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為什么說(shuō)超高導(dǎo)熱材料是被5G逼出來(lái)的？

發(fā)布時(shí)間：2021-06-10 14:29:44 點(diǎn)擊次數(shù)：次

2019對(duì)于導(dǎo)熱產(chǎn)品來(lái)說(shuō)是個(gè)大年了！

為什么說(shuō)超高導(dǎo)熱材料是被5G逼出來(lái)的？想信很多人不是很理解，沛川智能裝備做了導(dǎo)熱散熱領(lǐng)域高精密壓延機(jī)，涂布機(jī)定制服務(wù)商，今天就帶大家來(lái)解答一下，為什么會(huì)有這樣的一種說(shuō)法。

回想過(guò)去這十幾年，電子技術(shù)的迭代是坐地日行八萬(wàn)里，但是電子產(chǎn)品的好基友——有機(jī)硅導(dǎo)熱材料卻一直很佛系的徘徊在“一兩瓦算正常，三五瓦很優(yōu)秀”的層次。

結(jié)果誰(shuí)都沒(méi)想到，去年一年時(shí)間里，材料技術(shù)突然飛躍，先是有了8瓦gap filler，緊接著漢高GAP PAD又突破了10W/mK大關(guān)！

不過(guò)數(shù)字是枯燥的，10W/mK這個(gè)參數(shù)也有點(diǎn)抽象，我們恐怕要拿TGP HC3000這款已經(jīng)上市好多年的導(dǎo)熱墊片做一個(gè)參照，才能更深刻理解這款新材料承載了什么意義！

TGP HC3000主打的賣點(diǎn)是“S級(jí)”超軟超低模量，中高導(dǎo)熱系數(shù)，能cover絕大多數(shù)導(dǎo)熱應(yīng)用場(chǎng)景，可以說(shuō)是導(dǎo)熱墊片界的經(jīng)典款。甚至有路邊社消息說(shuō)這款產(chǎn)品被用在了SAMII導(dǎo)彈的電路上。

但是當(dāng)我們把它和10W/mK導(dǎo)熱墊片TGP 10000 ULM放在一起觀察，就會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)蠻“異�！钡那闆r

TGP 10000 ULM vs TGP HC3000

硬度：基本一樣模量：基本一樣密度：基本一樣導(dǎo)熱率：TGP 10000 ULM 要高出230% ！

參考經(jīng)濟(jì)學(xué)的蒙代爾不可能三角，導(dǎo)熱材料的不可能三角大概可以概括為：在技術(shù)路線不變的前提下“高導(dǎo)熱系數(shù)”、“低模量硬度”和“工藝的實(shí)現(xiàn)度”這三個(gè)要素很難同時(shí)達(dá)成。

復(fù)合導(dǎo)熱彈性體材料的不可能三角

但是，這款已經(jīng)量產(chǎn)的、導(dǎo)熱率超高的、又很柔軟的TGP 10000 ULM ，看起來(lái)并不符合所謂的導(dǎo)熱不可能三角理論�。�

在更深入探究這個(gè)問(wèn)題之前，我們有必要先聊一下熱傳導(dǎo)的原理：

在金屬材料中，熱量傳導(dǎo)的載體是電子，這也是為什么導(dǎo)電體往往同時(shí)也是很好的導(dǎo)熱體。

而在普通絕緣材料中，電子是不能自由移動(dòng)的，那么此時(shí)承擔(dān)熱能傳導(dǎo)的就是——聲子(phonon)。聲子是晶格振動(dòng)的簡(jiǎn)正模能量量子，屬于玻色子。

晶格振動(dòng)的能量量子被稱為聲子由于聲子在金屬氧化物等晶體中傳播比較容易，而在有機(jī)硅等高分子化合物中的傳遞損失較大，因此在制作導(dǎo)熱墊片的時(shí)候人們會(huì)向高分子彈性體中添加Al2O3之類的金屬氧化物導(dǎo)熱填料。

