微电子、电子、电力设备的热管理,探索下一代导热胶粘剂研发

2024-01-27 11:06
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移动电子设备需求的增加带来了新的设计挑战,越来越强调机械强度和热管理能力。随着基板尺寸缩小和操作环境变得更加坚固,集成产品设计必须克服散热的挑战,同时保持抗震性。

导热胶粘剂的应用是电子工程中切实有效的热管理解决方案,但目前还没有得到充分的应用。

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两个组件通过导热胶粘合后的热传递

粘合剂可以覆盖较大的表面积,从而提供必要的热传递并形成耐用的结构接头。相比之下,其他的绝大多数导热材料 (TIM),如导热油脂、相变材料或聚合物垫,都需要机械紧固。而焊接,虽然能提供机械稳定性,但其焊接温度过高会损坏精密的元器件及设备。

传统的导热粘合剂和灌封应用包括:在微电子、芯片键合、封装和传感器灌封中安装散热器。此外,电力电子、电气和电力工程、LED 灯、太阳能设备、热交换器和汽车部件等非传统应用的需求不断增长。以这种广泛应用为代表的产品除了具有不同的机械性能外,还具有独特的要求和加工参数。在这些设备里面,导热胶粘剂的应用可以弥合不同组件之间的热失配。

01 导热胶成分配方

导热粘合剂通常由单组分或双组分环氧树脂以及其他材料组成。环氧树脂的优点是热稳定性、化学稳定性和结构稳定性,缺点是固有热导率很差,为 0.2-0.3 W/mK,但当环氧树脂填充陶瓷或金属粉末(如氧化铝、氮化硼、铝或铜)时,传热显著增加,这些颗粒的整体热导率介于 30 和 > 300 W/mK 之间。

应用一个简单的混合规则,人们可能会得出结论,50% 环氧树脂和 50% 热填料的混合将导致复合材料具有平均导热率,但不幸的是,情况并非如此。此外,热导率并不取决于填料的导电率,而是取决于填料与环氧树脂的相对比例。3关于填充聚合物的复合热导率已有大量研究。一个广为人知的模型是 Lewis 和 Nielsen 发现的方程:

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其中,λ C 是复合材料的热导率,λ M 是基体的热导率,方程的右边部分由各种参数组成,其中 f 是填料的体积分数。参数 A、B 和 c 考虑了填料的颗粒形式、热导率和最大可能的填充密度。

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使用该方程生成的数据表明,填料的体积分数应为 50% 或更多,以实现高于 1 W/mK 的热导率。更重要的是,无论填料分别具有 10、100 或 1,000 W/mK,都会出现相似水平的热导率。

考虑到这些特性,想最大限度地提高热导率需要高比例的填料含量。然而,高比例的填料颗粒会降低胶粘剂的流动性。此外,当填料取代环氧树脂时,机械强度可能会受到影响。因此,导热胶的开发团队必须在热导率和加工参数之间找到折衷方案。

02 应用实例

在微电子组件中,导热胶粘剂是连接和保护组件(例如芯片连接、底部填充、封装和散热)的既定方法。环氧树脂的热稳定性高,应用于温度敏感部件,使它们可以承受回流焊接并提高操作稳定性。

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LED 芯片的热管理

当前一个不断增长的应用趋势是 LED 芯片的热管理(通过导热胶粘合LED芯片与散热器)。每台 LED组件功率消耗 > 500 mW,其中只有 20% 的能量转换为可见光。大部分的能量转换成了热量。而LED组件温度必须保持在 120°C 以下。在高温下,灯的光输出和使用寿命都会降低,工作温度每增加 1°C,LED 的使用寿命就会显着缩短。

通过导热胶粘剂将 LED 芯片安装到散热器时,热量得到了非常有效的散发。

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使用导热胶后,LED组件工作期间的热图像,最高温度约为 66°C

温度传感器的密封

导热胶的另一个应用是电子产品中温度传感器的灌封或密封。导热粘合剂充当有效的防水、防潮密封剂,并能够在传感器和环境之间实现良好的热传递。

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涂有导热密封剂的温度传感器

电动汽车领域的应用

近几年,对电动和混合动力汽车电池、电机和燃料电池的创新制造概念的需求开始增加。这种需求可以通过使用导热胶粘剂来解决,包括动力电池的连接和灌封,电动机的组装和线圈灌封,加热和冷却管道的安装等。

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电力工程中的应用

同样,通用电力工程中的组件和组件也有应用,包括太阳能热设备或热交换器。胶粘剂可实现传统焊接和焊接中的压力配合和导热接头,但可避免加工过程中的高热负荷以及随后的变形或变色。此外,可以无限制地连接复杂的材料组合,如铜和铝。

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铜管与铝板热连接

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