专利名称：导热组合物的制作方法
技术领域：
本发明涉及导热组合物，更具体的是，涉及用于与中央处理器(CPU)以及其他发热电子元件紧密接触并将这些元件的热量散发出去的导热组合物。
背景在某些领域中，使发热体散热十分重要。例如，除去电子设备、个人电脑以及其它各种设备中含有的电子元件(例如集成电路(IC)芯片)以及其它元件(一般称为“发热元件”)上的热量十分重要，因为随着发热元件温度的升高，元件发生故障的概率就会呈指数上升。另外，电子元件尺寸减小、处理速度提高又提高了对电子发热元件的要求。
目前，为了使发热元件上的热量散发出去，经常在发热元件上连接散热器例如散热片、散热风扇以及金属散热器。另外，也可以使用各种导热材料或导热片作为发热元件与散热器之间的传热隔片，从而使它们起到传热媒介的作用。
已经提出使用润滑脂作为导热材料。虽然硅基润滑脂具有优异的导热性，但它是一种液体。因此很难将有机硅润滑脂放置在发热元件与散热器之间。美国专利No.4,299,715(‘715专利)中说明了一种导热材料，这种导热材料含有蜡和凡士林。该材料在室温下是半固体，可以形成各种形状。由于这种组合物强度不够，因此要使其形成与本发明类似的形状，就必须将它涂覆在载体上。然而，载体的存在会降低散热性。
日本未审查专利公报2000-336279说明了一种导热组合物，该组合物含有蜡和导热填料，并制成片材。当将该组合物制成片材时，就必须将组合物涂覆在玻璃布或载膜这类载体上。就像前述‘715专利的组合物一样，载体影响了组合物提供良好散热性的能力。
日本未审查国际专利公报2000-509209说明了一种使用蜡的导热组合物，蜡由微晶组分以及无定形组分的复合体组成。虽然实例中提出了一种形式，该形式不使用载体从而避免了降低散热性，但是由于组合物中晶体组分含量低，组合物本身极脆，因此即使不使用载体形成片材，得到的片材也没有良好的强度或衬垫分离性(liner separation)。
日本未审查专利公开2001-89756说明了一种导热组合物，该组合物含有聚合物组分、蜡以及导热填料。虽然这种组合物是具有足够强度的带状制品，但由于它使用了弹性体作为聚合物组分，因此存在内部散热问题。弹性体组分在熔融时会降低流动性。
本发明的目的是提供一种能解决上述问题的导热组合物，该组合物是一种片材，并具有较高的导热性以及足够的强度。
发明概述本发明提供一种导热组合物，其含有(a)100重量份的蜡，(b)10至1,000重量份的化合物，其分子式是下述提及的分子式(I) 其中R1以及R2各自代表含有1至3个碳原子的烷基，n的值为100到100,000，(c)10至2,000重量份的导热填料，和(d)0至1,000重量份的软化剂。
另一方面，本发明提供了一种制品，该制品含有(a)发热元件；(b)散热器；和(c)放置在发热组分以及散热器之间的前述导热组合物。
优选实施例的详细说明本发明的导热组合物是将10至1,000重量份分子式为(I)的化合物，与10至2,000重量份的导热填料；0至1,000重量份的软化剂以及100重量份的蜡混合而构成的。
其中R1以及R2各自代表含有1至3个碳原子的烷基，n的值为100到100,000。
