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时代热点:先进热管理材料
2020年10月09日 发布 分类:技术前沿 点击量:179
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热管理材料,不就是导热材料吗?其实不然,对于电子封装行业、汽车行业、动力电池等行业而言,其内涵应当是:热管理材料与其他控制器件协同保证这些系统工作在适当的温度。

热管理材料

太冷了?太热了?找热管理,给你想要的温度

热管理,包括热的分散、存储与转换,正在成为一门横跨材料、电子、物理等学科的新兴交叉学科。随着电子设备、汽车工业及新能源行业的进步,其热管理系统对于热量分散的速率、热量存储的效率与容量以及热-电等转换的方向及效率等提出了越来越高的要求,因此热管理材料是个热点。下文一起来看看热管理材料类型有哪些。

一、热界面材料(Thermalinterfacematerial,TIM)

热界面材料在电子元器件热管理中有着十分关键的作用,是该学科中的一个重要研究分支。当微电子材料或器件相互接合时,实际的接触面积只有宏观接触面积的10%,其余的均为充满空气的间隙,而空气导热系数低于0.03W/(m.K),是热的不良导体,这会降低系统散射效率。使用具有高导热率和延展性的热界面阿材料填充这些间隙,从而在微电子器件和散热器间建立无间隙的接触,可以大幅度降低接触热阻。

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热界面材料的工作示意图

理想的热界面材料应具备以下几种特性,①、高热性,减少热界面材料本身的热阻;②、高柔韧性,保证在较低安装压力条件下热界面材料能够最充分地填充接触表面的空隙,保证热界面材料与接触面间的接触热阻很小;③、绝缘性;④、安装简便并具可拆性;⑤适用性广,既能被用来填充小空隙,又能填充大缝隙。

聚合物具有高柔韧性、绝缘性的特点,广泛应用于热界面材料。而作为热界面材料,高的热导率是必需的。而通常的聚合物材料以及橡胶材料的热导率都比较低,添加无机填料,比如氧化铝,氮化铝,碳化硅,氮化硼以及碳纳米管等可以有效改善聚合物材料的热导率,但是一直以来存在的问题是:无机填料的加人,会使聚合物材料变脆、变硬,可加工性和柔韧性下降,这些恰恰使得聚合物作为高可加工材料的优势丧失殆尽。目前国际、国内针对材料柔韧性下降这个问题并没有很好的解决方案,通常的做法是使用柔韧性尽量好的聚合物基体材料,另外,在保持材料柔韧性和获得高热导率之间寻求一个良好的平衡。

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①聊一聊电子器件的热界面材料

2、高导热封装材料

电子封装材料作为半导体芯片与集成电路连接外部电子系统的重要桥梁,对电子器件的使用影响重大。为实现电子器件运算速度更快、功能更复杂的要求,其集成度越来越高,尺寸不断减小,热流密度大幅增加,发热、热应力、翘曲等问题随之而来,影响设备的正常使用。

因此,理想的电子封装材料应满足如下性能要求:①导热性好,以保证电子器件正常工作时产生的热量能及时散发出去;②热膨胀系数须与半导体芯片相匹配,以避免在升温和冷却过程中,由于两者不匹配而导致的热应力损坏;③低密度,用在航天、军事等方面,便于携带;④封装材料对电子元器件须起到支撑作用,因此综合的力学性能要好。

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陶瓷基板

电子封装材料种类较多,按使用的材料分类,一般可以分为塑料封装材料、陶瓷封装材料、金属基封装材料。各种封装材料都有各自的优势与不足,随着电子产品对散热要求的不断提高,高导热陶瓷封装材料及金属基复合封装材料将成为热点材料。

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典型封装材料的热膨胀系数及热导率与密度比

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②多层低温共烧陶瓷技术(LTCC),完美匹配高频通信需求

3、蓄(储)热材料

蓄热材料应用技术核心在于调和热能供给与需求在时间和空间上不相匹配的矛盾。蓄热技术目前主要有显热蓄热、潜热蓄热和化学反应蓄热三种,其中潜热蓄热技术的理论基础是物质在各种形式的相变过程中都伴随有蓄/放热现象的原理。