當(dāng)添加量比較少的時(shí)候每個(gè)填料顆粒彼此離散，不能形成有效的熱量通路，此時(shí)導(dǎo)熱率非常低。

只有當(dāng)填料添加量突破臨界值才能在兩個(gè)界面之間搭起一個(gè)傳導(dǎo)熱量的走廊，此時(shí)從宏觀看這塊硅橡膠才能被稱為導(dǎo)熱墊片。

因此對(duì)于導(dǎo)熱復(fù)合材料而言，實(shí)現(xiàn)更高導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)鍵就是添加更多的導(dǎo)熱填料，保證在導(dǎo)熱墊片兩面形成更密集的聲子傳播通路。

更高階一點(diǎn)的要求，導(dǎo)熱填料的取向應(yīng)該得到有效控制，如果填料的取向相同，熱量沿著取向方向傳遞，導(dǎo)熱潛力將得到極大的挖掘！

所以說(shuō)TGP 10000 ULM是加了更多的導(dǎo)熱填料才實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)熱率300%的飆升嗎？顯然事情不會(huì)這么簡(jiǎn)單。

其實(shí)針對(duì)提高導(dǎo)熱率這個(gè)課題大量的科研機(jī)構(gòu)都進(jìn)行過(guò)系統(tǒng)的研究，他們發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)熱填料的添加量和導(dǎo)熱率并不是完全線性的關(guān)系。當(dāng)Al2O3等導(dǎo)熱填料的量達(dá)到了90wt%，導(dǎo)熱率就會(huì)定格在4W左右，更多的填料就對(duì)導(dǎo)熱率的增長(zhǎng)沒(méi)有貢獻(xiàn)了。而且到了這個(gè)程度，密度和硬度也都“突破天際”，可以說(shuō)此時(shí)導(dǎo)熱墊片成功轉(zhuǎn)型成了導(dǎo)熱“磚頭”。（高性能有機(jī)硅導(dǎo)熱材料的制備與研究_王紅玉）

Al2O3填料添加量對(duì)導(dǎo)熱墊片硬度的影響（有機(jī)硅導(dǎo)熱墊片性能的研究_王亞龍）

而如果追求極限繼續(xù)添加導(dǎo)熱填料，最后就會(huì)出現(xiàn)這種局面。。。所以這條路只能到此為止了。

不同添加量時(shí)填料的狀態(tài)（不同無(wú)機(jī)填料對(duì)導(dǎo)熱硅脂熱導(dǎo)率的影響研究_康永）如果從填料量入手并不能解決問(wèn)題，那么破除這個(gè)導(dǎo)熱不可能三角似乎只有從改變填料體系入手了！

從產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀來(lái)看，比較靠譜能做為導(dǎo)熱填料的候選者其實(shí)也不多：

幾種非金屬導(dǎo)熱填料

而導(dǎo)熱率必須遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于氧化鋁，同時(shí)又有良好絕緣性的選手就只剩AlN氮化鋁和BN氮化硼兩位。

其實(shí)，AlN和BN已經(jīng)誕生一百多年，自從上世紀(jì)80年代就一直做為明日之星備受期待。但是直到今天他們也沒(méi)挑起導(dǎo)熱的大旗，頂多就是充當(dāng)一下氧化鋁之類主流填料的配角。

究其原因，除了貴之外，主要就是這二位的分子結(jié)構(gòu)都有各自的問(wèn)題，想要加以利用就必須對(duì)他們進(jìn)行微觀級(jí)的表面處理。

AlN氮化鋁的表面處理

氮化鋁AlN的表面極為活潑，吸潮后非常容易水解產(chǎn)生Al(OH)3，造成聲子通路中斷嚴(yán)重影響熱量傳導(dǎo)。

AlN+3H2O=Al(OH)3↓+NH3↑

有研究表明AlN的水解反應(yīng)即便在較低溫度下也會(huì)發(fā)生,屬于全天候水解的選手。

40nm氮化鋁水解TEM微顯圖（AlN粉末的水解行為及抗水解性能研究_徐林煒）

但是做為電子級(jí)材料，肯定要經(jīng)過(guò)雙85高溫高濕的考驗(yàn)才算合格，因此這個(gè)容易水解的問(wèn)題不解決就沒(méi)辦法轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力。

