來源：中原工學院學報

作者:李建忠，張勇，李晉峰，張巖巖

摘要: 介紹了導熱界面材料的分類、主要技術指標、導熱機理,并論述了作為導熱填料 Al₂O₃ 的技術指標對導熱界面材料性能的影響,討論了 Al₂O₃ 的形貌對填充性能的影響。結果表明,顆粒形貌越規整,體系黏度越低,填充率越高,以 及顆粒結晶程度越高,熱導率越高。并闡述了填料 Al₂O₃ 的雜質對導熱界面材料的性能影響,最后提出導熱填料 Al₂O₃ 技術發展趨勢。 

關鍵詞：導熱材料，填料，Al₂O₃

隨著微電子集成電路組裝密度和工作頻率越來越高，其在運行過程中產生的熱量也越來越大，若不能及時將運行過程中產生的廢熱傳導出去，會形成局部高溫，進而損傷電子元器件，影響系統的可靠性和正常工作周期。

界面導熱材料 (Thermal Interface Materials，TIMs)近年來針對電子設備的熱傳導要求而設計的，采用彈性聚合物制成，用在發熱的元件和散熱器中間(見圖1)，可以在兩個表面形成良好接觸，從而驅除其間熱導率較低的空氣(熱導率只有 0.025 W/m·K)，同時可以將散熱器效率由不足40%提高到90%以上，因此廣泛應用于IC 封裝、鋰電池散熱、LED 封裝、電機散熱等。目前元件和散熱器使用的導熱界面材料主要有導熱硅膠片、導熱硅脂、導熱阻燃膠、導熱黏接膠、灌封膠、導熱相變材料等。

圖1 散熱器與發熱元器件之間的導熱界面材料

本文重點介紹了導熱界面材料的分類、主要技術指標、導熱機理，填料 Al₂O₃ 技術指標對導熱界面材料性能的影響，并分析了導熱填料 Al₂O₃ 的技術發展趨勢。

01 導熱界面材料的分類及主要技術指標

1.1 導熱界面材料的分類及應用

導熱界面材料主要用于電子設備的散熱，因此一般要求具有以下特征：(1)高導熱性；(2)高柔韌性，保證在較低安裝壓力條件下熱界面材料能夠最充分地填充接觸表面的空隙，保證熱界面材料與接觸面間的接觸熱阻很小；(3)絕緣及無毒。

按其存在狀態及用途可大致分為導熱膠、導熱硅脂、導熱膠墊、相變材料等。導熱界面材料是一種以高分子材料為基體、以具有絕緣、導熱性能的粉體為填料，經過交聯或硫化制成的聚合物復合材料，通常是有機硅烷類和環氧類化合物，用于黏接固定電子元器件，并起到防潮、減震的作用。

導熱界面材料主要有：(1)導熱灌封膠，用于模塊的整體封裝；(2)導熱硅脂(導熱膏)，具有一定流動性或呈黏稠狀的膏狀物，用于填充微小間隙，比如將膏體涂覆在CPU和散熱器之間，發熱堆和殼體之間，將空氣擠壓出去，形成散熱通道；(3)導熱膠墊，是一種柔性可壓縮的彈性材料，在施加一定壓力的情況下，能很好地順應接觸不規則的表面，填補固體間的空隙，而又不會對元器件造成污染，用于電子電器產品的控制主板、LED散熱、電機內外部墊腳、鋰電池熱管理等；(4)導熱相變材料，在常溫時處于固態，在吸收功率器件熱量后，達到一定溫度才融化為液態，因此可以很好地浸潤固體界面，從而減少熱阻，它既能吸收熱量，又有良好的傳熱性，綜合了導熱硅脂和導熱膠墊的優勢，既解決了硅脂涂抹操作難的問題，也解決了導熱膠墊因為厚度和界面熱阻帶來的導熱效果的問題。

1.2 主要技術指標

表征導熱界面材料的性能的技術指標除常規的密度、白度等物理指標外，還包括導熱性能指標以及機械強度、電氣性能指標。常規的物理指標包括密度、顏色、阻燃等級、揮發份、錐入度、游離度等。導熱性能通常以熱導率、熱阻來表征。機械強度一般針對導熱膠墊類產品,通常以拉伸強度、硬度等表示。電氣性能一般包括體積電阻率、擊穿電壓等指標。

