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为什么说超高导热材料是被5G逼出来的?

发布时间:2021-06-10 14:29:44     点击次数:

2019对于导热产品来说是个大年了!

为什么说超高导热材料是被5G逼出来的?想信很多人不是很理解,沛川智能装备做了导热散热领域高精密压延机,涂布机定制服务商,今天就带大家来解答一下,为什么会有这样的一种说法。

回想过去这十几年,电子技术的迭代是坐地日行八万里,但是电子产品的好基友——有机硅导热材料却一直很佛系的徘徊在“一两瓦算正常,三五瓦很优秀”的层次。

结果谁都没想到,去年一年时间里,材料技术突然飞跃,先是有了8瓦gap filler,紧接着汉高GAP PAD又突破了10W/mK大关!

不过数字是枯燥的,10W/mK这个参数也有点抽象,我们恐怕要拿TGP HC3000这款已经上市好多年的导热垫片做一个参照,才能更深刻理解这款新材料承载了什么意义!

TGP HC3000主打的卖点是“S级”超软超低模量,中高导热系数,能cover绝大多数导热应用场景,可以说是导热垫片界的经典款。甚至有路边社消息说这款产品被用在了SAMII导弹的电路上。

但是当我们把它和10W/mK导热垫片TGP 10000 ULM放在一起观察,就会发现一个蛮“异常”的情况

TGP 10000 ULM vs TGP HC3000

硬度 :基本一样模量 :基本一样密度 :基本一样导热率 :TGP 10000 ULM 要高出230% !

参考经济学的蒙代尔不可能三角,导热材料的不可能三角大概可以概括为:在技术路线不变的前提下“高导热系数”、“低模量硬度”和“工艺的实现度”这三个要素很难同时达成。


复合导热弹性体材料的不可能三角

但是,这款已经量产的、导热率超高的、又很柔软的TGP 10000 ULM ,看起来并不符合所谓的导热不可能三角理论啊!

在更深入探究这个问题之前,我们有必要先聊一下热传导的原理:

在金属材料中,热量传导的载体是电子,这也是为什么导电体往往同时也是很好的导热体。

而在普通绝缘材料中,电子是不能自由移动的,那么此时承担热能传导的就是——声子(phonon)。声子是晶格振动的简正模能量量子,属于玻色子。

晶格振动的能量量子被称为声子由于声子在金属氧化物等晶体中传播比较容易,而在有机硅等高分子化合物中的传递损失较大,因此在制作导热垫片的时候人们会向高分子弹性体中添加Al2O3之类的金属氧化物导热填料。

当添加量比较少的时候每个填料颗粒彼此离散,不能形成有效的热量通路,此时导热率非常低。

只有当填料添加量突破临界值才能在两个界面之间搭起一个传导热量的走廊,此时从宏观看这块硅橡胶才能被称为导热垫片。

因此对于导热复合材料而言,实现更高导热系数的关键就是添加更多的导热填料,保证在导热垫片两面形成更密集的声子传播通路。

更高阶一点的要求,导热填料的取向应该得到有效控制,如果填料的取向相同,热量沿着取向方向传递,导热潜力将得到极大的挖掘!

所以说TGP 10000 ULM是加了更多的导热填料才实现了导热率300%的飙升吗?显然事情不会这么简单。

其实针对提高导热率这个课题大量的科研机构都进行过系统的研究,他们发现,导热填料的添加量和导热率并不是完全线性的关系。当Al2O3等导热填料的量达到了90wt%,导热率就会定格在4W左右,更多的填料就对导热率的增长没有贡献了。而且到了这个程度,密度和硬度也都“突破天际”,可以说此时导热垫片成功转型成了导热“砖头”。(高性能有机硅导热材料的制备与研究_王红玉)


Al2O3填料添加量对导热垫片硬度的影响(有机硅导热垫片性能的研究_王亚龙)

而如果追求极限继续添加导热填料,最后就会出现这种局面。。。所以这条路只能到此为止了。


不同添加量时填料的状态(不同无机填料对导热硅脂热导率的影响研究_康永)如果从填料量入手并不能解决问题,那么破除这个导热不可能三角似乎只有从改变填料体系入手了!

