中國(guó)粉體網(wǎng)訊 添加熱界面材料（Thermal interface material,簡(jiǎn)稱TIM）作為目前最具有優(yōu)勢(shì)的散熱方式，由于其制備工藝簡(jiǎn)單，對(duì)設(shè)備無(wú)腐蝕無(wú)損害，不增加額外能耗等優(yōu)點(diǎn)成為現(xiàn)今階段攻克電子器件散熱問(wèn)題最引人注目的方法。研究新型熱界面材料也成為現(xiàn)今散熱研究的主流方向。
電子封裝中的熱傳導(dǎo)情況
熱界面材料的基本概念及作用機(jī)制
電子產(chǎn)品封裝中的一個(gè)重要方面是確保電子設(shè)備使用過(guò)程中產(chǎn)生的熱量能夠有效的排除。而對(duì)于日漸小型化微型化的便攜式電子產(chǎn)品，散熱問(wèn)題成為影響整個(gè)產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵問(wèn)題。而熱界面材料指的是涂敷在散熱電子元件與發(fā)熱電子元件中間，降低兩個(gè)電子元件之間接觸熱阻所使用的材料總稱。
熱界面材料充分地填充了固體表面缺陷之間的界面間隙，有效地排除了空氣，使得產(chǎn)熱元器件與散熱器件之間的接觸更加密切，大大降低了界面接觸熱阻，建立起了高效的熱傳遞通道，從而使得散熱器件的工作效率得到了最大化的提升。
TIM的主要作用是填補(bǔ)間隙，這就要求TIM必須是柔軟且可潤(rùn)濕的材料。電子封裝中的TIM本身應(yīng)該擁有較好的散熱能力，向其中添加高導(dǎo)熱的填料是改善TIM熱性能的主要方法。
熱界面材料作用機(jī)制示意圖
熱界面材料的分類
現(xiàn)在已用于工業(yè)生產(chǎn)的熱界面材料主要分為以下幾種：導(dǎo)熱墊片、導(dǎo)熱膏、導(dǎo)熱凝膠、導(dǎo)熱相變材料。
導(dǎo)熱墊片
是一種傳統(tǒng)的熱界面材料，由高分子聚合物材料為基體，加入擁有較高熱導(dǎo)率的填料和助劑通過(guò)加熱固化制備得到的一種片狀材料。與其他的熱界面材料不同，導(dǎo)熱墊片在固化之后才開(kāi)始對(duì)電子設(shè)備的封裝。其填充在芯片和散熱元件的縫隙以排除產(chǎn)熱原件和散熱原件中的空氣進(jìn)而提高整體的導(dǎo)熱效率。
由于導(dǎo)熱墊片較為柔軟并且貼合性較好，除了導(dǎo)熱還有密封、減震、絕緣的作用，導(dǎo)熱墊片的制備工藝技術(shù)非常簡(jiǎn)單并且產(chǎn)品制備流程較為成熟，目前在熱界面材料市場(chǎng)上占有非常大的份額。
但是，導(dǎo)熱墊片在使用的過(guò)程中，壓力和溫度是兩個(gè)相互制約的因素，隨著設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間后的溫度升高，導(dǎo)熱墊片會(huì)發(fā)生軟化、蠕變、應(yīng)力松弛現(xiàn)象，其機(jī)械強(qiáng)度也會(huì)隨之下降，最終導(dǎo)致電子封裝結(jié)構(gòu)中的壓力降低，影響電子設(shè)備的性能。
導(dǎo)熱膏
又稱導(dǎo)熱硅脂，一般由高導(dǎo)熱的固體作為填料，流動(dòng)性優(yōu)良兼有一定粘度的液體作為基體通過(guò)混合脫泡而成。目前最常用的導(dǎo)熱填料為無(wú)機(jī)填料，主要有金屬顆粒（銅、銀、鋅等）、氧化物類（氧化鋁、氧化鋅、二氧化硅等）、氮化物類（氮化硼、氮化鋁等）以及碳材料（碳納米管、石墨烯等），這些導(dǎo)熱填料都有比較優(yōu)越的導(dǎo)熱性能。而最常用的基體是硅油，主要為二甲基硅油，乙烯基硅油、氨基硅油、苯基甲基硅油等，他們均具有良好的潤(rùn)滑性以及與填料之間較好的相容性。
與其他熱界面材料相比，導(dǎo)熱硅脂通常能提供更好的熱性能和更短的制造周期，它的熱導(dǎo)率大概在在3~5 W m-1K-1之間。導(dǎo)熱硅脂的粘度比較小，這可以使其輕易地填滿界面空隙，在使用過(guò)程中，它的粘結(jié)層厚度（BLT）也非常小，因此相應(yīng)的熱阻會(huì)隨之減小，其熱阻可以低至0.1 K cm2W-1。
