氧化鋁填料相關知識講解

發布時間:2020-04-20 15:48:23 星期一
摘要:

在電子產品和設備的使用過程中,“熱”的產生是不可避免的,特別是隨著電子工業的發展,電子元器件和集成電路趨于集約 […]

在電子產品和設備的使用過程中,“熱”的產生是不可避免的,特別是隨著電子工業的發展,電子元器件和集成電路趨于集約化和小型化,但為了保證產品的使用壽命和質量可靠性,這些熱量必須迅速有效地消散。

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目前,最常用的方法是在電子產品加熱體與散熱設施的接觸面上涂上柔韌性好、壓縮性能好、導熱性好的導熱硅膠,它不僅起到傳熱介質的作用,而且具有防潮、防塵、防腐、防震等性能。由于普通硅膠是一種不良的導熱體,因此需要添加合適的導熱填料來提高其導熱性能。無機非金屬導熱絕緣粉末填料中,最常見的有:氮化鋁、氧化鋁、氧化鋅、氧化鈹、氧化硅、氮化硼等,但基本能滿足填料在“導熱界面材料、導熱工程塑料、鋁基銅復合板”等領域的應用,且價格低、來源廣、填充量大,因此,氧化鋁是一種經濟實用的高導熱絕緣聚合物填料。然而,導電硅膠并不能對所有的氧化鋁填料進行同等和完全的處理。作為電子工業中的關鍵材料,導熱硅膠對氧化鋁填料也有自己的一套要求。

 

,對形貌的要求

氧化鋁填料能起到導熱作用的原因是,當加入足夠的填料時,它們能在硅膠基體中相互接觸,在復合材料中形成局部導熱鏈或網絡。因此,要提高導熱材料的導熱性,一方面需要填料在基體中形成熱鏈或熱網絡,另一方面需要提高氧化鋁填料本身的導熱性。

在一定范圍內,隨著氧化鋁含量的增加,封裝膠的導熱系數逐漸增大(來源:電子封裝用添加劑硅橡膠的開發)
盡管片狀氧化鋁更容易形成導熱鏈和導熱網絡,由于顆粒間接觸碰撞大,體系粘度大,硅膠的柔韌性大大降低,因此不適合用于導熱硅,因此高導熱隔熱材料中填充氧化鋁的形貌主要為球形(準球形)。當氧化鋁顆粒的球度越高,表面能越小,表面流動性越好,體系的粘度越低。因此,氧化鋁的球度越高,硅膠的柔韌性就越高。

為了提高氧化鋁的熱導率,必須從結晶度和晶體密度入手。由于α相氧化鋁是六方結構,是氧化鋁變體中最致密的結構,氧化鋁填料必須具有較高的α相含量。制備球形氧化鋁通常有熔融法和高溫煅燒法兩種工藝。雖然熔融法得到的氧化鋁顆粒球形度足夠高,但由于熔融過程中晶體中存在氣孔、空位等晶體缺陷,會降低顆粒密度,降低熱導率。后者是長期的晶體生長,晶體發育完全,化學純度高,顆粒的真比重很高,因此其導熱系數高于熔融法制備的球形氧化鋁。

 

,表面改性

如果沒有球形氧化鋁,也可以選擇表面改性的普通氧化鋁填料。由于普通氧化鋁表面極性強,難以在聚合物中均勻分散;另外,需要較高的填充量才能獲得較好的導熱性,這將導致硅橡膠粘度的增加,同時也大大降低硅橡膠的力學性能,從而限制了其應用范圍。因此,如何提高氧化鋁的表面性能及其在硅橡膠中的填充量成為關鍵。

目前,傳統的硅烷偶聯劑是氧化鋁的主要表面改性劑。然而,根據大量的研究結果,當采用短鏈硅烷偶聯劑作為表面改性劑時,其導熱性能的改善是有限的。因此,為了克服短鏈硅烷偶聯劑作為表面改性劑的缺陷,程賢濤等人采用十六烷基三甲氧基硅烷對氧化鋁進行表面改性。修改前后對比如下圖所示。

經硅烷偶聯劑改性后,氧化鋁粉體分散均勻,顆粒無明顯團聚,粉體棱角減少;而未改性的氧化鋁顆粒更為團聚,粉體形貌粗糙。分析認為,改性氧化鋁分散性的改善可能是由于在氧化鋁表面涂覆一層硅烷偶聯劑后,表面極性降低;改性氧化鋁表面形貌的改變可能是由于改性過程中機械力的影響,導致氧化鋁表面棱角減少,變得光滑??傊?,經過表面改性,可以降低氧化鋁表面的極性,改善其與硅橡膠的相容性。