電子設(shè)備運行時，元件發(fā)熱會導(dǎo)致性能下降。導(dǎo)熱墊片，它能填充元件與散熱器間的縫隙，排出空氣，建立高效導(dǎo)熱通道。此外，它還兼具絕緣、防短路、減震和密封等多重功能，滿足設(shè)備小型化需求。然而，導(dǎo)熱墊片在長期使用后會老化。那么，老化有何表現(xiàn)？成因是什么？又該如何應(yīng)對？這篇文章是小編之前還在廠里上班時候認(rèn)真總結(jié)的一些問題，如果有描述不全面的地方，請大家可以在評論區(qū)補(bǔ)充一些，互相學(xué)習(xí)。

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老 化 現(xiàn) 象

No.1

硬度增加與彈性減弱

導(dǎo)熱墊片在長期使用過程中，最先出現(xiàn)的老化現(xiàn)象往往是硬度增加與彈性減弱。當(dāng)你拿起一片老化的導(dǎo)熱墊片，會明顯感覺到它比新的墊片更硬，按壓時也很難再像以前那樣迅速恢復(fù)原狀。就像我們?nèi)粘Ｊ褂玫南鹌そ?，時間久了會失去彈性，變得僵硬。這是因為在高溫、機(jī)械應(yīng)力等因素的作用下，導(dǎo)熱墊片內(nèi)部的高分子聚合物結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化，交聯(lián)程度增加，導(dǎo)致材料變硬、變脆 。

這種硬度和彈性的變化看似微小，卻會對電子設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。隨著墊片硬度的增加，它與電子元器件和散熱器之間的貼合度會逐漸下降。想象一下，原本緊密貼合的兩個表面，因為墊片的老化而出現(xiàn)了微小的縫隙，阻礙了熱量的傳遞，使得接觸熱阻大幅增大。而接觸熱阻的增大，又會直接導(dǎo)致散熱效率降低，電子元器件的溫度隨之升高。比如在電腦CPU 中，老化的導(dǎo)熱墊片可能會使 CPU 在高負(fù)載運行時溫度飆升，進(jìn)而引發(fā)降頻現(xiàn)象，導(dǎo)致電腦運行速度變慢，出現(xiàn)卡頓甚至死機(jī)的情況，只是舉個例子，現(xiàn)實中電腦CPU還是硅脂是主流。

No.2

導(dǎo)熱性能下降

除了硬度和彈性的變化，導(dǎo)熱性能下降也是導(dǎo)熱墊片老化的一個重要表現(xiàn)。導(dǎo)熱墊片的主要職責(zé)就是高效地傳導(dǎo)熱量，讓熱量能夠快速地從電子元器件傳遞到散熱器，主要是傳輸出去。然而，老化后的導(dǎo)熱墊片，墊片上的缺陷就會阻礙熱量傳遞，速度大大減慢。

具體來說，老化會使導(dǎo)熱墊片的導(dǎo)熱系數(shù)降低，熱阻增大。這是因為在老化過程中，墊片內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變，原本均勻分布的導(dǎo)熱填料可能會出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，破壞了導(dǎo)熱通路。同時，高分子聚合物基體的降解也會影響熱量的傳導(dǎo)。以硅油為例，內(nèi)部含有未參與反應(yīng)游離的小分子。

No.3

外觀形態(tài)改變

在老化的過程中，導(dǎo)熱墊片的外觀形態(tài)也會發(fā)生明顯的改變。仔細(xì)觀察，你會發(fā)現(xiàn)墊片表面可能會出現(xiàn)開裂的情況，就像干裂的土地一樣，一道道裂縫清晰可見。這是由于老化導(dǎo)致墊片的柔韌性降低，在受到外力作用或溫度變化時，很容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而引發(fā)開裂。隨著老化的加劇，墊片甚至可能會出現(xiàn)粉化現(xiàn)象，原本完整的墊片逐漸變成了粉末狀，完全失去了應(yīng)有的性能 。

