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氧化鋁在導熱矽膠等產品的應用及影響

類別:行業新聞   發布時間:2019-08-29 09:28:06   瀏覽:406 次

隨著電子工業的發展,電子元件、集成電路趨於密集化,小型化,要保證電子器件的可靠運行,良好的散熱性是必不可少的。

但是,電子器件與散熱裝置因其表麵的凹凸不平,在界麵間形成了一個空氣層,使得接觸熱阻增大,最終使電子器件的熱量不能高效傳遞給散熱裝置實現散熱。

導熱矽膠因具有好的粘性、柔韌性、良好的壓縮性能以及具有優良的熱傳導率,常用來作為通訊設備、計算機等電器Ic基板的散熱填充材料。

無機非金屬粉體填料因其良好的絕緣性能,通常用於導熱絕緣矽橡膠作導熱媒介。

最為常見的無機非金屬導熱絕緣粉體填料有氮化鋁,氧化鋁,氧化鋅,氧化鈹,氧化矽,碳化矽,氮化硼等。

其中氧化鋁不但具有良好的絕緣性能,而且其導熱率也不低(常溫導熱率為30W/m·K),已經在高壓,特高壓開關電器領域絕緣製品中得到大量使用。

氧化鋁來源廣泛,價格相對較低,在矽膠中填充量大,具有較高的性價比,因此作為目前高導熱絕緣矽膠材料中的主要導熱絕緣填料。


氧化鋁在導熱矽膠中的導熱機理

物質中的熱能常以振動能的形式傳遞,即物質內部微觀粒子通過相互碰撞,實現熱能的傳遞。

對於金屬材料,其熱傳導靠自由電子的運動進行導熱。由於自由電子的質量輕,不受束縛,此使得金屬材料導熱的同時也能導電。

而氧化鋁填料的導熱主要依靠聲子的振動,通過晶體的非線性熱振動而實現導熱。

矽膠作為高分子材料,是由不對稱的極性鏈節所構成,整個分子鏈不能完全自由運動,隻能發生原子,基團或鏈節的振動,因此其導熱率很低,是熱的不良導體。

隻有通過填充高導熱係數的填料來增加材料的熱導率。

當加入的氧化鋁的量較少時,氧化鋁在矽膠基體中的分布近似以孤島形式出現,此時導熱率提高不大。

隨著氧化鋁添加量的增加,在矽膠基體中的分布越來越密集,顆粒之間會相互接觸,在複合材料中形成局部的導熱鏈或導熱網;

若再增加氧化鋁的量,導熱鏈或導熱網會相互聯結和貫穿,在聚合物基體中形成貫穿整個材料的導熱網絡,從而使填充複合材料的導熱性能顯著提高。

但是,填充量過大使導熱矽膠的性能變差,如其流動性和柔韌性因填料量的增大而變差。


氧化鋁填料性能對導熱矽膠性能影響

1、氧化鋁顆粒形貌對導熱矽膠性能影響

根據不同的燒成控製,氧化鋁的晶體形貌可以呈現出蠕蟲狀、片狀、球形(類球形)等形貌,由於球型顆粒的氧化鋁表麵能小,填入基體中粘度小,更容易均勻分散於基體中,而且填充量相對於其他形狀的大,更有利於提高矽膠的導熱性,因此,當前在高導熱絕緣材料中填充的氧化鋁顆粒形貌主要以球形。

典型的類球形氧化鋁形貌如下:

製備球形氧化鋁通常有兩種工藝,熔融法和高溫煆燒法。

其中熔融法是采用超過氧化鋁熔點的溫度,將氧化鋁多晶體熔融並收縮成球形,其形貌球形度高。

而高溫煆燒法是通過低於熔點的溫度對氧化鋁顆粒煆燒,晶體發育生長成類球形。

對於前者,氧化鋁顆粒的球形度高,但因氧化鋁為快速熔融,在晶體內部往往會形成氣孔及空位等晶體缺,導致顆粒的致密度降低,從而降低其導熱率。

而後者是長時間的晶體生長,其結晶發育完整,化學純度高,顆粒具有非常高的真比重,達到3.98g/cm3以上,因此顆粒的導熱率要比熔融法生產的球形氧化鋁高。

2、氧化鋁晶型對導熱矽膠性能影響

高熱導率的氧化鋁顆粒,其自身必須具有高的結晶程度和致密度。α相氧化鋁為六方結構,是氧化鋁多種變體中最為致密的結構。研究表明α相越高的氧化鋁粉體,晶體完全呈現單晶的呈類球形顆粒,存在一定的晶麵,填充在到矽膠中時,顆粒和顆粒的接觸就會出現一定的線接觸和麵接觸,因此可以大幅提高矽膠的導熱率。

3、氧化鋁純度對導熱矽膠性能影響

作為絕緣導電填料的氧化鋁,其結構中化學結合的雜質會影響其最終晶體燒結的致密度,不利於提高導熱性;另外雜質(如鈉離子)在疏鬆晶體結構中容易形成導電離子,嚴重影響導熱絕緣矽膠的電氣性能,因此導電絕緣用的氧化鋁粉體一般要求小於0.1%。

4、氧化鋁粒度對導熱矽膠性能影響

研究發現小顆粒的填料容易被矽膠包覆,導致互相不接觸而產生熱阻;

而大粒子更容易互相接觸,從而形成導熱通路,增加熱導率。

而且還得出一些規律:當填充相同填料量時,在填充份數較小的情況下,小粒徑填料氧化鋁較大粒徑的導熱率大,而填充量超過一定的值時,小粒徑填料比氧化鋁較大粒徑的導熱率小。

因此通過合理的氧化鋁粉體粒徑搭配,增大粉體的填充堆積密度,使氧化鋁粉體在矽橡膠中形成更多的導熱網絡,是有利於提高矽橡膠的導熱性。

不同粒徑的氧化鋁對矽膠的導熱率的影響如下:

5、偶聯劑表麵處理對矽橡膠性能的影響

經用偶聯劑改性的氧化鋁導熱粒子與矽膠的潤濕性好,可以祛除粒子與基體之間的空氣,使粒子與界麵具有較好的粘接性,從而提高矽膠的熱導率和力學性能。研究結果如下:

四、結束語

氧化鋁應用於矽膠絕緣導熱作填料,整個體係已屬於複合材料的範疇。從上分析看出影響矽膠導熱絕緣性能有氧化鋁粉自身質量因素,如粉體顆粒形貌,晶型,化學組成等;同時還有粉體的應用因素,如偶合改性,顆粒級配,粉體在基體中的分散等,這些都在粉體生產時要充分認識到的,隻有兩者相互結合才能生產出優質的導熱絕緣粉體填料。由於筆者水平有限,若有錯誤的地方請多多指正。