具有混合縱橫比顆粒分散體的熱界面材料的制作方法

本發明總體上涉及熱界面材料，更具體地涉及用于與發熱電氣裝置和散熱結構相連的傳導性界面產品，其中界面產品還用于抑制通過它的電磁輻射的傳播。本發明還涉及通過使用混合縱橫比顆粒分散體獲得增強的功能性質的界面材料。

背景技術：

導熱界面材料廣泛地用于電子工業中，用于可操作地將產生熱量的電子組件耦合到散熱結構。最典型地，這種導熱界面材料與產生熱量的電子組件諸如集成電路(IC)、中央處理單元(CPU)和包含相對高密度的導電線路和電阻器元件的其他電子組件結合使用。特別地，熱界面材料通常用于將這種產生熱量的電子組件可操作地耦合到散熱結構，例如翅片式散熱結構。以這種方式，由電子組件產生的過量熱能可以經由熱界面材料被排出到散熱結構。

除了產生過多的熱能之外，某些電子裝置還產生多種頻率的電磁輻射。這種輻射可以具有對其他電子裝置產生電磁干擾(EMI)的效果，所述其他電子裝置對接收的電磁波形式敏感和/或調諧(tuned)。對電磁干擾敏感的裝置包括：例如便攜式電話、便攜式無線電、筆記本電腦等。

隨著對電磁干擾敏感的便攜式電子裝置的普及度提高，這種裝置的內部電子組件的制造商已經將電磁輻射吸收物質結合到與產生電磁輻射的裝置相鄰設置的導熱界面材料中。因此，在熱界面材料中實現具有吸收、反射或以其他方式抑制電磁輻射穿過界面的透射的操作特性的結構。結果，這種熱界面材料結構起到提供散熱路徑的作用，同時抑制來自熱界面材料所針對的相應電子組件的電磁輻射的透射。

然而，迄今提出的用于提供這種特性的熱界面材料結構利用熱界面材料主要基質內的導熱和抑制輻射顆粒的均勻或準均勻分散體。所得組合物，特別是在總填料充填體積分數較低時(例如≤50體積％)，具有有限的導熱性和電磁干擾抑制能力。在這樣的總填料充填體積分數(其通常是實現所需機械性能所必需的)下，難以同時實現高導熱性和電磁輻射抑制。隨著電子組件的功率增加以及封裝密度的增加，出現增強熱界面材料內的熱傳遞和電磁抑制能力的需求。

因此，本發明的目的是提供具有優于傳統可實現的導熱性和電磁干擾抑制性質的界面產品。

技術實現要素：

通過本發明，與包含等量的顆粒填料充填體積分數的常規界面材料相比，可以改進適形界面材料的導熱性和/或電磁抑制。其結果是，本發明的界面材料適當地保持適形，以便最小化電子組件和/或散熱部件界面處的熱能傳遞阻抗。

在一個實施方案中，本發明的熱界面材料可設置在熱源附近用于從熱源散熱并用于屏蔽電磁干擾。熱界面材料包括聚合物基質與以30-50體積％分散在聚合物基質內的導熱顆粒填料。顆粒填料包括具有0.8-1.2之間的縱橫比和球形顆粒體積的大致球形的顆粒。顆粒填料進一步包括具有長度、寬度和厚度以及片狀顆粒體積的片狀顆粒。片狀顆粒的長度和寬度各自遠大于片狀顆粒的厚度，從而使得片狀顆粒具有至少10的縱橫比。片狀顆粒與球形顆粒的體積充填比在0.1:1和1:1之間。片狀粒徑與球形粒徑的粒徑比在1:1和20:1之間。熱界面材料表現出至少0.5W/m·K的導熱系數。

