如何用好氮化鋁是關(guān)鍵

5G時(shí)代的到來(lái)，帶動(dòng)了不少5G基站的建設(shè)，其中也衍生了不少熱管理的工作。當(dāng)大家都稱(chēng)道5G基站的小型化時(shí)，“更小的體積+更大的功率”所帶來(lái)的熱量效應(yīng)，到底要怎么解決呢？

備注：AAU（有源天線單元）功耗的大幅度增加是5G功耗增加的主要原因。據(jù)統(tǒng)計(jì)，5G基站的單站功耗大約是4G單站的2.5~3.8倍，但由于5G設(shè)備的內(nèi)部空間只有4G設(shè)備的30%，因此5G設(shè)備的熱量密度會(huì)是4G設(shè)備的近10倍。

這么大的熱量密度提升，傳統(tǒng)的導(dǎo)熱墊片顯然已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足它的熱量傳遞，因此衍生了超高導(dǎo)熱率墊片。然而，超高導(dǎo)熱墊片是如何制作的呢？

導(dǎo)熱關(guān)鍵材料—填料

性能高的導(dǎo)熱墊片應(yīng)該滿(mǎn)足一下幾個(gè)要求：高導(dǎo)熱系數(shù)、低模量硬度和工藝的實(shí)現(xiàn)度。雖然這三個(gè)要素很難同時(shí)達(dá)成，但在實(shí)際生產(chǎn)中，最起碼也要滿(mǎn)足第一條，不然還有什么臉叫“導(dǎo)熱墊片”呢？

在導(dǎo)熱墊片中，導(dǎo)熱性遠(yuǎn)大于基質(zhì)材料的導(dǎo)熱填料是其主要的導(dǎo)熱載體。填料在應(yīng)用時(shí)很關(guān)鍵的一點(diǎn)是它的填充量——當(dāng)填充量比較小時(shí)，每個(gè)填料顆粒彼此離散，不能形成有效的熱量通路，此時(shí)導(dǎo)熱率非常低；而當(dāng)填充量達(dá)到一個(gè)臨界點(diǎn)時(shí)，填料之間開(kāi)始有了相互接觸和作用，在體系中形成類(lèi)似鏈狀和網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，稱(chēng)為導(dǎo)熱網(wǎng)鏈。當(dāng)這些導(dǎo)熱網(wǎng)鏈的取向與熱流方向平行時(shí)，就會(huì)在很大程度上提高體系的導(dǎo)熱性。

因此對(duì)于導(dǎo)熱復(fù)合材料而言，實(shí)現(xiàn)更高導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)鍵就是添加更多的導(dǎo)熱填料，保證能在導(dǎo)熱墊片的兩個(gè)界面之間能搭起一個(gè)傳導(dǎo)熱量的走廊。但是！導(dǎo)熱填料的添加量是有上限的，到達(dá)一定程度后，不管再加多少它的導(dǎo)熱率都不會(huì)有太大的變化，會(huì)繼續(xù)變化只有墊片的硬度。

所以為了得到更高導(dǎo)熱率的導(dǎo)熱墊片，就需要靠更高導(dǎo)熱率的填料。氮化鋁（AlN）就是在這種情況下脫穎而出的，不僅導(dǎo)熱率遠(yuǎn)超氧化鋁等傳統(tǒng)填料，熱膨脹系數(shù)小，而且還是電絕緣體，介電性能良好，是5G通信領(lǐng)域不可多得的導(dǎo)熱干將。

AlN填料的應(yīng)用難題

但是氮化鋁雖好，卻有一個(gè)致命缺陷——它是一種極易吸收水分和氧的材料，一接觸到水分和氧，就會(huì)水解氧化，失去其導(dǎo)熱散熱的性能特性。正是這個(gè)難題，制約了氮化鋁在導(dǎo)熱領(lǐng)域的發(fā)展。而且AlN超細(xì)粉末，在未經(jīng)過(guò)表面處理和改性的情況下，很難與高分子材料混合均勻，這樣就很難形成一個(gè)良好的導(dǎo)熱通道、互穿網(wǎng)絡(luò)。

氮化鋁的水解過(guò)程：AlN+3H2O=Al(OH)3↓+NH3↑

顯而易見(jiàn)，AlN想扛起導(dǎo)熱填料主力軍的大旗，首先要解決的就是它水解、氧化、難分散的問(wèn)題。目前主流的方法是對(duì)粉體表面進(jìn)行相應(yīng)的物理吸附或化學(xué)處理，在AlN顆粒包覆或形成較薄反應(yīng)層，阻止AlN粉末與水的水解反應(yīng)。主要方法有包覆改性法、表面化學(xué)改性法、熱處理法等等。