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有機(jī)硅TIM材料中的有機(jī)硅油遷移問題及其改善措施

文章出處:產(chǎn)品百科 責(zé)任編輯:東莞東超新材料科技有限公司 發(fā)表時間:2024-08-14
        導(dǎo)熱界面材料(Thermal Interface Materials,TIM)是用于填充電子元件(如CPU、GPU、MOSFET等)與散熱器之間微小空隙的復(fù)合材料。它們的主要功能是提高電子元件與散熱器之間的熱傳導(dǎo)效率,減少熱阻,從而提高電子元件的散熱效率。
        TIM材料的主要成分是聚合物樹脂和導(dǎo)熱填料。聚合物樹脂主要是硅氧烷類聚合物,例如聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚甲基苯基硅氧烷(PMPS)等。導(dǎo)熱填料主要包括金屬氧化物、碳化物、氮化物等。這些材料通過物理或化學(xué)方法混合在一起,形成具有良好熱傳導(dǎo)性能的TIM材料。
       有機(jī)硅TIM材料在工業(yè)、汽車和消費電子行業(yè)的電子元件散熱中得到了廣泛應(yīng)用。然而,隨著應(yīng)用場景的多元化,有機(jī)硅TIM材料的一個普遍風(fēng)險也日漸突出,那就是有機(jī)硅油遷移問題,即揮發(fā)和滲油。
有機(jī)硅油遷移的根本原因
       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,它們就不會與分子簇形成纏結(jié),反而會在特定條件下會以液體形式從TIM材料的主體中溢出。而特別小的分子則會以氣態(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。


       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。這是因為,每一種遷移行為的驅(qū)動因素都各不相同??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)流動所驅(qū)動的。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,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。
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,但實際的效果在不同應(yīng)用場景中會存在差異。這是因為滲透速度隨溫度梯度增加而增加,從而導(dǎo)致在不同應(yīng)用場景中表現(xiàn)出極大差異。

       由于有機(jī)硅油遷移可能會導(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。綜上所述,有機(jī)硅TIM材料在應(yīng)用過程中需要特別注意有機(jī)硅油遷移問題,通過配方設(shè)計和優(yōu)化,可以有效緩解和控制遷移問題,提高TIM材料的性能和穩(wěn)定性。



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