CN112118720A

CN112118720A - 一种导热吸波贴片

Info

Publication number: CN112118720A
Application number: CN202010987054.7A
Authority: CN
Inventors: 王鲜; 汪旭文; 龚韦; 龚荣洲
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2020-09-18
Filing date: 2020-09-18
Publication date: 2020-12-22
Anticipated expiration: 2040-09-18
Also published as: CN112118720B

Abstract

本发明公开了一种导热吸波贴片，包括铝蜂窝骨架和吸波介质；铝蜂窝骨架具有多个周期性排布的空腔结构，吸波介质填充在铝蜂窝骨架的所述空腔结构中；铝蜂窝骨架用以在导热吸波贴片中构建供热流传播的导热网络，填充在铝蜂窝骨架内部的吸波介质用于吸收电磁波，所述吸波介质的传播常数通过空腔结构的尺寸进行调控；另外，铝蜂窝骨架具有高电导率，在电磁波的作用下会因电导损耗吸收电磁波；本发明在吸波介质中嵌入可形成导热网络的铝蜂窝骨架，通过声子电子协同传热大大提升了复合材料的热导率；利用铝蜂窝芯壁对吸波介质的传播常数和反射率的调控以及电导损耗机制进一步改善吸波介质的吸波性能，且增强了导热吸波贴片的力学性能。

Description

一种导热吸波贴片

技术领域

本发明属于电子材料技术领域，更具体地，涉及一种导热吸波贴片。

背景技术

吸波贴片是一种以高分子粘结剂为基体、以软磁合金磁粉为吸收剂的柔性薄片材料，其对电磁噪音具有良好的吸收和屏蔽功能。吸波贴片通常被贴附在电磁噪音辐射源(如芯片，柔性电路板等)或者易受干扰的元器件(通讯模块等)表面，可以有效地解决电磁干扰和电磁辐射问题，被广泛的应用于智能手机、笔记本电脑、GPS导航仪等电子产品和通讯设备中。

随着电子技术的进步，新一代电子元器件朝着高频化、集成化方向快速发展，功率密度不断提升，所引起的电磁波辐射和发热温升现象也日益严重。因此，近年来具有良好导热以及电磁波吸收性能的多功能电子封装材料引起了广泛关注。

在目前的工业生产中，为了解决这些问题，将具有电磁损耗吸收作用的吸收剂和具有高导热性能的导热剂填充到柔性高分子聚合物中是一种简单直接的方案。这种加工方案通常需要较高的填充量才能使材料的导热性达到工业要求，然而过高的填充量会使复合材料的机械性能显著下降，使材料可加工性如回弹性、硬度大大恶化，严重影响加工性。

发明内容

针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本发明提供了一种导热吸波贴片，以铝蜂窝芯为骨架，在蜂窝孔隙中填充吸波介质，通过铝蜂窝骨架与吸波介质的协同作用提升了导热吸波贴片的吸波性能和导热性能，且铝蜂窝骨架的嵌入提升了吸波介质的力学性能。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种导热吸波贴片，其包括铝蜂窝骨架和吸波介质；

所述铝蜂窝骨架具有多个周期性排布的空腔结构，所述吸波介质填充在铝蜂窝骨架的所述空腔结构中；

铝蜂窝骨架用于在导热吸波贴片中构建供热流传播的导热网络，填充在铝蜂窝骨架内部的吸波介质用于吸收电磁波，电磁波在所述吸波介质中的传播常数通过空腔结构的尺寸进行调控，以使得在铝蜂窝骨架的协助下提高吸波介质的吸波效果。

