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電子產(chǎn)品熱管理
隨著電子產(chǎn)品越來(lái)越走向精細(xì)化，占地面積越來(lái)越小的電子組件設(shè)計(jì)日益復(fù)雜，散熱也變得越來(lái)越重要。新開(kāi)發(fā)的導(dǎo)熱型填料，如硅酸鋁，有助于用于電子產(chǎn)品的塑料滿足要求。
用各種金屬和金屬制冷部件進(jìn)行散熱是人們所熟悉的方式。電子行業(yè)常用鋁散熱片和金屬外殼進(jìn)行被動(dòng)和主動(dòng)冷卻。在這兩種情況下，不可避免地會(huì)產(chǎn)生制造成本高企不下。所需的幾何形狀越復(fù)雜，制造冷卻部件的難度越大。直接大規(guī)模生產(chǎn)復(fù)雜的零部件，如采用熱塑性塑料和熱固性塑料加工用的注塑成型方式，又不適用于金屬。另外，所有金屬都有非常好的導(dǎo)電性，如果某些應(yīng)用不歡迎這種導(dǎo)電性，就必須采取絕緣措施。而這又可能對(duì)導(dǎo)熱性產(chǎn)生不利影響。
物質(zhì)的導(dǎo)熱性能通常用通過(guò)材料內(nèi)部的熱流量來(lái)描述。材料的導(dǎo)熱系數(shù)λ對(duì)導(dǎo)熱性的影響非常大。從表1 可以看出，金屬、具有*導(dǎo)熱性能的材料以及現(xiàn)有熱塑性及熱固性塑料之間的導(dǎo)熱性能的差異非常大（導(dǎo)熱性差異）。
觀察熱傳導(dǎo)過(guò)程中對(duì)流和輻射的存在機(jī)理，如，在空氣中進(jìn)行自由對(duì)流熱傳導(dǎo)，根據(jù)溫度的不同，導(dǎo)熱率處于1.3~5 W/mK 這個(gè)范圍。
輻射反映著物體表面以及相關(guān)部件設(shè)計(jì)的導(dǎo)熱能力，對(duì)散熱也起著至關(guān)重要的影響。為了使塑料能夠彌補(bǔ)與所需達(dá)到的導(dǎo)熱性的差異，必須大幅提高其內(nèi)在的導(dǎo)熱性能。選擇的途徑既可以是本身即（在某種程度上）具有導(dǎo)電性的塑料，或在塑料中添加助劑或填料。 自身導(dǎo)電的塑料是那種在產(chǎn)量和成本方面具有金屬無(wú)法取代的優(yōu)勢(shì)的特殊產(chǎn)品。
首先預(yù)設(shè)添加的助劑或填料可使材料自身帶有很高的導(dǎo)熱性能，這樣，就可以極大豐富塑料的性能。除了需要具有內(nèi)在導(dǎo)熱性外，如果可能，要求聚合物基質(zhì)分散理想，且其填料粒子在滲濾過(guò)程中呈理想的趨同狀態(tài)。這種要求可通過(guò)提高填料含量來(lái)達(dá)到，但是這會(huì)產(chǎn)生諸多劣勢(shì)。如：
● 可加工性，即流動(dòng)性能下降。
● 根據(jù)所用助劑/填料硬度的不同，可增加機(jī)械部件的耐擦損性能。
● 填料含量高，會(huì)造成機(jī)械性能的嚴(yán)重下降，并且，由于填料材料的特定性質(zhì)，如各向異性，會(huì)由于粒子在注塑成型過(guò)程中的取向而產(chǎn)生不成正比的顯著影響。
助劑/填料價(jià)格和供應(yīng)問(wèn)題也不可低估，因?yàn)樗鼈儗?duì)成本的影響也很明顯。
助劑/填料可進(jìn)一步分為兩類(lèi)：
● 可使部件具有導(dǎo)電性的助劑/填料
● 能夠保持塑料絕緣性能的助劑/填料
本文不再對(duì)導(dǎo)電性助劑/填料展開(kāi)進(jìn)一步討論，因?yàn)槭袌?chǎng)對(duì)它們已有足夠的了解。
導(dǎo)熱性能的衡量
位于德國(guó)弗雷興的Quarzwerke 公司分公司HPF The Mineral Engineers開(kāi)發(fā)出了一組Silatherm新型導(dǎo)熱性硅酸鋁填料（見(jiàn)表2）。高填料含量的Silatherm為市場(chǎng)上的各種應(yīng)用提供了的材料加工性能、耐磨性、機(jī)械性能以及性價(jià)比的結(jié)合。Silatherm有不同粒徑和表面改性（硅烷化）形式可供。在需要填料含量高的場(chǎng)合，得到優(yōu)化的聚合物/填料界面尤為重要。
Silatherm 系列填料的性能在與聚酰胺6和環(huán)氧樹(shù)脂的測(cè)試中得到了展示。所有導(dǎo)熱指標(biāo)的衡量均按照ASTM E-1461, DIN 30905和DIN EN 821，用來(lái)自德國(guó)塞爾布Netzsch-Gerätebau公司的 Netzsch LFA 447 NanoFlash進(jìn)行測(cè)量。試樣充分考慮了流動(dòng)/注塑方向，用機(jī)械方式從2mm厚的板上取下。機(jī)械性能測(cè)試按照DIN EN ISO 527, 179和180標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，粘度是用來(lái)自德國(guó)Scherte的Fisher Scientific公司制造的帶主軸結(jié)構(gòu)傳感器的Haake Rheostress 6000流變儀，在60°C條件下測(cè)得。
