一种单组份热界面材料及其制备方法与流程

1.本发明属于芯片及电子设备的热管理技术领域，更具体地，涉及一种单组份热界面材料及其制备方法。


背景技术：

2.热管理是所有电子设备领域的关键需求之一。日趋密集的集成芯片封装技术需求对电子器件的性能提出了更高的要求，但芯片的功率提高和尺寸缩小会导致热量显著的增加，这极大的影响芯片及电子设备的使用效率和寿命。
3.热界面材料(thermal interface material，tim)应用于芯片表面与散热器之间，将热量导出至半导体封装外部区域，有效的保障了芯片的正常运转。传统的热界面材料主要是导热硅脂、导热垫片以及导热凝胶等。导热硅脂使用寿命较短，容易产生小分子物质的外溢和粉体干结，污染外界并造成导热能力的下降；导热垫片难以满足芯片封装的生产工艺要求，不能进行自动化的规模点胶操作，亦难以满足符合芯片对其超低厚度的要求。
4.市面常见的导热凝胶往往存在高导热系数、低热阻、高柔韧性(高柔韧性是指断裂伸长率指标高)、低粘合厚度(低粘合厚度是指采用的填料粒径低)这几个关键参数的不匹配，无法一一兼顾；而且常规凝胶的使用可靠性要求较低，无法满足芯片封装的严苛要求。高热流密度环境下芯片封装使用常规热界面材料会导致芯片温度过高、功能异常、寿命降低等的问题。


