關鍵詞：5G材料，高導熱絕緣材料，新能源，低介電材料，氮化硼材料

導語：5G時代巨大數據流量對于通訊終端的芯片、天線等部件提出了更高的要求，器件功耗大幅提升的同時，引起了這些部位發熱量的急劇增加。BN氮化硼散熱膜是當前5G射頻芯片、毫米波天線、AI、物聯網等領域最為有效的散熱材料，具有不可替代性。

致力于解決當前我國電子封裝及熱管理領域面臨的瓶頸技術問題，建立了國際先進的熱管理解決方案及相關材料生產技術，是國內低維材料技術領域頂尖的創新型研發團隊。本產品是國內首創自主研發的高質量二維氮化硼納米片，成功制備了大面積、厚度可控的二維氮化硼散熱膜，具有透電磁波、高導熱、高柔性、低介電系數、低介電損耗等多種優異特性,解決了當前我國電子封裝及熱管理領域面臨的“卡脖子”問題，擁有國際先進的熱管理TIM解決方案及相關材料生產技術，是國內低維材料技術領域頂尖的創新型高科技產品。

產品的應用方向為5G通訊絕緣熱管理，主要目標市場可分為終端設備，智能工業，及新能源汽車三大板塊。5G技術是近年來最受矚目的關鍵科技，也是國內外重點發展的核心產業之一。隨著5G商用，工業4.0、智慧城市、無人駕駛等科技建設的推進，該項目已經初步形成了萬億的市場規模，并持續快速發展。

新能源汽車在不改變電池系統總能量的情況下，電池系統質量降低能夠有效提高其續航里程，電動汽車質量減10%，能提高續駛里程5.5%。電池系統重量在新能源汽車總重量中占有較大的比重。較傳統燃油汽車而言，電動汽車核心的三電系統(電池、電機、電控)和智能化設備，使 得電動車相比同類車型電動乘用車重量增加10%-30%，電動商用車重量增加10%-15%，其中電池Pack整包占整車整備質量的18%～30%。材料迭代+結構優化，輕量化結構件。以特斯拉Model3為例，電池Pack各主要部件中，質量最大的是電芯本體（62.8%），其次為Pack下箱體 （6.2%）、模組殼體及支架（12.3%）和BMS等部件集成系統（11.1%）等。從這些部件出發，通過材料替換和結構設計優化，對電池進行輕 量化開發。Cell to Pack(CTP) ：減少或去除電池“電芯-模組-整包”的三級 Pack結構的技術。目前有兩種不同的技術路 線：以比亞迪刀片電池為代表的徹底取消模組 的方案；以寧德時代CTP技術為代表的小模組 組合成大模組的方案，提高了能量密度和體積 利用率。CTP中電芯熱失控管理難度加大，對內部結構導熱膠對模組散熱的要求，以及外部隔熱膠隔熱阻燃的要求更高。

5G技術---移動通信產業的新發動機

一

5G移動通信產業的新發動機

什么是5G？

“5G”一詞通常用于指代第 5 代移動網絡。5G 是繼之前的標準（1G、2G、3G、4G 網絡）之后的最新全球無線標準，并為數據密集型應用提供更高的帶寬。除其他好處外，5G 有助于建立一個新的、更強大的網絡，該網絡能夠支持通常被稱為 IoT 或“物聯網”的設備爆炸式增長的連接——該網絡不僅可以連接人們通常使用的端點，還可以連接一系列新設備，包括各種家用物品和機器。公認的5G的優勢是：

?具有更高可用性和容量的更可靠的網絡

?更高的峰值數據速度（多 Gbps）

?超低延遲

與前幾代網絡不同，5G 網絡利用在 26 GHz 至 40 GHz 范圍內運行的高頻波長（通常稱為毫米波）。由于干擾建筑物、樹木甚至雨等物體，在這些高頻下會遇到傳輸損耗，因此需要更高功率和更高效的電源。5G部署最初可能會以增強型移動寬帶應用為中心，滿足以人為中心的多媒體內容、服務和數據接入需求。增強型移動寬帶用例將包括全新的應用領域、性能提升的需求和日益無縫的用戶體驗，超越現有移動寬帶應用所支持的水平。

