CN115516570B

CN115516570B - 热界面材料

Info

Publication number: CN115516570B
Application number: CN202080068705.0A
Authority: CN
Inventors: 李勇俊; 威廉·约瑟夫·希梅卡; 尼科洛·布兰比拉; 丹尼尔·汤普森·里什
Original assignee: Henkel AG and Co KGaA
Current assignee: Henkel AG and Co KGaA
Priority date: 2019-07-30
Filing date: 2020-07-30
Publication date: 2024-08-06
Anticipated expiration: 2040-07-30
Also published as: US20210389062A1; JP7611895B2; US11326843B2; CN115516570A; JP2022542444A; KR20230008015A; WO2021022055A1; US11441855B2; WO2021022055A9; US12130095B2; US20210265234A1; EP4004924A4; EP4004924A1; US20210254910A1

Abstract

公开了一种热界面材料。所述材料包括：在第一主表面与第二主表面之间延伸的片材，所述片材包括：基础材料；以及嵌入所述基础材料中的填充材料，所述基础材料可以包括各向异性定向的导热元件。在一些实施例中，所述导热元件优先沿着从所述第一主表面到所述第二主表面的主方向定向，以促进热传导沿着所述主方向通过所述片材。在一些实施例中，所述基础材料基本上不含硅酮。在一些实施例中*，所述片材沿着所述主方向的热导率为至少20W/mK、30W/mK、40W/mK、50W/mK、60W/mK、70W/mK、80W/mK、90W/mK、100W/mK或更大。

Description

热界面材料

相关申请的交叉引用

本申请要求于2019年7月30日提交的题为“热界面材料(THERMAL INTERFACEMATERIALS)”的美国临时申请第62/880,370号的权益和优先权，所述美国临时申请的内容通过本发明的整体引用，成为本发明的一部分。

背景技术

1.技术领域

本文所公开的本发明涉及热界面材料，并且更具体地，涉及用于提供远离电子部件高效地进行热传递的复合材料。

2.相关领域描述

电子产品在功能增加的同时尺寸不断缩小，由此产生的一个非常现实且具有限制性的问题为热生成。即，在没有有效散热的情况下，高密度电路的性能可能会受到严重影响。一成套重要的散热工具包括各种热界面材料。

术语“热界面材料”(本文中也称为“TIM”)通常描述插入两个零件之间以增强两个部件之间的热耦合的任何材料。许多设计涉及使用插入发热设备(例如，热源(如处理器))与散热设备(例如，散热器)之间的热界面材料。

有若干种常用的热界面材料。这些热界面材料包括热油脂、热粘合剂、导热衬垫、热胶带和相变材料。

热油脂产生薄结合线，并由此产生较小热电阻。热油脂不具有有效的机械强度并且因此需要外部机械固定机构。因为热油脂不会固化，所以其用途仅限于可以包含材料的情况或者油脂的粘度将会使其在使用期间停留在适当位置的薄应用中。

热粘合剂或热胶在固化后向粘结剂提供一定的机械强度。热胶在其固化时允许比热油脂更厚的结合线。

导热衬垫通常主要由硅酮或硅酮样材料制成。导热衬垫具有易于应用并且允许较厚的结合线的优点。导热衬垫通常需要较高的力来将散热器按压在热源上，从而使得热衬垫将适形于特定设备的表面。对于任何变形都将导致信号干扰的敏感设备而言，这可能是有问题的或禁止的。

可以使用热胶带。热胶带通常粘附至表面，无需固化时间并且易于应用。热胶带与具有粘合性质的热衬垫类似。

可以使用相变材料(PCM)。相变材料通常为天然粘着材料并且可以用作热油脂的替代品。应用类似于固体衬垫。在达到熔点(通常为约55-60℃)之后，相变材料将变为至少部分液体状态，并且将填充热源与散热器之间的所有间隙。

热界面材料的这些以及其它实施例利用各种组合物。组合物的一些实施例包括尺寸材料分散体。例如，一些组合物可以包括导热纤维。在一些实施例中，可以包括碳纳米管。尽管这种实施例可能已经示出了一定希望，但对性能的要求需要进一步提高。

即，令人遗憾的是，电路设计的进步已经超过了对散热技术的改进。尽管前述类型的热界面材料已服务于今天的电子产品，但系统设计的进步日益受到热生成的限制。

需要提高电子系统的散热技术。

发明内容

在一方面，公开了一种热界面材料，所述热界面材料包括在第一主表面与第二主表面之间延伸的片材，所述片材包括基础材料和嵌入所述基础材料中的填充材料。所述填充材料包括各向异性定向的导热元件。在一些实施例中，所述导热元件优先沿着从所述第一主表面到所述第二主表面的主方向定向，以选择性地促进热传导沿着所述主方向通过所述片材。在一些实施例中，所述基础材料基本上不含硅酮。在一些实施例中，所述片材沿着所述主方向的热导率为至少15W/mK、20W/mK、30W/mK、40W/mK、50W/mK、60W/mK、70W/mK、80W/mK、90W/mK、100W/mK或更大。

在另一方面，公开了一种制作热界面材料的方法，所述方法包括以下步骤。在步骤中，形成包括多个层的堆叠。在一些实施例中，每个层包括基础材料和填充材料，所述填充材料包括各向异性定向的导热元件。在一些实施例中，每个层沿着竖直方向从底表面延伸至顶表面，并且所述层按所述竖直方向堆叠。在一些实施例中，每个层中的所述导热元件被各向异性定向成优先促进横向于所述竖直方向的方向上的热流动。