然而，導(dǎo)熱硅脂也存在許多明顯的缺點(diǎn)。在使用壽命期間容易受到各種失效機(jī)制的影響，比如硅脂滲油或者因干燥而失效，這直接造成了熱阻的增加；另外，當(dāng)電子設(shè)備通電或斷電時(shí)，會(huì)導(dǎo)致芯片組和散熱器件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，這往往會(huì)將導(dǎo)熱硅脂擠出接口間隙，造成硅脂溢出污染電路板，引起短路等風(fēng)險(xiǎn)。
導(dǎo)熱凝膠
其作用機(jī)制是將還未固化的液態(tài)聚合物通過(guò)用手動(dòng)或自動(dòng)的方式填入電子設(shè)備的界面之中，然后再在一定條件下固化成熱固性聚合物材料，從而實(shí)現(xiàn)最大程度地貼合兩相界面，減少空隙。
一般的導(dǎo)熱凝膠是由高導(dǎo)熱的填料與高分子基體中組合而成。根據(jù)導(dǎo)熱填料是否導(dǎo)電將導(dǎo)熱凝膠分為兩類：絕緣導(dǎo)熱凝膠以及導(dǎo)電導(dǎo)熱凝膠。而制備導(dǎo)熱凝膠所使用的高分子基體主要有有機(jī)硅、聚氨酯、環(huán)氧以及其他類的導(dǎo)熱凝膠。導(dǎo)熱凝膠易加工成型、工藝簡(jiǎn)便且可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)封裝，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于微型電子器件領(lǐng)域，并且逐漸成為了熱界面材料的研究熱點(diǎn)。
導(dǎo)熱凝膠的缺點(diǎn)是使用中需要固化步驟，其熱導(dǎo)率也比導(dǎo)熱硅脂低；另外，由于導(dǎo)熱凝膠的粘結(jié)性能比較弱，在使用過(guò)程中可能導(dǎo)致其出現(xiàn)分層現(xiàn)象，這會(huì)影響到電子設(shè)備長(zhǎng)期有效的散熱。
導(dǎo)熱相變材料（PCM）
能夠隨著溫度的變化由固態(tài)變成液態(tài)，通過(guò)其中產(chǎn)生的相變焓使熱量得以排除。導(dǎo)熱相變材料由于其低成本，特有的儲(chǔ)熱性能以及靈活精準(zhǔn)的控溫功能而受到了熱管理方面的極大關(guān)注。
現(xiàn)今各種散熱器的設(shè)計(jì)廣泛使用到了PCM材料，尤其是較大規(guī)模的電子器件。通過(guò)使用PCM填充的散熱器，電子器件的散熱性能得到較大的改善。石蠟是最常見(jiàn)的導(dǎo)熱相變材料，擁有較高的潛熱用來(lái)固相轉(zhuǎn)變?yōu)橐合�，這使得其具有非常優(yōu)秀的儲(chǔ)熱能力，可以作為熱界面材料應(yīng)用的一種有發(fā)展前景的材料。
導(dǎo)熱相變材料本身?yè)碛蟹浅：玫臒崮苻D(zhuǎn)化能力但導(dǎo)熱能力卻有所缺乏，所以在實(shí)際應(yīng)用中，通常在石蠟中加入高導(dǎo)熱的填料制備復(fù)合導(dǎo)熱相變材料以填補(bǔ)其短板，使其能夠?qū)崿F(xiàn)高效的熱傳導(dǎo)，通常采用的填料有氧化鋁、氮化硼以及氮化鋅等。
熱界面材料用導(dǎo)熱填料研究進(jìn)展
陶瓷
陶瓷同時(shí)具有高熱導(dǎo)率和優(yōu)異的電絕緣性，特別適用于要求電絕緣領(lǐng)域。在已報(bào)道過(guò)的陶瓷材料填料中，氮化硼(BN)具有非常高的熱導(dǎo)率，正成為熱管理應(yīng)用中最有吸引力的研究對(duì)象。
碳材料
碳材料，如石墨烯、金剛石、碳納米管已經(jīng)被證明具有高的導(dǎo)熱系數(shù)，因此采用碳材料作為導(dǎo)熱填料有望大幅提高聚合物的導(dǎo)熱系數(shù)，制備出高性能熱界面材料，受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛而深入的研究。
