導熱界面材料有機硅遷移（揮發、滲油）問題及改善措施

導熱界面材料（TIM）廣泛應用于工業、汽車和消費電子行業的電子元件散熱。目前，絕大多數TIM材料都是有機硅樹脂體系，因為有機硅聚合物具有優異的化學穩定性，物理特性隨溫度變化不明顯，例如粘度，模量等。這使得它們特別適合應用在運行中由于高功率或功率波動導致顯著溫度變化的場景中。然而隨著應用場景多元化，有機硅TIM材料的一個普遍風險也日漸突出，那就是有機硅油遷移問題，即揮發和滲油，會對電子元件造成一定危害。如何緩解或者解決有機硅油遷移？下文將從有機硅遷移的根本原因，潛在風險和改善措施來闡述。

TIM材料有機硅油遷移的根本原因

TIM材料由聚合物樹脂及導熱粉體組成。TIM材料中的聚合物分子鏈段通過纏結形成網狀結構。材料中除了交聯的分子簇以外，還有一些沒有通過化學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，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的方式從材料中揮發出來，并在電子元件的表面富集，這就是有機硅油的遷移。

有機硅遷移物性能分析

根據遷移能力，TIM材料中的聚合物部分大致可以分為可提取類、可揮發類、可溢出類、纏結類等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硅油的總量。即可提取類=可揮發類+可溢出類+纏結類。

?可揮發類是指TIM材料中可揮發出來的低分子量有機硅油。

?可溢出類是指可以從TIM材料主體中以液態形式滲出的中等分子量的有機硅油。

?纏結類（殘留）是指保留在TIM材料中的高分子量的液態有機硅油。

一般來說，對于有機硅聚合物，這些不同類別的分子量分布（MWD）如下所示：

可揮發類可以在很大程度上進行控制，以緩解遷移產生的影響，而可溢出類的界定和控制則更為復雜。這是因為，每一種遷移行為的驅動因素都各不相同。可溢出類有機硅油在遷移中，受污染的元件區域與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流動所驅動的。表面張力梯度則是由發熱元件與散熱器間的溫度梯度所致。擴散速度則受到遷移路徑的表面張力及擴散的聚合物粘度等因素控制。

有機硅遷移的潛在風險及改善措施

1.氣相遷移

氣相遷移主要由分子量極低的環狀有機硅烷導致，它們是有機硅聚合物和低分子量低聚體的預聚體。通過表1可以看出，有機硅油揮發在眾多應用中都存在潛在風險，可以通過使用低揮發型有機硅樹脂、低揮發性的導熱粉體、控制好交聯劑比例等來緩解和控制。

表 1. 氣相揮發風險

值得一提的是，凝霧等失效模式同樣是無硅材料面臨的一大難題。

2.液相遷移

液相遷移或滲漏是由組件中的溫度梯度驅動所致。由于有機硅具有很高的擴散系數，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散開。通過TIM的配方設計進行優化，例如控制好交聯劑比例，提高交聯程度（高交聯度可能導致更高黏度/模量）等，可以在一定程度上減少有機硅的滲漏，但實際的效果在不同應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，從而導致在不同應用場景中表現出極大差異。

表2. 液相溢出風險

另外，液相硅油的遷移還受電子元件功率密度，熱吸附，結構設計及TIM材料微觀結構等多方因素相互影響。

由于有機硅油遷移可能會導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/功率循環中產生組裝應力并影響電子元件的穩定性，因此需要慎重選擇。

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