电子导热硅胶：这才是我们想要的氧化铝填料！
2020-12-26 09:54:33
在电子产品、电子设备的使用过程中，“热量”的产生不可避免——尤其是随着电子工业的发展，电子元件、集成电路趋于密集化、小型化后，但为了确保产品的使用寿命和质量可靠性，这些热量必须要迅速有效地得以散失。
夏日炎炎，电脑总是发烫
目前来说，最为常用的方法是在电子产品的发热体与散热设施之间的接触面，涂敷具有良好柔韧性、压缩性能以及热传导率的导热硅胶，它们除了起到传热媒介作用外，还具有防潮、防尘、防腐蚀、防震等性能。由于普通硅胶是热的不良导体，因此需要添加适合的导热填料以提高其导热性能，而在无机非金属导热绝缘粉体填料中，最为常见的有：氮化铝、氧化铝、氧化锌、氧化铍、氧化硅、氮化硼等。
与其他填料相比，氧化铝的导热率不高，但也基本能满足“导热界面材料、导热工程塑料以及铝基覆铜板等领域填充剂”的应用，且价格较低，来源较广，填充量较大，是高导热绝缘聚合物的经济适用型填料。不过导热硅胶也不会对所有的氧化铝填料都一视同仁，全盘接受。身为电子业中的关键材料，导热硅胶对氧化铝填料也有自己的一套要求。
1、对形貌的要求
氧化铝填料之所以能够起到导热作用，是因为添加了足够多的填料后，它们能在硅胶基体中相互接触，并在复合材料中形成局部的导热链或导热网。因此为了提高导热材料的导热率，一方面需要填料能在基体中形成导热链或导热网，另一方面则需要提高氧化铝填料自身导热率。
一定范围内，随着氧化铝用量的增加，封装胶的热导率逐步增加（来源：《电子封装用加成型硅橡胶的研制》）
虽说片状氧化铝更易形成导热链和导热网，但由于颗粒和颗粒的接触碰撞大，会导致体系的粘度大且硅胶柔韧性大幅下降，因此并不适用于导热硅胶中，因此当前在高导热绝缘材料中填充的氧化铝形貌主要以球形（类球形）为主。当氧化铝颗粒的球形度越高，其表面能就越小，球的表面流动性越好，与基体搅拌成膜均匀，体系粘度就越低。因此制备成硅胶材料时，填料氧化铝球形度越高，其柔韧性越高。
在提高氧化铝自身的导热率方面，需要从晶体的结晶程度和致密度下手。因为α相氧化铝为六方结构，是氧化铝变体中最为致密的结构，因此氧化铝填料必须具有高的α相含量。制备球形氧化铝通常有两种工艺，熔融法和高温煅烧法。其中熔融法所得的氧化铝颗粒虽然球形度够高，但因为熔融过程在晶体内部往往会形成气孔及空位等晶体缺陷，因此会导致颗粒的致密度降低，从而降低其导热率。而后者是长时间的晶体生长，其结晶发育完整，化学纯度高，颗粒具有非常高的真比重，因此其导热率要比熔融法生产的球形氧化铝高。
2、表面改性
如果说没有球形氧化铝，那么经过表面改性的普通氧化铝填料也不失为一个选择。由于普通氧化铝表面极性较强，在聚合物中难以均匀分散；再加上需要高填充量才能获得较好的导热性能，因此就会导致硅橡胶的黏度增大，同时也大幅降低了硅橡胶的力学性能，使其应用范围受限。因此该如何改善普通氧化铝的表面性能，并提高其在硅橡胶中的填充量就成为了关键。
目前，普通氧化铝的表面改性剂以传统的硅烷偶联剂为主。但根据多项研究结果来看，短链硅烷偶联剂作表面改性剂时，对热导率的提高很有限。因此为了克服短链硅烷偶联剂作表面改性剂时存在的缺陷，程宪涛等采用十六烷基三甲氧基硅烷对氧化铝进行表面改性，改性前后的对比可看下图。
经该硅烷偶联剂改性后，氧化铝粉体分散均匀，颗粒无明显团聚现象存在，粉体棱角减少；而未改性氧化铝颗粒团聚较多，粉体形貌也较粗糙。据分析，改性氧化铝分散性提高可能是因为氧化铝表面包覆一层硅烷偶联剂后，表面极性降低；改性氧化铝表面形貌的改变可能是因为改性时机械力的作用，导致氧化铝表面棱角减少，变得圆滑。总而言之，经过表面改性处理后，确实达到降低氧化铝表面极性、提高其与硅橡胶相容性的目的。
资料来源：
导热绝缘硅胶材料用氧化铝性能研究，李建忠。
氧化铝的表面改性及其在导热有机硅灌封胶中的应用，程宪涛，姜宏伟。
电子封装用加成型硅橡胶的研制，翟金国，凌钦才，谢国庆，李晓雷，王重夕，龚 彦，郭文欣，陈国平。