此外，硅油析出也是常見的外觀變化之一。老化后的導(dǎo)熱墊片表面可能會出現(xiàn)一層油膩的物質(zhì)，這就是硅油析出。硅油的析出不僅會污染周圍的電子元器件，還會降低墊片的導(dǎo)熱性能，進(jìn)一步加劇設(shè)備的散熱問題。這些外觀形態(tài)的改變，不僅會影響導(dǎo)熱墊片的性能，還可能會對電子設(shè)備造成潛在的危害。比如開裂的墊片可能會導(dǎo)致電子元器件短路，粉化的墊片則可能會隨著空氣流動進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部，對其他部件造成損壞。

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老化的根源

No.1

材料的配方

材料配方作為導(dǎo)熱墊片的根基，交聯(lián)劑比例、原料揮發(fā)分以及導(dǎo)熱填料特性這三個關(guān)鍵因素，是引發(fā)墊片的老化問題的關(guān)鍵yinsu。

交聯(lián)劑在導(dǎo)熱墊片中起著至關(guān)重要的作用，它連接著高分子聚合物的分子鏈，使它們形成一個緊密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。然而，一旦交聯(lián)劑的比例出現(xiàn)偏差，就會引發(fā)一系列的問題。當(dāng)主鏈與交聯(lián)劑的摩爾比偏離了最佳范圍，特別是過量時，墊片內(nèi)部的交聯(lián)反應(yīng)就會過度進(jìn)行 。過度交聯(lián)會導(dǎo)致其硬度迅速上升，回彈性下降，在長期使用過程中，很容易因為無法適應(yīng)外界的應(yīng)力變化而出現(xiàn)開裂等老化現(xiàn)象。

原料揮發(fā)分同樣是一個不可忽視的問題。在導(dǎo)熱墊片的原材料中，主鏈和交聯(lián)劑等常常含有一定量的揮發(fā)分，這些揮發(fā)分主要包括未反應(yīng)的環(huán)硅氧烷單體和含氫小分子單體。在常溫下，它們可能相對穩(wěn)定，但當(dāng)墊片處于高溫環(huán)境中時，這些揮發(fā)分就會開始活躍起來。它們會逐漸反應(yīng)或揮發(fā)，導(dǎo)致墊片內(nèi)部的小分子物質(zhì)不斷流失 。墊片隨著小分子物質(zhì)的流失，它會逐漸硬化，導(dǎo)熱率也會隨之下降（但是有時候測試會出現(xiàn)上升的情況，只是流失的比例還沒有達(dá)到很高）。而且，揮發(fā)分的逸出還會使墊片與接觸界面間變得干燥，表面粘性降低，進(jìn)一步影響其貼合效果，加速老化進(jìn)程。

導(dǎo)熱填料的特性對墊片老化的影響也十分顯著。不同的導(dǎo)熱填料，如氧化鋁、氮化硼、石墨烯等，它們的表面包覆物各不相同，與有機(jī)硅的相容性也存在差異。如果導(dǎo)熱填料與有機(jī)硅的相容性不佳，兩者無法很好地融合，會導(dǎo)致界面處小分子物質(zhì)析出。這些析出的小分子物質(zhì)會破壞墊片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，加速墊片的硬化。此外，填料的粒徑分布、形貌及表面處理工藝都會影響其在基體中的穩(wěn)定性。例如，粒徑分布不均勻的填料，在熱循環(huán)過程中可能會因為受力不均而產(chǎn)生微觀缺陷，這些缺陷就成為了老化的起始點，逐漸擴(kuò)展，最終導(dǎo)致墊片性能的下降。特別是粒徑較大的角形填料，比如不規(guī)則的氮化鋁和金剛石制備高導(dǎo)熱系數(shù)的時候尤為明顯。

No.2

工藝控制的失誤

制造工藝是決定導(dǎo)熱墊片質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，一旦出現(xiàn)工藝控制上的失誤，也會極大地加速墊片的老化進(jìn)程。

