Как подготовить высокоэффективные теплопроводящие материалы на основе силикона?

С развитием электронных продуктов в направлении миниатюризации, многофункциональности и высокой производительности, возникла технология высокоплотной трёхмерной системной интеграции. Трёхмерная системная интеграция обеспечивает высокую эффективность сборки, быструю скорость передачи сигналов и лучшую надёжность системы. Наряду с этими преимуществами, из-за огромного энергопотребления, это также приводит к увеличению тепла на единицу площади подложки, и всё больше внимания уделяется проблеме отвода тепла. Это предъявляет повышенные требования к характеристикам материалов теплового интерфейса для теплоотвода. Благодаря конструкции теплоотвода, накопленное тепло в тепловом интерфейсе электронного продукта своевременно отводится, чтобы поддерживать рабочую температуру в пределах разумного расчётного диапазона, тем самым обеспечивая стабильность системы и надёжность продукта. Теплопроводность используется для описания способности материала проводить тепло. Чем выше теплопроводность, тем выше теплопроводность материала. Поэтому основным требованием к материалам высокопроизводительных радиаторов является достаточно высокая теплопроводность.

 

Ключевые характеристики высокопроизводительной силиконовой термопроводящей прокладки должны, как правило, удовлетворять требованиям высокой теплопроводности, хорошей надёжности продукта, хорошей адгезии, удобства использования, вибропоглощения и шумоподавления, экологической безопасности и т.д. Помимо базовой теплопроводности, заказчик также обращает внимание на сжимаемую деформацию, изменение теплового сопротивления, мгновенное и длительное давление теплопроводящей прокладки; для тонких продуктов мы также обращаем внимание на эксплуатационные характеристики продукта, главным образом на величину силы отслаивания и т.п.

 

Поскольку термопроводящая прокладка используется только для заполнения зазора, напряжение очень мало, поэтому механические свойства, как правило, невысоки, что обуславливает широкое применение продукта. С постоянным повышением требований к характеристикам электронных продуктов, требования к теплопроводящим прокладкам становятся всё выше. Термопроводящие прокладки будут постоянно совершенствоваться. Было проведено много исследований, но теплопроводность в основном остаётся ниже 3,0 Вт/(м·К), рецептура нестабильна, что серьёзно оторвано от реального применения продукта, особенно мало исследований по надёжности. В этом эксперименте в качестве основы используется реакционноспособное силиконовое масло, и добавляется высокопроизводительный теплопроводящий наполнитель для изготовления теплопроводящей прокладки с теплопроводностью 4,0 Вт/(м·К). Продукт обладает хорошей применимостью и надёжностью и может удовлетворить требования заказчиков к высокопроизводительным теплопроводящим прокладкам.

 

1. Эксперимент

1.1 Основные сырьевые материалы и оборудование

1.2 Изготовление силиконовых термопрокладок

1.3 Испытание характеристик

2. Результаты и обсуждение

2.1 Показатели характеристик теплопроводящей прокладки

2.2 Влияние толщины на сжимаемую деформацию теплопроводящей прокладки

2.3 Влияние толщины на тепловое сопротивление теплопроводящей прокладки

2.4 Влияние мгновенного и длительного давления на сжимаемую деформацию теплопроводящих прокладок

2.5 Влияние силы отслаивания на эксплуатационные характеристики теплопроводящих прокладок

2.6 Надёжность термопрокладок

3. Заключение

XJY Silicones – First choice raw material supplier of silicone thermally conductive materials

1. Эксперимент

1.1 Основные сырьевые материалы и оборудование

Низковязкий винилсиликоновый полимер: вязкость 200 мПа·с, мольная доля винильных групп 0,35%; высоковязкий винилсиликоновый полимер: вязкость 5000 мПа·с, мольная доля винильных групп 0,35%; гидридсодержащий силоксан: вязкость 50 мм²/с, массовая доля активного водорода 0,1%; модифицированная силиконовая смола; платиновый катализатор, ингибитор; оксид алюминия: чистота ≥99%, средний размер частиц 20 мкм; нитрид алюминия: чистота 99,5%, средний размер частиц 0,5 мкм; сферический оксид алюминия: чистота ≥99,8%, средний размер частиц 70 мкм. Двухпланетарный смеситель; печь, термоциклическая., ｡

