專利名稱：含有鋁粉的導(dǎo)熱復(fù)合材料、該復(fù)合材料的生產(chǎn)方法以及該復(fù)合材料的用途的制作方法
含有鋁粉的導(dǎo)熱復(fù)合材料、該復(fù)合材料的生產(chǎn)方法以及該復(fù)合材料的用途本發(fā)明涉及含有鋁粉的導(dǎo)熱復(fù)合材料。此外提出用于生產(chǎn)該復(fù)合材料的方法以及 該復(fù)合材料的用途。在電氣組件和電氣構(gòu)件中由于越來(lái)越高的封裝和功率密度(高功率電器)，所產(chǎn) 生的過(guò)程熱量的耗散越來(lái)越重要(熱管理)。在散熱不足時(shí)，組件或構(gòu)件的使用壽命急劇降 低，使得冷卻概念在裝配技術(shù)中起著重要的作用。已知的以膠粘劑體系的形式并具有高于5W(m*K)導(dǎo)熱率的導(dǎo)熱復(fù)合材料具有貴 金屬填充的環(huán)氧樹脂體系。由于所使用的原材料，該膠粘劑體系是昂貴的。此外已知由含 有導(dǎo)熱填料例如三氧化二鋁(Al2O3)、氮化硼(BN)和碳化硅(SiC)的塑料物料組成的復(fù)合 材料，所述復(fù)合材料具有超過(guò)3W/(m*K)的相對(duì)高的導(dǎo)熱率。然而該復(fù)合材料的特點(diǎn)在于在 非交聯(lián)狀態(tài)下的高粘度，這極大限制了其加工性能。本發(fā)明的任務(wù)是，提供導(dǎo)熱的復(fù)合材料，其具有超過(guò)5W/(m*K)的高導(dǎo)熱率，并且 其特點(diǎn)在于好的加工性能。為解決該任務(wù)，給出了含有可交聯(lián)或至少部分交聯(lián)的聚合物基材料以及分布在該 聚合物基材料中的鋁粉的導(dǎo)熱復(fù)合材料。鋁粉含有粒度范圍在0. 05 μ m至400 μ m的鋁顆 粒，并且粒度小于Ιμπι的鋁顆粒占鋁粉的份額選自1重量％至50重量％的范圍。粒度小 于1 μ m的鋁顆粒占鋁粉的份額優(yōu)選選自10重量％至50重量％的范圍。為解決該任務(wù)，給出了用于生產(chǎn)該復(fù)合材料的方法，具有以下方法步驟a)準(zhǔn)備聚合物基材料的初始材料和準(zhǔn)備鋁粉，和b)將該初始材料和該鋁粉相互 混合ο本發(fā)明的基本想法在于使用具有極為不同的粒度的鋁顆粒的鋁粉作為導(dǎo)熱復(fù)合 材料的填料。此外，小粒度的鋁顆粒的份額高。由此成功地實(shí)現(xiàn)了高導(dǎo)熱率。該導(dǎo)熱率在 高于7W/(m*K)的范圍變化。同時(shí)，該復(fù)合材料可以在非交聯(lián)或僅部分交聯(lián)的狀態(tài)很好地加 工。此外，令人驚訝的是，該復(fù)合材料的特點(diǎn)還在于低的導(dǎo)電率。因此該復(fù)合材料非常適合 用于具有高封裝密度和高功率密度的組件和構(gòu)件。高的防腐蝕性完善了該復(fù)合材料的非常 好的性能可以表明，在濕熱負(fù)荷超過(guò)數(shù)天(例如7天，85°C，85%的空氣相對(duì)濕度)的作用 下，復(fù)合材料仍保持高的導(dǎo)熱率。在這樣的環(huán)境下復(fù)合材料未發(fā)生降解?？梢曰径沤^腐 蝕過(guò)程。在一種特別的實(shí)施方案中，鋁顆粒在每一情況下在顆粒表面都具有鋁氧化物涂層 (Aluminium-Oxid-Beschichtung)。鋁氧化物涂層優(yōu)選為封閉的。在氧氣的存在下(例如 空氣中的氧氣)，通過(guò)鋁的表面氧化自發(fā)生成鋁氧化物涂層，其使得復(fù)合材料在低導(dǎo)電率方 面明顯特別有利。同時(shí)該鋁氧化物涂層促進(jìn)了鋁顆粒的耐腐蝕性，因此也促進(jìn)了復(fù)合材料 的耐腐蝕性。特別有利的是，鋁顆粒粒度選自0.05μπι至200μπι的范圍，尤其是選自0. 05 μ m 至100 μ m的范圍。因此在實(shí)現(xiàn)良好加工性能的同時(shí)也可以達(dá)到特別高的導(dǎo)熱率。高導(dǎo)熱 率尤其這樣實(shí)現(xiàn)即鋁粉占復(fù)合材料的粉末份額選自10重量％至90重量％的范圍。根據(jù)一種特別的實(shí)施方案，鋁粉占復(fù)合材料的鋁粉份額選自40重量％至90重量％的范圍，尤其 選自60重量％至90重量％的范圍。鋁填充率相對(duì)高。