5G时代的导热难题：氮化铝虽好，但怎么用才是关键！
2020-12-17 14:27:34
从2019年到现在，5G的火越烧越旺。但在大家都称道5G基站的小型化时，不知道你们有没有想过，“更小的体积+更大的功率”所带来的热量效应，到底要怎么解决呢?
5G基站和4G基站的对比
备注：AAU(有源天线单元)功耗的大幅度增加是5G功耗增加的主要原因。据统计，5G基站的单站功耗大约是4G单站的2.5~3.8倍，但由于5G设备的内部空间只有4G设备的30%，因此5G设备的热量密度会是4G设备的近10倍。
这么巨幅的热量密度提升，传统的导热垫片显然是搞不定的，也难怪5G市场会对超高导热率垫片有这么高的需求。但问题就来了，超高导热垫片真的那么好制作吗?
导热关键：填料
理论上，一个最为理想的导热垫片应该具备以下几个要求：“高导热系数”、“低模量硬度”和“工艺的实现度”。虽然这三个要素很难同时达成，但在实际生产中，最最最起码也要满足第一条，不然还有什么脸叫“导热垫片”呢?
在导热垫片中，导热性远大于基质材料的导热填料是其主要的导热载体。填料在应用时很关键的一点是它的填充量——当填充量比较小时，每个填料颗粒彼此离散，不能形成有效的热量通路，此时导热率非常低;而当填充量达到一个临界点时，填料之间开始有了相互接触和作用，在体系中形成类似链状和网络的结构，称为导热网链。当这些导热网链的取向与热流方向平行时，就会在很大程度上提高体系的导热性。
因此对于导热复合材料而言，实现更高导热系数的关键就是添加更多的导热填料，保证能在导热垫片的两个界面之间能搭起一个传导热量的走廊。但是!导热填料的添加量是有上限的，到达一定程度后，不管再加多少它的导热率都不会有太大的变化，会继续变化只有垫片的硬度。
所以为了得到更高导热率的导热垫片，就需要靠更高导热率的填料。氮化铝(AlN)就是在这种情况下脱颖而出的，不仅导热率远超氧化铝等传统填料，热膨胀系数小，而且还是电绝缘体，介电性能良好，是5G通信领域不可多得的导热干将。
高纯的AlN粉体
AlN填料的应用难题
但是氮化铝虽好，却有一个致命缺陷——它是一种极易吸收水分和氧的材料，一接触到水分和氧，就会水解氧化，失去其导热散热的性能特性。正是这个难题，制约了氮化铝在导热领域的发展。而且AlN超细粉末，在未经过表面处理和改性的情况下，很难与高分子材料混合均匀，这样就很难形成一个良好的导热通道、互穿网络。
氮化铝的水解过程：AlN+3H2O=Al(OH)3↓+NH3↑
显而易见，AlN想扛起导热填料主力军的大旗，首先要解决的就是它水解、氧化、难分散的问题。目前主流的方法是对粉体表面进行相应的物理吸附或化学处理，在AlN颗粒包覆或形成较薄反应层，阻止AlN粉末与水的水解反应。主要方法有包覆改性法、表面化学改性法、热处理法等等。
1.包覆改性法
包覆改性是一种应用时间较久的传统改性方法，是用无机化合物或有机化合物对AlN粉体表面进行包覆，对粒子的团聚起到减弱或屏蔽作用。用于包覆改性的改性剂有表面活性剂、无机物、超分散剂等。
①表面活性剂法：根据AlN粒子表面电荷的性质，采用加入阳离子或阴离子表面活性剂，改变粉体分散体系中气液、固液界面张力，在粉体表面形成碳氧链向外伸展的具有一定厚度的包覆层。
②无机包覆改性：AlN粉末无机表面改性就是将无机化合物或金属通过一定的手段在其表面沉积，形成包覆膜，或者形成核一壳复合颗粒，使改性粉体表面呈现出包覆材料的性质。
③超分散剂：超分散剂在两亲结构上与传统的表面活性剂类似，但以锚固基团和溶剂化链取代了表面活性剂的亲水基和亲油基。锚固基团能通过离子键、共价键、氢键及范德华力等相互作用以单点或多点锚固的形式牢固吸附于粒子表面，其溶剂化链则可以通过选用不同的聚合单体或改变共聚单体配比来调节它与分散介质的相容性。
2.表面化学改性
表面化学改性通过表面改性剂与颗粒表面进行化学反应或化学吸附的方式完成。将聚合物长链接枝在粉体表面。而聚合物中含亲水基团的长链通过水化伸展在水介质中起立体屏障作用，这样AlN粉体在介质中的分散稳定除了依靠静电斥力又依靠空间位阻。效果十分明显。
①偶联剂改性：偶联剂是一种同时具有能与无机粒子表面进行反应的极性基团和与有机物有反应性或相容性的有机官能团的化合物。它的作用是其一端能与粉体表面结合另一端可与分散介质有强的相互作用，因此可以提高AlN粉体与聚合物材料的亲和性，实现粉体在聚合物材料中的分散。
②疏水化处理：疏水化处理是选择有疏水化基团(如长链烷基、链烃基和环烷基等)的有机物围绕在AlN粉体表面，使烷基等牢固地结合在粉体的表面，呈现出较强的疏水性。
③表面接枝改性法 表面接枝聚合是通过化学反应将高分子链接枝到AlN粉体的表面，可以显著改善粒子在有机溶剂或聚合物中的分散性。
④无机酸改性 利用磷酸、磷酸二氢盐等对AlN粉末表面进行处理，发现不仅能够使AlN抗水解并且还能加强粉末的分散性。AlN悬浮液的值随时间的变化关系和AlN在水中的稳定性取决于所用的无机酸试剂。
3.热处理法及其他方法
热处理法则是通过对粉末进行热处理，使其表面发生氧化生成致密的氧化铝保护膜，从而产生抗水解性。
其它改性方法也比较多，例如通过高能处理、超声波、胶囊化改性等也可以对AlN粉体进行表面改性。通常这些方法同其它方法相结合，对粉体的表面改性效果更佳。
总结
解决掉“水解、分散”这几个心腹大患后，改性AlN粉体就能很好的与高分子材料混合，形成很密实的导热通道与互穿网络，最大程度地起到导热、散热功效，应用之路一片光明。比如说以下的这些，都是它的重点应用领域：
①导热硅胶和导热环氧树脂;
②导热塑料PA、PPS、PE、PC;
③高导热硅橡胶、氟橡胶;
④熔炼有色金属和半导体材料砷化镓的坩埚、蒸发舟、热电偶的保护管、高温绝缘件、微波介电材料、耐高温及耐腐蚀结构陶瓷及透明微波陶瓷制品;
⑤其他：聚酰亚胺树脂，LED散热，导热绝缘云母带，导热脂，高导热绝缘漆布以及导热油、高导热槽绝缘，高导热的浸渍树脂等。
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