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^[1]。這些材料通常由聚合物體系及導熱粉體/導熱劑組成。到目前為止，大多數TIM材料都是有機硅體系，因為有機硅具有優異的熱穩定性，以及材料模量的調整空間^[2]。

有機硅油遷移問題，無論是氣態揮發還是液態溢出，盡管并非總是伴隨著具體問題，但仍令人非常擔憂。在對其具體應用的有效分析的基礎上，我們可以通過有機硅的配方設計來滿足這些特殊的應用場景。有機硅油的遷移通常是由TIM材料的微觀結構，電子元件的功率密度，熱吸附以及結構設計等多種因素決定，可以通過為這類用途設計專用材料來解決這類問題。下文將闡述有機硅油遷移的根本原因，潛在風險和緩解措施。

圖1   有機硅墊片大量滲油VS少量滲油

01、TIM材料的有機硅油組成和遷移

TIM材料由聚合物樹脂及高導熱的粉體組成，其中樹脂的導熱系數 約為0.1W/m·K，導熱粉體的導熱系數在1-1000W/m·K，而TIM材料的導熱系數在1-15W/m·K^[3]。TIM材料中的聚合物樹脂體系的分子鏈段結構及不同的交聯形式為TIM材料提供了不同的物理形態。聚合物分子鏈段通過纏結形成網狀結構。

TIM材料中的聚合物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，他們就不會與分子簇形成纏結，并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。

絕大多數TIM材料都是采用有機硅樹脂體系，因為有機硅聚合物具有優異的化學穩定性，另外它的物理特性隨溫度變化不明顯，例如粘度，模量等^[2]。這使得它們特別適合應用在那些在運行中由于高功率或功率波動導致顯著溫度變化的應用場景中。

圖2. 聚合物部分的微觀結構

TIM材料由聚合物樹脂（~0.1 W/m·K）和導熱粉體（~ 1-1000W/m·K）組成。聚合物樹脂由不同鏈長和交聯結構的高分子組成。這些分子在TIM材料中形成不同形式的纏結。

02、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4類，分別對應于不同的分子量（MW）^[4]。

可提取類 = 可揮發類 + 可溢出類 + 纏結類，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。

?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：

圖 3. 與遷移種類相關的典型分子量分布

可揮發部分可以在很大程度上進行控制，以緩解遷移產生的影響，而可溢出部分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。這種表面張力梯度則是由發熱元件與散熱器間的溫度梯度導致的。隨后的擴散速度則受到遷移路徑的表面張力及擴散的聚合物的粘度等因素所控制。

03、遷移的風險、量化和緩解措施

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^[2]?？墒褂肁STM E595^[4]等方法對其進行量化，該方法描述了真空中可揮發物的總量（總質量損失-TML），以及可在冷卻器表面冷凝的部分（可收集的揮發物-CVCM）。頂空氣相色譜-質譜聯用^[5]也可以用來分析TIM材料中可揮發部分的分子量。

通過下圖4可以看出，有機硅油揮發在眾多應用中都存在潛在的風險，但是可以通過使用低揮發型有機硅樹脂來緩解和控制。除此以外，凝霧等失效模式同樣也是非硅材料面臨的一大難題。

圖4 氣相揮發風險

液相遷移或滲漏是由組件中的溫度梯度驅動^[7]。由于有機硅具有很高的擴散系數，一旦從TIM本體遷移到元件表面，將很容易在其周圍的表面上擴散開來。如果有機硅遷移導致真正的功能性失效，則非硅體系的TIM材料會更合適。

圖5. 液相溢出風險

通過樹脂體系設計，可以一定程度減少有機硅的滲漏，但實際的效果在不同應用場景中不盡相同。這是因為滲透速度隨溫度梯度增加而增加（如圖6所示），從而導致在不同應用場景中表現出極大的差異。另外，液態硅油的遷移還受到元件功率密度，熱吸附，機構設計及TIM材料微觀結構等多方因素的相互影響^[4]。

圖6 溢出速度隨溫度梯度的增加而增加

04、總結

雖然有機硅油的揮發會導致更高的失效風險，但可以通過對TIM材料配方的優化，定量控制小分子硅油的含量來有效控制。例如，導熱界面材料配方中盡量避免使用含有高揮發或者易揮發的物質，包括硅油、各類助劑和導熱粉體，或在加工過程中增加去除小分子物質的工藝，以降低揮發物含量。金戈新材推薦GD-S513LV、GD-S605D等導熱粉體作為低揮發高導熱硅膠片的填料。產品與硅油相容性好，加工性能優，耐高溫性能穩定，由其制備的導熱硅膠片經130℃×10天烘烤，表觀測試均無可凝揮發物產生，同時導熱率達到4~6W/m·K，熱阻低，滿足安防監控設備等對導熱界面材料低揮發、散熱快的需求。

幾乎所有存在風險的應用都可以通過使用低揮發性TIM材料得到解決，憑借穩健的產品設計和質量控制能夠滿足市場現有的應用。液體溢出遷移在TIM材料的風險評估和認證方面都更加復雜，因為這取決于具體的應用。即便如此，如果溢出確實是個風險，仍然可以通過TIM的配方設計進行優化，但這些設計在不同應用中效果存在差異。

以非硅材料取代有機硅體系的辦法也應當慎重考慮，這是因為非硅體系的物理特性隨溫度變化更明顯，可能會在元件熱/功率循環中導致組裝應力的產生并影響元件的穩定性。

參考文獻：

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.