专利名称：热界面材料用组成物的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电子元件的热管理材料，且特别涉及一种热界面材料用组成物。
背景技术：
随着各种电子产品的推陈出新，各种电子产品除了需要满足轻、薄、短、小等基本要求之外，还需要使电子产品具备有高功能、高传输、高效率地操作等特点。由于各个元件(例如CPU等)在操作下，将会产生大量的热而使得温度相对地大幅提高，进而导致元件失效，因此需要提高整体产品或元件之散热能力，以维持整体产品或元件之效能。
为了将废热移出，通常是在元件、单颗电源或逻辑集成电路上设置散热片。而散热片通常是通过热界面材料而固定在元件、单颗电源或逻辑集成电路上。因此，热界面材料在热管理设计规则中扮演一个非常关键的角色。如何在元件及散热片间增加热传递效率，热界面材料之导热和热阻抗特性是很重要的。
公知的热界面材料是以含硅系树脂、脂肪族高分子、低分子聚脂类、丙烯酸系树脂、石蜡类或环氧树脂等相变化树脂材料，再添加金属或陶瓷粉体当作导热材料，例如氮化铝(AlN)、氮化硼(BN)、氧化铝(Al2O3)、氧化锌(ZnO)及人工钻石等。
对于相变化树脂材料而言，为了使热界面材料具有相变化特性，其树脂部分主要为低分子量且具有低熔点特性。但是，这些树脂在元件多次来回操作下很容易挥发而损失，其热稳定性不佳，因此造成真正接触面积逐渐减少而使整体散热效率大幅降低。
对于导热材料而言，虽然这些金属或陶瓷导热粉体本身具有不错之热导系数，但是当导热材料与树脂搭配后所形成的热界面材料之热导系数会大幅降低。为了增加材料之热导系数时，必须添加大量金属或陶瓷导热粉体(约占50～90wt％左右)，就会造成热界面材料之界面热阻值大幅增加，相对地降低整体组装元件之散热效率。而且亦容易导致成本提高。因此公知的热界面材料会具有低热导系数及高阻抗值等缺点。
发明内容
鉴于上述情况，本发明的目的就是提供一种热界面材料用组成物，具有高热导系数及相变化之秩序化结构。
本发明的再一目的是提供一种热界面材料用组成物，可运用于消费性3C、工业、汽车、医疗、航天及通讯等电子产品用散热垫片。
本发明提出一种热界面材料用组成物，包括具相变化之热塑性树脂、液晶高分子及纳米碳管。具相变化之热塑性树脂于组成物中的含量为30～89wt％。液晶高分子于组成物中的含量为10～50wt％。纳米碳管于组成物中的含量为1～25wt％。
在上述之热界面材料用组成物中，具相变化之热塑性树脂的熔点小于等于100℃。具相变化之热塑性树脂可为乙烯-醋酸乙烯共聚物、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物、聚氯乙烯、松香树脂、聚丙烯无规共聚物、聚缩甲醛共聚物、聚烯烃、聚酰胺、聚碳酸酯、聚酯、乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚醋酸乙烯酯、聚酰亚胺或这些物质之混合物的中之一种。
在上述之热界面材料用组成物中，具相变化之热塑性树脂为乙烯-醋酸乙烯酯共聚物。乙烯-醋酸乙烯酯共聚物的熔融流动指数为2～100g/10min。在乙烯-醋酸乙烯酯共聚物中，醋酸乙烯酯的含量为30～50wt％。
在上述之热界面材料用组成物中，液晶高分子包括向列型液晶高分子、层列型液晶高分子或胆固醇型液晶高分子之中之一种。液晶高分子的单体包括胆固醇苯甲酸酯。液晶高分子的分子量为3000～50000。
在上述之热界面材料用组成物中，纳米碳管可为单壁纳米碳或多壁纳米碳之中之一种。纳米碳管的平均粒径为1～100nm。纳米碳管的长宽比为5～10000。
在上述之热界面材料用组成物中，还包括溶剂。溶剂包括甲苯、二甲苯或甲基乙基酮。
在上述之热界面材料用组成物中，具相变化之热塑性树脂的含量为30～84wt％；液晶高分子的含量为15～50wt％；纳米碳管的含量为1～20wt％。
本发明之热界面材料用组成物，利用纳米碳管之高导热特性来降低导热材料之添加量，进而降低热界面材料之接触热阻值。
而且，利用液晶高分子之高秩序化微结构来促使纳米碳管沿特定方向分散及排列，进而提高热界面材料之热导系数。
