加载中...

点击这里给我发消息

QQ群:417857029

常识

导热胶粘剂在微型电力电子器件热处理中的应用

来源:互联网2018年09月06日

阅读次数:

  作者:Arno Maurer博士,研发工程师,Polytec PT Polymer Technologies公司

  导热胶粘剂是一种在电力电子器件热处理中尚未得到充分利用的解决方案

  移动电子设备需求的增长带来了新的设计挑战,越来越强调机械强度和热处理能力。基板尺寸缩小和操作环境变得更加的复杂,集成产品设计必须克服散热的挑战,同时保持耐冲击性。1导热胶粘剂已经被证明是一种在电力电子器件热处理中尚未得到充分利用的解决方案。

导热胶粘剂在微型电力电子器件热处理中的应用

  图1说明了导热胶粘剂连接两个组件热表面的热量转移到更冷的区域。粘合剂可以覆盖大部分表面区域,从而提供必要的传热界面和形成一个耐用的结构缝。相比之下,大多数其它热介质材料(TIM)像热油脂、相变材料或高分子垫都不能满足组件需要的机械稳固性能。焊接是个例外,能够提供机械稳定性,但其处理温度远高于胶粘剂解决方案。

  传统的导热胶粘剂封装应用包括:芯片焊接,安装散热器的微电子封装、传感器封装。此外,随着电子和电力工程、LED灯、太阳能设备、热交换器和汽车零部件的发展,越来越多的新型电力电子设备有着与以往不同的需求。导热胶粘剂在这些产品方面具有广泛的应用,除了满足不同的力学性能,还有独特的要求和具有挑战性的工艺参数,比如粘合剂可以连接热导系数不匹配的组件。

  组成与特性

  导热粘合剂通常由单或双组分环氧树脂和其它系统组成,如硅树脂。环氧树脂的优点是耐热性好、强度和化学稳定性好。通常,环氧树脂(如聚合物)的热导率很低,为0.2-0.3W/mK。当环氧树脂填充陶瓷或金属粉末如氧化铝,氮化硼,铝或铜,传热大幅增加,这些填料粒子的体积热导率在30-300W/mK范围之间。

  通过一个简单的复合规则,人们可能会得出这样结论:50%的环氧树脂和50%的导热填料的共混物,可能会产生在一个具有平均导热率的复合材料,但是事实并非如此。此外,热导率不取决于填料的导热性,而是在于环氧树脂中填充的相对比例。填充聚合物复合材料导热性能的研究已经有很多,Lewis和Nielsen发现的一个公认的模型方程:

导热胶粘剂在微型电力电子器件热处理中的应用

  这里:λC是复合材料的热导率,λM是基质导热系数,方程右边部分包含各种参数,ϕ是填料的体积分数。参数A,B,ψ考虑填料颗粒的形式,热导率,和可能的最大堆积密度。

导热胶粘剂在微型电力电子器件热处理中的应用

  根据这个方程所得到的数据显示,填料的体积分数应达到50%以上,热导率才高于1W/mK(见图2)。更重要的是,无论填料的热导系数是10,100或1000W/mK,复合导热系数都在类似水平,没有太大分别。

  考虑到这些属性,热导率最大化的目标实际需一个高比例的填充物含量。然而,高比率的填料颗粒降低了胶粘剂的流变性和混合应用性能,还将影响到环氧树脂的机械强度。因此,任何产品开发团队将不得不在热导率和加工性能之间的寻找平衡。

  商用的导热绝缘环氧树脂胶的导热系数一般在1-1.5W/mK,填充金属粉末的可高达2-3W/mK。制造商的规格差异体现在非标准化的参数,如粘结层厚度、固化温度和时间,和界面条件,以及测量原理本身。当开发新产品时,必须考虑。另一个众所周知的问题在于指定的元件和实际热阻材料装配中的热导系数的差异。

  应用实例

  在微电子元器件,导热胶粘剂的实际应用是连接和保护电子元件,如芯片焊接、底充封胶、封装和散热。耐高温环氧树脂胶在使热敏元件加工的应用,使它们可以承受回流焊和提高操作稳定性。

导热胶粘剂在微型电力电子器件热处理中的应用

  越来越多的应用趋势是LED芯片的安装散热器(见图3)。目前的功率发光二极管是电源消耗500毫瓦每单位,其中只有20%的能量转化为可见光。能量的较大部分必须被辐射或消散,以保持电子元件温度低于120℃。温度升高时,灯的光产量和服务寿命将减少。

导热胶粘剂在微型电力电子器件热处理中的应用

  导热胶粘剂在安装LED芯片散热器上的优点是能够提供粘合的整个区域的机械和散热性能,因此,热量消散非常有效。图4显示了一个使用导热胶粘合散热器的电源LED在工作期间的热图像。最高温度约66℃。每增加1℃工作温度,其使用寿命会显著降低。

