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生產力局開發高導熱材料鋁硅合金
新材料推動高端電子製造 實現「新型工業化」

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近年高端電子產品對電子晶片的運算能力要求愈來愈高,尤其是踏入5G世代,晶片需快速處理大量數據,運算期間電子產品的溫度隨之飆升。然而,晶片過熱會影響工作效能,對高端電子產品的發展構成障礙。為此,香港生產力促進局(生產力局)開發高導熱材料,利用鋁硅合金(Al-Si)填充晶片及散熱器之間的空隙,以提升散熱效能。廠商亦可以利用生產力局研發的壓鑄技術,大批量生產導熱零件,加速香港高端電子工業發展,抓緊「新型工業化」帶來的機遇。

生產力局開發鋁硅合金材料,提升電子零件的散熱效能。

 

導熱材料應用層面廣泛
全球市場規模逼近十億美元

導熱材料直接影響電子產品的性能、可靠性,以及使用壽命,而且用途十分廣泛。市面上常見的導熱材料包括聚合物複合材料、金屬類及相變材料,主要應用於各種設備作散熱管理。近年,全球導熱材料市場規模更不斷擴大,單單在中國,整體散熱行業市場規模由2017年的不到人民幣1500億元預計增長至2023年的超過人民幣2000億元,每年增速約8%,足見其龐大的市場應用及潛在商機。

鋁硅合金高導熱 低熱膨脹
確保精密零件穩定性

為了達到更好導熱效果,晶片位置通常會與散熱器緊扣,兩者之間存在微孔及表面凹凸不平的孔洞,但充填空氣的熱導率只有0.024W/(m.K),嚴重阻礙傳熱,造成散熱器效能低下。此外,熱力每上升10度,電子晶片故障率便會相應提高50%。當電子晶片溫度上升至超過100度,更會損害使用壽命。

製造商使用導熱材料時,亦要解決熱膨脹問題。材料的熱膨脹系數愈高,它跟晶片及散熱器的接觸介面愈有機會因熱膨脹而導致變形及受破壞。以機械架構精密的鋰電池汽車為例,假如散熱器變形,會引致充電箱短路,情況非常危險。針對上述問題,生產力局開發了鋁硅合金,兼具高導熱、低熱膨脹的特性,能填充晶片與散熱器之間的空隙及提升導熱效能。

按產品應用需要
調配不同合金比例及元素

導熱材料當中,以純鋁的導熱效能最好,但材料成本較高。生產力局研發的鋁硅合金配方,簡單而言是於每100克鋁材中,滲入12%的硅元素。這種合金的導熱性能高,大約是純鋁的80%,而熱膨脹系數方面則比純鋁材料低大約30%。同時,製造商可按不同應用需要,調配鋁硅合金的元素比例,例如提高材料的硅元素含量,以降低熱膨脹系數,適合要求高穩定性的精密晶片。至於對產品尺寸控制非常嚴格的平板電腦或智能手機,裝配時一定要使用機械作精密加工,製造商便可在鋁硅合金加入鈧或鈦元素,令零件進行機械加工時,不易斷開或產生裂紋。

鋁合金加入(左起)硅、鈦、鈧等元素,可以達到不同效果,例如加入硅後的熱膨脹系數最低(左一),而加入硅及鈧後的硬度最高。

 

配合壓鑄技術
大批量生產 節省材料成本

傳統導熱材料需要使用車牀逐件加工,將晶片及散熱器接合,加工效率較慢。而鋁硅合金採用高温熱溶的方式,將鋁、硅與其他金屬融合,再把金屬溶液倒入模具內,配合壓鑄技術,數十秒內便可完成大批量加工,大大提升電子產品的製造效率。此外,這種壓鑄方式亦有效減省材料消耗,切割後剩餘的導熱材料,可以重新熔化及鑄造,回收再用率高達30%至40%,符合國家發展雙碳經濟的方向,以及「新型工業化」中著重減少資源消耗的特點。

 

傳統導熱材料 由生產力局研發的鋁硅合金
導熱效能 ★★★ ★★★★
熱膨脹系數 (即晶片及散熱器的接觸介面因熱膨脹而變形及受破壞的機會) ★★★★ ★★★
加工程序 使用車牀逐件加工,每件需時數分鐘 數十秒內便可以完成大批量加工
加工方法 機械加工 傳統壓鑄機即可

 

傳統壓鑄機已經能使用鋁硅合金,無需大幅改造機器。生產力局會根據客戶的要求,就鑄造設備的調整提供技術顧問服務。

生產力局開發的鋁硅合金具備高導熱及低熱膨脹的優點。高端電子設備如5G通訊設備體積小,功率大,散熱效率尤其重要,配合以鋁硅合金作導熱材料,能確保設備穩定操作,減低故障率。鋁硅合金適用於複雜薄壁零件的壓鑄生產,例如電腦、通訊及消費電子產品、電動汽車電池、5G通訊、軌道交通、航空、航天、醫療/健康器械、汽車及其他行業的零部件製造,遍及傳統和新興產業。

鋁硅合金作為導熱材料,適用於各種產業如5G通訊。

生產力局正積極與電子製造業界合作,提供導熱材料應用,並正與個別企業商討,包括5G基站散熱器材料的製造商,由局方提供材料研發及配方的顧問服務,協助業界改良產品的導熱效能,推動本地先進製造業發展,朝「新型工業化」邁進!

 

以上資料由香港生產力促進局提供