材料——高热导率绝缘材料整理

高热导率绝缘材料

整理

目录

一常见材料的热导率 (4)

二影响材料热导率的因素 (4)

三高热导率材料的制备与性能 (4)

3.1 高导热基板材料 (5)

3.2.1 高热导率无机物填充聚乙烯复合塑料 (5)

3.2.2 高热导率无机物填充酚醛树脂复合塑料 (6)

3.3高导热高弹性硅胶材料 (6)

3.4高导热粘合剂材料 (7)

四高热导率材料的一些发展思路 (8)

4.1 开发新型导热材料 (8)

4.2 填充粒子表面改性处理 (8)

4.3 成型工艺条件选择及优化 (8)

五热传递解决思路的几个考虑因素 (8)

5.1 热阻值的考虑 (8)

5.2 接触热阻的考虑 (9)

六参考文献 (10)

一常见材料的热导率

钻石的热导率在已知矿物中最高的。各类物质的热导率〔W/(m·K)〕的大致范围是：金属为50～415，合金为12～120，绝热材料为0.03～0.17，液体为0.17～0.7，气体为0.007～0.17,碳纳米管高达1000以上。①一些常用材料的热导率详见“附录一”。

二影响材料热导率的因素

热导率λ与材料本身的关系如下表：①④

三高热导率材料的制备与性能

3.1 高导热基板材料

高散热系数之基板材料是LED封装的重要部分，氧化铝基板为大功率LED 的发展做出了很大的贡献。但随着LED功率更大化的发展，氧化铝材料已经不能够满足。如何得到更优良的散热基板，一直是LED行业追求的方向。⑨

被寄希望取代氧化铝的材料包含了两类：

第一类为单一材质基板，如硅基板、碳化硅基板、阳极化铝基板或氮化铝基板。其中硅及碳化硅基板之材料半导体特性，使其现阶段遇到较严苛的考验。而阳极化铝基板则因其阳极化氧化层强度不足而容易因碎裂导致导通，使其在实际应用上受限。因而，现阶段较成熟且普通接受度较高的即为以氮化铝作为散热基板。然而，目前受限于氮化铝基板不适用传统厚膜制程(材料在银胶印刷后须经850℃大气热处理，使其出现材料信赖性问题)，因此，氮化铝基板线路需以薄膜制程备制。以薄膜制程备制之氮化铝基板大幅加速了热量从LED晶粒经由基板材料至系统电路板的效能，因此大幅降低热量由LED晶粒经由金属线至系统电路板的负担，进而达到高热散的效果。⑨

第二类为陶瓷基复合材料基板（覆铜板等）

3.2 高导热塑料材料

对填充型导热绝缘高分子，热导率取决于高分子和导热填料的协同作用。分散于树脂中的导热填料，当填料量提高到某一临界值时，填料间形成接触和相互作用，体系内形成了类似网状或链状结构形态。当导热网链的取向与热流方向一致时，材料导热性能提高很快；体系中在热流方向上未形成导热网链时，会造成热流方向上热阻很大，导致材料导热性能很差。因此，在体系内最大程度上形成热流方向上的网链是核心所在。⑤

部分无机填料的热导率见下表：⑤

3.2.1 高热导率无机物填充聚乙烯复合塑料

Hatsuo I研究了BN/PB(聚丁二烯) 热导率及力学性能，研究发现BN的高导

热性和A阶PB树脂低粘度使BN易于被润湿和混合，可实现较大量填充。BN质量分数为88%时，体系热导率32.5W/(m.K)。SEM表明体系内不形成了导热网络通路，BN与PB相界面间结合良好，界面热阻小。此外，在水中浸泡24H材料吸水率小于0.1%，随着BN减少，吸水率降低。(5)

另外，美国先进陶瓷公司和EPIC公司开发出热导率20~35 W/(m.K)的BN/PB 复合工程塑料，可用普通工艺如模压成型实现，主要用于电子封装、集成电路板、电子控制元件等产品。(5)

3.2.2 高热导率无机物填充酚醛树脂复合塑料

Hatsuo I 以AlN填充酚醛制得了可用于导热性电子封装材料，AlN最大填充量78.5%（体积比）时，热导率达到了32.5 W/(m.K)。(5)

3.3 高导热高弹性硅胶材料

目前在有机硅领域所使用的导热材料多数为氧化铝、氧化硅、氧化锌、氮化铝、氮化硼、碳化硅等。尤其是以微米氧化铝、硅微粉为主体，纳米氧化铝，氮化物做为高导热领域的填充粉体；而氧化锌大多做为导热膏（导热硅脂）填料用。

(8)

常用填充材料的热导率见下表：（8）

针对以上材料在产品应用上的优缺点分析如下：

综上，不同填料有各自特点，选择填料时应充分利用各填料的优点，采用几种填料进行混合使用，发挥协同作用，既能达到较高的热导率，又能有效的降低成本，同时保障填料与有机硅基体的混溶性。⑧

汪倩等研究了AlN/Al2O3/SiC/MgO混合填料填充室温硫化硅橡胶的导热性能。所得硅橡胶的热导率为1.3~2.5 W/(m.K)。⑤

SEBS的甲苯溶液与BN或Al2O3混合后，经干燥可制得高导热性和电绝缘性能的弹性体材料，SEBS/BN/甲苯质量比为2:7.5:7时，材料热导率达6.4 W/(m.K)。⑤3.4 高导热粘合剂材料

章文捷等研究了AlN/Al2O3混合填充的有机硅灌封材料，热导率达到了0.89 W/(m.K)。张晓辉等分别用SiC、AlN、Al2O3填充环氧胶黏剂，发现填料分数存在一临界点，该临界点归因于材料内部有效导热网络的建立。由于SiC价格低，

热导率高，填充份数为53.9%时，热导率为4.234 W/(m.K)，力学性能较好。王铁如以氧化铝和氮化硼填充环氧改性胶黏剂，制得热导率1.14 W/(m.K)，体积电阻率10 12次方Ω.m,表面电阻率10的14次Ω.m的L-1型胶黏剂。经湿热试验后电气强度大于25MV/m，粘结强度大于5MPa，长期工作温度200~250℃。石红采用AlN填充改性环氧，制得热导率1.2 W/(m.K)的粘结剂，其击穿强度9.8MV/m，体积电阻率1.04*10的12次方Ω.m。⑤

四高热导率材料的一些发展思路

4.1 开发新型导热材料

如利用纳米颗粒填充，热导率可增加不少，尤其是某些共价键型材料变为金属键型材料，导热性能急剧上升。②

4.2 填充粒子表面改性处理

树脂和导热填料界面对塑料导热性能有重要影响，所以导热填料表面的润湿程度影响着导热填料在基体中的分散情况，集体与填料粒子的粘结程度及两者界面的热障。②

4.3 成型工艺条件选择及优化

导热填料与塑料的复合方式及成型过程中温度、压力、填料及各种助剂的加料顺序等对导热性能有明显影响。多种粒径导热填料混合填充时，填料的搭配对提高导热性能和降低粘度有明显。导热填料不同粒径分布变化时，体系导热性能和粘度发生规律性变化，当粒径分布适合时，可得到最高热导率和最低粘度的混合体系。②

五热传递解决思路的几个考虑因素

5.1 热阻值的考虑

傅力叶方程式：

Q=λA△T/d

R=A△T/Q

（Q: 热量，W；λ: 热导率，W/mk；A：接触面积；d: 热量传递距离；△T：温度差；R: 热阻值）