毫米波是5G的關鍵技術

毫米波通信是未來無線移動通信重要發展方向之一，目前已經在大規模天線技術、低比特量化ADC、低復雜度信道估計技術、功放非線性失真等關鍵技術上有了明顯研究進展。但是隨著新一代無線通信對無線寬帶通信網絡提出新的長距離、高移動、更大傳輸速率的軍用、民用特殊應用場景的需求，針對毫米波無線通信的理論研究與系統設計面臨重大挑戰，開展面向長距離、高移動毫米波無線寬帶系統的基礎理論和關鍵技術研究，已經成為新一代寬帶移動通信最具潛力的研究方向之一。

毫米波的優勢： 毫米波由于其頻率高、波長短，具有如下特點：

頻譜寬，配合各種多址復用技術的使用可以極大提升信道容量，適用于高速多媒體傳輸業務；可靠性高，較高的頻率使其受干擾很少，能較好抵抗雨水天氣的影響，提供穩定的傳輸信道；方向性好，毫米波受空氣中各種懸浮顆粒物的吸收較大，使得傳輸波束較窄，增大了竊聽難度，適合短距離點對點通信；波長極短，所需的天線尺寸很小，易于在較小的空間內集成大規模天線陣。

毫米波的缺點：毫米波也有一個主要缺點，那就是不容易穿過建筑物或者障礙物，并且可以被葉子和雨水吸收。這也是為什么5G網絡將會采用小基站的方式來加強傳統的蜂窩塔。

什么是熱管理？

熱管理？顧名思義，就是對“熱“進行管理，英文是：Thermal Management。熱管理系統廣泛應用于國民經濟以及國防等各個領域，控制著系統中熱的分散、存儲與轉換。先進的熱管理材料構成了熱管理系統的物質基礎，而熱傳導率則是所有熱管理材料的核心技術指標。

導熱率，又稱導熱系數，反映物質的熱傳導能力，按傅立葉定律（見熱傳導），其定義為單位溫度梯度（在1m長度內溫度降低1K）在單位時間內經單位導熱面所傳遞的熱量。熱導率大，表示物體是優良的熱導體；而熱導率小的是熱的不良導體或為熱絕緣體。

5G手機以及硬件終端產品的小型化、集成化和多功能化，毫米波穿透力差，電子設備和許多其他高功率系統的性能和可靠性受到散熱問題的嚴重威脅。要解決這個問題，散熱材料必須在導熱性、厚度、靈活性和堅固性方面獲得更好的性能，以匹配散熱系統的復雜性和高度集成性。

什么是氮化硼?

氮化硼是由氮原子和硼原子所構成的晶體。化學組成為43.6%的硼和56.4%的氮，具有四種不同的變體：六方氮化硼（HBN)、菱方氮化硼（RBN）、立方氮化硼（CBN）和纖鋅礦氮化硼（WBN）。

氮化硼問世于100多年前，最早的應用是作為高溫潤滑劑的六方氮化硼，不僅其結構而且其性能也與石墨極為相似，且自身潔白，所以俗稱：白石墨。

氮化硼（BN）陶瓷是早在1842年被人發現的化合物。國外對BN材料從第二次世界大戰后進行了大量的研究工作，直到1955年解決了BN熱壓方法后才發展起來的。美國金剛石公司和聯合碳公司首先投入了生產，1960年已生產10噸以上。

