1. 引言
随着功率电子器件向高功率密度、小型化方向发展，散热与可靠性成为关键挑战。功率电子器件工作时会产生大量热量，导致局部热流密度较高，若热量不能及时导出，将导致器件温度升高，影响其性能稳定性及工作寿命。传统热界面材料(如导热垫片、硅脂等)在高温、机械振动等工况下易出现老化、干裂或泵出效应，难以满足高可靠性要求。而双组分导热凝胶作为一种新型热界面材料，因其可固化、高导热、绝缘性好、低压缩应力等特性，能够紧密填充器件与散热器间的狭小缝隙，形成高效稳定的导热通路，成为解决功率器件散热问题的理想选择之一[1]-[4]。尽管双组分导热凝胶优势显著，但在实际应用中仍存在诸多瓶颈。室温固化速度与操作工艺的平衡是难点之一，固化过快可能导致施工困难，过慢则影响生产效率；另外，高导热与低压缩应力的矛盾难以调和，高填料负载虽可提升导热性，但会增大材料硬度，在器件受压时可能导致应力过大，使器件受损[3] [5]。王亚龙等以双组分加成型液体硅橡胶为基体，以氢氧化铝和氧化铝为填料制备了有机硅导热材料，结果表明随着导热填料的增加，导热性能逐渐上升，硬度和压缩应力呈变大趋势[6]。王红玉等以硅凝胶为基料，氧化铝和氧化锌为导热填料，制备的导热凝胶具备较高的导热性能、压缩永久形变等特性[7]。现有产品在导热性能、压缩应力、绝缘性、轻质化、工艺适配性等综合性能方面仍需优化，制约了其在高端功率模块中的大规模应用。
因此，针对电子设备散热应用场景，结合批量化、自动化生产节拍对双组分导热凝胶的工艺性要求，本研究选用了端乙烯基聚二甲基硅氧烷为基胶，含氢硅油为交联剂，铂金络合物为催化剂，乙炔基环己醇为抑制剂，然后以陶瓷粉体为功能填料，开展双组分室温固化导热凝胶制备，并对其性能进行了研究。
2. 主要原材料及仪器设备
2.1. 原材料
基胶：端乙烯基聚二甲基硅氧烷，黏度500 cps，乙烯基含量0.4%，隆胜四海新材料；
交联剂：含氢硅油，含氢量0.1%，隆胜四海新材料；
催化剂：铂金络合物，铂含量1600 ppm，吉鹏硅氟材料；
抑制剂：乙炔基环己醇，隆信化工；
导热填料：复合陶瓷粉体(由氧化铝、氮化硼、氢氧化铝等粉体复合而成，中位粒径30 μm，金戈新材料)。
2.2. 仪器设备
直流恒速搅拌器(DC-1)；真空烘箱(DZF-6020)；双行星搅拌机(HY-HHJ0.5L)；界面材料热阻及热传导系数量测仪(LW-9389)；万能材料试验机(UTM4204)；邵氏OO型硬度计(GS-754G)；密度天平(ES-D)；高阻仪(6517B)。
3. 实验部分
3.1. 导热填料的处理
首先按一定比例称取陶瓷粉体，并在搅拌器中预混，然后在真空烘箱中干燥，干燥温度80℃，干燥时间6 h，取出后封口，冷却至室温，备用。
3.2. 双组分导热凝胶的制备
双组分导热凝胶的典型配比为1:1，这种设计可简化混合工艺，适合现场施工或自动化生产，确保胶料充分混合或反应，从而实现最佳性能。因此本研究亦按照1:1比例制备双组分导热凝胶，在制备过程中，应避免A组分和B组分交叉污染，同时应保持环境洁净度，防止杂质(尤其是含N、P、S的杂质)混入影响性能。
A组分的配制，首先按比例称量端乙烯基聚二甲基硅氧烷和铂催化剂，在双行星搅拌机中，真空搅拌5 min，转速100 rpm。称量并加入导热填料，以300 r/min速度真空搅拌40 min。
B组分的配制，首先按比例称量端乙烯基聚二甲基硅氧烷、交联剂和抑制剂，在双行星搅拌机中，真空搅拌5 min，转速100 rpm。称量并加入导热填料，以300 r/min速度真空搅拌40 min。
3.3. 测试样品的制备
凝胶时间测试样品制备：为更好地研究导热凝胶在室温下的反应活性，将配制好的导热凝胶A组分和B组分，按照1:1的比例分装到双组分点胶管中，然后安装混合器，使用胶枪挤出胶料，进行凝胶时间测试。
各项性能测试样品制备：将配制好的导热凝胶A组分和B组分，按照1:1的比例称量，置于双行星搅拌机中，打开抽真空，真空度控制在−0.08 MPa以下，以300 r/min的速度搅拌20 min。搅拌期间，通冷却水，控制温度在15℃以下，避免搅拌过程中料温升高，过早发生交联反应，导致混合不均匀，影响性能测试。然后将混合好的胶料，通过板材压延机，压延成一定厚度的片材。室温下固化24 h后，裁切成标样进行各项性能指标测试。
3.4. 测试方法
3.4.1. 凝胶时间测试
