1、概述

伴隨著5G、大數據、人工智能、物聯網、工業4.0、國家重大戰略需求等領域的技術發展，電子器件功率密度持續攀高，更急需高效的熱管理材料和方案來保證產品的效率、可靠性、安全性、耐用性和持續穩定性。熱管理材料是熱管理系統的物質基礎，而成分、結構及加工工藝對熱管理材料的核心技術指標熱傳導率有重大影響。

2、熱管理材料

選擇理想的熱界面材料需要關注如下因素：

1）熱導率：熱界面材料的體熱導率決定了它在界面間傳遞熱量的能力，減少熱界面材料本身的熱阻；

2）熱阻：理想情況下應盡可能低，以保持設備低于其工作溫度；

3）導電性：通常是基于聚合物或聚合物填充的不導電材料；

4）相變溫度：固體向液體轉變，界面材料填充空隙，保證所有空氣被排出的溫度；

5）粘度：相變溫度以上的相變材料粘度應足夠高，以防止在垂直方向放置時界面材料流動滴漏；

6）工作溫度范圍：必須適應應用環境；

7）壓力：夾緊產生的安裝壓力可以顯著改善TIM的性能，使其與表面的一致性達到最小的接觸電阻；

8）排氣：當材料暴露在高溫和/或低氣壓下時，這種現象是揮發性氣體的釋放壓力；

9）表面光潔度：填充顆粒影響著界面的壓實和潤濕程度，需要更好地填補了不規則表面的大空隙；

10）易于應用：容易控制材料應用的量；

11）材料的機械性能：處于膏狀或液態易于分配和打??；

2-1-1 熱油脂（Thermal Greases）

3、封裝材料

電子封裝材料是半導體芯片與集成電路連接外部電子系統的主要介質，對電子器件的使用影響重大。理想的電子封裝材料應滿足如下性能要求：（1）高的熱導率，保證電子器件正常工作時產生的熱量能及時散發出去；（2）熱膨脹系數需要與半導體芯片相匹配，避免升溫和冷卻過程中由于兩者不匹配而導致的熱應力熱應力損壞；（3）低密度，用在航天、軍事等方面，便于攜帶；（4）綜合的力學性能，封裝材料對電子元器件需起到支撐作用。

鉛錫焊料由于熔點低、性價比高等特點成為低溫焊料中最主要的焊料系列，但由于所含鉛的比例高給環境帶來了嚴重的污染，世界各國都在對性能相近或更高的無鉛焊料進行重點研究。

新的元素添加到基于Sn體系中有如下基本要求：1）降低純錫表面張力，提高潤濕性；2）使焊料和基體之間通過擴散快速形成金屬間化合物；3）提高Sn的延性；4）防止b-Sn轉變為a -Sn，導致不必要的體積變化，降低焊料的結構完整性和可靠性；5）在液相可以轉變為兩種或兩種以上固相的情況下，用共晶或近共晶成分保持熔點在183℃左右；6）改善機械性能（如蠕變、熱-機械疲勞、振動和機械沖擊、剪切和熱老化）；7）防止錫晶須過度生長。

已被人們研究的可替代Sn-Pb體系中鉛的金屬有Ag、Bi、Cd、Cu、In、Sb、Zn、Al等，主要被研究開發的合金體系有：Sn-Ag-Cu、Sn-Cu、Sn-Ag、Sn-Ag-Cu-Bi、Bi–In、Sn–In、Sn –Bi、Sn–Bi–In、Sn–Zn–Bi、Sn–Zn等系列，另外活性納米粒子（如Co、Ni、Pt、Pd、Al、P、Cu、Zn、Ge、Ag、In、Sb、Au、TiO 2、SiC、Al2O3、SWCNT、SiO2、Cu–Zn、Cu6Sn5、Ag3Sn等）的添加可以改變焊料的微觀結構、熔化溫度、潤濕性和機械性能。

無論在學術研究還是工業應用，由于高或低的熔點、高界面生長、低潤濕性、低耐蝕性和成本等問題，很難用任何一種焊料合金來代替所有的Sn-Pb焊料?，F實的解決方案可能是通過與其他合金元素相結合來進行適當的應用，或者通過研究焊料合金的物理冶金和加工條件，改善焊料的微觀結構和可靠性，及尋找具有良好重復性的工業規模合成路線等。

