具有低耐热性的热油脂的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种导热油脂，所述导热油脂包含载体油、至少一种分散剂和导热颗粒。所述导热颗粒具有不大于约11微米的D50（体积平均值）粒度，并且基于所述导热油脂中的导热颗粒的总体积计，所述导热油脂中的导热颗粒包含小于3体积%的具有0.7微米或更小的粒度的颗粒。
【专利说明】具有低耐热性的热油脂
[0001] 相关申请的夺叉引用
[0002] 本专利申请要求2011年10月7日提交的美国临时申请序列号61/544, 801的优 先权，其公开内容全文以引用方式并入本文。 【技术领域】
[0003] 本发明涉及热界面材料以及它们的使用。具体地，本发明涉及一种具有低耐热性 的热油脂。 【背景技术】
[0004] 计算机行业一直在不断地向更高的计算能力和速度前进。微处理器的特征尺寸正 被制造得越来越小以提高计算速度。因此，增加了功率通量，并且每单位面积的微处理器产 生更多热量。当微处理器的热输出增加时，热或"热管理"就成为一种更大的挑战。
[0005] 在本行业，热管理的一个方面被称为"热界面材料"或"--Μ"，这种材料被置于热 源(例如微处理器)和散热装置之间来促进热传递。此类TIM可以采取油脂或片状材料的形 式。也使用这些热界面材料来排除微处理器和散热装置之间的任何绝缘空气。
[0006] 通常，--Μ用于将热源热连接至散热器（S卩比热源更大的导热板)，在这种情况下它 们被称为TIM I。也可以将TIM用于散热器和散热装置如冷却装置或翅式散热器之间，在这 种情况下TIM被称为TIM II。在具体的安装中，--Μ可存在于一个位置或两个位置中。
【发明内容】
[0007] 在一个实施例中，本发明是一种导热油脂。导热油脂包含载体油、至少一种分散 齐U，和导热颗粒。导热颗粒具有不大于约11微米的D50 (体积平均值）粒度，并且基于导热 油脂中的导热颗粒的总体积计，导热油脂中的导热颗粒包含小于3体积％的具有0. 7微米 或更小的粒度的颗粒。
[0008] 在另一个实施例中，本发明是一种微电子包装，该微电子包装包括基板、附接到基 板的至少一个微电子热源，和微电子热源上的导热油脂。
[0009] 在另一个实施例中，本发明是一种制备导热油脂的方法。该方法包括提供载体油、 分散剂和导热颗粒；将载体油和分散剂混合以形成混合物；以及将导热颗粒混合到混合物 中。导热颗粒具有不大于约11微米的D50 (体积平均值）粒度，并且基于导热油脂中的导 热颗粒的总体积计，导热油脂中的导热颗粒包含小于3体积％的具有0. 7微米或更小的粒 度的颗粒。
[0010] 在另一个实施例中，本发明是一种包含载体油、分散剂和导热颗粒的导热油脂。该 导热颗粒具有不大于约7微米且不小于约0. 9微米的D50 (体积平均值）粒度。 【具体实施方式】
[0011] 如本文所用：
[0012] "油脂"是指在1/s的剪切速率和20°C下具有大于IX 104cps(10Pa. s)的粘度并且 在ι/s的剪切速率和125°C下具有小于108cps的粘度的物质。
[0013] "导热油脂"是指具有大于0. 05W/H1-K的体积导电率的油脂。
[〇〇14] 除非另外指出，假定本文所有数字均被术语"约"修饰。由端点表述的数值范围包 括该范围内包含的所有数值(例如，1至5包括1、1. 5、2、2. 75、3、3. 80、4和5)。
[0015] 本发明的导热油脂（TCG)包含载体油、分散剂和导热颗粒。本发明的TCG具有低 耐热性、良好丝网印刷性能和良好导热率值。为使TCG具有低耐热性和良好丝网印刷性能， 导热颗粒的粒度必须与载体油的量平衡。如果导热颗粒的粒度太小，那么增加的表面积和 界面可增加 TCG的耐热性。因此，TCG中载体油的量随着导热颗粒的粒度减小而增加，并且 随着导热颗粒的粒度增加而增加。然而，载体油的量还将影响TCG的耐热性。载体油太多 将增加 TCG的耐热性，然而载体油不足将导致丝网印刷性能不良。
