导热硅脂高温稳定性评价研究.pdf

研究开发 ():导热硅脂高温稳定性评价研究刘建峰 邓 智 谢晓霞 陈淑云(珠海格力电器股份有限公司 广东珠海)摘要:以 种市售导热硅脂(、)为研究对象 考察了其在常温、处理 、处理 条件下的性能差异 结果表明 常温条件下导热硅脂 的导热性能最高 处理 后 导热硅脂 的热导率、热阻变化率最小 在 时稳定性最好 处理 后 导热硅脂 出现硬化现象 在 时稳定性不佳 导热硅脂、稳定性较佳 在实践中应根据导热硅脂的服役环境合理选型关键词:导热硅脂 热导率 高温稳定性 硬化 热阻中图分类号:文献标识码:/.收稿日期:作者简介:刘建峰()男 化工工程师 硕士 主要从事高分子、化工辅料的检测及失效分析:(.):().:随着电子技术的发展 电子元器件逐步趋于小型化、集成化 及时散出器件内部及表面的热量成为目前器件设计中的重点和保障使用可靠性的关键 有研究表明 电子元器件温度每升高 其可靠性下降约 器件内部热量如果仅依靠散热器散发 则效果不佳 这主要是由于固体表面在微观形貌上粗糙不平 即使 个固体平面紧密贴合 其实际接触面积却仅为理论接触面积的 其余部分均为空气接触而空气的热导率仅为 /()属于热的不良导体 这种表面接触的不完全性决定了 个固体的接触界面存在热阻 不利于热量传递 若将导热硅脂填充到 个固体接触面之间 则可驱逐接触界面之间空隙中存在的空气使整个接触界面形成连续的导热通道 降低 个接触界面之间的热阻 提高器件的散热效率导热硅脂主要由硅油、填料和添加剂等组成 在使用中长期处于高温环境 一旦出现相分离或硅油损失导致的硬化等问题 将影响导热硅脂与接触界面之间的润湿填充 增大接触热阻降低热传递效果 对器件寿命产生不利影响 因此 导热硅脂的高温稳定性对器件的长期使用可靠性至关重要本文以 种市售导热硅脂为研究对象 考察 第 卷了其在常温、处理 、处理 条件下的性能差异 对比了其高温稳定性以期为实践中导热硅脂的合理选型提供参考 实验 主要材料及仪器设备导热硅脂:种产品分别编号为、其中仅 为进口 外观均为白色 基础聚合物均为聚硅氧烷、所用填料均为三氧化二铝和氧化锌(者的填料用量不同)所用填料为氧化锌 所用填料为三氧化二铝、氧化锌和二氧化硅 市售电热鼓风干燥箱:重庆苏试四达试验设备有限公司 实验步骤采用厚度为 的钢网 将 种导热硅脂均匀印刷于电路板上 制成高温稳定性评价试件 外观见图(导热硅脂)图 导热硅脂高温稳定性评价试件 将试件置于电热鼓风干燥箱中于 静置 后测试其热导率、热阻并观察外观 另于 静置 后观察外观 同时 测试导热硅脂的热重曲线、挥发分、渗油比 性能测试及表征热导率和热阻:采用湘潭湘仪仪器有限公司的 热流法导热仪测试 热重分析:采用德国耐驰公司的 热重分析测试 样品质量约 氮气氛围 升温速率 /测试范围 :挥发分:按/中 测试 样品处理条件为 外观:用手指触碰导热硅脂表面 若不再粘手则判断导热硅脂出现硬化现象 渗油比():将一定量导热硅脂涂覆到白色滤纸上 试样直径固定为 厚度固定为 然后置于电热鼓风干燥箱于 静置 取出测量从导热硅脂中渗出的油迹的直径 按 /计算 式中 为硅脂试样初始直径的数值 单位 为油迹直径的数值 单位 越大 表明导热硅脂渗油越严重 结果与讨论 导热硅脂在 的稳定性评价导热硅脂在正常使用过程中处于热循环状态 热稳定性是评价其性能优劣的重要指标之一 通常 评价温度一般选则 以上或工作温度上限增加 也可根据具体工况来确定本实验将导热硅脂高温稳定性评价试件置于电热鼓风干燥箱中 于 处理 测试了处理前后导热硅脂的热导率 结果见图 图 导热硅脂在 处理 前后的热导率 由图 可见 实验前 种导热硅脂按热导率由高到低依次为、其中 导热硅脂、的热导率均大于 /()分别为 、/()导热硅脂、的热导率均接近 /()分别为 、/()初始热导率高低主要与导热硅脂中填料种类、填料含量有关将 种导热硅脂在 处理 后 热导率均有下降 按热导率降幅由大到小依次为、其热导率的变化率分别为 、这表明 导热硅脂 在 时的稳定性较差 导热硅脂 较佳 此外 种导热硅脂均未出现硬化现象导热硅脂热导率的高低受实际热传递过程中界面热阻以及导热材料本身热阻大小影响 高温实验后导热率出现变化是导热过程热阻出现变化第 期刘建峰等.