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片状氧化铝VS球形氧化铝:在导热应用上谁更胜一筹?

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片状氧化铝VS球形氧化铝:在导热应用上谁更胜一筹?

原创
cooling
粉体圈
2023-05-23 19:01
发表于广东

随着集成电路的高度集成化和逐渐微型化,电气设备功率密度的不断提高使其面临严峻的散热挑战。电气设备中的电子元器件作为发热源,需要通过热界面材料才能与导热结构件之间进行高效热量传输,然后导热结构件通过内部空气与外壳进行热交换,最后将热量散发到外部环境中。因此,高性能热界面材料的设计、开发和应用对解决电气设备散热问题至关重要。

图1
高功率芯片热传导示意图


导热硅胶垫片作为当前使用最广泛的热界面材料之一,不仅专门利用聚合物的可压缩特性能够对缝隙进行有效填充,而且具有远超聚合物基体的热导率,有效打通了发热源与导热结构件之间的热传输通道,使热量传输效率更高效以满足电气设备散热需求。同时垫片厚度可调,并且集较佳的电绝缘特性、良好的弹性和密封效果于一身,能够满足设备微型化的设计要求。

但是由于普通硅胶导热性能非常差,因此需要添加导热填料以提高其导热性能。氧化铝因其能够满足热界面材料热导率需求,同时具有来源广泛,制造成本低,应用性价比高等优势,成为目前最常用的导热填料。按照外观形态可将氧化铝填料分为片状氧化铝和球形氧化铝两大类。

片状氧化铝具有特殊的二维片状结构(长径比大于10:1),粒径通常在几微米到几十维米范围内,厚度约几百纳米,主要通过熔盐法、溶胶凝胶法、球磨混合法等路线制备,广泛应用于导热填料、增韧剂、耐火材料和珠光颜料等。以片状氧化铝为填料时,具有高长径比的微米级氧化铝片更容易在聚合物基体内相互接触形成有效导热网络,可有效提高热界面材料的热导率。因此在相同氧化铝填充量时,片状氧化铝填充的导热硅胶垫片导热性能要优于球形氧化铝填充的导热硅胶垫片。此外也可对二维片状氧化铝进行结构设计,通过真空辅助抽滤、热压、静电纺丝等技术诱导二维片状结构层层有序组装,在平面内形成有效导热通道,从而设计和开发出具有高平面内热导率的各向异性导热材料,可应用于大平板散热等使用场景。


图2
片状氧化铝有序组装构建的具有高平面内热导率的复合材料


但是由于片状氧化铝颗粒表面能较球形氧化铝更大,表面流动性更差,同时片状氧化铝颗粒和颗粒之间的接触和碰撞相比于球形氧化铝更剧烈,使得片状氧化铝与聚合物组成的混合体系粘度会更高,最终导致硅胶导热垫片柔韧性大幅下降。此外,相比于球形氧化铝,制备过程中片状氧化铝在复合体系中更易发生沉降,导致硅胶导热垫片上下分层,均匀性明显降低。因此,片状氧化铝作为导热填料时对成型工艺要求更高,这也是其在导热硅胶垫片中应用相对较少的主要原因。


图3
片状氧化铝在复合体系中沉降示意图


球形氧化铝形貌呈现为规则球形结构,粒径通常在几微米到几十维米范围内,主要通过液相沉淀法、高温等离子体法、喷雾热解法等路线制备。市售球形氧化铝粉体球化率和产率都比较高,粒径也可根据具体使用场景进行定制化处理,综合使用成本相对较偏低。以球形氧化铝为填料时,颗粒的球形度越高,其表面能就越小,表面流动性也就越好,能够与聚合物基体更加均匀的混合,混合体系流动性更好,成膜后制备得到的复合材料均匀性更好。所以用球形氧化铝为导热填料制备导热硅胶垫片时,当氧化铝颗粒球形度越高时,其柔韧性也就越高,力学性能更好。因此相比于片状氧化铝,以球形氧化铝为导热填料制备得到的热界面材料柔韧性和机械性能更好。


图4
球形氧化铝在复合体系中均匀分布示意图


但是大尺寸球形氧化铝颗粒在制备过程中容易在晶体内部形成气孔及空位等晶体缺陷,导致其其导热率降低。同时相比于高长径比片状氧化铝,球形氧化铝不容易在聚合物基体内部形成导热网络,因此在相同填料填充量下,球形氧化铝填充的导热硅胶垫片导热性较差。

总结

综上所述,片状氧化铝填充的热界面材料其导热性能更具优势,但是不易成型,均匀性和柔韧性较差,当前应用场景较少,急需开发新型复合策略和制备方法以解决难成型、柔性差等难题;球形氧化铝填充的热界面材料虽然导热性能略差,但是具备较佳的柔韧性和力学性能,市场应用更广泛。

                                                                                                             




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