硅油及填料對導(dǎo)熱硅脂接觸熱阻的影響

石逸武，羅永祥，許喜鑾，吳本杰

（汕頭市駿碼凱撒有限公司，廣東 汕頭 515065）

1 前言

導(dǎo)熱硅脂是填充于配件與散熱器之間、呈膏狀的高效散熱產(chǎn)品，同時具備有潤滑劑的功效，通過充分濕潤接觸表面，提高配件與散熱器的熱傳導(dǎo)效率。硅脂一般是以特種硅油為基體，以新型金屬氧化物或氮化物作填料，配以各種功能添加劑，如偶聯(lián)劑、分散劑等，經(jīng)高速分散、捏合等工藝加工而成的膏狀物產(chǎn)品。隨著LED行業(yè)的興起，導(dǎo)熱硅膠憑著極佳的導(dǎo)熱性、電絕緣性和使用穩(wěn)定性，也廣泛應(yīng)用于LED燈具制造領(lǐng)域[1]。

接觸熱阻作為導(dǎo)熱硅脂重要的技術(shù)參數(shù)，卻往往容易被忽略。當(dāng)散熱器表面和芯片或發(fā)熱元件表面接觸時，其兩者之間的空隙中都是空氣，空氣的熱不良導(dǎo)體，導(dǎo)熱硅脂的作用就是填充兩個接觸表面之間大大小小的空隙，增大發(fā)熱源與散熱片的接觸面積，從而降低總熱阻，防止因為散熱不良而損毀元器件[2]，并延長元器件和散熱器的使用壽命。

本文通過硅油種類、填料種類及其粒徑分布、填料偶聯(lián)劑處理等因素對導(dǎo)熱硅脂產(chǎn)品的接觸熱阻性能進(jìn)行研究。

2 實驗與分析

2.1 硅油的選擇

硅油通常指室溫下保持液體狀態(tài)的線型聚硅氧烷產(chǎn)品，市場上種類繁多，除了最常用的甲基硅油外，甲基基團(tuán)可以采用其他有機基團(tuán)部分替代，如含氫、二甲基、乙基、乙烯基、苯基、羥基等，以改進(jìn)硅油的某種性能。同種硅油，隨著鏈段數(shù)n的不同，分子量增大，粘度也增高，固此硅油也衍生出各種不同粘度的技術(shù)規(guī)格，從0.65厘泊直到上百萬厘泊，適用于不同的產(chǎn)品。硅油一般具有較高的耐熱性、耐水性、潤滑性、電絕緣性和較小的表面張力，與導(dǎo)熱硅脂基體的技術(shù)需求相對匹配。

圖1 不同種類的硅油

2.1.1 實驗設(shè)計

采用以下配方表進(jìn)行實驗配制，并測試硅油樣品的熱失重、填充性能、導(dǎo)熱硅脂樣品的導(dǎo)熱系數(shù)和熱阻。

表1 不同硅油配方表

2.1.2 實驗結(jié)果

（1）硅油熱失重測試：分別對4種硅油進(jìn)行取樣約15 mg進(jìn)行TGA熱失重測試，設(shè)置以10 ℃/min的升溫速率使?fàn)t溫由室溫升至150 ℃，并計時恒溫60 min。

（2）導(dǎo)熱硅脂導(dǎo)熱系數(shù)及熱阻測試：導(dǎo)熱硅脂樣品的導(dǎo)熱系數(shù)和熱阻的測試結(jié)果見表2。

2.1.3 小結(jié)

從實驗數(shù)據(jù)可以看出，二甲基硅油在各項測試中表現(xiàn)最好，在150 ℃的熱失重測試中，其失重率最小，表示其高溫穩(wěn)定性最佳；二甲基硅油以及含氫硅油填充性好，潤濕性好，容易涂覆于元器件表面，增強其適用性。

從導(dǎo)熱硅脂樣品的導(dǎo)熱系數(shù)和熱阻來看，二甲基硅油為基體的樣品參數(shù)具有最好的導(dǎo)熱系數(shù)和最低的熱阻，其綜合性能最佳，其次是羥基硅油和乙烯基硅油，含氫硅油最差。所以，二甲基硅油最適合作為導(dǎo)熱硅脂的基體。

