导热界面材料（TIM）广泛应用于工业、汽车和消费电子行业的电子元件散热。目前，绝大多数TIM材料都是有机硅树脂体系，因为有机硅聚合物具有优异的化学稳定性，物理特性随温度变化不明显，例如粘度，模量等。这使得它们特别适合应用在运行中由于高功率或功率波动导致显著温度变化的场景中。然而随着应用场景多元化，有机硅TIM材料的一个普遍风险也日渐突出，那就是有机硅油迁移问题，即挥发和渗油，会对电子元件造成一定危害。如何缓解或者解决有机硅油迁移？下文将从有机硅迁移的根本原因，潜在风险和改善措施来阐述。

TIM材料有机硅油迁移的根本原因

TIM材料由聚合物树脂及导热粉体组成。TIM材料中的聚合物分子链段通过缠结形成网状结构。材料中除了交联的分子簇以外，还有一些没有通过化学键链接在分子簇上的小分子。如果这些小分子的分子链足够短，它们就不会与分子簇形成缠结，反而会在特定条件下会以液体形式从TIM材料的主体中溢出。而特别小的分子则会以气态的方式从材料中挥发出来，并在电子元件的表面富集，这就是有机硅油的迁移。

有机硅迁移物性能分析

根据迁移能力，TIM材料中的聚合物部分大致可以分为可提取类、可挥发类、可溢出类、缠结类等4类。其中：

•可提取类是指可以使用溶剂从TIM材料中溶解出来的游离的有机硅油的总量。即可提取类=可挥发类+可溢出类+缠结类。

•可挥发类是指TIM材料中可挥发出来的低分子量有机硅油。

•可溢出类是指可以从TIM材料主体中以液态形式渗出的中等分子量的有机硅油。

•缠结类（残留）是指保留在TIM材料中的高分子量的液态有机硅油。

一般来说，对于有机硅聚合物，这些不同类别的分子量分布（MWD）如下所示：

可挥发类可以在很大程度上进行控制，以缓解迁移产生的影响，而可溢出类的界定和控制则更为复杂。这是因为，每一种迁移行为的驱动因素都各不相同。可溢出类有机硅油在迁移中，受污染的元件区域与TIM材料之间需要一条直接的迁移路径。这种液相可溢出类硅油迁移是由表面张力梯度引起的毛细流动所驱动的。表面张力梯度则是由发热元件与散热器间的温度梯度所致。扩散速度则受到迁移路径的表面张力及扩散的聚合物粘度等因素控制。

有机硅迁移的潜在风险及改善措施

1.气相迁移

气相迁移主要由分子量极低的环状有机硅烷导致，它们是有机硅聚合物和低分子量低聚体的预聚体。通过表1可以看出，有机硅油挥发在众多应用中都存在潜在风险，可以通过使用低挥发型有机硅树脂、低挥发性的导热粉体、控制好交联剂比例等来缓解和控制。

表 1. 气相挥发风险

值得一提的是，凝雾等失效模式同样是无硅材料面临的一大难题。

2.液相迁移

液相迁移或渗漏是由组件中的温度梯度驱动所致。由于有机硅具有很高的扩散系数，一旦从TIM本体迁移到电子元件表面，将很容易在其周围表面上扩散开。通过TIM的配方设计进行优化，例如控制好交联剂比例，提高交联程度（高交联度可能导致更高黏度/模量）等，可以在一定程度上减少有机硅的渗漏，但实际的效果在不同应用场景中会存在差异。这是因为渗透速度随温度梯度增加而增加，从而导致在不同应用场景中表现出极大差异。

表2. 液相溢出风险

另外，液相硅油的迁移还受电子元件功率密度，热吸附，结构设计及TIM材料微观结构等多方因素相互影响。

由于有机硅油迁移可能会导致电子器件功能失效，可以考虑选用非硅体系的TIM材料作为传热媒介。但要注意：非硅体系的物理特性随温度变化更明显，可能会在元件热/功率循环中产生组装应力并影响电子元件的稳定性，因此需要慎重选择。

扩展阅读：

1.烘烤130℃×10天，高导热硅胶片如何做到无可凝挥发物产生？（点击查看详情）

2.这样做，可以改善导热硅脂渗油问题（点击可查看详情）

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