材料-高熱導(dǎo)率絕緣材料整理

1、高熱導(dǎo)率絕緣材料整理目錄 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 一常見材料的熱導(dǎo)率4 HYPERLINK l bookmark7 o Current Document 二影響材料熱導(dǎo)率的因素4 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 三高熱導(dǎo)率材料的制備與性能4 HYPERLINK l bookmark13 o Current Document 3.1高導(dǎo)熱基板材料5 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 3.2.1高熱導(dǎo)率無機(jī)物填充

2、聚乙烯復(fù)合塑料5 HYPERLINK l bookmark25 o Current Document 3.2.2高熱導(dǎo)率無機(jī)物填充酚醛樹脂復(fù)合塑料6 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 3.3高導(dǎo)熱高彈性硅膠材料6 HYPERLINK l bookmark31 o Current Document 3.4高導(dǎo)熱粘合劑材料7 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document 四高熱導(dǎo)率材料的一些發(fā)展思路8 HYPERLINK l bookmark37 o Current Document 4.1開發(fā)新型導(dǎo)熱材料8

3、HYPERLINK l bookmark40 o Current Document 4.2填充粒子表面改性處理8 HYPERLINK l bookmark43 o Current Document 4.3成型工藝條件選擇及優(yōu)化8 HYPERLINK l bookmark46 o Current Document 五熱傳遞解決思路的幾個(gè)考慮因素8 HYPERLINK l bookmark49 o Current Document 5.1熱阻值的考慮8 HYPERLINK l bookmark58 o Current Document 5.2接觸熱阻的考慮9 HYPERLINK l bookmar

4、k64 o Current Document 六參考文獻(xiàn)10常見材料的熱導(dǎo)率鉆石的熱導(dǎo)率在已知礦物中最高的。各類物質(zhì)的熱導(dǎo)率 W/(m - K) 的大致范圍是：金屬為50415,合金為12120,絕熱材料為0.030.17, 液體為0.170.7，氣體為0.0070.17,碳納米管高達(dá)1000以上。一些常用材料的熱導(dǎo)率詳見“附錄一”。二影響材料熱導(dǎo)率的因素?zé)釋?dǎo)率入與材料本身的關(guān)系如下表：序號(hào)考慮因素影響大小描述1壓力關(guān)系不大-2溫度關(guān)系很大純金屬和大多數(shù)液體的熱導(dǎo)率隨溫度 的升高而降低，但水例外；非金屬和氣體的熱導(dǎo)率隨溫度的升高 而增大。3含濕量/結(jié)構(gòu)/孔隙度(對(duì)于固體)有關(guān)系一般含濕量大的物

5、料熱導(dǎo)率大。如干磚 的熱導(dǎo)率約為0.27W/(m - K)而濕磚熱導(dǎo) 率為 0.87W/(mK)。4密度有關(guān)系物質(zhì)的密度大，其熱導(dǎo)率通常也較大。5雜質(zhì)含量有關(guān)系金屬含雜質(zhì)時(shí)熱導(dǎo)率降低，合金的熱導(dǎo) 率比純金屬低。6化學(xué)成分有關(guān)系化學(xué)成分越復(fù)雜，雜質(zhì)含量越多，尤其 是形成固溶體時(shí)，熱導(dǎo)率下降越明顯，例 如：鎂鋁尖晶石的熱導(dǎo)率比A12O3和MgO 的都小。7氣孔率有關(guān)系氣孔能顯著降低材料的熱導(dǎo)率，因?yàn)闅?體的熱導(dǎo)率比固體的要小得多。三高熱導(dǎo)率材料的制備與性能3.1高導(dǎo)熱基板材料高散熱系數(shù)之基板材料是LED封裝的重要部分，氧化鋁基板為大功率LED 的發(fā)展做出了很大的貢獻(xiàn)。但隨著LED功率更大化的發(fā)展，

6、氧化鋁材料已經(jīng)不能 夠滿足。如何得到更優(yōu)良的散熱基板，一直是LED行業(yè)追求的方向。被寄希望取代氧化鋁的材料包含了兩類：第一類為單一材質(zhì)基板，如硅基板、碳化硅基板、陽極化鋁基板或氮化鋁基 板。其中硅及碳化硅基板之材料半導(dǎo)體特性，使其現(xiàn)階段遇到較嚴(yán)苛的考驗(yàn)。而 陽極化鋁基板則因其陽極化氧化層強(qiáng)度不足而容易因碎裂導(dǎo)致導(dǎo)通，使其在實(shí) 際應(yīng)用上受限。因而，現(xiàn)階段較成熟且普通接受度較高的即為以氮化鋁作為散熱 基板。然而，目前受限于氮化鋁基板不適用傳統(tǒng)厚膜制程（材料在銀膠印刷后須 經(jīng)850C大氣熱處理，使其出現(xiàn)材料信賴性問題），因此，氮化鋁基板線路需以 薄膜制程備制。以薄膜制程備制之氮化鋁基板大幅加速了熱量

