CN101288353A - 包含具有多种粒度分布的热导性填料的热界面材料 - Google Patents

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Abstract

一种包含基质和热导性填料的热界面材料。所述热导性填料包含具有不同粒度分布的第一和第二热导性颗粒材料。可以通过从所述热导性填料中排除掉粒度大于预定粒度的颗粒，确立热导性填料的最大粒度。

Description

包含具有多种粒度分布的热导性填料的热界面材料
相关申请交叉引用
本申请要求2005年11月1日提交的题为“热导性填料和热界面材料(Thermally Conductive Filler and Thermal Interface Material)”的美国临时专利申请第60/732,062号的优先权，该申请全文参考结合入本文中。
发明背景
发明领域
本发明一般涉及热界面材料，更具体涉及包含至少两种具有不同粒度分布的热导性填料的热界面材料。
热控制是半导体和半导体器件或“芯片”的开发和生产中的一个重要问题。半导体器件的有效运行需要使半导体的结温保持低于阈温或一定的阈温范围。因此需要使半导体器件所产生的热量散发掉。通常半导体器件所产生的热量从芯片传送到必备的热扩散器(heat spreader)(例如半导体封装)上。然后可使用与所述半导体封装紧密接触设置的散热器使传送到该半导体封装上的热散发掉。
热从半导体器件有效散发取决于若干因素，其中一个因素是半导体芯片和半导体封装之间的有效热耦合，第二个因素是半导体封装和散热器之间的有效热耦合。这些部分交界的表面通常在微观上是粗糙的，在宏观上是非平面的，使得各界面处相邻表面之间的热耦合很差。经常在热界面的相邻表面之间使用由一种或多种热导性填料以及基质或粘合剂组成的热界面材料，以求减小热阻抗和提供改进的热耦合。
因此本发明的主要目标是提供一种具有特别低的热阻抗的热界面材料。本发明的另一个主要目标是提供一种具有良好的粘度特征的热界面材料，具体来说，该热界面材料的粘度足够低，使得当将其用于两个表面之间的时候，可以提供良好的流动性质。本发明一个相关的目标是使用具有至少两种不同粒度的热导性填料颗粒，使其同时具有极佳的热界面性质和能够提供极佳流动性的较低粘度。
本发明的另一个目标是能够使用多种不同的热导性填料，以适当的成本提供极佳的性质。本发明的相关目标是能够使用各自具有不同粒度的多种不同的热导性填料。本发明另一个目标是将改进的新颖热导性填料包封在粘合剂体系中，所述粘合剂体系提供极佳的性能特征，能够在提高热导性填料的有利特性的同时提供出众的相变特性。
本发明还必须提供一种热界面材料，所述材料的组成是稳定的，而且能够长期保持稳定，在与之相连的电子元件的操作寿命期间，保持其低热阻抗和其它有利的特性。为了提高本发明热界面材料的市场吸引力，这种材料还应具有较低的制造成本，以便尽可能拓宽市场。最后，另一个目标是本发明热界面材料的上述所有优点和目标都能够在不会引起任何显著的相对缺点的前提下实现。
发明内容
本发明克服了上述背景部分讨论过的缺点和局限性。在本发明中，提供了一种包含热导性填料的热界面材料，所述热导性填料包括具有第一粒度分布的第一颗粒材料，以及具有第二粒度分布的第二颗粒材料。所述第一颗粒材料和第二颗粒材料都是由具有良好热导性的材料制成的，例如银、铝、氮化硼、氮化铝、涂敷银的铜、涂敷银的铝、涂敷铜的铝和金刚石。所述第一颗粒材料和第二颗粒材料可以由相同材料制成，或者由不同材料制成。
所述第一颗粒材料的平均粒度约为第二颗粒材料的四倍至二十倍。较大的粒度用来降低粘度，较小的粒度用来提高热导性填料的能级水平。另外，在所述第一颗粒材料或者所述第一颗粒材料和第二颗粒材料中可不含粒度大于预定粒度的颗粒。尽管这确实会略微增大粘度，但是可以通过更显著的热阻抗降低来补偿这一点。可以通过首先将粒度大于预定粒度的颗粒从第一颗粒材料中分离，然后再将第一颗粒材料与第二颗粒材料相混合的方式，排除掉粒度大于预定粒度的颗粒。或者可以通过首先将第一颗粒材料与第二颗粒材料混合，然后再进行分离的方式，将粒度大于预定粒度的颗粒从填料体系中分离。
