热界面材料发展现状与对策

　　杨斌1，秦文静2，牛永安3

　　(1.科学技术部高技术研究发展中心;2.天津理工大学;3.沈阳化工大学)

　　高温会对电子元器件的稳定性、可靠性和寿命产生有害的影响。电子元件和散热器之间往往存在细微空隙，导致两者实际接触面积只有散热器底座面积的10%，严重阻碍了热量的传导。使用热界面材料填充空隙，可以大幅度降低接触热阻，确保发热电子元器件产生的热量及时排出。本文梳理了热界面材料国内外发展现状、水平与主要问题，并提出了我国对策建议。

　　一、关于热界面材料

　　(一)定义与特点

　　热界面材料(Thermal Interface Materials，TIM)又称为导热材料、导热界面材料或接口导热材料，是一种普遍用于IC封装和电子散热的材料，主要用于填补两种材料接合或接触时产生的微空隙及表面凹凸不平的孔洞，减少热传递的阻抗，提高散热性。

　　(二)作用与意义

　　随着万物互联时代的到来，电子产品的集成度不断提高，加之高频率信号的引入、硬件零部件的升级，联网设备和天线数量的成倍增长，导致设备的功耗不断增大，发热量也随之快速上升。热界面材料导热性能优异，环境适应性强，为设备的高度集成及微型化提供了有力的帮助，可望成为最具有颠覆性和变革型的热管理解决方案。

　　从产业方面来看，以三大热点板块为代表的电子行业对先进热管理系统和热界面材料提出越来越多的需求：

　　智能消费电子：智能手机和平板电脑电子产品结构紧密、高度集成，热流密度的不断提升对热管理系统提出了越来越高的要求。

　　通信设备：通信设备复杂程度越来越高，功耗不断加大，发热量快速上升，将带来热界面材料巨大的增量需求。

　　汽车电子：一方面发动机电控模块、点火模块、动力模块及各类传感器等的工作温度极高，另一方面新能源汽车的电池功率巨大，传统的风冷与水冷已不足以应付巨大的散热量，对于热界面材料有着急迫的、个性化需求。

　　此外，应用于航空、航天、军事等领域的器件，通常需要在高频、高压、高功率以及极端温度等苛刻的环境下运行，并且要求高可靠性，无故障工作时间长，对散热材料的综合性能要求也极高。

　　据BCC research数据统计，全球热界面材料市场规模从2014年的7.16亿美元，提高至2018年的9.37亿美元，年复合增长率为7.4%，预计2021年市场规模将达到10.8亿美元。其中亚太地区将超过8.12亿美元，欧洲约为1.13亿美元，北美约为1.01亿美元，其他地区约0.54亿美元。

　　二、国外发展现状与趋势

　　在技术研发方面，美国、日本、韩国等国家，均围绕高导热热界面材料的制备与性能提升，展开了系统而深入的研究。美国国防高级研究计划局2008年开始实施热管理技术项目，包含新散热技术的研发和散热能力评估技术;TriQuint及BAE等研究机构相继利用高导热材料开展散热和测试评估技术的研究。

　　近期的一些代表性进展有：

　　佐治亚理工学院C.P.Wong院士，用聚丙烯酸对高导热填料氮化铝粒子表面进行改性，再选择环氧树脂为基体，制备了聚合物基高热导率三相复合材料，使聚合物和填料之间形成了有效的导通网络，减少了杂质、气孔等因素对复合材料的影响，从而大大改善了复合材料的热电等性能。

　　麻省理工学院G.Chen院士课题组，通过自下而上的氧化化学气相沉积，沿着聚合物伸长链方向强C=C共价键和分子链间强π-π堆叠非共价键的相互作用，首次实现了共轭聚合物薄膜的高热导率，该材料的室温热导率为2.2W/m·K，是传统聚合物的10倍。采用该氧化化学气相沉积技术，可以在各种基材上生长轻质、柔韧的聚合物薄膜导热体，同时具有电绝缘性和耐腐蚀性。

　　伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校David G.Cahill课题组、德克萨斯大学达拉斯分校Bing Lv课题组采用改进的化学气相沉积技术，成功得到了超高热导率的立方砷化硼，其热导率为1000±90W/m·K，仅次于金刚石，是氮化硅的三倍，可望在大功率电子器件的热量管理中实现应用。

