Электропроводная теплопроводная паста и способ её приготовления Российский патент 2024 года по МПК H01B1/20 

Технические решения относятся к области создания теплопроводящих материалов и могут быть использованы для разъемного электропроводного сопряжения теплонапряженных различных устройств и деталей. Применяются в случаях, когда необходимо обеспечить электропроводность соединения для сопряжения теплонапряженных различных устройств и деталей.

Из патентной литературы широко известно применение электропроводных частиц в теплопроводных пастах, а именно:

- по авторскому свидетельству СССР: SU 919346 А1 от 10.03.2006 - [1] применены частицы алюминия (алюминиевая пудра);

- по авторскому свидетельству СССР: SU 1278617 А1 от 23.12.1986 - [2] также применен порошок алюминия;

- по патенту Германии: DE 10320186 (А1) от 02.12.2004 - [3] применены порошки серебра и графита;

- по патенту Германии: DE 202004017339 (U1) от 17.02.2005 - [4] применен графит;

- по европейскому патенту: ЕР 0982392 (А1) от 01.03.2000 - [5] применен порошок алюминия;

- по патенту Китая: CN 1986722 (А) от 27.06.200 - [6] также применен порошок алюминия;

- по патенту Китая: CN 101416304 (А) от 22.04.2009 - [7] применены пористые агломераты углеродных частиц;

- по патенту Китая: CN 108890170 (А) от 27.11.2018 - [8] применен порошок графен-наносеребра;

- по патенту Китая: CN 110549040 (А) от 10.12.2019 - [9] применен порошок (нитрида алюминия / наносеребра), то есть порошок нитрида алюминия, химически покрытого тонким слоем серебра;

- по патенту Австралии: AU 3230971 (А) от 15.02.1973 - [10] применен порошок алюминия;

- по патенту РФ: RU 2672247 С2 от 13.11.2018 - [11] применены частицы серебра, меди, алюминия, углеродной сажи, графита, графена;

- по патенту США: US 2003004066 (А1) от 02.01.2003 - [12] применены частицы алюминия, меди, серебра и их смеси.

Прототипом заявленного технического решения - состава «электропроводной теплопроводной пасты» является одноименный состав по патенту РФ: RU 2772487 С1 от 23.05.2022, МПК Н01В 1/20 - [13]. Паста [13] содержит масляную основу из органического полидиметилсилоксана (ПМС) с аэросилом, в качестве масляной основы применено органическое полидиметилсилоксан - силиконовое масло ПМС, смешанное с аэросилом, а в качестве теплопроводного неорганического наполнителя использованы однородные частицы нитрида алюминия с размерами 3-7 мкм, в качестве частиц электропроводных материалов использованы однородные частицы графена с размерами 3-10 мкм и однородные частицы карбонильного железа с размерами 1,5-3,5 мкм, при этом процентный состав электропроводной теплопроводной пасты следующий: частицы нитрида алюминия 25-35%; частицы карбонильного железа 25-5%; масло силиконовое ПМС 20-30%; частицы графена 5-10%; аэросил 0,1-1%.

Основным недостатком прототипа [13] является то, что частицы карбонильного железа обладают магнитными свойствами и могут под воздействием магнитного поля реструктурировать электропроводную теплопроводную пасту (далее «пасту»), и возможно резкое изменение ее характеристик, что приводит к снижению качества приготовляемой теплопроводной пасты. Также недостатком пасты - прототипа является сравнительно низкая ее теплопроводность.

Указанный недостаток прототипа ставит задачу повышение качества пасты в течение длительного время ее использования и хранения (то есть длительного сохранения характеристик изготовленной электропроводной теплопроводной пасты), не ухудшая характеристик пасты прототипа. Кроме того, актуальна задача и по повышению теплопроводности пасты - прототипа.

Сущность заявленной электропроводной теплопроводной пасты состоит в том, что она содержит масляную основу из органического полидиметилсилоксана - силиконового масла ПМС (ПМС-400) смешанного с аэросилом (кремнеземом), а также теплопроводный неорганический наполнитель в виде однородных частиц нитрида алюминия с размерами 3-7 мкм, и в качестве частиц электропроводных материалов использованы однородные частицы графена с размерами 3-10 мкм, отличающаяся тем, что в качестве дополнительного теплопроводного неорганического наполнителя использованы частицы узкофракционного алмазного порошка с размерами 0,1-1,0 мкм, а в качестве дополнительного электропроводного и теплопроводного неорганического наполнителя использованы однородные частицы алюминиевой пудры с размерами 5-15 мкм, при этом процентный состав электропроводной теплопроводной пасты следующий:

частицы нитрида алюминия 25-33 частицы алмазного порошка 5-15 частицы алюминиевой пудры 10-20 частицы графена 10-20 масло силиконовое ПМС 20-30 аэросил 0,3-1,1

Известная «Теплопроводная паста» по патенту Украины: UA 8413 U от 15.08.2005 - [14], содержащая в своем составе два алмазных порошка с разным размером частиц, силиконовое масло, аэросил. В аналоге [14] также как и в заявленном техническом решении для изменения вязкостных и тиксотропных свойств силиконового масла применен порошок аэросила.

