导热材料技术工艺发展趋势分析

第一节 产品技术发展现状

近年来针对设备的热传导要求而设计的导热材料，性能优异可靠。目前产品可以适合各种环境和要求，对可能出现的导热问题都有妥善的对策，对设备的高度集成，以及超小超薄提供了有力的帮助，导热产品已经越来越多的应用到许多产品中，提高了产品的可靠性。

目前导热材料产品技术可以满足电子元器件的要求，大部分产品都具有极好的导热性，良好的电绝缘性，较宽的使用温度，较低的稠度和良好的施工性能。同时还能起到减震、绝缘、密封等作用，能够满足设备小型化、超薄化的设计要求。

第二节 产品工艺特点或流程

目前制造具有优良综合性能的导热材料一般有两种途径：

1、合成具有高热导率的结构聚合物；

2、在聚合物中填充高导热性的填料，制备导热复合材料。一般都是用高导热性的金属或无机填料对高分子材料进行填充。绝大多数高分子材料本身属于绝热性材料。通过共混方法用导热性能好的填料对高分子材料进行填充改性，可得到导热性优良的高分子材料。

第三节 国内外技术未来发展趋势分析

工业生产和科学技术发展对导热材料提出了新的更高要求，除导热性外，希望材料具有优良的综合性能。目前具有导热功能、又具备其他特殊性能的复合材料，是现在导热材料的发展方向。

高导热性的高分子材料由于具有良好的导热性和优异的绝缘性，且拥有质轻、易加工成型、抗冲击、耐化学腐蚀、热疲劳等优秀性能，是现在导热绝缘材料研究的热点。其中纳米工艺导热材料及新型聚合物导热材料是未来产品趋势。

一、纳米粉体在导热材料中的应用

随着半导体技术和MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)技术的飞速发展，器件的尺寸已进入到微纳米尺度,集成电路以及其他微型器件集成度的不断增大，特征尺度的不断减小，使散热问题成为影响器件性能的关键因素之一，热传导分析对于设计和制作这些器件结构至关重要。

由于量子效应、表面及接口效应，使微尺度下与宏观尺度下的热传导存在明显不同微尺度下实验测量对测试系统要求很高，有些参数根本无法直接测量! 理论和数值模拟研究可以弥补实验的不足，也可进一步指导新结构新实验的设计基于傅立叶定律，目前研究模拟微& 纳米尺度传热比较流行的方法有两种：一是分子动力学方法，它已经成为计算热导率和声子散射的有力工具，可以提供热传导比较直观的物理图像；二是对声子玻尔兹曼传输方程（(BTE）方法进行数值求解，玻尔兹曼传输方程也是大多数宏观固体传热理论的基础。

针对无源强化冷却技术中的纳米材料和微结构的应用，新材料的研究始终是推动冷却技术发展的重要因素。半导体工业的发展是信息社会进步的一个重要标志! 如果说芯片的功耗是其自身发展的“热障”，那么解决这一瓶颈的关键就是发展极高热流密度的散热技术，而此类散热技术也为众多的光电器件、MEMS器件甚至纳米量子器件的应用提供了保障。随着对微纳尺度物质规律的深化认识，新材料的发现、新结构和新工艺的发展将更有利于该技术的应用。

芯片冷却应用中采用的材料可以按固体导热材料、接触界面材料（TIM）、冷却剂材料和具有其他制冷效应的材料进行分类：

（1）导热材料

芯片冷却中应用到的固体导热材料多种多样，在实际应用中除了要求具有较高导热率之外，还需要考虑密度、热膨胀率、性价比等因素。除了金属材料铝、铜、银及相应的金属合金外，碳系材料如石墨、金刚石、碳纳米管等都具有极高的导热能，是芯片冷却应用中看好的一类材料。

（2）TIM材料

芯片冷却应用中通常涉及电子器件或机械结构等的接触冷却。 减小接触热阻、增强接触界面的传热将直接改善设备或系统本身的性能和可靠性。 引入热界面材料TIM可以减小热阻，一般的TIM有导热脂、金属箔、界面相变材料、凝胶镀层、胶、焊料等。对于芯片冷却中固体结合处热阻的减小以油脂较为常见，好的TIM通常可将热阻减小1-2个量级。 随着纳米材料技术的发展，可望获得热导增加5-10倍的TIM材料。

（3）流体材料

新型的流体功能材料有望在芯片冷却技术中得到应用，如掺杂高导热率纳米颗粒，或微囊、冰水两相流体等潜热新功能流体。前者的换热强化可能是由于高导热粒子的导热性强化了流体的换热性能；后者则由于混合流体具有很大的表观比热容（类似导热过程中的内热源和内热影响导热过程），从而改变流体内部的温度分布，增大壁面的温度梯度，加强壁面处的换热速率。

二、聚合物基导热复合材料研究

聚合物基导热复合材料目前主要应用于导热管、太阳能热水器、绝缘导热材料、潜艇蓄电池的冷凝器等器件，在军事、航空航天、电子电器和化工生产等领域发挥了重要作用。聚合物基导热复合材料在具有良好导热性的基础上还拥有金属等传统材料所不可比拟的特性，将会越来越受到人们的关注，市场前景相当可观。但随着工业生产和科学技术的发展，人们对导热材料提出了新的要求，希望其除了具有导热性外，还具有其他功能，如耐化学腐蚀性、电绝缘性等。而且聚合物基导热复合材料在导热机理、应用开发等方面的研究远不如导电材料研究深入。随着聚合物基复合材料导热系数预测数学模型研究的不断深入和完善，以及聚合物基体与导热填料复合新技术的研究和开发，聚合物基导热复合材料必将在更广泛的领域中发挥更重要的作用。

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