大功率LED散热用高导热硅脂的研制

　　工艺的不断进步，LED的功率越来越大。目前，商品化的大功率LED输入功率一般在1W以上，芯片面积1mmX1mm，热流密度在100W/cm2以上，散热要求非常高。热量从芯片传到外部环境，要经过若干界面，界面之间的间隙、基板的翘曲都会影响键合和局部的散热，形成界面热阻。随着LED向大功率、高亮度发展，界面热阻已成为LED行业难题之，必须从热界面材料（TIM）、散热结构等多方面加以解决，而热界面材料是降低大功率LED灯具中界面热阻的有效手段之一。

　　常用的界面材料有导热胶、导热硅脂和导热胶片。导热垫片使用简易，但因其厚度较大、热阻偏大，不能应用于散热要求非常高的场合。导热硅脂，简称“硅脂”，俗称“导热膏”或“散热膏”，是呈膏状的高效散热产品，是由导热填料与基底硅油通过表面处理技术等混合而成的高导热绝缘有机硅材料，可以在一50+230°C的温度下长期保持使用时的脂膏状态。导热硅脂填充在配件和散热器之间，排走中间的空气，能充分润泽接触表面，形成一个非常低的热阻接口，利于帮助CPU、大功率LED等发热大户迅速“退烧”。导热硅胶和导热硅脂均为中间传热的填充介质，外观也相似，区别在于：导热硅胶是一种灌封胶，主要成分是二氧化硅，具有非常好的粘性，常温下可以固化；而导热硅脂不可以固化，没有粘性。所以，导热硅胶主要用在没有扣具或固定装置的散热器中，而硅脂主要是用在有扣具固定的散热设备中。

　　为了进一步提高硅脂的性能，国内外研究者开展了大量工作，取得了一些进展。如Xu、Zhang等分别利用等离子体增强化学气相沉积法和化学气相沉积胶束模板法制备了垂直碳纳米管阵列界面材料，热导率分别为5.2和9.0W没有达到碳纳米管理论计算值；Chou等利用金刚石填充导热硅脂的方法制备高导热硅脂，热导率分别达到3.5和6.0W.m―1K―1；张秀菊等利用碳化硅、氮化硼、氧化铝和碳化硅等制备导热胶粘剂，当复合填料中氮化硅、氧化铝和氮化硼的质量分数分别为环氧树脂基体的25、25和10时，体系的热导率处于0. 22.7Wm―1K―1范围；俸颢等在导热硅脂中添加纳米铜、纳米银等提高热导率，高可达6.1W.m―1.K―1.可见，填料种类、与基底材料的填充比例、填料分散情况、填料粒径及填料的排布方式均影响导热硅脂的热导率大小，导热硅脂的热传导主要依靠导热填料之间相互接触而形成的导热通路。由于采用种填料颗粒时，粒子与粒子之间仍然存在诸多空隙，而采用粒径大小不同的粒子混合填充，让小粒子填充大粒子形成的空隙，则可望进一步提高导热硅脂的导热性能，为此，本文制备了单组份导热硅脂和双组分（二元）混合填充导热硅脂，从填料处理、填充比例、填料种类以及二元纳米混合等方面研究导热硅脂的热导率，并将所制备的导热硅脂用于LED路灯散热。结果表明所制备的导热硅脂能进步降低界面热阻，对解决LED灯具散热难题有积极作用。

　　1，可知A1、A1N导热硅脂经过硬脂酸表面处理后，热导率比未表面处理分别提高了1.2和0.9W K-1；对于Cu导热硅脂，经过硬脂酸表面处理后热导率只提升了0.1Wm-1K-1；而经过硬脂酸表面处理的C、SiC导热硅脂热导率分别降低0.8和0.9Wm-1K-1.由此可知，硬脂酸表面处理能调高A1、A1N导热硅脂热导率，对Cu导热硅脂无明显效果，对C、SiC导热硅脂有相反的作用。从所有的材料来看，热导率较高的样品是表面处理后的A1、A1N导热硅脂以及未处理的SiC硅脂，因此，Al、A1N、SiC作为导热硅脂的填料时，热导率相对较高。

