TIM高端新材料---相變的導(dǎo)熱墊片

關(guān)鍵詞：5G，TIM, EMI ,EMC， ESD, 絕緣，高導(dǎo)熱，國(guó)產(chǎn)新材料

導(dǎo)語(yǔ)：隨著電子設(shè)備的性能和功能的提高，每個(gè)設(shè)備產(chǎn)生的熱量增加，有效地散發(fā)，消散和冷卻熱量很重要。對(duì)于5G智能手機(jī)和AR/VR設(shè)備等高性能移動(dòng)產(chǎn)品，由于采用高性能IC和追求減輕重量的高度集成設(shè)計(jì)，導(dǎo)致散熱部件的安裝空間受到限制。限制了殼體內(nèi)部的安裝空間，因此利用高導(dǎo)熱墊片等TIM技術(shù)方案來(lái)更好地實(shí)現(xiàn)散熱。

5G時(shí)代巨大數(shù)據(jù)流量對(duì)于通訊終端的芯片、天線(xiàn)等部件提出了更高的要求，器件功耗大幅提升的同時(shí)，引起了這些部位電子零部件發(fā)熱量的急劇增加，當(dāng)前5G射頻芯片、毫米波天線(xiàn)、無(wú)線(xiàn)充電、無(wú)線(xiàn)傳輸、IGBT、印刷線(xiàn)路板、AI、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域的散熱材料、吸波屏蔽材料的需求也在增加。

TIM熱管理材料分類(lèi)の紹介

一

概述

熱管理，包括熱的傳導(dǎo)、分散、存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換，正在成為一門(mén)新興的橫跨物理、電子和材料等的交叉學(xué)科，在電子、電池、汽車(chē)等行業(yè)都有特定的概念和含義，其中的熱管理材料發(fā)揮了舉足輕重的作用，與其它控制單元協(xié)同運(yùn)作保證了工作系統(tǒng)正常運(yùn)行在適當(dāng)?shù)臏囟取?/span>

伴隨著5G、大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)4.0、國(guó)家重大戰(zhàn)略需求等領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展，電子器件功率密度持續(xù)攀高，更急需高效的熱管理材料和方案來(lái)保證產(chǎn)品的效率、可靠性、安全性、耐用性和持續(xù)穩(wěn)定性。熱管理材料是熱管理系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ)，而成分、結(jié)構(gòu)及加工工藝對(duì)熱管理材料的核心技術(shù)指標(biāo)熱傳導(dǎo)率有重大影響。

圖1 電子設(shè)備熱管理系統(tǒng)

二

TIM熱管理材料

2-1 熱界面材料（Thermal Interface Material, TIM）

選擇理想的熱界面材料需要關(guān)注如下因素：

1）熱導(dǎo)率：熱界面材料的體熱導(dǎo)率決定了它在界面間傳遞熱量的能力，減少熱界面材料本身的熱阻；

2）熱阻：理想情況下應(yīng)盡可能低，以保持設(shè)備低于其工作溫度；

3）導(dǎo)電性：通常是基于聚合物或聚合物填充的不導(dǎo)電材料；

4）相變溫度：固體向液體轉(zhuǎn)變，界面材料填充空隙，保證所有空氣被排出的溫度；

5）粘度：相變溫度以上的相變材料粘度應(yīng)足夠高，以防止在垂直方向放置時(shí)界面材料流動(dòng)滴漏；

6）工作溫度范圍：必須適應(yīng)應(yīng)用環(huán)境；

7）壓力：夾緊產(chǎn)生的安裝壓力可以顯著改善TIM的性能，使其與表面的一致性達(dá)到最小的接觸電阻；

8）排氣：當(dāng)材料暴露在高溫和/或低氣壓下時(shí)，這種現(xiàn)象是揮發(fā)性氣體的釋放壓力；

9）表面光潔度：填充顆粒影響著界面的壓實(shí)和潤(rùn)濕程度，需要更好地填補(bǔ)了不規(guī)則表面的大空隙；

10）易于應(yīng)用：容易控制材料應(yīng)用的量；

11）材料的機(jī)械性能：處于膏狀或液態(tài)易于分配和打?。?/p>

12）長(zhǎng)期的穩(wěn)定性和可靠性：需要在設(shè)備的整個(gè)壽命周期內(nèi)始終如一地執(zhí)行（如微處理器7-10年，航空電子設(shè)備和電信設(shè)備的壽命預(yù)計(jì)為數(shù)十年）；13）成本：針對(duì)不同應(yīng)用，在性能、成本和可制造性等因素進(jìn)行綜合權(quán)衡。

2-1-1 熱油脂（Thermal Greases）

通常由兩種主要成分組成，即聚合物基和陶瓷或金屬填料。硅樹(shù)脂因其良好的熱穩(wěn)定性、潤(rùn)濕性和低彈性模量而被廣泛應(yīng)用，陶瓷填料主要使用如氧化鋁、氮化鋁、氧化鋅、二氧化硅和鈹?shù)难趸锏龋Ｓ玫慕饘偬盍先玢y和鋁。將基礎(chǔ)材料和填料混合成可用于配合表面的糊狀物，當(dāng)應(yīng)用在“粗糙”的表面被壓在一起時(shí)，油脂會(huì)流進(jìn)所有的空隙中以去除間隙空氣。

