背景
本公開(kāi)的領(lǐng)域一般涉及粘合劑組合物,并且更具體地涉及包含也電絕緣的導(dǎo)熱性碳基材料的粘合劑組合物。公開(kāi)的其他方面涉及使用這種粘合劑組合物的方法和它們的制備方法。
制造電子設(shè)備通常需要使用粘合劑組合物。粘合劑組合物用于將電子元件(例如,芯片和電阻器)連接至設(shè)備中的靶表面,如安裝表面或散熱器(吸熱,heat sink)表面。在一些例子中,期望使用導(dǎo)熱性粘合劑組合物(即,傳熱良好的組合物),以便通過(guò)電子元件產(chǎn)生的熱可容易地經(jīng)過(guò)粘合劑至散熱器(例如,設(shè)備中鋁或銅合金)并可防止設(shè)備過(guò)熱。
導(dǎo)熱性材料通常也是導(dǎo)電的。結(jié)果,當(dāng)常規(guī)電子設(shè)備中部分粘合劑(并尤其是粘合劑的填料材料,如各種金屬)由于設(shè)備(例如,如在手持設(shè)備或在運(yùn)輸中使用的設(shè)備)的老化或重復(fù)傳送而移位時(shí),粘合劑的導(dǎo)電部分可接觸設(shè)備的有源區(qū)域并可造成設(shè)備短路。這種事件可潛在地造成設(shè)備故障。此外,如果調(diào)整粘合劑組合物以增加它的熱導(dǎo)率(例如,通過(guò)并入大量的金屬),粘合劑的導(dǎo)電性可增加至這樣一個(gè)點(diǎn),在該點(diǎn)粘合劑變成導(dǎo)電的,引起設(shè)備短路。因此,材料通常被包裝在陶瓷或塑料包裝中,這增加了設(shè)備成本。
存在對(duì)下述粘合劑組合物的需要:其不導(dǎo)電但具有高熱導(dǎo)率,允許從熱產(chǎn)生元件傳熱至散熱器。也存在用于制備這種粘合劑組合物并在電子設(shè)備中使用該組合物的方法的需要。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本公開(kāi)的一方面涉及適合于用作電子元件的熱導(dǎo)體的粘合劑組合物。該組合物包括至少部分用電絕緣涂層涂敷的碳基顆粒。
本公開(kāi)的另一方面涉及生產(chǎn)導(dǎo)熱性粘合劑組合物的方法。該方法包括將電絕緣涂層沉積在碳基顆粒上并將涂敷的碳基顆粒與粘結(jié)劑混合。
在進(jìn)一步方面中,生產(chǎn)電子設(shè)備的方法包括施用粘合劑組合物至靶表面。粘合劑組合物包括粘合劑和至少部分用電絕緣涂層涂敷、分散遍及粘結(jié)劑的碳基顆粒。元件被施用粘合劑組合物以將該元件粘附至靶表面。接著固化粘合劑組合物。
已經(jīng)討論的特征、功能和優(yōu)點(diǎn)可單獨(dú)地在本公開(kāi)的各種實(shí)施方式中實(shí)現(xiàn)或可與其他實(shí)施方式結(jié)合,其進(jìn)一步細(xì)節(jié)可參考下面的說(shuō)明書(shū)和附圖可見(jiàn)。
附圖簡(jiǎn)述
圖1是在其上有氮化硼涂層并且根據(jù)實(shí)施例1制備的碳纖維的照片;
圖2是圖1的碳纖維末端的照片;
圖3是根據(jù)實(shí)施例1制備的涂敷碳纖維的EDAX分析的圖形描述;和
圖4是在其上有氮化硼晶體并且根據(jù)實(shí)施例3制備的碳纖維的照片。
發(fā)明詳述
本公開(kāi)所提供的包括適合用在電子元件中的粘合劑組合物和用于制備和使用這種組合物的方法。一般而言,組合物包括用電絕緣涂層涂敷的碳基顆粒。這種涂層保護(hù)其中使用該顆粒的設(shè)備避免由于顆粒的導(dǎo)電性或部分粘合劑(例如,單個(gè)涂敷顆?;蜻@種顆粒組)的移位造成可能的短路。碳基顆粒可分散在賦予組合物粘合劑性質(zhì)的一種或多種粘結(jié)劑材料中。使用碳基材料是由于,與金屬材料相比較,它們相對(duì)高的熱導(dǎo)率、重量輕(即,低密度)以及抗氧化性和抗熔性。
