分布有片状导热填料，所述片状导热填料的片状表面垂直于所述上表面和所述下表面。

优选地，所述导热胶由高分子聚合物、片状导热填料、表面改性剂、流变改性剂、抗氧剂、增粘剂、溶剂、固化剂为原料制成。

优选地，所述导热胶由如下质量份的原料制成：高分子聚合物：100份；片状导热填料：20-200份；表面改性剂：0.2-2份；流变改性剂：0.2-2份；抗氧剂：0.1-1份；增粘剂：1-10份；溶剂：100-500份；固化剂：0.1-1份。

优选地，所述高分子聚合物为天然橡胶、丁苯橡胶、聚异丁烯橡胶、聚丙烯酸酯、聚乙烯基醚树脂之一或其混合物。

优选地，所述表面改性剂为硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂及硬脂酸之一或其混合物。

优选地，所述流变改性剂为膨润土、有机粘土、二氧化硅、纤维素、黄原胶之一或其混合物。

优选地，所述片状导热填料为片状氮化硼、片状石墨和片状石墨烯之一或其混合物。

优选地，所述片状导热填料的直径为1～30μm，厚度为5～200nm。

本发明还提供了一种上述导热胶的制备方法，包括如下步骤：

以高分子聚合物、片状导热填料、表面改性剂、流变改性剂、抗氧剂、增粘剂、溶剂、固化剂为原料按照比例均匀混合形成流延料；

提供一个模具，所述模具放置在一个平板输送带上，所述模具和所述平板输送带之间具有一个间隙；

将所述流延料放入所述模具中并沿所述平板输送带朝向所述间隙挤压所述流延料，同时所述平板输送带沿所述挤压方向移动，在所述流延料上施加一个垂直于所述流延方向的磁场；通过挤压获得导热胶流延片；

将所述导热胶流延片干燥固化后获得所述导热胶。

优选地，所述片状导热填料在混合之前需要进行表面改性处理。

本发明提供的导热胶中的片状导热填料的排列方向是高度定向的，片状导热填料都垂直于导热胶的平片方向，因而获得的导热胶具有较高的导热取向性，避免了杂乱排列的导热颗粒的导热损耗，减少了片状导热填料的卡片搭桥结构，提高了导热胶垂直方向的导热系数，并且定向排列的导热颗粒同时还可以在垂直方向获得更大的机械强度和抗撕裂强度，物理性能明显提高。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中，

图1显示的是根据本发明的一个具体实施例的导热胶的剖视结构示意图；

图2显示的是根据本发明的另一个具体实施例的导热胶的制备方法示意图；

图3显示的是根据本发明的又一个具体实施例的导热胶的剖视结构示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。其中，相同的部件采用相同的标号。

正如背景技术所述，为了提高导热胶的导热性能，本发明提供了一种改进的导热胶的结构，如图1所示，其显示的是根据本发明的一个具体实施例的导热胶100的剖视结构示意图，如图，本发明的用于设置于热源发生器与散热器之间通过所述导热胶100进行导热连接，所述导热胶100为平片状结构，即导热胶100具有相互平行的上表面10和下表面20，导热胶100内部均匀分布有片状导热填料30，其中片状导热填料30的片状表面垂直于导热胶100的上表面10和下表面20。本发明所提供的上述导热胶可以是直接用于产品导热连接用的片状结构的成品或者半成品，即，其可以进一步与离型纸配合包装的胶带，也可以是生产出来之后直接用于产品连接的半成品形式。

与现有技术不同的是，本发明的导热胶中，均匀混合填充的是片状的导热填料，而不是颗粒状或其它形状的导热填料。其次，本发明的导热胶中的片状导热填料30的片状表面是与导热胶100的上下表面垂直的。也就是说，本发明 提供的导热胶100中的片状导热填料30的排列方向是高度定向的，片状导热填料30都垂直于导热胶的平片方向(图1中为了显示清楚，对片状导热填料30的排列方向进行了简化画法，其实际排列有可能不会这么规整，虽然所有片状导热填料30的片状表面都是垂直于导热胶的平片方向的，但是片状导热填料30在垂直状态下有可能是可以任意偏转的，例如如图2中所示的那样排列，实际情况可能会更类似于图2所示的排列状态，后面还会对此进一步说明)，因而获得的导热胶具有较高的导热取向性，避免了杂乱排列的导热颗粒的导热损耗，减少了片状导热填料的卡片搭桥结构，提高了导热胶垂直方向的导热系数，并且定向排列的导热颗粒同时还可以在垂直方向获得更大的机械强度和抗撕裂强度，物理性能明显提高。