对于蜡没有特殊的要求，天然蜡、合成蜡、混合蜡等都可以使用。天然蜡的例子包括植物蜡，例如candelilla蜡，巴西棕榈石蜡，米蜡、浊蜡以及hohoba油；动物蜡有蜂蜡、羊毛脂蜡以及鲸蜡；地蜡有褐煤蜡、天然地蜡以及纯地蜡；石油蜡有石蜡、微晶蜡以及矿脂。合成蜡的例子包括合成烃，例如Fischer-Tropsch蜡以及聚乙烯蜡；变性蜡例如montax蜡衍生物、石蜡衍生物以及微晶蜡衍生物；加氢蜡如固化蓖麻油以及固化蓖麻油衍生物；以及脂肪酸，酰胺化合物，脂，酮以及其他如1，2-羟基硬脂酸，硬脂酰胺，无水邻苯二甲酰亚胺以及氯代烃。这种蜡的熔点优选30至150℃，更佳的则是40至80℃。
在上式(I)的化合物中，R1与R2均优选甲基。也就是说，分子式为(I)的化合物优选聚异丁烯。重复单元数n优选100至100,000，分子量优选1,000至1,000,000，更佳的则是30,000至60,000。导热组合物中相对于100重量份的蜡，分子式为(I)的化合物的含量为10至1,000重量份，优选20至100重量份。
已发现，按照JISK 2269定义，当分子式为(I)的化合物是一种流动温度在室温以上的液体聚合物时，含有这种化合物的导热组合物具有独特的效果。在本文中，“液体”是指施加一定量应力时具有最大应变的材料。前述组合物中，只含有蜡作为粘结剂组分的组合物片材强度差，并且一般很难处理。含有如橡胶、丙烯酸酯类、有机硅等弹性体以及蜡作为粘结剂组分的组合物具有良好的片材强度，但由于弹性体组分在熔融时会降低流动性，因此组合物的散热性较差。另外，含有低分子量树脂如增稠剂或者含有流动温度在室温以上的液体聚合物例如液体聚丁烯以及蜡作为粘结剂组分的组合物很难处理，其原因是片材的粘性太高或者是片材的粘着性降低。另一方面，本发明的含有蜡以及分子式为(I)的化合物作为粘结剂组分的组合物熔融时具有良好的流动性，因为它不含弹性体成分并具有良好的散热性。而且，本发明的导热组合物不会导致粘性过大。然而，它确实会降低片材的脆性并具有良好的片材强度，因此具有良好的加工性能。
对于导热填料没有特别的要求，只要它能在形成片材时均匀分散于其中，并能使导热片材达到规定的导热系数。在现有技术中，生产导热片材时用作填料的各种填料都可以使用。合适的导热填料的例子包括氧化物颗粒，例如氧化铝、二氧化硅、二氧化钛、云母、钛酸钾、氧化铁以及滑石；氮化物颗粒如氮化硼、氮化硅以及氮化铝；碳颗粒如碳化硅；金属颗粒如铜及铝。导热填料可以单独使用，也可以以两种或多种填料的混合物使用。本发明中使用的导热填料的平均粒度优选0.1至100μm，更佳的则是1至20μm。相对于100重量份的蜡，导热填料的量为10至2,000重量份，优选20至200重量份。如果导热填料的量小于10重量份，则很难获得足够的导热性，相反的，如果填料的量超过2,000重量份，就很难实现均匀分散导热填料，蜡的流动性也会降低，从而形成片材也会十分困难。
虽然没有必要添加软化剂，但加入软化剂能提高导热组合物的流动性，改善发热元件与散热器之间紧密接触，这样就有可能进一步提高导热性。另外，连接到发热元件或散热器时，加入软化剂的导热组合物能具有所需的粘性。可以使用的软化剂的例子包括植物基软化剂、矿物油基软化剂以及与蜡相容的合成增塑剂。可以使用的植物基软化剂的例子包括棉籽油、亚麻子油以及油菜籽油。矿物油基软化剂的例子包括石蜡油、环烷油以及芳香油。可以使用的合成增塑剂的例子包括邻苯二甲酸二辛酯、邻苯二甲酸二丁酯、己二酸二辛酯、己二酸异癸酯、癸二酸二辛酯以及癸二酸二丁酯。这些软化剂中，特别优选环烷油与石蜡油。相对于100重量份的蜡，本发明的组合物中软化剂的混合量为0至1,000重量份，优选0至10重量份。
