含有纳米材料以增强体积导热率的有机基体制造技术

热界面组合物包含与聚合物基体共混的纳米微粒。这样的组合物增加聚合物复合材料的体积导热率以及降低存在于热界面材料与相应的配合表面之间的界面热阻。含有纳米微粒的制剂也比不含有纳米微粒的制剂显示更少的微米大小的微粒相分离。在某些实施方案中，热界面组合物（２）配置在热量产生元件（３）与吸热器之间。（*该技术在2024年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本公开涉及使用纳米微粒以增加聚合物基体的导热率。
技术介绍
许多电子元件在运行期间产生热量。如果该热量未以有效的方式自电子元件除去，它将累积。然后可产生电子元件故障或永久性损害。因此，热处理技术通常实施于电子线路和系统以便于在运行过程期间除去热量。热处理技术通常包括使用一些形式的吸热器以将热量自电子系统中的高温区域传导掉。吸热器为自高导热率材料(例如一般地为金属)形成的机械连接于电子元件以助于除去热量的结构。以相对简单的形式，吸热器可包括在运行期间与电子线路接触的金属片(例如铝或铜)。来自电子线路的热量通过元件之间的机械界面流入到吸热器中。在一般的电子元件中，通过将吸热器的平表面对着电子元件平表面放置并采用一些形式的粘合剂或固定器把吸热器固定就位，吸热器被机械连接于在运行期间产生热量的元件。如可知，吸热器的表面和元件的表面将很少是完全平面的或光滑的，所以在表面之间通常存在空气间隙。如通常熟知的那样，在两个相对表面之间存在空气间隙减少通过表面之间的界面传输热量的能力。因此，这些空气间隙减少吸热器作为热处理装置的有效性和价值。为了解决这个问题，已经开发用于放置在传热表面之间以减少它们之间的热阻的聚合物组合物。目前热界面材料的体积导热率主要受到聚合物基体的低导热率限制(在热界面材料或TIMs中聚合物通常为～0.2W/m-K)。通过一些估计(“Thermally Conductive Polymer Compositions(导热聚合物组合物)”，D.M.Bigg.，Polymer Composites，1986年6月，第7卷，第3期)，电绝缘聚合物复合材料可达到的最大体积导热率仅为基础聚合物基体的20-30倍。一旦填充剂的导热率超过基础聚合物基体100倍，该数值没什么变化，与填充剂类型无关。因此，聚合物材料的导热率比吸热器的导热率低，导致不能够自热量产生元件向吸热器有效传输热量。另外，有效传热能力由于界面缺陷被进一步减小，归因于1)微米或纳米空隙，和2)通过填充剂沉降引起的填充剂消耗层或微米大小的填充剂不能穿透入小于填充剂大小的表面不规则处。因此需要存在改进的组合物以在吸热器和热量产生元件之间有效地传输热量。概述本公开的热界面组合物含有纳米微粒，其用至少一种共混到有机基体中的有机官能团官能化。在某些实施方案中，热界面组合物也包含微米大小的填充剂微粒。电子元件在此也得到描述，其包含热量产生元件和吸热器或散热器，每一个接触含有与有机基体共混的有机官能化纳米微粒的热界面组合物。本公开增加传热效力的方法包括在热量产生元件与吸热器或散热器之间放入含有与有机基体共混的有机官能化纳米微粒的热界面组合物的步骤。附图简述附图说明图1为本公开电子元件的图解表示。详细描述本专利技术提供了含有与有机基体共混的官能化纳米微粒的热界面组合物。纳米微粒可共价连接于基体，或者通过非共价力分散到基体中。含有本公开纳米微粒的基体将具有比不含有纳米微粒的基体更高的导热率。因此官能化纳米微粒增加基体的体积导热率，同时保持使得易于加工和操作的粘度。在下文描述的某些实施方案的由微米大小填充剂和含有纳米微粒的有机基体构成的聚合物复合材料可达到比仅由微米大小填充剂和有机基体的类似共混物更高的导热率。这提供更高的最大可达到体积导热率。另外，纳米微粒可穿透入微米大小填充剂进不去的表面孔隙和不规则处，因此减小界面阻力的作用。聚合物基体中增加的导热率在其中发生填充剂沉降和随后出现“表层”(由很少至没有微米填充剂组成的层)的情况中减小界面阻力方面也是有利的。如果表层比另外可达到的具有更高的导热率，传热的减少将不那么剧烈。