随着电子产品向整机小型化?多功能化和高性能化发展,高密度三维系统集成技术应运而生?三维系统集成使得组装效率高?信号传输速度快?系统可靠性更好?具有这些优点的同时也会导致基板单位面积上发热量增大,散热问题越来越引起重视?这就对散热材料提出了更高的性能要求?通过散热设计将电子产品内集聚的热量及时导出,维持工作温度在合理的设计范围内,从而保证产品的系统稳定性和可靠性?热导率用来描述材料的导热能力,热导率越高,表明材料的导热能力越高?因此,高性能散热材料最基本的要求就是热导率足够高?

高性能的导热垫片一般要满足热导率足够高?产品可靠性好?使用方便?减震降噪?绿色环保等要求?除了基本的热导率以外,客户还会关注导热垫片的压缩形变量?热阻的变化以及瞬时压力和长期压力等;对于薄制品还会关注产品的操作性能,主要是剥离力的大小等?因导热垫片用于填充缝隙而已,受力很小,所以力学性能普遍要求不高,所以产品应用广泛?随着电子产品的性能要求不断提高,对导热垫片的要求也越来越高?导热垫片将不断的升级换代?对此,人们做了很多探索,但是热导率多在3.0W/(m·K)以下,配方不确定性大,与实际产品应用严重脱离,特别是对于可靠性的研究更少?本实验以反应性硅油为基料,添加高性能导热填料,制得热导率4.0W/(m·K)的导热垫片,产品使用性?可靠性好,能满足客户高性能导热垫片的使用要求?

1实验

1.1主要原料及设备

低黏度乙烯基硅油:黏度200mPa·s,乙烯基摩尔分数0.35%,安博硅材料有限公司;高黏度乙烯基硅油:黏度5000mPa·s,乙烯基摩尔分数0.35%,广州天凌硅胶有限公司;含氢硅油:黏度50mm2/s,活性氢质量分数0.1%,深圳市红叶杰科技有限公司;改性硅树脂:烟台德邦先进硅材料有限公司;铂金催化剂(KE-808)?抑制剂(8081):广州康固佳化工有限公司;氧化铝:纯度≥99%,平均粒径20μm,中国铝业股份有限公司郑州研究院;氮化铝:纯度99.5%,平均粒径0.5μm,上海申驿新材料科技发展有限公司;球形氧化铝:纯度≥99.8%,平均粒径70μm,南京天行新材料有限公司?双行星搅拌机:DMP-1QT型,罗斯设备有限公司;烘箱:Z120306型,热循环式,深圳市章氏电热设备有限公司?

1.2有机硅导热垫片的制备

将低黏度乙烯基硅油80g?高黏度乙烯基硅油8g?含氢硅油6g?改性硅树脂5g?催化剂1.0g?抑制剂0.2g加入到搅拌釜中搅拌0.5h,抽真空脱去气泡;然后加入氮化铝55g,搅拌0.5h,再加入氧化铝445g,搅拌均匀后抽真空脱去气泡;最后加入球形氧化铝402g,搅拌0.5h,抽真空脱去气泡?将所得膏状物在离型膜之间成型一定厚度,先在120℃硫化30min,然后在150℃下烘烤30min,制得有机硅导热垫片?

1.3性能测试

热导率:采用瑞典HotDisk公司的TPS2500S型导热系数测量仪,按ASTMD5470—2006测试;热阻:采用台湾瑞领科技股份有限公司的LW9389型热阻仪,按ASTMD5470—2006测试;硬度:采用上海奥瓦测试仪器有限公司的邵氏OO型硬度计测试;密度:采用美国康塔仪器公司的DPY-31型真密度仪,以氦气真密度法测试;拉伸强度:采用美国阿美特克有限公司的LS1型电子万能试验机,按ASTMD412—2006测试;拉断伸长率:采用深圳万测实验设备有限公司的ETM103A型控制电子万能试验机,按ASTMD412—2006测试;体积电阻率:采用上海世禄仪器有限公司的1508型绝缘测试仪,按ASTMD257—2007测试;相对介电常数:采用吉林省华洋仪器设备有限公司的HJC-50kV击穿电压测试仪按ASTMD150—2011测试;180°剥离力:采用Chemsultants International Inc.的AR-1000型剥离力测试仪测试;高温老化性:采用深圳市章氏电热设备有限公司的Z120306型热循环式烘箱;测试方法:样品在150℃放置440h冷却到室温测试热阻;冷热冲击老化性:采用烟台信达仪表有限公司的WIEETS60型高低温冲击箱测试;测试方法:-40~125℃进行冷热循环实验,样品-40℃放置0.5h然后125℃放置0.5h,这样的过程为1个循环,共计测试440个循环后冷却至室温,测试样品热阻;湿热老化性:采用东莞市庆声实验设备有限公司的KTHB-415TBS型恒温恒湿箱于85℃?相对湿度85%条件下中放置440h后冷却到室温测试样品热阻?

