材料高热导率绝缘材料整理.docx
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材料高热导率绝缘材料整理
高热导率绝缘材料
整理
一常见材料的热导率
钻石的热导率在已知矿物中最高的。
各类物质的热导率〔W/（m·K）〕的大致范围是：
金属为50～415，合金为12～120，绝热材料为0.03～0.17，液体为0.17～0.7，气体为0.007～0.17,碳纳米管高达1000以上。
①
一些常用材料的热导率详见“附录一”。
二影响材料热导率的因素
热导率λ与材料本身的关系如下表：
①④
序号
考虑因素
影响大小
描述
1
压力
关系不大
--
2
温度
关系很大
①纯金属和大多数液体的热导率随温度的升高而降低，但水例外；
②非金属和气体的热导率随温度的升高而增大。
3
含湿量/结构/孔隙度
（对于固体）
有关系
①一般含湿量大的物料热导率大。
如干砖的热导率约为0.27W/（m·K）而湿砖热导率为0.87W/（m·K）。
4
密度
有关系
①物质的密度大，其热导率通常也较大。
5
杂质含量
有关系
①金属含杂质时热导率降低，合金的热导率比纯金属低。
6
化学成分
有关系
①化学成分越复杂，杂质含量越多，尤其是形成固溶体时，热导率下降越明显,例如：
镁铝尖晶石的热导率比Al2O3和MgO的都小。
7
气孔率
有关系
①气孔能显著降低材料的热导率，因为气体的热导率比固体的要小得多。
三高热导率材料的制备与性能
3.1高导热基板材料
高散热系数之基板材料是LED封装的重要部分，氧化铝基板为大功率LED的发展做出了很大的贡献。
但随着LED功率更大化的发展，氧化铝材料已经不能够满足。
如何得到更优良的散热基板，一直是LED行业追求的方向。
⑨
被寄希望取代氧化铝的材料包含了两类：
第一类为单一材质基板，如硅基板、碳化硅基板、阳极化铝基板或氮化铝基板。
其中硅及碳化硅基板之材料半导体特性，使其现阶段遇到较严苛的考验。
而阳极化铝基板则因其阳极化氧化层强度不足而容易因碎裂导致导通，使其在实际应用上受限。
因而，现阶段较成熟且普通接受度较高的即为以氮化铝作为散热基板。
然而，目前受限于氮化铝基板不适用传统厚膜制程（材料在银胶印刷后须经850℃大气热处理，使其出现材料信赖性问题），因此，氮化铝基板线路需以薄膜制程备制。
以薄膜制程备制之氮化铝基板大幅加速了热量从LED晶粒经由基板材料至系统电路板的效能，因此大幅降低热量由LED晶粒经由金属线至系统电路板的负担，进而达到高热散的效果。
⑨
第二类为陶瓷基复合材料基板（覆铜板等）
3.2高导热塑料材料
对填充型导热绝缘高分子，热导率取决于高分子和导热填料的协同作用。
分散于树脂中的导热填料，当填料量提高到某一临界值时，填料间形成接触和相互作用，体系内形成了类似网状或链状结构形态。
当导热网链的取向与热流方向一致时，材料导热性能提高很快；体系中在热流方向上未形成导热网链时，会造成热流方向上热阻很大，导致材料导热性能很差。
因此，在体系内最大程度上形成热流方向上的网链是核心所在。
⑤
部分无机填料的热导率见下表：
⑤
材料名称
热导率【W/（m.K）】
材料名称
热导率【W/（m.K）】
氮化铝
150
碳化硅
25~100
硼氮立方体
1300
三氧化二铝
25~40
硼氮六方体
40~120
氧化镁
25~50
3.2.1高热导率无机物填充聚乙烯复合塑料
HatsuoI研究了BN/PB（聚丁二烯）热导率及力学性能，研究发现BN的高导热性和A阶PB树脂低粘度使BN易于被润湿和混合，可实现较大量填充。
BN质量分数为88%时，体系热导率32.5W/（m.K）。
SEM表明体系内不形成了导热网络通路，BN与PB相界面间结合良好，界面热阻小。
此外，在水中浸泡24H材料吸水率小于0.1%，随着BN减少，吸水率降低。
