一、關于熱界面材料

（一）定義與特點

熱 界 面 材 料 （ T h e r m a l Interface Materials，TIM）又稱為導熱材料、導熱界面材料或接口導熱材料，是一種普遍用于IC封裝和電子散熱的材料，主要用于填補兩種材料接合或接觸時產生的微空隙及表面凹凸不平的孔洞，減少熱傳遞的阻抗，提高散熱性。

（二）作用與意義

隨著萬物互聯時代的到來，電子產品的集成度不斷提高，加之高頻率信號的引入、硬件零部件的升級，聯網設備和天線數量的成倍增長，導致設備的功耗不斷增大，發熱量也隨之快速上升。熱界面材料導熱性能優異，環境適應性強，為設備的高度集成及微型化提供了有力的幫助，可望成為最具有顛覆性和變革型的熱管理解決方案。

從產業方面來看，以三大熱點板塊為代表的電子行業對先進熱管理系統和熱界面材料提出越來越多的需求：

智能消費電子：智能手機和平板電腦電子產品結構緊密、高度集成，熱流密度的不斷提升對熱管理系統提出了越來越高的要求。

通信設備：通信設備復雜程度越來越高，功耗不斷加大，發熱量快速上升，將帶來熱界面材料巨大的增量需求。

汽車電子：一方面發動機電控模塊、點火模塊、動力模塊及各類傳感器等的工作溫度極高，另一方面新能源汽車的電池功率巨大，傳統的風冷與水冷已不足以應付巨大的散熱量，對于熱界面材料有著急迫的、個性化需求。

此外，應用于航空、航天、軍事等領域的器件，通常需要在高頻、高壓、高功率以及極端溫度等苛刻的環境下運行，并且要求高可靠性，無故障工作時間長，對散熱材料的綜合性能要求也極高。

據BCC research數據統計，全球熱界面材料市場規模從2014年的7.16億美元，提高至2018年的9.37億美元，年復合增長率為7.4%，預計2021年市場規模將達到10.8億美元。其中亞太地區將超過8.12億美元，歐洲約為1.13億美元，北美約為1.01億美元，其他地區約0.54億美元。

二、國外發展現狀與趨勢

在技術研發方面，美國、日本、韓國等國家，均圍繞高導熱熱界面材料的制備與性能提升，展開了系統而深入的研究。美國國防高級研究計劃局2008年開始實施熱管理技術項目，包含新散熱技術的研發和散熱能力評估技術；TriQuint及BAE等研究機構相繼利用高導熱材料開展散熱和測試評估技術的研究。

近期的一些代表性進展有：

佐治亞理工學院C.P.Wong院士，用聚丙烯酸對高導熱填料氮化鋁粒子表面進行改性，再選擇環氧樹脂為基體，制備了聚合物基高熱導率三相復合材料，使聚合物和填料之間形成了有效的導通網絡，減少了雜質、氣孔等因素對復合材料的影響，從而大大改善了復合材料的熱電等性能。

麻省理工學院G.Chen院士課題組，通過自下而上的氧化化學氣相沉積，沿著聚合物伸長鏈方向強C=C共價鍵和分子鏈間強π-π堆疊非共價鍵的相互作用，首次實現了共軛聚合物薄膜的高熱導率，該材料的室溫熱導率為2.2W/m·K，是傳統聚合物的10倍。采用該氧化化學氣相沉積技術，可以在各種基材上生長輕質、柔韌的聚合物薄膜導熱體，同時具有電絕緣性和耐腐蝕性。

伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校David G.Cahill課題組、德克薩斯大學達拉斯分校Bing Lv課題組采用改進的化學氣相沉積技術，成功得到了超高熱導率的立方砷化硼，其熱導率為1000±90W/m·K，僅次于金剛石，是氮化硅的三倍，可望在大功率電子器件的熱量管理中實現應用。

在產業方面，全球熱界面材料市場主要分布在北美、歐洲、亞洲等地區，其中亞洲市場規模最大，占全球的72.2%。在開發和生產熱界面材料方面居世界龍頭地位的企業主要包括：美國貝格斯、美國萊爾德、美國3M、美國派克固美麗、美國道康寧、日本電氣化學、日本信越等。

