TW202436588A

TW202436588A - 導熱膏組成物

Info

Publication number: TW202436588A
Application number: TW113106128A
Authority: TW
Inventors: 占杰李; 趙丹; 德溫Ｍ費古森; 艾瑞克霍夫雷; 弼忠朱; 卡桑德拉哈爾
Original assignee: 美商陶氏有機矽公司
Priority date: 2023-03-13
Filing date: 2024-02-21
Publication date: 2024-09-16
Also published as: WO2024191588A1; CN120693386A; KR20250157504A

Abstract

本發明係關於一種組成物，其包含一或多種填料粒子以及式1之第一處理劑：；及式2之第二處理劑：；其中R、R ¹、R ²、Y、x、及n在本文中定義。本發明之該組成物可用作可達成在熱穩定性下具有高導熱率之組合之導熱膏。

Description

導熱膏組成物

本發明係關於一種非可固化導熱膏組成物，其包含酯官能化三烷氧基矽烷。

非可固化導熱膏廣泛用作熱界面材料，其用以將熱自產熱電子組件轉移至散熱片。有用的導熱膏之特徵在於高整體導熱率、低熱阻、低接合線厚度、良好的流動性、及可再加工性。構成導熱膏之組分超過90 wt%係導熱填料之組合，諸如分散於基於聚矽氧之流體中之氧化鋅、氧化鋁、鋁、氮化硼、及氮化鋁。電子組件之功率及功率密度之快速增加導致更大的熱產生，因此需要導熱膏具有較高的導熱率。

導熱率可藉由增加用於製備導熱膏之導熱填料的裝載而增加。然而，遺憾地，較高的填料裝載造成較高的導熱膏黏度，其降低關鍵性質，諸如印刷適性及熱穩定性。為了解決此問題，US 2008/0213578 A1 (Endo)揭示一種導熱膏組成物，其尤其包括三烷基矽基-三烷氧基矽基封端之聚矽氧烷（組分B，第[0034] 段）及烷氧基矽烷（組分C，第[0035] 段）；包括組分C提供具有較低黏度之組成物，因此相較於不含有此組分之膏，提供改善之導熱膏熱穩定性。

仍然需要達成甚至更好的熱穩定性；因此，在非可固化導熱膏之技術領域發現可達成更高的導熱率而不伴隨降低熱穩定性之導熱膏將係有利的。

本發明藉由提供一種組成物來解決非可固化導熱膏之技術領域中的需求，以該組成物之重量計，該組成物包含a) 80至95重量百分比的一或多種填料粒子，其選自由鋁、氧化鋁、矽、二氧化矽、氧化鎂、氮化鋁、石墨、碳化矽、及氧化鋅所組成之群組；b) 0.2至15重量百分比的式1之第一處理劑：式1 其中R及R ¹各自獨立地係C ₁-C ₆-烷基；Y係O或CH ₂-CH ₂；x係20至200； c) 0.05至2重量百分比的式2之酯官能化三烷氧基矽烷：其中R ²係C ₁-C ₁₆-烷基或C ₁-C ₁₆-烯基；各R ¹獨立地係C ₁-C ₆-烷基；且n係1或2；及 d) 至多8重量百分比的氮化硼薄片粒子。

本發明之組成物可用作非可固化導熱膏。

本發明係一種組成物，其以該組成物之重量計包含：a) 80至95重量百分比的一或多種填料粒子，其選自由鋁、氧化鋁、矽、二氧化矽、氧化鎂、氮化鋁、碳化矽、石墨、及氧化鋅所組成之群組；b) 0.2至15重量百分比的式1之第一處理劑：其中R及R ¹各自獨立地係C ₁-C ₆-烷基；Y係O或CH ₂-CH ₂；x係20至200； c) 0.05至2重量百分比的式2之酯官能化三烷氧基矽烷：其中R ²係C ₁-C ₁₆-烷基或C ₁-C ₁₆-烯基；各R ¹獨立地係C ₁-C ₆-烷基；且n係1或2；及 d) 至多8重量百分比的氮化硼薄片粒子。

