导热硅脂研究进展

导热硅脂研究进展

徐荣王梓廖崇山

摘要：介绍了导热硅脂的导热机制。分别阐述了聚合物和导热填料的选择，同时建立了简易的导热填料填充示意图，并综述了金属氧化物填充、金属氮化物填充以及其他特种导热材料填充等制备导热硅脂的最新研究进展。最后对导热硅脂的发展方向进行了展望。

关键词：导热硅脂；导热机制；热导率

Research progress of thermal conductive silicone grease

XuRong WangZi LiaoChongShan

Abstract：The thermal conductive mechanism of thermal conductive silicone grease was introduced. The selections of polymers and thermal conductive fillers were respectively expounded，the simple filling diagram of thermal conductive filler was established，and the latest research progress was summarized in thermal conductive silicone grease prepared by metal oxide，metal nitride or other special thermal conductive materials. Finally，the development direction of thermal conductive silicone grease was expected.

Keywords：thermal conductive silicone grease；thermal conductive mechanism；thermal conductivity

前言

随着电子产品的日益密集化、微型化和高效率化，其耐用性能显得尤为重要。然而，电子产品普遍存在着热聚集问题，即其在使用过程中会产生大量热能，从而直接影响了其可靠性和使用寿命。有关研究结果表明：电气元件的温度每升高2 ℃，其可靠性将会下降10%。因此，电气元件的及时散热性，已成为影响其使用寿命的重要因素。导热性能良好的散热装置虽能减小电气元件/环境的热阻，缩小元件内部与环境之间的温差，但其成本较高且存在较多缺陷。散热装置使用一段时间后，在发热体外壳的散热片上会沉积大量灰尘，其铝合金基覆铜板上连

接铜层基板的介质层老化会使胶层失效，由此热阻大幅上升，致使整体热性能急剧下降。近年来，应运而生的导热高分子材料的制备与开发已成为研究热点，并已广泛应用于诸多特殊场合（如航空航天、电子电器等领域）。

导热硅脂（又称散热膏）是一种膏状的热界面导热材料，可用于发热或散热元件的散热，具有良好的导热性能，常应用于电子产品等领域。其主要特点是：既可应用于快速释放电子产品使用时产生的热量，也可应用于航空航天、电子电气等领域中需要散热、传热或绝缘等部位；能及时排除电子设备使用过程中产生的大量热量，在电子产品的密集化、小型化、可靠性、精密度及使用寿命等方面具有重要作用。

本研究介绍了导热硅脂的导热机制，分别阐述了聚合物选择、导热填料选择，建立了简易的导热填料填充示意图，并综述了金属氧化物填充、金属氮化物填充以及其他特种导热材料制备用导热硅脂的最新研究进展。

1 导热硅脂的导热机制和组成

1.1 导热机制

导热硅脂是由大量导热填料填充的含有硅油的膏脂状物质，具有较佳的导热性能。电子元件受制造工艺和装夹方法的限制，其发热元件和散热片之间总是存在着微小的空隙，而空气的热阻很大，从而对其热量的散发带来负面影响。导热硅脂具有良好的流动性，能填充上述空隙，从而保证了电子元件和散热片之间的紧密接触，并增加了接触面积、提高了传热效率，进而能最大程度地将发热元件工作时所产生的热量迅速而均匀地传至散热片，使散热效果达到最佳。因此，导热硅脂性能的好坏对电子元件的散热性能影响极大。

在散热材料的实际应用中，导热硅脂本身具有热导率高、胶层厚度薄、附着压力最小和再加工性好等诸多优点，其在散热材料中起着不可替代的作用。图1 为导热硅脂的应用示意图。由图1可知：将导热材料填充于热界面材料中，导热硅脂将充分填充于发热元件和散热元件中间，充当导热通路，从而将热量传递出去。

导热硅脂的性能取决于硅油、填料及其共同的界面。导热填料是主要的导热载体，无论是以粒子还是以纤维的形式存在，其自身的导热性均远大于基质材料。当导热填料掺量较少时，导热填料能均匀分散在体系中，彼此之间无相互接触和无相互作用，此时导热填料对整个体系的导热性贡献不大；然而，当导热填料掺量达到临界点时，导热填料之间开始相互接触和相互作用，并在体系中形成导热网链；当这些导热网链的取向与热流方向平行时，就会明显提高体系的导热性能。

1.2 组成及其作用

导热硅脂由聚合物和高导热填料等组成，其制备难点主要在于聚合物和导热填料的选择。

1.2.1 聚合物的选择

通常应考虑其与导热填料的相容性、对配合面的润湿性和黏度等性能。可以承受的最大填料掺量，是由聚合物对填料热力学润湿性和聚合物黏度所决定的。通常，选择有机硅材料为聚合物，其热稳定性高、压力低且压力吸收性好，并可改善配合面的润湿性。

1.2.2 导热填料的选择

为便于加工和处理，可将导热填料分散于导热性较差的聚合物基体中。填料的重要特性包括本身的导热属性、形态（颗粒大小和形态）以及粒径分散度等。若考虑到其介电性能和成本，则通常使用陶瓷粉末（如氧化铝、氧化锌等），也可使用金属颗粒（如银、铝等）。

导热硅脂中导热填料的体积分数直接影响到其本体的热导率。为将导热填料的掺量最大化，应使用不同粒径的导热填料，以保证空隙处基本上能被导热填料填满且能保证其足够的润湿性。颗粒的粒径分布对体系的黏度影响很大，特别是当导热填料的体积分数相同时，不同粒径的导热填料若能调配适当，则相应体系的黏度小于只使用单一粒径的导热填料体系；若使用3种以上不同粒径的导热填料，则体系的导热填料掺量超过90%。图2为导热硅脂中导热填料的理想填充示意图。