優(yōu)先權(quán)聲明

本申請要求2014年10月7日提交的美國臨時專利申請系列第62/060,707號的優(yōu)先權(quán)，該申請的代理機構(gòu)案卷號為12014015，其內(nèi)容通過參考結(jié)合于此。

本發(fā)明涉及熱塑性聚合物配混物，其具有導(dǎo)熱性，能夠激光成型和等離子體金屬化。

背景技術(shù)：

現(xiàn)代社會中任何通電產(chǎn)品都不具有理想的效率因此，能量的消耗伴隨著放熱。通電產(chǎn)品的散熱是工業(yè)工程普遍關(guān)心的問題。電子產(chǎn)品特別容易過熱。個人計算機包含風(fēng)扇，通過對流散熱使敏感電子部件大致保持在環(huán)境溫度。

pct專利申請公開wo200714978(barber等)披露了聚苯硫醚(pps)及其他熱塑性樹脂在導(dǎo)熱型熱塑性配混物中的應(yīng)用。

可制備聚合物制品用于電子電路，利用所謂的“激光直寫成型”工藝，通過直接金屬化可以在任何形狀的聚合物制品表面中制作集成電路跡線。根據(jù)ranft等人的“導(dǎo)熱聚合物的激光直寫成型：新型熱管理方法”(laserdirectstructuringofthermallyconductivepolymers:aninnovativethermalmanagementapproach)(antec,2012)，激光直寫成型工藝(lds)是通過直接金屬化在三維熱塑性部件(所謂的模塑互連器件)(3d-mid)上形成集成電路跡線的成熟技術(shù)。從1990年代晚期開始，lds技術(shù)從汽車和通信應(yīng)用中的少量商業(yè)化產(chǎn)品起步。最近，此技術(shù)的最大市場是制造集成式手機天線，主要位于亞洲國家。

ranft等人還報告，照明技術(shù)領(lǐng)域的另一快速成長的市場和重要的經(jīng)濟因素是基于高亮度發(fā)光二極管(led)的應(yīng)用在數(shù)量上暴漲。特別是與節(jié)能的迫切需求相關(guān)的發(fā)光效率的改善導(dǎo)致它們越來越多地用于普通照明(民用、工業(yè)和戶外)、交通信號燈、汽車照明及其他光電子應(yīng)用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本領(lǐng)域需要具有導(dǎo)熱性并且還能進(jìn)行激光成型的導(dǎo)熱聚合物配混物，用來在由該配混物制成的聚合物制品表面上的激光成型部分上通過直接金屬化產(chǎn)生集成電路跡線。較佳的是，這些聚合物制品是印刷電路板或led照明組件，它們是兩種需要突出的散熱管理的聚合物制品。因為聚合物配混物導(dǎo)熱，所以聚合物制品，特別是印刷電路板或led照明組件，能夠作為從熱源散熱的機構(gòu)，所述熱源是集成電路或者與集成電路相連的電子器件。

本發(fā)明采用一種或多種導(dǎo)熱添加劑為已進(jìn)行激光成型和等離子體金屬化的聚合物制品提供導(dǎo)熱性，從而解決了該問題。此外，導(dǎo)熱塑料制品可以是絕緣的或者導(dǎo)電的。

因此，本發(fā)明的一個方面是已進(jìn)行激光成型和等離子體金屬化的聚合物制品，其包含導(dǎo)熱聚合物配混物，所述導(dǎo)熱聚合物配混物包含能夠進(jìn)行激光成型和等離子體金屬化的聚合物樹脂和選自下組的導(dǎo)熱添加劑，該組由以下各項組成：導(dǎo)熱絕緣添加劑和導(dǎo)熱導(dǎo)電添加劑。

