热界面材料

行业背景

散热一直是电子工业一项重点研究的工作，电子元器件的实际工作温度是影响其可靠性的关键因素之一。随着电子设备向着小型化、高功耗发展，其功耗密度逐步增加,电子设备的发热量也成倍增加，这也对系统的散热性能提出了更高的要求；导热界面材料由此诞生。

导热界面材料 Thermal Interface Materials ，简称TIM，又称为热界面材料或者界面导热材料，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，减少传热接触热阻，提高器件散热性能。

在微电子材料表面和散热器之间存在极细微的凹凸不平的空隙，如果将它们直接安装在一起，它们间的实际接触面积只有散热器底座面积10%，其余均为空气间隙。因为空气热导率只有0.024W/(m*K)，是热的不良导体，将导致电子元件与散热器间的接触热阻非常大，严重阻碍了热量的传导，最终造成散热器的效能低下。使用具有高导热性的热界面材料填充满这些间隙，排除其中的空气，在电子元件和散热器间建立有效的热传导通道，可以大幅度降低接触热阻，使散热器的作用得到充分地发挥。热界面(接触面)材料在热管理中起到了十分关键的作用，是该学科中的一个重要研究分支。

热界面材料主要用于填补两种材料接触面间的空隙，降低热阻抗，因此，热传导系数K就是评估热界面材料的重要特性之一。热界面材料应具备以下基本特性：可压缩性及柔软性；高热传导性；低热阻尼；表面湿润性；适当的黏性；对扣合压力的敏感性要高；使用方便；可重复使用；冷热循环的稳定性好等特点。

材料特性

热特性

热阻抗 热阻等于R=d/k，热阻与导热系数k成反比，与材料厚度成正比。依据接触表面选择合适的导热界面材料，控制总导热阻抗。导热系数 是确定导热界面材料的导热能力的标志。导热系数越大导热性能越好。

电气特性

击穿电压 击穿电压的测量是在特定的条件下导热材料可以经受多大的电压值。此数值表明了导热界面材料的电绝缘能力。该数值在潮湿，高温环境下会受到影响，因为导热界面材料吸收了空气中的水分。体积电阻率 体积电阻率用于度量单位体积材料的容积电子阻力。体积电阻率是指导热界面材料在通电组件和金属散热器件之间电流泄漏的能力。和击穿电压一样也会受潮湿和高温的影响还使体积电阻率下降。

弹性体特性

压缩变形 压缩变形是指偏转时施加的合力。当施加压缩负荷时，弹性体材料会发生形变，但材料的体积保持不变。压缩变形特性可能会根据部件的的几何体，偏转率和探针的大小等而发生变化。应力弛豫 当在导热界面材料上施加压力时，较初的变形后，会缓慢地发生弛豫过程，随后除去压力，这一过程会持续到压力负荷与材料的内在强度达到平衡为止。压缩形变 压缩形变是应力弛豫的结果，导热界面材料忍受压力负荷的时间过长，部分变形就会成为较久变形，在负荷减轻之后不可恢复。

常规导热材料

导热界面材料种类繁多，常用的有：导热硅胶片、导热胶泥、导热凝胶、导热双面胶、导热硅脂、导热灌封胶、导热粘接胶、导热石墨片、导热矽胶布、导热相变材料等。

导热膏（导热硅脂）

导热膏是一种传统的散热材料，粘稠状的液体，具有较强的粘性。一般约在100-400Pa压力下使用，其界面热阻值大约在0.2-1.0K·cm²/W左右。基材主要成分是硅油和非硅质的高分子聚合物，导热填充料一般以AIN及ZnO为主，也可以选用BN、Al2O3或SiC等陶瓷粉末或铝粉、银粉、石墨粉，甚至金刚石粉末等来提升其热传导性。但要特别注意这些填充料在基材内的分散性及混合后的粘性控制。

导热膏由于不需要固化处理属于液态材料，因此可以添加较高体积比的填充料，热传导率比其他热界面材料高。目前市售的导热膏的热传导率通常介于2-6W/m.K之间，好的可大于8W/m·K，热阻约介于0.2-0.6W/m·K。导热膏本身具有一定的流动性，不需要太高的扣合压力，经压缩后其接合厚度可以变得相当薄，对降低热阻有很大帮助。但缺点是易产生溢出及相分离问题。