　　在产业方面，全球热界面材料市场主要分布在北美、欧洲、亚洲等地区，其中亚洲市场规模最大，占全球的72.2%。在开发和生产热界面材料方面居世界龙头地位的企业主要包括：美国贝格斯、美国莱尔德、美国3M、美国派克固美丽、美国道康宁、日本电气化学、日本信越等。

　　三、我国发展现状与水平

　　在技术研发方面，我国热管理材料方面的研究虽然起步较晚，但已取得了不错的成果，其中代表性材料包括：

　　高取向有机高分子新型热界面材料。针对传统的聚合物基热界面材料导热性差的问题，中国科学院深圳先进技术研究院团队采用真空辅助抽滤方式，制备了具有高取向的绿色可降解复合材料，热导率高达21.39W/m·K。

　　新型碳纳米管基热界面材料。中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所团队将高导电、高导热的铜纳米线引入碳纳米管纸，由两种纳米线组成的互穿三维网络最终成功实现10W/m·K的热导率和超过105S/m的电导率。

　　三维立体网络结构热界面材料。中国科学院合肥物质科学研究院开发了基于石墨片-碳化硅的聚合物复合基板、石墨烯/氮化硼-改性环氧树脂复合基板、石墨烯环氧树脂复合基板等导热网络结构，热导率最高达到14.47W/m·K。

　　垂直排列石墨烯结构热界面材料。中国科学院宁波材料技术与工程研究所对抽滤的石墨烯纸施加横向机械力，使石墨烯具有褶皱结构，然后施加压力得到密实的石墨烯导热垫，使得石墨烯纸的取向由水平变成垂直，实现了石墨烯纸水平传热到垂直传热的转变，得到高热导率(100W/m·K)低压缩模量(0.87)的热界面材料。

　　在产业方面，我国生产的热界面材料约占全球20%的市场份额，保守预计2021年将超2亿美元。相比于国外热界面材料知名企业，我国热界面材料生产企业的规模普遍较小，同质性强，技术含量不高，缺少高端产品，未形成产品的系列化和产业化，多在价格上开展竞争，利润空间日益缩小。仅有少数企业具备自主研发和生产中高端产品的能力，可以提供导热应用解决方案。

　　四、进一步需要解决的主要技术问题

　　导热聚合物基复合材料具有低密度、优良的介电性能、原材料价格低廉及容易加工等优点，但聚合物基导热复合材料的热导率偏低。将无机纳米材料如氧化铝、氮化铝、碳化硅、氮化硼以及碳纳米管等作为填料，可以有效改善聚合物材料的热导率，但无机填料会使聚合物材料变脆、变硬。目前针对这个问题还没有很好的解决方案，国际国内基本站在同一起跑线。

　　金属基复合材料综合了金属基体优良的导热性、可加工性和增强体高导热、低热膨胀的性能优点。铝基、铜基和银基的金刚石、石墨烯等复合材料是目前应用最为广泛的，但是这些金属基体与金刚石或石墨烯之间润湿性较差，界面效应成为制约其性能提升的瓶颈。

　　理想的热界面材料应具有的特性是：高热导性、高柔韧性、表面润湿性、适当的黏性、高压力敏感性、冷热循环稳定性好、可重复使用等。因此，需要进一步解决的问题：

　　一是在聚合物基复合材料的设计方面，需要更先进的增强体设计，在保证力学性能的前提下，提高热传导性能;

　　二是在材料的制备与加工方面，需要改善填料、增强体与基体的界面结合，获得理想的复合材料构型;

　　三是在基础理论研究方面，需要进一步深入理解多尺度上的声子热传导、载流子传导机制、声子-电子耦合机制、界面处复杂的电子与声子传输机制等，为热界面材料的设计提供理论依据。

　　五、对策建议

　　一是加强资源整合。通过政策引导等方式，加强对相关研发和产业资源的整合，形成完整的上下游创新链、产业链，走专业化发展道路，推动热界面关键材料，特别是上游原材料的快速突破，以满足我国电子工业发展的需求。

　　二是加快专利布局。引导大学、研究院所、企业根据其不同的优势特点，在全产业链布局核心专利，建立对核心专利的保护网，巩固我国在此方向的技术及知识产权地位，突破国际技术专利壁垒。

　　三是完善创新平台。目前，在国家重点研发计划专项的引导下，国内部分热管理科研单位已成立“热管理技术联盟”。进一步应吸引国内外优势企业，特别是热管理需求单位加入，建立技术、人才、项目、应用的交流合作机制，推动创新资源融合和共享。

　　本文特约编辑：姜念云