用于电池组的无硅导热界面材料

在电池组中，凡是硅渗漏或逸出会危及电池到冷却剂热传导路径的地方，无硅导热界面材料都应得到应用。对于电池组热工程师而言，问题非常具体：该组件是否包含可能因硅污染而性能下降的表面、传感器或粘合接头？无硅材料能否在模块老化过程中，保持缝隙处的导热性能？本文将介绍无硅导热界面材料领域的最新进展。热界面材料, 它们与硅材质在选择变量上的比较情况，以及它们在液冷电动汽车或储能包中的应用。.

为什么硅胶渗漏和气体逸出会威胁电池散热路径

硅酮导热界面材料的常见失效模式是迁移。低分子量硅氧烷在高温、压缩和低压条件下会挥发或渗出，然后重新沉积在附近的表面上。在电池模块中，热传导路径从电池壁经由界面材料到达冷板。如果油渗入冷板密封面、传感器透镜或印刷电路板，则会降低表面电阻和击穿电压，或干扰后续的粘合和清洁。多种材料资料描述了相同的失效机制，因此在对硅酮敏感的组件设计中，必须考虑这一问题。.

污染控制是生产线指定使用无硅化学品的实际原因。当含硅工艺和无硅工艺共用工装时，渗出的硅氧烷会污染不相关部件的焊点和粘合剂。因此，当下游粘合或清洁度要求严格时，团队可以选择无硅、低VOC配方。其主要驱动因素是工艺清洁度和可修复性。关于硅在特定百万分之一浓度下具有毒性的说法并不成立，在重复此类说法之前，应先向标准机构核实。.

硅胶仍然适用于大多数通用电子产品，因此选择取决于具体应用场景。当模块没有裸露的光学元件、对泄漏敏感的传感器以及不会因油污泄漏而损坏的下游连接时，传统的硅胶材料（例如……）是理想之选。导热硅脂或者，硅胶垫仍然是合理的选择。随着装配过程中易受污染表面的增加或更严格的清洁要求，采用无硅胶垫的理由也越来越充分。.

“无硅”对导热界面材料化学的影响

“无硅”指的是基体，而非填料，因此材料的导热部分基本保持不变。这些体系用丙烯酸酯、聚氨酯或硅烷改性聚合物取代了聚硅氧烷主链。导热性仍然来自分散在基体中的陶瓷或金属填料。因此，去除硅本身并不会提高或降低导热性；真正起作用的是填料的化学性质和用量。.

产品规格选项与硅胶产品系列基本相同，因此组装方法也较为熟悉。无硅化学品包括间隙填充剂、间隙垫片、导热粘合剂和润滑脂。团队通常可以匹配现有的工艺流程，无论是现场填充还是模切成型。热垫. 固化行为随化学成分而变化：一些不含硅酮的体系不会固化，可立即通电，而反应型双组分粘合剂则以开放时间为代价换取结构粘合强度。.

研究阶段的化学方法旨在通过设计填料网络来提高导电性。正在研究的体系包括取向陶瓷或碳通道、用于界面粘合的聚离子液体基质等。液态热界面材料它将液态金属与固体颗粒结合，形成导电网络。这些是需要关注的方向，而非既定规格。在数据手册和第二个来源证实之前，任何单独报告的电导率或模量数据都应视为未经证实。.

无硅导热材料与含硅导热材料：权衡取舍以验证

无硅材料通常有助于减少污染并改善介电性能，但可能会影响长期合规性，每种特性都需要针对具体等级进行验证。下表列出了需要在数据手册中检查的典型特性和风险，而非材料系列的固定属性。任何电池中的数值都取决于具体的等级及其测试条件。.

可变	硅基（典型）	不含硅（通常如此，请根据等级验证）
污染/气体逸出	硅氧烷在高温高压下发生渗漏和迁移	渗漏较少，硅氧烷迁移是主要风险因素。
介电行为	足够；可能随年龄增长而变化	据报道，部分受测等级的绝缘性能有所提高。
高温老化后的行为	通常保持粘弹性	某些测试等级的钢材会变硬或变脆。
导热性	由填充物而非基质决定	由填充物而非基质决定
温度范围	广泛的、化学依赖性的	具体情况取决于等级；请参考产品规格表确认。

老化行为是最常被误解的权衡因素，因此需要验证。在符合 JEDEC JESD22-A103E 标准、并在《材料》（Materials）期刊上发表的一项研究中，研究人员在 125°C 下进行了 2000 小时的高温储存老化试验。结果表明，无硅填料在老化后硬化，而硅基填料则保持粘弹性。此外，无硅填料样品在绝缘要求严格的应用中也表现出更优异的介电性能。该结果涵盖了在上述储存老化条件下测试的两种等级的材料，但并不适用于所有无硅产品或高低温循环。实际操作中，应该针对特定等级的材料验证其老化后的硬度和粘合层性能，而不是想当然地认为它们都成立。.

电导率比较中存在最大的误区，值得直接纠正。因为间隙垫导热系数根据填料类型和用量，无硅脂的导电性能并不必然高于或低于含硅脂。两者均可配制在很宽的范围内。任何声称无硅脂材料的性能一定优于硅脂或硅垫的说法都应理解为针对特定等级的材料。.