在一个具体实施例中，所述片状导热填料30可为片状氮化硼、片状石墨和片状石墨烯之一或其混合物。

在另一个具体实施例中，优选地，所述导热胶100可以由高分子聚合物、片状导热填料、表面改性剂、流变改性剂、抗氧剂、增粘剂、溶剂、固化剂为原料，经搅拌、流延定向成型、固化后制成。

例如，在一个具体实施例中，可以以如下质量份的原料制备本发明的上述导热胶，所述原料为：高分子聚合物：100份；片状导热填料：20-200份；表面改性剂：0.2-2份；流变改性剂：0.2-2份；抗氧剂：0.1-1份；增粘剂：1-10份；溶剂50-500份；固化剂：0.1-1份。

具体地，所述高分子聚合物可为天然橡胶、丁苯橡胶、聚异丁烯橡胶、聚丙烯酸酯、聚乙烯基醚树脂之一或其混合物。所述表面改性剂可为硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂及硬脂酸之一或其混合物。所述流变改性剂可为膨润土、有机粘土、二氧化硅、纤维素、黄原胶之一或其混合物。

实施例1

原料：聚丙烯酸酯100份；片状导热填料石墨烯70份；片状导热填料石墨40份；硅烷偶联剂1份；膨润土1份；抗氧剂0.5份；增粘剂5份；溶剂180份；固化剂0.5份。

首先片状导热填料30进行表面改性处理，改性后的片状导热填料30与其它原料经搅拌、流延定向成厚度为5-150μm的导热胶流延片，流延的同时施加垂直方向的磁场使片状导热填料30磁化后偏转到与磁场方向一致，从而形成垂直于导热胶的片状导热填料(下面将对此进一步详细说明)。片状导热填料30表面改性的目的是改善片状导热填料30在高分子聚合物基体中的相容性，也可在改性剂中加入顺磁性的粉体使导热填料具有磁性，流延定向成型的目的是使片状导热填料30在导热胶中通过磁场的作用定向排列。再将流延成型后的导热胶流延片放入干燥机中在50-100℃下干燥、固化成型5-30min，自然冷却后得到导热系数为20-30w/(m·k)的高定向高导热系数的导热胶。

实施例2

本实施例的方法与实施例1相同，不同之处为：本实施例中，片状导热填料石墨烯40份；片状导热填料石墨50份。本实施例制备的高定向高导热系数的导热胶材料导热系数为22w/(m·k)。

实施例3

本实施例的方法与实施例1相同，不同之处为：本实施例中，片状导热填料石墨烯50份；片状导热填料氮化硼40份。本实施例制备的高定向高导热系数的导热胶材料导热系数为20w/(m·k)。

实施例4

本实施例的方法与实施例1相同，不同之处为：本实施例中，原料中高分子聚合物采用天然橡胶100份。本实施例制备的高定向高导热系数的导热胶材料导热系数为26w/(m·k)。

从实施例1可以看出，本发明的导热胶是通过流延定向成型外加垂直磁场的技术实现片状导热填料30在导热胶100中高度定向排布的，如图2所示，其中显示的是根据本发明的另一个具体实施例的导热胶的制备方法示意图，如图， 所述制备方法包括如下步骤：

首先以高分子聚合物、片状导热填料、表面改性剂、流变改性剂、抗氧剂、增粘剂、溶剂、固化剂为原料按照比例均匀混合形成流延料。为了改善片状导热填料在高分子聚合物基体中的相容性，优选片状导热填料在混合之前需要利用表面改性剂对其进行表面改性处理。

然后提供一个模具200，模具200放置在一个平板输送带300上，模具200和平板输送带300之间具有一个间隙400。

之后将片状导热填料30和其它原料均匀混合形成的流延料放入模具200中，并沿着间隙400的方向挤压所述流延料(如图2中箭头方向)，挤压流延料的同时平板输送带300也沿着箭头方向所示的挤压方向移动，并且在挤压的同时在流延料上施加垂直于流延方向的磁场；从而在图2的右侧通过挤压获得导热胶流延片500，导热胶流延片500干燥固化后即可获得图1所示的导热胶100，导热胶流延片500和导热胶100的对照图显示在图3中，其显示的是根据本发明的又一个具体实施例的导热胶的剖视结构示意图。其中，图3中的片状导热填料30的排列方向也是采用了简化画法，实际情况也有可能会更类似于图2所示的排列状态。