以組成物之重量計，組成物較佳地包含在85或90重量百分比至95重量百分比之範圍內之組合濃度的鋁及氧化鋅填料粒子。鋁粒子之濃度較佳在組成物之65、或68、或70重量百分比至80、或至78、或至75重量百分比之範圍內。鋁粒子宜呈下列之雙峰分佈：a)具有在0.5 µm、或1 µm至5 µm、或至3 µm之範圍內的D ₅₀體積平均粒徑的較小粒子，以及b)具有在7 µm至20 µm、或至15 µm、或至12 µm之範圍內的D ₅₀體積平均粒徑的較大粒子。

以組成物之重量計，ZnO粒子之濃度較佳在10、或15重量百分比至25、或至20重量百分比之範圍內。ZnO粒子較佳地具有在50 nm、或80 nm至500 nm、或至200 nm、或至150 nm之範圍內的D ₅₀體積平均粒徑。鋁粒子、氧化鋅粒子、及氧化鋁粒子之D ₅₀及D ₉₉體積平均粒徑係指使用雷射折射法測量之D ₅₀體積平均粒徑。

以組成物之重量計，式1之第一處理劑的濃度在0.2、或1、或3、或5重量百分比至15、或至10重量百分比之範圍內。Y較佳係O，且R及R ¹各自較佳係甲基；x係20、或50至200、或至250。

以組成物之重量計，酯官能化三烷氧基矽烷之濃度在0.05、或0.1重量百分比至2、或至1、或至0.5重量百分比之範圍內。R係C ₁-C ₁₆-烷基、或C ₁-C ₁₀-烷基、或C ₁-C ₆-烷基、或C ₁-C ₁₆-烯基、或C ₁-C ₁₀-烯基；R較佳係甲基；各R ¹獨立地係C ₁-C ₆-烷基，較佳甲基；且n係1或2。

式2之酯官能化三烷氧基矽烷可例如藉由羧酸鹽與三烷氧基矽醇之縮合而製備，如WO 2011/101278 A1中所述。式1化合物亦可藉由羧酸鹽與氯烷基三烷氧基矽烷之鹼催化反應而製備：或藉由烯丙酯與三氯矽烷之矽氫化，接著進行烷醇分解：組成物可選地包含氮化硼薄片粒子，其以黏度為代價來增加導熱率。薄片粒子具有由掃描式電子顯微鏡(Scanning Electron Microscopy, SEM)所測量，較佳在750 nm至5 µm之範圍內的厚度，且具有由動態光散射所測量，較佳在3 µm至40 µm之範圍內的D ₅₀粒徑直徑。氮化硼薄片粒子之直徑-厚度縱橫比較佳在2:1、或3:1、或4:1至50:1、或至30:1、或至20:1、或至10:1之範圍內。氮化硼薄片粒子具有六角形晶體結構。在組裝過程中，在氮化硼薄片粒子被施加在基材之間後，薄片粒子大致沿著與基材相同的方向排列。因此，氮化硼薄片粒子之D ₅₀粒徑並不影響最終黏合層厚度。氮化硼薄片粒子之可商購實例包括來自St. Gobain的CarboTherm PCTP30氮化硼及來自Momentive Performance Materials的PolarTherm PT110。以組成物之重量計，氮化硼薄片粒子之濃度在0、或0.5、或1、或2重量百分比至8、或至6、或至5、或至4重量百分比之範圍內。

