信息來源：科技中國

高溫會對電子元器件的穩(wěn)定性、可靠性和壽命產(chǎn)生有害的影響。電子元件和散熱器之間往往存在細(xì)微空隙，導(dǎo)致兩者實(shí)際接觸面積只有散熱器底座面積的10%，嚴(yán)重阻礙了熱量的傳導(dǎo)。使用熱界面材料填充空隙，可以大幅度降低接觸熱阻，確保發(fā)熱電子元器件產(chǎn)生的熱量及時排出。本文梳理了熱界面材料國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀、水平與主要問題，并提出了我國對策建議。

一、關(guān)于熱界面材料

(一)定義與特點(diǎn)

熱界面材料(Thermal Interface Materials，TIM)又稱為導(dǎo)熱材料、導(dǎo)熱界面材料或接口導(dǎo)熱材料，是一種普遍用于IC封裝和電子散熱的材料，主要用于填補(bǔ)兩種材料接合或接觸時產(chǎn)生的微空隙及表面凹凸不平的孔洞，減少熱傳遞的阻抗，提高散熱性。

　　

(二)作用與意義

隨著萬物互聯(lián)時代的到來，電子產(chǎn)品的集成度不斷提高，加之高頻率信號的引入、硬件零部件的升級，聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和天線數(shù)量的成倍增長，導(dǎo)致設(shè)備的功耗不斷增大，發(fā)熱量也隨之快速上升。熱界面材料導(dǎo)熱性能優(yōu)異，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，為設(shè)備的高度集成及微型化提供了有力的幫助，可望成為最具有顛覆性和變革型的熱管理解決方案。

從產(chǎn)業(yè)方面來看，以三大熱點(diǎn)板塊為代表的電子行業(yè)對先進(jìn)熱管理系統(tǒng)和熱界面材料提出越來越多的需求：

智能消費(fèi)電子：智能手機(jī)和平板電腦電子產(chǎn)品結(jié)構(gòu)緊密、高度集成，熱流密度的不斷提升對熱管理系統(tǒng)提出了越來越高的要求。

通信設(shè)備：通信設(shè)備復(fù)雜程度越來越高，功耗不斷加大，發(fā)熱量快速上升，將帶來熱界面材料巨大的增量需求。

汽車電子：一方面發(fā)動機(jī)電控模塊、點(diǎn)火模塊、動力模塊及各類傳感器等的工作溫度極高，另一方面新能源汽車的電池功率巨大，傳統(tǒng)的風(fēng)冷與水冷已不足以應(yīng)付巨大的散熱量，對于熱界面材料有著急迫的、個性化需求。

此外，應(yīng)用于航空、航天、軍事等領(lǐng)域的器件，通常需要在高頻、高壓、高功率以及極端溫度等苛刻的環(huán)境下運(yùn)行，并且要求高可靠性，無故障工作時間長，對散熱材料的綜合性能要求也極高。

據(jù)BCC research數(shù)據(jù)統(tǒng)計，全球熱界面材料市場規(guī)模從2014年的7.16億美元，提高至2018年的9.37億美元，年復(fù)合增長率為7.4%，預(yù)計2021年市場規(guī)模將達(dá)到10.8億美元。其中亞太地區(qū)將超過8.12億美元，歐洲約為1.13億美元，北美約為1.01億美元，其他地區(qū)約0.54億美元。

二、國外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

在技術(shù)研發(fā)方面，美國、日本、韓國等國家，均圍繞高導(dǎo)熱熱界面材料的制備與性能提升，展開了系統(tǒng)而深入的研究。美國國防高級研究計劃局2008年開始實(shí)施熱管理技術(shù)項(xiàng)目，包含新散熱技術(shù)的研發(fā)和散熱能力評估技術(shù);TriQuint及BAE等研究機(jī)構(gòu)相繼利用高導(dǎo)熱材料開展散熱和測試評估技術(shù)的研究。