此外，在热界面材料用组成物中加入液晶高分子能大幅降低整体树脂之黏度，因此能有效提高纳米碳管之分散加工性，防止纳米碳管聚集而降低材料之热导系数及机械性质。
另外，由于纳米碳管-液晶高分子复合结构与具相变化之热塑性树脂可兼容而不会相分离，且所形成之热界面材料具有相变化温度(phasechange temperature，PCT)为45～75℃，故在正常操作下，可填平元件表面之孔洞、空隙或凹陷，进而可明显地降低整体元件之热阻值至原来的十分之一，因此能有效地改善现有热界面材料之低热导系数及高阻抗值缺点。
为让本发明之上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图
，作详细说明如下。
具体实施例方式
本发明之热界面材料用组成物主要是包括具相变化之热塑性树脂、液晶高分子及作为导热材料的纳米碳管。
在本发明中，所谓的“具相变化之热塑性树脂”是指该材料在正常室温下，亦即约25℃时，以固态、半固态玻璃状或结晶状等状态存在，但是在高温或高温范围时以液态、半液态或黏性流体等状态存在。具相变化之热塑性树脂的相转移温度较佳是落在元件之操作温度范围内，例如是40-75℃之间。而且，具相变化之热塑性树脂的熔点较佳是小于等于100℃。
举例来说，具相变化之热塑性树脂，包括乙烯-醋酸乙烯共聚物(ethylene vinyl acetate)、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(Ethylene-vinyl acetatecopolymer)、聚氯乙烯(PVC)、松香树脂(rosin ester)、聚丙烯无规共聚物(polypropylene random copolymer)、聚缩甲醛共聚物(polyoxymethylene copolymers)、聚烯烃(polyolefin)、聚酰胺(polyamide)、聚碳酸酯(polycarbonate)、聚酯(polyester)、乙烯-醋酸乙烯共聚物(ethylene vinyl acetate)、聚醋酸乙烯酯(polyvinyl acetate)、聚酰亚胺(polyimide)或这些物质之混合物的中之一种。
作为导热材料的纳米碳管例如是单壁(single-walled)纳米碳或多壁(multi-walled)纳米碳。纳米碳管的平均粒径例如是1～100nm。而且，纳米碳管的长宽比例如是5～10000。
液晶高分子例如是向列型(nematic type)液晶高分子、层列型(semectictype)液晶高分子或胆固醇型(cholesteric type)液晶高分子。液晶高分子的单体例如是胆固醇苯甲酸酯。液晶高分子的分子量较佳是3000～50000。由于纳米碳管具有轴向导热性质而横向不具导热性质，因此本发明于热界面材料用组成物中加入液晶高分子，以利用液晶高分子之高秩序化微结构来促使纳米碳管沿特定方向分散及排列，进而提高热界面材料之热导系数。
在本发明之热界面材料用组成物中，还包括溶剂。溶剂例如是甲苯、二甲苯或甲基乙基酮。此外，本发明之热界面材料用组成物也可以含有一般常用的添加剂，添加剂可包含传统之润湿剂或界面活性剂、不透明(opacifying)或消泡剂(anti-foaming)剂、链延长剂、增粘剂(tackifier)、颜料(pigment)、润滑剂(lubricant)、稳定剂(Stabilizer)、阻燃剂(flame retardant)以及抗氧化剂(antioxidants)。
在本发明之热界面材料用组成物中，具相变化之热塑性树脂的含量为30～89wt％，较佳为30～84wt％；液晶高分子的含量为10～50wt％，较佳为15～50wt％；纳米碳管的含量为1～20wt％。
接着，说明本发明之热界面材料用组成物的制备方法。先将相变化之热塑性树脂溶于溶剂中，再将液晶高分子加入搅拌均匀后，将纳米碳管缓慢加入溶液中，促使纳米碳管均匀且有秩序化排列于液晶高分子之微结构中。整个热界面材料用组成物中，固体含量例如是20～40wt％。
