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CN113316621A - 导热片 - Google Patents

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CN113316621A
CN113316621A CN201980085732.6A CN201980085732A CN113316621A CN 113316621 A CN113316621 A CN 113316621A CN 201980085732 A CN201980085732 A CN 201980085732A CN 113316621 A CN113316621 A CN 113316621A
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CN
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boron nitride
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卢泰勋
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3M Innovative Properties Co
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Abstract

导热片为热塑性聚合物树脂和导热粉末的复合物，该导热粉末包含氮化硼片晶并且还可包含氢氧化铝。该导热片具有限定XY平面的第一主表面和第二主表面以及限定Z方向的厚度，其中XY热导率大于30瓦特/米开尔文(W/m K)，并且该导热片具有8.0或更大的热各向异性比率。

Description

导热片
技术领域
本公开涉及为聚合物和粉末的复合物的导热片以及用导热片制备的电制品。
背景技术
导热片是用于连接发热电子元件和散热器的片，并且作为用于冷却安装在电子装置中的加热元件诸如半导体元件的方法而众所周知。随着电子装置的持续小型化和高度集成，对导热片的需求不断增加。例如，由于电子装置的更高集成度和减小的尺寸，加热元件的发热密度增加，并且导热片不仅必须有效地从电子元件传导出热量，还具有对于诸如在近来的电子装置中产生的高温下使用时的长期稳定性的附加要求。
发明内容
本文公开了为聚合物和导热粉末的复合物的导热片、包含导热片的电制品以及制备电制品的方法。在一些实施方案中，导热片包含热塑性聚合物树脂和包含氮化硼片晶的导热粉末。在一些实施方案中，导热粉末还包含氢氧化铝。所述导热片具有限定XY平面的第一主表面和第二主表面以及限定Z方向的厚度，其中XY热导率大于30瓦特/米开尔文(W/mK)，并且所述导热片具有8.0或更大的热各向异性比率。
还公开了电制品。在一些实施方案中，所述电制品包括电子装置和导热片。所述导热片包含热塑性聚合物树脂和包含氮化硼片晶的导热粉末。所述导热片还可包含氢氧化铝。所述导热片具有限定XY平面的第一主表面和第二主表面以及限定Z方向的厚度，其中XY热导率大于30瓦特/米开尔文(W/m K)，并且所述导热片具有8.0或更大的热各向异性比率。在一些实施方案中，所述电子装置包括电池，在其他实施方案中，所述电子装置包括电话。
还公开了制备电制品的方法。在一些实施方案中，所述制备电制品的方法包括制备导热片。制备导热片包括：提供热塑性树脂；将所述热塑性树脂溶解在溶剂中以形成热塑性树脂溶液；提供包含氮化硼片晶的导热粉末；将所述导热粉末加入所述热塑性树脂溶液中以形成涂料组合物；将所述涂料组合物设置在载体基底上以形成涂料组合物层；干燥所述涂料组合物层以移除所述溶剂；以及热压所述干燥的涂料组合物层以形成导热片。所述导热片具有限定XY平面的第一主表面和第二主表面以及限定Z方向的厚度，其中XY热导率大于30瓦特/米开尔文(W/m K)，并且所述导热片具有8.0或更大的热各向异性比率。
