专利名称：含有铝粉的导热复合材料、该复合材料的生产方法以及该复合材料的用途的制作方法
含有铝粉的导热复合材料、该复合材料的生产方法以及该复合材料的用途本发明涉及含有铝粉的导热复合材料。此外提出用于生产该复合材料的方法以及 该复合材料的用途。在电气组件和电气构件中由于越来越高的封装和功率密度(高功率电器)，所产 生的过程热量的耗散越来越重要(热管理)。在散热不足时，组件或构件的使用寿命急剧降 低，使得冷却概念在装配技术中起着重要的作用。已知的以胶粘剂体系的形式并具有高于5W(m*K)导热率的导热复合材料具有贵 金属填充的环氧树脂体系。由于所使用的原材料，该胶粘剂体系是昂贵的。此外已知由含 有导热填料例如三氧化二铝(Al2O3)、氮化硼(BN)和碳化硅(SiC)的塑料物料组成的复合 材料，所述复合材料具有超过3W/(m*K)的相对高的导热率。然而该复合材料的特点在于在 非交联状态下的高粘度，这极大限制了其加工性能。本发明的任务是，提供导热的复合材料，其具有超过5W/(m*K)的高导热率，并且 其特点在于好的加工性能。为解决该任务，给出了含有可交联或至少部分交联的聚合物基材料以及分布在该 聚合物基材料中的铝粉的导热复合材料。铝粉含有粒度范围在0. 05 μ m至400 μ m的铝颗 粒，并且粒度小于Ιμπι的铝颗粒占铝粉的份额选自1重量％至50重量％的范围。粒度小 于1 μ m的铝颗粒占铝粉的份额优选选自10重量％至50重量％的范围。为解决该任务，给出了用于生产该复合材料的方法，具有以下方法步骤a)准备聚合物基材料的初始材料和准备铝粉，和b)将该初始材料和该铝粉相互 混合ο本发明的基本想法在于使用具有极为不同的粒度的铝颗粒的铝粉作为导热复合 材料的填料。此外，小粒度的铝颗粒的份额高。由此成功地实现了高导热率。该导热率在 高于7W/(m*K)的范围变化。同时，该复合材料可以在非交联或仅部分交联的状态很好地加 工。此外，令人惊讶的是，该复合材料的特点还在于低的导电率。因此该复合材料非常适合 用于具有高封装密度和高功率密度的组件和构件。高的防腐蚀性完善了该复合材料的非常 好的性能可以表明，在湿热负荷超过数天(例如7天，85°C，85%的空气相对湿度)的作用 下，复合材料仍保持高的导热率。在这样的环境下复合材料未发生降解。可以基本杜绝腐 蚀过程。在一种特别的实施方案中，铝颗粒在每一情况下在颗粒表面都具有铝氧化物涂层 (Aluminium-Oxid-Beschichtung)。铝氧化物涂层优选为封闭的。在氧气的存在下(例如 空气中的氧气)，通过铝的表面氧化自发生成铝氧化物涂层，其使得复合材料在低导电率方 面明显特别有利。同时该铝氧化物涂层促进了铝颗粒的耐腐蚀性，因此也促进了复合材料 的耐腐蚀性。特别有利的是，铝颗粒粒度选自0.05μπι至200μπι的范围，尤其是选自0. 05 μ m 至100 μ m的范围。因此在实现良好加工性能的同时也可以达到特别高的导热率。高导热 率尤其这样实现即铝粉占复合材料的粉末份额选自10重量％至90重量％的范围。根据一种特别的实施方案，铝粉占复合材料的铝粉份额选自40重量％至90重量％的范围，尤其 选自60重量％至90重量％的范围。铝填充率相对高。已经表现出来，聚合物基材料和铝 粉的混合比例一方面可以实现非常高的导热率，另一方面可以实现对于相应的用途可接受 的复合材料加工性能。铝颗粒的形状本身是任意的。铝颗粒具有选自薄片、针和球形的铝颗粒形状是特 别有利的。铝颗粒的形状促进了复合材料的高导热率。可以考虑任意一种大分子材料或能加工成大分子的基础材料作为聚合物基材料。 该聚合物基材料是可交联的。在此，交联反应的种类及其引发是任意的。因此，交联可以例 如是聚合或缩聚反应。交联的引发例如可以通过引入热量或光实现。该聚合物基材料可以经完全或者几乎完全交联。例如其是固化的塑料。该固化的 塑料可以是热塑性塑料、热固性塑料或者弹性体塑料。作为聚合物基材料可以考虑塑料例如硅酮。根据一种特别的实施方案，该聚合物 基材料具有至少一种环氧树脂。其中，该环氧树脂可以是双组分或更多组分的。该环氧树 脂尤其是单组分的环氧树脂。