7、從LED晶粒經(jīng)由基 板材料至系統(tǒng)電路板的效能，因此大幅降低熱量由LED晶粒經(jīng)由金屬線至系統(tǒng)電 路板的負(fù)擔(dān)，進(jìn)而達(dá)到高熱散的效果。第二類為陶瓷基復(fù)合材料基板（覆銅板等）3.2高導(dǎo)熱塑料材料對(duì)填充型導(dǎo)熱絕緣高分子，熱導(dǎo)率取決于高分子和導(dǎo)熱填料的協(xié)同作用。分 散于樹脂中的導(dǎo)熱填料，當(dāng)填料量提高到某一臨界值時(shí)，填料間形成接觸和相互 作用，體系內(nèi)形成了類似網(wǎng)狀或鏈狀結(jié)構(gòu)形態(tài)。當(dāng)導(dǎo)熱網(wǎng)鏈的取向與熱流方向一 致時(shí)，材料導(dǎo)熱性能提高很快；體系中在熱流方向上未形成導(dǎo)熱網(wǎng)鏈時(shí)，會(huì)造成 熱流方向上熱阻很大，導(dǎo)致材料導(dǎo)熱性能很差。因此，在體系內(nèi)最大程度上形成 熱流方向上的網(wǎng)鏈?zhǔn)呛诵乃?。部分無機(jī)填料的熱導(dǎo)率見下表：材

8、料名稱熱導(dǎo)率【W(wǎng)/（m.K）】材料名稱熱導(dǎo)率【W(wǎng)/（m.K）】氮化鋁150碳化硅25100硼氮立方體1300二氧化二鋁2540硼氮六方體40120氧化鎂25503.2.1高熱導(dǎo)率無機(jī)物填充聚乙烯復(fù)合塑料Hatsuo I研究了 BN/PB（聚丁二烯）熱導(dǎo)率及力學(xué)性能，研究發(fā)現(xiàn)BN的高導(dǎo) 熱性和A階PB樹脂低粘度使BN易于被潤(rùn)濕和混合，可實(shí)現(xiàn)較大量填充BN質(zhì) 量分?jǐn)?shù)為88%時(shí)，體系熱導(dǎo)率32.5W/(m.K)。SEM表明體系內(nèi)不形成了導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò) 通路，BN與PB相界面間結(jié)合良好，界面熱阻小。此外，在水中浸泡24H材料吸 水率小于0.1%，隨著BN減少，吸水率降低。(5)另外，美國先進(jìn)陶瓷公司和EPI

9、C公司開發(fā)出熱導(dǎo)率2035 W/(m.K)的BN/PB 復(fù)合工程塑料，可用普通工藝如模壓成型實(shí)現(xiàn)，主要用于電子封裝、集成電路板、 電子控制元件等產(chǎn)品。(5)3.2.2高熱導(dǎo)率無機(jī)物填充酚醛樹脂復(fù)合塑料Hatsuo I以AlN填充酚醛制得了可用于導(dǎo)熱性電子封裝材料，AlN最大填 充量78.5% (體積比)時(shí)，熱導(dǎo)率達(dá)到了 32.5 W/(m.K)。(5)3.3高導(dǎo)熱高彈性硅膠材料目前在有機(jī)硅領(lǐng)域所使用的導(dǎo)熱材料多數(shù)為氧化鋁、氧化硅、氧化鋅、氮化 鋁、氮化硼、碳化硅等。尤其是以微米氧化鋁、硅微粉為主體，納米氧化鋁，氮 化物做為高導(dǎo)熱領(lǐng)域的填充粉體；而氧化鋅大多做為導(dǎo)熱膏(導(dǎo)熱硅脂)填料用。 (8)

