Thermal interface materials including silane coupling agents for decreasing material hardness and / or for reducing spreading of material (s) migrating from the thermal interface materials

Abstract

Disclosed are exemplary thermal interface materials (broadly, composites) including silane coupling agents for decreasing material hardness and / or for reducing the spreading of material (s), if any, migrating therefrom. Also disclosed are exemplary methods of decreasing material hardness and / or reducing spreading of material (s), if any, migrating from composites useful for management of heat and / or electromagnetic interference (EMI). In exemplary embodiments, a composite comprises a matrix, one or more functional fillers within the matrix, and silane coupling agent within the matrix. The composite includes at least about 0.5 weight percent of the silane coupling agent based on a total weight of the composite, and / or the composite includes an amount of the silane coupling agent sufficient to decrease hardness of the composite such that the composite is configured to have a high recovery and low compression force and / or to reduce spreading of material(s), if any, migrating from the composite.

Description

THERMAL INTERFACE MATERIALS INCLUDING SILANE COUPLING AGENTS FOR DECREASING MATERIAL HARDNESS AND / OR FOR REDUCING SPREADING OF MATERIAL (S) MIGRATING FROM THE THERMAL INTERFACE MATERIALSTechnical Field

[0001] The present disclosure relates to thermal interface materials (broadly, composites) including silane coupling agents for decreasing material hardness and / or for reducing the spreading of material (s) , if any, migrating therefrom (e.g., reduced oil bleed spreading, etc. ) . The present disclosure also relates to methods of decreasing material hardness and / or reducing spreading of material (s) , if any, migrating from composites useful for management of heat and / or electromagnetic interference (EMI) . The composite may comprise thermal management and / or electromagnetic interference (EMI) mitigation materials, such as thermal interface materials (TIMs) (e.g., low oil bleeding and high recovery thermal pads, etc. ) , EMI absorbers, thermally-conductive EMI absorbers, electrically-conductive elastomers (ECEs) , electrically-conductive composites, combinations thereof, etc.Background Art

[0002] This section provides background information related to the present disclosure which is not necessarily prior art.

[0003] Electrical components, such as semiconductors, integrated circuit packages, transistors, etc., typically have pre-designed temperatures at which the electrical components optimally operate. Ideally, the pre-designed temperatures approximate the temperature of the surrounding air. But the operation of electrical components generates heat. If the heat is not removed, the electrical components may then operate at temperatures significantly higher than their normal or desirable operating temperature. Such excessive temperatures may adversely affect the operating characteristics of the electrical components and the operation of the associated device.

[0004] To avoid or at least reduce the adverse operating characteristics from the heat generation, the heat should be removed, for example, by conducting the heat from the operating electrical component to a heat sink. The heat sink may then be cooled by conventional convection and / or radiation techniques. During conduction, the heat may pass from the operating electrical component to the heat sink either by direct surface contact between the electrical component and heat sink and / or by contact of the electrical component and heat sink surfaces through an intermediate medium or thermal  interface material (TIM) . The thermal interface material may be used to fill the gap between thermal transfer surfaces, in order to increase thermal transfer efficiency as compared to having the gap filled with air, which is a relatively poor thermal conductor.

[0005] In addition, a common problem in the operation of electronic devices is the generation of electromagnetic radiation within the electronic circuitry of the equipment. Such radiation may result in electromagnetic interference (EMI) or radio frequency interference (RFI) , which can interfere with the operation of other electronic devices within a certain proximity. Without adequate shielding, EMI / RFI interference may cause degradation or complete loss of important signals, thereby rendering the electronic equipment inefficient or inoperable.

[0006] The term “EMI” as used herein should be considered to generally include and refer to EMI emissions and RFI emissions, and the term “electromagnetic” should be considered to generally include and refer to electromagnetic and radio frequency from external sources and internal sources. Accordingly, the term shielding (as used herein) broadly includes and refers to mitigating (or limiting) EMI and / or RFI, such as by absorbing, reflecting, blocking, and / or redirecting the energy or some combination thereof so that it no longer interferes, for example, for government compliance and / or for internal functionality of the electronic component system.Disclosure of Invention

[0007] In one aspect, the present disclosure provides a composite useful for the management of heat and / or electromagnetic interference (EMI) , the composite comprising a matrix, one or more functional fillers within the matrix, and silane coupling agent within the matrix, wherein:

[0008] the composite includes at least about 0.5 weight percent of the silane coupling agent based on a total weight of the composite; and / or

[0009] the composite includes an amount of the silane coupling agent sufficient to decrease hardness of the composite such that the composite is configured to have a high recovery and low compression force and / or to reduce spreading of material (s) , if any, migrating from the composite.

[0010] In another aspect, the present disclosure provides a method of decreasing hardness and / or reducing spreading of material (s) , if any, migrating from a composite useful for management of heat and / or electromagnetic interference (EMI) , the method comprising adding silane coupling agent to the composite such that the composite includes at least about 0.5 weight percent of the silane coupling agent based on a total weight of the composite.Brief Description of Drawings

[0011] The drawings described herein are for illustrative purposes only of selected embodiments and not all possible implementations, and is not intended to limit the scope of the present disclosure.

[0012] Figs. 1 and 2 are photographs of an exemplary thermal interface material (broadly, a composite) including silane coupling agent for decreasing material hardness and for reducing the spreading of material (s) , if any, migrating therefrom according to an exemplary embodiment. As shown in Figs. 1 and 2, there is no oil bleed from the thermal interface material at day 1 (Fig. 1) and day 7 (Fig. 2) as determined by a rough blotting paper method.

[0013] Modes for Carrying Out the Invention

[0014] Example embodiments will now be described more fully with reference to the accompanying drawings.

[0015] As recognized herein, it would be advantageous to have a thermal pad (broadly, a thermal interface material) with low oil bleeding, high recovery, and low compression force. Accordingly, disclosed herein are thermal interface materials (broadly, composites) having low oil bleeding, high recovery with low compression force, and high thermal conductivity (e.g., at least 1 Watts per meter per Kelvin (W / mK) , 2 W / mK, 3 W / mK, 4 W / mK, 5 W / mK, more than 5 W / mK, etc. ) . A thermal interface material (e.g., thermally-conductive pad, etc. ) disclosed herein may advantageously be used along an interface between a heat sink (broadly, a heat removal / dissipation structure) and an integrated circuit (IC) (broadly, a heat source) .

