高導(dǎo)熱絕緣材料“卡脖子”問題怎么破？
發(fā)布時(shí)間：2023-11-16瀏覽次數(shù)：811
隨著電氣電子設(shè)備向高功率密度化、小型輕化和高度集成化方向的發(fā)展，設(shè)備單位體積內(nèi)所產(chǎn)生的熱量急劇增加，熱量的不斷積累及由此產(chǎn)生的溫升會(huì)加速絕緣電介質(zhì)的老化失效，極大地降低電氣電子設(shè)備運(yùn)行的可靠性和壽命。對(duì)電子器件來說，每超過額定溫度2℃，可靠性降低10%。變壓器繞組溫度每增加6℃，預(yù)期壽命縮短一半。因此，散熱是制約電氣電子設(shè)備高功率密度化和高度集成化的瓶頸問題。
近年來，國內(nèi)工業(yè)界相繼開發(fā)出了高導(dǎo)熱環(huán)氧樹脂、高導(dǎo)熱橡膠、高導(dǎo)熱硅脂、導(dǎo)熱相變材料等產(chǎn)品，但在性能上與國外產(chǎn)品相比仍有很大差距，很多高端領(lǐng)域應(yīng)用的高導(dǎo)熱絕緣材料長期被國外壟斷，成為我國電氣電子裝備制造業(yè)發(fā)展的瓶頸問題之一。研制高導(dǎo)熱絕緣材料，解決電氣電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)散熱問題，制備具有優(yōu)良綜合性能的高導(dǎo)熱聚合物絕緣材料正成為國際電氣電子絕緣領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
包括環(huán)氧/硅膠基高導(dǎo)熱灌封膠、環(huán)氧基高導(dǎo)熱膠黏劑、高導(dǎo)熱硅膠墊片、高導(dǎo)熱硅脂等。（1）環(huán)氧樹脂：由于具有優(yōu)異的粘結(jié)性、耐腐蝕性和介電性能及優(yōu)良的工藝性而廣泛應(yīng)用于電氣設(shè)備絕緣(如大型發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、磁懸浮列車電磁鐵、干式變壓器、GIS盆式絕緣子、硅橡膠絕緣子芯棒等)和微電子設(shè)備絕緣封裝(如功率集成電路、大功率激光器、高亮度發(fā)光二極管、太陽能電池、IGBT和MOSFET等)。然而，純環(huán)氧樹脂的熱導(dǎo)率僅約為0.2 W/(m·K)。近年來，國內(nèi)外對(duì)填充型環(huán)氧樹脂基高導(dǎo)熱微納米復(fù)合絕緣材料進(jìn)行了大量研究，主要包括填料種類及含量、表面處理、填料形狀尺寸等因素對(duì)復(fù)合材料熱導(dǎo)率、電氣絕緣性能及其他性能的影響。（2）硅橡膠：是以線型聚有機(jī)硅氧烷為基料，加入交聯(lián)劑、催化劑、抑制劑以及其他助劑，在一定條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成的網(wǎng)狀彈性體。硅橡膠也具有非常優(yōu)越的電絕緣性能。硅橡膠作為高分子基體*大的優(yōu)勢就是高溫穩(wěn)定性，其本身的熱分解溫度能達(dá)到300℃。導(dǎo)熱硅橡膠賦予了硅橡膠的導(dǎo)熱能力，集成了硅橡膠減震、絕緣以及良好的導(dǎo)熱能力等，廣泛應(yīng)用于電力電子器件、航天航空、通信、LED照明、電動(dòng)汽車等領(lǐng)域。填充型導(dǎo)熱硅橡膠是在硅橡膠中加入大量高導(dǎo)熱填料形成的硅橡膠基微納米復(fù)合絕緣材料，包括導(dǎo)熱硅膠墊片、導(dǎo)熱硅凝膠。（3）導(dǎo)熱硅脂：又稱散熱膏，是以有機(jī)硅酮為基體，添加導(dǎo)熱填料以及各種助劑，經(jīng)混合研磨加工的脂狀物高分子材料，具有低油離度、耐高低溫、耐氣候老化、耐水等優(yōu)良特性。導(dǎo)熱硅脂是一種具有高導(dǎo)熱性能的有機(jī)硅復(fù)合材料，可在-50～200℃的溫度下長時(shí)間保持脂膏狀，具有其他界面無法替代的作用，可廣泛涂覆于發(fā)熱體與散熱器件之間的界面，如CPU、微波器件、溫度傳感器、電源模塊、汽車電子零部件等。ZnO和Al2O3是常用的導(dǎo)熱填料。而AlN會(huì)吸油，嚴(yán)重不利于分散在硅脂基體中，需要經(jīng)過表面改性才能提高填充量。