導熱聚合物材料的研究主要集中在填充型導熱聚合物材料方向，

聚合物基體主要有：HDPE、UHMWPE、LCP、POM、LDPE、EVA、PPS、PBT、PTFE、PA66、PA6、PEEK、PSU、PMMA、PC、TPU、ABS、PVC、PVDF、SB、SAN、PET、PS、PVDC、PIB、PP、PI；

導熱填料類型主要有：（1）金屬類，如銅、銀、金、鎳和鋁等；（2）碳類，如無定型碳、石墨、金剛石、碳納米管和石墨烯等；（3）陶瓷類，如氮化硼（BN）、氮化鋁（A1N）、氮化硅（Si3N4）、碳化硅（SiC）、氧化鎂（MgO）、氧化鈹（BeO）、氧化鋁（Al2O3）、氧化鋅（ZnO）、氧化硅（SiO2）等。填料的添加量、形狀、尺寸、混合比例、表面處理及取向、團聚、網絡結構等都對聚合物基復合材料的熱導率有很大的影響。

聚合物基復合材料有如下特性：1）可通過選擇適當的填料來控制電氣絕緣和電氣傳導；2）易加工的整體零件或復雜的幾何形狀；3）重量輕；4）耐腐蝕；5）若使用柔性聚合物，則須符合相鄰粗糙表面的幾何形狀；6）聚合物復合材料的回彈性會引起振動阻尼。聚合物基復合材料不僅應用于電子封裝，還應用于LED器件、電池和太陽電池等。

金屬基復合材料通過改變增強相種類、體積分數、排列方式或復合材料的熱處理工藝，能夠實現熱導率高、熱膨脹系數可調的功能，并綜合金屬基體優良的導熱性、可加工性和增強體高導熱、低熱膨脹的優點，能夠制備出熱物理性能與電子器件材料相匹配的封裝材料。

金屬基復合材料導熱性能的主要影響因素為增強體和金屬基體的物性，如種類、含量、形狀、尺寸及純度等。目前工藝成熟且性能穩定得到廣泛應用的是高體積分數SiC顆粒增強鋁基復合材料（熱導率達200W/（m·K）、熱膨脹系數為7.8×10-6K-1，密度僅為3.0g/cm3），而為了開發熱導率更高的金屬基復合材料，目前主要的研究方向是金剛石、石墨烯等增強的鋁基、銅基和銀基復合材料，但此類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的瓶頸。

3-2-1單項增強體金屬基復合材料

纖維：包括碳纖維增強銅基和鋁基復合材料（Cf/Cu、Cf/Al、），碳化硅纖維增強銅基復合材料（SiCf/Cu），以及金剛石纖維增強鋁基復合材料，材料體中纖維以空間隨機分布、平面隨機分布和單向分布。

片體：如石墨片、石墨烯納米片等二維平面結構材料。

顆粒：常見的有石墨顆粒、硅顆粒、碳化硅、金剛石等，其中Si/Al，SiC/Al廣泛應用于電子封裝工業。

網絡互穿：增強相與基體相在空間都保持連續分布，從而可弱化復合界面對材料熱學性能的顯著影響，如C/Al、（SiC+C）/Al、CNTs/Cu等復合材料。

3-2-2 混雜增強體金屬基復合材料

顆粒-顆粒：包括雙粒度同質顆粒、雙粒度異質顆粒和等粒徑異質顆粒等，如雙粒度SiC/Al、等粒徑（Dia+SiC）/Al等復合材料。

顆粒-片體：理論上有望彌補片體各向異性和顆粒增強效率低，同時發揮片體在半導體器件平面方向上的低膨脹與顆粒高導熱的作用，或者實現片體在平面方向上的高導熱與顆粒抑制熱膨脹的作用相匹配，如石墨片+碳化硅浸滲液相鋁合金復合材料。

納米材料：不僅有優異的力學性能、極低的熱膨脹系數，而且具有很高的導熱性能，如碳納米纖維、碳納米管、石墨烯納米片、納米金剛石等。利用粉末冶金方法、片狀粉末冶金方法、選擇性涂布浸漬、金屬箔冷軋退火等工藝，可制備如納米項增強材料如碳納米管與金屬粉末（銅粉末）、片狀粉末冶金（CNTs/Al、CNTs/Cu及GNS/Al）等復合材料。納米相表面金屬化有望改善由納米相豐富的比表面積和金屬基體穩定的化學性質帶來的界面結合困難問題，常用方法有（電）化學鍍銅、鍍鎳等]。

