新型导热材料在机电设备中的应用

(英特沃斯科技有限公司，北京 101399)

摘要：本文分析了某型机电设备中导热可靠性下降的问题。结合客户要求对常见的导热界面材料（导热垫片、硅脂、相变材料、导热凝胶等）以及新型导热界面材料TCSG3000进行了对比分析。结果表明结合凝胶与硅脂优点的新型导热界面材料TCSG3000可解决设备导热材料可靠性问题，并能很好的应用于机电设备。

关键词：导热界面材料；TCSG3000；机电设备；

中图分类号：TB34文献标识码：A 文章编号：

随着近十几年来电子行业的迅速发展，电子设备集成化程度越来越高，随之带来了更大的热效应。设备若没有良好的散热，将严重影响设备使用寿命，带来设备运行不稳定，部分功能失效等隐患。有数据表明电子元器件每上升2℃，设备整机可靠性下降10%^[1]。由于表面粗糙度的存在，电子器件与散热片直接贴合时，实际接触面积仅为1%-2%；因为空气的导热系数仅为0.023W/m k，大比例的空气间隙对导热是致命的缺陷，界面材料能明显降低界面热阻R_c^[1,,2]。因此，良好的热管理设计以及合适的导热界面材料（TIM）是机电设备长期稳定运行的重要保障。

市场热界面材料大致有导热垫片，导热凝胶，导热硅脂，相变材料等。不同种类的性能与施工条件各异。为满足机电设备对导热效果与可靠性的要求，需要对现有的导热界面材料进行对比分析，选择合适的导热材料。

图1 固体平面接触情况（左）与导热界面材料作用机理（右）

1. 设备导热可靠性下降分析

设备原有导热材料为导热系数3 W/m k的导热绝缘硅脂，存在严重的缺胶问题，如图2所示。作为传统的导热界面材料，硅脂有其他材料无法比拟的低热阻特点，但同时存在可靠性差的问题。究其原因，硅脂是由硅油、导热填料、助剂经简单的物理混合得到。材料依靠物理作用力结合在一起，没有高分子交联网络的存在，长时间放置存在渗油现象。在热效应的作用下，由于膨胀系数的差异，硅脂析油现象更加明显，进而出现缺胶、粉化等问题。导热系数3W/m k的绝缘硅脂，导热粉体的质量分数一般在90%以上，长期可靠性是值得关注的问题。

图2 机电设备硅脂导热材料Pump Out缺胶图片

导热界面材料的选择

基于现有的条件，企业提出以下条件:

（1）可靠性良好

（2）导热系数3W/m k

（3）满足现有丝网印刷工艺，可重工

（4）成本不高于现有产品

市场现有导热系数为3W/m k的界面材料的主要性能对比，如表1所示。

表1 导热系数3W/m k导热界面材料对比

导热界面材料

硅脂

导热凝胶

垫片

TCSG3000

相变材料

组成

硅油、填料、助剂等

交联高分子材料、填料等

玻纤、橡胶、填料等

交联高分子材料、填料等

相变材料、填料、高分子等

可靠性

中

良

优

良

优

界面热阻

极低

中

高

低

施工性

丝网印刷

设备点胶

片状贴合

丝网印刷

价格

高

低

中

极高

供应商

Dow Corning

Parker Chomerics

Henkel

Electrolube

Laird

硅油、填料以及少量助剂经物理混合的得到的硅脂，其可靠性明显低于其他含有高分子交联的导热界面材料。硅脂普遍存在渗油，变干粉化的问题。因此，硅脂作为导热材料对导热长期可靠性要求比较高的设备存在一定的风险。另外，较高性能的3W/m k硅脂价格普遍较贵。导热垫片可靠性好，但其为片状固体，不能很好的填充界面间的空隙，界面热阻大，对导热不利。垫片需要除去上下模，导致施工性差。相变材料虽然在可靠性、导热效果、施工等方面满足要求，但是其价格明显高于垫片、凝胶、硅脂等。导热凝胶（导热泥）由于其高粘度特性需要配制相应的点胶设备，其粉体填充粒径较大，热阻虽低于垫片，但是明显高于硅脂。TCSG3000则引入交联的高分子网络结构使可靠性明显提升；采用小粒径，高球形化率，且经表面处理的填料实现了低热阻与低粘度，结合了导热凝胶的可靠性与硅脂的低热阻。各项参数均可满足客户的技术要求，而且具有一定的成本优势。

3 性能测试

兼具硅脂与凝胶性能的TCSG3000主要性能指标如下表2所示。

表2 TCSG3000主要性能指标

性能指标

数值

测试标准

密度，g/cc

3.1

ASTM D792

粘度，cps

640000

ASTM D2196

导热系数，W/m k

3.0

ISO 22007-2

热阻，K in2/W@30psi

0.024

ASTM D5470

介电强度，kv/mm

4.5

ASTM D149

TCSG3000热阻随压力的变化情况如下图3所示：

图3 热阻随压力的变化趋势

从TCSG3000热阻与压力的关系图中可以看出，其在30psi压力下就可实现热阻值0.024K In²/w，该性能与导热硅脂类似。实际装机测试中导热效果满足该机电设备技术要求。而且通过冷热冲击与热老化测试表明材料具有高的可靠性。经过-50℃-150℃冷热冲击1000次，没有缺胶，粉化的现象，材料呈现凝胶材料相似的特性，如图4所示，左侧图为丝网印刷加压贴合后，拆开后的状态；右侧图为经过冷热冲击后拆开的状态。冷热冲击前后没有发生Pump Out现象，涂层形状保持高度一致，具有理想的稳定性与可靠性。