CN111065242A

CN111065242A - 一种复合结构的柔性导热垫

Info

Publication number: CN111065242A
Application number: CN201911353646.7A
Authority: CN
Inventors: 刘通; 罗鲲; 诸葛祥群; 蓝嘉昕; 李前进
Original assignee: Changzhou University
Current assignee: Changzhou University
Priority date: 2019-12-25
Filing date: 2019-12-25
Publication date: 2020-04-24

Abstract

本发明是一种复合结构的柔性导热垫，所述柔性导热垫包括基体材料和设置在所述基体材料之中的导热材料，导热材料为柱状固体或者由粘结剂将导热粉体粘结成柱状固体。本发明的复合结构的柔性导热垫具有良好弹性，可根据具体情况制成不同厚度，以紧密贴合功率器件与散热器的间隙，有效排除空气，改善散热效果；本发明复合结构的柔性导热垫具有良好的导热性能，可将功率器件表面的热量有效传递到散热器；本发明复合结构的柔性导热垫的导热性能具有可设计性，可以通过调整导热柱的数量或总截面积改变导热垫的散热效果。

Description

一种复合结构的柔性导热垫

技术领域

本发明属于一种复合结构导热材料，用于电池、LED灯具或发热电子器件散热领域，具体的说是一种复合结构的柔性导热垫。

背景技术

随着电子设备向小型化、轻薄化和高性能方向快速发展，在设备内部有限空间的有效散热需求也越来越迫切，应用场合涉及微处理器、存储模块和高速缓冲存储器芯片、DC/DC转换器、IGBT和其它的功率模块、功率半导体器件、固态继电器、桥式整流器、动力电池、较大功率LED灯具等，因此，在考虑功率器件与散热器之间的热传导问题时需要合理选择热传递介质，不仅要考虑其热传递能力，还要兼顾生产中的工艺、维护操作性、优良的性价比，散热实际上就是一个热传递的过程，目的是将功率器件所产生的热量传递到空气当中。常见的手段包括风冷、液冷、干冰、液氮与压缩机制冷等，其中最简单且常见的就是风扇制冷，为了使热量能够有效地从功率器件传递到风扇，通常需要有效的导热材料来填充连接功率器件表面与风扇的金属壳体，见图1所示。

目前常用的导热介质包括导热硅脂、导热硅胶、石墨垫片、柔性导热垫等，其中，导热硅脂以硅油为原料，添加增稠剂和填料制成脂状物，具有一定的导热性，耐高温、耐老化和防水；导热硅胶是在硅油中添加填料和粘性物质，凝固后质硬，可以有效地连接功率器件表面和散热器，散热效率高于硅脂，但容易粘死，不易更换；柔性导热垫不仅具有较好的导热性和耐压绝缘特性，而且具有柔韧性，可以很好地贴合功率器件与散热器之间的间隙，拆换方便，以上导热材料的缺点是导热能力不高，导热系数一般最高不超过6W/mK，常见产品一般在2W/mK左右，难以满足高功率发热器件的散热要求。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种复合结构的柔性导热垫，将导热性优良且具有较高绝缘性能的无机材料制成特定形状的导热柱，镶嵌粘结于柔性硅橡胶基体，从而综合利用了无机材料的导热性能与硅橡胶的弹性，既能很好地贴合功率器件与散热器之间的间隙，又能有效地传到热量，从而克服现有导热材料的局限性。

为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明是一种复合结构的柔性导热垫，所述柔性导热垫包括基体材料和设置在所述基体材料之中的导热材料，导热材料为柱状固体或者由粘结剂将导热粉体粘结成柱状固体。

本发明的进一步改进在于：粘结剂为有机粘结剂，所述导热粉体通过有机粘结剂粘结成柱状固体。

本发明的进一步改进在于：有机粘结剂为环氧树脂、聚酯树脂、马来树脂等热固性树脂，或者为热塑性树脂在有机溶剂中的溶解物或者热塑性树脂的熔融物，包括聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸等。

