片狀氧化鋁VS球形氧化鋁：在導(dǎo)熱應(yīng)用上誰(shuí)更勝一籌？

片狀氧化鋁VS球形氧化鋁：在導(dǎo)熱應(yīng)用上誰(shuí)更勝一籌？

原創(chuàng)
cooling
粉體圈
2023-05-23 19:01
發(fā)表于廣東

隨著集成電路的高度集成化和逐漸微型化，電氣設(shè)備功率密度的不斷提高使其面臨嚴(yán)峻的散熱挑戰(zhàn)。電氣設(shè)備中的電子元器件作為發(fā)熱源，需要通過熱界面材料才能與導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)件之間進(jìn)行高效熱量傳輸，然后導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)件通過內(nèi)部空氣與外殼進(jìn)行熱交換，最后將熱量散發(fā)到外部環(huán)境中。因此，高性能熱界面材料的設(shè)計(jì)、開發(fā)和應(yīng)用對(duì)解決電氣設(shè)備散熱問題至關(guān)重要。

圖1
高功率芯片熱傳導(dǎo)示意圖

導(dǎo)熱硅膠墊片作為當(dāng)前使用最廣泛的熱界面材料之一，不僅專門利用聚合物的可壓縮特性能夠?qū)p隙進(jìn)行有效填充，而且具有遠(yuǎn)超聚合物基體的熱導(dǎo)率，有效打通了發(fā)熱源與導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)件之間的熱傳輸通道，使熱量傳輸效率更高效以滿足電氣設(shè)備散熱需求。同時(shí)墊片厚度可調(diào)，并且集較佳的電絕緣特性、良好的彈性和密封效果于一身，能夠滿足設(shè)備微型化的設(shè)計(jì)要求。

但是由于普通硅膠導(dǎo)熱性能非常差，因此需要添加導(dǎo)熱填料以提高其導(dǎo)熱性能。氧化鋁因其能夠滿足熱界面材料熱導(dǎo)率需求，同時(shí)具有來源廣泛，制造成本低，應(yīng)用性價(jià)比高等優(yōu)勢(shì)，成為目前最常用的導(dǎo)熱填料。按照外觀形態(tài)可將氧化鋁填料分為片狀氧化鋁和球形氧化鋁兩大類。

片狀氧化鋁具有特殊的二維片狀結(jié)構(gòu)(長(zhǎng)徑比大于10:1)，粒徑通常在幾微米到幾十維米范圍內(nèi)，厚度約幾百納米，主要通過熔鹽法、溶膠凝膠法、球磨混合法等路線制備，廣泛應(yīng)用于導(dǎo)熱填料、增韌劑、耐火材料和珠光顏料等。以片狀氧化鋁為填料時(shí)，具有高長(zhǎng)徑比的微米級(jí)氧化鋁片更容易在聚合物基體內(nèi)相互接觸形成有效導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，可有效提高熱界面材料的熱導(dǎo)率。因此在相同氧化鋁填充量時(shí)，片狀氧化鋁填充的導(dǎo)熱硅膠墊片導(dǎo)熱性能要優(yōu)于球形氧化鋁填充的導(dǎo)熱硅膠墊片。此外也可對(duì)二維片狀氧化鋁進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過真空輔助抽濾、熱壓、靜電紡絲等技術(shù)誘導(dǎo)二維片狀結(jié)構(gòu)層層有序組裝，在平面內(nèi)形成有效導(dǎo)熱通道，從而設(shè)計(jì)和開發(fā)出具有高平面內(nèi)熱導(dǎo)率的各向異性導(dǎo)熱材料，可應(yīng)用于大平板散熱等使用場(chǎng)景。

圖2
片狀氧化鋁有序組裝構(gòu)建的具有高平面內(nèi)熱導(dǎo)率的復(fù)合材料

但是由于片狀氧化鋁顆粒表面能較球形氧化鋁更大，表面流動(dòng)性更差，同時(shí)片狀氧化鋁顆粒和顆粒之間的接觸和碰撞相比于球形氧化鋁更劇烈，使得片狀氧化鋁與聚合物組成的混合體系粘度會(huì)更高，最終導(dǎo)致硅膠導(dǎo)熱墊片柔韌性大幅下降。此外，相比于球形氧化鋁，制備過程中片狀氧化鋁在復(fù)合體系中更易發(fā)生沉降，導(dǎo)致硅膠導(dǎo)熱墊片上下分層，均勻性明顯降低。因此，片狀氧化鋁作為導(dǎo)熱填料時(shí)對(duì)成型工藝要求更高，這也是其在導(dǎo)熱硅膠墊片中應(yīng)用相對(duì)較少的主要原因。

圖3
片狀氧化鋁在復(fù)合體系中沉降示意圖

球形氧化鋁形貌呈現(xiàn)為規(guī)則球形結(jié)構(gòu)，粒徑通常在幾微米到幾十維米范圍內(nèi)，主要通過液相沉淀法、高溫等離子體法、噴霧熱解法等路線制備。市售球形氧化鋁粉體球化率和產(chǎn)率都比較高，粒徑也可根據(jù)具體使用場(chǎng)景進(jìn)行定制化處理，綜合使用成本相對(duì)較偏低。以球形氧化鋁為填料時(shí)，顆粒的球形度越高，其表面能就越小，表面流動(dòng)性也就越好，能夠與聚合物基體更加均勻的混合，混合體系流動(dòng)性更好，成膜后制備得到的復(fù)合材料均勻性更好。所以用球形氧化鋁為導(dǎo)熱填料制備導(dǎo)熱硅膠墊片時(shí)，當(dāng)氧化鋁顆粒球形度越高時(shí)，其柔韌性也就越高，力學(xué)性能更好。因此相比于片狀氧化鋁，以球形氧化鋁為導(dǎo)熱填料制備得到的熱界面材料柔韌性和機(jī)械性能更好。

圖4
球形氧化鋁在復(fù)合體系中均勻分布示意圖

但是大尺寸球形氧化鋁顆粒在制備過程中容易在晶體內(nèi)部形成氣孔及空位等晶體缺陷，導(dǎo)致其其導(dǎo)熱率降低。同時(shí)相比于高長(zhǎng)徑比片狀氧化鋁，球形氧化鋁不容易在聚合物基體內(nèi)部形成導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，因此在相同填料填充量下，球形氧化鋁填充的導(dǎo)熱硅膠墊片導(dǎo)熱性較差。

總結(jié)

綜上所述，片狀氧化鋁填充的熱界面材料其導(dǎo)熱性能更具優(yōu)勢(shì)，但是不易成型，均勻性和柔韌性較差，當(dāng)前應(yīng)用場(chǎng)景較少，急需開發(fā)新型復(fù)合策略和制備方法以解決難成型、柔性差等難題；球形氧化鋁填充的熱界面材料雖然導(dǎo)熱性能略差，但是具備較佳的柔韌性和力學(xué)性能，市場(chǎng)應(yīng)用更廣泛。