來源：有機(jī)硅材料，中國知網(wǎng)

作者：吳向榮，蘇俊杰*，李苗，馮乙洪，程憲濤

摘要: 以乙烯基硅油等為基料，添加低密度導(dǎo)熱陶瓷粉體制得導(dǎo)熱墊片。探討了不同類型的導(dǎo)熱陶瓷粉體的復(fù)配方式及用量、乙烯基硅油的黏度、表面處理劑的用量及導(dǎo)熱粉體的加料順序?qū)?dǎo)熱墊片性能的影響。結(jié)果表明，采用氮化硼/球型硅微粉復(fù)配制得的導(dǎo)熱墊片的綜合性能優(yōu)于氮化硼/氫氧化鋁復(fù)配制得的導(dǎo)熱墊片; 采用黏度為 500 mPa·s 的乙烯基硅油即可滿足客戶對(duì)導(dǎo)熱墊片力學(xué)性能的要求; 當(dāng)表面處理劑添加量為 0.8 g 時(shí)，可以保證粉體在墊片內(nèi)均勻分散; 制備膠料時(shí)，需要先添加球型硅微粉，依靠硅微粉增加體系黏度，攪拌一定時(shí)間后再添加氮化硼，此加料工藝可提高氮化硼的分散效果，優(yōu)化導(dǎo)熱墊片的性能。采用 4g 乙烯基硅油為基料，85g 氮化硼與硅微粉( 質(zhì)量比 1：5) 復(fù)配物為導(dǎo)熱填料，添加交聯(lián)劑、催化劑等制得的導(dǎo)熱墊片的密度為 2.0 g/cm³，熱導(dǎo)率為 2.0 W/( m·K) ，能滿足低密度導(dǎo)熱墊片的要求。

關(guān)鍵詞: 導(dǎo)熱陶瓷粉體，氮化硼，乙烯基硅油，硅微粉

隨著科技的發(fā)展進(jìn)步，高性能、高可靠性的電子產(chǎn)品成為了未來產(chǎn)品的發(fā)展趨勢，且需求量不斷提升，這促使產(chǎn)品的電子元器件、電器功率電路模塊、大規(guī)模集成電路更加精細(xì)化。在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段需要考慮很多因素，其中，產(chǎn)品的熱管理問題就是必須要考慮的難點(diǎn)之一。設(shè)備元件的溫度每升高約 10 ℃，產(chǎn)品的使用壽命縮短 3～5 年。因此，如何把電子元器件產(chǎn)生的熱量最快地傳遞出去，延長產(chǎn)品的使用壽命，提高產(chǎn)品的使用價(jià)值，是產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)者必須考慮的因素之一。

導(dǎo)熱墊片是以聚二甲基硅氧烷作為基礎(chǔ)聚合物，并添加不同熱導(dǎo)率的陶瓷粉體，通過控制基礎(chǔ)聚合物的交聯(lián)程度，制得的一種界于軟、黏狀態(tài)的半固態(tài)物質(zhì)。受到外力作用時(shí)，其會(huì)發(fā)生較大的形變，充分填充電子元器件接觸面之間的縫隙，建立高效的熱傳導(dǎo)通道，及時(shí)將元器件產(chǎn)生的熱量傳遞出去。導(dǎo)熱墊片具有一定的交聯(lián)度，可以有效避免長期使用時(shí)出現(xiàn)的滲油、變干問題，是目前用于電子元器件散熱的主要產(chǎn)品之一。

為滿足新能源汽車輕量化的需要，本實(shí)驗(yàn)采用低密度、不同形狀的填料互配，利用片狀填料的面內(nèi)同性和球型填料的各向同性優(yōu)點(diǎn)，在體系內(nèi)形成類似豌豆莢的導(dǎo)熱通路，在保證墊片導(dǎo)熱能力的同時(shí)，使其密度較低，討論了配方組成和加料順序?qū)?dǎo)熱墊片性能的影響，以期為有機(jī)硅導(dǎo)熱墊片的設(shè)計(jì)與開發(fā)提供基礎(chǔ)指導(dǎo)。

01 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原料及設(shè)備

乙烯基硅油: 黏度( 25℃，下同) 100、350、500、1000、3500 mPa·s，江西藍(lán)星星火有機(jī)硅有限公司; 側(cè)含氫硅油( 交聯(lián)劑，活性氫質(zhì)量分?jǐn)?shù) 0.5% ) 、端含氫硅油( 擴(kuò)鏈劑，活性氫質(zhì)量分?jǐn)?shù) 0.2% ) : 江西藍(lán)星星火有機(jī)硅有限公司;鉑金催化劑( KPT3000) 、1－乙炔基環(huán)己醇( 抑制劑，GY－72) :廣州矽友新材料科技有限公司;乙烯基三甲氧基硅烷( 偶聯(lián)劑 171) : 江西海多化工有限公司; 氮化硼: NB－500，山東晶億新材料有限公司; 球型硅微粉: LR－G38，江蘇聯(lián)瑞新材料有限公司; 氫氧化鋁: ZL－H68，中鋁鄭州分公司。

