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            導熱灌封膠如何提高導熱性能

            2017-07-21 16:50:26 次瀏覽

            在生產制作電子元器件時,電子灌封是電子元器件收尾環節最重要的一步,很多電子元器件為了提高其散熱性能和安全系數都會在電子元器件內灌注一層電子灌封膠,可以說電子灌封膠已經成為電子工業制作過程中不可或缺的重要絕緣材料。

            目前市場上有機硅電子灌封膠品質有高有低,很多人為了節省成本經常會采購價格較低的灌封膠,這是對產品不負責的表現,因為廉價膠里面的硅油大多數是通過回收料里面提取出來的,雖然這樣做能節約成本,不過以這種方式提取出來的硅油活性較低,做出來的灌封膠一般性能較低、品質穩定,灌封在元器件內不會對電子元器件件有太大的好處。

            導熱灌封膠

            電子灌封膠可以改善電子元器件的抗震能力以及防水性能,大大提高電子元器件的可靠性,一些電子產品頻頻發生故障,就是因為沒有在電子產品件內灌注電子灌封膠,因為沒有了電子灌封膠這層導熱材料,所以電子產品工作時所產生的熱量都會聚集在內部,無法高效的散發出去,而且電子灌封膠不僅只有導熱的作用,還具備一定的阻燃能力,一旦溫度過高電子元器件燃燒時,電子灌封膠能第一時間起到阻燃的作用,阻止火勢的蔓延,提高電子元器件的安全系數,并且沒有使用電子灌封膠的電子產品也會很容易遭受到自然環境的侵蝕,使線路快速老化,減短電子產品的使用壽命,所以在電子灌封膠對電子元器件的作用是巨大的。

            常用的電子灌封膠材料有兩種,第一種是環氧樹脂,第二種是有機硅,兩者固化后均有優異的電氣絕緣性能,有些場合可以互換使用,但兩類灌封材料又各有優缺點。 環氧樹脂:在常溫下有優秀的電氣絕緣性能,耐溫范圍較低,只能在-30℃~120℃正常工作,有較好的導熱性和散熱性能,但耐戶外紫外線性能較差、抗老化性能較差、硬度高、抗冷熱交變性能差、防潮性能一般情況下較為優異,不過在冷熱變化的過程中容易出現細小的裂縫導致防潮性能變成差。 有機硅:在常溫下有優秀的電氣絕緣性能,耐溫性高,能在-60℃~200℃正常工作,具有優秀的防潮性能、抗冷熱交變性能、耐戶外紫外線能力以及抗老化能力,固化后多為軟性有擁有優異的導熱性和散熱性能。

            導熱灌封膠導熱系數

            隨著工業生產的發展,許多領域對導熱材料提出了新的要求。能夠為電子元器件提供安全可靠的散熱途徑,又能起到絕緣和減振作用,導熱灌封膠正好滿足了這一要求。但是普通硅橡膠的導熱性能較差,導熱系數通常只有0.2W/m·K 左右。而導熱灌封膠又必須具備導熱的性能,所以一般為了提高其導熱性能一般會采用加入導熱填料的方法。導熱填料的種類有金屬粉末、金屬氧化物、金屬氮化物及非金屬材料。常用的導熱填料有金屬粉末(如Al、Ag、Cu 等)、金屬氧化物(如Al2O3、MgO、BeO 等)、金屬氮化物(如SiN、AlN、BN 等)及非金屬材料(如SiC、石墨、炭黑等)。

            (1)導熱填料對灌封膠導熱性能影響

            一般導熱材料使用最多的導熱填料是Al2O3;而高導熱性能的多采用金屬氮化物,如:SiN、AlN較為常用。導熱材料的熱導率不僅與導熱填料本身有關,而且與導熱填料的粒徑分布、形態、界面接觸、分子內部的結合程度等密切相關。一般而言,纖維狀或箔片狀的導熱填料的導熱效果更好。

              對導熱填料進行表面處理也可以提高填料的導熱性能,利用其與基膠的相容性,增加填充量,就可以實現灌封膠導熱性能大幅度提高。如:采用經硅烷偶聯劑KH-550、A-151、六甲基二硅氮烷、二甲基二甲氧基硅烷表面處理的剛玉粉填充RTV 導熱硅橡膠,材料的熱導率就可從1.16w/(m.K)提高2.10w/(m·K),導熱性能提高近一倍。

            (2)將導熱填料進行超細化和纖維化處理

              如果無機填料的尺寸縮小到納米級,物質本身的導熱性會隨這粒子內部原子間距和結構的變化而發生質的變化。例如:氮化鋁(AlN) 的常規熱導率約為36 W/(m·K),但是如果把氮化鋁(AlN)的粒子體積縮減到納米級的話,其導熱性能可提高到320W/(m·K)。

            經大量實驗證明,當粒徑為5~20μm 的氮化硅(SiN)的用量為150~250 份(基體為100 份)時,RTV 硅橡膠的熱導率為0.9W/(m·K),且物理性能及加工性能良好。相同種類及用量的球形、片狀、纖維填料對硅橡膠導熱率的影響不同,其中晶須對提高硅橡膠的熱導率最有效;球形最差。

            美國化學專家J.Ma 等人發現將各種尺寸的碳纖維加到傳統的A12O3中熱導率提高大約6倍。根據Y.Agari 等人提出的模型,當填料聚集成的傳導塊與聚合物傳導塊在熱流方向平行時,熱導率最高。因此,制造高取向的填料可大大提高硅橡膠的熱導率。美國AMOCO 公司生產的碳纖維K1100,其軸向熱導率高達1100W/(m·K),加上其負的熱膨脹系數、高模量、低密度,使其特別適合于制成高導熱及尺寸穩定或熱膨脹系數匹配的復合材料。

            (3)將不同粒徑分布的導熱填料并用

             當一種粒徑均一的粒子以某種形式堆積,再在其中的空隙中加入另一種粒徑的顆粒時,可使填料顆粒之間緊密堆砌,形成導熱通路。通過特殊的工藝使導熱填料間形成隔離分布態時,即使用量很小也會賦予復合材料較高的導熱性。謝擇民等人采用不同粒徑的αA12O3和SiC 填充硅橡膠,當填料的總用量為55 份時,硅橡膠具有較低的粘度,且硅橡膠硫化后膠料的熱導率可達1.48W/(m·K)。所以我們可以發現填料的熱導率與其顆粒的尺寸比密切相關。

            (4)改善加工工藝

              決定導熱灌封膠導熱性能的另一個主要因素是其生產加工所采用的工藝。液體灌封膠在生產過程中的溫度控制、壓力、填料及各種助劑的加料順序也會對其導熱性能是起決定性作用的。例如:抽真空壓力達不到要求會導致原料內部過多氣泡產生,直接影響灌封膠的使用及導熱性能。導熱填料過多不但不能是導熱系數提高,還直接影響灌封膠的粘連性及流淌性。

            所以復合材料成型過程中的溫度、壓力、填料及各種助劑的加料順序也會對材料的導熱性能產生明顯的影響,如熱硫化硅橡膠的熱導率大多數高于RTV 硅橡膠。這一方面是由于RTV 硅橡要求具有較好的工藝操作性能,所以膠料的粘度不能太大,因此不能加入太多膠的導熱填料

            另一方面是因為RTV 硅橡膠的致密性比熱硫化硅橡膠差,也影響了其導熱性能。因此,通過對填料的種類、加入量及填料與其它助劑比例的優化可獲得導熱性高且綜合性能優越的硅橡膠。


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