電子設備高效散熱的關鍵材料，導熱填料怎么選？

隨著電子設備功率密度不斷增加，高效散熱已成為制約技術發展的關鍵因素。導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，主要是通過填補電子元器件與散熱器接合或接觸時產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熱的填料制備而成。由于聚合物基體本身熱導率較低，導熱填料成為賦予熱界面材料高效導熱性能的核心關鍵。

導熱填料有哪些

常用的導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。熱界面材料根據導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熱非絕緣型熱界面材料，無機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熱性，導熱系數較高。常用的金屬類導熱填料主要包括金粉、銀粉、銅粉、鋁粉、鋅粉、鎳粉以及低熔點合金。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，當存在溫度梯度時，自由電子會從高溫區域向低溫區域遷移，金屬主要就是通過電子的運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熱系數，比金屬填料的導熱性還要好。根據形貌區分為一維碳材料（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）。其中碳納米管的導熱系數為3100-3500 W/(m·K)，石墨烯的導熱系數為4840-5300 W/(m·K)，并且它們易于制造，具有多種形狀，是熱管理應用最有希望的候選者。

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

石墨烯粉體，圖源：德陽烯碳科技有限公司

（3）陶瓷類填料

陶瓷類導熱填料具有優異的導熱性及電絕緣性，在電子封裝領域具有獨特優勢。常見的無機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率和優良電絕緣性等特點，在導熱且絕緣需求的領域具有良好的應用前景。

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

h-BN粉體，圖源：河南氮硼新材料科技有限公司

改性關鍵：破解團聚難題

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

偶聯劑改性：通過將偶聯劑上的有機分子結合到無機粉體表面，使得無機粉體的表面自由能降低，減小團聚現象，增大與有機基體的相容性。

酯化反應改性：由無機粉體表面上的羥基與改性劑中的羧基或醇羥基發生反應，使有機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：先在無機粉體表面進行表面接枝改性，然后在其基礎上發生聚合反應從而引入有機物質。

性能調控：三大維度優化導熱網絡

填料設計優化是開發高導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熱網絡的形成。

（1）填料尺寸

填料的不同尺寸分布會對材料的導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率，這是因為小顆粒能夠進入大顆粒無法占據的空間，存在于大顆粒之間的間隙中，與大顆粒或小顆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，導熱網絡更密集，材料的導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、力學性能等都具有一定的影響。分散在高分子基體中的導熱填料有粒狀、片狀、纖維狀等形態。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，使制備的材料擁有良好導熱性能；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熱通道，有利于導熱性能的提高；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熱傳導通路，從而有效地提高導熱性。

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熱網絡，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致的加工困難，使得單一填料很難讓復合材料達到理論熱導率。通過將不同形狀、尺寸、類型的導熱填料進行復配后，復合填料不僅可以有效減少聚合物基體中的空隙，構建完整的導熱通路，還可以改善填料在聚合物基體中的分散性，為導熱復合材料的設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熱路徑

小結

受電動汽車、5G、人工智能等新興產業需求驅動，同時政策支持和技術創新推動市場擴張，近年來導熱填料市場規模持續增長，預計未來幾年將保持較高增速。據QYResearch調研團隊報告，預計2031年全球導熱界面材料用填料市場規模將達到6.1億美元，未來幾年年復合增長率CAGR為7.5%。隨著技術的發展，新型導熱填料的開發將進一步推動導熱材料在高端領域的應用。

參考來源：
朱晴：高導熱熱界面材料的制備及其導熱性能研究
崔向紅等：導熱填料表面改性方法的研究進展
王天倫：熱界面材料可靠性能研究進展
趙登云：高導熱填料表面改性的研究及其應用
劉科科等：高分子復合材料用導熱填料研究進展
焦天明：熱界面材料的連續導熱路徑的設計、構筑及性能研究
QYResearch