来源 | 汉高电子
作者 | Sanjay Misra博士，汉高公司电子粘合剂导热材料首席科学家
导热界面材料（TIM）广泛应用于工业、汽车和消费电子行业的电子元件散热[1]。这些材料通常由聚合物体系及导热填料组成。到目前为止，大多数TIM材料都是有机硅体系，因为有机硅具有优异的热稳定性，以及材料模量的调整空间[2]。
有机硅油迁移问题，无论是气态挥发还是液态溢出都非常令人担忧，尽管并非总是伴随着具体问题。在对其具体应用的有效分析的基础上，我们可以通过有机硅的配方设计来满足这些特殊的应用场景。有机硅油的迁移通常是由TIM材料的微观结构，电子元件的功率密度，热吸附以及结构设计等多种因素决定。可以通过为这类用途设计专用材料来解决这类问题。我们将阐述有机硅油迁移的根本原因，潜在风险和缓解措施。
01 TIM材料的有机硅油组成和迁移
TIM材料由聚合物树脂及高导热的填料组成，其中树脂的导热系数 约为0.1W/mK，填料的导热系数在1-1000W/mK，而TIM材料的导热系数在1-15W/mK[3]。TIM材料中的聚合物树脂体系的分子链段结构及不同的交联形式为TIM材料提供了不同的物理形态。聚合物分子链段通过缠结形成网状结构。
TIM材料中的聚合物除了交联的分子簇以外，还有一些没有通过化学键链接在分子簇上的小分子。如果这些小分子的分子链足够短，他们就不会与分子簇形成缠结，并在特定条件下会以液体形式从TIM材料的主体中溢出。而特别小的分子会以气态的方式从材料中挥发出来，并在电子元件的表面富集。
绝大多数TIM材料都是采用有机硅树脂体系，因为有机硅聚合物具有优异的化学稳定性，另外它的物理特性随温度变化不明显，例如粘度，模量等[2]。这使得它们特别适合应用在那些在运行中由于高功率或功率波动导致显著温度变化的应用场景中。
图1. 聚合物部分的微观结构
TIM材料由聚合物树脂（~0.1 W/m-K）和导热填料（~ 1-1000W/m-K）组成。聚合物树脂由不同链长和交联结构的高分子组成。这些分子在TIM材料中形成不同形式的缠结。
02 性能分析
根据迁移能力，TIM材料中的聚合物部分大致可以分为4类，分别对应于不同的分子量（MW）[4]。
可提取类 = 可挥发类 + 可溢出类 + 缠结类
其中：
•可提取类是指可以使用溶剂从TIM材料中溶解出来的游离的有机硅油的总量。
•可挥发类是指TIM材料中可挥发出来的低分子量有机硅油。
•可溢出类是指可以从TIM材料主体中以液态形式渗出的中等分子量的有机硅油。
•缠结类（残留）是指保留在TIM材料中的高分子量的液态有机硅油。
一般来说，对于有机硅聚合物，这些不同类别的分子量分布（MWD）如下所示：
图 2. 与迁移种类相关的典型分子量分布
可挥发部分可以在很大程度上进行控制，以缓解迁移产生的影响，而可溢出部分的界定和控制则更为复杂。这是因为，每一种迁移行为的驱动因素都各不相同，有关这一方面的内容，请参见下文。
图 3. 气相和液相迁移
可溢出类有机硅油在迁移中，受污染的元件区域与TIM材料之间需要一条直接的迁移路径。这种液相可溢出类硅油迁移是由表面张力梯度引起的毛细流动所驱动的。这种表面张力梯度则是由发热元件与散热器间的温度梯度导致的。随后的扩散速度则受到迁移路径的表面张力及扩散的聚合物的粘度等因素所控制。
03 迁移的风险、量化和缓解措施
气相迁移主要由分子量极低的环状有机硅烷导致，它们是有机硅聚合物和低分子量低聚体的预聚体[2]。可使用ASTM E595[4]等方法对其进行量化，该方法描述了真空中可挥发物的总量（总质量损失-TML），以及可在冷却器表面冷凝的部分（可收集的挥发物-CVCM）。顶空气相色谱-质谱联用[5]也可以用来分析TIM材料中可挥发部分的分子量。
通过表1可以看出，有机硅油挥发在众多应用中都存在潜在的风险，但是可以通过使用低挥发型有机硅树脂来缓解和控制。除此以外，凝雾等失效模式同样也是非硅材料面临的一大难题。
表 1. 气相挥发风险
液相迁移或渗漏是由组件中的温度梯度驱动[7]。由于有机硅具有很高的扩散系数，一旦从TIM本体迁移到元件表面，将很容易在其周围的表面上扩散开来。如果有机硅迁移导致真正的功能性失效，则非硅体系的TIM材料会更合适。通过树脂体系设计，可以一定程度减少有机硅的渗漏，但实际的效果再不同应用场景中不尽相同。这是因为渗透速度随温度梯度增加而增加（如图4所示），从而导致在不同应用场景中表现出极大的差异。另外，液态硅油的迁移还受到元件功率密度，热吸附，机构设计及TIM材料微观结构等多方因素的相互影响[4]。
表2. 液相溢出风险
图4 溢出速度随温度梯度的增加而增加
渗透表征方法如图4所示：（1）在毛细管力驱动下有机硅油渗入多孔滤纸，测量TIM材料渗透形成的晕染直径或滤纸增重，和/或（2）在温度梯度驱动下有机硅油渗透到滤纸中，以表征实际应用中的渗透。这些方法更适用于对比不同TIM材料的渗透风险，不适用于对TIM材料在实际使用中适用性定量评估。
04 总结
虽然有机硅油的挥发会导致更高的失效风险，但可以通过对TIM材料配方的优化，定量控制小分子硅油的含量来有效控制。几乎所有存在风险的应用都可以通过使用低挥发性TIM材料得到解决，凭借稳健的产品设计和质量控制能够满足市场现有的应用。
液体溢出迁移在TIM材料的风险评估和认证方面都更加复杂，因为这取决于具体的应用。即便如此，如果溢出确实是个风险，仍然可以通过TIM的配方设计进行优化，但这些设计在不同应用中效果存在差异。
以非硅材料取代有机硅体系的办法也应当慎重考虑，这是因为非硅体系的物理特性随温度变化更明显，可能会在元件热/功率循环中导致组装应力的产生并影响元件的稳定性。
参考文献
1. S. Narumanchi, M. Mihalic, K. Kelley and G. Eesley. Thermal Interface Materials for Power Electronics Applications. NREL CP-540- 42972, July 2008.
2. John M. Ziegler, Silicon-Based Polymer Science: A Comprehensive Resource, ACS, 1989
3. D. M. Biggs. Thermally Conductive Polymer Compositions. Polymer Composites, 1986, Vol 7, No 3, p.125.
4. Kevin Hanson, Matthew Bren, Adapted from Henkel Test Methods
5. ASTM.ORG
6. IDEMA Document M-11-99
7. Marcello Lappa, Thermally Driven Flows in Polymeric Liquids (University of Strathclyde, Glasgow, United Kingdom) 2020 and references therein.
