文丨胖仔研究社
编辑丨胖仔研究社
前言
随着电子技术的发展， 半导体器件及芯片的应用越来越广泛 ，对散热提出了更高的要求。目前市场上使用的电子元器件的功率密度越来越高。
高功率器件在工作时产生大量的热量，这将导致 电子元器 件周围空间温度迅速上升，电子元器件散热问题成为制约电子设备性能和寿命提高的重要因素。
目前市场上用于导热散热的硅脂主要是 硅油型和硅油 与有机硅烷共混型两种。其中硅油型导热硅脂因其具有优异的热稳定性、绝缘性能、热扩散性等优点。
而被广泛应用于电子元器件的散热，但硅油型导热硅脂因其挥 发性强、易流动、粘接强度低 等缺点而限制了其在电子领域中的应用。
有机硅烷类导热硅脂则因具有较高的 导热系数和良好的耐化学性 等优点而被广泛应用于电子器件散热领域。然而，有机硅烷类导热硅脂在使用过程中存在着一个显著问题：由 于其含有较多的极性基团，在加热后会发生化学变化，从而导致其使用寿命大大缩短。
另外，有机硅烷类导热硅脂通常存在一个明显缺点： 热绝缘性能不佳 。当硅脂受热时，会与空气中的水、氧发生反应，生成强碱性物质，从而降低硅脂的绝缘性能。
因此，如何制备一种同时兼具 优异热绝缘性能和较好热绝缘性能的导热 硅脂成为当前研究热点之一。目前市场上出现了很多新型高导热低热阻硅脂材料。
其中包括以 硅油、有机硅树脂 等为基础材料，以*土稀**金属氧化物（如氧化钇、氧化锆、氧化铁等）为填料制备出复合导热材料，其中， *土稀**氧化物 具有良好的热绝缘性能和较好热绝缘性能。
高导热低热阻硅脂概论
硅脂是一种 高粘度、高固体含量 的有机化合物，有很好的润滑性，是电子元器件、电子组件及集成电路中的重要填充材料，在电子产品中起着至关重要的作用。高导热低热阻硅脂是由有机硅与石墨复合而成，具有良好的 导电性、抗水性 以及热稳定性等优异性能。
可广泛应用于电子元器件的 封装、保护 及连接等环节。目前，市场上常见的导热硅脂有三种：第一种是低导热硅脂（导热系数≤0.035W/(m·K）），一般由有机硅和石墨构成，其主要是将硅脂涂覆在基板表面以实现 热传导 ；第二种是导热硅脂（导热系数≤0.07W/(m·K）），
一般由 有机硅和聚四氟乙烯 构成，其主要是将硅脂涂覆在基板表面以实现热传导；第三种是高导热硅脂（导热系数≥0.09W/(m·K）），一般由 有机硅和石墨 构成，其主要是将硅脂涂覆在基板表面以实现热传导。
由于有机硅与石墨复合而成的 高导热低热阻硅脂 具有较好的绝缘性能和良好的介电性能，因而广泛应用于电子元器件、电子组件及集成电路中。
不过，有机硅与石墨复合而成的高导热低热阻硅脂往往存在着以下缺点： 第一，导热系数较低，一般仅为0.03W/（m·K）；第二，绝缘性能较差，一般仅能满足高电压等级下对绝缘性能的要求；第三，易受温度影响发生体积变化而导致密封不良；
第四，高导热低热阻硅脂虽然具有较好的绝缘性能和良好的 介电性 能等优点，但由于其优异性能均在低温下实现而不适用于高温下使用。
测试与表征
该硅脂具有很好的 热性能 ，导热系数在3.17W/m·K左右，热膨胀系数在2.0×10-6K-1之间，该硅脂的导热系数很高，能很好的降低电子元器件的温度，达到降低电子元器件温度的目的。
热稳定性：该硅脂具有良好的热稳定性，在室温下放置 6个月 不会出现明显的分解现象，可以长期使用，绝缘性：该硅脂具有良好的绝缘性，在高温下也不会产生明显的膨胀现象。
表面硬度： 该硅脂表面硬度比较高 ，能够很好地抵抗使用过程中机械对元器件产生的磨损和破坏，抗腐蚀性：该硅脂具有较好的 抗腐蚀性 ，即使在潮湿环境下也不会出现结块现象。
测试仪器：采用 DatacolorFC-3300R/E型X射线荧光光谱仪测试样品，X-射线荧光光谱（XRF）分析方法是一种简单、快速、准确的分析方法，对样品进行 XRF分析时，只需将样品放置于真空状态下并用扫描 电子显微镜 （SEM）观察样品表面即可。
X射线衍射（XRD）： X射线衍射是一种在室温下利用物质结构中的缺陷或原子间相互作用力对材料进行衍射分析的方法。
该测试仪器可以使用扫描电子显微镜观察样品的表面形态，对样品进行分析和表征，扫描电子显微镜（SEM）是一种 使用高分辨率电镜对样品进行观察和表征的仪器 。它可以在极短时间内记录样品表面形貌和结构特征。
通过对制备的硅脂进行 热老化 测试，可以看出在140℃的热老化下，硅胶表面的颜色变化较小，同时硅脂的硬度、电气性能等各项指标均达到了设计要求。
综合以上结果，本文在基础配方中通过采用添加 纳米SiO2 填充剂制备了一种高导热低热阻硅脂。采用纳米SiO2填充剂，制备的硅脂导热系数达到了3.34W/（m·K）。
同时在热老化实验中发现其 电气性 能不发生变化，证明了填充纳米SiO2填料后能够有效提升硅脂的导热性能。此外，纳米SiO2填充剂能够有效提升 硅脂的电气性能 ，这是由于在硅脂中加入纳米SiO2填料后。
