隨著電子產品向整機小型化?多功能化和高性能化發展,高密度三維系統集成技術應運而生?三維系統集成使得組裝效率高?信號傳輸速度快?系統可靠性更好?具有這些優點的同時也會導致基板單位面積上發熱量增大,散熱問題越來越引起重視?這就對散熱材料提出了更高的性能要求?通過散熱設計將電子產品內集聚的熱量及時導出,維持工作溫度在合理的設計范圍內,從而保證產品的系統穩定性和可靠性?熱導率用來描述材料的導熱能力,熱導率越高,表明材料的導熱能力越高?因此,高性能散熱材料最基本的要求就是熱導率足夠高?

高性能的導熱墊片一般要滿足熱導率足夠高?產品可靠性好?使用方便?減震降噪?綠色環保等要求?除了基本的熱導率以外,客戶還會關注導熱墊片的壓縮形變量?熱阻的變化以及瞬時壓力和長期壓力等;對于薄制品還會關注產品的操作性能,主要是剝離力的大小等?因導熱墊片用于填充縫隙而已,受力很小,所以力學性能普遍要求不高,所以產品應用廣泛?隨著電子產品的性能要求不斷提高,對導熱墊片的要求也越來越高?導熱墊片將不斷的升級換代?對此,人們做了很多探索,但是熱導率多在3.0W/(m·K)以下,配方不確定性大,與實際產品應用嚴重脫離,特別是對于可靠性的研究更少?本實驗以反應性硅油為基料,添加高性能導熱填料,制得熱導率4.0W/(m·K)的導熱墊片,產品使用性?可靠性好,能滿足客戶高性能導熱墊片的使用要求?

1實驗

1.1主要原料及設備

低黏度乙烯基硅油:黏度200mPa·s,乙烯基摩爾分數0.35%,安博硅材料有限公司;高黏度乙烯基硅油:黏度5000mPa·s,乙烯基摩爾分數0.35%,廣州天凌硅膠有限公司;含氫硅油:黏度50mm2/s,活性氫質量分數0.1%,深圳市紅葉杰科技有限公司;改性硅樹脂:煙臺德邦先進硅材料有限公司;鉑金催化劑(KE-808)?抑制劑(8081):廣州康固佳化工有限公司;氧化鋁:純度≥99%,平均粒徑20μm,中國鋁業股份有限公司鄭州研究院;氮化鋁:純度99.5%,平均粒徑0.5μm,上海申驛新材料科技發展有限公司;球形氧化鋁:純度≥99.8%,平均粒徑70μm,南京天行新材料有限公司?雙行星攪拌機:DMP-1QT型,羅斯設備有限公司;烘箱:Z120306型,熱循環式,深圳市章氏電熱設備有限公司?

1.2有機硅導熱墊片的制備

將低黏度乙烯基硅油80g?高黏度乙烯基硅油8g?含氫硅油6g?改性硅樹脂5g?催化劑1.0g?抑制劑0.2g加入到攪拌釜中攪拌0.5h,抽真空脫去氣泡;然后加入氮化鋁55g,攪拌0.5h,再加入氧化鋁445g,攪拌均勻后抽真空脫去氣泡;最后加入球形氧化鋁402g,攪拌0.5h,抽真空脫去氣泡?將所得膏狀物在離型膜之間成型一定厚度,先在120℃硫化30min,然后在150℃下烘烤30min,制得有機硅導熱墊片?

1.3性能測試

熱導率:采用瑞典HotDisk公司的TPS2500S型導熱系數測量儀,按ASTMD5470—2006測試;熱阻:采用臺灣瑞領科技股份有限公司的LW9389型熱阻儀,按ASTMD5470—2006測試;硬度:采用上海奧瓦測試儀器有限公司的邵氏OO型硬度計測試;密度:采用美國康塔儀器公司的DPY-31型真密度儀,以氦氣真密度法測試;拉伸強度:采用美國阿美特克有限公司的LS1型電子萬能試驗機,按ASTMD412—2006測試;拉斷伸長率:采用深圳萬測實驗設備有限公司的ETM103A型控制電子萬能試驗機,按ASTMD412—2006測試;體積電阻率:采用上海世祿儀器有限公司的1508型絕緣測試儀,按ASTMD257—2007測試;相對介電常數:采用吉林省華洋儀器設備有限公司的HJC-50kV擊穿電壓測試儀按ASTMD150—2011測試;180°剝離力:采用Chemsultants International Inc.的AR-1000型剝離力測試儀測試;高溫老化性:采用深圳市章氏電熱設備有限公司的Z120306型熱循環式烘箱;測試方法:樣品在150℃放置440h冷卻到室溫測試熱阻;冷熱沖擊老化性:采用煙臺信達儀表有限公司的WIEETS60型高低溫沖擊箱測試;測試方法:-40~125℃進行冷熱循環實驗,樣品-40℃放置0.5h然后125℃放置0.5h,這樣的過程為1個循環,共計測試440個循環后冷卻至室溫,測試樣品熱阻;濕熱老化性:采用東莞市慶聲實驗設備有限公司的KTHB-415TBS型恒溫恒濕箱于85℃?相對濕度85%條件下中放置440h后冷卻到室溫測試樣品熱阻?

