高性能有機(jī)硅導(dǎo)熱材料的制備與研究

熱設(shè)計(jì) 2022-05-13

隨著電子產(chǎn)品向整機(jī)小型化?多功能化和高性能化發(fā)展,高密度三維系統(tǒng)集成技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生?三維系統(tǒng)集成使得組裝效率高?信號(hào)傳輸速度快?系統(tǒng)可靠性更好?具有這些優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致基板單位面積上發(fā)熱量增大,散熱問題越來越引起重視?這就對(duì)散熱材料提出了更高的性能要求?通過散熱設(shè)計(jì)將電子產(chǎn)品內(nèi)集聚的熱量及時(shí)導(dǎo)出,維持工作溫度在合理的設(shè)計(jì)范圍內(nèi),從而保證產(chǎn)品的系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性?熱導(dǎo)率用來描述材料的導(dǎo)熱能力,熱導(dǎo)率越高,表明材料的導(dǎo)熱能力越高?因此,高性能散熱材料最基本的要求就是熱導(dǎo)率足夠高?

高性能的導(dǎo)熱墊片一般要滿足熱導(dǎo)率足夠高?產(chǎn)品可靠性好?使用方便?減震降噪?綠色環(huán)保等要求?除了基本的熱導(dǎo)率以外,客戶還會(huì)關(guān)注導(dǎo)熱墊片的壓縮形變量?熱阻的變化以及瞬時(shí)壓力和長期壓力等;對(duì)于薄制品還會(huì)關(guān)注產(chǎn)品的操作性能,主要是剝離力的大小等?因?qū)釅|片用于填充縫隙而已,受力很小,所以力學(xué)性能普遍要求不高,所以產(chǎn)品應(yīng)用廣泛?隨著電子產(chǎn)品的性能要求不斷提高,對(duì)導(dǎo)熱墊片的要求也越來越高?導(dǎo)熱墊片將不斷的升級(jí)換代?對(duì)此,人們做了很多探索,但是熱導(dǎo)率多在3.0W/(m·K)以下,配方不確定性大,與實(shí)際產(chǎn)品應(yīng)用嚴(yán)重脫離,特別是對(duì)于可靠性的研究更少?本實(shí)驗(yàn)以反應(yīng)性硅油為基料,添加高性能導(dǎo)熱填料,制得熱導(dǎo)率4.0W/(m·K)的導(dǎo)熱墊片,產(chǎn)品使用性?可靠性好,能滿足客戶高性能導(dǎo)熱墊片的使用要求?

1實(shí)驗(yàn)

1.1主要原料及設(shè)備

低黏度乙烯基硅油:黏度200mPa·s,乙烯基摩爾分?jǐn)?shù)0.35%,安博硅材料有限公司;高黏度乙烯基硅油:黏度5000mPa·s,乙烯基摩爾分?jǐn)?shù)0.35%,廣州天凌硅膠有限公司;含氫硅油:黏度50mm2/s,活性氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%,深圳市紅葉杰科技有限公司;改性硅樹脂:煙臺(tái)德邦先進(jìn)硅材料有限公司;鉑金催化劑(KE-808)?抑制劑(8081):廣州康固佳化工有限公司;氧化鋁:純度≥99%,平均粒徑20μm,中國鋁業(yè)股份有限公司鄭州研究院;氮化鋁:純度99.5%,平均粒徑0.5μm,上海申驛新材料科技發(fā)展有限公司;球形氧化鋁:純度≥99.8%,平均粒徑70μm,南京天行新材料有限公司?雙行星攪拌機(jī):DMP-1QT型,羅斯設(shè)備有限公司;烘箱:Z120306型,熱循環(huán)式,深圳市章氏電熱設(shè)備有限公司?

1.2有機(jī)硅導(dǎo)熱墊片的制備

將低黏度乙烯基硅油80g?高黏度乙烯基硅油8g?含氫硅油6g?改性硅樹脂5g?催化劑1.0g?抑制劑0.2g加入到攪拌釜中攪拌0.5h,抽真空脫去氣泡;然后加入氮化鋁55g,攪拌0.5h,再加入氧化鋁445g,攪拌均勻后抽真空脫去氣泡;最后加入球形氧化鋁402g,攪拌0.5h,抽真空脫去氣泡?將所得膏狀物在離型膜之間成型一定厚度,先在120℃硫化30min,然后在150℃下烘烤30min,制得有機(jī)硅導(dǎo)熱墊片?