[0016] After recognizing the above, exemplary embodiments were developed and / or are disclosed herein of thermal interface materials (broadly, composites) including silane coupling agents for decreasing material hardness and / or for reducing the spreading of material (s) , if any, migrating therefrom (e.g., reduced oil bleed spreading, etc. ) . Also disclosed are exemplary methods of decreasing material hardness and / or reducing spreading of material (s) , if any, migrating from composites useful for management of heat and / or electromagnetic interference (EMI) . The composites may comprise thermal management and / or electromagnetic interference (EMI) mitigation materials, such as thermal interface materials (TIMs) (e.g., low oil bleeding and high recovery thermal pads, etc. ) , EMI absorbers, thermally- conductive EMI absorbers, electrically-conductive elastomers (ECEs) , electrically-conductive composites, combinations thereof, etc.

[0017] Disclosed are exemplary composites that are useful for the management of heat and / or electromagnetic interference (EMI) . In exemplary embodiments, the composite comprises a matrix, one or more functional fillers within the matrix, and silane coupling agent within the matrix. The composite may include at least about 0.5 weight percent of the silane coupling agent based on a total weight of the composite. Additionally, or alternatively, the composite may include an amount (e.g., at least about 0.5 weight percent or more, etc. ) of the silane coupling agent sufficient to decrease hardness of the composite thereby configuring the composite have a high recovery and low compression force and / or to reduce spreading of material (s) , if any, migrating from the composite.

[0018] In exemplary embodiments, the silane coupling agent is operable for wetting the particle surfaces to facilitate mixing with the silicone resin (broadly, matrix) and forming a bond between the resin and different particles. The amount of silicone coupling agent is preferably high enough or increased to decrease the material hardness of the composite such that the composite has a high recovery with low compression force. The amount of silicone coupling agent is also preferably high enough or increased to ensure that unreacted polymer combines with particle surfaces to avoid the unreacted polymer easily spreading out and migrating from the composite.

[0019] In exemplary embodiments, the silane coupling agent preferably promotes adhesion between the composite’s dissimilar materials by forming a durable bond between organic and inorganic materials. The silane coupling agent preferably reacts with and forms an interface layer between the surface of the composite’s functional filler (s) and the matrix resin, which can transfer stress thereby enhancing the bonding strength therebetween and improving the composite’s performance. The silane coupling agent may also preferably improve dispersion during mixing of the resin and functional filler (s) and improve mechanical strength, water and heat resistance, transparency, adhesion and other properties of the composite.

[0020] In exemplary embodiments, the composite includes at least about 0.5 weight percent but not more than about 1 weight percent of the silane coupling agent. And the composite includes at least about 0.1 volume percent of the silane coupling agent. The composite may include at least about 0.1 volume percent but not more than about 0.6 volume percent of the silane coupling agent. For example, the composite may include about 0.93 weight percent and about 0.3 volume percent of the silane coupling agent.

[0021] In exemplary embodiments, the silane coupling agent comprises hexadecyltrimethoxysilane or trimethoxyhexadecylsilane having a linear formula of H3C (CH2) 15Si (OCH3) 3. In such exemplary embodiments, the composite includes at least about 0.5 weight percent but not more than about 1 weight percent (e.g., about 0.93 weight percent, etc. ) of the hexadecyltrimethoxysilane. For example, the composite may include about 0.93 weight percent and about 0.3 volume percent of the hexadecyltrimethoxysilane. The hexadecyltrimethoxysilane has a molecular weight of 346.62 and the chemical formula below.

[0022] In other exemplary embodiments, the silane coupling agent comprise doecyltrimethoxysilane. In such exemplary embodiments, the composite includes at least about 0.5 weight percent but not more than about 1 weight percent (e.g., about 0.93 weight percent, etc. ) of the doecyltrimethoxysilane. For example, the composite may include about 0.93 weight percent and about 0.3 volume percent of the doecyltrimethoxysilane.

[0023] In exemplary embodiments, the composite includes a sufficient amount (e.g., at least about 0.5 weight percent or more, etc. ) of the silane coupling agent to ensure unreacted polymer of the composite combines with particle surface (s) of the one or more functional filler particles to thereby reduce or avoid spreading of unreacted polymer, if any, migrating from the composite.

[0024] In exemplary embodiments, the matrix comprises a silicone resin matrix. And the composite includes a sufficient amount (e.g., at least about 0.5 weight percent or more, etc. ) of the silane coupling agent for improving dispersion during mixing of the one or more functional fillers within the silicone resin matrix, for promoting adhesive between the silicone resin and the one or more functional fillers, and for ensuring unreacted polymer combines with particle surface (s) of the one or more functional fillers to avoid unreacted polymer, if any, from easily spreading out thereby reducing silicone oil bleeding rate from the composite and enabling the composite to be usable substantially or entirely without silicone oil migration or release beyond confines of the composite.

[0025] In exemplary embodiments, the composite includes a sufficient amount (e.g., at least about 0.5 weight percent or more, etc. ) of the silane coupling agent such that the composite is configured to have a reduced silicone oil bleeding rate over time of less than 2 percent from the composite thereby  enabling the composite to be usable substantially or entirely without silicone oil migration or release beyond confines of the composite.

[0026] In exemplary embodiments, the composite includes a sufficient amount (e.g., at least about 0.5 weight percent or more, etc. ) of the silane coupling agent such that the composite is configured to have a reduced silicone oil bleeding rate over time of 1 percent or less as determined by a HT method. By way of background, the HT method for determining silicone oil bleeding rate over time generally includes a weight loss test method. The test procedure is as follows:

[0027] ● Based on the product specification to choose proper sample and sample size, cut product to 1 square inch sample by rounded die, weigh cut sample and record the initial weight W0;

[0028] ● Cover both sides of sample with 1 layer fiberglass;

[0029] ● Cover both sides of sample with 3 layers of filter paper;

[0030] ● Put sample into oil bleeding jig, choose appropriate spacer to control the sample compression, assemble jig by electric screwdriver;

[0031] ● Put jigs into 125℃ oven for baking over fixed time period;

[0032] ● Take out sample when finished baking, weigh and record the final weight W1; and

[0033] ● Formula of oil bleeding weight lose test is:

[0034] oil bleeding weight loss = (initial weight W0-final weight W1)  / initial weight W0 *100%.