弹性导热布

弹性导热布是由导热膏衍生出来的一种散热材料，一般主要是由在聚硅氧烷橡胶化合物中添加各种不同导热粉体（如 BN、Al2O3等）所构成，且以玻璃纤维布作载体形成容易操作的固体形态。加工操作较简单，一般在 700KPa 左右的压力下使用，其界面热阻值约为1.0-3.0K*cm²/W。弹性导热布可用于标准 TO型晶体管的热管理组装技术上。

相变导热材料（PhaseChangeMaterials，PCMs）

相变导热材料可以是有机材料也可以是金属合金。相变导热材料融合了导热胶和导热油脂的双重有点，在达到相变温度前，其特性与导热胶类似具有一定的粘性，因此不会在扣压时发生Pump out问题。当电子器件工作时温度不断升高至材料熔点时，PCMs发生相变成为液态，具有和导热油脂一样的填充空隙的能力，热阻因而大幅度降低。目前相变导热材料主要用于CPU散热材料。

就有机相变导热材料而言，相变导热胶主要以热塑性聚合物为基体，如聚烯烃、低分子量的聚乙烯和丙烯酸树脂，添加低熔点的固体石蜡，并添加高导热填料制备而成的。其中石蜡是主要的发生相变的材料，相变的温度一般控制在45-60℃。现行的有机相变材料热导率普遍在1-3W/mK。

导热凝胶

导热凝胶一般是由在硅油及石蜡中添加铝粉、氧化铝及银粉等导热填充料组成，通常需进行固化处理。由于经过了交链处理，所以具有较强的内凝聚力特性，使用时无需加热或冷凝。它能提供比导热胶及粘胶剂更有效的传热路径，其热传导率约在1-3W/m.K左右。导热凝胶的优点是能顺应接触表面的不规则性而填补孔隙。此外，由于其内凝聚力较强，在使用时不会有溢出及移动问题，使用和处理起来都很方便，其缺点是需固化处理。

导热黏胶

导热胶是发展较早的产品，其主要组成是树脂基体、导热填料、稀释性溶剂或者是反应型稀释剂、固化剂和添加剂。用于电子胶黏剂的树脂基体主要包括：环氧树脂、聚酰亚胺、有机硅胶、聚氨酯、丙烯酸酯和氰酸酯等。

导热带

导热带的开发主要是为了做热沉Heat Sink贴合材料。主要目的是为了取消外力夹合装置，降低设备成本。导热带主要是将添加导热粉体的压敏胶涂在支撑材料上（如玻璃布、聚亚酰胺薄膜或铝箔）上所构成的。导热胶带属于压敏胶的一种，使用方便。导热带的使用非常方便，和一般胶布的贴合方式相同。一般来讲，导热带主要应用其粘胶性能其次才是散热性能，且只能应用于表面平整的界面上。

新型导热材料

铟基合金导热垫片

银白色铟金属制成的热界面材料，铟是一种散热效能极高的金属材料，热传导率能达到80W/ (m·K)以上，通过在铟基合金片材上压制凹凸花纹以填充界面间隙，同时利用铟基合金的高导热系数，降低界面热阻。该材料还具有极佳的延展性可以极大改善接触热阻，可实现随客户开发产品的高密度、随热源的形状灵活定制产品。导热垫片是柔软的金属垫片，如果接触面两端有一定的压力，能够很好的把铟基导热垫片夹在中间，可实现更佳的散热效能。

这种类型的导热垫片在热界面材料中属于高级导热界面材料，一般用于航天工业、军事工业、太阳能等新兴行业中有散热应用的部件，例如浸没式水冷服务器的CPU、GPU、激光器、雷达功率放大器等场合。

液态金属导热剂

与最常见的导热材料之一——硅脂相比，目前最高导热系数的硅脂也仅能达到11W/m·K，而液态金属导热剂的导热系数能够达到73W/m·K，是传统硅脂的数倍。因此液态金属可以更快、更有效地传导出更多的热量。

