Arno Maurer，Polytec PT GmbH公司

電動汽車、電力電子設(shè)備以及LED照 明系統(tǒng)的發(fā)展推動了對高性能導熱膠黏劑 的需求。導熱粘合可取代錫焊接和銅焊接 （釬焊）。其他類型的膠黏劑可能都是電 絕緣的。新的導熱膠黏劑可改善導熱性與 作業(yè)性能之間的平衡。

導熱膠黏劑是粘接電子元氣件和散熱 器的一種成熟的常用方式，其目的 是為了將熱從一個表面?zhèn)鬟f到另一個表 面。最近，對電動和混合動力車蓄電池、 電動機和燃料電池的創(chuàng)新制造理念的需求 日漸增強、增多。從某種程度上，可使用 導熱膠黏劑來部分解決。

這一理念同樣也適用于電氣和動力工 程中的新型節(jié)能部件，如太陽能裝置、熱 交換器或LED燈。本文介紹了具有較高的熱 導性（3 W/mK以上）的新型膠黏劑和灌封 料方面的發(fā)展情況，在工藝參數(shù)、熱性能 和力學性能方面可根據(jù)以上應(yīng)用領(lǐng)域量身 定制。

電動汽車推動市場發(fā)展

在化石能源日益減少的時代，要確保 生活的舒適性和機動性是面臨的最主要挑 戰(zhàn)。除了開發(fā)和利用可再生能源外，對具 有生態(tài)效益的動力工程和節(jié)能設(shè)備提出了 很高的需求。設(shè)備和車輛的輕量化設(shè)計和熱能管理變得越來越重要，這些都可通過 膠黏劑粘合方案來實現(xiàn)。

隨著電動汽車產(chǎn)業(yè)的強勁增長，預計 在未來5年內(nèi)，燃料電池技術(shù)的份額將不斷 增加，電源市場預計將增長到現(xiàn)在的3倍， 達到約60億美元［1］。預計到2020年，動力 電池的續(xù)航能力將是現(xiàn)在的兩倍，而其重 量和成本則會降低一半［2］。

最重要的是要將批量生產(chǎn)的鋰離子電 池或其他單電池裝配和集成，組成一個安 全、耐用的電池體系（圖1），包括機械固 定、熱能管理、振動衰減以及電子控制。 通過對電池組進行樹脂澆注封裝，能實現(xiàn) 上述要求。液冷系統(tǒng)也需要將冷卻盤管粘 接到電池組托架上。在室溫條件下，適用 的膠黏劑和灌封料必須具有結(jié)構(gòu)強度、良 好的柔韌性、中等密度、介電強度、高導熱性、良好的耐化學性以及快速固化等性 能。除電池之外，對其他電動和混合動力 汽車零部件（如電動機、轉(zhuǎn)換器、控制裝 置以及電力電子設(shè)備）的膠黏劑粘接、密 封和封裝需求也日益增大。

電動機需要對繞組、磁體、轉(zhuǎn)子和定 子進行浸漬和粘接處理。這通常可以通過 使用耐熱環(huán)氧樹脂來實現(xiàn)，環(huán)氧樹脂還應(yīng) 具有導熱性，能提高散熱能力，并使熱應(yīng) 力降至最低。為了使混合電動機具有機械 回彈性、熱能管理、防水和防腐性能，每 個部件需要澆注1 kg以上的樹脂。

電力電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)需求和熱需求

通常，電力電子設(shè)備在車輛、火車、 大型家用電器以及發(fā)電機（如風力渦輪機和太陽能光電板）的供電和控制中，都是 關(guān)鍵部件。大功率半導體裝置必須將數(shù)十 瓦或數(shù)百瓦的廢熱散發(fā)出去。利用散熱器可將熱能從裝置中傳遞到周圍介質(zhì)，就可 以實現(xiàn)上述要求。隨著微型化的持續(xù)發(fā)展 以及性能不斷的提高，為確保元器件高 效、可靠和持久運行，需要對功耗進行更 加有效的熱能管理。