[0035] In exemplary embodiments, the composite includes a sufficient amount (e.g., at least about 0.5 weight percent or more, etc. ) of the silane coupling agent such that the composite is configured to have a reduced silicone oil bleeding rate over time of about 10 percent at day 12 as determined by a rough blotting paper method. By way of background, the rough blotting method for determining the silicone oil bleeding rate over time is mainly a diameter test as follows:

[0036] ● Based on product specification to choose proper sample and sample size, cut product to square inch samples by die cut, put sample on the blotting paper of rough side;

[0037] ● Put the sample and blotting paper in jig and put a spacer to control the sample compression;

[0038] ● Put a plastic plate on the top jig and use the electric screwdriver to assemble;

[0039] ● Put jig into oven for 125 ℃ baking over fixed time period;

[0040] ● Take out the jig when finished baking;

[0041] ● Using ruler or gauges to measure the diameter of the sample and the biggest oil diameter; and

[0042] ● Calculation method of oil penetration area ratio:

[0043] oil penetration %= (oil penetration mark diameter -sample diameter after baking)  / sample diameter after baking *100%.

[0044] In exemplary embodiments, the composite has a high thermal conductivity of at least 1 Watt per meter per Kelvin (W / mK) as determined by a Hot Disk Thermal Constants Analyzer. For example, the composite may have a thermal conductivity of 1 W / mK, 2 W / mK, 3 W / mK, 4 W / mK, 5 W / mK, more than 5 W / mK, etc. To determine thermal conductivity, a Hot Disk instrument may be used that measures thermal conductivity, thermal diffusivity, and specific heat capacity using the Transient Plane Source Method. By way of background, this technique is covered under the ISO 22007-2: 2008; Part 2 Standard. The technique utilizes a plane sensor and a special mathematical model that describes the heat conductivity, combined with electronics that enables the method to be used to measure Thermal Transport Properties. It covers a thermal conductivity range of typically 0.01-500 W / m / K. The Transient Plane Source technique typically employs two samples halves sandwiching the sensor. This method can also be used in a single-sided configuration. The technique is versatile and fast, covering measurements of solids, pastes, thin films and liquids. The technique can evaluate both isotropic and anisotropic materials. The flat sensor includes a continuous double spiral of electrically conducting nickel metal, etched out of a thin foil. The nickel spiral is situated between two layers of thin polyimide film Kapton. During the measurement, a constant electrical effect is passed through the conducting spiral, increasing the sensor temperature. The heat generated dissipates into the sample on both sides of the sensor, at a rate depending on the thermal transport properties of the material. By recording temperature versus time response in the sensor, the thermal conductivity, thermal diffusivity, and specific heat capacity of the material can be calculated.

[0045] In exemplary embodiments, the composite includes one or more functional fillers comprising one or more of: thermally-conductive filler (s) ; electrically-conductive filler (s) ; electromagnetic wave absorbing filler (s) ; dielectric absorbing filler (s) ; and filler (s) that has two or more properties of being thermally conductive, electrically conductive, dielectric absorbing, and electromagnetic wave absorbing.

[0046] In exemplary embodiments, the composite includes one or more functional fillers that comprise one or more alumina fillers within the matrix such that the composite includes at least 90 weight percent of the one or more alumina fillers. And composite has a thermal conductivity of at least 1 Watt per meter per Kelvin. The at least one or more alumina fillers within the matrix may comprise at least three different alumina fillers within the matrix. For example, the at least three different alumina  fillers may comprise a first alumina filler having a D50 median particle size of about 2 microns, a second alumina filler having a D50 median particle size of about 10 microns, and a third alumina filler having a D50 median particle size of about 70 microns. Continuing with this example, the first alumina filler may comprise alumina spherical particles having the D50 median particle size of about 2 microns. The second alumina filler may comprise alumina spherical particles having the D50 median particle size of about 10 microns. The third alumina filler comprises alumina spherical particles having the D50 median particle size of about 70 microns. By way of background, the D50 of a particle size distribution is also known as median diameter or medium value of particle size distribution and is the value of the particle diameter at 50%in the cumulative distribution. 17

[0047] The composite may include about 93.3 weight percent of the first, second, and third alumina fillers based on a total weight of the composite. For example, the composite may include about 23.30 weight percent of the first alumina filler, about 30 weight percent of the second alumina filler, ; and about 40 weight percent of the third alumina filler. The composite may include about 16 volume percent to about 22 volume percent of the first alumina filler, about 20 volume percent to about 28 volume percent of the second alumina filler, and about 28 volume percent to about 36 volume percent of the third alumina filler. In one exemplary embodiment, the composite includes about 19 volume percent of the first alumina filler, about 24 volume percent of the second alumina filler, and about 32 volume percent of the third alumina filler.

[0048] In exemplary embodiments, the composite is configured to have a recovery greater than 30 percent for a 2.5 millimeter thickness with a peak force less than 100 pounds per square inch (PSI) for 50 percent compression and a residual force less than 20 PSI for 50 percent compression.

[0049] In exemplary embodiments, the composite is configured to have: a reduced silicone oil bleeding rate over time of less than 2 percent (as determined by the HT method) ; a deflection greater than 50 percent for a 2 millimeter thickness at 30 pounds per square inch (PSI) ; a thermal resistance less than . 45 for a 1 millimeter thickness at 10 PSI; a hardness less than 45 Shore 00; and a recovery greater than 30 percent for a 2.5 millimeter thickness with a peak force less than 100 PSI for 50 percent compression and a residual force less than 20 PSI for 50 percent compression.

[0050] In exemplary embodiments, the composite is configured to have: a thermal conductivity of at least 3.4 Watts per meter per Kelvin as determined by Hot Disk Thermal Constants Analyzer; a reduced silicone oil bleeding rate over time of 1 percent or less (as determined by the HT method) and / or about 10 percent at day 12 (as determined by a rough blotting paper method) ; a  deflection of at least 61 percent for a 2 millimeter thickness at 30 PSI; a thermal resistance of 0.318 or less for a 1 millimeter thickness at 10 PSI; a hardness of 31 Shore 00 or less; and a recovery of at least 46 percent for a 2.5 millimeter thickness with a peak force of 25 PSI or less for 50 percent compression and a residual force of 5.6 PSI or less for 50 percent compression.