針對(duì)聚酰胺6及其他材料的試驗(yàn)
高度填充的聚酰胺6復(fù)合材料加工完成后，制成DIN試樣（2mm啞鈴型薄板）。填料含量為65%至75%，每一級(jí)相差5%。隨著填料含量的增加，復(fù)合材料表現(xiàn)出更強(qiáng)的可加工性。不過(guò)，通過(guò)調(diào)整復(fù)合物狀態(tài)發(fā)現(xiàn)，所有不同填料比例的材料均能順利加工，注塑過(guò)程中的表現(xiàn)也不存在問(wèn)題。
為了展示Silatherm產(chǎn)品的機(jī)械性能，試驗(yàn)針對(duì)含有氮化硼、氧化鋁和氧化鎂等其它填料的材料與本案例中填料含量65%的試樣進(jìn)行了機(jī)械性能對(duì)比。填料含量65%的試樣用于評(píng)估對(duì)比產(chǎn)品的可加工性。
在現(xiàn)有加工條件下，氮化硼填料含量的上限是55%。與填充其它材料的試樣相比，填充Silatherm的試樣展現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械性能。通過(guò)使用試驗(yàn)牌號(hào)［Silatherm 1360（試驗(yàn)）AST］填料，試樣可達(dá)到*機(jī)械特性，目前該材料尚處于研發(fā)過(guò)程中。即使在高填充量條件下，Silatherm產(chǎn)品組仍然具有低擦損、高可加工性等特點(diǎn)，并可提供定制飾面。
由于導(dǎo)熱性隨填充量增多而升高，在Silatherm產(chǎn)品組和氮化硼、氧化鋁和氧化鎂填料對(duì)比試驗(yàn)中，采用了75%的填料含量。與對(duì)比產(chǎn)品不同，Silatherm可確保復(fù)合材料能夠維持穩(wěn)定的機(jī)械性能及良好的可加工性（圖2）。
測(cè)量數(shù)值顯示，使用Silatherm產(chǎn)品的試樣達(dá)到了橫向1.3W/mK，注塑方向2.3W/mK的導(dǎo)熱系數(shù)，即填料展現(xiàn)出低各向異性。與此類(lèi)似，使用試驗(yàn)牌號(hào)產(chǎn)品［Silatherm 1360（試驗(yàn)）AST］的試樣獲得了良好的導(dǎo)熱系數(shù)和優(yōu)異的機(jī)械性能。
環(huán)氧樹(shù)脂
相對(duì)于熱塑性塑料，高填充量對(duì)澆鑄/填充樹(shù)脂系統(tǒng)有更大影響。對(duì)于聚酰胺體系，如果填料含量在65%和75%之間，加工相對(duì)容易，且能達(dá)到較好的導(dǎo)熱性能。相比之下，除非調(diào)整顆粒大小和表面條件，環(huán)氧樹(shù)脂體系則會(huì)很快便不能加工。圖3為專為不同顆粒大小和飾面條件的環(huán)氧樹(shù)脂開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品。圖片清晰顯示了導(dǎo)熱性能會(huì)隨著填料含量的增加而升高。
Silatherm 1360-008和Silatherm 1360-007在顆粒大小上有所差異。“EST”符號(hào)代表行業(yè)常用的環(huán)氧硅烷基飾面。“SST”表示在高填料含量下，可降低粘度的新型飾面（圖4）。
針對(duì)澆鑄/填充復(fù)合產(chǎn)品，填料含量為70%時(shí)，實(shí)際上已變成耐切割的澆鑄/填充樹(shù)脂，在普通的重量、真空、壓力等澆鑄模/填充條件下無(wú)法加工。顆粒大小的改變能提升樹(shù)脂材料的可加工性和導(dǎo)熱性。只要顆粒大小和涂布合適，在粘性狀態(tài)下，可達(dá)到適用于所有加工方法的填料含量。
結(jié)論
針對(duì)熱塑性塑料（標(biāo)題主圖）和環(huán)氧樹(shù)脂（圖5）的試驗(yàn)結(jié)果顯示，使用Silatherm帶來(lái)了諸多優(yōu)勢(shì)，包括高導(dǎo)熱性能、不影響電氣絕緣、高填料含量下的優(yōu)異機(jī)械強(qiáng)度、低各向異性、的性價(jià)比。
文章內(nèi)容僅供參考 (投稿) (2015-1-8)
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