導(dǎo)熱墊片導(dǎo)熱性能的影響因素分析

蘇俊杰，李 苗，馮乙洪，曾幸榮，程憲濤，吳向榮

（1.肇慶皓明有機(jī)硅材料有限公司，廣東 肇慶 526000；2.華南理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 510641）

隨著科技的發(fā)展，電子元器件、電器功率電路模塊以及大規(guī)模集成電路等領(lǐng)域進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了高性能、高可靠性和小型化，工作效率不斷提高，因此各個(gè)電子元器件在工作時(shí)產(chǎn)生的熱量也急劇增加[1-2]，快速地傳遞熱量是目前延長電子設(shè)備使用壽命的重要課題。硅橡膠具有良好的耐高溫性能，其在電子元器件用導(dǎo)熱產(chǎn)品中的應(yīng)用逐漸增加[3-5]。

電子元器件用導(dǎo)熱產(chǎn)品主要有導(dǎo)熱凝膠和導(dǎo)熱墊片，兩者的差別在于包裝和使用方式不同[6]，其均可通過添加導(dǎo)熱粉體、提高硅橡膠導(dǎo)熱性能等方法制備。由于熱源斷面并非絕對(duì)光滑，導(dǎo)熱墊片與熱源相互接觸時(shí)會(huì)包裹空氣，而空氣對(duì)熱的傳遞產(chǎn)生限制瓶頸[7-9]。研究表明，交聯(lián)程度較低的導(dǎo)熱墊片具有較大的彈性模量，使用時(shí)能夠充分接觸熱源斷面，減少或避免空氣的阻礙，改善熱的傳遞[10-11]。

導(dǎo)熱墊片的硬度是影響其導(dǎo)熱性能的重要指標(biāo)[12]，本工作分析硬度以及測試條件對(duì)導(dǎo)熱墊片導(dǎo)熱性能的影響，以期對(duì)高性能導(dǎo)熱墊片的基礎(chǔ)研究和開發(fā)指引方向。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原材料

乙烯基硅油（粘度為350 mPa·s），含氫硅油（活性氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.006），江西藍(lán)星星火有機(jī)硅有限公司產(chǎn)品；鉑金催化劑KPT3000和抑制劑GY-72，廣東硅友新材料有限公司產(chǎn)品；導(dǎo)熱粉體，導(dǎo)熱系數(shù)為5.0 W·（m·K）-1的復(fù)配粉體，佛山金戈新材料有限公司產(chǎn)品。

1.2 試驗(yàn)配方

乙烯基硅油 變量，含氫硅油 變量，導(dǎo)熱粉體 93.4，抑制劑 0.05，鉑金催化劑 0.1。

1.3 主要儀器

BR-1863型邵氏硬度計(jì)，日本京西商會(huì)社產(chǎn)品；DRL-III型導(dǎo)熱儀，深圳艾可瑞儀器設(shè)備有限公司產(chǎn)品；XLB-6型離心機(jī)，深圳鑫龍邦科技有限公司產(chǎn)品；DHG-9000型烘箱，上海合恒儀器設(shè)備有限公司產(chǎn)品。

1.4 試樣制備

按照試驗(yàn)配方稱料，置于離心機(jī)中，在600 r·min-1，0.09 MPa條件下混合5 min，刮壁，再混合5 min，用離型膜壓片，膠片厚度為2 mm，放置于80 ℃烘箱中固化15 min，取出備用。

1.5 性能測試

邵爾A型硬度按照GB/T 528—2009進(jìn)行測試；導(dǎo)熱系數(shù)和熱阻按照GB/T 10295—2008進(jìn)行測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 硬度對(duì)導(dǎo)熱墊片導(dǎo)熱性能的影響

