導熱塑膠 Polymer heat sink

導熱塑膠發展現況與未來運用

高分子材料

熱量常在電子元件、照明裝置、變壓器和其它設備運作時伴隨著產生，而不必要的熱能將導致產品壽命和運作效能降低。隨著工業生產和科學技術發展而對導熱材料提出了更高要求，除導熱性外，更希望材料具有優良的綜合性能，如質輕、易加工成型、抗衝擊、耐化學腐蝕、熱疲勞性能優異、優良電絕緣性能及化學穩定性等。就導熱材料而言，金屬材料有優良的導熱度，雖然為最佳的選擇，可是卻有重量大及對於形狀複雜之成品不易製造等缺點。因此，金屬、金屬氧化物和其它非金屬氧化物已無法滿足一些特殊場合的使用要求。

高分子材料具有優良的耐腐蝕性能和力學性能且擁有質輕、加工性優良等特質，因而人們逐漸用其來代替傳統金屬材料。但由於一般高分子材料本身是熱的不良導體(如表一)，運用於散熱器材料是不能勝任的，所以在高分子材料中添加金屬或陶瓷粉體，結合各其優點，開發出高分子導熱複合材料之概念漸漸廣受產業界重視。

表一、常見高分子材料之熱傳導係數

於材料配方上，為使高分子材料具有導熱效果，通常於導熱係數低（k≒0.2 W/m．K）的高分子材料，加入導熱係數高的添加劑來提升其導熱能力。高導熱係數的添加劑一般可分：

(1)導電類：石墨、碳黑、碳纖維、奈米碳管、銅粉、鎳粉

(2)絕緣類：氮化硼、碳化矽、氮化鋁、氧化鋁

然而，為了有效提升高分子之熱傳導係數，需要添加相當高含量(50wt%以上)的導熱添加劑，因此材料之流動性與機械強度將會大幅下降，以陶瓷粉末射出成型為例，當高分子添加80wt%以上之無機粉體，融熔指數下降至0.5g/10 min以下，射出成型加工將容易會發生短射，脫模過程產品易產生斷裂問題。因此，導熱粉體、高分子基材與其他功能性添加劑的選擇，將是導熱塑膠開發之一大重點。

於導熱高分子配方開發中，要減少下游加工問題，首先考慮的重點是如何在有限制的導熱粉體添加量下，有效提升高分子熱傳導係數呢？以下針對表二進行分類說明：

1. 導熱添加劑種類：以導熱添加劑中，以石墨添加相對性價比最高，其顏色本身為黑色且具有導電性，相較於目前文獻中熱傳導係數最高之絕緣導熱材料氮化鋁(熱傳導係數約160W/m*K),其熱傳導提升效果最好(如表二配方3~6比較)，但是由於材料之顏色且導電性關係，下游推廣受到限制。但是若透過產品設計去規避，添加石墨作為導熱複合材料將是廣受歡迎的材料。

2. 高分子機材種類：導熱塑膠配方開發中，往往會以原產品使用的材料進行開發，但是事實上物質熱傳遞是靠聲子(phonon)進行傳遞，然而於高分子材料結構中，具有結晶性的材料其聲子傳遞行為較為明顯，如表二中配方1與配方2比較，選擇PA為導熱塑膠基材，其熱傳導係數提升效果較為明顯，因此塑膠基材選擇，可朝向結晶程度高的材料。

3. 導熱添劑的型態：熱量於導熱塑膠內進行傳遞，主要傳遞通路為導熱添加劑於塑膠內連續相的搭接，因此要獲得相對搭接致密之傳遞通路，採用不同粒徑之導熱添加劑相較於統一粒徑之導熱粉體，熱傳導係數提升較為明顯(如配方1與配方3)。另外，除了粒徑考量外，亦可採用長徑比高的材料(如棒狀、片狀)結構，進行配方設計。

表二 導熱塑膠配方表

(以下配方為塑譜儀混練實驗測得)

wt%

國內外導熱塑膠的發展，主要鎖定於LED燈源散熱燈杯產品，雖然材料價格高於市售散熱器用鋁材，但計算散熱燈杯後加工整體成本，導熱塑膠製備之散熱燈杯成本可比鋁質散熱燈杯低廉。國外業者Cool Polymers、Toray、Idemitsu、Subic、EMS、DSM與三星第一毛織等皆有LED專用之導熱塑膠產品推出，國內業者隨後也開始投入LED用導熱塑膠複合材料研究。由於國內導熱塑膠運用於LED市場，大多還在測試階段，在中上游材料配方開發與中下游的散熱器產品設計尚需長期溝通配合，因此塑膠中心在其中扮演產業串聯的橋樑。在中上游的產業，塑膠中心協助配方開發，主要訴求能夠開發出LED燈源有效散熱、射出成型流動性佳、燈具產品輕量化且降低LED燈源產品成本之材料。在中下游產業，協助下游端產品開發、模具設計與LED燈源散熱性測試，有效將導熱塑膠材料推廣至LED燈源產品運用。

將開發完成之導熱塑膠散熱器進行球泡燈杯製作與點燈實測(如表三)，在相同環境、熱源功率與測試時間下，相較於市售品燈杯，由測試結果顯示導熱塑膠散熱器之散熱能力較為優越。若這兩者比較材料成本與加工成本，雖然導熱塑膠材料成本高於鋁材，但是鋁材的後加工成本相對塑膠加工高出許多，因此在散熱性與成本考量下，導熱塑膠運用於LED球泡燈散熱燈杯將很有機會取代鋁質散熱器。

由於導熱塑膠可具有絕緣性、熱傳導性(相較於純料，熱傳導係數提升10倍以上)、優良的成型加工性等，由於塑膠材料開發的多樣性，導熱塑膠可藉由下游端的運用進行多樣性開發(如表四)，目前國外導熱塑膠運用至下游端已有相當的成熟度，而國內市場導向以LED燈散熱燈杯為主，對於其他領域的運用尚需要進行配方調整與通過信賴性測試。然而，近期國內下游業者對於導熱塑膠材料的詢問度越來越高，除了LED市場外，電動車、電子感測器與電子電熱裝置業者皆紛紛詢問相關材料的運用，塑膠中心將扮演材產業整合與材料開發的角色，提供業者進行產品評估開發，將導熱塑膠產品推動運用更成熟加廣泛。

表三 導熱塑膠散熱器散熱效益實測​