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三种储热技术

其中相变蓄热材料,在储存和释放能量的过程中,温度保持不变或稳定在一定的温度区间内,使其不仅能实现热量储存且具有温度调控功能,是当今蓄热材料的研究热点。这其中,低温蓄热材料(相变温度在60~80℃范围内)广泛应用于太阳能储存,工业余热回收,电子器件热管理以及供暖和空调系统等。

在电子器件热管理的应用案例说明。随着大规模集成电路集成密度的不断提高,电路芯片的发热功率从上世纪70年代10W/cm2上升到现在的102W/cm2量级,因此,如何快速有效地将这些热量及时散出已成为电子产品进一步发展的关键问题。将蓄热密度大,导热系数高的快速热响应相变蓄热材料应用于电子器件的散热装置中,能明显地提高散热性能。

与其工作原理类似的有初中老师常常说的冰水混合物的温度总是0℃,and传说中的55℃杯。

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传闻正经的55度杯是这个原理

有机相变材料(PCM)由烃制成,包括石蜡、脂肪醇、脂肪酸和蜡等。无机相变材料包括熔盐、盐水合物和金属等。另一类相变材料包括有机-无机、无机-无机和有机-有机化合物的共晶混合物。无机共晶混合物适用于高温热存储系统,如集中太阳能热电厂,而有机共晶体适用于低温储热,如维持建筑温度,用于电池组的热管理系统等。有机化合物如石蜡、脂肪酸和脂肪醇具有低熔点(10~60℃),用于低温家用热存储。石蜡是直链烃,具有熔融热高、低蒸气压、化学惰性、无相分离的自发成核等理想特性,是目前研究最多的有机PCM之一。但石蜡热导率只有0.2W/(m•K)通过向石蜡中加入各种高热导率填料形成PCM复合材料是目前研究的一个热点。

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4、高性能热电材料

热电制冷器件利用热电材料的Peltier效应,可以在通入电流的条件下将热从高温端转移到低温端,实现电到热的转化,提高电子模块封装的冷却效果,从而减少芯片结温或适应更高的功耗。理想的热电材料需要高的无量纲优值(zT),即低的热导率、高的功率因子。热电制冷器件具有小巧、无噪音、没有活动部件等优势,另外也可以进行主动温度控制,是固态激光器、焦平面特测器阵列等必不可少的冷却装置。近年来人们希望利用Peltier效应的逆效应即Seebeck效应将汽车尾气等废热转化为电能,实现从热到电的转化。

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n型(a)及p型(b)典型热电材料的无量纲优值zT

工作原理原理:热电制冷技术中,其热电偶是特别制作的N型以及P型半导体以金属铜焊接在一起形成的。结构如下图所示。通电后,直流电从N型流向P型,随后1和4端放热,作为热端,2和3端吸热,作为冷端,电流切换方向后,冷热端也会随之切换。

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5、热管理材料中的复合化

从工程应用的角度而言,对于热管理材料的要求是多方面的。例如,希望热界面材料在具有高热导率的同时保持高的柔韧性和绝缘性;对于高导热封装材料,则希望高的热导率和与半导体器件相匹配的热膨胀率;对于相变储热材料,则希望高的储热能力和热传导能力。为了同时兼顾这些特性,将不同的材料复合在一起从而达到设计要求的整体性能是热管理材料的发展趋势。

通常,影响复合材料热学性能的主要因素有:增强体的物性(热导率、热膨胀率、体积分数、形状及尺寸等)、基体的物性(热导率和热膨胀率等)、增强体/基体的界面特性及增强体在基体中的空间分布(弥散或连续分布)。近来人们已经注意到材料复合构型以及复合界面的微观结构对复合材料的热导率及热膨胀率也有显著的影响,这方面的研究已经成为热管理材料复合化研究的一个主要方向。

参考资料:

1、先进热管理材料研究进展;①哈尔滨工业大学先进焊接与连接国家重点实验室;②郑州机械研究所;何鹏①,耿慧远①②。

2、低温相变蓄热材料研究进展;华南理工大学传热强化与过程节能教育部重点实验室;凌双梅,高学农,尹辉斌等著。

编辑:Alpha


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