1957年R·H·Wentrof率先試制成功CBN，1969年美國通用電氣公司以商品Borazon銷售，1973年美國宣布制成CBN刀具。

1975年日本從美國引進技術也制備了CBN刀具。

1979年首次成功采用脈沖等離子體技術在低溫低壓卜制備崩c—BN薄膜。

20世紀90年代末，人們已能夠運用多種物理氣相沉積（PVD）和化學氣相沉積（CVD）的方法制備c-BN薄膜。

從中國國內看，發展突飛猛進，1963年開始BN粉末的研究，1966年研制成功，1967年投入生產并應用于我國工業和尖端技術之中。

物質特性：

CBN通常為黑色、棕色或暗紅色晶體，為閃鋅礦結構，具有良好的導熱性。硬度僅次于金剛石，是一種超硬材料，常用作刀具材料和磨料。

氮化硼具有抗化學侵蝕性質，不被無機酸和水侵蝕。在熱濃堿中硼氮鍵被斷開。1200℃以上開始在空氣中氧化。真空時約2700℃開始分解。微溶于熱酸，不溶于冷水，相對密度2.29。壓縮強度為170MPa。在氧化氣氛下最高使用溫度為900℃，而在非活性還原氣氛下可達2800℃，但在常溫下潤滑性能較差。氮化硼的大部分性能比碳素材料更優。對于六方氮化硼：摩擦系數很低、高溫穩定性很好、耐熱震性很好、強度很高、導熱系數很高、膨脹系數較低、電阻率很大、耐腐蝕、可透微波或透紅外線。

物質結構：

氮化硼六方晶系結晶，最常見為石墨晶格，也有無定形變體，除了六方晶型以外，氮化硼還有其他晶型，包括：菱方氮化硼（r-BN)、立方氮化硼（c-BN）、纖鋅礦型氮化硼（w-BN)。人們甚至還發現像石墨稀一樣的二維氮化硼晶體。

通常制得的氮化硼是石墨型結構，俗稱為白色石墨。另一種是金剛石型，和石墨轉變為金剛石的原理類似，石墨型氮化硼在高溫（1800℃）、高壓（8000Mpa）[5~18GPa]下可轉變為金剛型氮化硼。是新型耐高溫的超硬材料，用于制作鉆頭、磨具和切割工具。

應用領域：

1. 金屬成型的脫模劑和金屬拉絲的潤滑劑。

2. 高溫狀態的特殊電解、電阻材料。

3. 高溫固體潤滑劑，擠壓抗磨添加劑，生產陶瓷復合材料的添加劑，耐火材料和抗氧化添加劑，尤其抗熔融金屬腐蝕的場合，熱增強添加劑、耐高溫的絕緣材料。

4. 晶體管的熱封干燥劑和塑料樹脂等聚合物的添加劑。

5. 壓制成各種形狀的氮化硼制品，可用做高溫、高壓、絕緣、散熱部件。

6. 航天航空中的熱屏蔽材料。

7. 在觸媒參與下，經高溫高壓處理可轉化為堅硬如金剛石的立方氮化硼。

8. 原子反應堆的結構材料。

9. 飛機、火箭發動機的噴口。

10.高壓高頻電及等離子弧的絕緣體。

11.防止中子輻射的包裝材料。

12.由氮化硼加工制成的超硬材料，可制成高速切割工具和地質勘探、石油鉆探的鉆頭。

13.冶金上用于連續鑄鋼的分離環，非晶態鐵的流槽口，連續鑄鋁的脫模劑。

14.做各種電容器薄膜鍍鋁、顯像管鍍鋁、顯示器鍍鋁等的蒸發舟。

15.各種保鮮鍍鋁包裝袋等。

16.各種激光防偽鍍鋁、商標燙金材料，各種煙標，啤酒標、包裝盒，香煙包裝盒鍍鋁等等。

17.化妝品用于口紅的填料，無毒又有潤滑性，又有光澤。

未來前景：

由于鋼鐵材料硬度很高，因而加工時會產生大量的熱，金剛石工具在高溫下易分解，且容易與過渡金屬反應，而c-BN材料熱穩定性好，且不易與鐵族金屬或合金發生反應，可廣泛應用于鋼鐵制品的精密加工、研磨等。c-BN除具有優良的耐磨性能外，耐熱性能也極為優良，在相當高的切削溫度下也能切削耐熱鋼、鐵合金、淬火鋼等，并且能切削高硬度的冷硬軋輥、滲碳淬火材料以及對刀具磨損非常嚴重的Si-Al合金等。實際上，由c-BN晶體（高溫高壓合成)的燒結體做成的刀具、磨具已應用于各種硬質合金材料的高速精密加工中。

