氧化铝填料相关知识讲解

发布时间:2020-04-20 15:48:23 星期一
摘要:

在电子产品和设备的使用过程中,“热”的产生是不可避免的,特别是随着电子工业的发展,电子元器件和集成电路趋于集约 […]

在电子产品和设备的使用过程中,“热”的产生是不可避免的,特别是随着电子工业的发展,电子元器件和集成电路趋于集约化和小型化,但为了保证产品的使用寿命和质量可靠性,这些热量必须迅速有效地消散。

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目前,最常用的方法是在电子产品加热体与散热设施的接触面上涂上柔韧性好、压缩性能好、导热性好的导热硅胶,它不仅起到传热介质的作用,而且具有防潮、防尘、防腐、防震等性能。由于普通硅胶是一种不良的导热体,因此需要添加合适的导热填料来提高其导热性能。无机非金属导热绝缘粉末填料中,最常见的有:氮化铝、氧化铝、氧化锌、氧化铍、氧化硅、氮化硼等,但基本能满足填料在“导热界面材料、导热工程塑料、铝基铜复合板”等领域的应用,且价格低、来源广、填充量大,因此,氧化铝是一种经济实用的高导热绝缘聚合物填料。然而,导电硅胶并不能对所有的氧化铝填料进行同等和完全的处理。作为电子工业中的关键材料,导热硅胶对氧化铝填料也有自己的一套要求。

 

,对形貌的要求

氧化铝填料能起到导热作用的原因是,当加入足够的填料时,它们能在硅胶基体中相互接触,在复合材料中形成局部导热链或网络。因此,要提高导热材料的导热性,一方面需要填料在基体中形成热链或热网络,另一方面需要提高氧化铝填料本身的导热性。

在一定范围内,随着氧化铝含量的增加,封装胶的导热系数逐渐增大(来源:电子封装用添加剂硅橡胶的开发)
尽管片状氧化铝更容易形成导热链和导热网络,由于颗粒间接触碰撞大,体系粘度大,硅胶的柔韧性大大降低,因此不适合用于导热硅,因此高导热隔热材料中填充氧化铝的形貌主要为球形(准球形)。当氧化铝颗粒的球度越高,表面能越小,表面流动性越好,体系的粘度越低。因此,氧化铝的球度越高,硅胶的柔韧性就越高。

为了提高氧化铝的热导率,必须从结晶度和晶体密度入手。由于α相氧化铝是六方结构,是氧化铝变体中最致密的结构,氧化铝填料必须具有较高的α相含量。制备球形氧化铝通常有熔融法和高温煅烧法两种工艺。虽然熔融法得到的氧化铝颗粒球形度足够高,但由于熔融过程中晶体中存在气孔、空位等晶体缺陷,会降低颗粒密度,降低热导率。后者是长期的晶体生长,晶体发育完全,化学纯度高,颗粒的真比重很高,因此其导热系数高于熔融法制备的球形氧化铝。

 

,表面改性

如果没有球形氧化铝,也可以选择表面改性的普通氧化铝填料。由于普通氧化铝表面极性强,难以在聚合物中均匀分散;另外,需要较高的填充量才能获得较好的导热性,这将导致硅橡胶粘度的增加,同时也大大降低硅橡胶的力学性能,从而限制了其应用范围。因此,如何提高氧化铝的表面性能及其在硅橡胶中的填充量成为关键。

目前,传统的硅烷偶联剂是氧化铝的主要表面改性剂。然而,根据大量的研究结果,当采用短链硅烷偶联剂作为表面改性剂时,其导热性能的改善是有限的。因此,为了克服短链硅烷偶联剂作为表面改性剂的缺陷,程贤涛等人采用十六烷基三甲氧基硅烷对氧化铝进行表面改性。修改前后对比如下图所示。

经硅烷偶联剂改性后,氧化铝粉体分散均匀,颗粒无明显团聚,粉体棱角减少;而未改性的氧化铝颗粒更为团聚,粉体形貌粗糙。分析认为,改性氧化铝分散性的改善可能是由于在氧化铝表面涂覆一层硅烷偶联剂后,表面极性降低;改性氧化铝表面形貌的改变可能是由于改性过程中机械力的影响,导致氧化铝表面棱角减少,变得光滑。总之,经过表面改性,可以降低氧化铝表面的极性,改善其与硅橡胶的相容性。