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CN116041939A - 一种绝缘高导热的纤维垫片材料及其制备方法 - Google Patents

一种绝缘高导热的纤维垫片材料及其制备方法 Download PDF

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CN116041939A
CN116041939A CN202310160014.9A CN202310160014A CN116041939A CN 116041939 A CN116041939 A CN 116041939A CN 202310160014 A CN202310160014 A CN 202310160014A CN 116041939 A CN116041939 A CN 116041939A
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fibers
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CN202310160014.9A
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杨浩然
楚盛
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Guangdong Guangti Leading New Materials Co ltd
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Guangdong Guangti Leading New Materials Co ltd
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Abstract

本发明公开了一种绝缘高导热的氮化硅纤维垫片材料及其制备方法，该绝缘高导热的氮化硅纤维垫片材料，包括：基料和导热填料，所述导热填料为纤维状填料，所述纤维状填料包括碳纤维、碳纳米管、氮化硼纤维、氧化铝纤维、铜纤维的至少一种；本发明所制备的绝缘高导热的纤维垫片材料不仅具有一定的绝缘性能，还具备较高的导热系数，满足高导热应用领域的需求，并且还具有一定的柔性，降低了接触热阻，提高了电子元器件的使用寿命。

Description

一种绝缘高导热的纤维垫片材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及导热片技术领域，分类号为C08J5/18，具体的，涉及一种绝缘高导热的纤维垫片材料及其制备方法。
背景技术
随微电子集成技术和空芯印制板高密度组装技术高速发展，组装密度迅速提高，电子元件、逻辑电路体积成千上万倍地缩小，电子仪器及设备日益超轻、薄、短、小方向发展，在高频工作频率下，半导体工作热环境向高温方向迅速移动；此时，电子元器件产生的热量迅速积累、增加，在使用环境温度下，要使电子元器件仍能高可靠性地正常工作，及时散热能力成为影响其使用寿命的关键限制因素。而绝缘导热高分子材料主要用于高频微电子元器件散热，进而提高其精度、延长寿命。
目前的导热绝缘复合材料主要是通过向高分子柔性基体中添加大量的填料，从而制备具有导热能力的热界面材料，且由于大多数的高分子柔性基体热导率很低，进而需要填充高质量比的填料来满足器件应用的需要，会使得材料的柔性降低，导致材料与基体之间的热阻升高，并且该方法所制备的热导率一般通常在20W/m·k以下，不能满足高导热应用领域的需求。
专利CN111925654A公开了一种氮化铝与氧化铝复配导热绝缘硅胶材料及其制备方法，通过合理复配氮化铝和氧化铝的比例，实现了氧化铝和氮化铝的高填充，使得垫片的导热系数达到15.0W/(m·K)，但其导热系数较小，难以满足高导热应用领域的需求。
发明内容
为了解决上述问题，本发明第一方面提供了一种绝缘高导热的纤维垫片材料，包括基料和导热填料；所述导热填料为纤维状填料，所述纤维状填料包括碳纤维、碳纳米管、氮化硼纤维、氧化铝纤维、铜纤维的至少一种。
进一步优选的，所述基料为聚氨酯。
优选的，所述导热填料为氧化铝纤维，所述氧化铝纤维中氧化铝的质量含量为72-80％。
进一步优选的，所述导热填料为氧化铝纤维，所述氧化铝纤维中氧化铝的质量含量为73-78％。
进一步优选的，所述导热填料为氧化铝纤维，所述氧化铝纤维中氧化铝的质量含量为75％。
优选的，所述氧化铝纤维的直径为8-15μm。
进一步优选的，所述氧化铝纤维的直径为9-12μm。
进一步优选的，所述氧化铝纤维的直径为10μm。
本发明第二方面提供了一种绝缘高导热的纤维垫片材料的制备方法，包括步骤如下：
S1：将所述纤维状填料切割成固定长度的25-35根纤维，使得纤维平行排列后固定成一排，得到第一纤维体；
S2：在第一纤维体上包裹上基料，在20-30℃下固化得到第二纤维体；
S3：将第二纤维体与另一第二纤维体平行粘接，依次堆叠后形成块状的第一复合材料，再通过纵向切割后固化得到半成品；
S4：将半成品浸润于20-30mL溶胶剂中5-10min，用去离子水超声洗涤5-10min后，在20-30℃下干燥10-15min，即得。
优选的，所述步骤S1中将纤维状填料切割成长度为5-10cm。
进一步优选的，所述步骤S1中将纤维状填料切割成长度为7-9cm。
进一步优选的，所述步骤S1中将纤维状填料切割成长度为8cm。
优选的，所述步骤S2中第二纤维体的厚度为0.2-0.5mm。
进一步优选的，所述步骤S2中第二纤维体的厚度为0.2-0.4mm。
进一步优选的，所述步骤S2中第二纤维体的厚度为0.3mm。
优选的，所述步骤S2中导热填料的质量占第二纤维体的35-50％。
进一步优选的，所述步骤S2中导热填料的质量占第二纤维体的35-45％。
进一步优选的，所述步骤S2中导热填料的质量占第二纤维体的40％。
优选的，所述步骤S2中基料的质量占第二纤维体的50-70％。
进一步优选的，所述步骤S2中基料的质量占第二纤维体的50-65％。
进一步优选的，所述步骤S2中基料的质量占第二纤维体的60％。
优选的，所述步骤S2中固化的时间为0.8-1.2h，所述步骤S3中固化的时间为0.5-1.2h。
