电子材料中的无机功能填料三剑客
2020-12-26 09:54:49
电子设备在工作期间所消耗的电能，比如射频功放，FPGA芯片，电源类产品，除了有用功外，大部分转化成热量散发。电子设备产生的热量，使内部温度迅速上升，如果不及时将该热量散发，设备会继续升温，器件就会因过热失效，电子设备的可靠性将下降。随着电子设备的安装密度增大，有效散热面积减小，设备温升严重地影响可靠性，因此，对热设计的研究显得十分重要。
以无机功能超细化填料作为增强组元与高分子聚合物材料进行复合，能赋予复合材料导热绝缘或环保阻燃等功能。应用于电子材料的无机填料有很多，下文将对电子材料较为常见的三大类无机功能填料：氧化铝，硅微粉和氢氧化铝的应用做简要介绍。一、氧化铝应用于导热绝缘复合材料
随着集成技术和组装技术的快速更新，电子元器件、逻辑电路的体积越来越小，迫切需要散热性好的高导热绝缘材料。
说到零件密度大，智能手机最有话语权，烫手的手机估计不少人都有体会过。键盘机的时候，死机的时候应该不多，现在会烫手会死机的智能机真不少，这其中散热不良便是一个大问题。
有机硅橡胶特殊的柔软硅氧链结构，决定了其具有耐高温、耐低温、耐高电压、耐老化、耐辐射、耐候等优异的性能，其作为热界面材料广泛应用于散热膏，灌封胶和电子粘合剂。普通硅橡胶的热导率通常只有住0.2W /m·K 左右，加入导热填料可提高硅橡胶的导热性能。Al2O3便是是最常用的导热填料，填充于聚合物中，在保持聚合物材料低介电常数的同时，能降低聚合物的热膨胀系数，提高聚合物的热稳定性和导热性能。
球型氧化铝是极好的导热填料，价格合适，导热能力还行(图片来源：江苏联瑞)有机化处理让氧化铝的导热能力锦上添花
众多研究表明，小粒子比大粒子更有利于提高硅橡胶力学性能。但超细化氧化铝的粒径较小，具有较高的表面能，容易团聚，直接添加到聚合物中不利分散，反而使材料性能下降。因此，在实际应用过程中需要对超细氧化铝粉体进行改性处理，已提升氧化铝粉体的分散能力。
促进微细粒子的分散可通过三种方式实现：1、增大颗粒表面电位，提高颗粒间静电排斥作用;2、通过添加高分子分散剂在颗粒表面形成吸附层，产生并强化位阻效应;3、增强颗粒表面对分散介质的润湿性提高界面结构比，加大溶剂化膜的强度和厚度，增强溶剂化排斥作用。
工业上常用钦酸脂和硅烷偶联剂对超细Al2O3进行表面有机化处理，使Al2O3几何表面空间位阻显著增加，同时利用偶联剂的架桥作用改善其与聚合物基材的界面相容性，降低内应力和界面热阻，提升Al2O3的分散效果和复合材料的导热性能。二、硅微粉应用于覆铜板和电子封装
硅微粉具有优异的物理特性，如高电绝缘性、高热稳定性、耐酸碱性、耐磨性等，作为功能填料应用于覆铜板中，不但可降低成本，还能改善覆铜板的力学性能和耐温性。
电子信息时代，无处不在的覆铜板(CCL)
硅微粉作为填充料加入封装树脂中可以降低封装树脂的热膨胀系数降低热应力、降低吸水率、降低成型收缩率、减少树脂溢料、提高机械性能、提高热形变温度和增强耐磨性。在实际生产中不同形态SiO2微粉对封装树脂的性能影响不同，详见下表，应根据实际使用需要选用不同形态的SiO2微粉或复配使用。SiO2微粉的填充量增加使弹性模量增加，但也会导致封装树脂流动性下降，粘度增大， 因此需根据不同封装形式寻找最佳平衡点。
表结晶型、熔融型、球形SiO2粉的性能比较
种类
结晶型
熔融型
球形
导热
好
较好
较好
应力
较大
较小
小
填充性
一般
一般
好
模具磨损
大
中
小
成本
一般
一般
高
三、氢氧化铝应用于环保阻燃材料
近年世界范围内对电子材料的环保要求越来越强烈，无卤阻燃型电子材料势在必行。氢氧化铝又称三水合氧化铝( Al2O3·3H2O)，简称ATH，经超细化后广泛用作合成材料的环保无卤阻燃剂。ATH作为常用的电缆阻燃剂，氢氧化铝阻燃剂具有价格低、阻燃性好等优点。除了常见的阻燃电线需要阻燃剂，其他含有大量易燃塑料材料的制品也是需要具有阻燃能力的，例如电气和电子设备制品、汽车车厢内饰材料，软体家具等聚合物材料在应用时都要具备优秀的阻燃性能。在某欧美国家对软体家具阻燃性能技术法规中阻燃软体家具遭受香烟袭击后，在香烟周围任何方向上的炭化长度不得超过2英寸(51mm)方能称之为合格的阻燃软体家居。
除了爸爸手上的烟头，小屁孩玩火什么也是很危险的了
ATH的阻燃机理：1、ATH受热脱水分解, 吸热量达1967.2J/g, 能有效抑制聚合物的升温和热降解。2、ATH分解释出大量水蒸气能稀释可燃气体, 抑制燃烧蔓延。3、ATH紧密堆积的双层晶体结构能捕捉引发聚合物燃烧的羟基自由基，断绝连锁反应。4、ATH脱水后在聚合物表面形成耐高温致密 Al2 O3保护膜，隔绝空气防止火焰蔓延。5、耐高温致密Al2 O3保护膜还能促进聚合物碳化, 吸附固体颗粒, 抑制浓烟产生。参考来源：
1、无机功能填料在电子材料中的应用研究，佛山市华雅超微粉体有限公司研发工程组，刘俊杰，李俊，庞文键;东莞市松山湖微电子材料研发中心，于宗强，徐安莲等著。