胶料混合后，每隔30 min使用玻璃棒对胶料进行按压，观察胶料的反应情况，当胶料出现硬度显著升高的现象时记为凝胶时间。
3.4.2. 导热性能测试
依据稳态热流法，采用界面材料热阻及热传导系数量测仪对导热凝胶的导热系数进行测试。
3.4.3. 压缩应力测试
通过定压缩率法进行压缩应力测试。使用万能材料试验机，设定压缩率为10%，进行压缩应力测试。
3.4.4. 硬度测试
使用LX-OO型硬度计进行硬度测试。在试样表面不同位置进行5次测量，每次测量时压针顶端离试样任一边缘至少12 mm，压头和试样完全接触1 s读数，结果取中位数。
3.4.5. 密度测试
依据排水法，采用密度天平分别称量试样在空气中的重量、在水中的重量，计算得到试样密度。
3.4.6. 体积电阻率测试
使用高阻仪进行体积电阻率测试。测量试样的体积电阻值，结合试样尺寸，计算出体积电阻率。
4. 结果与讨论
4.1. 抑制剂含量对凝胶时间的影响
以端乙烯基聚二甲基硅氧烷、铂催化剂和导热填料为A组分，比例为100:1:850；以端乙烯基聚二甲基硅氧烷、交联剂、抑制剂和导热填料为B组分，其中端乙烯基聚二甲基硅氧烷、交联剂和导热填料比例为100:8:850，分别制备抑制剂份数为0.5、1.0、2.0三组对比试样，进行了25℃条件下导热凝胶的凝胶时间。测试结果如下表1所示。
Table 1. Gel time with different amounts of inhibitors
表1. 不同份数抑制剂的凝胶时间
序号 |
抑制剂 |
温度 |
凝胶时间 |
1 |
0.5 |
25℃ |
1 h |
2 |
1.0 |
25℃ |
3 h |
3 |
2.0 |
25℃ |
12 h未凝胶 |
由对比实验可知，随着抑制剂含量的增加，导热凝胶在室温下的凝胶时间逐渐变长。当抑制剂份数为0.5和1.0时，具备1 h和3 h的可操作时间，可满足电子器件自动化生产节拍要求。而当抑制剂份数为2.0时，导热凝胶反应缓慢，长时间未凝胶，因此应严格控制抑制剂含量，才能保证导热凝胶在室温下的固化活性，提高生产效率。
4.2. 导热填料含量对导热性能的影响
基于相同的基体配比，选取850份、1300份、1900份导热填料三种配比，采用相同的方法制备了双组份导热凝胶(如下表2所示)，基于这三种配比的导热凝胶，开展了导热性能以及后续其他性能的研究。
Table 2. Formulation ratios of thermal conductive gel with different amounts of thermal conductive fillers
表2. 不同份数导热填料的导热凝胶配比
序号 |
A组分 |
B组分 |
端乙烯基聚二甲基硅氧烷 |
催化剂 |
导热填料 |
端乙烯基聚二甲基硅氧烷 |
交联剂 |
抑制剂 |
导热填料 |
1 |
100 |
1 |
850 |
100 |
8 |
0.5 |
850 |
2 |
100 |
1 |
1300 |
100 |
8 |
0.5 |
1300 |
3 |
100 |
1 |
1900 |
100 |
8 |
0.5 |
1900 |
导热填料含量是影响导热凝胶导热性能的关键因素之一。根据导热通路理论，低含量阶段，导热填料分散在基体中且彼此未形成接触，导热通路不连续，导热系数提升有限，主要依赖基体本身的导热性，热量主要通过基体和孤立填料颗粒传导，传热效率低；当填料含量达到渗流阈值，填料颗粒间开始形成三维导热网络，热量主要通过填料搭建的声子或电子传导网络快速传递，导热系数显著提升。
导热性能测试结果如下图1所示。当导热填料份数为850时，导热系数为1.8 W/m∙K；当导热填料份数为1300时，导热系数为3.5 W/m∙K；导热填料份数为1900时，导热系数为5.0 W/m∙K。从测试结果可以看出，三种配比导热凝胶中导热填料含量均达到渗流阈值，搭建了三维导热通路，因此表现出优异的导热性能。随着导热填料份数的增加，导热凝胶的导热系数呈上升趋势，导热填料构建的导热通路逐渐致密完善，当导热填料含量继续提高时，填料–基体界面热阻成为性能提升主要瓶颈，热量在填料颗粒间的传递效率受限，所以当导热填料含量较高时，导热系数上升幅度有所下降。
Figure 1. Thermal conductive of thermal gel
图1. 导热凝胶的导热系数
4.3. 导热填料含量对压缩应力的影响
