發布時間：2022-03-25所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：綜述了兩類導熱絕緣材料的研究現狀及其在電機、電子、LED封裝、航空航天軍事等領域的應用情況及發展前景，并指出了導熱絕緣材料的發展方向。 關鍵詞：導熱;絕緣材料 0引 言 導熱絕緣材料是一種常用的功能材料，通常以陶瓷、塑料、橡膠、膠粘劑、涂料等形式廣泛應
摘要：綜述了兩類導熱絕緣材料的研究現狀及其在電機、電子、LED封裝、航空航天軍事等領域的應用情況及發展前景，并指出了導熱絕緣材料的發展方向。
關鍵詞：導熱;絕緣材料
0引 言
導熱絕緣材料是一種常用的功能材料，通常以陶瓷、塑料、橡膠、膠粘劑、涂料等形式廣泛應用于微電子封裝、電機、汽車、特種電纜、高端航空航天等領域，在現代高科技領域有著良好的應用前景。
在電力工業中，大中型高壓發電機、電動機在運行過程中會產生大量的熱，如果不及時導出，將直接影響其工作效率，縮短壽命，降低其可靠性，因此電機傳熱已成為現代電機技術發展急需解決的問題之一。而隨著電子產品、LED等不斷向大功率方向發展，將會出現越來越多的發熱問題，使產品功效降低，壽命縮短。因此急需研制高導熱絕緣材料，解決結構散熱問題，這也是世界各國電氣絕緣材料的研究熱點之一。
1導熱絕緣材料的分類
1.1 無機非金屬導熱絕緣材料
通常金屬(如Au、Ag、Cu、A1、Mg等)均具有較高的導熱性，但均為導體，無法用作絕緣材料，而部分無機非金屬材料，如金屬氧化物A1：O，、MgO、ZnO、NiO，金屬氮化物A1N、Si，N。、BN，以及SiC陶瓷等既具有高導熱性，同時也具有優良的絕緣性能、力學性能、耐高溫性能、耐化學腐蝕性能等，因此被廣泛用作電機、電器、微電子領域中的高散熱界面材料及封裝材料等。
陶瓷封裝具有耐熱性好、不易產生裂紋、熱沖擊后不產生損傷、機械強度高、熱膨脹系數小、電絕緣性能高、熱導率高、高頻特性、化學穩定性高、氣密性好等優點，適用于航空航天、軍事工程所要求的高可靠、高頻、耐高溫、氣密性強的產品封裝。由于陶瓷材料所具有的良好的綜合性能，使其廣泛用于混合集成電路和多芯片模組。在要求高密封的場合，可選用陶瓷封裝。國外的陶瓷封裝材料以日本居首，日本占據了美國陶瓷封裝市場的90%～ 95%，并且占美國國防(軍品)陶瓷封裝市場的 95%～98%。傳統的陶瓷封裝材料是A1：0。陶瓷，具有良好的絕緣性、化學穩定性和力學性能，摻雜某些物質可滿足特殊封裝的要求，且價格低廉，是目前主要的陶瓷封裝材料。SiC的熱導率很高，是 A1：O，的十幾倍，熱膨脹系數也低于A1：O，和AIN，但是SiC的介電常數過高，所以僅適用于密度較低的封裝。A1N陶瓷是被國內外專家最為看好的封裝材料，具有與SiC相接近的高熱導率，熱膨脹系數低于A1：0，，斷裂強度大于Al：O，，維氏硬度是A1：O，的一半，與A1：O，相比，AIN的低密度可使重量降低 20%，因此AIN封裝材料引起國內外封裝界越來越廣泛的重視。
1.2聚合物基導熱絕緣材料
由于聚合物材料具有優良的電氣絕緣性能、耐腐蝕性能、力學性能、易加工性能等，人們逐步用聚合物材料代替傳統的電氣絕緣材料，但大多數聚合物材料的熱導率很低，無法直接用作導熱材料，需要通過加入導熱性物質，使其成為導熱絕緣材料。按獲得導熱性的方式，聚合物導熱絕緣材料可分為本體導熱絕緣聚合物和填充導熱絕緣聚合物。本體導熱絕緣聚合物通過在高分子合成或加工過程中改變其分子結構和凝聚態，使其具有較高的規整性，從而提高其熱導率。填充型則是通過在高分子材料中加入導熱絕緣填料來提高其熱導率u4，。