Однако в качестве теплопроводного неорганического наполнителя в аналоге [14] используются два алмазных порошка с разным размером частиц, и нет электропроводного наполнителя, что делает ее диэлектрической.

Известная «Теплопроводящая паста» по патенту на изобретение РФ: RU 2651035 С1 от 18.04.2018 - [15], содержащая теплопроводный неорганический наполнитель в виде частиц нитрида алюминия и связующее в виде органического полисилоксана. В качестве органического полисилоксана используют поли диметилсил океан (ПМС), а частицы нитрида алюминия имеют неправильную форму размером 110-300 мкм, которые составляют 80-100% по массе всех частиц, остальное - частицы размером до 100 нм, при этом частицы крупностью 110-300 мкм имеют строение в виде агломератов из наночастиц нитрида алюминия. Причем в описании прототипа [15] представлены четыре варианта составов теплопроводной пасты с разнообразными составами частиц нитрида алюминия до 100 нм и более 100 нм.

Основным недостатком аналога [15] является то, что он относится к диэлектрическим теплопроводным пастам и не может быть использована в случаях, когда необходимо использовать для сопряжения теплонапряженных различных устройств и деталей, где необходимо обеспечить электропроводность соединения. При этом вязкость и тиксотропность теплопроводной пасты зависит в основном от вязкости ПМС, которую в каждом отдельном варианте пасты необходимо отдельно подбирать, что не всегда возможно и затратно. Кроме того, при использовании в теплопроводной пасте двух видов размеров частиц нитрида алюминия, а именно при их размешивании в ПМС очень трудно добиться их равномерного распределения по всему объему пасты. Как правило, более крупные частицы и более мелкие взаимно группируются. А это приводит к снижения качества приготовляемой теплопроводной пасты.

Также из патентной литературы известны нижеприведенные способы приготовления электропроводных теплопроводных паст, например:

- способ приготовления теплопроводного материала графен-наносеребряной паяльной пасты по патенту Китая - [8], состоящий в трех этапах ее приготовления согласно его формулы изобретения, причем в качестве электропроводных частиц, как было указано выше применен порошок графен-наносеребра, а в процессе изготовления присутствуют операции сушки, механического и ультразвукового перемешивания, вакуумирование в процессе и в конце изготовления;

- способ получения композиции термопасты по независимому пункту 7 формулы изобретения патента на изобретение РФ [11], включающий осуществление контакта в зоне реактора с обратным смешиванием, с непрерывной подачей, между этиленом и координационным катализатором внедрения, в таких условиях, чтобы образовывалась смесь, по меньшей мере, двух продуктов, включающая сверхразветвленный олигомер и, по меньшей мере, один органический летучий продукт, со средним числом атомов углерода в молекуле, меньшим или равным 14, а также дальнейшие операции: по отделению сверхразветвленного олигомера от органического летучего продукта; выделение сверхразветвленного олигомера; и смешиванию сверхразветвленного олигомера и теплопроводного наполнителя с образованием композиции термопасты, при этом в качестве электропроводного наполнителя термопасты применены частицы серебра, меди, алюминия, углеродной сажи, графита, графена;

- способ изготовления теплопроводящей консистентной смазки по независимому пункту 12 формулы изобретения международной заявки: WO 2013052375 (А1) от 11.04.2013 - [16], состоящий в обеспечении смешения масла-носителя, загустителя и теплопроводных частиц с определенными размерами и процентным соотношением, при этом в составе применены электропроводящие частицы графита, аморфного углерода, алюминия, никеля, вольфрама, серебра и их комбинаций;

- способ приготовления теплопроводной пасты на основе кремния с регулируемой вязкостью по 10 пункту формулы изобретения патента Китая: CN 102382631 (А) от 21.03.2012 - [17], при этом в качестве электропроводного компонента применены порошки серебра, меди, графита в отдельности или в их смесях;

- способ изготовления теплопроводящей пасты по независимому пункту 7 формулы изобретения патента Китая: CN 111253917 (А) от 09.06.2020 - [18], включающий этапы взвешивания смеси, ее нагреве, а также дальнейшими операциями очередных перемешиваний и вакуумирований до приготовления готовой пасты, а электропроводным компонентом теплопроводящей пасты применен графен с размерами частиц 0,05-5 мкм.

- способ изготовления теплопроводящей консистентной смазки» по независимому пункту 15 патента США: US 2007031684 (А1) от 08.02.2007, Thermally conductive grease - [19], состоящий в подготовке и смешению ее компонентов, а именно включающий стадии: подачи масла-носителя, загустителя и теплопроводных частиц; смешивание теплопроводных частиц вместе; смешивание масла-носителя и загустителя вместе; и смешивание смешанных теплопроводных частиц со смесью масла-носителя и загустителя. При этом в качестве электропроводных частиц в теплопроводящей смазке могут быть применены графит, алюминий, серебро, а также их комбинации.