在另外的步骤中，向所述堆叠施加力以沿着所述竖直方向压缩所述堆叠。在一些实施例中，此压缩使所述堆叠的所述层联合并形成单片元件。

在另外的步骤中，沿着在竖直方向上延伸且横向于所述层的所述顶表面和所述底表面的平面对所述堆叠进行切片以形成片材。在一些实施例中，所述片材在第一主表面与第二主表面之间延伸，并且包括所述基础材料和所述填充材料的从所述堆叠切割的部分。所述填充材料包括各向异性定向的导热元件，所述导热元件优先沿着从所述第一主表面到所述第二主表面的主方向定向，以促进热传导沿着所述主方向通过所述片材。

各个实施例可以单独地或以任何合适的组合包括本文所述的任何特征和元件。

附图说明

根据结合附图进行的以下描述，本发明的特征和优点将变得显而易见，在附图中：

图1是描绘了热界面材料的热生成部件、散热器和用途的各方面的示意图；

图2是热界面材料衬垫的示意图；

图3是针对图2的热界面材料衬垫的表面处理的图示；

图4是热界面材料衬垫的六个样本的热阻抗对压力的绘图。上部三条迹线示出了没有表面处理的样本的结果。下部三条迹线示出了有图3所示类型的表面处理的样本的结果；

图5是替代性实施例热界面材料衬垫的示意图；

图6A是制造图2所示类型的热界面衬垫的方法中初始步骤的图示；

图6B是制造图2所示类型的热界面衬垫的方法中的最终步骤的图示；

图7A是制造图5所示类型的热界面衬垫的方法中初始步骤的图示；

图7B是制造图5所示类型的热界面衬垫的方法中的最终步骤的图示；

图8是描绘了包括尺寸材料分散体的热界面材料的另一个示例的各方面的示意图；

图9是描绘了包括在尺寸上定向的材料的分散体的热界面材料的另一个示例的各方面的示意图；

图10是堆叠的热界面材料层的块的描绘，每个层由如图9所示的在尺寸上定向的材料的分散体等在尺寸上定向的材料的分散体构成；

图11是对包含在尺寸上定向的材料的热界面材料衬垫的描绘，所述热界面材料衬垫可以从如图10所示的块等块切割；

图12是描绘了本文所述的定向衬垫相比于竞争产品的热性能的曲线图；并且

图13是示出了热界面材料的实施例的比较性能的曲线图。

具体实施方式

本文公开了热界面材料的实施例以及用于制造和使用热界面材料的方法。热界面材料通常展现出高导热度并且进一步提供各向异性散热。

在介绍热界面材料(TIM)之前，提供一些术语来建立本文的教导的上下文。

术语“自修复”通常是指材料具有在没有对问题或人为干预的任何外部诊断的情况下自动修补对自身的损伤的内置能力。常规材料通常会因疲劳、环境条件或操作期间招致的损伤而因此随时间的推移发生降解。已经被证明，微观水平上的裂纹和其他类型的损伤会改变常规材料的热学、电学和声学性质，并且裂纹的扩展会导致常规材料最终失效。一般而言，在早期很难检测到裂纹，并且需要人工干预进行定期检查和修补。相比之下，自修复材料通过启动对微损伤作出响应的修补机制，以抵消降解。

“热导率”(常常表示为k、λ或κ)通常是指材料传导热的能力。热导率主要根据傅里叶热传导定律进行计算。一般而言，热导率是张量性质，表示了性质的各向异性。

热导率低的材料比热导率高的材料的传热速率低。相应地，热导率高的材料用于散热器应用中，并且热导率低的材料用作隔热。材料的热导率可以取决于温度。热导率的倒数被称为“热阻率”。

热导率可以如等式(1)中所提供的进行表示：

其中表示热通量，-k表示热导率，并且表示温度梯度。

如本文所讨论的，术语“热阻抗”通常是指材料的热电阻和所有接触电阻之和。当材料的热阻抗较低时，材料是所述应用中较好的热导体。因此，如表面粗糙度、表面平坦度、夹紧压力、粘合剂的存在、非均质和材料厚度等因素是影响材料的热阻抗的因素。热阻抗通常是可用于评估热性能的度量，因为热阻抗考虑了特定于应用的更多变量。

如本文所使用的，“各向同性定向的”一组元件应理解为被随机或基本上随机布置成使得元件不在空间中沿着特定方向优先对齐或不基本上优先对齐。

如本文所使用的，“各向异性定向的”一组元件应理解为被布置成使得元件在空间中沿着特定方向基本上优先对齐。

现在参考图1，示出了电子设备的热管理系统的各方面。在所示出的热管理系统1中，热源5生成热。热源5的非限制性示例包括处理器、存储器、电源、电力转换器、发光二极管和激光二极管中的至少一项。热源5通常安装于支撑件4上。支撑件4的非限制性示例是印刷电路板(PCB)。在此图示中，热源5表面安装至支撑件4上。热界面材料(TIM)10的第一沉积直接在热源5的顶部上，并且与其热连通。散热片7设置于第一沉积之上，并且与其热连通。热界面材料(TIM)10的第二沉积在散热片7的顶部上，并且与其热连通。散热器2设置于第二沉积之上并且与其热连通。

当通电时，热源5生成热。在热界面材料(TIM)10的沉积以及散热片7和散热器2的作用下，热传导离开热源5。热界面材料(TIM)10的沉积通常通过消除部件之间的间隙和空气空间来增强热源5与散热器2之间的热传导。

散热器2通常是将表面积(使用鳍片或管脚)和空气流(使用风扇)最大化以将热从热源5耗散到周围空气中的传统冷却解决方案。散热器2可以构建有冷却风扇，作为简单、轻量且完全独立的冷却解决方案。根据可用空气流，散热器2常常可以胜过类似大小的散热片7。

散热片7通常在顶部具有较大平坦表面。在一些实施例中，散热片7不具有风扇和鳍片。可以将散热片7直接按压抵靠在另一个较大平坦表面(例如，车辆的框架或密封容器的内壁)上，并且使热从散热片7传递到更大的金属(导热)表面。在典型设计中，散热片7不单独冷却热源5(例如，CPU)。相反，散热片7被设计成将热传递至可以安全耗散离开热源5的另一个物体。对于期望在极端冲击和振动下操作的电子系统或需要完全密封在容器内部以免受环境影响的系统而言，散热片7通常是理想的。可理解的是，散热器2和散热片7以及因此热源2(如处理器)的性能可能会受热界面材料(TIM)10性能的显著影响。