但是，碳材料作為導(dǎo)熱填料最大的問(wèn)題是：由于其一維和二維材料的特性，當(dāng)添加至聚合物中時(shí)，造成粘度急劇增加，使得其添加量有限，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中受到限制。
雜化填料
將兩種不同種類、不同尺寸的導(dǎo)熱填料進(jìn)行復(fù)配，制備雜化填料，可以比一種導(dǎo)熱填料更能提高聚合物的導(dǎo)熱系數(shù)。例如，鑒于石墨烯與氮化硼具有良好的聲子匹配性，可將石墨烯與氮化硼進(jìn)行復(fù)配，制備石墨烯/氮化硼雜化填料。
熱界面材料的市場(chǎng)應(yīng)用
隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，熱界面材料的應(yīng)用愈加廣泛，需求量越來(lái)越高。根據(jù)BBC Research的報(bào)告，全球熱界面材料市場(chǎng)規(guī)模已超過(guò)9億美元，年增長(zhǎng)率達(dá)7.4%。伴隨5G技術(shù)的應(yīng)用，電子產(chǎn)品和通信模塊輕薄化和性能提升的速度加快，將帶來(lái)熱界面材料需求的新一輪快速增長(zhǎng)。
熱界面材料應(yīng)用市場(chǎng)占比是隨著各終端領(lǐng)域的變化而發(fā)展的，以通信網(wǎng)絡(luò)(5G)、汽車電子(新能源汽車)、人工智能、LED等為代表的領(lǐng)域未來(lái)發(fā)展?jié)摿薮�，相�?yīng)的會(huì)帶動(dòng)熱界面材料市場(chǎng)的發(fā)展壯大。
一是在通信行業(yè)規(guī)模化應(yīng)用，5G時(shí)代將帶來(lái)巨大的增量需求。由于通信設(shè)備功率不斷加大，發(fā)熱量也在快速上升。導(dǎo)熱材料能有效提高設(shè)備可靠性，因此在通訊領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。近年來(lái)，在電信運(yùn)營(yíng)商投資的帶動(dòng)下，通信設(shè)備行業(yè)目前仍舊保持了較快的發(fā)展速度。5G時(shí)代下，基站投資額和基站數(shù)量將快速增長(zhǎng)，對(duì)程控交換機(jī)和移動(dòng)通訊基站設(shè)備的需求將快速增加。
二是支撐5G時(shí)代下的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，除了手機(jī)和電腦，5G終端還擴(kuò)展到了汽車、家用電器、智能穿戴、工業(yè)設(shè)備等，終端設(shè)備的豐富也將直接拉動(dòng)對(duì)導(dǎo)熱材料和器件的需求，利好導(dǎo)熱材料行業(yè)。
熱界面材料的產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀
自20世紀(jì)90年代以來(lái)，以美國(guó)為代表的發(fā)達(dá)國(guó)家大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)(如麻省理工學(xué)院、佐治亞理工學(xué)院等)、美國(guó)軍方(DAPA項(xiàng)目)和骨干企業(yè)(Intel，IBM等)都投入巨大力量持續(xù)進(jìn)行熱界面材料的科學(xué)探索和技術(shù)研發(fā)。這帶來(lái)了美國(guó)和日本的企業(yè)，如Laird(萊爾德)、Chomerics(固美麗)、Bergquist(貝格斯，漢高收購(gòu))、Fujipoly(富士高分子工業(yè)株式會(huì)社)、SEKISUI(積水化學(xué)工業(yè)株式會(huì)社)、DowCorning(道康寧-陶氏)、ShinEtsu(信越化學(xué)工業(yè)株式會(huì)社)和Honeywell(霍尼韋爾)等占據(jù)了全球熱界面材料90%以上的高端市場(chǎng)。