c-BN作為一種寬禁帶（帶隙6.4 eV）半導體材料，具有高熱導率、高電阻率、高遷移率、低介電常數、高擊穿電場、能實現雙型摻雜且具有良好的穩定性，它與金剛石、SiC和GaN一起被稱為繼Si、Ge及GaAs之后的第三代半導體材料，它們的共同特點是帶隙寬，適用于制作在極端條件下使用的電子器件。與SiC和GaN相比，c-BN與金剛石有著更為優異的性質，如更寬的帶隙、更高的遷移率、更高的擊穿電場、更低的介電常數和更高的熱導率。顯然作為極端電子學材料，c-BN與金剛石更勝一籌。然而作為半導體材料金剛石有它致命的弱點，即金剛石的n型摻雜十分困難（其n型摻雜的電阻率只能達到102Ω·cm，遠遠未達到器件標準），而c-BN則可以實現雙型摻雜。例如，在高溫高壓合成以及薄膜制備過程中，添加Be可得到P型半導體；添加S、C、Si等可得到n型半導體。因此綜合看來c-BN是性能最為優異的第三代半導體材料，不僅能用于制備在高溫、高頻、大功率等極端條件下工作的電子器件，而且在深紫外發光和探測器方面有著廣泛的應用前景。事實上，最早報道了在高溫高壓條件下制成的c-BN發光二極管，可在650℃的溫度下工作，在正向偏壓下二極管發出肉眼可見的藍光，光譜測量表明其最短波長為215 nm（5.8 eV）。c-BN具有和GaAs、Si相近的熱膨脹系數，高的熱導率和低的介電常數，絕緣性能好，化學穩定性好，使它成為集成電路的熱沉材料和絕緣涂覆層。此外c-BN具有負的電子親和勢，可以用于冷陰極場發射材料，在大面積平板顯示領域具有廣泛的應用前景。在光學應用方面，由于c-BN薄膜硬度高，并且從紫外（約從200 nm開始）到遠紅外整個波段都具有高的透過率，因此適合作為一些光學元件的表面涂層，特別適合作為硒化鋅（ZnSe）、硫化鋅（ZnS）等窗口材料的涂層。此外，它具有良好的抗熱沖擊性能和商硬度，有望成為大功率激光器和探測器的理想窗窗口材料。

超薄透波絕緣氮化硼膜材

六方氮化硼（h-BN）這種二維結構材料，又名白石墨烯，看上去像著名的石墨烯材料一樣，僅有一個原子厚度。但是兩者很大的區別是六方氮化硼是一種天然絕緣體而石墨烯是一種完美的導體。與石墨烯不同的是，h-BN的導熱性能很好，可以量化為聲子形式（從技術層面上講，一個聲子即是一組原子中的一個準粒子）。有材料專家說道：“使用氮化硼去控制熱流看上去很值得深入研究。我們希望所有的電子器件都可以盡可能快速有效地散射。而其中的缺點之一，尤其是在對于組裝在基底上的層狀材料來說，熱量在其中某個方向上沿著傳導平面散失很快，而層之間散熱效果不好，多層堆積的石墨烯即是如此。”與石墨中的六角碳網相似，六方氮化硼中氮和硼也組成六角網狀層面，互相重疊，構成晶體。晶體與石墨相似，具有反磁性及很高的異向性，晶體參數兩者也頗為相近。

二維氮化硼散熱膜是一種性能優異的均熱散熱材料。傳統的人工石墨膜和石墨烯薄膜具有電磁屏蔽的特性，在5G通訊設備中的應用場景受限，特別是在分布式天線的5G手機中。二維氮化硼散熱膜具有極低的介電系數和介電損耗，是一種理想的透電磁波散熱材料，能被用于解決5G手機散熱問題。

