隨著電子器件不斷微型化與集成化，其功率密度急劇提高，熱量累積加劇。熱界面材料能夠保證封裝與散熱裝置之間良好的熱傳導，使熱量快速耗散，從而避免電子器件因過熱而性能下降。綜述了常見熱界面材料導熱硅脂的組成及其導熱機理，總結了影響導熱硅脂熱導率的因素，包括導熱填料的種類、形貌和粒徑分布以及與聚合物基體的相容性，從導熱填料的協(xié)同效應和表面改性方面介紹了提升導熱硅脂熱導率的方法。指出未來應從深化表面改性技術、優(yōu)化導熱填料復配協(xié)同效應以及加強理論預測模型構建方面進一步提高導熱硅脂的綜合性能。
01研究背景
隨著電子器件不斷向微型化與集成化方向發(fā)展，其功率密度急劇增大，導致工作時單位時間內產生的熱量急劇提高，這些熱量若不能快速耗散，將會導致電子器件性能惡化甚至發(fā)生故障。電子器件通常依賴散熱器散熱，但由于加工精度限制，器件（熱源）和散熱器的接觸界面間不可避免地存在空氣間隙，而由于空氣的熱導率（0.026W·m−1·K−1）比金屬低4個數(shù)量級，空氣間隙的存在會嚴重阻礙熱量向散熱器的傳遞，從而形成顯著的界面熱阻。這種由空氣間隙導致的界面熱阻，即使是在散熱器上采用最先進的冷卻技術也無法去除。熱量無法快速散出，電子器件的溫度就會持續(xù)升高，其使用壽命與性能也隨之呈指數(shù)級降低。
為了降低界面熱阻，研究人員在發(fā)熱器件與散熱器的空隙中填充了導熱材料，這些導熱材料被稱為熱界面材料。熱界面材料種類繁多，包括導熱硅脂、導熱墊片、導熱凝膠、導熱相變材料、導熱膠和液態(tài)金屬等，可分為固化和非固化兩類。固化型熱界面材料使用方便、后處理簡單且不易污染器件，但在兩個熱膨脹系數(shù)不匹配的材料之間極易因冷熱循環(huán)而開裂，且難以充分填充界面空隙，不適用于表面形狀復雜的器件；非固化型熱界面材料具有熱阻和成本低等優(yōu)點，由于未發(fā)生固化，其在冷熱循環(huán)中產生的內應力小，更適用于表面形狀復雜的器件。非固化型熱界面材料早期主要為石蠟基材料，隨著有機硅化學的發(fā)展，化學穩(wěn)定性更優(yōu)的有機硅油開始取代石蠟作為聚合物基體，并通過添加高性能導熱填料提高熱導率，逐漸演化為現(xiàn)今使用最廣泛的導熱硅脂。導熱硅脂主要呈厚糊狀，具有高熱導率、低界面熱阻、可重復使用、使用方便等特點，是電子器件中常用的熱界面材料。為了給相關研究人員提供參考，作者綜述了導熱硅脂的組成及導熱機理，總結了影響其熱導率的因素以及提升熱導率的方法，并展望了未來的研究方向。
02研究亮點
1 導熱硅脂的組成與導熱機理
本章節(jié)主要介紹了導熱硅脂的組成、導熱機理及相關理論。導熱硅脂由聚合物基體（主要為有機硅油，存在滲油問題）、導熱填料（包括金屬、陶瓷和碳基填料，各有優(yōu)缺點）和少量添加劑組成。熱傳導主要通過聲子傳遞實現(xiàn)，結晶性材料熱導率高，非晶態(tài)材料熱導率低。主流導熱機理包括導熱通路理論（填料形成導熱網(wǎng)絡）、熱彈性系數(shù)理論（熱彈性系數(shù)組合提高熱導率）和導熱逾滲理論（填料達到臨界含量后熱導率陡增）。
2 導熱硅脂熱導率的影響因素
本章節(jié)重點分析了導熱硅脂熱導率的主要影響因素。導熱填料是決定熱導率的關鍵，其種類、形貌和粒徑分布均對導熱性能有顯著影響。陶瓷基填料（如氮化鋁、氧化鋁和氮化硼）因兼具高導熱性和絕緣性而被廣泛應用，其中六方氮化硼因層狀結構和優(yōu)異熱穩(wěn)定性成為研究熱點。碳基填料（如碳納米管和石墨烯）具有超高本征熱導率，但實際應用受分散性、各向異性和界面熱阻等因素制約。填料形貌方面，低球形度或高長徑比的片狀、針狀填料有助于形成更多導熱通路，從而提高熱導率。此外，優(yōu)化填料的粒徑分布，采用多粒徑混合填充可提升顆粒堆積密度，減少界面熱阻，進一步增強導熱性能。
3 導熱硅脂熱導率提升方法
本章節(jié)重點介紹了提升導熱硅脂熱導率的兩類主要方法：一是通過組合不同形貌和種類的導熱填料，利用協(xié)同效應提高顆粒堆積密度和傳熱橋梁數(shù)量，從而顯著提升導熱性能；二是通過表面改性技術（包括共價功能化和非共價功能化）改善導熱填料與聚合物基體的相容性、分散性及界面結合力，降低界面熱阻，進一步提高熱導率。
03結束語
隨著電子器件功率密度的持續(xù)提高，高效散熱成為保障其性能和可靠性的關鍵。熱界面材料能夠保證電子器件與散熱器之間良好的熱傳導，從而使熱量快速由電子器件傳遞到散熱器中，實現(xiàn)高效散熱。導熱硅脂是常用的熱界面材料，主要由聚合物基體、導熱填料和少量功能性添加劑構成，其中導熱填料對導熱硅脂熱導率的影響更大。陶瓷基填料具有良好的導熱性和絕緣性，碳基填料具有超高本征熱導率，都非常適合用作導熱填料，但與聚合物基體的相容性均很差，界面熱阻顯著。通過共價或非共價功能化對導熱填料表面進行改性，能夠有效提高與聚合物基體的相容性、減少聲子散射。
近年來，國內高端導熱硅脂市場仍被國外企業(yè)占領，國內相關研究主要聚焦在探索新型高性能導熱填料（尤其碳基填料）上，所研發(fā)的新型高性能導熱填料與有機硅油的相容性仍較差，難以實現(xiàn)高填充量。從實際生產角度出發(fā)，未來的研究方向應該集中在以下方面。
（1）探索更高效、普適的表面改性方法，如開發(fā)新型偶聯(lián)劑、優(yōu)化等離子體工藝等來提升高性能導熱填料在基體中的分散性和填充量。
（2）通過科學設計不同種類、形貌、粒徑分布導熱填料的組合體系，優(yōu)化導熱填料復配協(xié)同效應來提高導熱硅脂的熱導率，降低其滲油率。
（3）通過加強理論預測模型構建，探究熱輸運行為與導熱硅脂性能之間的關系，為材料合理設計與性能預測提供理論指導。
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