除了上述组分以外，导热组合物中还可以添加聚合物化学领域中常用的各种添加剂。例如，可以添加增粘剂或增塑剂等调节所形成片材的粘性，或者也可以添加阻燃剂或抗氧化剂提高耐热性。可以添加的其他添加剂的例子包括改性剂、热稳定剂以及着色剂。另外，上述导热填料也可以使用表面处理剂如硅烷偶联剂进行处理。
本发明的导热组合物可以通过将指定量的上述各组分混合制备。导热组合物可以根据相关领域已知的方法制成片材或薄膜。例如，可以在热的混合器中将蜡、分子式为(I)的化合物、导热填料以及指定的软化剂捏合，接着通过热融涂覆法涂覆到衬垫上将混合物制成片材。或者可将上述材料溶解在合适的溶剂中，用混合器混合并通过溶剂浇铸涂覆到衬垫上形成片材。
由本发明的导热组合物制备的片材根据其使用目的及应用场合可以制成各种厚度，但一般来说，片材要尽可能薄，优选厚度为0.02至2.0mm，更佳的是0.1至0.5mm。若厚度小于0.02mm，发热元件与散热器就很难获得紧密接触，因而就不可能获得足够的散热性。另一方面，若厚度超过2.0mm，从发热元件与散热器的连接表面突出的部分就会增加，因而会导致与周围元件不必要的附着。
如果需要的话，通过这种方式形成的导热片材可以直接用作传热媒介。然而，若有需要，这种片材也可以与合适的基材组合使用。合适基材的例子包括塑料薄膜、织造织物、无纺布以及金属箔。织造织物以及无纺布的例子包括由玻璃、聚酯、聚烯烃、尼龙、碳、陶瓷等纤维等以及上述提及的涂覆金属的纤维制备的织造织物及无纺布。可以将基材放置在片材的表面或作为中间层。
导热片材在室温下是固体，可以通过将其插在发热元件和散热器之间使用。与使用液体润滑油相比，导热片材具有优异的加工性。所插的导热片材被正在工作的发热元件所散发出来的热量软化，从而填充发热元件与散热器之间的缝隙。另外，由于发热元件与散热器之间的空隙很小，因而可以大大减小导热片材的热阻值。因此，组成导热片材的导热组合物的软化点优选30至150℃，更佳的则是40至100℃。可以根据使用的组分的类型和数量来任意设置软化点。
另外，由于本发明的导热组合物中含有指定量的分子式为(I)的化合物，因此与使用蜡的传统片材相比，由本发明得到的导热片材具有优异的拉伸强度、弯曲强度等，并且使用时不会发生诸如撕开或破裂问题。
实施例实施例1将75重量份的熔融温度为54℃的石蜡、25重量份的重均分子量为40,000的聚异丁烯以及50重量份的平均粒度为10μm的氮化硼边加热边捏合，接着将其涂覆到衬垫上得到厚度为0.2mm的片材。
实施例2将69重量份的熔融温度为54℃的石蜡、23重量份的重均分子量为40,000的聚异丁烯、8重量份的重均分子量为300的环烷油以及50重量份的平均粒度为10μm的氮化硼边加热边捏合，接着将其涂覆到衬垫上得到厚度为0.2mm的片材。
对比例1将100重量份的熔融温度为54℃的石蜡以及50重量份的平均粒度为10μm的氮化硼边加热边捏合，接着将其涂覆到衬垫上得到厚度为0.2mm的片材。
对比例2将75重量份的熔融温度为54℃的石蜡、25重量份的苯乙烯-异丁烯共聚物(从Shell获得，商品牌号为“Kraton G1651”)以及50重量份的平均粒度为10μm的氮化硼溶解在300重量份的甲苯中，接着将其涂覆到衬垫上，干燥得到厚度为0.2mm的片材。
对比例3将90重量份的熔融温度为54℃的石蜡、10重量份的合成石油树脂基增粘剂(从Goodyear获得，商品牌号为“Wingtack Plus”)以及50重量份的平均粒度为10μm的氮化硼溶解在300重量份的甲苯中，接着将其涂覆到衬垫上，干燥得到厚度为0.2mm的片材。
