高熱導(dǎo)率絕緣材料

整理

目錄

-常見材料的熱導(dǎo)率......................................4

二影響材料熱導(dǎo)率的因素.................................4

三高熱導(dǎo)率材料的制備與性能.............................4

3.1高導(dǎo)熱基板材料...................................5

3.2.1高熱導(dǎo)率無機(jī)物填充聚乙烯復(fù)合塑料...........5

3.2.2高熱導(dǎo)率無機(jī)物填充酚醛樹脂復(fù)合塑料........6

3.3高導(dǎo)熱高彈性硅膠材料...............................6

3.4高導(dǎo)熱粘合劑材料...................................7

四高熱導(dǎo)率材料的一些發(fā)展思路............................8

4.1開發(fā)新型導(dǎo)熱材料.................................8

4.2填充粒子表面改性處理.............................8

4.3成型工藝條件選擇及優(yōu)化...........................8

五熱傳遞解決思路的幾個(gè)考慮因素..........................8

5.1熱阻值的考慮......................................8

5.2接觸熱阻的考慮.....................................9

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50?415,合金為12?120,絕熱材料為0.03?0.17,

液體為0.17~0.7,氣體為0.007?0.17,碳納米管高達(dá)1000以上。①

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

熱導(dǎo)率X與材料本身的關(guān)系如下表：①④

序號(hào)考慮因素影響大小描述

1壓力關(guān)系不大—

①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；

2溫度關(guān)系很大

②非金屬和氣體的熱導(dǎo)率隨溫度的升高

而增大。

①一般含濕量大的物料熱導(dǎo)率大。如干磚

含濕量/結(jié)構(gòu)/孔隙度

3有關(guān)系的熱導(dǎo)率約為0.27W/(m?K)而濕磚熱導(dǎo)

(對(duì)于固體)

率為0.87W/(m?K)。

4密度有關(guān)系①物質(zhì)的密度大，其熱導(dǎo)率通常也較大。

①金屬含雜質(zhì)時(shí)熱導(dǎo)率降低，合金的熱導(dǎo)

5雜質(zhì)含量有關(guān)系

率比純金屬低。

①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

6化學(xué)成分有關(guān)系

如:鎂鋁尖晶石的熱導(dǎo)率比A1203和MgO

的都小。

①氣孔能顯著降低材料的熱導(dǎo)率，因?yàn)闅?/p>

7氣孔率有關(guān)系

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，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。⑨

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)850℃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?。?/p>

部分無機(jī)填料的熱導(dǎo)率見下表：⑤

材料名稱熱導(dǎo)率［W/(m.K)J材料名稱熱導(dǎo)率［W/(m.K)l

氮化鋁150碳化硅25~100

硼氮立方體1300三氧化二鋁25~40

硼氮六方體40~120氧化鎂25-50

3.2.1高熱導(dǎo)率無機(jī)物填充聚乙烯復(fù)合塑料

HatsuoI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(guó)先進(jìn)陶瓷公司和EPIC公司開發(fā)出熱導(dǎo)率20-35W/(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

HatsuoI以AIN填充酚醛制得了可用于導(dǎo)熱性電子封裝材料，AIN最大填充

量78.5%(體積比)時(shí)，熱導(dǎo)率達(dá)到了32.5W/(m.K)o(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)

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

氧化鉞(有毒)270

氮化鋁80~320

氮化硼125有文章寫60W/(m.K)

碳化硅83.6有文章寫170~220W/(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)

①價(jià)格昂貴，通常每公斤在千元以上；

②氮化鋁吸潮后會(huì)與水反應(yīng)會(huì)水解A1N+3H2()=A1(0H)3+NH3,

氮化鋁熱導(dǎo)率非常高水解產(chǎn)生的Al(0H)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：

③體系粘度極具上升，嚴(yán)重限制了產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域。

①價(jià)格很高，市場(chǎng)價(jià)從幾百元到上千元（品質(zhì)不同差別較大）；

熱導(dǎo)率非常②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。

氮化硼

高，性質(zhì)穩(wěn)定聽說有國(guó)外廠商有生產(chǎn)球形BN,產(chǎn)品粒徑大，比表面積?。禾畛?/p>

率高，不易增粘，價(jià)格極高，

①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；

碳化硅熱導(dǎo)率較高

②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。

①在空氣中易吸潮，增粘性較強(qiáng)，不能大量填充；

氧化鎂價(jià)格便宜②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①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

價(jià)格便宜

（針狀）為300份左右，所得產(chǎn)品熱導(dǎo)率有限。

填充量大，在

液體硅膠中，

球形氧化鋁最

a-氧化鋁

大可添加到①價(jià)格較貴，但低于氮化硼和氮化鋁。

（球形）

600~800份，

所得制品熱導(dǎo)

率高

粒徑及均勻性

①導(dǎo)熱性偏低，不適合生產(chǎn)高導(dǎo)熱產(chǎn)品；

氧化鋅很好，適合生

②質(zhì)輕，增粘性較強(qiáng)，不適合灌封。

產(chǎn)導(dǎo)熱硅脂

密度大，適合

石英粉灌封；價(jià)格低，①導(dǎo)熱性偏低，不適合生產(chǎn)高導(dǎo)熱產(chǎn)品：

（結(jié)晶型）適合大量填②密度較高，可能產(chǎn)生分層，

充，降低成本。

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)保障填料與有機(jī)硅基體的混溶性。⑧

汪倩等研究了AIN/AI2O3/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L(zhǎng)3~2.5W/（m.K）u⑤

SEBS的甲苯溶液與BN或AI2O3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2:757時(shí),材料熱導(dǎo)率達(dá)6.4W/（m.K）,⑤

3.4高導(dǎo)熱粘合劑材料

章文捷等研究了AIN/AI2O3混合填充的有機(jī)硅灌封材料，熱導(dǎo)率達(dá)到了0.89

張曉輝等分別用、、填充環(huán)氧膠黏劑，發(fā)現(xiàn)填料分?jǐn)?shù)存

W/（m.K）0SiCAINAI2O3

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，

熱導(dǎo)率高，填充份數(shù)為53.9%時(shí)，熱導(dǎo)率為4.234W/(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，制得烝導(dǎo)率1.14W/(m.K),體積電阻

率1012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200~250℃。石紅

采用AIN填充改性環(huán)氧，制得熱導(dǎo)率1.2W/(m.K)的粘結(jié)齊IJ,其擊穿強(qiáng)度9.8MV/m,

體積電阻率1.04*10的12次方Q.m。⑤

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?/p>

屬鍵型材料，導(dǎo)熱性能急劇上升。②

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。②

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。②

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=XAAT/d

R=AAT/Q

(Q：熱量，W；X：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:

X=d/Ro

因?yàn)槿酥凳遣蛔兊?，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。⑥

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。⑥

所以，對(duì)于導(dǎo)熱材料?，選用合