TRIZ理論在熱界面材料性能改進中的應(yīng)用

曹凱月，朱海濤，隋 凝

(青島科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266042)

1 TRIZ基本理論體系及應(yīng)用

從1946年開始，前蘇聯(lián)發(fā)明家阿奇舒勒帶領(lǐng)他的團隊經(jīng)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(jié)出人類進行發(fā)明創(chuàng)造、解決技術(shù)問題過程中所遵循的科學(xué)原理和法則，建立起一整套系統(tǒng)化的解決發(fā)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(zhuǎn)化為領(lǐng)域的解。本文以“導(dǎo)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(xiàn)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(yīng)用

2.1 提出問題

微電子等行業(yè)的發(fā)展，對熱界面材料的要求越來越高。硅橡膠具有良好的力學(xué)性能，但其導(dǎo)熱性差。所以要改善其導(dǎo)熱性，使其可以作為熱界面材料應(yīng)用。液態(tài)金屬具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性，但考慮到其電導(dǎo)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(tài)金屬與乙烯基硅油混合，使其形成雙連續(xù)結(jié)構(gòu)，從而得到導(dǎo)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(tài)金屬的導(dǎo)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(dǎo)熱性較差。本文的目的就是解決以上問題，改進制備工藝、優(yōu)化工藝參數(shù)。

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(tǒng)[3]。首先對該系統(tǒng)進行功能分析。本系統(tǒng)的作用對象為填充液態(tài)金屬的導(dǎo)熱硅橡膠材料。組件主要包括液態(tài)金屬、乙烯基硅油、交聯(lián)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(tǒng)的超系統(tǒng)。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(guān)系，通過對功能模型圖的分析，我們可以看出該系統(tǒng)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(tǒng)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(chǎn)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(dǎo)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(lián)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(tài)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(dǎo)熱性能較差的原因可能有：(1)制品中含有較多氣泡，低熱導(dǎo)率的空氣的存在使制品導(dǎo)熱性較差；(2)液態(tài)金屬效應(yīng)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(jù)因果分析，難以固化成型的原因有交聯(lián)劑用量不足。在制備過程中，交聯(lián)劑的用量多一些可以使得制品容易成型；但過量的交聯(lián)劑又會導(dǎo)致制品硬度提高、彈性和韌性降低?？梢圆捎没跅l件的分離原理，混合過程中添加適量的交聯(lián)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(jù)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(tài)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?？梢圆捎脮r間分離原理，使乙烯基硅油在前期的粘度小，提高與液態(tài)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(dǎo)致導(dǎo)熱性能較差的問題[4-5]

第一步：根據(jù)實驗流程，定義模型中的三個要素。

確定相關(guān)元素為：S1——氣泡；S2——混合物；F1——離心力。

第二步：構(gòu)建問題的物-場模型。

圖5為該系統(tǒng)的物-場模型。在此情況下，該系統(tǒng)不能滿足預(yù)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(tǒng)屬于存在有害效應(yīng)且場效應(yīng)不足的完整模型?？梢杂幸韵聨追N解法：

①增加另一個場來消除有害效應(yīng)。

②增加一個物質(zhì)，并加上另一個場來消除有害效應(yīng)。

③增強有用的效應(yīng)。

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(zhì)，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(zhì)；S3——另一個場。

圖7 增加一個物質(zhì)和另一個場

第五步：進行概念設(shè)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(yīng)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(xué)作用(F3)。消泡劑與氣泡發(fā)生化學(xué)反應(yīng)從而使氣泡破裂，達到消除有害效應(yīng)的目的。

2.3.2.2 運用物-場模型解決液態(tài)金屬效應(yīng)不足導(dǎo)致導(dǎo)熱性能較差的問題

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

圖8 乙烯基硅油與液態(tài)金屬相混合的物-場模型

采用增加另一種物質(zhì)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(dǎo)熱系數(shù)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(tài)金屬混合加入乙烯基硅油內(nèi)，有利于形成更加豐富的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，從而使得復(fù)合材料的界面熱阻減小，導(dǎo)熱性能提高。由此得到物-場模型圖9。

圖9 增加另一種物質(zhì)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(lián)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(dǎo)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(dǎo)熱性能的好壞。

方案一：以液態(tài)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(jié)果如表1所示。

表1 實驗結(jié)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(nèi)部空氣可以有效改善制品的導(dǎo)熱性能。此方案可行。

方案二：以液態(tài)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(jié)果如表2所示。

表2 實驗結(jié)果2

由表2可知，液態(tài)金屬的體積分數(shù)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(tài)金屬對于提高硅橡膠的導(dǎo)熱性能具有協(xié)同作用，通過添加片狀銀粉可以明顯改善制品的導(dǎo)熱性能。此方案可行。

3 總結(jié)

在科學(xué)研究中合理運用TRIZ理論可以開拓思路，在短時間內(nèi)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(dǎo)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(tài)金屬填充的導(dǎo)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(chǎn)品的質(zhì)量。