1.2.1本體導熱絕緣聚合物材料研究進展
本體導熱絕緣聚合物材料的熱導率主要取決于樹脂的結晶性和取向性。通常認為，分子、晶格的非諧性振動，界面缺陷等都將引起聲子散射，如果分子鏈剛性大，排列規整性高，則熱量可沿分子鏈方向迅速傳輸，減弱聲子散射的幾率，如具有剛 R R 性基元的液晶高分子的熱導率要優于無定形態聚合物。聚合物材料的熱導率還取決于極性基團的含量和偶極化程度，如聚酰亞胺分子結構中極性基團較多，易于極化，因此聚酰亞胺薄膜的熱導率可達0.37 W/(m·K)，而聚四氟乙烯為非極性材料，其熱導率就相對較低，僅為0.25 W/(m·K)。除了通過分子結構設計獲得高熱導率聚合物外，還可以通過定向拉伸和模壓等物理方法來提高材料的結晶完整性，進而提高其熱導率。蔡忠龍等臚，研究了拉伸過程對聚乙烯熱導率的影響，發現拉伸比為200時，熱導率提高到原來的2倍甚至更高。據報道，對分子結構簡單的聚乙烯進行拉伸處理，可使其熱導率達到37 W/(m·K)。
K Fukushima等砸1通過合成含有聯苯剛性結構的環氧樹脂，并選用具有萘環結構的胺類作為固化劑，結果固化后的環氧樹脂的熱導率從普通雙酚A 環氧樹脂的0.17～0.21 W/fm·K)提高到0.30一0.35 W/(m·K)(如圖l所示)。而Cary C Stevens等m使用具有剛性結構的液晶環氧樹脂，并采用合適的固化劑，使其在液晶態下固化成型，所得固化物的熱導率達到0.5 W/(m·目。
1.2.2填充型導熱絕緣聚合物材料研究進展
雖然通過合成具有特殊分子結構的原材料，并采用特殊制備工藝可以獲得高導熱的本體導熱絕緣聚合物，但其制備工藝復雜、難度大、成本高。因此，目前仍主要采用在聚合物中添加導熱絕緣填料的方法制備導熱絕緣聚合物材料。對于填充型導熱絕緣聚合物，其熱導率一方面取決于導熱填料的品質，通常晶格缺陷越少，純度越高，熱導率越高，所制備的聚合物材料的熱導率提升越大;另一方面取決于聚合物基體和導熱填料間的復合情況。填料用量較少時，導熱顆粒問未能相互接觸和形成導熱通道，熱導率提高很小;只有當填料用量增大到某一臨界值后，導熱顆粒問才能形成導熱網鏈，將熱量快速導出，如果導熱網鏈的取向和熱流方向相同，則材料導熱性將得到更大的提升。為了提高填料的分散性和導熱性，通常要對填料進行表面改性，如通過硅烷偶聯劑進行表面處理等(如圖2所示)，并選擇多種尺寸和形狀的填料，以最大程度形成導熱通道，提高熱導率(如圖3所示)9�！�。
按照聚合物基體和應用領域的不同，填充型導熱絕緣聚合物又可分為導熱絕緣塑料、導熱絕緣橡膠、導熱絕緣膠粘劑和導熱絕緣涂層等，關于這方面的詳細論述已較多，在此不再贅述。
2導熱絕緣材料的應用
2.1 電機領域的應用
隨著電機的額定電壓和裝機容量不斷增大，運行時所產生的損耗隨之增加，從而產生出更多的熱量，使得電機的溫升增加。而高溫是導致電氣絕緣性能、力學性能下降、絕緣壽命縮短甚至失效的重要原因。因此，高壓電機運行中的發熱、傳熱、冷卻將直接影響其工作效率、使用壽命和可靠性等重要指標。目前電機主要通過以下幾種方式冷卻：