三、我國發展現狀與水平

在技術研發方面，我國熱管理材料方面的研究雖然起步較晚，但已取得了不錯的成果，其中代表性材料包括：

高取向有機高分子新型熱界面材料。針對傳統的聚合物基熱界面材料導熱性差的問題，中國科學院深圳先進技術研究院團隊采用真空輔助抽濾方式，制備了具有高取向的綠色可降解復合材料，熱導率高達21.39W/m·K。

新型碳納米管基熱界面材料。中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所團隊將高導電、高導熱的銅納米線引入碳納米管紙，由兩種納米線組成的互穿三維網絡最終成功實現10W/m·K的熱導率和超過105S/m的電導率。

三維立體網絡結構熱界面材料。中國科學院合肥物質科學研究院開發了基于石墨片-碳化硅的聚合物復合基板、石墨烯/氮化硼-改性環氧樹脂復合基板、石墨烯環氧樹脂復合基板等導熱網絡結構，熱導率最高達到14.47W/m·K。

垂直排列石墨烯結構熱界面材料。中國科學院寧波材料技術與工程研究所對抽濾的石墨烯紙施加橫向機械力，使石墨烯具有褶皺結構，然后施加壓力得到密實的石墨烯導熱墊，使得石墨烯紙的取向由水平變成垂直，實現了石墨烯紙水平傳熱到垂直傳熱的轉變，得到高熱導率（100W/m·K）低壓縮模量（0.87）的熱界面材料。

在產業方面，我國生產的熱界面材料約占全球20%的市場份額，保守預計2021年將超2億美元。相比于國外熱界面材料知名企業，我國熱界面材料生產企業的規模普遍較小，同質性強，技術含量不高，缺少高端產品，未形成產品的系列化和產業化，多在價格上開展競爭，利潤空間日益縮小。僅有少數企業具備自主研發和生產中高端產品的能力，可以提供導熱應用解決方案。

四、進一步需要解決的主要技術問題

導熱聚合物基復合材料具有低密度、優良的介電性能、原材料價格低廉及容易加工等優點，但聚合物基導熱復合材料的熱導率偏低。將無機納米材料如氧化鋁、氮化鋁、碳化硅、氮化硼以及碳納米管等作為填料，可以有效改善聚合物材料的熱導率，但無機填料會使聚合物材料變脆、變硬。目前針對這個問題還沒有很好的解決方案，國際國內基本站在同一起跑線。

金屬基復合材料綜合了金屬基體優良的導熱性、可加工性和增強體高導熱、低熱膨脹的性能優點。鋁基、銅基和銀基的金剛石、石墨烯等復合材料是目前應用最為廣泛的，但是這些金屬基體與金剛石或石墨烯之間潤濕性較差，界面效應成為制約其性能提升的瓶頸。

理想的熱界面材料應具有的特性是：高熱導性、高柔韌性、表面潤濕性、適當的黏性、高壓力敏感性、冷熱循環穩定性好、可重復使用等。因此，需要進一步解決的問題：

一是在聚合物基復合材料的設計方面，需要更先進的增強體設計，在保證力學性能的前提下，提高熱傳導性能；二是在材料的制備與加工方面，需要改善填料、增強體與基體的界面結合，獲得理想的復合材料構型；三是在研究方面，需要進一步深入理解多尺度上的聲子熱傳導、載流子傳導機制、聲子-電子耦合機制、界面處復雜的電子與聲子傳輸機制等，為熱界面材料的設計提供理論依據。

五、對策建議

一是加強資源整合。通過政策引導等方式，加強對相關研發和產業資源的整合，形成完整的上下游創新鏈、產業鏈，走專業化發展道路，推動熱界面關鍵材料，特別是上游原材料的快速突破，以滿足我國電子工業發展的需求。

二是加快專利布局。引導大學、研究院所、企業根據其不同的優勢特點，在全產業鏈布局核心專利，建立對核心專利的保護網，鞏固我國在此方向的技術及知識產權地位，突破國際技術專利壁壘。

三是完善創新平臺。目前，在國家重點研發計劃專項的引導下，國內部分熱管理科研單位已成立“熱管理技術聯盟”。進一步應吸引國內外優勢企業，特別是熱管理需求單位加入，建立技術、人才、項目、應用的交流合作機制，推動創新資源融合和共享。

來源：知網    作者：楊斌 秦文靜 牛永安

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