[0016] 载体油为TCG提供基料或基质。可用的载体油可包括合成油或矿物油、或它们的 组合，并且通常在环境温度下易流动。合适的载体油包括硅油和烃基油。可用的烃基载体 油的具体例子包括多元醇酯、环氧化物和聚烯烃或它们的组合。
[0017] 市售载体油包括二季戊四醇与短链脂肪酸的多元醇酯HATC0L1106,三羟甲基丙 烷、己二酸、辛酸和癸酸的复合多元醇酯HATC0L3371，以及基于三羟甲基丙烷的多元醇酯润 滑剂HATC0L2938 (全部得自新泽西州福特的赫高公司（Hatco Corporation, Fords, NJ));得 自德克萨斯州休斯顿的瀚森特种化学品公司（Hexion Specialty Chemicals, Inc.，Houston TX)的脂族环氧酯树脂HEL0XY71 ;和得自密苏里州圣路易斯的西格玛-奥尔德里奇公司 (Sigma-Aldrich，St. Louis, M0)的硅油 SILICONE OIL AP100。
[0018] 载体油可以总组合物的至多约12重量％，具体地至多约20重量％，并且更具体地 至多约49. 5重量％的量存在于TGG中。在其它实施例中，载体油可以总组合物的至少约 0. 5重量％、具体地至少约1重量％，并且更具体地至少约2重量％的量存在。载体油还可 以介于约〇. 5至约20重量％之间，具体地约1至约15重量％之间，并且更具体地约2至约 12重量％之间的范围存在于本发明的TGG中。
[0019] 本发明的TCG可包含一种或多种分散剂。分散剂可与载体油结合存在，或可在没 有载体油的情况下存在。分散剂改善了载体油（如果存在的话）中导热颗粒(下文所述）的 分散性。可用的分散剂可以表征为聚合物或离子性质的。离子分散剂可以为阴离子的或阳 尚子的。在一些实施例中，分散剂可以为非尚子的。可以使用分散剂的组合，例如尚子分散 剂和聚合物分散剂的组合。在一些实施例中，使用单一分散剂。
[0020] 可用的分散剂的例子包括但不限于：聚胺、磺酸酯、改性聚己内酯、有机磷酸酯、月旨 肪酸、脂肪酸的盐、聚醚、聚酯和多元醇、以及例如表面改性的无机纳米级微粒等无机分散 齐U，或它们的任何组合。
[0021] 市售分散剂的例子包括得自俄亥俄州克利夫兰的路博润公司（Lubrizol Corporation, Cleveland, 0H)的子公司诺誉公司（Noveon, Inc.)的具有商品名 S0LSPERSE24000、S0LSPERSE16000 和 S0LSPERSE39000 超分散剂的那些；得自荷兰 海伦芬的埃夫卡添加剂公司（Efka Additives BV, Heerenveen, The Netherlands)的 改性聚氨酯分散剂EFKA4046 ;得自台湾台北的奇佳化学有限公司（Marvel Chemical Co. Ltd.)的油基分散剂MARVEL1186和得自新泽西州格兰伯里平原路的罗那普朗克公司 (Rhone-Poulenc, Plains Road, Granbury, NJ)的有机憐酸酯 RHODAFAC RE_610。
[0022] 分散剂存在于TCG中的量介于约0.5和约50重量％之间。在一个实施例中，分散 剂的含量为总组合物的至多约5重量％、具体地至多约10重量％，并且更具体地至多约25% 重量。在另一个实施例中，分散剂可以至少约1重量％的量存在。分散剂还可以介于约1 至约5重量％之间的范围存在于本发明的TGG中。
[0023] 本发明的TCG包含导热颗粒。通常，可使用本领域技术人员已知的导热颗粒。合适 的导热颗粒的例子包括但不限于由以下物质制成或包含以下物质的那些：金刚石、多晶金 刚石、碳化硅、氧化铝、氮化硼（六方晶型或立方晶型)、碳化硼、二氧化硅、石墨、无定形碳、 氮化铝、铝、氧化锌、镍、钨、银、炭黑以及它们中任一个的组合。尽管二氧化硅作为导热颗粒 列出，但是重要的是规定热解法二氧化硅并未视为可用的导热颗粒。热解法二氧化硅是一 种二氧化硅颗粒，该二氧化硅颗粒具有小于200nm的原生粒度并且已一并熔融入支链三维 凝聚物中。该支链三维凝聚物通常包含链状结构。