本發明之組成物提供一種非可固化膏，其可在可分配及可加工黏度下達成高導熱率。實例

在以下各實例中，pbw係指重量份。除非另有說明，否則使用Flacktek Speedmixer以1500 rpm進行所有混合。製備導熱材料之通用程序

將式1之第一填料處理劑（TA1，7.09 pbw，各R及R ¹= CH ₃；R = O；且x =110，如美國專利公開案2006/0100336中所描述）、第二填料處理劑（TA-2至TA-6，0.2 pbw）、Zoco 102 ZnO粒子(ZnO，17.38 pbw，0.12 µm)添加至MAX100杯中且混合15 s。接著將第一鋁粒子（Al-1，24.12 pbw，2.0 µm，等效於TCP-2 Al粉）添加至混合器中，且將內含物混合15 s。接著將TCP-9 Al粉(Al-2，48.24 pbw，9.9 µm)添加至混合器中且繼續混合40 s。接著用刮勺手動混合混合物，隨後在混合器中進一步混合40 s。接著將氮化硼(BN，3 pbw)添加至混合器中且繼續混合15 s。將調配後之組成物轉移至鋁盤，且在150℃下真空（23托）加熱1 h。

表1彙總用於製備實例及比較例之材料及量。TA-2、TA-3、TA-4、TA-5、及TA-6具有以下結構：。［表1］-導熱膏組成物

材料	比較例1 (g)	比較例2 (g)	實例1 (g)	實例2 (g)	實例3 (g)
Al-1	24.12	24.12	24.12	24.12	24.12
Al-2	48.24	48.24	48.24	48.24	48.24
ZnO	17.38	17.38	17.38	17.38	17.38
BN	3.00	3.00	3.00	3.00	3.00
TA-1	7.26	7.09	7.09	7.09	7.09
TA-2	-	0.17	-	-	-
TA-3	-	-	0.17	-	-
TA-4	-	-	-	0.17	-
TA-5	-	-	-	-	0.17

黏度測量

藉由ASTM D4440-15（塑膠的標準測試方法：動態機械特性熔融流變學），使用配備有25 mm平行板（鋸齒鋼）之TA Instruments的儀器模型ARES-G2測量在膨脹點(dilatant point)之複數黏度(Pa•s)。測試條件係基於在25℃下進行之應變掃描，間隙為2.0 mm。在裝載樣本時注意避免空氣夾帶進入其中。用刮刀的平邊將多餘材料自固定件邊緣修剪掉。使用標準程序進行測量，振盪頻率為10 rad/s，以0.01至300%應變振幅掃描，每十倍程20個取樣點。膨脹點定義為複數黏度開始增加時的應變。導熱率測量

藉由ISO 22007-2:2015（判定導熱率的測試方法），使用Hot Disk Instrument TPS 2500 S (Hot Disk Instrument)及C5501感測器來測量導熱率。將各樣本置放於兩個杯中，且將平面感測器固定在杯間。分析條件：經微調之分析、溫度漂移補償、及時間校正，在點50至150之間選擇而計算。

表2示出樣本之黏度及導熱率結果。黏度係指在膨脹點之黏度。［表2］-樣本黏度及導熱率特性

	TA	黏度(Pa•s)	TC (W/m•K)
CE-1	-	179	6.3
CE-2	TA-2	161	6.4
IE-1	TA-3	122	6.1
IE-2	TA-4	110	6.4
IE-3	TA-5	115	6.0

結果展示本發明實例比較例3之黏度的顯著改良。樣本穩定性測量老化前樣本之厚度測量

在Q panel-AL-35鉻酸鹽預處理基材(0.65 mm × 75 mm × 125 mm)上分配樣本(1 g)。將鋁墊片（1-mm厚）置放於分配樣本之任一側上，且將載玻片(50 mm × 75 mm)置放於墊片及樣本上。取下墊片，且將紋理分析儀探針（13-mm直徑）以速率0.5 mm/s指向載玻片，直到探針接觸載玻片，在此時對載玻片施加5-Kg力持續30 s。接著測量樣本之厚度(Thick _o)，在減去基材及載玻片之厚度後，指示其老化前之流動性。老化樣本之厚度測量

如上文所描述，分配樣本且定位鋁墊片（1-mm厚）及載波片。如下判定樣本之穩定性：將組合件加熱至125℃持續21 d。取下墊片，且將探針以速率0.5 mm/s指向載玻片，直到探針接觸載玻片，在此時對載玻片施加5-Kg力持續30 s。接著如上文所描述測量樣本之厚度(Thick _f)以指示其老化後的流動性。