現(xiàn)在業(yè)界主流的思路是，對(duì)AlN填料表面進(jìn)行處理形成一層納米級(jí)的致密氧化層，這樣就相當(dāng)于給每一顆AlN顆粒都包裹上一層雨衣，理論上吸潮水解的問(wèn)題就迎刃而解了。

從實(shí)踐情況來(lái)看可以說(shuō)有效果，只是效果有限。別說(shuō)雙85的1000小時(shí)測(cè)試了，往往到了第三四百小時(shí)高溫高濕就讓導(dǎo)熱率出現(xiàn)斷崖式下跌！（AlN粉末的水解行為及抗水解性能研究_徐林煒）

BN氮化硼的表面處理

要說(shuō)BN真是個(gè)優(yōu)等生！導(dǎo)熱率高的直追金屬，但是又具備非常好的絕緣性能，人送外號(hào)“白石墨烯”。如果大量添加進(jìn)硅橡膠基材必然可以憑借一己之力將導(dǎo)熱性能提高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

幾種導(dǎo)熱填料的導(dǎo)熱率及介電常數(shù)（高性能氮化硼導(dǎo)熱復(fù)合材料的制備及其熱管理應(yīng)用_朱志佳）

但是問(wèn)題在于BN表面缺少活潑官能團(tuán),化學(xué)性質(zhì)太過(guò)穩(wěn)定，這就造成BN納米顆粒很難與高分子基材浸潤(rùn)相容，分散性很差，十分容易團(tuán)聚。而這就會(huì)影響聲子傳導(dǎo)通路的有效建立。（氮化硼_聚合物導(dǎo)熱復(fù)合材料的進(jìn)展_石倩）

有研究表明當(dāng)BN添加量超過(guò)180份之后粘度急劇升高，機(jī)械性能隨之大幅下降。如果參考對(duì)于氧化鋁的表面處理方案，就會(huì)發(fā)現(xiàn)BN改性處理缺乏綠色簡(jiǎn)單高效的手段。（氮化硼填充MVQ制備導(dǎo)熱橡膠的研究_涂春潮/氮化硼_聚合物導(dǎo)熱復(fù)合材料研究進(jìn)展_沈衡）

12% 納米BN/硅橡膠復(fù)合材料斷面形貌圖（高導(dǎo)熱硅橡膠復(fù)合絕緣材料制備與綜合性能的研究_朱艷慧）

人才都是人才，就是都用不好……所以總結(jié)起來(lái)就是：超高導(dǎo)熱材料的前途是光明的，填料表面處理的道路是曲折的。

但是等等，再回頭看一下TGP 10000 ULM——相對(duì)低的密度、大幅提高的導(dǎo)熱率，維持了一直以來(lái)的低模量和硬度，實(shí)現(xiàn)了很低的界面熱阻同時(shí)對(duì)元器件起到了有效的應(yīng)力保護(hù)——事實(shí)告訴我們，他們真的已經(jīng)攻克了這個(gè)行業(yè)難題！

TGP 10000 ULM 關(guān)鍵物性（henkel.com）

不過(guò)作為一個(gè)冷靜的材料人，我們心里都清楚，材料性能有突破是好事，但是性能可否長(zhǎng)期保持穩(wěn)定才是難點(diǎn)所在。這就類似于我們國(guó)家可以造出高品質(zhì)的單次運(yùn)載火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，卻尚未突破穩(wěn)定多次使用的民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)。大概就是這個(gè)意思。

據(jù)賽寶實(shí)驗(yàn)室可靠性研究分析中心專家張瑩潔的反饋，目前市場(chǎng)化程度較高的導(dǎo)熱產(chǎn)品大都集中在氧化鋁Al2O3填料體系，采用金屬氮化物的導(dǎo)熱墊片產(chǎn)品還很少。畢竟現(xiàn)階段屬于超高導(dǎo)熱填料技術(shù)大爆發(fā)的初期，業(yè)內(nèi)缺少可互相借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

因此為了避免不可預(yù)知的風(fēng)險(xiǎn)，建議使用者在選擇此類“超高導(dǎo)熱”材料前，盡可能進(jìn)行完整的可靠性評(píng)估。