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导热灌封胶如何提高导热性能

2017-07-21 16:50:26 次浏览

在生产制作电子元器件时,电子灌封是电子元器件收尾环节最重要的一步,很多电子元器件为了提高其散热性能和安全系数都会在电子元器件内灌注一层电子灌封胶,可以说电子灌封胶已经成为电子工业制作过程中不可或缺的重要绝缘材料。

目前市场上有机硅电子灌封胶品质有高有低,很多人为了节省成本经常会采购价格较低的灌封胶,这是对产品不负责的表现,因为廉价胶里面的硅油大多数是通过回收料里面提取出来的,虽然这样做能节约成本,不过以这种方式提取出来的硅油活性较低,做出来的灌封胶一般性能较低、品质稳定,灌封在元器件内不会对电子元器件件有太大的好处。

导热灌封胶

电子灌封胶可以改善电子元器件的抗震能力以及防水性能,大大提高电子元器件的可靠性,一些电子产品频频发生故障,就是因为没有在电子产品件内灌注电子灌封胶,因为没有了电子灌封胶这层导热材料,所以电子产品工作时所产生的热量都会聚集在内部,无法高效的散发出去,而且电子灌封胶不仅只有导热的作用,还具备一定的阻燃能力,一旦温度过高电子元器件燃烧时,电子灌封胶能第一时间起到阻燃的作用,阻止火势的蔓延,提高电子元器件的安全系数,并且没有使用电子灌封胶的电子产品也会很容易遭受到自然环境的侵蚀,使线路快速老化,减短电子产品的使用寿命,所以在电子灌封胶对电子元器件的作用是巨大的。

常用的电子灌封胶材料有两种,第一种是环氧树脂,第二种是有机硅,两者固化后均有优异的电气绝缘性能,有些场合可以互换使用,但两类灌封材料又各有优缺点。 环氧树脂:在常温下有优秀的电气绝缘性能,耐温范围较低,只能在-30℃~120℃正常工作,有较好的导热性和散热性能,但耐户外紫外线性能较差、抗老化性能较差、硬度高、抗冷热交变性能差、防潮性能一般情况下较为优异,不过在冷热变化的过程中容易出现细小的裂缝导致防潮性能变成差。 有机硅:在常温下有优秀的电气绝缘性能,耐温性高,能在-60℃~200℃正常工作,具有优秀的防潮性能、抗冷热交变性能、耐户外紫外线能力以及抗老化能力,固化后多为软性有拥有优异的导热性和散热性能。

导热灌封胶导热系数

随着工业生产的发展,许多领域对导热材料提出了新的要求。能够为电子元器件提供安全可靠的散热途径,又能起到绝缘和减振作用,导热灌封胶正好满足了这一要求。但是普通硅橡胶的导热性能较差,导热系数通常只有0.2W/m·K 左右。而导热灌封胶又必须具备导热的性能,所以一般为了提高其导热性能一般会采用加入导热填料的方法。导热填料的种类有金属粉末、金属氧化物、金属氮化物及非金属材料。常用的导热填料有金属粉末(如Al、Ag、Cu 等)、金属氧化物(如Al2O3、MgO、BeO 等)、金属氮化物(如SiN、AlN、BN 等)及非金属材料(如SiC、石墨、炭黑等)。

(1)导热填料对灌封胶导热性能影响

一般导热材料使用最多的导热填料是Al2O3;而高导热性能的多采用金属氮化物,如:SiN、AlN较为常用。导热材料的热导率不仅与导热填料本身有关,而且与导热填料的粒径分布、形态、界面接触、分子内部的结合程度等密切相关。一般而言,纤维状或箔片状的导热填料的导热效果更好。

  对导热填料进行表面处理也可以提高填料的导热性能,利用其与基胶的相容性,增加填充量,就可以实现灌封胶导热性能大幅度提高。如:采用经硅烷偶联剂KH-550、A-151、六甲基二硅氮烷、二甲基二甲氧基硅烷表面处理的刚玉粉填充RTV 导热硅橡胶,材料的热导率就可从1.16w/(m.K)提高2.10w/(m·K),导热性能提高近一倍。

(2)将导热填料进行超细化和纤维化处理

  如果无机填料的尺寸缩小到纳米级,物质本身的导热性会随这粒子内部原子间距和结构的变化而发生质的变化。例如:氮化铝(AlN) 的常规热导率约为36 W/(m·K),但是如果把氮化铝(AlN)的粒子体积缩减到纳米级的话,其导热性能可提高到320W/(m·K)。

经大量实验证明,当粒径为5~20μm 的氮化硅(SiN)的用量为150~250 份(基体为100 份)时,RTV 硅橡胶的热导率为0.9W/(m·K),且物理性能及加工性能良好。相同种类及用量的球形、片状、纤维填料对硅橡胶导热率的影响不同,其中晶须对提高硅橡胶的热导率最有效;球形最差。

美国化学专家J.Ma 等人发现将各种尺寸的碳纤维加到传统的A12O3中热导率提高大约6倍。根据Y.Agari 等人提出的模型,当填料聚集成的传导块与聚合物传导块在热流方向平行时,热导率最高。因此,制造高取向的填料可大大提高硅橡胶的热导率。美国AMOCO 公司生产的碳纤维K1100,其轴向热导率高达1100W/(m·K),加上其负的热膨胀系数、高模量、低密度,使其特别适合于制成高导热及尺寸稳定或热膨胀系数匹配的复合材料。

(3)将不同粒径分布的导热填料并用

 当一种粒径均一的粒子以某种形式堆积,再在其中的空隙中加入另一种粒径的颗粒时,可使填料颗粒之间紧密堆砌,形成导热通路。通过特殊的工艺使导热填料间形成隔离分布态时,即使用量很小也会赋予复合材料较高的导热性。谢择民等人采用不同粒径的αA12O3和SiC 填充硅橡胶,当填料的总用量为55 份时,硅橡胶具有较低的粘度,且硅橡胶硫化后胶料的热导率可达1.48W/(m·K)。所以我们可以发现填料的热导率与其颗粒的尺寸比密切相关。

(4)改善加工工艺

  决定导热灌封胶导热性能的另一个主要因素是其生产加工所采用的工艺。液体灌封胶在生产过程中的温度控制、压力、填料及各种助剂的加料顺序也会对其导热性能是起决定性作用的。例如:抽真空压力达不到要求会导致原料内部过多气泡产生,直接影响灌封胶的使用及导热性能。导热填料过多不但不能是导热系数提高,还直接影响灌封胶的粘连性及流淌性。

所以复合材料成型过程中的温度、压力、填料及各种助剂的加料顺序也会对材料的导热性能产生明显的影响,如热硫化硅橡胶的热导率大多数高于RTV 硅橡胶。这一方面是由于RTV 硅橡要求具有较好的工艺操作性能,所以胶料的粘度不能太大,因此不能加入太多胶的导热填料

另一方面是因为RTV 硅橡胶的致密性比热硫化硅橡胶差,也影响了其导热性能。因此,通过对填料的种类、加入量及填料与其它助剂比例的优化可获得导热性高且综合性能优越的硅橡胶。


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