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材料论述

环氧树脂导热绝缘胶的研制和应用

  王铁如      唐国瑾

  【摘  要】 本文从稳定热传导方程式出发，讨论了导热系数K与材料本身相联系的因素，从而在环氧树脂树脂、固化剂和导热绝缘填料的选择组合处理上进行了一定的试验，取得了性能优异的环氧树脂导热绝缘胶的配方。并对方程式中的b传热介质的厚度和S散热的接触面积，结合具体的器件与散热构件的组合进行了讨论，取得了良好的散热效果，解决了一些实际问题。。
【关键词】 热设计  导热  绝缘  工艺方法

一、前言

    随着电子元器件和电子设备向薄、轻、小方面发展，导热、散热绝缘材料就成为一个至关重要的问题。一般的电子元器件，当温度超过允许的工作温度8℃时，寿命就要降低50%。有资料报导：功率管结点温度在300℃时，只能工作半个月，当结点温度降至150℃时，寿命为10年。由此可知，热设计的好坏，将对电子元器件、电子设备的寿命和可靠性产生非常重要的影响。有人曾设想，如果在热设计上下一番功夫，在试验的基础上，将目前电源功率普遍只有达到40％的状况，若能提高到80％，则两套变为一套，占地空间也缩小一半，所产生的经济效益是相当可观的。

    在热设计中，如果我们能提供一些好的导热绝缘的材料和使用的工艺方法，那么热 设计师就会创造出更好的成绩来!为此，我们进行了导热绝缘胶的研制和使用方法的探讨。

  二、从基本的散热方程式出发，讨论材料、结构形式和工艺方法

稳定热传导的方程式

Q＝（K÷b）×s(t，一t。)

Q＝（t1－t2）÷b＝△t÷R         R＝b÷（k×s）

    Q——单位时间的传热量，以W瓦表示；

    R——热阻，  度／瓦；

    b——传热层的厚度；

    S——传热层的面积。

    Q：单位时间的传热量与热阻成反比。即与导热系数数成正比，与散热面积成正比，与导热层的厚度成反比。

  下面我们将分别讨论。

  1，导热系数K

    K与传热方式有关，我们只讨论稳定热传导的K值，它主要与配方选用和自制的材料所发生的一系列化学反应形成的固体物质有关。

    (1) 对于有机绝缘的高分子材料来说，材料的导热系数取决于所含极性基团的多少和极性基团偶极化的程度，这种极化所需的时间为10－9秒，一般极性高聚物都有这种极化。如聚酰亚胺所含极性基团多，且易极化，所以它的导热性好，为O.376W／m.k。而聚四氟乙烯相反，它为无极性，应该是导热性差，但由于C—F结合紧密整个结构密实导热系数处于中间状态为0.25w／m—k，而绝缘性能特别好，Pv＞1017Ωcm。

    我国大量使用的双酚A型环氧树脂，在分子结构中含有羟基和环氧基，导热系数为O.21～O.26w／m.k，也是处在中间状态。但由于它具有高的粘结性能、高的强度、高的绝缘性能和良好的工艺性，用它作为配方中的基体树脂是完全可能的。我们对多种树脂进行了比较，测量其绝缘电阻，选用绝缘电阻大的树脂。见表1。

  表  1

  (2) 树脂的交联密度关系着高温下的强度和导热系数的大小。因此选择好固化剂是配方的关键之一。为了使胶在室温下固化，高温下使用。对国内多种固化剂进行了比较，现摘录部分数据来说明。见表2。

  表2

  从强度和绝缘电阻来看，WA-905+固化剂比较高，因此选择WA-905+固化剂为乙组分。

(3) 导热绝缘填料的加入是改善胶的导热性的关键。从有关资料上查到，导热性与物质结晶的晶格形状有关，即原子核互堆聚的形状有关。导热性的规律是面心立方紧堆晶格＞六方紧堆晶格＞体心立方晶格。因为前两种的晶格占全部体积的74 ％，而第三种则＜68 ％。晶格相互接触的面积也符合上面所排的顺序。如Aa、Ag、Cu、Al都是面心立方紧堆晶格，这也是它们导热性好的原因。无机物中的碳化硅、氧化铍为六方紧堆晶格，导热性也很好。( 碳化硅的导热系数为6.25～9.59W／m.k)(氧化铍的导热系数为216W／m．k) 我们选用面心立方紧堆晶格的氧化铝和六方紧堆晶格的氮化硼进行试验，数据如表3。