近期的一些代表性進(jìn)展有：

佐治亞理工學(xué)院C.P.Wong院士，用聚丙烯酸對高導(dǎo)熱填料氮化鋁粒子表面進(jìn)行改性，再選擇環(huán)氧樹脂為基體，制備了聚合物基高熱導(dǎo)率三相復(fù)合材料，使聚合物和填料之間形成了有效的導(dǎo)通網(wǎng)絡(luò)，減少了雜質(zhì)、氣孔等因素對復(fù)合材料的影響，從而大大改善了復(fù)合材料的熱電等性能。

麻省理工學(xué)院G.Chen院士課題組，通過自下而上的氧化化學(xué)氣相沉積，沿著聚合物伸長鏈方向強(qiáng)C=C共價鍵和分子鏈間強(qiáng)π-π堆疊非共價鍵的相互作用，首次實(shí)現(xiàn)了共軛聚合物薄膜的高熱導(dǎo)率，該材料的室溫?zé)釋?dǎo)率為2.2W/m·K，是傳統(tǒng)聚合物的10倍。采用該氧化化學(xué)氣相沉積技術(shù)，可以在各種基材上生長輕質(zhì)、柔韌的聚合物薄膜導(dǎo)熱體，同時具有電絕緣性和耐腐蝕性。

伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校David G.Cahill課題組、德克薩斯大學(xué)達(dá)拉斯分校Bing Lv課題組采用改進(jìn)的化學(xué)氣相沉積技術(shù)，成功得到了超高熱導(dǎo)率的立方砷化硼，其熱導(dǎo)率為1000±90W/m·K，僅次于金剛石，是氮化硅的三倍，可望在大功率電子器件的熱量管理中實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。

在產(chǎn)業(yè)方面，全球熱界面材料市場主要分布在北美、歐洲、亞洲等地區(qū)，其中亞洲市場規(guī)模最大，占全球的72.2%。在開發(fā)和生產(chǎn)熱界面材料方面居世界龍頭地位的企業(yè)主要包括：美國貝格斯、美國萊爾德、美國3M、美國派克固美麗、美國道康寧、日本電氣化學(xué)、日本信越等。

三、我國發(fā)展現(xiàn)狀與水平

在技術(shù)研發(fā)方面，我國熱管理材料方面的研究雖然起步較晚，但已取得了不錯的成果，其中代表性材料包括：

高取向有機(jī)高分子新型熱界面材料。針對傳統(tǒng)的聚合物基熱界面材料導(dǎo)熱性差的問題，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院團(tuán)隊(duì)采用真空輔助抽濾方式，制備了具有高取向的綠色可降解復(fù)合材料，熱導(dǎo)率高達(dá)21.39W/m·K。

新型碳納米管基熱界面材料。中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所團(tuán)隊(duì)將高導(dǎo)電、高導(dǎo)熱的銅納米線引入碳納米管紙，由兩種納米線組成的互穿三維網(wǎng)絡(luò)最終成功實(shí)現(xiàn)10W/m·K的熱導(dǎo)率和超過105S/m的電導(dǎo)率。

三維立體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)熱界面材料。中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院開發(fā)了基于石墨片-碳化硅的聚合物復(fù)合基板、石墨烯/氮化硼-改性環(huán)氧樹脂復(fù)合基板、石墨烯環(huán)氧樹脂復(fù)合基板等導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，熱導(dǎo)率最高達(dá)到14.47W/m·K。

垂直排列石墨烯結(jié)構(gòu)熱界面材料。中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所對抽濾的石墨烯紙施加橫向機(jī)械力，使石墨烯具有褶皺結(jié)構(gòu)，然后施加壓力得到密實(shí)的石墨烯導(dǎo)熱墊，使得石墨烯紙的取向由水平變成垂直，實(shí)現(xiàn)了石墨烯紙水平傳熱到垂直傳熱的轉(zhuǎn)變，得到高熱導(dǎo)率(100W/m·K)低壓縮模量(0.87)的熱界面材料。