进一步优选的，所述步骤S2中固化的时间为0.9-1.1h，所述步骤S3中固化的时间为0.8-1.2h。
进一步优选的，所述步骤S2中固化的时间为1h，所述步骤S3中固化的时间为1h。
优选的，所述步骤S3中的半成品的厚度为0.7-1.4mm。
进一步优选的，所述步骤S3中的半成品的厚度为0.9-1.3mm。
进一步优选的，所述步骤S3中的半成品的厚度为1mm。
本申请人发现，当所述步骤S2中氧化铝纤维的质量占第二纤维体的35-50％时，提高了垫片的导热性能，推测是，此时纤维与纤维间形成接触和相互作用，体系内部形成了类似网状或链状结构形态，即导热网链，同时导热网链与体系中的热流方向一致，使得热流方向上热阻很小，导热性能增强，为了进一步增强导热性能，本申请人进一步限定氧化铝纤维的直径为9-12μm，切割后纤维的长度为5-10cm，在此长径比下，有利于纤维之间更容易互相接触，进而形成连续的热流通路。
但是导热性能提高可能会导致绝缘性能较差，原因是氧化铝纤维的质量比越高，体积的电阻率越小，绝缘性能降低，所以本申请人聚氨酯的质量占第二纤维体的50-65％，此时高分子聚合物不仅能够填充纤维所形成的网络中的间隙，进而减少了热传导的热阻，同时，还使得垫片的绝缘性和导热性达到平衡。
有益效果：本发明所制备的绝缘高导热的纤维垫片材料，通过合理复配氧化铝纤维和聚氨酯的比例，不仅具有一定的绝缘性能，还具备较高的导热系数，满足高导热应用领域的需求，此外，本申请通过限定氧化铝纤维的长径比，进一步提高了垫片材料的导热系数，并且还具有一定的柔性，能够与基体之间实现紧密贴合，降低了接触热阻，提高了电子元器件的使用寿命，并且本发明所制备的绝缘高导热的纤维垫片材料，还能够应用于电子封装领域。
实施例
实施例1
一种绝缘高导热的纤维垫片材料，包括：基料和导热填料；所述导热填料为纤维状填料。
所述纤维状填料为氧化铝纤维，并且氧化铝纤维中氧化铝的质量含量为75％，直径为10μm，购自山东东珩国纤维材料有限公司，型号为AF17。
所述基料为聚氨酯，购自聚力(东莞)新材料科技有限公司，型号为JL-6039。
本实施例还提供了一种绝缘高导热的纤维垫片材料的制备方法，包括步骤如下：
S1：将所述纤维状填料切割成长度为8cm的30根纤维，使得纤维平行排列后固定成一排，得到第一纤维体；
S2：在第一纤维体上包裹上基料，在25℃下固化1h后得到厚度为0.3mm的第二纤维体，之后，用刷子将第二纤维体表面多余的基料刮掉。
S3：将第二纤维体与另一第二纤维体平行粘接，依次堆叠后形成第一复合材料，再将第一复合材料纵向切割，在25℃下固化1h后得到厚度为1mm的半成品；
S4：将半成品浸润于25mL溶胶剂中8min，用去离子水超声洗涤9min后，在25℃下干燥13min，之后，将其表面打磨光滑，即得。
所述步骤S2中导热填料的质量占第二纤维体的40％。
所述步骤S2中基料的质量占第二纤维体的60％。
所述溶胶剂购自佛山市格斗士五金磨具有限公司。
实施例2
一种绝缘高导热的纤维垫片材料，包括：基料和导热填料；所述导热填料为纤维状填料。
所述纤维状填料为氧化铝纤维，并且氧化铝纤维中氧化铝的质量含量为75％，直径为10μm，购自山东东珩国纤维材料有限公司，型号为AF17。
所述基料为聚氨酯，购自聚力(东莞)新材料科技有限公司，型号为JL-6039。
本实施例还提供了一种绝缘高导热的纤维垫片材料的制备方法，包括步骤如下：
S1：将所述纤维状填料切割成长度为5cm的30根纤维，使得纤维平行排列后固定成一排，得到第一纤维体；
S2：在第一纤维体上包裹上基料，在25℃下固化1h后得到厚度为0.3mm的第二纤维体，之后，用刷子将第二纤维体表面多余的基料刮掉。
S3：将第二纤维体与另一第二纤维体平行粘接，依次堆叠后形成第一复合材料，再将第一复合材料纵向切割，在25℃下固化1h后得到厚度为1mm的半成品；
S4：将半成品浸润于25mL溶胶剂中8min，用去离子水超声洗涤9min后，在25℃下干燥13min，之后，将其表面打磨光滑，即得。
所述步骤S2中导热填料的质量占第二纤维体的50％。
所述步骤S2中基料的质量占第二纤维体的50％。
所述溶胶剂购自佛山市格斗士五金磨具有限公司。
实施例3
一种绝缘高导热的纤维垫片材料，包括：基料和导热填料；所述导热填料为纤维状填料。
所述纤维状填料为氧化铝纤维，并且氧化铝纤维中氧化铝的质量含量为75％，直径为10μm，购自山东东珩国纤维材料有限公司，型号为AF17。
所述基料为聚氨酯，购自聚力(东莞)新材料科技有限公司，型号为JL-6039。
本实施例还提供了一种绝缘高导热的纤维垫片材料的制备方法，包括步骤如下：
S1：将所述纤维状填料切割成长度为8cm的30根纤维，使得纤维平行排列后固定成一排，得到第一纤维体；
S2：在第一纤维体上包裹上基料，在25℃下固化1h后得到厚度为0.3mm的第二纤维体，之后，用刷子将第二纤维体表面多余的基料刮掉。
S3：将第二纤维体与另一第二纤维体平行粘接，依次堆叠后形成第一复合材料，再将第一复合材料纵向切割，在25℃下固化1h后得到厚度为1mm的半成品；
S4：将半成品浸润于25mL溶胶剂中8min，用去离子水超声洗涤9min后，在25℃下干燥13min，之后，将其表面打磨光滑，即得。
所述步骤S2中导热填料的质量占第二纤维体的35％。
所述步骤S2中基料的质量占第二纤维体的65％。
所述溶胶剂购自佛山市格斗士五金磨具有限公司。
对比例1
将氧化铝的直径改为3.5μm，购自福斯曼科技(北京)有限公司，将步骤S1中切割后的纤维长度改为4cm，其余同实施例1。
对比例2
将所述步骤S2中导热填料的质量占第二纤维体改为60％，所述步骤S2中基料的质量占第二纤维体改为40％，其余同实施例1。
对比例3
将所述步骤S1中切割后的纤维长度改为12cm，将所述步骤S2中导热填料的质量占第二纤维体改为30％，将所述步骤S2中基料的质量占第二纤维体改为70％，其余同实施例1。
性能评价
(1)导热系数的测定：对实施例1-4和对比例1-3进行导热系数的测定，检测所用仪器为美国ANALYSIS TECH公司的TIM Tester 1400材料热阻导热系数测试仪，测试标准为ASTM D 5470，测试数据如下表1。
(2)电阻率测试：电阻率依据GB/T1410-2006，采用EST121型数字超高电阻微电流测量仪测定。
表1
Figure BDA0004093780950000061
Figure BDA0004093780950000071

