导热绝缘胶的研究和应用

1. 导热绝缘胶的研究和应用 南京宇越材料科技有限公司 王铁如

2. 前言　　　随着军事和工业技术的发展，如航空航天信息交通能源等各项领域。特别是能源热能的传递、转换、利用是一个永恒的课题。这个课题研究得好，将使装备的可靠性大提高，寿命大延长，能源大节省，投资大节约。对国家的经济利益和国家安全起着十分重要的作用，有关热能的传递、转换、利用问题，涉及的内容多，十分复杂。本文命题：导热绝缘胶的研究和应用。前言　　　随着军事和工业技术的发展，如航空航天信息交通能源等各项领域。特别是能源热能的传递、转换、利用是一个永恒的课题。这个课题研究得好，将使装备的可靠性大提高，寿命大延长，能源大节省，投资大节约。对国家的经济利益和国家安全起着十分重要的作用，有关热能的传递、转换、利用问题，涉及的内容多，十分复杂。本文命题：导热绝缘胶的研究和应用。

3. 一、导热绝缘胶的研究和应用

4. 首先从散热方程式出发，进行探讨。 • dQ=K（t2-t1）S/L • dQ 散热速率（单位时间传递的热量） • K 导热系数w/mk • （t2-t1） 两点之间的温度差 • S 散热面积m2 • L 散热介质的厚度m • K、L需要进行讨论研究

5. 2.1对K导热系数进行研讨： K除了胶本身的导热特性外，还与相连上下两个介质的材料特性表面状态有关。

6. 2.1.1导热胶配方的粘度特性：即胶（树脂）导热性质与粘度有着密切的关系，其组成的配方粘度应是尽量的小，这样可以加入更多的填料。配方由树脂、增韧剂、稀释剂、固化剂及导热填料组成，总体分为甲、乙两个组分或是单组分。要使粘度尽量的小，必然是靠活性稀释剂达到目的。关键点是二官能与三官能按照一定比例搭配，做到既稀释了树脂，又不影响胶的总体强度。通过试验，基本认为二官能比三官能为2:3较合适。2.1.1导热胶配方的粘度特性：即胶（树脂）导热性质与粘度有着密切的关系，其组成的配方粘度应是尽量的小，这样可以加入更多的填料。配方由树脂、增韧剂、稀释剂、固化剂及导热填料组成，总体分为甲、乙两个组分或是单组分。要使粘度尽量的小，必然是靠活性稀释剂达到目的。关键点是二官能与三官能按照一定比例搭配，做到既稀释了树脂，又不影响胶的总体强度。通过试验，基本认为二官能比三官能为2:3较合适。

7. 2.1.2导热胶的导热填料的选择 • 金属导热填料列表如下：

8. 非金属氧化物、氮化物、碳化物填料列表如下：非金属氧化物、氮化物、碳化物填料列表如下：

9. 　　对于导热导电胶而言，选择Ag、Gu、Al、Ni、Zn、Sn、石墨为多，根据不同用途和价值进行选择。对于导热绝缘胶而言，根据用户的需要来选择，选用Al2O3、 SiO2、AlN、BN、Si3N4为多。为提高导热填料的加入量和效率，采用表面偶联剂处理的办法，改善表面状态、增加润湿效果，取得了一些成效，能提高20%~30%，但由于工艺过程较多，成本增加很多，很少真正采用。

10. 本公司曾对Al2O3、BN、ZnO等进行过配方试验比较。选用BN和ZnO晶须搭配取得了较好的效果。BN为绝缘型导热系数很高的填料，再以ZnO晶须1%~2%搭配。由于ZnO晶须为晶须结构，并有四个分枝镶嵌在BN和胶液中，从而明显提高了胶的导热系数，并对其他性能不产生负面效用。本公司曾对Al2O3、BN、ZnO等进行过配方试验比较。选用BN和ZnO晶须搭配取得了较好的效果。BN为绝缘型导热系数很高的填料，再以ZnO晶须1%~2%搭配。由于ZnO晶须为晶须结构，并有四个分枝镶嵌在BN和胶液中，从而明显提高了胶的导热系数，并对其他性能不产生负面效用。

11. BN颗粒大小有较大影响 • 当BN颗粒为5μm时，加入同样的配方中，λ=1.08w/mk。 • 当BN颗粒为15μm时，加入同样的配方中，λ=1.72w/mk。 • 当BN颗粒为15μm时，加入1%~2%的ZnO时，λ=2.20w/mk。

12. 例如： • 甲组分 环氧树脂 20g • BN（15μm） 28g • 乙组分 胺类固化剂 10g • 稳态法测得导热系数为1.72w/mk。

13. 由于导热填料价格较贵，胶的价格也有较大的提升。采用的客户不多。为此选用价格较低的，导热系数适中的Al2O3作为填料，由于添加量较大，导热系数取得了较好的效果。由于导热填料价格较贵，胶的价格也有较大的提升。采用的客户不多。为此选用价格较低的，导热系数适中的Al2O3作为填料，由于添加量较大，导热系数取得了较好的效果。

14. 例如 • 甲组分 环氧树脂 50g • Al2O3 173g • 乙组分 胺类固化剂 10g • 稳态法测得导热系数为1.92w/mk。

15. 导热胶的应用 • 1·单组分胶胜过双组分胶 • 这是因为用户使用胶时，工具设备简单，操作过程带入空气，产生气泡。空气的导热系数为0.01w/mk，导热性很差，对性能影响较大。

16. 2·导热绝缘胶应保持一定的流动性，使其能浸润表面赶走部分空气，提高传热效果。如能允许涂胶后抽真空排气，那就更能取得好的效果。用户往往忽视这一过程，导热系数1.1w/mk与0.7w/mk相比，结果是0.7w/mk流动性好的达到了要求。2·导热绝缘胶应保持一定的流动性，使其能浸润表面赶走部分空气，提高传热效果。如能允许涂胶后抽真空排气，那就更能取得好的效果。用户往往忽视这一过程，导热系数1.1w/mk与0.7w/mk相比，结果是0.7w/mk流动性好的达到了要求。

17. 3·重视导热胶均匀性和厚度的一致性，为保证厚度的一致性，应加强提高对工装模具的认识并认真设计制造其工装夹具，确保厚度的一致性。涂一个灯的导热绝缘胶容易，但是在一个较大的印制电路板涂多个灯的导热绝缘胶，要求厚度的一致性，没有合理的设计工装夹具，可以说是根本做不到的。如果没有做到，温升不一样，超过允许的温度，灯泡就不亮。造成整个印制板上的灯泡作废，损失就会很大。曾经有个单位发生了此类事件，负责人认为是操作人员没有操作好，实际是忽视了工装夹具的结果。3·重视导热胶均匀性和厚度的一致性，为保证厚度的一致性，应加强提高对工装模具的认识并认真设计制造其工装夹具，确保厚度的一致性。涂一个灯的导热绝缘胶容易，但是在一个较大的印制电路板涂多个灯的导热绝缘胶，要求厚度的一致性，没有合理的设计工装夹具，可以说是根本做不到的。如果没有做到，温升不一样，超过允许的温度，灯泡就不亮。造成整个印制板上的灯泡作废，损失就会很大。曾经有个单位发生了此类事件，负责人认为是操作人员没有操作好，实际是忽视了工装夹具的结果。

18. 导热绝缘胶未来展望

19. 1·加强对导热材料的导热机理研究，南京宇越材料科技有限公司与相关的单位，已经研究出一个绝缘性好，，而导热系数超过金属铜的七倍材料作为填料。目前是达到世界领先的水平。它的导热机理，顶尖的专家也无法解释，这就是理论研究落后于实际开发。1·加强对导热材料的导热机理研究，南京宇越材料科技有限公司与相关的单位，已经研究出一个绝缘性好，，而导热系数超过金属铜的七倍材料作为填料。目前是达到世界领先的水平。它的导热机理，顶尖的专家也无法解释，这就是理论研究落后于实际开发。 • 　　　过去我们对金属的导电性，导热性的认识是从金属键这点出发。认为自由电子气把金属阳离子“胶合”成金属晶体，金属晶体中金属原子间的结合力就叫金属键。由电子气组成的晶体其导电性、导热性很好。而对于金属氧化物如BeO、B、N、Si、C等元素组成的晶格物质，是以晶格理论来解释其绝缘性、导热性的，对于新出现的这种材料，目前尚无法解答。