相變材料（Phase Change Materials, PCM）是利用物質在相變（如凝固/熔化、凝結/汽化、固化/升華等）過程發生的相變熱來進行熱量的儲存和利用的潛熱存儲材料。

PCM根據其化學成分可歸類為有機和無機相變材料。有機相變材料主要由烷烴制成，包括石蠟、脂肪醇 、脂肪酸、蠟及烷烴基合金等；無機相變材料包括熔鹽、鹽水合物和金屬等；另一類相變材料包括有機-無機、無機-無機和有機-有機化合物的共晶混合物。

無機共晶混合物適用于高溫熱存儲系統，如集中太陽能熱電廠；有機共晶體適用于低溫儲熱，如維持建筑溫度，用于電池組的熱管理系統等；石蠟、脂肪酸和脂肪醇等有機化合物熔點低（10?60℃），適用于家用熱存儲。直鏈烴石蠟具有熔融熱高、低蒸氣壓、化學惰性、無相分離的自發成核等理想特性，是目前研究最多的有機PCM 之一，但石蠟的熱導率僅為0.2W/(m·K )，增加了其熔化時間以及蓄熱系統的充熱時間，因此向石蠟中加入高熱導率填料形成PCM復合材料是研究的一個熱點。

1、傳統的PCM性質分析方法局限性：1）分析少量樣本（1-10毫克），盡管PCMs的某些行為取決于其數量；2）分析儀器復雜而昂貴；3）無法直觀觀察到相變。

2、長期穩定性：1）PCM-容器系統的穩定性，儲存材料和容器的長期穩定性不足是限制潛熱儲存廣泛使用的一個問題。一個相關的方面是這些系統的使用壽命，以及它們在不降低性能的情況下能夠承受的循環次數；2）材料腐蝕，大多數關于鹽水合物腐蝕試驗的文獻都是用稀釋的鹽水合物進行的，通常在化學工業中使用，只有少數結果是基于對實驗裝置的觀察；3）材料封裝，如不同的幾何形狀，有機共晶的結晶過程，不同組分比例的包封，封裝濃縮空隙，微膠囊化等。

4、隔熱材料

隔熱材料主要是指具有絕緣性能、對熱流可起屏蔽作用的材料或材料復合體，通常具有質輕、疏松、多孔、導熱系數小的特點，工業上廣泛用于防止熱工設備及管道的熱量散失，或者在冷凍和低溫條件下使用，因此又被稱為保溫或保冷材料，同時由于其多孔或纖維狀結構具有良好的吸聲功能，也廣泛用于建筑行業。

隔熱材料依據材質可分為無機隔熱材料、有機隔熱材料、金屬及其夾層隔熱材料。

無機材料：（1）天然礦物，如石棉、硅藻土等；（2）人造材料，如陶瓷棉、玻璃棉、多孔類隔熱磚和泡沫材料。此類材料具有不腐爛、不燃燒、耐高溫等特點，多用于熱工設備及管道保溫。

有機材料：（1）天然有機類，如軟木、織物纖維、獸毛等；（2）人造或合成有機類，如人造纖維、泡沫塑料、泡沫橡膠等；（3）蜂窩材料，如蜂窩紙、蜂窩板。此類材料具有導熱系數極小、耐低溫、易燃等特點，適用于普冷下的保冷材料。

金屬及其夾層隔熱材料：（1）金屬材料，如銅、鋁、鎳等箔材；（2）金屬箔與有機或無機材料的夾層（或蜂窩）復合材料。此類材料具有很高的紅外輻射反射率，主要應用于航空航天中的高溫熱防護領域。