因此本发明的热界面材料包含热导性填料，所述热导性填料由具有第一粒度分布的第一颗粒材料和具有第二粒度分布的第二颗粒材料组成。所述热导性填料还包含基质材料，例如油(硅油、烃或矿物油、或凡士林和/或它们的混合物)、粘合剂[例如烃橡胶、聚合物材料和/或低聚物材料(例如环氧树脂材料和丙烯酸酯材料)和/或它们的混合物]、相变材料(例如石蜡、微晶蜡、聚合物蜡和/或它们的混合物)、偶联剂(例如钛酸酯偶联剂)和/或抗氧化剂。本发明的热界面材料由于具有高热导填料填充密度，因此有益地提供很薄的粘合层厚度和高填料含量，这又提供了高热导性。
因此，应当看到本发明提供了具有特别低的热阻抗的热界面材料。本发明的热界面材料具有良好的粘度特性，具体来说是所述热界面材料的粘度足够低，当用于两个表面之间的时候，能够提供良好的流动性质。本发明的热界面材料使用热导性填料的颗粒，所述热导性填料具有至少两种不同的粒度，同时具有极佳的热界面性质以及能够提供良好流动性的较低的粘度。
本发明的热界面材料能够使用任意多种不同的热导性填料，从而以适当的成本提供优良的性质。例如，本发明的热界面材料可使用各自具有不同粒度的多种不同热导性填料。本发明热界面材料的经过改进的新颖热导性填料被包封在粘合剂体系中，该体系提供优良的性能特点，不但能够提高热导性填料的有益特性，而且在一些实施方式中还能提供出众的相变特性。
本发明的热界面材料具有稳定的组成，而且该组成能够长期保持稳定，在与该材料相连的电子元件的操作寿命期间，所述材料能够保持低热阻抗和其它所需的特性。本发明的热界面材料制造成本较低，能够提高其市场吸引力，因此能够尽可能拓展市场。最后，本发明热界面材料的所有上述优点和目标都是在不会造成任何显著的相关缺陷的前提下实现的。
附图说明
参照附图可以最好地理解本发明的这些优点和其它优点：
图1是用于本发明热界面材料的第一颗粒材料的粒度分布图以及同样用于本发明热界面材料的第二颗粒材料的粒度分布；
图2是具有图1所示粒度分布的第一颗粒材料和第二颗粒材料的颗粒填充的示意图；
图3是用于本发明另一实施方式中热界面材料的第一颗粒材料的粒度分布图，以及用于本发明另一实施方式中热界面材料的第二颗粒材料的粒度分布图，所述第一颗粒材料不含粒度大于预定粒度的颗粒；
图4是热阻抗与热界面厚度的变化关系图。
优选实施方式详述
本发明的热界面材料的优选实施方式使用热导性填料，该填料包含至少两种具有不同粒度分布特征的颗粒材料。参见图1，热界面材料的热导性填料可包含具有用数字10表示的第一粒度分布曲线的第一颗粒材料和具有用数字12表示的第二粒度分布曲线的第二颗粒材料。在本文中，根据所述颗粒材料的几何结构，粒度可表示粒径、最大颗粒横截面、平均颗粒横截面等。在图1所示的粒度分布曲线10和12中，各种颗粒材料的粒度可基本为正态分布的，其平均粒度分别为14和16。本发明还考虑了不同于图1所示的粒度分布，也考虑了非正态分布的情况。例如在其它实施方式中，所述第一颗粒材料和/或第二颗粒材料可具有多峰粒度分布，例如双峰粒度分布。
通常第一颗粒材料的平均粒度14约为第二颗粒材料的平均粒度16的4-20倍。在第一实施方式中，第一颗粒材料的平均粒度14可约为第二颗粒材料的平均粒度16的10倍。在一个这样的实施方式中，所述第一颗粒材料的平均粒度可约为0.8密耳，第二颗粒材料的平均粒度可约为0.08密耳。尽管各种颗粒材料的粒度可根据具体的用途改变，但是颗粒的总体平均粒度通常约为0.005-5密耳。
如图1所示，在一些实施方式中，所述第一颗粒材料的粒度分布10和第二颗粒材料的粒度分布12，在所述第一颗粒材料的粒度分布10的较大粒度范围和所述第二颗粒材料的粒度分布12的较小粒度范围处可至少部分地重叠。在此实施方式中，所述第一和第二颗粒材料可一起提供大体上呈现双峰的粒度分布。但是在其它实施方式中，所述第一和第二颗粒材料的粒度分布可不发生重叠。在这样的实施方式中，所述包含第一和第二颗粒材料的热导性填料可具有两个不连续的粒度分布。