可以容易显而易见的是，在图1的热管理系统1中，热界面材料(TIM)10可用作衬垫可以加速组装并且提供一致的质量。即，例如，分配油脂或膏体形式的热界面材料(TIM)10将需要体积控制以及一致扩散。相比之下，通过将热界面材料(TIM)10设计成用于实施为具有合适物理性质的衬垫，可以实现优越的质量控制。

参考图2，示出了示例热界面材料(TIM)101。TIM 101形成为在第一主表面103(如所示出的，底表面)与第二主表面104(如所示出的，顶表面)之间延伸的衬垫或片材102。虽然示出了平坦的片材，但对本领域技术人员而言将显而易见的是，可以使用其它形状，如弯曲的片材或被切割至如给定应用所期望的定制形状和尺寸的片材。

片材102由基础材料105与嵌入基础材料中的导热填充材料106形成。

基础材料105可以是被选择为具有期望的机械和热性质的材料。下文阐述了许多示例性的合适材料。出于描绘的示例性实施例的目的，基础材料将被视为丙烯酸橡胶或丙烯酸树脂材料。在一些实施例中，基础材料105可以是如树脂等组分结合塑化剂材料的混合物。

有利的是，在一些实施例中，基础材料可以不含或基本上不含硅酮或已知在高温下展现出降解、除气和其它不期望性质的其它基于硅氧烷的聚合物。

如所示出的，填充材料106可以包括各向异性定向的导热元件107。导热元件107可以优先沿着从第一主表面103至第二主表面104的主方向(如所示出的，竖直方向)定向，以促进沿着主方向热传导通过片材。

在一些实施例中，将填料包括在内提供了沿着主方向通过片材102的优秀热导率。例如，在一些实施例中，片材沿着主方向的热导率为至少10W/mK、15W/mK、20W/mK、30W/mK、40W/mK、50W/mK、60W/mK、70W/mK、80W/mK、90W/mK、100W/mK或更大。在一些实施例中，可以使用本领域中已知的ASTM标准D5470测量热导率。

在一些实施例中，TIM 101展现出随施加的压力变化的优秀热阻抗。例如，在一些实施例中，此性质可以使用本领域中已知的ASTM标准D5470中描述的技术进行测量，从而在10psi压力下产生的热阻抗小于0.1℃-平方英寸/W、0.09℃-平方英寸/W、0.08℃-平方英寸/W、0.07℃-平方英寸/W、0.05℃-平方英寸/W或更小(例如，对于厚度范围为0.5mm至5.0mm的片材而言)。例如，在一些实施例中，此性质可以使用本领域中已知的ASTM标准D5470中所描述的技术进行测量，从而在30psi压力下产生的热阻抗小于0.06℃-平方英寸/W、0.05℃-平方英寸/W、0.04℃-平方英寸/W、0.03℃-平方英寸/W、0.02℃-平方英寸/W、0.01℃-平方英寸/W或更小(例如，对于厚度范围为0.5mm至5.0mm的片材而言)。

在一些实施例中，片材102可以是自支撑的，例如，由柔性聚合物树脂基础材料105形成。在一些实施例中，片材的厚度范围可以为0.1mm至10mm或其任何子范围，例如，0.5mm至5.0mm。在一些实施例中，TIM 101可以展现出的肖氏硬度范围为40至90或其任何子范围，如50至80或60至70，如通过ASTM D2240(肖氏00)中阐述的技术所确定的。

在一些实施例中，TIM 101的密度范围可以为0.5g/mL至5.0g/mL或其任何子范围，例如，1.0g/mL至2.0g/mL。在一些实施例中，TIM 101的密度可以为约1.7g/mL。

在一些实施例中，TIM 101展现出随施加的压力变化的符合预期的高偏转。在一些这样的实施例中，在施加压力的应用中，此性质允许TIM 101与其它热源和散热器之间优秀的热接触。在一些实施例中，可以使用本领域中已知的ASTM D5470标准和ASTM C165标准的技术测量随压缩变化的偏转。在一些实施例中，TIM 102在30psi压缩压力下的偏转为至少10％、20％、30％、40％、50％、60％或更多，并且在50psi压力下的偏转为至少30％、40％、50％、60％、70％、80％或更多。

在一些实施例中，TIM 101可以在没有显著降解的情况下在-40℃至150℃的范围内的温度下操作。例如，在一些实施例中，使用本领域中已知的ASTM E595标准中阐述的技术，在热重分析下，TIM 101在150℃、160℃、170℃、180℃或更高的温度下或高于其的温度下展现出的总质量损失小于0.2％。

在一些实施例中，填充材料可以包括如氮化硼薄片等陶瓷薄片。在一些实施例中，填充材料可以包括氮化硼纳米薄片或纳米卷。

在一些实施例中，填充材料可以包括如石墨薄片或石墨烯薄片等碳。在一些实施例中，填充材料可以包括碳纳米管、碳纳米管束和对齐的碳纳米管的团聚体。填充材料的其它合适的示例在下文的示例中呈现。

在一些实施例中，各向异性定向的导热元件包括具有主表面的薄片状元件，并且薄片状元件中的至少65％、75％、85％、95％、99％或更多对齐，使得主表面基本上位于沿着横向于片材的第一表面和第二表面的主方向延伸的平面之中。例如，如图2所示，大多数导热元件被定向成使得薄片的主表面横向于顶表面和底表面定向。

在一些实施例中，各向异性定向的导热元件包括具有主要尺寸和一个或多个次要尺寸的细长元件(例如，碳纳米管)，并且其中，细长元件中的至少65％、75％、85％、95％、99％或更多对齐，使得主要尺寸沿着横向于片材的第一表面和第二表面的主方向延伸。