已經(jīng)表現(xiàn)出來(lái)，聚合物基材料和鋁 粉的混合比例一方面可以實(shí)現(xiàn)非常高的導(dǎo)熱率，另一方面可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于相應(yīng)的用途可接受 的復(fù)合材料加工性能。鋁顆粒的形狀本身是任意的。鋁顆粒具有選自薄片、針和球形的鋁顆粒形狀是特 別有利的。鋁顆粒的形狀促進(jìn)了復(fù)合材料的高導(dǎo)熱率?？梢钥紤]任意一種大分子材料或能加工成大分子的基礎(chǔ)材料作為聚合物基材料。 該聚合物基材料是可交聯(lián)的。在此，交聯(lián)反應(yīng)的種類及其引發(fā)是任意的。因此，交聯(lián)可以例 如是聚合或縮聚反應(yīng)。交聯(lián)的引發(fā)例如可以通過(guò)引入熱量或光實(shí)現(xiàn)。該聚合物基材料可以經(jīng)完全或者幾乎完全交聯(lián)。例如其是固化的塑料。該固化的 塑料可以是熱塑性塑料、熱固性塑料或者彈性體塑料。作為聚合物基材料可以考慮塑料例如硅酮。根據(jù)一種特別的實(shí)施方案，該聚合物 基材料具有至少一種環(huán)氧樹脂。其中，該環(huán)氧樹脂可以是雙組分或更多組分的。該環(huán)氧樹 脂尤其是單組分的環(huán)氧樹脂。但是，雙組分的環(huán)氧樹脂同樣是可考慮的。該雙組分的環(huán)氧樹脂包括例如含環(huán)氧 樹脂(60重量％至98重量％)，稀釋劑(1重量％至40重量％ )以及其他的添加劑(0.01 重量％至5重量％)的A組分。A組分的粘度例如低于5000mPas。雙組分環(huán)氧樹脂的B組 分例如具有粘度低于5000mPas的液體固化劑。雙組分環(huán)氧樹脂的B組分具有環(huán)氧樹脂化 學(xué)通用的固化劑(酐、胺、酚、硫醇或者CH-酸化合物)。優(yōu)選聚合物基材料的交聯(lián)溫度低于 200°C。例如如果聚合物基材料是單組分環(huán)氧樹脂，其在160°C的溫度固化。在這樣溫度下 鋁粉保持未受破壞。其不經(jīng)歷任何腐蝕過(guò)程。保持了復(fù)合材料的高導(dǎo)熱率。在復(fù)合材料中可以含有其它的添加劑，借此調(diào)節(jié)復(fù)合材料的化學(xué)、物理以及電性 能。這些涉及到復(fù)合材料的加工性能以及復(fù)合材料的導(dǎo)熱性，或者用該復(fù)合材料生產(chǎn)的成 型件的可成型性。在方法方面，尤其是為了提供鋁粉，將至少兩種中值粒度d5(1為0. 1 μ m至50 μ m的 鋁粉級(jí)分和至少一種具有另外的50μπ 至200μπ 中值粒度d5(l的另外的鋁粉級(jí)分相互混 合。通過(guò)使用更多的鋁粉級(jí)分可以精確調(diào)控鋁粉的粒度分布。其中鋁粉級(jí)分如此選擇即 具有小粒度的鋁粉顆粒份額相對(duì)高。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，該復(fù)合材料作為粘合劑使用。因此，例如電子構(gòu)件借助于 該復(fù)合材料被粘合在基材上。由于其高的導(dǎo)熱率，在基材方向上開辟了另外的導(dǎo)熱通道。以 這種形式，復(fù)合材料用作導(dǎo)熱中間層(熱介面材料(thermal interface material), TIM)。 能夠經(jīng)基材從構(gòu)件有效地導(dǎo)出熱量。該復(fù)合材料的另一種用途涉及作為結(jié)構(gòu)材料的用途(構(gòu)造材料)。該結(jié)構(gòu)材料被 用于成型件的構(gòu)造，例如可以用于外殼、框架或者載體(基材)的構(gòu)造。其可以得到任意成 型的部件，例如用于電子構(gòu)件的“袋”形狀的部件。該復(fù)合材料可以加工成任意成型的散熱 體。還可以考慮在冷卻軟管中使用該復(fù)合材料。當(dāng)使用適合的聚合物基材料，例如熱固性塑料時(shí)，得到了輕型結(jié)構(gòu)的高機(jī)械強(qiáng)度 構(gòu)件。還可以考慮使用該復(fù)合材料作為設(shè)備和儀器制造中的用于能充分抵抗電離電磁輻射 的半成品、基材和外殼的結(jié)構(gòu)材料。這里尤其考慮高的鋁填充度。對(duì)電離電磁輻射的抗性基于鋁的高電離電勢(shì)。然而，還可以考慮該復(fù)合材料用作澆注物料，例如用于澆注電子構(gòu)件或電子組 件。該復(fù)合材料尤其可以作為膜材料使用。