Общим недостатком данных известных способов изготовления теплопроводных паст по аналогам [8], [11], [16], [17], [18] и [19] является то, что по совокупности ограничительных и отличительных признаков их формул изобретений, содержащих отдельные операции подготовки и смешения компонентов теплопроводных паст, не могут быть непосредственно применены в заявленном техническом решении. Указанные в них компоненты, и их процентное содержание, как и параметры их подготовки, и режимы их смешения не совпадают и существенно отличаются от заявленного технического решения - способа изготовления.

Известный способ приготовления теплопроводного материала паяльной пасты из нитрида алюминия / наносеребряной пасты по независимому пункту 2 формулы изобретения патента Китая [9], включающий этапы: последовательное придание шероховатости, сенсибилизацию и активацию наночастиц нитрида алюминия; активационную обработку аммиачиванием с получением аммонизированных частиц нанотрида алюминия; добавке аммонизированных наночастиц нитрида алюминия к раствору аммиака серебра с перемешиванием и добавлением по каплям восстанавливающего агента до получения осадка, который очищают, центрифугируют и сушат для получения наночастиц наноалюминия, покрытых серебром; помещением наночастиц серебра в органический растворитель с добавлением второго поверхностно-активного вещества и перемешивания ультразвуком; выпаривания в вакууме растворителя с получением пасты наносеребра и ее перемешивания до тех пор, пока частицы не станут равномерно диспергированными.

В данном аналоге применены, также как и в заявленном техническом решении, процессы ультразвукового перемешивания с последующим вакуумированием, однако аналог - способ [9] предназначен для приготовления теплопроводного компонента паяльной, а не теплопроводной пасты, и не содержит масляной основы.

Прототипом заявленного способа для приготовления электропроводной теплопроводной пасты, как самой пасты также является изобретение по патенту РФ: RU 2772487 С1 от 23.05.2022, МПК Н01В 1/20 - [13]. Способ изготовления электропроводной теплопроводной пасты [13], состоит в подготовке и смешении ее компонентов, при этом в отдельной таре проводят одновременное нагревание с вакуумированием частиц аэросила и частиц нитрида алюминия. После чего и остывания компонентов производят смешение с нарастанием скорости вращения масла силиконового ПМС с аэросилом до образования готовой суспензии масляной основы. Далее проводят вакуумирование полученной масляной основы. После чего в масляную основу небольшими порциями добавляют частицы карбонильного железа, с одновременным механическим перемешиванием и после полного внесения частиц карбонильного железа проводят дальнейшее механическое перемешивание смеси с дополнительным ультразвуковым перемешиванием. Далее в смесь масляной основы и карбонильного железа при ее механическом перемешивании небольшими порциями добавляют частицы графена и после полного внесения частиц графена проводят дальнейшее механическое перемешивание смеси с дополнительным ультразвуковым перемешиванием. После чего в полученную смесь при ее механическом перемешивании небольшими порциями добавляют частицы нитрида алюминия и после полного внесения частиц нитрида алюминия проводят дальнейшее механическое перемешивание смеси с дополнительным ультразвуковым перемешиванием до получения электропроводной теплопроводной пасты заданных вязкостных и тиксотропных параметров с последующим ее вакуумированием и дальнейшей фасовкой готовой электропроводной теплопроводной пасты в тару.

Недостатком прототипа - способа [13] является то, что его признаки в изложенном в патенте виде не могут быть непосредственно применены в заявленном техническом решении, так, как различаются и входящие в теплопроводную пасту компоненты, так и их процентное содержание.

Сущность способа изготовления электропроводной теплопроводной пасты, состоящий в подготовке и смешению ее компонентов, со следующим процентным составом:

частицы нитрида алюминия 25-33 частицы алмазного порошка 5-15 частицы алюминиевой пудры 10-20 частицы графена 10-20 масло силиконовое ПМС 20-30 аэросил 0,3-1,1%,

заключается в том, что в отдельной таре проводят одновременное нагревание с вакуумированием частиц аэросила и частиц нитрида алюминия с размерами 3-7 мкм (то есть проводят сушку компонентов). После остывания компонентов производят смешение с нарастанием (со ступенчатым нарастанием) скорости вращения масла силиконового ПМС (ПМС-400) с аэросилом (кремнеземом) до образования готовой однородной суспензии масляной основы (для электропроводной теплопроводной пасты) с последующим вакуумированием полученной масляной основы (ПМС-400 с аэросилом с требуемыми вязкостными и тиксотропными параметрами). После чего в масляную основу небольшими порциями добавляют алмазный порошок с размерами 0,1-1,0 мкм при механическом перемешивании, и после полного внесения алмазного порошка проводят дальнейшее механическое перемешивание всей смеси (однородной теплопроводной смеси алмазного порошка с масляной основой - теплопроводной основы пасты для более крупных теплопроводных и электропроводных частиц). После этого в полученную смесь небольшими порциями добавляют частицы алюминиевой пудры с размерами 5-15 мкм, с одновременным механическим перемешиванием и после полного внесения частиц алюминиевой пудры проводят дальнейшее механическое перемешивание смеси с дополнительным ультразвуковым перемешиванием. Далее в смесь масляной основы, алмазного порошка и алюминиевой пудры при механическом перемешивании смеси небольшими порциями добавляют однородные частицы графена с размерами 3-10 мкм и после полного внесения частиц графена проводят дальнейшее механическое перемешивание смеси с дополнительным ультразвуковым перемешиванием. После чего, в полученную смесь при ее механическом перемешивании небольшими порциями добавляют частицы нитрида алюминия, и после полного внесения частиц нитрида алюминия проводят дальнейшее механическое перемешивание смеси с дополнительным ультразвуковым перемешиванием до получения электропроводной теплопроводной пасты требуемых (первоначально заданных, необходимых) вязкостных и тиксотропных параметров с последующим ее вакуумированием и дальнейшей фасовкой готовой электропроводной теплопроводной пасты в тару.