在各个实施例中，可以选择所使用的填充材料的量以产生期望的性质。一般而言，较大量的填料将趋于提供较高的热导率(前提是应足够谨慎，以确保填充材料不会产生不想要的表面粗糙度，如下文详细描述的)。在一些实施例中，填料占片材的至少20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、95％或更多(按重量计)。

参考图3，在一些实施例中，嵌入基础材料105中的填充材料元件107的存在可能导致主表面103、104(示出了104)中的一个或两个主表面有不符合预期的粗糙度。在一些这样的实施例中，可以对表面104进行处理以提供更适于与如热源和散热器等物体进行良好热接触的更光滑表面，进而降低热阻抗。

例如，在一些实施例中，可以将溶剂110施加(例如，经由喷嘴喷洒)至表面104上，以部分地溶解基础材料。在基础材料105是丙烯酸树脂的实施例中，异丙醇(IPA)为合适的溶剂选择。然后可以向表面施加压力(例如，使用机械辊或类似技术)，从而将基础材料105光滑化，并且将填充材料元件107重定向到表面104附近以提供更光滑的界面。

在一些实施例中，在此表面处理之后，片材102可以包括在片材的第一主表面103(未示出)和/或第二主表面104(已示出)近端的区域112。在所述区域中，填充材料元件107已经重定向。此区域112然后可以包含填料106的导热元件107的子集，所述导热元件相比于在片材的内部部分中位于表面更远端的导热元件不那么各向异性定向。例如，在基础材料105至少部分地溶解的情况下，可以释放区域112中的填料106以返回到更各向同性的定向。

替代性地，区域112随后可以包含填料106的导热元件107的子集，所述导热元件沿着与在片材102的内部部分中位于表面更远端的导热元件107不同的方向各向异性定向。例如，由滚动元件施加的压力可以使表面104附近的元件107沿着表面平坦定向而不是横向于表面延伸。

在一些实施例中，代替溶剂110或除其之外，可以向表面103、104施加热，以软化或熔化区域112中的基础材料。

在一些实施例中，另外地或替代上文所述的表面处理，可以向表面103、04施加薄粘合材料层(未示出)(例如，使用喷雾嘴)。粘合层可以填补表面粗糙度并促进TIM 101粘附至热源或散热器。在一些实施例中，粘合材料可以包括空间填充材料(例如，以其它方式适合用作基础材料的材料，如丙烯酸橡胶)。例如，在一些实施例中，空间填充材料可以溶解在溶剂中并且喷洒到表面104上以填满表面104中的间隙、裂纹、压痕等。在一些示例中，溶剂然后可以变干，留下空间填充材料，从而在片材102上产生更光滑的表面103、104。

图4展示了上文所述的基于溶剂的表面处理的益处。制作TIM 101的六个样本，每个样本的厚度为1.0mm。使用本领域中已知的ASTM标准D5470中阐述的技术测试样本在各种压力下的热阻抗。样本中的三个经历表面处理以改进表面处理，三个不经历表面处理。如图4所示，经处理样本的热阻抗(下部迹线)小于未经处理样本的热阻抗(上部迹线)，尤其是在低压力下。这清楚地表明，表面处理促进评估时使用的TIM 101与热源和散热器之间有更好的热接触。

参考图5，在一些实施例中，TIM 101包括沿着主方向(如所示出的，竖直方向)从第一主表面103穿过片材102延伸至第二主表面104的导热元件120。这些导热元件可以促进表面103、104之间的热流动。在一些实施例中，这些元件120可以由碳制成。例如，可以使用形成为片材、条、柱或其它合适形状的石墨或石墨烯。

在一些实施例中，导热元件的一部分可以在片材102的第一主表面103和第二主表面104处暴露。在一些这样的情况下，可以期望的是是对表面进行处理以保护这些区域(例如，通过使用上文所述的基于溶剂的表面处理或通过向表面103、104施加薄保护粘合层)。

参考图6A和图6B，示出了用于制造TIM 101的示例性方法。

参考图6A，形成包括多个层501的堆叠500。

每个层501，如所示出的，每个层501沿着一定方向(如所示出的，竖直方向)从底表面502延伸至顶表面503，并且层按所述方向一个堆叠在另一个上方。

每个层501包括基础材料105和上文参考图2所描述的类型的填充材料106。每个层中的填充材料106由各向异性定向的导热元件107构成。然而，不同于最终TIM 101中使用的片材102，元件107被定向成促进横向于从底表面502到顶表面503的竖直方向而不是沿着其的热流动方向。因此，在不进一步处理的情况下，堆叠中的这些层501不适合用作TIM 101。

因此，参考图6B，在一些实施例中，可以在竖直方向上施加力(可选地连同热一起)，以压缩堆叠500从而使层501联合在一起形成单片元件。可以例如使用纤细刀片或者超声或激光切割沿着在竖直方向(图6B中用重黑色箭头指示的)上延伸的平面对堆叠501进行切片以形成期望厚度的片材102。此片材102从堆叠移除并形成TIM 101。值得注意的是，TIM101现在包括具有由按正确方向定向的各向异性定向的导热元件107构成的填充材料106的片材102。即，片材102在第一主表面103与第二主表面104之间延伸，并且填充材料106包括各向异性定向的导热元件107，所述导热元件优先沿着从第一主表面103到第二主表面104的主方向定向，以促进沿着主方向热传导通过片材102。

可以制作附加切片，以生成附加的TIM 101衬垫。换言之，上文所述的堆叠和切片过程取得其中填充材料在不适合用作TIM 101的方向上具有各向异性定向的多个层，并且生成填料具有期望定向的多个TIM 101衬垫。