(1)水冷：冷卻用蒸餾水是在通有高壓和電流的線圈銅排內部流動的，如果冷卻水中含有雜質就會引起電氣短路事故，因此水冷時必須配備水處理設備等。
(2)氫冷：氫氣冷卻時必須配備龐大的輔助設備，如氫油系統等。而且，如果冷卻氫氣中混人大約5%的空氣就很容易引發爆炸危險。
(3)空冷：空氣冷卻具有結構簡單、布置緊湊、運行可靠、安裝迅速、調整靈活、維修方便、成本較低、占地較小等優點，因而回歸改用空冷是市場和用戶的要求。但是由于空氣熱容量太低，只有氫氣、水的1/7到幾十分之一。為了提高空氣冷卻能力，必須進行結構調整以降低導熱熱阻，達到降低溫升的目的。
國外電機用高導熱絕緣材料的研究和應用起步較早，國外于上世紀80年代就完成了高導熱多膠云母帶的研究，并在電機上得到應用(10.4 kV、6.5 Mw電動機)““”1。我國于1997年開始高導熱多膠粉云母帶的研制工作。研究初期，主要采用0【型球狀或準球狀超細Al：O，作為高導熱填料(粒徑約為 20～25 gm)，初步完成了實驗室的探索研究工作，其間遇到了很多技術和生產工藝問題u 3。14，。后來，隨著納米技術的高速發展，為導熱絕緣材料建立了一個新的研發平臺。采用納米Al：0，球型粉體作為導熱填料，解決了很多工藝問題。樣品帶的試驗線棒測試結果表明：使用納米粉體制備的高導熱多膠粉云母帶的常規電氣性能優異，雖然仍存在一些問題，但已使我國高導熱多膠粉云母帶主絕緣的研究向前邁進了一大步。
20世紀90年代初期，Von Roll Isola的R Brutsch等[10,12]開發了高導熱少膠粉云母帶，ABB將其應用于18 kV汽輪發電機。研究結果表明：通過加入約1/3云母帶重量的導熱填料，可使VPI處理后的主絕緣熱導率達到0.5 W/(m·K);且高導熱填料的引入和云母含量的減少沒有引起主絕緣電氣性能發生變化，介質損耗、電壓和電老化等性能與普通少膠VPI主絕緣基本保持一致。近年來，西門子Gary C Stevens等盯1還利用不同的傳熱模式和方法制備高導熱少膠云母帶，開展了大量的研究工作，包括：采用分子規整度高、熱導率高的液晶環氧樹脂作為基體膠粘劑，填充導熱填料，制備出高導熱少膠云母帶，進一步提高導熱性和工藝性;在傳統少膠云母帶玻璃布面涂覆高導熱漿料，提高少膠云母帶的導熱性;與補強材料復合前，在云母紙表面印制條狀或網格狀高導熱膠粘劑，在保證少膠帶導熱性的同時，可以減少膠粘劑的含量，保持較高的柔軟性;對導熱填料的選擇進行優化，如微米級和納米級導熱填料的配合使用、選用導熱納米線或納米棒導通納米顆粒等，以提升膠粘劑的熱導率=。而我國在高導熱少膠云母帶方面的研究工作至今尚未開展。
除主絕緣高導熱多膠、少膠云母帶外，國外應用于電機領域的高導熱絕緣材料還包括：日立的環氧膠，其導熱系數從0.15 W/(m·K)提高到0.96 W/ (m·K)(5倍);德國西門子研制的絲包導線，其導熱系數從0.25 w/(m·K)提高到0.50 W/(m·K)(2倍);美國杜邦研制的聚酰亞胺薄膜，其導熱系數從0.15 w/(m·K)提高到0.45 w/(m·K)(3倍)等，這些材料已在電機制造中得到應用。
2.2 電子封裝領域的應用
隨著芯片技術的不斷進步，集成電子器件逐漸向高密度(如Intel酷睿17處理器的晶體管數達到 9.95億)、高頻(3GHz以上)、布線細微化(Intel 25納米工藝已成熟應用于芯片制造)、芯片大功率化及表面安裝技術方向發展。這種趨勢使得在有限的體積內產生更多的熱量，如果熱量不能及時導出，積聚過多，便會導致芯片工作溫度升高，影響其正常工作，甚至使電子元器件燒毀。