瞬时压力:在指定压缩速率下,测试达到指定压缩形变量的压力;长期压力:在指定压缩速率下,测试维持指定压缩形变量5min以上的压力?

2结果与讨论

2.1导热垫片的性能指标

高性能导热垫片的热导率要求比较高,一般来讲高热导率都是靠高的导热填料量来实现的,当导热填料量占到体系总质量的90%时,热导率达4.0W/m·K;此时密度3.4g/cm3,相对于普通导热垫片来讲,拉断伸长率降低明显,仍然保持优异的电绝缘性能?所制得有机硅导热垫片的性能见表1?

2.2厚度对导热垫片压缩形变的影响

压缩形变也是高性能导热垫片的重要指标,压缩形变越大,产品柔顺性越好,更易于贴合紧密,界面热阻越小,从而达到更好的导热效果?不同厚度的产品有不同的压缩形变,一般情况下,压缩形变压缩速率为0.5mm/min,厚度对导热垫片压缩形变影响见图1?

由图1可以看出,相同压力下,厚度越大,压缩形变越高?一般要求厚产品的压缩形变能达到60%以上(一般小于0.69MPa),可以根据压缩形变曲线初步选择产品?

2.3厚度对导热垫片热阻的影响

高性能导热垫片特征之一就是低热阻,热阻越低,导热效果越好?不同厚度的产品热阻不同?厚度对导热垫片热阻的影响见图2?

由图2可见,产品厚度越大,其热阻越大?相同厚度的产品随着压力的增大,其热阻接近线性下降?产品厚度的选择是根据导热元件的设计决定的,导热设计单元缝隙的宽度对应产品的厚度?

2.4瞬时压力及长期压力对导热垫片压缩形变的影响

导热垫片瞬时压力及长期压力测试结果见表2?

由表2可见,在25.4mm/min的压缩速率下,要达到30%的压缩形变,则需要瞬时压力0.259MPa,维持30%的压缩形变则需要长期压力0.037MPa?瞬时压力和长期压力贴近应用,使用十分方便?

2.5剥离力对导热垫片操作使用性能的影响

导热填料添加量大,导热垫片的热导率高,但产品的本体强度变小,严重的也会沾污电子元件,产品有环保方面的缺陷?因此,高性能导热垫片设计时要考虑剥离力与产品操作性的关系?一般来讲,薄制品要求操作性高于厚制品?即使导热垫片不沾污离型膜,但在揭掉离型膜的过程中,薄的导热垫片如果剥离力较大,离型膜会将导热垫片带起移位,影响使用?剥离力对导热垫片操作性的影响见表3?

由表3可见,对于0.8mm的导热垫片,当剥离力大于12g/25mm时,操作性差,剥离力为8g/25mm时,操作性最好?因为产品越厚越容易揭掉离型膜,所以本实验只讨论薄产品?

2.6导热垫片的可靠性

一款新产品的升级换代,一般都需做可靠性对比测试?可靠性测试包括高温老化测试?冷热冲击老化测试和湿热老化测试?在产品升级换代过程中,客户要求导热垫片老化440h后,其导热性能不低于原参比样品?可靠性测试结果见图3~图5?

由图3~图5可见,导热垫片150℃老化440h的过程中,热阻低于参比样品;冷热冲击老化440h过程中,导热垫片热阻低于参比样品;湿热老化440h过程中,导热垫片热阻低于参比样品?

综合来看,相同厚度的导热垫片升级后的可靠性好于原参比样品?

3结论

以反应性硅油为基料,氧化铝和氮化铝为导热填料制得高性能的导热垫片?较佳配方为:低黏度乙烯基硅油80g?高黏度乙烯基硅油8g?含氢硅油6g?改性硅树脂5g?催化剂1.0g?抑制剂0.2g加入到搅拌釜中搅拌0.5h,抽真空脱去气泡;然后加入氮化铝55g,搅拌0.5h,再加入氧化铝445g搅拌均匀后抽真空脱去气泡;最后加入球形氧化铝402g,搅拌0.5h抽真空脱去气泡?此配方制得的产品热导率达4.0W/(m·K),操作使用方便,可靠性好,能满足客户高性能导热垫片的使用要求?

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