1. 前言
热界面材料作为电子行业非常重要和经常使用的材料和器件，其可靠性往往决定了整个电子系统的可靠性。因此热界面材料在研制、生产和定型过程中，必须经过可靠性试验的考核和评价。
国内外对于热界面材料可靠性试验的资料文献非常有限，而且试验过程也远未达到规范化和标准化程度。本文重点选取美国莱尔德公司的热界面材料，介绍莱尔德公司在热界面材料可靠性试验方面所进行的工作，重点展现了导热脂可靠性考试试验方法、考核装置和考核结果，以期对今后热界面材料导热性能可靠性考核方法和考核试验技术的研究提供参考和借鉴。
2. 莱尔德公司导热脂类热界面材料的热性能参数
导热脂类热界面材料是目前应用最为广泛的一种热界面材料，莱尔德公司导热脂产品的相关技术资料是众多厂家中最为全面的，尽管有些资料不是非常完整，但也是所能看到的唯一一家所提供的技术报告非常详细的公司，这为我们进行统计和分析提供了便利。
从莱尔德公司的官网上可以看到有五种牌号的导热脂热界面材料，根据官网所提供的各个牌号的公开技术资料，可以得到这五种牌号导热脂的导热系数和热阻数据以及相应的测试方法，如表 2.1所示。
表 2.1 莱尔德公司导热脂热界面材料导热性能参数和测试方法
3. 莱尔德Tgease 980导热脂老化考核试验
对于导热系数最高和热阻最小的Tgease 980牌号导热脂，莱尔德公司在官网上刊登了2009年10月份的可靠性测试报告，以测试和验证Tgease 980导热脂经过热冲击、高温烘烤和高湿度环境内烘烤考核试验后不会退化。具体的考核试验条件为：
（1）在150℃下烘烤2000小时的试验。
（2）在125℃下烘烤2000小时的试验。
（3）在温度85℃和相对湿度85%的环境试验箱内2000小时老化试验。
（4）在-55℃至125℃之间进行2000次冷热冲击试验。
（5）在120℃至25℃之间进行4000次功率冲击试验。
在每次老化试验过程中，每250小时取出导热脂试样进行热阻测试。
3.1. 考核试验1：125℃和150℃热烘烤2000小时老化考核试验
应用ASTM D5470热阻测定仪做热阻测试设备，并将被考核试样放置在两块测块之间。具体考核试验说明如下：
（1）为了便于测试烘烤过程中的导热脂试样，在烘烤和热阻测试期间，被考核试样夹持在两个圆形铝块之间，试样面积约为1平方英尺，如图 3.1所示。
（2）在热烘烤条件下（125℃和150℃）过程中，采用一个夹子给被夹持试样提供一个固定的压强，如图 3.2所示，而在测试热阻时则要取下夹子。在两个铝块靠近导热脂层的边缘处有两个深孔，以便在热阻测试过程中安装温度传感器。
图 3.1 可靠性试验中的铝块
图 3.2 夹子夹持后的铝块和导热脂
（3）在导热脂加热烘烤前，先采用热阻仪测试被考核导热脂试样的热阻，然后加热烘烤，期间每隔250小时进行一次热阻测量，直到2000小时烘烤试验结束。
（4）考试测试中所用的热阻测定仪如图 3.3所示。在对老化过程中的导热脂热阻进行测量时，要先取出夹持有导热脂的铝块，取下夹子，然后将铝块和导热脂放入热阻测定仪中，并在两个铝块上插入温度传感器，然后再进行热阻测量，如图 3.4所示。
图 3.3 采用改进后ASMT D5470方法的热阻测定仪
图 3.4 两铝块和导热脂放置在热阻测定仪中进行热阻测量时的状态
（5）分别对导热脂进行125℃和150℃两种温度下分别烘烤2000小时，整个2000小时内导热脂的热阻测量结果如图 3.5所示，图 3.5中所表达的是与加热烘烤前导热脂热阻测量值相比较后的热阻变化百分比。
图 3 5 导热脂在125℃和150℃烘烤2000小时老化考核试验过程中的热阻测量结果
从图 3.5 示的测试结果可以看出，在125℃烘烤老化过程中，TgeaseTM 980导热脂的热阻值始终小于老化前热阻值，在老化375小时左右时，Tgease 980导热脂的热阻降低了30%。而在150℃烘烤老化过程中，Tgease 980导热脂的热阻值也是始终小于老化前热阻值，在老化750小时左右时，Tgease 980导热脂的热阻降低了45%。这都说明加热烘烤老化反而有利于导热脂的热阻降低，导热脂更具有良好的传热性能。