[0024] 为了使TCG具有较低的耐热性和良好丝网印刷性能，导热颗粒的粒度必须控制成 特定尺寸范围。如果粒度太大，据信，随着在大粒度置于在使用过程中置于两个元件之间时 大粒度限制TIM尽可能薄地制备，大粒度将导致TIM的厚度增加。据认为，该增加的厚度增 加了 TIM的耐热性。如果给定颗粒分布的粒度或粒度分率太小，则难以将颗粒完全润湿并 分散到导热油脂中，从而导致油脂的流动性能和丝网印刷性不良。在一些实施例中，导热颗 粒具有不大于约11微米、不大于约7微米、不大于约5微米和不大于约4微米的D50(体积 平均值）粒度。在一些实施例中，导热颗粒具有不小于3微米、不小于约2微米、不小于约 1微米、不小于约0.9微米和不小于约0.7微米的D50 (体积平均值）粒度。在一些实施例 中，D50 (体积平均值）粒度的范围为0. 7至11微米、0. 9至7微米、2至5微米和2至4微 米。在一些实施例中，基于导热油脂中的颗粒的总体积计，导热油脂中的导热颗粒包含小于 3体积％、小于2体积％和甚至小于1体积％的具有0. 7微米或更小的粒度的颗粒。
[0025] 在一个实施例中，基于TCG中的导热颗粒的总体积计，TCG中的导热颗粒包含小于 约3体积％的具有0. 7微米或更小的粒度的颗粒。大部分的导热颗粒具有至少约0. 7微米 的粒度。在一些实施例中，基于TCG中的导热颗粒的总体积计，至少约80体积％、约90体 积％、约95体积％、约97体积％、约98体积％或约99体积％的导热颗粒具有大约0. 7微米 的粒度。
[0026] 在一些实施例中，希望提供具有最大可能体积分率导热颗粒的TCG，该TCG符合所 得TCG的期望物理性能。例如，该TCG适形于其所接触的表面，并且该TCG充分易流动使得 能够轻松地应用。
[0027] 在一个实施例中，导热颗粒可至少约50重量％的量存在于本发明的TGG中。在其 它实施例中，导热颗粒可以至少约70、约75、约80、约85、约86、约87、约88、约89、约90、约 91、约92、约93、约94、约95、约96、约97或约98重量％的量存在。在其它实施例中，导热 颗粒可以至多约99、约98、约97、约96、约95、约94、约93、约92、约91、约90、约89、约88、 约87、约86或约85重量％的量存在于本发明的TCG中。
[0028] 本发明的TCG和TCG组合物也可任选地包含添加剂，诸如但不限于：抗负荷 (anti loading)齐IJ、抗氧化齐IJ、流平剂和溶剂（以减小施用粘度)，例如，甲基乙基酮（MEK)、甲 基异丁基酮以及酯，如乙酸丁酯。
[0029] 在一个实施例中，TCG包含触变剂(例如，热解法二氧化硅）以防止在丝网印刷期间 的润湿。可商购获得的触变剂的例子包括具有商品名CAB-O-SIL M5和CAB-O-SIL TS-610 (两者均得自马萨诸塞州波士顿的卡博特公司（Cabot Corporation, Boston, MA))的那些。
[0030] 在一个实施例中，本发明的TCG的耐热性小于约0. 15°C Xcm2/W、具体地小于约 0. 13°C Xcm2/W、更具体地小于约0. 12°C Xcm2/W、更具体地小于约0. 11°C Xcm2/W和甚至 更具体地小于约0. l〇°C Xcm2/W。
[0031] 通常通过以下步骤制成本发明的TCG :将分散剂和载体油共混在一起，然后按最 小至最大平均粒度的次序将导热颗粒共混到分散剂和载体油的混合物中。也可以将导热颗 粒彼此预混，然后加入到液体组分中。可以对混合物进行加热以便减小总粘度进而有助于 得到均匀分散的混合物。在一些实施例中，在将颗粒混入分散剂和载体的混合物中之前，先 用分散剂预处理或预分散一部分或全部导热颗粒可能是可取的。