較佳的是，聚合物樹脂能夠通過無鉛回流焊實施表面裝配技術(shù)(smt)。

下面將探討本發(fā)明的各種特征。

附圖說明

圖1是由導(dǎo)熱聚合物配混物制成的聚合物制品照片，其已激光成型，用來制備用于電子電路的平坦表面。

圖2是圖1所示聚合物制品的照片，其已等離子體金屬化，用來提供電子電路。

圖3是在電子電路上焊有l(wèi)ed的聚合物制品的照片。

具體實施方式

熱塑性聚合物基體

只要能夠進(jìn)行激光成型和等離子體金屬化而不對其結(jié)構(gòu)性質(zhì)如耐久性、韌性、耐熱性造成不利影響，任何常規(guī)熱塑性聚合物都是用作本發(fā)明的配混物基體的候選對象。無需過多實驗，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員能夠在考慮成本、制造技術(shù)、物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)等因素的基礎(chǔ)上選擇基體。合適的熱塑性聚合物的非限制性例子有聚烯烴、聚鹵代烯烴、聚酰胺、聚酯、聚氨酯、聚碳酸酯、聚亞芳基類聚合物(polyarylene)(聚亞芳基硫醚類(sulfides)、聚亞芳基醚(ethers)等)及其混合物。所述聚合物可以是均聚物或共聚物。

在這許多候選對象中，優(yōu)選使用聚苯硫醚，因為它具有耐久性、高溫耐受性，存在合適的導(dǎo)熱性和熱變形溫度。聚苯硫醚是含有苯基部分和與之鍵合的一種或多種硫化物的聚合物。本領(lǐng)域技術(shù)人員會認(rèn)識到，各種市售聚苯硫醚適用于本發(fā)明。這種市售聚苯硫醚(“pps”)的非限制性例子包括可以各種級別購自德克薩斯州伍德蘭市雪佛龍菲利普化學(xué)公司(chevronphillipschemicalco.ofthewoodlands,texas)的ryton牌pps粉末。為本領(lǐng)域技術(shù)人員所知的文獻(xiàn)中的任何專利都適合用來確定合適的選擇，而無需過多實驗。

導(dǎo)熱添加劑

導(dǎo)熱絕緣添加劑

氮化硼

有潛力用于所述配混物的導(dǎo)熱絕緣添加劑是氮化硼，可以立方氮化硼或六方氮化硼商購。本領(lǐng)域熟知，六方氮化硼比立方氮化硼提供更高的導(dǎo)熱性，因而是優(yōu)選的。六方氮化硼還有助于得到高表面電阻率。

購自坎普頓市(kempten)esk陶瓷股份有限公司(eskceramicgmbh)(德國)的氮化硼粉末是目前優(yōu)選的。

鋁硅酸鹽

另一種有潛力用于所述配混物的導(dǎo)熱絕緣添加劑是鋁硅酸鹽。購自弗雷辛市(frechen)quarzwerkegruppe公司(德國)的基于天然鋁硅酸鹽的silatherm1360-100ast化合物是目前優(yōu)選的。

氧化鋅

另一種有潛力用于所述配混物的導(dǎo)熱絕緣添加劑是氧化鋅。購自昂格勒爾市優(yōu)美科公司(umicoreofangleur)(比利時)的neigeb氧化鋅是目前優(yōu)選的。

二氧化鈦

另一種有潛力用于所述配混物的導(dǎo)熱絕緣添加劑是二氧化鈦，可以金紅石或銳鈦礦商購。

購自達(dá)拉斯市克羅諾斯公司(kronosofdallas)(美國)的kronos2220二氧化鈦是目前優(yōu)選的。

盡管氮化硼、鋁硅酸鹽、氧化鋅和二氧化鈦具有不同的導(dǎo)熱性質(zhì)，但它們各自有可能能夠單獨用作導(dǎo)熱絕緣添加劑，具體取決于在配混物中的利用率。在本發(fā)明的實驗中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，它們當(dāng)中的氮化硼或鋁硅酸鹽能夠單獨用作這種類型的添加劑。在本發(fā)明的實驗中還發(fā)現(xiàn)，氮化硼、氧化鋅和二氧化鈦能夠一起使用，用作該類型的導(dǎo)熱絕緣添加劑。無需過多實驗，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員能夠從這四種導(dǎo)熱絕緣添加劑中進(jìn)行選擇，以各種組合和數(shù)量使用，從而實現(xiàn)能夠進(jìn)行激光成型和等離子體金屬化以制備本發(fā)明的聚合物制品的導(dǎo)熱絕緣聚合物配混物。

