一種使用玻璃纖維網作為支撐結構的導熱貼片的製備方法

2023-06-01 03:02:11 3

專利名稱：一種使用玻璃纖維網作為支撐結構的導熱貼片的製備方法
技術領域：
本發明涉及一種使用玻璃纖維網作為支撐結構的導熱貼片的製備方法。
背景技術：
隨著微電子技術的發展，電子元器件向著小型化，集成化，多功能化發展，微電子工業面對著散熱瓶頸問題的困擾，溫度升高，電子元件功能降低，可靠性下降，壽命明顯減小。特別是在LED封裝中，散熱困難極大的阻礙了 LED照明功率的提高。傳統的散熱途徑主要有三種風冷、循環水冷和加裝散熱片，受體積小的限制，目前電子材料封裝中普遍使用的是加裝散熱裝置散熱，散熱裝置一般為導熱性能優良的金屬銅和金屬鋁，發熱部件產生的熱量傳導到銅基或鋁基散熱板，通過增大熱發散面積及時將熱量散出。這種散熱方式在微電子工業中廣泛應用，散熱是以熱傳導為前提的，研究表明，散熱部件優良的熱導率並不能保證熱量及時散出，這是因為發熱部件和散熱部件之間連接的部分存在較大熱阻。表面看起來光滑的界面存在許多凸凹部位，看起來緊密貼合的兩個部件之間在顯微鏡下清晰的顯示出其連接存在縫隙，導致連接在一起時縫隙被空氣佔據， 空氣的熱阻很大，並且佔據縫隙的空氣流通性極差，易產生局部高溫，這不利於散熱。為解決界面傳熱不良的問題，需要在發熱部件和散熱部件的界面使用熱界面材料(Thermal interface materials)，傳統的熱界面材料有兩種(1)導熱矽脂，在各種有機油脂中添加導熱填料製得，導熱矽脂在溫度較低時，流動性差，隨著溫度升高，導熱矽脂開始流動，能充滿界面間的縫隙，作為填隙材料，導熱矽脂熱導率遠遠高於空氣，能顯著增強散熱。導熱矽脂在電子行業廣泛應用，但是導熱矽脂有明顯的缺點，較高的粘度使得導熱矽脂很難均勻塗覆在界面之間，研究表明，導熱矽脂太少則所起作用有限，塗覆過厚會導致封裝困難。導熱矽脂溫度升高流動性增加，有可能對電子元件產生汙染，甚至會引起短路，殘留的油脂不易清除等。( 導熱灌封膠，環氧樹脂中添加導熱填料製得，能較好的整體封裝發熱部件和散熱部件，同時導熱填料起到熱傳導通道的作用，但是這種灌封膠的導熱性差，且固化後受環境溫度變化的影響，易使兩者脫裂，喪失導熱條件。片材比油脂容易處理，導熱矽氧烷橡膠或類似物製成的導熱片材廣泛用於各種各樣的應用中。導熱片材通常分為兩類，為了容易處理目的而選擇的通用目的的片材和為了粘合而選擇的低硬度片材。

發明內容
本發明所用導熱填料在傳統導熱填料的基礎上進行創新，使用了常用的三氧化二鋁微米粒子，高熱導率的納米氮化鋁，特別是碳包銅納米複合粒子，單獨使用或混合使用。 為改善導熱填料在矽橡膠中的分散性，將矽橡膠溶解配製成矽橡膠溶液，加入硫化劑，導熱填料，偶聯劑，利用超聲分散法將納米填料均勻分散在矽橡膠中，再用球磨法進一步分散均勻。這種混合方法相較於傳統的機械共混法有明顯的優勢，機械共混法會對填料結構產生破壞，填料分散困難。本發明所用溶劑均可以回收再利用，操作簡單，節能環保。超聲分散對納米填料有較好的分散效果，一般800W 1200W，20min 40min能達到均一的分散效果，明顯優於機械共混法，球磨法進一步分散填料，填料分散均勻穩定。高熱導率填料的使用保證了貼片優良的導熱性能，溶液法均勻分散了填料，貼片熱導率均勻一致，塗覆性能較好，表面平整，性能穩定。