2-1-2 相變材料（Phase Change Materials, PCM）PCM傳統(tǒng)上是低溫?zé)崴苄阅z黏劑，通常在50-80°C范圍內(nèi)熔化，并具有多種配置，以增強(qiáng)其導(dǎo)熱性；基于低熔點(diǎn)合金和形狀記憶合金的全金屬相變材料已經(jīng)有研究發(fā)展。相變材料通常設(shè)計(jì)為熔點(diǎn)低于電子元件的最高工作溫度。熱墊（Thermal Pads）熱墊的關(guān)鍵是它們改變物理特性的能力。在室溫下，它們是堅(jiān)固的，容易處理，當(dāng)電子元件達(dá)到其工作溫度時(shí)，相變材料變軟，隨著夾緊壓力，它最終開(kāi)始像油脂一樣流入接頭的空隙中，該材料填補(bǔ)了空氣間隙和空隙，改善了組件和散熱器之間的熱流。相比于油脂材料熱墊不受泵出效應(yīng)和干問(wèn)題困擾。低熔點(diǎn)合金（Low Melting Alloys, LMAs）基于低熔點(diǎn)合金（或稱(chēng)為液態(tài)金屬）的相變熱界面材料，需要在低于電子元件工作溫度的液態(tài)狀態(tài)下才能流入所有的表面邊緣。低熔點(diǎn)合金具有優(yōu)異的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性，而且性質(zhì)穩(wěn)定、常溫下不與水反應(yīng)，不易揮發(fā)、安全無(wú)毒。通過(guò)不同的配方可實(shí)現(xiàn)不同熔點(diǎn)、不同粘度、不同熱導(dǎo)率/電導(dǎo)率，以及不同物理形態(tài)的液態(tài)金屬材料。鉍、銦、鎵和錫基合金（如鎵鋁合金、鎵鉍合金、鎵錫合金、鎵銦合金）是最常用的合金，通常不使用有毒性和環(huán)境問(wèn)題的鎘、鉛和汞基合金。

形狀記憶合金（Shape Memory Alloys, SMA）將一種或多種形狀記憶合金顆粒分散在熱油脂中，并在設(shè)備工作溫度下應(yīng)用于熱源和散熱器之間的界面，研究表明形狀記憶合金增強(qiáng)了電子器件與散熱器之間的熱接觸。在電子器件使用過(guò)程中，溫度的升高使形狀記憶合金由低溫馬氏體相變?yōu)楦邷貖W氏體相變。片狀剝離粘土（Exfoliated Clay）將一種或多種聚合物、導(dǎo)熱填料和剝離粘土材料組成一種相變材料，在粘土剝離成熱界面材料的過(guò)程中，粘土顆粒彌散成長(zhǎng)徑比大于200且表面積大的片狀結(jié)構(gòu)。由于高長(zhǎng)徑比，只需要少量顆粒小于10wt%的粘土顆粒就能顯著提高TIM的熱性能；也有人認(rèn)為，這些粒子減緩了氧氣和水通過(guò)界面材料的擴(kuò)散和減慢了揮發(fā)性組件的釋放速度，從而減少了泵出和干出，提高了TIM的可靠性和性能。熔絲/不熔的填料（Fusible/Non-Fusible Fillers）將硅樹(shù)脂等聚合物與可熔性填料（如焊料粉末）結(jié)合而成的混合物TIM，在固化過(guò)程中，焊料顆粒回流融合在一起形成高導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。還可以在相變材料中添加難熔填料，以形成易熔和難熔填料的混合物，從而增強(qiáng)TIM的機(jī)械性能。當(dāng)熱通過(guò)滲透（即點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的顆粒接觸）傳導(dǎo)時(shí)，不可熔顆粒也會(huì)增加基體的熱導(dǎo)率。測(cè)試的非易熔顆粒填料材料包括氧化鋅、鋁、氮化硼、銀、石墨、碳纖維、金剛石和金屬涂層填料，如金屬涂層碳纖維或金屬涂層金剛石，在熱界面材料中，推薦易熔填料比例為60-90wt%和非易熔填料比例為5-50wt%。

2-1-3熱傳導(dǎo)彈性體（Thermally Conductive Elastomers）熱傳導(dǎo)彈性體（或稱(chēng)為凝膠，Gels）通常由填充有熱傳導(dǎo)陶瓷顆粒的硅彈性體組成，可以用編織玻璃纖維或電介質(zhì)膜等增強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度。彈性體通常用于需要電絕緣的設(shè)備中，彈性材料的TIMs不像油脂可自由流動(dòng)，為了符合表面的不規(guī)則性，需要足夠的壓縮載荷來(lái)變形。在低壓力下，彈性體不能填充表面之間的空隙，熱界面電阻高；隨著壓力的增加，彈性體填充了更多的微觀空隙，熱阻減小。若組裝完成，就需要永久性的機(jī)械緊固件來(lái)保持連接，所獲得的熱阻取決于厚度、夾緊壓力和體積導(dǎo)熱系數(shù)。

2-1-4 碳基熱界面材料（Carbon Based TIMS）碳纖維/納米纖維（Carbon Fibre/Nano-Fibre）通過(guò)精密切割連續(xù)的高導(dǎo)熱碳纖維束和靜電植絨纖維排列在基材上，并用一層薄薄的未固化粘合劑固定形成一個(gè)天鵝絨一樣的結(jié)構(gòu)?；陌ń饘俨?、聚合物和帶有粘合劑的碳片，如硅樹(shù)脂、環(huán)氧樹(shù)脂和陶瓷粘合劑纖維，它們可以獨(dú)立彎曲以跨越局部間隙，同時(shí)需要較低的接觸壓力以確保每根纖維都能接觸兩個(gè)表面。石墨片（Graphite Flakes）把蠕蟲(chóng)石墨在沒(méi)有粘合劑的情況下壓縮在一起，形成一個(gè)有粘性的高純度石墨薄片，這些柔性材料最初是用于流體密封的墊片（如內(nèi)燃機(jī)的封頭墊片），由于石墨片材料具有天然的多孔性，將其浸漬礦物油或合成油等聚合物可用于開(kāi)發(fā)特定等級(jí)的高性能柔性石墨片用于TIM應(yīng)用。

