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氮化铝:导热领域的“显眼包”

AlN有很高的热导率,理论值达到320W/(m·K),是Al2O3的7-10倍,凭借如此高的“散热基因”,氮化铝自然成为了高效散热需求领域的重点关注对象。   

目前来讲,氮化铝在高导热领域的应用主要集中在两个方面:封装基板和导热填料。 

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封装基板AlN:理想的电子封装基片材料      

封装基板主要利用材料本身具有的高热导率,将热量从芯片(热源)导出,实现与外界环境的热交换。对于功率半导体器件而言,封装基板必须满足以下要求:(1)高热导率;(2)与芯片材料热膨胀系数匹配;(3)耐热性好,满足功率器件高温使用需求,具有良好的热稳定性;(4)绝缘性好,满足器件电互连与绝缘需求;(5)机械强度高,满足器件加工、封装与应用过程的强度要求;(6)价格适宜,适合大规模生产及应用。   

目前常用电子封装基板主要可分为高分子基板、金属基板(金属核线路板,MCPCB)和陶瓷基板几类。陶瓷材料本身具有热导率高、耐热性好、高绝缘、高强度、与芯片材料热匹配等性能,非常适合作为功率器件封装基板,目前,常用电子封装陶瓷基片材料包括氧化铝、氮化铝、氮化硅、氧化铍(BeO)等。氮化铝粉和氮化铝基片AlN陶瓷理论热导率很高,其商用产品热导率也可达到为180W/(m·K)~260W/(m·K),热膨胀系数只有氧化铝陶瓷的50%,此外还具有绝缘强度高、介电常数低、耐腐蚀性好等优势。除了成本较高外,氮化铝陶瓷综合性能均优于氧化铝陶瓷,是一种非常理想的电子封装基片材料,尤其适用于导热性能要求较高的领域。


导热填料

随着电子产品及其器件的小型化和高度集成化,散热问题已经成为制约电子技术发展的重要瓶颈,而其中决定散热功效的导热界面材料等导热复合材料更是受到人们越来越多的关注。

目前商业导热复合材料一般由聚合物和导热填料复合而成。由于聚合物的热导率很低,一般小于0.5W/m·K,所以导热复合材料的热导率主要由导热填料决定。目前市场上应用最广泛的填料是以Al2O3等为代表的氧化物填料,但氧化铝的本征热导率只有38~42W/m·K,受其限制,将很难制备出满足未来散热材料市场需求的导热复合材料。   

AlN的理论热导率高达320W/m·K,且具有热膨胀系数小、绝缘性能好、介电常数低、与硅膨胀系数相匹配等优异性能,因此以AlN粉体为填料来制备导热复合材料近年来受到热捧。虽然氮化铝综合性能远优于氧化铝、氧化铍和碳化硅,被认为是高集成度半导体基片和电子器件封装的理想材料,但它易吸收空气中的水发生水解反应,使其表面包覆上一层氢氧化铝薄膜,导致导热通路中断且声子的传递受到影响,并且其大含量填充会使聚合物粘度大大提高,不利于成型加工。

为了克服目前主要有两种对无机颗粒表面进行改性的方法,一种是表面化学反应法,它是小分子物质如偶联剂在无机颗粒表面的吸附或反应。另一种是表面接枝法,它是聚合物单体与无机颗粒表面的羟基发生接枝反应。目前普遍使用的是偶联剂表面改性,如硅烷和钛酸酯偶联剂及其它类型表面处理剂。与表面化学反应法相比,表面接枝法具有更大的灵活性,它能根据不同的特性需求选择满足条件的单体和接枝反应过程。

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东超新材料开发出的球形氮化铝粉体具有高导热率和绝缘性,将其加入树脂或塑料中,能显著提高树脂或塑料的导热性能。氮化铝粉体是一种具有高热传导系数、优良电绝缘性能材料,氮化铝粉体纯度高,粒径小,分布均匀,比表面积大,高表面活性,松装密度低,具有良好的分散性和注射成形性能,可用于复合材料,与半导体硅匹配性好,界面相容性好,能提高复合材料的机械性能和导热介电性能。具有导热率高、填充率高、物化性质稳定的特点。可应用导热垫片、导热凝胶、高导热覆铜板、印刷电路板半固化、导热工程塑料等。

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来源:高导热材料


东超  2025-05-24  |  阅读:29
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