混合工藝的不均勻是一個常見的問題。在導(dǎo)熱墊片的生產(chǎn)過程中，需要將交聯(lián)劑、導(dǎo)熱填料等多種成分均勻地混合在一起。然而，如果混合設(shè)備的精度不夠，比如我們混合大鍋的時候工藝人員掛底和掛邊出現(xiàn)疏漏的時候?；蛘卟僮鞑划?dāng)，導(dǎo)致局部交聯(lián)劑或填料濃度偏高 ，會出現(xiàn)過度交聯(lián)的情況，使得這些區(qū)域的硬度增加，柔韌性降低，成為整個墊片的薄弱環(huán)節(jié)。而局部填料濃度偏高的區(qū)域，則可能會影響墊片的導(dǎo)熱性能和機(jī)械性能的均勻性，在使用過程中容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，加速老化。

成型階段的溫度、壓力及時間參數(shù)不當(dāng)，同樣會對墊片的質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重影響。溫度過高或時間過長，會導(dǎo)致墊片過度交聯(lián)，使其變硬、變脆；而溫度過低或時間過短，則會造成交聯(lián)不完全，墊片的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差，如果這時候去做Cp，出現(xiàn)的峰就是向下的，沒固化（ASTM E1461的標(biāo)準(zhǔn)測試導(dǎo)熱系數(shù)）。壓力的控制也至關(guān)重要，如果壓力不足，墊片可能會出現(xiàn)孔隙，降低其密度和強(qiáng)度；壓力過大，則可能會破壞填料的分布結(jié)構(gòu)，影響導(dǎo)熱性能。以模壓成型工藝為例，如果模壓溫度過高，墊片在模具中就會迅速交聯(lián)固化，內(nèi)部的應(yīng)力無法及時釋放，在后續(xù)使用過程中，這些應(yīng)力就會逐漸釋放出來，導(dǎo)致墊片變形、開裂。還有如真空沒有抽好也會出現(xiàn)問題。

后處理工藝的缺失也是加速老化的重要原因之一。適當(dāng)?shù)暮筇幚?，如二次固化，可以幫助去除墊片中殘留的揮發(fā)分，穩(wěn)定交聯(lián)結(jié)構(gòu)，提高其耐溫性能。然而，一些廠家為了降低成本、提高生產(chǎn)效率，往往省略了這一關(guān)鍵工序。這樣一來，墊片在初次高溫工作時，殘留的揮發(fā)分就會迅速逸出，在墊片內(nèi)部形成孔隙。這些孔隙不僅會降低墊片的強(qiáng)度，還會成為熱量傳遞的阻礙，加速墊片的老化。

No.3

外部環(huán)境

外部環(huán)境因素也會使導(dǎo)熱墊片的性能走向老化。溫度及其波動是影響導(dǎo)熱墊片老化的主要外部因素之一。持續(xù)高溫會加速聚合物鏈的運動和反應(yīng)，促進(jìn)氧化降解。在高溫環(huán)境下，墊片內(nèi)部的分子鏈變得更加活躍，它們之間的相互作用也會發(fā)生變化，導(dǎo)致墊片的結(jié)構(gòu)逐漸被破壞。而溫度循環(huán)由于熱脹冷縮的原理，墊片在溫度變化時會反復(fù)地膨脹和收縮。這種反復(fù)的應(yīng)力作用，會使墊片內(nèi)部產(chǎn)生疲勞損傷，界面處的結(jié)合力也會逐漸減弱，從而加速老化進(jìn)程。