碳納米管（Carbon Nanotubes）結(jié)合碳納米管結(jié)構(gòu)及導(dǎo)熱特性，它在熱管理技術(shù)中潛在的應(yīng)用方向主要包括：(1) 將碳納米管作為添加劑改善各種聚合物基體內(nèi)的熱傳遞網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而發(fā)展高性能導(dǎo)熱樹(shù)脂、電子填料或黏合劑；(2) 構(gòu)建自支撐碳納米管薄膜結(jié)構(gòu), 通過(guò)調(diào)制碳納米管取向分布實(shí)現(xiàn)不同方向的傳熱；(3) 發(fā)展碳納米管豎直陣列結(jié)構(gòu)，通過(guò)管間填充、兩端復(fù)合實(shí)現(xiàn)熱量沿著碳納米管高熱導(dǎo)率的軸向方向傳輸，以期為兩個(gè)界面間熱的輸運(yùn)提供了有效的通道開(kāi)發(fā)高性能[3]。最常見(jiàn)的基于碳納米管TIMs主要分為三類(lèi)，按照制造復(fù)雜性的順序排列如下：碳納米管和碳納米管與金屬顆粒在聚合物基體中的均勻混合，碳納米管在襯底上的垂直排列生長(zhǎng)，以及在芯片和熱分布器之間的兩面排列生長(zhǎng)。在碳納米管TIMs中，碳納米管各向異性的結(jié)構(gòu)物性特點(diǎn)及與其它材料接觸界面熱阻過(guò)大的問(wèn)題是需要研究者們重點(diǎn)關(guān)注研究的方向。電子裝置的總熱阻通常包括裝置本身對(duì)環(huán)境的熱耗散和TIM之間的接觸熱阻。而功率損耗的增加是一種趨勢(shì)，將需要具有更高性能、最低熱阻和長(zhǎng)期可靠性的熱界面材料。

石墨烯（Graphene）石墨烯熱界面材料主要以石墨烯或石墨烯與碳納米管、金屬等復(fù)合作為導(dǎo)熱填料，材料基體主要以環(huán)氧樹(shù)脂（導(dǎo)熱膠黏劑）為主要研究方向，其它基體如硅油、礦物油、硅橡膠、聚丙烯酸酯、聚乙烯、聚氨酯等。石墨烯作為導(dǎo)熱填料的原料主要包括石墨烯片、剝離膨脹石墨烯片層、單層和多層石墨烯、單壁碳納米管和石墨烯、多壁碳納米管和石墨烯、聯(lián)苯胺功能化石墨烯、石墨烯和銀顆粒及氧化石墨烯等添加形式。單層或少層石墨烯還可以用于高功率電子器件散熱，如將化學(xué)氣相沉積（CVD）法制備的石墨烯轉(zhuǎn)移到高功率芯片上。其散熱效果取決于石墨烯片的大小及層數(shù)，且在轉(zhuǎn)移過(guò)程中易引入雜質(zhì)或產(chǎn)生褶皺和裂紋，也會(huì)影響石墨烯散熱效果。提高CVD法制備的石墨烯質(zhì)量和優(yōu)化轉(zhuǎn)移方法減少其轉(zhuǎn)移過(guò)程中的損壞，或直接將石墨烯生長(zhǎng)在功率芯片表面，是提高石墨烯散熱效果的主要方法。將石墨烯制備成宏觀薄膜應(yīng)用于熱管理中也是一種重要的途徑，主要方法有：將液相剝離石墨烯經(jīng)過(guò)旋涂、滴涂、浸涂、噴涂和靜電紡絲等方式成膜；將氧化石墨烯通過(guò)高溫還原或者化學(xué)還原成膜；將石墨烯和碳纖維復(fù)合成膜；或者將石墨烯薄膜制備成三維形狀成膜等。石墨烯需要和器件基板接觸，因此減少石墨烯薄膜和基板間的接觸熱阻是石墨烯熱管理應(yīng)用必須考慮的問(wèn)題，如采用共價(jià)鍵、功能化分子等方式。石墨烯薄膜性能和價(jià)格有優(yōu)勢(shì)才能取代目前主流的石墨膜（PI）散熱片，這對(duì)石墨烯薄膜產(chǎn)業(yè)化是一個(gè)極大的挑戰(zhàn)。

三

封裝材料

電子封裝材料是半導(dǎo)體芯片與集成電路連接外部電子系統(tǒng)的主要介質(zhì)，對(duì)電子器件的使用影響重大。理想的電子封裝材料應(yīng)滿(mǎn)足如下性能要求：（1）高的熱導(dǎo)率，保證電子器件正常工作時(shí)產(chǎn)生的熱量能及時(shí)散發(fā)出去；（2）熱膨脹系數(shù)需要與半導(dǎo)體芯片相匹配，避免升溫和冷卻過(guò)程中由于兩者不匹配而導(dǎo)致的熱應(yīng)力熱應(yīng)力損壞；（3）低密度，用在航天、軍事等方面，便于攜帶；（4）綜合的力學(xué)性能，封裝材料對(duì)電子元器件需起到支撐作用。

圖2 典型封裝材料的熱膨脹系數(shù)及熱導(dǎo)率與密度比值3-1 焊料

鉛錫焊料由于熔點(diǎn)低、性?xún)r(jià)比高等特點(diǎn)成為低溫焊料中最主要的焊料系列，但由于所含鉛的比例高給環(huán)境帶來(lái)了嚴(yán)重的污染，世界各國(guó)都在對(duì)性能相近或更高的無(wú)鉛焊料進(jìn)行重點(diǎn)研究。

新的元素添加到基于Sn體系中有如下基本要求：1）降低純錫表面張力，提高潤(rùn)濕性；2）使焊料和基體之間通過(guò)擴(kuò)散快速形成金屬間化合物；3）提高Sn的延性；4）防止b-Sn轉(zhuǎn)變?yōu)閍 -Sn，導(dǎo)致不必要的體積變化，降低焊料的結(jié)構(gòu)完整性和可靠性；5）在液相可以轉(zhuǎn)變?yōu)閮煞N或兩種以上固相的情況下，用共晶或近共晶成分保持熔點(diǎn)在183℃左右；6）改善機(jī)械性能（如蠕變、熱-機(jī)械疲勞、振動(dòng)和機(jī)械沖擊、剪切和熱老化）；7）防止錫晶須過(guò)度生長(zhǎng)。