Техническим результатом заявленных электропроводной теплопроводной пасты и способа ее приготовления является повышение качества пасты в течение длительного время использования и хранения, а также повышение ее теплопроводности. Кроме того, решается задача импортозамещения при изготовлении и использовании электропроводной теплопроводной пасты.

Часть технического результата по повышению качества пасты (по прототипу) в течение длительного время использования и хранения, достигается тем, что из ее состава убран порошок карбонильного железа, на который воздействуют магнитные и электромагнитные поля, и тем самым приводят к расслоению пасты. То есть, из состава пасты убраны частицы карбонильного железа, обладающие магнитными свойствами, и которые могут под воздействием магнитного поля реструктурировать пасту с возможными существенными изменениями ее характеристик, приводящие к снижению качества пасты. В заявленной пасте магнитные электропроводные частицы карбонильного железа заменены на соразмерные немагнитные электропроводные частицы алюминия, которые при этом обладают, как лучшей теплопроводностью, так лучшей электропроводностью.

Часть технического результата по повышению теплопроводности пасты (по прототипу) достигается тем, что в ее состав включены частицы алмазного порошка с размерами 0,1-1,0 мкм, которые на порядок более меньшие, чем порошки других теплопроводных и электропроводных наполнителей пасты: нитрида алюминия (с размерами 3-7 мкм), частицы алюминиевой пудры (с размерами 5-15 мкм) и однородные частицы графена (с размерами 3-10 мкм). При этом, частицы алмазного порошка будут заполнять полости масляной основы между более крупными частицами наполнителей (нитрида алюминия, алюминиевой пудры и графена) и тем самым создавать более плотную «упаковку» пасты, повышая ее теплопроводность.

Низкие затраты на производство обеспечиваются применением в «пасте» сравнительно недорогих порошков неорганического теплопроводного материала из нитрида алюминия с размерами частиц 3-7 мкм и частиц узкофракционного алмазного порошка с размерами 0,1-1,0 мкм, а также добавок из электропроводных материалов из двух компонентов со сравнительно одинаковыми размерами (размеры частиц одного порядка), а именно графена из микрочастиц с толщиной частиц 3-5 мкм и диаметром 0,5-10 мкм, а также алюминиевой пудры с размерами микрочастиц 5-15 мкм.

Это позволяет сохранить технологичность перемешивания (по сравнению с приготовлением «пасты» по прототипу), так как в первоначально образованной теплопроводной основе пасты, состоящей из смеси масляной основой с мелкодисперсным алмазным порошком будут последовательно перемешиваться соразмерные частицы (по порядок большие, чем частицы алмазного порошка) алюминиевой пудры, графена и нитрида алюминия.

При этом, частицы узкофракционного алмазного порошка с размерами 0,1-1,0 мкм размешанные в масляной основе, как бы будут составлять основу (теплопроводную), в которой частицы алмазного порошка будут заполнять промежутки между более крупными частицами нитрида алюминия, алюминиевой пудры и графена, тем самым существенно повышая теплопроводность пасты.

Стоимость узкофракционного алмазного порошка с размерами 0,1-1,0 мкм одного порядка со стоимостью частиц нитрида алюминия с размерами 3-7 мкм. Поэтому себестоимость производимой по заявленному техническому решению электропроводная теплопроводная паста не должна вырасти по сравнению с прототипом.

Также, это позволяет повысить качество «пасты» по сравнению с прототипом, где декларируется, что применение в «пасте» порошков с разными размерами не позволит создать слой «пасты» между теплообменивающими поверхностями, меньше, чем размеры самых крупных частиц порошков теплопроводного и электропроводного наполнителя, что гарантировано приведет к неоднородности распределения частиц разных размеров в пасте. В заявленном же техническом решении частицы узкофракционного алмазного порошка с размерами 0,1-1,0 мкм размешанные в масляной основе будут заполнять промежутки между тремя наполнителями с соразмерными частицами (3-15 мкм), и тем самым, не ухудшить качество «пасты», а его улучшить, при этом дополнительно повысит теплопроводность «пасты».