技术实现要素：

5.为了解决上述背景技术中所提出的问题，本发明的目的在于提供一种单组份热界面材料及其制备方法。
6.为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：一方面，本发明提供了一种单组份热界面材料，包括以下质量分数的原料组份制成：
7.端乙烯基聚硅氧烷1-10％、端含氢聚硅氧烷0.1-3.6％、侧含氢聚硅氧烷0.1-3.4％、催化剂0.01％、抑制剂0.003％、改性填料85-95％；
8.所述改性填料为硅烷偶联剂改性导热粉体。
9.进一步地，所述硅烷偶联剂改性导热粉体包括以下质量分数的原料组份制成：
10.导热粉体95-99％、硅烷偶联剂0.3-1％、纯水0.3-1％、醇类溶剂0.4-4.0％；
11.优选地，所述硅烷偶联剂改性导热粉体的制备方法包括以下步骤：先将导热粉体添加至行星机内，开动搅拌，将硅烷偶联剂、纯水、醇类溶剂进行搅拌混合，在5-15分钟内喷洒至导热粉体，然后行星机升温至45-65℃，恒温搅拌1-3小时，然后再升温至105-120℃，开动真空，恒温搅拌1-3小时，冷却至室温得所述硅烷偶联剂改性导热粉体。硅烷偶联剂、纯水、醇类溶剂必须先混合，然后再与导热粉体混合。硅烷偶联剂、水、醇三者混合后发生水解反应，硅烷偶联剂的可水解基团(一般为甲氧基或乙氧基)脱去，生成羟基，如果不预先混合，无法有效对粉体进行化学改性。
12.进一步地，所述导热粉体选自高纯球形铝粉、高纯球形氧化铝、高纯类球形氮化铝、高纯纳米氧化锌中的一种或几种；
13.优选地，所述高纯球形铝粉、高纯球形氧化铝、高纯类球形氮化铝的d50粒径为0.5-15μm。
14.进一步地，所述硅烷偶联剂选自癸基三甲氧基硅烷、十二烷基三甲氧基硅烷、十六烷基三甲氧基硅烷、十八烷基三甲氧基硅烷、长链乙烯基三甲氧基硅烷的一种或几种。
15.进一步地，所述端乙烯基聚硅氧烷的运动粘度为20-1000cst，乙烯基摩尔分数为0.1-3.5％。
16.进一步地，所述端含氢聚硅氧烷的运动粘度为10-150cst，含氢质量分数为0.01-0.3％。
17.进一步地，所述侧含氢聚硅氧烷的运动粘度为10-200cst，含氢质量分数为0.01-0.5％。
18.进一步地，所述催化剂选自氯铂酸、氯铂酸-异丙醇络合物、氯铂酸-乙烯基硅氧烷络合物中的一种或几种。
19.进一步地，所述抑制剂选自3-甲基-1-乙炔基-3-醇、3-甲基-1-十二炔-3-醇、2-苯基-3-丁炔-2-醇、1-乙炔基-1-环己醇、四甲基四乙烯基环四硅氧烷中的一种或几种。
20.另一方面，本发明提供了一种上述任一所述的单组份热界面材料的制备方法，包括以下步骤：
21.将所述端乙烯基聚硅氧烷、端含氢聚硅氧烷、侧含氢聚硅氧烷、抑制剂加入至搅拌装置中，搅拌均匀后添加改性填料，开动真空，升温至80-100℃，搅拌至混合均匀，冷却至室温，加入催化剂，常温抽真空搅拌至混合均匀，即得到所述单组份热界面材料。
22.再一方面，本发明提供了一种上述任一所述的单组份热界面材料在芯片封装及其热管理中的应用。
23.本发明的有益效果是：本发明提供的单组份热界面材料采用低粒径的高纯球形导热粉体(除高纯纳米氧化锌)，经过特殊硅烷的改性，在粉体表面接枝上兼容性良好的长链官能团，具有更优秀的亲油疏水性能，与树脂基体结合更紧密，改善了材料的柔韧性。本发明提供的单组份热界面材料具有高导热性能、高伸长、低模量、低粘合层厚度和低热阻，而且具有优异的浸润性能，能满足芯片封装工艺流程和技术的严苛需求，并具有高度应用可靠性，可以为芯片提供合适、稳定和健康工作温度环境，提高芯片的寿命和效率。
附图说明
24.图1是本发明实施例1所提供的单组份热界面材料的固化物扫描电镜图；
25.图2是本发明实施例1所提供的单组份热界面材料的模量测量曲线；
26.图3是本发明实施例1所提供的单组份热界面材料的粘度测量曲线。
具体实施方式
27.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人
员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
28.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
29.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合实施例来详细说明本发明。
30.实施例1
31.(1)改性填料的制备
32.将1kg高纯球形铝粉添加至行星机中进行搅拌，10分钟内滴加完偶联剂混合物，偶联剂混合物即配即用，偶联剂混合物为30g十二烷基三甲氧基硅烷、10g无水乙醇、10g纯水的组合。
33.行星机内升温至50℃，温度稳定后持续搅拌2小时；然后升温至120℃，温度稳定后打开真空，持续搅拌2小时；最后，冷却至室温得到改性填料。
34.(2)单组份热界面材料的制备
35.开启行星机，添加端乙烯基聚硅氧烷(端乙烯基聚硅氧烷的运动粘度为20-1000cst，乙烯基摩尔分数为0.1-3.5％)、端含氢聚硅氧烷(端含氢聚硅氧烷的运动粘度为10-150cst，含氢质量分数为0.01-0.3％)、侧含氢聚硅氧烷(侧含氢聚硅氧烷的运动粘度为10-200cst，含氢质量分数为0.01-0.5％)、2-苯基-3-丁炔-2-醇加入至行星搅拌机中，质量如下表所述，搅拌20分钟。
36.组分质量g端乙烯基聚硅氧烷8.392端含氢聚硅氧烷1.232侧含氢聚硅氧烷0.360抑制剂0.003
37.添加改性填料90g，搅拌30分钟，开动真空，恒压至-0.1mpa，开动加热，恒温至90℃，持续搅拌2小时。
38.冷却至室温，添加氯铂酸-乙烯基硅氧烷络合物0.013g，开动真空，持续搅拌30分钟，出料包装，即可得到单组份热界面材料。
39.将单组份热界面材料放置烘箱，设置150℃温度，固化2小时得到固化物。单组分热界面材料固化物的扫描电镜图如图1所示，从图1可以看出，填料均匀的分布在树脂基体内部，形成了致密的导热通路。
40.单组分热界面材料通过流变仪测试的模量曲线如图2所示，从图2可以看出，其储能模量以及损耗模量在后期已逐渐趋于恒定，储能模量为45kpa，损耗模量为11kpa。
41.单组分热界面材料通过流变仪测试的粘度曲线如图3所示，从图3可以看出，其具有剪切变稀性能也具有一定的触变性，粘度适中，为320pa-s(25℃)。
42.实施例2
43.本实施例提供的制备方法与实施例1的区别在于：
44.改性填料的制备过程中，偶联剂为十六烷基三甲氧基硅烷。
45.实施例3
46.本实施例提供的制备方法与实施例1的区别在于：
47.改性填料的制备过程中，偶联剂混合物为15g十二烷基三甲氧基硅烷、5g无水乙醇、5g纯水的组合。
48.实施例4
49.本实施例提供的制备方法与实施例1的区别在于：
50.改性填料的制备过程中，偶联剂混合物为50g十二烷基三甲氧基硅烷、5g无水乙醇、8g纯水的组合。
51.实施例5
52.本实施例提供的制备方法与实施例1的区别在于：
53.单组份热界面材料的制备过程中，端乙烯基聚硅氧烷、端含氢聚硅氧烷、侧含氢聚硅氧烷、抑制剂的添加量如下表所示。
54.组分质量，g端乙烯基聚硅氧烷6.894端含氢聚硅氧烷0.837侧含氢聚硅氧烷0.253抑制剂0.003
55.添加改性填料92g，搅拌30分钟，开动真空，恒压至-0.1mpa，开动加热，恒温至90℃，持续搅拌2小时。
56.实施例6
57.本实施例提供的制备方法与实施例1的区别在于：
58.单组份热界面材料的制备过程中，将改性填料均分为3份，30min内每隔10min添加进行星机。搅拌30分钟，开动真空，恒压至-0.1mpa，开动加热，恒温至90℃，持续搅拌2小时。
59.对上述实施例1至6提供的单组份热界面材料的流变性能，基本力学性能、基本热学性能以及可靠性能进行测试，测试结果如下：
60.[0061][0062]
综上，本发明粉体选自低粒径的高纯球形导热粉体，经过特殊硅烷的改性，在粉体表面接枝上兼容性良好的长链官能团，具有更优秀的亲油疏水性能，与树脂基体结合更紧密，改善了材料的柔韧性。本发明单组份热界面材料具有高导热性能、高伸长、低模量、低粘合层厚度和低热阻，而且具有优异的浸润性能，能满足芯片封装工艺流程和技术的严苛需求，并具有高度应用可靠性，可以为芯片提供合适、稳定和健康工作温度环境，提高芯片的寿命和效率。
[0063]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。