在微電子組件中，導熱膠黏劑是接合 和保護元器件（如芯片膠接、底部填充、封 裝部件和散熱器）的一種成熟的方法［3］。 采用熱穩(wěn)定性環(huán)氧樹脂后，能夠?qū)囟让舾?性部件進行加工處理。可使這些部件耐回流 焊接，并提高操作穩(wěn)定性。在電力電子市場 中，采用導熱膠黏劑是一種成熟的，但還未 充分利用的粘接解決方法。

有一種應(yīng)用趨勢在不斷地增加，就是 在散熱器上安裝高性能LED芯片（圖2）。 目前，每臺功率LED裝置的耗電量超過500 mW，其中，只有20%的能量轉(zhuǎn)變成可見 光，很一大部分能量必須被輻射或消散 掉，才能使部件溫度保持在120 °C以下。 在溫度較高時，電燈的光輸出量和使用壽 命都會降低。

將LED芯片安裝到散熱器上時，導熱膠 黏劑在整個區(qū)域內(nèi)提供了機械粘接和熱粘 接，因此具有更大的優(yōu)越性。熱量得到非 常有效的消散，如圖3所示，該圖展示了功 率型LED在運行中的熱影像。采用導熱膠黏 劑，將LED安裝在散熱器上。最高溫度約為 66 °C。運行溫度每升高1 °C，都會大大降 低LED的使用壽命。

動力工程：取代釬焊和焊接

在通用動力工程中（如車輛、空調(diào) 設(shè)備、發(fā)電廠或工業(yè)加工廠裝置中的太陽 能動力裝置或熱交換器），各種部件和組 件對導熱膠黏劑的需求日益增加。膠黏劑 能形成傳統(tǒng)釬焊和焊接中的壓配和導熱接 縫，同時避免加工過程中產(chǎn)生較高的熱負 荷以及相應(yīng)的變形或變色。

此外，膠黏劑也能夠接合很難接合的 材料（如銅和鋁，甚至是塑料和陶瓷）， 不受任何限制。與機械固定相比，它不需 要采用其他附加部件，如螺釘和夾具，而 且在整個區(qū)域都會發(fā)生熱傳遞。粘接接縫 可進行填充處理，能抵御大部分的加工液 體，包括水、油、制冷劑或氣體。例如， 熱交換器中的管道和U型彎頭可以使用膠 黏劑來固定和密封。圖4展示了一種成熟的 新技術(shù)，其中通過將管道接合到減震器座上，制造太陽能動力設(shè)備。該技術(shù)同樣也 適合混合（光伏和熱組合）模塊。由于膠 黏劑能在室溫下固化，結(jié)構(gòu)中未產(chǎn)生在釬 焊和焊接工藝中常出現(xiàn)的機械應(yīng)力。

導熱膠黏劑的設(shè)計原理

導熱膠黏劑是由單組分或雙組分環(huán)氧 樹脂以及其他體系（如有機硅）組成的。 環(huán)氧樹脂具有熱穩(wěn)定、化學穩(wěn)定及結(jié)構(gòu)穩(wěn) 定等優(yōu)點。同其他聚合物一樣，一般環(huán) 氧樹脂的本征熱導率較低（0.2～0.3 W/ mK）。

當在這些環(huán)氧樹脂中加入陶瓷粉或金屬 粉末（如氧化鋁、氮化硼、鋁或銅）時，能 大幅度提升熱傳導性。這些粉料顆粒的體積 熱導率在30～300 W/mK［4］。在相應(yīng)的復合 材料中，導熱率取決于填料與環(huán)氧樹脂的相 對比例［5］，但并不呈線性關(guān)系。

熱導率的公認公式為Lewis和Nielsen發(fā) 現(xiàn)的以下方程［6］：

式中，λ C為復合材料的熱導率，λM為 基體材料的熱導率，該方程中的其余部 分包含多個參數(shù)，其中Φ為填料的體積分 數(shù)。參數(shù)A 、B 和Ψ 分別代表填料的顆粒形 態(tài)、熱導率及最大填充密度。

通過該方程（圖5）得出的數(shù)據(jù)表明當 填料的體積分數(shù)為50 %或更高時，就足以 達到1 W/mK以上的熱導率。更為重要的是 無論填料的電導率為10W/mK、100W/mK 還是1000 W/mK，發(fā)現(xiàn)體系的熱導率均相 似。