导热胶粘剂在微型电力电子器件热处理中的应用

  另一个应用是温度传感器的封装或电子封装(参见图5)。导热胶作为密封层,在传感器和环境之间有效的隔离湿度并传导热量。

  近来,新制造概念纯电动和混合动力汽车电池、汽车和燃料电池的需求已经开始不断增长。这种需求可以通过使用导热胶胶粘剂部分得到解决。例子包括动力电池的连接和密封,电机组件和线圈灌封,加热和冷却管道安装等。

导热胶粘剂在微型电力电子器件热处理中的应用

  同样,导热胶粘剂也常应用在一般电力工程组件的封装,包括太阳能传热设备或热交换器。图6显示了一个使用高导热胶粘剂粘结在铝制面板上的铜管。粘合剂取代了安装和导热连接中传统的锡焊和钎焊方法,避免高热负荷在加工和随后的扭曲或变色。此外,在处理如铜和铝等加工困难的材料组合也没有限制。

  新一代导热胶粘剂

  在考虑将来的应用需求时,导热胶粘剂也是相当灵活的。基于前面提到的热导率和填料之间的关系,创建一个新的粘合剂和封装物质的系统测试改进模型;选择一个合适的填料类型后,综合控制几个设计参数(如:粘度和流变特性的树脂基质,填料负载、晶粒尺寸、纵横比、填料粒子的粒径分布和表面属性),就可以优化结果;正确选择添加剂可以提高复合材料的性能;最后,解决需要的粘合性能,机械规格(包括强度)和工作寿命。

  之前的研究结果表明,热导率为2-3W/mK的导热胶粘剂也可以达到完全的电器绝缘要求。在金属材料绝缘强度没有明确要求的情况下,导热胶的热导率最高可以达到>5W/mK。尽管制造商声称已达到了更高的热导率,重要的是要谨慎和严格审查产品规格数据表,及前面提到的测量方法的含糊之处。最重要的是建立一个广泛应用的测试方法,能够方便准确的测试出实际应用的热参数。自行测试的商用产品在表征数值和观测值之间已显示出非常大的差异。

  无关热性能,所有导热粘合剂的包装和加工都有各自的特性。室温或者热固化双组分胶粘剂可储存在单独的容器中,或双盒静态混合器中,或者预混并冷冻包装在胶管中。冷冻预混双组分胶在解冻后准备使用,必须小心处理,以防止气泡形成。单组分胶粘剂更容易处理,因为它们不需要计量或混合,可以存储在冰箱里,在使用前搅拌。

  改进提高导热胶粘剂性能,已经使胶粘剂在特定应用中替代锡焊、钎焊和机械连接越来越有吸引力。不仅在加工应用上,其良好的散热性能改善了最终产品寿命,在环保节能方面也有积极的影响。

  更多信息,联系作者:a.maurer@ polytec-pt.de或者访问网站:www.polytec-pt.com

  致谢

  上述调查由德国联邦经济事务和能源部通过中小企业中心创新项目进行(Zentrales Innovations programm Mittelstand – ZIM)。特别感谢all4-GP北美公司和Mark Goscenski。

  脚注:

  1,Moore, A.L., Shi, L., “Emerging Challenges and Materials for Thermal Management of Electronics,” Materials Today, 17, 4 (2014), 163–174.

  2,Petrie, E.M., Epoxy Adhesive Formulations, McGraw-Hill, New York (2006), 171–182.

  3,Bigg, D.M., “Thermal Conductivity of Heterophase Polymer Compositions,” Adv. Polymer Sci., 119 (1995), 2–39.

  4,Nielsen, L., “Thermal Conductivity of Particulate-Filled Polymers,” Appl. Polymer Sci., 17 (1973), 3819.

  5,Maurer, A., “Adhesives with High Thermal Conductivity and Reliability for Power Engineering and E-mobility,” European Coatings Congress, Nuremberg, April 2015 (accepted).

  • 标签:
相关阅读

本站所有信息与内容,版权归原作者所有。网站中部分新闻、文章来源于网络或会员供稿,如读者对作品版权有疑议,请及时与我们联系,电话:025-85303363 QQ:2402955403。文章仅代表作者本人的观点,与本网站立场无关。转载本站的内容,请务必注明"来源:林中祥胶粘剂技术信息网(www.adhesive-lin.com)".

网友评论

©2015 南京爱德福信息科技有限公司   苏ICP备10201337 | 技术支持:建站100

客服

客服
电话

1

手机:18114925746

客服
邮箱

565052751@qq.com

若您需要帮助,您也可以留下联系方式

发送邮箱

扫二
维码

微信二维码