[0051] In exemplary embodiments, the composite comprises a crosslinked thermally-conductive gap pad having a thermal conductivity of at least 3.4 Watts per meter per Kelvin as determined by Hot Disk Thermal Constants Analyzer and an oil bleeding rate of about 10 percent at day 12 as determined by a rough blotting paper method.

[0052] In exemplary embodiments, the matrix comprises: a first silicone vinyl oil having a first viscosity and a first molar concentration; and a second silicone vinyl oil having a second viscosity higher than the first viscosity and a second molar concentration lower than the first molar concentration. For example, the composite may include: about 2.47 weight percent of a silicone vinyl oil having a viscosity of 1000 centistokes (cSt) and a molar concentration of 0.11 millimols per gram (mmol / g) ; and about 1.67 weight percent of a silicone vinyl oil having a viscosity of 5000 centistokes (cSt) and a molar concentration of 0.06 millimols per gram (mmol / g) .

[0053] In exemplary embodiments, the composite comprises a crosslinker, a chain extender, a catalyst, and an inhibitor. For example, the composite may include about 0.47 weight percent of the crosslinker, about 1.13 weight percent of the chain extender, about 0.01 weight percent of the catalyst, and about 0.10 weight percent of the inhibitor. The crosslinker may comprise polysiloxanes di-Me Me hydrogen. The chain extender may comprise dimethylhydrogen terminated PDMS. The catalyst may comprise a platinum catalyst. And the inhibitor may comprise a silicone inhibitor.

[0054] In one exemplary embodiment, the composite comprises: about 23.3 weight percent of a first alumina filler comprising spherical alumina particles having the D50 median particle size of 2 microns; about 30 weight percent of a second alumina filler comprising spherical alumina particles having the D50 median particle size of 10 microns; and about 40 weight percent of a third alumina filler comprising spherical alumina particles having the D50 median particle size of 70 microns. The composite includes about 23.30 weight percent of the first alumina filler, about 30 weight percent of the second alumina filler, and about 40 weight percent of the third alumina filler. The composite is configured to have: a thermal conductivity of at least 3.4 Watts per meter per Kelvin as determined by Hot Disk Thermal Constants Analyzer; a reduced silicone oil bleeding rate over time of 1 percent or less (as determined by the HT method) and / or about 10 percent at day 12 (as determined by a rough blotting  paper method) ; a deflection of at least 61 percent for a 2 millimeter thickness at 30 PSI; a thermal resistance of 0.318 or less for a 1 millimeter thickness at 10 PSI; a hardness of 31 Shore 00 or less; and a recovery of at least 46 percent for a 2.5 millimeter thickness with a peak force of 25 PSI or less for 50 percent compression and a residual force of 5.6 PSI or less for 50 percent compression. Continuing with this example, the composite includes: about 2.47 weight percent of a silicone vinyl oil having a viscosity of 1000 centistokes (cSt) and a molar concentration of 0.11 millimols per gram (mmol / g) ; about 1.67 weight percent of a silicone vinyl oil having a viscosity of 5000 centistokes (cSt) and a molar concentration of 0.06 millimols per gram (mmol / g) ; about 0.47 weight percent of the crosslinker; about 1.13 weight percent of the chain extender; about 0.93 weight percent of the silane coupling agent; about 0.01 weight percent of the catalyst; and about 0.10 weight percent of the inhibitor.

[0055] By way of example only, the Table below includes comparative performance of two conventional thermal pad composites A and B and an exemplary embodiment of a composite C. Composite C included at least about 0.5 weight percent of silane coupling agent as disclosed herein. The conventional thermal pad composite A included 15 to 25 weight percent of silicone resin, 0.02 to 0.1 weight percent of additive, and 70 to 85 weight percent of alumina. The conventional thermal pad composite B included 5 to 10 weight percent of silicone resin, 0.02 to 0.2 weight percent of additive, and 85 to 95 weight percent of alumina.

[0056] As shown in the Table 1 below, the exemplary composite C had the highest thermal conductivity of 3.6 W / mK, the lowest oil bleeding, and the highest recovery of 45%of the three composites A, B, and C. The conventional thermal pad composite A had the lowest thermal conductivity of 1 W / mK. Generally, a higher thermal conductivity will be more beneficial in conducting heat. But other properties are also important including deflection, compression force, oil bleeding, recovery, volatility, etc. As recognized herein, it would be desirable to provide high deflection, low compression force, low or no oil bleeding, high recovery materials. And as further recognized herein, adding more filler loading to increase thermal conductivity may increase the material hardness such that the material is too hard for deflection and have high compression force. The composites A and C have similar deflection curves versus pressure but the thermal conductivity of composite C is 3.6 W / mK, which is considerably higher than the 1 W / mK thermal conductivity of conventional composite A. At the same pressure, the deflection of composites A and C are about equal and higher than the deflection of composite B.

[0057] In exemplary embodiments, a thermal interface material comprises a composite as disclosed herein. The thermal interface material comprises a thermally-conductive pad, a thermally-conductive gap filler, a phase change thermal interface material, a dispensable material, a bulk putty, a thermal grease, a sheet of thermal interface material, etc. For example, the thermal interface material may comprise a thermally-conductive pad having a shape that is rectangular, triangular, circular, ovular, polygonal, etc. The thermal interface material may comprise a sheet having a shape that is rectangular, triangular, circular, ovular, polygonal, etc. The thermal interface material may comprises a die cut part having a shape that is rectangular, triangular, circular, ovular, polygonal, etc.