已被人們研究的可替代Sn-Pb體系中鉛的金屬有Ag、Bi、Cd、Cu、In、Sb、Zn、Al等，主要被研究開(kāi)發(fā)的合金體系有：Sn-Ag-Cu、Sn-Cu、Sn-Ag、Sn-Ag-Cu-Bi、Bi–In、Sn–In、Sn –Bi、Sn–Bi–In、Sn–Zn–Bi、Sn–Zn等系列，另外活性納米粒子（如Co、Ni、Pt、Pd、Al、P、Cu、Zn、Ge、Ag、In、Sb、Au、TiO 2、SiC、Al2O3、SWCNT、SiO2、Cu–Zn、Cu6Sn5、Ag3Sn等）的添加可以改變焊料的微觀結(jié)構(gòu)、熔化溫度、潤(rùn)濕性和機(jī)械性能。

無(wú)論在學(xué)術(shù)研究還是工業(yè)應(yīng)用，由于高或低的熔點(diǎn)、高界面生長(zhǎng)、低潤(rùn)濕性、低耐蝕性和成本等問(wèn)題，很難用任何一種焊料合金來(lái)代替所有的Sn-Pb焊料?，F(xiàn)實(shí)的解決方案可能是通過(guò)與其他合金元素相結(jié)合來(lái)進(jìn)行適當(dāng)?shù)膽?yīng)用，或者通過(guò)研究焊料合金的物理冶金和加工條件，改善焊料的微觀結(jié)構(gòu)和可靠性，及尋找具有良好重復(fù)性的工業(yè)規(guī)模合成路線(xiàn)等。

3-2 聚合物基復(fù)合材料

導(dǎo)熱聚合物材料的研究主要集中在填充型導(dǎo)熱聚合物材料方向，

聚合物基體主要有：HDPE、UHMWPE、LCP、POM、LDPE、EVA、PPS、PBT、PTFE、PA66、PA6、PEEK、PSU、PMMA、PC、TPU、ABS、PVC、PVDF、SB、SAN、PET、PS、PVDC、PIB、PP、PI；

導(dǎo)熱填料類(lèi)型主要有：（1）金屬類(lèi)，如銅、銀、金、鎳和鋁等；（2）碳類(lèi)，如無(wú)定型碳、石墨、金剛石、碳納米管和石墨烯等；（3）陶瓷類(lèi)，如氮化硼（BN）、氮化鋁（A1N）、氮化硅（Si3N4）、碳化硅（SiC）、氧化鎂（MgO）、氧化鈹（BeO）、氧化鋁（Al2O3）、氧化鋅（ZnO）、氧化硅（SiO2）等。填料的添加量、形狀、尺寸、混合比例、表面處理及取向、團(tuán)聚、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等都對(duì)聚合物基復(fù)合材料的熱導(dǎo)率有很大的影響。

聚合物基復(fù)合材料有如下特性：1）可通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)奶盍蟻?lái)控制電氣絕緣和電氣傳導(dǎo)；2）易加工的整體零件或復(fù)雜的幾何形狀；3）重量輕；4）耐腐蝕；5）若使用柔性聚合物，則須符合相鄰粗糙表面的幾何形狀；6）聚合物復(fù)合材料的回彈性會(huì)引起振動(dòng)阻尼。聚合物基復(fù)合材料不僅應(yīng)用于電子封裝，還應(yīng)用于LED器件、電池和太陽(yáng)電池等。

3-2 金屬基復(fù)合材料

金屬基復(fù)合材料通過(guò)改變?cè)鰪?qiáng)相種類(lèi)、體積分?jǐn)?shù)、排列方式或復(fù)合材料的熱處理工藝，能夠?qū)崿F(xiàn)熱導(dǎo)率高、熱膨脹系數(shù)可調(diào)的功能，并綜合金屬基體優(yōu)良的導(dǎo)熱性、可加工性和增強(qiáng)體高導(dǎo)熱、低熱膨脹的優(yōu)點(diǎn)，能夠制備出熱物理性能與電子器件材料相匹配的封裝材料。

金屬基復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的主要影響因素為增強(qiáng)體和金屬基體的物性，如種類(lèi)、含量、形狀、尺寸及純度等。目前工藝成熟且性能穩(wěn)定得到廣泛應(yīng)用的是高體積分?jǐn)?shù)SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料（熱導(dǎo)率達(dá)200W/（m·K）、熱膨脹系數(shù)為7.8×10-6K-1，密度僅為3.0g/cm3），而為了開(kāi)發(fā)熱導(dǎo)率更高的金屬基復(fù)合材料，目前主要的研究方向是金剛石、石墨烯等增強(qiáng)的鋁基、銅基和銀基復(fù)合材料，但此類(lèi)金屬基體與金剛石或石墨烯之間潤(rùn)濕性較差，界面效應(yīng)成為制約其性能的瓶頸。

3-2-1單項(xiàng)增強(qiáng)體金屬基復(fù)合材料

纖維：包括碳纖維增強(qiáng)銅基和鋁基復(fù)合材料（Cf/Cu、Cf/Al、），碳化硅纖維增強(qiáng)銅基復(fù)合材料（SiCf/Cu），以及金剛石纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，材料體中纖維以空間隨機(jī)分布、平面隨機(jī)分布和單向分布。

片體：如石墨片、石墨烯納米片等二維平面結(jié)構(gòu)材料。

顆粒：常見(jiàn)的有石墨顆粒、硅顆粒、碳化硅、金剛石等，其中Si/Al，SiC/Al廣泛應(yīng)用于電子封裝工業(yè)。

網(wǎng)絡(luò)互穿：增強(qiáng)相與基體相在空間都保持連續(xù)分布，從而可弱化復(fù)合界面對(duì)材料熱學(xué)性能的顯著影響，如C/Al、（SiC+C）/Al、CNTs/Cu等復(fù)合材料。

3-2-2 混雜增強(qiáng)體金屬基復(fù)合材料

顆粒-顆粒：包括雙粒度同質(zhì)顆粒、雙粒度異質(zhì)顆粒和等粒徑異質(zhì)顆粒等，如雙粒度SiC/Al、等粒徑（Dia+SiC）/Al等復(fù)合材料。

