Wie stellt man Hochleistungs-Silikon-Wärmeleitmaterialien her?

Mit der Entwicklung von Elektronikprodukten in Richtung Miniaturisierung, Multifunktionalität und hoher Leistungsfähigkeit entstand die hochdichte 3D-Systemintegrationstechnologie. Dreidimensionale Systemintegration ermöglicht hohe Montageeffizienz, schnelle Signalübertragungsgeschwindigkeit und bessere Systemzuverlässigkeit. Trotz dieser Vorteile führt der enorme Energieverbrauch auch zu einer Zunahme der Wärme pro Flächeneinheit des Substrats, wobei der Wärmeableitung immer mehr Beachtung geschenkt wird. Dies stellt höhere Leistungsanforderungen an Wärmeleitmaterialien an thermischen Grenzflächen. Durch das Wärmeableitungsdesign wird die angesammelte Wärme an der thermischen Grenzfläche des Elektronikprodukts rechtzeitig abgeführt, um die Arbeitstemperatur im angemessenen Designbereich zu halten und so die Systemstabilität und Produktzuverlässigkeit zu gewährleisten. Die Wärmeleitfähigkeit beschreibt die Wärmeleitfähigkeit eines Materials. Je höher die Wärmeleitfähigkeit, desto besser leitet das Material Wärme. Daher ist die Grundvoraussetzung für hochleistungsfähige Wärmeleitmaterialien eine ausreichend hohe Wärmeleitfähigkeit.

 

Die Schlüsselmerkmale von hochleistungsfähigen Silikonkautschuk-Wärmeleitpads sollten im Allgemeinen folgende Anforderungen erfüllen: hohe Wärmeleitfähigkeit, gute Produktzuverlässigkeit, gute Haftung, benutzerfreundliche Handhabung, Schwingungsdämpfung und Geräuschreduzierung, Umweltfreundlichkeit usw. Neben der grundlegenden Wärmeleitfähigkeit achten Kunden auch auf die Druckverformung, Änderung des thermischen Widerstands, momentanen Druck und langfristigen Druck des Wärmeleitpads; Bei dünnen Produkten wird auch auf die Betriebsleistung geachtet, hauptsächlich auf die Größe der Abzugskraft usw.

 

Da das Wärmeleitpad nur zum Ausfüllen von Lücken dient und die Belastung sehr gering ist, sind die mechanischen Eigenschaften im Allgemeinen nicht hoch, was zu einer breiten Anwendung des Produkts führt. Mit der kontinuierlichen Steigerung der Leistungsanforderungen an Elektronikprodukte werden auch die Anforderungen an Wärmeleitpads immer höher. Wärmeleitpads werden kontinuierlich weiterentwickelt. Es wurden viele Untersuchungen durchgeführt, jedoch liegt die Wärmeleitfähigkeit meist unter 3,0 W/(m·K), die Rezeptur ist ungewiss, was stark von der tatsächlichen Produktanwendung abweicht, insbesondere die Forschung zur Zuverlässigkeit ist gering. In diesem Experiment wird reaktives Silikonöl als Basismaterial verwendet, und es wird hochleistungsfähiger Wärmeleitfüllstoff zugesetzt, um ein Wärmeleitpad mit einer Wärmeleitfähigkeit von 4,0 W/(m·K) herzustellen. Das Produkt verfügt über gute Gebrauchstauglichkeit und Zuverlässigkeit und kann die Anforderungen der Kunden an hochleistungsfähige Wärmeleitpads erfüllen.

 

1. Experiment

1.1 Hauptrohstoffe und -ausrüstung

1.2 Herstellung von Silikon-Wärmeleitpads

1.3 Leistungstest

2. Ergebnisse und Diskussion

2.1 Leistungskennzahl des Wärmeleitpads

2.2 Einfluss der Dicke auf die Druckverformung des Wärmeleitpads

2.3 Einfluss der Dicke auf den thermischen Widerstand des Wärmeleitpads

2.4 Auswirkung von momentanem und langfristigem Druck auf die Druckverformung von Wärmeleitpads

2.5 Der Einfluss der Abzugskraft auf die Betriebsleistung von Wärmeleitpads

2.6 Zuverlässigkeit von Wärmeleitpads

3. Schlussfolgerung

XJY Silicones - Rohstofflieferant erster Wahl für wärmeleitende Silikonmaterialien

