導(dǎo)熱界面材料有機(jī)硅遷移（揮發(fā)、滲油）問題及改善措施

導(dǎo)熱界面材料（TIM）廣泛應(yīng)用于工業(yè)、汽車和消費(fèi)電子行業(yè)的電子元件散熱。目前，絕大多數(shù)TIM材料都是有機(jī)硅樹脂體系，因?yàn)橛袡C(jī)硅聚合物具有優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性，物理特性隨溫度變化不明顯，例如粘度，模量等。這使得它們特別適合應(yīng)用在運(yùn)行中由于高功率或功率波動(dòng)導(dǎo)致顯著溫度變化的場(chǎng)景中。然而隨著應(yīng)用場(chǎng)景多元化，有機(jī)硅TIM材料的一個(gè)普遍風(fēng)險(xiǎn)也日漸突出，那就是有機(jī)硅油遷移問題，即揮發(fā)和滲油，會(huì)對(duì)電子元件造成一定危害。如何緩解或者解決有機(jī)硅油遷移？下文將從有機(jī)硅遷移的根本原因，潛在風(fēng)險(xiǎn)和改善措施來闡述。

TIM材料有機(jī)硅油遷移的根本原因

TIM材料由聚合物樹脂及導(dǎo)熱粉體組成。TIM材料中的聚合物分子鏈段通過纏結(jié)形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。材料中除了交聯(lián)的分子簇以外，還有一些沒有通過化學(xué)鍵鏈接在分子簇上的小分子。如果這些小分子的分子鏈足夠短，它們就不會(huì)與分子簇形成纏結(jié)，反而會(huì)在特定條件下會(huì)以液體形式從TIM材料的主體中溢出。而特別小的分子則會(huì)以氣態(tài)的方式從材料中揮發(fā)出來，并在電子元件的表面富集，這就是有機(jī)硅油的遷移。

有機(jī)硅遷移物性能分析

根據(jù)遷移能力，TIM材料中的聚合物部分大致可以分為可提取類、可揮發(fā)類、可溢出類、纏結(jié)類等4類。其中：

?可提取類是指可以使用溶劑從TIM材料中溶解出來的游離的有機(jī)硅油的總量。即可提取類=可揮發(fā)類+可溢出類+纏結(jié)類。

?可揮發(fā)類是指TIM材料中可揮發(fā)出來的低分子量有機(jī)硅油。

?可溢出類是指可以從TIM材料主體中以液態(tài)形式滲出的中等分子量的有機(jī)硅油。

?纏結(jié)類（殘留）是指保留在TIM材料中的高分子量的液態(tài)有機(jī)硅油。

一般來說，對(duì)于有機(jī)硅聚合物，這些不同類別的分子量分布（MWD）如下所示：

可揮發(fā)類可以在很大程度上進(jìn)行控制，以緩解遷移產(chǎn)生的影響，而可溢出類的界定和控制則更為復(fù)雜。這是因?yàn)?，每一種遷移行為的驅(qū)動(dòng)因素都各不相同?？梢绯鲱愑袡C(jī)硅油在遷移中，受污染的元件區(qū)域與TIM材料之間需要一條直接的遷移路徑。這種液相可溢出類硅油遷移是由表面張力梯度引起的毛細(xì)流動(dòng)所驅(qū)動(dòng)的。表面張力梯度則是由發(fā)熱元件與散熱器間的溫度梯度所致。擴(kuò)散速度則受到遷移路徑的表面張力及擴(kuò)散的聚合物粘度等因素控制。

有機(jī)硅遷移的潛在風(fēng)險(xiǎn)及改善措施

1.氣相遷移

氣相遷移主要由分子量極低的環(huán)狀有機(jī)硅烷導(dǎo)致，它們是有機(jī)硅聚合物和低分子量低聚體的預(yù)聚體。通過表1可以看出，有機(jī)硅油揮發(fā)在眾多應(yīng)用中都存在潛在風(fēng)險(xiǎn)，可以通過使用低揮發(fā)型有機(jī)硅樹脂、低揮發(fā)性的導(dǎo)熱粉體、控制好交聯(lián)劑比例等來緩解和控制。

表 1. 氣相揮發(fā)風(fēng)險(xiǎn)

值得一提的是，凝霧等失效模式同樣是無硅材料面臨的一大難題。

2.液相遷移

液相遷移或滲漏是由組件中的溫度梯度驅(qū)動(dòng)所致。由于有機(jī)硅具有很高的擴(kuò)散系數(shù)，一旦從TIM本體遷移到電子元件表面，將很容易在其周圍表面上擴(kuò)散開。通過TIM的配方設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，例如控制好交聯(lián)劑比例，提高交聯(lián)程度（高交聯(lián)度可能導(dǎo)致更高黏度/模量）等，可以在一定程度上減少有機(jī)硅的滲漏，但實(shí)際的效果在不同應(yīng)用場(chǎng)景中會(huì)存在差異。這是因?yàn)闈B透速度隨溫度梯度增加而增加，從而導(dǎo)致在不同應(yīng)用場(chǎng)景中表現(xiàn)出極大差異。

表2. 液相溢出風(fēng)險(xiǎn)

另外，液相硅油的遷移還受電子元件功率密度，熱吸附，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及TIM材料微觀結(jié)構(gòu)等多方因素相互影響。

由于有機(jī)硅油遷移可能會(huì)導(dǎo)致電子器件功能失效，可以考慮選用非硅體系的TIM材料作為傳熱媒介。但要注意：非硅體系的物理特性隨溫度變化更明顯，可能會(huì)在元件熱/功率循環(huán)中產(chǎn)生組裝應(yīng)力并影響電子元件的穩(wěn)定性，因此需要慎重選擇。

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