楊斌1,秦文靜2,牛永安3
(1.科學(xué)技術(shù)部高技術(shù)研究發(fā)展中心;2.天津理工大學(xué);3.沈陽(yáng)化工大學(xué))
高溫會(huì)對(duì)電子元器件的穩(wěn)定性、可靠性和壽命產(chǎn)生有害的影響。電子元件和散熱器之間往往存在細(xì)微空隙,導(dǎo)致兩者實(shí)際接觸面積只有散熱器底座面積的10%,嚴(yán)重阻礙了熱量的傳導(dǎo)。使用熱界面材料填充空隙,可以大幅度降低接觸熱阻,確保發(fā)熱電子元器件產(chǎn)生的熱量及時(shí)排出。本文梳理了熱界面材料國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀、水平與主要問(wèn)題,并提出了我國(guó)對(duì)策建議。
一、關(guān)于熱界面材料
(一)定義與特點(diǎn)
熱界面材料(Thermal Interface Materials,TIM)又稱(chēng)為導(dǎo)熱材料、導(dǎo)熱界面材料或接口導(dǎo)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(bǔ)兩種材料接合或接觸時(shí)產(chǎn)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(wàn)物互聯(lián)時(shí)代的到來(lái),電子產(chǎn)品的集成度不斷提高,加之高頻率信號(hào)的引入、硬件零部件的升級(jí),聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和天線數(shù)量的成倍增長(zhǎng),導(dǎo)致設(shè)備的功耗不斷增大,發(fā)熱量也隨之快速上升。熱界面材料導(dǎo)熱性能優(yōu)異,環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng),為設(shè)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(chǎn)業(yè)方面來(lái)看,以三大熱點(diǎn)板塊為代表的電子行業(yè)對(duì)先進(jìn)熱管理系統(tǒng)和熱界面材料提出越來(lái)越多的需求:
智能消費(fèi)電子:智能手機(jī)和平板電腦電子產(chǎn)品結(jié)構(gòu)緊密、高度集成,熱流密度的不斷提升對(duì)熱管理系統(tǒng)提出了越來(lái)越高的要求。
通信設(shè)備:通信設(shè)備復(fù)雜程度越來(lái)越高,功耗不斷加大,發(fā)熱量快速上升,將帶來(lái)熱界面材料巨大的增量需求。
汽車(chē)電子:一方面發(fā)動(dòng)機(jī)電控模塊、點(diǎn)火模塊、動(dòng)力模塊及各類(lèi)傳感器等的工作溫度極高,另一方面新能源汽車(chē)的電池功率巨大,傳統(tǒng)的風(fēng)冷與水冷已不足以應(yīng)付巨大的散熱量,對(duì)于熱界面材料有著急迫的、個(gè)性化需求。
此外,應(yīng)用于航空、航天、軍事等領(lǐng)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(huán)境下運(yùn)行,并且要求高可靠性,無(wú)故障工作時(shí)間長(zhǎng),對(duì)散熱材料的綜合性能要求也極高。
據(jù)BCC research數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),全球熱界面材料市場(chǎng)規(guī)模從2014年的7.16億美元,提高至2018年的9.37億美元,年復(fù)合增長(zhǎng)率為7.4%,預(yù)計(jì)2021年市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到10.8億美元。其中亞太地區(qū)將超過(guò)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(qū)約0.54億美元。
二、國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)
在技術(shù)研發(fā)方面,美國(guó)、日本、韓國(guó)等國(guó)家,均圍繞高導(dǎo)熱熱界面材料的制備與性能提升,展開(kāi)了系統(tǒng)而深入的研究。美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局2008年開(kāi)始實(shí)施熱管理技術(shù)項(xiàng)目,包含新散熱技術(shù)的研發(fā)和散熱能力評(píng)估技術(shù);TriQuint及BAE等研究機(jī)構(gòu)相繼利用高導(dǎo)熱材料開(kāi)展散熱和測(cè)試評(píng)估技術(shù)的研究。