基于二維氮化硼納米片的復合薄膜，此散熱膜具有透電磁波、高導熱、高柔性、高絕緣、低介電系數、低介電損耗等優異特性，是5G射頻芯片、毫米波天線領域最為有效的散熱材料之一。

高導熱透波絕緣氮化硼膜材主要應用

目前消費者對于新能源汽車需求從“里程焦慮”轉向“安全焦慮” ，熱失控已經成為電動車安全問題核心考量因素。熱失控是電池內部出現放熱連鎖反應引起電池溫升速率急劇變化的過熱現象，發生時通常伴隨著冒煙、起火、爆炸等危害。在電池組中,若局部區域電池發生的熱失控事件失去控制，將擴展到周圍區域的電池，形成“多米諾骨牌”效應，最終引起熱失控在系統 內擴展而導致極大的危害，因此,熱失控擴展的抑制尤為重要。對良好的機械安全性，包括抗沖擊能力以及震動穩定性的需求提升，是使得新能源車內導熱、隔熱材料需求提升的原因之一。相比于傳統汽車，電動車由于增加了電池、電機、電控等部件，對于熱管理所用膠粘劑在性能、數量上都帶來了更大的市場空間。為平衡電池效率與熱安全保護，需防止單體熱擴散。為了提高能量密度而使用高鎳三元正極材料時，鋰離子易形成鋰枝晶刺穿內部隔膜導致短 路，同時由于材料間鍵強不同，隨鎳含量的增加電池熱穩定性下降。因此為了防止讓電池單體自燃擴散至整個動力電池包，一般廠商通過控制 影響（如隔熱）和保持溫度（如泄壓、散熱）兩方面解決。不同電芯使用的防火隔熱材料不同。目前三元電池系統中主要在采用的防火隔熱材料主要有氣凝膠、隔離板、隔熱泡棉、熱陶瓷。由于不同形 狀電芯的膨脹率、比表面積、熱失控難易程度不同，不同公司采用不同防火隔熱材料進行隔熱處理。

導熱需求：鋰離子電池充放電電流較大，并伴隨著多種化學物質傳輸和電化學反應，散熱條件較差，引起電池內部溫度升高。車輛底盤空間有 限，電池模塊必須緊密排列。然而緊密排列的電池一方面容易導致熱量堆積，且不同位置的電芯往往溫度也不完全一致。離子電池工作溫度 30-40℃時，溫度每升高1℃，電池使用壽命越降低2個月。隔熱需求：導熱不暢情況下，過高的溫度易導致冒煙、起火、爆炸等危險需要有效，需要在有良好的隔熱效果的基礎上保證阻燃效果。保溫需求：低溫下，電解液增稠致使導電介質運動受阻，電化學反應速率和反應深度降低，從而導致電池容量下降，動力電池宏觀表現出冬季 環境下電動汽車“虧電”現象。除熱管理系統外，動力電池通常使用具有高導熱性、強絕緣性的導熱膠為動力電池傳導熱量，降低電芯間溫差；隔熱膠則可防止電池內部爆炸 時的熱量快速傳導，在發生熱失控事故時給乘客較長的逃生時間，此類膠通常絕熱性、耐熱性和阻燃性較好。基于CTP的熱管理方法：新型CTP設計可以減少一半的熱界面材料，從原有模組上層電芯至模組(CTM)填縫膠和下層模組至電池包(MTP)的填 縫膠變成1層電芯到冷卻板的導熱膠粘劑；并減少了一半的接口數量，從原有的4個變為現有的2個接口，還去掉了模組外殼。這顯著降低了電 池堆的熱阻，進而降低了冷卻板的冷卻（或加熱）負荷，支持使用導熱率較低的填縫膠。另一方面，由于不再使用模組外殼來防止電池受到環 境影響，需要導熱膠擁有更嚴格的環境耐受性和機械性能。