所述第一和第二颗粒材料各自的平均粒度14和16以及粒度分布10和12分别可以促进颗粒材料在本发明的热界面材料中的填充。下面来看图2，图中显示了位于第一界面24和第二界面26之间的包含热导性填料的热界面材料，所述热导性填料由第一颗粒材料20和第二颗粒材料22组成。所述第二颗粒材料22通常位于第一颗粒材料20的间隙内。
所述第一颗粒材料20和第二颗粒材料22各自的粒度优选提供高填充密度，使得热界面材料具有低自由体积。尽管可以分别选择所述第一颗粒材料20和第二颗粒材料22的平均粒度14和16以及粒度分布10和12以提供最小的自由体积，但是在另外的实施方式中，可以使填料体系具有一定程度的自由体积。另外，在其它的实施方式中，热界面材料的热导性填料可包含三种或更多种各自具有不同粒度的颗粒材料。与前面一样，可对用于特定热导性填料的各种颗粒材料的平均粒度和粒度分布进行选择，以提供较高的填充密度。
除了第一和第二颗粒材料的相对平均粒度以外，第一颗粒材料20与第二颗粒材料22的体积混合比也会影响填充密度。例如，增大较大的颗粒(即第一颗粒材料20)相对于较小的颗粒(即第二颗粒材料22)的比例会使得较大颗粒之间未被较小颗粒填充的间隙体积增大。相反，增大较小的颗粒(即第二颗粒材料22)相对于较大的颗粒(即第一颗粒材料20)的比例会使得较大颗粒(即第一颗粒材料20)之间的间隙体积被过度填充。对较大颗粒之间的间隙体积的过度填充会迫使较大的颗粒相分离，造成较大颗粒之间的间隔。较大颗粒之间的间隔会增大填料体系的自由体积。
所需的填充密度或自由体积取决于(至少部分取决于)所预期的最终用途。可根据所述热界面材料最终的具体用途，也可基于具体粒度分布和颗粒形状改变热界面材料中的第一颗粒材料20与第二颗粒材料22的体积比。在一个实施方式中，第一颗粒材料20与第二颗粒材料22的体积比可大约为40/60，以提供较高的填充密度。
适于提供较高的填充密度的第一颗粒材料20与第二颗粒材料22之间的体积比可约为60/40至20/80。本发明还考虑了提供的填充密度小于最大密度的热界面材料的实施方式。因此可对第一颗粒材料20与第二颗粒材料22之比进行控制，以提供各种具体用途所需的合适的填充密度和/或自由体积。总体来说，第一颗粒材料20约占热界面材料的20-70体积％，第二颗粒材料22约占热界面材料的10-70体积％。最佳的是，第一颗粒材料20约占热界面材料的28.35体积％，第二颗粒材料22约占热界面材料的43.65体积％。
根据本发明另一实施方式，可在热界面材料中确立最大粒度。可通过排除粒度大于预定粒度的颗粒来提供最大粒度。排除粒度大于预定粒度的颗粒可包括从第一颗粒材料20中除去粒度大于预定粒度的任何颗粒和/或从包含第一颗粒材料20和第二颗粒材料22的热界面材料除去粒度大于预定粒度的任何颗粒。
下面来看图3，排除粒度大于选定的预定粒度的颗粒可以得到第一颗粒材料的改进粒度分布30。第一颗粒材料20(图2所示)的改进的粒度分布30可具有陡急的粒度上限(如图中左侧所示)。在图3所示的实施方式中，排除了第一颗粒材料20中大于初始平均粒度14(见图1所示的粒度分布10)的颗粒。因此，在图3中，数字14并不表示粒度分布30的平均值，而是表示图1所示粒度分布10的平均值，是图3所示粒度分布30的最大粒度。这有效地将该实施方式的热界面材料的粘合层厚度限定为改良的粒度分布30中最大颗粒的粒度，这与图1中的粒度分布10不同，在图1中，最小粘合层厚度是由粒度分布10中最大颗粒的粒度确定的。
或者可选择预定的粒度限制，以提供不同于平均粒度14的排除性限制。因此，将大于预定粒度的颗粒从热界面材料中排除时，所依据的预定粒度不一定是基于粒度分布的统计学特性。另外，预定的粒度不需要对粒度尺寸进行数字量化。尽管图1的特定粒度分布可能具有更佳的填充效果和较低的粘度，但是具有图3所示粒度分布的颗粒在粘度上的适度增加从价值上来讲不及粘合层厚度的有效减小，从而获得了更低的(性能更佳的)热阻抗。
