專利名稱：柔順且可交聯的熱界面材料的制作方法
本申請是申請日為2002年1月17日，申請號為02804266.2的發明專利申請的分案申請。
本申請要求美國實用新型申請No.09/774466的權利，在此將其全文引入作為參考。
背景技術：
隨著電子器件變得更小并更高速地運行，以熱量形式放射出的能量劇增。在本行業中普遍的做法是在這些器件中單獨或借助于載體使用熱脂或油脂狀材料，來轉移經過物理界面散逸的多余熱量。最常用的熱界面材料的類型是熱脂、相變材料和彈性體帶。熱脂或相變材料比彈性體帶的阻熱更低，這是因為其能夠被分布成為極薄層并能在相鄰表面之間提供緊密接觸。典型的熱阻抗值為0.6-1.6℃cm2/W。
熱脂的嚴重缺陷是當其用于VLSI芯片中時，在熱循環，如-65℃至150℃之后，或在做功循環之后，其導熱性能會顯著變差。還發現，當表面平面度的大偏差在電子器件中的接觸面之間形成縫隙或由于其它原因如制造公差等在接觸面之間出現大的縫隙時，這些材料的性能會變差。當這些材料的熱傳遞能力失效時，使用了這些材料的電子器件的性能會受到負面影響。本發明提供了一種熱界面材料，該材料特別適合用作電子器件的界面材料。
發明內容
本發明提供了一種柔順且可交聯的材料，所述材料包含硅氧烷樹脂混合物，如乙烯基硅氧烷、乙烯基Q樹脂、含氫功能團的硅氧烷和鉑-乙烯基硅氧烷的混合物，潤濕促進劑和至少一種導熱填料。所述柔順的導熱材料能夠促進高功率半導體器件中的熱量散逸并保持穩定的熱性能。在使用該材料的電子器件的熱-力學應力或波動的功率循環中，不會發生界面層離或相分離。
所述柔順且可交聯的熱界面材料可以這樣進行配制將各組分混合在一起以得到一種糊狀物，可用各種分配方法將其施涂在任何特定的表面上并在室溫或高溫下固化。也可以配制為高度柔順、固化的、粘性彈性體薄膜或片材以用在其它的界面用途中，在這些用途中該材料可以預先施用在例如受熱器上或用在任何其它的界面情況下。
最好在將要摻入的填料中包含至少一種導熱填料，如銀、銅、鋁及其合金；氮化硼、氮化鋁、鍍銀的銅、鍍銀的鋁和碳纖維。另外，向其中加入抗氧化劑以降低樹脂氧化作用，加入潤濕促進劑以促進表面的潤濕作用，加入固化加速劑如可令其在室溫下固化，加入降粘劑來提高分散性和加入交聯助劑，這樣做可能也是有用的。還經常需要包含基本為球形顆粒的填料以限制所述用于界面用途中的柔順材料的可壓縮性，即限制或控制其厚度。
還發現，樹脂體系如上述的填料和混有硅氧烷樹脂混合物的組合的導熱率可通過向體系中摻入碳微纖維和其它填料而得到特別地改進。
具體實施例方式
柔順且可交聯的熱界面材料可以如下配制將硅氧烷樹脂混合物如乙烯基硅氧烷、乙烯基Q樹脂、含氫功能團的硅氧烷和鉑-乙烯基硅氧烷的混合物，有機鈦酸酯潤濕促進劑和至少一種導熱填料混合在一起。可以混入不止一種的硅氧烷樹脂混合物來制造柔順且可交聯的界面材料。含硅氧烷樹脂的界面材料，結合以適當的導熱填料，表現出的熱容低于0.5cm2℃/W。與熱脂不同，所述材料的熱性能在IC器件的熱循環或流動循環(flow cycling)之后不會變差，這是因為液態的硅氧烷樹脂在熱活化作用下會交聯形成軟凝膠。而且，當用作界面材料時，其不會像熱脂那樣被“擠出來”并且不會在熱循環中發生界面層離。該新材料可以以可分配的液體糊狀物的形式提供，用分配方法施用，然后按需要固化。其也可以以高度柔順、固化的彈性體薄膜或片材的形式提供以預先施用在界面如受熱器上。使用導熱率大于約0.2，優選至少為約0.4w/m℃的填料是有利的。柔順的導熱材料促進了高功率半導體器件的熱量散選。所述糊狀物可以配制成功能硅氧烷樹脂和導熱填料的混合物。
