無機(jī)填料之間共價(jià)鍵結(jié)合TIMs導(dǎo)熱性能的方向

文章出處：行業(yè)動(dòng)態(tài) 責(zé)任編輯：東莞東超新材料科技有限公司發(fā)表時(shí)間：2023-03-01

　　隨著現(xiàn)代電子設(shè)備朝著小型化、高功率密度、高集成化方向發(fā)展，電子器件的散熱問題成為了影響設(shè)備使用壽命和性能的關(guān)鍵，特別是在5G領(lǐng)域尤為突出，為此，需要更好的熱管理方案來解決這一問題。通常而言，電子器件產(chǎn)生的熱量需要傳遞到散熱器表面，而將熱界面材料（TIMs）填充于電子器件和散熱器之間可以最大限度的提升傳熱能力。

無機(jī)填料在聚合物復(fù)合材料中主要起到增量、增強(qiáng)和賦予功能等作用。
　　（1）增量：添加廉價(jià)的無機(jī)填料以降低制品的成本，降低聚合物用量。
　　（2）增強(qiáng)：提高聚合物基復(fù)合材料，如塑料、橡膠的力學(xué)性能（彈性模量、抗壓強(qiáng)
　　度、沖擊強(qiáng)度、耐磨性等）。
　　（3）賦予功能：無機(jī)填料可賦予聚合物基體自身沒有的一些特殊功能，如阻燃性、導(dǎo)電、抗菌等。此時(shí)，無機(jī)填料的化學(xué)組成，光、電、熱等性質(zhì)起到重要的作用。

TIMs主要由有機(jī)基體和無機(jī)填料組成，因此，TIMs的整體導(dǎo)熱能力將由聚合物和無機(jī)填料的導(dǎo)熱能力、聚合物和無機(jī)填料的界面熱阻、無機(jī)填料接觸面之間的界面熱阻共同決定。導(dǎo)熱率主要由電子或/和聲子決定，而目前廣泛的介紹只停留在宏觀導(dǎo)熱材料的制備和熱導(dǎo)率的表征方面，有關(guān)導(dǎo)熱率的解釋主要集中在無機(jī)填料粒徑分布、填料搭配構(gòu)筑導(dǎo)熱通路和粉體填充率大小方面，而對(duì)于微觀機(jī)制電子和聲子的介紹很少。因此本文簡(jiǎn)要介紹了TIMs中的導(dǎo)熱機(jī)制，并從機(jī)制出發(fā)介紹了可供提高TIMs導(dǎo)熱性能的方向。

01 電子和聲子的熱傳導(dǎo)

電子導(dǎo)熱主要發(fā)生在導(dǎo)電性導(dǎo)熱材料中，當(dāng)這些材料所處環(huán)境失衡，電子將會(huì)從高溫向低溫?cái)U(kuò)散，產(chǎn)生相應(yīng)的電流和熱流，即發(fā)生電子導(dǎo)熱。而在介質(zhì)和非導(dǎo)電性聚合物中，導(dǎo)熱通常是聲子導(dǎo)熱，當(dāng)這類材料一側(cè)受熱，材料的晶格發(fā)生震動(dòng)，而后相應(yīng)的震動(dòng)傳遞給相鄰的原子導(dǎo)致熱流在材料中傳遞，通常我們遇到的TIMs就是這一類。作為TIMs的組成部分，無機(jī)非金屬填料晶格分布較為規(guī)則，聲子可以沿著晶格方向傳播，往往表現(xiàn)出優(yōu)異的導(dǎo)熱性能；而在另一重要組成部分高分子聚合物中，高分子鏈相互糾纏，對(duì)高速運(yùn)動(dòng)的聲子并不傳導(dǎo)，而這些聲子在高分子鏈界面被高度分散，導(dǎo)致聲子流程大幅度減少，導(dǎo)熱能力下降。因此，減小聲子的散射對(duì)于提高導(dǎo)熱性能格外重要。

02 如何構(gòu)建性能優(yōu)異的TIMs
常規(guī)構(gòu)建TIMs的方法是采用高導(dǎo)熱系數(shù)的無機(jī)填料，然而這樣構(gòu)建的TIMs由于高分子聚合物導(dǎo)熱系數(shù)低，其與無機(jī)填料界面熱阻大使得整體導(dǎo)熱性能往往不太理想。為此，減小無機(jī)填料與高分子聚合物、無機(jī)填料與無機(jī)填料的界面熱阻和構(gòu)造導(dǎo)熱通路或者兼顧以上兩者成為了提升TIMs導(dǎo)熱性能的方向（圖2）。作為無機(jī)填料的主要供應(yīng)商，我司致力于從無機(jī)粉體出發(fā)通過降低無機(jī)粉體本身的界面熱阻來提升導(dǎo)熱，為客戶提供優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。

03 無機(jī)填料表面功能化

無機(jī)填料表面功能化是有效增強(qiáng)填料與聚合物之間結(jié)合力的方法，這無疑降低界面熱阻，提升TIMs的導(dǎo)熱性能。基于這種觀點(diǎn)，東超新材料致力于粉體材料的表面功能化從而獲得更優(yōu)的導(dǎo)熱材料。無機(jī)填料表面由于各種官能團(tuán)的存在，使其與填料內(nèi)部的化學(xué)結(jié)構(gòu)差別很大。大多數(shù)無機(jī)填料具有一定的酸堿性，表面有親水性基團(tuán)，并呈極性；而聚合物則呈疏水性、極性。因此兩者之間的相容性差，為了改善填料和聚合物基體間的界面結(jié)合，必須采用適當(dāng)?shù)姆椒▽?duì)無機(jī)填料表面進(jìn)行改性處理，這對(duì)于改善聚合物復(fù)合材料的最終性能至關(guān)重要。表面改性方法主要有物理方法和化學(xué)方法。物理法表面改性是增加填料表面凹凸度，從而增加填料的比表面積；化學(xué)法表面改性是在填料表面上架接了各種官能基團(tuán)，使表面具有反應(yīng)活性，這種改性方法具有簡(jiǎn)單易行，而得到廣泛的應(yīng)用。我司開發(fā)的導(dǎo)熱填料系列產(chǎn)品有效降低了粘度，極限填充率可提升約3%，是一種有效的熱管理方案。

04 填料之間共價(jià)鍵結(jié)合

共價(jià)鍵擁有比氫鍵和范德華力更強(qiáng)的結(jié)合力，填料之間共價(jià)鍵結(jié)合被認(rèn)為是減小粉體間界面熱阻的重要方法，可有效提升其導(dǎo)熱性能。有報(bào)道顯示，通過機(jī)械輔助法使聚酰胺和BN共價(jià)結(jié)合，很好的降低了填料之間的界面熱阻，導(dǎo)熱率顯著提高，是未共價(jià)結(jié)合時(shí)的4倍。

05 構(gòu)建導(dǎo)熱通路

通過焊接技術(shù)也可以提升粉體材料的導(dǎo)熱性能。該方法主要通過壓力、摩擦力，剪切力或高溫?zé)嵩诜垠w表面焊接微粉顆粒實(shí)現(xiàn)粉體間優(yōu)異的導(dǎo)熱通路，通過該技術(shù)手段可減小聲子的散射，從而提升其導(dǎo)熱能力。這種技術(shù)在導(dǎo)熱界面材料中導(dǎo)熱填料粉體廠很少使用。

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