热界面材料研究进展
郑连杰
1 前言
随着电子电子器件集成密度和功率密度不断增加，尤其是近年来大功率LED的兴起，电子器件对散热性能的要求也越来越高，而目前热界面材料与其他电子器件相比热导率相差几个数量级，因此热界面材料已成为提高电子产品散热性能的瓶颈之一。文献对近年来热界面材料的研究进展做了非常详尽的综述。但这些文献主要集中在热界面材料的分类、应用、优缺点以及导热性能的描述。本文将在近期综述文献的基础上重点介绍各类热界面材料的主要组成成份。
在介绍热界面材料组成以及性能之前，首先简单了解关于热界面材料导热的基本理论。
（a） （b）
图1 （a）实际接触平面微观示意图（b）理想的热界面材料示意图
当两个平面相互接触时如图1（a）所示，由于材料表面存在微观粗糙度，接触表面存在空隙。空隙的存在使得界面处热阻增大。因此粘结接头的热阻主要包括体热阻和界面热阻两部分图1（b）。
热界面材料的热阻可表示为：
RTIM?BLT?RC1?RC2 公式（1） kTIMBLT：键合区厚度 KTIM：热界面材料体热导率 RC1，RC2：接触界面热阻
公式（1）说明热界面材料的热阻不仅决定于其体热导率，还与BLT和界面接触热阻有关。对比不同材料导热性能的优劣除了常见的热导率w/mK之外人们还经常使用界面热阻Kcm2/W。很多热界面材料要在一定的压力下使用，因此不同材
料因其流变学特性而具有不同的BLT。热界面材料的粘度、填料粒子的尺寸形状以及含量对BLT有直接影响，而材料和粘合界面的亲和性能以及对表面凹凸的填充能力直接决定着RC的大小。因此对于热界面材料的设计者而言，为了获得具有低热阻的界面材料，应全面考虑这些因素。
2 热界面材料的分类与特性
热界面材料在电子工业中有着很长的应用历史，主要组成为基体材料和高导热填料。热界面材料的分类方法多种多样。按导电类型可分为导电型和绝缘型。按成分又可分为有机、无机和金属型。按组成可分为单组份和双组分等。按照热界面材料的历史发展和特点可分为：导热胶（thermal conductive adhesives）、导热油脂（thermal grease）、相变导热材料（phase change materials，PCMs）、导热带（thermal tapes）、弹性导热垫（elastomeric pads）导热凝胶（thermal gel）以及金属钎料（metalic solders）等。
2.1 导热胶（thermal conductive adhesives）
导热胶是发展较早的产品，其主要组成是树脂基体、导热填料、稀释性溶剂或者是反应型稀释剂、固化剂和添加剂。用于电子胶黏剂的树脂基体主要包括：环氧树脂、聚酰亚胺、有机硅胶、聚氨酯、丙烯酸酯和氰酸酯等。 环氧树脂
环氧树脂广泛的应用于电子组装以及封装胶黏剂中，环氧树脂得名于结构上的环氧基，其中最常用的环氧树脂有双酚-A型、双酚-F型。 固化剂
环氧树脂可以和多种固化剂发生固化反应，一般来讲凡是能够提供活化氢的物质都可以和环氧基发生交联反应，按反应类型的不同固化剂可分为均聚型、加成型和潜伏型。 1. 均聚型
所谓均聚型是指固化过程中固化剂不参与反应，而是环氧树脂同种分子之间发生聚合反应，即固化剂只起到催化作用。 2. 加成型
固化过程中固化剂和环氧基反应，这样的固化剂有胺类以及酸酐类固化剂。
3. 潜伏型固化剂
对于常见的胺类固化剂与环氧树脂反应温度低速度快，因此配置的单组份胶黏剂应低温保存，而双组分胶操作性差。潜伏型固化剂在常温下不能提供固化反应所需的活化氢，当温度升高之后交联反应才会发生，路易斯酸便属于这种类型。从本质上来讲，潜伏型固化剂也属于加成型固化剂。 稀释剂
环氧树脂的粘度直接影响填料的最大添加含量，同时粘度过大导热胶流动性变差降低与粘合界面的接触面积增加了接触热阻。为了获得低粘度的导热胶，通常情况下会加入一定量的溶剂。稀释剂可分为反应型溶剂和非反应型溶剂。人们期望得到反应型溶剂，因为固化之后溶剂不会挥发，从而降低了气孔率。此外，长链的脂肪烃反应型溶剂固化后还可以提高环氧树脂的柔韧性。挥发性的溶剂也可以降低环氧树脂的粘度，但是大多数溶剂因其高挥发性，而禁止使用。常用的反应型溶剂有苯基缩水甘油醚、丁基缩水甘油醚和烯丙基缩水甘油醚等。 性能
环氧树脂因其优异的综合性能在电子封装材料中得到广泛的应用，如高的粘合强度、优良的电绝缘性能、易固化操作方便和低成本等。但由于环氧树脂中存在极性结构以及由于杂质Cl的引入而存在一定的吸水性。环氧树脂基体的热导率一般在0.1-0.2W/mK，热膨胀系数为25-50ppm/K，热稳定性一般在300℃左右。 填料
树脂基体的热导率较低，为了提高导热胶的热导率通常加入导热填料。常用的导热填料有金属、高导热陶瓷颗粒等。如银、铜、AlN、BN、SiC、Si3N4、金刚石粉末等。值得指出的是导热填料的颗粒尺寸、形状、含量以及表面处理状态都会影响最终导热胶的热导率。填料的选择应根据导热胶的要求具体选择，如热膨胀系数、导电类型等。 表-2和表-3列出了常用金属填料以及无机填料的热导率。近年来随着纳米材料的兴起，碳纳米管以及复合填料导热胶逐渐受到人们的关注，由于尺寸的减小，在不提高导热胶粘度的前提下可以增加填料含量，从而有效提高热导率，同时由于尺寸效应可以改善导热胶的力学性能。但是值得指出的是，由于尺寸效应也会使得颗粒表面晶格振动失配，从而影响材料的热导率。
表-2 常用金属材料热导率
（续）
表-2续 常用金属材料的热导率
表-3 常用无机填料热导率
导热填料的加入可以有效的提高树脂基体的热导率，目前商用的导热胶热导率一般低于10W/mK，文献报道的在环氧树脂中加入97wt%银，热导率可以达到