如下文详细描述的，层501可以使用适合大量生产技术的单个过程生成。例如，在一些实施例中，可以通过提供包括导热元件的基础材料和填充材料的混合物来形成每个堆叠层501。一般而言，此混合物可以在不进行任何步骤对填充材料进行定向的情况下制成，从而使基础材料中的导热元件各向同性地分布。然后可以物理地操纵所得混合物，以使导热元件在层内各向异性定向。例如，如在下文的附加示例中详细描述的，混合物可以被挤压以形成层501、压缩以形成层501、自身重复折叠以形成层501或其组合。

如上文所述，此物理操纵将导致层具有按不期望的方向定向以在TIM 101中使用的各向异性定向的导热元件107。然而，这可以通过执行上文参考图6A和图6B所描述的堆叠、压缩和切片步骤来进行纠正。

在一些实施例中，基础材料105为自修复材料，由此促进层501在上文提供的压缩步骤期间融合为单片元件。自修复材料的有利之处还在于，其抵抗在上文中参考图6B所描述的切片步骤期间可能发生的损伤(例如，开裂)。

在各个实施例中，方法可以进一步包括对TIM 101的主表面103、104中的一个或多个应用表面处理，如上文中参考图3所描述的。

参考图7A和图7B，可以容易地修改以上过程，以产生图5所示的TIM 101的替代性版本。在一些实施例中，在对堆叠进行压缩和切片的步骤之前，导热元件(例如，碳元件)510交错在堆叠500中的层501中的至少一些层之间。碳

碳元件可以包括石墨或石墨烯并且可以形成为片材(例如，跨层501的表面不断延伸)或条(例如，仅覆盖层501的一部分)或任何其它合适形状。在一些实施例中，碳元件501可以由石墨或石墨烯形成。

如图7B所示，一旦将堆叠500切片以形成TIM 101的片材102，碳元件520的各部分就形成从第一主表面103穿过片材102延伸至第二主表面104的导热元件120，如上文参考图5所描述的。

如对本领域技术人员而言将显而易见的，可以容易地采用以上过程来提供本文所述的任何类型的TIM 101。

应注意，虽然图6A-7A示出了具体数量的层501和导热元件510，但可以使用合适的数量。例如，一些实施例使用2个、3个、4个、5个、10个、15个、20个或更多个层501(例如，在2-100个层的范围或其子范围内)。

附加示例

关于图8-11阐述了用于制造示例性TIM衬垫的过程。如对本领域技术人员而言将显而易见的，还可以容易地采用本文所述的用于先前示例中的示例性材料和技术。

用于制造热界面材料(TIM)10的衬垫的过程开始于图8所示内容。

图8中示出了合适的导热组合物21的体积。导热组合物21可以包括填料，例如，金属粉末和其混合物(例如，铝粉、银粉、铜粉)；石墨薄片；陶瓷粉末(例如，氧化铝、氮化硼等)。组合物21还可以包括自支撑基础材料，所述基础材料包括如橡胶(例如，丙烯酸橡胶)、油、聚合物、热塑性树脂和热固性树脂等材料。导热组合物21通常可以由展现出合适性质的材料制造。性质可以包括例如可挠性和良好的热导率。可以使用各种其它材料。

在一些实施例中，使用在室温下基本上是固体的热塑性树脂。合适的热塑性树脂的一些示例包括丙烯酸树脂、环氧树脂、硅树脂、氟树脂等。这些可以单独地或结合其它材料使用(可行时)。

热塑性树脂可以结合固体使用。可以使用的热塑性聚合物/树脂包括例如聚(2-丙烯酸乙基己酯)；2-丙烯酸乙基己酯-丙烯酸共聚物；聚甲基丙烯酸或其酯；丙烯酸树脂(如聚丙烯酸或其酯)；硅树脂；氟树脂；聚乙烯；聚丙烯；乙烯-丙烯共聚物；聚甲基戊烯；聚氯乙烯；聚醋酸乙烯酯；乙烯-醋酸乙烯酯共聚物；聚乙烯醇；聚缩醛；聚对苯二甲酸乙二酯；聚乙烯；聚苯乙烯；聚丙烯腈；苯乙烯丙烯晴共聚物；丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS树脂)共聚物；苯乙烯丁二烯嵌段共聚物或其氢化产物；苯乙烯-异戊二烯嵌段共聚物共聚物或其氢化产物；聚苯醚；改性聚苯醚；脂肪族聚酰胺；以及芳香族聚酰胺；聚酰胺；聚碳酸酯；聚苯硫醚；聚砜；聚醚砜；聚醚腈；聚醚酮；聚酮；聚氨酯；液晶聚合物；离聚物；等等。这些可以单独地或结合其它材料使用(可行时)。

在一些实施例中，使用热塑性碳氟树脂。，这样可以产生某些其它优点(如改进的耐热性、耐油性和耐化学性)。

可以有用的固体热塑性氟树脂包括例如偏二氟乙烯、四氟乙烯-丙烯、四氟乙烯-[papuruorobiniruteruete-ru[papuruorobinirueteru]体系等、所得弹性体的含氟可聚合单体等。更具体而言，包括聚四氟乙烯、四氟乙烯-全氟烷基乙烯基醚共聚物、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物、四氟乙烯-乙烯共聚物、聚偏二氟乙烯、聚氯三氟乙烯、乙烯-[kurorohuruoroechiren[kurorohuruoroechiren]共聚物、四氟乙烯-[pahuruorojiokisoru[pahuruorojiokisoru]共聚物、聚氟乙烯、四氟乙烯-丙烯共聚物、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物、[biniridenhuruoraido[biniridenhuroraido]-、丙烯酸改性的聚四氟乙烯、聚四氟乙烯改性的酯、环氧树脂改性的硅烷改性的聚四氟乙烯和聚四氟乙烯等等。