1. Experiment

1.1 Hauptrohstoffe und -ausrüstung

Vinylsilikonöl mit niedriger Viskosität: Viskosität 200 mPa·s, Vinylmolanteil 0,35 %; Vinylsilikonöl mit hoher Viskosität: Viskosität 5000 mPa·s, Vinylmolanteil 0,35 %; wasserstoffhaltiges Silikonöl: Viskosität 50 mm²/s, Massenanteil an aktivem Wasserstoff 0,1 %; modifiziertes Silikonharz; Platin-Katalysator, Inhibitor; Aluminiumoxid: Reinheit ≥99 %, durchschnittliche Teilchengröße 20 µm; Aluminiumnitrid: Reinheit 99,5 %, durchschnittliche Teilchengröße 0,5 µm; kugelförmiges Aluminiumoxid: Reinheit ≥99,8 %, durchschnittliche Teilchengröße 70 µm. Doppel-Planetenmischer; Ofen, thermisch zyklisch., ｡

1.2 Herstellung von Silikon-Wärmeleitpads

80 g Vinylsilikonöl mit niedriger Viskosität, 8 g Vinylsilikonöl mit hoher Viskosität, 6 g wasserstoffhaltiges Silikonöl, 5 g modifiziertes Silikonharz, 1,0 g Katalysator und 0,2 g Inhibitor in den Rührbehälter geben, 0,5 h rühren und entlüften, um Luftblasen zu entfernen; dann 55 g Aluminiumnitrid hinzufügen, 0,5 h rühren, dann 445 g Aluminiumoxid hinzufügen, gut vermischen und anschließend entlüften, um Luftblasen zu entfernen; schließlich 402 g kugelförmiges Aluminiumoxid hinzufügen, 0,5 h rühren und entlüften, um Luftblasen zu entfernen. Die erhaltene Paste wird zwischen Trennfolien auf eine bestimmte Dicke gebracht, zunächst bei 120 °C für 30 Minuten vulkanisiert und dann bei 150 °C für 30 Minuten gebacken, um ein Silikon-Wärmeleitpad zu erhalten.

1.3 Leistungstest

• Wärmeleitfähigkeit: Gemessen mit dem TPS2500S-Wärmeleitfähigkeitsmessgerät nach ASTMD5470-2006.
• Thermischer Widerstand: Gemessen mit dem LW9389-Thermalwiderstandsmessgerät nach ASTMD5470-2006.
• Härte: Verwendung des Shore-OO-Härteprüfers.
• Dichte: Verwendung des DPY-31-Echtfestemessgeräts nach der Helium-Echtfestemethode getestet.
• Zugfestigkeit: Verwendung der elektronischen Universalprüfmaschine LS1 nach ASTMD412-2006 getestet.
• Bruchdehnung: Verwendung der elektronischen Universalprüfmaschine ETM103A nach ASTMD412-2006 getestet.
• Volumenwiderstandsfähigkeit: Verwendung des Isolationsprüfgeräts 1508 nach ASTMD257-2007 getestet;
• Relative Permittivität: HJC-50kV Durchschlagspannungsprüfer nach ASTMD150-2011 getestet;
• 180°-Abreißkraft: Getestet mit dem AR-1000-Abreißkraftprüfer.
• Hochtemperaturauslagerungseigenschaft: Verwendung des Z120306-Wärmekreislaufofens. Testmethode: Die Probe wird bei 150℃ für 440h gelagert und auf Raumtemperatur abgekühlt, um den Wärmewiderstand zu testen;
• Thermoschock-Auslagerungseigenschaft: Getestet mit der WIEETS60-Temperaturschockprüfkammer. Testmethode: -40~125℃ für Thermoschocktest, die Probe wird bei -40℃ für 0,5h und dann bei 125℃ für 0,5h gelagert, dieser Prozess ist 1 Zyklus, insgesamt 440 Zyklen werden getestet und dann auf Raumtemperatur abgekühlt, um den Wärmewiderstand der Probe zu testen.
• Moisture and heat aging property: Use the KTHB-415TBS constant temperature and humidity box. The thermal resistance of the sample was measured after being placed at 85°C and 85% relative humidity for 440 hours and then cooled to room temperature.
• Instantaneous pressure: At the specified compression rate, the test reaches the specified compression deformation pressure.
• Langzeitdruck: Bei der angegebenen Kompressionsrate hält der Test die angegebene Kompressionsverformung für mehr als 5 Minuten aufrecht. 