通過調(diào)整乙烯基硅油和含氫硅油的配比，制備不同硬度的導(dǎo)熱墊片。硬度對(duì)導(dǎo)熱墊片導(dǎo)熱性能的影響如圖1所示。

圖1 硬度對(duì)導(dǎo)熱墊片導(dǎo)熱性能的影響

從圖1可以看出，隨著硬度的增大，導(dǎo)熱墊片的導(dǎo)熱系數(shù)減小，熱阻增大。分析認(rèn)為，在本工作測試條件（測試壓力為207 kPa，溫度為80 ℃）下，隨著硬度的增大，導(dǎo)熱粉體和導(dǎo)熱墊片內(nèi)部空穴被固定的程度增強(qiáng)，空穴相互擠壓和導(dǎo)熱粉體發(fā)生移動(dòng)而相互接觸的幾率減小，導(dǎo)致導(dǎo)熱墊片導(dǎo)熱系數(shù)減小，熱阻增大。綜合考慮導(dǎo)熱系數(shù)和熱阻的平衡，導(dǎo)熱墊片的硬度為70度最佳。

2.2 測試壓力對(duì)導(dǎo)熱墊片導(dǎo)熱性能的影響

增大測試壓力，對(duì)導(dǎo)熱墊片內(nèi)部的空氣進(jìn)行壓縮，使導(dǎo)熱粉體之間相互接觸的幾率增大，以增大導(dǎo)熱墊片的導(dǎo)熱系數(shù)。本試驗(yàn)采用硬度為70度的導(dǎo)熱墊片，研究測試壓力對(duì)導(dǎo)熱墊片導(dǎo)熱性能的影響，結(jié)果如圖2所示。

從圖2可以看出：隨著測試壓力的增大，導(dǎo)熱墊片的導(dǎo)熱系數(shù)增大，熱阻減??；當(dāng)測試壓力大于345 kPa時(shí)，導(dǎo)熱墊片的導(dǎo)熱系數(shù)增幅較小，從儀器保護(hù)和能量消耗方面考慮，測試壓力應(yīng)為345 kPa。

圖2 測試壓力對(duì)導(dǎo)熱墊片導(dǎo)熱性能的影響

2.3 測試溫度對(duì)導(dǎo)熱墊片導(dǎo)熱性能的影響

溫度升高，導(dǎo)熱墊片的硬度減小。本試驗(yàn)采用硬度為70度的導(dǎo)熱墊片研究測試溫度對(duì)其導(dǎo)熱性能的影響，結(jié)果如圖3所示。

圖3 測試溫度對(duì)導(dǎo)熱墊片導(dǎo)熱性能的影響

從圖3可以看出，隨著測試溫度的升高，導(dǎo)熱墊片的導(dǎo)熱系數(shù)增大，熱阻減小。分析認(rèn)為，測試溫度升高，導(dǎo)熱墊片內(nèi)部分子鏈活動(dòng)性增強(qiáng)，受到壓力作用時(shí)容易發(fā)生變形，導(dǎo)熱墊片內(nèi)部的空穴結(jié)構(gòu)被壓縮，使得導(dǎo)熱粉體相互接觸幾率增大，因此導(dǎo)熱墊片的導(dǎo)熱系數(shù)增大，熱阻減小。測試溫度超過80 ℃后，導(dǎo)熱墊片的導(dǎo)熱系數(shù)和熱阻變化幅度較小。從設(shè)備保護(hù)和能量消耗方面考慮，測試溫度應(yīng)為80 ℃。

3 結(jié)論

（1）隨著硬度的增大，導(dǎo)熱墊片的導(dǎo)熱系數(shù)減小，熱阻增大，適宜硬度為70度。

（2）隨著測試壓力的增大，導(dǎo)熱墊片的導(dǎo)熱系數(shù)增大，熱阻減小，適宜測試壓力為345 kPa。

（3）隨著測試溫度的升高，導(dǎo)熱墊片的導(dǎo)熱系數(shù)增大，熱阻減小，適宜測試溫度為80 ℃。

（4）導(dǎo)熱粉體形成更多的導(dǎo)熱通路是提高導(dǎo)熱墊片導(dǎo)熱性能的主要途徑之一。減少導(dǎo)熱墊片內(nèi)部氣體空穴，能夠增大導(dǎo)熱粉體接觸幾率，有助于改善導(dǎo)熱墊片的導(dǎo)熱性能。