3.2. 考核试验2：在HAST老化试验箱内2000小时加速老化考核试验
应用ASTM D5470热阻测定仪做热阻测试设备，并将被考核试样放置在两块测块之间。具体考核试验说明如下：
（1）为了便于测试HAST加速老化过程中的导热脂试样，在HAST和热阻测试期间，被考核导热脂试样夹持在两个圆形铝块之间，试样面积约为1平方英尺，如图 3 1所示。
（2）在HAST条件下（HAST老化试验箱内温度为85℃、相对湿度为85%），采用一个夹子给被夹持试样提供一个固定的压强，如图 3 2所示，而在测试热阻时则要取下夹子。
（3）在导热脂进行HAST加速老化前，先采用热阻仪测试导热脂热阻，然后再进行加速老化，期间每隔250小时进行一次热阻测量，直到2000小时加速老化结束。
（4）考试测试中所用的热阻测定仪如图 3 3所示。在对HAST过程中的导热脂热阻进行测量时，要先从试验箱中取出夹持有导热脂的铝块，取下夹子，然后将铝块和导热脂放入热阻测定仪中，并在两个铝块上插入温度传感器，然后再进行热阻测量，如图 3.4所示。
图 3.6 导热脂在HAST试验箱内2000小时加速老化考核试验过程中的热阻测量结果
在HAST老化试验箱内2000小时加速老化试验过程中导热脂的热阻测量结果如图 3.6所示，图 3.6中所表达的是与加速老化前导热脂热阻测量值相比较后的热阻变化百分比。
从图 3.6所示的测试结果可以看出，在HAST加速老化过程中，Tgease 980导热脂的热阻值始终小于老化前热阻值，在加速老化625小时左右时，Tgease 980导热脂的热阻降低了45%左右，这说明HAST加速老化反而有利于导热脂的热阻降低，导热脂具有更加良好的传热性能。
3.3. 考核试验3：-55℃至125℃温度范围内2000次冷热冲击老化考核试验
应用ASTM D5470热阻测定仪做热阻测试设备，并将被考核试样放置在两块测块之间。具体考核试验说明如下：
（1）为了便于测试冷热交变老化过程中的导热脂试样，在冷热交变和热阻测试期间，被考核导热脂试样夹持在两个圆形铝块之间，试样面积约为1平方英尺，如图 3 1所示。
（2）在冷热交变条件下（-55℃至125℃温度范围内，1小时1次交变冲击），采用一个夹子给被夹持试样提供一个固定的压强，如图 3.2所示，而在测试热阻时则要取下夹子。
（3）在导热脂进行冷热交变试验前，先采用热阻仪测试导热脂热阻，然后再进行冷热交变考核试验，期间每隔250小时进行一次热阻测量，直到2000次冲击（2000小时）冷热交变考核试验结束。
（4）考试测试中所用的热阻测定仪如图 3 3所示。在对冷热交变试验过程中的导热脂热阻进行测量时，要先取出夹持有导热脂的铝块，取下夹子，然后将铝块和导热脂放入热阻测定仪中，并在两个铝块上插入温度传感器，然后再进行热阻测量，如图 3.4所示。
整个2000次冷热冲击过程中导热脂的热阻测量结果如图 3.7所示，图 3.7中所表达的是与冷热交变试验前导热脂热阻测量值相比较后的热阻变化百分比。
图 3 7 导热脂2000次冷热冲击试验过程中的热阻测量结果
从图 3.7所示的测试结果可以看出，在冷热交变过程中，Tgease 980导热脂的热阻值始终小于老化前热阻值，在开始冷热交变1000小时（第1000次冷热冲击）左右时，Tgease 980导热脂的热阻降低了45%左右，这说明冷热交变考核试验反而有利于导热脂的热阻降低，导热脂具有更加良好的传热性能。
3.4. 考核试验4：25℃至125℃温度范围内热循环考核试验
采用PC模拟器进行热循环试验，具体考核试验说明如下：
（1）采用莱尔德自制的PC模拟器对被考核试样进行考核试验，如图 3.8所示。