隔熱材料依據材料形態可分為多孔隔熱材料、纖維狀隔熱材料、粉末狀隔熱材料和層狀隔熱材料。

多孔材料又稱泡沫隔熱材料，具有質量輕、絕緣性能好、彈性好、尺寸穩定、耐穩定性差等特點，主要有泡沫塑料、泡沫玻璃、泡沫橡膠、硅酸鈣、輕質耐火材料等。

纖維狀隔熱材料又可分為有機纖維、無機纖維、金屬纖維和復合纖維等，工業上主要應用的是無機纖維，如石棉、巖棉、玻璃棉、硅酸鋁陶瓷纖維、晶質氧化鋁纖維等。

粉末狀隔熱材料主要有硅藻土、膨脹珍珠巖及其制品，主要應用在建筑和熱工設備上。

4-3-1 氣凝膠保溫隔熱材料

氣凝膠通常是指以納米量級超微顆粒相互聚集構成的納米多孔網絡結構，并在網絡孔隙中充滿氣態分散介質的輕質納米固態材料，孔隙率高達80%~99.8%，密度低至0.003g/cm³，常溫熱導率低于空氣，是一種較為理想的輕質、高效隔熱材料。

氣凝膠隔熱材料主要包括SiO₂氣凝膠、ZrO₂氣凝膠、Al₂O₃氣凝膠、Si-C-O氣凝膠及碳基氣凝膠（如石墨烯氣凝膠）等，在建筑、石化、航空航天等領域有廣泛使用。如民用領域的氣凝膠透明玻璃墻體、硅氣凝膠夾芯板及柔性氣凝膠隔熱氈等，廣泛應用于管道、飛機、汽車等保溫體系中；航天航空領域的陶瓷纖維-氣凝膠復合隔熱瓦等。

4-3-2 碳質保溫隔熱材料

碳氈是一種低強碳纖維，主要可由聚丙烯腈纖維、瀝青（石油瀝青和煤瀝青）碳纖維、酚醛纖維、纖維素（即粘膠人造絲）纖維等制成，其導熱系數小、熱容量低、密度小、線膨脹系數小、耐高溫、耐熱沖擊強、耐化學腐蝕性強、高純無污染等優異特性，主要應用于晶體硅鑄錠爐、柴油車尾氣過濾器用陶瓷燒結、金屬熱處理、稀土類磁性材料制造、半導體晶圓生產設備、真空電阻爐、感應爐、燒結爐、熱處理爐等。

4-3-3 復合保溫隔熱材料

復合硅酸鹽保溫材料具有可塑性強、導熱系數低、耐高溫、漿料干燥收縮率小等特點，主要有硅酸鎂、硅鎂鋁、稀土復合材料等。海泡石保溫隔熱材料是復合硅酸鹽保溫材料中的佼佼者，硅酸鋁耐火纖維可以制作薄層陶瓷纖維隔熱層，或者纖維墊、纖維氈、纖維板、纖維紙、纖維繩及織物等，可廣泛用于航空航天領域等。

隔熱保溫材料是節約能源的一個有效手段，開發科技含量高、性能優良且穩定、使用壽命長、制造成本低、環境友好的隔熱材料是未來發展的重點和熱點，其中憎水性保溫隔熱材料（如硅酸鹽材料）、泡沫類保溫隔熱材料（如應用于核工業的泡沫陶瓷、建筑隔熱的泡沫玻璃等）、環境友好型保溫隔熱材料（如利用粉煤灰制備熱工窯爐用隔熱材料）等是主要的發展方向。

5、熱電材料

熱電制冷器件是利用熱電材料的Peltier效應，可以在通入電流的條件下將熱從高溫端轉移到低溫端，實現電到熱的轉化，提高電子模塊封裝的冷卻效果，從而減少芯片結溫或適應更高的功耗。理想的熱電材料需要高的無量綱優值（zT），即低的熱導率、高的功率因子；熱電制冷器件具有小巧、無噪音、沒有活動部件等優勢、還可以進行主動溫度控制，是固態激光器、焦平面特測器陣列等必備冷卻裝置，還可以利用Peltier效應的逆效應Seebeck效應將汽車尾氣等熱能轉化為電能[3]。

熱電制冷器件可調節的熱流量大小有限，能效比（Coefficient of Performance，COP）要比傳統的冷凝系統低，并依賴于應用環境（通常小于1），意味著熱電制冷器件所消耗的電能相當/或大于元器件被冷卻的功率耗散，這些缺點主要是由于熱電材料本身的局限所致，所以熱電制冷器件目前僅應用在相對較低的熱流量場合。為了改善熱電制冷器件的性能，開發高性能的熱電材料是業界主要的研究方向之一。

6、小結