在一些實施方案中，電子封裝件可以設置有電子組件和散熱部件，其中，熱界面材料設置在電子組件和散熱部件之間并與之接觸。

附圖說明

圖1是本發明的電子封裝件的示意圖；

圖2是圖1所示的電子封裝件的界面部分的分離圖；

圖3是大致球形顆粒的圖示；

圖4是大致片狀顆粒的圖示；

圖5是描述多種氮化硼/氧化鋁顆粒共混物的導熱性隨著總顆粒填料充填濃度和相對粒徑比變化的圖；

圖6是描述氮化硼/氧化鋁顆粒共混物的導熱性隨著相對粒徑比和相對體積充填比變化的圖；

圖7是描述石墨烯/氧化鋁顆粒共混物的導熱性隨著總顆粒填料充填濃度和相對粒徑比變化的圖；

圖8是描述石墨烯/氧化鋁顆粒共混物的導熱性隨著總顆粒填料充填濃度和相對粒徑比變化的圖；

圖9是描述石墨烯/氧化鋁顆粒共混物的電磁輻射吸收隨著總顆粒填料充填濃度和相對粒徑比變化的圖；

圖10是描述石墨烯/氧化鋁顆粒共混物的電磁輻射吸收隨著總顆粒填料充填濃度和相對粒徑比變化的圖；

圖11是描述石墨烯/氧化鋁顆粒共混物的導熱性隨著總顆粒填料充填濃度和相對體積充填比變化的圖；并且

圖12是描述石墨烯/氧化鋁顆粒共混物的電磁輻射吸收隨著總顆粒填料充填濃度和相對體積充填比變化的圖。

具體的優選實施方案

現在，上文列舉的目的和優點以及由本發明提出的其他目的、特征和改進將參照附圖描述以詳細的實施方案給出。本發明的其他實施方案和方面被認為是在本領域普通技術人員所掌握的范圍之內。

為了本發明的目的，術語“電磁輻射”、“電磁干擾”和“EMI”旨在表示能夠干擾諸如處理器、發射器、接收器等的電子組件的正常操作的輻射。這種輻射通常可能在1-10GHz的范圍內。上文列出的術語以及其他類似術語旨在表示在該頻率范圍內的輻射，并且因此可能可互換地使用，以限定由本發明的材料影響(吸收、反射、包含等)的輻射傳輸。

現在參考附圖，首先參考圖1，電子封裝件10包括電子組件12、散熱部件14和設置在電子組件12和散熱部件14之間并與它們接觸的熱界面16。在其他實施方案中，界面16可能不與電子組件12和散熱部件14中的一個或兩個發生物理接觸，但是仍然是沿著從電子組件12到散熱部件14的散熱路徑的。界面16優選地適于有效地傳導熱能，并抑制電磁輻射的傳播。EMI的抑制可以通過電磁輻射的吸收和反射的組合來實現。界面16可以沿著軸線18設置在電子組件12和散熱部件14之間，軸線18限定從熱源(電子組件12)到散熱部件14的耗散方向20。

優選地，界面16的形式是分散在熱塑性或熱固性聚合物基質24內的顆粒填料22。顆粒填料22包括一種或多種分散在聚合物基質24內的導熱和抑制EMI的材料，其分散程度足以提供所需的導熱性以及EMI抑制性質。顆粒填料22可以包含一種或多種材料，但是在其形態上是不均勻的。特別地，已經發現，在單獨使用其中任何一種顆粒填料形狀的相等充填體積分數相比，由球形和片狀的顆粒的組合組成的非均相顆粒填料形態產生了導熱性和/或EMI屏蔽的非加和性改進。因此，在大多數實施方案中，顆粒填料22可以包括兩種或更多種不同的顆粒材料，形成非均相填料形態。只要實現本發明的非均相填料形態，很多種材料可以用于制備顆粒填料22。為了本發明的目的，術語“形態”是指構成顆粒填料22的顆粒的形狀，其中，“非均相形態”是指具有不同物理形狀的顆粒，“均相形態”是指具有基本相似的物理形狀的顆粒。關于本發明，考慮包括球形顆粒和片狀顆粒的非均相形態。可以用于吸收在寬頻率范圍內的電磁輻射的實例材料包括磁性金屬粉末，例如鎳或鎳合金，以及鐵或鐵合金。其他磁性金屬、磁性金屬氧化物陶瓷和鐵氧體、石墨/碳粉、金屬合金和非金屬填料也可以用作電磁干擾抑制材料。EMI抑制材料的具體示例性實例包括：Nn-Zn、Ni-Zn、Fe-Ni、Fe-Si、Fe-Al、Fe-Co、鐵和導電金屬和非金屬的合金顆粒，例如銀、銅、碳和石墨，以及氮化硼、聚丙烯腈、石墨和磁性陶瓷。上述材料僅是示例性的，并且并非旨在限制本領域已知的多種EMI抑制材料的使用。