2. Ergebnisse und Diskussion

2.1 Leistungskennzahl des Wärmeleitpads

Die Wärmeleitfähigkeitsanforderungen für hochleistungsfähige Wärmeleitpads sind relativ hoch. Allgemein gesagt wird hohe Wärmeleitfähigkeit durch einen hohen Anteil an wärmeleitenden Füllstoffen erreicht. Wenn der Anteil der wärmeleitenden Füllstoffe 90 % der Gesamtmasse des Systems beträgt, erreicht die Wärmeleitfähigkeit 4,0 W/m•K; Zu diesem Zeitpunkt beträgt die Dichte 3,4 g/cm³. Im Vergleich zum gewöhnlichen wärmeleitenden Dichtungspad ist die Bruchdehnung deutlich reduziert, während die exzellenten elektrischen Isoliereigenschaften beibehalten werden. Die Eigenschaften der hergestellten Silikon-Wärmeleitpads sind in Tabelle 1 dargestellt.

 

Tabelle 1: Eigenschaften von Silikon-Wärmeleitdichtungen
Prüfparameter	Performance
Wärmeleitfähigkeit	4.0
Shore-Härte	50
DDichte	3.4
Zugfestigkeit	0.07
Bruchdehnung	25
Durchgangswiderstand	1×1013
Relative Permittivität	5.0

2.2 Einfluss der Dicke auf die Druckverformung des Wärmeleitpads

Die Kompressionsverformung ist ebenfalls ein wichtiger Indikator für Hochleistungswärmeleitpads. Je größer die Kompressionsverformung, desto besser die Flexibilität des Produkts, desto einfacher der enge Sitz und desto geringer der Grenzflächenwiderstand ist, um eine bessere Wärmeleitfähigkeit zu erreichen. Produkte mit unterschiedlichen Dicken weisen unterschiedliche Kompressionsverformungen auf. Im Allgemeinen beträgt die Kompressionsrate der Kompressionsverformung 0,5 mm/min. Die Auswirkung der Dicke auf die Kompressionsverformung von Wärmeleitpads ist dargestellt in Abbildung 1.

Abbildung 1: Einfluss der Dicke auf die Kompressionsverformung von Wärmeleitpads

 

Aus Abbildung 1 geht hervor, dass unter demselben Druck die Kompressionsverformung mit zunehmender Dicke höher ist. Im Allgemeinen wird erwartet, dass die Kompressionsverformung von dicken Produkten mehr als 60% erreicht (typischerweise unter 0,69 MPa), und Produkte können basierend auf der Kompressionsverformungskurve vorausgewählt werden.

2.3 Einfluss der Dicke auf den thermischen Widerstand des Wärmeleitpads

Eines der Merkmale eines Hochleistungswärmeleitpads ist der niedrige Wärmewiderstand. Je niedriger der Wärmewiderstand, desto besser ist die Wärmeleitwirkung. Der Wärmewiderstand von Produkten mit unterschiedlichen Dicken variiert. Der Einfluss der Dicke auf den Wärmewiderstand des Wärmeleitpads wird in Abb. 2 gezeigt.

Abbildung 2 Einfluss der Dicke auf den Wärmewiderstand des Wärmeleitpads

 

Abbildung 2 zeigt, dass mit zunehmender Produktdicke der Wärmewiderstand steigt. Der Wärmewiderstand von Produkten mit gleicher Dicke verringert sich linear mit zunehmendem Druck. Die Dicke des Produkts wird durch das Design des Wärmeleitelements bestimmt. Die Breite des Spalts der Wärmeleiteinheit entspricht der Produktdicke.

2.4 Auswirkung von momentanem und langfristigem Druck auf die Druckverformung von Wärmeleitpads

Die Ergebnisse der Kurzzeit- und Langzeitdrucktests am Wärmeleitpad sind in Tabelle 2 dargestellt..

 

Tabelle 2: Auswirkung von kurzzeitigem und langfristigem Druck auf die Kompressionsverformung von Wärmeleitpads
Kompressionsverformung/%	Kurzzeitverformung/ MPa	Langzeitbelastung/ MPa
10	0.06	0
20	0.14	0.01
30	0.26	0.04
40	0.40	0.07
50	0.51	0.09
60	0.68	0.11

Hinweis: 1) Prüfgeschwindigkeit 25,4 mm/min, Dicke 2 mm

 

Tabelle 2 zeigt, dass bei einer Kompressionsrate von 25,4 mm/min ein momentaner Druck von 0,259 MPa erforderlich ist, um 30 % Kompressionsverformung zu erreichen, und ein Langzeitdruck von 0,037 MPa erforderlich ist, um 30 % Kompressionsverformung aufrechtzuerhalten. Momentaner und Langzeitdruck liegen nahe an der Anwendung und sind sehr einfach zu handhaben.