黏度計(jì):DV2TLV，美國 Brookfield 黏度計(jì)公司; 高溫烘箱: CS 887－1，上海長生烘箱設(shè)備有限公司;邵爾 OO 硬度計(jì):BR－1863，日本京西商會(huì)社; 導(dǎo)熱儀: DRL－III，深圳艾可瑞儀器設(shè)備有限公司;掃描電鏡:JEM－2100F，日本電子株式會(huì)社;拉力機(jī):FR-103c，上海發(fā)瑞儀器科技有限公司;固體密度測試儀:DH－300，日本 Dahometer 公司。

1.2 試樣制備

試樣的基本配方見表 1。

表1 基本配方

按照表1 的配方稱料( 不添加催化劑) ，在轉(zhuǎn)速 800 r/min、壓力－0.09 MPa 條件下離心混合 3 min，刮邊處理，然后在相同的離心條件下混合 3 min。取出冷卻至室溫，添加催化劑，再離心混合1 min，用離型膜壓片，厚度 2 mm。置于 100 ℃烘箱中，硫化 30 min，備用。

1.3 性能測試

熱導(dǎo)率和熱阻: 按 GB /T 10295—2008 測試;黏度: 按 GB/T 265—1988 測試;力學(xué)性能:按GB/T 528—2009 測試; 密度: 按 GB/T 533—2008測試。

02 結(jié)果與討論

2.1 導(dǎo)熱粉體復(fù)配方式對(duì)導(dǎo)熱墊片性能的影響

實(shí)驗(yàn)采用低密度的氮化硼陶瓷粉與球型硅微粉或片狀氫氧化鋁復(fù)配使用，制得的導(dǎo)熱墊片的密度和熱導(dǎo)率見圖 1。

a—密度

b—熱導(dǎo)率

圖1 導(dǎo)熱墊片的密度和熱導(dǎo)率

由圖 1 可見，隨著導(dǎo)熱粉體用量的增加，墊片的密度和熱導(dǎo)率都出現(xiàn)增加的趨勢。氮化硼/硅微粉復(fù)配( 質(zhì)量比為 1∶5) 制備的墊片密度由1.89 g /cm³ 增加到 1.97 g /cm³，而氮化硼/氫氧化鋁復(fù)配( 質(zhì)量比為 1∶5) 制備的墊片密度則由1.91 g /cm³增加到 2.06 g /cm³，兩個(gè)體系下制得的墊片密度增加幅度相對(duì)較小。但是熱導(dǎo)率隨著復(fù)配粉體用量的增多，出現(xiàn)了較大變化。氮化硼/硅微粉復(fù)配制備的墊片的熱導(dǎo)率由1.20 W/(m·K) 增加到 3.10 W/(m·K) ，氮化硼/氫氧化鋁復(fù)配制備的墊片的熱導(dǎo)率由1.31 W/( m·K) 增加到 3.35 W/(m·K) 。總之，本實(shí)驗(yàn)制得的導(dǎo)熱墊片基本滿足了低密度導(dǎo)熱墊片的要求，即熱導(dǎo)率2.0 W/(m·K) ，密度2.0 g/cm³。

圖 2 是兩種復(fù)配( 氮化硼/氫氧化鋁、氮化硼/硅微粉) 方案制備的導(dǎo)熱膠料的黏度。

圖2 導(dǎo)熱膠料黏度

由圖 2 可見，隨著填料用量的增大，膠料黏度有明顯的增加。氮化硼/硅微粉膠料體系黏度從 23.0×10³ mPa·s 增加到了 46.0×10³ mPa·s，提高了一倍。氮化硼/氫氧化鋁膠料體系黏度從25.0×10³ mPa·s 增加到了 50.3×10³ mPa·s，基本也提高了1 倍。從產(chǎn)品的后續(xù)制備工藝過程及結(jié)合圖1 中兩個(gè)體系的密度和熱導(dǎo)率對(duì)比，實(shí)驗(yàn)選擇氮化硼/硅微粉復(fù)配體系及用量 85g 條件開展后續(xù)分析。

2.2 乙烯基硅油黏度對(duì)導(dǎo)熱墊片力學(xué)性能的影響

乙烯基硅油是制備導(dǎo)熱產(chǎn)品的原料，實(shí)驗(yàn)對(duì)乙烯基硅油黏度對(duì)低密度導(dǎo)熱墊片的力學(xué)性能影響開展了研究，結(jié)果見表 2。