本发明的进一步改进在于：所述粘结剂为无机粘结剂，所述导热粉体通过无机粘结剂粘结成柱状固体。

本发明的进一步改进在于：所述无机粘结剂为水玻璃、石膏、粘土、水泥、低熔点玻璃、低熔点金属、硫磺、玻璃陶瓷、硅酸盐、磷酸盐、胶体氧化铝或牙科胶泥。

本发明的进一步改进在于：所述基体材料为硅橡胶、聚氨酯、橡胶、弹性凝胶、聚异丁烯等及其复合物或衍生物。

本发明的进一步改进在于：所述导热材料为氧化铝、二氧化硅、氧化锌、氧化镁、碳化硅、氮化铝、氮化硼、碳粉、石墨粉、碳纳米管、碳纤维、石墨烯等。

本发明的有益效果是：本发明的复合结构的柔性导热垫具有良好弹性，可根据具体情况制成不同厚度，以紧密贴合功率器件与散热器的间隙，有效排除空气，改善散热效果；本发明复合结构的柔性导热垫具有良好的导热性能，可将功率器件表面的热量有效传递到散热器；本发明复合结构的柔性导热垫的导热性能具有可设计性，可以通过调整导热柱的数量或总截面积改变导热垫的散热效果。

附图说明

图1是柔性导热垫使用方式示意图。

图2是本发明复合导热垫的结构示意图。

图3是本发明实施例1的结构示意图。

图4是本发明实施例2的结构示意图。

图5是本发明试验导热柱分布图上面图。

图6是本发明试验导热柱分布图下面图。

其中：4-基体；5-导热柱。

具体实施方式

以下将以图式显示本发明的多个实施方式，为明确说明起见，许多实务上的细节将在以下叙述中一并说明。然而，应了解到，这些实务上的细节不应用以限制本发明。也就是说，在本发明的部分实施方式中，这些实务上的细节是非必要的。此外，为简化图式起见，一些习知惯用的结构与组件在图式中将以简单的示意的方式绘示之。

实施例1：

本发明是一种复合结构的柔性导热垫，该柔性导热垫包括基体材料4和设置在所述基体材料4之中的导热材料，所述导热材料为柱状固体或者为由粘结剂将导热粉体粘结成的柱状固体，其中，所述粘结剂为有机粘结剂，所述导热粉体通过有机粘结剂粘结成柱状固体，所述有机粘结剂为环氧树脂、聚酯树脂、马来树脂等热固性树脂，或者为热塑性树脂在有机溶剂中的溶解物或者热塑性树脂的熔融物，包括聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸等或所述粘结剂为无机粘结剂，所述导热粉体通过无机粘结剂粘结成柱状固体，所述无机粘结剂为水玻璃、石膏、粘土、水泥、低熔点玻璃、低熔点金属、硫磺、玻璃陶瓷、硅酸盐、磷酸盐、胶体氧化铝或牙科胶泥，所述所述基体材料4为硅橡胶，所述导热材料为氧化铝、二氧化硅、氧化锌、氧化镁、碳化硅、氮化铝、氮化硼、碳粉、石墨粉、碳纳米管、碳纤维、石墨烯等。

如图3所示，制备上述柔性导热垫，其具体方法为：

(1)将表面带有规则排列圆柱形凸起的模具涂覆脱模材料，放入容器中，凸起的高度可根据产品要求加工；

(2)将混合好的硅橡胶也就是基体材料4倒入容器中，静置至硅橡胶凝固；

(3)将凝固好的硅橡胶从容器中移出，将上面的硅橡胶脱模取下再放回容器内；

(4)加导热柱，具体做法是将带有粘合剂的导热材料浆体灌入硅橡胶的孔中，然后刮平静置至浆体固化成导热柱；或者将预先制备好的导热柱侧表面刷粘合剂，逐一插入硅橡胶的孔中，静置至粘合剂固化，最终获得复合结构的柔性导热垫。