可以用作热固性树脂的附加材料包括例如天然橡胶、丙烯酸酯橡胶、丁二烯橡胶、异戊二烯橡胶、丁腈橡胶、氢化丁腈橡胶、氯丁橡胶、乙烯-丙烯橡胶、氯化聚乙烯、氯磺化聚乙烯、丁基橡胶、卤化丁基橡胶、聚异丁烯橡胶、聚丙烯酸橡胶、环氧树脂、聚酰亚胺树脂、双马来酰亚胺树脂、苯并环丁烯树脂、苯酚树脂、不饱和聚酯、邻苯二甲酸二烯丙酯酸脂、聚酰亚胺树脂、聚氨酯、热固性聚苯醚、热固性聚苯醚等。

在一些实施例中，导热组合物21包括聚(醋酸乙烯)(PVA)或聚(乙酸乙烯酯)(PVAc)。PVA通常是式为(C4H6O2)_n的脂肪族橡胶状合成聚合物。PVA属于通式为-[RCOOCHCH₂]-的聚乙烯酯并且是热塑性类型。在一些实施例中，导热组合物21是非硅酮基础材料。一个附加示例包括豆油基础材料。

前述材料中的任何材料可以单独地或结合这些或其它材料使用(可行时)。

热填料的分散体设置于导热组合物21内。可以提供热填料作为纳米材料和/或微材料。

热填料通常展现出某种形状或形式，并且因此具有至少一个尺寸方面(例如，具有主表面并且在次要尺寸上的薄片或者具有一个主要尺寸和两个横向次要尺寸的细长元件)。可以选择热填料用于分散，并且热填料展现出良好至优秀的热导率。纳米材料的一些示例包括但不限于如碳纳米管(包括单壁碳纳米管(SWCNT)和多壁碳纳米管(MWCNT)以及纳米角、纳米洋葱、碳黑、富勒烯、石墨烯、氧化石墨烯的形式以及前述内容的各种经处理形式。在一些实施例中，纳米材料进一步包括金属纳米颗粒、金属氧化物纳米颗粒和/或至少一种形式的导热聚合物。热填料可以提供为微材料并且包括但不限于石墨、氮化硼、氮化硼薄片、氮化硼纳米卷、氮化铝、氮化铝晶须、碳纳米管、金属颗粒、金属氧化物颗粒和/或至少一种形式的导热聚合物。

如本文所使用的，术语“微材料”是指展现出约0.1微米直到约200微米的范围(例如，微尺度颗粒或薄片)内的一个或多个尺寸的热填充尺寸材料。术语“纳米材料”通常是指展现出约几纳米直到约100纳米(0.1微米)的范围内的一个或多个尺寸的尺寸热填充材料(例如，纳米管、纳米棒、纳米颗粒、纳米壳、纳米角和如石墨烯薄片等纳米级薄片)。

鉴于热填料尺寸较小，在一些实施例中，可以在将所述热填料混合到导热组合物21中时控制定向。因此，热填料的分散导致随机定向的尺寸材料22设置于导热组合物21的体积内。

由于热填料在导热组合物21内随机定向，因此方向热导率不存在有利性质。更具体地且如图8中由方向箭头所示，在没有方向布置的情况下，热填料的各向同性热导率优先性使热在随机方向上被传导出去。然而，当如图9所示将尺寸热填料重新布置成各向异性定向以形成定向材料100时，可以利用热填料的电位。

如图9所示，可以在定向材料层100(例如，适合用作上文参考图6A至图7B所描述的堆叠和切片过程中的层501)中将分散在导热组合物21中的热填料布置为方向性地定向的尺寸材料32。

用于提供定向尺寸材料32的示例性技术包括水力按压或挤压。在一些实施例中，水力按压开始于具有随机定向的尺寸材料22的分散体的导热组合物21的体积。将材料的体积按压或挤压成大体上平面形式。在一些实施例中，随后将大体上平面形式自身折叠，从而有效地重新整形成例如球或立方体体积。然后再次将材料体积按压成大体上平面形式。通常通过重复按压和折叠，促使按随机定向设置的填充材料成平面定向，例如，如上文参考图6A或图6B在层501中所示。

为了促使填充材料迁移成期望定向，可以例如在如上所述的按压或挤压过程期间加热导热组合物21与随机定向的尺寸材料22的分散体的混合物。对导热组合物21与随机定向的尺寸材料22的分散体的混合物的加热通常使导热组合物21的粘度降低，由此促使随机定向的尺寸材料22迁移成期望定向。

如图9中由方向箭头所示，当按方向布置提供尺寸材料32时，纳米材料的各向异性热导率优先性通常使热在X-Y平面中被传导出去。利用此性质来提供本文所公开的热衬垫。在一些实施例中

如图10所示，可以将定向材料100分段并放置到堆叠40中。一旦放置于堆叠40中，就可以进一步对定向热界面材料(TIM)100进行分段。例如，堆叠40可以沿着虚拟平面进行切割，所述虚拟平面表示为A平面，所述平面在X-Z平面中。结果描绘于图11中。

如图11所示，定向衬垫50包括图4所示的堆叠40的一部分。通常将定向衬垫50制造成适于用于图1所示的热管理系统1中的尺寸。所得向量基本上将热从热源5传送通过X-Y平面。尽管一些热填料将会基本上在X方向上传送热，但预期纳米材料的基本上等量部分将会基本上在Y方向上传送热。换言之，尽管热填料的各向异性热导率使热的一部分被传送通过X-Y平面，但在Z方向上的热传送是有限的(出于相同的原因)。因此，热在定向衬垫50内的再循环是有限的。

使用标准化试验台在一系列测试中评估定向衬垫50的热导率的性能。测试包括与竞争产品的对比。当放置于试验台时，每个产品经受一定压缩。所展现的压缩在下表1中阐述。在下文的数据表中，“NaL Pad”是指定向衬垫50。用于评估热导率的测试数据呈现在图12中。

