用于航空航天应用的导热性柔性胶粘剂的制作方法
【专利说明】用于航空航天应用的导热性柔性胶粘剂
【背景技术】
[0001] 电子元件和包含这些元件的电路板的热管理对于无人航天器等各种航空飞行器 的成功运行而言是必要的。电子元件和集成方案的持续微型化导致每单位体积发热的剧烈 增加。此种增加的发热不仅限制了电路设计（例如电路板上电子元件的布局），还限制了单 个电子元件的设计，而且由于电路板的元件、连接、导线和其他特征的过热而损害了整个电 路和单个元件的可靠性。
[0002] 这些电子元件的运行过程中的发热需要传递到其他区域，以确保这些元件的连续 运行。由于这些电路板通常在真空环境中运行（例如在无人航天器中），热量可能主要通过 各个元件之间的直接物理接触而传递，这可以称作传导热传递。具体而言，热量从元件传递 至承载这些元件的电路板，并从该电路板传递至底座，然后从底座传递至无人航天器的机 架和其他主要元件。
[0003] 导热性胶粘剂通常用于提高电子元件和承载这些元件的电路板之间的热传递。这 些胶粘剂的高的热导率是从该元件快速散热和整个电路板的热管理所必需的。满足空间应 用的特定要求的现有胶粘剂的热导率仅至多为0. 6W/mK。这些胶粘剂使用悬浮于环氧或聚 氨酯树脂中的Al2O3(氧化铝）作为导热性填料。导热性最佳且电绝缘的胶粘剂（空间不兼 容）的热导率仅为约lW/mK。这些胶粘剂采用悬浮于环氧、聚氨酯或硅酮中的氧化铝、氮化 硼和/或氮化铝的组合作为导热性填料。
[0004] 应当注意的是，这些热导率的值基于粘结接点构造在真空中的测量，其可以看作 在真空中进行的修改的ASTM C 177测试法。具体而言，胶粘剂材料用于粘结两个铝片，并 且测量这些片之间的热流，以确定该胶粘剂材料的热导率值。据认为，该方法是电子元件和 承载这些元件的电路板之间的热传递的最具代表性的方法。
[0005] 用于测量热导率的其他方法包括独立样品（如冰球状圆柱体）的激光扫描。由这 些其他测量技术获得的值通常与使用粘结接点构造在真空中获得的值不同，更具体而言比 这些值大，通常大2~50倍。另外，这些其他测量技术并非在真空中进行，产生了人为的较 高的热导率值，这由通过空气的额外的热损耗所引起。
【发明内容】
[0006] 本发明提供了用于无人航天器和其他类型航空器的电路板中的导热性柔性粘结 的形成方法。本发明还提供了用于形成这些粘结的胶粘剂材料的制备方法，包括制备经处 理的填料颗粒的方法。在一些方面中，胶粘剂材料包括具有有机官能团的填料颗粒，如在硅 烷中处理的氮化硼颗粒。这些颗粒可与经氨基甲酸酯改性的环氧树脂组合形成胶粘剂材 料。胶粘剂材料中的颗粒重量比可以是约40%~60%。胶粘剂材料可使用低于IKTC的温 度热固化以防止对粘结的电子元件的损伤。固化的胶粘剂在真空中测得的热导率可以是至 少约2W/m K，并且其玻璃化转变温度可以是小于_40°C。
[0007] 在一些方面中，用于电路板中的导热性柔性粘结的形成方法包括提供一种或多种 胶粘剂成分。该一种或多种胶粘剂成分可以包括氮化硼颗粒，该颗粒具有连接于这些颗粒 的表面上的有机官能团。另外，该一种或多种胶粘剂成分可以包括经氨基甲酸酯改性的环 氧树脂。经氨基甲酸酯改性的环氧树脂可以已经与氮化硼颗粒预先混合，并且无需进一步 混合。例如，可将该一种或多种胶粘剂成分提供为经氨基甲酸酯改性的环氧树脂和氮化硼 颗粒的冷冻预混物。作为另一选择，可将经氨基甲酸酯改性的环氧树脂和氮化硼颗粒提供 为单独的成分，并在后续操作之一中混合在一起。
[0008] 该方法可使用由一种或多种胶粘剂成分形成胶粘剂材料来进行。该形成操作可包 括将冷冻预混物（单一冷冻成分）加热至工作温度，或混合多种成分以形成胶粘剂材料。随 后可通过人工或使用自动分配系统将胶粘剂材料涂覆至电路板表面上，并可以在电子元件 和涂覆在电路板表面上的胶粘剂材料之间形成接触。在一些方面中，胶粘剂材料可首先涂 覆在电子元件上，然后置于电路板上。