圖2 不同硅油的熱失重情況

表2 含不同硅油的導(dǎo)熱硅脂的性能

2.2 填料及其粒徑分布的選擇

常用于導(dǎo)熱硅脂產(chǎn)品的填料包括Al2O3、ZnO、SiC、AlN，也有些采用添加金屬粉末，如鋁粉、銅粉、銀粉、焊錫粉等，添加金屬粉的產(chǎn)品可以大大降低熱阻[3]，但可能成本過高或絕緣性較差，且容易導(dǎo)致可靠性下降，本文不做討論。

通常，我們采用不同粒徑的填料搭配使用，以達(dá)到盡可能提高填充量的目的，然而填料的粒徑分布是重要關(guān)注點。同樣的填充量，但填料采用不同粒徑分布，所得到的效果可能千差萬別。但值得注意的是粒徑1 μm的超細(xì)粉不應(yīng)超過總填充量的2%，否則可能會因為添加量過大而導(dǎo)致制品粘度和觸變性劇增，嚴(yán)重影響制品的使用效果。

2.2.1 實驗設(shè)計

我們采用5～7 μm各種類別的填料添加進(jìn)二甲基硅油進(jìn)行平行對比，使其添加后得到的導(dǎo)熱硅脂樣品的粘度接近于150k cps，并記錄其填充量，計算制品的觸變指數(shù)和測量其界面厚度、導(dǎo)熱系數(shù)和熱阻。

表3 不同類型填料的導(dǎo)熱性能

另外，我們選取其中添加量較大且制品的導(dǎo)熱率較高、熱阻較低的填料類別，進(jìn)行不同粒徑的搭配，并測量其界面厚度、導(dǎo)熱系數(shù)和熱阻。

表4 填料顆粒直徑

2.2.2 實驗結(jié)果

我們通過不斷增加填料，使其制品的粘度接近于150k cps，得出以下數(shù)據(jù)，見表5。

表5 含不同類型填料的導(dǎo)熱硅脂的導(dǎo)熱性能

由此可見，Al2O3的填充量大大超過其他填料，主要體現(xiàn)在其接觸熱阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他類型的填料，且其各項指標(biāo)表現(xiàn)較好，選取其進(jìn)行第二項實驗，得到以下數(shù)據(jù)，見表6。

2.2.3 小結(jié)

從上述實驗可知，Al2O3由于其填充量相對較大，粘度隨著添加量的增加漲幅不顯著，并在導(dǎo)熱系數(shù)和熱阻測試中不亞于其他填料，加上Al2O3性價比高，產(chǎn)品供應(yīng)充足，因此非常適用于導(dǎo)熱硅脂；而ZnO的導(dǎo)熱率偏低，難以制得高導(dǎo)熱性的產(chǎn)品，且填充量較小，增粘效果過于顯著；SiC和AlN雖然制品的導(dǎo)熱系數(shù)和熱阻數(shù)據(jù)較佳，但是仍然存在各種問題，如添加量過小、增粘效果顯著和成本過高等。

另外，從不同粒徑分布的填料搭配測試中，可以看出雖然粒徑較小（D50=7 μm）的填料可以制得熱阻較小的導(dǎo)熱硅脂，但其粘度較大，適用性變差；而粒徑較大（D50=10 μm）的填料單純添加與粒徑較小的填料相同分量時，雖然接觸熱阻稍高，但其粘度較小，仍可以繼續(xù)添加填料來彌補不足，所以大小粒徑的填料配比為75% ：24%時，可以獲得更大的填充量和更小的熱阻，原因可能是填料內(nèi)部形成了良好的導(dǎo)熱通路，導(dǎo)熱性能良好。