在本方法的一個(gè)特別的實(shí)施方案中，在初始 材料和鋁粉相互混合后，進(jìn)行成型過(guò)程。例如該成型過(guò)程包括澆注(Vergieiien)或拉膜 (Folienziehen)。最后，尤其在高的鋁含量情況下，由于所得的金屬外觀，該復(fù)合材料可以作為設(shè)計(jì) 材料使用。概括起來(lái)，強(qiáng)調(diào)本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)如下-該復(fù)合材料的特點(diǎn)是高導(dǎo)熱率并同時(shí)兼具低導(dǎo)電率以及好的加工性能。-該復(fù)合材料是耐腐蝕的。-該復(fù)合材料與貴金屬填充的復(fù)合材料相比更便宜。接下來(lái)依照數(shù)個(gè)實(shí)施例和一個(gè)附圖
詳細(xì)描述本發(fā)明。該附圖為示意性的，而不是 精確到比例的圖。實(shí)施例的主題在每一情況下是粘合劑形式的導(dǎo)熱復(fù)合材料。采用粘合劑將構(gòu)件1 固定在基材2上(圖)。為此，將粘合劑以粘合劑膜3的形式施加在基材的基材表面上。將 該構(gòu)件置于該粘合劑膜之上。隨后粘合劑的固化(交聯(lián))使得該構(gòu)件和基材之間的堅(jiān)固機(jī) 械結(jié)合，其同時(shí)也具有很高的導(dǎo)熱性。復(fù)合材料起到“熱界面材料”的作用。實(shí)施例1 粘合劑是含有具有單組分環(huán)氧樹脂的聚合物基材料的導(dǎo)熱復(fù)合材料。該單組分環(huán) 氧樹脂含有陽(yáng)離子引發(fā)劑。該單組分環(huán)氧樹脂在未交聯(lián)狀態(tài)下的粘度低于5000mPaS。聚合物基材料中含有作為填料的鋁粉。鋁粉含有粒度范圍為0. Ιμπι至400μπι的 鋁顆粒。小于Iym的鋁顆粒占鋁粉的份額大約為1重量％。鋁粉在復(fù)合材料中的鋁份額為95重量％至5重量％。聚合物基材料的份額為95重量％至5重量％。為生產(chǎn)復(fù)合材料，首先將不同的鋁粉級(jí)分相互混合。得到的鋁粉混合物同單組分 環(huán)氧樹脂初始材料相混合。在將構(gòu)件放置于粘合劑膜之上后，在大約150°C的溫度、在2小 時(shí)內(nèi)實(shí)施聚合物基材料的交聯(lián)反應(yīng)。實(shí)施例2 與前一實(shí)施例不同的是，聚合物基材料是雙組分環(huán)氧樹脂。該雙組分環(huán)氧樹脂包括含有環(huán)氧樹脂(60重量％至98重量％ )、稀釋劑(1重量％ 至40重量％ )以及其他的添加劑(0. 01重量％至5重量％ )的組分A。A組分的粘度低于 5000mPaso該雙組分環(huán)氧樹脂的B組分具有粘度低于5000mPaS的液體固化劑。固化劑為鄰苯二甲酸酐。如實(shí)施例1所述，鋁粉是多個(gè)鋁粉級(jí)分的混合物。復(fù)合材料由下列成分組成A組分5重量％ -45重量％
B組分3重量％ -45重量％
促進(jìn)劑0. 01重量％ -3重量％
鋁粉混合物95重量％ -5重量％。
權(quán)利要求
1.導(dǎo)熱復(fù)合材料，包含-可交聯(lián)或至少部分交聯(lián)的聚合物基材料，和-分布在該聚合物基材料中的鋁粉，其中-所述鋁粉含有粒度范圍在0. 05 μ m至400 μ m的鋁顆粒，且-粒度小于1 μ m的鋁顆粒占該鋁粉的份額選自1重量％至50重量％的范圍。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的復(fù)合材料，其中粒度小于1μ m的鋁顆粒占所述鋁粉的份額選自 10重量％至50重量％的范圍。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的復(fù)合材料，其中所述鋁顆粒在每一情形下在顆粒表面都具有 鋁氧化物涂層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)的復(fù)合材料，其中所述鋁顆粒的粒度選自0.05 μ m至 200 μ m的范圍，特別是選自0. 05μπι至IOOym的范圍。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)的復(fù)合材料，其中所述鋁粉在該復(fù)合材料中的鋁粉份 額選自10重量％至90重量％的范圍。