除了EMI抑制性質之外，顆粒填料22包括有助于通過界面16傳遞熱能的導熱填料材料。導熱顆粒填料是本領域公知的，并且包括：例如氧化鋁、氮化鋁、氫氧化鋁、氮化硼、氮化鋅和碳化硅。本發明預期其他導熱顆粒填料材料可以用于顆粒填料22，并且能夠以足以提供沿耗散方向20具有至少0.5W/m·K的導熱系數的界面16的濃度分散在聚合物基質24內。

在致力于實現比常規組合物更高的導熱性和/或電磁屏蔽性能方面，申請人已經出乎意料地發現，分散在聚合物基質內的球形和片狀顆粒的組合的特定的非均相顆粒填料形態顯示出非加和性的性能增強，其中非均相顆粒填料的給定充填濃度表現出比在聚合物基質內相等充填體積分數的單獨的球形或片狀顆粒的均相顆粒填料形態顯著更好的導熱性和/或電磁屏蔽。然而，這種效果出乎意料地僅在組合屬性的特定框架內觀察到，包括總填料充填濃度、顆粒縱橫比、球形和片狀顆粒之間的相對充填比，以及球形和片狀顆粒之間的相對顆粒尺寸比。特別地，已經發現只有這些屬性的特定數量范圍的組合才導致觀察到的有益性能增強，并且只有在組合中存在每種屬性的每個這樣的數量范圍內才導致觀察到的有益性能增強。因此，本發明的出乎意料的發現源于一致起作用的特定屬性的組合。相比之下，已知的組合物僅僅說明本發明的關鍵屬性中的一些，因此沒有實現本發明組合的意想不到的結果。

本發明的顆粒填料22包括大致球形的顆粒32和大致片狀的顆粒34的組合。為了本發明的目的，球形顆粒被認為具有0.8-1.2之間的縱橫比，其中顆粒縱橫比的測定如下：

A＝D_大/D_小

其中，

A＝縱橫比

D_大＝沿顆粒的長度軸或寬度軸所測得的最長尺寸

D_小＝沿著顆粒的厚度軸所測得的尺寸

圖3中說明了示例性的大致球形的顆粒32，其中長度軸“L”、寬度軸“W”和厚度軸“T”在顆粒32的中心原點“O”處垂直相交。因此，大致球形的顆粒32的縱橫比“A”被定義為：沿長度軸“L”或寬度軸“W”的較大通長(through dimension)除以沿厚度軸“T”的通長。因此，在完美球體的情況下，通長是沿著相應軸線測得的直徑尺寸，其將導致1.0的縱橫比“A”。

在圖4中說明了具有各自的長度軸、寬度軸和厚度軸的大致片狀的顆粒34。為了本發明的目的，認為片狀顆粒沿其長度軸“L”和寬度軸“W”具有類似的尺寸，但沿其厚度軸“T”具有顯著較小的尺寸，以便產生大于10的縱橫比。在一些實施方案中，片狀顆粒34表現出至少100的縱橫比。

已經發現，在本發明的分散體內的球形和片狀顆粒尺寸，重要的是它們的相對尺寸，是實現觀察到的導熱性和EMI抑制性質的重要方面。因此，可以使用“等效球體”的概念來表示各自的粒徑。在這種情況下，粒徑由具有與實際顆粒相同性質(例如體積)的等效球體的直徑來定義。為了本申請的目的，粒徑被認為是使用激光衍射儀器以及用于解釋結果的Mie理論測量的體積等效球體的中值直徑。還應當理解，球形顆粒32和片狀顆粒34可以不是單分散的，而是可以顯示不同尺寸的大致球形顆粒和大致片狀顆粒的顆粒尺寸分布。這種分布可以用體積加權分布表示，其中每個顆粒在分布中的貢獻與該顆粒的體積有關。對于例如通過激光衍射測量的那些體積加權粒度分布，基于樣品的給定百分比體積的最大顆粒尺寸來報告參數是方便的。百分位數可以定義為：

D_ab

其中，

D＝直徑

a＝分布權重(v表示體積)

b＝低于該顆粒尺寸的樣品的百分比

例如，D_v50值是存在50％低于其的樣品體積的最大粒徑；也稱為體積中值顆粒尺寸(直徑)。本發明的典型顆粒尺寸分布包括中值直徑的大約40-100％的D_v10值，以及中值直徑的大約100-160％的D_v90值。通過激光衍射測量的顆粒尺寸分布可以通過直接的電子顯微鏡檢查來確認。

