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(méi)有想過(guò)，“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？

5G基站和4G基站的對(duì)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(huì)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(chǎng)會(huì)對(duì)超高導(dǎo)熱率墊片有這么高的需求。但問(wèn)題就來(lái)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(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(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。
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(wú)機(jī)化合物或有機(jī)化合物對(duì)AlN粉體表面進(jìn)行包覆，對(duì)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(wú)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(yáng)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(wú)機(jī)包覆改性：AlN粉末無(wú)機(jī)表面改性就是將無(wú)機(jī)化合物或金屬通過(guò)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(lèi)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(guò)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(guò)選用不同的聚合單體或改變共聚單體配比來(lái)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(guò)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(zhǎng)鏈接枝在粉體表面。而聚合物中含親水基團(tuán)的長(zhǎng)鏈通過(guò)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(wú)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(zhǎng)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(guò)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(wú)機(jī)酸改性利用磷酸、磷酸二氫鹽等對(duì)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(wú)機(jī)酸試劑。
3.熱處理法及其他方法
熱處理法則是通過(guò)對(duì)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(guò)高能處理、超聲波、膠囊化改性等也可以對(duì)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(duì)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