每个空腔结构中填充的吸波介质的传播常数会受铝蜂窝壁的影响，类似于填充已知复电磁参数介质的波导结构，其传播常数可以通过波导尺寸调控，从而影响整体的吸波效果。

优选的，上述导热吸波贴片，所述铝蜂窝骨架可在电磁波作用下形成沿蜂窝壁的电流，以电导损耗的方式吸收电磁波。

优选的，上述导热吸波贴片，所述吸波介质的组分包括(20-40)wt％的有机灌封胶基体和(60-80)wt％的吸波填料。

优选的，上述导热吸波贴片，所述有机灌封胶基体选自环氧树脂、聚氨酯、有机硅树脂灌封胶中的任意一种；

所述吸波填料为羰基铁粉、碳粉、碳化硅、碳纤维、石墨烯中的一种或任意几种的混合物。

优选的，上述导热吸波贴片，所述铝蜂窝骨架中的空腔结构的形状为正六边形蜂窝、圆形蜂窝或正交各向异性蜂窝。

优选的，上述导热吸波贴片，当铝蜂窝骨架中的空腔结构的形状为正六边形时，每个空腔结构的边长为2-10mm。

优选的，上述导热吸波贴片，所述铝蜂窝骨架中相邻两个空腔结构之间的壁厚为0.04-0.12mm。

优选的，上述导热吸波贴片，通过调节铝蜂窝芯的壁厚以及孔径大小可调控导热吸波贴片的谐振频率和电磁带隙范围。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明提供的导热吸波贴片，以铝蜂窝芯为骨架，在蜂窝孔隙中填充吸波介质；其铝蜂窝结构在导热吸波贴片中可形成导热网络，在原有的高分子声子导热通路基础上添加了一条高效电子导热通路，声子电子协同传热使复合材料的热导率大大提升；另一方面，利用铝蜂窝芯壁对吸波介质的传播常数调控、电磁波电导损耗效果可进一步改善吸波介质的吸波性能；通过调整铝蜂窝芯的壁厚以及孔径大小可灵活调控谐振频率和电磁带隙范围，增强损耗且拓宽频带，达到特定频点、频带处的宽频强吸收；通过调控吸收介质的含量优化灌封胶的吸波带宽与损耗峰值。

(2)本发明提供的导热吸波贴片，利用在吸波介质中插入铝蜂窝结构可让热流最大限度沿热阻较小的蜂窝壁传播，传热速率极大提升，更适用于目前电子设备的散热。

附图说明

图1是本发明实施例提供的导热吸波贴片的三维结构示意图；

图2是本发明实施例1提供的导热吸波贴片的吸波效果图；

在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：1-铝蜂窝骨架；2-吸波介质；3-蜂窝单元。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明所提供的一种导热吸波贴片，包括铝蜂窝骨架和吸波介质；其中，铝蜂窝骨架具有多个周期性排布的蜂窝单元，该蜂窝单元为空腔结构，吸波介质填充在各个空腔结构中；在导热吸波贴片中，铝蜂窝骨架主要用于构建供热流传播的导热网络，填充在铝蜂窝骨架内部的吸波介质用于吸收电磁波，每个蜂窝单元中介质的传播常数会受铝蜂窝壁的影响，类似于填充已知复电磁参数介质的波导结构，其传播常数可以通过波导尺寸调控，从而影响整体的吸波效果。

在热学方面，铝具有较高的热导率，因此铝蜂窝骨架的固体传热效率高，可以提供热传导路径以达到强化换热的作用；在抗电磁干扰方面，铝蜂窝类似于波导结构，对介质的传播常数有调控作用，铝蜂窝骨架与吸波介质协同作用，大大提高了吸波介质的吸波性能。

进一步地，铝蜂窝骨架的高电导率使其在电磁波作用下形成沿蜂窝壁的电流，以电导损耗的方式吸收电磁波，从而达到对电磁波的高吸收效果。

另外，铝蜂窝骨架具有在蜂窝孔方向能承受较大应力、比强度高、比刚度大、抗冲击性好、减振吸能性好的特点；利用铝蜂窝骨架的耐应力、比强度高的特点可提升传统吸波灌封材料的力学性能。

进一步地，上述导热吸波贴片中，吸波介质为有机灌封胶基体与吸波填料组成的复合材料，其中，有机灌封胶基体的含量为(20-40)wt％，吸波填料的含量占比(60-80)wt％。

有机灌封胶基体可选用环氧树脂、聚氨酯、有机硅树脂灌封胶中的任意一种；吸波填料为羰基铁粉、碳粉、碳化硅、碳纤维、石墨烯中的一种或任意几种的混合物。

吸波介质以吸波性能为主要目标，通过调控吸波填料的含量来优化吸波介质的吸波带宽与损耗峰值。

进一步地，铝蜂窝骨架中的蜂窝单元的形状可以是六边形、斜方形、正方形、圆形等常见的多孔材料构型，本发明不做具体限制；进一步优选的，蜂窝单元的形状为正六边形蜂窝、圆形蜂窝或正交各向异性蜂窝，如Kagome形蜂窝；

铝蜂窝骨架中相邻两个蜂窝单元之间的壁厚影响导热吸波贴片的导热性能，蜂窝单元的边长以及相邻两个蜂窝单元之间的壁厚影响铝蜂窝骨架在导热吸波贴片中所占的比例，进而影响导热吸波贴片的吸波性能。

