1、.高熱導率絕緣材料整理.目錄 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark0 o Current Document 常見材料的熱導率 4 HYPERLINK l bookmark2 o Current Document 影響材料熱導率的因素 4 HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 高熱導率材料的制備與性能 4 HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 高導熱基板材料 5.高熱導率無機物填充聚乙烯復合塑料 5高熱導率無機物填充酚醛樹脂復合塑料 6 HYPERLINK l bookmark

2、10 o Current Document 高導熱高彈性硅膠材料 6 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 高導熱粘合劑材料7. HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 四高熱導率材料的一些發展思路 8 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 開發新型導熱材料8. HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 填充粒子表面改性處理8. TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark20 o Curren

3、t Document 成型工藝條件選擇及優化8 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 五熱傳遞解決思路的幾個考慮因素 8 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 熱阻值的考慮8.接觸熱阻的考慮9. HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 六參考文獻 10.常見材料的熱導率鉆石的熱導率在已知礦物中最高的。各類物質的熱導率 W/(mK) 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0.0070.1

4、7,碳納米管高達 1000以上。一些常用材料的熱導率詳見“附錄一”。影響材料熱導率的因素熱導率人與材料本身的關系如下表：廳P考慮因素影響大小描述1壓力關系不大-2溫度關系很大純金屬和大多數液體的熱導率隨溫度 的開局而降低，但水例外；非金屬和氣體的熱導率隨溫度的升高 而增大。3含濕量/結構/孔隙度 (對于固體)有關系一般含濕量大的物料熱導率大。如干石專 的熱導率約為0.27W/(m - K)而濕磚熱導 率為 0.87W/(m - K)o4密度有關系物質的密度大，其熱導率通常也較大。5雜質含量有關系金屬含雜質時熱導率降低，合金的熱導 率比純金屬低。6化學成分有關系化學成分越復雜，雜質含量越多，尤其

5、 是形成固溶體時，熱導率卜降越明顯，例 如：鎂鋁尖晶石白熱導率比A12O3和MgO 的都小。7氣孔率有關系氣孔能顯著降低材料的熱導率，因為氣 體的熱導率比固體的要小得多。三高熱導率材料的制備與性能.高導熱基板材料高散熱系數之基板材料是 LED封裝的重要部分，氧化鋁基板為大功率LED的發展做出了很大的貢獻。但隨著LED功率更大化的發展，氧化鋁材料已經不能 夠滿足。如何得到更優良的散熱基板，一直是 LED行業追求的方向。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體特性，使其現階段遇到較嚴苛的考驗。而 陽極

6、化鋁基板則因其陽極化氧 化層強度不足而容易因碎裂導致導通，使其在實 際應用上受限。因而，現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厚膜制程 （材料在銀膠印刷后須 經850c大氣熱處理，使其出現材料信賴性問題），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從 LED晶粒經由基板 材料至系統電路板的效能，因此大幅降低熱量由LED晶粒經由金屬線至系統電路 板的負擔，進而達到高熱散的效果。第二類為陶瓷基復合材料基板（覆銅板等）高導熱塑料材料對填充型導熱絕緣高分子，熱導率取決于高分子和導熱填料的協同作用。 分 散于樹

7、脂中的導熱填料，當填料量提高到某一臨界值時，填料間形成接觸和相互 作用，體系內形成了類似網狀或鏈狀結構形態。 當導熱網鏈的取向與熱流方向一 致時，材料導熱性能提高很快；體系中在熱流方向上未形成導熱網鏈時， 會造成 熱流方向上熱阻很大，導致材料導熱性能很差。因此，在體系內最大程度上形成 熱流方向上的網鏈是核心所在。部分無機填料的熱導率見下表：材料名稱熱導率【材料名稱熱導率【W/（m.K”氮化鋁150硼氮立方體1300硼氮六方體40120材料名稱熱導率【W/（m.K”碳化硅25100三氧化二鋁2540氧化鎂2550高熱導率無機物填充聚乙烯復合塑料Hatsuo I研究了 BN/PB僚丁二烯）熱導率及