TIM熱管理材料分類の紹介

一

概述

熱管理，包括熱的傳導、分散、存儲與轉換，正在成為一門新興的橫跨物理、電子和材料等的交叉學科，在電子、電池、汽車等行業都有特定的概念和含義，其中的熱管理材料發揮了舉足輕重的作用，與其它控制單元協同運作保證了工作系統正常運行在適當的溫度。

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。

圖1 電子設備熱管理系統

二

TIM熱管理材料

2-1 熱界面材料（Thermal Interface Material, TIM）

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印；

12）長期的穩定性和可靠性：需要在設備的整個壽命周期內始終如一地執行（如微處理器7-10年，航空電子設備和電信設備的壽命預計為數十年）；13）成本：針對不同應用，在性能、成本和可制造性等因素進行綜合權衡。

2-1-1 熱油脂（Thermal Greases）

通常由兩種主要成分組成，即聚合物基和陶瓷或金屬填料。硅樹脂因其良好的熱穩定性、潤濕性和低彈性模量而被廣泛應用，陶瓷填料主要使用如氧化鋁、氮化鋁、氧化鋅、二氧化硅和鈹的氧化物等，常用的金屬填料如銀和鋁。將基礎材料和填料混合成可用于配合表面的糊狀物，當應用在“粗糙”的表面被壓在一起時，油脂會流進所有的空隙中以去除間隙空氣。2-1-2 相變材料（Phase Change Materials, PCM）PCM傳統上是低溫熱塑性膠黏劑，通常在50-80°C范圍內熔化，并具有多種配置，以增強其導熱性；基于低熔點合金和形狀記憶合金的全金屬相變材料已經有研究發展。相變材料通常設計為熔點低于電子元件的最高工作溫度。熱墊（Thermal Pads）熱墊的關鍵是它們改變物理特性的能力。在室溫下，它們是堅固的，容易處理，當電子元件達到其工作溫度時，相變材料變軟，隨著夾緊壓力，它最終開始像油脂一樣流入接頭的空隙中，該材料填補了空氣間隙和空隙，改善了組件和散熱器之間的熱流。相比于油脂材料熱墊不受泵出效應和干問題困擾。低熔點合金（Low Melting Alloys, LMAs）基于低熔點合金（或稱為液態金屬）的相變熱界面材料，需要在低于電子元件工作溫度的液態狀態下才能流入所有的表面邊緣。低熔點合金具有優異的導熱、導電性，而且性質穩定、常溫下不與水反應，不易揮發、安全無毒。通過不同的配方可實現不同熔點、不同粘度、不同熱導率/電導率，以及不同物理形態的液態金屬材料。鉍、銦、鎵和錫基合金（如鎵鋁合金、鎵鉍合金、鎵錫合金、鎵銦合金）是最常用的合金，通常不使用有毒性和環境問題的鎘、鉛和汞基合金。形狀記憶合金（Shape Memory Alloys, SMA）將一種或多種形狀記憶合金顆粒分散在熱油脂中，并在設備工作溫度下應用于熱源和散熱器之間的界面，研究表明形狀記憶合金增強了電子器件與散熱器之間的熱接觸。在電子器件使用過程中，溫度的升高使形狀記憶合金由低溫馬氏體相變為高溫奧氏體相變。片狀剝離粘土（Exfoliated Clay）將一種或多種聚合物、導熱填料和剝離粘土材料組成一種相變材料，在粘土剝離成熱界面材料的過程中，粘土顆粒彌散成長徑比大于200且表面積大的片狀結構。由于高長徑比，只需要少量顆粒小于10wt%的粘土顆粒就能顯著提高TIM的熱性能；也有人認為，這些粒子減緩了氧氣和水通過界面材料的擴散和減慢了揮發性組件的釋放速度，從而減少了泵出和干出，提高了TIM的可靠性和性能。熔絲/不熔的填料（Fusible/Non-Fusible Fillers）將硅樹脂等聚合物與可熔性填料（如焊料粉末）結合而成的混合物TIM，在固化過程中，焊料顆粒回流融合在一起形成高導熱網絡結構。還可以在相變材料中添加難熔填料，以形成易熔和難熔填料的混合物，從而增強TIM的機械性能。當熱通過滲透（即點對點的顆粒接觸）傳導時，不可熔顆粒也會增加基體的熱導率。測試的非易熔顆粒填料材料包括氧化鋅、鋁、氮化硼、銀、石墨、碳纖維、金剛石和金屬涂層填料，如金屬涂層碳纖維或金屬涂層金剛石，在熱界面材料中，推薦易熔填料比例為60-90wt%和非易熔填料比例為5-50wt%。