本发明中，铝蜂窝骨架中相邻两个蜂窝单元之间的壁厚为0.04-0.12mm；当铝蜂窝骨架中的蜂窝单元为正六边形蜂窝或正交各向异性蜂窝时，每个蜂窝单元的边长为2-10mm；

通过调节铝蜂窝芯的壁厚以及孔径大小可调控导热吸波贴片的谐振频率和电磁带隙范围。

本发明提供的导热吸波贴片，利用铝蜂窝骨架在吸波介质间构建导热通路，并利用各个蜂窝单元的蜂窝壁对吸波介质的传播常数进行调控以及电导损耗综合影响吸波性能，从而协同改善吸波贴片的导热吸波性能，从而为高效导热吸波材料的组成与结构设计提供具体参考。

下面通过附图和一些的具体实施例对本发明提供的导热吸波贴片的结构和性能作进一步详细说明。

图1是实施例1提供的导热吸波贴片的三维结构示意图，参见图1，该导热吸波贴片为由正六边形蜂窝嵌入吸波介质基体形成蜂窝周期性结构单元，包括铝蜂窝骨架1和吸波介质2；铝蜂窝骨架1具有多个周期性排布的蜂窝单元3，吸波介质2填充在各蜂窝单元3的空腔结构中；

其中，铝蜂窝骨架1的材质为铝，蜂窝单元3为正六边形蜂窝；铝蜂窝骨架的高度c＝2mm，各蜂窝单元3的边长a＝5mm，相邻两个空腔结构之间的壁厚b＝0.04mm；吸波介质3由羰基铁粉吸收剂与有机硅树脂基体组成，羰基铁粉吸收剂所占质量分数83％，有机硅树脂占质量分数17％。

在CST MICROWAVE STUDIO中建立与上述导热吸波贴片尺寸相同的有限元模型，代入吸波介质的电磁参数，设置周期性边界条件。

在ANSYS WORKBENCH中施加边界条件，在导热吸波贴片的上表面施加1000W/m²的热流，下表面施加25℃温度载荷，四周设置绝热边界条件，模拟贴片实际工作状态。

图2是实施例1提供的导热吸波贴片的吸波性能效果曲线图，在吸波效果曲线示意图中，纵坐标RL(dB)为反射损耗，该值越负反映材料对电磁波的吸收能力越强，横坐标f(GHz)为频率，考察范围为0.3～18GHz。从图2可以看出，本实施例提供的导热吸波贴片在13.50GHz处呈现最小反射损耗，峰值达到-17.59dB；在11.17GHz～16.30GHz的较宽频范围实现反射损耗小于-10dB，带宽达5.13GHz，表现出宽频强吸收特性；

在导热吸波贴片的上表面施加1000W/m²的热流，下表面施加25℃温度载荷的条件下测试本实施例提供的导热吸波贴片的温度分布，由于蜂窝壁的热导率远大于填充的灌封材料，根据傅里叶定律，在相同热流密度下热导率较大的材料温差较小，因此靠近蜂窝壁处与下表面温度梯度较小，灌封胶处温度梯度较大。测得导热吸波贴片的上表面平均温度为26.12℃，下表面温度为25℃，代入傅里叶定律计算公式，算得导热吸波贴片的宏观热导率为1.79W/mK，远大于吸波介质本身的热导率(0.8W/mK)。

调整导热吸波贴片中铝蜂窝骨架和吸波介质的具体参数，探讨这些不同参数对导热吸波贴片的吸波性能和导热性能的影响；实施例2～9提供的以铝蜂窝芯为骨架的导热吸波贴片与实施例1的区别在于：铝蜂窝骨架中蜂窝单元的边长、壁厚、高度以及吸波介质的热导率不同，具体参数如表1所示。

表1导热吸波片的参数列表

实施例2～9提供的导热吸波贴片的吸波性能指标如表2所示，导热性能指标如表3所示。

表2导热吸波贴片的吸波性能列表

表3导热吸波贴片的热参数列表

实施例编号	上表面平均温度(℃)	下表面温度(℃)	热导率(W/mK)
				1	26.12	25	1.79
2	26.04	25	1.91
				3	26.00	25	2.01
4	25.42	25	4.76
				5	26.52	25	1.31
6	25.26	25	1.91
				7	27.62	25	1.91
8	25.53	25	3.76
				9	25.37	25	5.42