附图说明
参照以下结合附图对本公开的各种实施方案的详细说明，可更全面地理解本申请。
图1示出了本公开的比较例CE-1的横截面的扫描电子显微镜(SEM)图像。
图2示出了本公开的实施例1的横截面的SEM图像。
图3示出了本公开的实施例2的横截面的SEM图像。
在所示实施方案的以下描述中，参考了附图并通过举例说明的方式在这些附图中示出了其中可实践本公开的各种实施方案。应当理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可利用实施方案并且可进行结构上的改变。
具体实施方式
导热片是用于连接发热电子元件和散热器的片，并且作为用于冷却安装在电子装置中的加热元件诸如半导体元件的方法而众所周知。随着电子装置的持续小型化和高度集成，对导热片的需求不断增加。在散热器行业中，传统上金属一直被用作导热片。然而，使用金属存在显著的缺点。金属会相对较重，因此随着装置重量越来越轻而不可取。另外，金属易受腐蚀。另外，并且可能最重要的是，金属不仅导热，而且还导电。很多情况下，希望具有也是电绝缘的导热片。
诸如热塑性材料的聚合物材料通常是电绝缘的，但作为热导体较差。因此，已经探索了包含分散在热塑性基体内的导热颗粒的复合材料作为金属导热片的替代方案。然而，此类复合材料具有问题。
复合片是基本上为平面并具有一定厚度的三维制品。片通常定义为具有XY平面(长度和宽度)，并且厚度为Z方向。复合片的常见问题是XY平面内的热导率不足以充分分散热。另一个问题是Z方向上的热导率，不仅是会在Z方向上流动的热量的量，而且有热各向异性。如本文所用，热各向异性由比率定义，该比率描述为热各向异性比率。通过以下等式计算热各向异性比率：
热各向异性比率＝热导率(XY方向)/热导率(Z轴方向)。
期望导热片具有高的热各向异性比率。热各向异性越高，制品在平面方向上的热扩散越好。换句话讲，因为XY方向上的热导率比Z方向上的热导率高得多，所以热量在XY方向上流动并且随着人们希望散热而通过导热制品扩散。
在本公开中，公开了包含热塑性基体和导热粉末的复合片，该导热粉末包含氮化硼片晶。导电粉末还可包含氢氧化铝。复合片在XY方向上具有至少30瓦特/米开尔文(W/mK)的所需热导率，并且具有8.0或更大的热各向异性比率。
除非另外指明，否则说明书和权利要求书中所使用的表达结构尺寸、量和物理特性的所有数字在所有情况下均应理解成由术语“约”修饰。因此，除非有相反的说明，否则在上述说明书和所附权利要求书中列出的数值参数均为近似值，这些近似值可根据本领域的技术人员利用本文所公开的教导内容来寻求获得的期望特性而变化。用端值来表述的数值范围包括该范围内所包含的所有数字(如1至5包括1、1.5、2、2.75、3、3.80、4和5)及该范围内的任何范围。
除非内容另外明确指明，否则如本说明书和所附权利要求书中所使用的，单数形式“一个”、“一种”和“所述”涵盖了具有多个指代物的实施方案。例如，对“一层”的引用涵盖了具有一个层、两个层或更多个层的实施方案。除非内容另外明确指明，否则如本说明书和所附权利要求书中所使用的，术语“或”一般以包括“和/或”的意义使用。
如本文所用，术语“相邻”是指邻近另一个层的两个层。相邻的层可彼此直接接触，或可存在居间层。在相邻的层之间不存在空白空间。
术语“室温”和“环境温度”可互换使用并且具有它们的常规含意，也就是说是指20-25℃的温度。
术语“丙烯酸类树脂”是指含有醇的丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯的聚合物。
本文公开了导热片、由所述导热片制备的电制品以及制备所述电制品的方法。
在一些实施方案中，导热片包含热塑性聚合物树脂和包含氮化硼片晶的导热粉末。导热片具有限定XY平面的第一主表面和第二主表面以及限定Z方向的厚度，其中XY热导率大于30瓦特/米开尔文(W/m K)，并且具有8.0或更大的热各向异性比率。
