新型電子設備發展的熱傳導需求—導熱關鍵點

研究表明，溫度每升高2°C，電子設備的性能就會下降10%。 為了確保電子裝置的長期、安全、可靠運行，研究和開發新型導熱材料已成為下一代電子裝置的首要任務。 設備與散熱器之間的傳熱在散熱過程中扮演決定性的角色。 在電子元件和散熱器之間引入具有高導熱性的複合材料對於解決這些散熱問題至關重要。 熱界面材料(TIMs)是用來改善電子設備熱傳遞的材料。 通常，TIMs放置在發熱晶片和/或元件與散熱基板或散熱器元件之間，如圖所示。

複合材料的導熱機理

一、熱傳導路徑理論

透過在聚合物基體中連接導熱填料來建立導熱路徑。 填料與基體之間的界面熱阻和基體的 值是決定材料導熱係數的關鍵因素(圖a)。 當填料在聚合物基體中的濃度較低時，顆粒 會相互遠離。 因此，聚合物複合材料的導熱係數仍然很低。 當填料濃度不斷增加時，顆粒相互接觸，形成導熱網絡，為熱流提供了更好的路徑(圖b)。 在熱流方向與導熱網平行的情況下，複合材料的導熱性明顯提高。 相反，未能在熱流方向建立導熱網絡會導致相當大的熱阻。 複合材料的 導熱性不能明顯提升。

複合材料的導熱機理

二、影響聚合物複合材料導熱性的關鍵因素

對於顆粒填充的導熱高分子材料，其導熱係數遠低於理論預測，這主要是由於基體與填料之間的界面相容性差，界面熱阻高。 因此，填料的種類、尺寸、形狀、負荷、分佈以及聚合物與填料之間的相互作用等一系列因素都會對複合材料的最終性能產生強烈的影響。

2.1 導熱填料的種類

常用的導熱填料有金屬、陶瓷和碳材料。 常用導熱填料的 值如下表所示。 金屬材料雖然具有較高的內在價值和優良的使用性能，但其缺點是在高溫下易氧化和熱膨脹係數(CTE)高。 此外，當聚合物中加入大量金屬時，密度會增加，這限制了要求輕量化的應用。 近年來，金屬填料在熱界面材料的應用逐漸減少。 因此，本文不再介紹金屬的性質與應用。

常用導熱填料的性能

2.2 填料含量

从导热路径理论来看，填料含量低时，导热填料难以相互接触形成有效的导热网络结构。因此，需要一定量的填料来获得高导热系数。然而，填料的高负荷会导致其他问题，如机械性能下降，成本增加，绝缘性改变等问题。近年来的许多研究继续在低填料含量下实现有效的导热网络，这不仅大大提高了材料的 值，而且保持了聚合物的各种优异性能。例如，Han等人通过双向冷冻技术制备了氮化硼纳米片排列的气凝胶，然后将环氧树脂渗透到BNNS结构中制备了BNNS/环氧复合材料。当填料含量仅为15 vol%时，复合材料的K值提高到6.07 W/mK(图a,b)。此外，Li等人使用液氮驱动组装方法结合冰模板方法制备了具有三维石墨烯网络结构的环氧复合材料。复合材料表现出优异的力学性能，在1 wt%的载荷下传热增强效率为431%。该方法通过创建有效的导热网络，显著减少了复合材料中导热填料的数量(图c,d)。

填料含量對複合材料導熱性能的影響

三、導熱聚合物複合材料在電子元件中的應用

本節綜述了導熱聚合物複合材料在先進電子元件中的一些新興應用，如先進電子封裝、LED元件、儲能元件、電熱冷卻元件、太陽能電池等。

3.1 電子封裝

積體電路產業製造的微電子元件具有越來越高的絕緣封裝和功率密度，對散熱的要求也越來越高。 積體電路工業主要涉及晶片的設計、製造和電子封裝。 電子封裝材料對電子裝置的性能和可靠性起著至關重要的作用。 在設計包裝材料時，期望它們具有導熱性，能夠承受/傳遞應力，並且能夠很好地隔離以使整個系統免受外部幹擾。 電子封裝技術分為陶瓷封裝、金屬封裝和聚合物封裝，其中大部分封裝材料是聚合物材料，特別是環氧樹脂，其價格低廉，易於加工。 在3D封裝系統中，導熱複合材料被用作下填充材料，以填充焊料凸起之間的間隙，並促進電子設備中的熱量傳遞。 環氧底料是倒裝晶片封裝技術中典型的聚合物封裝材料(圖a-e)。 然而，IC晶片與基板之間的可靠性差和CTE不匹配一直是有待解決的挑戰。
複合材料在電子封裝上的應用

3.2 太陽能電池

光伏(PV)技術是一種革命性的技術，可以產生綠色能源，幫助人類克服與能源生產和排放相關的挑戰。 然而，由於太陽能電池的光電轉換效率較低，吸收的太陽輻射大部分以熱量的形式散失，進一步抑制了太陽能電池的光電轉換效率。 為了確保電池的正常運行，如何散發電池內部積聚的熱量已成為需要解決的首要問題。 EVA 是典型的光電模組封裝高分子材料，80%以上的光電模組採用EVA封裝。 此外，聚乙烯醇氟薄膜常被用作電池的背襯材料。 然而，EVA和聚乙烯烴的導熱係數都很低(均小於0.4 W/mK)，這可能導致大量的熱量累積。 因此，在高分子材料中引入兼具高導熱性和電絕緣性的填料，是提高太陽能電池封裝材料和背襯材料導熱性的有效手段。

3.3 儲能設備

電化學儲能裝置在充放電過程中會產生過多的熱量，導致容量迅速退化和熱失控。 在高溫下長時間運作會使鋰離子電池和超級電容器的聚合物分離器軟化，導致其短路。 具有高離子電導率的導熱複合材料可作為鋰離子電池和電容器的隔膜或全固態聚合物電解質，有效散熱工作過程中產生的熱量。 在電動車領域，許多事故都是由汽車電池的熱積聚引起的。 具體來說，電池充放電過程中熱量的快速累積是導致電池火災的主要原因。 此外，溫度分佈不均勻會嚴重威脅電池的效能和壽命。 因此，導熱聚合物複合材料有相當大的空間來創造更多的經濟和社會影響。

如前所述，電子設備中的熱累積通常對其穩定性和使用壽命有害。 因此，高效導熱複合材料的使用不僅是當前電子產品的要求，也是下一代電子設備發展的要求。 導熱複合材料在一些新領域的應用也不斷出現，如熱電發電機的散熱膜、個人熱管理等。

內容來源： 高分子材料科學