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的復(fù)合材料，其中所述鋁粉在該復(fù)合材料中的鋁粉份額選自40重 量<%至90重量％的范圍，特別選自60重量％至90重量％的范圍。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)的復(fù)合材料，其中所述鋁顆粒具有選自薄片、針和球的 鋁顆粒形狀。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)的復(fù)合材料，其中所述聚合物基材料含有至少一種環(huán) 氧樹脂。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的復(fù)合材料，其中所述環(huán)氧樹脂是單組分環(huán)氧樹脂。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)的復(fù)合材料，其中所述聚合物基材料具有低于200°C 的交聯(lián)溫度。
11.用于生產(chǎn)根據(jù)權(quán)利要求1至10中任一項(xiàng)的復(fù)合材料的方法，具有如下方法步驟 a)準(zhǔn)備聚合物基材料的初始材料和準(zhǔn)備鋁粉，和b)將所述初始材料和所述鋁粉相互混合。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中為了提供鋁粉，將至少兩種中值粒度d5(l為0.Ιμπι至 50 μ m的鋁粉級(jí)分和至少一種具有另外的50 μ m至200 μ m的中值粒度d5(1的另外的鋁粉級(jí) 分相互混合。
13.根據(jù)權(quán)利要求11或12的方法，其中在所述聚合物基材料的初始材料和所述鋁粉混 合后進(jìn)行所述聚合物基材料的交聯(lián)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中所述聚合物基材料的交聯(lián)在低于160°C的交聯(lián)溫度 進(jìn)行。
15.根據(jù)權(quán)利要求11-14中任一項(xiàng)的方法，其中在所述初始材料和所述鋁粉混合后進(jìn) 行成型過(guò)程。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其中所述成型過(guò)程包含拉膜。
17.根據(jù)權(quán)利要求1至10中任一項(xiàng)的復(fù)合材料作為粘合劑的用途。
18.根據(jù)權(quán)利要求1至10中任一項(xiàng)的復(fù)合材料作為結(jié)構(gòu)材料的用途。
19.根據(jù)權(quán)利要求1至10中任一項(xiàng)的復(fù)合材料用作膜材料的用途。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種導(dǎo)熱復(fù)合材料，其含有可交聯(lián)或至少部分交聯(lián)的聚合物基材料以及分布在聚合物基材料中的鋁粉。鋁粉含有粒度范圍在0.05μm至400μm的鋁顆粒。粒度小于1μm的鋁顆粒占鋁粉的份額為1重量％至50重量％。此外，規(guī)定了一種用于生產(chǎn)該復(fù)合材料的方法，包括以下方法步驟a)提供聚合物基材料的初始材料和提供鋁粉，和b)將初始材料和鋁粉相互混合。本發(fā)明的基本想法在于使用含有具有極為不同粒度的鋁顆粒的鋁粉作為導(dǎo)熱復(fù)合材料的填料。此外具有小粒度的鋁顆粒的份額高。由此成功地提供了具有高導(dǎo)熱率的復(fù)合材料。該導(dǎo)熱率在高于7W/(m*K)的范圍變化。同時(shí)，該復(fù)合材料可以在非交聯(lián)或僅部分交聯(lián)的狀態(tài)很好地加工。此外，該復(fù)合材料的特點(diǎn)還在于低的導(dǎo)電率。因此該復(fù)合材料非常適合用于具有高封裝密度和功率密度的組件和構(gòu)件。
文檔編號(hào)C08K3/08GK102046713SQ200980119584
公開日2011年5月4日 申請(qǐng)日期2009年5月12日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月28日
發(fā)明者E·里茨豪普特-克萊斯?fàn)? K·赫恩 申請(qǐng)人:西門子公司