1.3性能測試

熱導(dǎo)率:采用瑞典HotDisk公司的TPS2500S型導(dǎo)熱系數(shù)測量儀,按ASTMD5470—2006測試;熱阻:采用臺(tái)灣瑞領(lǐng)科技股份有限公司的LW9389型熱阻儀,按ASTMD5470—2006測試;硬度:采用上海奧瓦測試儀器有限公司的邵氏OO型硬度計(jì)測試;密度:采用美國康塔儀器公司的DPY-31型真密度儀,以氦氣真密度法測試;拉伸強(qiáng)度:采用美國阿美特克有限公司的LS1型電子萬能試驗(yàn)機(jī),按ASTMD412—2006測試;拉斷伸長率:采用深圳萬測實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司的ETM103A型控制電子萬能試驗(yàn)機(jī),按ASTMD412—2006測試;體積電阻率:采用上海世祿儀器有限公司的1508型絕緣測試儀,按ASTMD257—2007測試;相對(duì)介電常數(shù):采用吉林省華洋儀器設(shè)備有限公司的HJC-50kV擊穿電壓測試儀按ASTMD150—2011測試;180°剝離力:采用Chemsultants International Inc.的AR-1000型剝離力測試儀測試;高溫老化性:采用深圳市章氏電熱設(shè)備有限公司的Z120306型熱循環(huán)式烘箱;測試方法:樣品在150℃放置440h冷卻到室溫測試熱阻;冷熱沖擊老化性:采用煙臺(tái)信達(dá)儀表有限公司的WIEETS60型高低溫沖擊箱測試;測試方法:-40~125℃進(jìn)行冷熱循環(huán)實(shí)驗(yàn),樣品-40℃放置0.5h然后125℃放置0.5h,這樣的過程為1個(gè)循環(huán),共計(jì)測試440個(gè)循環(huán)后冷卻至室溫,測試樣品熱阻;濕熱老化性:采用東莞市慶聲實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司的KTHB-415TBS型恒溫恒濕箱于85℃?相對(duì)濕度85%條件下中放置440h后冷卻到室溫測試樣品熱阻?

瞬時(shí)壓力:在指定壓縮速率下,測試達(dá)到指定壓縮形變量的壓力;長期壓力:在指定壓縮速率下,測試維持指定壓縮形變量5min以上的壓力?

2結(jié)果與討論

2.1導(dǎo)熱墊片的性能指標(biāo)

高性能導(dǎo)熱墊片的熱導(dǎo)率要求比較高,一般來講高熱導(dǎo)率都是靠高的導(dǎo)熱填料量來實(shí)現(xiàn)的,當(dāng)導(dǎo)熱填料量占到體系總質(zhì)量的90%時(shí),熱導(dǎo)率達(dá)4.0W/m·K;此時(shí)密度3.4g/cm3,相對(duì)于普通導(dǎo)熱墊片來講,拉斷伸長率降低明顯,仍然保持優(yōu)異的電絕緣性能?所制得有機(jī)硅導(dǎo)熱墊片的性能見表1?

2.2厚度對(duì)導(dǎo)熱墊片壓縮形變的影響

壓縮形變也是高性能導(dǎo)熱墊片的重要指標(biāo),壓縮形變越大,產(chǎn)品柔順性越好,更易于貼合緊密,界面熱阻越小,從而達(dá)到更好的導(dǎo)熱效果?不同厚度的產(chǎn)品有不同的壓縮形變,一般情況下,壓縮形變壓縮速率為0.5mm/min,厚度對(duì)導(dǎo)熱墊片壓縮形變影響見圖1?

由圖1可以看出,相同壓力下,厚度越大,壓縮形變越高?一般要求厚產(chǎn)品的壓縮形變能達(dá)到60%以上(一般小于0.69MPa),可以根據(jù)壓縮形變曲線初步選擇產(chǎn)品?