8、力學性能，研究發現 BN的高導.熱性和A階PB樹脂低粘度使BN易于被潤濕和混合，可實現較大量填充。BN質 量分數為88%寸，體系熱導率32.5W/(m.K)0 SEM表明體系內不形成了導熱網絡 通路，BN與PB相界面間結合良好，界面熱阻小。止匕外，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，美國先進陶瓷公司和 EPI償司開發出熱導率2035 W/(m.K)的BN/PB 復合工程塑料，可用普通工藝如模壓成型實現，主要用于電子封裝、集成電路板、 電子控制元件等產品。(5)高熱導率無機物填充酚醛樹脂復合塑料Hatsuo I以AlN填充酚醛制得了可用于導熱性電子封裝材

9、料，AlN最大填充量78.5% (體積比)時，熱導率達到了 32.5 W/(m.K)0 (5)高導熱高彈性硅膠材料目前在有機硅領域所使用的導熱材料多數為氧化鋁、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 化物做為高導熱領域的填充粉體；而氧化鋅大多做為導熱膏(導熱硅脂)填料用。 (8)常用填充材料的熱導率見下表：(8)材料名稱熱導率【W/(m.K”備注氧化鍍(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(結晶型)20以上針對以上材料在產

10、品應用上的優缺點分析如下:材料優勢缺點氮化鋁熱導率非常高價格昂貴，通常每公斤在千兀以上；氮化鋁吸潮后會與水反應會水解AlN+3H20=Al(OH)3+NH3 ,水解產生的Al(OH)3會使導熱通路產生中斷，進而影響聲于的傳 遞，因此做成制品后熱導率偏低。即使用硅烷偶聯劑進行表面處 理，也不能保證100啜料表面被包覆；.體系粘度極具上升，嚴重限制了產品的應用領域。氮化硼熱導率非常 高，性質穩定價格很高，市場價從幾百兀到上千兀（品質7、同差別較大）；大量填充后體系粘度極具上升，嚴重限制了產品的應用領域。聽說有國外1商有生產球形 BN廣品粒徑大，比表面積小，填充 率高，不易增粘，價格極高。碳化硅熱導

11、率較局合成過程中產生的碳及石墨難以去除，導致產品純度較低，電 導率高，不適合電子用膠；密度大，在有機硅類膠中易沉淀分層，影響產品應用。環氧膠 中較為適用。氧化鎂價格便宜在空氣中易吸潮，增粘性較強，不能大量填充；耐酸性差，一般情況下很容易被酸腐蝕，限制J具在酸性環境 下的應用。a -氧化鋁 （針狀）價格便宜添加量低，在液體硅膠中，普通針狀氧化鋁的最大添加量一般 為300份左右，所得產品熱導率有限。a -氧化鋁 （球形）填充里大，仕 液體硅膠中， 球形氧化鋁最 大可添加到600800 份， 所得制品熱導率局價格較貴，但低于氮化硼和氮化鋁。氧化鋅粒徑及均勻性 很好，適合生 產導熱硅脂導熱性偏低，不適

12、合生產高導熱產品；質輕，增粘性較強，不適合灌封。石英粉（結晶型）譽度大，適合 灌封；價格低， 適合大量填 充，降低成本。導熱性偏低，不適合生產高導熱產品； 密度較高，可能產生分層。綜上，不同填料有各自特點，選擇填料時應充分利用各填料的優點， 采用幾 種填料進行混合使用，發揮協同作用，既能達到較高的熱導率，又能有效的降低 成本，同時保障填料與有機硅基體的混溶性。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熱 性能。所得硅橡膠的熱導率為1.32.5 W/（m.K）。SEBS勺甲苯溶液與BN或Al2O3混合后，經干燥可制得高導熱性和電絕緣性能的彈性體材料，SEBS/