表1比较产品的压缩

如图12所示，所得定向衬垫50胜过测试的所有竞争衬垫产品。数据表明，定向衬垫50的热导率性能基本上相当于灌封材料的热性能(即，用灌封材料给热源5装护套)。

图13中示出了比较，所述比较示出了从尺寸热材料的定向实现的效果。在用于生成所示数据的热管理系统1中，省略了散热片7。测试了热界面材料10的三个样本。第一样本包括具有大体上竖直定向的热填充材料的标准品(STD)。热源5与散热器2之间的温差快速达到平衡并且维持在约5℃。热界面材料10的第二样本(45度)使用本文所述的切片技术进行制造，其中切片在约45度的角度下进行。热界面材料10的第三样本包含大体上正交(90度)于热通量的期望方向定向的热填充材料。

在热源5与散热器2之间展现出较小温差指示较低热阻率。因此，由于第一样本具有最小温差，因此清楚的是，将颗粒定向成使得热被传递通过X-Y平面(如图11所限定的)提高了热界面材料10的热导率。

介绍了热界面材料的各方面之后，提供一些另外的方面和示例。

热界面材料可以形成为软材料。热界面材料通常在制造(切片和堆叠程序)期间自修复。

热界面材料通常可用于需要间隙填充的应用中。即，热界面材料提供对不规则表面的优越适形性。

在一些实施例中，热界面材料包括厚度选项为约0.25mm至约5mm且热导率高达约60W/mK或更高的柔性聚合物片材材料。当前高性能TIM片材趋于5w/mK左右。所得的四倍性能增长是使用高电力的应用的使能技术。几乎任何供电系统都可以利用高性能TIM。

热界面材料应用包括但不限于：电源、汽车电子产品、电机控制、电力半导体、散热器界面、处理系统和其它电子设备(如计算机、放大器、视频处理装备、控制系统等等)。

在一些实施例中，所得产品展现出的热导率为至少60W/mK。在一些实施例中，产品可以以片材、以大致大小设定为标准打印纸大小的纸张提供。产品的厚度可以介于约0.25mm至5mm之间并且厚度可以更小或更大。产品可以在范围介于-60℃至250℃(或其任何子范围，例如，-40℃至150℃)之间的温度下可用，并且可以在更小或更大的温度范围内可用。产品通常是非除气的并且不会随热循环展现出蠕变。产品通常具有可挠性并适形于周围部件。产品通常可再加工并且可以在现有的/常见的制造过程中使用。

可以包括并调用各种其它部件以提供本文的教导的各方面。例如，可以使用附加材料、材料组合和/或材料的省略来提供在本文的教导的范围内的额外实施例。

可以实现本文的教导的各种修改。修改通常可以根据用户、设计者、制造商或其它类似相关方进行设计。修改可以旨在满足被所述相关方视为重要的特定性能标准。

除非词语“用于……的装置”或“用于……的步骤”在特定权利要求中明确使用，否则所附权利要求或权利要求元素不应被解释为援引《美国专利法》第112(f)条。

当介绍本发明或其实施例的元件时，冠词“一个(a)”、“一个(an)”和“所述(the)”旨在意味着存在一个或多个所述元件。类似地，形容词“另一个”在用于介绍元件时旨在意指一个或多个元件。术语“包括”和“具有”旨在是包含性的，使得可以存在除列举的元件以外的附加元件。如本文所使用的，术语“示例性”不旨在暗示最好的示例。相反，“示例性”是指属于许多可能实施例之一的实施例。

尽管已经参考示例性实施例描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行各种改变并且等效物可以替换其要素。另外，许多修改将被本领域技术人员理解为使特定仪器、情形或材料适合于本发明的教导，而不脱离本发明的本质范围。因此，并不旨在将本发明局限于作为实现本发明的预期的最佳方式所公开的特定实施例，而是旨在本发明将包括落入所附权利要求的范围内的所有实施例。

Claims

1.一种热界面材料，包括：

片材，所述片材在第一主表面与第二主表面之间延伸，所述片材包括：

包括热塑性材料的基础材料，其是自支撑的柔性层；以及

填充材料，所述填充材料嵌入所述基础材料中，所述填充材料包括各向异性定向的导热元件，所述填充材料占所述片材的至少50重量％，其中，所述各向异性定向的导热元件沿着从所述第一主表面到所述第二主表面的主方向定向，以促进热传导沿着所述主方向通过所述片材；

其中，所述基础材料基本上不含硅酮；

其中所述片材包括从压缩在一起的多个基础材料层的堆叠分离的切片；每个所述层嵌有填充材料，并且其中，每个层中的所述填充材料包括各向异性定向的导热元件；并且

所述切片在从所述堆叠分离期间的定向为使得所述各向异性定向的导热元件沿着从所述第一主表面到所述第二主表面的主方向定向，以促进热传导沿着所述主方向通过所述片材，

其中所述片材包括在所述片材的所述第一主表面或所述第二主表面近端的区域，所述区域所包含填充材料的所述各向异性定向的导热元件的子集相比于位于所述表面更远端的所述各向异性定向的导热元件各向异性不那么强烈的定向，

其中所述片材的所述第一主表面和所述第二主表面中的至少一个包括用溶剂处理以促进表面平滑度的表面区域，

其中所述各向异性定向的导热元件包括具有主表面的薄片状元件，并且其中，所述薄片状元件中的至少65％对齐，使得所述主表面基本上位于沿着横向于所述片材的所述第一主表面和所述第二主表面的所述主方向延伸的平面之中；