本發明提供的一種使用玻璃纖維網作為支撐結構的導熱貼片的製備方法有如下步驟將矽橡膠經溶劑溶解配製成矽橡膠溶液；依次加入硫化劑、導熱填料、偶聯劑，經超聲分散，球磨至填料分散均勻，得到矽橡膠漿料，將矽橡膠漿料均勻塗布在經預處理的玻璃纖維網上，塗布完漿料的玻璃纖維網充分乾燥，模壓硫化成型，修邊即得到使用玻璃纖維網作為支撐結構的導熱貼片。上述矽橡膠是邵氏A硬度小於50度的甲基乙烯基矽橡膠，經溶劑溶解配製成矽橡膠佔溶液質量分數為25% 40%的矽橡膠溶液，所述溶劑是四氫呋喃或汽油。為加速溶解速度，可適當加熱並配合攪拌，但加熱溫度應低於60攝氏度，因為四氫呋喃、汽油屬於易燃易爆物。上述硫化劑為雙2，5硫化劑，用量為矽橡膠重量的1. 5% 4. 0%。根據硫化性能和貼片柔軟度適當調整。上述導熱填料為微米級三氧化二鋁粒子、氮化鋁納米粒子或碳包銅納米粒子；微米級三氧化二鋁粒子、氮化鋁納米粒子或碳包銅納米粒子單獨或者混合使用，導熱填料的總質量應小於或等於矽橡膠重量的30%。上述的偶聯劑是矽烷偶聯劑KH-550、道康寧Z-6020或道康寧Z-6040，用量為導熱填料總重量的0.5% 2%。上述超聲分散時間20min 40min，功率800w 1200w ；球磨轉速100r/min，時間
球磨 Mh。填料分散均勻即可。上述塗布完漿料的玻璃纖維網放入乾燥裝置中乾燥，除盡溶劑，乾燥溫度60°C，乾燥時間他。上述玻璃纖維網預處理方法是，濃硫酸或濃硝酸或二者混合酸浸泡玻璃纖維網 4h Mh。視塗布性能合理選擇。上述硫化壓力為IOMPa 20MPa，硫化溫度160°C 190°C，時間8min 12min。本發明的有益效果本發明製得的導熱貼片厚度薄，中間有一層玻璃纖維網，起到增強傳熱的作用，同時作為支撐結構，可製備較大面積的導熱貼片。通過溶液法，結合超聲分散和球磨使填料均勻分散在矽橡膠漿料中，控制漿料濃度，將漿料均勻塗布在經蝕刻的玻璃纖維網上。經過強酸蝕刻的玻璃纖維網絲上面會形成較多突起及凹槽，這種結構使得矽橡膠漿料能較好的塗覆在玻璃纖維網絲上，塗布性能大大改善。本發明的導熱填料之一碳包銅納米複合粒子是一種結構新穎的納米粒子，外層碳完整的包裹住了內層金屬銅，既具有銅納米粒子的高導熱性能，外層碳又能限制銅納米粒子的熱膨脹，減少貼片的熱膨脹。研究表明碳納米管的理論熱導率為3000W/m. K，氮化鋁的熱導率320W/m. K，三氧化二鋁的熱導率為30W/m. K，作為導熱填料，在矽橡膠內部起到導熱通道的作用。本發明中矽橡膠具有優良的化學穩定性，熱分解溫度較高，硫化操作簡單，製備的導熱貼片表面光滑，有一定粘性，能緊密貼合在發熱部件和散熱部件之間，厚度薄，質軟，內部有玻璃纖維網作為支撐結構，拆卸簡單無殘留物汙染，熱膨脹係數較低，與金屬鋁處於同一級別，在熱傳導過程中能較好的配合，防止熱膨脹產生變形和新的縫隙。DSC-TGA測試表明導熱貼片可在180°C下長期使用。
