本發(fā)明系關于一種導熱界面材料(thermal interface material)，特別是關于一種具有高導熱率和高耐熱特性的導熱界面材料。
背景技術：
電子元件、發(fā)光二極體(LED)或其他半導體元件在使用時會產生熱，而熱如果無法有效排除，將會降低電子元件效能，甚至失效或燒毀。該等半導體元件通常會連接于散熱座(heat sink)，其間需要使用導熱界面材料，將半導體元件與散熱座結合，并將該等半導體元件所產生的熱有效傳導至散熱座，以進行散熱。
傳統(tǒng)上，導熱界面材料可采用例如有機硅高分子系統(tǒng)或環(huán)氧樹脂系統(tǒng)等。有機硅高分子系統(tǒng)可選用例如硅脂(silicone grease)或硅橡膠(silicone rubber)，但其在長時間使用上，會產生流油與硬化等缺點。環(huán)氧樹脂系統(tǒng)雖然有黏著性與低價的優(yōu)勢，但環(huán)氧樹脂的耐溫性過差，在高溫長時間的使用下，會產生材料裂化的問題。
美國專利US6,776,226公開了一種使用氟系橡膠的導熱界面材料，用以取代以上傳統(tǒng)材料，并改善其缺點。導熱界面材料包含氟系橡膠的混合物，例如使用六氟丙烯(hexafluoropropylene)和二氟乙烯(vinylidene fluoride)共聚合物(copolymer)，其中使用兩種不同門尼黏度(Mooney viscosity)的氟系橡膠，分別大于50(MU)和小于50。低門尼黏度的氟系橡膠在熱或壓力環(huán)境下可提供良好的表面潤濕(surface wetting)特性.而高門尼黏度的氟系橡膠則提供較佳的操作性及壓縮性。結合高和低黏度氟系橡膠可在室溫下呈現(xiàn)固體狀但具有低黏度的特性，因而具有可潤濕不同性質表面(如金屬和塑膠)的特點。然而該導熱界面材料因需要搭配兩種不同黏度的氟系橡膠，而高和低黏度的氟系橡膠的比例也會影響熱阻值，因而增加制程復雜度，也可能會影響材料的穩(wěn)定性。就制程而言，該導熱界面材料需先將氟系橡膠溶解于溶劑(solvent)中，之后再進行混煉或加入導熱填料，制程較復雜，且溶劑對于環(huán)境不友善，不利于環(huán)境保護需求。
技術實現(xiàn)要素：
為了解決上述導熱界面材料的問題，本發(fā)明提供一種使用氟系橡膠的導熱界面材料或熱傳導界面材料，除了具有高導熱所能提供的優(yōu)異散熱特性外，同時也具備優(yōu)良的耐熱特性、耐化學特性，以及橡膠所有的彈性及壓縮性。
根據本發(fā)明一實施例，導熱界面材料包含氟系橡膠及均勻分散于該氟系橡膠中的導熱填料。氟系橡膠的含氟量大于50％(重量比)，且根據ASTM D1646于121℃時測得的門尼黏度ML(1+10)小于60。導熱填料占該導熱界面材料的體積百分比介于40～65％。該氟系橡膠可適用于無溶劑的制程，亦即該導熱界面材料系經由無溶劑工藝制作而成。該導熱界面材料的導熱率介于0.7W/m·K～9W/m·K。
一實施例中，氟系橡膠選自以下結構式的聚合物、共聚合物或混合物：
以及：
其中l(wèi),m和n為正整數。
一實施例中，導熱填料可以為氧化鋁、氮化鋁、氮化硼、碳化硅或其混合物，該導熱填料占該導熱界面材料的體積百分率在40～65％范圍，例如45％、50％、55％、60％。
一實施例中，該導熱界面材料只包含單一種類之氟系橡膠，不包含其他不同的氟系橡膠。亦即單純使用一種氟系橡膠即可達到耐化學性、耐熱性等效果。
一實施例中，該導熱界面材料另包含偶合劑，該偶合劑包含一個或多個氟官能團。
一實施例中，該氟系橡膠占該導熱界面材料的體積百分比在30～60％范圍，例如35％、40％、45％、50％、55％。
一實施例中，該導熱填料包含氧化鋁、氮化鋁、氮化硼、碳化硅、氧化鎂、氧化鋅或其混合物。該導熱填料的粒徑約為3-70μm。
一實施例中，該導熱界面材料另包含交聯(lián)劑(crosslink agent)，該交聯(lián)劑可為雙酚(bisphenol)、過氧化物(peroxide)或胺類(amine)。此外，亦可采用放射線的方式進行交聯(lián)。
因該導熱界面材料俱備橡膠特性，故可以經由高分子加工制程，例如：擠押(extrusion)、輪壓(calendaring)、或射出(injection molding)等方式出片成形。
本發(fā)明選用特定的氟系橡膠可有效增進導熱界面材料的耐熱性和耐化學性，且可經由擠押、輪壓或射出制程制作出片狀材料。優(yōu)選地，本發(fā)明選用可適用于無溶劑工藝的氟系橡膠，不僅工藝單純，不對環(huán)境造成污染。
具體實施方式
為讓本發(fā)明的上述和其他技術內容、特征和優(yōu)點能更明顯易懂，下文特舉出相關實施例，作詳細說明如下。
本發(fā)明公開一種導熱界面材料，其包含氟系橡膠和均勻分散于該氟系橡膠中的導熱填料。氟系橡膠占該導熱界面材料的體積百分比在30～60％的范圍。導熱填料占該導熱界面材料的體積百分比在40～65％的范圍。本發(fā)明的導熱界面材料的導熱率可達到0.7W/m·K～9W/m·K，從而有效進行熱逸散。