10、常用填充材料的熱導(dǎo)率見下表：(8)材料名稱熱導(dǎo)率【W(wǎng)/(m.K)】備注氧化鈹(有毒)270氮化鋁80320氮化硼125有文章寫60 W/(m.K)碳化硅83.6有文章寫 170220 W/(m.K)氧化鎂36氧化鋁30氧化鋅26二氧化硅(結(jié)晶型)20以上針對(duì)以上材料在產(chǎn)品應(yīng)用上的優(yōu)缺點(diǎn)分析如下:材料優(yōu)勢(shì)缺點(diǎn)氮化鋁熱導(dǎo)率非常高價(jià)格昂貴，通常每公斤在千元以上；氮化鋁吸潮后會(huì)與水反應(yīng)會(huì)水解AlN+3H20=Al(OH)3+NH3， 水解產(chǎn)生的Al(OH)3會(huì)使導(dǎo)熱通路產(chǎn)生中斷，進(jìn)而影響聲子的傳 遞，因此做成制品后熱導(dǎo)率偏低。即使用硅烷偶聯(lián)劑進(jìn)行表面處 理，也不能保證100%填料表面被包覆；體系粘度極

11、具上升，嚴(yán)重限制了產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域。氮化硼熱導(dǎo)率非常 高，性質(zhì)穩(wěn)定價(jià)格很高，市場(chǎng)價(jià)從幾百兀到上千兀（品質(zhì)不同差別較大）；大量填充后體系粘度極具上升，嚴(yán)重限制了產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域。 聽說有國外廠商有生產(chǎn)球形BN，產(chǎn)品粒徑大，比表面積小，填充 率高，不易增粘，價(jià)格極高。碳化硅熱導(dǎo)率較高合成過程中產(chǎn)生的碳及石墨難以去除，導(dǎo)致產(chǎn)品純度較低，電 導(dǎo)率高，不適合電子用膠；密度大，在有機(jī)硅類膠中易沉淀分層，影響產(chǎn)品應(yīng)用。環(huán)氧膠 中較為適用。氧化鎂價(jià)格便宜在空氣中易吸潮，增粘性較強(qiáng)，不能大量填充；耐酸性差，一般情況下很容易被酸腐蝕，限制了其在酸性環(huán)境 下的應(yīng)用。a -氧化鋁（針狀）價(jià)格便宜添加量低，在液體硅膠中，普

12、通針狀氧化鋁的最大添加量一般 為300份左右，所得產(chǎn)品熱導(dǎo)率有限。a -氧化鋁（球形）填充量大，在 液體硅膠中， 球形氧化鋁最 大可添加到600800 份， 所得制品熱導(dǎo) 率高價(jià)格較貴，但低于氮化硼和氮化鋁。氧化鋅粒徑及均勻性很好，適合生產(chǎn)導(dǎo)熱硅脂導(dǎo)熱性偏低，不適合生產(chǎn)高導(dǎo)熱產(chǎn)品；質(zhì)輕，增粘性較強(qiáng)，不適合灌封。石英粉（結(jié)晶型）密度大，適合 灌封;價(jià)格低， 適合大量填 充，降低成本。導(dǎo)熱性偏低，不適合生產(chǎn)高導(dǎo)熱產(chǎn)品；密度較高，可能產(chǎn)生分層。綜上，不同填料有各自特點(diǎn)，選擇填料時(shí)應(yīng)充分利用各填料的優(yōu)點(diǎn)，采用幾 種填料進(jìn)行混合使用，發(fā)揮協(xié)同作用，既能達(dá)到較高的熱導(dǎo)率，又能有效的降低 成本，同時(shí)保障填料

13、與有機(jī)硅基體的混溶性。汪倩等研究了 AlN/Al2O3/SiC/MgO混合填料填充室溫硫化硅橡膠的導(dǎo) 熱性能。所得硅橡膠的熱導(dǎo)率為1.32.5 W/（m.K）。SEBS的甲苯溶液與BN或Al2O3混合后，經(jīng)干燥可制得高導(dǎo)熱性和電絕緣性能的 彈性體材料，SEBS/BN/甲苯質(zhì)量比為2:7.5:7時(shí)，材料熱導(dǎo)率達(dá)6.4 W/（m.K）。3.4高導(dǎo)熱粘合劑材料章文捷等研究了 AlN/Al2O3混合填充的有機(jī)硅灌封材料，熱導(dǎo)率達(dá)到了 0.89 W/（m.K）。張曉輝等分別用SiC、AlN、Al2O3填充環(huán)氧膠黏劑，發(fā)現(xiàn)填料分?jǐn)?shù)存 在一臨界點(diǎn)，該臨界點(diǎn)歸因于材料內(nèi)部有效導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)的建立。由于SiC價(jià)格低，