可使用各种技术排除掉粒度大于预定粒度的颗粒。可通过筛分法排除颗粒，其中第一颗粒材料20(图2所示)的平均粒度约为0.8密耳，粒度约大于该平均粒度的颗粒被排除，该筛分法使用635目的筛网完成所需的分离。本领域技术人员将会意识到，可改变筛目尺寸以进行不同的粒度排除。应注意通过筛分进行的粒度排除可能不完全，当用于非球状颗粒时尤为如此。例如，非球状颗粒可能具有能够通过特定筛目的第一横截面积，还可能具有无法通过该筛目的第二横截面积。尽管具有如上所述的情况，但是筛分通常能够提供充分的颗粒排除。
在进行这种筛分的第一方法中，首先将粒度大于预定粒度的颗粒从第一颗粒材料20排除，然后再将所述第一颗粒材料20和第二颗粒材料22(均示于图2)混合起来。例如，可以筛分第一颗粒材料20，以排除粒度大于预定粒度的颗粒。因此，可以对第一颗粒材料20进行处理以提供图3所示的改良的粒度分布。在进行此筛分操作之后，可以将具有改良的粒度分布30的第一颗粒材料20与第二颗粒材料22混合，以提供热导性填料。如果第二颗粒材料22的粒度分布中的最大粒度等于或小于预定粒度，可采用该方法。
在用来进行该筛分的第二方法中，在将第一和第二颗粒材料混合起来之后，排除掉粒度大于预定粒度的颗粒。可以使用合适的技术将所述第一和第二颗粒材料混合起来，以制得初始热导性填料。然后可对所述初始热导性填料进行筛分处理，以除去粒度大于预定粒度的颗粒。因此，对初始热导性填料的筛分制得了本文所述的热导性填料。
与所述第二种方法相一致，如果第二颗粒材料22(图2所示)包含一部分粒度大于预定粒度的颗粒，这些颗粒将会被排除掉。该方法中所述的初始热导性填料同时包含第一颗粒材料20(也示于图2)和第二颗粒材料22。因此，当对所述初始热导性填料进行筛分的时候，来自第一粒度分布10的第一颗粒材料20和来自第二粒度分布12的第二颗粒材料22中粒度大于预定粒度的颗粒都会被排除掉。
另外，在同时包含第一颗粒材料20和第二颗粒材料22(均示于图2)的初始热导性填料中，确定所述第一颗粒材料20和第二颗粒材料22的体积比时，应考虑到将被排除掉的粒度大于预定粒度的颗粒的质量和/或分数。粒度大于预定尺寸的颗粒可主要和/或完全包含在第一颗粒材料20中。相对于所需的最终分数，可以增大初始热导性填料中第一颗粒材料20的相对分数。可通过增大所述初始热导性填料中第一颗粒材料20的分数来应对可能由于排除掉粒度大于预定粒度的颗粒而造成的第一颗粒材料20的质量和/或分数的减小。
例如，为了提供第一颗粒材料20(见图2)与第二颗粒材料22(同样见图2)的所需最终体积比为40/60的热界面材料，可以增大初始热导性填料中第一颗粒材料20相对于第二颗粒材料22之比，以弥补在排除粒度大于预定粒度的颗粒时将要除去的第一颗粒材料20的量。在一个实施方式中，预定粒度设定为第一颗粒材料20的平均粒度，在此情况下第一颗粒材料20有大约一半的体积将会被除去，以排除粒度大于预定粒度的颗粒。
为使最终的热界面材料中第一颗粒材料20(见图2)与第二颗粒材料22(同样见图2)之比达到所需的40/60，初始热导性填料中的体积比可为80/60，以便除去大约一半体积的第一颗粒材料20。可以根据将被排除的第一颗粒材料20和/或第二颗粒材料22的预期分数以及最终热界面材料中第一颗粒材料20和第二颗粒材料22所需的比例，改变第一颗粒材料20与第二颗粒材料22的确切比例。
在其它实施方式中，所述热界面材料可包含两种以上的颗粒材料。每种颗粒材料可具有一定的粒度分布，例如可具有基本呈正态分布的粒度、多峰粒度分布等。可以对最终热界面材料中颗粒材料的相对粒度和比例进行选择，以提供所需的填充密度或自由体积。
在优选的实施方式中，本发明所述的热导性填料适合用作热界面材料。因此所述第一和第二颗粒材料将包含热导性颗粒材料。合适的热导性颗粒材料的例子包括银、铝、铜、氮化硼、氮化铝、涂敷银的铜、涂敷银的铝、涂敷铜的铝、金刚石等。也可使用本领域技术人员显而易见的各种其它热导性材料。例如，所述第一颗粒材料20可以是铜，所述第二颗粒材料22可以是铝。