2.5 Der Einfluss der Abzugskraft auf die Betriebsleistung von Wärmeleitpads

Bei einem hohen Anteil wärmeleitender Füllstoffe ist die Wärmeleitfähigkeit des Wärmeleitpads zwar hoch, aber das Produkt wird an sich weniger robust, und in schweren Fällen verfärbt es auch die elektronischen Komponenten, und das Produkt weist Umweltschäden auf. Daher muss beim Design hochleistungsfähiger Wärmeleitpads das Verhältnis zwischen Abzugskraft und Produktbedienbarkeit berücksichtigt werden. Im Allgemeinen erfordern dünne Produkte eine höhere Verarbeitbarkeit als dicke Produkte. Selbst wenn das Dichtungsmaterial die Trennf nicht verschmutzt, kann ein dünnes Dichtungsmaterial mit hoher Abzugskraft beim Entfernen der Trennf das Dichtungsmaterial anheben und verschieben, was seine Verwendung beeinträchtigt. Die Auswirkung der Abzugskraft auf die Bedienbarkeit der Wärmeleitfolien ist in Tabelle 3 dargestellt.

 

Tabelle 3: Einfluss der Ablösekraft auf die Bedienbarkeit von Wärmeleitpads
Ablösekraft	Operability
20	Verfärbung von Trennf
12	Nicht verfärbendes Trennf, leicht zu verschieben
8	Nicht verfärbendes Trennf, keine Verschiebung

 

Wie in Tabelle 3 zu sehen ist, ist die Funktion bei einem 0,8 mm dicken wärmeleitenden Dichtungselement schlecht, wenn die Abziehkraft mehr als 12 g/25 mm beträgt, und am besten, wenn die Abziehkraft 8 g/25 mm beträgt. Da sich die Trennhülle bei dickeren Produkten leichter entfernen lässt, werden in diesem Experiment nur dünne Produkte diskutiert.

2.6 Zuverlässigkeit von Wärmeleitpads

Die Aktualisierung eines neuen Produkts erfordert in der Regel einen Vergleichstest zur Zuverlässigkeit. Zuverlässigkeitsprüfungen umfassen Hochtemperaturalterungstests, Temperaturschock-Alterungstests und Feuchtwärmealterungstests. Im Zuge der Produktaktualisierung fordert der Kunden eine Wärmeleitfähigkeit der Wärmeleitpads, die nach 440 Stunden Alterung nicht unter der des ursprünglichen Referenzmusters liegen darf. Die Ergebnisse der Zuverlässigkeitsprüfung sind in Abbildung 3 bis Abbildung 5 dargestellt.

Abbildung 3: Hochtemperaturalterung von wärmeleitenden Dichtungselementen

 

Abbildung 4: Temperaturschock-Alterung von wärmeleitenden Dichtungselementen

 

Abbildung 5: Feuchtwärmealterung von wärmeleitenden Dichtungselementen

 

Aus Abbildung 3 bis Abbildung 5 ist ersichtlich, dass der Wärmewiderstand des Wärmeleitpads während der Alterung bei 150 °C für 440 h niedriger ist als der des Referenzmusters; der Wärmewiderstand des Wärmeleitpads ist während des 440-stündigen Temperaturschock-Alterungsprozesses niedriger als der des Referenzmusters; während des 440-stündigen Feuchtwärmealterungsprozesses ist der Wärmewiderstand des Wärmeleitpads niedriger als der des Referenzmusters.

 

In summary, the upgraded reliability of thermal pads with the same thickness is better than that of the original reference samples.

3. Schlussfolgerung

Ein leistungsstarkes Wärmeleitpad wird unter Verwendung von reaktivem Silikonöl als Basismaterial und Aluminiumoxid und Aluminiumnitrid als wärmeleitende Füllstoffe hergestellt. Die bevorzugte Rezeptur lautet: 80 g niedrigviskoses Vinylsilikonöl, 8 g hochviskoses Vinylsilikonöl, 6 g wasserstoffhaltiges Silikonöl, 5 g modifiziertes Silikonharz, 1,0 g Katalysator und 0,2 g Inhibitor werden in das Rührgefäß gegeben und 0,5 h lang gerührt, und dann wird evakuiert, um Luftblasen zu entfernen; anschließend werden 55 g Aluminiumnitrid zugegeben, 0,5 h gerührt, dann 445 g Aluminiumoxid zugegeben, gleichmäßig gerührt und erneut evakuiert, um Luftblasen zu entfernen; schließlich werden 402 g kugelförmiges Aluminiumoxid zugegeben, 0,5 h gerührt und evakuiert, um Luftblasen zu entfernen. Die Wärmeleitfähigkeit des mit dieser Formel hergestellten Produkts erreicht 4,0 W/(m·K), ist einfach zu handhaben und zu verwenden und weist eine gute Zuverlässigkeit auf, sodass sie den Anforderungen der Kunden an leistungsstarke wärmeleitende Dichtungselemente entspricht.

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