加入纳米微粒的另一个益处是这些小微粒可防止或降低微米大小填充剂沉降的速率，因此减少在界面材料填充剂消耗层形成的可能性。可官能化和比有机基体具有更高导热率的任何纳米微粒可用于制备本专利技术组合物。合适的纳米微粒包括但不限于胶态氧化硅、多面体低聚物硅倍半氧烷(“POSS”)、纳米大小金属氧化物(例如氧化铝、二氧化钛、二氧化锆)、纳米大小金属氮化物(例如氮化硼、氮化铝)和纳米金属微粒(例如银、金或铜纳米微粒)。在尤其有用的实施方案中，纳米微粒为有机官能化POSS材料或胶态氧化硅。胶态氧化硅作为亚微米大小的二氧化硅(SiO2)微粒在水或其它溶剂介质中的分散体存在。胶态氧化硅含有高达约85％重量二氧化硅(SiO2)，一般地高达约80％重量的二氧化硅。胶态氧化硅的粒度通常为约1纳米(“nm”)-约250nm，更通常约5nm-约150nm。纳米微粒官能化以改善它们与有机基体的相容性。加到纳米微粒的官能团的确切化学性质因此将取决于多种因素，包括所选择具体纳米微粒的化学性质和基体的化学组成。另外，官能团可以是反应性、非反应性的或两者的组合。反应性官能团为可与纳米微粒分散于其中的有机基体或与最终组合物分配于其上的配合表面反应的官能团。随后的化学反应通过共价键将纳米微粒附着于有机基体或配合表面。合适的官能剂包括含有烷基、烯基、炔基、甲硅烷基、甲硅烷氧基、丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、环氧化物、芳基、氢化物、氨基、羟基和其它官能团的有机烷氧基硅烷、有机氯硅烷、有机醋酸酯硅烷和有机硅氮烷。用于将官能团加入纳米微粒的反应方案处于本领域技术人员的视野范围内。官能化纳米微粒可有利地制备为在相容溶剂中的分散体以便于与有机基体结合。特别有用的分散体具有20-50％的固体含量，然而可使用使得分散体可浇注或可流动的任何固体含量。在尤其有用的实施方案中，官能化纳米微粒为有机官能化POSS材料或用有机烷氧基硅烷官能化的胶态氧化硅。用于官能化胶态氧化硅的有机烷氧基硅烷包含在下式中(R1)aSi(OR2)4-a其中R1在每一种情况下独立为用丙烯酸烷基酯、甲基丙烯酸烷基酯、环氧化物、乙烯基、烯丙基、苯乙烯系、甲硅烷基或甲硅烷氧基或C6-14芳基任选地进一步官能化的C1-18一价烃基团；R2在每一种情况下独立为C1-18一价烃基团或氢基团；“a”为等于1至3并包括1和3在内的整数。优选地，在本公开中包含的有机烷氧基硅烷为2-(3，4-环氧环己基)乙基三甲氧基硅烷、3-缩水甘油氧基丙基三甲氧基硅烷、苯基三甲氧基硅烷、甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷(MAPTMS)、1-己烯基三乙氧基硅烷、正辛基三乙氧基硅烷、正十二烷基三乙氧基硅烷和2-(3-乙烯基-四甲基二甲硅烷氧基)-乙基三甲氧基硅烷。官能性的组合是可能的。通常，有机烷氧基硅烷以基于包含于胶态氧化硅中的二氧化硅重量约2％重量-约60％重量存在。生成的有机官能化胶态氧化硅可用酸或碱处理以中和pH。也可使用酸或碱以及促进甲硅烷醇与烷氧基硅烷基团缩合的其它催化剂以助于官能化方法。这样的催化剂包括有机钛和有机锡化合物例如四丁基钛酸酯、异丙氧基双(乙酰基丙酮酸)钛、二月桂酸二丁基锡、二乙酸二丁基锡或其组合。通过以上述重量比例向已经加入脂族醇的市售可得到的胶态氧化硅的含水分散体中加入有机烷氧基硅烷官能化剂，可实施胶态氧化硅的官能化。生成的包含脂族醇中的官能化胶态氧化硅和有机烷氧基硅烷官能化剂的组合物在此定义为预分散体。合适的脂族醇包括但不限于异丙醇、叔丁醇、2-丁醇、1-甲氧基-2-丙醇及其组合。脂族醇的量一般地为存在于含水胶态氧化硅预分散体中二氧化硅量的约本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种热界面组合物，所述组合物包含聚合物基体和纳米微粒的共混物。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】

【专利技术属性】
技术研发人员：H钟，S拉宾什塔恩，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]