導熱墊片導熱性能的影響因素分析

蘇俊杰，李 苗，馮乙洪，曾幸榮，程憲濤，吳向榮

（1.肇慶皓明有機硅材料有限公司，廣東 肇慶 526000；2.華南理工大學 材料科學與工程學院，廣東 廣州 510641）

隨著科技的發展，電子元器件、電器功率電路模塊以及大規模集成電路等領域進一步實現了高性能、高可靠性和小型化，工作效率不斷提高，因此各個電子元器件在工作時產生的熱量也急劇增加[1-2]，快速地傳遞熱量是目前延長電子設備使用壽命的重要課題。硅橡膠具有良好的耐高溫性能，其在電子元器件用導熱產品中的應用逐漸增加[3-5]。

電子元器件用導熱產品主要有導熱凝膠和導熱墊片，兩者的差別在于包裝和使用方式不同[6]，其均可通過添加導熱粉體、提高硅橡膠導熱性能等方法制備。由于熱源斷面并非絕對光滑，導熱墊片與熱源相互接觸時會包裹空氣，而空氣對熱的傳遞產生限制瓶頸[7-9]。研究表明，交聯程度較低的導熱墊片具有較大的彈性模量，使用時能夠充分接觸熱源斷面，減少或避免空氣的阻礙，改善熱的傳遞[10-11]。

導熱墊片的硬度是影響其導熱性能的重要指標[12]，本工作分析硬度以及測試條件對導熱墊片導熱性能的影響，以期對高性能導熱墊片的基礎研究和開發指引方向。

1 實驗

1.1 主要原材料

乙烯基硅油（粘度為350 mPa·s），含氫硅油（活性氫質量分數為0.006），江西藍星星火有機硅有限公司產品；鉑金催化劑KPT3000和抑制劑GY-72，廣東硅友新材料有限公司產品；導熱粉體，導熱系數為5.0 W·（m·K）-1的復配粉體，佛山金戈新材料有限公司產品。

1.2 試驗配方

乙烯基硅油 變量，含氫硅油 變量，導熱粉體 93.4，抑制劑 0.05，鉑金催化劑 0.1。

1.3 主要儀器

BR-1863型邵氏硬度計，日本京西商會社產品；DRL-III型導熱儀，深圳艾可瑞儀器設備有限公司產品；XLB-6型離心機，深圳鑫龍邦科技有限公司產品；DHG-9000型烘箱，上海合恒儀器設備有限公司產品。

1.4 試樣制備

按照試驗配方稱料，置于離心機中，在600 r·min-1，0.09 MPa條件下混合5 min，刮壁，再混合5 min，用離型膜壓片，膠片厚度為2 mm，放置于80 ℃烘箱中固化15 min，取出備用。

1.5 性能測試

邵爾A型硬度按照GB/T 528—2009進行測試；導熱系數和熱阻按照GB/T 10295—2008進行測試。

2 結果與討論

2.1 硬度對導熱墊片導熱性能的影響

通過調整乙烯基硅油和含氫硅油的配比，制備不同硬度的導熱墊片。硬度對導熱墊片導熱性能的影響如圖1所示。

圖1 硬度對導熱墊片導熱性能的影響

從圖1可以看出，隨著硬度的增大，導熱墊片的導熱系數減小，熱阻增大。分析認為，在本工作測試條件（測試壓力為207 kPa，溫度為80 ℃）下，隨著硬度的增大，導熱粉體和導熱墊片內部空穴被固定的程度增強，空穴相互擠壓和導熱粉體發生移動而相互接觸的幾率減小，導致導熱墊片導熱系數減小，熱阻增大。綜合考慮導熱系數和熱阻的平衡，導熱墊片的硬度為70度最佳。

2.2 測試壓力對導熱墊片導熱性能的影響

增大測試壓力，對導熱墊片內部的空氣進行壓縮，使導熱粉體之間相互接觸的幾率增大，以增大導熱墊片的導熱系數。本試驗采用硬度為70度的導熱墊片，研究測試壓力對導熱墊片導熱性能的影響，結果如圖2所示。

從圖2可以看出：隨著測試壓力的增大，導熱墊片的導熱系數增大，熱阻減小；當測試壓力大于345 kPa時，導熱墊片的導熱系數增幅較小，從儀器保護和能量消耗方面考慮，測試壓力應為345 kPa。

圖2 測試壓力對導熱墊片導熱性能的影響

2.3 測試溫度對導熱墊片導熱性能的影響

溫度升高，導熱墊片的硬度減小。本試驗采用硬度為70度的導熱墊片研究測試溫度對其導熱性能的影響，結果如圖3所示。

圖3 測試溫度對導熱墊片導熱性能的影響

從圖3可以看出，隨著測試溫度的升高，導熱墊片的導熱系數增大，熱阻減小。分析認為，測試溫度升高，導熱墊片內部分子鏈活動性增強，受到壓力作用時容易發生變形，導熱墊片內部的空穴結構被壓縮，使得導熱粉體相互接觸幾率增大，因此導熱墊片的導熱系數增大，熱阻減小。測試溫度超過80 ℃后，導熱墊片的導熱系數和熱阻變化幅度較小。從設備保護和能量消耗方面考慮，測試溫度應為80 ℃。

3 結論

（1）隨著硬度的增大，導熱墊片的導熱系數減小，熱阻增大，適宜硬度為70度。

（2）隨著測試壓力的增大，導熱墊片的導熱系數增大，熱阻減小，適宜測試壓力為345 kPa。

（3）隨著測試溫度的升高，導熱墊片的導熱系數增大，熱阻減小，適宜測試溫度為80 ℃。

（4）導熱粉體形成更多的導熱通路是提高導熱墊片導熱性能的主要途徑之一。減少導熱墊片內部氣體空穴，能夠增大導熱粉體接觸幾率，有助于改善導熱墊片的導熱性能。