高性能有机硅导热材料的制备与研究

高性能有机硅导热材料的制备与研究摘要：随着电子器件向小型化、多功能化和高性能的方向发展，高密度的3D系统集成技术也随之产生，三维结构的一体化使装配效率提高，信号传输速率加快，系统的可靠性得到提高，利用设计式散热技术，可以将积聚于电子产品内部的热及时排出，使其工作温度维持在一个合理的设计值之内，以保证系统的稳定与可靠，导热系数被用来说明物质的导热系数，热传导率愈高，则物料之热传导率愈高，所以，对于高性能的热辐射材料，最根本的需求就是要有较高的导热系数，高性能的导热垫片导衬垫通常要达到热传导率高，产品可靠性高，使用方便，减震降噪，绿色环保等方面的要求。

关键词：高性能有机硅导热；材料制备；应用研究；1.有机硅导热材料的制备1.1主要原料及设备低粘度乙烯基硅油：粘度200mPa·s，乙烯摩尔分数0.35%；高粘度乙烯基硅油：粘度5000mPa·s，乙烯摩尔分数0.35%；含氢硅油：粘度50mm2/s，活性氢质量分数0.1%；改性有机硅树脂：烟台德邦先进硅材料有限公司；铂催化剂（KE-808）和抑制剂（8081）：广州康谷佳化工有限公司；氧化铝：纯度≥99%，平均粒径20μm，中国铝业郑州研究院；氮化铝：纯度99.5%，平均粒径0.5μm，上海申益新材料技术开发有限公司；球形氧化铝：纯度≥99.8%，平均粒径70μm。

南京天星新材料有限公司有限公司双行星混合机：DMP-1QT型，罗斯设备有限公司；烘箱：Z120306型，热循环型，深圳市张氏电热设备有限公司。

1.2有机硅导热垫片的制备将80g低粘度的乙烯基硅油，8g高粘度的乙烯基硅油，6g含氢硅油，5g改性的有机硅树脂，1.0g催化剂，0.2g抑制剂，搅拌0.5h，并进行真空脱泡；接着，添加氮化铝55g，搅拌0.5h，接着添加氧化铝445g，搅拌均匀，并在真空中去除泡沫；最后，将402g的球状氧化铝添加到真空中，进行0.5h的搅拌，并在真空中除去气泡。

将所制得的膏体于隔膜间涂上一层薄层，于120°C固化30min，再于150°C焙烧30min，即可制得有机硅胶导热垫片。

1.3性能测试热传导率：热传导率测定由瑞典热德士公司的TPS2500S热传导率测定仪器测定，根据ASTM5470-2006测定；耐热性能：根据ASTM5470-2006，由台湾瑞灵公司生产的LW9389型耐热性能测量仪测定；硬度：使用邵氏OO型硬度计，由上海奥瓦检测设备有限公司进行测定；密度：采用美国康塔设备公司DPY-31型正确率测定仪，采用氦正确率方法测定；抗拉强度：根据ASTMD412-2006标准，由美国公司生产的LS1电子万用仪测试；拉伸延伸：根据ASTMD412-2006标准，使用一家株式会社的ETM103A型可控式电子万能试验机进行测试；体积电阻率：根据ASTMD257-2007，由Ltd.1508型绝缘试验装置测定；相对介电常数：根据ASTMD150-2011标准，使用HJC—50KV耐压试验机测定；180度的剥离力：用美国化学国际株式会社的AR-1000剥离力试验机进行试验；抗高温老化性能：使用Ltd.Z120306热循环式烘箱；试验方法：将试样在150℃、440小时、冷却到室温后进行热阻测定；冷、热冲击老化试验：在烟台信达仪表有限公司的WIEETS60型高、低温冲击试验箱内进行试验；测试方法：在-40-125℃的环境中，采用冷、热交替实验，将试样置于-40℃和125℃的温度分别为0.5小时和0.5小时，方法包含了一个检测440个循环，在此之前，将其冷却到室温，以检测试样的热电阻；耐湿热老化试验：使用日本日本株式会社KTHB-415TBS型恒温式湿度计，于85℃，85%相对湿度下存放440小时，待温度降至室温后，测定其耐湿热老化性能；暂态压力：按规定的压缩比进行试验，使试验结果满足规定的可变压缩条件；耐压：在指定的压缩速率下，对指定的压缩变形量进行检测和维持超过5分钟。

