本發(fā)明涉及一種鋁基填充熱界面復合材料及其制備方法與應用，屬于熱界面材料技術領域。

背景技術：

在電子器件與散熱器兩個表面中間存在著很多的凹凸孔隙。正是由于這些孔隙的存在，使得電子器件與散熱器之間的固體界面的實際機械接觸面積非常小，固體表面的大部分區(qū)域是被空氣隔開的。而空氣的熱導率很小(約為0.024W/(m·K))，因此集成電路工作時所產生的大量熱量不能通過兩個固體界面及時有效地散發(fā)出去，進而引起溫度的大幅上升。

近年來，隨著電子器件向微型化方向發(fā)展，以及電子芯片的集成度越來越高，電子器件的工作效率和可靠性越來越依賴于散熱問題的解決。電子器件在運行時會產生大量的熱量，僅僅靠自身散熱是很難將熱量排除到外界環(huán)境中去的。因此，需要借助具有高熱導率的熱界面材料才能快速有效地將大部分熱量傳送到外界環(huán)境中去。另外，在不同的應用場合中，對熱界面材料可能還會有各種不同方面的性能要求，比如導電性能、絕緣性能、阻燃性能等。目前市面上多用氧化鋁作為填料直接填充進聚合物中作為熱界面材料應用，雖然該材料的耐壓性能良好，但是此類材料熱導率低。

因此，研發(fā)出一種性能優(yōu)異的熱界面材料已經成為本領域亟需解決的技術問題。

技術實現要素：

為了解決上述的缺點和不足，一方面，本發(fā)明的目的在于提供一種鋁基填充熱界面復合材料。

另一方面，本發(fā)明的目的還在于提供上述鋁基填充熱界面復合材料的制備方法。

再一方面，本發(fā)明還提供了上述鋁基填充熱界面復合材料在電子元器件散熱中的應用。

為達到上述目的，一方面，本發(fā)明提供了一種鋁基填充熱界面材料，以該熱界面復合材料的總重量為100％計，其包含10-70％的環(huán)氧樹脂基體及30-90％的導熱填料。

根據本發(fā)明所述的復合材料，優(yōu)選地，該鋁基填充熱界面材料包含20-50％的環(huán)氧樹脂基體及50-80％的導熱填料。例如，在本發(fā)明具體實施方式中，導熱填料占整個熱界面復合材料質量的50％、60％、70％及80％。

根據本發(fā)明所述的復合材料，優(yōu)選地，以所述環(huán)氧樹脂基體的總重量為100％計，其由以下組分制備得到：

環(huán)氧樹脂 40-60％；

固化劑 35-55％；

促進劑 0.2-5.0％。

根據本發(fā)明所述的復合材料，優(yōu)選地，以所述環(huán)氧樹脂基體的總重量為100％計，其由以下組分制備得到：

環(huán)氧樹脂 50-60％；

固化劑 38-48％；

促進劑 0.3-3.0％。

根據本發(fā)明所述的復合材料，優(yōu)選地，所述環(huán)氧樹脂包括雙酚A型環(huán)氧樹脂、溴化雙酚A型環(huán)氧樹脂或酚醛型環(huán)氧樹脂中的一種。

在本發(fā)明具體的實施方式中，所用環(huán)氧樹脂包括環(huán)氧樹脂828、溴化環(huán)氧樹脂450A80或酚醛型環(huán)氧樹脂F50中的任一種；其中，環(huán)氧樹脂828的環(huán)氧當量為184-190，其為雙酚A型環(huán)氧樹脂，粘度低，具有良好的電氣性能；溴化環(huán)氧樹脂450A80在雙酚A型環(huán)氧樹脂的分子結構中引入了溴元素，使其固化組成物具有優(yōu)良的阻燃性、耐熱性、電氣性能、耐化學品性及粘結性；酚醛型環(huán)氧樹脂F50的環(huán)氧基含量高，黏度較大，固化后產物交聯密度高，具有優(yōu)良的工藝性能、機械性能和物理性能。