熱導率和熱阻是衡量導熱界面材料最重要的指標，根據傅里葉定律，熱導率是與傳導熱量、溫度梯度、時間和垂直于熱導方向的面積相關的一個性能指標, 其單位為 W/(m·K)。

當溫差(溫度梯度)一定時，熱阻越大，單位時間通過的熱量越小，熱阻的大小決定了通過單位流量 Q 時所需要的溫差。同時，從式中也能看出熱阻與材料的厚度正相關，厚度越大，熱阻也越大。

因此，在研究導熱界面材料的導熱性能時，除了關注其導熱系數外，還需考慮材料的厚度(影響熱阻)、界面接觸熱阻。導熱系數越大、熱阻越小，界面材料的導熱性能越高。

擊穿電壓是指一定厚度的導熱硅膠片被擊穿的電壓，超過這個電壓，導熱硅膠將被擊穿。

體積電阻率是每單位體積材料對電流的阻抗，體積電阻率越高，材料用作電絕緣部件的效能越高。

拉伸強度和硬度用來衡量導熱硅膠片的柔軟度，導熱硅膠片越柔軟，填充在間隙中的熱阻才越小，因此，必須綜合考慮其硬度和強度。

02 導熱機理

導熱界面材料一般由聚合物復合導熱填料制備，其導熱機理最主流的理論為導熱通路學說，由于聚合物本身的熱導率很低，因此需要填充熱導率較高的填料作為導熱粒子，而這些導熱粒子相互接觸構成通路或網絡，從而使熱流沿著通路由高溫向低溫傳遞。因此，導熱界面材料的導熱性能主要是由填充其中的導熱填料所決定。

由于導熱界面材料大多用于電子散熱，因此一般要求其既絕緣又有較好的導熱性。常用于導熱填料的粉體材料有：Al₂O₃、AlN、BN、Si₃N₄、MgO、ZnO、SiC等，其導熱系數如表1所示。

表1 常用導熱填料的導熱系數 (20℃)

盡管氮化物較氧化物的導熱系數更高，但氮化物價格昂貴，同時在填充時黏度較大，填充量受到一定限制。盡管 Al₂O₃導熱系數相對不是太高，但其化學性質穩定，絕緣性能好，填充到聚合物中的黏度較低，可以得到很高的填充率，最重要的是價格相對較低，具有極高的性價比，因此 Al₂O₃是導熱填料中用量最多、用途最廣泛的一種填料。

03 Al₂O₃ 技術指標對導熱性能影響

3.1 Al₂O₃ 的微觀結構

Al₂O₃ 有α、γ、δ、η、θ、κ、χ等很多種晶型結構，其中α型 Al₂O₃ 是最穩定的，其晶格氧離子為六方密排結構，鋁離子對稱地分布在氧離子圍成的八面體中心，晶格能很大，因此具有熔點高、硬度高、絕緣性能優良、化學性能穩定等特點，α 型 Al₂O₃ 熱導率大約為 33~36 W/(m·K)，體積電阻率約為 10¹⁰ Ω·cm，是良好的導熱絕緣填料。α型 Al₂O₃ 的顆粒形貌有球形、片狀、不規則多棱角、蠕蟲狀、橢球狀等多種形態，如圖2所示，粒徑范圍有納米級、亞微米級和微米級，顆粒結構有多晶和單晶之分，不同的微觀結構對導熱材料的性能影響很大。

圖2 不同形貌的 Al₂O₃ 的SEM 圖

3.2 Al₂O₃ 的形貌與填充性能

Al₂O₃ 形貌對填充性能影響較大，導熱界面材料要求填料能均勻地分散在聚合物基體中，分布不均勻就會導致材料缺陷，影響其使用性能。同時，將 Al₂O₃ 加入聚合物時，體系的黏度隨著 Al₂O₃ 加入量增加而增大，當黏度達到一定程度時，流動性會變差，填料就不能分散了，因此黏度指標是衡量填充性能的重要指標。