13、BN用苯質量比為2:7.5:7時，材料熱導率達6.4 W/（m.K）。高導熱粘合劑材料章文捷等研究了 AlN/Al2O3混合填充的有機硅灌封材料，熱導率達到了 0.89W/（m.K）0張曉輝等分別用 SiC AlN、Al2O3填充環氧膠黏劑，發現填料分數存 在一臨界點，該臨界點歸因于材料內部有效導熱網絡的建立。由于SiC價格低，.熱導率高，填充份數為53.9%寸，熱導率為4.234 WZ(m.K),力學性能較好。王鐵 如以氧化鋁和氮化硼填充環氧改性膠黏劑，制得熱導率1.14 WZ(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。經濕熱試驗后 電氣強度

14、大于25MV/m,粘結強度大于5MPa,長期工作溫度200250C。石紅 采用AlN填充改性環氧，制得熱導率1.2 W/(m.K)的粘結劑，具擊穿強度9.8MV/m , 體積電阻率1.04*10的12次方Q .m。四高熱導率材料的一些發展思路開發新型導熱材料如利用納米顆粒填充，熱導率可增加不少，尤其是某些共價鍵型材料變為金 屬鍵型材料，導熱性能急劇上升。填充粒子表面改性處理樹脂和導熱填料界面對塑料導熱性能有重要影響，所以導熱填料表面的潤濕 程度影響著導熱填料在基體中的分散情況， 集體與填料粒子的粘結程度及兩者界 面的熱障。成型工藝條件選擇及優化導熱填料與塑料的復合方式及成型過程中溫度、壓力、填

15、料及各種助劑的加 料順序等對導熱性能有明顯影響。多種粒徑導熱填料混合填充時，填料的搭配對 提高導熱性能和降低粘度有明顯 。導熱填料不同粒徑分布變化時，體系導熱性 能和粘度發生規律性變化，當粒徑分布適合時，可得到最高熱導率和最低粘度的 混合體系。五熱傳遞解決思路的幾個考慮因素熱阻值的考慮傅力葉方程式:Q=X AAT/dR=5/Q(Q:熱量，W;入：熱導率，W/mk ; A：接觸面積；d:熱量傳遞距離；溫度差；R:熱阻值).將上面兩個公式合并，可以得到:入=d/R。因為人值是不變的，可以看得出熱阻R值，同材料厚度d是成正比的。也就 說材料越厚，熱阻越大。但如果仔細看一些導熱材料的資料，會發現很多導

16、熱材料的熱阻值R,同厚度d并不是完全成正比關系。這是因為導熱材料大都不是單一成分組成， 相應會 有非線性變化。厚度增加，熱阻值一定會增大，但不一定是完全成正比的線性關 系，可能是更陡的曲線關系。所以，對于導熱材料，選用合適的熱導率外，材料厚度是對性能有很大關系的 選擇熱導率很高的材料，但是厚度很大，也是性能不夠好的。接觸熱阻的考慮接觸熱阻是因為相互接觸物體接觸面的粗糙度 ，平面度，以及接觸物質的表 面處理方式使得導熱通道不順暢，使得接觸面產生熱積聚，熱源產生的熱量不能迅 速有效的傳導到散熱器表面。最理想的散熱選擇是：熱導率高、厚度薄，完美的界面接觸。目前行業內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在很大程度上提高產品成本，因 此，接觸面的間隙采用導熱介質材料填充，可以很好的將空氣擠出，從而增加系統散熱水平。目前，有三種介質材料可選擇：導熱硅脂、導熱雙面膠、導熱硅膠片。有了導熱硅膠片的補充，可以使接觸面更好的充分接觸，真正做到面對面的 接觸.在溫度上的反應可以達到10度以上的溫差。導熱硅膠片在熱導率方面可選擇性較大，可以從0.8w/k.m -3.0w/k.m以上， 且性能穩定。 TOC o 1-5 h z 導熱