В процессах транспортировки и длительного хранения «пасты» (суспензии, которую представляет собой «паста») в которой содержатся намагничиваемые частицы (например, карбонильного железа) может происходить расслоение ее взвешенных микроскопических частиц, особенно под действием магнитных полей (как в прототипе [13]) и т.д. В заявленном техническом решении исключены частицы карбонильного железа, которые даже при воздействии магнитного поля Земли могут притягиваться и сближаться друг с другом, что приводит к расслоению «пасты». Это актуально, при применении «пасты» в силовых узлах радиоэлектроники, с большими протекающими токами, и следовательно, с большими магнитными полями, способными сделать «пасту» по прототипу неоднородной, и, следовательно существенно, снизить ее качество. Такая неоднородность распределения частиц в «пасте» сильно снижает ее теплопроводность, и ее качество из-за того, что в одном месте нанесенной на теплопроводящую поверхность «пасты» могут находиться частицы большого размера, обеспечивая высокую теплопроводность на локальной площади теплообмена небольшого размера, тогда, когда большую площадь теплообмена будут занимать небольшие частицы, взвешенные в масляной основе «пасты» с низкой теплопроводностью. Это, в свою очередь, будет снижать теплопроводность пасты и ее качество.

При практическом применении слоев «пасты», например для установки радиаторов для электронной компонентной базы с тепловыделяющим электропроводным (земляным) контактом, трудно обеспечить слой пасты менее 5-7 мкм, и для этого нет необходимости снижать в «пасте» размеры частиц порошка неорганического теплопроводного материала менее 1 мкм, так как более мелкие частицы будут во взвешенном состоянии в масляной основе «пасты». Тем более, что изготовление частиц нитрида алюминия менее 1 мкм более трудоемко, и они более дорогие. Практически реально достижимый минимальный гарантированный зазор при нанесении «пасты» составляет около 10-20 мкм, поэтому в заявленном техническом решении выбран диапазон 7-10 мкм размеров частиц порошка основного неорганического теплопроводного материала - нитрида алюминия. С этими размерами соразмерны частицы графена (3-10 мкм) и частицы алюминиевой пудры (5-15 мкм). При этом, мельчайшие частицы алмазного порошка с размерами 0,1-1,0 мкм будут заполнять полости масляной основы между более крупными частицами наполнителей (нитрида алюминия, алюминиевой пудры и графена), создавая при этом более плотный по наполнению слой нанесенной «пасты», и, следовательно, обеспечивать заданные (заявленные) теплопроводность и электропроводность «пасты».

То есть, заявленный диапазон размеров всех входящих типов микрочастиц наполнителя позволяет обеспечить плотное и, самое главное, однородное распределение частиц нитрида алюминия и алмазного порошка (являющимися высокотеплопроводными и диэлектрическими материалами) и двумя теплопроводными, так и электропроводными материалами: графена и алюминиевой пудры в «пасте» для ее применения в зазорах около 10-20 мкм для достижения максимальной теплопроводности при объемном удельном сопротивлении «пасты» не более 1*10¹⁵ Ом*см.

Добавление в масло силиконовое ПМС-400 аэросила (кремнезема) позволяет получать суспензию масляной основы с необходимыми тиксотропными и вязкостными свойствами. При этом, чем меньше аэросила (кремнезема), тем меньше вязкость масляной основы, и наоборот.

Процентное соотношение суспензии (масляной основы ПМС-400 с аэросилом) и теплопроводных частиц наполнителя также зависит от необходимых конечных реологических, вязкостных, тиксотропных и теплопроводных свойств получаемой «пасты» (для ее применения в разных устройствах, и в зависимости от условий их работы).

Один из вариантов изготовленной и испытанной заявителями электропроводной теплопроводной пасты имеет следующий процентный состав:

частицы нитрида алюминия 27 частицы алмазного порошка 10 частицы алюминиевой пудры 17 частицы графена 17 масло силиконовое ПМС 28 аэросил 1

Объемное удельное сопротивление электропроводной теплопроводной пасты составляет не более 1*10⁵ Ом*см.

По внешнему виду полученная электропроводная теплопроводная паста представляет собой однородную массу без расслоения, от белого до серого цвета без комков и примесей, с условной вязкостью не менее 16 мм.

Теплопроводность заявленной электропроводной теплопроводной пасты составляет не менее 8 Вт/(м*К). При уменьшении гарантированного слоя «пасты» в тепловом зазоре теплопроводность увеличивается, и, наоборот, при увеличении толщины слоя «пасты» ее теплопроводность уменьшается.

В процессе испытаний на различных материалах не оказывала корродирующего действия.