表2 乙烯基硅油黏度對(duì)導(dǎo)熱墊片力學(xué)性能的影響

由表2 可見，隨著乙烯基硅油黏度的增加，導(dǎo)熱墊片的拉伸強(qiáng)度逐漸降低，拉斷伸長率逐漸增加。乙烯基硅油黏度高，導(dǎo)致分子鏈比較長，活性端基團(tuán)量降低，交聯(lián)度降低，因而拉伸強(qiáng)度降低，拉斷伸長率較大。由表2 還可見，隨著乙烯基硅油黏度的增加，制得的膠料黏度呈不規(guī)律增大。乙烯基硅油黏度高于 1000 mPa·s 后，膠料黏度顯著變大，不易于后續(xù)的生產(chǎn)制造。綜合以上結(jié)果，實(shí)驗(yàn)采用黏度為 500 mPa·s 的乙烯基硅油為基料制備低密度導(dǎo)熱墊片。

2.3 表面處理劑用量對(duì)導(dǎo)熱墊片性能的影響

表面處理劑的功效是為了更好地改善粉體的表面性質(zhì)，提高粉體與硅油的相容性，改善制品的性能。實(shí)驗(yàn)分析了表面處理劑對(duì)導(dǎo)熱墊片的性能影響，結(jié)果見表 3。

表3 表面處理劑對(duì)墊片性能的影響

由表3 可見，隨著表面處理劑用量的增加，導(dǎo)熱墊片的拉伸強(qiáng)度增大，拉斷伸長率提高，墊片的熱阻和膠料黏度明顯降低，但是出油率也明顯增多。

粉體表面的極性基團(tuán)與表面處理劑的極性基團(tuán)相互作用，形成氫鍵或者化學(xué)鍵，改善了粉體在乙烯基硅油中的分散，使得粉體在墊片內(nèi)形成的傳熱網(wǎng)絡(luò)更加均勻，更有利于熱傳遞。但是當(dāng)表面處理劑過多( 超過 0.8 g) 時(shí)，其在墊片內(nèi)以小分子增塑劑形式存在，容易遷移到墊片表面，導(dǎo)致墊片的出油率增大。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，表面處理劑用量優(yōu)選 0.8 g。

2.4 導(dǎo)熱粉體的加料順序?qū)?dǎo)熱墊片性能的影響

由于氮化硼在基體內(nèi)比較難分散，但是相對(duì)于硅微粉而言，氮化硼對(duì)墊片的導(dǎo)熱性能起到主要作用。因此，保證氮化硼的均勻分散是關(guān)鍵。本實(shí)驗(yàn)改變了導(dǎo)熱粉體的加料順序，研究了其對(duì)墊片性能的影響，見圖 3 和表 4。其中，圖 3 中a 為先添加硅微粉，再添加氮化硼; b 為先添加氮化硼，再添加硅微粉。

圖3 加料順序?qū)δz料黏度的影響

表4 加料順序?qū)|片性能影響

由圖 3 可見，先添加硅微粉，再添加氮化硼制得的膠料黏度為 29.8×10³ mPa·s;先添加氮化硼混合，再添加硅微粉制得的膠料黏度為33.2×10³ mPa·s。表 4 中，相比加料工藝 b，加料工藝 a 制備的導(dǎo)熱墊片的熱導(dǎo)率和拉斷伸長率更高，熱阻更低。先添加氮化硼，硅油會(huì)優(yōu)先包裹氮化硼，即使在剪切分散作用下這種包裹作用也不易被打破。然而，先添加球型硅微粉，硅油會(huì)優(yōu)先被硅微粉吸附，膠料黏度高，再添加氮化硼，由于硅油被硅微粉吸附，氮化硼不易因吸附硅油而發(fā)生團(tuán)聚，再加上硅微粉優(yōu)先加入，增加了硅油的稠度，對(duì)氮化硼的剪切分散作用較大，能夠改善氮化硼在膠料內(nèi)的分散，從而改善導(dǎo)熱墊片的性能。因而導(dǎo)熱粉體在復(fù)配使用時(shí)，應(yīng)先添加硅微粉，再添加氮化硼。

03 結(jié)論

采用低密度的導(dǎo)熱粉體氮化硼和球型硅微粉復(fù)配，且添加量在 85 g，即可以達(dá)到熱導(dǎo)率為2.0 W/( m·K) ，密度為 2.0 g/cm³的要求。采用黏度為 500 mPa·s 的乙烯基硅油為基料制得的低密度導(dǎo)熱墊片，其力學(xué)性能和產(chǎn)品的加工性能較佳。當(dāng)表面處理劑用量為 0.8 g 時(shí)，導(dǎo)熱墊片的力學(xué)性能和后期的耐出油性較好。先添加硅微粉，再添加氮化硼制得的導(dǎo)熱墊片性能好于先添加氮化硼，再添加硅微粉工藝。

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