但是，双组分的环氧树脂同样是可考虑的。该双组分的环氧树脂包括例如含环氧 树脂(60重量％至98重量％)，稀释剂(1重量％至40重量％ )以及其他的添加剂(0.01 重量％至5重量％)的A组分。A组分的粘度例如低于5000mPas。双组分环氧树脂的B组 分例如具有粘度低于5000mPas的液体固化剂。双组分环氧树脂的B组分具有环氧树脂化 学通用的固化剂(酐、胺、酚、硫醇或者CH-酸化合物)。优选聚合物基材料的交联温度低于 200°C。例如如果聚合物基材料是单组分环氧树脂，其在160°C的温度固化。在这样温度下 铝粉保持未受破坏。其不经历任何腐蚀过程。保持了复合材料的高导热率。在复合材料中可以含有其它的添加剂，借此调节复合材料的化学、物理以及电性 能。这些涉及到复合材料的加工性能以及复合材料的导热性，或者用该复合材料生产的成 型件的可成型性。在方法方面，尤其是为了提供铝粉，将至少两种中值粒度d5(1为0. 1 μ m至50 μ m的 铝粉级分和至少一种具有另外的50μπ 至200μπ 中值粒度d5(l的另外的铝粉级分相互混 合。通过使用更多的铝粉级分可以精确调控铝粉的粒度分布。其中铝粉级分如此选择即 具有小粒度的铝粉颗粒份额相对高。根据本发明的另一方面，该复合材料作为粘合剂使用。因此，例如电子构件借助于 该复合材料被粘合在基材上。由于其高的导热率，在基材方向上开辟了另外的导热通道。以 这种形式，复合材料用作导热中间层(热介面材料(thermal interface material), TIM)。 能够经基材从构件有效地导出热量。该复合材料的另一种用途涉及作为结构材料的用途(构造材料)。该结构材料被 用于成型件的构造，例如可以用于外壳、框架或者载体(基材)的构造。其可以得到任意成 型的部件，例如用于电子构件的“袋”形状的部件。该复合材料可以加工成任意成型的散热 体。还可以考虑在冷却软管中使用该复合材料。当使用适合的聚合物基材料，例如热固性塑料时，得到了轻型结构的高机械强度 构件。还可以考虑使用该复合材料作为设备和仪器制造中的用于能充分抵抗电离电磁辐射 的半成品、基材和外壳的结构材料。这里尤其考虑高的铝填充度。对电离电磁辐射的抗性基于铝的高电离电势。然而，还可以考虑该复合材料用作浇注物料，例如用于浇注电子构件或电子组 件。该复合材料尤其可以作为膜材料使用。在本方法的一个特别的实施方案中，在初始 材料和铝粉相互混合后，进行成型过程。例如该成型过程包括浇注(Vergieiien)或拉膜 (Folienziehen)。最后，尤其在高的铝含量情况下，由于所得的金属外观，该复合材料可以作为设计 材料使用。概括起来，强调本发明的优点如下-该复合材料的特点是高导热率并同时兼具低导电率以及好的加工性能。-该复合材料是耐腐蚀的。-该复合材料与贵金属填充的复合材料相比更便宜。接下来依照数个实施例和一个附图
详细描述本发明。该附图为示意性的，而不是 精确到比例的图。实施例的主题在每一情况下是粘合剂形式的导热复合材料。采用粘合剂将构件1 固定在基材2上(图)。为此，将粘合剂以粘合剂膜3的形式施加在基材的基材表面上。将 该构件置于该粘合剂膜之上。随后粘合剂的固化(交联)使得该构件和基材之间的坚固机 械结合，其同时也具有很高的导热性。复合材料起到“热界面材料”的作用。实施例1 粘合剂是含有具有单组分环氧树脂的聚合物基材料的导热复合材料。该单组分环 氧树脂含有阳离子引发剂。该单组分环氧树脂在未交联状态下的粘度低于5000mPaS。聚合物基材料中含有作为填料的铝粉。铝粉含有粒度范围为0. Ιμπι至400μπι的 铝颗粒。小于Iym的铝颗粒占铝粉的份额大约为1重量％。铝粉在复合材料中的铝份额为95重量％至5重量％。聚合物基材料的份额为95重量％至5重量％。为生产复合材料，首先将不同的铝粉级分相互混合。得到的铝粉混合物同单组分 环氧树脂初始材料相混合。在将构件放置于粘合剂膜之上后，在大约150°C的温度、在2小 时内实施聚合物基材料的交联反应。实施例2 与前一实施例不同的是，聚合物基材料是双组分环氧树脂。该双组分环氧树脂包括含有环氧树脂(60重量％至98重量％ )、稀释剂(1重量％ 至40重量％ )以及其他的添加剂(0. 01重量％至5重量％ )的组分A。A组分的粘度低于 5000mPaso该双组分环氧树脂的B组分具有粘度低于5000mPaS的液体固化剂。固化剂为邻苯二甲酸酐。如实施例1所述，铝粉是多个铝粉级分的混合物。复合材料由下列成分组成A组分5重量％ -45重量％