2.3厚度對(duì)導(dǎo)熱墊片熱阻的影響

高性能導(dǎo)熱墊片特征之一就是低熱阻,熱阻越低,導(dǎo)熱效果越好?不同厚度的產(chǎn)品熱阻不同?厚度對(duì)導(dǎo)熱墊片熱阻的影響見圖2?

由圖2可見,產(chǎn)品厚度越大,其熱阻越大?相同厚度的產(chǎn)品隨著壓力的增大,其熱阻接近線性下降?產(chǎn)品厚度的選擇是根據(jù)導(dǎo)熱元件的設(shè)計(jì)決定的,導(dǎo)熱設(shè)計(jì)單元縫隙的寬度對(duì)應(yīng)產(chǎn)品的厚度?

2.4瞬時(shí)壓力及長期壓力對(duì)導(dǎo)熱墊片壓縮形變的影響

導(dǎo)熱墊片瞬時(shí)壓力及長期壓力測試結(jié)果見表2?

由表2可見,在25.4mm/min的壓縮速率下,要達(dá)到30%的壓縮形變,則需要瞬時(shí)壓力0.259MPa,維持30%的壓縮形變則需要長期壓力0.037MPa?瞬時(shí)壓力和長期壓力貼近應(yīng)用,使用十分方便?

2.5剝離力對(duì)導(dǎo)熱墊片操作使用性能的影響

導(dǎo)熱填料添加量大,導(dǎo)熱墊片的熱導(dǎo)率高,但產(chǎn)品的本體強(qiáng)度變小,嚴(yán)重的也會(huì)沾污電子元件,產(chǎn)品有環(huán)保方面的缺陷?因此,高性能導(dǎo)熱墊片設(shè)計(jì)時(shí)要考慮剝離力與產(chǎn)品操作性的關(guān)系?一般來講,薄制品要求操作性高于厚制品?即使導(dǎo)熱墊片不沾污離型膜,但在揭掉離型膜的過程中,薄的導(dǎo)熱墊片如果剝離力較大,離型膜會(huì)將導(dǎo)熱墊片帶起移位,影響使用?剝離力對(duì)導(dǎo)熱墊片操作性的影響見表3?

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由表3可見,對(duì)于0.8mm的導(dǎo)熱墊片,當(dāng)剝離力大于12g/25mm時(shí),操作性差,剝離力為8g/25mm時(shí),操作性最好?因?yàn)楫a(chǎn)品越厚越容易揭掉離型膜,所以本實(shí)驗(yàn)只討論薄產(chǎn)品?

2.6導(dǎo)熱墊片的可靠性

一款新產(chǎn)品的升級(jí)換代,一般都需做可靠性對(duì)比測試?可靠性測試包括高溫老化測試?冷熱沖擊老化測試和濕熱老化測試?在產(chǎn)品升級(jí)換代過程中,客戶要求導(dǎo)熱墊片老化440h后,其導(dǎo)熱性能不低于原參比樣品?可靠性測試結(jié)果見圖3~圖5?

由圖3~圖5可見,導(dǎo)熱墊片150℃老化440h的過程中,熱阻低于參比樣品;冷熱沖擊老化440h過程中,導(dǎo)熱墊片熱阻低于參比樣品;濕熱老化440h過程中,導(dǎo)熱墊片熱阻低于參比樣品?

綜合來看,相同厚度的導(dǎo)熱墊片升級(jí)后的可靠性好于原參比樣品?

3結(jié)論

以反應(yīng)性硅油為基料,氧化鋁和氮化鋁為導(dǎo)熱填料制得高性能的導(dǎo)熱墊片?較佳配方為:低黏度乙烯基硅油80g?高黏度乙烯基硅油8g?含氫硅油6g?改性硅樹脂5g?催化劑1.0g?抑制劑0.2g加入到攪拌釜中攪拌0.5h,抽真空脫去氣泡;然后加入氮化鋁55g,攪拌0.5h,再加入氧化鋁445g攪拌均勻后抽真空脫去氣泡;最后加入球形氧化鋁402g,攪拌0.5h抽真空脫去氣泡?此配方制得的產(chǎn)品熱導(dǎo)率達(dá)4.0W/(m·K),操作使用方便,可靠性好,能滿足客戶高性能導(dǎo)熱墊片的使用要求?