导热垫片导热性能的影响因素分析

2021-07-19苏俊杰冯乙洪曾幸荣程宪涛吴向荣

橡胶科技 2021年2期

苏俊杰，李苗，冯乙洪，曾幸荣，程宪涛，吴向荣

（1.肇庆皓明有机硅材料有限公司，广东肇庆 526000；2.华南理工大学材料科学与工程学院，广东广州 510641）

随着科技的发展，电子元器件、电器功率电路模块以及大规模集成电路等领域进一步实现了高性能、高可靠性和小型化，工作效率不断提高，因此各个电子元器件在工作时产生的热量也急剧增加[1-2]，快速地传递热量是目前延长电子设备使用寿命的重要课题。硅橡胶具有良好的耐高温性能，其在电子元器件用导热产品中的应用逐渐增加[3-5]。

电子元器件用导热产品主要有导热凝胶和导热垫片，两者的差别在于包装和使用方式不同[6]，其均可通过添加导热粉体、提高硅橡胶导热性能等方法制备。由于热源断面并非绝对光滑，导热垫片与热源相互接触时会包裹空气，而空气对热的传递产生限制瓶颈[7-9]。研究表明，交联程度较低的导热垫片具有较大的弹性模量，使用时能够充分接触热源断面，减少或避免空气的阻碍，改善热的传递[10-11]。

导热垫片的硬度是影响其导热性能的重要指标[12]，本工作分析硬度以及测试条件对导热垫片导热性能的影响，以期对高性能导热垫片的基础研究和开发指引方向。

1 实验

1.1 主要原材料

乙烯基硅油（粘度为350 mPa·s），含氢硅油（活性氢质量分数为0.006），江西蓝星星火有机硅有限公司产品；铂金催化剂KPT3000和抑制剂GY-72，广东硅友新材料有限公司产品；导热粉体，导热系数为5.0 W·（m·K）-1的复配粉体，佛山金戈新材料有限公司产品。

1.2 试验配方

乙烯基硅油变量，含氢硅油变量，导热粉体 93.4，抑制剂 0.05，铂金催化剂 0.1。

1.3 主要仪器

BR-1863型邵氏硬度计，日本京西商会社产品；DRL-III型导热仪，深圳艾可瑞仪器设备有限公司产品；XLB-6型离心机，深圳鑫龙邦科技有限公司产品；DHG-9000型烘箱，上海合恒仪器设备有限公司产品。

1.4 试样制备

按照试验配方称料，置于离心机中，在600 r·min-1，0.09 MPa条件下混合5 min，刮壁，再混合5 min，用离型膜压片，胶片厚度为2 mm，放置于80 ℃烘箱中固化15 min，取出备用。

1.5 性能测试

邵尔A型硬度按照GB/T 528—2009进行测试；导热系数和热阻按照GB/T 10295—2008进行测试。

2 结果与讨论

2.1 硬度对导热垫片导热性能的影响

通过调整乙烯基硅油和含氢硅油的配比，制备不同硬度的导热垫片。硬度对导热垫片导热性能的影响如图1所示。

图1 硬度对导热垫片导热性能的影响

从图1可以看出，随着硬度的增大，导热垫片的导热系数减小，热阻增大。分析认为，在本工作测试条件（测试压力为207 kPa，温度为80 ℃）下，随着硬度的增大，导热粉体和导热垫片内部空穴被固定的程度增强，空穴相互挤压和导热粉体发生移动而相互接触的几率减小，导致导热垫片导热系数减小，热阻增大。综合考虑导热系数和热阻的平衡，导热垫片的硬度为70度最佳。

2.2 测试压力对导热垫片导热性能的影响

增大测试压力，对导热垫片内部的空气进行压缩，使导热粉体之间相互接触的几率增大，以增大导热垫片的导热系数。本试验采用硬度为70度的导热垫片，研究测试压力对导热垫片导热性能的影响，结果如图2所示。

从图2可以看出：随着测试压力的增大，导热垫片的导热系数增大，热阻减小；当测试压力大于345 kPa时，导热垫片的导热系数增幅较小，从仪器保护和能量消耗方面考虑，测试压力应为345 kPa。

图2 测试压力对导热垫片导热性能的影响

2.3 测试温度对导热垫片导热性能的影响

温度升高，导热垫片的硬度减小。本试验采用硬度为70度的导热垫片研究测试温度对其导热性能的影响，结果如图3所示。

图3 测试温度对导热垫片导热性能的影响

从图3可以看出，随着测试温度的升高，导热垫片的导热系数增大，热阻减小。分析认为，测试温度升高，导热垫片内部分子链活动性增强，受到压力作用时容易发生变形，导热垫片内部的空穴结构被压缩，使得导热粉体相互接触几率增大，因此导热垫片的导热系数增大，热阻减小。测试温度超过80 ℃后，导热垫片的导热系数和热阻变化幅度较小。从设备保护和能量消耗方面考虑，测试温度应为80 ℃。