2-1-3熱傳導彈性體（Thermally Conductive Elastomers）熱傳導彈性體（或稱為凝膠，Gels）通常由填充有熱傳導陶瓷顆粒的硅彈性體組成，可以用編織玻璃纖維或電介質膜等增強機械強度。彈性體通常用于需要電絕緣的設備中，彈性材料的TIMs不像油脂可自由流動，為了符合表面的不規則性，需要足夠的壓縮載荷來變形。在低壓力下，彈性體不能填充表面之間的空隙，熱界面電阻高；隨著壓力的增加，彈性體填充了更多的微觀空隙，熱阻減小。若組裝完成，就需要永久性的機械緊固件來保持連接，所獲得的熱阻取決于厚度、夾緊壓力和體積導熱系數。2-1-4 碳基熱界面材料（Carbon Based TIMS）碳纖維/納米纖維（Carbon Fibre/Nano-Fibre）通過精密切割連續的高導熱碳纖維束和靜電植絨纖維排列在基材上，并用一層薄薄的未固化粘合劑固定形成一個天鵝絨一樣的結構。基材包括金屬箔、聚合物和帶有粘合劑的碳片，如硅樹脂、環氧樹脂和陶瓷粘合劑纖維，它們可以獨立彎曲以跨越局部間隙，同時需要較低的接觸壓力以確保每根纖維都能接觸兩個表面。石墨片（Graphite Flakes）把蠕蟲石墨在沒有粘合劑的情況下壓縮在一起，形成一個有粘性的高純度石墨薄片，這些柔性材料最初是用于流體密封的墊片（如內燃機的封頭墊片），由于石墨片材料具有天然的多孔性，將其浸漬礦物油或合成油等聚合物可用于開發特定等級的高性能柔性石墨片用于TIM應用。碳納米管（Carbon Nanotubes）結合碳納米管結構及導熱特性，它在熱管理技術中潛在的應用方向主要包括：(1) 將碳納米管作為添加劑改善各種聚合物基體內的熱傳遞網絡結構，進而發展高性能導熱樹脂、電子填料或黏合劑；(2) 構建自支撐碳納米管薄膜結構, 通過調制碳納米管取向分布實現不同方向的傳熱；(3) 發展碳納米管豎直陣列結構，通過管間填充、兩端復合實現熱量沿著碳納米管高熱導率的軸向方向傳輸，以期為兩個界面間熱的輸運提供了有效的通道開發高性能[3]。最常見的基于碳納米管TIMs主要分為三類，按照制造復雜性的順序排列如下：碳納米管和碳納米管與金屬顆粒在聚合物基體中的均勻混合，碳納米管在襯底上的垂直排列生長，以及在芯片和熱分布器之間的兩面排列生長。在碳納米管TIMs中，碳納米管各向異性的結構物性特點及與其它材料接觸界面熱阻過大的問題是需要研究者們重點關注研究的方向。電子裝置的總熱阻通常包括裝置本身對環境的熱耗散和TIM之間的接觸熱阻。而功率損耗的增加是一種趨勢，將需要具有更高性能、最低熱阻和長期可靠性的熱界面材料。石墨烯（Graphene）石墨烯熱界面材料主要以石墨烯或石墨烯與碳納米管、金屬等復合作為導熱填料，材料基體主要以環氧樹脂（導熱膠黏劑）為主要研究方向，其它基體如硅油、礦物油、硅橡膠、聚丙烯酸酯、聚乙烯、聚氨酯等。石墨烯作為導熱填料的原料主要包括石墨烯片、剝離膨脹石墨烯片層、單層和多層石墨烯、單壁碳納米管和石墨烯、多壁碳納米管和石墨烯、聯苯胺功能化石墨烯、石墨烯和銀顆粒及氧化石墨烯等添加形式。單層或少層石墨烯還可以用于高功率電子器件散熱，如將化學氣相沉積（CVD）法制備的石墨烯轉移到高功率芯片上。其散熱效果取決于石墨烯片的大小及層數，且在轉移過程中易引入雜質或產生褶皺和裂紋，也會影響石墨烯散熱效果。提高CVD法制備的石墨烯質量和優化轉移方法減少其轉移過程中的損壞，或直接將石墨烯生長在功率芯片表面，是提高石墨烯散熱效果的主要方法。將石墨烯制備成宏觀薄膜應用于熱管理中也是一種重要的途徑，主要方法有：將液相剝離石墨烯經過旋涂、滴涂、浸涂、噴涂和靜電紡絲等方式成膜；將氧化石墨烯通過高溫還原或者化學還原成膜；將石墨烯和碳纖維復合成膜；或者將石墨烯薄膜制備成三維形狀成膜等。石墨烯需要和器件基板接觸，因此減少石墨烯薄膜和基板間的接觸熱阻是石墨烯熱管理應用必須考慮的問題，如采用共價鍵、功能化分子等方式。石墨烯薄膜性能和價格有優勢才能取代目前主流的石墨膜（PI）散熱片，這對石墨烯薄膜產業化是一個極大的挑戰。

