如何解决导热垫片的老化问题？

电子设备运行时，元件发热会导致性能下降。导热垫片，它能填充元件与散热器间的缝隙，排出空气，建立高效导热通道。此外，它还兼具绝缘、防短路、减震和密封等多重功能，满足设备小型化需求。然而，导热垫片在长期使用后会老化。那么，老化有何表现？成因是什么？又该如何应对？这篇文章是小编之前还在厂里上班时候认真总结的一些问题，如果有描述不全面的地方，请大家可以在评论区补充一些，互相学习。

 

 

1

老 化 现 象

 

No.1

硬度增加与弹性减弱

导热垫片在长期使用过程中，最先出现的老化现象往往是硬度增加与弹性减弱。当你拿起一片老化的导热垫片，会明显感觉到它比新的垫片更硬，按压时也很难再像以前那样迅速恢复原状。就像我们日常使用的橡皮筋，时间久了会失去弹性，变得僵硬。这是因为在高温、机械应力等因素的作用下，导热垫片内部的高分子聚合物结构会发生变化，交联程度增加，导致材料变硬、变脆 。

这种硬度和弹性的变化看似微小，却会对电子设备产生严重的影响。随着垫片硬度的增加，它与电子元器件和散热器之间的贴合度会逐渐下降。想象一下，原本紧密贴合的两个表面，因为垫片的老化而出现了微小的缝隙，阻碍了热量的传递，使得接触热阻大幅增大。而接触热阻的增大，又会直接导致散热效率降低，电子元器件的温度随之升高。比如在电脑CPU 中，老化的导热垫片可能会使 CPU 在高负载运行时温度飙升，进而引发降频现象，导致电脑运行速度变慢，出现卡顿甚至死机的情况，只是举个例子，现实中电脑CPU还是硅脂是主流。

 

No.2

导热性能下降

除了硬度和弹性的变化，导热性能下降也是导热垫片老化的一个重要表现。导热垫片的主要职责就是高效地传导热量，让热量能够快速地从电子元器件传递到散热器，主要是传输出去。然而，老化后的导热垫片，垫片上的缺陷就会阻碍热量传递，速度大大减慢。

具体来说，老化会使导热垫片的导热系数降低，热阻增大。这是因为在老化过程中，垫片内部的微观结构发生了改变，原本均匀分布的导热填料可能会出现团聚现象，破坏了导热通路。同时，高分子聚合物基体的降解也会影响热量的传导。以硅油为例，内部含有未参与反应游离的小分子。

 

No.3

外观形态改变

在老化的过程中，导热垫片的外观形态也会发生明显的改变。仔细观察，你会发现垫片表面可能会出现开裂的情况，就像干裂的土地一样，一道道裂缝清晰可见。这是由于老化导致垫片的柔韧性降低，在受到外力作用或温度变化时，很容易产生应力集中，从而引发开裂。随着老化的加剧，垫片甚至可能会出现粉化现象，原本完整的垫片逐渐变成了粉末状，完全失去了应有的性能 。

此外，硅油析出也是常见的外观变化之一。老化后的导热垫片表面可能会出现一层油腻的物质，这就是硅油析出。硅油的析出不仅会污染周围的电子元器件，还会降低垫片的导热性能，进一步加剧设备的散热问题。这些外观形态的改变，不仅会影响导热垫片的性能，还可能会对电子设备造成潜在的危害。比如开裂的垫片可能会导致电子元器件短路，粉化的垫片则可能会随着空气流动进入设备内部，对其他部件造成损坏。

 

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老化的根源

 

No.1

材料的配方

材料配方作为导热垫片的根基，交联剂比例、原料挥发分以及导热填料特性这三个关键因素，是引发垫片的老化问题的关键yinsu。

交联剂在导热垫片中起着至关重要的作用，它连接着高分子聚合物的分子链，使它们形成一个紧密的网络结构。然而，一旦交联剂的比例出现偏差，就会引发一系列的问题。当主链与交联剂的摩尔比偏离了最佳范围，特别是过量时，垫片内部的交联反应就会过度进行 。过度交联会导致其硬度迅速上升，回弹性下降，在长期使用过程中，很容易因为无法适应外界的应力变化而出现开裂等老化现象。