既導(dǎo)熱又絕緣的其他添加劑也是適用于本發(fā)明的候選對象，因為本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在制備導(dǎo)熱聚合物制品如導(dǎo)熱印刷電路板或led照明組件時可能發(fā)現(xiàn)它們。

導(dǎo)熱導(dǎo)電添加劑

石墨

一種有潛力用于所述配混物的導(dǎo)熱導(dǎo)電添加劑是石墨，可以天然或合成形式商購。

購自伯恩市埃德爾石墨公司(edelgraphitofbonn)(德國)的nfl98天然六方石墨是目前優(yōu)選的。

既導(dǎo)熱又導(dǎo)電的其他添加劑也是適用于本發(fā)明的候選對象，因為本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在制備導(dǎo)熱聚合物制品如瀝青碳纖維或碳納米管時可能發(fā)現(xiàn)它們。

可選的填料增強

利用增強填料可以提高由本發(fā)明的配混物制成的聚合物制品(如印刷電路板)的結(jié)構(gòu)整體性。這些填料優(yōu)選呈化學(xué)惰性，絕緣，具有纖維形狀。

非傳導(dǎo)性增強填料的非限制性例子有氧化硅、玻璃纖維、芳香族聚酰胺纖維、礦物纖維等。優(yōu)選使用玻璃纖維，因為它比其他類型的填料易得且成本低。

其他可選添加劑

本發(fā)明的配混物可包含常規(guī)塑料添加劑，其含量足以獲得配混物所需的加工性或性能。添加量不應(yīng)造成添加劑浪費，也不應(yīng)損害配混物的加工或性能。熱塑性塑料配制領(lǐng)域的技術(shù)人員無需過多實驗，只需參考諸如來自“塑料設(shè)計庫”(plasticsdesignlibrary)(elsevier.com)的《塑料添加劑數(shù)據(jù)庫》(plasticsadditivesdatabase)(2004)這樣的專著即可選擇許多不同類型的添加劑加入本發(fā)明的配混物中。

可選添加劑的非限制性例子包括粘合促進(jìn)劑；殺生物劑(殺細(xì)菌劑、殺真菌劑和殺霉菌劑)；抗霧化劑；抗靜電劑；粘結(jié)、發(fā)泡和起泡劑；分散劑；填料和增容劑，如滑石和玻璃纖維；阻燃劑；煙霧抑制劑；抗沖擊改性劑；引發(fā)劑；潤滑劑；云母；顏料、著色劑和染料；增塑劑如核/殼抗沖改性劑；加工助劑；脫模劑；硅烷、鈦酸鹽(酯)和鋯酸鹽(酯)；滑爽和抗粘連劑；穩(wěn)定劑；硬脂酸鹽(酯)；紫外光吸收劑；粘度改性劑；石蠟；催化劑失活劑；及其組合。

在本發(fā)明的實驗中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在這些可選添加劑中，硬脂酸金屬鹽在配混及其他加工操作中提供潤滑輔助作用，所述其他操作包括將聚合物配混物從球粒轉(zhuǎn)化為最終的聚合物制品。

表1顯示了含有導(dǎo)熱絕緣添加劑的聚合物制品中各成分的可接受的、有利的和優(yōu)選的用量范圍，均表達(dá)為基于整個配混物的重量(重量％)。所述配混物可以包含這些成分、基本上由這些成分組成或者由這些成分組成。這些范圍的端點之間的任何數(shù)值也視為一個范圍的端點，因而所有可能的組合均視為在表1的可能性之內(nèi)，作為用于本發(fā)明的候選配混物。

表2顯示了含有導(dǎo)熱導(dǎo)電添加劑的聚合物制品中各成分的可接受的、有利的和優(yōu)選的用量范圍，均表達(dá)為基于整個配混物的重量(重量％)。所述配混物可以包含這些成分、基本上由這些成分組成或者由這些成分組成。這些范圍的端點之間的任何數(shù)值也視為一個范圍的端點，因而所有可能的組合均視為在表2的可能性之內(nèi)，作為用于本發(fā)明的候選配混物。

在這兩種配混物中，還能想到可任選添加相反類型的導(dǎo)熱添加劑。表1中用于配混物的可選的導(dǎo)熱添加劑的類型可從表2中用于配混物的添加劑中選擇，反之亦然。因此，對表1和表2中配混物的導(dǎo)熱性的增強效果可不同于分別對導(dǎo)電性或絕緣性的影響。

加工

本發(fā)明的配混物的制備不復(fù)雜。本發(fā)明的配混物可通過間歇或連續(xù)操作制備。

連續(xù)工藝中的混合通常在單螺桿或雙螺桿擠出機中進(jìn)行，擠出機升溫到足以熔化聚合物基體，其他成分在擠出機頭或下游加入擠出機。擠出機速度可在約50-500轉(zhuǎn)/分鐘(rpm)、優(yōu)選約100-300rpm的范圍內(nèi)。通常對擠出機的輸出物進(jìn)行造粒，供后續(xù)擠出或模型成聚合物制品。

間歇工藝中的混合通常在班伯里(banbury)混合機中進(jìn)行，該混合機能夠在足以熔化聚合物基體的溫度下操作，以允許添加固體成分添加劑?；旌纤俣仍?0-1000rpm的范圍內(nèi)。同樣，將混合機的輸出物切成較小尺寸，供后續(xù)擠出或模型成聚合物制品。

后面的擠出或模塑技術(shù)是熱塑性塑料聚合物工程領(lǐng)域的技術(shù)人員所熟知的。不需要過多實驗，利用參考文獻(xiàn)，如均由“塑料設(shè)計庫”(elsevier.com)出版的《擠出：限定性操作指南和手冊》(extrusion,thedefinitiveprocessingguideandhandbook)、《模塑部件收縮和翹曲手冊》(handbookofmoldedpartshrinkageandwarpage)、《專用模塑技術(shù)》(specializedmoldingtechniques)、《旋轉(zhuǎn)模塑技術(shù)》(rotationalmoldingtechnology)和《模具、工具和模頭修復(fù)焊接手冊》(handbookofmold,toolanddierepairwelding)，技術(shù)人員能夠使用本發(fā)明的配混物制備具有可想到的任何形狀和外觀的制品。

本發(fā)明的實用性

本發(fā)明的配混物能夠非常有效地散熱，使其適用于擠出、模塑、壓延、熱成型或3d打印的制品，所述制品設(shè)計為接觸受熱的物體，并將熱從該物體傳導(dǎo)走，或者接觸受熱的物體，并將熱傳導(dǎo)到也需要熱的第二個物體。無論是哪種方式，本發(fā)明的配混物都能夠?qū)釓臒嵩此妥?，要么從該物體分配到遠(yuǎn)處(住宅里的暖氣片)或者從該物體散發(fā)到遠(yuǎn)處(散熱器)。

由于能夠激光成型、等離子體金屬化以及優(yōu)選通過無鉛回流焊實施表面裝配技術(shù)(smt)，聚合物制品(不管如何形成)能夠進(jìn)行激光加工和等離子體金屬化，為制品提供電路跡線，使其變成電子電路的一部分。然后，可將其他電子組件焊接到電子電路上。

pct專利公開wo2014/114707(等離子體創(chuàng)新股份有限公司)(plasmainnovationsgmbh)中披露了激光加工和等離子體金屬化方法的例子。

需要管理和消散熱的一個行業(yè)是照明行業(yè)，特別是與燈絲電燈相對的發(fā)光二極管(led)產(chǎn)生的照明。led的性能對溫度敏感，就如同點亮的led附近或毗鄰的電子器件一樣。因此，優(yōu)選的模塑制品是led照明組件或其他電子部件。由于能夠進(jìn)行激光成型和等離子體金屬化，led照明組件或其他電子部件自身能夠在其表面形成電子電路。

聚合物基體的物理性質(zhì)決定了配混物是否適合具體的聚合物工程目的；導(dǎo)熱添加劑(絕緣或?qū)щ?的使用提供了導(dǎo)熱性，而聚合物基體原本沒有導(dǎo)熱性或僅有一點點導(dǎo)熱性；可選的非傳導(dǎo)性填料能夠增強聚合物基體的物理性質(zhì)。

所述配混物可在各種器件中用于多種類型的電子電路應(yīng)用，所述器件如個人計算機、筆記本電腦、智能電話、全球定位系統(tǒng)設(shè)備、醫(yī)療器械、rfid發(fā)射器和接收器，以及通常用于醫(yī)療、汽車、建筑、航空及其他工業(yè)的電子器件。更具體而言，led照明組件、印刷電路板、天線及其他電子組件或部件可受益于導(dǎo)熱聚合物制品的多樣性，無論是絕緣型還是導(dǎo)電型，具體取決于用戶的選擇。

實施例提供了成功的試驗結(jié)果。

實施例

實施例1-4

表3顯示了成分和配方的清單。

利用雙螺桿擠出機，在高于聚苯硫醚熔點的溫度下操作，通過熔融混合擠出制備了實施例1-4。對擠出物進(jìn)行造粒，在rf-plast股份有限公司完成后續(xù)注射成型，并在等離子體創(chuàng)新股份有限公司完成激光成型和等離子體金屬化。

簡而言之，實施例1-3的聚合物配混物注射成型為部件100，其具有尺寸約為3cmx3cm的平坦表面120，如圖1所示。相反表面包含柱體陣列140，用于散熱。然后在平坦表面上沉積掩模。然后，在具有掩模的平坦表面上，對平坦表面的具體區(qū)域150和160進(jìn)行激光成型，同樣如圖1所示。然后，將銅等離子體涂層附著到平坦表面的這些具體區(qū)域150和160，如圖2所示。然后，如圖3所示，將led180焊接到平坦表面上被銅涂覆的具體區(qū)域，并連接到電源(未示出)，以驗證在平坦表面的這些具體區(qū)域150和160上構(gòu)建起電路。

用與實施例1-3相同的方式測試實施例4，不同之處是在成型步驟和掩蔽步驟之間，通過等離子體沉積氧化鋁將陶瓷層附著到整個平坦表面。同樣構(gòu)建電路，并利用led驗證。

等離子體創(chuàng)新股份有限公司在塑料結(jié)構(gòu)金屬化領(lǐng)域為人所熟知，它能夠提供約5-50微米之間的層的金屬化工藝，因成本和導(dǎo)熱/導(dǎo)電性的原因，通常是銅層。等離子體涂覆工藝采用在10000℃下操作的高能電弧放電，它將離子化等離子體導(dǎo)向要金屬化的表面。等離子體金屬化工藝中可以使用粒度為1-40微米的粉末。

上文所述的聚合物配混物的優(yōu)點之一在于，由這種配混物形成的聚合物制品不僅能夠通過激光成型和等離子體金屬化形成具體的精確電子電路，而且這種配混物具有導(dǎo)熱性，使對熱敏感的電子電路和器件散熱。

實施例1-4的熱導(dǎo)率是約1-4w/m.k范圍內(nèi)的層間熱導(dǎo)率，通過c-thermtci^tm技術(shù)在厚4mm的成型樣品上測量。

本發(fā)明不限于上述實施方式。以下是權(quán)利要求書。