Claims (10)

1.一种绝缘高导热的纤维垫片材料，其特征在于，包括：基料和导热填料；所述导热填料为纤维状填料，所述纤维状填料包括碳纤维、碳纳米管、氮化硼纤维、氧化铝纤维、铜纤维的至少一种。
2.根据权利要求1所述的一种绝缘高导热的纤维垫片材料，其特征在于，所述导热填料为氧化铝纤维，所述氧化铝纤维中氧化铝的质量含量为72-80％。
3.根据权利要求2所述的一种绝缘高导热的纤维垫片材料，其特征在于，所述氧化铝纤维的直径为8-15μm。
4.一种根据权利要求1所述的绝缘高导热的纤维垫片材料的制备方法，其特征在于，包括步骤如下：
S1：将所述纤维状填料切割成固定长度的纤维，使纤维平行排列后固定成一排，得到第一纤维体；
S2：在第一纤维体上包裹基料，固化后得到第二纤维体；
S3：将第二纤维体堆叠后固化成块得到第一复合材料，将第一复合材料切割后得到半成品；
S4：将半成品浸润于溶胶剂中，干燥后即得。
5.根据权利要求4所述的一种绝缘高导热的纤维垫片材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中将纤维状填料切割成长度为5-10cm。
6.根据权利要求4所述的一种绝缘高导热的纤维垫片材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中第二纤维体的厚度为0.2-0.5mm。
7.根据权利要求4所述的一种绝缘高导热的纤维垫片材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中导热填料的质量占第二纤维体的35-50％。
8.根据权利要求4所述的一种绝缘高导热的纤维垫片材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中基料的质量占第二纤维体的50-70％。
9.根据权利要求4所述的一种绝缘高导热的纤维垫片材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中固化的时间为0.8-1.2h，所述步骤S3中固化的时间为0.5-1.2h。
10.根据权利要求4所述的一种绝缘高导热的纤维垫片材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中的半成品的厚度为0.7-1.4mm。
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