在產(chǎn)業(yè)方面，我國生產(chǎn)的熱界面材料約占全球20%的市場份額，保守預(yù)計2021年將超2億美元。相比于國外熱界面材料知名企業(yè)，我國熱界面材料生產(chǎn)企業(yè)的規(guī)模普遍較小，同質(zhì)性強(qiáng)，技術(shù)含量不高，缺少高端產(chǎn)品，未形成產(chǎn)品的系列化和產(chǎn)業(yè)化，多在價格上開展競爭，利潤空間日益縮小。僅有少數(shù)企業(yè)具備自主研發(fā)和生產(chǎn)中高端產(chǎn)品的能力，可以提供導(dǎo)熱應(yīng)用解決方案。

四、進(jìn)一步需要解決的主要技術(shù)問題

導(dǎo)熱聚合物基復(fù)合材料具有低密度、優(yōu)良的介電性能、原材料價格低廉及容易加工等優(yōu)點(diǎn)，但聚合物基導(dǎo)熱復(fù)合材料的熱導(dǎo)率偏低。將無機(jī)納米材料如氧化鋁、氮化鋁、碳化硅、氮化硼以及碳納米管等作為填料，可以有效改善聚合物材料的熱導(dǎo)率，但無機(jī)填料會使聚合物材料變脆、變硬。目前針對這個問題還沒有很好的解決方案，國際國內(nèi)基本站在同一起跑線。

金屬基復(fù)合材料綜合了金屬基體優(yōu)良的導(dǎo)熱性、可加工性和增強(qiáng)體高導(dǎo)熱、低熱膨脹的性能優(yōu)點(diǎn)。鋁基、銅基和銀基的金剛石、石墨烯等復(fù)合材料是目前應(yīng)用最為廣泛的，但是這些金屬基體與金剛石或石墨烯之間潤濕性較差，界面效應(yīng)成為制約其性能提升的瓶頸。

理想的熱界面材料應(yīng)具有的特性是：高熱導(dǎo)性、高柔韌性、表面潤濕性、適當(dāng)?shù)酿ば?、高壓力敏感性、冷熱循環(huán)穩(wěn)定性好、可重復(fù)使用等。因此，需要進(jìn)一步解決的問題：

一是在聚合物基復(fù)合材料的設(shè)計方面，需要更先進(jìn)的增強(qiáng)體設(shè)計，在保證力學(xué)性能的前提下，提高熱傳導(dǎo)性能;

二是在材料的制備與加工方面，需要改善填料、增強(qiáng)體與基體的界面結(jié)合，獲得理想的復(fù)合材料構(gòu)型;

三是在基礎(chǔ)理論研究方面，需要進(jìn)一步深入理解多尺度上的聲子熱傳導(dǎo)、載流子傳導(dǎo)機(jī)制、聲子-電子耦合機(jī)制、界面處復(fù)雜的電子與聲子傳輸機(jī)制等，為熱界面材料的設(shè)計提供理論依據(jù)。

五、對策建議

一是加強(qiáng)資源整合。通過政策引導(dǎo)等方式，加強(qiáng)對相關(guān)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)資源的整合，形成完整的上下游創(chuàng)新鏈、產(chǎn)業(yè)鏈，走專業(yè)化發(fā)展道路，推動熱界面關(guān)鍵材料，特別是上游原材料的快速突破，以滿足我國電子工業(yè)發(fā)展的需求。

二是加快專利布局。引導(dǎo)大學(xué)、研究院所、企業(yè)根據(jù)其不同的優(yōu)勢特點(diǎn)，在全產(chǎn)業(yè)鏈布局核心專利，建立對核心專利的保護(hù)網(wǎng)，鞏固我國在此方向的技術(shù)及知識產(chǎn)權(quán)地位，突破國際技術(shù)專利壁壘。

三是完善創(chuàng)新平臺。目前，在國家重點(diǎn)研發(fā)計劃專項(xiàng)的引導(dǎo)下，國內(nèi)部分熱管理科研單位已成立“熱管理技術(shù)聯(lián)盟”。進(jìn)一步應(yīng)吸引國內(nèi)外優(yōu)勢企業(yè)，特別是熱管理需求單位加入，建立技術(shù)、人才、項(xiàng)目、應(yīng)用的交流合作機(jī)制，推動創(chuàng)新資源融合和共享。

標(biāo)簽： 導(dǎo)熱散熱 導(dǎo)熱界面材料 點(diǎn)擊： 評論: