电子设备高效散热的关键材料，导热填料怎么选？

随着电子设备功率密度不断增加，高效散热已成为制约技术发展的关键因素。导热界面材料是一种用于集成电路封装和电子元器件散热的材料，主要是通过填补电子元器件与散热器接合或接触时产生的微空隙及表面凹凸不平的孔洞，降低电子元器件和散热器之间的界面热阻，从而提高电子元器件的散热性能。常用的热界面材料主要为填充型，主要是通过在聚合物基体中填充高导热的填料制备而成。由于聚合物基体本身热导率较低，导热填料成为赋予热界面材料高效导热性能的核心关键。

导热填料有哪些

常用的导热填料主要可以分为：金属类填料、碳材料类填料和陶瓷类填料。热界面材料根据导电性可以分为绝缘型与非绝缘型两种。金属类、碳类填料添加到基体中可以制备导热非绝缘型热界面材料，无机陶瓷类填料添加到聚合物基体中可以制备绝缘型热界面材料。

（1）金属类填料

金属都具有良好的导热性，导热系数较高。常用的金属类导热填料主要包括金粉、银粉、铜粉、铝粉、锌粉、镍粉以及低熔点合金。金属中具有大量的自由电子，这些自由电子在电场的作用下可以自由移动，当存在温度梯度时，自由电子会从高温区域向低温区域迁移，金属主要就是通过电子的运动和碰撞来传递热量。

（2）碳材料类填料

碳材料通常具有极高的导热系数，比金属填料的导热性还要好。根据形貌区分为一维碳材料（如碳纤维、碳纳米管）、二维碳材料（如石墨烯）和三维碳材料（如石墨、金刚石等）。其中碳纳米管的导热系数为3100-3500 W/(m·K)，石墨烯的导热系数为4840-5300 W/(m·K)，并且它们易于制造，具有多种形状，是热管理应用最有希望的候选者。

碳基填料的导热能力根植于其原子结构，它们受到碳-碳共价键间sp2杂化作用以及碳原子质量较小的特点，使得晶格振动可以高效的传递热量，因此声子成为其导热的主要载体。

石墨烯粉体，图源：德阳烯碳科技有限公司

（3）陶瓷类填料

陶瓷类导热填料具有优异的导热性及电绝缘性，在电子封装领域具有独特优势。常见的无机填料主要包括氧化铝（Al2O3）、六方氮化硼（h-BN）、碳化硅（SiC）及氧化锌（ZnO）等。其中，六方氮化硼具有高热导率和优良电绝缘性等特点，在导热且绝缘需求的领域具有良好的应用前景。

陶瓷类填料的导热机制主要是声子导热，其中有部分陶瓷会使用光子传导、电子传导。声子是晶格振动引起的量子态，是固体热传导的主要载体，当陶瓷填料受到热激发时，晶格会振动产生声子，声子在材料内部传播过程中会与材料中的杂质、缺陷以及其他声波相互作用，从而实现热能的传递。

h-BN粉体，图源：河南氮硼新材料科技有限公司

改性关键：破解团聚难题

由于无机粉体的表面极性较高，容易发生团聚，导致其填充到基体中时容易分散不均，从而导致体系黏度的增大、热导率下降以及力学性能变差等现象。所以为了减少粉体的团聚现象，我们通常对无机填料表面进行改性。改性方法有物理改性法和化学改性法，但是目前应用最多且改性效果较好的是化学改性法，主要包括偶联剂改性、酯化反应改性以及表面接枝改性。

偶联剂改性：通过将偶联剂上的有机分子结合到无机粉体表面，使得无机粉体的表面自由能降低，减小团聚现象，增大与有机基体的相容性。

酯化反应改性：由无机粉体表面上的羟基与改性剂中的羧基或醇羟基发生反应，使有机分子连接到粉体表面，从而降低粉体表面的极性。

表面接枝改性：先在无机粉体表面进行表面接枝改性，然后在其基础上发生聚合反应从而引入有机物质。

性能调控：三大维度优化导热网络

填料设计优化是开发高导热界面材料的重要方向，填料的种类、形状、尺寸均可以影响其在基体中导热网络的形成。

（1）填料尺寸

填料的不同尺寸分布会对材料的导热性能有一定的影响。使用大小颗粒混合堆积能够提高材料的热导率，这是因为小颗粒能够进入大颗粒无法占据的空间，存在于大颗粒之间的间隙中，与大颗粒或小颗粒形成更紧密的堆积，这样填料之间可以形成更多的有效接触，导热网络更密集，材料的导热性能可以有效提高。

不同粒径粒子配合堆积示意图

（2）填料形状

填料的形状对其在基体中的分布状况、力学性能等都具有一定的影响。分散在高分子基体中的导热填料有粒状、片状、纤维状等形态。粒状填料具有最高的理论堆积密度，可以增加填料之间的接触点，使制备的材料拥有良好导热性能；片状填料一般具有较高的比表面积，分布在聚合物基体中更容易形成声子导热通道，有利于导热性能的提高；对于纤维状填料而言，填料的取向分布和长径比对热导率有较大影响，具有高纵横比的填料可以在聚合物基体中形成更多的连续热传导通路，从而有效地提高导热性。

不同形状填料混合添加

（3）填料种类

虽然单一填料可以形成导热网络，但是单一的填料往往难以在基体中完全分散，仍存在一些空隙。因缺陷、界面等因素引起的声子散射和填充量过高导致的加工困难，使得单一填料很难让复合材料达到理论热导率。通过将不同形状、尺寸、类型的导热填料进行复配后，复合填料不仅可以有效减少聚合物基体中的空隙，构建完整的导热通路，还可以改善填料在聚合物基体中的分散性，为导热复合材料的设计提供了多种可能性。

（a）单一填料；（b）不同尺寸的混合填料的导热路径

小结

受电动汽车、5G、人工智能等新兴产业需求驱动，同时政策支持和技术创新推动市场扩张，近年来导热填料市场规模持续增长，预计未来几年将保持较高增速。据QYResearch调研团队报告，预计2031年全球导热界面材料用填料市场规模将达到6.1亿美元，未来几年年复合增长率CAGR为7.5%。随着技术的发展，新型导热填料的开发将进一步推动导热材料在高端领域的应用。

参考来源：
朱晴：高导热热界面材料的制备及其导热性能研究
崔向红等：导热填料表面改性方法的研究进展
王天伦：热界面材料可靠性能研究进展
赵登云：高导热填料表面改性的研究及其应用
刘科科等：高分子复合材料用导热填料研究进展
焦天明：热界面材料的连续导热路径的设计、构筑及性能研究
QYResearch