顆粒-片體：理論上有望彌補(bǔ)片體各向異性和顆粒增強(qiáng)效率低，同時(shí)發(fā)揮片體在半導(dǎo)體器件平面方向上的低膨脹與顆粒高導(dǎo)熱的作用，或者實(shí)現(xiàn)片體在平面方向上的高導(dǎo)熱與顆粒抑制熱膨脹的作用相匹配，如石墨片+碳化硅浸滲液相鋁合金復(fù)合材料。

納米材料：不僅有優(yōu)異的力學(xué)性能、極低的熱膨脹系數(shù)，而且具有很高的導(dǎo)熱性能，如碳納米纖維、碳納米管、石墨烯納米片、納米金剛石等。利用粉末冶金方法、片狀粉末冶金方法、選擇性涂布浸漬、金屬箔冷軋退火等工藝，可制備如納米項(xiàng)增強(qiáng)材料如碳納米管與金屬粉末（銅粉末）、片狀粉末冶金（CNTs/Al、CNTs/Cu及GNS/Al）等復(fù)合材料。納米相表面金屬化有望改善由納米相豐富的比表面積和金屬基體穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)帶來(lái)的界面結(jié)合困難問(wèn)題，常用方法有（電）化學(xué)鍍銅、鍍鎳等]。

3-3相變材料

相變材料（Phase Change Materials, PCM）是利用物質(zhì)在相變（如凝固/熔化、凝結(jié)/汽化、固化/升華等）過(guò)程發(fā)生的相變熱來(lái)進(jìn)行熱量的儲(chǔ)存和利用的潛熱存儲(chǔ)材料。

圖3 儲(chǔ)能材料的分類(lèi)

PCM根據(jù)其化學(xué)成分可歸類(lèi)為有機(jī)和無(wú)機(jī)相變材料。有機(jī)相變材料主要由烷烴制成，包括石蠟、脂肪醇 、脂肪酸、蠟及烷烴基合金等；無(wú)機(jī)相變材料包括熔鹽、鹽水合物和金屬等；另一類(lèi)相變材料包括有機(jī)-無(wú)機(jī)、無(wú)機(jī)-無(wú)機(jī)和有機(jī)-有機(jī)化合物的共晶混合物。

無(wú)機(jī)共晶混合物適用于高溫?zé)岽鎯?chǔ)系統(tǒng)，如集中太陽(yáng)能熱電廠；有機(jī)共晶體適用于低溫儲(chǔ)熱，如維持建筑溫度，用于電池組的熱管理系統(tǒng)等；石蠟、脂肪酸和脂肪醇等有機(jī)化合物熔點(diǎn)低（10?60℃），適用于家用熱存儲(chǔ)。直鏈烴石蠟具有熔融熱高、低蒸氣壓、化學(xué)惰性、無(wú)相分離的自發(fā)成核等理想特性，是目前研究最多的有機(jī)PCM 之一，但石蠟的熱導(dǎo)率僅為0.2W/(m·K )，增加了其熔化時(shí)間以及蓄熱系統(tǒng)的充熱時(shí)間，因此向石蠟中加入高熱導(dǎo)率填料形成PCM復(fù)合材料是研究的一個(gè)熱點(diǎn)。

PCM材料要注意的問(wèn)題:

1、傳統(tǒng)的PCM性質(zhì)分析方法局限性：1）分析少量樣本（1-10毫克），盡管PCMs的某些行為取決于其數(shù)量；2）分析儀器復(fù)雜而昂貴；3）無(wú)法直觀觀察到相變。

2、長(zhǎng)期穩(wěn)定性：1）PCM-容器系統(tǒng)的穩(wěn)定性，儲(chǔ)存材料和容器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性不足是限制潛熱儲(chǔ)存廣泛使用的一個(gè)問(wèn)題。一個(gè)相關(guān)的方面是這些系統(tǒng)的使用壽命，以及它們?cè)诓唤档托阅艿那闆r下能夠承受的循環(huán)次數(shù)；2）材料腐蝕，大多數(shù)關(guān)于鹽水合物腐蝕試驗(yàn)的文獻(xiàn)都是用稀釋的鹽水合物進(jìn)行的，通常在化學(xué)工業(yè)中使用，只有少數(shù)結(jié)果是基于對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置的觀察；3）材料封裝，如不同的幾何形狀，有機(jī)共晶的結(jié)晶過(guò)程，不同組分比例的包封，封裝濃縮空隙，微膠囊化等。

四

隔熱材料

隔熱材料主要是指具有絕緣性能、對(duì)熱流可起屏蔽作用的材料或材料復(fù)合體，通常具有質(zhì)輕、疏松、多孔、導(dǎo)熱系數(shù)小的特點(diǎn)，工業(yè)上廣泛用于防止熱工設(shè)備及管道的熱量散失，或者在冷凍和低溫條件下使用，因此又被稱(chēng)為保溫或保冷材料，同時(shí)由于其多孔或纖維狀結(jié)構(gòu)具有良好的吸聲功能，也廣泛用于建筑行業(yè)。

4-1 材質(zhì)分類(lèi)

隔熱材料依據(jù)材質(zhì)可分為無(wú)機(jī)隔熱材料、有機(jī)隔熱材料、金屬及其夾層隔熱材料。

無(wú)機(jī)材料：（1）天然礦物，如石棉、硅藻土等；（2）人造材料，如陶瓷棉、玻璃棉、多孔類(lèi)隔熱磚和泡沫材料。此類(lèi)材料具有不腐爛、不燃燒、耐高溫等特點(diǎn)，多用于熱工設(shè)備及管道保溫。

有機(jī)材料：（1）天然有機(jī)類(lèi)，如軟木、織物纖維、獸毛等；（2）人造或合成有機(jī)類(lèi)，如人造纖維、泡沫塑料、泡沫橡膠等；（3）蜂窩材料，如蜂窩紙、蜂窩板。此類(lèi)材料具有導(dǎo)熱系數(shù)極小、耐低溫、易燃等特點(diǎn)，適用于普冷下的保冷材料。