[0009] 该过程可继续进行使胶粘剂材料固化，这在电路板和电子元件之间形成固化的胶 粘剂结构。该固化的胶粘剂结构在电路板和电子元件之间提供了导热性柔性粘结。当组件 经受温度变化（如由电子元件的运行导致）或需要更换电子元件时，固化胶粘剂结构的柔 性、低玻璃化转变温度和低热膨胀系数将防止对电路板和电子元件的损害。
[0010] 在一些方面中，胶粘剂材料中的氮化硼颗粒的浓度为约20重量％~70重量％，或 者更具体为约40重量％~60重量％。同样，固化的胶粘剂结构中的氮化硼颗粒的浓度为 约40重量％~60重量％，这是因为固化时没有添加材料，也没有从胶粘剂材料中取出材 料。固化的胶粘剂结构的热导率可以是至少约2W/m-K，或者更具体为至少约3W/m-K。另外， 固化的胶粘剂结构的玻璃化转变温度可以为小于约_40°C，或者更具体为小于约_60°C， 如-70°C。固化的胶粘剂材料的剪切强度可以为约IOOpsi~500psi。在一些实施方式中， 固化的胶粘剂结构的拉伸模量为约IO 3Psi~l〇5psi。另外，固化的胶粘剂在脱气过程中的 重量损失小于约1%。
[0011] 固化操作可以在低于110°c的温度（如约100°c)下进行。在这些低温下，将减少 对连接于电路板上的电子元件的热损害。固化操作的时长可以是约30分钟~120分钟，如 约60分钟。固化的胶粘剂结构在电路板和电子元件之间的平均厚度可以是约0. 001英寸~ 0.010英寸。固化的胶粘剂结构需要相对较薄以保证热阻较低。然而，固化的胶粘剂结构需 要与电子元件和电路板二者物理接触，并且其厚度可以由电子元件和电路板之间的间隙所 驱动。
[0012] 本发明还提供了一种导热性柔性胶粘剂的制备方法，更具体而言，一种经硅烷处 理的填料颗粒的制备方法。在一些方面中，该方法包括提供氮化硼颗粒。氮化硼颗粒的任 何两个维度之间的平均长径比可以小于5。可将此种氮化硼颗粒定义为任一维度均不实质 上大于（如超过5倍）其他任何维度的三维颗粒。在一些方面中，氮化硼颗粒的平均粒径 为10微米~200微米。
[0013] 该方法可以继续使羟基连接于氮化硼颗粒的表面。其表面上具有羟基的氮化硼颗 粒随后可接触含有硅烷的溶液。硅烷可以具有有机官能团，如缩水甘油基或甲氧基。硅烷 连接于氮化硼颗粒的表面。该方法可继续进行清洗氮化硼颗粒以除去未与这些颗粒结合的 残留硅烷。合适的硅烷的实例包括（3-缩水甘油氧基丙基）三甲氧基硅烷、[3-(2-氨基乙 基氨基）丙基]-三甲氧基硅烷和（3-三甲氧基甲硅烷基丙基）二亚乙基三胺。
[0014] 在一些方面中，包含硅烷的溶液的pH水平为约5~6。硅烷与氮化硼颗粒的重量 比为2重量％~3重量％。溶液中的硅烷浓度可以是约0. 08重量％~0. 35重量％。
[0015] 本发明还提供了一种导热性柔性胶粘剂材料的制备方法。该方法可以包括：提 供经氨基甲酸酯改性的环氧树脂，并将经氨基甲酸酯改性的环氧树脂与氮化硼颗粒组合， 由此形成组合材料。组合材料中的氮化硼颗粒的浓度可以是约20重量％~70重量％，更 具体而言为40重量％~60重量％。氮化硼颗粒可以包含连接于该氮化硼颗粒表面上的 有机官能团。该方法可继续进行混合该组合材料以形成导热性柔性胶粘剂材料。混合可 以使用双不对称离心式混合器进行。混合后，导热性柔性胶粘剂材料的粘度可以是至少约 100,000cP。在一些方面，该方法还包括冷冻该导热性柔性胶粘剂。另外，在将经氨基甲酸 酯改性的环氧树脂与氮化硼颗粒组合之前，该方法还可包括将该经氨基甲酸酯改性的环氧 树脂的基质树脂和该经氨基甲酸酯改性的环氧树脂的硬化剂混合。
[0016] 本发明还提供了一种导热性柔性胶粘剂材料，其包含经氨基甲酸酯改性的环氧树 脂和氮化硼颗粒或下文列出的一些其他填料颗粒。氮化硼颗粒或其他