（5）
另外，美国先进陶瓷公司和EPIC公司开发出热导率20~35W/（m.K）的BN/PB复合工程塑料，可用普通工艺如模压成型实现，主要用于电子封装、集成电路板、电子控制元件等产品。
（5）
3.2.2高热导率无机物填充酚醛树脂复合塑料
HatsuoI以AlN填充酚醛制得了可用于导热性电子封装材料，AlN最大填充量78.5%（体积比）时，热导率达到了32.5W/（m.K）。
（5）
3.3高导热高弹性硅胶材料
目前在有机硅领域所使用的导热材料多数为氧化铝、氧化硅、氧化锌、氮化铝、氮化硼、碳化硅等。
尤其是以微米氧化铝、硅微粉为主体，纳米氧化铝，氮化物做为高导热领域的填充粉体；而氧化锌大多做为导热膏（导热硅脂）填料用。
（8）
常用填充材料的热导率见下表：
（8）
材料名称
热导率【W/（m.K）】
备注
氧化铍（有毒）
270
氮化铝
80~320
氮化硼
125
有文章写60W/（m.K）
碳化硅
83.6
有文章写170~220W/（m.K）
氧化镁
36
氧化铝
30
氧化锌
26
二氧化硅（结晶型）
20以上
针对以上材料在产品应用上的优缺点分析如下：
材料
优势
缺点
氮化铝
热导率非常高
①价格昂贵，通常每公斤在千元以上；
②氮化铝吸潮后会与水反应会水解AlN+3H20=Al（OH）3+NH3，
水解产生的Al（OH）3会使导热通路产生中断，进而影响声子的传递，因此做成制品后热导率偏低。
即使用硅烷偶联剂进行表面处理，也不能保证100%填料表面被包覆；
③体系粘度极具上升，严重限制了产品的应用领域。
氮化硼
热导率非常高，性质稳定
①价格很高，市场价从几百元到上千元（品质不同差别较大）；
②大量填充后体系粘度极具上升，严重限制了产品的应用领域。
听说有国外厂商有生产球形BN，产品粒径大，比表面积小，填充率高，不易增粘，价格极高。
碳化硅
热导率较高
①合成过程中产生的碳及石墨难以去除，导致产品纯度较低，电导率高，不适合电子用胶；
②密度大，在有机硅类胶中易沉淀分层，影响产品应用。
环氧胶中较为适用。
氧化镁
价格便宜
①在空气中易吸潮，增粘性较强，不能大量填充；
②耐酸性差，一般情况下很容易被酸腐蚀，限制了其在酸性环境下的应用。
α-氧化铝
（针状）
价格便宜
①添加量低，在液体硅胶中，普通针状氧化铝的最大添加量一般为300份左右，所得产品热导率有限。
α-氧化铝
（球形）
填充量大，在液体硅胶中，球形氧化铝最大可添加到600~800份，所得制品热导率高
①价格较贵，但低于氮化硼和氮化铝。
氧化锌
粒径及均匀性很好，适合生产导热硅脂
①导热性偏低，不适合生产高导热产品；
②质轻，增粘性较强，不适合灌封。
石英粉
（结晶型）
密度大，适合灌封；价格低，适合大量填充，降低成本。
①导热性偏低，不适合生产高导热产品；
②密度较高，可能产生分层。
综上，不同填料有各自特点，选择填料时应充分利用各填料的优点，采用几种填料进行混合使用，发挥协同作用，既能达到较高的热导率，又能有效的降低成本，同时保障填料与有机硅基体的混溶性。
⑧
汪倩等研究了AlN/Al2O3/SiC/MgO混合填料填充室温硫化硅橡胶的导热性能。
所得硅橡胶的热导率为1.3~2.5W/（m.K）。
⑤
SEBS的甲苯溶液与BN或Al2O3混合后，经干燥可制得高导热性和电绝缘性能的弹性体材料，SEBS/BN/甲苯质量比为2:
7.5:
7时，材料热导率达6.4W/（m.K）。
⑤
3.4高导热粘合剂材料
章文捷等研究了AlN/Al2O3混合填充的有机硅灌封材料，热导率达到了0.89W/（m.K）。
张晓辉等分别用SiC、AlN、Al2O3填充环氧胶黏剂，发现填料分数存在一临界点，该临界点归因于材料内部有效导热网络的建立。
由于SiC价格低，热导率高，填充份数为53.9%时，热导率为4.234W/（m.K），力学性能较好。