　　2.3二元混合对导热硅脂热导率的影响制备了A1系和A1N系两种二元导热硅脂，其第二组元增强填料；增强填料与主填料的体积比为0.15，填料与硅油的体积比为0.6.热导率和SEM照片分别见和。

　　2.3.1主填充材料对热导率的影响从中可知，以A1N为主填料制备的导热硅脂热导率变化较大，高为Ag/A1N混充的2.3.2增强填料对热导率的影响从中可知以粒径为1pm的Ag与A1、A1N混充时，热导率均超过3.为2.7pm的A1N混充时，当Ag/A1N混充时，热导率在2.04.0WmK―1范围内；而以纳米铜混充时热导率均在3.0WmK―1以下。因此容易得到以下结论：二元填充效果以Ag为佳，A1N次之，Cu效果差。从（a）、（d）可以看出，Ag/A1N共混比Ag/A1具有更高的致密性，因此Ag/A1N具有高的热导率；而不同粒径的A1N共混时出现了空洞，如（e）所示，如果适当减少硅油的体积，会得到更高热导率；而在纳米Cu作为增强填料，虽然体系比较致密，但是由于热量传递过程中，需要经过的界面太多，反而降低了热导率，因此纳米Cu并不适合作为导热材料，微米级填料更适于制作导热硅脂。

　　低为Cu/A1N混充时的1.4Wm―1K―1；而以A1为主填料的导热硅脂热导率变化较小。从SEM图片可知A1微粒为球形，而A1N填料粒子形态各异；经过表面处理的A1N表面具有更好的亲油性，当A1N为主填料时，填料省底，填料-填料之间的界面已经不再明显，而当A1为主填料时，界面清晰可见，由此，当A1N作为填料与其他高导热填料混合时，体系具有更高的致密性。

　　2.4导热硅脂在LED应用中散热分析2.4.1单颗灯珠中的应用是市购340导热硅脂、导热胶片和Ag/ AIN二元混合导热硅脂在不同功率、不同色光的9种LED灯珠中的结温和热阻。从（a）可以看出，应用Ag/A1N二元混合导热硅脂作为界面材料时LED结温更低，主要体现在5W红光、3W蓝光以外的LED中；从（b）的热阻来看，应用Ag/A1N二元混合导热硅脂时LED热阻更小。由此可以看出应用自制硅脂时，LED散热性能更好。

　　2.4.28WLED路灯中的应用是六种界面材料应用在8WLED路灯中的散热性能测试结果，图（a）为LED平均结温和散热器鳍片末端温度，图（b）是从芯片到散热器末端的热阻。从图中可以看出，以导热胶片作为界面材料时LED结温高，接近60°C，而以导热硅脂作为界面材料时LED结温有所降低，而基板温度有所升高，这是由于当界面热阻降低后，从芯片到散热器的热阻下降了，热量更容易传播到散热器，导致散热器温度升高。在几种导热硅脂中，Ag/A1N二元混合导热硅脂散热性能好，使LED结温得到较大降低，与导热胶片相比，降低幅度达到了5C，热阻降本文通过硬脂酸表面处理制备了不同材料导热硅脂以及二元混合导热硅脂，分析了表面处理、填料种类和填充比例对导热硅脂的影响，并将制备的导热硅脂用于8WLED路灯散热，得到了以下结论：（1）硬脂酸处理能提高A1、A1N导热硅脂的热导率，但不适用于提高石墨、SiC和Cu等作为填充材料的硅脂。

　　（2）要制备热导率较高的导热硅脂，填料填充比例应控制在0.55到0.60之间。A1填充比例为060时，热导率高可达6. K―1，A1N填充比例为0.55时热导率高，可达（3）在二元混合导热硅脂中，以Ag微粒作为增强填料制备的导热硅脂具有较高热导率，Ag/A1N二元混合导热硅脂热导率可达5.（4）将制备的导热硅脂用于LED散热，结果表明自制导热硅脂实际散热效果优于市购热界面材料。