TRIZ理論在熱界面材料性能改進中的應用

曹凱月，朱海濤，隋 凝

(青島科技大學 材料科學與工程學院，山東 青島 266042)

1 TRIZ基本理論體系及應用

從1946年開始，前蘇聯發明家阿奇舒勒帶領他的團隊經過50多年對世界上近250萬份高水平的專利文獻加以搜集、研究、整理、歸納，總結出人類進行發明創造、解決技術問題過程中所遵循的科學原理和法則，建立起一整套系統化的解決發明問題的TRIZ理論體系[1]。利用TRIZ解決問題時，首先要將研究的項目表達成TRIZ問題，然后利用TRIZ中的工具，求出該TRIZ問題的普適解，最后把該解轉化為領域的解。本文以“導熱硅橡膠的制備及性能研究”為例，引入TRIZ理論，利用TRIZ方法對研究過程中出現的問題加以分析并得到解決方案[2]。

2 TRIZ理論在熱界面材料性能改進中的應用

2.1 提出問題

微電子等行業的發展，對熱界面材料的要求越來越高。硅橡膠具有良好的力學性能，但其導熱性差。所以要改善其導熱性，使其可以作為熱界面材料應用。液態金屬具有優異的導熱性，但考慮到其電導率較高，無法滿足部分電子器件對絕緣性能的要求，所以我們將液態金屬與乙烯基硅油混合，使其形成雙連續結構，從而得到導熱性和絕緣性較好的熱界面材料。本文的研究對象為實驗室制備的填充液態金屬的導熱硅橡膠。實驗過程如圖1所示。實驗初期制備的樣品難以固化成型、導熱性較差。本文的目的就是解決以上問題，改進制備工藝、優化工藝參數。

圖1 實驗流程圖

2.2 運用TRIZ理論進行問題分析

2.2.1 功能分析

將此實驗流程看作一個系統[3]。首先對該系統進行功能分析。本系統的作用對象為填充液態金屬的導熱硅橡膠材料。組件主要包括液態金屬、乙烯基硅油、交聯劑、室溫抑制劑、Pt催化劑、混合物，脫泡機、烘箱和空氣是該系統的超系統。功能模型圖如圖2所示。

功能模型圖描述了各組件之間的關系，通過對功能模型圖的分析，我們可以看出該系統存在以下幾點功能缺陷：(1)各組分用量存在不足；(2)混合過程存在不足；(3)烘干成型過程存在不足；(4)超系統空氣對混合物具有有害的干擾作用。

圖2 功能模型圖

2.2.2 因果分析

通過因果分析，可以找出問題產生的根本原因并找出解決問題的所有的可能的“突破點”。常用的因果分析方法有五個“為什么”、故障樹、因果軸分析法等，本文采用因果軸分析法。

圖3 對制品難以固化成型的因果分析

圖4 對制品導熱性能較差的因果分析

造成制品難以固化成型的原因可能有：(1)交聯劑用量不足；(2)乙烯基硅油粘度太低；(3)烘箱溫度較低，烘干時間過短；(4)液態金屬與乙烯基硅油等材料的比例不合適；(5)模具對混合物所施加的壓力過小。

造成制品導熱性能較差的原因可能有：(1)制品中含有較多氣泡，低熱導率的空氣的存在使制品導熱性較差；(2)液態金屬效應不足。

2.3 運用TRIZ工具解決問題

2.3.1 物理矛盾和分離原理

運用物理矛盾和分離原理解決難以固化成型的問題。

物理矛盾一：根據因果分析，難以固化成型的原因有交聯劑用量不足。在制備過程中，交聯劑的用量多一些可以使得制品容易成型；但過量的交聯劑又會導致制品硬度提高、彈性和韌性降低。可以采用基于條件的分離原理，混合過程中添加適量的交聯劑，后期通過提高烘箱溫度使制品容易固化成型。

物理矛盾二：根據因果分析，難以固化成型的原因也有乙烯基硅油粘度太低。在制備過程中，較低的乙烯基硅油粘度可以提高浸潤性，方便與液態金屬的混合；較高的乙烯基硅油粘度有利于制品后期的固化成型。可以采用時間分離原理，使乙烯基硅油在前期的粘度小，提高與液態金屬的浸潤性；在后期的粘度大，方便混合物的固化成型。

2.3.2 物-場模型

2.3.2.1 運用物-場模型解決氣泡的存在導致導熱性能較差的問題[4-5]

