中國粉體網(wǎng)訊 5G商用牌照的發(fā)放，掀起了一場覆蓋眾多產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新革命，電子產(chǎn)品的集成化、微型化和高功率化成為其主要發(fā)展趨勢，由此散熱問題成為各個行業(yè)的熱點問題。電子設(shè)備的熱管理系統(tǒng)比較復(fù)雜，除了需要高導(dǎo)熱、高散熱效率的器件外，降低電子元件與散熱器之間的接觸熱阻也是需要重點關(guān)注的問題。
電子元件與散熱器的表面并不是完全光滑的，二者相互接觸時，接觸界面存在空氣間隙，實際的接觸面積大約是散熱器底座的10%，其余空隙均由空氣填充。而空氣的熱導(dǎo)率很低，常溫下其導(dǎo)熱系數(shù)僅為0.026W/(m·K)，電子元件與散熱器之間的界面熱阻較大，因此，空隙的存在降低了散熱效率，從而降低電子元器件的使用壽命。
填充前后器件界面接觸（圖源：沈陽理工大學(xué)學(xué)報）
為保證發(fā)熱元件的正常工作，需要在發(fā)熱電子元件和散熱裝置之間填充能夠快速有效傳熱、降低界面電阻的材料，這種材料被稱為熱界面材料。熱界面材料應(yīng)該具有較低的厚度、高熱導(dǎo)率、低接觸熱阻以及高延展性等特點。
芯片散熱結(jié)構(gòu)及散熱過程示意圖（圖源：佳日豐泰）
目前市場上的熱界面材料主要有導(dǎo)熱硅脂、導(dǎo)熱墊片、導(dǎo)熱膠、導(dǎo)熱凝膠和導(dǎo)熱相變材料等。隨著電子元件散熱需求逐年升高，金屬基熱界面材料以優(yōu)異的導(dǎo)熱性能成為備受青睞的散熱材料之一，主要包括低熔點金屬和金屬基復(fù)合材料。
幾種熱界面材料的傳熱特性
（一）低熔點金屬
低熔點金屬指熔點在300℃以下的金屬及其合金，主要有鎵、錫、銦、鉍等及以其為主要成分的合金。許多潛在相變材料的共同缺點是導(dǎo)熱系數(shù)低，比如有機物，較低的導(dǎo)熱系數(shù)會導(dǎo)致傳熱流體和電子元件表面之間的熱交換不良。低熔點金屬具有很多優(yōu)點，如熱導(dǎo)率高、物理和化學(xué)性質(zhì)較為穩(wěn)定、沸點較高、無腐蝕性等，低熔點金屬還可以實現(xiàn)固-液相轉(zhuǎn)變，快速吸收和釋放熱量，在熱管理技術(shù)上優(yōu)勢明顯。因此，低熔點金屬被認(rèn)為是具有很大潛力的相變熱界面材料。但是低熔點金屬所具有的過強的流動性也會導(dǎo)致泄漏，引起短路。
（二）金屬基復(fù)合材料
金屬基復(fù)合材料是以金屬為基體，與一種或幾種增強相結(jié)合而制成的復(fù)合材料，增強相材料以無機非金屬材料為主，也可以采用金屬絲、顆粒等，金屬基復(fù)合材料與聚合物基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料一起構(gòu)成現(xiàn)代復(fù)合材料體系。金屬基復(fù)合材料的剪切強度高、韌性好，力學(xué)性能優(yōu)異，同時還具有導(dǎo)熱、導(dǎo)電、耐磨、熱膨脹系數(shù)小、無污染等優(yōu)點。
采用金屬基復(fù)合材料制備熱界面材料時，加入的高導(dǎo)熱顆粒可以大幅提高材料的熱導(dǎo)率，改善熱界面材料的性能。在服役溫度高于基體合金的熔點時，加入增強相可提高材料的黏度，減小材料的流動性，有效改善材料流動導(dǎo)致的芯片短路問題。但是，金屬基復(fù)合材料中增強相與基體的潤濕性仍存在較多問題，如何改善兩者的界面結(jié)合，進(jìn)一步提升材料的熱導(dǎo)率、強塑性等性能是發(fā)展新一代熱界面材料的關(guān)鍵。
（三）金屬基復(fù)合材料的制備方法
針對金屬基復(fù)合材料的制備方法已經(jīng)形成了多種體系，包括固相法、液相法、氣態(tài)法、原位生成法等，如下圖所示。
金屬基復(fù)合材料制備方法
與其他金屬基復(fù)合材料相比，“碳金復(fù)材”比較特殊，因為碳材料與金屬基體的浸潤性較差，若制備方法不當(dāng)?shù)玫降膹?fù)合材料的熱導(dǎo)率反而低于金屬基體本身｡國內(nèi)外研制“碳金復(fù)材”時，多采用壓力浸滲法，旨在獲得更強的界面結(jié)合強度｡壓力浸滲法是指通過施加壓力，突破增強體的表面張力將金屬液體滲透進(jìn)增強體預(yù)制件中，然后凝固成型的方法，其具有適用性高､界面強度高和可定制性高的特點，增強體的體積分?jǐn)?shù)通�？梢赃_(dá)到50%-80%｡使用該方法，可以獲得高強度､高導(dǎo)熱､低膨脹等特性的產(chǎn)品，減少甚至無須進(jìn)行后續(xù)的復(fù)雜加工過程。
參考來源：
[1]劉曉云等，金屬基熱界面材料研究進(jìn)展
[2]樂軼凡等，高導(dǎo)熱柔性界面材料的控制制備及導(dǎo)熱機制研究
[3]有機硅基熱界面材料的研究進(jìn)展
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/梧桐）
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