绝缘导热填料在导热硅橡胶中的应用

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1、绝缘导热填料在导热硅橡胶中的应用112赵来辉、顾云峰王鹏(1上海百图高新材料科技有限公司，上海201203；2北京化工大学，北京100029）通讯联系人：E-mail:zlh@bestry-tech.com摘要：综述介绍了有机高分子材料的导热机理，同时介绍了导热硅橡胶导热系数的影响因素和导热硅橡胶的研究现状，并提出了绝缘导热硅橡胶用导热绝缘功能填料的研究方向。关键词：热界面材料、导热填料、硅橡胶、球形氧化铝引言：随着集成技术、微电子封装技术和大功率LED技术的发展，电子元件和电子设备向小型化和微型化发展，电子设备所产生

2、的热量迅速积累、增加。为保证电子元器件在使用环境温度下能高可靠性地正常工作，需要开发导热绝缘复合材料替代传统的高分子材料作为热界面材料(ThermalInterfacialMaterialTIM)和封装材料，迅速将发热元件热量传递给散热设备，保障电子设备的正常运行。硅橡胶除了可在广泛的操作条件下保持其物理及电气性能外，还可抵受臭氧及紫外线的裂解，并具有良好的化学稳定性，因此得到了广泛应用，而高导热硅橡胶也成为近几年研究的热点。1有机高分子材料的导热机理热能传输不是沿着一条直线从物体的一端传到另一端，而是采用扩散形势。根

3、据热的动力学理论，热是一种联系到分子、原子、电子等的移动、转动和振动的能量，即所有物质的热传导，都是由于物质内部微观粒子相互碰撞和传递的结[1]果。热能的载体包括电子、光子和声子。有机材料的主要导热载体是声子，但是有机高分子材料的结构规则性差，声子传导性差，因此导热性能较差。2填充型高分子复合材料的导热机理制造具有优良综合性能的导热材料一般有两种途径：一种是合成具有高导热率的结构聚合物；另一种是在聚合物中填充高导热性的填料。由于具有高导热率结构的聚合物合成复杂，且高分子材料本身的热传导系数比较小，而硅橡胶基体中基本上没

4、有热传递所需要的均一致密的有序晶体结构或载荷子，因此，其导热[2]性能较差，导热系数一般只有0.2W/(m·K)。所以填充型导热高分子复合材料在市场中比较常见。填充型高分子复合材料导热性能主要依赖于填充物的导热系数、填充物在基体中的分布以及与基体的相互作用。填料用量较小时，填料虽均匀分散与树脂中，但彼此间未能形成相互接触和相互作用，导热性能提高不大；填料用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，即形成导热网链。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；体系中在在

5、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，[3]导致材料的导热性能很差。金属材料导热系数高，也可作为导热高分子复合材料的填料，但是由于金属材料具有导电性，制成品绝缘性差、易击穿，只能应用在对材料绝缘性要求不是很高的场合。因此，导热绝缘功能填料在导热绝缘高分子复合材料中得到了广泛应用。3常见导热绝缘功能填料介绍3.1常见导热绝缘填料的特点具有导热电绝缘性的填料很少，目前在有机硅领域所使用的导热填料料多数为氧化铝、氮化铝、氮化硼、氧化镁、氧化硅等，其热导率分别见表1。表1常见导热绝缘填料及其热导率Tab.1So

6、mecommonheatconductivefillersandtheirthermalconductivities3填料分子式热导率(W/m·K，20℃)密度(g/cm)六方氮化铝AlN(hexagonal)3203.3氧化铍（有毒）BeO2193.02六方氮化硼BN(hexagonal)110（a-axis）2.29氧化镁MgO363.58α-氧化铝α-Al2O3303.9氧化硅（结晶型）SiO2102.7氮化铝，导热系数非常高，但是价格昂贵，通常每公斤在千元以上；虽然单纯使用氮化铝，可以达到较高的热导率，但体系粘

7、度急剧上升，限制了产品的应用领域。另外，氮化铝吸潮后会与水发生水解反应AlN+3H2O=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[4]被包覆。氧化铍，虽然其热导率很高，但是由于其毒性大，导致其在导热硅橡胶中的实际应用受到了很大的限制。氮化硼，导热系数非常高，性质稳定。根据产品纯度高低价格差别较大，从几百元到上千元每公斤不等。虽然单纯使用氮化硼可以达到较高的热导率，但与氮化铝类似，大量填充后

8、体系粘度极具上升，严重限制了产品的应用领域。有国外厂商生产球形氮化硼，产品粒径大，比表面积小，填充率高，不易增粘，但是价格极高。氧化镁，价格便宜，但是在空气中易吸潮，增粘性较强，不能大量填充；其耐酸性差，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。氧化硅，结晶型硅微粉适合大量填充，降低成本。但其导热性偏低，不适合生产高导