导热片包含导热粉末，该导热粉末包含氮化硼片晶。氮化硼(BN)为具有相同硼和氮原子组成的等电子且与碳结构相同的化合物。氮化硼是耐热且耐化学品性的耐熔化合物，并且具有优异的热稳定性和化学稳定性。
氮化硼片晶已被发现用作冷却填料。六方氮化硼是具有2∶1至30∶1的纵横比范围和类似于石墨的结构的合成材料。与石墨不同，氮化硼不导电。
多种氮化硼片晶适用于本公开的导热片中。特别合适的是可从明尼苏达州圣保罗的3M公司(3M Company，St.Paul，MN)商购获得的3M氮化硼冷却填料板。在一些实施方案中，本公开的导热片包含相对较大的片晶尺寸BN材料，诸如平均尺寸为40微米的片晶0040。
在一些实施方案中，导热粉末还包含氢氧化铝。多种氢氧化铝粉末适用于本公开的导热片中。特别合适的是平均粒度为20微米或更小的细氢氧化铝粉末，诸如可从韩国首尔的KC公司(KC Corporation，Seoul，Korea)商购获得的17微米平均粒度氢氧化铝粉末KH-17R。
氮化硼片晶和氢氧化铝的多种组成混合物是合适的。在一些实施方案中，导热粉末包含至少50重量％的氮化硼片晶。在其他实施方案中，氮化硼片晶和氢氧化铝以相等重量存在。
导热片还包含热塑性聚合物树脂。热塑性聚合物树脂用作粘结剂基质以将导热片保持在一起。多种热塑性聚合物树脂是合适的。在一些实施方案中，热塑性聚合物树脂包括丙烯酸类树脂。多种丙烯酸类树脂是合适的。已发现，期望制备丙烯酸类树脂在有机溶剂中的溶液，因此期望丙烯酸类树脂可溶于有机溶剂中。合适的有机溶剂的示例包括酯，诸如乙酸乙酯；酮，诸如丙酮和MEK(甲基乙基酮)；醚，诸如乙醚和四氢呋喃(THF)；烃，包括芳族化合物，诸如苯、甲苯；以及脂族化合物，诸如石油醚和己烷。乙酸乙酯和MEK是特别合适的溶剂。
在一些实施方案中，期望丙烯酸类树脂具有相对较高的分子量并且具有低溶液粘度。在一些实施方案中，丙烯酸类树脂具有3.5×105克/摩尔或更高的Mw(重均分子量)和1,000mPa s(毫帕斯卡秒)或更小的溶液粘度。其中，特别合适的热塑性丙烯酸类树脂是日本东京的Nagase Chemtex公司(Nagase Chemtex Corporation，Tokyo，Japan)以商品名“TEISANRESIN”出售的那些。合适的热塑性丙烯酸类树脂的示例为TEISANRESIN SG-80 H。
用于导热片的一系列组合物是合适的。在一些实施方案中，导热片包含100重量份的热塑性聚合物树脂和80重量份的导热粉末。在一些特别合适的实施方案中，导热粉末包含40重量份的氮化硼片晶和40重量份的氢氧化铝。
导热片可具有广泛范围的厚度，这取决于片的所需用途。在一些轻质电子装置诸如电话中，合适的厚度较薄。在这些实施方案的一些中，片具有200微米或更小的厚度。在诸如电池的其他较大电子制品中，合适的厚度较厚。在这些实施方案的一些中，片具有0.5毫米或更大的厚度。
本文还公开了包含上述导热片的电制品。在一些实施方案中，电制品包括电子装置和导热片，其中所述导热片包含热塑性聚合物树脂，以及包含氮化硼片晶的导热粉末。如上所述，导热片具有限定XY平面的第一主表面和第二主表面以及限定Z方向的厚度，其中XY热导率大于30瓦特/米开尔文(W/m K)，并且具有8.0或更大的热各向异性比率。
可制备利用本公开的导热片的多种电制品。产生必须耗散的热量的多种装置可利用这些导热片。片的高热导率和低电导率使其为特别合适的。所用片的尺寸和厚度可根据待制备的制品而广泛变化。在轻质制品诸如电话中，合适的厚度较薄。在这些实施方案的一些中，片具有200微米或更小的厚度。在诸如电池的其他较大电子制品中，合适的厚度较厚。在这些实施方案的一些中，片具有0.5毫米或更大的厚度。
还公开了制备电制品的方法。这些方法包括制备导热片以及将导热片设置在电子装置中。在一些实施方案中，制备导热片包括：提供热塑性树脂；将所述热塑性树脂溶解在溶剂中以形成热塑性树脂溶液；提供包含氮化硼片晶的导热粉末；将所述导热粉末加入所述热塑性树脂溶液中以形成涂料组合物；将所述涂料组合物设置在载体基底上以形成涂料组合物层；干燥所述涂料组合物层以移除所述溶剂；以及热压所述干燥的涂料组合物层以形成导热片。这些导热片的所需特性在上文中有详细描述。