環(huán)境濕度同樣對導(dǎo)熱墊片的老化有著重要影響，尤其是在高溫條件下。濕熱環(huán)境會滲透至墊片內(nèi)部，干擾分子間的作用力。水分子的存在會催化水解反應(yīng)，導(dǎo)致填料與基體之間的界面劣化。實驗證明，在 85℃/85% RH 條件下老化 500 小時后，導(dǎo)熱墊片的導(dǎo)熱系數(shù)下降幅度（1.68%）明顯高于同等溫度下的干熱老化（0.39%）。這是因為在濕熱環(huán)境中，水分子會與墊片中的某些成分發(fā)生反應(yīng)，破壞其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，降低導(dǎo)熱性能。在一些戶外電子設(shè)備中，由于經(jīng)常暴露在潮濕的空氣中，導(dǎo)熱墊片更容易受到濕熱環(huán)境的影響而老化。

此外，持續(xù)機(jī)械應(yīng)力也是加速導(dǎo)熱墊片老化原因。當(dāng)墊片長期處于不均勻的壓力分布或振動環(huán)境中時，它會受到持續(xù)的機(jī)械應(yīng)力作用。墊片在持續(xù)機(jī)械應(yīng)力的作用下，會加速應(yīng)力松弛和蠕變過程，導(dǎo)致其內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，回彈性降低。在振動環(huán)境中，這種影響更為顯著，振動會引發(fā)墊片內(nèi)部的微裂紋，隨著時間的推移，這些微裂紋會不斷擴(kuò)展，最終導(dǎo)致墊片的性能大幅下降。但是這些也是不可避免的，我們很多需要用到高壓縮高回彈的場景就是在動態(tài)應(yīng)用中進(jìn)行的，比如汽車。導(dǎo)熱墊片汽車用的是非常多的，尤其低導(dǎo)熱系數(shù)的。還有一些因素，比如偶聯(lián)劑的用量等等。如果朋友們還有一些其他見解，可以在評論區(qū)討論一下

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一些解決方法

No.1

材料配方優(yōu)化

材料配方優(yōu)化是提升導(dǎo)熱墊片抗老化性能的最最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。精確控制交聯(lián)體系是重中之重。在這個體系中，主鏈與交聯(lián)劑的摩爾比最好控制在 合理的范圍內(nèi)。通過這樣精確的控制，能夠有效避免過度交聯(lián)導(dǎo)致的墊片硬化問題。在實際應(yīng)用中，經(jīng)過精確控制交聯(lián)體系的導(dǎo)熱墊片，在長期使用過程中，硬度變化明顯減小，回彈性能良好，會適當(dāng)?shù)难娱L一定的使用壽命。

降低原料揮發(fā)分也是解決老化變硬問題的關(guān)鍵途徑。上面也說了，原料中的揮發(fā)分是引發(fā)老化的關(guān)鍵問題之一。對于有生產(chǎn)能力的企業(yè)來說，可以對原材料進(jìn)行預(yù)處理，去除其中的低分子量揮發(fā)物 （提前加熱或者有專門的設(shè)備去除這些物質(zhì)）?；蛘咧苯舆x用揮發(fā)分含量低的專業(yè)廠家提供。在這個過程中，做來料檢測，能夠?qū)υ蠐]發(fā)分進(jìn)行嚴(yán)格檢測和質(zhì)量控制。通過這些措施，可顯著提高產(chǎn)品的熱穩(wěn)定性，有效延緩墊片的老化進(jìn)程。

新型添加劑的應(yīng)用為改善導(dǎo)熱墊片的抗老化性提供了一些解決方法。以辛基三甲氧基硅烷低聚物為例，具有出色的性能。其失重溫度高達(dá)215oC，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)單體硅烷偶聯(lián)劑的90oC。在150oC條件下，該類硅烷低聚物可有效減緩導(dǎo)熱墊片老化硬度上升的程度，保持長期性能穩(wěn)定性。從實驗數(shù)據(jù)來看，與使用傳統(tǒng)硅烷偶聯(lián)劑的墊片相比，使用硅烷低聚物的墊片，熱分解溫度提高了 125oC，150oC長期熱老化后硬度變化輕微增加，而傳統(tǒng)硅烷偶聯(lián)劑的墊片硬度變化顯著增加（>20 Shore 00）。這些數(shù)據(jù)也能在一定程度上說明添加劑在提升墊片抗老化性能方面的巨大優(yōu)勢。

