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時代熱點:先進熱管理材料
2020年10月09日 發布 分類:技術前沿 點擊量:93
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熱管理材料,不就是導熱材料嗎?其實不然,對于電子封裝行業、汽車行業、動力電池等行業而言,其內涵應當是:熱管理材料與其他控制器件協同保證這些系統工作在適當的溫度。

熱管理材料

太冷了?太熱了?找熱管理,給你想要的溫度

熱管理,包括熱的分散、存儲與轉換,正在成為一門橫跨材料、電子、物理等學科的新興交叉學科。隨著電子設備、汽車工業及新能源行業的進步,其熱管理系統對于熱量分散的速率、熱量存儲的效率與容量以及熱-電等轉換的方向及效率等提出了越來越高的要求,因此熱管理材料是個熱點。下文一起來看看熱管理材料類型有哪些。

一、熱界面材料(Thermalinterfacematerial,TIM)

熱界面材料在電子元器件熱管理中有著十分關鍵的作用,是該學科中的一個重要研究分支。當微電子材料或器件相互接合時,實際的接觸面積只有宏觀接觸面積的10%,其余的均為充滿空氣的間隙,而空氣導熱系數低于0.03W/(m.K),是熱的不良導體,這會降低系統散射效率。使用具有高導熱率和延展性的熱界面阿材料填充這些間隙,從而在微電子器件和散熱器間建立無間隙的接觸,可以大幅度降低接觸熱阻。

熱管理材料

熱界面材料的工作示意圖

理想的熱界面材料應具備以下幾種特性,①、高熱性,減少熱界面材料本身的熱阻;②、高柔韌性,保證在較低安裝壓力條件下熱界面材料能夠最充分地填充接觸表面的空隙,保證熱界面材料與接觸面間的接觸熱阻很??;③、絕緣性;④、安裝簡便并具可拆性;⑤適用性廣,既能被用來填充小空隙,又能填充大縫隙。

聚合物具有高柔韌性、絕緣性的特點,廣泛應用于熱界面材料。而作為熱界面材料,高的熱導率是必需的。而通常的聚合物材料以及橡膠材料的熱導率都比較低,添加無機填料,比如氧化鋁,氮化鋁,碳化硅,氮化硼以及碳納米管等可以有效改善聚合物材料的熱導率,但是一直以來存在的問題是:無機填料的加人,會使聚合物材料變脆、變硬,可加工性和柔韌性下降,這些恰恰使得聚合物作為高可加工材料的優勢喪失殆盡。目前國際、國內針對材料柔韌性下降這個問題并沒有很好的解決方案,通常的做法是使用柔韌性盡量好的聚合物基體材料,另外,在保持材料柔韌性和獲得高熱導率之間尋求一個良好的平衡。

熱管理材料

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①聊一聊電子器件的熱界面材料

2、高導熱封裝材料

電子封裝材料作為半導體芯片與集成電路連接外部電子系統的重要橋梁,對電子器件的使用影響重大。為實現電子器件運算速度更快、功能更復雜的要求,其集成度越來越高,尺寸不斷減小,熱流密度大幅增加,發熱、熱應力、翹曲等問題隨之而來,影響設備的正常使用。

因此,理想的電子封裝材料應滿足如下性能要求:①導熱性好,以保證電子器件正常工作時產生的熱量能及時散發出去;②熱膨脹系數須與半導體芯片相匹配,以避免在升溫和冷卻過程中,由于兩者不匹配而導致的熱應力損壞;③低密度,用在航天、軍事等方面,便于攜帶;④封裝材料對電子元器件須起到支撐作用,因此綜合的力學性能要好。

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陶瓷基板

電子封裝材料種類較多,按使用的材料分類,一般可以分為塑料封裝材料、陶瓷封裝材料、金屬基封裝材料。各種封裝材料都有各自的優勢與不足,隨著電子產品對散熱要求的不斷提高,高導熱陶瓷封裝材料及金屬基復合封裝材料將成為熱點材料。

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典型封裝材料的熱膨脹系數及熱導率與密度比

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②多層低溫共燒陶瓷技術(LTCC),完美匹配高頻通信需求

3、蓄(儲)熱材料

蓄熱材料應用技術核心在于調和熱能供給與需求在時間和空間上不相匹配的矛盾。蓄熱技術目前主要有顯熱蓄熱、潛熱蓄熱和化學反應蓄熱三種,其中潛熱蓄熱技術的理論基礎是物質在各種形式的相變過程中都伴隨有蓄/放熱現象的原理。