另外，所述第一颗粒材料20和第二颗粒材料22(均示于图2)可以由具有不同平均粒度和/或粒度分布的相同材料制成，或者可以由同样具有(不同平均粒度和/或粒度分布的)的不同材料制成。本发明所述的颗粒材料可包含任何合适的颗粒几何结构，例如但不限于球形、椭圆形、椭球形和平面形(即薄片、不规则状或棱形)。同样，所述第一颗粒材料和第二颗粒材料可具有互不相同的颗粒几何结构。
包含具有可控制的填充密度或自由体积，而且含有通过排除大于预定粒径的颗粒而制得的具有预定最大粒度的第一和第二颗粒材料的热导性填料的热界面材料，可用来提供较低的热阻抗。所述低热阻抗促进了较热的第一界面表面24(例如半导体芯片或半导体封装)与较冷的第二界面表面26(例如集成的热扩散器或散热器)之间的热传递。
一般来说，热阻抗是热从热表面通过界面材料流入冷表面的总阻抗的度量。如图4所示，热阻抗与连接处的厚度成正比，即与热的第一界面表面24(例如半导体封装)和冷的第二界面表面26(例如热扩散器或散热器)之间的热导性填料的厚度成正比。所述热阻抗还与所述热导性填料的热导率成反比。
因此可以通过减小粘合层的厚度(较热表面和较冷表面之间的热导性填料的平均厚度)来减小由结合在热界面材料中的热导性填料带来的热阻抗。所述粘合层的厚度会在一定程度上随热界面材料中热界面材料的颗粒密度而变化。热导性填料颗粒通常不具有可压缩性和/或容易变形的特性，因此最小粘合层厚度通常不会小于最大的填料颗粒的粒度。因此，本说明书所述的热导性填料通过排除粒度大于预定粒度的颗粒，提供了很薄的粘合层厚度。在优选的实施方式中，粘合层厚度可以是一个颗粒的厚度。如上所述，可使用635目的筛网排除掉粒度大于0.8密耳的颗粒。这样可以由使用本文所述的热导性填料的热界面材料获得0.8密耳的粘合层厚度。
使用第一颗粒材料20和第二颗粒材料22作为热导性填料制得的较大颗粒和较小颗粒的混合物为特定的填充密度提供了较大的平均粒度。当该混合物与基质材料混合的时候，所述较大的平均粒度所提供的孔隙率低于具有较小平均粒度的热导性填料。较低的孔隙率使得包含热导性填料和基质材料的热界面材料能够在一定的负荷下压缩成很小的厚度，从而有助于提供很小的粘合层厚度，所述负荷是半导体芯片和/或半导体封装能够承受而不会发生破坏的。
另外，可以通过提供增大热导率的基质材料，减小包含本发明热导性填料的热界面材料的热阻抗。如上所述，所述热界面材料的热阻抗与其中所结合的热导性填料的热导率成反比。所述热界面材料的热导率还与基质材料的热导率有关，还与所述热导性填料和基质材料的体积分数有关。
通过包含具有较大颗粒的第一颗粒材料20和具有较小颗粒的第二颗粒材料22，第二颗粒材料22的较小颗粒将会至少部分地填充第一颗粒材料20的间隙，从而增大热导性填料颗粒的填充密度。通过这种方式，热导性填料的体积分数将会相对于基质材料增大。通过增大热导性填料颗粒的填充密度造成的热导性填料体积分数相对于基质材料的增大，将会增大热导性填料的热导率。热导性填料热导率的增大可减小热界面材料造成的热阻抗。
除了增加热导性填料相对于热导性较差的基质材料的体积分数以外，所述热界面材料还可提供比使用单独的颗粒材料更高的堆积热导率。对于热界面材料中特定的热导性填料体积分数，本发明的热界面材料具有较大的平均粒度，平均粒度较大的热导性填料能够提供较高的堆积热导率。因此，包含本发明所述热填料材料的热界面材料，通过增大热导性填料分数和增大堆积热导率来增大热导率。
因此，使用本文所述的热导性填料的热界面材料，可以减小部件之间的热阻抗，从而提高热控制系统的性能。通过排除直径大于预定直径的颗粒，可以减小粘合层厚度，从而减小了热阻抗。还通过增大热导性填料的热导率(这可通过增大热界面材料中热导性填料的填充密度来完成)来降低热阻抗。