鑒于上述性能，要使熱導率達到最大 值，就需要較高的填料含量比例。然而， 較高的磨料顆粒比例會降低混合和涂敷膠 黏劑所需要的流動性。此外，由于填料取 代了環(huán)氧樹脂，機械強度可能會受到影 響。因此，任何產(chǎn)品開發(fā)團隊都必須要在 熱導率與施工工藝參數(shù)之間找到一個折中 的解決方案。

制造商的測試值未必具有可比性

如果要實現(xiàn)電絕緣的話，市場上可買 到的導熱環(huán)氧樹脂的熱導率范圍為1～1.5 W/mK；當加入金屬粉后，其熱導率可高 達2～3 W/mK。由于采用了非標準化參數(shù) （包括粘接層厚度、固化溫度和固化時 間、接口條件以及測量原理），制造商出 示的技術(shù)規(guī)范中存在較大差異。

測定熱力參數(shù)的方法繁多，因此，重 要的是要確認由簡易測試方法所獲得的營 銷所需的數(shù)據(jù)能必須要能滿足應(yīng)用中的實 際要求。在研發(fā)新產(chǎn)品時，必須考慮到這 一點。

對市售產(chǎn)品進行了測試，結(jié)果顯示 在標稱值與觀察值之間存在明顯差異（表 1）。這些值是按照瞬態(tài)熱橋（THB）法 （用眾所周知的激光閃光法進行了校準） 測定的。

下一代導熱膠黏劑

在考慮未來的應(yīng)用要求時，導熱膠黏 劑應(yīng)具有很大的柔韌性。基于上文所述的 熱導率與填料加量之間的關(guān)系，進行了系 統(tǒng)試驗，開發(fā)出了一系列新型改良膠黏劑 和澆注料［7］。在選定了一種合適類型的填 料后，要控制多個設(shè)計參數(shù)，從而優(yōu)化上 述試驗結(jié)果。這些參數(shù)包括樹脂的黏度和 流變性能、填料添加量、粒徑、長徑比、 粒徑分布以及填料顆粒的表面性能。

正確選擇助劑能增強復合材料的性 能。最后，需要討論所需要的附著力性 能、機械性能（包括強度）以及耐久性 等。前期研究獲得了熱導率為2～3 W/mK 的膠黏劑，同時具有強電絕緣性。圖6展示 了與導熱膠黏劑有關(guān)的一些結(jié)果，這種膠 黏劑采用了不同類型的氧化鋁填料，添加 量也不同。可以看出熱導率較高時，黏度 也會增加。

通過選擇特殊顆粒形狀的填料，在某 種程度上可以解決上述問題。例如，樣品3 的熱導率為2.5 W/mK，同時具有中等黏度 40 000 mPa s，而樣品1的熱導率僅為約2 W/mK，黏度為60 000 mPa s。

當填料添加量非常高時，得到的物料 會變得很黏稠，很難使用（樣品4）。在使 用金屬填料時，其介電強度是沒有明確要 求的，甚至可以達到更高的熱導率（大約 5 W/mK）。盡管制造商聲稱已達到更高的 導電率，但對于上文所述的測量差異，一 定要謹慎行事，仔細檢查廠家的數(shù)據(jù)說明 書。

最近開發(fā)的膠黏劑的應(yīng)用

為滿足客戶要求時，項目采用了一些 首次開發(fā)的產(chǎn)品。一種新型柔性膠黏劑體 系（商品牌號TC 418）可供使用于電源電 路和電池的導熱澆注，該體系具有以下特 征：可在室溫下澆注和固化、中等肖氏硬 度，熱導率約（1.6 ± 0.2）W/mK。