熱管理材料

三種儲熱技術

其中相變蓄熱材料,在儲存和釋放能量的過程中,溫度保持不變或穩定在一定的溫度區間內,使其不僅能實現熱量儲存且具有溫度調控功能,是當今蓄熱材料的研究熱點。這其中,低溫蓄熱材料(相變溫度在60~80℃范圍內)廣泛應用于太陽能儲存,工業余熱回收,電子器件熱管理以及供暖和空調系統等。

在電子器件熱管理的應用案例說明。隨著大規模集成電路集成密度的不斷提高,電路芯片的發熱功率從上世紀70年代10W/cm2上升到現在的102W/cm2量級,因此,如何快速有效地將這些熱量及時散出已成為電子產品進一步發展的關鍵問題。將蓄熱密度大,導熱系數高的快速熱響應相變蓄熱材料應用于電子器件的散熱裝置中,能明顯地提高散熱性能。

與其工作原理類似的有初中老師常常說的冰水混合物的溫度總是0℃,and傳說中的55℃杯。

熱管理材料

傳聞正經的55度杯是這個原理

有機相變材料(PCM)由烴制成,包括石蠟、脂肪醇、脂肪酸和蠟等。無機相變材料包括熔鹽、鹽水合物和金屬等。另一類相變材料包括有機-無機、無機-無機和有機-有機化合物的共晶混合物。無機共晶混合物適用于高溫熱存儲系統,如集中太陽能熱電廠,而有機共晶體適用于低溫儲熱,如維持建筑溫度,用于電池組的熱管理系統等。有機化合物如石蠟、脂肪酸和脂肪醇具有低熔點(10~60℃),用于低溫家用熱存儲。石蠟是直鏈烴,具有熔融熱高、低蒸氣壓、化學惰性、無相分離的自發成核等理想特性,是目前研究最多的有機PCM之一。但石蠟熱導率只有0.2W/(m?K)通過向石蠟中加入各種高熱導率填料形成PCM復合材料是目前研究的一個熱點。

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4、高性能熱電材料

熱電制冷器件利用熱電材料的Peltier效應,可以在通入電流的條件下將熱從高溫端轉移到低溫端,實現電到熱的轉化,提高電子模塊封裝的冷卻效果,從而減少芯片結溫或適應更高的功耗。理想的熱電材料需要高的無量綱優值(zT),即低的熱導率、高的功率因子。熱電制冷器件具有小巧、無噪音、沒有活動部件等優勢,另外也可以進行主動溫度控制,是固態激光器、焦平面特測器陣列等必不可少的冷卻裝置。近年來人們希望利用Peltier效應的逆效應即Seebeck效應將汽車尾氣等廢熱轉化為電能,實現從熱到電的轉化。

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n型(a)及p型(b)典型熱電材料的無量綱優值zT

工作原理原理:熱電制冷技術中,其熱電偶是特別制作的N型以及P型半導體以金屬銅焊接在一起形成的。結構如下圖所示。通電后,直流電從N型流向P型,隨后1和4端放熱,作為熱端,2和3端吸熱,作為冷端,電流切換方向后,冷熱端也會隨之切換。

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5、熱管理材料中的復合化

從工程應用的角度而言,對于熱管理材料的要求是多方面的。例如,希望熱界面材料在具有高熱導率的同時保持高的柔韌性和絕緣性;對于高導熱封裝材料,則希望高的熱導率和與半導體器件相匹配的熱膨脹率;對于相變儲熱材料,則希望高的儲熱能力和熱傳導能力。為了同時兼顧這些特性,將不同的材料復合在一起從而達到設計要求的整體性能是熱管理材料的發展趨勢。

通常,影響復合材料熱學性能的主要因素有:增強體的物性(熱導率、熱膨脹率、體積分數、形狀及尺寸等)、基體的物性(熱導率和熱膨脹率等)、增強體/基體的界面特性及增強體在基體中的空間分布(彌散或連續分布)。近來人們已經注意到材料復合構型以及復合界面的微觀結構對復合材料的熱導率及熱膨脹率也有顯著的影響,這方面的研究已經成為熱管理材料復合化研究的一個主要方向。

參考資料:

1、先進熱管理材料研究進展;①哈爾濱工業大學先進焊接與連接國家重點實驗室;②鄭州機械研究所;何鵬①,耿慧遠①②。

2、低溫相變蓄熱材料研究進展;華南理工大學傳熱強化與過程節能教育部重點實驗室;凌雙梅,高學農,尹輝斌等著。

編輯:Alpha


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