導(dǎo)熱填料的篩選與表面處理也是延緩老化的方法之一。不同的導(dǎo)熱填料的性格是不同的，與有機(jī)硅體系的相容性也不太一樣。我們應(yīng)選擇與有機(jī)硅體系相容性好的填料，并對其表面進(jìn)行適當(dāng)修飾，就相當(dāng)于給填料穿上件衣服，增強(qiáng)與基體的結(jié)合力。但是選擇的這個偶聯(lián)劑的耐溫性能也很關(guān)鍵，有的偶聯(lián)劑用過就知道很是垃圾，根本就不耐高溫，簡直廢物一個，不想多說是哪些型號了，來氣。

No.2

改進(jìn)制造工藝

混料與成型工藝是保證導(dǎo)熱墊片質(zhì)量與長期可靠性的制造基礎(chǔ)。在混料過程中，高精度的計量設(shè)備是確保各組分（尤其是微量交聯(lián)劑）按設(shè)計比例投入的前提；而采用行星式攪拌機(jī)時，必須配合特殊的刮壁裝置，主動處理攪拌罐邊緣與底部的滯留物料，要不然就是要求操作人員處理的很好，從而徹底消除混合死角，確保導(dǎo)熱填料與交聯(lián)劑在粘稠的聚合物基體中實現(xiàn)均勻分布。在成型階段，溫度-底膜的張力-線速協(xié)同控制至關(guān)重要。寫到這突然想到，粉體的預(yù)處理也是一個關(guān)鍵因素。無論是高導(dǎo)熱系數(shù)還是低導(dǎo)熱系數(shù)的墊片都會用到小粒徑的氧化鋁，這種小粒徑的粉體團(tuán)聚現(xiàn)象會相對嚴(yán)重一些，所以使用前最好找工人過篩，避免混合不均勻。

No.3

結(jié)構(gòu)設(shè)計創(chuàng)新

梯度結(jié)構(gòu)設(shè)計是一種創(chuàng)新的設(shè)計理念，它通過在不同厚度區(qū)域設(shè)計不同的交聯(lián)密度或填料含量，使墊片在承受機(jī)械應(yīng)力的區(qū)域具有更好的柔韌性。在主要導(dǎo)熱區(qū)域擁有更高的填料密度和導(dǎo)熱效率。這種設(shè)計理念能夠在整體上優(yōu)化墊片的性能并延長其壽命。但是加工工藝比較難，成本比較高。

復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計是將不同材料的優(yōu)勢結(jié)合起來。比如，上層采用高彈性材料保證貼合度，下層采用高導(dǎo)熱材料優(yōu)化熱傳導(dǎo)。這種設(shè)計可以有效分散應(yīng)力，減少單一材料的老化風(fēng)險。加工工藝也是比較難，可能出的最多就是雙面背膠的產(chǎn)品了。

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評價老化性能的標(biāo)準(zhǔn)

No.1

測試參數(shù)

在評價導(dǎo)熱墊片的抗老化性能時，首先就是材料的測試參數(shù)了。

導(dǎo)熱系數(shù)降低 。我們通常采用ASTM D5470,ASTM E1461,HOT DISK這些方法來測量導(dǎo)熱系數(shù)，通過對比老化前后的數(shù)值，就能清楚地了解墊片的導(dǎo)熱性能變化 。

熱阻上升。熱阻就是熱量傳輸過程中的阻力，阻力越大，熱量傳遞就越困難。老化會使導(dǎo)熱墊片的熱阻增大，與墊片自身的結(jié)構(gòu)，還有和電子元器件、散熱器之間的接觸狀態(tài)密切優(yōu)選西。與接觸面之間的貼合度變差，熱阻增加。

