作为普遍用于IC封装和电子散热的材料，导热界面材料在热管理中起着至关重要的作用：它可以填充设备表面和散热器之间细微的空隙及凹凸不平的孔洞，在电子元件和散热器间建立有效的热传导通道，将器件产生的热量迅速传递和散发，以确保设备在高负荷运行时能够保持稳定的温度。为了迎合当前电子设备不断迭代升级的需求，研发人员和各大下游用户纷纷将目光聚焦在导热界面材料传热性能的提升上，以期更好地满足设备热管理的迫切需求。

来源：深圳市星河达科技有限公司

导热界面材料在提供热导通的过程中，导热系数和热阻是两个关键的性能参数：众所周知，导热系数是用来度量材搜索料传导热量的能力，导热系数愈高，热量在该材料内的损耗就越少；而热阻则是某种材料在单位面积上阻止热量穿过的能力，是材料导热性能提升的“拦路虎”。因此，提升导热界面材料的传热性能，不能仅仅关注其导热系数的数值大小，如何降低热阻也是不可忽视的一个重要问题。

如何降低导热材料界面热阻？

导热界面材料主要由有机基体和无机填料组成，热阻的产生主要是由于两个相邻的固体表面之间的界面层之间的作用力较弱，界面处声子振动频率不匹配从而造成大量的声子散射，而导致了热阻的增加。根据界面不同，界面热阻分为三类：填料与填料间界面热阻、填料与基体之间的界面热阻、 热界面材料与器件之间的界面热阻。

1、填料与填料间的界面热阻

导热界面材料中的填料可采用相同种类的填料，也可采用由不同种类填料搭配而成的杂化填料。

相同填料间主要是因为填料之间被聚合物基体所分隔，导致填料间仍然存在空隙而彼此不能直接接触，导致产生了较大的界面热阻。在这种情况下可以通过增加填料的添加量、定向排列、颗粒级配等方式，使填料在彼此接触、堆叠等作用下构建连续的导热通路，从而降低界面热阻。

①增加填料添加量：随着填料比的增加，填料间距逐渐减小，当填料的添加量达到某一临界值时，填料彼此接触、堆叠，导热通路得以形成，界面热阻也就因此降低。但值得注意的是，值得注意的是，当填料比进一步增加，直到超过阈值时，此时原有的导热网络被破坏，不仅会引起材料内部的声子散射，对界面热阻起到反作用，还会对复合材料的加工性能、机械性能造成极大的影响。

导热网络的形成

②定向排列：碳纤维、片状六方氮化硼等一维、二维导热填料由于存在各向异性，一般可利用力场、磁场、电场及冰模板法等方法诱导高度取向有序结构的形成，来增大填料间有效接触面积，从而降低界面热阻。

随机排列与定向排列的碳纤维导热界面材料

③颗粒级配：将尺寸差异较大或不同形貌的无机导热粒子填充进 聚合物基体中，不仅能够产生协同增强效应，还能将彼此分离的颗粒相互连接，起到桥接的作用，增加可供声子传导的界面，致力于降低填料间的界面热阻。

颗粒级配示意图

在杂化填料协同增强导热的研究中，还由于不同填料较差的界面亲和力和声子谱不匹配导致声子在不同填料界面处发生严重的声子散射。因此要降低杂化填料间的界面热阻，还需要对填料表面进行处理，使之形成更强的界面结合。 目前，可通过共价键改性来对填料表面进行处理，共价键 共价键拥有比氢键和范德华力更强的结合力，填料之间共价键结合被认为是减小粉体间界面热阻的重要方法，可有效提升其导热性能。

BN 与 GO之间的共价键改性

Yao等利用高能球磨促使BN 与 GO 间形成 C-N、C-B 键实现了共价键连接，很好的降低了填料之间的界面热阻，制得的3D BN-rGO/EP 复合材料在填料总含量为 13.16 vol%时，面外热导率达到了 5.05 W/(m·K)。

2、填料与基体间的界面热阻

导热界面材料的填料大多是无机材料，与聚合物基体难以浸润。在固化过程中，未处理的填料与聚合物基体连接不紧密，会产生大量气孔和间隙，导致填料与聚合物基体间产生极大的界面热阻，降低材料的导热能力。

表面改性剂（硅烷偶联剂）改性机理

表面改性是降低填料与聚合物间界面热阻最非常有效的方式之一，通过改性可以改变填料的表面张力，减少无机填料的团聚，改善填料表面与基体的亲和程度，减少复合材料内部缺陷（气孔，断裂），减少复合材料内部界面热阻。目前应用最广的超新粉体表面改性处理方法是对填料进行表面化学修饰，主要是依靠有机单体、有机低聚物、表面活性剂、偶联剂等表面处理剂在粉体颗粒表面的吸附、反应、包覆或包膜来实现。

相关阅读：曾小亮研究员：导热粉体的表面改性及其表征技术（报告）

3、导热界面材料与器件间的界面热阻

在实际设备中，热界面材料与器件的界面热阻也称为接触热阻，当热量流过两个相接触的固体的交界面时，界面本身对热流有阻碍作用，其表面热传导效率会有所降低。一般而言，表面粗糙度、表面平整度、夹紧压力、不均匀性和材料厚度等因素都对材料的热阻有很大影响。因此，可在导热界面材料的制备工艺以及应用过程中下功夫，来降低导热界面材料与器件间的界面热阻：

来源：佳日丰泰

1、提高导热界面材料的制作工艺，使之拥有更好的柔韧、压缩性，以便更好地贴合散热器件的接触面，导热界面材料与器件之间的贴合程度越好，贴合面积越大，对应的接触热阻就会降低，散热性能也会随之提高；

2、在使用导热界面材料贴合器件时，尽可能降低两个器件之间的缝隙，即提高两器件对导热界面材料的夹紧压力，使其相互之间接触面更大，厚度更小，从而降低接触热阻；

参考来源：

1、纪超. 导热复合材料中多组分填料的协同作用的研究[D].深圳大学.

2、张荣,刘卓航,熊文伟等.氮化硼/聚合物导热复合材料界面热阻调控研究进展[J].材料导报.

粉体圈Corange整理

本文为粉体圈原创作品，未经许可，不得转载，也不得歪曲、篡改或复制本文内容，否则本公司将依法追究法律责任。