表3彙總樣本之初始老化前厚度及老化樣本之厚度。Thick _o係指樣本之初始厚度，且Thick _f係指受力之後老化樣本之厚度。［表3］-老化樣本之穩定性研究

	Thick _o(mm)	Thick _f(mm)
CE-1	0.29	1.00
CE-2	0.27	0.87
IE-1	0.25	0.49
IE-2	0.24	0.47
IE-3	0.24	0.47

比較例之厚度未實質上減少，指示樣本已硬化；相比之下，含有式2之酯處理劑的實例均展現出流動性，其係樣本之相對穩定性的指標。

無

Claims

一種組成物，其以該組成物之重量計包含：a) 80至95重量百分比的一或多種填料粒子，其選自由鋁、氧化鋁、矽、二氧化矽、氧化鎂、氮化鋁、碳化矽、石墨、及氧化鋅所組成之群組；b) 0.2至15重量百分比的式1之第一處理劑：式1 其中R及R ¹各自獨立地係C ₁-C ₆-烷基；Y係O或CH ₂-CH ₂；x係20至200； c) 0.05至2重量百分比的式2之酯官能化三烷氧基矽烷：其中R ²係C ₁-C ₁₆-烷基或C ₁-C ₁₆-烯基；各R ¹獨立地係C ₁-C ₆-烷基；且n係1或2；及 d) 至多8重量百分比的氮化硼薄片粒子。
如請求項1之組成物，其中該等填料粒子選自由鋁、氧化鋁、及氧化鋅所組成之群組。
如請求項2之組成物，其包含：a)以該組成物之重量計，組合濃度在85至95重量百分比之範圍內的鋁填料粒子及氧化鋅填料粒子，以及b)以該組成物之重量計，濃度在0.5至8重量百分比之範圍內的氮化硼薄片粒子。
如請求項3之組成物，其中Y係O；且R及R ¹各自係甲基。
如請求項2之組成物，其中以該組成物之重量計，式1之該第一處理劑之濃度在3至10重量百分比之範圍內；且以該組成物之重量計，式2之該酯官能化三烷氧基矽烷之濃度在0.1至1重量百分比之範圍內。
如請求項3之組成物，其中以該組成物之重量計，鋁粒子之濃度在65至80重量百分比之範圍內；且以該組成物之重量計，該等氧化鋅粒子之濃度在10至25重量百分比之範圍內；其中該等鋁粒子呈下列之雙峰分佈：a)具有在0.5 µm至5 µm之範圍內的D ₅₀體積平均粒徑的較小粒子；以及b)具有在7 µm至20 µm之範圍內的D ₅₀體積平均粒徑的較大粒子；且其中該等氧化鋅粒子具有在50 nm至200 nm之範圍內的D ₅₀體積平均粒徑。
如請求項5之組成物，其中以該組成物之重量計，鋁粒子之濃度在70至78重量百分比之範圍內；且以該組成物之重量計，該等氧化鋅粒子之濃度在15至20重量百分比之範圍內；其中該等鋁粒子呈下列之雙峰分佈：a)具有在1 µm至3 µm之範圍內的D ₅₀體積平均粒徑的較小粒子；以及b)具有在7 µm至15 µm之範圍內的D ₅₀體積平均粒徑的較大粒子；且其中該等氧化鋅粒子具有在80 nm至150 nm之範圍內的D ₅₀體積平均粒徑；其中式1之該第一處理劑之濃度在5至10重量百分比之範圍內；且其中x係在50至150之範圍內。
如請求項7之組成物，其中式2之第二處理劑係選自由下列所組成之群組：且以該組成物之重量計，式2之該第二處理劑之濃度在0.1至0.5重量百分比之範圍內。
如請求項7之組成物，其中式2之第二處理劑係：且以該組成物之重量計，式2之該第二處理劑之濃度在0.1至0.5重量百分比之範圍內。