如本文所提及,“碳基顆?!敝赣砂粗亓坑?jì)至少約50%的碳組成的顆粒。在其他實(shí)施方式中,碳基顆粒包含按重量計(jì)至少約75%、至少約90%或甚至至少約95%的碳。碳基顆粒的熱導(dǎo)率可以是至少500W/m·K,并在其他實(shí)施方式中,熱導(dǎo)率為至少約1000W/m·K,至少約2000W/m·K,至少約4500W/m·K或甚至至少約6000W/m·K。碳顆粒的電阻可小于約100ohms·cm,小于約50ohms·cm,小于約30ohms·cm,小于約1ohms·cm或甚至小于約0.1ohms·cm。
在粘合劑中使用的碳基顆粒的來(lái)源可以是各種材料,包括例如,碳纖維、石墨、片狀石墨(exfoliated graphite)、石墨烯(graphene)和其組合。在某些實(shí)施方式中,顆粒是碳纖維如,例如, DKD纖維,從Cytec Industries Inc.(Stamford,CT)可獲得。碳基顆??刹捎酶鞣N形狀,包括片狀、纖維狀、球形、薄片狀、管狀、棒狀和菱形;但是,在不背離本公開(kāi)范圍的情況下可以使用任何形狀。一般而言,各向異性材料如,例如,纖維狀、棒狀和片狀材料是優(yōu)選的,因?yàn)檫@些材料以低的并入率(即,以更低相對(duì)體積的材料)提供高熱導(dǎo)率??梢允褂秒娊^緣碳基材料;但是,這些材料是次優(yōu)選的,因?yàn)樗鼈兺ǔ>哂休^低導(dǎo)熱性。在某些實(shí)施方式中,碳基材料是石墨炭,并且在其他實(shí)施方式中,是金剛石(天然的或合成的)。在一些實(shí)施方式中,在粘合劑組合物中使用碳納米管。
碳基顆粒的顆粒大小可根據(jù)期望的粘合劑性質(zhì)(粘合力、熱導(dǎo)率、粘度等)而改變并通??杀槐绢I(lǐng)域技術(shù)人員測(cè)定。在一些實(shí)施方式中,顆粒的最大尺寸平均小于約1mm并可平均小于約500μm,小于約250μm,小于約100μm或甚至小于約1μm。在使用纖維顆粒的實(shí)施方式中,纖維直徑可小于約100nm(例如,小于約50nm或從約5nm至20nm)并且長(zhǎng)度平均可小于約500μm(例如,小于約300μm或從約200μm至約300μm)。當(dāng)使用碳棒時(shí),棒直徑可小于約100nm(例如,小于約50nm或從約5nm至約50nm)并且長(zhǎng)度平均可小于約5μm(例如,小于約3μm或從約500nm至約2μm)。當(dāng)使用片狀時(shí),片的最大寬度可小于約100μm(例如,小于約50μm或從約10μm至約40μm)并且片的厚度可小于約50nm(例如,小于約20nm或從約5nm至約40nm)。一般而言,可按照本公開(kāi)沒(méi)有限制地使用不同于上面舉例的那些的顆粒大小。
碳基顆粒可用電絕緣涂層涂敷。涂層可覆蓋每個(gè)顆粒的一部分或顆粒的整個(gè)表面并可不受限制地覆蓋一些顆?;蛩蓄w粒。為了本公開(kāi)的目的,“電絕緣涂層”是下述涂層,其降低碳基顆粒的導(dǎo)電性至小于未涂敷碳基顆粒的導(dǎo)電性,換言之,增加電阻至大于未涂敷碳基顆粒的電阻??赏ㄟ^(guò)例如在下面實(shí)施例2中描述的測(cè)試方法測(cè)量電阻。涂敷之后碳顆粒的電阻可為至少約50ohms·cm,并在其他實(shí)施方式中,至少約100ohms·cm,至少約1000ohms·cm,至少約1×105ohms·cm或甚至至少約1×108ohms·cm。涂敷顆粒的熱導(dǎo)率可為至少約50W/m·K,至少約300W/m·K,至少500W/m·K,至少約2000W/m·K,至少約4500W/m·K或甚至至少約6000W/m·K。