以下举出实验例1与比较例1～3以证明本发明之热界面材料用组成物的效果，但是本发明并不仅限于以下之实验例。在下述实验例1与比较例1～3中，相变化热塑性树脂是采用选择低熔点(≤100℃)之乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(Ethylene-vinyl acetate copolymer)，其熔融流动指数介于60～800g/10min，在乙烯-醋酸乙烯酯共聚物中，醋酸乙烯酯含量例如是25～45wt％。液晶高分子是采用默克公司制MJ05661(商品名)液晶高分子。纳米碳管是采用seedchem公司制，管径40～60nm的纳米碳管。氧化铝是采用Showa Denko公司制，直径1.4微米的氧化铝。
实验例1使用设置有3片叶轮的搅拌棒的1升的4口玻璃反应器。于玻璃反应器加入600g甲苯溶剂后，再加入200g具相变化的热塑性树脂乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(Elvax40W，DuPont)，并进行搅拌溶解之。接着，加入200g液晶高分子(MJ05661，Merck Ltd.，Japan)于溶液中搅拌均匀，并于搅拌中缓慢加入20g纳米碳管(MWNT，d＝40～60nm，Seedchem Co.)，快速搅拌均匀30分钟，搅拌均匀后得到具高热导系数及相变化之秩序化结构的热界面材料用组成物。
比较例1使用设置有3片叶轮的搅拌棒的1升的4口玻璃反应器。于玻璃反应器加入600g甲苯溶剂后，再加入200g具相变化的热塑性树脂乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(Elvax40W，DuPont)，并进行搅拌溶解之。于搅拌中缓慢加入20g纳米碳管(MWNT，d＝40～60nm，SeedchemCo.)，快速搅拌均匀30分钟，搅拌均匀后得到具高热导系数的热界面材料用组成物。
比较例2使用设置有3片叶轮的搅拌棒的1升的4口玻璃反应器。于玻璃反应器加入600g甲苯溶剂后，再加入200g具相变化的热塑性树脂乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(Elvax40W，DuPont)，并进行搅拌溶解之。于快速搅拌均匀30分钟后得到热界面材料用组成物。
比较例3使用设置有3片叶轮的搅拌棒的1升的4口玻璃反应器。于玻璃反应器加入600g甲苯溶剂后，再加入200g具相变化的热塑性树脂乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(Elvax40W，DuPont)，并进行搅拌溶解之。于搅拌中缓慢加入20g氧化铝(Al2O3，d＝1.4μm，Showa Denko Co.)，快速搅拌均匀30分钟，搅拌均匀后得到热界面材料用组成物。
在制备出实验例1与比较例1～3的热界面材料用组成物后，对这些热界面材料用组成物进行物性分析。物性分析包括热导系数以及使用微差扫描热量测定仪(DSC)测定相变化温度。实验例1与比较例1～3之组成物比例与相关物性列于表一中。
表一
由上述表一的结果可知，在实验例1与比较例1～3的热界面材料用组成物中，实验例1之热界面材料用组成物具有最高的热导系数。
而且，实验例1之热界面材料用组成物与比较例1的热界面材料用组成物相比，具有较高的热导系数。这是因为加入了液晶高分子，可以促使纳米碳管沿特定方向分散及排列，所以可以提高热界面材料之热导系数。
另一方面，由比较例2之热界面材料用组成物与比较例2～3的热界面材料用组成物相比，具有较高的热导系数。亦即，使用纳米碳管作为导热性物质，比公知的传统金属或陶瓷粉体要好。而且，在相同用量下，比较例1之热界面材料用组成物的热导系数为比较例2～3的热界面材料用组成物的热导系数的10～40倍。亦即，纳米碳管之添加量远比一些传统金属或陶瓷粉体少，因此有利于分散加工处理。
综上所述，在本发明之热界面材料用组成物，利用纳米碳管之高导热特性来降低导热材料之添加量，进而降低热界面材料之接触热阻值。但是，由于纳米碳管具有轴向导热性质而横向不具导热性质，因此利用液晶高分子之高秩序化微结构来促使纳米碳管沿特定方向分散及排列，进而提高热界面材料之热导系数。