在一些实施方案中，导热粉末还包含氢氧化铝。如上所述，在一些实施方案中，导热粉末包含至少50重量％的氮化硼片晶。在其他实施方案中，导热粉末包含等重量的氮化硼片晶和氢氧化铝。
合适的热塑性聚合物树脂如上所述。通常，热塑性聚合物树脂包括丙烯酸类树脂。
干燥步骤通常在高温下进行。根据所用的溶剂，温度和干燥时间可变化。在一些实施方案中，溶剂为乙酸乙酯，并且通过使涂层通过100℃烘箱来进行干燥。
热压步骤可使用常规热压设备进行。不受理论的束缚，据信热压步骤有助于使复合材料致密化并增加XY方向上的热流和热各向异性比率。通常，热压在150℃的温度下进行1小时或更长时间。
如上所述，片可具有广泛范围的厚度。在一些实施方案中，片具有200微米或更小的厚度。在其他实施方案中，片具有0.5毫米或更大的厚度。
所述方法还包括使导热片与电子装置接触。如上所述，多种电子装置是合适的。在一些实施方案中，所述电子装置包括电话或电话的部件，在其他实施方案中，所述电子装置包括电池。
实施例
本公开的目的和优点通过以下比较性和例示性实施例进一步说明。除非另外指明，否则实施例和说明书的其余部分中使用的所有份数、百分比、比例等均按重量计，并且实施例中使用的所有试剂均得自或可得自一般化学品供应商，诸如例如美国密苏里州圣路易斯的西格玛奥德里奇公司(Sigma-Aldrich Corp.，Saint Louis，MO，US)，或者可通过常规的方法合成。
本文使用以下缩写：mm＝毫米；cm＝厘米；in＝英寸；s＝秒；g＝克；J＝焦耳；mPa·s＝毫帕斯卡秒；K＝开尔文；℃＝摄氏度；W/(m K)＝瓦/米开尔文术语“重量％”和“以重量计的百分比”可互换使用，是指每100总重量份组合物中固体组分的重量份数。
表1.材料
Figure BDA0003128693830000071
样品制备
为了制备实施例1和2以及比较例CE1，将无机粉末与乙酸乙酯溶剂混合，然后将聚合物树脂添加到混合物中。组分在表2中提供。
表2.组分
Figure BDA0003128693830000072
§(填料的总重量)/(聚合物树脂和填料的总重量)
使用涂布辊将混合物涂布到工艺衬片上，并使其通过温度为大约100℃的烘箱。然后将片在150℃的热压机中压制1小时以实现更高的密度。
测试方法
使用ASTM E1461-13“通过闪光方法测量热扩散率的标准测试方法(StandardTest Method for Thermal Diffusivity by the Flash Method)”进行热导率测量。从如上所述制备的固化样品中冲压出具有25.4mm(1英寸)直径和0.5mm厚度的圆盘。使用得自美国马萨诸塞州伯灵顿的耐驰仪器公司(Netzsch Instruments，Burlington，MA.US)的LFA-447 HYPERFLASH闪光仪器测量热扩散率α(T)。热导率k由热扩散率、热容量和密度测量值根据下式计算：k＝α·Cp·ρ，其中k为以W/(m K)为单位的热导率，α为以mm2/s为单位的热扩散率，Cp为以J/K-g为单位的比热容，并且ρ为以g/cm3为单位的密度。使用差示扫描量热法(Differential Scanning Calorimetry，DSC)测定比热容Cp。
使用日本电子株式会社(JEOL，Japan)的JSM-5600LV获得扫描电子显微镜(SEM)图像。
结果
热特性总结于表3中。通过以下等式计算热各向异性比率：
热各向异性比率＝热导率(XY方向)/热导率(Z轴方向)。
与CE1相比，实施例1和实施例2示出沿XY方向的高热导率和高热各向异性比率，这解释为表明本公开的材料将沿平面方向提供良好的热扩散特性。
表3.热特性
特性 单元 实施例1 实施例2 CE1
密度，ρ g/cm<sup>3</sup> 1.45 1.50 1.84
C<sub>p</sub> J/g/K 1.45 1.87 2.13
热扩散率(XY) mm<sup>2</sup>/s 17.7 8.0 1.7