压缩应力是导热凝胶的重要指标之一。许多电子元件(如陶瓷电容、芯片、PCB板)或散热器材质(如陶瓷、玻璃)对压力敏感，高压缩应力可能导致元件开裂或结构变形，低压缩应力导热凝胶能均匀分散压力，避免局部应力集中。同时在反复热循环或振动环境下，高压缩应力可能引发疲劳失效，而低压缩应力导热凝胶可减少这种风险。因此，本研究以10%压缩率为临界值，进行压缩应力测试。压缩应力测试结果如图2所示。
由测试结果分析可知，随着导热填料的增加，相同压缩率下导热凝胶的压缩应力逐渐升高，当导热填料份数为850和1300时，导热凝胶在整个压缩过程中保持较低的压缩应力，当导热填料份数为1900时，随着压缩率的增加，压缩应力快速上升。这是由于随着导热填料含量的增加，其在导热凝胶结构中搭建的三维网络越致密，填料间隙越小，在压缩过程中，微观界面滑移时摩擦面积增多，导致压缩应力变大。而当填料含量超过某一临界值时，三维网络致密程度趋于极限，外力主要通过刚性填料网络传递，导致压缩应力显著上升。
Figure 2. Compression stress of thermal gel
图2. 导热凝胶的压缩应力
4.4. 导热填料含量对硬度的影响
硬度是反映导热凝胶软硬度的指标，同一类产品硬度越高，意味着在相同应用条件下压缩应力越大，受材料体系影响，二者并非线性关系，但可以间接反映使用过程中的压缩应力变化趋势。硬度测试结果如图3所示。
从测试结果可以看出，导热凝胶硬度随着导热填料的增加，逐渐升高，与压缩应力的变化趋势基本一致。说明随着导热填料的增加，性能变化呈现由基体主导演变为刚性填料主导的趋势，变形需克服作用力，由以填料–基体界面作用力为主，逐渐变为填料–填料摩擦为主。因此，导热填料含量的控制，对导热凝胶硬度以及压缩应力的控制极为重要。
Figure 3. Hardness of thermal gel
图3. 导热凝胶的硬度
4.5. 导热填料含量对密度的影响
密度是导热凝胶物理特性之一，通常用于评估材料的重量与体积关系，尤其在对重量控制要求严格的应用场景(如新能源汽车)，密度具有重要的指导意义。密度测试结果如表3所示。
测试结果表明，随着导热填料含量的增加，导热凝胶的密度呈现上升趋势。导热填料由陶瓷粉体组成，密度显著高于基体材料。当填料比例提高时，高密度填料在复合材料中的体积占比增大，导致整体材料的质量与体积比随之提升。此外，导热填料的加入可能影响材料的孔隙率。若填料颗粒在基体中均匀分散且填充紧密，会减少内部空隙，进一步增大密度。因此，密度变化主要取决于填料本身的物性和填充量。
Table 3. Density of thermal gel
表3. 导热凝胶的密度
序号 |
导热填料份数 |
密度(g/cm3) |
1 |
850 |
2.1 |
2 |
1300 |
2.8 |
3 |
1900 |
3.2 |
4.6. 导热填料含量对体积电阻率的影响
体积电阻率是表明导热凝胶绝缘性的关键指标。在导热凝胶中，基体材料本身的绝缘性决定了电阻率的下限，而导热填料的分散性和绝缘性会直接影响导热凝胶的综合绝缘特性。本研究中导热凝胶由液体硅凝胶和陶瓷导热填料复合而成，二者都具备优异绝缘性能。体积电阻率测试结果如图4所示。
Figure 4. Electrical conductive of thermal gel
图4. 导热凝胶的体积电阻率
由上图可知，三种配比导热凝胶都具备优异的绝缘性，能有效避免电路短路。由于基体材料与导热填料的体积电阻率均在1012 Ω∙cm~1014 Ω∙cm左右，随着填料含量增加，对导热凝胶体积电阻率影响较小，未出现显著的变化趋势。
5. 结语
研究发现，通过控制抑制剂含量，可以调控双组分导热凝胶在室温下的反应活性，以适配自动化、批量化的生产节拍；基于不同配比导热填料，制备了室温固化导热凝胶，并研究了导热填料含量对导热性能、压缩应力、硬度、密度等性能的影响规律。随着导热填料的增加，导热性能逐渐升高，而压缩应力、硬度等特性也同样呈上升趋势，体积电阻率受影响较小，可用于功率电子器件的热设计中，起到传热、绝缘、减震等作用，提高器件的可靠性，满足功率器件在复杂环境下的热管理需求。
在实际应用中，结合场景特点和工艺要求，权衡导热性能与压缩应力、密度等物理特性的兼容设计，是确保器件长期可靠性的关键，对电子器件散热设计可靠性的提升具有重要意义。
NOTES
*通讯作者。