Arno Maurer，Polytec PT GmbH公司

電動(dòng)汽車、電力電子設(shè)備以及LED照 明系統(tǒng)的發(fā)展推動(dòng)了對(duì)高性能導(dǎo)熱膠黏劑 的需求。導(dǎo)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(dǎo)熱膠黏劑可改善導(dǎo)熱性與 作業(yè)性能之間的平衡。

導(dǎo)熱膠黏劑是粘接電子元?dú)饧蜕?器的一種成熟的常用方式，其目的 是為了將熱從一個(gè)表面?zhèn)鬟f到另一個(gè)表 面。最近，對(duì)電動(dòng)和混合動(dòng)力車蓄電池、 電動(dòng)機(jī)和燃料電池的創(chuàng)新制造理念的需求 日漸增強(qiáng)、增多。從某種程度上，可使用 導(dǎo)熱膠黏劑來部分解決。

這一理念同樣也適用于電氣和動(dòng)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(dǎo)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(xué)性能方面可根據(jù)以上應(yīng)用領(lǐng)域量身 定制。

電動(dòng)汽車推動(dòng)市場(chǎng)發(fā)展

在化石能源日益減少的時(shí)代，要確保 生活的舒適性和機(jī)動(dòng)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(duì)具 有生態(tài)效益的動(dòng)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(jì)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(shí)現(xiàn)。

隨著電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的強(qiáng)勁增長(zhǎng)，預(yù)計(jì) 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(chǎng)預(yù)計(jì)將增長(zhǎng)到現(xiàn)在的3倍， 達(dá)到約60億美元［1］。預(yù)計(jì)到2020年，動(dòng)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(huì)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(gè)安 全、耐用的電池體系（圖1），包括機(jī)械固 定、熱能管理、振動(dòng)衰減以及電子控制。 通過對(duì)電池組進(jìn)行樹脂澆注封裝，能實(shí)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(qiáng)度、良 好的柔韌性、中等密度、介電強(qiáng)度、高導(dǎo)熱性、良好的耐化學(xué)性以及快速固化等性 能。除電池之外，對(duì)其他電動(dòng)和混合動(dòng)力 汽車零部件（如電動(dòng)機(jī)、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(dòng)機(jī)需要對(duì)繞組、磁體、轉(zhuǎn)子和定 子進(jìn)行浸漬和粘接處理。這通?？梢酝ㄟ^ 使用耐熱環(huán)氧樹脂來實(shí)現(xiàn)，環(huán)氧樹脂還應(yīng) 具有導(dǎo)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(dòng)機(jī)具有機(jī)械 回彈性、熱能管理、防水和防腐性能，每 個(gè)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(jī)（如風(fēng)力渦輪機(jī)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(dǎo)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(shí)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(yùn)行，需要對(duì)功耗進(jìn)行更 加有效的熱能管理。

在微電子組件中，導(dǎo)熱膠黏劑是接合 和保護(hù)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(jìn)行加工處理?？墒惯@些部件耐回流 焊接，并提高操作穩(wěn)定性。在電力電子市場(chǎng) 中，采用導(dǎo)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(shì)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(tái)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(shí)，電燈的光輸出量和使用壽 命都會(huì)降低。

將LED芯片安裝到散熱器上時(shí)，導(dǎo)熱膠 黏劑在整個(gè)區(qū)域內(nèi)提供了機(jī)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(yùn)行中的熱影像。采用導(dǎo)熱膠黏 劑，將LED安裝在散熱器上。最高溫度約為 66 °C。運(yùn)行溫度每升高1 °C，都會(huì)大大降 低LED的使用壽命。

動(dòng)力工程：取代釬焊和焊接

在通用動(dòng)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(dòng)力裝置或熱交換器），各種部件和組 件對(duì)導(dǎo)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(dǎo)熱接 縫，同時(shí)避免加工過程中產(chǎn)生較高的熱負(fù) 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(jī)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(gè)區(qū)域都會(huì)發(fā)生熱傳遞。粘接接縫 可進(jìn)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(dòng)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(jī)械應(yīng)力。

導(dǎo)熱膠黏劑的設(shè)計(jì)原理

導(dǎo)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(jī)硅）組成的。 環(huán)氧樹脂具有熱穩(wěn)定、化學(xué)穩(wěn)定及結(jié)構(gòu)穩(wěn) 定等優(yōu)點(diǎn)。同其他聚合物一樣，一般環(huán) 氧樹脂的本征熱導(dǎo)率較低（0.2～0.3 W/ mK）。

當(dāng)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(shí)，能 大幅度提升熱傳導(dǎo)性。這些粉料顆粒的體積 熱導(dǎo)率在30～300 W/mK［4］。在相應(yīng)的復(fù)合 材料中，導(dǎo)熱率取決于填料與環(huán)氧樹脂的相 對(duì)比例［5］，但并不呈線性關(guān)系。