2.高性能有机硅导热材料的应用研究2.1屏幕保护有机硅材料屏幕保护有机硅材料是一种以反应性硅烷为基团，以含氟有机修饰基为基团的涂料，该涂层既具有氟化物的疏油性能，又具有有机硅的防水耐候性能，同时又具有有机硅的疏水性能，耐候性能，它能够使得膜层的水接触角超过1150，油酸接触角超过74°，从而使得屏幕保护膜层拥有优良的防污、斥水、斥油性能，降低手印和各种污渍的粘附，提高擦拭清洁能力；另外，对薄膜进行了表面改性处理，并对薄膜进行了表面改性处理，得到了较好的效果，当前，市场上销售的产品，在经过3000次（负载1kg,0000#钢丝绒，接触面积20mm的情况下），经过20mm的反复摩擦，其表面的水接触角仍然在108°以上，在此基础上，利用纳米TiO2在有机硅膜中的光催化活性，实现对有机硅膜的防污、抗菌功能。

2.2边框粘接用有机硅材料低溶剂单组份湿气固化是一种应用于触摸屏边缘粘合的新型粘合剂，可为设计人员在触摸屏结构设计中实现防水和窄边框的设计理念及制作目标提供一定的参考，有机硅热熔胶是一种反应材料，当胶粘剂在高温环境中应用时，液态胶粘可形成0.5毫米以下的非常细小的胶粘线条，迅速达到胶粘强度，并可在常温下迅速冷却凝固，提高产品装配效率；有机硅热熔胶完全固化后，其粘性极佳，可与普通塑料、金属等材料结合，它便于对成品进行自动紫外线检测，而且操作时间长，其特点是可在24个小时之内返工重涂，耐高温，无毒，无味，不挥发，经充分固化的有机硅热熔胶，耐化学腐蚀，耐水，防尘性能优良，使电子产品更可靠，与传统的双面胶相比，有机硅热熔胶在设计与装配智能装备等方面表现出更好的应用前景；另外，通过对一亿台0.8mm窄边框的智能机的玻璃盖板的边缘粘接试验，结果表明，有机硅热熔胶可使整个系统的成本下降20%。

2.3屏幕贴合用有机硅材料这种液态透明的硅胶能够将触摸屏与面板完美的结合起来，从而避免了两个屏幕间的空气，因此，可有效地降低因反射及散射所造成的光线损耗及显示器面板与玻璃间的干扰，达到低反光的显示效果。

2.4热界面有机硅材料随着触摸屏器件的集成程度越来越高，器件的功能越来越强，但器件的工作功率和工作温度也越来越高，太高的温度会损害电子器件的可靠性，缩短电子器件的使用寿命，要使电子元件能在较长时间内稳定地工作，就必须防止其工作温度不断上升，如何实现高效、快速的热交换，是目前迫切需要解决的问题。

2.5导热硅脂2.5.1导热硅脂的定义导热硅脂，又称硅膏，是一种无粘性且不易风干的油脂类材料，以金属氧化物及有机硅为原料，经特殊配方加工而成，具有优良的导热及绝缘特性，具有良好的导热性、电气绝缘性、适用范围广（-60°C至300°C）、稳定性高、粘稠度低、可涂性好等特点，无毒，无腐蚀性，无味，不干燥，不溶解，不干燥，硅脂是一种适用于高负荷工况的润滑剂。