表  3

  从上表的数据可知，Al2O3和BN导热系数很相近，但所配的导热系数相差2.5倍。原因是Al2O3加入到胶中的量要比BN多得多，因此胶的导热系数不仅取决于填料本身 的导热系数，而且还取决于颗粒面积及表面易湿润的程度，最后我们确定了一种导热绝缘的填料。配方的基本情况如下：

环氧树脂     100   

活性稀释剂   10～50

填  料       lOO～300

固化剂       10～50

    所做样品送东南大学热工试验室测试数据，见表4。

    从上述数据可以看到，两批七个样品温度从75℃～117℃经过重复测试，在O.87～1.145之间，平均值为1.04，最高值为1.15，最低值为O.87，两者平均值为1.01，设计时作为1W／m.k比较适合，工作温度设在90℃～105℃。温度再高会要减小一些。

    2，方程式中的b是材料的厚度，与热阻是成正比的，b值越大热阻越大。在热设计中要根据设备、电路和功能块的结构组合形式，尽量减少其厚度。

  表4

  功率管→空气层→导热酯→空气层→导热绝缘薄膜→空气层→导热酯→空气层→散热器。

这种组合形式有四层空气层，两层导热酯，一层导热绝缘薄膜。

空气的导热系数在70℃干空气为O.0258W／mk。与W-3导热胶1.15W／m．k相差44.6倍，导热酯的导热系数为O.46W／m.k(北京航空航天部材料研究所)两者相差2.5倍。如果将导热级绝缘挖空，W-3导热绝缘胶涂在空心上。这样空气层由四层变成为两层，导热绝缘的薄膜也省掉了，可以说厚度要减少一半，加上w-3导热胶有些流动性，可以湿润表面，总的散热效果应该好得多。

    举例：某企业将W-3环氧树脂导热绝缘胶应用于大功率管3DD9D导热，与用KDZ-2导热酯和聚酰亚胺薄膜(O.05厚)导热进行对比：

    方法：功率管与冷板之间用一层O.05导热薄膜框，框内涂环氧树脂导热绝缘胶。

    试验结果(环境温度19℃)，正电源输出电压25V，电流5A

    调整管集电极与发射极之间的电压UCO＝10.5V

    管壳温度65℃，管壳近处冷板温度58℃，温差7℃，而同样条件下，管子采用KDZ-2导热酯和聚酰亚胺薄膜管壳温度73℃，管壳近处温度61℃，温差12℃。

    两者的管壳温度相差8℃＝(73℃一65℃)按专家推荐的8度定理，管子寿命将延长一倍。

    由于这次膜框中心涂胶厚了些，如果控制在O.05mm则效果会更好。

三、扩大接触面S

    对于一些大电流低压变压器来说，铁损和铜损所产生的热要尽快散失掉，以免造成热破坏热击穿。

    浙江某企业在生产外销的变频器时，其中有只变压器电流密度设计为9A，通常设计为2.5A～3A。电流密度太大，发热很厉害，他们用了多种材料没有解决问题，一般通电O.4～O.5h，变压器就冒烟被烧坏了。

    解决的办法是将铁芯的热量由铝板导向底座。铝板与铁芯用导热胶粘合；而线包的热是导向外壳。方法是在绕线时，涂导热胶，每绕一层刷一层胶，由于胶未固化时其绝缘电阻很大，可省去导热不好的绝缘簿膜，增加了导热胶与铜线的接触面，排除了大部分空气，将其热量导向外壳(金属的)。结果变压器的工作温度稳定在120多度，闯过了热散不掉的难关，得到了外商的认可。用这个办法解决了浸渍工艺和灌注工艺所不能解决的问题。因为浸渍料导热系数小，散热不好。同时浸渍在绝缘层和导线间产生气泡，导热也不好，将产生局部热损坏。

    某国雷达中的磁场线圈，功率比较大，它在磁场线圈中装有铜管，通冷水冷却，但由于采用的无溶剂漆浸渍工艺，线圈中间有气泡，工作一段时间在有气泡的位置上热击穿。我们分析了是这个原因，采用导热胶涂刷在线匝间，既保证了绝缘，又改善了导热，使整个性能超过原来的产品，获得了某国用户的赞赏。

    总之，环氧树脂导热绝缘胶在电子元器件、电子设备中和其它需要散热的地方，有着重要的作用。但是它必须由热设计在结合具体的器件、设备采用不同的组合形式和不同的工艺方法发挥作用。

    参考文献（略）