[0058] In exemplary embodiments, the composite includes thermally-conductive filler and EMI absorbing filler in the matrix such that the composite comprises a multifunctional EMI absorber having a first functionality of EMI mitigation and a second functionality of thermal management, or vice versa. By way of example, the fillers may comprise one or more of functional nanoparticles, electrically-conductive fillers, thermally-conductive fillers, EMI or microwave absorbing fillers, magnetic fillers, coated fillers, combinations thereof, etc. The fillers may be added and mixed into a bulk material including the matrix material to thereby provide a mixture of the filler and base or matrix material. Example fillers include carbon black, boron nitride, nickel cobalt, carbonyl iron, iron silicide, iron particles, iron-chrome compounds, silver, an alloy containing 85%iron, 9.5%silicon and 5.5%aluminum, an alloy containing about 20%iron and 80%nickel, ferrites, magnetic alloys, magnetic powders, magnetic flakes, magnetic particles, nickel-based alloys and powders, chrome alloys, oxide, copper, zinc oxide, alumina, graphite, ceramics, silicon carbide, manganese zinc, fiberglass, carbon nanotubes (e.g., single-walled carbon nanotubes, multi-walled carbon nanotubes, and / or carbon nanostructures, etc. ) , combinations thereof, etc. The fillers may comprise one or more of granules, spheroids, microspheres, ellipsoids, irregular spheroids, strands, flakes, powder, nanotubes, and / or a combination of any or all of these shapes. In addition, exemplary embodiments may also include  different grades (e.g., different sizes, different purities, different shapes, etc. ) of the same (or different) fillers.

[0059] In exemplary embodiments, the composite comprises a pad having a rectangular, triangular, ovular, circular, or polygonal shape. Or the composite comprises a sheet having a rectangular, triangular, ovular, circular, or polygonal shape. Alternatively, the composite comprises a die cut part having a rectangular, triangular, ovular, circular, or polygonal shape.

[0060] In exemplary embodiments, the composite is a thermal interface material, an EMI absorber, a thermally-conductive absorber, an electrically-conductive elastomer, an electrically-conductive composite, or a combination of two or more thereof. For example, the composite may be a thermal phase change material, a thermal putty, a thermal grease, a dispensable thermal interface material, and / or a thermal gap filler pad.

[0061] In exemplary embodiments, the composite includes one or more functional fillers that comprise one or more of zinc oxide, aluminum oxide, boron nitride, aluminum, silicon carbide, and / or aluminum nitride.

[0062] In exemplary embodiments, a device or system comprises a composite as disclosed herein that is used for managing thermal properties of the device or system.

[0063] Also disclosed are exemplary methods of decreasing hardness and / or reducing spreading of material (s) , if any, migrating from a composite useful for management of heat and / or electromagnetic interference (EMI) . In exemplary embodiments, the method comprises adding silane coupling agent to the composite such that the composite includes at least about 0.5 weight percent of the silane coupling agent based on a total weight of the composite.

[0064] In exemplary embodiments, the method includes adding the silane coupling agent (e.g., hexadecyltrimethoxysilane, doecyltrimethoxysilane, etc. ) to the composite such that the composite includes at least about 0.5 weight percent but not more than about 1 weight percent of the silane coupling agent and / or adding the silane coupling agent to the composite such that the composite includes at least about 0.1 volume percent of the silane coupling agent.

[0065] In exemplary embodiments, the method includes adding the silane coupling agent to the composite such that the composite includes at least about 0.1 volume percent but not more than about 0.6 volume percent of the silane coupling agent.

[0066] In exemplary embodiments, the method includes adding the silane coupling agent to the composite such that the composite includes about 0.93 weight percent of the silane coupling agent and about 0.3 volume weight percent of the silane coupling agent.

[0067] In exemplary embodiments, the method configures the composite to have a high recovery and low compression force.

[0068] In exemplary embodiments, the method includes adding a sufficient amount of the silane coupling agent to ensure unreacted polymer of the composite combines with particle surfaces of one or more functional filler particles of the composite to thereby reduce or avoid spreading of unreacted polymer, if any, migrating from the composite.

[0069] In exemplary embodiments, the composite includes a silicone resin matrix and one or more functional filler particles within the silicone resin matrix. And the method includes adding a sufficient amount of the silane coupling agent for improving dispersion during mixing of the more functional filler particles within the silicone resin matrix. For promoting adhesive between the silicone resin and the one or more functional filler particles, and for ensuring unreacted polymer combines with particle surfaces of the one or more functional filler particles to avoid unreacted polymer from easily spreading out thereby reducing silicone oil bleeding rate from the composite and enabling the composite to be usable substantially or entirely without silicone oil migration or release beyond confines of the composite.

[0070] In addition, exemplary embodiments disclosed herein may be used in a wide range of industries (e.g., automotive, consumer, industrial, datacom / telecom, aerospace / defense, etc. ) and wide range of applications (e.g., automotive electronics, automotive advanced driver-assistance systems (ADAS) , automotive powertrain / electronic control units (ECUs) , automotive infotainment, routers, hard disk drives, solid state drives, wireless infrastructure, drones / satellites, gaming systems, smart home devices, notebooks / tablets / portable devices, etc. ) .

[0071] In an exemplary embodiments, an electronic device includes a heat source and a composite as disclosed herein that is usable as a thermal interface material (e.g., thermally-conductive pad, a thermally-conductive gap filler, a phase change thermal interface material, a dispensable material, a bulk putty, a thermal grease, and / or a sheet of thermal interface material, etc. ) . The composite is positioned relative to the heat source for establishing at least a portion of a thermally-conductive heat path from the heat source through the composite. The composite may also be configured to be EMI  absorbing and / or electrically conductive, such that the composite is also operable for mitigating and / or managing EMI within the electronic device.

[0072] In an exemplary embodiment, an electronic device includes a heat source, a heat removal / dissipation structure, and a composite as disclosed herein that is usable as a thermal interface material (e.g., thermally-conductive pad, a thermally-conductive gap filler, a phase change thermal interface material, a dispensable material, a bulk putty, a thermal grease, and / or a sheet of thermal interface material, etc. ) . The composite is positioned relative to the heat source and the heat removal / dissipation structure for establishing at least a portion of a thermally-conductive heat path between the heat source and the heat removal / dissipation structure. The composite may also be configured to be EMI absorbing and / or electrically conductive, such that the composite is also operable for mitigating and / or managing EMI within the electronic device.