Материалы, примененные заявителем для приготовления электропроводной теплопроводной пасты следующие:

- силиконовое масло, ПМС - 400, тех., ГОСТ 13032-77;

- аэросил (кремнезем), А - 380, ГОСТ 14922-77;

- нитрид алюминия, порошок, зернистость марка Т2 с размерами частиц AlN 3-7 мкм, ТУ 6-09-110-75;

- графен в виде порошка из микрочастиц (толщина частиц 3-5 мкм и диаметр частиц 0,5-10 мкм), ПНСТ 34-2015;

- частицы алюминиевой пудры, ПАП-2, ГОСТ 5494-95 с размерами микрочастиц 5-15 мкм;

- частицы алмазного порошка АСМ 1/0, ГОСТ 9206-80 с размерами частиц 0,1-1,0 мкм.

Для приготовления заявленной электропроводной теплопроводной пасты необходимо следующее типовое оборудование и принадлежности: весы лабораторные электронные, шкаф вытяжной, мерные стаканы, модульная реакционная система с реакционным сосудом (с крышкой), гомогенизатор механический с диспергирующим элементом, диспергатор ультразвуковой, вакуумный насос, шкаф сушильный вакуумный.

Заявленный способ (технология, процесс) приготовления электропроводной теплопроводной пасты состоит следующих операций (О 1 - О N, где N=26):

О 1. Проводят подготовку материалов: нитрида алюминия и аэросила А - 380, при этом нитрид алюминия и аэросил насыпают в маркированные для данного типа сырья металлические лотки и помещают в предварительно нагретый до температуры не ниже +200°С в шкаф сушильный вакуумный.

О 2. Шкаф закрывают и подключают к вакуумному насосу.

О 3. Откачивают воздух из камеры шкафа до остаточного давления не более 0,2 бар (20 кПа) и выдерживают материалы при нагревании и в вакууме в течение 3 часов.

О 4. По истечении времени выдерживания материалов под вакуумом, давление в камере шкафа выравнивают с атмосферным давлением, открывают шкаф, извлекают материалы из шкафа и оставляют до выравнивания температуры материалов с температурой окружающей среды.

О 5. Подготавливают весы лабораторные электронные в соответствии с техническим описанием и руководством по эксплуатации.

О 6. Помещают мерный стакан и маркированный для работы с аэросилом А-380 на весы и взвешивают аэросил в необходимом количестве, после чего аэросил переносят в реакционный сосуд с уже залитым в него необходимым количеством (по формуле изобретения) силиконовым маслом ПМС-400.

О 7. Сосуд закрывают крышкой, на которой предварительно закрепляют - диспергирующий элемент механического диспергатора (устройства для перемешивания с большой скоростью вращения).

О 8. Присоединяют к деспергирующему элементу сам механический диспергатор, закрывают загрузочное отверстие, и далее закрепляют вакуумный шланг на фланце крышки реакционного сосуда.

О 9. В модульной реакционной системе включают перемешивание якорной мешалкой со скоростью 40 об/мин, а затем включают механический диспергатор с начальной скоростью вращения 3000 об/мин. Через 2 мин после начала диспергирования увеличивают скорость вращения диспергатора до 5000 об/мин, через 5 мин после начала диспергирования увеличивают скорость вращения диспергатора до 10000 об/мин, затем включают вакуумный насос и медленно, не допуская сильного вспенивания, откачивают воздух из реакционного сосуда при непрерывном перемешивании и диспергировании в течение 30 мин.

О 10. По истечении указанного выше времени вакуумирования выключают механический диспергатор и останавливают перемешивание в реакторе, выравнивают внутренне давление в реакционном сосуде с атмосферным давлением.

О 11. На реакционном сосуде меняют крышку с закрепленным диспергирующим элементом механического диспергатора на крышку с закрепленным ультразвуковым диспергатором.

О 12. Помещают мерный стакан, маркированный для работы с алмазным порошком на весы, и взвешивают алмазный порошок в необходимом (по формуле изобретения) количестве.

О 13. Продолжая перемешивание, вносят небольшими порциями алмазный порошок в течение не менее 10 мин.

О 14. После добавления всего алмазного порошка включают ультразвуковой диспергатор и диспергируют (обрабатывают) смесь в течение не менее 20 мин, при перемешивании якорной мешалкой со скоростью 60 об/мин.

O 15. Помещают мерный стакан маркированный для работы с алюминиевой пудрой ПАП-2 на весы и взвешивают алюминиевую пудру в необходимым (по формуле изобретения) количестве.

О 16. В модульной реакционной системе включают перемешивание якорной мешалкой со скоростью 60 об/мин и небольшими порциями вносят алюминиевую пудру в течение не менее 10 мин.

О 17. После добавления всей алюминиевой пудры включают ультразвуковой диспергатор и обрабатывают (диспергируют) смесь в течение не менее 60 мин, при перемешивании якорной мешалкой со скоростью 60 об/мин.

О 18. Помещают мерный стакан, маркированный для работы с графеном на весы, и взвешивают графен в необходимом (по формуле изобретения) количестве.

О 19. Продолжая перемешивание, вносят небольшими порциями графен в течение не менее 20 мин.

О 20. После добавления всего графена включают ультразвуковой диспергатор и диспергируют (обрабатывают) смесь в течение не менее 60 мин, при перемешивании якорной мешалкой со скоростью 60 об/мин.

