采访:热界面材料精确点胶技术 - Wacker Chemie AG


采访:热界面材料精确点胶技术

瓦克热界面材料(以下称“TIM”或“导热材料”)有哪些优势?磨损性与功能性有什么关系?将点胶技术应用于这些材料时,遇到了哪些挑战?瓦克有机硅电子部门技术经理Markus Jandke博士回答了几个关于热界面材料的问题。

瓦克化学股份有限公司有机硅电子部门技术经理Markus Jandke博士

瓦克热界面材料的应用领域极其广泛,其主要动力来自哪个行业?

瓦克提供导热胶、填缝剂与硅脂以及有机硅灌封胶。在众多行业中,汽车与电子应用对于我们来说意义重大。其中,关键电子元件的寿命长短很大程度上取决于热管理是否有效。瓦克的SEMICOSIL® TC产品可以满足客户在高导热性和极低的耐热性(包括出色的加工性能)方面的需求。

关于瓦克热界面材料的典型结构,能给我们多谈一些内容吗?比如,它们的固含量有多高?

说到化学结构,我们的导热有机硅是介电材料的典型代表。一般而言,导热有机硅的配方中含有特定的填料和一种有机硅配方,该配方是专门为优化产品与加工性能而定制的。虽然硅脂通常不会发生交联反应,但胶粘剂和填缝剂却会。在中高温度条件下,导热胶在导热基材之间建立粘接强度,使基材保持紧密的热接触。若需要对面积更大的基材进行公差补偿,我们会使用填缝剂作为热界面材料。对基材进行机械固定,即可建立热接触,而填缝剂在室温条件下就可以固化。

与有机物相似,未添加导热填料的有机硅和有机硅弹性体的体积热导率约为0.2 W/mK。
只有在其中加入大量填料(如1-200微米之间的氧化物颗粒),使填料表面相互接触时,这两类材料才会具备导热性。
并且,只有在填料填充量非常高的前提下,才能确保足够的颗粒接触,从而实现较高的体积热导率。这就是所谓的“逾渗”。

对于热界面材料,有什么进一步的要求?

需要重点关注填料与基质之间的相互作用的稳定性。
由于所用基材的热膨胀系数与性能都不尽相同,因此在电子元器件长期运行(负载循环、温度变化)过程中,基材之间的界面区域也会受到机械应力。从这个角度而言,热界面材料须避免导热胶/填缝剂剥离或开裂,还要避免导热硅脂中的填缝剂与聚合物变干/渗出。

我们的目标在于最大程度地提高热界面材料的整体导热性与稳定性。即使热界面材料的热导率达到了3-4 W/mK,但依然是元件配置中导热性最差的材料(其他基材的热导率都远高于热界面材料),因此在设计热界面层时,应尽可能地选择最薄的热界面材料。

为了实现热传递,填料颗粒必须互相接触。例如,如今在技术与经济层面均引人关注的填料体系都是基于局部硬度较高的氧化结构。由于各填料颗粒的几何形状大相径庭(从球形到边缘锋利的片状),因此,其磨损性也各不相同。
在理想状态下,只有当大量化学参数(填料形状、颗粒尺寸、表面化学性质与类型、分子设计以及有机硅聚合物的功能性)保持统一时,才能得到体积热导率超过3 W/mK的导热配方。同时,该配方还应具备适当的流变性,以降低磨损性,提高输胶与点胶性能,降低粘接力。

根据您的经验,在具体应用方面,点胶的局限性在哪里?为什么不能简单地提高填料量,这对于提高导热性而言是必不可少的吧?

如果采用这种方法,填料与基质之间的相互作用会增强,从而导致材料粘度升高,并影响其加工性能。而且,如果填料填充量较小,那么这种方法的作用就微乎其微了。对于高导热性材料,这些影响决定了材料能否从包装中排出以及能否送入点胶头。同时,特定设备的点胶性能(ml/s)以及机械敏感型基材的粘接力也会受到影响。

由于这些特殊性,我们应该更多地关注导热材料的加工性能。
SEMICOSIL® TC 是瓦克多年研究与产品开发工作所收获的成果。不过,仅仅只有材料,是远远不够的。

在您看来,与点胶设备制造商紧密合作,能否为客户提供将材料与量产加工性能完美结合的关键解决方案?

这是必须的!

客户需要大规模生产电子部件。
由于导热材料配方与生产工艺会互相影响,因此材料生产商与点胶设备制造商需要进行紧密合作。就新产品而言,在工业级生产设备上对其点胶性能进行全面测试,可谓至关重要。这样,我们就能为客户提供将材料与量产加工性能完美结合的关键解决方案。