其中，所述片材沿着所述主方向的热导率为至少20W/mK。

2.根据权利要求1所述的热界面材料，其中，所述片材沿着所述主方向的热导率为至少30W/mK。

3.根据权利要求1或2所述的热界面材料，其中，所述片材沿着所述主方向的热导率为至少60W/mK。

4.根据权利要求1或2所述的热界面材料，其中，所述片材的特征在于为其肖氏硬度的范围为40至90。

5.根据权利要求1或2所述的热界面材料，其中，所述片材的特征为其肖氏硬度的范围为50至80。

6.根据权利要求1或2所述的热界面材料，其中，所述片材的特征为其肖氏硬度的范围为60至70。

7.根据权利要求1或2所述的热界面材料，其中，所述填充材料包括陶瓷薄片。

8.根据权利要求1或2所述的热界面材料，其中，所述填充材料包括氮化硼薄片。

9.根据权利要求1或2所述的热界面材料，其中，所述填充材料包括石墨薄片。

10.根据权利要求1或2所述的热界面材料，其中，所述填充材料包括石墨烯薄片。

11.根据权利要求1或2所述的热界面材料，其中，所述填充材料包括选自由以下组成的列表的至少一项：碳纳米管、碳纳米管束和对齐的碳纳米管的团聚体。

12.根据权利要求1或2所述的热界面材料，其中，所述片材包括在所述片材的所述第一主表面近端的第一区域和在所述片材的所述第二主表面近端的第二区域，其中，所述第一区域和所述第二区域中的每个区域包含的填充材料的所述导热元件的相应子集相比于位于所述表面更远端的所述导热元件各向异性不那么强烈地定向。

13.根据权利要求1或2所述的热界面材料，进一步包括碳元件，所述碳元件沿着所述主方向从所述第一主表面穿过所述片材延伸至所述第二主表面并且被配置成促进热从所述第一主表面流到所述第二主表面。

14.根据权利要求13所述的热界面材料，其中，所述碳元件包括石墨片材。

15.根据权利要求13所述的热界面材料，其中，所述碳元件包括石墨条。

16.根据权利要求1或2所述的热界面材料，其中，所述各向异性定向的导热元件包括具有主表面的薄片状元件，并且其中，所述薄片状元件中的至少75％对齐，使得所述薄片状元件的所述主表面基本上位于沿着横向于所述片材的所述第一主表面和所述第二主表面的所述主方向延伸的平面之中。

17.根据权利要求1或2所述的热界面材料，其中，所述各向异性定向的导热元件包括具有主表面的薄片状元件，并且其中，所述薄片状元件中的至少85％对齐，使得所述薄片状元件的所述主表面基本上位于沿着横向于所述片材的所述第一主表面和所述第二主表面的所述主方向延伸的平面之中。

18.根据权利要求1或2所述的热界面材料，其中，所述各向异性定向的导热元件包括具有主表面的薄片状元件，并且其中，所述薄片状元件中的至少95％对齐，使得所述主表面基本上位于沿着横向于所述片材的所述第一主表面和所述第二主表面的所述主方向延伸的平面之中。

19.根据权利要求1或2所述的热界面材料，其中，所述填充材料占所述片材的至少70重量％。

20.根据权利要求1或2所述的热界面材料，其中，所述填充材料占所述片材的至少80重量％。

21.根据权利要求1或2所述的热界面材料，其中，所述填充材料占所述片材的至少90重量％。

22.根据权利要求1或2所述的热界面材料，其中，所述填充材料占所述片材的至少95重量％。

23.一种制作根据权利要求1至22中任一项所述的热界面材料的方法，所述方法包括以下步骤：

形成包括多个层的堆叠，其中：

每个层包括基础材料和填充材料，所述填充材料包括各向异性定向的导热元件；

每个层沿着竖直方向从底表面延伸至顶表面，并且所述层按所述竖直方向堆叠；

向所述堆叠施加力，以沿着所述竖直方向压缩所述堆叠；以及

沿着在竖直方向上延伸且横向于所述层的所述顶表面和所述底表面的平面对所述堆叠进行切片，以形成片材，

其中，所述导热元件被定向成优先促进横向于所述竖直方向的方向上的热流动；并且

其中，所述片材在第一主表面与第二主表面之间延伸，并且包括所述基础材料和包括各向异性定向的导热元件的所述填充材料的一部分，所述导热元件优先沿着从所述第一主表面到所述第二主表面的主方向定向以促进热传导沿着所述主方向通过所述片材。

24.根据权利要求23所述的方法，进一步包括：

在形成所述堆叠的步骤完成之前，利用包括以下步骤的方法形成每个层：

提供基础材料和包括导热元件的填充材料的混合物；以及

物理操纵所述混合物以使所述导热元件在所述层内各向异性定向。

25.根据权利要求24所述的方法，其中，物理操纵所述混合物以使所述导热元件在所述层内各向异性定向包括以下中的至少一项：挤压所述混合物以形成所述层、压缩所述混合物以形成所述层、重复折叠所述混合物以形成所述层。

26.根据权利要求23-25中任一项所述的方法，其中，所述基础材料是自修复材料。

27.根据权利要求23-25中任一项所述的方法，进一步包括：

在对所述堆叠进行切片的步骤之前在所述多个层中的至少一些层之间交错碳元件。

28.根据权利要求27所述的方法，其中，所述碳元件包括来自由以下组成的列表的至少一项：石墨片材、石墨条、石墨烯片材和石墨烯条。

29.根据权利要求23-25中任一项所述的方法，进一步包括将溶剂应用于所述片材的所述第一主表面和所述第二主表面中的至少一个以增强所述表面的平滑度。

30.根据权利要求29所述的方法，进一步包括向所述表面的至少一部分施加压力。

31.根据权利要求23-25中任一项所述的方法，进一步包括在所述片材中形成在所述片材的所述第一主表面或所述第二主表面近端的区域，所述区域所包含填充材料的所述导热元件的子集相比于位于所述表面更远端的所述导热元件各向异性不那么强烈地定向。

32.根据权利要求23-25中任一项所述的方法，进一步包括粘附至所述片材的所述第一主表面和所述第二主表面中的至少一项的层。

33.根据权利要求23-25中任一项所述的方法，其中，所述热界面材料包括如权利要求1-22中任一项所述的热界面材料。