中國粉體網訊 隨著電子器件的小型化和電子設備功率的不斷增加，高密度封裝器件的熱管理問題面臨越來越嚴峻的挑戰。界面熱阻對封裝系統整體熱阻的貢獻很大，為增強器件的散熱能力，熱界面材料（TIM）被廣泛應用于封裝系統不同材料之間的界面，填補界面間的微小間隙，減少間隙中空氣（導熱系數僅為0.026W/(m·K)）的影響。
在電子封裝中，TIM通常應用于芯片與封裝蓋(TIM1)、芯片與散熱器（TIM1.5)、封裝蓋與散熱器之間(TIM2)。高導熱性、高可靠性的TIM能夠保障熱量在界面的快速傳遞，避免因界面熱阻過高帶來的過熱現象。
01 熱界面材料組成
常用的熱界面材料主要為填充型，主要是通過在聚合物基體中填充高導熱的填料制備而成。通常情況下，聚合物基體的固有熱導率都比較低（約為0.2W/(m·K)），因此，熱界面材料的導熱性能往往由填料說了算。填料設計優化是開發高導熱TIM材料的重要方向，填料的種類、形狀、尺寸均可以影響其在基體中導熱網絡的形成。
常見導熱填料的熱導系數
目前，常見的導熱填料主要分為金屬材料、陶瓷材料、碳類材料等。
金屬材料：金屬類填料遵循電子導熱機理，具有熱導率高、熱穩定性能良好及熱膨脹系數低等優點。常見的金屬類填料包括銀、銅、鋁等，通常以粉末形式進行添加。
陶瓷材料：無機陶瓷類導熱填料具有優異的導熱性及電絕緣性，在電子封裝領域具有獨特優勢。常見的無機填料主要包括氧化鋁（Al2O3）、氮化硼（BN）、氮化鋁（AlN）、碳化硅（SiC）、和氧化鋅（ZnO）等。
碳材料：常見的碳類填料由碳的一系列同素異形體構成，包括石墨、金剛石、碳納米管、碳纖維和石墨烯等。
02 熱界面材料的關鍵特性
熱界面材料的性能優劣，直接影響著電子設備的散熱效果與整體性能。其性能主要由導熱與熱阻特性、穩定性等多個關鍵因素決定。
高導熱系數。導熱系數是衡量物質導熱能力的關鍵物理量。它表示在穩定傳熱條件下，單位厚度、單位面積的材料在單位溫差下、單位時間內傳導的熱量。導熱系數越大，表明材料傳導熱量的能力越強，熱量傳遞也就越迅速。
低熱阻。熱阻反映的是物體對熱量傳遞的阻礙程度。它表示單位厚度、單位面積的材料在單位時間內傳導的熱量與通過該材料的熱量之比。熱阻越大，材料的導熱性能越差，熱量傳遞受到的阻礙也就越大。
高熱穩定性。熱界面材料需要在冷熱循環條件下保持性能穩定，避免因溫度變化導致的干涸、老化或性能下降。電子設備在實際使用過程中，會經歷不同的工作溫度環境，熱界面材料的穩定性直接關系到電子設備的使用壽命和長期可靠性。
可壓縮性與柔軟性。熱界面材料需要具備一定的可壓縮性與柔軟性，這樣才能在較低安裝壓力下充分填充接觸表面的微空隙。材料要足夠柔軟，以適應表面的不規則性，確保與發熱元件和散熱器緊密貼合。但又不能過于柔軟，否則在壓力下可能會被完全擠出界面區域，無法持續發揮導熱作用。
表面浸潤性。良好的表面浸潤性是熱界面材料的重要特性之一，它確保材料能夠充分潤濕接觸表面，最大限度地減少界面處的接觸熱阻。對于液態或相變材料來說，這一特性尤為關鍵，它決定了材料在表面上的鋪展能力和填充微空隙的效果。
粘性。適當的粘性可以使熱界面材料臨時固定散熱器或發熱元件，便于組裝和后續處理。在電子設備的生產過程中，具有一定粘性的導熱材料能夠確保散熱器在安裝過程中保持穩定，避免移位。但粘性不能過高，否則在需要維修或更換設備部件時，會難以拆卸，甚至可能損壞設備。