可通过将热导性填料与各种基质材料和/或另外的加工助剂、添加剂等混合起来，制备包含本文所述热导性填料的热界面材料。通常所提供的热界面材料为热脂的形式。在热脂中，可将热导性填料与硅油、烃或矿物油、凡士林等之类的分散剂相混合。可以根据需要将热导性填料分散在硅油、烃或矿物油和/或凡士林中，以制备糊料、粘性流体或凝胶。热脂的粘度通常与热界面材料的粒度成反比，但是也会受到基质材料组分粘度的影响。
排除掉大于预定粒径的颗粒和/或第二颗粒材料22的较小颗粒和第一颗粒材料20的较大颗粒的混合物，略微减小了热导性填料的平均粒度。所述平均粒度的减小可以略微增大该热脂的粘度。热脂粘度的增大可减少热脂的迁移，还可减少“抽出”的发生和/或速率，在“抽出”中，系统的热循环迫使热脂从热控制系统的配对表面之间溢出。
本发明的热界面材料还可在基质材料中使用粘合剂。所述粘合剂可以是橡胶，例如烯烃橡胶之类的烃类橡胶。合适的橡胶可包括饱和橡胶以及不饱和橡胶，还可包括可交联橡胶和/或不可交联橡胶。还可另外使用各种其它的粘合剂，或者使用所述其他粘合剂作为替代。这些其它粘合剂可包括各种聚合物和/或低聚物材料和/或它们的混合物。合适的聚合物和/或低聚物材料可同时包括热塑性聚合物材料和热固性聚合物材料，它们包括，但不限于环氧树脂、聚氨酯、聚酯、烯烃、丙烯酸树脂等。
另外，所提供的热界面材料可以将本发明所述的热导性填料和相变材料结合使用。通常相变材料可熔融和固化，以储存和释放热量。较佳的是，合适的相变材料的熔点可在热控制系统的操作温度范围内，例如对于半导体热控制系统，其熔点可约为40-106℃。相变材料的例子是蜡，例如石蜡和微晶蜡，聚乙烯蜡之类的聚合物蜡等，以及它们的混合物。
最优化的热界面材料可包含与两种或更多种基质材料相结合的本发明所述的热导性填料。例如，所述基质材料可包括石油或硅基油或者凝胶分散剂，蜡之类的相变材料，钛酸酯偶联剂之类的偶联剂，以及抗氧化剂和/或橡胶或胶粘剂之类的粘合剂。基质材料的这种组合可以提供较低的热阻抗，可抑制热导性填料的迁移。因此，这种组合可提高热性能，还可延长寿命。如果在基质材料中同时使用有机材料和无机材料，可以使用钛酸酯偶联剂之类的偶联剂以促进有机材料和无机材料之间的光滑界面。另外，可以使用抗氧化剂以防蜡和/或其它材料发生氧化。
例如，用来将第一颗粒材料20和第二颗粒材料22相结合的基质材料可包含相变材料，例如微晶蜡或聚乙烯蜡；低粘度铺展剂(例如矿物油或硅油)和高粘度分散剂(例如凡士林)的混合物；偶联剂，例如钛酸酯偶联剂；以及抗氧化剂。在这样的基质材料中，微晶蜡的用量可约为0-60％，矿物油的用量可约为0-60％，凡士林的用量可约为0-30％，钛酸酯偶联剂的用量可约为0-50％，抗氧化剂的用量可约为0-2％。
在优选的实施方式中，微晶蜡的用量可约为40％，矿物油的用量可约为37-50％，凡士林的用量可约为10-70％，钛酸酯偶联剂的用量可约为10-70％，抗氧化剂的用量可约为1-10％。合适的微晶蜡是熔点为55℃的微晶蜡，例如购自International Group，Inc.的产品IGI 3040。合适的矿物油是40℃下的88cST矿物油，例如购自STE Oil有限公司的产品Crystal Plus 500FG。合适的凡士林是Petrolatum A0101，例如购自The Candlewic公司的产品。合适的钛酸酯是购自Kenrich Petrochemicals Inc.的KRTTS。最后，合适的抗氧化剂是购自CibaSpecialty Chemicals的Irganox 1076。
例如，结合了上述基质材料的热导性填料可使用铜粉作为第一颗粒材料20，使用铝粉作为第二颗粒材料22。所述铝粉的平均粒度可约为0.08密耳，约为铜粉平均粒度的十分之一，铜粉的平均粒度约为0.8密耳，所述铜粉和铝粉均为球形。在本文所示的实施例中，热界面材料的热阻抗约为0.101°K-cm2/W。如果使用635目的筛子过滤热导性填料以滤去更大的颗粒，同时保持所述第一颗粒材料20和第二颗粒材料22的相对百分含量，则热界面材料的热阻抗约为0.084°K-cm2/W，减少17％。