B组分3重量％ -45重量％
促进剂0. 01重量％ -3重量％
铝粉混合物95重量％ -5重量％。
权利要求
1.导热复合材料，包含-可交联或至少部分交联的聚合物基材料，和-分布在该聚合物基材料中的铝粉，其中-所述铝粉含有粒度范围在0. 05 μ m至400 μ m的铝颗粒，且-粒度小于1 μ m的铝颗粒占该铝粉的份额选自1重量％至50重量％的范围。
2.根据权利要求1的复合材料，其中粒度小于1μ m的铝颗粒占所述铝粉的份额选自 10重量％至50重量％的范围。
3.根据权利要求1或2的复合材料，其中所述铝颗粒在每一情形下在颗粒表面都具有 铝氧化物涂层。
4.根据权利要求1至3中任一项的复合材料，其中所述铝颗粒的粒度选自0.05 μ m至 200 μ m的范围，特别是选自0. 05μπι至IOOym的范围。
5.根据权利要求1至4中任一项的复合材料，其中所述铝粉在该复合材料中的铝粉份 额选自10重量％至90重量％的范围。
6.根据权利要求5的复合材料，其中所述铝粉在该复合材料中的铝粉份额选自40重 量<%至90重量％的范围，特别选自60重量％至90重量％的范围。
7.根据权利要求1至6中任一项的复合材料，其中所述铝颗粒具有选自薄片、针和球的 铝颗粒形状。
8.根据权利要求1至7中任一项的复合材料，其中所述聚合物基材料含有至少一种环 氧树脂。
9.根据权利要求8的复合材料，其中所述环氧树脂是单组分环氧树脂。
10.根据权利要求1至9中任一项的复合材料，其中所述聚合物基材料具有低于200°C 的交联温度。
11.用于生产根据权利要求1至10中任一项的复合材料的方法，具有如下方法步骤 a)准备聚合物基材料的初始材料和准备铝粉，和b)将所述初始材料和所述铝粉相互混合。
12.根据权利要求11的方法，其中为了提供铝粉，将至少两种中值粒度d5(l为0.Ιμπι至 50 μ m的铝粉级分和至少一种具有另外的50 μ m至200 μ m的中值粒度d5(1的另外的铝粉级 分相互混合。
13.根据权利要求11或12的方法，其中在所述聚合物基材料的初始材料和所述铝粉混 合后进行所述聚合物基材料的交联。
14.根据权利要求13的方法，其中所述聚合物基材料的交联在低于160°C的交联温度 进行。
15.根据权利要求11-14中任一项的方法，其中在所述初始材料和所述铝粉混合后进 行成型过程。
16.根据权利要求15的方法，其中所述成型过程包含拉膜。
17.根据权利要求1至10中任一项的复合材料作为粘合剂的用途。
18.根据权利要求1至10中任一项的复合材料作为结构材料的用途。
19.根据权利要求1至10中任一项的复合材料用作膜材料的用途。
全文摘要
本发明涉及一种导热复合材料，其含有可交联或至少部分交联的聚合物基材料以及分布在聚合物基材料中的铝粉。铝粉含有粒度范围在0.05μm至400μm的铝颗粒。粒度小于1μm的铝颗粒占铝粉的份额为1重量％至50重量％。此外，规定了一种用于生产该复合材料的方法，包括以下方法步骤a)提供聚合物基材料的初始材料和提供铝粉，和b)将初始材料和铝粉相互混合。本发明的基本想法在于使用含有具有极为不同粒度的铝颗粒的铝粉作为导热复合材料的填料。此外具有小粒度的铝颗粒的份额高。由此成功地提供了具有高导热率的复合材料。该导热率在高于7W/(m*K)的范围变化。同时，该复合材料可以在非交联或仅部分交联的状态很好地加工。此外，该复合材料的特点还在于低的导电率。因此该复合材料非常适合用于具有高封装密度和功率密度的组件和构件。
文档编号C08K3/08GK102046713SQ200980119584
公开日2011年5月4日 申请日期2009年5月12日 优先权日2008年5月28日
发明者E·里茨豪普特-克莱斯尔, K·赫恩 申请人:西门子公司