王铁如以氧化铝和氮化硼填充环氧改性胶黏剂，制得热导率1.14W/（m.K），体积电阻率1012次方Ω.m,表面电阻率10的14次Ω.m的L-1型胶黏剂。
经湿热试验后电气强度大于25MV/m，粘结强度大于5MPa，长期工作温度200~250℃。
石红采用AlN填充改性环氧，制得热导率1.2W/（m.K）的粘结剂，其击穿强度9.8MV/m，体积电阻率1.04*10的12次方Ω.m。
⑤
四高热导率材料的一些发展思路
4.1开发新型导热材料
如利用纳米颗粒填充，热导率可增加不少，尤其是某些共价键型材料变为金属键型材料，导热性能急剧上升。
②
4.2填充粒子表面改性处理
树脂和导热填料界面对塑料导热性能有重要影响，所以导热填料表面的润湿程度影响着导热填料在基体中的分散情况，集体与填料粒子的粘结程度及两者界面的热障。
②
4.3成型工艺条件选择及优化
导热填料与塑料的复合方式及成型过程中温度、压力、填料及各种助剂的加料顺序等对导热性能有明显影响。
多种粒径导热填料混合填充时，填料的搭配对提高导热性能和降低粘度有明显。
导热填料不同粒径分布变化时，体系导热性能和粘度发生规律性变化，当粒径分布适合时，可得到最高热导率和最低粘度的混合体系。
②
五热传递解决思路的几个考虑因素
5.1热阻值的考虑
傅力叶方程式：
Q=λA△T/d
R=A△T/Q
（Q:
热量，W；λ:
热导率，W/mk；A：
接触面积；d:
热量传递距离；△T：
温度差；R:
热阻值）
将上面两个公式合并，可以得到：
λ=d/R。
因为λ值是不变的，可以看得出热阻R值，同材料厚度d是成正比的。
也就说材料越厚，热阻越大。
⑥
但如果仔细看一些导热材料的资料，会发现很多导热材料的热阻值R，同厚度d并不是完全成正比关系。
这是因为导热材料大都不是单一成分组成，相应会有非线性变化。
厚度增加，热阻值一定会增大，但不一定是完全成正比的线性关系，可能是更陡的曲线关系。
⑥
所以，对于导热材料，选用合适的热导率外，材料厚度是对性能有很大关系的。
选择热导率很高的材料，但是厚度很大，也是性能不够好的。
⑥
5.2接触热阻的考虑
接触热阻是因为相互接触物体接触面的粗糙度,平面度,以及接触物质的表面处理方式使得导热通道不顺畅,使得接触面产生热积聚,热源产生的热量不能迅速有效的传导到散热器表面。
⑦
最理想的散热选择是：
热导率高、厚度薄，完美的界面接触。
目前行业内高良率的散热器加工尺寸工差为+/-0.25mm,平面度为0.15mm/30mmx30mm，如果提高加工精度则会在很大程度上提高产品成本，因此，接触面的间隙采用导热介质材料填充，可以很好的将空气挤出，从而增加系统散热水平。
⑦
目前，有三种介质材料可选择：
导热硅脂、导热双面胶、导热硅胶片。
有了导热硅胶片的补充,可以使接触面更好的充分接触，真正做到面对面的接触.在温度上的反应可以达到10度以上的温差。
⑦
导热硅胶片在热导率方面可选择性较大,可以从0.8w/k.m----3.0w/k.m以上，且性能稳定。
⑦
导热双面胶目前最高热导率不超过1.0w/k-m的,导热效果不理想。
⑦
导热硅脂属常温固化工艺，在高温状态下易产生表面干裂，性能不稳定,容易挥发以及流动,导热能力会逐步下降,不利于长期的可靠系统运作。
⑦
六参考文献
1《热导率：
XX百科》
2《高导热率复合材料》：
4《影响热导率的因素》
5《绝缘导热高分子复合材料研究》周文英，齐暑华，涂春潮，邱华.西北工业大学应用化学系.塑料材料，2005年5月，第33卷
6《常用材料的导热系数表》
7《导热介质材料（工程师必知）》
8《导热材料介绍大全及优缺点分析（共8种）》作者：
上海百图高新材料
9《2010年LED散热基板技术发展趋势分析》
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