О 21. Помещают мерный стакан, маркированный для работы с нитридом алюминия на весы и взвешивают нитрид алюминия в необходимым (по формуле изобретения) количестве.

О 22. В модульной реакционной системе включают перемешивание якорной мешалкой со скоростью 30 об/мин и небольшими порциями вносят нитрид алюминия в течение 30 мин, не допуская нагревания смеси выше +45°С.

O 23. После внесения всего нитрида алюминия продолжают перемешивание и ультразвуковое диспергирование в течение не менее 20 мин при атмосферном давлении.

О 24. Закрывают загрузочное отверстие и закрепляют вакуумный шланг на фланце крышки реакционного сосуда, после чего включают перемешивание якорной мешалкой со скоростью 30 об/мин, далее включают вакуумный насос и медленно, не допуская сильного вспенивания, откачивают воздух из реакционного сосуда при непрерывном перемешивании в течение не менее 20 мин.

О 25. По истечении заданного времени вакуумирование и перемешивание останавливают, и далее выравнивают внутренне давление в реакционном сосуде с атмосферным давлением.

О 26. Отсоединяют вакуумный шланг от фланца крышки реакционного сосуда, снимают крышку реакционного сосуда и выгружают готовую электропроводную теплопроводную пасту в тару, например в ПЭТ банки емкостью 100 мл (изготовленные из полиэтилентерефталата).

Заявленные электропроводная теплопроводная паста и способ ее приготовления могут быть применены для создания отечественного малотоннажного производства теплопроводных паст для отвода тепла, в том числе от радиаторов, интегральных схем и полупроводниковых приборов, и, других изделий радиоэлектронной аппаратуры, где необходима электропроводность, например для снятия статического напряжения.

Литература

1. Авторское свидетельство СССР: SU 919346 А1 от 10.03.2006, МПК C09K 5/00, «Теплопроводная паста».

2. Авторское свидетельство СССР: SU 1278617 А1 от 23.12.1986, МПК G01K7/16, «Теплопроводящая паста для термопреобразователя сопротивления».

3. Патент Германии: DE 10320186 (А1) от 02.12.2004, МПК C09K 5/14, H01L23/373, «Heat conducting paste used in the production of power semiconductor modules comprises a base material and a filler» (Теплопроводящая паста, используемая при производстве силовых полупроводниковых модулей, состоит из основного материала и наполнителя).

4. Патент Германии: DE 202004017339 (U1) от 17.02.2005, МПК C09K 5/12, H05K 7/20, «Heat conducting paste for joining electronic components in a computer chip contains a filler based on graphite powder and a matrix material based on oil, grease or wax» (Теплопроводящая паста для соединения электронных компонентов в компьютерном чипе содержит наполнитель на основе графитового порошка и матричный материал на основе масла, смазки или воска).

5. Европейский патент: ЕР 0982392 (А1) от 01.03.2000, МПК С10М105/04, С10М105/54, С10М107/50, «Thermally conductive grease composition and semiconductor device using the same» (Состав теплопроводящей консистентной смазки и полупроводниковое устройство с ее использованием).

6. Патент Китая: CN 1986722 (А) от 27.06.2007, МПК C09K5/08, H01L23/42, «Heat conducting paste and electronic device with the heat conducting paste» (Теплопроводящая паста и электронное устройство с теплопроводной пастой).

7. Патент Китая: CN 101416304 (А) от 22.04.2009, МПК В32В3/26, В32 В5/16, C08K3/00, «Conformable interface materials for improving thermal contacts» (Соответствующие материалы интерфейса для улучшения термоконтактов).

8. Патент Китая: CN 108890170 (А) от 27.11.2018, МПК B23K35/30, B23K35/40, «Graphene-nanosilver solder paste heat conducting material and preparation method thereof» (Паяльная паста графен-наносеребра, теплопроводящий материал и способ его приготовления).

9. Патент Китая: CN 110549040 (А) от 10.12.2019, МПК B23K35/22, B23K35/24, B23K35/36, «Aluminum nitride/nanosilver soldering paste heat-conducting material and preparation method thereof» (Теплопроводящий материал для паяльной пасты из нитрида алюминия / наносеребра и способ его приготовления).

10. Патент Австралии: AU 3230971 (А) от 15.02.1973, МПК H01L23/42, «Heat conducting paste» (Теплопроводящая паста).

11. Патент на изобретение РФ: RU 2672247 С2 от 13.11.2018, МПК С10М107/06, С10М125/04, C08F4/64, B01J 31/22, C07F7/00, C08K3/22, С08К3/28, С09К5/10, «Теплопроводная паста на основе сверхразветвленной олефиновой текучей среды».

12. Патент США: US 2003004066 (А 1) от 02.01.2003, МПК Н01С1/084, H01L23/373, «Thermal paste for low temperature applications» (Термопаста для низкотемпературных применений).

13. Патент на изобретение РФ: RU 2772487 С1 от 23.05.2022, МПК Н01В1/20, «Электропроводная теплопроводная паста и способ ее приготовления» - прототип.

