高热导率绝缘材料整理目录一 常见材料的热导率 4二 影响材料热导率的因素 4三 高热导率材料的制备与性能 43.1 高导热基板材料 53.2.1 高热导率无机物填充聚乙烯复合塑料 53.2.2 高热导率无机物填充酚醛树脂复合塑料 63.3高导热高弹性硅胶材料63.4高导热粘合剂材料 7四 高热导率材料的一些发展思路 84.1 开发新型导热材料84.2 填充粒子表面改性处理 84.3 成型工艺条件选择及优化8五 热传递解决思路的几个考虑因素 85.1 热阻值的考虑 85.2 接触热阻的考虑9六 参考文献 10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50415,合金为12120,绝热材料为0.030.17, 液体为0.170.7,气体为0.0070.17,碳纳米管高达1000以上。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入与材料本身的关系如下表：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 纯金属和大多数液体的热导率随温度 的升咼而降低，但水例外； 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)有关系一般含湿量大的物料热导率大。如干砖 的热导率约为0.27W/(mK)而湿砖热导 率为 0.87W/(m K)。4密度有关系物质的密度大，其热导率通常也较大。5杂质含量有关系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A12O3 和 MgO 的都小。7气孔率有关系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。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850C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。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。部分无机填料的热导率见下表：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25T00硼氮立方体1300二氧化二铝2540硼氮八方体40T20氧化镁25503.2.1 高热导率无机物填充聚乙烯复合塑料Hatsuo I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2035 W/(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Hatsuo I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 32.5 W/(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80320氮化硼125有文章写60 W/(m.K)碳化硅83.6有文章写 170220 W/(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 价格昂贝，通常母公斤在千兀以上； 氮化铝吸潮后会与水反应会水解AlN+3H20=Al(0H)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；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 价格很高，市场价从几百兀到上千兀（品质不同差别较大）； 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 率咼，不易增粘，价格极咼。碳化硅热导率较咼 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； 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 在空气中易吸潮，增粘性较强，不能大量填充； 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。a -氧化铝 （针状）价格便宜添加量低，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。a -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600800 份， 所得制品热导 率咼价格较贵，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 导热性偏低，不适合生产高导热产品； 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。 导热性偏低，不适合生产高导热产品； 密度较咼，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。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1.32.5 W/（m.K）。SEBS的甲苯溶液与BN或AI2O3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6.4 W/（m.K）。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、AIN、AI2O3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4.234 W/(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1.14 W/(m.K),体积电阻 率10 12次方Q.m,表面电阻率10的14次Q.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200250C。石红 采用AIN填充改性环氧，制得热导率1.2 W/(m.K啲粘结剂，其击穿强度9.8MV/m， 体积电阻率1.04*10的12次方Q.m。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。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。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。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=入 AAT/dR=AAT/Q(Q：热量，W；入：热导率，W/mk； A：接触面积；d:热量传递距离；AT：温度差；R:热阻值)将上面两个公式合并，可以得到：入=d /Ro因为入值是不变的，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。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。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。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。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。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。导热硅胶片在热导率方面可选择性较大,可以从0.8w/k.m