合適的涂層材料包括,例如,陶瓷如金屬氧化物、金屬氮化物、金屬碳化物和其組合。陶瓷材料可以是,例如,碳化硼、氮化硼、碳化硅和氮化硅,并且在一些實(shí)施方式中為氮化硼。一般而言,應(yīng)當(dāng)選擇不破壞碳基顆粒熱導(dǎo)率的涂層材料,即,涂層材料不應(yīng)是絕熱的。
電絕緣涂層可通過(guò)任何沉積涂層的已知方法沉積在碳基顆粒上,并在某些實(shí)施方式中,通過(guò)化學(xué)氣相沉積進(jìn)行沉積?;瘜W(xué)氣相沉積(CVD)通常是本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的并可使用許多CVD技術(shù)如,例如,等離子體增強(qiáng)CVD(PECVD)、大氣壓CVD(APCVD)、低壓或減壓CVD(LPCVD)、超高真空CVD(UHVCVD)、原子層沉積(ALD)和氣溶膠輔助CVD(AACVD)??赏ㄟ^(guò)不同于CVD的技術(shù)施用組合物,包括,例如濺射。在不背離本公開(kāi)范圍的情況下,也可使用包括溶膠-凝膠方法的液相方法。
一般而言,CVD方法包括在高溫下在待被施用涂層的基底表面或附近引入(通常連續(xù)地)前體化合物。前體化合物發(fā)生反應(yīng)以將涂層沉積在基底表面。涂層厚度增加直到化合物在高溫度下不再留在(pass over)基底上。選擇使用的前體化合物取決于期望的涂層組成并可通常被本領(lǐng)域技術(shù)人員確定。例如,當(dāng)期望氮化硼涂層時(shí),可使用包含硼和氮二者的化合物如,例如,環(huán)硼氮烷(B3N3H6)??蛇x地,含硼的第一化合物和含氮的第二化合物可與碳基顆粒接觸。硼化合物包括,例如,三氯化硼(BCl3)、乙硼烷(B2H6)和通式為BxHy的所有化合物。在某些實(shí)施方式中,x為1至10并且y為1至15。式BxHy的化合物的例子包括BH3、B2H4、B2H6、B3H8、B4H10、B5H9、B5H11、B6H10、B6H12、B8H12、B9H15和B10H14。氮化合物包括,例如,N2、NH3和肼(N2H4)。
類(lèi)似地,當(dāng)期望氮化硅涂層時(shí),硼化合物和氮化合物可用作前體化合物。適合的硅化合物包括,例如,四氯化硅、硅烷和鹵代硅烷(例如,三氯硅烷)。
碳基顆粒的整個(gè)表面(或暴露于前體化合物的整個(gè)表面)可被涂敷或可選地僅僅一部分可被涂敷。一般而言,期望涂敷盡量多的顆粒以確保顆粒含有足夠的電絕緣??筛淖兺繉拥暮穸纫源_保粘合劑組合物足夠的電阻并確保熱導(dǎo)率不降至期望水平之下。一般而言,電絕緣涂層厚度可為至少約10nm,并且在其他實(shí)施方式中,可為至少約100nm,至少約500nm,至少約1μm,至少約10um或至少約100μm。在一些實(shí)施方式中,涂層厚度從約10nm至約10μm或從約100nm至約1μm。
根據(jù)沉積技術(shù)、被沉積的材料、用作基底的碳基顆粒、期望的涂層厚度等等,可在多種溫度和壓力下施用電絕緣涂層。在各種實(shí)施方式中,在從約450℃至約1000℃,優(yōu)選地從約500℃至約900℃或甚至更優(yōu)選地從約600℃至約800℃的溫度下施用涂層。
在一些實(shí)施方式中,在減壓下如例如小于約大氣壓、小于約104Pa、小于約250Pa、小于約1Pa、小于約10-3Pa或甚至小于約10-6Pa下施用涂層??稍诖髿鈮合禄蛏踔猎诟哂诖髿鈮旱膲毫θ缰辽偌s2×105Pa下施用涂層。