14、 熱導(dǎo)率高，填充份數(shù)為53.9%時(shí)，熱導(dǎo)率為4.234 W/(m.K)，力學(xué)性能較好。王 鐵如以氧化鋁和氮化硼填充環(huán)氧改性膠黏劑，制得熱導(dǎo)率1.14 W/(m.K)，體積 電阻率10 12次方Q .m,表面電阻率10的14次Q.m的L-1型膠黏劑。經(jīng)濕熱試 驗(yàn)后電氣強(qiáng)度大于25MV/m，粘結(jié)強(qiáng)度大于5MPa，長(zhǎng)期工作溫度200250C。石 紅采用AlN填充改性環(huán)氧，制得熱導(dǎo)率1.2 W/(m.K)的粘結(jié)劑，其擊穿強(qiáng)度 9.8MV/m，體積電阻率1.04*10的12次方Q.m。四高熱導(dǎo)率材料的一些發(fā)展思路4.1開發(fā)新型導(dǎo)熱材料如利用納米顆粒填充，熱導(dǎo)率可增加不少，尤其是某些共價(jià)鍵型材料變?yōu)榻?屬

15、鍵型材料，導(dǎo)熱性能急劇上升。4.2填充粒子表面改性處理樹脂和導(dǎo)熱填料界面對(duì)塑料導(dǎo)熱性能有重要影響，所以導(dǎo)熱填料表面的潤(rùn)濕 程度影響著導(dǎo)熱填料在基體中的分散情況，集體與填料粒子的粘結(jié)程度及兩者界 面的熱障。4.3成型工藝條件選擇及優(yōu)化導(dǎo)熱填料與塑料的復(fù)合方式及成型過程中溫度、壓力、填料及各種助劑的加 料順序等對(duì)導(dǎo)熱性能有明顯影響。多種粒徑導(dǎo)熱填料混合填充時(shí)，填料的搭配對(duì) 提高導(dǎo)熱性能和降低粘度有明顯。導(dǎo)熱填料不同粒徑分布變化時(shí)，體系導(dǎo)熱性 能和粘度發(fā)生規(guī)律性變化，當(dāng)粒徑分布適合時(shí)，可得到最高熱導(dǎo)率和最低粘度的 混合體系。五 熱傳遞解決思路的幾個(gè)考慮因素5.1熱阻值的考慮傅力葉方程式：Q= XAA

16、T/dR=AAT/Q(Q：熱量，W；入:熱導(dǎo)率，W/mk； A：接觸面積；d:熱量傳遞距離；AT:溫度差；R:熱阻值)將上面兩個(gè)公式合并，可以得到:入=d /Ro因?yàn)槿胫凳遣蛔兊模梢钥吹贸鰺嶙鑂值，同材料厚度d是成正比的。也就 說材料越厚，熱阻越大。但如果仔細(xì)看一些導(dǎo)熱材料的資料，會(huì)發(fā)現(xiàn)很多導(dǎo)熱材料的熱阻值R,同厚 度d并不是完全成正比關(guān)系。這是因?yàn)閷?dǎo)熱材料大都不是單一成分組成，相應(yīng)會(huì) 有非線性變化。厚度增加，熱阻值一定會(huì)增大，但不一定是完全成正比的線性關(guān) 系，可能是更陡的曲線關(guān)系。所以，對(duì)于導(dǎo)熱材料，選用合適的熱導(dǎo)率外，材料厚度是對(duì)性能有很大關(guān)系的。 選擇熱導(dǎo)率很高的材料，但是厚度很大，也

17、是性能不夠好的。5.2接觸熱阻的考慮接觸熱阻是因?yàn)橄嗷ソ佑|物體接觸面的粗糙度，平面度，以及接觸物質(zhì)的表 面處理方式使得導(dǎo)熱通道不順暢，使得接觸面產(chǎn)生熱積聚，熱源產(chǎn)生的熱量不能 迅速有效的傳導(dǎo)到散熱器表面。最理想的散熱選擇是：熱導(dǎo)率高、厚度薄，完美的界面接觸。目前行業(yè)內(nèi)高良率的散熱器加工尺寸工差為+/-0.25mm,平面度為 0.15mm/30mmx30mm，如果提高加工精度則會(huì)在很大程度上提高產(chǎn)品成本，因此， 接觸面的間隙采用導(dǎo)熱介質(zhì)材料填充，可以很好的將空氣擠出，從而增加系統(tǒng)散 熱水平。目前，有三種介質(zhì)材料可選擇：導(dǎo)熱硅脂、導(dǎo)熱雙面膠、導(dǎo)熱硅膠片。有了導(dǎo)熱硅膠片的補(bǔ)充，可以使接觸面更好的充分接觸，真正做到面對(duì)面的 接觸.在溫度上的反應(yīng)可以達(dá)到10度以上的溫差。導(dǎo)熱硅膠片在熱導(dǎo)率方面可選擇性較大,可以從0.8w/k.m3.0w/k.m以上，且