第一步：根據實驗流程，定義模型中的三個要素。

確定相關元素為：S1——氣泡；S2——混合物；F1——離心力。

第二步：構建問題的物-場模型。

圖5為該系統的物-場模型。在此情況下，該系統不能滿足預期效果的要求。

圖5 脫泡工序物-場模型

第三步：選擇物-場模型合適的解法。

該系統屬于存在有害效應且場效應不足的完整模型。可以有以下幾種解法：

①增加另一個場來消除有害效應。

②增加一個物質，并加上另一個場來消除有害效應。

③增強有用的效應。

第四步：得到解決方案的物-場模型。

①增加另一個場得到物-場模型圖6。新添加元素：F2——另一個場。

圖6 增加另一個場

②增加一個物質，并加上另一個場得到物-場模型圖7。新添加元素：S3——另一個物質；S3——另一個場。

圖7 增加一個物質和另一個場

第五步：進行概念設計支持最終解。

解決方案：

①使用真空泵對混合物進行抽真空處理，利用真空泵提供的機械場(F2)達到破除氣泡、消除有害效應的目的。

②向混合物中添加適量消泡劑。消泡劑(S3)與氣泡之間存在化學作用(F3)。消泡劑與氣泡發生化學反應從而使氣泡破裂，達到消除有害效應的目的。

2.3.2.2 運用物-場模型解決液態金屬效應不足導致導熱性能較差的問題

按照以上步驟得到乙烯基硅油與液態金屬相混合的物-場模型如圖8所示。該系統屬于效應不足的完整模型。其中，S1——乙烯基硅油；S2——液態金屬；F1——機械場。

圖8 乙烯基硅油與液態金屬相混合的物-場模型

采用增加另一種物質的解決方法:向之前的混合物中添加片狀銀粉。銀粉本身的導熱系數很高，而且片狀銀粉的比表面積大，使得片狀銀粉的散熱路徑很多，片狀銀粉與液態金屬混合加入乙烯基硅油內，有利于形成更加豐富的導熱網絡，從而使得復合材料的界面熱阻減小，導熱性能提高。由此得到物-場模型圖9。

圖9 增加另一種物質的物-場模型

2.4 方案分析

2.4.1 解決制品難以固化成型的方案

評估手段：可通過實驗者的觀察直接判斷制品固化成型的情況。

方案一：向混合物中添加適量的交聯劑，并適當提高烘箱的溫度后，所得制品的固化成型性明顯提高，并且具有較好的彈性。此方案可行。

方案二：乙烯基硅油的粘度不易改變，在使用同一種乙烯基硅油的情況下，很難做到使其粘度在前期的粘度小并且在后期的粘度大。此方案不可行。

2.4.2 解決制品導熱性能較差的方案

評估手段：可通過熱阻值的大小判斷制品導熱性能的好壞。

方案一：以液態金屬填充量為50%的制品為例進行分析。

在其他條件保持一致的情況下，將制品1不做處理，制品2抽真空2h，制品3抽真空4h，制品4抽真空6h。實驗結果如表1所示。

表1 實驗結果

由表1可知，隨著抽真空時長的增加，制品的界面熱阻逐漸減小。當抽真空的時間從0增加到6h時，制品的界面熱阻從11.325℃·cm2/W減小到7.665℃·cm2/W。由此可以看出，通過抽真空來消除內部空氣可以有效改善制品的導熱性能。此方案可行。

方案二：以液態金屬填充量為60%的制品為例進行分析。在其他條件保持一致的情況下，將制品1不做處理，向混合物中添加體積比為3%的片狀銀粉得到制品2，向混合物中添加體積比為5%的片狀銀粉得到制品3。實驗結果如表2所示。

表2 實驗結果2

由表2可知，液態金屬的體積分數為60%的制品的界面熱阻為9.23℃·m2/W，隨著片狀銀粉添加量的增加，制品的界面熱阻逐漸減小，當填充的片狀銀粉的體積為5%時，制品的界面熱阻減小到0.85℃·m2/W。由此可以看出，片狀銀粉和液態金屬對于提高硅橡膠的導熱性能具有協同作用，通過添加片狀銀粉可以明顯改善制品的導熱性能。此方案可行。

3 總結

在科學研究中合理運用TRIZ理論可以開拓思路，在短時間內快速鎖定研究項目中的問題所在，并且可以明確解決問題的方向，得到解決問題的多種方案。本文以“導熱硅橡膠的制備及性能研究”為例，通過引入TRIZ理論，分析并解決了在制備液態金屬填充的導熱硅橡膠過程中存在的制備工藝不完善、制品性能較差的問題，得到了解決方案，提高了產品的質量。