将不含硅的导热材料与电池到冷却液的路径相匹配

选择无硅导热界面材料 (TIM) 时，首先要考虑间隙，因为间隙决定了材料的等级。电池或组件与冷板之间的界面间隙和表面平整度应与材料的柔顺性相匹配。宽而不平整的间隙适合使用可在低压下填充空隙的柔性间隙填充剂，而薄而平整的界面则可以使用较薄的垫片或点涂薄膜。如果间隙不匹配，会导致气泡滞留和热点，因此在确定封装尺寸之前，务必确认最坏情况下的叠层间隙。.

装配应力和自动化程度与热性能同样重要，都会影响封装形式的选择。低模量无硅填料能够压缩成最小的粘合层，且不会对脆弱的单元造成压力，其价值可能高于导热系数略高但需要高夹紧力的材料。可点涂成型的材料也比手工放置的焊盘更适合自动化包装线。当界面还承受结构载荷时，无硅导热粘合剂的选择重点将放在粘合强度和固化时间上，从而限制节拍时间。.

固化、可维护性和绝缘性是最终的选择因素，它们都与电池组的生命周期目标息息相关。非固化填料可使线路立即进行通电测试。反应型粘合剂可牢固固定位置，但会增加返工和报废拆卸的难度，而电池组的设计需要兼顾这些方面，因此这是一个重要的限制因素。电池安全和液冷, 可维护性和回收利用。由于大多数电池组接口还必须将电池与冷板进行电气隔离，因此需要使用与每项性能相适应的机械、几何和介电测试，确认老化、压缩粘合线处的介电强度。诸如 JEDEC JESD22-A103E 之类的老化测试设定了进行这些单独测试前后的存储条件。该测试本身无法测量硬度、粘合线厚度或介电强度。同时检查这四个变量可确保无硅选择在模块的整个使用寿命期间保持稳定可靠。.

无硅基鞋垫的适用范围

在清洁度要求和制造工艺限制已经明确指出不应使用硅材料的情况下，无硅化学材料便派上了用场。电动汽车和储能电池组就是如此。当设计目标将电池温度控制在接近室温的范围内，并将持续接近电池温度上限视为生命安全风险时，界面材料必须能够在热循环条件下保持稳定，且不会污染冷板、传感器或粘合接头。电池储能系统在大规模应用中也面临着同样的挑战，因此，在电池组热设计中，无硅填充剂和粘合剂是一种常见的选择。.

除了电池之外，任何对硅敏感的组件都遵循同样的原则。光学、传感器、医疗和航空航天硬件对硅泄漏或气体逸出非常敏感，因此出于防止电池内部污染的考虑，这些应用通常采用无硅材料。尽管不同应用的温度和间隙限制有所不同，但这种工程逻辑仍然适用。.

在材料科学方面，近期进展缓慢且主要由填料驱动。纳米填料增强、定向导电通路和液态金属复合材料均旨在提高导电性并保持材料柔韧性，但它们仍然面临着老化、绝缘性和可制造性方面的相同认证标准。追踪这些认证数据比单纯的导电性数值更能可靠地衡量进展。.

结论

对于无硅导热界面材料，核心判断标准是：首先要考虑污染和清洁度，其次才是导热性能。当封装表面对硅敏感、制造工艺要求严格，或者需要满足可维护性和绝缘性要求（硅渗漏会影响这些要求）时，应选择无硅导热界面材料；如果不存在上述任何限制，则应继续使用硅基材料。最常被误解的性能是老化。由于某些无硅材料会随时间推移而硬化，因此需要针对特定等级的材料评估其老化后的硬度、粘合层厚度和介电强度。应采用公认的存储老化条件，例如 JEDEC JESD22-A103E 标准，并进行相应的机械和介电测试。导热界面材料和冷板设计旨在使材料与导热路径上的间隙、组装应力、固化和绝缘性能相匹配。.

常见问题

电动汽车电池组的缝隙填充物需要不含硅胶的吗？还是硅胶也可以接受？

决定因素是污染敏感性，而非电池本身。如果电池组带有对泄漏敏感的传感器、密封面或粘合接头，或者生产线强制执行无硅、低VOC（挥发性有机化合物）的规定，则应指定使用无硅填充物。如果以上情况均不适用，则精心挑选的硅胶材料仍然可以满足要求。.

不含硅的导热界面材料在热老化后会失去导热性或变脆吗？

某些牌号的材料会随着时间推移而硬化，因此必须针对具体产品进行验证。一项已发表的、符合 JEDEC JESD22-A103E 标准的 2000 小时、125°C 高温储存老化研究发现，不含硅的间隙填充材料会硬化，而含硅填充材料则保持粘弹性。因此，老化后的机械性能和介电性能应逐个牌号进行验证。.

硅油挥发物是否会污染模块中的冷板、电池或PCB？

是的，正是这种风险导致了无硅材料的存在。低分子量硅氧烷在受热和受压的情况下会迁移到密封面、传感器或电路板上，降低表面电阻和击穿电压，甚至影响后续的粘合和清洁效果。.

无硅导热界面材料的导电性总是比含硅导热界面材料好吗？

不；导电性取决于填料类型和用量，而不是基体是否不含硅。两种化学配方都可以实现很宽的导电性范围，因此应按等级比较，而不是按材料系列比较。.

无硅热界面材料的研究进展