粘合劑組合物可包括粘結(jié)劑。一般而言,粘結(jié)劑起到增加粘合劑結(jié)構(gòu)整體性的作用并提供粘合力以連接表面和/或元件。一般而言,可以使用任何粘合劑材料,在某些實(shí)施方式中,粘合劑選自環(huán)氧樹(shù)脂、聚氨酯、丙烯酸類(lèi)樹(shù)脂和其組合。一種合適的粘合劑是從Aptek Laboratories,Inc.(Valencia,CA)可得到的DIS-A-PASTE 2310。
可通過(guò)添加電絕緣涂敷的纖維基顆粒至粘結(jié)劑并混合來(lái)制備粘合劑組合物。在某些實(shí)施方式中,應(yīng)當(dāng)使用高剪切混合以徹底混合組合物??稍谔砑永w維基顆粒之前或之后添加一種或多種添加劑并混合。適合的添加劑包括濕潤(rùn)化合物、表面活性劑、殺真菌劑化合物、UV保護(hù)劑化合物、消泡化合物和催化劑。一般而言,在混合之后并且固化之前,粘合劑組合物為糊狀或高粘性液體形式。
粘合劑組合物可包括按重量計(jì)至少約10%的涂敷的碳基顆粒,組合物的余量為粘結(jié)劑或添加劑。在其他實(shí)施方式中,組合物包含至少約25%、至少約50%、至少約75%或甚至至少約95%的涂敷的碳基顆粒。一般而言,除非另外指出,本文描述的粘合劑組合物的組成含量百分?jǐn)?shù)以按重量計(jì)總組合物的含量百分?jǐn)?shù)列出。
涂敷的碳基顆粒可與未涂敷顆?;旌先胝辰Y(jié)劑以使成本最小化。使用未涂敷顆??商岣邔?dǎo)電性,與未涂敷顆粒的并入量成比例地增加電導(dǎo)率。但是,一般而言,未涂敷的碳基顆粒不應(yīng)當(dāng)以高于對(duì)應(yīng)靶或期望閾值導(dǎo)電性的量包括。粘合劑組合物可包含至少約25%的根據(jù)本公開(kāi)涂敷的碳基顆粒,并且在其他實(shí)施方式中,包含按重量計(jì)至少約50%、至少約75%、至少約90%、至少約95%或甚至至少約99%的具有電絕緣涂層的碳顆粒。在一些實(shí)施方式中,只有涂敷的碳基顆粒在粘合劑組合物中使用。
一旦粘合劑組合物制備好,可施用至靶表面,元件或其他表面可與粘合劑接觸。固化后,元件連接至表面。一般而言,根據(jù)粘結(jié)劑,固化時(shí)間可為至少約5秒,至少約30秒,至少約1分鐘,至少約5分鐘,至少約30分鐘,至少約1小時(shí),至少約5小時(shí)或甚至更長(zhǎng)。
在某些實(shí)施方式中,第二粘結(jié)劑材料添加至混合物以使粘合劑組合物開(kāi)始固化。例如,涂敷的碳基顆??膳c第一粘結(jié)劑混合以產(chǎn)生糊狀組合物,就在使用第二粘結(jié)劑之前可添加至混合物以使粘結(jié)劑反應(yīng)并使混合物開(kāi)始固化。
粘合劑組合物可用在電子設(shè)備中并可替換常規(guī)使用的粘合劑。粘合劑組合物可用于將電子元件(例如,集成電路、芯片、電阻器、熱芯片帶等)連接至基底(例如,介電層)或連接設(shè)備(例如,如在多層PCB)中的不同層。粘合劑可用在需要傳熱路徑的應(yīng)用中,傳熱路徑如在電子元件和該元件的散熱器之間。粘合劑組合物可用在航空線和衛(wèi)星工業(yè)中使用的電子設(shè)備中,因?yàn)樗鼈兊奶匦允侵亓枯p、高持久性和短路保護(hù)。盡管本公開(kāi)的粘合劑組合物已經(jīng)被一般地描述在電子設(shè)備的使用中,但是考慮其它使用并且其它使用在本公開(kāi)的范圍內(nèi)。
實(shí)施例
實(shí)施例1:制備電絕緣的碳纖維