近期的一些代表性進(jìn)展有:
佐治亞理工學(xué)院C.P.Wong院士,用聚丙烯酸對(duì)高導(dǎo)熱填料氮化鋁粒子表面進(jìn)行改性,再選擇環(huán)氧樹(shù)脂為基體,制備了聚合物基高熱導(dǎo)率三相復(fù)合材料,使聚合物和填料之間形成了有效的導(dǎo)通網(wǎng)絡(luò),減少了雜質(zhì)、氣孔等因素對(duì)復(fù)合材料的影響,從而大大改善了復(fù)合材料的熱電等性能。
麻省理工學(xué)院G.Chen院士課題組,通過(guò)自下而上的氧化化學(xué)氣相沉積,沿著聚合物伸長(zhǎng)鏈方向強(qiáng)C=C共價(jià)鍵和分子鏈間強(qiáng)π-π堆疊非共價(jià)鍵的相互作用,首次實(shí)現(xiàn)了共軛聚合物薄膜的高熱導(dǎo)率,該材料的室溫?zé)釋?dǎo)率為2.2W/m·K,是傳統(tǒng)聚合物的10倍。采用該氧化化學(xué)氣相沉積技術(shù),可以在各種基材上生長(zhǎng)輕質(zhì)、柔韌的聚合物薄膜導(dǎo)熱體,同時(shí)具有電絕緣性和耐腐蝕性。
伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校David G.Cahill課題組、德克薩斯大學(xué)達(dá)拉斯分校Bing Lv課題組采用改進(jìn)的化學(xué)氣相沉積技術(shù),成功得到了超高熱導(dǎo)率的立方砷化硼,其熱導(dǎo)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(shí)現(xiàn)應(yīng)用。
在產(chǎn)業(yè)方面,全球熱界面材料市場(chǎng)主要分布在北美、歐洲、亞洲等地區(qū),其中亞洲市場(chǎng)規(guī)模最大,占全球的72.2%。在開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)熱界面材料方面居世界龍頭地位的企業(yè)主要包括:美國(guó)貝格斯、美國(guó)萊爾德、美國(guó)3M、美國(guó)派克固美麗、美國(guó)道康寧、日本電氣化學(xué)、日本信越等。
三、我國(guó)發(fā)展現(xiàn)狀與水平
在技術(shù)研發(fā)方面,我國(guó)熱管理材料方面的研究雖然起步較晚,但已取得了不錯(cuò)的成果,其中代表性材料包括:
高取向有機(jī)高分子新型熱界面材料。針對(duì)傳統(tǒng)的聚合物基熱界面材料導(dǎo)熱性差的問(wèn)題,中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院團(tuán)隊(duì)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(fù)合材料,熱導(dǎo)率高達(dá)21.39W/m·K。
新型碳納米管基熱界面材料。中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所團(tuán)隊(duì)將高導(dǎo)電、高導(dǎo)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(wǎng)絡(luò)最終成功實(shí)現(xiàn)10W/m·K的熱導(dǎo)率和超過(guò)105S/m的電導(dǎo)率。
三維立體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)熱界面材料。中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院開(kāi)發(fā)了基于石墨片-碳化硅的聚合物復(fù)合基板、石墨烯/氮化硼-改性環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合基板、石墨烯環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合基板等導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),熱導(dǎo)率最高達(dá)到14.47W/m·K。
垂直排列石墨烯結(jié)構(gòu)熱界面材料。中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所對(duì)抽濾的石墨烯紙施加橫向機(jī)械力,使石墨烯具有褶皺結(jié)構(gòu),然后施加壓力得到密實(shí)的石墨烯導(dǎo)熱墊,使得石墨烯紙的取向由水平變成垂直,實(shí)現(xiàn)了石墨烯紙水平傳熱到垂直傳熱的轉(zhuǎn)變,得到高熱導(dǎo)率(100W/m·K)低壓縮模量(0.87)的熱界面材料。