本發(fā)明所選用的氟系橡膠的含氟量大于50％或大于60％，進一步言之，氟系橡膠可選自以下結構式：
以及：
其中l(wèi),m和n為正整數。該導熱界面材料可以只包含單一種類的氟系橡膠，亦即不包含其他不同的氟系橡膠，以簡化制程并提升材料穩(wěn)定性。此外也可以選用氟系橡膠的共聚合物或混合物。
氟系橡膠可采用大金工業(yè)株式會社的DAI-EL G751、G752、G755、G763、G781、G783、G558、G575、G902；3M Dyneon的FC2211、FC2210、FC2145、FE5522、FE5832、FT2350等。該等氟系橡膠于121℃時的門尼黏度ML(1+10)小于60(單位MU)或小于40(MU)，該門尼黏度是根據ASTM D1646規(guī)范測試而得。
一實施例中，導熱填料可包含氧化鋁、氮化鋁、氮化硼、碳化硅、氧化鎂、氧化鋅或其混合物。導熱填料的粒徑約3～70μm，或特別是10～50μm。
以下表1和表2顯示本發(fā)明相關實施例的導熱界面材料的成分。實施例中的氟系橡膠是采用大金工業(yè)株式會社產制的DAI-EL G755，其含氟量為66％，且于121℃時的門尼黏度ML(1+10)為25，或者是3MTM DyneonTM的FT2350，其含氟量為68.6％，且于121℃時的門尼黏度ML(1+10)約為56。導熱填料可采用氧化鋁、氮化鋁及/或氮化硼，但并不以此為限。比較例中使用傳統(tǒng)的硅高分子而非使用氟系橡膠。實施例中偶合劑使用道康寧(Dow Corning)Q3-9030，該偶合劑包含單數個或復數個氟官能團。氟官能團如以下結構式，用于氟系橡膠與導熱陶瓷粉(導熱填料)間的偶合作用。
[表1]
[表2]
如表1和表2所示，選用G755或FT2350作為氟系橡膠，并添加氧化鋁、氮化鋁、氮化硼或其混合物等導熱填料，可在無溶劑工藝下制作出導熱界面材料，其導熱率約0.7～9W/m·K，或特別為1W/m·K、2W/m·K、4W/m·K、6W/m·K、8W/m·K。導熱填料添加百分比愈多，導熱率愈高，且通常氮化鋁和氮化硼相較于氧化鋁可提供較高的導熱率。氟系橡膠占導熱界面材料的體積百分比約在30～60％，而導熱填料占導熱界面材料的體積百分比約在40～65％。偶合劑的體積百分比約在0.5～1％
表3所示為實施例17和比較例的導熱率隨時間的變化值。實施例15的導熱率初始值為5.15W/m·K，在230℃的環(huán)境溫度下經過200小時(hrs)、400小時、600小時、800小時和1000小時后并冷卻至室溫(25℃)時的導熱率分別為5.21W/m·K、5.17W/m·K、5.07W/m·K、5.08W/m·K和5.11W/m·K。由此可見本發(fā)明的導熱界面材料長時間處在高溫環(huán)境下仍保持約等同的導熱率，并沒有材料劣化的情況。相對的，使用硅高分子的比較例，其初始值約4.65W/m·K，在230℃的環(huán)境溫度下經過200小時(hrs)、400小時、600小時、800小時和1000小時后并冷卻至室溫(25℃)時的導熱率分別為4.53W/m·K、4.15W/m·K、3.87W/m·K、2.81W/m·K和1.85W/m·K。很明顯的，處于高溫時間愈長，使用硅高分子的比較例的導熱率愈低，由此可知使用硅高分子的導熱界面材料有高溫劣化的問題。
[表3]
本發(fā)明的導熱界面材料生產時先以密練機(kneader)將氟系橡膠與導熱填料密練成均勻密練膠，之后將密練膠投入出片機，利用擠押、輪壓或射出方式制作需求厚度的片材，全制程無使用溶劑。本發(fā)明因為采用無溶劑的擠押、輪壓或射出，所以無法采用黏度太高的材料，不像有溶劑制程因采用涂布或網印方式，可容許使用黏度較高的材料。另外，相較于傳統(tǒng)的溶劑制程，本發(fā)明不需要后續(xù)除去溶劑的步驟，沒有溶劑殘留或溶劑去除過快導致材料的孔洞產生。
此外，本發(fā)明的導熱界面材料可添加交聯(lián)劑，例如采用雙酚(bisphenol)、過氧化物(peroxide)或胺類(diamine)，在高溫下將該界面材料交聯(lián)，或可采取放射線的方式，將導熱界面材料交聯(lián)，而形成一具有機械強度、尺寸穩(wěn)定性與耐環(huán)境性的片狀材料。交聯(lián)溫度大約在150～210℃，交聯(lián)時間約在60分鐘以內。
本發(fā)明選用特定的氟系橡膠可有效增進導熱界面材料的耐熱性和耐化學性，且可經由擠押、輪壓或射出制程制作出片狀材料。優(yōu)選地，本發(fā)明選用可適用于無溶劑工藝的氟系橡膠，不僅制程單純，不對環(huán)境造成污染。
本發(fā)明的技術內容及技術特點已揭示如上，然而本領域技術人員仍可能基于本發(fā)明的教示及揭示而作種種不背離本發(fā)明精神的替換及修飾。因此，本發(fā)明的保護范圍應不限于實施例所揭示者，而應包括各種不背離本發(fā)明的替換及修飾，并為權利要求書的范圍所涵蓋。