申請人已經確定，顆粒填料22優選以30-50體積％的充填濃度，更優選以40-50體積％的充填濃度分散在聚合物基質24內。如上所述，期望界面16維持具有相對低的體積壓縮模量的“適形”特性。超過50體積％的顆粒填料22的充填濃度可能不期望地提高界面16的體積壓縮模量。因此，每單位體積的顆粒填料的增強的導熱性和電磁輻射衰減的本發明發現允許用相對低的顆粒填料22的總充填濃度的分散體，以保持界面16的低體積壓縮模量值，同時保持高導熱性和/或EMI衰減值。

申請人已經發現，在上述顆粒填料22的總充填濃度內，片狀顆粒34和球形顆粒32之間的充填比實現了觀察到的功能益處。為了本發明的目的，術語“體積充填比”是指片狀顆粒34與球形顆粒32的體積濃度比。在本發明的分散體中，0.1:1和1:1之間的片狀顆粒34與球形顆粒32的體積充填比是優選的。

已經進一步確定，在本發明的分散體的制備中，一個因素是片狀顆粒34和球形顆粒32之間的粒徑比。“粒徑比”比較該分散體的片狀顆粒和球形顆粒的中值粒徑，中值粒徑如上文所定義。已經發現，中值片狀粒徑與中值球形粒徑的粒徑比在1:1和20:1之間。在該范圍之外的粒徑比下，基本上消除了本發明的出乎意料的功能益處。

優選地，聚合物基質24給界面16提供了整體柔軟和柔韌的特性。具體地，界面16優選顯示小于大約5MPa的總體壓縮模量，更優選小于1MPa的體積壓縮模量，以及在大約10Shore 00和50Shore A之間的體積硬度，更優選體積硬度在10Shore 00和70Shore 00之間，均在20℃的室溫下。在具體實施方案中，界面16可以在20℃下表現出在15Shore 00和30Shore 00之間的硬度。這種柔韌性和柔軟性使得能夠將界面16應用于電子組件12和散熱部件14的不平坦表面，而不會形成間隙。由于其低模量和硬度值而引起的界面16的適形性(conformability)方面對于確保導熱界面16和封裝件10的相關組件之間的連續接觸面積是重要的，以便使傳熱效率最大化，以及使在電子封裝件10的組裝中損壞電子組件12的風險最小化。

如此的源自聚合物基質24的界面16的體積壓縮模量和體積硬度性質允許界面16的可處理性。換言之，期望界面16具有在可工作范圍內的柔軟度，其提供上述的適形和柔韌性益處，以及足夠的硬度，以便在處理和組裝中尺寸相對穩定。申請人已經發現，包括在10-70Shore 00之間的上述硬度范圍在輻射屏蔽和熱傳遞以及其易于處理(包括通過自動化設備)中實現有用的平衡。在一些實施方案中，界面16可以是在室溫下相對尺寸穩定的自支撐體，或者可以是較不粘稠的，包括對于就地形成應用可液體分配的。上述硬度和模量范圍旨在應用于在室溫下安裝的本界面16。在操作條件下，在升高的溫度下，本界面16的硬度值可以降低，特別是在相變材料用于本界面16的聚合物基質24內的情況下。

聚合物基質24可以由熱塑性或熱固性聚合物形成。可用于聚合物基質24內的熱塑性和熱固性樹脂的實例包括：例如硅氧烷、丙烯酸類、聚氨酯類、環氧樹脂、多硫化物、聚異丁烯和聚乙烯基或聚烯烴基聚合物。從這種熱塑性或熱固性樹脂開發的聚合物基質提供相對柔軟和柔韌的基底，其中顆粒填料22能夠以大約30-50體積％的濃度分散。

除了上述的導熱性質之外，界面16還可以提供電磁輻射抑制。因此，從例如電子組件12發出的電磁輻射可以在很大程度上被界面16吸收或反射，而不透射過厚度“T”。優選地，至少大約10％的電磁輻射被吸收或反射回例如電子組件12處的源。在一些實施方案中，小于約90％的電磁輻射被允許透射過本發明的界面16。通過本發明的界面16，可以實現在2.4GHz下的至少1dB/in，更優選地至少10dB/in的電磁輻射吸收。電磁吸收效率的這種量度可以通過以下關系式來測量：