14. Патент Украины: UA 8413 U от 15.08.2005, МПК C09K5/00, Теплопроводная паста.

15. Патент на изобретение РФ: RU 2651035 С1 от 18.04.2018, МПК C09K5/00, C08K7/06, B82Y30/00, «Теплопроводящая паста» - прототип состава пасты.

16. Международная заявка: WO 2013052375 (А1) от 11.04.2013, МПК С10М169/04, С10М171/06, «Thermal grease having low thermal resistance)) (Термопаста с низким термическим сопротивлением).

17. Патент Китая: CN 102382631 (А) от 21.03.2012, МПК C08K13/02, C08K3/08, C08K3/22, «High-performance viscosity-controllable silicon-based heat conducting paste and preparation method thereof» (Высокоэффективная теплопроводная паста на основе силикона с регулируемой вязкостью и способ ее приготовления).

18. Патент Китая: CN 111253917 (А) от 09.06.2020, МПК C09K5/08, «Heat-conducting paste and preparation method thereof)) (Теплопроводная паста и способ ее приготовления).

19. Патент США: US 2007031684 (А1) от 08.02.2007, МПК В32В9/04, Thermally conductive grease (Теплопроводящая смазка) - прототип способа приготовления.

Группа изобретений относится к области создания теплопроводящих материалов и может быть использована для разъемного электропроводного сопряжения теплонапряженных различных устройств и деталей. Электропроводная теплопроводная паста содержит масляную основу из органического полидиметилсилоксана (ПМС) с аэросилом, в качестве масляной основы применен органический полидиметилсилоксан - силиконовое масло ПМС - 20-30%, смешанное с аэросилом - 0,3-1,1%. В качестве теплопроводных неорганических наполнителей использованы однородные частицы нитрида алюминия с размерами 3-7 мкм - 25-33% и частицы узкофракционного алмазного порошка с размерами 0,1-1,0 мкм - 5-15%. В качестве частиц электропроводных материалов использованы частицы алюминиевой пудры с размерами 5-15 мкм - 10-20% и однородные частицы графена с размерами 3-10 мкм - 10-20%. Изобретение позволяет повысить качество пасты в течение длительного время использования и хранения, а также повысить теплопроводность пасты. 2 н.п. ф-лы.

1. Электропроводная теплопроводная паста, содержащая масляную основу из органического полидиметилсилоксана, смешанного с аэросилом, а также теплопроводный неорганический наполнитель в виде однородных частиц нитрида алюминия с размерами 3-7 мкм, и электропроводный наполнитель в виде однородных частиц графена с размерами 3-10 мкм, отличающаяся тем, что

в качестве дополнительного теплопроводного неорганического наполнителя использованы частицы узкофракционного алмазного порошка с размерами 0,1-1,0 мкм, а в качестве дополнительного электропроводного и теплопроводного неорганического наполнителя использованы однородные частицы алюминиевой пудры с размерами 5-15 мкм, при этом процентный состав электропроводной теплопроводной пасты следующий:

частицы нитрида алюминия 25-33 частицы алмазного порошка 5-15 частицы алюминиевой пудры 10-20 частицы графена 10-20 масло силиконовое ПМС 20-30 аэросил 0,3-1,1

2. Способ изготовления электропроводной теплопроводной пасты, состоящий в подготовке к смешению ее компонентов, при этом процентный состав электропроводной теплопроводной пасты следующий:

частицы нитрида алюминия 25-33 частицы алмазного порошка 5-15 частицы алюминиевой пудры 10-20 частицы графена 10-20 масло силиконовое ПМС 20-30 аэросил 0,3-1,1,

в отдельной таре проводят одновременное нагревание с вакуумированием частиц аэросила и частиц нитрида алюминия с размерами 3-7 мкм, после чего и остывания компонентов производят смешение с нарастанием скорости вращения масла силиконового ПМС с аэросилом до образования готовой суспензии масляной основы, далее проводят вакуумирование полученной масляной основы, после чего добавляют частицы графена с размерами 3-10 мкм и нитрида алюминия с механическим и ультразвуковым перемешиванием до получения электропроводной теплопроводной пасты заданных вязкостных и тиксотропных параметров, с последующим ее вакуумированием и дальнейшей фасовкой готовой электропроводной теплопроводной пасты в тару, отличающийся тем, что после образования готовой суспензии масляной основы и перед добавлением частиц графена в готовую отвакуумированную суспензию масляной основы небольшими порциями добавляют алмазный порошок с размерами 0,1-1,0 мкм при механическом перемешивании, и после полного внесения алмазного порошка проводят дальнейшее механическое перемешивание всей смеси, также после этого в полученную смесь небольшими порциями добавляют частицы алюминиевой пудры с размерами 5-15 мкм с одновременным механическим перемешиванием и после полного внесения частиц алюминиевой пудры проводят дальнейшее механическое перемешивание смеси с дополнительным ультразвуковым перемешиванием.