表6 氧化鋁顆粒大小配比的導(dǎo)熱硅脂的導(dǎo)熱性能影響

2.3 偶聯(lián)劑的選擇

應(yīng)用于有機硅體系的偶聯(lián)劑包括KH-550硅烷偶聯(lián)劑（γ-氨丙基三乙氧基硅烷）、KH560硅烷偶聯(lián)劑（γ-縮水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷）和KH-570（γ-（甲基丙烯酰氧基）丙基三甲氧基硅烷）等牌號，這三種硅烷偶聯(lián)劑分別帶著氨基、環(huán)氧基和甲基丙烯酸官能團(tuán)。填料經(jīng)過偶聯(lián)劑處理之后，其表面由親水性轉(zhuǎn)變?yōu)橛H有機性，也可避免填料顆粒集結(jié)導(dǎo)致粘度急劇上升，還能提高導(dǎo)熱硅脂制品的潤濕性，有利于提高使用效果。

2.3.1 實驗設(shè)計

使用上述三種硅烷偶聯(lián)劑，加入乙醇（或酮、酯、烴類溶劑）中，配成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%～1.5%的溶液，并加入少量純凈水使硅烷可以進(jìn)行水解，也可以加入少量有機酸并調(diào)節(jié)PH值為4～5進(jìn)行催化，之后將填料（本實驗采用Al2O3，粒徑D50=7 μm）加入溶液中進(jìn)行高速分散，再經(jīng)過過濾、烘干之后得到表面改性的填料[4]。再將三種不同硅烷偶聯(lián)劑處理過的填料等分量（750 phr）地加入二甲基硅烷，制成導(dǎo)熱硅脂樣品，并測試制品的粘度、導(dǎo)熱率和熱阻。

2.3.2 實驗結(jié)果

不同硅烷偶聯(lián)劑處理后得到的填料與硅油按100：900制成的導(dǎo)熱硅脂制品性能見表7。

2.3.3 小結(jié)

可以看出，使用不同偶聯(lián)劑對填料進(jìn)行表面改性，耐滲油性能得到改善，得到的導(dǎo)熱硅脂制品的導(dǎo)熱系數(shù)和熱阻的變化并不明顯，也就是說偶聯(lián)劑對制品的熱阻沒有直接的促進(jìn)作用。但是KH-570改性的體系，其粘度最低，能提高填料的填充量，通過這樣的方式也可以從側(cè)面降低產(chǎn)品的熱阻，原因可能是KH-570的疏水段結(jié)構(gòu)接近于二甲基硅油，而其他兩種則極性過大導(dǎo)致相容性變差，粘度升高。

表7 不同偶聯(lián)劑處理的導(dǎo)熱硅脂的性能

3 優(yōu)化配方設(shè)計與結(jié)論

通過前面的實驗，通過不同粒徑分布的填料搭配，對配方進(jìn)行優(yōu)化，性能見表8。

表8 配方優(yōu)化及導(dǎo)熱性能

本文對導(dǎo)熱硅脂的接觸熱阻進(jìn)行了考察，分別研究了硅油種類、填料種類及其粒徑分布、填料偶聯(lián)劑處理等因素的影響，得到了以下結(jié)論：

（1）硅油的種類對導(dǎo)熱硅脂的潤濕性有較大影響，其中二甲基硅油比乙烯基硅油以及含氫硅油潤濕性好，良好的潤濕性有助于降低導(dǎo)熱硅脂的接觸熱阻。

（2）不同填料的增粘效果不同，氧化鋁的增粘效果最小，適中的填料顆粒配比可有效提高填料的填充量，獲得更小的接觸熱阻。

（3）偶聯(lián)劑處理填料可降低體系粘度，對接觸熱阻幾乎沒有影響。

[1]張淑芳. 導(dǎo)熱涂層對LED散熱性能的影響[J]. 半導(dǎo)體光電，2007，6：793-796.

[2]袁衛(wèi)華. 導(dǎo)熱硅脂在電氣領(lǐng)域中的應(yīng)用[J]. 家用電器科技，1992，6：11-11.

[3]王文進(jìn)，等. 高導(dǎo)熱絕緣高分子復(fù)合材料的研究進(jìn)展[J].絕緣材料，2008，41：30-33.

[4]李宏林，等. 氧化鋁粉末改性研究進(jìn)展[J]. 中國陶瓷，2008，8：10-12.