热界面材料文献综述(2)

2019-03-09 11:53

60W/mK,通过在环氧树脂中加入质量分数为50%的Al2O3,热导率提高至0.4W/mK。通过添加30wt%的BN界面热阻可以降低至1.6K/W。通过添加30vol%Ni热导率可达2.0W/mK。通过添加74vol%AlN,热导率做到了8.2W/mK。从碳纳米管作为填料的热界面材料的研究进展中可以看到碳纳米管填料导热胶目前能够达到的最高热导率或最低热阻依然低于银填料导热胶,但由于相对成本低,因此近年来受到人们的广泛青睐。应当说明的是由于不同文献采用热导率测试方法以及样品准备状态的不同,结果并不能完全直接比较,这也是目前行业内存在的问题。

除环氧树脂外常用的导热胶基体材料还有聚酰亚胺、有机硅等,其性能可参考相关文献。常用填料填充导热胶的热导率如表-3所示。

表-3 常用导热胶热导率 材料 未填充环氧树脂 典型的银填充环氧树脂 金填充环氧树脂 银-钯填充环氧树脂 BN填充环氧树脂 金刚石填充环氧树脂 银填充聚酰亚胺 未填充有机硅胶 BN填充有机硅胶 银玻璃

电阻率(ohm-cm) 1014-1015 1*10-4 8*10-4 4*10-3 1014-1015 1014-1015 1*10-4 2.9*1013 ---- 热导率(W/mK) 0.1-0.2 2.4-8 2-3 1.3-2.0 2-3 10-12 2 0.19 ~1.0 在导热胶中,需要特别说明的一种是银玻璃(silver glass)。严格来讲银玻璃不属于有机胶范围,它是由80-85wt%的片状银粉和硼酸铅玻璃混合有机载体制备而成的。烧结过程中随着温度升高,60℃左右稀释剂开始挥发,300℃左右有机载体分解,340℃硼酸铅玻璃软化,410-430℃固化完成。银玻璃具有高的粘合强度和热导率(80-90W/mK),但是银玻璃仅限于陶瓷衬底的粘结。近年来对电子无铅化的要求,无铅低熔点硼酸玻璃也是目前人们研究的主要课题。

2.2 导热油脂(Thermal Grease)

导热油脂是一种传统的散热材料,制备工艺相对简单。常用的基体材料为聚二甲基硅氧烷,也有文献(Haiping Hong, Dustin Thomas, Andy Waynick et al., “Carbon nanotube grease with enhanced thermal and electrical conductivity”, J. nanopart Res(2010) 12:529-535)使用聚?烯烃,此外常用的还有多元醇酯。导热填

料主要为AlN或者ZnO,也看选用BN、Al2O3、SiC或者银、石墨、铝粉以及金刚石粉末。导热油脂一般在10-400Pa压力下使用,。Pump Out和Dry Out是导热油脂的主要问题,所谓Pump Out是指在热膨胀和收缩作用下致使处在界面的导热油脂被挤出的现象,由于界面油脂的减少增大了界面热阻。Dry Out发生的主要原因是导热填料和油脂相分离造成。影响Pump Out的主要因素是导热油脂的粘度,粘度过低容易出现Pump Out,过高又会增加界面厚度,因此合理的调控导热油脂的流变学特性是获得优质产品的重要保证。导热油脂使用时不需要固化,且保持液态状态,因此比一般导热胶要具有更低的接触热阻,但由于导热油脂的泵出现象容易弄脏环境,因此操作友好性相对较差。目前市售的导热油脂热导率通常介于2-6W/mK。

2.3 相状变导热材料(Phase Change Materials,PCMs)

相变导热材料可以是有机材料也可以是金属合金。相变导热材料融合了导热胶和导热油脂的双重有点,在达到相变温度前,其特性与导热胶类似具有一定的粘性,因此不会在扣压时发生Pump out问题。当电子器件工作时温度不断升高至熔点时,PCMs发生相变成为液态,具有和导热油脂一样的填充空隙的能力,热阻因而大幅度降低。这也是目前相变材料取代导热油脂的重要原因,目前相变导热材料主要用于CPU散热材料。 有机相变导热材料

相变导热胶主要以热塑性聚合物为基体,如聚烯烃、低分子量的聚乙烯和丙烯酸树脂,添加低熔点的固体石蜡,并添加高导热填料制备而成的。其中石蜡是主要的发生相变的材料,相变的温度一般控制在45-60℃。现行的有机相变材料热导率普遍在1-3W/mK。 低熔点金属合金

低熔点金属合金主要为锡、铋、铟、铅以及镉,铟金属具有156℃的熔点,制备合适的In金属合金可以很容易达到40-200℃的熔点。低熔点金属合金一般制备为片状。低熔点金属合金的制备一般遵循一下原则:1)不含环境有害物质如铅,2)首选共晶合金,3)合金熔点低于器件最高工作温度。低熔点金属合金的界面热阻可达到0.052Kcm2/W,这要比导热油脂和有机相变材料低一个数量级。

2.4 弹性导热垫(Thermal Elastomeric Pads)

弹性导热垫主要应用于标准TO型晶体管热管理组装技术,一般主要由聚硅氧烷橡胶化合物添加各种填料构成,且以玻璃纤维布作载体形成易操作的固体形态。国内西北工业大学周文英主要从事这方面工作。

2.5 导热凝胶(Gels)

导热凝胶主要用于高性能、大功率器件。以上介绍典型的导热胶、导热硅脂以及相变导热材料和导热垫,不能完全满足这些要求,如导热胶和导热垫弹性模量过高容易损伤器件,导热硅脂需要外力夹持,此外导热硅脂的Pump out和Dry out也限制了其应用。典型的导热凝胶由端乙烯硅脂和固化剂氢化硅烷以及高导热填料组成,导热凝胶具有导热胶和导热硅脂的综合性能。固化前可以像导热油脂一样充分填充界面,固化后又具有像导热胶一样的粘合强度。

2.6 导热带(Tapes)

导热带的开发主要是为了做Heat Sink贴合材料。主要目的是为了取消外力夹合装置,降低设备成本。导热带主要是将添加导热粉体的压敏胶涂在支撑材料上(如玻璃布、聚亚酰胺薄膜或铝箔)上所构成的。导热胶带属于压敏胶的一种,使用方便。一般来讲,导热带主要应用其粘胶性能其次才是散热性能,且只能应用于表面平整的界面上。

3. 结语

热界面材料是电子散热工程中重要的材料,国内对热界面材料的需求非常大,但由于国内发展起步比较晚,相关的基础研究也比较缺乏,因此性能上和国外有很多差距。目前国内的封装厂使用的材料主要仍以国外进口为主。


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