（4）相變材料：是一種具備釋放和吸收相變潛熱功能的材料，在能量存儲(chǔ)與溫度控制方面有重要的應(yīng)用。相變材料控溫原理主要是利用相變材料在低溫狀態(tài)下的熔化、升華過程來吸收熱量，并在需要升溫時(shí)釋放儲(chǔ)存的熱量。導(dǎo)熱相變材料通常是向相變材料中添加高導(dǎo)熱填料來提高其散熱能力。（5）導(dǎo)熱填料：目前，用來制備導(dǎo)熱絕緣聚合物復(fù)合材料的填料主要有碳類（碳納米管、石墨烯）、無機(jī)粒子和金屬（銀、銅）等填料。無機(jī)粒子分別有氮化物，如氮化硼(BN)、氮化鋁(AlN)、氮化硅(Si3N4)等；氧化物，如氧化鎂(MgO)、氧化鋁(Al2O3)、氧化硅(SiO2)、氧化鈹(BeO)；碳化物，應(yīng)用較多的主要是碳化硅(SiC)。陶瓷封裝具有耐熱性好、不易產(chǎn)生裂紋、熱沖擊后不產(chǎn)生損傷、機(jī)械強(qiáng)度高、熱膨脹系數(shù)小、電絕緣性能高、熱導(dǎo)率高、高頻特性、化學(xué)穩(wěn)定性高、氣密性好等優(yōu)點(diǎn)，適用于航空航天、軍事工程所要求的高可靠、高頻、耐高溫、氣密性強(qiáng)的產(chǎn)品封裝。由于陶瓷材料所具有的良好的綜合性能，使其廣泛用于混合集成電路和多芯片模組。在要求高密封的場合，可選用陶瓷封裝。國外的陶瓷封裝材料以日本居首，日本占據(jù)了美國陶瓷封裝市場的90%～95%，并且占美國國防（軍品）陶瓷封裝市場的95%～98%。傳統(tǒng)的陶瓷封裝材料是Al2O3陶瓷，具有良好的絕緣性、化學(xué)穩(wěn)定性和力學(xué)性能，摻雜某些物質(zhì)可滿足特殊封裝的要求，且價(jià)格低廉，是目前主要的陶瓷封裝材料。SiC的熱導(dǎo)率很高，是Al2O3的十幾倍，熱膨脹系數(shù)也低于Al2O3和AlN，但是SiC的介電常數(shù)過高，所以僅適用于密度較低的封裝。AlN陶瓷是被國內(nèi)外專家*為看好的封裝材料，具有與SiC相接近的高熱導(dǎo)率，熱膨脹系數(shù)低于Al2O3，斷裂強(qiáng)度大于Al2O3，維氏硬度是Al2O3的一半，與Al2O3相比，AlN的低密度可使重量降低20%，因此AlN封裝材料引起國內(nèi)外封裝界越來越廣泛的重視。
高導(dǎo)熱絕緣材料在高科技領(lǐng)域的應(yīng)用
在電動(dòng)汽車領(lǐng)域的應(yīng)用電動(dòng)汽車動(dòng)力電池模塊、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和電控系統(tǒng)是電動(dòng)汽車的三大核心部件，其在工作中會(huì)產(chǎn)生大量熱量，熱量不及時(shí)散發(fā)會(huì)降低各部件的性能和壽命，嚴(yán)重的可能會(huì)引起線路短路，造成車輛自燃。此外，充電樁的工作性能以及安全運(yùn)行也與溫度密切相關(guān)。良好的散熱條件是動(dòng)力電池、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和充電樁處于合適工作溫度的基本保障。采用高導(dǎo)熱絕緣材料能夠更加有效地降低各部件的溫度以及維持各部件的溫度一致，從而保證電動(dòng)汽車的核心部件“三電”與充電樁的安全性能與使用壽命。在不斷增加電池組數(shù)量和重量的情況下，如何快速散熱一直是困擾電動(dòng)汽車電池的一個(gè)難題。目前，大多數(shù)研究是基于相變材料(PCM)配合其他組件來設(shè)計(jì)電池包熱管理系統(tǒng)，電池的溫度可以長期保持在相變溫度附近范圍內(nèi)，而且基于相變材料的設(shè)計(jì)具有較為強(qiáng)大的散熱能力以及緊湊的結(jié)構(gòu)。
