隨著電子設(shè)備功率密度不斷增加，高效散熱已成為制約技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵因素。導(dǎo)熱界面材料是一種用于集成電路封裝和電子元器件散熱的材料，主要是通過填補(bǔ)電子元器件與散熱器接合或接觸時產(chǎn)生的微空隙及表面凹凸不平的孔洞，降低電子元器件和散熱器之間的界面熱阻，從而提高電子元器件的散熱性能。常用的熱界面材料主要為填充型，主要是通過在聚合物基體中填充高導(dǎo)熱的填料制備而成。由于聚合物基體本身熱導(dǎo)率較低，導(dǎo)熱填料成為賦予熱界面材料高效導(dǎo)熱性能的核心關(guān)鍵。

導(dǎo)熱填料有哪些

常用的導(dǎo)熱填料主要可以分為：金屬類填料、碳材料類填料和陶瓷類填料。熱界面材料根據(jù)導(dǎo)電性可以分為絕緣型與非絕緣型兩種。金屬類、碳類填料添加到基體中可以制備導(dǎo)熱非絕緣型熱界面材料，無機(jī)陶瓷類填料添加到聚合物基體中可以制備絕緣型熱界面材料。

（1）金屬類填料

金屬都具有良好的導(dǎo)熱性，導(dǎo)熱系數(shù)較高。常用的金屬類導(dǎo)熱填料主要包括金粉、銀粉、銅粉、鋁粉、鋅粉、鎳粉以及低熔點(diǎn)合金。金屬中具有大量的自由電子，這些自由電子在電場的作用下可以自由移動，當(dāng)存在溫度梯度時，自由電子會從高溫區(qū)域向低溫區(qū)域遷移，金屬主要就是通過電子的運(yùn)動和碰撞來傳遞熱量。

（2）碳材料類填料

碳材料通常具有極高的導(dǎo)熱系數(shù)，比金屬填料的導(dǎo)熱性還要好。根據(jù)形貌區(qū)分為一維碳材料（如碳纖維、碳納米管）、二維碳材料（如石墨烯）和三維碳材料（如石墨、金剛石等）。其中碳納米管的導(dǎo)熱系數(shù)為3100-3500 W/(m·K)，石墨烯的導(dǎo)熱系數(shù)為4840-5300 W/(m·K)，并且它們易于制造，具有多種形狀，是熱管理應(yīng)用最有希望的候選者。

碳基填料的導(dǎo)熱能力根植于其原子結(jié)構(gòu)，它們受到碳-碳共價鍵間sp2雜化作用以及碳原子質(zhì)量較小的特點(diǎn)，使得晶格振動可以高效的傳遞熱量，因此聲子成為其導(dǎo)熱的主要載體。

石墨烯粉體，圖源：德陽烯碳科技有限公司

（3）陶瓷類填料

陶瓷類導(dǎo)熱填料具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性及電絕緣性，在電子封裝領(lǐng)域具有獨(dú)特優(yōu)勢。常見的無機(jī)填料主要包括氧化鋁（Al2O3）、六方氮化硼（h-BN）、碳化硅（SiC）及氧化鋅（ZnO）等。其中，六方氮化硼具有高熱導(dǎo)率和優(yōu)良電絕緣性等特點(diǎn)，在導(dǎo)熱且絕緣需求的領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

陶瓷類填料的導(dǎo)熱機(jī)制主要是聲子導(dǎo)熱，其中有部分陶瓷會使用光子傳導(dǎo)、電子傳導(dǎo)。聲子是晶格振動引起的量子態(tài)，是固體熱傳導(dǎo)的主要載體，當(dāng)陶瓷填料受到熱激發(fā)時，晶格會振動產(chǎn)生聲子，聲子在材料內(nèi)部傳播過程中會與材料中的雜質(zhì)、缺陷以及其他聲波相互作用，從而實現(xiàn)熱能的傳遞。

h-BN粉體，圖源：河南氮硼新材料科技有限公司

改性關(guān)鍵：破解團(tuán)聚難題

由于無機(jī)粉體的表面極性較高，容易發(fā)生團(tuán)聚，導(dǎo)致其填充到基體中時容易分散不均，從而導(dǎo)致體系黏度的增大、熱導(dǎo)率下降以及力學(xué)性能變差等現(xiàn)象。所以為了減少粉體的團(tuán)聚現(xiàn)象，我們通常對無機(jī)填料表面進(jìn)行改性。改性方法有物理改性法和化學(xué)改性法，但是目前應(yīng)用最多且改性效果較好的是化學(xué)改性法，主要包括偶聯(lián)劑改性、酯化反應(yīng)改性以及表面接枝改性。