我们所称的热传导性硅脂应当被称为硅膏，它是由硅油和填充材料构成的，填料为细磨过的粉状材料，包括氧化锌、氧化铝、氮化硼、碳化硅、铝粉等，硅油保证了一定程度的流动，同时在CPU与散热器间细小的缝隙中填充填料，保证了热传导，但是，它具有对温度不敏感、低温稳定性好、高温稳定性好、不易挥发等优点，因而能长期使用，目前，有些导热硅脂是以银粉末或铝粉末为填充物，这是由于金属具有较高的热传导性。

导热硅脂是一种高导热绝缘有机硅材料，几乎永远不固化，在-50到+230摄氏度长期使用后仍能形成胶膏，它具有优良的绝缘和导热性能，且分解程度低（接近于零），耐高低温，耐水，耐臭氧，耐气候老化等特点，它能够被广泛地应用在各种电子产品和电气设备中的加热元件（功率管、晶闸管、电加热堆等）与散热设施（散热片、散热带、外壳等）之间的接触面上，作为一种传热介质，起到防潮、防尘、防腐蚀等效果，以及防震的效果，可用于微波通讯，微波传输设备，微波专用电源，稳压电源，以及各类微波设备，如微波通信，微波传输设备，微波专用电源，稳压电源等，这种类型的硅材料为产生热量的电子元件提供了优异的导热性，例如：晶体管、CPU组件、热敏电阻、温度传感器、汽车电子元件、汽车冰箱、电源模块、打印头等。

2.5.2导热硅脂应用范围导热硅脂是用来填补CPU与散热器的空隙的材料，又叫热界面材料，它的作用是把中央处理器散发出来的热气，传送给散热器，以维持中央处理器的工作状态，避免中央处理器由于过热而损坏，从而延长其使用寿命。

在散热和导热的应用中，甚至两个表面都很平滑，但当它们相互接触时，也会有缝隙，在这些空隙里的空气是不好的热导体，它会阻止热能进入散热器，导热硅脂是能够填满这些孔洞，使得热传导更加顺畅和快速。

市场上有多种类型的硅脂，不同的参数和物理性能决定了不同的用途，例如，有些适合CPU导热性，有些适合存储器导热性，还有一些适合功率导热性。

液态的导热性硅脂是由有机硅脂和硅油构成，目前市场上使用的大部分二甲基硅油都是由二甲基硅油制成，由于其沸点一般在140℃至180℃，极易挥发、渗出，从而在线路板上形成油脂，这种油脂脱离现象会使用户有一种硅脂干燥的感觉。

2.5.3如何区别导热硅脂与导热硅胶很多使用者经常会搞不清导热硅脂和导热硅胶的区别，而在选购时又不知该选哪一种，虽然硅脂与硅油均为导热材料，但二者的热传导特性仍有较大差别，如果没有正确运用，将会产生非常严重的后果。

导热硅胶：导热硅胶是单组元去醇，室温可固化的硅胶，可起到降温、粘结等功能，并能在极短的时间内完成硬化，从而形成硬度较高的弹性体，固化后，可紧贴在接触面上，减少热阻，利于热源与周边散热器，母板，金属外壳及外壳间的传热，它的特点是：导热性能高，良好的绝缘，使用方便，对铜，铝，不锈钢等金属有很好的附着力，其固化方式是去醇，对金属及非金属表面无腐蚀性。

导热硅脂其价格低廉，并且在凝固后不易从被附着物上脱落，通常，这只适用于显卡和记忆体散热，如果用于CPU，则会引起过热，而且难以取出散热器，强行向下拖拽会对CPU造成伤害，也会对CPU的插槽造成伤害，如果用强力拖拽硅胶粘剂的显卡散热片，就有可能导致显示器晶片从PCB上掉落下来。

结束语由于有机硅材料具有特殊的优良特性，在触屏领域具有广阔的应用前景，因而引起了广泛的重视，随着功能基团、结构新颖的有机硅材料的不断涌现，以及其价格的持续下降、综合性能的提升，将进一步拓宽有机硅材料的应用范围，随着研究的深人，有机硅材料有望在柔性液晶面板、曲面液晶面板、OLED和电子纸等新技术领域发挥更重要的作用。

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