原料挥发分同样是一个不可忽视的问题。在导热垫片的原材料中，主链和交联剂等常常含有一定量的挥发分，这些挥发分主要包括未反应的环硅氧烷单体和含氢小分子单体。在常温下，它们可能相对稳定，但当垫片处于高温环境中时，这些挥发分就会开始活跃起来。它们会逐渐反应或挥发，导致垫片内部的小分子物质不断流失 。垫片随着小分子物质的流失，它会逐渐硬化，导热率也会随之下降（但是有时候测试会出现上升的情况，只是流失的比例还没有达到很高）。而且，挥发分的逸出还会使垫片与接触界面间变得干燥，表面粘性降低，进一步影响其贴合效果，加速老化进程。

导热填料的特性对垫片老化的影响也十分显著。不同的导热填料，如氧化铝、氮化硼、石墨烯等，它们的表面包覆物各不相同，与有机硅的相容性也存在差异。如果导热填料与有机硅的相容性不佳，两者无法很好地融合，会导致界面处小分子物质析出。这些析出的小分子物质会破坏垫片的内部结构，加速垫片的硬化。此外，填料的粒径分布、形貌及表面处理工艺都会影响其在基体中的稳定性。例如，粒径分布不均匀的填料，在热循环过程中可能会因为受力不均而产生微观缺陷，这些缺陷就成为了老化的起始点，逐渐扩展，最终导致垫片性能的下降。特别是粒径较大的角形填料，比如不规则的氮化铝和金刚石制备高导热系数的时候尤为明显。

 

No.2

工艺控制的失误

制造工艺是决定导热垫片质量的关键环节，一旦出现工艺控制上的失误，也会极大地加速垫片的老化进程。

混合工艺的不均匀是一个常见的问题。在导热垫片的生产过程中，需要将交联剂、导热填料等多种成分均匀地混合在一起。然而，如果混合设备的精度不够，比如我们混合大锅的时候工艺人员挂底和挂边出现疏漏的时候。或者操作不当，导致局部交联剂或填料浓度偏高 ，会出现过度交联的情况，使得这些区域的硬度增加，柔韧性降低，成为整个垫片的薄弱环节。而局部填料浓度偏高的区域，则可能会影响垫片的导热性能和机械性能的均匀性，在使用过程中容易出现应力集中，加速老化。

成型阶段的温度、压力及时间参数不当，同样会对垫片的质量产生严重影响。温度过高或时间过长，会导致垫片过度交联，使其变硬、变脆；而温度过低或时间过短，则会造成交联不完全，垫片的结构稳定性差，如果这时候去做Cp，出现的峰就是向下的，没固化（ASTM E1461的标准测试导热系数）。压力的控制也至关重要，如果压力不足，垫片可能会出现孔隙，降低其密度和强度；压力过大，则可能会破坏填料的分布结构，影响导热性能。以模压成型工艺为例，如果模压温度过高，垫片在模具中就会迅速交联固化，内部的应力无法及时释放，在后续使用过程中，这些应力就会逐渐释放出来，导致垫片变形、开裂。还有如真空没有抽好也会出现问题。

后处理工艺的缺失也是加速老化的重要原因之一。适当的后处理，如二次固化，可以帮助去除垫片中残留的挥发分，稳定交联结构，提高其耐温性能。然而，一些厂家为了降低成本、提高生产效率，往往省略了这一关键工序。这样一来，垫片在初次高温工作时，残留的挥发分就会迅速逸出，在垫片内部形成孔隙。这些孔隙不仅会降低垫片的强度，还会成为热量传递的阻碍，加速垫片的老化。

 

No.3

外部环境

外部环境因素也会使导热垫片的性能走向老化。温度及其波动是影响导热垫片老化的主要外部因素之一。持续高温会加速聚合物链的运动和反应，促进氧化降解。在高温环境下，垫片内部的分子链变得更加活跃，它们之间的相互作用也会发生变化，导致垫片的结构逐渐被破坏。而温度循环由于热胀冷缩的原理，垫片在温度变化时会反复地膨胀和收缩。这种反复的应力作用，会使垫片内部产生疲劳损伤，界面处的结合力也会逐渐减弱，从而加速老化进程。