偶聯(lián)劑改性：通過將偶聯(lián)劑上的有機(jī)分子結(jié)合到無機(jī)粉體表面，使得無機(jī)粉體的表面自由能降低，減小團(tuán)聚現(xiàn)象，增大與有機(jī)基體的相容性。

酯化反應(yīng)改性：由無機(jī)粉體表面上的羥基與改性劑中的羧基或醇羥基發(fā)生反應(yīng)，使有機(jī)分子連接到粉體表面，從而降低粉體表面的極性。

表面接枝改性：先在無機(jī)粉體表面進(jìn)行表面接枝改性，然后在其基礎(chǔ)上發(fā)生聚合反應(yīng)從而引入有機(jī)物質(zhì)。

性能調(diào)控：三大維度優(yōu)化導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)

填料設(shè)計優(yōu)化是開發(fā)高導(dǎo)熱界面材料的重要方向，填料的種類、形狀、尺寸均可以影響其在基體中導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)的形成。

（1）填料尺寸

填料的不同尺寸分布會對材料的導(dǎo)熱性能有一定的影響。使用大小顆粒混合堆積能夠提高材料的熱導(dǎo)率，這是因為小顆粒能夠進(jìn)入大顆粒無法占據(jù)的空間，存在于大顆粒之間的間隙中，與大顆?；蛐☆w粒形成更緊密的堆積，這樣填料之間可以形成更多的有效接觸，導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)更密集，材料的導(dǎo)熱性能可以有效提高。

不同粒徑粒子配合堆積示意圖

（2）填料形狀

填料的形狀對其在基體中的分布狀況、力學(xué)性能等都具有一定的影響。分散在高分子基體中的導(dǎo)熱填料有粒狀、片狀、纖維狀等形態(tài)。粒狀填料具有最高的理論堆積密度，可以增加填料之間的接觸點(diǎn)，使制備的材料擁有良好導(dǎo)熱性能；片狀填料一般具有較高的比表面積，分布在聚合物基體中更容易形成聲子導(dǎo)熱通道，有利于導(dǎo)熱性能的提高；對于纖維狀填料而言，填料的取向分布和長徑比對熱導(dǎo)率有較大影響，具有高縱橫比的填料可以在聚合物基體中形成更多的連續(xù)熱傳導(dǎo)通路，從而有效地提高導(dǎo)熱性。

不同形狀填料混合添加

（3）填料種類

雖然單一填料可以形成導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，但是單一的填料往往難以在基體中完全分散，仍存在一些空隙。因缺陷、界面等因素引起的聲子散射和填充量過高導(dǎo)致的加工困難，使得單一填料很難讓復(fù)合材料達(dá)到理論熱導(dǎo)率。通過將不同形狀、尺寸、類型的導(dǎo)熱填料進(jìn)行復(fù)配后，復(fù)合填料不僅可以有效減少聚合物基體中的空隙，構(gòu)建完整的導(dǎo)熱通路，還可以改善填料在聚合物基體中的分散性，為導(dǎo)熱復(fù)合材料的設(shè)計提供了多種可能性。

（a）單一填料；（b）不同尺寸的混合填料的導(dǎo)熱路徑

小結(jié)

受電動汽車、5G、人工智能等新興產(chǎn)業(yè)需求驅(qū)動，同時政策支持和技術(shù)創(chuàng)新推動市場擴(kuò)張，近年來導(dǎo)熱填料市場規(guī)模持續(xù)增長，預(yù)計未來幾年將保持較高增速。據(jù)QYResearch調(diào)研團(tuán)隊報告，預(yù)計2031年全球?qū)峤缑娌牧嫌锰盍鲜袌鲆?guī)模將達(dá)到6.1億美元，未來幾年年復(fù)合增長率CAGR為7.5%。隨著技術(shù)的發(fā)展，新型導(dǎo)熱填料的開發(fā)將進(jìn)一步推動導(dǎo)熱材料在高端領(lǐng)域的應(yīng)用。

參考來源：
朱晴：高導(dǎo)熱熱界面材料的制備及其導(dǎo)熱性能研究
崔向紅等：導(dǎo)熱填料表面改性方法的研究進(jìn)展
王天倫：熱界面材料可靠性能研究進(jìn)展
趙登云：高導(dǎo)熱填料表面改性的研究及其應(yīng)用
劉科科等：高分子復(fù)合材料用導(dǎo)熱填料研究進(jìn)展
焦天明：熱界面材料的連續(xù)導(dǎo)熱路徑的設(shè)計、構(gòu)筑及性能研究
QYResearch