5G領(lǐng)域中如何提升氮化鋁陶瓷導(dǎo)熱性能

從2019年到現(xiàn)在，5G的火越燒越旺。但在大家都稱道5G基站的小型化時(shí)，不知道你們有沒有想過，“更小的體積+更大的功率”所帶來的熱量效應(yīng)，到底要怎么解決呢？

5G基站和4G基站的對比
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)備的熱量密度會是4G設(shè)備的近10倍。
這么巨幅的熱量密度提升，傳統(tǒng)的導(dǎo)熱墊片顯然是搞不定的，也難怪5G市場會對超高導(dǎo)熱率墊片有這么高的需求。但問題就來了，超高導(dǎo)熱墊片真的那么好制作嗎？
導(dǎo)熱關(guān)鍵：填料
理論上，一個(gè)最為理想的導(dǎo)熱墊片應(yīng)該具備以下幾個(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，最最最起碼也要滿足第一條，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)，填料之間開始有了相互接觸和作用，在體系中形成類似鏈狀和網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，稱為導(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)，就會在很大程度上提高體系的導(dǎo)熱性。
因此對于導(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)熱率都不會有太大的變化，會繼續(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。氮化鋁陶瓷（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。
高純的AlN粉體
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)。
氮化鋁的水解過程：AlN+3H2O=Al(OH)3↓+NH3↑
顯而易見，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、難分散的問題。目前主流的方法是對粉體表面進(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。
1.包覆改性法
包覆改性是一種應(yīng)用時(shí)間較久的傳統(tǒng)改性方法，是用無機(jī)化合物或有機(jī)化合物對AlN粉體表面進(jìn)行包覆，對粒子的團(tuán)聚起到減弱或屏蔽作用。用于包覆改性的改性劑有表面活性劑、無機(jī)物、超分散劑等。
①表面活性劑法：根據(jù)AlN粒子表面電荷的性質(zhì)，采用加入陽離子或陰離子表面活性劑，改變粉體分散體系中氣液、固液界面張力，在粉體表面形成碳氧鏈向外伸展的具有一定厚度的包覆層。
②無機(jī)包覆改性：AlN粉末無機(jī)表面改性就是將無機(jī)化合物或金屬通過一定的手段在其表面沉積，形成包覆膜，或者形成核一殼復(fù)合顆粒，使改性粉體表面呈現(xiàn)出包覆材料的性質(zhì)。 
③超分散劑：超分散劑在兩親結(jié)構(gòu)上與傳統(tǒng)的表面活性劑類似，但以錨固基團(tuán)和溶劑化鏈取代了表面活性劑的親水基和親油基。錨固基團(tuán)能通過離子鍵、共價(jià)鍵、氫鍵及范德華力等相互作用以單點(diǎn)或多點(diǎn)錨固的形式牢固吸附于粒子表面，其溶劑化鏈則可以通過選用不同的聚合單體或改變共聚單體配比來調(diào)節(jié)它與分散介質(zhì)的相容性。
2.表面化學(xué)改性
表面化學(xué)改性通過表面改性劑與顆粒表面進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)或化學(xué)吸附的方式完成。將聚合物長鏈接枝在粉體表面。而聚合物中含親水基團(tuán)的長鏈通過水化伸展在水介質(zhì)中起立體屏障作用，這樣AlN粉體在介質(zhì)中的分散穩(wěn)定除了依靠靜電斥力又依靠空間位阻。效果十分明顯。
①偶聯(lián)劑改性：偶聯(lián)劑是一種同時(shí)具有能與無機(jī)粒子表面進(jìn)行反應(yīng)的極性基團(tuán)和與有機(jī)物有反應(yīng)性或相容性的有機(jī)官能團(tuán)的化合物。它的作用是其一端能與粉體表面結(jié)合另一端可與分散介質(zhì)有強(qiáng)的相互作用，因此可以提高AlN粉體與聚合物材料的親和性，實(shí)現(xiàn)粉體在聚合物材料中的分散。
②疏水化處理：疏水化處理是選擇有疏水化基團(tuán)(如長鏈烷基、鏈烴基和環(huán)烷基等)的有機(jī)物圍繞在AlN粉體表面，使烷基等牢固地結(jié)合在粉體的表面，呈現(xiàn)出較強(qiáng)的疏水性。
③表面接枝改性法表面接枝聚合是通過化學(xué)反應(yīng)將高分子鏈接枝到AlN粉體的表面，可以顯著改善粒子在有機(jī)溶劑或聚合物中的分散性。
④無機(jī)酸改性利用磷酸、磷酸二氫鹽等對AlN粉末表面進(jìn)行處理，發(fā)現(xiàn)不僅能夠使AlN抗水解并且還能加強(qiáng)粉末的分散性。AlN懸浮液的值隨時(shí)間的變化關(guān)系和AlN在水中的穩(wěn)定性取決于所用的無機(jī)酸試劑。
3.熱處理法及其他方法
熱處理法則是通過對粉末進(jìn)行熱處理，使其表面發(fā)生氧化生成致密的氧化鋁保護(hù)膜，從而產(chǎn)生抗水解性。
其它改性方法也比較多，例如通過高能處理、超聲波、膠囊化改性等也可以對AlN粉體進(jìn)行表面改性。通常這些方法同其它方法相結(jié)合，對粉體的表面改性效果更佳。
改性后的AlN粉體表現(xiàn)出了很好的疏水性（右）
總結(jié)
解決掉“水解、分散”這幾個(gè)心腹大患后，改性AlN粉體就能很好的與高分子材料混合，形成很密實(shí)的導(dǎo)熱通道與互穿網(wǎng)絡(luò)，最大程度地起到導(dǎo)熱、散熱功效，應(yīng)用之路一片光明