Al₂O₃ 顆粒的形貌越規整，其比表面就越小，同時與基體的摩擦力也越小，越易分散，因此體系黏度也就越小，填充率就越高，從而可以更好的形成導熱網絡，熱導率也就越高。相對而言，同樣粒徑的顆粒，球形顆粒的黏度最低，橢球形、片狀顆粒其次，棱角形顆粒的黏度最大。

3.3 結晶程度與熱導率

Al₂O₃ 屬于非金屬，依靠聲子導熱，即晶格振動，晶格中的質點之間發生振動，熱量通過晶格振動的格波來傳遞，從而使熱量從溫度較高處傳向溫度較低處。格波在晶體傳播時，遇到的散射被看作是聲子間及聲子與晶界、點陣缺陷等之間的碰撞，理想晶體中的熱阻歸結為聲子與聲子之間的碰撞。根據這一理論，Al₂O₃晶體中的晶界、內部雜質等均會造成格波散射，導致其顆粒自身熱導率下降。

經過實驗研究，存在晶格缺陷的熔融球形Al₂O₃如圖3(a)所示，其熱導率較圖3(b)結晶發育完整的單晶 Al₂O₃低(同比例填充率)，從電鏡照片可以看出，盡管球形 Al₂O₃外表面是圓球形，但其表面并不光滑，可以看到其由多晶的 Al₂O₃熔融而成的過程，在高溫下盡管晶體收縮融合，但由于熔融時間短，晶體很難完全融合及重排，所以導致晶體內部存在晶界和裂隙，以及晶格沒有充分發育造成晶格畸變，甚至還存在一定的閉氣孔，這就會導致聲子的散射，從而影響熱導率。測試兩種樣品的真比重，圖3(a)中樣品的真比重只有3.75，而圖3(b)中樣品中的真比重為3.98，也可以反證結晶程度的差異。

圖3 不同結晶程度 Al₂O₃ 的SEM 圖

3.4 雜質對產品性能的影響

Al₂O₃ 的雜質不但會對導熱界面材料電氣性能產生影響，而且對工藝性能也有一定影響。Al₂O₃ 的雜質主要有混入性雜質和其他化學雜質。混入性雜質是 Al₂O₃ 加工過程中由設備、管道、環境等引入的，往往是顆粒較大的異物，這類異物會在制品中造成表觀或內在缺陷。而化學雜質影響最大的就是一些導電性離子，比如鈉、鉀離子或一些陰離子。導電性離子在高壓下會形成局部放電，因此會造成界面材料的抗擊穿電壓下降，所以要嚴格控制導電離子的含量。

此外，若 Al₂O₃ 的雜質中含有 N、S、P等元素，也會對界面材料工藝造成較大影響，大多數導熱界面材料的制備采用聚硅氧烷加成硫化工藝，使用鉑催化劑促進硫化，而 N、S、P等元素會造成鉑催化劑中毒，從而使聚合物無法硫化。

04 Al₂O₃ 導熱填料技術趨勢

隨著電子集成技術的高速發展，電子元器件越來越趨于小型化，而功率器件隨著運行速度的提升發熱量則在不斷增加，這就需要用更好的導熱界面材料來滿足散熱要求。作為最大用量的導熱填料 Al₂O₃，目前制備的導熱界面材料熱導率基本在 2~6 W/(m·K)之間，要提高材料的熱導率，勢必從填充率和導熱網絡通道方面開發應用潛力，因此，Al₂O₃ 導熱填料可在如下幾個方面進行進一步研究以提高其應用性能。

(1)進一步研究超細亞微米及更細的高導熱填料 Al₂O₃，亞微米顆粒可以更好地填充到顆粒之間，不但有利于形成顆粒之間的導熱通道，而且還可以降低界面接觸熱阻。

(2)提高結晶程度和顆粒形貌規整程度，不但有利于顆粒本身熱導率，還可以降低黏度，增加填充率。

(3)研究復配工藝提高填充率和導熱性能，即不同顆粒大小級配、不同形貌的復配。

(4)通過有效的表面改性，改善 Al₂O₃ 和有機聚合物直接的浸潤性，從而提升 Al₂O₃ 填充率。

標簽： 導熱散熱 點擊： 評論: