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高导热涂层也是一种加强电子器件散热的绝佳方式
日期:2021-12-30    浏览次数:
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电子设备及集成电路的缩小化、智能化,元器件密度和功率不断增加,使得电子设备的高效散热成为行业的发展重点。目前,针对提高电子器件及设备导热性能,可以采用导热硅脂等热界面材料,以及向基体材料中添加具有高热导率的导热填料,来提高散热效率,且其应用较为广泛。另外可以将金刚石、石墨烯、碳纳米管作为增强相来制造复合材料,虽然其热导率最高可达600 W/(m·K),但其制备工艺复杂,制作成本较高,因此实际应用较为困难

另外,也有一些企业推出导热涂层的方案,即在器件及设备的外表面喷涂一层高热导率、长期服役的高导热涂层,热量会先以传导散热的方式到达涂层表面,依靠涂层的导热、辐射的共同作用,快速散失热量,使物体表面和内部温度下降,最终实现降温散热的目的

高导热涂层也是一种加强电子器件散热的绝佳方式

导热涂层的分类及性能特点

目前,导热涂层根据制备方法和材料体系,分为三大类。

第一类包括以喷涂技术制备的金属基纯铜涂层、金属基金刚石/铜复合涂层、金属基纳米氧化铝-4%碳纳米管复合涂层、金属基石墨烯复合涂层。制备导热涂层的喷涂技术主要包括冷喷涂、超音速等离子喷涂和热喷涂技术。

高导热涂层也是一种加强电子器件散热的绝佳方式

热喷涂技术

第二类是以磁控溅射技术制备的金属基单层、复合SiC涂层以及Si基表面沉积的AlN涂层、DLC涂层。磁控溅射技术制备导热涂层时,通过调整涂层沉积温度、涂层厚度及优化界面结构等方式,可提高涂层的热导率,进而提高导热性能。

高导热涂层也是一种加强电子器件散热的绝佳方式

磁控溅射技术

第三类是在非金属基硅脂、有机树脂中添加氧化铝二氧化硅氮化硅、氮化铝、氮化硼颗粒为填料制备的导热涂层。这主要是因为颗粒具有较高的热导率,可以更好地提高涂层的热导率。

在器件或设备表面涂覆导热涂层,通常需要发挥如下作用:

1)高导热率涂层的导热能力主要由热导率决定,在基体表面沉积一层具有高热导率的涂层,可以提高器件或设备的导热性能

2)抗腐蚀性。导热涂层涂覆在设备外表面,在使用过程中会被腐蚀,严重影响设备的使用寿命。因此,为了减小腐蚀带来的影响,导热涂层应具备抗腐蚀性;

3)表面结合强度良好。在实际使用过程中,涂层可能会因为震动、磨损等使用环境,发生开裂和剥落,进而影响设备或器件的导热能力,最终影响设备的正常运转,因此导热涂层需要具备结合强度高的特点。

导热涂层制备技术

一、冷喷涂技术

冷喷涂是一种金属喷涂工艺,但是它不同于传统热喷涂,它不需要将喷涂的金属粒子融化,所以喷涂基体表面产生的温度较低,通常不会超过150。由于喷涂温度较低,发生相变的驱动力较小,固体粒子晶粒不易长大,氧化现象很难发生。因而适合于喷涂温度敏感材料如纳米相材料、非晶材料、氧敏感材料(如铜、钛等)、相变敏感材料(如碳化物等)

冷喷涂技术具有喷涂温度低、涂层孔隙率低、涂层致密度高等特点,用其制备高导热涂层可以实现高热导率。这是因为空气是热的不良导体,其在封闭状态下的热导率只有 0.023 W/(m·K),所以降低涂层的孔隙率,提高致密度有利于实现高热导率。

目前主要以铝合金为基体,喷涂纯铜粉末及铜复合粉末制备高导热涂层。

研究表明,通常厚涂层的热导率比薄涂层的热导率高,将涂层进行退火处理后,涂层的孔隙率进一步降低,致密度进一步提高,随着退火温度的升高,热导率也会相应的增加。

 高导热涂层也是一种加强电子器件散热的绝佳方式

冷喷涂厚薄Cu涂层致密度对比

二、热喷涂技术

制备高导热涂层的热喷涂技术,主要有等离子喷涂技术、超音速火焰喷涂技术及爆炸喷涂技术。热喷涂基体材料不受限制,可以是金属和非金属,也能在各种各样基体材料上实现喷涂,操作流程较简便,但由于热喷涂涂层有着特殊的层状结构和若干微小气孔,涂层与底材的结合通常是机械方式,其结合强度较低。在许多情况下,热喷涂可以造成相变、一部分元素的分解和挥发以及一部分元素的氧化。

高导热涂层也是一种加强电子器件散热的绝佳方式

热喷涂技术原理

目前喷涂粉末主要有铜粉、钨/铜混合粉末、金刚石/铜混合粉末、氧化铝粉末、氧化铝/碳纳米管混合粉末等,采用不同质量分数的混合粉末制备涂层会导致涂层的热导率不同。

值得一提的是,热喷涂技术将喷涂粉末加热至熔化或半熔化的状态,在喷涂过程中会产生应力(主要是热应力和压应力)。喷涂温度较高,导致热应力产生,且粉末撞击基体表面产生压应力,在热应力和压应力的共同作用下,会造成涂层物相的转变,导致整体热导率的降低。

此外,不同粉末的制备方法也会影响涂层的热导率,因此通过热喷涂技术,选取高导热率、熔点高的粉末来制备高导热涂层,会取得更好的散热性能。

高导热涂层也是一种加强电子器件散热的绝佳方式

气雾法与球磨法制备粉末的涂层性能对比

三、磁控溅射技术

磁控溅射是物理气相沉积(Physical Vapor Deposition,PVD)的一种。一般的溅射法可被用于制备金属、半导体、绝缘体等多材料,且具有设备简单、易于控制、镀膜面积大和附着力强等优点,后来更是实现了高速、低温、低损伤。磁控溅射能精准控制膜层厚度,既可以沉积金属膜层,也可以沉积非金属膜层、化合物膜层,只是通常气体离化率较低,溅射率需要提高

目前主要通过非平衡磁控溅射、真空磁控溅射、直流磁控溅射、高能脉冲磁控溅射及射频磁控溅射等磁控溅射技术沉积AlN、Ge、SiC薄膜,制备高导热涂层。

对于磁控溅射技术制备高导热涂层,沉积温度越高,则涂层致密度越高,从而提高涂层的整体热导率。此外,涂层厚度对热导率的影响也很大,随着涂层厚度的增加,热导率提高,但热导率不会随着涂层厚度一直增加。并且在制备过程中,涂层材料的结构对涂层的热导率也有一定的影响,通常晶体结构的热导率高于非晶体的热导率。

高导热涂层也是一种加强电子器件散热的绝佳方式

磁控溅射制备涂层的原理图

四、涂料技术

对于涂料技术制备高导热涂层,对热导率影响最大的因素是填料本身的热导率及填料的级配。通过添加具有高热导率的填料及调节混合填料之间的级配,可以有效地提高涂料涂覆后涂层整体的热导率

高导热涂层也是一种加强电子器件散热的绝佳方式

但涂料技术制备导热涂层的热导率并不是特别的高,这可能是由于本身基体的热导率很低,添加具有高导热填料后,填料不能均匀地分布在基体中,不能形成完整的导热通路,降低涂层整体的热导率。理想的制备高导热涂层的涂料技术应选取高导热颗粒,并能在基体中分布均匀,通过一定的排布方式在基体中形成完整的导热通路。


总结

通过对比四种制备导热涂层的方法可以发现,基于冷喷涂技术特点制备的导热涂层具有优异的导热性能,且喷涂温度低,具备一定的生产优势。但目前对于冷喷涂技术制备高导涂层主要以喷涂铜粉为主,想要在电子电器设备中使用,电绝缘性还不能满足要求

为了满足小型化、微型化电子设备及电子电路的散热需求,基于冷喷涂制备高热导率且绝缘性良好的导热涂层,可以采取分层技术制备复合涂层,在基体表面先喷涂一层绝缘的粉末,再喷涂具有高热导率的粉末;或者是采用绝缘颗粒包裹铜粉,制备具有绝缘、高导热、耐腐蚀、结合强度高的高导热涂层。这将突破目前高导热涂层的应用限制,实现高导热涂层的进一步发展。


参考来源:

高导热涂层制备及其性能研究进展林宁李伟青康嘉杰秦文波岳文佘丁顺王成彪1.中国地质大学(北京)工程技术学院;2.中国地质大学(北京) 郑州研究院;3.中国地质科学院郑州矿产综合利用研究所)。

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