三

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。

圖2 典型封裝材料的熱膨脹系數及熱導率與密度比值3-1 焊料

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。現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。

3-2 聚合物基復合材料

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。

3-2 金屬基復合材料

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]。

3-3相變材料

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。

圖3 儲能材料的分類

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。

PCM材料要注意的問題:

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。

四

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。

4-1 材質分類

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。

4-2 形態分類

隔熱材料依據材料形態分為多孔隔熱材料、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 新型隔熱材料

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。

五

熱電材料

圖4 熱電制冷器件

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。

圖5 n型（a）及 P型（b）典型熱電材料的無量綱優值 zT

六

小結

從工程應用的角度而言，對于熱管理材料的要求是多方面的。例如，希望熱界面材料在具有高熱導率的同時保持高的柔韌性和絕緣性；對于高導熱封裝材料，則希望高的熱導率和與半導體器件相匹配的熱膨脹率；對于相變儲熱材料，則希望高的儲熱能力和熱傳導能力。為了同時兼顧這些特性，將不同的材料復合化在一起從而達到設計要求的整體性能是熱管理材料的發展趨勢，性能主要影響因素有增強體的物性（熱導率、熱膨脹率、體積分數、形狀及尺寸）、基體的物性（熱導率和熱膨脹率等）、增強體/基體的界及增強體在基體中的空間分布（彌散或連續分布）。
近來人們研究發現，材料的非均勻復合構型（如混雜、層狀、環狀、雙峰、梯度、多孔、雙連續/互穿網絡、分級、諧波等）更有利于發揮復合設計的自由度和復合材料中不同組元間的協同耦合效應，復合界面（亞微米尺度界面層）的微觀結構精細調控（化學成分、結合狀態、微觀結構及物相組成等）影響著界面處產生的界面應力、界面化學反應、界面組分偏析、界面結晶等界面效應，導致界面處熱及力學性能的不同，從而顯著影響到復合材料的熱導率及熱膨脹率，這些已經成為熱管理材料復合化研究的主要方向。

高導熱絕緣氮化硼硅膠の導熱墊片

一

簡介

二

性能參數

三

產品特性

四

產品應用