瞬時壓力:在指定壓縮速率下,測試達到指定壓縮形變量的壓力;長期壓力:在指定壓縮速率下,測試維持指定壓縮形變量5min以上的壓力?

2結果與討論

2.1導熱墊片的性能指標

高性能導熱墊片的熱導率要求比較高,一般來講高熱導率都是靠高的導熱填料量來實現的,當導熱填料量占到體系總質量的90%時,熱導率達4.0W/m·K;此時密度3.4g/cm3,相對于普通導熱墊片來講,拉斷伸長率降低明顯,仍然保持優異的電絕緣性能?所制得有機硅導熱墊片的性能見表1?

2.2厚度對導熱墊片壓縮形變的影響

壓縮形變也是高性能導熱墊片的重要指標,壓縮形變越大,產品柔順性越好,更易于貼合緊密,界面熱阻越小,從而達到更好的導熱效果?不同厚度的產品有不同的壓縮形變,一般情況下,壓縮形變壓縮速率為0.5mm/min,厚度對導熱墊片壓縮形變影響見圖1?

由圖1可以看出,相同壓力下,厚度越大,壓縮形變越高?一般要求厚產品的壓縮形變能達到60%以上(一般小于0.69MPa),可以根據壓縮形變曲線初步選擇產品?

2.3厚度對導熱墊片熱阻的影響

高性能導熱墊片特征之一就是低熱阻,熱阻越低,導熱效果越好?不同厚度的產品熱阻不同?厚度對導熱墊片熱阻的影響見圖2?

由圖2可見,產品厚度越大,其熱阻越大?相同厚度的產品隨著壓力的增大,其熱阻接近線性下降?產品厚度的選擇是根據導熱元件的設計決定的,導熱設計單元縫隙的寬度對應產品的厚度?

2.4瞬時壓力及長期壓力對導熱墊片壓縮形變的影響

導熱墊片瞬時壓力及長期壓力測試結果見表2?

由表2可見,在25.4mm/min的壓縮速率下,要達到30%的壓縮形變,則需要瞬時壓力0.259MPa,維持30%的壓縮形變則需要長期壓力0.037MPa?瞬時壓力和長期壓力貼近應用,使用十分方便?

2.5剝離力對導熱墊片操作使用性能的影響

導熱填料添加量大,導熱墊片的熱導率高,但產品的本體強度變小,嚴重的也會沾污電子元件,產品有環保方面的缺陷?因此,高性能導熱墊片設計時要考慮剝離力與產品操作性的關系?一般來講,薄制品要求操作性高于厚制品?即使導熱墊片不沾污離型膜,但在揭掉離型膜的過程中,薄的導熱墊片如果剝離力較大,離型膜會將導熱墊片帶起移位,影響使用?剝離力對導熱墊片操作性的影響見表3?

由表3可見,對于0.8mm的導熱墊片,當剝離力大于12g/25mm時,操作性差,剝離力為8g/25mm時,操作性最好?因為產品越厚越容易揭掉離型膜,所以本實驗只討論薄產品?

2.6導熱墊片的可靠性

一款新產品的升級換代,一般都需做可靠性對比測試?可靠性測試包括高溫老化測試?冷熱沖擊老化測試和濕熱老化測試?在產品升級換代過程中,客戶要求導熱墊片老化440h后,其導熱性能不低于原參比樣品?可靠性測試結果見圖3~圖5?

由圖3~圖5可見,導熱墊片150℃老化440h的過程中,熱阻低于參比樣品;冷熱沖擊老化440h過程中,導熱墊片熱阻低于參比樣品;濕熱老化440h過程中,導熱墊片熱阻低于參比樣品?

綜合來看,相同厚度的導熱墊片升級后的可靠性好于原參比樣品?

3結論

以反應性硅油為基料,氧化鋁和氮化鋁為導熱填料制得高性能的導熱墊片?較佳配方為:低黏度乙烯基硅油80g?高黏度乙烯基硅油8g?含氫硅油6g?改性硅樹脂5g?催化劑1.0g?抑制劑0.2g加入到攪拌釜中攪拌0.5h,抽真空脫去氣泡;然后加入氮化鋁55g,攪拌0.5h,再加入氧化鋁445g攪拌均勻后抽真空脫去氣泡;最后加入球形氧化鋁402g,攪拌0.5h抽真空脫去氣泡?此配方制得的產品熱導率達4.0W/(m·K),操作使用方便,可靠性好,能滿足客戶高性能導熱墊片的使用要求?

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