（2）考核试验条件是在室温（25℃）至125℃范围内进行升降温循环加热和冷却，每12分钟完成一次循环。在这12分钟的一次循环中，开启模拟器中的电加热器开关进行6分钟加热，然后关闭开关冷却6分钟。
（3）调整模拟器的加热功率使得器件温度恒定在120℃。
（4）整个热循环考核试验中，导热脂试样始终保持20psi压强。
图 3.8 莱尔德PC模拟器
图 3.9 导热脂2000次冷热冲击试验过程中的热阻测量结果
在近1600小时的热循环考核试验过程中导热脂的热阻测量结果如图 3.9所示，从图 3.9考核测试结果可以看出，Tgease 980导热脂在经过1560次热循环后热阻有所上升约5%。
3.5. 老化考核结论
通过以上各种条件下的老化考核试验，除了热循环老化试验中的热阻值有所提高之外，其他老化考核试验中的Tgease 980导热脂都显示出热阻值减小的特征。相对于ASTM D5470热阻仪的10%系统误差，热循环试验中热阻值上升约5%还是位于系统误差范围内。
由此可以得出结论：Tgease 980导热脂的老化性能是可靠的。
4. 莱尔德TgeaseTM 2500导热脂老化考核试验
莱尔德公司的Tgease 2500牌号导热脂是一种与Tgease 980导热脂具有相同高导热系数的导热脂产品，莱尔德公司在官网上出据了该型号导热脂的技术指标文件，文件中展示了老化考核试验数据。
在125℃热烘烤温度下进行了连续1000多小时的老化考核试验，整个过程中每间隔250小时对热阻值进行一次测量，测量结果如图 4.1所示。
图 4.1导热脂TgeaseTM 2500在125℃烘烤1000多小时考核试验过程中的热阻测试结果
在-55℃至125℃温度范围内进行了将近700次的冷热冲击考核试验，整个过程中的热阻变化测试结果如图 4.2所示。
图 4 2 导热脂TgeaseTM 2500在-55℃至125℃范围内冷热冲击试验过程中的热阻测试结果
从以上导热的两个老化试验结果可以看出，导热脂Tgease 2500热阻在老化过程中的变化规律与导热脂Tgease 980的热阻变化规律基本相同，只是热阻坐标的表达形式更换为热阻值变化量。
5. 测试方法分析
通过以上各种牌号导热脂的技术指标和各种老化考核试验结果，可以获得以下信息：
（1）莱尔德公司对其所有导热脂产品的导热系数测试都采用的瞬态平面热源法（HOTDISK法）。HOTDISK方法对于这类脂状的热界面材料确实是非常简便和准确的方法，只需在恒定温度环境下将导热脂完全包裹住HOTDISK探头就可以进行测量，通过这种方法可以非常准确评价不同导热脂导热性能以指导工艺和生产，而且这种方法是一种绝对法，不需要其他方法进行校准。
（2）莱尔德公司对导热脂热阻的测量还是采用经典的ASTM D5470方法，这主要是为了测量导热脂在不同加载压力下的热阻，毕竟在不同压力下导热脂的热阻值不同。
（3）在使用HOTDISK测试方法之前，莱尔德公司是采用ASTM D5470方法测量导热系数，即在线测量出不同加载压力时导热脂的厚度值，然后再除以表 2 1中对应的所测量得到的热阻值，就可以得到不同加载压力下的导热系数。由此可见，对于导热脂这种脂类材料，莱尔德公司现在已经摒弃了ASTM D5470这种导热脂导热系数测试方法，没有给出原因，也没有看到两种导热系数测试方法的对比测试分析。但据我们的经验和分析，这主要是因为ASTM D5470这种方法是一种相对法，测量误差要比HOTDISK方法的测试误差大很多，造成误差大的原因是在压力加载情况下导热脂的厚度很难精确测量。
（4）从各种老化试验结果可以看出，莱尔德公司只提供了采用ASTM D5470方法在各种老化考核条件下获得的热阻变化测试结果，并没有采用HOTDISK方法测试老化过程中的热导率变化情况。
（5）莱尔德公司所有的热阻测量都没有提到测试温度，有可能按照ASTM D5470中的规定温度进行热阻测量。
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