機(jī)械性能包括硬度變化、拉伸強(qiáng)度衰減和壓縮永久變形等。硬度測試通常采用邵氏硬度計來進(jìn)行，老化前后硬度的差值是評價彈性退化的重要指標(biāo)。隨著老化，它會變得越來越硬。拉伸強(qiáng)度和伸長率的變化則反映了材料內(nèi)聚力的保持能力，關(guān)系到墊片在應(yīng)力下的完整性。如果拉伸強(qiáng)度衰減過多，墊片在受到外力時就容易斷裂；而壓縮永久變形過大，則說明墊片在長期受壓后無法恢復(fù)原狀，會影響其貼合效果和導(dǎo)熱性能。

物理化學(xué)特性評估同樣不容忽視，它涵蓋了熱失重率、體積電阻率、阻燃性等多個方面 。熱失重率通過熱重分析儀測定，能夠表征材料的熱穩(wěn)定性。在高溫環(huán)境下，墊片中的一些成分可能會揮發(fā)或分解，導(dǎo)致質(zhì)量減輕，熱失重率就是衡量這個過程的指標(biāo)。體積電阻率變化用于評估絕緣性能的穩(wěn)定性，對于那些在高壓環(huán)境下使用的導(dǎo)熱墊片來說，這一點尤為重要。如果絕緣性能下降，就可能會引發(fā)漏電等安全問題 。阻燃性則通過 UL94 標(biāo)準(zhǔn)評估，確保材料在高溫下不會輕易燃燒。

No.2

老化測試標(biāo)準(zhǔn)與方法

為了準(zhǔn)確評估導(dǎo)熱墊片的抗老化性能，我們需要遵循一系列嚴(yán)格的老化測試標(biāo)準(zhǔn)與方法，這些標(biāo)準(zhǔn)和方法能夠深入剖析墊片在不同環(huán)境下的老化情況。

熱老化試驗是評價導(dǎo)熱墊片耐溫性能的主要方法之一，通常，我們會將樣品置于 150℃高溫環(huán)境中持續(xù)暴露 1000 小時以上，在這個過程中，定期對墊片的各項性能進(jìn)行測量 。通過這種加速老化測試，我們可以模擬導(dǎo)熱墊片在長期高溫工作條件下的性能衰減規(guī)律 。比如，在測試過程中，我們會觀察墊片的硬度是否增加、導(dǎo)熱系數(shù)是否下降等，從而評估其在高溫環(huán)境下的可靠性，這也是目前最主流的方法。

雙85濕熱老化測試則是針對墊片在高濕度高溫環(huán)境下的穩(wěn)定性進(jìn)行評估。測試條件通常為 85℃/85% 相對濕度，測試時間為1000 小時。在這種濕熱環(huán)境下，水分子會滲透到墊片內(nèi)部，干擾分子間的作用力，催化水解反應(yīng)，導(dǎo)致填料與基體界面劣化。通過濕熱老化測試，我們可以重點評估墊片絕緣性能的退化情況，因為濕度會加速材料水解和離子遷移，對絕緣性能產(chǎn)生較大影響。例如，我們會測試墊片在濕熱環(huán)境老化后的體積電阻率變化，判斷其絕緣性能是否依然符合要求。

高低溫循環(huán)測試模擬的是實際應(yīng)用中溫度劇烈變化的場景。在這個過程中，由于熱脹冷縮的原理，墊片會反復(fù)地膨脹和收縮，這種反復(fù)的應(yīng)力作用會使墊片內(nèi)部產(chǎn)生疲勞損傷，界面處的結(jié)合力也會逐漸減弱。通過高低溫循環(huán)測試，我們主要評估因熱膨脹系數(shù)不匹配導(dǎo)致的疲勞老化，如墊片是否出現(xiàn)開裂、分層等故障。比如，在每次循環(huán)后，我們會仔細(xì)檢查墊片的外觀，看是否有細(xì)微的裂紋出現(xiàn)，以及測量其熱阻變化，判斷界面結(jié)合情況是否受到影響。這些是小編了解參與過的一些老化測試，不是很全面。

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作者：熱管理實驗室ThermalLink