应对高热流密度导热——维酷导热膏/导热片详测

随着电子元器件的集成度和功率的不断提高，散热量和热流密度也越来越大，散热问题的解决成为一个极其关键的技术。散热问题不仅对传统散热技术提出了更高的要求，同时也对导热材料有更高的要求。

近期，来自英国的维酷（VRYCUL）公司率先将液态金属技术应用到散热领域中，研发出了具有超高导热性能的液态金属散热片和导热膏。所谓液态金属就是在稍高于室温的温度下能融化成液态的金属或者金属合金。
作为运用于高精电子产品之中的液态金属导热产品，必须在高温、高腐蚀、高湿度等严酷环境下保持良好的导热性及稳定性。此次，我们便将针对维酷产品进行严格的测试，以论证维酷液态金属导热产品的优势所在。

产品测试

产品综述：维酷(VRYCUL)共推出四款产品，TG-I与TG-II液态金属导热膏和TP-I与TP-II液态金属导热片。TP系列液态金属导热片和TG系列液态金属导热膏的导热性能远高于传统矽油基矽脂，且不含易挥发物质，可靠性高、触变性好，可以保证精密散热系统长期安全稳定运行。由于同一系列的产品性能相似，本文只针对TP-I和TG-I进行高温测试，腐蚀测试，热冲击测试和相变膨胀实验。

维酷(VRYCUL)液态金属导热膏和导热片

产品性能参数,

项目	型号	Vrycul TG-I		Vrycul TP-I
	单位	数值	测试方法	数值	测试方法
形态	--	膏状	目测	片状	目测
颜色	--	亮银色	目测	亮银色	目测
气味	--	无		无
组成成分	--	镓基合金		铋基合金
热导率	(W/m.k)	25	ASTM D5470	60	ASTM D5470
电阻率	(Ω•m)	1.2×10-7	ASTM D257	0.9×10-7	ASTM D257
比重	(g/ml)	6.2	ASTM D792	5.2	ASTM D792
使用温度	(ºC）	-40~500	EN344	-40~500	EN344
挥发率	(%)	<0.001		<0.001
腐蚀性	--	铝腐蚀		无

测试平台简介

实验平台如图1所示，由热源、上下铜块、导热片、铝散热器及风扇组成，热源功率200W，热源上方放置两铜块，四周放置绝热材料，两铜块间放置Vrycul 导热产品，铜块上方放置铝散热器和风扇。两铜块上分别有三等距测温孔T1、T2、T3，T4、T5、T6，其中T2=1/2（T1+T3)，T5=1/2（T4+T6)。分别测量时间为20h、40h、60h、80h、100h时接触热阻的变化情况。


图1 热阻测试平台

高温实验测试：若保证导热膏在60℃寿命达到5年，则根据阿伦尼乌斯公式知，在本加速实验条件下，须在150℃情况下测试100小时。测试结果如图2所示，由图可知，经过150°C高温100小时试验后，维酷（VRYCUL）的TG-I导热膏和TP-I导热片表现稳定，性能未见衰减。


图 2 Vrycul TG-I导热膏和TP-I导热片高温100h热阻变化图

腐蚀性测试

腐蚀性实验用紫铜和紫铜镀镍作为腐蚀材料，在150°C下，腐蚀100小时。实验结果见图3和图4。由图片可见，接触TP-I导热片和TG-I导热膏的结构材料均无明显腐蚀迹象。


图 3 TG-I导热膏和TP-I导热片腐蚀紫铜和紫铜镀镍前后对比图


图 4 腐蚀前后的热阻对比值

热冲击测试：将TG-I导热膏和TP-I导热片在-40°C至125°C之间循环测试200小时。实验结果如图4所示。实验结果表明，维酷(VRYCUL)TG-I导热膏和TP-I导热片的性能稳定，未见衰减，耐温度冲击性能极佳。


图 5 Vrycul TG-I导热膏和TP-I导热片的热冲击实验结果

相变膨胀实验：一般而言，M3螺钉螺距为0.5mm。TP-I的厚度为50微米，TG-I的涂抹厚度为100微米，它们的固化膨胀率均为3%，因此，TP-I的膨胀量为50*3%=1.5微米，TG-I的膨胀量为3微米, 折算为螺钉继续旋转分别为1.5/500×360=1度(TP-I)和2度（TG-I）。对于几乎所有的散热器螺钉紧配方式而言，达到标准扭矩后继续拧1-2度，螺钉一般不会对器件产生任何压力影响。
实际应用中，若散热系统装配完成螺钉达到标准扭矩后还可来回左右旋转1-2度左右器件不至损坏，表明使用液态金属导热片不会出现任何因相变导致的器件损坏风险。此外，热冲击实验表明，普通的螺钉紧固也不会造成导热材料多次相变后接触不良，散热恶化的现象。

结论：经测试表明，维酷旗下的液态金属导热片、导热膏在各种极端条件下任保持稳定的性能。维酷(VRYCUL)公司表明，会在原有的基础上继续探索研发，以满足更多高端散热用户的需求。