其中，

A＝電磁吸收(dB/in)

S11＝電磁反射系數

S21＝電磁透射系數

T＝界面墊的厚度(in)

實施例

制備多組熱界面墊，以測試多種總顆粒填料充填濃度、片狀顆粒和球形顆粒之間的體積充填比以及片狀顆粒和球形顆粒之間的粒徑比下的導熱性和電磁輻射吸收。將界面墊制備成大約1mm的厚度，用于測試。

實施例1

使用購自Denka的大致球形的氧化鋁顆粒和購自Momentive的氮化硼(BN)片狀顆粒制備第一組界面墊樣品。制備乙烯基官能的硅氧烷和氫化物官能的硅氧烷與鉑催化劑和馬來酸酯抑制劑的共混物作為界面墊的聚合物基質的基礎樹脂。使用100g批料，在FlackTek高速混合器中，將樹脂材料與氧化鋁和氮化硼填料顆粒在2,200rpm下混合30秒。混合后，使材料冷卻至25℃，然后在2,200rpm下再混合十五秒。

實施例2

使用購自Denka的大致球形的氧化鋁顆粒和購自Cabot的片狀石墨烯顆粒制備另一組界面墊。聚合物基質由市售的RTV兩部分縮合固化模制硅氧烷制備。將硅氧烷A部分與石墨烯和氧化鋁顆粒在2,200rpm下混合30秒。將材料冷卻至25℃，然后加入硅氧烷B部分，并在2,200rpm下再混合15秒。

圖5-12用圖形描述在多種片狀/球形體積充填比和顆粒尺寸比以及總顆粒填料充填濃度下共混的上述示例界面墊的導熱性和電磁輻射吸收。實驗數據的圖形表示證明了在特定屬性范圍內的所需性能性質，即在聚合物基質中30-50體積％的總顆粒填料充填濃度、在0.1:1和1:1之間的片狀顆粒與球形顆粒的體積充填比以及在1:1和20:1之間的片狀粒徑與球形粒徑的粒徑比。

圖5描述了多種氮化硼/氧化鋁顆粒共混物的導熱性隨著總顆粒填料充填濃度和相對顆粒尺寸比的變化。該圖清楚地表明，含有球形顆粒和片狀顆粒的顆粒填料分散體在相等的總充填濃度下明顯優于僅具有球形顆粒或片狀顆粒的顆粒填料分散體。這表明“非加和性”效應，其中球形顆粒和片狀顆粒的組合的性能遠遠超過在該負載濃度下的預期性能。

圖6顯示了氮化硼/氧化鋁顆粒分散體共混物的導熱性隨著相對粒徑比和相對體積充填比的變化。從圖6可以看出，片狀:球形的粒徑比超出20:1時，本發明分散體的出乎意料的非加和性的益處顯著地減少。

圖7顯示了在片狀顆粒與球形顆粒的體積充填比是0.1:1時，石墨烯/氧化鋁共混物的導熱性隨著總顆粒填料充填濃度和相對粒徑比的變化。同樣地，圖8顯示了在片狀顆粒與球狀顆粒的體積充填比是0.2:1時，石墨烯/氧化鋁共混物的導熱性隨著總顆粒填料充填濃度和相對粒徑比的變化。

圖9顯示了在片狀顆粒與球形顆粒的體積充填比是0.1:1時，石墨烯/氧化鋁顆粒共混物的電磁輻射吸收隨著總顆粒填料充填濃度和相對粒徑比的變化。類似地，圖10顯示在片狀顆粒與球形顆粒的體積充填比是0.2:1時，石墨烯/氧化鋁顆粒共混物的電磁輻射吸收隨著總顆粒填料充填濃度和相對粒徑比的變化。圖7-10中的每一個均展示了本分散體在其各自的屬性范圍內的非加和性益處。

圖11和12顯示石墨烯/氧化鋁顆粒分散體共混物在總顆粒填料充填濃度和片狀顆粒與球形顆粒的相對體積充填比下的導熱性和電磁輻射吸收數據。

本文已經相當詳細地描述了本發明，以符合專利法規，并且為本領域技術人員提供應用新穎性原則以及根據需要構造和使用本發明的實施方案所需的信息。然而，應當理解，在不脫離本發明本身的范圍的情況下，可以進行多種修改。