因此由上述本发明优选实施方式可以理解，本发明描述了具有特别低的热阻抗的热界面材料。本发明的热界面材料具有良好的粘度特性，具体来说，其粘度足够低，当所述热界面材料用于两个表面之间的时候，可以提供良好的流动性质。本发明的热界面材料使用具有至少两种不同粒度的热导性填料颗粒，从而同时具有极佳的热界面性质和用以提供极佳流动性质的较低的粘度。
本发明的热界面材料能够使用任意多种不同的热导性填料，以适当的成本提供极佳的性质。例如，本发明的热界面材料可使用各自具有不同粒度的多种不同的热导性填料。本发明的热界面材料中经过改进的新颖热导性填料被包封在粘合剂体系中，提供了极佳的性能特征，不但提高了热导性填料的有益特性，在一些实施方式中，还可提供优良的相变性质。
本发明的热界面材料具有稳定的组成，而且该组成能够长期保持稳定，使得所述材料在与其相关的电子元件的操作寿命期间保持低热阻抗和其它有益的特性。本发明的热界面材料制造起来较为廉价，提高了其市场吸引力，因此可以尽可能地拓宽市场。最后，本发明的热界面材料的所有上述优点和目标都可以在不造成任何显著的相关缺点的前提下实现。
尽管上文中已经参照本发明的特定实施方式和应用对本发明热导性材料进行了描述，但是所述举例和说明不是穷举性的，本发明并不限于所揭示的具体实施方式和应用。本领域普通技术人员可以显而易见地看到，可以对本文所述的本发明热导性材料进行大量的改变、修改、变化或替代，而不会背离本发明的精神或范围。选择和描述了本发明的特定实施方式和应用，以便最佳地阐释本发明的原理，本领域普通技术人员可以将本发明用于各种实施方式，可以对预期的具体应用采取各种适当的改变。因此所有的这些改变、修改、变化和替代，只要其含义合理、合法、正当地在所附权利要求书所确定的本发明范围之内，都应看作在本发明的范围之内。

Claims (45)

1.一种热界面材料，该材料包含：
基质材料；
热导性填料，所述热导性填料包含具有第一粒度分布和第一平均粒度的第一热导性颗粒材料，具有第二粒度分布和第二平均粒度的第二热导性材料，所述第一平均粒度大于所述第二粒度。
2.如权利要求1所述的热界面材料，其特征在于，所述第一平均粒度约为第二平均粒度的4-20倍。
3.如权利要求2所述的热界面材料，其特征在于，所述第一平均粒度约为所述第二平均粒度的10倍。
4.如权利要求1所述的热界面材料，其特征在于，从所述第一热导性颗粒材料中排除大于第一粒度的颗粒。
5.如权利要求1所述的热界面材料，其特征在于，从所述热导性填料中排除了大于第一粒度的颗粒。
6.如权利要求1所述的热界面材料，其特征在于，所述第一粒度分布和所述第二粒度分布部分重叠。
7.如权利要求1所述的热界面材料，其特征在于，所述第一粒度分布和所述第二粒度分布不重叠。
8.如权利要求1所述的热界面材料，其特征在于，所述第一热导性颗粒材料和所述第二热导性颗粒材料由相同的材料制成。
9.如权利要求1所述的热界面材料，其特征在于，所述第一热导性颗粒材料和所述第二热导性颗粒材料由不同材料制成。
10.如权利要求1所述的热界面材料，其特征在于，所述第一和第二热导性颗粒材料各自由以下的材料制成：银、铝、铜、氮化硼、氮化铝、涂敷银的铜、涂敷银的铝、涂敷铜的铝和金刚石。
11.如权利要求1所述的热界面材料，其特征在于，所述第一和第二热导性颗粒材料基本为球形结构。
12.如权利要求1所述的热界面材料，其特征在于，所述第一和第二热导性颗粒材料基本为椭圆形结构。
13.如权利要求1所述的热界面材料，其特征在于，所述第一热导性颗粒材料由铜粉制成，所述第二热导性颗粒材料由铝粉制成。
14.如权利要求1所述的热界面材料，其特征在于，以所述热界面材料的体积为基准计，所述第一热导性颗粒材料的含量约为20-70体积％，所述第二热导性颗粒材料的含量约为10-70体积％。
15.如权利要求14所述的热界面材料，其特征在于，以所述热界面材料的体积为基准计，所述第一热导性颗粒材料的含量约为28.35体积％，所述第二热导性颗粒材料的含量约为43.65体积％。
16.如权利要求1所述的热界面材料，其特征在于，所述基质材料包含相变材料。