具體實施例方式下面的實施例只是用來詳細說明本發明的優越性，本發明的導熱貼片材料的製造和應用並不限於此。實施例1(1) 30g矽橡膠溶解在90g四氫呋喃中，配製成25%的矽橡膠溶液，加入1. Og雙2， 5矽橡膠硫化劑，攪拌均勻。(2)向步驟(1)中加入4g微米級三氧化二鋁、2g納米AlN導熱填料，加入0.015g 矽烷偶聯劑KH-550。(3)步驟⑵中混合液超聲分散20min，功率800W。(4)步驟( 中混合液放入球磨罐中球磨Mh，得到導熱填料分散均勻的矽橡膠漿料。(5)用濃硫酸浸泡玻璃纖維網4h，得到預處理的玻璃纖維網。(6)步驟(4)得到的漿料均勻塗布在步驟( 經預處理的玻璃纖維網。(7)步驟(6)得到的塗覆有矽橡膠的玻璃纖維放入真空乾燥箱烘乾，乾燥溫度 60°C，乾燥時間8h。(8)步驟(7)中未硫化貼片在平板硫化機上硫化，硫化壓力為20MPa，硫化溫度 190°C，時間8min，產品經修邊即得導熱貼片。實施例2(1) 30g矽橡膠溶解在70g四氫呋喃中，配製成30%的矽橡膠溶液，加入0. 6g雙2， 5矽橡膠硫化劑，攪拌均勻。(2)向步驟(1)中加入6g碳包銅納米粒子導熱填料，加入0. 06g矽烷偶聯劑道康寧 Z-6020。(3)步驟O)中混合液超聲分散30min，功率1200W。(4)步驟(3)中混合液放入球磨罐中球磨池，得到導熱填料分散均勻的矽橡膠漿料。(5)用濃硫酸浸泡玻璃纖維網Mh，得到預處理的玻璃纖維網。(6)步驟(4)得到的漿料均勻塗布在步驟( 經預處理的玻璃纖維網。(7)步驟(6)得到的塗覆有矽橡膠的玻璃纖維放入真空乾燥箱烘乾，溫度60°C，乾燥時間他。(8)步驟(7)中未硫化貼片在平板硫化機上硫化，硫化壓力為14MPa，硫化溫度 160°C，時間lOmin，產品經修邊即得導熱貼片。實施例3(l)30g矽橡膠溶解在45g四氫呋喃中，配製成40 %的矽橡膠溶液，加入0. 45g雙 2，5矽橡膠硫化劑，攪拌均勻。(2)向步驟(1)中加入9g納米AlN粒子導熱填料，加入0.045g矽烷偶聯劑道康寧 Z-6040。
(3)步驟O)中混合液超聲分散40min，功率1200W。(4)步驟( 中混合液放入球磨罐中球磨Mh，得到導熱填料分散均勻的矽橡膠漿料。(5)用濃硫酸和濃硝酸混合強酸浸泡玻璃纖維網20h，得到預處理的玻璃纖維網。(6)步驟(4)得到的漿料均勻塗布在步驟( 經預處理的玻璃纖維網。(7)步驟(6)得到的塗覆有矽橡膠的玻璃纖維放入真空乾燥箱烘乾，溫度60攝氏度，》1。(8)步驟(7)中未硫化貼片在平板硫化機上硫化，硫化壓力為lOMPa，硫化溫度 180°C，時間9min，產品經修邊即得導熱貼片。實施例4(1) 30g矽橡膠溶解在70g汽油，配製成30%的矽橡膠溶液，加入0. 6g雙2，5矽橡膠硫化劑，攪拌均勻。(2)向步驟(1)中加入1. 5g納米氮化鋁、和4. 5g微米級三氧化二鋁導粒子，1. 5g 碳包銅納米粒子熱填料，加入0. 15g矽烷偶聯劑KH-550。(3)步驟⑵中混合液超聲分散30min，功率1000W。(4)步驟( 中混合液放入球磨罐中球磨20h，得到導熱填料分散均勻的矽橡膠漿料。(5)用濃硫酸浸泡玻璃纖維網14h，得到預處理的玻璃纖維網。(6)步驟(4)得到的漿料均勻塗布在步驟( 經預處理的玻璃纖維網。(7)步驟(6)得到的塗覆有矽橡膠的玻璃纖維放入真空乾燥箱烘乾，乾燥溫度 60°C，乾燥時間8h。(8)步驟(7)中未硫化貼片在平板硫化機上硫化，硫化壓力為12MPa，硫化溫度 170°C，時間8min，產品經修邊即得導熱貼片。實施例5(1) 30g矽橡膠溶解在70g汽油中，配製成30%的矽橡膠溶液，加入1. 2g雙2，5矽橡膠硫化劑，攪拌均勻。(2)向步驟(1)中加入4. 5g碳包銅納米粒子和4. 5g微米級三氧化二鋁粒子導熱填料，加入0. Ig偶聯劑但康寧Z-6040。