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电子产品为什么需要散热,如何散热?

2024.06.12 11:21:10   Clicks

近年来,随着电子技术的飞速发展,电子器件的特征尺寸已由微米级急剧缩小到纳米级,而集成度却以每年40%~50%的高速度递增。目前市场上电子行业常用的导热界面材料有导热硅脂等。什么是导热硅脂?



导热硅胶


导热硅胶是一种导热性能优良的硅基材料,通常被用作导热材料或导热界面材料。它由硅胶基体和导热填料组成,通过填充导热材料(如金属氧化物、金属颗粒等)来增强其导热性能。导热硅胶具有良好的导热性、电绝缘性、柔韧性和耐高温性能,因此在电子器件、散热器、LED灯具、电脑CPU等领域得到广泛应用。


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1、电子设备为什么要散热?


电子设备工作时损耗的电能主要转化成热能,造成电子设备温度升高和热应力增大,严重影响电子设备的可靠性和使用寿命,因此需要散热器将这些残余热能尽快散发出去。在这个散热过程中,导热界面材料起着至关重要的作用。导热材料主要用来填充电子设备与散热器接触时产生的微缝隙和不平整的表面孔洞,降低热传递的热阻。


随着以高频、高速率为特征的5G时代的到来以及5G技术的日趋成熟,智能穿戴、无人驾驶汽车、VR/AR等各类无线移动终端正在大力发展,硬件零部件不断更新换代,导致功耗大幅提升,发热量也大幅增加;5G无线移动终端的天线数量也达到了4G无线移动终端的5~10倍。5G无线移动终端还采用了陶瓷、玻璃等不屏蔽5G信号的新型材料外壳,但这些材料的散热性能比金属弱,因此需要导热性能更优的材料。同时,5G通信基站的建设也需要大量的散热片。界面材料才能起到快速散热的作用。因此,一方面,电子技术的最新发展为导热界面材料开辟了全新的应用领域,使得导热界面材料在各类电子产品中的作用越来越重要,成为电子散热工程中的重要材料,且未来的使用量仍将大幅增加;另一方面,电子产品的不断更新换代,对产业链相关的导热界面材料提出了全新的性能要求和技术挑战。



导热硅胶


2、导热硅胶的成分是什么?


硅凝胶是一种液体与固体一起存在被称为“固液共存材料”的特种硅橡胶,为高分子化合物构成网状结构,具有独特的性能。在固化前一般分为A、B双组份,在铂金属化合物的催化下,导热有机硅树脂基体上的乙烯基或丙烯基,与交联剂分子上的硅氢基团反应而成。整个反应为加成硫化反应,不产生副产物,因而无收缩。导热硅橡胶是直链状聚有机硅氧烷,具有较高的摩尔质量(一般在148000g/mol以上)。 


3、导热硅胶片的特点有哪些?


R通常为甲基,但为了改善或提高某些性能,也可引入其它基团,如乙基、乙烯基、苯基、三氟醛基等,R ′为羟基或烷基,n代表链节数。聚硅氧烷分子中的主链由Si-O-Si键组成,其主要性能有:


(1)物理化学性能稳定,基本与温度无关,可在50~250 ℃温度范围内使用,电绝缘性能和耐高低温(-50~250 ℃ )性能优良

(2)无需底漆或表面处理剂,就能物理粘附于最常见的电子设备或其他材料的表面,并且固化过程中不会产生副产物或收缩。

(3)该体系无色透明,作为灌封料使用时容易观察灌封​​元件的内部结构,在半固化状态下固化后,对许多被粘物具有良好的粘结性和密封性,耐冷热交变性能优良。

(4)可操作时间长,双组份混合后不会很快凝胶化。加热会促进固化,固化时间可通过调节固化温度灵活控制。自流平性好,便于流入电路中微元件之间的细微点。

(5)针对不同的应用场景,可灵活调整凝胶的硬度、流动性、固化时间等性能,也可添加制备成具有阻燃性、导电或导热性的硅凝胶。

(6)自修复能力好,受外力作用出现裂缝,具有自动修复的能力,同时起到防水、防潮、防锈的作用。


4、硅胶的透油性怎么样?


在硅凝胶硫化时为固液共存状态,交联密度较低,因此生产出来的导热硅凝胶很容易出现渗油问题,从而污染电子器件,降低其长时间工作的可靠性,为了在提高硅树脂导热率的同时,需要避免渗油的产生。导热硅凝胶交联密度越大,渗油量越小。这是因为交联密度影响导热硅凝胶体系中,更多的有机硅大分子相互反应交联成完整的网络结构体系而具有流动性,而未交联的树脂基本不存在,即使有微量的完整的网络结构体系存在,在单位体积内形成密集的交联点,未交联的树脂在运动时与网络结构产生较大的摩擦系数,阻止了未交联树脂的流动,阻碍了未交联树脂的流动,从而减少了渗油量。


5、硅胶的粘接力怎么样?


在一些应用场合,例如电池模组的PET膜与铝合金之间,对导热硅胶的黏附性有一定的要求。导热硅胶的黏附性能主要与凝胶的黏度和本体强度有关,凝胶的黏度决定了其在粘接界面的黏附强度的大小,而本体强度则决定了凝胶本身被破坏时所需要的力,也就是通常所说的凝胶的粘结力。黏附力的大小取决于产生的胶体由界面的黏附力和胶体的内聚力之较小决定的。若胶体的黏附力小于胶体本身被破坏时所需的内聚力,则发生界面破坏,黏附力的大小主要取决于胶体的黏附力即粘度;若胶体的黏附力大于胶体本身被破坏时所需的内聚力,则发生内聚破坏,黏附力的大小主要取决于胶体的内聚力。



导热硅胶


6、如何使用导热硅胶?


(1)航空电子设备


某型航电交换机低温数据包丢失故障是由于原设计时使用的导热垫片局部应力过大造成的。导热硅脂、导热胶、导热垫片等传统介质材料相比,导热硅脂作为一种新型导热界面材料,在高低温性能试验、碰撞安全试验、连续振动试验等多项针对性试验中取得了较好的试验效果,可以应用于航电产品的生产中。


(2)5G电子设备


新型导热硅胶材料的使用既可以增强热能的传导效果,又可以实现热能的传导,相比传统导热材料,新型导热硅胶材料在电子元器件的应用上可以有效提高信号传播的效率,促进新型导热硅胶材料的优质应用。


(3)动力电池


动力电池绝大多数采用锂离子电池,具有能量密度高、使用寿命长等优点,但也存在较大的安全隐患。在电动汽车正常行驶过程中,锂电池可能承受的影响包括持续振动、大的温度变化、雨水浸泡等。在电池故障和交通事故(如碰撞、落入河流)中,电池可能承受的影响包括局部短路、过载、强烈的机械冲击、浸入水或其他液体、火灾等。因此,在复杂在复杂甚至意外的环境下,锂电池可能遭受的影响虽然不如其他电池严重,但可能会更加严重。因此,在复杂甚至意外的环境下维持锂电池的安全运行,保障电动汽车驾乘人员的安全是各方追求的目标。如果使用导热阻燃硅胶对动力电池单体进行封装,可以大大提高动力电池组的安全性能,导热硅胶可以起到防水密封、阻燃密封、散热减震固定等作用。