Наночастицы оксида алюминия в качестве наполнителя Влияние на теплопроводность эпоксидной смолы 

В связи с быстрым развитием современной электронной промышленности, в частности полупроводниковой отрасли, повсеместно появляются различные устройства на базе интегральных схем большой степени интеграции. В то же время, наиболее очевидным недостатком схем высокой степени интеграции является связанное с ними более высокое тепловыделение. Возьмем, к примеру, базовые станции 5G. Транзисторы в чипах 5G, установленных в базовых станциях, имеют меньшие размеры и более высокую производительность, но тепловыделение в них в три раза превышает показатели 4G. В то же время, в целях снижения затрат, размеры базовых станций 5G составляют лишь около 30% от размеров базовых станций 4G, что предъявляет более высокие требования к их теплоотводящим способностям. С этой же проблемой сталкиваются и другие виды высокомощной электроники.

В металлических материалах носителями теплопроводности являются электроны, что и объясняет, почему проводники электричества зачастую являются также хорошими проводниками тепла. В то же время в обычных изоляционных материалах электроны не могут свободно перемещаться, поэтому в этом случае за передачу тепловой энергии отвечают фононы (phonon). Фононы — это кванты энергии нормальных мод колебаний кристаллической решетки, относящиеся к бозонам. Поскольку фононы относительно легко распространяются в кристаллах, таких как оксиды металлов, а в полимерных соединениях, таких как кремнийорганические соединения, потери при передаче тепловой энергии значительны, при изготовлении теплопроводящих прокладок в полимерные эластомеры добавляют теплопроводящие наполнители из оксидов металлов, например Al₂O₃.

При небольшом количестве добавки отдельные частицы наполнителя располагаются разрозненно и не могут сформировать эффективный канал теплопередачи, в результате чего теплопроводность оказывается очень низкой. Поэтому для теплопроводящих композитных материалов ключом к достижению более высокого коэффициента теплопроводности является добавление большего количества теплопроводящего наполнителя, что обеспечивает формирование более плотного канала распространения фононов на обеих сторонах теплопроводящей прокладки. При более высоких требованиях необходимо эффективно контролировать ориентацию теплопроводящего наполнителя. Если наполнитель ориентирован одинаково, тепло передается вдоль направления ориентации. Например, в горизонтальном направлении коэффициент теплопроводности графена составляет 300–1900 Вт/(м·К), а в вертикальном направлении — всего 5–20 Вт/(м·К).

Керамические материалы на основе оксида алюминия обладают такими характеристиками, как высокий коэффициент теплового рассеяния, высокая теплопроводность, относительно стабильные электротехнические свойства и незначительная разница в коэффициентах теплового рассеяния между микросхемой и материалами корпуса, поэтому они часто используются в качестве изоляционных подложек для высокомощных силовых электронных устройств. Однако из-за таких недостатков, как высокая хрупкость и сложность формования, стоимость спекания остается высокой, в то время как эпоксидная смола обладает такими преимуществами, как простота отверждения и формования, более высокая адгезия к металлам и низкая стоимость. Композитный материал, сочетающий в себе свойства этих двух материалов, позволяет эффективно решить данную проблему.