17.如权利要求16所述的热界面材料，其特征在于，所述相变材料包含蜡。
18.如权利要求17所述的热界面材料，其特征在于，所述相变材料包括微晶蜡。
19.如权利要求1所述的热界面材料，其特征在于，所述基质材料包含铺展剂。
20.如权利要求19所述的热界面材料，其特征在于，所述铺展剂包括以下的至少一种：矿物油、硅油和凡士林。
21.如权利要求20所述的热界面材料，其特征在于，所述铺展剂包括矿物油和凡士林的混合物，以提供合适的粘度。
22.如权利要求1所述的热界面材料，其特征在于，所述基质材料包含偶联剂。
23.如权利要求22所述的热界面材料，其特征在于，所述偶联剂包括钛酸酯偶联剂。
24.如权利要求1所述的热界面材料，其特征在于，所述基质材料包含抗氧化剂。
25.如权利要求1所述的热界面材料，其特征在于，所述基质材料包含粘合剂。
26.如权利要求25所述的热界面材料，其特征在于，所述粘合剂包括橡胶。
27.如权利要求25所述的热界面材料，其特征在于，所述粘合剂包括聚合物或低聚物材料。
28.如权利要求27所述的热界面材料，其特征在于，所述聚合物或低聚物材料包括环氧化物或丙烯酸酯材料。
29.一种热界面材料，该材料包含：
基质材料，该基质材料包含相变材料、铺展剂、偶联剂和抗氧化剂；
热导性填料，该填料包含具有第一粒度分布的第一热导性颗粒材料，以及具有第二粒度分布的第二热导性颗粒材料，
大于第一粒度的颗粒从所述填料中除去了。
30.一种热界面材料，该材料包含：
基质材料；
热导性填料，该填料包含具有第一粒度分布的第一热导性颗粒材料，以及具有不同于所述第一粒度分布的第二粒度分布的第二热导性颗粒材料。
31.一种热导性填料，该填料包含：
具有第一粒度分布和第一平均粒度的第一热导性颗粒材料；
具有第二粒度分布和第二平均粒度的第二热导性材料，所述第一平均粒度大于所述第二粒度。
32.如权利要求31所述的热导性填料，其特征在于，从所述第一热导性颗粒材料中排除了大于第一粒度的颗粒。
33.如权利要求31所述的热导性填料，其特征在于，所述第一热导性颗粒材料具有第一平均粒度，所述第二热导性材料具有第二平均粒度，所述第一平均粒度约为所述第二平均粒度的4-20倍。
34.如权利要求31所述的热导性填料，其特征在于，所述第一热导性颗粒材料具有第一平均粒度，所述第二热导性材料具有第二平均粒度，所述第一平均粒度约为所述第二平均粒度的10倍。
35.如权利要求31所述的热导性填料，其特征在于，所述第一热导性颗粒材料包含铜。
36.如权利要求31所述的热导性填料，其特征在于，所述第二热导性颗粒材料包含铝。
37.一种制备热导性填料的方法，该方法包括：
提供具有第一粒度分布和第一平均粒度的第一热导性颗粒材料；
提供具有第二粒度分布和第二平均粒度的第二热导性颗粒材料，所述第一平均粒度大于所述第二粒度；
将所述第一和第二热导性颗粒材料混合起来。
38.如权利要求37所述的方法，该方法还包括：
排除所述第一热导性颗粒中粒度大于预定粒度的部分。
39.如权利要求37所述的方法，其特征在于，所述第一热导性颗粒材料具有第一平均粒度，所述第二热导性颗粒材料具有第二平均粒度，所述第一平均粒度约为所述第二平均粒度的4-20倍。
40.如权利要求37所述的方法，其特征在于，所述第一热导性颗粒材料具有第一平均粒度，所述第二热导性颗粒材料具有第二平均粒度，所述第一平均粒度约为所述第二平均粒度的10倍。
41.如权利要求37所述的方法，其特征在于，该方法还包括将所述第一和第二热导性颗粒材料与基质混合。
42.如权利要求41所述的方法，其特征在于，所述基质包含相变材料。
43.如权利要求41所述的方法，其特征在于，所述基质包含聚合物或低聚物材料。
44.如权利要求41所述的方法，其特征在于，所述基质包含橡胶。
45.如权利要求37所述的方法，其特征在于，排除部分所述第一热导性颗粒材料包括对所述第一热导性颗粒材料进行筛分。
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