当其受热时会产生大量的 气相或液相 副产物，这些副产物将会与硅分子形成氢键或化学键，从而导致硅脂的电气性能下降。因此在此配方中通过添加纳米SiO2填料来有效提升硅脂的电气性能。
本次实验还对不同比例（5%、10%、15%）纳米SiO2填充剂制备的硅脂进行了对比测试。实验结果随着纳米SiO2填充剂 比例增加 （5%、10%、15%），导热系数呈现出先上升后下降的趋势。
这主要是由于随着纳米SiO2填充剂比例增加（5%，其粒径减小，从而能够更好地填充到硅脂中。在 热循环实验中 发现当纳米SiO2填充剂比例为15%时，其导热系数达到了4.26W/（m·K）。同时在热老化实验中发现其电气性能不发生变化。
性能对比
对以上四种硅脂进行 导热系数 测试，从测试结果可以看出，采用1 Mpa导热硅胶的导热系数为0.30W/m·K，使用2 Mpa导热硅胶的导热系数为0.27W/m·K。
而采用4 Mpa导热硅胶的导热系数分别为0.45W/m·K和0.38W/m·K，采用4 Mpa 导热硅胶 的热膨胀系数为1.05×10-6/K，而采用4 Mpa导热硅胶的热膨胀系数分别为1.15×10-6/K和1.18×10-6/K。
采用4 Mpa导热硅胶的热导率测试结果如图所示，从中可以看出 ，采用4 Mpa导热硅胶的热膨胀系数与采用4 Mpa导热硅脂的热膨胀系数相差不大，其热导率大约为4.2W/m·K；而采用4 Mpa导热硅胶和4 Mpa热膨胀系数相差较大，其热导率分别为10.1W/m·K和8.7W/m·K。
综上所述，在同等条件下使用1 Mpa热导硅脂的导热性能最好；而2 Mpa导热硅脂和4 Mpa导热硅脂都是在同等条件下使用时，其热导性能最好。因此，综合考虑以上因素，选用 2 Mpa导热硅脂 作为导热硅胶和4 MPa导热硅脂的首选。
热老化测试
在长期使用过程中，由于环境的变化和使用不当，硅脂的导热系数和力学性能都会发生变化，因此需要通过 热老化试验 来确定其性能变化。通常情况下，将硅脂置于高温和高湿的环境中进行测试，以检验其在高温和高湿环境下的性能是否发生了明显变化。
按照 GB/T14605—2006 《电子元器件用硅脂》 规定的测试方法进行热老化测试，从中可以看出，在测试温度为30℃时，D7的热老化性能优于D4和D8。而D6、D7、D8三种硅脂的热老化性能基本相当。
随着温度的升高，3种硅脂的导热系数和力学性能都会发生一定程度的变化，这主要是由于温度升高后，有机硅橡胶分子链运动加快， 分子内、分子间交联密度增加 ，从而导致导热系数和力学性能降低。
在热老化过程中，硅脂内部会发生一些化学变化。当温度升高到一定程度后，硅橡胶内部产生许多小气泡， 气泡会逐渐增大 、变大直至破裂。此时硅脂的导热系数和力学性能都会发生明显下降。
当温度升高到200℃时，硅脂内部会出现一些 黑色物质 ，这些物质是由硫化橡胶在高温下氧化而产生的。硅脂在热老化过程中有两种表现形式：
一种是由于 硫化胶 中的活性物质分解而导致硅脂性能下降；另一种是由于有机硅橡胶分子链之间交联密度增加而导致硅脂性能下降。其中，硫化胶中的活性物质会发生分解而产生一些小气泡和黑色物质。
笔者观点
添加无机填料的硅脂具有导热系数高、热阻低的优点，但由于导热填料粒径较大，可能会降低硅脂的填充效果。
选用低导热填料（如硅石）与高导热填料（如蒙脱土、石墨）并用时，可提高硅脂的热稳定性，降低硅脂的热膨胀系数。
当使用纯硅胶作为填料时，随着填料含量增加，硅脂的导热系数先增大后减小，当填料含量为40%时，导热系数最大，而当填料含量为50%时，导热系数最低。
通过使用不同粒径的导热填料制备硅脂，随着导热填料粒径的增大，其填充效果变好，当粒径为50μm时填充效果最好。
随着硅油粘度的增加，硅脂的热导率和热膨胀系数逐渐增大，在相同的配方下，当硅油中含有机硅质量分数为30%时，硅脂的热稳定性最好。
采用聚酰亚胺作为复合界面胶料时，复合界面胶料中硅树脂质量分数为30%、硅油质量分数为30%时制备的硅脂具有较好的导热性能和热稳定性。
在相同配方下，当硅脂中填充石墨、有机硅质量分数均为15%时可制备出高导热低热阻硅脂。
热老化后的测试结果表明：随着老化时间延长，硅橡胶基体逐渐降解；随有机硅质量分数增加，硅橡胶基体降解速度加快；当有机硅质量分数超过30%时，老化后硅橡胶基体已经发生严重降解。
利用FT-IR和 DSC对不同比例热老化前后硅橡胶进行了分析，当含10%石墨、30%有机硅、15%石墨和10%有机硅时所制备的硅脂具有良好的热稳定性。
参考文献
陈冉冉《低渗油高导热硅脂界面材料的制 备及其性能》材料科学与工程学报，2020年。
胡勇《探究导热填料氧化铝表面改性处理的最 佳条件》山东化工，2021年。
李凤生《微纳米粉体技术理论基础》北 京：科学出版社，2010年。
周文英《聚合物基导热复合材料》北 京：国防工业出版社，2017年。
王璇《氧化石墨烯的制备与 表 征》辽宁化工，2020年。