实施例2：

如图4所示，实施例2与实施例1的不同的是设备方法，其具体方法为：

(1)模板表面涂覆脱模剂，然后将预先制备好的导热柱规则排列在模板表面，放入容器中；

(2)将混合好的硅胶倒入容器中，静置至硅橡胶凝固；

(3)将凝固好的硅橡胶从容器中移出，将上面的硅橡胶脱模取下，得到复合结构的柔性导热垫。

本申请为了证明导热系统进行了实验：

1、实验材料：

购买自恒昌液体硅胶厂的硅胶，其中邵氏硬度0度；购买昆山江昱特陶瓷加工厂的氧化铝圆柱体，直径为2mm，3mm，高度6mm。

2、测试方法

本实验适合采用热流仪法测量导热系数，其样品大小要求为25.4mm*25.4mm。

测试原理：当稳定的Q穿过一面积为F，厚度为δ的正方向导热体时，导热体内处于一维稳定导热状况，根据傅里叶定律：

式中,t₁,t₂为上下两面的温度，λ为导热系数，Δt为平板两面温差。

此时：

在实验中，两平板的温度t₁,t₂，流过其内部单位面积上的热流量即热流密度q，平板的厚度δ均为已知量，可以求出导热系数λ。

3、样品结构设计

样品大小为25.4mm*25.4mm，对直径为2mm，3mm的氧化铝的分布进行设计，保证在上下面中，氧化铝圆柱体占得面积相等；设计图如图5-6导热柱的分布图所示，氧化铝占总面积的比为17.53％；

4、实验步骤：

(1)用电子天平称量硅胶A组分，B组分于烧杯中，A组分与B组分的重量比为1∶1，用玻璃棒搅拌5min，充分使得A,B组分混合；

(2)将搅拌好的硅胶溶液放入真空干燥箱中抽真空，直到烧杯中的硅胶不再冒泡，取出烧杯；

(3)按照本发明所示的方法(参见图3)制备导热胶垫，将抽真空以后的硅胶缓慢的倒入制作好的模具中，进行浇筑，静置12h，等待固化；

(4)取出固化好的硅胶，将加工好的直径为2mm，3mm的氧化铝圆柱，分别依次填入硅胶中；

(5)对样品进行编号，无氧化铝结构、只含硅胶的样品为1号样品；添加2mm直径氧化铝柱的硅胶样品为2号样品；添加3mm直径氧化柱铝的硅胶样品为3号样品；

(6)对样品采用热流仪法测试，记录测试温度，导热系数。

(7)5、实验结果

实验结果显示，添加氧化铝导热圆柱体，可以大幅度的提高硅胶垫的导热系数，对于样品2，添加了直径2mm的氧化铝圆柱，导热系数为3.173

W/(m*K)，相对基体提高了1169.2％；对于样品3，添加了直径3mm的氧化铝圆柱，导热系数为4.308W/(m*K)，相对基体提高了1623.2％。

以上所述仅为本发明的实施方式而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理的内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的权利要求范围之内。

Claims

1.一种复合结构的柔性导热垫，其特征在于：所述柔性导热垫包括基体材料(4)和设置在所述基体材料(4)之中的导热材料，所述导热材料为柱状固体或者由粘结剂将导热粉体粘结成的柱状固体。

2.根据权利要求1所述一种复合结构的柔性导热垫，其特征在于：所述粘结剂为有机粘结剂，所述导热粉体通过有机粘结剂粘结成柱状固体。

3.根据权利要求2所述一种复合结构的柔性导热垫，其特征在于：所述有机粘结剂为环氧树脂、聚酯树脂、马来树脂等热固性树脂，或者为热塑性树脂在有机溶剂中的溶解物或者热塑性树脂的熔融物，包括聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸等。

4.根据权利要求1所述一种复合结构的柔性导热垫，其特征在于：所述粘结剂为无机粘结剂，所述导热粉体通过无机粘结剂粘结成柱状固体。

5.根据权利要求4所述一种复合结构的柔性导热垫，其特征在于：所述无机粘结剂为水玻璃、石膏、粘土、水泥、低熔点玻璃、低熔点金属、硫磺、玻璃陶瓷、硅酸盐、磷酸盐、胶体氧化铝或牙科胶泥。

6.根据权利要求1-5的任一项所述一种复合结构的柔性导热垫，其特征在于：所述基体材料(4)为硅橡胶、聚氨酯、橡胶、弹性凝胶、聚异丁烯等及其复合物或衍生物。

7.根据权利要求1-5的任一项所述一种复合结构的柔性导热垫，其特征在于：所述导热材料为氧化铝、二氧化硅、氧化锌、氧化镁、碳化硅、氮化铝、氮化硼、碳粉、石墨粉、碳纳米管、碳纤维、石墨烯等。