金屬及其夾層隔熱材料：（1）金屬材料，如銅、鋁、鎳等箔材；（2）金屬箔與有機(jī)或無(wú)機(jī)材料的夾層（或蜂窩）復(fù)合材料。此類(lèi)材料具有很高的紅外輻射反射率，主要應(yīng)用于航空航天中的高溫?zé)岱雷o(hù)領(lǐng)域。

4-2 形態(tài)分類(lèi)

隔熱材料依據(jù)材料形態(tài)分為多孔隔熱材料、纖維狀隔熱材料、粉末狀隔熱材料和層狀隔熱材料。

多孔材料又稱(chēng)泡沫隔熱材料，具有質(zhì)量輕、絕緣性能好、彈性好、尺寸穩(wěn)定、耐穩(wěn)定性差等特點(diǎn)，主要有泡沫塑料、泡沫玻璃、泡沫橡膠、硅酸鈣、輕質(zhì)耐火材料等。

纖維狀隔熱材料又可分為有機(jī)纖維、無(wú)機(jī)纖維、金屬纖維和復(fù)合纖維等，工業(yè)上主要應(yīng)用的是無(wú)機(jī)纖維，如石棉、巖棉、玻璃棉、硅酸鋁陶瓷纖維、晶質(zhì)氧化鋁纖維等。

粉末狀隔熱材料主要有硅藻土、膨脹珍珠巖及其制品，主要應(yīng)用在建筑和熱工設(shè)備上。

4-3 新型隔熱材料

4-3-1 氣凝膠保溫隔熱材料

氣凝膠通常是指以納米量級(jí)超微顆粒相互聚集構(gòu)成的納米多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并在網(wǎng)絡(luò)孔隙中充滿(mǎn)氣態(tài)分散介質(zhì)的輕質(zhì)納米固態(tài)材料，孔隙率高達(dá)80%~99.8%，密度低至0.003g/cm3，常溫?zé)釋?dǎo)率低于空氣，是一種較為理想的輕質(zhì)、高效隔熱材料。

氣凝膠隔熱材料主要包括SiO2氣凝膠、ZrO2氣凝膠、Al2O3氣凝膠、Si-C-O氣凝膠及碳基氣凝膠（如石墨烯氣凝膠）等，在建筑、石化、航空航天等領(lǐng)域有廣泛使用。如民用領(lǐng)域的氣凝膠透明玻璃墻體、硅氣凝膠夾芯板及柔性氣凝膠隔熱氈等，廣泛應(yīng)用于管道、飛機(jī)、汽車(chē)等保溫體系中；航天航空領(lǐng)域的陶瓷纖維-氣凝膠復(fù)合隔熱瓦等。

4-3-2 碳質(zhì)保溫隔熱材料

碳?xì)质且环N低強(qiáng)碳纖維，主要可由聚丙烯腈纖維、瀝青（石油瀝青和煤瀝青）碳纖維、酚醛纖維、纖維素（即粘膠人造絲）纖維等制成，其導(dǎo)熱系數(shù)小、熱容量低、密度小、線(xiàn)膨脹系數(shù)小、耐高溫、耐熱沖擊強(qiáng)、耐化學(xué)腐蝕性強(qiáng)、高純無(wú)污染等優(yōu)異特性，主要應(yīng)用于晶體硅鑄錠爐、柴油車(chē)尾氣過(guò)濾器用陶瓷燒結(jié)、金屬熱處理、稀土類(lèi)磁性材料制造、半導(dǎo)體晶圓生產(chǎn)設(shè)備、真空電阻爐、感應(yīng)爐、燒結(jié)爐、熱處理爐等。

4-3-3 復(fù)合保溫隔熱材料

復(fù)合硅酸鹽保溫材料具有可塑性強(qiáng)、導(dǎo)熱系數(shù)低、耐高溫、漿料干燥收縮率小等特點(diǎn)，主要有硅酸鎂、硅鎂鋁、稀土復(fù)合材料等。海泡石保溫隔熱材料是復(fù)合硅酸鹽保溫材料中的佼佼者，硅酸鋁耐火纖維可以制作薄層陶瓷纖維隔熱層，或者纖維墊、纖維氈、纖維板、纖維紙、纖維繩及織物等，可廣泛用于航空航天領(lǐng)域等。

隔熱保溫材料是節(jié)約能源的一個(gè)有效手段，開(kāi)發(fā)科技含量高、性能優(yōu)良且穩(wěn)定、使用壽命長(zhǎng)、制造成本低、環(huán)境友好的隔熱材料是未來(lái)發(fā)展的重點(diǎn)和熱點(diǎn)，其中憎水性保溫隔熱材料（如硅酸鹽材料）、泡沫類(lèi)保溫隔熱材料（如應(yīng)用于核工業(yè)的泡沫陶瓷、建筑隔熱的泡沫玻璃等）、環(huán)境友好型保溫隔熱材料（如利用粉煤灰制備熱工窯爐用隔熱材料）等是主要的發(fā)展方向。

五

熱電材料

圖4 熱電制冷器件

熱電制冷器件是利用熱電材料的Peltier效應(yīng)，可以在通入電流的條件下將熱從高溫端轉(zhuǎn)移到低溫端，實(shí)現(xiàn)電到熱的轉(zhuǎn)化，提高電子模塊封裝的冷卻效果，從而減少芯片結(jié)溫或適應(yīng)更高的功耗。理想的熱電材料需要高的無(wú)量綱優(yōu)值（zT），即低的熱導(dǎo)率、高的功率因子；熱電制冷器件具有小巧、無(wú)噪音、沒(méi)有活動(dòng)部件等優(yōu)勢(shì)、還可以進(jìn)行主動(dòng)溫度控制，是固態(tài)激光器、焦平面特測(cè)器陣列等必備冷卻裝置，還可以利用Peltier效應(yīng)的逆效應(yīng)Seebeck效應(yīng)將汽車(chē)尾氣等熱能轉(zhuǎn)化為電能[3]。