根據本發(fā)明所述的復合材料，優(yōu)選地，所述固化劑包括甲基六氫苯酐(MHHPA)、甲基四氫苯酐(MTHPA)、桐油酸酐(TOA)、鄰苯二甲酸酐(PA)、甲基納迪克酸酐(MNA)及偏苯三甲酸酐(TMA)中的一種或幾種的組合。

其中，甲基六氫苯酐具有熔點低、與脂環(huán)族環(huán)氧樹脂組成的配合物粘度低、適用期長、固化物的耐熱性能好等優(yōu)點；甲基四氫苯酐具有在室溫下能長期存放、凝固點低、揮發(fā)性小、毒性低等優(yōu)異性能，可以廣泛用于集成電路的浸漬、澆注與纏繞等；酸酐類固化劑對環(huán)氧樹脂的配合量大，與環(huán)氧樹脂混熔后粘度低，可以加入較多的填料以改性，有利于降低成本，且機械性能、電性能優(yōu)良。

根據本發(fā)明所述的復合材料，當固化劑為甲基六氫苯酐(MHHPA)、甲基四氫苯酐(MTHPA)、桐油酸酐(TOA)、鄰苯二甲酸酐(PA)、甲基納迪克酸酐(MNA)及偏苯三甲酸酐(TMA)中兩種或幾種的組合時，本發(fā)明對組合中每種固化劑的具體用量不作具體要求，本領域技術人員可以根據作業(yè)需要合理調整每種固化劑的用量，只要保證固化劑的總量在本發(fā)明限定的范圍內即可。

根據本發(fā)明所述的復合材料，優(yōu)選地，所述促進劑包括2-乙基-4-甲基咪唑、2,4,6-三(二甲氨基甲基)苯酚(DMP-30)及2-芐基-4-甲基咪唑中的一種或幾種的組合。

其中，2-乙基-4-甲基咪唑與環(huán)氧樹脂有極其良好的相溶性，能充當環(huán)氧樹脂的催化型固化劑，與其它固化劑相比，最終產物具有更加優(yōu)異的機械性能、介電性能和熱穩(wěn)定性；2,4,6-三(二甲氨基甲基)苯酚可在常溫下快速固化或低溫固化環(huán)氧樹脂，促使環(huán)氧樹脂在相當短的時間內完全固化；而2-芐基-4-甲基咪唑作為環(huán)氧樹脂的中溫固化促進劑，適用于電氣、電子零件的澆鑄和浸漬等。

根據本發(fā)明所述的復合材料，當促進劑為2-乙基-4-甲基咪唑、2,4,6-三(二甲氨基甲基)苯酚(DMP-30)及2-芐基-4-甲基咪唑中兩種或三種的組合時，本發(fā)明對組合中每種促進劑的具體用量不作具體要求，本領域技術人員可以根據作業(yè)需要合理調整每種促進劑的用量，只要保證促進劑的總量在本發(fā)明限定的范圍內即可。

根據本發(fā)明所述的復合材料，優(yōu)選地，所述導熱填料為氧化鋁包覆鋁粉顆粒填料；其中，以該氧化鋁包覆鋁粉的顆粒填料的總重量為100％計，其包括5-40％的氧化鋁和60-95％的鋁粉。

根據本發(fā)明所述的復合材料，優(yōu)選地，所述氧化鋁包覆鋁粉顆粒填料的氧化鋁包覆層厚度為2-40nm。

根據本發(fā)明所述的復合材料，優(yōu)選地，所述氧化鋁包覆鋁粉顆粒填料的熱導率為150-200W/m·k，耐壓值為3500-5000v/mm。

根據本發(fā)明所述的復合材料，優(yōu)選地，所述氧化鋁包覆鋁粉顆粒填料是由鋁粉經自鈍化處理后得到的。

根據本發(fā)明所述的復合材料，優(yōu)選地，所述鋁粉的粒徑為1～10μm。

根據本發(fā)明所述的復合材料，優(yōu)選地，所述鋁粉自鈍化處理的溫度為200-600℃，時間為6-15h。

根據本發(fā)明所述的復合材料，所述經自鈍化處理后的鋁粉填料(氧化鋁包覆鋁粉顆粒填料)綜合了鋁的高熱導率和氧化鋁的高絕緣性能；將其作為填料制備而成的熱界面復合材料具備了良好的導熱絕緣性能。