[0032] 在其他实施例中，TCG可以通过溶剂浇注共混的组分，然后干燥以移除溶剂来制 备。例如，TCG组分共混物可以提供在适合的防粘表面(例如防粘衬垫或载体）上。
[0033] 在其他实施例中，TCG可以在能源(例如热、光、声或其他已知的能源）的帮助下施 加到载体，或者施加到预期用途的装置。
[0034] 在一些实施例中，本发明的材料的优选组合掺入作为载体的Hatcol2938、作为分 散剂的Marve 11186，和氧化锌和球形铝的共混物。
[0035] 本发明的TCG可用于微电子包装，并且可用于帮助从热源(例如微电子芯或芯片） 散热到散热装置。微电子包装可包括至少一个热源，例如安装在基板上的芯或基板上的叠 芯、热源上的本发明的导热油脂，并且可包括与芯热接触和物理接触的附加散热装置，例如 散热器。散热器也可为用于任何后续散热装置的热源。本发明的导热油脂可用于提供所述 芯和散热装置之间的热接触。另外，本发明的TCG也可用于散热装置和冷却装置之间的热 接触和物理接触。在另一个实施例中，本发明的TCG可用于热生成装置和冷却装置之间，也 就是说，在中间不使用散热器。本发明的TCG可用于TIM I和TIM II应用中。
[0036] 实魁
[0037] 本发明在以下实例中有更具体的描述，所述实例仅为说明性的，因为本发明范围 内的许多修改形式和变化对本领域的技术人员将显而易见。除非另外指明，下述实例中记 述的所有份数、百分比和比率均以重量计。
[0038] 测试方法
[0039] 耐热件
[0040] 耐热性利用型号LW9389HM耐热性和电导率测试设备（台湾杨梅的龙运科技 集团公司（Long Win Science and Technology Corporation, Yangmei, Taiwan))根据 ASTM5470-06进行测量。在80psi的压力下获得耐热性的记录值。
[0041] D50 和 D100 粒度
[0042] D50 (基于对数正态分布的质量中值直径)和D100粒度获得自导热粉末的供应商。 它们利用常规光散射技术和设备(诸如Hydr 〇2000MU，可得自英国乌斯特郡的马尔文仪器有 限公司（Malvern Instruments, Ltd.，Worcestershire, United Kingdom))获得。
[0043] D50 (体积平询倌）粒度
[0044] 关于具有多颗粒类型的热油脂制剂，制剂中颗粒的D50 (体积平均值）粒度基于各 个D50的体积平均值进行计算。利用2. 7g/cm3的铝密度、3. 21g/cm3的碳化硅密度、5. 606g/ cm3氧化锌密度和4. 02g/cm3的氧化铝密度，计算每种制剂中各种类型的矿物的体积。然后， 可计算D50 (体积平均值）粒度。样品计算如下。假设制剂具有19. 1体积份（pbv)的第一 颗粒(具有12. 2的D50)、8. Opbv的第二颗粒(具有1. 5的D50粒度）和2. 3pbv的第三颗粒 (具有 0.7 的 D50 粒度)。D50 (体积平均值）=[(19. IX 12. 2) + (8. 0X1. 5) + (2. 3X0. 7)]/ [19. 1+8. 0+2. 3]。在这种情况下，D50 (体积平均值）=8. 4。关于具有单一导热颗粒类型的 热油脂制剂，D50 (体积平均值）是特定颗粒分布的D50值。在包含热解法二氧化硅的TCG 制剂中，热解法二氧化硅未包括在D50 (体积平均值）的计算中，因为热解法二氧化硅未视 为可用的导热颗粒。
[0045] 丝网印刷件
[0046] 丝网印刷性通过使热油脂丝网印刷通过80目筛网（对应于约177微米开口）到 2. 5cmX 2. 5cm尼龙片材上获取。筛网为约2. 5cmX 2. 5cm。将尼龙片材置于具有约1.5cm 深度的类似长度和宽度的腔体中。腔体形成于铝块（7CmX4CmX2cm)中。将筛网置于尼龙 片材上。将热油脂靠近一个边缘置于筛网上。将具有约2cmX4cm的基料尺寸的塑料聚氨 酯刮刀用手刮擦横过筛的长度，以迫使油脂进入并通过筛网。腔体的侧壁作用作塑料刮刀 的导向装置。在从尼龙片材移除筛网之后，尼龙片材上的印刷油脂的质量在视觉上获取。