熱電制冷器件可調(diào)節(jié)的熱流量大小有限，能效比（Coefficient of Performance，COP）要比傳統(tǒng)的冷凝系統(tǒng)低，并依賴(lài)于應(yīng)用環(huán)境（通常小于1），意味著熱電制冷器件所消耗的電能相當(dāng)/或大于元器件被冷卻的功率耗散，這些缺點(diǎn)主要是由于熱電材料本身的局限所致，所以熱電制冷器件目前僅應(yīng)用在相對(duì)較低的熱流量場(chǎng)合。為了改善熱電制冷器件的性能，開(kāi)發(fā)高性能的熱電材料是業(yè)界主要的研究方向之一。

圖5 n型（a）及 P型（b）典型熱電材料的無(wú)量綱優(yōu)值 zT

六

小結(jié)

從工程應(yīng)用的角度而言，對(duì)于熱管理材料的要求是多方面的。例如，希望熱界面材料在具有高熱導(dǎo)率的同時(shí)保持高的柔韌性和絕緣性；對(duì)于高導(dǎo)熱封裝材料，則希望高的熱導(dǎo)率和與半導(dǎo)體器件相匹配的熱膨脹率；對(duì)于相變儲(chǔ)熱材料，則希望高的儲(chǔ)熱能力和熱傳導(dǎo)能力。為了同時(shí)兼顧這些特性，將不同的材料復(fù)合化在一起從而達(dá)到設(shè)計(jì)要求的整體性能是熱管理材料的發(fā)展趨勢(shì)，性能主要影響因素有增強(qiáng)體的物性（熱導(dǎo)率、熱膨脹率、體積分?jǐn)?shù)、形狀及尺寸）、基體的物性（熱導(dǎo)率和熱膨脹率等）、增強(qiáng)體/基體的界及增強(qiáng)體在基體中的空間分布（彌散或連續(xù)分布）。
近來(lái)人們研究發(fā)現(xiàn)，材料的非均勻復(fù)合構(gòu)型（如混雜、層狀、環(huán)狀、雙峰、梯度、多孔、雙連續(xù)/互穿網(wǎng)絡(luò)、分級(jí)、諧波等）更有利于發(fā)揮復(fù)合設(shè)計(jì)的自由度和復(fù)合材料中不同組元間的協(xié)同耦合效應(yīng)，復(fù)合界面（亞微米尺度界面層）的微觀結(jié)構(gòu)精細(xì)調(diào)控（化學(xué)成分、結(jié)合狀態(tài)、微觀結(jié)構(gòu)及物相組成等）影響著界面處產(chǎn)生的界面應(yīng)力、界面化學(xué)反應(yīng)、界面組分偏析、界面結(jié)晶等界面效應(yīng)，導(dǎo)致界面處熱及力學(xué)性能的不同，從而顯著影響到復(fù)合材料的熱導(dǎo)率及熱膨脹率，這些已經(jīng)成為熱管理材料復(fù)合化研究的主要方向。

TIM熱管理材料---相變導(dǎo)熱墊片

一

相變的定義

物質(zhì)從一種相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N相的過(guò)程。物質(zhì)系統(tǒng)中物理、化學(xué)性質(zhì)完全相同，與其他部分具有明顯分界面的均勻部分稱(chēng)為相。與固、液、氣三態(tài)對(duì)應(yīng)，物質(zhì)有固相、液相、氣相。一級(jí)相變：在發(fā)生相變時(shí)，有體積的變化同時(shí)有熱量的吸收或釋放，這類(lèi)相變即稱(chēng)為“一級(jí)相變”。例如，在1個(gè)大氣壓0℃的情況下，1千克質(zhì)量的冰轉(zhuǎn)變成同溫度的水，要吸收79.6千卡的熱量，與此同時(shí)體積亦收縮。所以，冰與水之間的轉(zhuǎn)換屬一級(jí)相變。二級(jí)相變：在發(fā)生相變時(shí)，體積不變化的情況下，也不伴隨熱量的吸收和釋放，只是熱容量、熱膨脹系數(shù)和等溫壓縮系數(shù)等的物理量發(fā)生變化，這一類(lèi)變化稱(chēng)為二級(jí)相變。正常液態(tài)氦（氦Ⅰ）與超流氦（氦Ⅱ）之間的轉(zhuǎn)變，正常導(dǎo)體與超導(dǎo)體之間的轉(zhuǎn)變，順磁體與鐵磁體之間的轉(zhuǎn)變，合金的有序態(tài)與無(wú)序態(tài)之間的轉(zhuǎn)變等都是典型的二級(jí)相變的例子。

二

相變材料

相變材料(PCM - Phase Change Material)是指溫度不變的情況下而改變物質(zhì)狀態(tài)并能提供潛熱的物質(zhì)。轉(zhuǎn)變物理性質(zhì)的過(guò)程稱(chēng)為相變過(guò)程，這時(shí)相變材料將吸收或釋放大量的潛熱。這種材料一旦在人類(lèi)生活被廣泛應(yīng)用，將成為節(jié)能環(huán)保的最佳綠色環(huán)保載體。相變材料可分為有機(jī)和無(wú)機(jī)相變材料,分水合鹽相變材料和蠟質(zhì)相變材料。