在產(chǎn)業(yè)方面,我國(guó)生產(chǎn)的熱界面材料約占全球20%的市場(chǎng)份額,保守預(yù)計(jì)2021年將超2億美元。相比于國(guó)外熱界面材料知名企業(yè),我國(guó)熱界面材料生產(chǎn)企業(yè)的規(guī)模普遍較小,同質(zhì)性強(qiáng),技術(shù)含量不高,缺少高端產(chǎn)品,未形成產(chǎn)品的系列化和產(chǎn)業(yè)化,多在價(jià)格上開(kāi)展競(jìng)爭(zhēng),利潤(rùn)空間日益縮小。僅有少數(shù)企業(yè)具備自主研發(fā)和生產(chǎn)中高端產(chǎn)品的能力,可以提供導(dǎo)熱應(yīng)用解決方案。
四、進(jìn)一步需要解決的主要技術(shù)問(wèn)題
導(dǎo)熱聚合物基復(fù)合材料具有低密度、優(yōu)良的介電性能、原材料價(jià)格低廉及容易加工等優(yōu)點(diǎn),但聚合物基導(dǎo)熱復(fù)合材料的熱導(dǎo)率偏低。將無(wú)機(jī)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(dǎo)率,但無(wú)機(jī)填料會(huì)使聚合物材料變脆、變硬。目前針對(duì)這個(gè)問(wèn)題還沒(méi)有很好的解決方案,國(guó)際國(guó)內(nèi)基本站在同一起跑線。
金屬基復(fù)合材料綜合了金屬基體優(yōu)良的導(dǎo)熱性、可加工性和增強(qiáng)體高導(dǎo)熱、低熱膨脹的性能優(yōu)點(diǎn)。鋁基、銅基和銀基的金剛石、石墨烯等復(fù)合材料是目前應(yīng)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(rùn)濕性較差,界面效應(yīng)成為制約其性能提升的瓶頸。
理想的熱界面材料應(yīng)具有的特性是:高熱導(dǎo)性、高柔韌性、表面潤(rùn)濕性、適當(dāng)?shù)酿ば?、高壓力敏感性、冷熱循環(huán)穩(wěn)定性好、可重復(fù)使用等。因此,需要進(jìn)一步解決的問(wèn)題:
一是在聚合物基復(fù)合材料的設(shè)計(jì)方面,需要更先進(jìn)的增強(qiáng)體設(shè)計(jì),在保證力學(xué)性能的前提下,提高熱傳導(dǎo)性能;
二是在材料的制備與加工方面,需要改善填料、增強(qiáng)體與基體的界面結(jié)合,獲得理想的復(fù)合材料構(gòu)型;
三是在基礎(chǔ)理論研究方面,需要進(jìn)一步深入理解多尺度上的聲子熱傳導(dǎo)、載流子傳導(dǎo)機(jī)制、聲子-電子耦合機(jī)制、界面處復(fù)雜的電子與聲子傳輸機(jī)制等,為熱界面材料的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。
五、對(duì)策建議
一是加強(qiáng)資源整合。通過(guò)政策引導(dǎo)等方式,加強(qiáng)對(duì)相關(guān)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)資源的整合,形成完整的上下游創(chuàng)新鏈、產(chǎn)業(yè)鏈,走專(zhuān)業(yè)化發(fā)展道路,推動(dòng)熱界面關(guān)鍵材料,特別是上游原材料的快速突破,以滿足我國(guó)電子工業(yè)發(fā)展的需求。
二是加快專(zhuān)利布局。引導(dǎo)大學(xué)、研究院所、企業(yè)根據(jù)其不同的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn),在全產(chǎn)業(yè)鏈布局核心專(zhuān)利,建立對(duì)核心專(zhuān)利的保護(hù)網(wǎng),鞏固我國(guó)在此方向的技術(shù)及知識(shí)產(chǎn)權(quán)地位,突破國(guó)際技術(shù)專(zhuān)利壁壘。
三是完善創(chuàng)新平臺(tái)。目前,在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃專(zhuān)項(xiàng)的引導(dǎo)下,國(guó)內(nèi)部分熱管理科研單位已成立“熱管理技術(shù)聯(lián)盟”。進(jìn)一步應(yīng)吸引國(guó)內(nèi)外優(yōu)勢(shì)企業(yè),特別是熱管理需求單位加入,建立技術(shù)、人才、項(xiàng)目、應(yīng)用的交流合作機(jī)制,推動(dòng)創(chuàng)新資源融合和共享。
本文特約編輯:姜念云
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