高性能導熱界面材料（TIM）：超越傳統TIM材料

隨著對高效散熱需求的不斷增長，具有更高導熱率和其他優異性能的高性能導熱界面材料（TIM）變得至關重要。在這一趨勢的推動下，許多高性能TIM材料不斷湧現。

▌熱界面材料 (TIM) 簡介

熱界面材料 (TIM) 是用於改善兩個表面之間熱傳遞的材料，通常用於熱源（如電腦處理器）與散熱器（如金屬散熱片或其他冷卻系統）之間。 TIM 廣泛應用於各個領域，包括電動車電池、資料中心伺服器主機板、個人智慧型手機和筆記型電腦、5G 基地台以及高級駕駛輔助系統 (ADAS) 電子設備。

TIM 的主要作用是填滿兩個表面之間的微小間隙和不規則區域，降低熱阻，提高熱傳輸效率。

TIM 形式多樣，包括導熱膏、導熱墊片、液態金屬、導熱膜等。通常，TIM 由高導熱填料和聚合物基體組成。

TIM 的性能（如導熱係數、成本、黏度等）主要受填料材料、粒徑、填充率、顆粒幾何形狀等因素影響。常見的填料材料包括氧化鋁 (Al₂O₃)、氫氧化鋁 (ATH)、氮化鋁 (AlN)、氮化硼 (BN)、氧化鋅 (ZnO) 和氧化鎂 (MgO)。但根據成本、地區法規、填料處理難度、磨損性等因素的不同，優選的填料材料會因行業和應用而異。

本文主要介紹先進的碳基TIM材料的優缺點，許多其他TIM材料在性能上也有卓越表現。

▌先進的碳基TIM材料的優缺點概述

碳材料作為原料具有極高的導熱率。原始碳填料的導熱率通常超過 1000 W/m·K（主要為面內方向，而非垂直方向）。在高性能碳基TIM材料的範疇內，主要競爭者包括碳纖維、石墨、碳奈米管和石墨烯。此外，市場對鑽石基TIM材料的興趣也在增加。

▌基於石墨的TIM材料：石墨片與石墨TIM

石墨是一種高導熱材料，被廣泛用作熱擴散材料（用於X、Y軸方向的導熱，以防止局部熱點）。常見應用包括手機電池和顯示屏，其中使用薄層石墨來改善散熱性能。

此外，石墨也可用作TIM材料，方式包括：作為導熱填料，或對石墨片進行改性，使其具備一定的垂直方向導熱能力（這使其在TIM與熱擴散材料之間的界限變得模糊）。

石墨在面內方向（x-y軸）的導熱性能極佳，但在垂直方向（z軸）的導熱性能較差。這項特性有助於均勻分散熱量，避免局部熱點，因此在智慧型手機中廣泛應用。然而，石墨並不擅長解決將熱量從熱源傳遞出去的關鍵問題。

石墨膏（Graphite Paste）另一種常見的石墨基TIM材料是石墨膏，以石墨作為導熱填料的導熱膏。石墨膏的導熱率通常在 5-15 W/m·K 之間，零售價格約在 0.03-3 美元/ml 之間，具體取決於石墨的品質、純度、採購量、供應商等因素。

▌基於氮化硼（BN）的TIM材料

氮化硼（BN）長期以來一直是提升導熱性能的重要填料。其導熱率可達600 W/m·K（多數產品約在 300 W/m·K），遠高於許多其他材料，並且具有良好的電絕緣性。此外，BN 無毒，並且具有優異的化學和熱穩定性，即使在1000°C 以上的高溫環境下仍能保持性能。這種穩定性使其比其他填料更易儲存和處理，同時降低了化學反應或安全風險。

BN的具體形態（如六方氮化硼 h-BN 和 立方氮化硼 c-BN）會影響其性能。例如，六方氮化硼（h-BN） 具有層狀結構，不僅有助於提升導熱率，還能降低團聚現象。特別是當BN的合成過程中雜質含量較少時，其在複合材料中的分散性會顯著提升。

然而，BN填料的高成本阻礙了其廣泛應用。 BN填料的價格通常在 50-65 美元/kg 之間，具體取決於採購量、供應商、純度和形狀等因素。這一成本遠高於其他填料，使得BN通常作為輔助填料而非主要填料應用於許多導熱產品。為了降低成本，BN通常被少量添加，以提升導熱性能的同時控制整體材料成本。

▌結論

隨著對高效散熱的需求持續成長，具有高導熱率和優異性能的高性能TIM材料正變得越來越重要。

本文重點介紹了先進的碳基TIM材料（如石墨、碳纖維、碳奈米管和石墨烯）的優缺點。其中，石墨片因其高導熱率在熱管理解決方案中發揮了重要作用，但其垂直方向導熱能力受限，影響了其在某些應用中的散熱效率。

除了碳基TIM材料，氮化硼（BN）因其卓越的導熱性能、電絕緣性和化學/熱穩定性而備受關注。然而，由於BN填料的成本較高（50-65美元/kg），限制了其大規模應用，使其通常僅作為輔助填料用於特定導熱產品。

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