導熱絕緣材料被廣泛應用于電子封裝領域，一方面對電子元件進行保護，另一方面將集成電路產生的熱量及時導出。早期應用于電子封裝的材料多為無機導熱絕緣材料，如金屬氧化物、氮化物陶瓷及其它非金屬材料，因其自身性能的局限、價格昂貴、難以加工成型等因素，現已經無法滿足現代電子封裝技術的使用要求。而塑料封裝工藝簡單、成本低廉、適于大批量生產，因而被廣泛應用于民用領域，目前95%以上的電子封裝均采用塑料封裝。
為了提高普通塑料封裝材料的導熱性，通常需要添加大量的導熱填料。導熱填料的加人不僅可以提高材料的熱導率，降低封裝材料的成本，還可以降低線膨脹系數，減小封裝材料在固化過程中因體積收縮而產生的內應力，從而避免發生內引線斷開等問題。國外對導熱封裝材料開展了大量的研究工作，P B由ard等【”1用A1：O。顆粒填充環氧樹脂制備封裝材料，當填料體積分數達到80%時，其熱導率可達4.5 w/(m·K)。J W Bae等m】貝悃干究了不同粒徑的A1N填料對環氧封裝材料導熱性的影響，結果表明：在保持填料總體積率為65%時，采用30 gm 和2 gm兩種粒徑的A1N顆粒搭配填充比單一粒徑的A1N顆粒填充的環氧封裝材料的熱導率要高，其熱導率最高可達5.2 W/(m·K)。進一步研究結果表明：熱導率隨A1N顆粒尺寸的增加而增大，當大尺寸的A1N顆粒達到總填充量的68.5%時，樣品的熱導率達到7.15 w/(m·K)。而國內在這方面所作的研究工作相對較少，高端的高導熱電子封裝材料仍然大量依賴進口。
2.3 LED封裝領域的應用
目前大功率LED產業的迅猛發展，對高導熱材料(包括膠黏劑和灌封膠)的需求日益增長。雖然 LED封裝材料可以沿用電子封裝的相關技術，通過添加導熱填料等提高封裝材料的導熱性，但是由于 LED受戶外使用環境、紫外線輻照等因素影響較大，因此對封裝材料也提出了新的要求，如要求透光率高、具有抗紫外線老化性能等。封裝發光二極管的典型基體材料為環氧樹脂，這主要是由于環氧樹脂具有優良的粘接性、耐腐蝕性及電絕緣性能。但環氧樹脂抗紫外老化性能較差，長期使用會造成材料的劣化，甚至使LED失效，所以通常需要選用粒徑小于400 nm的Al：O，提高其導熱性，同時添加納米ZnO、TiO：等紫外屏蔽材料做進一步改性，在保證良好的透光率下提高環氧樹脂的耐紫外線老化性能。郭剛等”71將納米TiO：加人高分子材料中，通過人工加速紫外老化實驗發現其抗紫外老化性能得到大幅提高。姜利祥掣181也發現TiO：具有明顯的抗真空紫外輻射的作用。汪斌華等”川對納米TiO：和 ZnO的光學性能進行了研究，并將其作為抗老化劑應用到高分子材料中，取得了較好的效果。而對于功率更大的LED封裝基體材料，則多采用抗紫外線老化性能更加優異的有機硅改性環氧樹脂或完全替代環氧樹脂，并通過添加粒徑小于400 niil的無機填料(如石英粉、單晶硅鋁粉、玻璃纖維等)改善封裝材料的耐熱性和導熱性。
2.4航空航天軍事領域的應用
應用于航空、航天、軍事等領域的器件通常都需在高頻、高壓、高功率以及高溫等苛刻的環境下運行，并且要求高可靠性，無故障工作時間長，對散熱的要求極高，因此對絕緣材料的導熱性、力學性能、耐熱性能提出了更高的綜合要求。