环境湿度同样对导热垫片的老化有着重要影响，尤其是在高温条件下。湿热环境会渗透至垫片内部，干扰分子间的作用力。水分子的存在会催化水解反应，导致填料与基体之间的界面劣化。实验证明，在 85℃/85% RH 条件下老化 500 小时后，导热垫片的导热系数下降幅度（1.68%）明显高于同等温度下的干热老化（0.39%）。这是因为在湿热环境中，水分子会与垫片中的某些成分发生反应，破坏其内部结构，降低导热性能。在一些户外电子设备中，由于经常暴露在潮湿的空气中，导热垫片更容易受到湿热环境的影响而老化。

此外，持续机械应力也是加速导热垫片老化原因。当垫片长期处于不均匀的压力分布或振动环境中时，它会受到持续的机械应力作用。垫片在持续机械应力的作用下，会加速应力松弛和蠕变过程，导致其内部结构发生改变，回弹性降低。在振动环境中，这种影响更为显著，振动会引发垫片内部的微裂纹，随着时间的推移，这些微裂纹会不断扩展，最终导致垫片的性能大幅下降。但是这些也是不可避免的，我们很多需要用到高压缩高回弹的场景就是在动态应用中进行的，比如汽车。导热垫片汽车用的是非常多的，尤其低导热系数的。还有一些因素，比如偶联剂的用量等等。如果朋友们还有一些其他见解，可以在评论区讨论一下

 

 

3

一些解决方法

 

No.1

材料配方优化

材料配方优化是提升导热垫片抗老化性能的最最关键的环节。精确控制交联体系是重中之重。在这个体系中，主链与交联剂的摩尔比最好控制在 合理的范围内。通过这样精确的控制，能够有效避免过度交联导致的垫片硬化问题。在实际应用中，经过精确控制交联体系的导热垫片，在长期使用过程中，硬度变化明显减小，回弹性能良好，会适当的延长一定的使用寿命。

降低原料挥发分也是解决老化变硬问题的关键途径。上面也说了，原料中的挥发分是引发老化的关键问题之一。对于有生产能力的企业来说，可以对原材料进行预处理，去除其中的低分子量挥发物 （提前加热或者有专门的设备去除这些物质）。或者直接选用挥发分含量低的专业厂家提供。在这个过程中，做来料检测，能够对原料挥发分进行严格检测和质量控制。通过这些措施，可显著提高产品的热稳定性，有效延缓垫片的老化进程。

新型添加剂的应用为改善导热垫片的抗老化性提供了一些解决方法。以辛基三甲氧基硅烷低聚物为例，具有出色的性能。其失重温度高达215 oC，远高于传统单体硅烷偶联剂的90 oC。在150 oC条件下，该类硅烷低聚物可有效减缓导热垫片老化硬度上升的程度，保持长期性能稳定性。从实验数据来看，与使用传统硅烷偶联剂的垫片相比，使用硅烷低聚物的垫片，热分解温度提高了 125oC，150 oC长期热老化后硬度变化轻微增加，而传统硅烷偶联剂的垫片硬度变化显著增加（>20 Shore 00）。这些数据也能在一定程度上说明添加剂在提升垫片抗老化性能方面的巨大优势。

导热填料的筛选与表面处理也是延缓老化的方法之一。不同的导热填料的性格是不同的，与有机硅体系的相容性也不太一样。我们应选择与有机硅体系相容性好的填料，并对其表面进行适当修饰，就相当于给填料穿上件衣服，增强与基体的结合力。但是选择的这个偶联剂的耐温性能也很关键，有的偶联剂用过就知道很是垃圾，根本就不耐高温，简直废物一个，不想多说是哪些型号了，来气。

 

No.2

改进制造工艺

混料与成型工艺是保证导热垫片质量与长期可靠性的制造基础。在混料过程中，高精度的计量设备是确保各组分（尤其是微量交联剂）按设计比例投入的前提；而采用行星式搅拌机时，必须配合特殊的刮壁装置，主动处理搅拌罐边缘与底部的滞留物料，要不然就是要求操作人员处理的很好，从而彻底消除混合死角，确保导热填料与交联剂在粘稠的聚合物基体中实现均匀分布。在成型阶段，温度-底膜的张力-线速协同控制至关重要。写到这突然想到，粉体的预处理也是一个关键因素。无论是高导热系数还是低导热系数的垫片都会用到小粒径的氧化铝，这种小粒径的粉体团聚现象会相对严重一些，所以使用前最好找工人过筛，避免混合不均匀。

 