而且，由于在热界面材料用组成物中加入液晶高分子能大幅降低整体树脂之黏度，因此能有效提高纳米碳管之分散加工性，防止纳米碳管聚集而降低材料之热导系数及机械性质。通过微结构控制来制备新型纳米碳管-液晶(CNT-LC)导热复合结构，而此新型CNT-LC复合结构所制作之热界面用材料组成物，将比传统热界面用材料组成物的热导系数高10～40倍且纳米碳管之添加量远比一些传统金属或陶瓷粉体少，因此有利于分散加工处理。
此外，此新型CNT-LC复合结构与具相变化之热塑性树脂可兼容而不会相分离，且所形成之热界面材料具有相变化温度(phase changetemperature，PCT)为45～75℃，故在正常操作下，可填平元件表面之孔洞、空隙或凹陷，进而可明显地降低整体元件之热阻值至原来的十分之一，因此能有效地改善现有热界面材料之低热导系数及高阻抗值缺点。
虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明之精神和范围内，当可作些许之更动与改进，因此本发明之保护范围当视权利要求所界定者为准。
权利要求
1.一种热界面材料用组成物，其特征是包括具相变化之热塑性树脂，于组成物中的含量为30～89wt％；液晶高分子，于组成物中的含量为10～50wt％；以及纳米碳管，于组成物中的含量为1～25wt％。
2.根据权利要求1所述之热界面材料用组成物，其特征是具相变化之热塑性树脂的熔点小于等于100℃。
3.根据权利要求1所述之热界面材料用组成物，其特征是具相变化之热塑性树脂包括乙烯-醋酸乙烯共聚物、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物、聚氯乙烯、松香树脂、聚丙烯无规共聚物、聚缩甲醛共聚物、聚烯烃、聚酰胺、聚碳酸酯、聚酯、乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚醋酸乙烯酯、聚酰亚胺或这些物质之混合物的中之一种。
4.根据权利要求1所述之热界面材料用组成物，其特征是具相变化之热塑性树脂为乙烯-醋酸乙烯酯共聚物。
5.根据权利要求4所述之热界面材料用组成物，其特征是乙烯-醋酸乙烯酯共聚物的熔融流动指数为2～100g/10min。
6.根据权利要求4所述之热界面材料用组成物，其特征是在乙烯-醋酸乙烯酯共聚物中，醋酸乙烯酯的含量为30～50wt％。
7.根据权利要求1所述之热界面材料用组成物，其特征是液晶高分子包括向列型液晶高分子、层列型液晶高分子或胆固醇型液晶高分子之中之一种。
8.根据权利要求1所述之热界面材料用组成物，其特征是液晶高分子的单体包括胆固醇苯甲酸酯。
9.根据权利要求1所述之热界面材料用组成物，其特征是液晶高分子的分子量为3000～50000。
10.根据权利要求1所述之热界面材料用组成物，其特征是纳米碳管包括单壁或多壁纳米碳之中之一种。
11.根据权利要求1所述之热界面材料用组成物，其特征是纳米碳管的平均粒径为1～100nm。
12.根据权利要求1所述之热界面材料用组成物，其特征是纳米碳管的长宽比为5～10000。
13.根据权利要求1所述之热界面材料用组成物，其特征是还包括溶剂。
14.根据权利要求13所述之热界面材料用组成物，其特征是溶剂包括甲苯、二甲苯或甲基乙基酮。
15.根据权利要求1所述之热界面材料用组成物，其特征是具相变化之热塑性树脂的含量为30～84wt％；液晶高分子的含量为15～50wt％；纳米碳管的含量为1～20wt％。
全文摘要
一种可改善现有热界面材料之低热导系数及高阻抗值缺点的热界面材料用组成物。利用纳米碳管之高导热特性和液晶高分子之结构高秩序化制备CNT－LC导热复合结构，而使热界面材料具有高的热导系数。而且纳米碳管之添加量远比一些传统金属或陶瓷粉体少，因此有利于分散加工处理。此CNT－LC复合结构与相变化树脂可兼容而不会相分离，且所形成之热界面材料具有相变化温度为45～75℃。在元件正常操作温度下，可填平元件表面之孔洞、空隙或凹陷，进而可明显地降低整体元件之热阻值。
文档编号C09K5/02GK1990816SQ20051013541
公开日2007年7月4日 申请日期2005年12月28日 优先权日2005年12月28日
发明者邱国展, 李宗铭 申请人:财团法人工业技术研究院