03 常見的熱界面材料
熱界面材料的種類繁多，分類方式有很多種。一般按照導電性可將其分為絕緣型熱界面材料和導電型熱界面材料；按照組成可將其分為單組份熱界面材料和雙組份熱界面材料；按照構成成分可將其分為有機型熱界面材料、無機型熱界面材料和金屬型熱界面材料；按照其特性差異及發展可分為導熱硅脂、導熱墊、相變材料、導熱凝膠等。
（1）導熱硅脂
導熱硅脂是一種膏狀熱界面材料，由于它可直接減少接觸面之間的空氣間隙而具備優異導熱特性而得到廣泛應用，一般用作高功率電子器件散熱。導熱硅脂通常是將較高導熱系數的無機填料與硅油基體進行混合脫泡加工而成。無機填料主要是Al、Ag等金屬或Al2O3、AlN、BN、SiC、ZnO等陶瓷導熱顆粒。
導熱硅脂，圖源：深圳市傲川科技有限公司
（2）導熱凝膠
導熱凝膠是一種粒子填充型聚合物，其基體材料硅樹脂一般進行弱交聯固化處理,以此來增強材料的內聚力。導熱凝膠可兼具液體與固體特性，像液體一樣分散，其特點是高導熱性、低表面能和良好的一致性，在固化后可形成一個更堅實的結構，在保證低熱阻的同時消除泵出效應問題，另外低模量特性也可吸收應力。
STGD系列導熱凝膠，圖源：廣東思泉新材料股份有限公司
（3）導熱墊
導熱墊基體材料為有機硅樹脂或聚氨酯，填料通常為Al2O3、BN等陶瓷或金屬、石墨填料。為提高其強度，也可將玻璃纖維布作為載體。導熱墊的柔韌性是非常重要的特點，高的導熱顆粒填充體積分數可提高導熱性能，但由此增加了其剛度，因此導熱墊性能受限于高柔韌性和高導熱顆粒填充率之間的矛盾。但由于導熱墊具備減震性、無污染和便利性等優點，使其在一些熱阻要求不是特別高的領域得到了非常廣泛的應用。
導熱墊，圖源：上海阿萊德實業集團股份有限公司
（4）導熱相變材料
導熱相變材料同時具備導熱硅脂和導熱墊的優點，其基體材料的熔化溫度基本位于室溫和工作溫度之間，使用時如導熱膜一樣便利，但在操作過程中會熔化并且能夠貼合基板形成薄BLT厚度的導熱油脂。也可使用熔化溫度高于工作溫度的相變材料，在這種情況下，熱界面材料在加工過程中進行回流并在工作過程中保持固態。導熱相變材料一般以石蠟、聚烯烴、低分子量聚酯等組成，再加上高導熱的填料比如BN、Al2O3、AlN等來提高傳熱性能。
導熱相變材料，圖源：深圳市飛榮達科技股份有限公司
隨著電子技術的快速發展，熱界面材料的應用愈加廣泛，需求量越來越高。根據BBC Research的報告，全球熱界面材料市場規模已超過9億美元，年增長率達7.4%。與國際領先水平相比，我國熱界面材料行業起步較晚，但隨著國內電子產業鏈自主可控需求日益迫切，以及5G通信、AI、新能源汽車等戰略新興產業的快速發展，本土企業正通過持續的技術創新，重點突破高導熱性、超低熱阻等關鍵性能指標，同時借助產業鏈協同創新提升產品性能和穩定性。在政策支持和市場需求雙重推動下，我國熱界面材料行業將加速實現國產化替代和高端化突破，不斷提升市場競爭力。
參考來源：
胡妍妍等：高導熱TIM的實現方法及其可靠性研究進展
楊宇軍等：微電子封裝熱界面材料研究綜述
王謙：集成電路先進封裝材料
孫曉青：導熱填料的研究進展與應用綜述
車乾6G、熱管理實驗室ThermalLink
（中國粉體網編輯整理/石語）
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