[0073] In an exemplary embodiment, an electronic device includes a heat source, a board level shield, and a composite disclosed herein that is usable as a thermal interface material (e.g., thermally-conductive pad, a thermally-conductive gap filler, a phase change thermal interface material, a dispensable material, a bulk putty, a thermal grease, and / or a sheet of thermal interface material, etc. ) . The composite is positioned relative to the heat source and the board level shield for establishing at least a portion of a thermally-conductive heat path between the heat source and the board level shield. The composite may also be configured to be EMI absorbing and / or electrically conductive, such that the composite is also operable for mitigating and / or managing EMI within the electronic device.

[0074] In an exemplary embodiment, an electronic device includes a heat source, a board level shield, a heat removal / dissipation structure, and first and second composites that are usable as thermal interface materials (e.g., thermally-conductive pad, a thermally-conductive gap filler, a phase change thermal interface material, a dispensable material, a bulk putty, a thermal grease, and / or a sheet of thermal interface material, etc. ) . The first composite is positioned relative to the heat source and the board level shield for establishing at least a portion of a first thermally-conductive heat path between the heat source and the board level shield. The second composite is positioned relative to the board level shield and the heat removal / dissipation structure for establishing at least a portion of a second thermally-conductive heat path between the board level shield and the heat removal / dissipation structure. The first and / or second composites may also be configured to be EMI absorbing and / or electrically conductive, such that the first and / or second composites are also operable for mitigating and / or managing EMI within the electronic device.

[0075] In an exemplary embodiment, an electronic device includes an integrated circuit, a board level shield, a heat sink, and first and second composites that are usable as thermal interface materials (e.g., thermally-conductive pad, a thermally-conductive gap filler, a phase change thermal interface material, a dispensable material, a bulk putty, a thermal grease, and / or a sheet of thermal interface material, etc. ) . The first composite is positioned relative to the integrated circuit and the board level shield for establishing at least a portion of a first thermally-conductive heat path between the integrated circuit and the board level shield. The second composite is positioned relative to the board level shield and the heat sink for establishing at least a portion of a second thermally-conductive heat path between the board level shield and the heat sink. The first and / or second composites may also be configured to be EMI absorbing and / or electrically conductive, such that the first and / or second composites are also operable for mitigating and / or managing EMI within the electronic device.

[0076] Example embodiments disclosed herein may be used for a wide range of heat sources, electronic devices, and / or heat removal / dissipation structures or components (e.g., a heat spreader, a heat sink, a heat pipe, a vapor chamber, a device exterior case, housing, or chassis, etc. ) . For example, a heat source may comprise one or more heat generating components or devices, such as a high-power integrated circuit (IC) , optical transceiver, 5G infrastructure devices (e.g., base stations, small cells, smart poles, etc. ) , solid-state drive (SSD) , memory in video cards, set top boxes, televisions, gaming systems, automotive electronics used for autonomous driving (ADAS) (e.g., radars, multi domain controllers, cameras, etc. ) , a CPU, die within underfill, semiconductor device, flip chip device, graphics processing unit (GPU) , digital signal processor (DSP) , multiprocessor system, integrated circuit (IC) , multi-core processor, etc. ) . Generally, a heat source may comprise any component or device that has a higher temperature than the thermal management and / or EMI mitigation material or otherwise provides or transfers heat to the thermal management and / or EMI mitigation material regardless of whether the heat is generated by the heat source or merely transferred through or via the heat source. Accordingly, aspects of the present disclosure should not be limited to use with any single type of heat source, electronic device, heat removal / dissipation structure, etc.

[0077] Example embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and will fully convey the scope to those who are skilled in the art. Numerous specific details are set forth such as examples of specific components, devices, and methods, to provide a thorough understanding of embodiments of the present disclosure. It will be apparent to those skilled in the art that specific details need not be employed, that example embodiments may be embodied in many different forms, and that  neither should be construed to limit the scope of the disclosure. In some example embodiments, well-known processes, well-known device structures, and well-known technologies are not described in detail. In addition, advantages and improvements that may be achieved with one or more exemplary embodiments of the present disclosure are provided for purpose of illustration only and do not limit the scope of the present disclosure, as exemplary embodiments disclosed herein may provide all or none of the above mentioned advantages and improvements and still fall within the scope of the present disclosure.

[0078] Specific dimensions, specific materials, and / or specific shapes disclosed herein are example in nature and do not limit the scope of the present disclosure. The disclosure herein of particular values and particular ranges of values for given parameters are not exclusive of other values and ranges of values that may be useful in one or more of the examples disclosed herein. Moreover, it is envisioned that any two particular values for a specific parameter stated herein may define the endpoints of a range of values that may be suitable for the given parameter (i.e., the disclosure of a first value and a second value for a given parameter can be interpreted as disclosing that any value between the first and second values could also be employed for the given parameter) . For example, if Parameter X is exemplified herein to have value A and also exemplified to have value Z, it is envisioned that parameter X may have a range of values from about A to about Z. Similarly, it is envisioned that disclosure of two or more ranges of values for a parameter (whether such ranges are nested, overlapping or distinct) subsume all possible combination of ranges for the value that might be claimed using endpoints of the disclosed ranges. For example, if parameter X is exemplified herein to have values in the range of 1 –10, or 2 –9, or 3 –8, it is also envisioned that Parameter X may have other ranges of values including 1 –9, 1 –8, 1 –3, 1 -2, 2 –10, 2 –8, 2 –3, 3 –10, and 3 –9.

[0079] The terminology used herein is for the purpose of describing particular example embodiments only and is not intended to be limiting. For example, when permissive phrases, such as “may comprise” , “may include” , and the like, are used herein, at least one embodiment comprises or includes the feature (s) . As used herein, the singular forms “a” , “an” and “the” may be intended to include the plural forms as well, unless the context clearly indicates otherwise. The terms “comprises, ” “comprising, ” “including, ” and “having, ” are inclusive and therefore specify the presence of stated features, integers, steps, operations, elements, and / or components, but do not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, elements, components, and / or groups thereof. The method steps, processes, and operations described herein are not to be construed as  necessarily requiring their performance in the particular order discussed or illustrated, unless specifically identified as an order of performance. It is also to be understood that additional or alternative steps may be employed.