如本文中所使用的，術語“柔順”涵蓋的材料性能是該材料在室溫下是屈服且可成型的，與室溫下是固體且不屈服的材料相反。如本文中所使用的，術語“可交聯”指尚未交聯的那些材料或化合物。
乙烯基Q樹脂是一種活性硫化的特種硅氧烷橡膠，其具有如下的基體聚合物結構
乙烯基Q樹脂還是用于加成固化彈性體的透明的增強添加劑。含有至少20％Q-樹脂的乙烯基Q樹脂分散體的例子有VQM-135(DMS-V41 Base)，VQM-146(DMS-V46 Base)和VQX-221(在二甲苯Base中含50％)。
例如，一種可考慮使用的硅氧烷樹脂混合物可如下形成
該樹脂混合物既可在室溫下也可在高溫下固化以形成柔順的彈性體。該反應通過含氫功能團的硅氧烷在催化劑，如鉑絡合物或鎳絡合物存在下與含乙烯基功能團的硅氧烷的氫化硅烷化作用(加成固化)來實現。優選的鉑催化劑為SIP6830.0，SIP6832.0和鉑-乙烯基硅氧烷。
可考慮的乙烯基硅氧烷的實例包括分子量為約10000-50000的乙烯基封端的聚二甲基硅氧烷。含氫功能團的硅氧烷的實例包括甲基氫化硅氧烷-二甲基硅氧烷共聚物，其分子量為約500-5000。物理性質可從非常低交聯密度下的非常柔軟的凝膠到較高交聯密度的韌性彈性體網絡之間變化。
分散在樹脂混合物中的導熱填料顆粒最好具有高導熱率。適合的填料材料包括銀、銅、鋁及其合金；氮化硼，鋁球體，氮化鋁，鍍銀的銅，鍍銀的鋁和碳纖維。氮化硼和銀或氮化硼和銀/銅的組合也能提供高導熱率。至少為20wt％用量的氮化硼，至少為70wt％用量的鋁球體和至少為約60wt％用量的銀特別有用。
一種包含稱作“蒸汽生成碳纖維”(VGCF)的特殊形式的碳纖維的填料具有特殊效能，其可從Applied Sciences，Inc.，Cedarville，.Ohio獲得。VGCF，或“碳微纖維”，是一種經過熱處理的高度石墨化的形式(導熱率＝1900w/m℃)。加入約0.5wt％的碳微纖維能顯著提高導熱率。可以購得各種長度和直徑的此類纖維；如，1mm至幾十厘米長和小于0.1至超過100μm的直徑。一種有用的形式為直徑不大于約1μm且長度為約50-100μm，其具有的導熱率比直徑大于5μm的其它普通碳纖維大約2或3倍。
向樹脂體系如上述的硅氧烷樹脂混合物中加入大量的VGCF是困難的。當向所述樹脂中加入碳微纖維，例如(約1μm或更小)時，它們不能良好地混合，因為相對于樹脂的量需要加入大量的纖維以有益地提高導熱率。然而，我們發現可以向含有相對大量的其它纖維的樹脂體系中加入較大量的碳微纖維。當樹脂中加入了其它纖維時可以比單獨向聚合物中添加時加入更大量的碳微纖維，由此可以在改善熱界面材料的導熱率方面提供更大益處。碳微纖維與聚合物的重量比優選為0.05-0.50。
摻入基本為球形的填料顆粒使填充密度最大化也是有利的。另外，基本為球體或相似的形狀還可以在壓實過程中提供對厚度的某種控制。加入功能化有機金屬偶聯劑或潤濕劑，如有機硅烷，有機鈦酸酯，有機鋯等可以使填料顆粒易于分散。在樹脂材料中使用的填料的一般顆粒度可以是約1-20μm，最大為約100μm。可以加入抗氧化劑以抑制樹脂混合物凝膠的氧化作用和熱降解。一般使用的抗氧化劑包括Irganoz1076，酚類的Irganox565，胺類，(用量為0.01％-約1wt％)，購自Ciba Giegy ofHawthorne，New York.