熱導(dǎo)率的公認(rèn)公式為L(zhǎng)ewis和Nielsen發(fā) 現(xiàn)的以下方程［6］：

式中，λ C為復(fù)合材料的熱導(dǎo)率，λM為 基體材料的熱導(dǎo)率，該方程中的其余部 分包含多個(gè)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(dǎo)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(dāng) 填料的體積分?jǐn)?shù)為50 %或更高時(shí)，就足以 達(dá)到1 W/mK以上的熱導(dǎo)率。更為重要的是 無論填料的電導(dǎo)率為10W/mK、100W/mK 還是1000 W/mK，發(fā)現(xiàn)體系的熱導(dǎo)率均相 似。

鑒于上述性能，要使熱導(dǎo)率達(dá)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(huì)降低混合和涂敷膠 黏劑所需要的流動(dòng)性。此外，由于填料取 代了環(huán)氧樹脂，機(jī)械強(qiáng)度可能會(huì)受到影 響。因此，任何產(chǎn)品開發(fā)團(tuán)隊(duì)都必須要在 熱導(dǎo)率與施工工藝參數(shù)之間找到一個(gè)折中 的解決方案。

制造商的測(cè)試值未必具有可比性

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

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

對(duì)市售產(chǎn)品進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果顯示 在標(biāo)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(jìn)行了校準(zhǔn)） 測(cè)定的。

下一代導(dǎo)熱膠黏劑

在考慮未來的應(yīng)用要求時(shí)，導(dǎo)熱膠黏 劑應(yīng)具有很大的柔韌性?；谏衔乃龅?熱導(dǎo)率與填料加量之間的關(guān)系，進(jìn)行了系 統(tǒng)試驗(yàn)，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(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)，從而優(yōu)化上 述試驗(yàn)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(zhǎng)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(qiáng)復(fù)合材料的性 能。最后，需要討論所需要的附著力性 能、機(jī)械性能（包括強(qiáng)度）以及耐久性 等。前期研究獲得了熱導(dǎo)率為2～3 W/mK 的膠黏劑，同時(shí)具有強(qiáng)電絕緣性。圖6展示 了與導(dǎo)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(dǎo)率較高時(shí)，黏度 也會(huì)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(dǎo)率為2.5 W/mK，同時(shí)具有中等黏度 40 000 mPa s，而樣品1的熱導(dǎo)率僅為約2 W/mK，黏度為60 000 mPa s。

當(dāng)填料添加量非常高時(shí)，得到的物料 會(huì)變得很黏稠，很難使用（樣品4）。在使 用金屬填料時(shí)，其介電強(qiáng)度是沒有明確要 求的，甚至可以達(dá)到更高的熱導(dǎo)率（大約 5 W/mK）。盡管制造商聲稱已達(dá)到更高的 導(dǎo)電率，但對(duì)于上文所述的測(cè)量差異，一 定要謹(jǐn)慎行事，仔細(xì)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(shí)，項(xiàng)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(hào)TC 418）可供使用于電源電 路和電池的導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)率為2 W/ mK。還有一種對(duì)應(yīng)產(chǎn)品（TC 432），其特 征為室溫固化以及稍低的熱導(dǎo)率（1.8 W/ mK）。為了滿足更高的導(dǎo)熱率要求，可 使用TC 423，該產(chǎn)品可實(shí)現(xiàn)3 W/mK的熱導(dǎo) 率，還可保持電絕緣性（圖7）。就大功率 應(yīng)用場(chǎng)合，采用新型的EC 242銀填充膠黏 劑，其特征如下：熱導(dǎo)率> 4 W/mK，黏度 在約20 000 mPa∙s時(shí)易于使用。最后，銅 填充糊狀膠黏劑VP 2026可實(shí)現(xiàn)高達(dá)6.5 W/ mK的熱導(dǎo)率。

所有膠黏劑都按照應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行適當(dāng) 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(gè)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(jìn)行預(yù)混合 和冰凍裝瓶。冰凍的預(yù)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(jìn)行計(jì)量或混合，可儲(chǔ)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(huì)提高最終產(chǎn)品的耐久性，從而 對(duì)提高能源效率和生態(tài)友好性產(chǎn)生積極影 響。就熱導(dǎo)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(jī)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(qiáng)度和耐久性。

致謝

感謝德國聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)事務(wù)和能源部通過中央中小企業(yè)創(chuàng)新項(xiàng)目計(jì)劃（Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand – ZIM）對(duì)本研 究提供的支持。

參考文獻(xiàn)

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[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(dòng)汽車、電力電子設(shè)備以及LED照 明系統(tǒng)的發(fā)展都會(huì)加大對(duì)高性能導(dǎo) 熱膠黏劑的需求。

 導(dǎo)熱膠黏劑由于在裝配期間不會(huì)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(dǎo)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(dǎo)熱性主要和配方中 導(dǎo)熱填料的含量有關(guān)，與填料本身 導(dǎo)電性的關(guān)聯(lián)度較小。

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