通常情况下，磁场的磁力只会对铁磁性材料产生作用，但是当磁场强度达到一定的程度时，例如磁场强度达到1t以上(优选磁场强度10t～20t)，磁力作用可达到原子尺度，即便是非铁磁性材料，例如片状导热填料这种弱磁性体也可在强磁场中表现出明显的磁效应。在磁场中，具有磁各向异性的片状导热填料，不同方向所受的磁化能不同，因此片状导热填料在磁力作用下具有发生旋转的趋势，直到所受的磁性力达到最小为止，这是磁场中磁各向异性材料的旋转趋向基本原理。在强磁场诱导下，片状导热填料很容易形成定向排列，从而可以获得片状导热填料垂直于导热胶的上下表面的排列效果。或者在另一个具体实施例中，可以在对片状导热填料30进行表面改性处理的时候，在表面改性剂中增加少量具备铁磁性的材料，例如超顺磁性的四氧化三铁粉末，使得片状导热填料30表面粘附一些铁磁性材料，从而可以间接获得具备磁性的片状导热填料30。这种情况下仅需相对较低的磁场强度即可实现定向排列的效果，可 以节约电磁铁的制造和能耗成本。

其中，图2中右侧部分显示的混合状态下的片状导热填料30是杂乱排列的，经过磁场的作用，使得图2中右侧获得的导热胶流延片500中的片状导热填料30基本上处于垂直状态。当然，实际情况下不可能如图1或3所示的那样排列得那样规整，更有可能是如图2右侧所示的导热胶流延片500中的片状导热填料30的垂直状态，虽然所有片状导热填料30在磁场作用下都处于垂直状态，但是磁场也没有办法控制片状导热填料30绕其垂直轴线的转动方向，除非在制备过程中在导热胶的横向侧再施加一个磁场，才有可能实现如图1或3所示的状态。

因此，在一个具体实施例中，本发明同时也将“在流延料上再施加一个垂直于图示磁场方向的磁场”的技术方案概括到本发明要求保护的范围中，即，前述实施例中所述的“在流延料上施加垂直于流延方向的磁场”包括了“在流延料上施加垂直于流延方向的两个相互垂直的磁场”的技术方案(本方案图中未示出)，用以获得如图1或3所示的片状导热填料30具有更加高的取向性的排列的技术效果，可以获得更好的导热性能和物理性能。

在一个具体实施例中，导热胶100由导热胶流延片500干燥固化而成，所述导热胶流延片具有一个厚度h1，所述片状导热填料30具有一个直径r，其中10r≤h1≤200r。优选地，片状导热填料30的直径为1～30μm，厚度为5～200nm；导热胶流延片的厚度为10～200μm。

导热胶流延片500干燥固化之后，片状导热填料30不会发生变化，但是干燥固化后得到的导热胶100的厚度会变小，即，如图1所示，在一个具体实施例中，导热胶100具有一个厚度h，片状导热填料30具有一个直径r，其中r≤h≤5r。同样优选地，片状导热填料30的直径为1～30μm，厚度为5～200nm；导热胶100的厚度为5～150μm。

综上所述，本发明采用流延法制备的导热胶流延片厚度只有10～200μm，在流延过程中，片状导热填料通过磁场作用取向，片层垂直于流延片表面；采用的片状导热填料沿垂直方向的导热系数高，片状氮化硼导热系数≥300w/(m·k)、片状石墨≥1500w/(m·k)和片状石墨烯≥5000w/(m·k)，而导热填 料在导热胶中高定向排列，减少了片状导热填料的卡片搭桥结构，使得导热系数、物理性能明显提高。

本领域技术人员应当理解，虽然本发明是按照多个实施例的方式进行描述的，但是并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案。说明书中如此叙述仅仅是为了清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体加以理解，并将各实施例中所涉及的技术方案看作是可以相互组合成不同实施例的方式来理解本发明的保护范围。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作的等同变化、修改与结合，均应属于本发明保护的范围。