用碳纖維( DKD,Cytec Industries Inc.(Stamford,CT))(0.50g)填充石英管并放置在氧化鋁舟皿上。管和舟皿放置在管式爐中。氬氣管線連接至石英管的一端。氬氣管線連接至環(huán)硼氮烷鼓泡器(和鼓泡器旁路)以添加環(huán)硼氮烷至氣流,然后添加至石英管。石英管的另一端排氣至油鼓泡器和通風(fēng)櫥。
石英管被抽空并回充氬氣三次。氬氣(100ml/分鐘)經(jīng)過(guò)碳纖維流過(guò)管。爐溫度升高至700℃并且通過(guò)環(huán)硼氮烷鼓泡器(100ml/分鐘)鼓泡的氬氣通過(guò)管15分鐘。15分鐘之后,繞過(guò)(bypass)鼓泡器并使管式爐冷卻至室溫。如從圖1中可見(jiàn),用氮化硼涂敷碳纖維。碳纖維末端顯示在圖2中。氮化硼涂層顯示為圖右邊更深色的單元(即,氮化硼微晶)。涂層在碳纖維上形成連續(xù)層。氮化硼或者取代表面碳原子或涂敷表面碳原子。通過(guò)能量色散譜儀(energy dispersive spectroscopy,EDAX)分析涂敷的碳纖維,結(jié)果顯示在圖3中。如從圖3中可見(jiàn),涂敷的纖維包含硼、氮和碳,其進(jìn)一步表明纖維用氮化硼涂敷。已知環(huán)硼氮烷分解為氮化硼。觀察到的少量氧可能從鋁管或從少量被氧化的材料中引入。
實(shí)施例2:測(cè)定涂敷碳纖維的電絕緣性質(zhì)
實(shí)施例1的涂敷的碳纖維(20mg)在FTIR壓丸機(jī)中壓成7mm小球。未涂敷碳纖維(20mg)也被壓成7mm小球。小球被安放在透明塑料帶上并且使用四點(diǎn)探針測(cè)試每個(gè)小球的電導(dǎo)率。未處理的碳小球電阻為285ohm并且實(shí)施例1的涂敷小球具有充分更高的1.75×106ohm的電阻。
實(shí)施例3:確定增加涂層沉積溫度的作用
重復(fù)實(shí)施例1,但是加熱爐至1000℃而不是700℃。如從圖4中可見(jiàn),在纖維的表面上形成晶體。晶體在纖維上形成非均勻涂層。EDAX分析確認(rèn),晶體由硼和氮組成并且纖維的暴露部分為碳。
實(shí)施例4:包含按重量計(jì)5%電絕緣碳纖維的粘合劑的制備和電阻測(cè)試
用環(huán)氧樹(shù)脂基底將實(shí)施例1的電絕緣碳纖維制成導(dǎo)熱性粘合劑。Thirty-minute Delayed Set Epoxy(零件號(hào)碼SY-SS;Super Glue Corporation(Rancho Cucamonga,CA))用作基底。環(huán)氧樹(shù)脂是包含樹(shù)脂和硬化劑的兩部分制劑。樹(shù)脂(0.982g)和實(shí)施例1的涂敷碳纖維(0.103g)通過(guò)手用刮鏟混合在一起。用刮鏟將硬化劑(0.984g)混合入樹(shù)脂和碳纖維懸浮體直到獲得光滑黑色液體。該混合物產(chǎn)生按重量計(jì)5%的填料粘合劑制劑,其通常用于碳充填導(dǎo)熱性粘合劑。使用0.040英寸(1mm)間隙刮板將充填粘合劑作為薄膜施用到載玻片上并固化48小時(shí)。固化的薄膜是黑色、外觀均勻的并且0.034英寸(0.86mm)高。用四點(diǎn)探針臺(tái)測(cè)量電阻,發(fā)現(xiàn)電阻與開(kāi)路相等(儀表可測(cè)量的最大電阻是1G ohms,因此環(huán)氧樹(shù)脂的電阻至少為109ohm·cm),這表明粘合劑是電絕緣的。
實(shí)施例5:含按重量計(jì)10%電絕緣碳纖維的粘合劑的制備和電阻測(cè)試
根據(jù)實(shí)施例4的方法制備并測(cè)試粘合劑,樹(shù)脂(0.271g)、涂敷碳纖維(0.060g)和硬化劑(0.276g)的數(shù)量不同。混合物產(chǎn)生按重量計(jì)10%的填料粘合劑制劑,其也典型地用于碳充填導(dǎo)熱性粘合劑。固化的薄膜是黑色、外觀均勻并0.031英寸(0.79mm)高。也發(fā)現(xiàn)電阻是開(kāi)路,粘合劑電阻為至少109ohm·cm。