通過使用TC 433可以改善LED在散熱 器上的固定；TC 433是一種加有氮化硼的 觸變性膠黏劑，在熱固化后熱導率為2 W/ mK。還有一種對應(yīng)產(chǎn)品（TC 432），其特 征為室溫固化以及稍低的熱導率（1.8 W/ mK）。為了滿足更高的導熱率要求，可 使用TC 423，該產(chǎn)品可實現(xiàn)3 W/mK的熱導 率，還可保持電絕緣性（圖7）。就大功率 應(yīng)用場合，采用新型的EC 242銀填充膠黏 劑，其特征如下：熱導率> 4 W/mK，黏度 在約20 000 mPa∙s時易于使用。最后，銅 填充糊狀膠黏劑VP 2026可實現(xiàn)高達6.5 W/ mK的熱導率。

所有膠黏劑都按照應(yīng)用領(lǐng)域進行適當 的包裝和處理。室溫固化或熱固化雙組分 產(chǎn)品可采用單個容器以及帶有靜態(tài)混合器 的雙盒包裝，或者在注射器中進行預混合 和冰凍裝瓶。冰凍的預混合雙組分產(chǎn)品可 在融化后使用，必須小心處理，防止產(chǎn)生 氣泡。單組分產(chǎn)品比較容易使用，不需要 進行計量或混合，可儲存在冰箱中。

不管在何種領(lǐng)域中應(yīng)用，良好的熱 能管理總會提高最終產(chǎn)品的耐久性，從而 對提高能源效率和生態(tài)友好性產(chǎn)生積極影 響。就熱導率的提高來說，新產(chǎn)品使得膠 黏劑粘接技術(shù)成為越來越有吸引力的焊 接、釬焊及機械連接的替代方案。特別是 環(huán)氧樹脂膠黏劑，可使膠黏劑接縫兼具結(jié) 構(gòu)強度和耐久性。

致謝

感謝德國聯(lián)邦經(jīng)濟事務(wù)和能源部通過中央中小企業(yè)創(chuàng)新項目計劃（Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand – ZIM）對本研 究提供的支持。

參考文獻

[1] Electric Vehicle Industry Experiencing a Boom with Next-Generation Vehicles, www. bccresearch. com/pressroom/fcb/Electric- Vehicle- Industry-Experiencing-a-Boom-with- Next- Generation-Vehicles, January 16, 2015.

[2] Bosch kündigt die Batterie-Revolution an, www.zeit.de/mobilitaet/2015-02/ elektroauto-bosch-batterie, February 10, 2015.

[3] Maurer A.. Using conductive adhesives for thermal management in micro- and power electronics, Adhes. & Seal. Ind., Feb. 2015, pp 14-17: www.adhesivesmag. com/ articles/93604-adhesives-at-workusingconductive- adhesives-for-thermalmanagement- in-micro--and-powerelectronics

[4] Petrie E.M.. Epoxy Adhesive Formulations, McGraw-Hill, New York. 2006, pp 171–182.

[5] Bigg D.M.. Thermal conductivity of heterophase polymer compositions, Adv. Polymer Sci., 1995, Vol. 119 pp 2–39.

[6] Nielsen L.. Thermal conductivity of particulatefilled polymers, Appl. Polym. Sci., 1973, Vol. 17, p 3819.

[7] Maurer A.. Adhesives with high thermal conductivity and reliability for power engineering and e-mobility, European Coatings Congress 2015, Nuremberg, 21.04.2015.

結(jié)果一覽

 電動汽車、電力電子設(shè)備以及LED照 明系統(tǒng)的發(fā)展都會加大對高性能導 熱膠黏劑的需求。

 導熱膠黏劑由于在裝配期間不會產(chǎn) 生很高的熱應(yīng)力，可取代錫焊和銅 焊焊接。其他形式的膠黏劑可能要 求具有電絕緣性。

 不同制造商引用的導熱性數(shù)據(jù)表明 很多數(shù)據(jù)通常不具直接可比性。值 得注意的是，導熱性主要和配方中 導熱填料的含量有關(guān)，與填料本身 導電性的關(guān)聯(lián)度較小。

 本文介紹近期研發(fā)的一些導熱膠黏 劑產(chǎn)品，該類導熱膠黏劑能夠?qū)崿F(xiàn) 導熱性與作業(yè)性之間的平衡（尤其 在規(guī)定填料含量/導熱等級下，黏度 較低）。