現(xiàn)在對(duì)電動(dòng)汽車熱管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)仍處于研究階段，雖然已經(jīng)有成熟的冷卻系統(tǒng)投入使用，但也存在著體積大、成本高以及水冷導(dǎo)致的安全隱患問題，對(duì)主動(dòng)冷卻系統(tǒng)的改進(jìn)仍是主要攻克的問題。熱傳導(dǎo)聚合物復(fù)合材料為電池組熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)開辟了一扇新的窗口，結(jié)合設(shè)計(jì)的導(dǎo)熱系統(tǒng)，可有效促進(jìn)電池組的導(dǎo)熱散熱，提高安全性能。
高導(dǎo)熱材料在電池組中應(yīng)用示意圖由于半導(dǎo)體器件功率大，體積小，導(dǎo)致熱集聚，對(duì)電子設(shè)備性能壽命有嚴(yán)重的影響，因此對(duì)電子設(shè)備封裝有嚴(yán)格的導(dǎo)熱要求。電子封裝導(dǎo)熱包括芯片直接散熱，也包括元件間連接結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱，例如印刷電路板(PCB)的填充材料。電子封裝材料主要分為三種類型：金屬基封裝材料、陶瓷基封裝材料以及聚合物基導(dǎo)熱材料。金屬基封裝材料具有高導(dǎo)熱性能以及高強(qiáng)度和高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，常被應(yīng)用于軍事和航天領(lǐng)域的電子封裝；陶瓷基封裝材料具有良好的絕緣性能、介電常數(shù)低、CTE較低，同時(shí)具有良好的拉伸機(jī)械強(qiáng)度以及導(dǎo)熱性能，往往在高頻率下會(huì)表現(xiàn)出優(yōu)異的性能；聚合物基導(dǎo)熱材料由聚合物和無機(jī)填料組成，結(jié)合了無機(jī)材料的高導(dǎo)熱性能和絕緣性能以及有機(jī)聚合物的重量輕、易于加工同時(shí)價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，導(dǎo)熱性能雖然沒有金屬基材料優(yōu)異，但改善后的導(dǎo)熱性能通常會(huì)比純有機(jī)聚合物高幾倍，足以滿足大多數(shù)電子封裝熱界面散熱，并且價(jià)格相較便宜，更適用于實(shí)際應(yīng)用中。
另外，下一代電子產(chǎn)品將向著柔性方向發(fā)展，這要求新的導(dǎo)熱材料不光具有較高的熱導(dǎo)率，還需有較好的可折疊性。柔性聚合物復(fù)合材料能滿足上述要求。設(shè)計(jì)的復(fù)合材料要有高的界面導(dǎo)熱系數(shù)、良好的絕緣性能、靈活的結(jié)構(gòu)，以解決柔性電子器件在使用中的過熱問題。可折疊、高功率智能設(shè)備將主導(dǎo)下一代電子產(chǎn)品，這就需要強(qiáng)大的熱管理系統(tǒng)來解決散熱問題，相應(yīng)的導(dǎo)熱材料必須有較好的導(dǎo)熱絕緣性能以及**的力學(xué)性能，可伸縮、多功能的石墨烯薄膜或是*好的選擇。目前大功率LED產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，對(duì)高導(dǎo)熱材料(包括膠黏劑和灌封膠)的需求日益增長。雖然LED封裝材料可以沿用電子封裝的相關(guān)技術(shù)，通過添加導(dǎo)熱填料等提高封裝材料的導(dǎo)熱性，但是由于LED受戶外使用環(huán)境、紫外線輻照等因素影響較大，因此對(duì)封裝材料也提出了新的要求，如要求透光率高、具有抗紫外線老化性能等。封裝發(fā)光二極管的典型基體材料為環(huán)氧樹脂，這主要是由于環(huán)氧樹脂具有優(yōu)良的粘接性、耐腐蝕性及電絕緣性能。但環(huán)氧樹脂抗紫外老化性能較差，長期使用會(huì)造成材料的劣化，甚至使LED失效，所以通常需要選用粒徑小于400 nm的Al2O3提高其導(dǎo)熱性，同時(shí)添加納米ZnO、TiO2等紫外屏蔽材料做進(jìn)一步改性，在保證良好的透光率下提高環(huán)氧樹脂的耐紫外線老化性能。應(yīng)用于航空、航天、軍事等領(lǐng)域的器件通常都需在高頻、高壓、高功率以及高溫等苛刻的環(huán)境下運(yùn)行，并且要求高可靠性，無故障工作時(shí)間長，對(duì)散熱的要求極高，因此對(duì)絕緣材料的導(dǎo)熱性、力學(xué)性能、耐熱性能提出了更高的綜合要求。