實(shí)施例6:含按重量計(jì)10%非絕緣碳纖維的粘合劑的制備和電阻測(cè)試
根據(jù)實(shí)施例4的方法,未處理的碳纖維( DKD,Cytec Industries Inc.(Stamford,CT))被并入粘合劑并測(cè)試。粘合劑包含樹(shù)脂(0.620g)、未涂敷碳纖維(0.137g)和硬化劑(0.616g)以制造含按重量計(jì)10%未涂敷碳纖維的粘合劑。固化的薄膜是黑色、外觀均勻并0.025英寸(0.64mm)高。測(cè)量電阻為17×106ohms·cm,這明顯低于包含涂敷碳纖維的粘合劑。
實(shí)施例7:存在等離子體時(shí)電絕緣碳纖維的制備
石英管填充以碳纖維( DKD,Cytec Industries Inc.(Stamford,CT))(0.50g)并放置在氧化鋁舟皿中。管和舟皿放置在管式爐中。在設(shè)備中裝配有電連接的氬氣管線被連接至石英管的一端。兩條鋼絲從電旁路延伸進(jìn)入陶瓷護(hù)套中的管式爐內(nèi)。絲的尖端暴露在陶瓷護(hù)套的末端并用于觸發(fā)(strike)等離子體。絲被連接至1500V、0.5A的電源。氬氣管線連接至環(huán)硼氮烷鼓泡器(和鼓泡器旁路)以添加環(huán)硼氮烷至氣流,然后添加至石英管。石英管的另一端排空進(jìn)入油鼓泡器和通風(fēng)櫥。
石英管被抽空并回充氬氣三次。氬氣(100ml/分鐘)經(jīng)過(guò)碳纖維流過(guò)管。爐溫升高至700℃并且1500V施加至絲直到產(chǎn)生等離子體。接著氬氣鼓泡經(jīng)過(guò)環(huán)硼氮烷鼓泡器(100ml/分鐘)并供應(yīng)通過(guò)管15分鐘。15分鐘之后,繞過(guò)鼓泡器并使管式爐冷卻至室溫。從爐中出來(lái)的碳纖維具有白黃涂層,其在掃描電子顯微鏡(SEM)中使用EDAX鑒定為氮化硼。
該書(shū)面說(shuō)明書(shū)使用實(shí)施例公開(kāi)了包括最佳模式在內(nèi)的各種實(shí)施方式,以使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)嵤┠切?shí)施方式,包括制造和使用任何組合物、設(shè)備或系統(tǒng)并執(zhí)行任何并入的方法。通過(guò)權(quán)利要求限定專(zhuān)利范圍,并可包括本領(lǐng)域技術(shù)人員想到的其他實(shí)施例。這種其他實(shí)施例意欲落在權(quán)利要求的范圍內(nèi),如果它們的結(jié)構(gòu)要素不背離權(quán)利要求的字面語(yǔ)言,或如果它們包括與權(quán)利要求的字面語(yǔ)言無(wú)實(shí)質(zhì)不同的等價(jià)結(jié)構(gòu)要素。因?yàn)樵诓槐畴x本公開(kāi)范圍的情況下,可進(jìn)行上面組合物和方法的各種變化,因此打算包含在上面說(shuō)明書(shū)和顯示在附圖中的任何事物應(yīng)當(dāng)解釋為示例性的而非限制性意義。
當(dāng)介紹本公開(kāi)的要素或其優(yōu)選實(shí)施方式(一種或多種)時(shí),冠詞“一個(gè)(a)”、“一個(gè)(an)”、“該(the)”和“所述”打算表示有一個(gè)或多個(gè)要素。術(shù)語(yǔ)“包括”、“包含”和“具有”打算是開(kāi)放式的并表示除了所列舉的要素外可以是其他要素。