通过实施例1～9提供的导热吸波贴片的吸波性能可以看出：

(1)对于所制备的导热吸波贴片，蜂窝单元的壁厚增加有利于导热通路形成，电子传导速度加快，导热性能提升；随着蜂窝单元边长的减小，热导率逐渐增大，壁厚、边长改变使热导率增加都是因为胞元中蜂窝横截面积所占体积分数增大，热流通过的导热通路更宽，能更快从上表面传递到下表面，表现为导热系数增大；导热吸波贴片的热导率随着吸波介质热导率的提升而提升，而对于均匀材料，其热导率不随高度的增加而增大。由于吸波介质所占面积远大于蜂窝骨架材料，根据均质化理论，即使吸波介质的热导率提升较小，导热吸波贴片整体的热导率也会有很大提升。

(2)铝蜂窝有着类似波导的作用，在设计范围内，减小蜂窝单元的边长，会使等效波导的截止频率增大，难以进入吸波介质中的电磁波波段增宽，且截止频率增大导致导热吸波贴片在截止频率之上的等效介电常数和磁导率减小，吸收峰向高频移动；蜂窝单元边长为2mm时，截止频率最大，等效介电常数和磁导率最小，故吸收峰位超过18GHz；当蜂窝芯厚度增大时，铝壁的截面积变大，由于趋肤效应对电磁波的反射增强，电磁波无法进入材料内部被损耗吸收，反射损耗的峰值变小；当导热吸波贴片高度增大时，谐振吸收峰从高频向低频移动，这与未添加铝蜂窝的吸波介质变化规律一致，故高度改变时是铝蜂窝内填充的吸波介质对电磁波的吸收起主要调控作用。在多重损耗作用下，当蜂窝芯的边长为10mm，壁厚0.08mm，高度为2mm时反射损耗最大，为-33.23dB，带宽5.5GHz，达到宽频强吸收效果。

本发明提供了一种以铝蜂窝芯为骨架，在蜂窝孔隙中填充吸波介质的导热吸波贴片，以铝蜂窝芯为骨架构建高热导率的导热通路，在吸波介质较低的声子导热传输效率基础上增加电子导热机制，相比传统导热吸波垫片，本发明可以在不添加导热填料的情况下达到高热导率，从而大大优化复合材料的硬度、回弹性等性能；通过铝蜂窝结构对吸波介质传播常数调控、对电磁波电导损耗特性，与吸波灌封胶协同提升复合材料的吸波特性以达到宽频强吸收的目的。另外，还利用铝蜂窝结构的耐应力、比强度高的特点提升了传统吸波介质的力学性能，进而提高导热吸波贴片的机械性能。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种导热吸波贴片，其特征在于，包括铝蜂窝骨架和吸波介质；

铝蜂窝骨架用以在导热吸波贴片中构建供热流传播的导热网络，填充在铝蜂窝骨架内部的吸波介质用于吸收电磁波，且所述电磁波在所述吸波介质中的传播常数通过空腔结构的尺寸进行调控，以使得在铝蜂窝骨架的协同作用下提高吸波介质的吸波效果。

2.如权利要求1所述的导热吸波贴片，其特征在于，所述铝蜂窝骨架可在电磁波作用下形成沿蜂窝壁的电流，以电导损耗的方式吸收电磁波。

3.如权利要求1所述的导热吸波贴片，其特征在于，所述吸波介质的组分包括(20-40)wt％的有机灌封胶基体和(60-80)wt％的吸波填料。

4.如权利要求3所述的导热吸波贴片，其特征在于，所述有机灌封胶基体选自环氧树脂、聚氨酯、有机硅树脂灌封胶中的任意一种；

5.如权利要求1所述的导热吸波贴片，其特征在于，所述铝蜂窝骨架中的空腔结构的形状为正六边形蜂窝、圆形蜂窝或正交各向异性蜂窝。

6.如权利要求5所述的导热吸波贴片，其特征在于，当铝蜂窝骨架中的空腔结构的形状为正六边形时，每个空腔结构的边长为2-10mm。

7.如权利要求5所述的导热吸波贴片，其特征在于，所述铝蜂窝骨架中相邻两个空腔结构之间的壁厚为0.04-0.12mm。

8.如权利要求7所述的导热吸波贴片，其特征在于，通过调节铝蜂窝芯的壁厚以及孔径大小调控导热吸波贴片的谐振频率和电磁带隙范围。