BEI XIANG , Ph.D.
高级应用开发工程师
Momentive Technologies
Strongsville, Ohio 44149
摘要
含有氮化硼（BN）的热管理材料具有热传导性、电绝缘性、低热膨胀系数和低密度等特点。 随着相关产品尺寸缩小和输出功率增加， 如电信、电动汽车和 LED 照明等领域的电子设备，业界迫切需要更高性能的材料来应对散热的挑战。 Momentive Technologies 生产多种类型的 BN，以满足热管理方面的不同需求。
BN 是最有应用价值、前景的填料之一，针对电子设备中的热管理聚合物材料，它可以在保证电绝缘的同时提高热导率。 团状 BN 的导热性能在各向同性方面高于板状的 BN。 本文研究了混料条件对团状 BN 形态的影响，而团状 BN 形态则对复合材料成品的导热性能至关重要。 研究表明，填充了相同比例团状 BN 聚合物的复合材料，其最终热导率可能会因混料条件的不同而相差 4 倍之多。
介绍
随着越来越多的高功率芯片被集成到电动汽车、5G 通信、LED 照明等领域的小型电子设备中，功率密度也随之大幅提高。 在这些集成度不断提高的电子设备中，有效热量至关重要。若内部热量积聚，会迅速降低设备的性能，甚至导致故障。 而随着许多移动电子设备的微型化，主动冷却技术逐渐无法满足设备热管理的需求。 增强型被动散热解决方案受到更多的关注，加上对封装整体减重的要求，促使设计人员开始研发新一代高性能、轻质的导热材料，以用于电子设备的不同组件，如导热界面材料（TIM）、外壳材料、散热片和散热器[1]。
近几十年来，硅树脂和环氧树脂等热固性聚合物一直被广泛用于制备导热界面材料。 由于聚合物具有热绝缘性（导热系数约为 0.2 W/m⋅K），Al2O3、ZnO 等陶瓷填料被开发用于改善聚合物复合材料的导热性。 然而，随着高性能电子设备热管理对 TIM 的导热性能要求越来越高， TIM 制造商面临着巨大的挑战。 相较于其他常用的陶瓷填料，h-BN 具有最高的平面热导率（>300 W/m⋅K）和最低的介电常数。 然而，h-BN 热导率的各向异性极大地限制了由 BN-聚合物材料制成的 TIM 在所需方向上的导热性能。 为了解决这个问题，研究人员开发了由大量微小板状的 BN 团聚成型的团状 BN。 由于组成团状 BN 的微小板状 BN 排列无偏向且相对随机，因此团状 BN 各个方向上的导热性能会非常接近。 填充了团状 BN 的聚合物 TIM 实现了全方向上热导率（TC）的显著提升[2]。 在实际生产过程中，混料条件会对 BN 形态产生影响，并进一步影响 BN 复合材料的性能。为了使 BN 填料用户获得更高的导热性能和流变性能， 我们研究了混料条件、BN 形态与最终聚合物复合材料导热性能之间的相关性。
研究与结果
BN 形态对复合材料导热性能的影响
Momentive Technologies 的 h-BN 粉末有两种主要形态：板状和团状。 在团状 BN 中，存在形状不规则或接近球形的团聚体。 在硅树脂中加入交联剂，在 SpeedMixer 中以 3500 rpm 的速度搅拌 30 秒，按规定的含量（wt% 或 vol%）混合各种尺寸和形态的板状 BN 和团状 BN。 然后将混合物在压缩模具中固化，生产出厚度约为 0.5 -1.3 毫米的垫片，以便使用 Netzsch Laser Flash LFA447 进行通面热导率测量。 图 1 展示了填充 40wt% 板状 BN 和 40wt% 球形团状 BN 制成的 BN-硅树脂复合材料，在通面和平面两个方向上 TC 的比较。
混料条件对 BN 聚合物通面热导率的影响
PTX60 是一种特殊的 BN 粉末，其颗粒接近球形。 如图 1 所示，这些球形团状 BN 具有极佳的各向同性导热性能。 然而，在与聚合物的共混过程中，若使用高剪切力的共混条件，部分团状 BN 可能破裂成微小的板状 BN，导致填料整体粒径减小并丢失团状的形态。 如图 2 所示，当使用 SpeedMixer 与硅树脂混合时，不同的混合速度和时间组合会导致不同程度的团状 BN 破裂。 BN 形态的变化对最终复合材料的通面热导率产生了极大的影响。 在不同搅拌转速和时长的混料条件下，添加相同 BN 配方的复合材料的通面热导率 TC 值各不相同，最低值和最高值之间存在高达 4 倍的差异。 这些结果表明，在用团状 BN 填料混合聚合物时，选择适当的混料条件非常重要。
(a)
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测试数据和结果。 实际结果可能有所不同。
图 1. (a) 球形团状 BN 与板状 BN。 (b) PTX60、PTX25、PT371 和 PT350 是具有不同大小和形态的团状 BN，而 PT110 和 PT120 是板状 BN。
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测试数据和结果。 实际结果可能有所不同。
图 2. (a) 混料搅拌速度和时长对团状 BN 形态的影响。 (b) 混料搅拌速度和时长对通面热导率的影响。
参考资料
[1] Z. Carl，”电子封装热管理复合材料的进展”，JOM，1998 年 6 月，第 50 卷第 6 期，第 47-51 页。
[2] L. James，J. Peter，”导热界面材料及其使用方法”，美国专利 5，213，868 A，1993 年 5 月 25 日颁发。