我國(guó)高端熱界面材料基本依賴從日本、韓國(guó)、歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家進(jìn)口，國(guó)產(chǎn)化電子材料占比非常低，大大阻礙了我國(guó)的電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展和限制終端企業(yè)的創(chuàng)新活力。2018年開(kāi)始，中美貿(mào)易摩擦升級(jí)導(dǎo)致的“中興芯片制裁”事件和“華為制裁”事件，充分說(shuō)明：發(fā)展國(guó)產(chǎn)化熱界面材料對(duì)于避免芯片核心技術(shù)和集成電路產(chǎn)業(yè)受制于人具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
面對(duì)激烈的競(jìng)爭(zhēng)，我國(guó)在國(guó)家層面也充分重視。國(guó)家科技部從2008年部署、2009年開(kāi)始啟動(dòng)02重大專項(xiàng)(極大規(guī)模集成電路成套工藝與裝備)，2014年啟動(dòng)集成電路大基金，經(jīng)過(guò)近十年的支持，我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，封測(cè)產(chǎn)業(yè)躋身全球前三。但作為物質(zhì)基礎(chǔ)的高端電子封裝材料，仍然基本依賴進(jìn)口。
熱界面材料在電子等行業(yè)應(yīng)用廣泛，國(guó)家也出臺(tái)了相關(guān)扶持政策促進(jìn)國(guó)內(nèi)熱界面材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。例如，2016年國(guó)家科技部啟動(dòng)“戰(zhàn)略性先進(jìn)電子材料”專項(xiàng)，布局了“高功率密度電子器件熱管理材料與應(yīng)用”，其中研究方向之一為“用于高功率密度熱管理的高性能熱界面材料”。
在熱界面材料這一細(xì)分市場(chǎng)中，美國(guó)和歐洲公司在國(guó)際及國(guó)內(nèi)中高端市場(chǎng)上處在壟斷地位�，F(xiàn)代電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展于國(guó)外，因此相關(guān)的基礎(chǔ)材料商出現(xiàn)的也比中國(guó)早。由于我國(guó)本土企業(yè)早期缺乏核心技術(shù)，主要高端導(dǎo)熱材料生產(chǎn)基材還是需要國(guó)外生產(chǎn)制作商提供，產(chǎn)品性能指標(biāo)以及研發(fā)積累與歐美企業(yè)仍存在一定差距。
對(duì)比國(guó)外知名的熱界面材料生產(chǎn)廠商，如日本信越、美國(guó)道康寧、德國(guó)漢高、美國(guó)固美麗等，我國(guó)熱界面材料生產(chǎn)廠商的性能較差，無(wú)法滿足高端芯片的封裝要求。其主要問(wèn)題是，我國(guó)熱界面材料生產(chǎn)的原材料(如有機(jī)硅、氧化鋁、鋁和氮化鋁)純度不夠，熱界面材料復(fù)合工藝水平有待提高。
參考來(lái)源：
楊斌等：熱界面材料產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀與研究進(jìn)展，科學(xué)技術(shù)部高技術(shù)研究發(fā)展中心
易鳴明：高導(dǎo)熱絕緣熱界面材料的研究，廣東工業(yè)大學(xué)
毛大廈：有機(jī)/無(wú)機(jī)復(fù)合熱界面材料的制備與性能研究，中國(guó)科學(xué)院大學(xué)
汪琦瑋：熱界面材料的界面熱阻問(wèn)題研究，華中科技大學(xué)
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/平安）
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