根據本發(fā)明所述的復合材料，優(yōu)選地，常溫下，該復合材料的粘度為5-500Pa·s，熱導率為0.5-5W/m·k，耐壓值為1000-5000V/mm。

另一方面，本發(fā)明還提供了上述鋁基填充熱界面復合材料的制備方法，其包括以下步驟：

(1)、將環(huán)氧樹脂與固化劑、促進劑按照一定的配比充分混合均勻，得到環(huán)氧樹脂基體；

(2)、再將氧化鋁包覆鋁粉顆粒填料填充至環(huán)氧樹脂基體中充分混合均勻，制備得到所述鋁基填充熱界面復合材料。

根據本發(fā)明所述的鋁基填充熱界面復合材料的制備方法，其包括以下步驟：

(1)、分別取環(huán)氧樹脂、固化劑、促進劑一定量，在常溫下按照一定的比例在混料機中混合3-10min并抽真空使之混合均勻，得到環(huán)氧樹脂基體；

(2)、再將氧化鋁包覆鋁粉顆粒填料填充至步驟(1)所制得的環(huán)氧樹脂基體當中，常溫下在混料機中充分混合10-20min，混合均勻之后即得到所述鋁基填充熱界面復合材料，最后抽真空除去鋁基填充熱界面復合材料中的空氣孔隙。

根據本發(fā)明所述的制備方法，本發(fā)明對步驟(1)中環(huán)氧樹脂、固化劑、促進劑這三種物質的加入順序不作具體要求，但是通常情況下是往環(huán)氧樹脂里添加固化劑和促進劑。

再一方面，本發(fā)明還提供了上述鋁基填充熱界面復合材料在電子元器件散熱中的應用。

本發(fā)明所提供的鋁基填充熱界面復合材料，其制備過程包括環(huán)氧樹脂的優(yōu)化、鋁粉表面處理及氧化鋁的包覆、導熱膠的合成。

與現有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于：導熱填料的制備方法簡單，且所制備得到的導熱填料具有較高熱導率、較高耐壓性能；而通過將導熱填料、低粘度環(huán)氧樹脂、固化劑、促進劑混合制備而成的導熱絕緣熱界面復合材料(鋁基填充熱界面復合材料)，該復合材料具有較高的導熱性和耐壓性能，良好的絕緣性能。

此外，本發(fā)明所提供的鋁基填充熱界面復合材料在室溫下呈半液體膠狀形態(tài)，可直接應用于待粘合的散熱器件表面，粘結性能良好，固化前能很好地適應界面不規(guī)則孔隙(有效填充空氣孔隙)，可以較大潤濕器件表面，不會溢出也不會遷移，使其接觸熱阻最大的降低，極大提高界面散熱性能。

另外，本發(fā)明所涉及到的工藝流程以及操作都十分簡單便捷，生產效率高，設備投入成本低。同時，本發(fā)明熱界面復合材料配方的實用性強，使環(huán)氧體系的熱界面材料熱導率得以大大的提高。

具體實施方式

為了對本發(fā)明的技術特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，現對本發(fā)明的技術方案進行以下詳細說明，但不能理解為對本發(fā)明的可實施范圍的限定。

實施例1

本實施例提供了一種鋁基填充熱界面復合材料，以該熱界面復合材料的總重量為100％計，其由下面質量百分含量的組分組成：鋁基導熱填料(氧化鋁包覆鋁粉顆粒填料)50％、環(huán)氧樹脂25％、固化劑24％、促進劑1.0％。

其中，以該氧化鋁包覆鋁粉的顆粒填料的總重量為100％計，所述鋁基導熱填料表面氧化鋁層質量百分含量為20％左右，厚度不大于20nm；

所述環(huán)氧樹脂為環(huán)氧828；

所述固化劑為甲基六氫苯酐(MHHPA)和甲基四氫苯酐(MTHPA)的混合物，且所述甲基六氫苯酐(MHHPA)、甲基四氫苯酐(MTHPA)的質量比為2:1；

所述促進劑為2-乙基-4-甲基咪唑。

本實施例還提供了上述鋁基填充熱界面復合材料的制備方法，其包括以下步驟：

(1)、將環(huán)氧樹脂828、甲基六氫苯酐(MHHPA)和甲基四氫苯酐(MTHPA)和2-乙基-4-甲基咪唑放入混料罐中，常溫下在混料機中混合3-10min并抽真空使之混合均勻成液態(tài)混合物，得到環(huán)氧樹脂基體；

(2)、將自鈍化后的鋁粉填料(氧化鋁包覆鋁粉顆粒填料)填充入步驟(1)所制得的環(huán)氧樹脂基體當中，常溫下在混料機中充分混合10-20min，且抽真空除去導熱膠中的空氣孔隙，混合均勻之后即得到所需的鋁基填充熱界面復合材料；

其中，步驟(2)中所述鋁粉自鈍化處理的溫度為300℃，時間為12h。

實施例2

本實施例提供了一種鋁基填充熱界面復合材料，以該熱界面復合材料的總重量為100％計，其由下面質量百分含量的組分組成：鋁基導熱填料(氧化鋁包覆鋁粉顆粒填料)60％、環(huán)氧樹脂20％、固化劑19％、促進劑1.0％。

其中，所述鋁基導熱填料(氧化鋁包覆鋁粉顆粒填料)表面氧化鋁層質量百分含量為30％左右，厚度不大于20nm；

所述環(huán)氧樹脂為溴化環(huán)氧樹脂450A80；

所述固化劑為甲基納迪克酸酐(MNA)和偏苯三甲酸酐(TMA)的混合物，且所述甲基納迪克酸酐(MNA)、偏苯三甲酸酐(TMA)的質量比為2:1；

所述促進劑為2-乙基-4-甲基咪唑和2-芐基-4-甲基咪唑混合物，且所述2-乙基-4-甲基咪唑、2-芐基-4-甲基咪唑的質量比為1:1。

本實施例還提供了上述鋁基填充熱界面復合材料的制備方法，其包括以下步驟：

(1)、將溴化環(huán)氧樹脂450A80、甲基納迪克酸酐(MNA)、偏苯三甲酸酐(TMA)、2-乙基-4-甲基咪唑和2-芐基-4-甲基咪唑放入混料罐中，常溫下在混料機中混合3-10min并抽真空使之混合均勻成液態(tài)混合物，得到環(huán)氧樹脂基體；

(2)、將自鈍化后的鋁粉填料(氧化鋁包覆鋁粉顆粒填料)填充入步驟(1)中所制得的環(huán)氧樹脂基體當中，常溫下在混料機中充分混合10-20min，且抽真空除去導熱膠中的空氣孔隙，混合均勻之后即得到所需的鋁基填充熱界面復合材料；

其中，步驟(2)中所述鋁粉自鈍化處理的溫度為400℃，時間為12h。

實施例3

本實施例提供了一種鋁基填充熱界面復合材料，以該熱界面復合材料的總重量為100％計，其由下面質量百分含量的組分組成：鋁基導熱填料(氧化鋁包覆鋁粉顆粒填料)70％、環(huán)氧樹脂15％、固化劑14％、促進劑1.0％。

其中，所述鋁基導熱填料表面氧化鋁層質量百分含量為40％左右，厚度不大于25nm；

所述環(huán)氧樹脂為酚醛型環(huán)氧樹脂F50；

所述固化劑為桐油酸酐(TOA)和鄰苯二甲酸酐(PA)的混合物，且所述桐油酸酐(TOA)、鄰苯二甲酸酐(PA)的質量比為1:1；

所述促進劑為2,4,6-三(二甲氨基甲基)苯酚(DMP-30)。

本實施例還提供了上述鋁基填充熱界面復合材料的制備方法，其包括以下步驟：

(1)、將酚醛型環(huán)氧樹脂F50、油酸酐(TOA)、鄰苯二甲酸酐(PA)和2,4,6-三(二甲氨基甲基)苯酚(DMP-30)放入混料罐中，常溫下在混料機中混合3-10min并抽真空使之混合均勻成液態(tài)混合物，得到環(huán)氧樹脂基體；

(2)、將自鈍化后的鋁粉填料(氧化鋁包覆鋁粉顆粒填料)填充入步驟(1)中所制得的環(huán)氧樹脂基體當中，常溫下在混料機中充分混合10-20min，且抽真空除去導熱膠中的空氣孔隙，混合均勻之后即得到所需的鋁基填充熱界面復合材料；

其中，步驟(2)中所述鋁粉自鈍化處理的溫度為500℃，時間為12h。

實施例4

本實施例提供了一種鋁基填充熱界面復合材料，以該熱界面復合材料的總重量為100％計，其由下面質量百分含量的組分組成：鋁基導熱填料(氧化鋁包覆鋁粉顆粒填料)80％、環(huán)氧樹脂10％、固化劑9.5％、促進劑0.5％。

所述鋁基導熱填料表面氧化鋁層質量百分含量為40％左右，厚度不大于25nm；

所述環(huán)氧樹脂為溴化環(huán)氧樹脂450A80；

所述固化劑為甲基六氫苯酐(MHHPA)和甲基四氫苯酐(MTHPA)混合物，且所述甲基六氫苯酐(MHHPA)、甲基四氫苯酐(MTHPA)之間的質量比為2:1；

所述促進劑為2,4,6-三(二甲氨基甲基)苯酚(DMP-30)。

本實施例還提供了上述鋁基填充熱界面復合材料的制備方法，其包括以下步驟：

(1)、將酚醛型環(huán)氧樹脂F50、甲基六氫苯酐(MHHPA)、甲基四氫苯酐(MTHPA)和2,4,6-三(二甲氨基甲基)苯酚(DMP-30)放入混料罐中，常溫下在混料機中混合3-10min并抽真空使之混合均勻成液態(tài)混合物，得到環(huán)氧樹脂基體；

(2)、將自鈍化后的鋁粉填料(氧化鋁包覆鋁粉顆粒填料)填充入步驟(1)中所制備得到的環(huán)氧樹脂基體當中，常溫下，在混料機中充分混合10-20min，且抽真空以除去導熱膠中的空氣孔隙，混合均勻之后即可以得到所需的鋁基填充熱界面復合材料；

其中，步驟(2)中所述鋁粉自鈍化處理的溫度為600℃，時間為12h。

對比例

為驗證本發(fā)明所制備的鋁基填充熱界面復合材料的性能，特設置了以下對比例來加以說明。

本對比例提供了一種熱界面復合材料，其以湖南金馬鋁業(yè)有限責任公司生產的球形氧化鋁作為導熱填料，其分子粒徑在5-10μm之間；

將所述的球形氧化鋁填料填充入環(huán)氧樹脂體系，其中以該熱界面復合材料的總重量為100％計，所述球形氧化鋁填料百分含量為70％，所述環(huán)氧樹脂百分含量為15％、固化劑為14％、促進劑為1.0％；

所述環(huán)氧樹脂為環(huán)氧樹脂828；

所述固化劑為甲基六氫苯酐(MHHPA)和甲基四氫苯酐(MTHPA)混合物，且所述甲基六氫苯酐(MHHPA)、甲基四氫苯酐(MTHPA)的質量比為2:1；

所述促進劑為2-乙基-4-甲基咪唑。

本對比例還提供了上述熱界面復合材料的制備方法，其包括以下步驟：

(1)、將環(huán)氧樹脂828、甲基六氫苯酐(MHHPA)、甲基四氫苯酐(MTHPA)和2-乙基-4-甲基咪唑放入混料罐中，常溫下在混料機中混合3-10min并抽真空使之混合均勻成液態(tài)混合物，得到環(huán)氧樹脂基體；

(2)、將球形氧化鋁填充入步驟(1)中所制得的環(huán)氧樹脂基體當中，常溫下在混料機中充分混合10-20min，且抽真空除去導熱膠中的空氣孔隙，混合均勻之后即得到所需的熱界面復合材料。

測試例

為驗證本發(fā)明產品性能，對實施例1-4和對比例所制得的熱界面復合材料分別進行了相關性能測試，包括導熱性能、力學性能以及耐壓性能，具體方法如下：

1、熱導率測試：將實施例1-4和對比例所制得的熱界面復合材料分別在150℃下固化2h，制得26×26×1mm的正方形樣品塊，放置于瑞領導熱系數測定儀(臺灣瑞領科技股份有限公司型號為LW-9389的導熱系數測定儀)的測試臺面上，測試溫度為70℃，測試結果見表1所示。

2、粘度、觸變系數測試：常溫下，將實施例1-4和對比例所制得的熱界面復合材料分別置于用模塊化智能型高級流變儀(奧地利安東帕有限公司，型號為MCR302的流變儀)的工作臺面上，涂抹均勻，進行粘度與觸變系數的測試，每隔4min測試一次以考察相應的熱界面復合材料的適用期，其測試結果見表1所示。

3、剪切強度測試：將實施例1-4和對比例所制得的熱界面復合材料均勻涂抹在兩塊鋼板之間，使得鋁基熱界面復合材料與鋼板的接觸面積為15×15cm，再置于150℃下固化2h，通過萬能材料試驗機(深圳賽恩思電氣有限公司，型號為E10000的萬能材料試驗機)進行測試，測試結果見表1所示。

4、耐壓值測試：將實施例1-4和對比例所制得的熱界面復合材料分別在150℃下固化2h，制得26×26×1mm的正方形樣品塊，放置于程控耐壓測試儀(南京長盛儀器有限公司，型號為CS9912BX的程控耐壓測試儀)的工作臺面上，輸出交流電壓的頻率范圍為40.0Hz-400.0Hz，分辨率為0.1Hz，其測試結果見表1所示。

表1本發(fā)明實施例及對比例制得的熱界面復合材料相關性能測試結果

從表1所得出的數據可知，首先，與本領域現有技術中采用單純氧化鋁作為導熱填料制備而成的熱界面材料(對比例中制備得到的界面材料)相比，本發(fā)明所制備得到的鋁基填充熱界面復合材料的粘度更低，觸變系數更高，具有良好的力學性能，這表明本發(fā)明所提供的熱界面材料適用期更長；

其次，與純環(huán)氧樹脂基體相比，本發(fā)明所制備得到的鋁基填充熱界面復合材料的熱導率提高了將近九倍之多，其中，此處的純環(huán)氧樹脂基體是指未添加固化劑及促進劑的環(huán)氧樹脂基體，測試其固化后的熱導率為0.2W·m^-1·K^-1；與對比例中制備得到的界面材料相比，本發(fā)明所制備得到的鋁基填充熱界面復合材料的熱導率提高了兩倍之多。

再次，本發(fā)明所制備得到的鋁基填充熱界面復合材料的剪切強度明顯優(yōu)于傳統(tǒng)熱界面材料，表明本發(fā)明所提供的鋁基填充熱界面復合材料具有良好的粘結能力，不會輕易引起層間破壞。

此外，本發(fā)明制備得到的鋁基填充熱界面復合材料具有與對比例中制備得到的界面材料相當的耐擊穿電壓值，表明其絕緣性能良好。

以上內容是結合具體的優(yōu)選實施方式對本發(fā)明所作的進一步詳細說明，不能認定本發(fā)明具體實施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬技術領域的技術人員而言，在不脫離本發(fā)明構思的前提下，還可做出若干的簡單推演或者替換，都應當視為屬于本發(fā)明的保護范圍。