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不同填料的高导热胶黏剂

Time:2022-04-12Number:941

高导热胶黏剂结合了高分子树脂的可加工性和填料的 高导热性,广泛应用于智能手机芯片封装、大功率 LED 照明等电子封装行业。其中,聚合物树脂提供了足够的黏合强度和机械强度 。

高导热胶已广泛用于电子和电气行业,它们可以用作 热介面材料来散发电子元件产生的热量,并可以延长电子设备的使用寿命。导热填料主要决定散热能力,常见的填料包括碳化硅(SiC)、氮化铝(AlN)、氧化铝(Al2O3)、氧 化镁(MgO)、氮化硅(SiN)和其他金属(Ag、Cu、Al 等) 及金属氧化物 。


2.1 非金属填料的导热胶

根据使用方法的不同,非金属填料的导热胶有绝缘胶 和导电胶两种。不同填料的复配对导热胶的性能起到决定作用。

张晓辉等制备了一系列含环氧树脂和不同填料(SiC、 AlN、Al2O3)的导热胶。研究结果表明,填料含量存在一个临界点。这可以归因于内部有效的导热链。与这些填料相比, 当填料含量为 53.9wt% 时,SiC 填料的导热系数较高。这是因为 SiC 填料价格低廉,导热系数高,同时 SiC 复合材料也保持了良好的力学性能。

Teng采用表面功能化的 BN 和 MWCNTs 等无机填料单独或组合制备环氧复合材料。结果表明,由于混杂填料的协同作用,混杂填料复合材料的导热系数高于单一填料复合材料。含 30% 改性 BN 和 1% 功能化 MWCNTs 的环氧复合材料的导热系数明显高于含 30% 纯 BN 和 1% 纯 MWCNTs 的环氧 复合材料的导热系数。

Tang 等研究了填料形态对导热系数的影响,采用纳米氮化硼为原料制备了不同形态的颗粒,包括球体、竹子、 圆柱管和塌陷管,如图 3 所示。结果表明,球形颗粒的复合材料导热系数较低,而氮化硼塌陷的复合材料导热系数较高,且球形颗粒的表面积较大,因此通过这些表面的热量损失很大。相反,塌陷的 BN 颗粒之间有较大的有效接触面积。当热量沿塌陷的 BN 颗粒的线性方向传递时,耐热性非常低,因此复合材料表现出良好的导热性。



图 3 BN 颗粒的不同形貌

除了前文提到的导电填料,常用的非金属导电填料还 有石墨、炭黑、碳纳米、碳纤维管等碳系填料,这些新型的导电填料广泛应用于印刷电子行业。其中,石墨烯和碳纳米管作为两种较为理想的优质填料,受到广泛关注。石墨烯是一种二维单原子层的纳米材料,具有机械强度大、 导电导热性能强等优点,其电导率为 108 S/m,远优于金属铜和银。碳纳米管管壁的基本骨架为碳六元环,导电性能和力学性能良好,其长径比可达 1000 以上,使之更易于搭建导电通路。这两种性能优良的新型碳系导电填料发展潜力极大,且应用前景广阔,但使用的分散性欠佳,稳定性尚需改进,并且制备成本昂贵,至今尚未在市场上大规模生产和推广使用。

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2.2 金属填料的导热胶

与其他金属类填料相比,铜粉不仅具有与银相近的导 电性(20℃时,银的电阻率为 1.59×10-6Ω·cm,铜的电阻率为 1.72×10-6Ω·cm),而且作为一种价格低廉、来源广 泛的贱金属,铜还具有良好的耐迁移性能。但在实际应用中,由于其活泼的化学性质,铜在空气或高温环境下极易被氧化,生成难以导电的氧化铜或氧化亚铜,使其电阻增大。 目前研究的重点仍然是改善铜的易氧化性,使以铜作填料的电子浆料具有更强的市场竞争力 。

在铜粉表面镀银得到银包铜粉作为导电相,是目前改 善铜浆料氧化问题的主要方法。该方法不仅改善了铜极易氧化的缺点,与纯银填料相比,还降低了体系的成本,同时具有良好的导电导热性能。但是,银包铜粉在使用中稳定性不佳,改善铜包银粉在使用中的稳定性、提高其使用性能仍然需要更深入的研究。

在金属填充材料中,银具有优良的导热性[纯银导热 率为 400W/(m•K)]和抗氧化性。在电子工业中,作为导电浆料的功能相,银及其化合物具有更高的性价比,因此, 针对其的应用与研究也最多,约 80% 电子浆料产品的主体功能相是各类银粉。当烧结行为发生时,银粉的界面电阻会显著降低。然而,因为在中温下很难烧结,在低温下制备具有较高热导率的银基样品仍然是一个巨大的挑战。银导电胶的另一缺陷是,在电场的作用下,银会产生电子迁移, 使得导电胶的导电性能下降,从而影响器件的寿命。

经过大量的研究试验得出,导电银浆厚膜浆料的致密 性和电阻率受银粉形貌和含量的影响显著。故可以通过改善银粉的形貌、微粒尺寸来提高银浆的导电性能。因此, 为了制备烧结后更致密且具有更好导电导热性能的导电浆料,可以选用微米级和纳米级的导电银粉进行复配。根据粉末最紧密堆积理论,不同粒径的粉体搭配使用能降低分体体系的孔隙率,使烧结后的导电膜层更致密,且具有更好的导电性。而且,由于球形微粒之间是电接触的形式, 而片状微粒之间的接触则是线接触或面接触,这就使得在体积与配比形式相同的情况下,球状微粒的电阻要大于片状微粒。涂布形成一定的厚度后,片状银粉之间呈鱼鳞状重叠,且流动性良好,使得银浆的烧结更致密化,表现出更加良好的导电性能。与此同时,体系的导热性能也得到了显著的改善 。

银浆料作为使用最为广泛的导热导电胶填料,为了解决使用中存在的银迁移问题,通常采用片状及纳米级银粉来解决。对于银胶中银粉使用量大、成本较高的问题,则是通过在银粉中掺杂贱金属(Ni、Al、Cu 等)或其他导电物质来减少体系中银粉的用量,达到降低成本的目的。


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