1.2 Изготовление силиконовых термопрокладок

В смесительный резервуар добавляют 80 г низковязкого винилсиликонового полимера, 8 г высоковязкого винилсиликонового полимера, 6 г гидридсодержащего силоксана, 5 г модифицированной силиконовой смолы, 1,0 г катализатора и 0,2 г ингибитора, перемешивают в течение 0,5 ч и вакуумируют для удаления пузырьков воздуха; затем добавляют 55 г нитрида алюминия, перемешивают 0,5 ч, после чего добавляют 445 г оксида алюминия, тщательно перемешивают и снова вакуумируют для удаления пузырьков воздуха; наконец, добавляют 402 г сферического оксида алюминия, перемешивают 0,5 ч и вакуумируют для удаления пузырьков воздуха. Полученную пасту формируют между разделительными плёнками до определённой толщины, сначала вулканизируют при 120°C в течение 30 минут, а затем прокаливают при 150°C в течение 30 минут для получения силиконовой термопроводящей прокладки.

1.3 Испытание характеристик

• Теплопроводность: Используется измерительный прибор теплопроводности TPS2500S, испытание проводится согласно ASTMD5470-2006.
• Тепловое сопротивление: Используется измеритель теплового сопротивления LW9389, испытание проводится согласно ASTMD5470-2006.
• Твёрдость: Использование твердомера типа Shore OO.
• Плотность: Использование плотномера истинной плотности DPY-31, испытанного методом истинной плотности гелия.
• Прочность на растяжение: Использование электронной универсальной испытательной машины LS1, испытанной в соответствии с ASTMD412-2006.
• Относительное удлинение при разрыве: Использование управляемой электронной универсальной испытательной машины ETM103A, испытанной в соответствии с ASTMD412-2006.
• Объёмное удельное сопротивление: Использование изоляционного тестера 1508, испытанного в соответствии с ASTMD257-2007.;
• Относительная диэлектрическая проницаемость: Испытание тестером напряжения пробоя HJC-50kV в соответствии с ASTMD150-2011.;
• Сила отрыва под углом 180°: Испытание тестером силы отрыва AR-1000.
• Свойство старения при высокой температуре: Применение термоциклической печи Z120306. Метод испытания: Образец выдерживается при 150°C в течение 440 ч и охлаждается до комнатной температуры для испытания термостойкости;
• Свойство старения при термоударном воздействии (холод-тепло): Испытание камерой теплового удара WIEETS60 высоких и низких температур. Метод испытания: Циклическое испытание холодом и теплом в диапазоне -40...125°C, образец выдерживается при -40°C в течение 0,5 ч, затем при 125°C в течение 0,5 ч, этот процесс составляет 1 цикл, всего проводится 440 циклов, после чего образец охлаждается до комнатной температуры для испытания термостойкости образца.
• Свойство старения при влажности и тепле: Использование термостата и влагостата KTHB-415TBS. Термостойкость образца измерялась после выдержки при 85°C и относительной влажности 85% в течение 440 часов и последующего охлаждения до комнатной температуры.
• Мгновенное давление: При заданной скорости сжатия испытание достигает давления, соответствующего заданной деформации сжатия.
• Длительное давление: При заданной скорости сжатия испытание поддерживает заданную деформацию сжатия более 5 минут. 