陶瓷材料具有耐高溫、高強(qiáng)度、低密度、高氣密性、耐氧化以及極高的熱導(dǎo)率等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛用于航空、航天、軍事等領(lǐng)域。例如，采用碳化硅纖維增強(qiáng)的碳化硅(SiC/SiC)等纖維陶瓷制造高速飛行器頭錐、尾錐和整流罩等彈體部件，不僅可以減輕重量，而且可以省去部分冷卻部件。具有良好絕緣性和高導(dǎo)熱系數(shù)的氮化物和碳化物，包括氮化鋁、氮化硼、氮化硅、碳化硅等陶瓷已被廣泛應(yīng)用于戰(zhàn)機(jī)、導(dǎo)彈、衛(wèi)星、火箭等電子系統(tǒng)的封裝和高強(qiáng)度耐高溫部件。同時(shí)，將這些無機(jī)陶瓷填料填充到橡膠、塑料等基體材料中，也可以制得具有良好綜合性能的導(dǎo)熱絕緣橡膠、塑料等。通過在液體硅橡膠中高填充氧化鋁及氮化硼等粉末，可以制備耐高溫的導(dǎo)熱硅橡膠，用于電子器械等；將氧化鋁氣相涂敷改性后的氮化鋁粉末填充硅橡膠，可制取高導(dǎo)熱、高耐熱性封裝材料或連接材料等。美國Berquist公司將研制的導(dǎo)熱絕緣橡膠用于飛機(jī)、太空倉、電機(jī)控制、汽車、家用電器等領(lǐng)域，處于****水平。
航天應(yīng)用導(dǎo)熱聚合物
新型導(dǎo)熱填料的納米化是未來的一個(gè)重要研究方向，如果將無機(jī)填料的粒徑減小到納米尺寸，其導(dǎo)熱性會(huì)因粒子表面原子數(shù)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等納米效應(yīng)而發(fā)生質(zhì)的變化，如：普通AlN粉末的導(dǎo)熱系數(shù)約為36 W（/m·K），而納米級(jí)AlN的導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)320 W（/m·K）。日本協(xié)和化學(xué)工業(yè)公司研發(fā)的高純度納米MgO，其導(dǎo)熱系數(shù)大于50 W（/m·K），較普通MgO粉體的導(dǎo)熱系數(shù)提升了近一倍。高取向?qū)崽盍?/section>普通的顆粒型導(dǎo)熱填料為無規(guī)取向的燒結(jié)結(jié)構(gòu)，其形成的導(dǎo)熱通道有多個(gè)方向。而實(shí)際應(yīng)用中通常希望只在某個(gè)方向上具有很高的熱導(dǎo)率，因此設(shè)計(jì)結(jié)晶取向度高、結(jié)晶完整的纖維狀導(dǎo)熱填料可以大幅提高導(dǎo)熱方向上(纖維軸向)的熱導(dǎo)率，用聚合物制備成復(fù)合材料后，纖維狀的取向?qū)崽盍弦部梢栽趯?dǎo)熱方向上保持極高的熱導(dǎo)率，從而制備出熱導(dǎo)率遠(yuǎn)高于普通顆粒狀填料填充的復(fù)合材料。通過在樹脂分子結(jié)構(gòu)中引入聯(lián)苯、萘、蒽等剛性結(jié)構(gòu)，提高分子鏈的規(guī)整性，形成液晶或結(jié)晶型樹脂，提高聚合物材料的導(dǎo)熱性。除了開發(fā)熱塑性結(jié)晶聚合物外，更需開發(fā)更多種類的熱固性液晶、或固化后具有規(guī)整性或結(jié)晶結(jié)構(gòu)的樹脂，并降低成本，以滿足電氣澆注、浸漬等對(duì)樹脂高導(dǎo)熱性的要求。通過進(jìn)一步在新型導(dǎo)熱樹脂中添加導(dǎo)熱填料可更大幅度的提高其導(dǎo)熱性。填料改性及傳熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)通過對(duì)導(dǎo)熱填料表面進(jìn)行有效的改性可以提高其分散性和導(dǎo)熱性，但同時(shí)還要注重各種形狀和尺寸的導(dǎo)熱填料的配合使用，并對(duì)導(dǎo)熱填料進(jìn)行組裝控制，以達(dá)到*佳的填充效果，為聲子傳熱建立*佳通道，從而提高其導(dǎo)熱性能。
關(guān)注我們