No.3

结构设计创新

梯度结构设计是一种创新的设计理念，它通过在不同厚度区域设计不同的交联密度或填料含量，使垫片在承受机械应力的区域具有更好的柔韧性。在主要导热区域拥有更高的填料密度和导热效率。这种设计理念能够在整体上优化垫片的性能并延长其寿命。但是加工工艺比较难，成本比较高。

复合结构设计是将不同材料的优势结合起来。比如，上层采用高弹性材料保证贴合度，下层采用高导热材料优化热传导。这种设计可以有效分散应力，减少单一材料的老化风险。加工工艺也是比较难，可能出的最多就是双面背胶的产品了。

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评价老化性能的标准

 

No.1

测试参数

在评价导热垫片的抗老化性能时，首先就是材料的测试参数了。

导热系数降低 。我们通常采用ASTM D5470,ASTM E1461,HOT DISK这些方法来测量导热系数，通过对比老化前后的数值，就能清楚地了解垫片的导热性能变化 。

热阻上升。热阻就是热量传输过程中的阻力，阻力越大，热量传递就越困难。老化会使导热垫片的热阻增大，与垫片自身的结构，还有和电子元器件、散热器之间的接触状态密切优选西。与接触面之间的贴合度变差，热阻增加。

机械性能包括硬度变化、拉伸强度衰减和压缩永久变形等。硬度测试通常采用邵氏硬度计来进行，老化前后硬度的差值是评价弹性退化的重要指标。随着老化，它会变得越来越硬。拉伸强度和伸长率的变化则反映了材料内聚力的保持能力，关系到垫片在应力下的完整性。如果拉伸强度衰减过多，垫片在受到外力时就容易断裂；而压缩永久变形过大，则说明垫片在长期受压后无法恢复原状，会影响其贴合效果和导热性能。

物理化学特性评估同样不容忽视，它涵盖了热失重率、体积电阻率、阻燃性等多个方面 。热失重率通过热重分析仪测定，能够表征材料的热稳定性。在高温环境下，垫片中的一些成分可能会挥发或分解，导致质量减轻，热失重率就是衡量这个过程的指标。体积电阻率变化用于评估绝缘性能的稳定性，对于那些在高压环境下使用的导热垫片来说，这一点尤为重要。如果绝缘性能下降，就可能会引发漏电等安全问题 。阻燃性则通过 UL94 标准评估，确保材料在高温下不会轻易燃烧。

 

No.2

老化测试标准与方法

为了准确评估导热垫片的抗老化性能，我们需要遵循一系列严格的老化测试标准与方法，这些标准和方法能够深入剖析垫片在不同环境下的老化情况。

热老化试验是评价导热垫片耐温性能的主要方法之一，通常，我们会将样品置于 150℃高温环境中持续暴露 1000 小时以上，在这个过程中，定期对垫片的各项性能进行测量 。通过这种加速老化测试，我们可以模拟导热垫片在长期高温工作条件下的性能衰减规律 。比如，在测试过程中，我们会观察垫片的硬度是否增加、导热系数是否下降等，从而评估其在高温环境下的可靠性，这也是目前最主流的方法。

双85湿热老化测试则是针对垫片在高湿度高温环境下的稳定性进行评估。测试条件通常为 85℃/85% 相对湿度，测试时间为1000 小时。在这种湿热环境下，水分子会渗透到垫片内部，干扰分子间的作用力，催化水解反应，导致填料与基体界面劣化。通过湿热老化测试，我们可以重点评估垫片绝缘性能的退化情况，因为湿度会加速材料水解和离子迁移，对绝缘性能产生较大影响。例如，我们会测试垫片在湿热环境老化后的体积电阻率变化，判断其绝缘性能是否依然符合要求。

高低温循环测试模拟的是实际应用中温度剧烈变化的场景。在这个过程中，由于热胀冷缩的原理，垫片会反复地膨胀和收缩，这种反复的应力作用会使垫片内部产生疲劳损伤，界面处的结合力也会逐渐减弱。通过高低温循环测试，我们主要评估因热膨胀系数不匹配导致的疲劳老化，如垫片是否出现开裂、分层等故障。比如，在每次循环后，我们会仔细检查垫片的外观，看是否有细微的裂纹出现，以及测量其热阻变化，判断界面结合情况是否受到影响。这些是小编了解参与过的一些老化测试，不是很全面。

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作者：热管理实验室ThermalLink