由于液态金属导热剂一般采用镓金属合金构成，镓金属合金熔点低，在常温下显液态，所以能够更好地渗透到CPU和散热模组之间的缝隙中达到更好的填充效果，迅速将CPU产生的热量传导至散热模组，从而有效控制机身温度。同时，液态金属还具有更高的沸点，而传统硅脂具有挥发度，使用一段时间后会固化，所以液态金属导热剂耐用性更强。

在民用之前，液态金属导热剂常用与高能量密度的界面，比如舰载激光炮，激光切割器，又或者在核电站里作为换热液体。如今液态金属在电脑等常用的电子产品中已开始受到重视，主要应用于浸没式水冷服务器的CPU、GPU，功率电源模块与散热器件等高功率设备之间。

石墨烯导热膜/垫片

自2018年华为Mate 20X手机率先使用石墨烯膜散热技术后，国内主流手机厂商纷纷在旗舰机型中使用石墨烯膜，与市场其他同类散热材料相比，石墨烯导热膜具有机械性能好、导热系数高，质量轻、材料薄、柔韧性好等特点。石墨烯导热膜兼具高热导率（1000~1200W/mK）和高厚度（100~300μm），此外，它的横向扩热能力是人工石墨膜的4倍以上，各方面性能更强，也可依据需求定制厚度。

碳纤维导热垫片

这种产品是利用碳纤维的取向高导热性，在聚合物基体中添加碳纤维填料，制成导热垫片，可颠覆传统的芯片散热解决方案。

碳纤维导热垫片

碳纤维作为填料在聚合物基体中有良好的分散性能，并且填充工艺性好，不会引起体系粘稠度过高、弹性低、力学性能差等问题。同时，填充到高分子基体中时可以通过流场、电场、磁场等方式进行阵列定向，在特定方向达到极好的导热效果。当填料达到一定含量后，相同填料比例，取向性好的情况下导热系数是填料无序排列时导热系数的3倍以上。

导热材料选择

首先根据客户的应用确定导热界面材料的类型；其次根据产品的导热系数、厚度、尺寸、密度、耐电压、使用温度等参数来选择合适的导热界面材料。

厚度的选择与客户需要解决散热的产品贴放TIM 位置的间隙大小及TIM 产品本身的密度、硬度、压缩比等参数相关，建议样品测试后再确定具体参数。导热系数的选择最主要看需要解决散热的产品热源功耗大小，以及散热器或散热结构的散热能力大小。

尺寸大小以覆盖热源为最佳选择，而不是覆盖散热器或散热结构件的接触面，选择尺寸比发热源大时并不会对散热有很大改善或提高。选择最佳匹配的导热界面材料时，可以先选择至少两种导热界面材料，然后通过做导热性能测试去决定选择哪款导热界面材料是最匹配的。

界面导热材料广泛应用于导冷式散热结构，如芯片与导热凸台之间、模块与散热器之间、模块与金属壳体之间等。界面之间选取不同的材料，对发热器件的散热有着很大影响，尤其随着电子产品热功耗越来越大，对界面材料的导热性能的要求也越高。

导热界面材料广泛应用于电子产品中

参考资料：

热界面材料产业现状与研究进展 – 知乎 (zhihu.com)

热界面材料 – 知乎 (zhihu.com)

当前有哪些新型导热界面材料？ – 知乎 (zhihu.com)

5G时代热管理材料新趋势 – 知乎 (zhihu.com)

导热硅凝胶的研究与应用进展-今日头条 (toutiao.com)

高性能热界面材料专题 (siat.ac.cn)

Small Structure：竖直石墨烯基热界面材料的制备及应用 – MaterialsViews中国 (materialsviewschina.com)

5G来了！导热界面材料制造商如何乘势而上？_新闻_新材料在线 (xincailiao.com)

2021年我国热界面材料现状分析：市场规模持续上升 行业发展向好_观研报告网 (chinabaogao.com)

聊一聊电子器件的热界面材料​www.360powder.com/info_details/index/6895.html