[0080] When an element or layer is referred to as being “on” , “engaged to” , “connected to” or “coupled to” another element or layer, it may be directly on, engaged, connected or coupled to the other element or layer, or intervening elements or layers may be present. In contrast, when an element is referred to as being “directly on, ” “directly engaged to” , “directly connected to” or “directly coupled to” another element or layer, there may be no intervening elements or layers present. Other words used to describe the relationship between elements should be interpreted in a like fashion (e.g., “between” versus “directly between, ” “adjacent” versus “directly adjacent, ” etc. ) . As used herein, the term “and / or” includes any and all combinations of one or more of the associated listed items.

[0081] The term “about” when applied to values indicates that the calculation or the measurement allows some slight imprecision in the value (with some approach to exactness in the value; approximately or reasonably close to the value; nearly) . If, for some reason, the imprecision provided by “about” is not otherwise understood in the art with this ordinary meaning, then “about” as used herein indicates at least variations that may arise from ordinary methods of measuring or using such parameters. For example, the terms “generally” , “about” , and “substantially” may be used herein to mean within manufacturing tolerances. Or for example, the term “about” as used herein when modifying a quantity of an ingredient or reactant of the invention or employed refers to variation in the numerical quantity that can happen through typical measuring and handling procedures used, for example, when making concentrates or solutions in the real world through inadvertent error in these procedures; through differences in the manufacture, source, or purity of the ingredients employed to make the compositions or carry out the methods; and the like. The term “about” also encompasses amounts that differ due to different equilibrium conditions for a composition resulting from a particular initial mixture. Whether or not modified by the term “about” , equivalents to the quantities are included.

[0082] Although the terms first, second, third, etc. may be used herein to describe various elements, components, regions, layers and / or sections, these elements, components, regions, layers and / or sections should not be limited by these terms. These terms may be only used to distinguish one element, component, region, layer or section from another region, layer or section. Terms such as “first, ” “second, ” and other numerical terms when used herein do not imply a sequence or order unless clearly indicated by the context. Thus, a first element, component, region, layer or section discussed below  could be termed a second element, component, region, layer or section without departing from the teachings of the example embodiments.

[0083] Spatially relative terms, such as “inner, ” “outer, ” “beneath” , “below” , “lower” , “above” , “upper” and the like, may be used herein for ease of description to describe one element or feature’s relationship to another element (s) or feature (s) as illustrated in the figures. Spatially relative terms may be intended to encompass different orientations of the device in use or operation in addition to the orientation depicted in the figures. For example, if the device in the figures is turned over, elements described as “below” or “beneath” other elements or features would then be oriented “above” the other elements or features. Thus, the example term “below” can encompass both an orientation of above and below. The device may be otherwise oriented (rotated 90 degrees or at other orientations) and the spatially relative descriptors used herein interpreted accordingly.

[0084] The foregoing description of the embodiments has been provided for purposes of illustration and description. It is not intended to be exhaustive or to limit the disclosure. Individual elements, intended or stated uses, or features of a particular embodiment are generally not limited to that particular embodiment, but, where applicable, are interchangeable and can be used in a selected embodiment, even if not specifically shown or described. The same may also be varied in many ways. Such variations are not to be regarded as a departure from the disclosure, and all such modifications are intended to be included within the scope of the disclosure.Industrial Applicability

[0085] The composites according to the present disclosure can decrease material hardness and / or reduce the spreading of material (s) , if any, migrating therefrom (e.g., reduced oil bleed spreading, etc. ) . The method according to the present disclosure can decrease material hardness and / or reducing spreading of material (s) , if any, migrating from composites useful for management of heat and / or electromagnetic interference (EMI) .