导热片材的评价特性将按照上述方法制备的导热片材切割成10mm×11mm的尺寸并从衬垫上剥落。将片材插在发热电阻器以及冷却铝板之间，接着对发热电阻器施加4.8V电源。5分钟后，测试发热电阻器(T1)以及铝板(T2)的温度。热阻值根据下列式子计算。
热阻值(℃cm2/W)＝(T1-T2)(℃)×样品表面积(cm2)/电功率(W)另外，将片材从衬垫上剥落后，对片材进行伸长性、弯曲性以及从衬垫上剥落的容易程度进行功能性评价。也就是说，伸长性是通过用手在左右方向拉伸片材观察撕开的困难程度来评价的。弯曲性是通过用手弯曲片材观察形成裂缝的困难程度来评价的。从衬垫上剥落的容易程度是通过观察片材是否容易从衬垫上剥落来评价的。上述评价的结果如表1所示。而且，将液体润滑油(从Toray-DowCorning Silicone Co.获得，商品牌号为“SE4490CV”)作为对比例4。
表1
从上述结论可以清楚地看到，使用本发明的组合物形成的导热片材具有与对比例的导热片材几乎相同的导热性，而且可拉伸性以及其他物理性能也得到很大提高。同时，对比例的导热片材用手拉伸或弯曲很容易撕开或裂开，而本发明的导热片材很难撕开并具有优异的可加工性。
由于含导热填料的组合物除蜡之外还使用前述的分子式为(I)的化合物，优选聚异丁烯作为其粘结剂组分，由该组合物形成的导热片材能在不影响片材的导热性的情况下提高拉伸强度、弯曲强度等，因而其加工性能也得到了提高。
权利要求
1.一种导热组合物，其含有(a)100重量份的蜡，(b)10至1,000重量份下面通式(I)的化合物 其中R1以及R2各自代表含有1至3个碳原子的烷基，n的值为100到100,000，(c)10至2,000重量份的导热填料和(d)0至1,000重量份的软化剂。
2.如权利要求1所述的组合物，其特征在于通式(I)的化合物是聚异丁烯。
3.如权利要求1所述的组合物，其特征在于，组合物熔融温度为30至150℃。
4.如权利要求1所述的组合物，其特征在于，组合物以片材形式制成。
5.如权利要求4所述的组合物，其特征在于，所述片材的厚度为0.02至2.0mm。
6.如权利要求1所述的组合物，其特征在于，所述蜡的熔点为30至150℃。
7.如权利要求1所述的组合物，其特征在于，所述蜡是石蜡。
8.如权利要求1所述的组合物，其特征在于，所述软化剂是环烷油或石蜡油。
9.如权利要求1所述的组合物，其特征在于，所述导热填料是氮化硼。
10.如权利要求4所述的组合物，其特征在于，所述片材还含有基材。
11.一种制品，其含有(a)发热元件；(b)散热器；和(c)放置在发热组分以及散热器之间的如权利要求1所述的导热组合物。
12.如权利要求11所述的制品，其特征在于，所述发热元件是电子元件。
13.如权利要求12所述的制品，其特征在于，所述电子元件是中央处理器。
14.如权利要求11所述的制品，其特征在于，所述散热器选自散热片、散热风扇以及金属散热器。
全文摘要
说明了一种导热组合物，该组合物含有(a)100重量份的蜡，(b)10至1,000重量份的化合物，该化合物的分子式(I)如下其中R
文档编号C08L23/02GK1522290SQ02813448
公开日2004年8月18日 申请日期2002年5月31日 优先权日2001年7月2日
发明者山崎好直, 冈田充彦, 丹泽智弥, 弥, 彦 申请人:3M创新有限公司