為說明本發明，通過將描述于以下實施例A-F中的各組分混合制備了一些實例。所列的實施例包含一種或多種任選的添加物，例如抗氧化劑或潤濕性促進劑。這些添加物的量可以變化，但是通常它們以大約以下的量存在是有用的(以重量百分數計)填料為最高至總量(填料加樹脂)的95％；潤濕性促進劑為(總量的)0.1-5％；增粘劑為(總量)的0.01-1％以及抗氧化劑為(總量的)0.01-1％。應當注意的是加入至少約0.5％的碳纖維顯著提高了導熱率。實施例還顯示了對所考慮使用的混合物的各種物理-化學性能的測試。
導熱糊狀物實施例
環氧硅烷和硅烷醇封端的乙烯基硅氧烷是增粘添加劑。有機鈦酸酯作為潤濕促進劑降低了糊狀物粘度并增加填料負載。所用的有機鈦酸酯為異丙基三異硬脂酰基鈦酸酯。有機鈦酸酯的一般結構為RO-Ti(OXRY)，其中RO為可水解基團，X和Y是粘合劑官能團。鋁球體的顆粒尺寸為1-20μm。
這樣，柔順且可交聯的熱界面材料的特定實施方案和用途得到了公開。然而，對于本領域技術人員而言，除已經描述過的那些，在不背離本發明的概念的情況下是可能有更多的改進方案，這一點是顯而易見的。因此，本發明的主旨除了受所附權利要求的精神限制以外將不受其它限制。而且，在理解說明書和權利要求時，所有術語都應以與上下文一致的最廣義的可能方式去理解。特別是術語“包含”應被理解為其是非排除地引用元素、組分或步驟，表明其所指的元素、組分或步驟可與其它未特別指明的元素、組分或步驟一起存在或使用或相互結合。
權利要求
1.一種包含柔順的且可交聯的材料的電子器件，其中所述材料包含至少一種硅氧烷樹脂混合物和至少一種導熱填料，并且所述至少一種硅氧烷樹脂混合物包含乙烯基Q樹脂。
2.權利要求1的電子器件，其中所述材料還包含至少一種潤濕促進劑。
3.權利要求1的電子器件，其中所述至少一種硅氧烷樹脂混合物還包含乙烯基封端的硅氧烷，交聯劑和催化劑。
4.權利要求3的電子器件，其中的乙烯基封端的硅氧烷是乙烯基硅氧烷。
5.權利要求3的電子器件，其中的交聯劑包含一種含氫功能團的硅氧烷。
6.權利要求3的電子器件，其中的催化劑包含一種鉑絡合物。
7.權利要求6的電子器件，其中的鉑絡合物是鉑-乙烯基硅氧烷化合物。
8.權利要求2的電子器件，其中的潤濕促進劑包含一種有機鈦酸酯化合物。
9.權利要求1的電子器件，其中所述填料包含如下的至少一種銀、銅、鋁及其合金；氮化硼，氮化鋁，鋁球體，鍍銀的銅，鍍銀的鋁和碳纖維；以及它們的混合物。
10.權利要求9的電子器件，其中所述材料除了至少含有一種其它填料以外還包含碳微纖維。
11.權利要求1的電子器件，其中所述填料包含碳微纖維和至少一種其它填料，其包含銀、銅、鋁及其合金；氮化硼，氮化鋁，鍍銀的銅，鍍銀的鋁和碳纖維；以及它們的混合物。
12.權利要求1的電子器件，其中至少一部分所述填料包含其本為球形的顆粒。
13.權利要求1的電子器件，其中所述材料還包含一種抗氧化劑。
14.權利要求13的電子器件，其中所述抗氧化劑存在的量為0.01-1wt％。
15.一種含有柔順的且可交聯的材料的可分配的液態糊狀物，其中所述材料包含至少一種硅氧烷樹脂混合物和至少一種導熱填料，并且所述至少一種硅氧烷樹脂混合物包含乙烯基Q樹脂。
16.權利要求15的可分配的液態糊狀物，其還包含至少一種潤濕促進劑。
17.權利要求15的可分配的液態糊狀物，其中所述至少一種硅氧烷樹脂混合物包含70-97wt％乙烯基封端的硅氧烷，3-10wt％交聯劑和20-200ppm催化劑。
18.權利要求17的可分配的液態糊狀物，其中所述至少一種硅氧烷樹脂混合物還包含約75wt％乙烯基封端的硅氧烷，約5wt％交聯劑和約20-200ppm催化劑。
19.權利要求18的可分配的液態糊狀物，其中的乙烯基封端的硅氧烷包括乙烯基硅氧烷。
20.權利要求18的可分配的液態糊狀物，其中的交聯劑包含一種含氫功能團的硅氧烷。
21.權利要求18的可分配的液態糊狀物，其中的催化劑包含一種鉑絡合物。
22.權利要求15的可分配的液態糊狀物，其中所述至少一種硅氧烷樹脂混合物可在室溫下固化。
全文摘要
描述了一種由至少一種硅氧烷樹脂混合物，至少一種潤濕促進劑和至少一種導熱填料形成的柔順的且可交聯的熱界面材料，制備和使用該材料的方法；以及提高聚合物和樹脂體系導熱率的方法。
文檔編號C08J5/18GK1927989SQ20061013182
公開日2007年3月14日 申請日期2002年1月17日 優先權日2001年1月30日
發明者M·阮, J·格倫迪, C·愛德華茲 申請人:霍尼韋爾國際公司