20. 2·为什么一些绝缘的材料，导热系数达到金属铜的水平如BN，但做出的导热胶只达到2~2.5w/mk，由此推断是否在填料表面吸附了空气，因空气的导热系数是有0.01w/mk。如何除去填料表面吸附了空气，则是一个值得研究的非常重要的问题。这既有理论问题，又有制造胶液的设备问题。2·为什么一些绝缘的材料，导热系数达到金属铜的水平如BN，但做出的导热胶只达到2~2.5w/mk，由此推断是否在填料表面吸附了空气，因空气的导热系数是有0.01w/mk。如何除去填料表面吸附了空气，则是一个值得研究的非常重要的问题。这既有理论问题，又有制造胶液的设备问题。

21. 3·在使用中如何结合实际，产生局部真空，使其与上下两面的介质浸润、密封。所谓天衣无缝。3·在使用中如何结合实际，产生局部真空，使其与上下两面的介质浸润、密封。所谓天衣无缝。

22. 4·导热系数测试方法的研究 • 目前有稳态法和热流法（瞬态法）两种，准确性据有关单位说误差5%~10%，有的说10%~20%。

23. 有如下几个原因： • 1·样品制作的稳定性差，样品两个表面状态难以一致性。 • 2·样品中的气泡难以排除。多数样品由于粘度大，抽真空排除气泡有困难。 • 3·测温传感器不灵敏，与样品表面接触差，不稳定。同一个样品在同一个地方测试，有时相差50%~80%。在不同单位测试相差30%~50%是常事。

24. 南京宇越材料科技有限公司导热胶的市场应用 • 　我领导的团队研发的导热绝缘胶在航空，军工，电子等行业均有广泛应用： • 　　　如中国航天科技集团公司第五研究院502所SADA中心的太阳帆板驱动机构，我们的导热胶对于提高产品的绝缘性能，散热性能具有明显的效果，到目前为止，已有100余台产品随60余颗卫星发射应用，应用效果良好； • 　　　中航工业西安计算技术研究所（631所），机载、弹载带冷板的计算机模块，我们的导热绝缘胶用在集成电路的IC器件底部和冷板之间的粘结，与国内外其他导热绝缘材料相比，性能稳定，质量可靠，工作温度、导热系数指标均满足他们产品生产和使用要求，以稳定合作二十几年；

25. 　　　中国电子科技集团公司第三十八研究所的机动三坐标雷达、相控阵雷达上，我们公司的导热绝缘胶主要用于雷达上的关键部位——磁场聚焦线圈上，解决了大功率雷达磁场线圈发热量大、温度高及在有限的空间里散热困难的难题；　　　中国电子科技集团公司第三十八研究所的机动三坐标雷达、相控阵雷达上，我们公司的导热绝缘胶主要用于雷达上的关键部位——磁场聚焦线圈上，解决了大功率雷达磁场线圈发热量大、温度高及在有限的空间里散热困难的难题； • 　　　南京铁路电子仪器厂的铁道客车轴温传感器，外露在空气环境中，随列车运行经纬度跨度大，使用环境较恶劣，温湿度变化大，所以轴温传感器对灌封导热质量要求比较高。他们先后试用了多厂家生产的灌封导热胶，最后选用了我研发的EAW-1701型环氧型导热胶，导热、绝缘、防水效果明显，大大提高了他们产品的绝缘检测合格率，明显降低了故障率，提高了产品质量。

26. 最后欢迎大家来我们公司考察交流，一起为国产胶粘剂产品的技术提高做出贡献。最后欢迎大家来我们公司考察交流，一起为国产胶粘剂产品的技术提高做出贡献。