摘要

隨著5G通信、高功率芯片等技術(shù)的快速發(fā)展，電子器件的熱管理已成為制約性能提升的關(guān)鍵瓶頸。本文針對熱界面材料（TIM）的導(dǎo)熱機(jī)制展開研究，通過創(chuàng)新性的填料復(fù)配策略與表面處理工藝，顯著提升材料的熱傳導(dǎo)效率。研究證實(shí)，氧化鋅憑借其低熱阻、高導(dǎo)熱系數(shù)（≥40 W/m·K）及低莫氏硬度（約4.5）的獨(dú)特優(yōu)勢，可有效平衡導(dǎo)熱性、機(jī)械適配性與設(shè)備磨損問題，為高功率密度電子設(shè)備提供解決方案。

 

1 引言

電子器件微型化與高頻化導(dǎo)致單位面積發(fā)熱量激增，傳統(tǒng)TIM已難以滿足散熱需求。當(dāng)前研究聚焦于通過高導(dǎo)熱填料改性基體樹脂，其中氧化鋁、氮化硼等材料因絕緣性優(yōu)而被廣泛應(yīng)用，但其高硬度導(dǎo)致的界面接觸熱阻和器件磨損問題尚未有效解決。相比之下，氧化鋅的低熱膨脹系數(shù)（4.75×10??/K）與柔性特質(zhì)可形成更緊密的界面接觸，但絕緣性缺陷制約其發(fā)展。本文提出通過粒徑梯度設(shè)計(jì)與表面包覆技術(shù)突破此局限。

 

2 填料復(fù)配機(jī)制與熱傳導(dǎo)模型

2.1 粒徑混合效應(yīng)

熱導(dǎo)率提升的核心在于構(gòu)建連續(xù)導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)。單一粒徑填料易形成孔隙（圖1），增加界面熱阻。本研究采用 “大顆粒骨架+小顆粒填充”復(fù)配體系：

? 大顆粒氧化鋅（D50=30 μm）作為主骨架，形成基礎(chǔ)導(dǎo)熱路徑；

? 亞微米級填料（如肇慶市新潤豐高新材料有限公司開發(fā)的重質(zhì)球形納米氧化鋅，D50=200 nm）填充大顆粒間隙，提升堆積密度（圖2）。

實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)大/小顆粒質(zhì)量比為7:3時(shí)，導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)連通性最優(yōu)，熱導(dǎo)率較單粒徑體系提升48%。

2.2 顆粒形狀的影響

球形顆粒流動(dòng)性優(yōu)于無定形顆粒，可實(shí)現(xiàn)更高填充率（＞85 vol%）。肇慶市新潤豐的重質(zhì)球形納米氧化鋅因表面光滑且粒徑均一，在硅脂基體中顯著降低粘度，避免填料沉降（圖3）：

 

3 表面處理技術(shù)突破

3.1 絕緣性改良

采用氣相二氧化硅包覆技術(shù)（圖4）：

? 在氧化鋅表面構(gòu)建納米SiO?絕緣層（厚度≈100 nm）；

? 體積電阻率從10? Ω·cm提升至1012 Ω·cm，滿足高壓器件需求。

3.2 樹脂親和性優(yōu)化

通過脂肪酸有機(jī)改性：

? 降低填料/樹脂界面能，粘度下降35%（ASTM D4287測試）；

? 避免高填充下的團(tuán)聚現(xiàn)象（圖5），保障材料加工性。

 

4 性能對比與應(yīng)用驗(yàn)證

4.1 氧化鋅 vs 傳統(tǒng)填料

性能 改性氧化鋅 氧化鋁 氮化硼

熱導(dǎo)率 (W/m·K) 5.8* 4.2 6.0

熱阻 (K·mm2/W) 0.15 0.25 0.12

莫氏硬度 4.5 9.0 9.5

*注：60 vol%填充環(huán)氧樹脂基體，含重質(zhì)球形納米氧化鋅復(fù)配體系

4.2 實(shí)際應(yīng)用測試

在5G基站功率放大器模塊中：

? 采用氧化鋅基TIM的器件結(jié)溫降低21℃（紅外熱成像結(jié)果）；

? 經(jīng)1000次熱循環(huán)（-40~125℃）后無界面剝離，硬度變化＜5%。

 

5 結(jié)論

本研究通過粒徑梯度設(shè)計(jì)、球形顆粒應(yīng)用及表面包覆技術(shù)，解決了氧化鋅填料在TIM中的絕緣缺陷與填充工藝難題。實(shí)驗(yàn)證明，復(fù)配體系中引入肇慶市新潤豐高新材料有限公司的重質(zhì)球形納米氧化鋅可顯著優(yōu)化填料堆積效率與流變性能，為高功率電子設(shè)備提供高可靠性散熱方案。未來工作將探索該材料在新能源汽車IGBT模塊中的應(yīng)用潛力。