[0047] 混合工序
[0048] 根据表1至5中制剂的热油脂根据下述一般工序进行混合。表中的值是以重 量计的。首先添加主要液体组分Hatcol2938或AP100,随后是分散剂、热解法二氧化硅、 IrganoxlOlO (如果使用）。如果使用ZnO粉末(单独或结合另一种粉末)，那么在混合之前 将其添加至前述混合物中。然后，这些组分在高剪切搅拌器条件下以2, 500rpm混合约3分 钟。混合之后，加入任何附加粉末并且在高剪切力下以2, 500rpm混合约3分钟。
[0049] 材料
[0050]
【权利要求】
1. 一种导热油脂，包含： 载体油； 分散剂；和 导热颗粒，其中所述导热颗粒具有不大于约11微米的D50 (体积平均值）粒度，并且其 中基于所述导热油脂中的导热颗粒的总体积计，所述导热油脂中的导热颗粒包含小于约3 体积％的具有0. 7微米或更小的粒度的颗粒。
2. 根据权利要求1所述的导热油脂，其中所述载体油是烃基载体油和硅油中的一种。
3. 根据权利要求1所述的导热油脂，其中当所述载体油为烃基载体油时，所述载体油 选自：多元醇酯、环氧化物和聚烯烃，或它们的组合。
4. 根据权利要求1所述的导热油脂，还包含触变剂。
5. 根据权利要求1所述的导热油脂，其中所述导热颗粒包含选自以下的材料：金刚石、 多晶金刚石、碳化硅、氧化铝、氮化硼（六方晶型或立方晶型)、碳化硼、二氧化硅、石墨、无定 形碳、氮化铝、铝、氧化锌、镍、钨、银，以及它们的组合。
6. 根据权利要求1所述的导热油脂，其中所述导热颗粒具有不大于约7微米的D50(体 积平均值）粒度。
7. 根据权利要求1所述的导热油脂，其中所述导热颗粒具有不大于约5微米的D50(体 积平均值）粒度。
8. 根据权利要求1所述的导热油脂，其中所述导热颗粒具有不小于约0. 9微米的D50 (体积平均值）粒度。
9. 一种微电子包装，包括： 基板； 附接到所述基板的至少一个微电子热源；和 在所述至少一个微电子热源上的根据权利要求1所述的导热油脂。
10. 根据权利要求9所述的微电子包装，还包括散热器，其中所述导热油脂存在于所述 微电子热源和所述散热器之间。
11. 根据权利要求10所述的微电子包装，还包括散热装置，其中所述导热油脂存在于 所述散热器和所述散热装置之间。
12. -种制备导热油脂的方法，包括： 提供载体油、分散剂和导热颗粒，其中所述导热颗粒具有不大于约11微米的D50(体积 平均值）粒度，并且其中基于所述导热油脂中的导热颗粒的总体积计，所述导热油脂中的导 热颗粒包含小于约3体积％的具有0. 7微米或更小的粒度的颗粒； 将所述载体油和分散剂混合以形成混合物；以及 将所述导热颗粒混合到所述混合物中。
13. 根据权利要求12所述的方法，其中所述导热颗粒具有不大于约7微米的D50 (体 积平均值）粒度。
14. 根据权利要求12所述的方法，其中所述导热颗粒具有不大于约5微米的D50 (体 积平均值）粒度。
15. -种导热油脂，包含： 载体油； 值）粒度。
16.根据权利要求15所述的导热油脂，其中所述导热颗粒具有小于约5微米且大于约 2微米的D50 (体积平均值）粒度。 分散剂；和 导热颗粒，其中所述导热颗粒具有小于约7微米且大于约0. 9微米的D50 (体积平均
【文档编号】C10M169/04GK104053759SQ201280048819
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2012年9月28日 优先权日:2011年10月7日
【发明者】田培, 林家辉, 王昭渊, R·K·苏拉 申请人:3M创新有限公司