提高导热硅脂性能的可行方式

发布时间 | 2024-02-22 15:12 分类 | 粉体加工技术 点击量 | 269
石墨 氧化锌 石墨烯 氮化硅 氮化硼 氮化铝 氧化硅 氧化铝
导读:要获得性能优秀的导热硅脂需要考虑多方面因素,比如说填料在导热硅脂中体现出来的导热能力就不仅与材料本身的热导率有关,还与其在体系中的填充量、堆砌紧密程度以及填料与硅油的浸润程度等因素...

导热界面材料(TIM)是常用于IC封装和电子散热的导热产品,如我们熟悉的手机、平板和电脑等中就常见它们的身影。

其中,导热硅脂为具有特殊功能的一种产品,它是以硅油为基体,使用导热性化合物或导热填料进行填充配制得到的产品,具有剪切变稀的特性,在使用过程中具有更好的刮涂性,有利于涂胶操作,同时有储存稳定性好等优点,被广泛用于半导体元器件与散热板或散热器之间的填充或涂布,可在200 ℃以上长时间使用而不流淌。

导热硅脂

不过随着电子器件功率的提高,许多领域都会对导热硅脂的性能做出较高的要求,如DIY电脑主机时,若是在CPU和散热器之间使用的导热硅脂产品性能普普,那再好的电脑配件也发挥不出应有的性能。那么到底该如何制备一支优秀的导热硅胶呢?

备注:“导热凝胶”和“导热硅脂”是两种不同的产品,前者是直接把导热填料和短链小分子硅树脂(俗称硅油)混合;后者是先把那些硅油小分子交联成超长链大分子,然后再和导热填料混合。


导热硅脂、导热凝胶的微观结构对比

提高导热硅脂性能的要点

导热硅脂一般至少由两部分构成,通常是由四个部分组成:基体硅油、填料、稳定剂及其他添加剂。常用作基油的有二甲基硅油、甲基苯基硅油、长链烷基硅油和氟烃基硅油等。常见硅油及特点如下:二甲基硅油,用于轻润滑及密封;甲基苯基硅油,用于低/高温润滑用;长链烷基硅油,用于塑料润滑及钢-钢润滑;氟烃基硅油,用于高温润滑,耐化学药品。

通过选择热导性能更好的填料是提高导热硅脂性能的重要途径之一。常见的导热填料主要有:(1)金属类,常见比如银、铜、铝等;(2)陶瓷类,氮化硼氮化铝氮化硅氧化铝氧化锌、氧化铍、二氧化硅等;(3)碳素类,比如石墨石墨烯、碳纳米管、炭黑等。

由于导热硅脂的导热性能主要靠填料改善,所以填料的选择和加工非常关键!根据林菊香等的研究,在导热硅脂的制备过程中,可从以下途径提高产品的散热性。

①控制导热填料复配比例

采用合适的大中小粒径填料搭配,可实现硅脂黏度控制,且达到提高填充量的目的,从而提高热导率。这是因为多种粒径复配可以使大小粒径导热填料堆积更加紧密,形成更多导热通路。且小粒径填充于大粒径之间的间隙中能实现更高填充比例,形成更紧密的堆积。


此外小粒径填料的添加还能填补导热填料间的空隙,不仅能够降低导热硅脂的热阻,还能降低硅油的爬油倾向,使导热硅脂的渗油率更低。

填料卡断处理

卡断处理是指采用筛分手段对填料进行筛选,除去大粒径填料,控制最大粒径。通过对填料进行卡断处理能很好地控制填料粒径分布,当采用粒径集中且分布窄的填料复配时,能更容易填充填料间隙,实现不同粒径的级配效果,形成良好导热通路,减少接触热阻,获得热阻率更低的导热硅脂。

③控制硅油黏度

林菊香发现,以黏度500 mPa·s与100 mPa·s聚二甲基硅氧烷复配,可在高填充低黏度的前提下,降低硅脂的渗油率,同时有助于减少或避免油粉相分离的发生。另外,通过提升小粒径粉体的添加量,降低硅脂界面热阻,也能有效改善其导热与渗油性能,获得具有超低热阻的触变型导热硅脂,并利用其流变特性能够提升导热硅脂的抗垂流开裂能力以及耐老化性能。


捏合工艺温度

通过采用适合的捏合温度和时间,可确保填料被硅烷偶联剂牢固的包覆,实现粉体稳定均匀改性,不但可以降低体系黏度,同时实现填料之间良好的间隙填充,获得导热与印刷性能优异的导热硅脂。

结语

总之,要获得性能优秀的导热硅脂需要考虑多方面因素,比如说填料在导热硅脂中体现出来的导热能力就不仅与材料本身的热导率有关,还与其在体系中的填充量、堆砌紧密程度以及填料与硅油的浸润程度等因素密切相关。

 

资料来源:

林菊香. 超低热阻触变型导热硅脂的制备与性能研究[J]. 有机硅材料,2023,37(6):28-35. DOI:10.11941/j.issn.1009-4369.2023.06.006.

李金洪,吴林健. 导热硅脂研究进展[J]. 广东化工,2021,48(11):66,68. DOI:10.3969/j.issn.1007-1865.2021.11.034.

 

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