从产业现状来看,比较靠谱能做为导热填料的候选者其实也不多:


几种非金属导热填料

而导热率必须远远高于氧化铝,同时又有良好绝缘性的选手就只剩AlN氮化铝和BN氮化硼两位。

其实,AlN和BN已经诞生一百多年,自从上世纪80年代就一直做为明日之星备受期待。但是直到今天他们也没挑起导热的大旗,顶多就是充当一下氧化铝之类主流填料的配角。

究其原因,除了贵之外,主要就是这二位的分子结构都有各自的问题,想要加以利用就必须对他们进行微观级的表面处理。

AlN氮化铝的表面处理

氮化铝AlN的表面极为活泼,吸潮后非常容易水解产生Al(OH)3,造成声子通路中断严重影响热量传导。

AlN+3H2O=Al(OH)3↓+NH3↑

有研究表明AlN的水解反应即便在较低温度下也会发生,属于全天候水解的选手。

40nm氮化铝水解TEM微显图(AlN粉末的水解行为及抗水解性能研究_徐林炜)

但是做为电子级材料,肯定要经过双85高温高湿的考验才算合格,因此这个容易水解的问题不解决就没办法转化为生产力。

现在业界主流的思路是,对AlN填料表面进行处理形成一层纳米级的致密氧化层,这样就相当于给每一颗AlN颗粒都包裹上一层雨衣,理论上吸潮水解的问题就迎刃而解了。

从实践情况来看可以说有效果,只是效果有限。别说双85的1000小时测试了,往往到了第三四百小时高温高湿就让导热率出现断崖式下跌!(AlN粉末的水解行为及抗水解性能研究_徐林炜)

BN氮化硼的表面处理

要说BN真是个优等生!导热率高的直追金属,但是又具备非常好的绝缘性能,人送外号“白石墨烯”。如果大量添加进硅橡胶基材必然可以凭借一己之力将导热性能提高几个数量级。


几种导热填料的导热率及介电常数(高性能氮化硼导热复合材料的制备及其热管理应用_朱志佳)

但是问题在于BN表面缺少活泼官能团,化学性质太过稳定,这就造成BN纳米颗粒很难与高分子基材浸润相容,分散性很差,十分容易团聚。而这就会影响声子传导通路的有效建立。(氮化硼_聚合物导热复合材料的进展_石倩)

有研究表明当BN添加量超过180份之后粘度急剧升高,机械性能随之大幅下降。如果参考对于氧化铝的表面处理方案,就会发现BN改性处理缺乏绿色简单高效的手段。(氮化硼填充MVQ制备导热橡胶的研究_涂春潮/氮化硼_聚合物导热复合材料研究进展_沈衡)

12% 纳米BN/硅橡胶复合材料断面形貌图(高导热硅橡胶复合绝缘材料制备与综合性能的研究_朱艳慧)

人才都是人才,就是都用不好……所以总结起来就是:超高导热材料的前途是光明的,填料表面处理的道路是曲折的。

但是等等,再回头看一下TGP 10000 ULM——相对低的密度、大幅提高的导热率,维持了一直以来的低模量和硬度,实现了很低的界面热阻同时对元器件起到了有效的应力保护——事实告诉我们,他们真的已经攻克了这个行业难题!

TGP 10000 ULM 关键物性(henkel.com)

不过作为一个冷静的材料人,我们心里都清楚,材料性能有突破是好事,但是性能可否长期保持稳定才是难点所在。这就类似于我们国家可以造出高品质的单次运载火箭发动机,却尚未突破稳定多次使用的民用航空发动机。大概就是这个意思。

据赛宝实验室可靠性研究分析中心专家张莹洁的反馈,目前市场化程度较高的导热产品大都集中在氧化铝Al2O3填料体系,采用金属氮化物的导热垫片产品还很少。毕竟现阶段属于超高导热填料技术大爆发的初期,业内缺少可互相借鉴的经验。

因此为了避免不可预知的风险,建议使用者在选择此类“超高导热”材料前,尽可能进行完整的可靠性评估。

中国赛宝实验室 导热垫片性能评估方案(rac.ceprei.com)

导热垫片TGP 10000 ULM(henkel.com

那么我们再回看一下这款TGP 10000ULM垫片的可靠性数据如何呢——做满了包括1000小时双85等测试项目后各项参数依然没有掉!这就是传说中的百米冲刺的速度跑完马拉松吧。

有业内人士称,超高导热产品的技术和理论储备,其实包括汉高在内的欧美材料大厂在上世纪末就已经做好了。那为什么到现在才拿出来呢?

还不是被5G逼出来的……

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