电子产品热管理用新型导热填料

作者：Dirk Kruber博士    来源：kunststoffe International杂志

欢迎访问e展厅 展厅 16 绝缘材料展厅 贴片胶, 灌封胶, 绝缘漆, 绝缘胶, 凡立水, ... 随着电子产品越来越走向精细化，占地面积越来越小的电子组件设计日益复杂，散热也变得越来越重要。新开发的导热型填料，如硅酸铝，有助于用于电子产品的塑料满足要求。 用各种金属和金属制冷部件进行散热是人们所熟悉的方式。电子行业常用铝散热片和金属外壳进行被动和主动冷却。在这两种情况下，不可避免地会产生制造成本高企不下。所需的几何形状越复杂，制造冷却部件的难度越大。直接大规模生产复杂的零部件，如采用热塑性塑料和热固性塑料加工用的注塑成型方式，又不适用于金属。另外，所有金属都有非常好的导电性，如果某些应用不欢迎这种导电性，就必须采取绝缘措施。而这又可能对导热性产生不利影响。 物质的导热性能通常用通过材料内部的热流量来描述。材料的导热系数λ对导热性的影响非常大。从表1 可以看出，金属、具有极高导热性能的材料以及现有热塑性及热固性塑料之间的导热性能的差异非常大（导热性差异）。 观察热传导过程中对流和辐射的存在机理，如，在空气中进行自由对流热传导，根据温度的不同，导热率处于1.3~5 W/mK 这个范围。 辐射反映着物体表面以及相关部件设计的导热能力，对散热也起着至关重要的影响。为了使塑料能够弥补与所需达到的导热性的差异，必须大幅提高其内在的导热性能。选择的途径既可以是本身即（在某种程度上）具有导电性的塑料，或在塑料中添加助剂或填料。 自身导电的塑料是那种在产量和成本方面具有金属无法取代的优势的特殊产品。 首先预设添加的助剂或填料可使材料自身带有很高的导热性能，这样，就可以极大丰富塑料的性能。除了需要具有内在导热性外，如果可能，要求聚合物基质分散理想，且其填料粒子在渗滤过程中呈理想的趋同状态。这种要求可通过提高填料含量来达到，但是这会产生诸多劣势。如： ● 可加工性，即流动性能下降。 ● 根据所用助剂/填料硬度的不同，可增加机械部件的耐擦损性能。 ● 填料含量高，会造成机械性能的严重下降，并且，由于填料材料的特定性质，如各向异性，会由于粒子在注塑成型过程中的取向而产生不成正比的显著影响。 助剂/填料价格和供应问题也不可低估，因为它们对成本的影响也很明显。 助剂/填料可进一步分为两类： ● 可使部件具有导电性的助剂/填料 ● 能够保持塑料绝缘性能的助剂/填料 本文不再对导电性助剂/填料展开进一步讨论，因为市场对它们已有足够的了解。 导热性能的衡量 位于德国弗雷兴的Quarzwerke 公司分公司HPF The Mineral Engineers开发出了一组Silatherm新型导热性硅酸铝填料（见表2）。高填料含量的Silatherm为市场上的各种应用提供了完美的材料加工性能、耐磨性、机械性能以及性价比的结合。Silatherm有不同粒径和表面改性（硅烷化）形式可供。在需要填料含量高的场合，得到优化的聚合物/填料界面尤为重要。 Silatherm 系列填料的性能在与聚酰胺6和环氧树脂的测试中得到了展示。所有导热指标的衡量均按照ASTM E-1461, DIN 30905和DIN EN 821，用来自德国塞尔布Netzsch-Gerätebau公司的 Netzsch LFA 447 NanoFlash进行测量。试样充分考虑了流动/注塑方向，用机械方式从2mm厚的板上取下。机械性能测试按照DIN EN ISO 527, 179和180标准进行，粘度是用来自德国Scherte的Fisher Scientific公司制造的带主轴结构传感器的Haake Rheostress 6000流变仪，在60°C条件下测得。 针对聚酰胺6及其他材料的试验 高度填充的聚酰胺6复合材料加工完成后，制成DIN试样（2mm哑铃型薄板）。填料含量为65%至75%，每一级相差5%。随着填料含量的增加，复合材料表现出更强的可加工性。不过，通过调整复合物状态发现，所有不同填料比例的材料均能顺利加工，注塑过程中的表现也不存在问题。 为了展示Silatherm产品的机械性能，试验针对含有氮化硼、氧化铝和氧化镁等其它填料的材料与本案例中填料含量65%的试样进行了机械性能对比。填料含量65%的试样用于评估对比产品的可加工性。 在现有加工条件下，氮化硼填料含量的上限是55%。与填充其它材料的试样相比，填充Silatherm的试样展现出优异的机械性能。通过使用试验牌号［Silatherm 1360（试验）AST］填料，试样可达到最佳机械特性，目前该材料尚处于研发过程中。即使在高填充量条件下，Silatherm产品组仍然具有低擦损、高可加工性等特点，并可提供定制饰面。 由于导热性随填充量增多而升高，在Silatherm产品组和氮化硼、氧化铝和氧化镁填料对比试验中，采用了75%的填料含量。与对比产品不同，Silatherm可确保复合材料能够维持稳定的机械性能及良好的可加工性（图2）。 测量数值显示，使用Silatherm产品的试样达到了横向1.3W/mK，注塑方向2.3W/mK的导热系数，即填料展现出低各向异性。与此类似，使用试验牌号产品［Silatherm 1360（试验）AST］的试样获得了良好的导热系数和优异的机械性能。 环氧树脂 相对于热塑性塑料，高填充量对浇铸/填充树脂系统有更大影响。对于聚酰胺体系，如果填料含量在65%和75%之间，加工相对容易，且能达到较好的导热性能。相比之下，除非调整颗粒大小和表面条件，环氧树脂体系则会很快便不能加工。图3为专为不同颗粒大小和饰面条件的环氧树脂开发的产品。图片清晰显示了导热性能会随着填料含量的增加而升高。 Silatherm 1360-008和Silatherm 1360-007在颗粒大小上有所差异。“EST”符号代表行业常用的环氧硅烷基饰面。“SST”表示在高填料含量下，可降低粘度的新型饰面（图4）。 针对浇铸/填充复合产品，填料含量为70%时，实际上已变成耐切割的浇铸/填充树脂，在普通的重量、真空、压力等浇铸模/填充条件下无法加工。颗粒大小的改变能提升树脂材料的可加工性和导热性。只要颗粒大小和涂布合适，在粘性状态下，可达到适用于所有加工方法的填料含量。 结论 针对热塑性塑料（标题主图）和环氧树脂（图5）的试验结果显示，使用Silatherm带来了诸多优势，包括高导热性能、不影响电气绝缘、高填料含量下的优异机械强度、低各向异性、极佳的性价比。

文章内容仅供参考 (投稿) (1/8/2015)