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陶瓷材料具有耐高溫、高強度、低密度、高氣密性、耐氧化以及極高的熱導率等諸多優點，因此被廣泛用于航空、航天、軍事等領域。例如，采用碳化硅纖維增強的碳化硅(SiC/SiC)等纖維陶瓷制造高速飛行器頭錐、尾錐和整流罩等彈體部件，不僅可以減輕重量，而且可以省去部分冷卻部件。具有良好絕緣性和高導熱系數的氮化物和碳化物，包括氮化鋁、氮化硼、氮化硅、碳化硅等陶瓷已被廣泛應用于戰機、導彈、衛星、火箭等電子系統的封裝和高強度耐高溫部件。同時，將這些無機陶瓷填料填充到橡膠、塑料等基體材料中，也可以制得具有良好綜合性能的導熱絕緣橡膠、塑料等口“231。通過在液體硅橡膠中高填充氧化鋁及氮化硼等粉末，可以制備耐高溫的導熱硅橡膠，用于電子器械等;將氧化鋁氣相涂敷改性后的氮化鋁粉末填充硅橡膠，可制取高導熱、高耐熱性封裝材料或連接材料等。美國 Berquist公司將研制的導熱絕緣橡膠用于飛機、太空倉、電機控制、汽車、家用電器等領域，處于世界領先水平。
3導熱絕緣材料的發展方向
3.1納米導熱填料
對于填充型導熱絕緣材料，導熱填料本身的熱導率、純度等都會影響填充后的聚合物絕緣材料的導熱性，因此研究具有高導熱的新型導熱填料，并對填料進行表面處理，使其能夠更均勻地分散在基體樹脂中，將有效地提高導熱絕緣材料的導熱性能。新型導熱填料的納米化是未來的一個重要研究方向，如果將無機填料的粒徑減小到納米尺寸，其導熱性會因粒子表面原子數、內部結構等納米效應而發生質的變化，如：普通A1N粉末的導熱系數約為36 w/(m·K)，而納米級A1N的導熱系數可達 320 w/(m·K)。日本協和化學工業公司研發的高純度納米MgO，其導熱系數大于50 W/(m·K)，較普通MgO粉體的導熱系數提升了近一倍。
3.2高取向導熱填料
普通的顆粒型導熱填料為無規取向的燒結結構，其形成的導熱通道有多個方向。而實際應用中通常希望只在某個方向上具有很高的熱導率，因此設計結晶取向度高、結晶完整的纖維狀導熱填料可以大幅提高導熱方向上(纖維軸向)的熱導率，用聚合物制備成復合材料后，纖維狀的取向導熱填料也可以在導熱方向上保持極高的熱導率，從而制備出熱導率遠高于普通顆粒狀填料填充的復合材料。
3.3新型導熱樹脂
通過在樹脂分子結構中引入聯苯、萘、蒽等剛性結構，提高分子鏈的規整性，形成液晶或結晶型樹脂，提高聚合物材料的導熱性。除了開發熱塑性結晶聚合物外，更需開發更多種類的熱固性液晶、或固化后具有規整性或結晶結構的樹脂，并降低成本，以滿足電氣澆注、浸漬等對樹脂高導熱性的要求。通過進一步在新型導熱樹脂中添加導熱填料可更大幅度的提高其導熱性。
3.4填料改性及傳熱結構的設計
通過對導熱填料表面進行有效的改性可以提高其分散性和導熱性，但同時還要注重各種形狀和尺寸的導熱填料的配合使用，并對導熱填料進行組裝控制，以達到最佳的填充效果，為聲子傳熱建立最佳通道，從而提高其導熱性能。
4結束語
國內在高導熱絕緣材料，特別是原材料方面相對于日本、歐美等國家的技術水平還相對落后，仍需加強在該領域的研發投人，開發出具有更高熱導率、更多品種的適用于電機、電子、LED封裝、航天軍事等領域的高端導熱絕緣材料，推動國內電氣絕緣技術的發展。——論文作者：王 文，夏 宇
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