Claims

1.A composite useful for the management of heat and / or electromagnetic interference (EMI) , the composite comprising a matrix, one or more functional fillers within the matrix, and silane coupling agent within the matrix, wherein:the composite includes at least about 0.5 weight percent of the silane coupling agent based on a total weight of the composite; and / orthe composite includes an amount of the silane coupling agent sufficient to decrease hardness of the composite such that the composite is configured to have a high recovery and low compression force and / or to reduce spreading of material (s) , if any, migrating from the composite.2.The composite of claim 1, wherein the composite includes at least about 0.5 weight percent but not more than about 1 weight percent of the silane coupling agent.3.The composite of any one of the preceding claims, wherein the composite includes at least about 0.1 volume percent of the silane coupling agent.4.The composite of any one of the preceding claims, wherein the composite includes at least about 0.1 volume percent but not more than about 0.6 volume percent of the silane coupling agent.5.The composite of any one of the preceding claims, wherein the composite includes about 0.93 weight percent of the silane coupling agent.6.The composite of any one of the preceding claims, wherein the composite includes about 0.3 volume weight percent of the silane coupling agent.7.The composite of any one of the preceding claims, wherein the silane coupling agent comprises hexadecyltrimethoxysilane.8.The composite of any one of the preceding claims, wherein the composite includes a sufficient amount of the silane coupling agent to ensure unreacted polymer of the composite combines with particle surface (s) of the one or more functional filler particles to thereby reduce or avoid spreading of unreacted polymer, if any, migrating from the composite.9.The composite of any one of the preceding claims, wherein:the matrix comprises a silicone resin matrix; andthe composite includes a sufficient amount of the silane coupling agent for improving dispersion during mixing of the one or more functional fillers within the silicone resin matrix, for promoting adhesive between the silicone resin and the one or more functional fillers, and for ensuring unreacted polymer combines with particle surface (s) of the one or more functional fillers to avoid unreacted polymer, if any, from easily spreading out thereby reducing silicone oil bleeding rate from the composite and enabling the composite to be usable substantially or entirely without silicone oil migration or release beyond confines of the composite.10.The composite of any one of the preceding claims, wherein the composite includes a sufficient amount of the silane coupling agent such that the composite is configured to have a reduced silicone oil bleeding rate over time of less than 2 percent from the composite thereby enabling the composite to be usable substantially or entirely without silicone oil migration or release beyond confines of the composite.11.The composite of any one of the preceding claims, wherein the composite includes a sufficient amount of the silane coupling agent such that the composite is configured to have a reduced silicone oil bleeding rate over time of 1 percent or less.12.The composite of any one of the preceding claims, wherein the composite includes a sufficient amount of the silane coupling agent such that the composite is configured to have a reduced silicone oil bleeding rate over time of about 10 percent at day 12.13.The composite of any one of the preceding claims, wherein the one or more functional fillers comprise one or more of:2hermally-conductive filler (s) ;electrically-conductive filler (s) ;electromagnetic wave absorbing filler (s) ;dielectric absorbing filler (s) ; andfiller (s) that has two or more properties of being thermally conductive, electrically conductive, dielectric absorbing, and electromagnetic wave absorbing.14.The composite of any one of the preceding claims, wherein:the one or more functional fillers comprise one or more alumina fillers within the matrix such that the composite includes at least 90 weight percent of the one or more alumina fillers; andthe composite has a thermal conductivity of at least 1 Watt per meter per Kelvin.15.The composite of claim 14, wherein the at least one or more alumina fillers within the matrix comprise at least three different alumina fillers within the matrix.16.The composite of claim 15, wherein the at least three different alumina fillers comprise:a first alumina filler having a D50 median particle size of about 2 microns;a second alumina filler having a D50 median particle size of about 10 microns; anda third alumina filler having a D50 median particle size of about 70 microns.17.The composite of claim 16, wherein:the first alumina filler comprises alumina spherical particles having the D50 median particle size of about 2 microns;the second alumina filler comprises alumina spherical particles having the D50 median particle size of about 10 microns; andthe third alumina filler comprises alumina spherical particles having the D50 median particle size of about 70 microns.18.The composite of claim 16 or 17, wherein the composite includes about 93.3 weight percent of the first, second, and third alumina fillers based on a total weight of the composite.19.The composite of claim 16, 17, or 18, wherein the composite includes:about 23.30 weight percent of the first alumina filler;about 30 weight percent of the second alumina filler; andabout 40 weight percent of the third alumina filler.20.The composite of claim 16, 17, 18, or 19, wherein the composite includes:about 16 volume percent to about 22 volume percent of the first alumina filler;about 20 volume percent to about 28 volume percent of the second alumina filler; andabout 28 volume percent to about 36 volume percent of the third alumina filler.21.The composite of claim 20, wherein the composite includes:about 19 volume percent of the first alumina filler;about 24 volume percent of the second alumina filler; andabout 32 volume percent of the third alumina filler.22.The composite of any one of the preceding claims, wherein the composite is configured to have a recovery greater than 30 percent for a 2.5 millimeter thickness with a peak force less than 100 PSI for 50 percent compression and a residual force less than 20 PSI for 50 percent compression.23.The composite of any one of the preceding claims, wherein the composite has a thermal conductivity of at least 2 Watts per meter per Kelvin.24.The composite of any one of the preceding claims, wherein the composite is configured to have:a reduced silicone oil bleeding rate over time of less than 2 percent;a deflection greater than 50 percent for a 2 millimeter thickness at 30 pounds per square inch (PSI) ;a thermal resistance less than . 45 for a 1 millimeter thickness at 10 PSI;a hardness less than 45 Shore 00; anda recovery greater than 30 percent for a 2.5 millimeter thickness with a peak force less than 100 PSI for 50 percent compression and a residual force less than 20 PSI for 50 percent compression.25.The composite of any one of the preceding claims, wherein the composite is configured to have:a thermal conductivity of at least 3.4 Watts per meter per Kelvin;a reduced silicone oil bleeding rate over time of 1 percent or less and / or about 10 percent at day 12;a deflection of at least 61 percent for a 2 millimeter thickness at 30 PSI;a thermal resistance of 0.318 or less for a 1 millimeter thickness at 10 PSI;a hardness of 31 Shore 00 or less; anda recovery of at least 46 percent for a 2.5 millimeter thickness with a peak force of 25 PSI or less for 50 percent compression and a residual force of 5.6 PSI or less for 50 percent compression.26.The composite of any one of the preceding claims, wherein the composite comprises a crosslinked thermally-conductive gap pad having a thermal conductivity of at least 3.4 Watts per meter and an oil bleeding rate of about 10 percent at day 12.27.The composite of any one of the preceding claims, wherein the composite comprises a thermally-conductive gap pad.28.A method of decreasing hardness and / or reducing spreading of material (s) , if any, migrating from a composite useful for management of heat and / or electromagnetic interference (EMI) , the method comprising adding silane coupling agent to the composite such that the composite includes at least about 0.5 weight percent of the silane coupling agent based on a total weight of the composite.29.The method of claim 28, wherein the method includes adding the silane coupling agent to the composite such that the composite includes at least about 0.5 weight percent but not more than about 1 weight percent of the silane coupling agent.30.The method of claim 28 or 29, wherein the method includes adding the silane coupling agent to the composite such that the composite includes at least about 0.1 volume percent of the silane coupling agent.31.The method of any one of claims 28 to 30, wherein the method includes adding the silane coupling agent to the composite such that the composite includes at least about 0.1 volume percent but not more than about 0.6 volume percent of the silane coupling agent.32.The method of any one of claims 28 to 31, wherein the method includes adding the silane coupling agent to the composite such that the composite includes about 0.93 weight percent and about 0.3 volume weight percent of the silane coupling agent.33.The method of any one of claims 28 to 32, wherein the silane coupling agent comprises hexadecyltrimethoxysilane.34.The method of any one of claims 28 to 33, wherein the method includes adding a sufficient amount of the silane coupling agent to decrease hardness of the composite such that the composite is configured to have a high recovery and low compression force.35.The method of any one of claims 28 to 34, wherein the method includes adding a sufficient amount of the silane coupling agent to ensure unreacted polymer of the composite combines with particle surfaces of one or more functional filler particles of the composite to thereby reduce or avoid spreading of unreacted polymer, if any, migrating from the composite.36.The method of any one of claims 28 to 35, wherein:the composite includes a silicone resin matrix and one or more functional filler particles within the silicone resin matrix; andthe method includes adding a sufficient amount of the silane coupling agent for improving dispersion during mixing of the more functional filler particles within the silicone resin matrix. for promoting adhesive between the silicone resin and the one or more functional filler particles, and for ensuring unreacted polymer combines with particle surfaces of the one or more functional filler particles to avoid unreacted polymer from easily spreading out thereby reducing silicone oil bleeding rate from the composite and enabling the composite to be usable substantially or entirely without silicone oil migration or release beyond confines of the composite.

Images