2. Результаты и обсуждение

2.1 Показатели характеристик теплопроводящей прокладки

Требования к теплопроводности высокопроизводительных термопрокладок относительно высоки. Вообще говоря, высокая теплопроводность достигается за счёт высокого содержания теплопроводящих наполнителей. Когда количество теплопроводящих наполнителей составляет 90% от общей массы системы, теплопроводность достигает 4,0 Вт/(м·К); в это время плотность составляет 3,4 г/см³. По сравнению с обычной теплопроводящей прокладкой относительное удлинение при разрыве заметно снижается, при этом сохраняются превосходные электроизоляционные свойства. Свойства приготовленных силиконовых термопрокладок представлены в таблице 1.

 

Таблица 1: Свойства силиконовых термопрокладок
Испытуемые параметры	Производительность
Теплопроводность	4.0
Твёрдость по Шору	50
DПлотность	3.4
Предел прочности при растяжении	0.07
Удлинение при разрыве	25
Объемное удельное сопротивление	1×1013
Относительная диэлектрическая проницаемость	5.0

2.2 Влияние толщины на сжимаемую деформацию теплопроводящей прокладки

Деформация сжатия также является важным показателем для высокопроизводительных термопрокладок. Чем больше деформация сжатия, тем лучше гибкость изделия, тем легче достичь плотного прилегания и меньше тепловое сопротивление на границе раздела, что обеспечивает лучшую теплопроводность. Изделия разной толщины имеют различную деформацию сжатия. Как правило, скорость сжатия при деформации составляет 0,5 мм/мин. Влияние толщины на деформацию сжатия термопрокладок показано на Рисунке 1.

Рисунок 1: Влияние толщины на деформацию сжатия термопрокладки

 

Из Рисунка 1 видно, что при одинаковом давлении, чем больше толщина, тем выше остаточная деформация. Как правило, деформация сжатия толстых изделий должна достигать более 60% (обычно менее 0,69 МПа), и изделия можно предварительно выбирать по кривой деформации сжатия.

2.3 Влияние толщины на тепловое сопротивление теплопроводящей прокладки

Одной из характеристик высокопроизводительной теплопроводящей прокладки является низкое тепловое сопротивление. Чем ниже тепловое сопротивление, тем лучше эффект теплопроводности. Тепловое сопротивление изделий разной толщины различается. См. Рис. 2 для влияния толщины на тепловое сопротивление теплопроводящей прокладки.

Рисунок 2 Влияние толщины на тепловое сопротивление теплопроводящей прокладки

 

Из Рисунка 2 видно, что чем больше толщина изделия, тем больше тепловое сопротивление. Тепловое сопротивление изделий одинаковой толщины уменьшается линейно с увеличением давления. Толщина изделия определяется конструкцией теплопроводящего элемента. Ширина зазора в конструкции теплопроводящего модуля соответствует толщине изделия.

2.4 Влияние мгновенного и длительного давления на сжимаемую деформацию теплопроводящих прокладок

Результаты испытаний теплопроводящей прокладки на мгновенное и длительное давление представлены в Таблице 2.

 

Таблица 2: Влияние мгновенного и длительного давления на деформацию сжатия теплопроводящих прокладок
Деформация сжатия/%	Мгновенная деформация/МПа	Длительное напряжение/МПа
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

Примечание: 1) Скорость испытания 25,4 мм/мин, Толщина 2 мм

 

В таблице 2 показано, что при скорости сжатия 25,4 мм/мин для достижения деформации сжатия 30% требуется мгновенное давление 0,259 МПа, а для поддержания деформации сжатия 30% требуется длительное давление 0,037 МПа. Мгновенное и длительное давления близки к практическим требованиям и очень удобны в применении.

2.5 Влияние силы отслаивания на эксплуатационные характеристики теплопроводящих прокладок

При высоком содержании термопроводящих наполнителей теплопроводность термопрокладки высока, но сам продукт становится менее прочным, а в тяжелых случаях также загрязняет электронные компоненты, и продукт имеет экологические недостатки. Поэтому при проектировании высокопроизводительных термопроводящих прокладок необходимо учитывать взаимосвязь между силой отслаивания и эксплуатационной технологичностью продукта. Как правило, тонкие продукты требуют более высокой обрабатываемости, чем толстые. Даже если прокладка не загрязняет разделительную пленку, тонкая прокладка с высокой силой отслаивания будет подниматься и смещаться при снятии пленки, что влияет на ее использование. Влияние силы отслаивания на эксплуатационную технологичность термопроводящих прокладок показано в таблице 3.