(3)步驟⑵中混合液超聲分散40min，功率800W。(4)步驟(3)中混合液放入球磨罐中球磨4h，得到導熱填料分散均勻的矽橡膠漿料。(5)用濃硝酸浸泡玻璃纖維網10h，得到預處理的玻璃纖維網。(6)步驟(4)得到的漿料均勻塗布在步驟( 經預處理的玻璃纖維網。(7)步驟(6)得到的塗覆有矽橡膠的玻璃纖維放入真空乾燥箱烘乾，乾燥溫度 60°C，乾燥時間8h。(8)步驟(7)中未硫化貼片在平板硫化機上硫化，硫化壓力為20MPa，硫化溫度 160°C，時間12min，產品經修邊即得導熱貼片。 權利要求
1.一種使用玻璃纖維網作為支撐結構的導熱貼片的製備方法，其特徵在於該方法有如下步驟將矽橡膠經溶劑溶解配製成矽橡膠溶液；依次加入硫化劑、導熱填料、偶聯劑，經超聲分散，球磨至填料分散均勻，得到矽橡膠漿料，將矽橡膠漿料均勻塗布在經預處理的玻璃纖維網上，塗布完漿料的玻璃纖維網充分乾燥，模壓硫化成型，修邊即得到使用玻璃纖維網作為支撐結構的導熱貼片。
2.根據權利要求1所述的製備方法，其特徵在於上述矽橡膠是邵氏A硬度小於50度的甲基乙烯基矽橡膠，經溶劑溶解配製成矽橡膠佔溶液質量分數為25 % 40 %的矽橡膠溶液，所述溶劑是四氫呋喃或汽油。
3.根據權利要求1所述的製備方法，其特徵在於上述硫化劑為雙2，5硫化劑，用量為矽橡膠重量的1.5% 4.0%。
4.根據權利要求1所述的製備方法，其特徵在於上述導熱填料為微米級三氧化二鋁粒子、氮化鋁納米粒子或碳包銅納米粒子；微米級三氧化二鋁粒子、氮化鋁納米粒子或碳包銅納米粒子單獨或者混合使用，導熱填料的總質量應小於或等於矽橡膠重量的30 %。
5.根據權利要求1所述的製備方法，其特徵在於上述的偶聯劑是矽烷偶聯劑KH-550、 道康寧Z-6020或道康寧Z-6040，用量為導熱填料總重量的0. 5% 2%。
6.根據權利要求1所述的製備方法，其特徵在於上述超聲分散時間20min 40min， 功率800w 1200w ；球磨轉速100r/min,時間球磨2h 24h。
7.根據權利要求1所述的製備方法，其特徵在於上述塗布完漿料的玻璃纖維網放入乾燥裝置中乾燥，除盡溶劑，乾燥溫度60°C，乾燥時間他。
8.根據權利要求1所述的製備方法，其特徵在於上述玻璃纖維網預處理方法是，濃硫酸或濃硝酸或二者混合酸浸泡玻璃纖維網4h Mh。
9.根據權利要求1所述的製備方法，其特徵在於上述硫化壓力為IOMPa 20MPa，硫化溫度160°C 190°C，時間8min 12min。
全文摘要
本發明公開了一種使用玻璃纖維網作為支撐結構的導熱貼片的製備方法，該製備方法包括將矽橡膠溶解配製成矽橡膠溶液，依次加入硫化劑，導熱填料，矽烷偶聯劑，經超聲分散，球磨混合均勻，配製成粘度適中，塗布性能較好的漿料；將矽橡膠漿料均勻塗布在經預處理的玻璃纖維網上，經揮發溶劑，乾燥，模壓硫化，修邊，得到導熱貼片；這種導熱貼片熱導率較高，柔軟，熱膨脹係數小，熱穩定性高，表面有一定粘度，並且粘度可在一定範圍內調節，使用拆卸方便，滿足絕緣性能要求。
文檔編號C09J7/00GK102153955SQ20101056245
公開日2011年8月17日 申請日期2010年11月23日 優先權日2010年11月23日
發明者張海燕, 曹曉國, 曾國勳, 林錦, 洪浩群, 陳易明 申請人:廣東工業大學