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有机硅制成的这种物质，已成为导热界的“超级巨星”

时间：2024-01-03 来源： 浏览：

有机硅制成的这种物质，已成为导热界的“超级巨星”

有机硅 有机硅
有机硅

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   来源：粉体网

背景

随着5G时代的来到，电子系统体积不断缩小，高性能下的系统内部功率急剧增加，系统内过高的温度环境会容易导致器件失效，进而影响系统性能。据研究，电子器件的 工作温度每升高2℃ ，其可靠性会 降低10% 。由此看来，更高效的散热方案显得越来越重要。
目前被广泛应用在电子散热等领域的材料是 热界面材料（TIM） 。 电子器件接触面为固体表面相互接触，中间存在着 微观凹凸不平的空隙，实际接触面积仅1%到2%，空气的热传导率极低仅为0.026Ｗ/(ｍ·Ｋ)，属于不良导体，散热效果差。 当热量传导经过接触界面时会受到界面热阻，此时在间隙中添加合适的热界面材料可以排除空气，形成紧密连接的热传导通道，大幅度降低接触热阻，充分发挥其散热作用。

导热界面材料作用示意图

导热膏概念

导热膏就是这样一种导热性良好的填充型热界面材料。其材质为膏状或液态，有一定的粘稠度和流动性，没有明显的颗粒感，应用在散热器和热源的界面上，可以有效地填充各种缝隙。
导热膏是由 基体材料 和 导热填料 组成。
基体材料为高分子聚合物，常用的聚合物基体包括 硅油 、 硅橡胶 以及 环氧树脂 等材料。根据成分，导热膏可以分为含硅和不含硅，硅油由于具有良好的流动性以及适中的粘度，在导热膏体系中作主要应用。含硅导热膏又称为导热硅脂，是以 有机硅酮 为主要原料，添加导热性能优异的材料后制成的导热型有机硅脂状复合物，可在200℃以上长期使用而保持膏脂原状，并具有良好的化学稳定性，对基材无腐蚀。目前导热膏市场上最主要的细分产品是硅基导热膏，占据大约84.35%的份额。
导热填料是添加在基体材料中用以提高导热膏导热性能的材料，常用的导热填料包括 金属材料 、 碳基材料 和 陶瓷材料 。想要制备高导热系数的导热膏，需要选用恰当的合适粒径的导热填料，一般选择在10μm以下，以保证导热膏的细腻度。

表：常温下普通导热填料的导热系数

导热膏分类

根据导热膏 填料成分不同，可将导热膏分为以下三大类：
（1） 陶瓷填料导热膏
陶瓷填料具备优异的热性能和电绝缘性能，是制备导热和电绝缘导热聚合物复合材料的理想填料。陶瓷填料又可分为氧化物、氮化物和碳化物。其中氮化物具有最高的导热系数，例如六方氮化硼具有与石墨烯相似的二维结构，有600W/(m·K）的超高面内导热系数。
扫描电子显微镜下导热填料形貌图：（a）氮化铝，（b）氮化硼
（2） 金属填料导热膏
金属填料的导热系数高、热稳定性优异、热膨胀系数低，其中液态金属能表现出金属化合物的延展性和导电性，同时具有液体流体的流动性和顺应性。金属填料的缺点也很明显，不耐腐蚀，密度过高，与聚合物的相容性差不能充分发挥金属的高导热性能。
（3） 碳材料导热膏
碳基填料通常具有超高导热系数，包括石墨、石墨烯、金刚石、炭黑和碳纤维等。添加少量碳基填料可以显著提高聚合物的导热系数。其中，石墨烯有望成为5G时代最流行的热管理材料。为了保证复合材料在电绝缘性能的情况下能够充分利用碳基填料的高导热系数，科学界不断开发各种方法，例如将碳基填料与陶瓷填料结合使用。

导热膏的实际应用

导热膏依据其较为 出色的导热性能，广泛应用于各种电子元器件、光学设备等行业的温度平衡和散热方面。 使用金属和碳基材料的作为导热填料的导热膏主要用于急需散热的领域，而使用陶瓷材料的作为填料的导热聚合物复合材料可用于对绝缘性要求较高的领域。
市场上接近90%的导热膏都是硅基的（导热硅脂），市场上有针对那些对硅敏 感的应用推出的无硅润 滑脂。 对于禁止使用硅脂的敏感应用，例如光学部件和汽车照明中，可选择使用无硅系列产品。
导热膏可应用的下游市场范围很广， 消费电子、汽车电子、通讯设备、电子器件 等领域的散热问题都对导热膏有越来越大的需求。
消费电子是导热膏最大的应用市场，2021年时市场应用份额占比就已超六成。 在半导体产业链上，导热膏产品更贴近下游市场，其生产存在较高的技术壁垒，继而企业能有较强的议价能力。
图源自BERGQUIST
技术发展日新月异，要求导热膏企业时刻保持与时俱进。 传统散热方式已难以适应，随之受欢迎的是 高导热效率、小体积 的导热材料，导热膏在高效散热方案中发挥着至关重要的作用，均匀涂抹在缝隙中可以防止运行环境过热，保证性能发挥。

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