导热硅脂高温稳定性评价研究 的体现 图 为导热硅脂在 处理 前后的热阻由图 可见 种导热硅脂在 处理 后 热阻出现了不同变化趋势 导热硅脂 的热阻显著升高 导热硅脂、的变化不明显 上述实测的热阻 包含了导热硅脂与导热仪上、下测试铜头的接触热阻和导热硅脂的热阻 从导热硅脂本身来分析 热阻与其对接触界面的润湿程度及其内部填料种类、含量、分布有关 综合分析导热硅脂在 处理 前后导热率和热阻变化情况可知 导热硅脂 在 处理 后由于导热热阻显著增加 导致其导热率出现了明显下降图 导热硅脂在 处理 前后的热阻 导热硅脂在 的稳定性评价导热硅脂在实际使用中可能会面对超过 的情况 因此将试件置于电热鼓风干燥箱中 于 处理 观察处理前后导热硅脂的外观变化 结果见表 表 导热硅脂在 处理 前后的外观 样品编号外观未硬化未硬化硬化未硬化未硬化 由表 可见 处理 后 仅有导热硅脂 出现硬化现象 表明其热稳定性较差导热硅脂所用的硅油组分有多种选择 常见的有甲基硅油、含氢硅油、二甲基硅油、乙基硅油、乙烯基硅油、长链烷基硅油和苯基硅油等 不同厂家或不同牌号的导热硅脂所用硅油种类可能不同 其分子结构和分子量也会存在差异 由于不同分子结构和分子量大小的硅油的耐温挥发和耐温分解能力不同 导致导热硅脂在进行高温实验后硅油组分会存在不同程度的损失 而硅油在导热硅脂中主要起到界面润湿作用 界面润湿程度的好坏直接影响界面热阻 从而会对导热硅脂的热导率产生影响由于导热硅脂 在经过 高温处理后出现硬化现象 而导热硅脂 在行业内使用量较大 且同样条件未出现硬化异常 因此选取导热硅脂、进行高温稳定性的深入对比分析图 为导热硅脂、的热失重曲线导热硅脂 导热硅脂 图 导热硅脂的热失重曲线 从图 可以看出 与导热硅脂 相比 导热硅脂 更早发生热失重 其热失重速率峰值对应时间早 热分解起始温度低 导热硅脂 的热分解起始温度对应其组分中硅油的分解 表明导热硅脂 的硅油组分高温稳定性低于导热硅脂 导热硅脂高温硬化现象的出现 与其组分损失存在直接关系 测试了导热硅脂、的挥发 第 卷分 实测值分别为、导热硅脂 的挥发分约为导热硅脂 的 倍 这表明 条件下 导热硅脂 中的有机组分更易挥发其高温稳定性更差除了有机组分挥发损失影响导热硅脂热稳定性外 导热硅脂中硅油与填料之间的相容性也会影响高温环境下有机组分的抗析出能力 一旦有机组分与填料分离析出 也会导致导热硅脂中有机组分出现损失 其热稳定性变差且影响热导率 为了便于导热硅脂评价选型 对导热硅脂 和 进行了渗油比测试 结果见图 和表 测试前 测试前 测试后 测试后图 渗油比测试前后导热硅脂的外观 从图 可以看出 导热硅脂、于 静置 后 均出现了渗油现象 其中 导热硅脂 还出现了硬化、龟裂现象 且其析出物质已明显发黄 由表 可见 导热硅脂 的渗油比导热硅脂 更严重表 导热硅脂的渗油比 样品编号油迹直径/渗油比/而由图 可知 导热硅脂、升温至 时 的 残 余 质 量 分 数 分 别 为 、表明这 款导热硅脂的有机组分、无机导热填料的质量分数基本一致 在有机组分质量分数基本一致的情况下 导热硅脂 的渗油更低 说明其有机组分与无机填料的相容性更好 高温情况下硅油相对不易析出 结论 种导热硅脂中 常温条件下导热硅脂 的导热性能最高 处理 后 导热硅脂 的热导率、热阻变化率最小 表明其在 时稳定性最好 处理 后 导热硅脂 出现硬化现象 表明其在 时稳定性不佳而导热硅脂、稳定性较佳 不同的导热硅脂 由于其各组分含量和相容性的不同在不同工作温度下的稳定性也有差异 在实践中应根据导热硅脂的服役环境合理选型 并对导热硅脂在特定温度下的稳定性进行充分验证参考文献 .():.:.():.崔巍 祝渊 袁轩一 等.高导热高绝缘导热硅脂的制备及性能表征.稀有金属材料与工程():.吕晓卫 冯展鹰 冯杏梅 等.降低固固界面接触热阻研究.电子机械工程 ():.张平 宣益民 李强.界面接触热阻的研究进展.化工学报 ():.陈冉冉 郭成 陈砚朋 等.低迁移绝缘导热硅脂界面材料的制备及其性能研究.材料导报():.湛利华 李晓谦 胡仕成.界面接触热阻影响因素的实验研究.轻合金加工技术 ():.胡思聪 吴丰顺 莫丽萍 等.聚合物基热界面材料的研究现状.电子元件与材料 ():.张岩岩 刘永鹤 李东红 等.导热氧化铝填料配方工艺对界面材料导热性能的影响研究.轻金属():.石逸武 罗永祥 许喜銮 等.硅油及填料对导热硅脂接触热阻的影响.电子与封装 ():.罗思彬 熊婷 雷震 等.导热硅脂的研究进展.有机硅材料 ():.