热扩散率(Z) mm<sup>2</sup>/s 0.69 0.97 0.63
热导率(XY) W/(m-K) 37.3 22.6 6.8
热导率(Z) W/(m-K) 1.5 2.7 2.5
热各向异性比率 25.65 8.29 2.77
横截面SEM图像(图2和图3)表明，与示出空隙和裂纹的CE1(图1)相比，实施例1和2具有高度致密的结构，具有最小的空隙。对于实施例1和2，这种致密化导致沿着XY平面方向的高热导率。
在不脱离本公开的范围和实质的情况下，对本公开进行的各种变型和更改对于本领域的技术人员而言将变得显而易见。应当理解，本公开并不旨在受本文中示出的例示性实施方案和实施例的不当限制，并且此类实施例和实施方案仅以举例的方式呈现，本公开的范围旨在仅受本文中如下示出的权利要求书的限制。

Claims (20)

1.一种导热片，包含：
热塑性聚合物树脂；和
导热粉末，所述导热粉末包含氮化硼片晶，其中所述导热片具有限定XY平面的第一主表面和第二主表面以及限定Z方向的厚度，其中XY热导率大于30瓦特/米开尔文(W/m K)，并且具有8.0或更大的热各向异性比率。
2.根据权利要求1所述的导热片，其中所述导热粉末还包含氢氧化铝。
3.根据权利要求2所述的导热片，其中所述导热粉末包含至少50重量％的氮化硼片晶。
4.根据权利要求1所述的导热片，包含100重量份的热塑性聚合物树脂和80重量份的导热粉末。
5.根据权利要求4所述的导热片，其中所述80重量份的导热粉末包含40重量份的氮化硼片晶和40重量份的氢氧化铝。
6.根据权利要求1所述的导热片，其中所述热塑性聚合物树脂包括丙烯酸类树脂。
7.根据权利要求1所述的导热片，其中所述片具有200微米或更小的厚度。
8.根据权利要求1所述的导热片，其中所述片具有0.5毫米或更大的厚度。
9.一种电制品，包括：
电子装置；和
导热片，所述导热片包含：
热塑性聚合物树脂；和
导热粉末，所述导热粉末包含氮化硼片晶，其中所述导热片具有限定XY平面的第一主表面和第二主表面以及限定Z方向的厚度，其中XY热导率大于30瓦特/米开尔文(W/m K)，并且具有8.0或更大的热各向异性比率。
10.根据权利要求9所述的电制品，其中所述导热粉末还包含氢氧化铝。
11.根据权利要求9所述的电制品，其中所述电子装置包括电池，并且所述导热片具有0.5毫米或更大的厚度。
12.根据权利要求9所述的电制品，其中所述电子装置包括手机，并且所述导热片具有200微米或更小的厚度。
13.一种制备电制品的方法，包括：
制备导热片，其中制备导热片包括：
提供热塑性树脂；
将所述热塑性树脂溶解在溶剂中以形成热塑性树脂溶液；
提供包含氮化硼片晶的导热粉末；
将所述导热粉末加入所述热塑性树脂溶液中以形成涂料组合物；
将所述涂料组合物设置在载体基底上以形成涂料组合物层；
干燥所述涂料组合物层以移除所述溶剂；
热压干燥的涂料组合物层以形成导热片，
其中所述导热片具有限定XY平面的第一主表面和第二主表面以及限定Z方向的厚度，其中XY热导率大于30瓦特/米开尔文(W/mK)，并且具有8.0或更大的热各向异性比率。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述导热粉末还包含氢氧化铝。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述导热粉末包含至少50重量％的氮化硼片晶。
16.根据权利要求13所述的方法，其中所述热塑性聚合物树脂包括丙烯酸类树脂。
17.根据权利要求13所述的方法，其中所述片具有200微米或更小的厚度。
18.根据权利要求13所述的方法，其中所述片具有0.5毫米或更大的厚度。
19.根据权利要求13所述的方法，其中所述载体基底包括可移除膜基底。
20.根据权利要求13所述的方法，其中所述方法还包括使所述导热片与电子装置接触。
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