 

Таблица 3: Влияние силы отслаивания на эксплуатационную технологичность термопроводящей прокладки
Сила отслаивания	Operability
20	Загрязнение разделительных пленок
12	Незагрязняющая разделительная пленка, легко смещается
8	Незагрязняющая разделительная пленка, без смещения

 

Как видно из таблицы 3, для термопроводящей прокладки толщиной 0,8 мм эксплуатационная технологичность низкая, когда сила отслаивания превышает 12 г/25 мм, и наилучшая, когда сила отслаивания составляет 8 г/25 мм. Поскольку чем толще продукт, тем легче снять разделительную пленку, в данном эксперименте рассматриваются только тонкие продукты.

2.6 Надёжность термопрокладок

Модернизация нового продукта обычно требует проведения сравнительных испытаний на надежность. Испытания на надежность включают тест на старение при высокой температуре, тест на старение при тепловом ударе и тест на старение во влажном тепле. В процессе модернизации продукта заказчик требует, чтобы теплопроводность термопрокладки не была ниже, чем у исходного образца для сравнения после старения в течение 440 часов. Результаты испытаний на надежность показаны на рисунках с 3 по 5.

Рисунке 3: Старение термопроводящей прокладки при высокой температуре

 

Рисунке 4: Старение термопроводящей прокладки при тепловом ударе

 

Рисунке 5: Термовлажностное старение термопроводящих прокладок

 

Из рисунков 3-5 видно, что тепловое сопротивление термопрокладки ниже, чем у образца для сравнения в процессе старения при 150°C в течение 440 часов; тепловое сопротивление термопрокладки ниже, чем у образца для сравнения в процессе старения при тепловом ударе в течение 440 часов; в процессе термовлажностного старения в течение 440 часов тепловое сопротивление термопрокладки ниже, чем у образца для сравнения.

 

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

3. Заключение

Высокопроизводительная термопрокладка была изготовлена с использованием реакционноспособного силиконового масла в качестве основы и оксида алюминия и нитрида алюминия в качестве термопроводящего наполнителя. Предпочтительный состав: 80 г низковязкого винилового силиконового масла, 8 г высоковязкого винилового силиконового масла, 6 г водородсодержащего силиконового масла, 5 г модифицированной силиконовой смолы, 1,0 г катализатора и 0,2 г ингибитора добавляют в смесительный чан и перемешивают в течение 0,5 ч, после чего проводят вакуумирование для удаления пузырьков воздуха; затем добавляют 55 г нитрида алюминия, перемешивают в течение 0,5 ч, после чего добавляют 445 г оксида алюминия, тщательно перемешивают и снова проводят вакуумирование для удаления пузырьков воздуха; наконец, добавляют 402 г сферического оксида алюминия, перемешивают в течение 0,5 ч и проводят вакуумирование для удаления пузырьков воздуха. Теплопроводность продукта, изготовленного по данной рецептуре, достигает 4,0 Вт/(м·К), он удобен в эксплуатации и применении, обладает хорошей надежностью, что позволяет удовлетворить требования заказчиков к высокопроизводительным термопроводящим прокладкам.

Силикон XJYs - Основной поставщик сырья для силиконовых термопроводящих материалов

XJY Silicones, одна из ведущих Силиконовая MQ смола и VMQ thermally conductive silicones manufacturers, has 30+ years of R&D and manufacturing experience and technical assistance of 15+ related patents in the silicone industry, also can customize the cost-effective thermally conductive silicone products according to the requirements of your electronic devices.