相變材料種類(lèi)很多，分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)也很多樣。若按物質(zhì)相狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)變變方式可以分為以下四種：固體與固體之間的相變（固-固相變）、固體與液體之間的相變（固-液相變）、氣體與固體之間的相變（氣-固相變） 和氣體與液體之間的相變（氣-液相變）;固-固相變材料的儲(chǔ)能原理如下：當(dāng)物質(zhì)由一種結(jié)晶態(tài)向另一種結(jié)晶態(tài)的轉(zhuǎn)變時(shí)，會(huì)發(fā)生能量的轉(zhuǎn)換，利用該過(guò)程可以達(dá)到儲(chǔ)能的目的。這類(lèi)相變材料特點(diǎn)是：1、很小的潛熱蓄熱密度；2、跟固液相變體積變化相比，固固相變的體積變化較小。固-固相變具備一項(xiàng)很明顯的優(yōu)勢(shì)：由于對(duì)容器的要求不高，因此帶來(lái)容器設(shè)計(jì)上的靈活性。相比于固固相變材料， 固氣相變和液氣相變這兩類(lèi)材料的相變潛熱更大，但是這兩類(lèi)相變材料具有一個(gè)很明顯的缺點(diǎn)：即在相變過(guò)程中，這兩類(lèi)相變材料會(huì)伴隨大量氣體的產(chǎn)生，對(duì)容器的氣密性有很高的要求，因此使得容易設(shè)計(jì)很復(fù)雜和不切實(shí)際。雖然固液相變材料的相變焓略微小于氣液相變材料的相變焓，但是氣液相變過(guò)程體積變化是固液相變材料蓄熱過(guò)程中的體積變化的10倍。因此相似的相變焓和蓄熱過(guò)程中顯著小的體積變化，使得固液相變材料被認(rèn)為是一種非常具有工業(yè)應(yīng)用價(jià)值的潛熱蓄熱材料。

我們最常見(jiàn)的相變材料非水莫屬了，當(dāng)溫度低至0°C 時(shí)，水由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)（結(jié)冰）。當(dāng)溫度高于0°C時(shí)水由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)（溶解）。在結(jié)冰過(guò)程中吸入并儲(chǔ)存了大量的冷能量，而在溶解過(guò)程中吸收大量的熱能量。冰的數(shù)量（體積）越大，溶解過(guò)程需要的時(shí)間越長(zhǎng)。這是相變材料的一個(gè)最典型的例子。 相變材料應(yīng)用于電采暖行業(yè)，是傳統(tǒng)電采暖邁向節(jié)能電采暖的革命性轉(zhuǎn)變，相變熱電暖器就是其中代表產(chǎn)品，相對(duì)傳統(tǒng)電暖器可節(jié)能60%-70%。從以上的例子可看出，相變材料實(shí)際上可作為能量存儲(chǔ)器。這種特性在節(jié)能，溫度控制等領(lǐng)域有著極大的意義。因此，相變材料及其應(yīng)用成為廣泛的研究課題。有機(jī)相變材料和無(wú)機(jī)相變材料的最大區(qū)別在于運(yùn)用到建筑材料等方面耐久性和防火性的差異，后者多優(yōu)于前者。

三

相變材料的蓄熱機(jī)理與特點(diǎn)

相變材料具有在一定溫度范圍內(nèi)改變其物理狀態(tài)的能力。以固－液相變?yōu)槔?，在加熱到熔化溫度時(shí)，就產(chǎn)生從固態(tài)到液態(tài)的相變，熔化的過(guò)程中，相變材料吸收并儲(chǔ)存大量的潛熱；當(dāng)相變材料冷卻時(shí)，儲(chǔ)存的熱量在一定的溫度范圍內(nèi)要散發(fā)到環(huán)境中去，進(jìn)行從液態(tài)到固態(tài)的逆相變。在這兩種相變過(guò)程中，所儲(chǔ)存或釋放的能量稱(chēng)為相變潛熱。物理狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，材料自身的溫度在相變完成前幾乎維持不變，形成一個(gè)寬的溫度平臺(tái)，雖然溫度不變，但吸收或釋放的潛熱卻相當(dāng)大。

相變材料的分類(lèi)相變材料主要包括無(wú)機(jī)PCM、有機(jī)PCM和復(fù)合PCM三類(lèi)。其中，無(wú)機(jī)類(lèi)PCM主要有結(jié)晶水合鹽類(lèi)、熔融鹽類(lèi)、金屬或合金類(lèi)等；有機(jī)類(lèi)PCM主要包括石蠟、醋酸和其他有機(jī)物；復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料的應(yīng)運(yùn)而生，它既能有效克服單一的無(wú)機(jī)物或有機(jī)物相變儲(chǔ)熱材料存在的缺點(diǎn)，又可以改善相變材料的應(yīng)用效果以及拓展其應(yīng)用范圍。因此，研制復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料已成為儲(chǔ)熱材料領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究課題。但是混合相變材料也可能會(huì)帶來(lái)相變潛熱下降，或在長(zhǎng)期的相變過(guò)程中容易變性等缺點(diǎn)。

相變化材料（PCM）通常作為導(dǎo)熱界面應(yīng)用的基體材料，由于其在室溫下為固態(tài)，加熱后軟化，可以完全填補(bǔ)接觸表面的間隙，實(shí)現(xiàn)薄層和高可靠性，而無(wú)泵出問(wèn)題。

導(dǎo)熱相變化材料

在許多應(yīng)用中，將高導(dǎo)熱填料添加到PCM基材中，形成具有高導(dǎo)熱性能的復(fù)合相變化材料，從而解決泵出問(wèn)題，這些產(chǎn)品旨在大限度地降低交界面的熱阻，并在長(zhǎng)使用壽命應(yīng)用所需的苛刻可靠性測(cè)試過(guò)程中維持極佳的穩(wěn)定性能。該材料采用聚合物PCM結(jié)構(gòu)，在典型的工作溫度范圍內(nèi)展現(xiàn)優(yōu)異的浸濕性能，具有極低的表面接觸熱阻。該專(zhuān)屬材料可靠性好、熱阻抗低，使PCM成為高性能集成電路器件的理想選擇。

四

相變導(dǎo)熱墊片

1、INTRODUCTION

2、FEATURE AND BENEFITS

3、PROPERTY

4、APPLICATION

? 功率控制單元、逆變器、車(chē)載電子設(shè)備；

? IGBT；

? 服務(wù)器、超級(jí)計(jì)算、視頻圖形陣列（VGA）卡、AI、GPU/CPU/臺(tái)式機(jī)、固態(tài)驅(qū)動(dòng)器（固態(tài)硬盤(pán)）；

? 交換機(jī)、路由器、基站；

? 平板電腦、游戲機(jī)、筆記本電腦、智能手機(jī)、運(yùn)動(dòng)相機(jī)；

? 照明等......

5、THERMAL IMPEDANCE VSPRESSURE

6、AVAILABILITYANDREMARKS