当今现代电子设备趋向高度集成化和微型化的方向发展，提升了设备的便携性和处理能力的同时，也凸显了散热方面的紧迫需求。导热垫片作为一种备受关注的热界面材料（TIM），其柔软、贴合性良好的特性可以填充发热元器件和散热器之间的孔隙和缺陷，并迅速排出其中的空气，使热量在接触界面得以高效传递，极大增强了散热器的散热性能，因此在芯片组、IC控制器、通讯类硬件、汽车控制组件、消费类电子产品和智能家电等领域的散热系统中得到了广泛应用，而针对不同的应用，导热垫片的选择也有所不同。

导热垫片应用领域（来源：上海九樱新材料）

一、基材的选择

常见的导热垫片的基材有两种高分子材料体系：有机硅和非硅。

1、有机硅体系——耐候性、力学性能好

有机硅聚合物中含有电负性差异较小的硅氧烷，使得有机硅聚合物具有优异的化学稳定性，同时也使其物理特性（如粘度，模量等）随温度变化不明显，具有优异的耐候性、阻燃性，因此导热界面材料大多基于有机硅体系，但小分子硅氧烷D3~D10的存在，始终是个困扰终端客户的问题。D3~D10是非反应型的环状硅氧烷混合物，在持续的受压、受热下有一定的挥发性，在应用到电子产品后，可能会扩散到电子元器件表面，导致器件的触点导电失效。除此之外，有机硅主链在发生断裂降解后会生成二氧化硅绝缘层，其对电子元器件也会造成电气失效和磨损，因此不适宜对硅析出敏感的电子电气产品上。

导热硅胶垫片

（来源：东莞市精朗电子有限公司）

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2、无硅油体系——无硅油溢出风险

相反，非硅导热垫片采用了无硅油聚合物体系（如聚氨酯、丙烯酸树脂），解决了有机硅导热垫片硅油小分子释放的问题，能够保证精密电子产品的稳定性，可应用于硅析出敏感的特殊领域（比如光学设备、硬盘、高清摄像头等），但大多非硅导热垫片采用的特定有机物耐温性、阻燃性不如有机硅体系、硬度也偏大，在使用温度等参数略会低于有机硅产品，在防火等级高的领域应用受限。

非硅导热垫片（来源：深圳市向欣电子科技有限公司）

二、填料的选择

导热垫片中的有机物基体一般都是热的不良导体，其导热系数一般都低于0.5 W/（m·K），因此需要在其中添加一定量的高导热填料制备成复合材料来提升其导热性能。目前，导热垫片中的导热填料包括金属填料、无机陶瓷填料以及碳系填料。

1、金属填料——高热导率、非绝缘应用

金属填料主要有金、银、铜、铝、铁、锌等，其导热机理主要是依靠电子运动来进行。这些电子之间相互碰撞可以实现快速传热，由于电子本身携带电荷，电子迁移过程中携带了大量的能量，故其导热率很高，但由于其同时也是电的良导体，因此金属填料填充的导热垫片在绝缘应用上受限。

常见金属填料导热系数

一般来说，纯金属的晶格具有整齐性，自由电子运动所受的干扰小，故其导热系数值大于合金，而合金的导热系数则受杂质含量影响，杂质含量越多，导热系数值越小。

自由电子导热示意图（来源：泰吉诺新材料）

2、无机陶瓷填料——综合性能好、可用于绝缘领域

无机陶瓷填料的导热机理主要依靠声子导热，热能扩散速率主要取决于邻近原子或结合基团的振动，主要有碳化物（碳化硅等）、氧化物（氧化镁、氧化铝、氧化铍）和氮化物（氮化硼、氮化铝等），它们具有优良的绝缘性能、力学性能、耐高温性能、耐化学腐蚀性能等，但由于氧化物填料受到声子平均自由程及微观结构如晶粒尺寸、晶格缺陷、杂质和界面等影响较大，其实际导热系数普遍偏小。

声子导热原理（来源：模切涂布Family）

无机陶瓷填料导热系数

3、碳系填料——超高导热领域

碳系填料包括石墨、石墨烯、金刚石、炭黑和碳纤维等，虽然在碳系填料中热量也主要通过声子传递，但是由于独特的晶体结构和它不同同素异构体在不同方向上相邻碳原子间距不同，导致声子的碰撞过程不同，使得它们的导热系数跨越了5个数量级，从室温下无定形碳的0.01 W/(m·K)到2000 W/(m·K)的金刚石再到碳纳米管惊人的3000~3500 W/(m·K)，几乎是传统金属材料铁、铝及铜的10倍，但是由于碳纤维、碳纳米管和石墨烯的导热都具有显著的各项异性，故这些材料的取向排列对最终热界面材料的性能影响巨大，一般需要在填充结构和填充方法上对其进行设计，这也同时意味着生产工艺较为复杂，导致目前成本较高。

碳系填料导热系数（来源：泰吉诺新材料）

积水保力马碳纤维导热垫片

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三、加强材料

由于导热垫片本身硬度较低、强度很小，在压缩时可能存在破损或者被散热器件的毛刺等刺穿，从而引发绝缘失效的现象。所以，实际使用中若导热垫片较薄（<1mm）或需要应用于高压、绝缘区域（如PACK电池包、水冷散热等领域）时，可采用增加了一层强化材料[如PI（聚酰亚胺）膜、矽胶布（含玻纤）等]的产品。而导热垫片厚度较大（＞1mm）时，则可无需采用强化材料增强的产品，避免增加热阻，影响其导热性能。

无强化材料以及中间玻璃纤维和表面矽胶布增强的导热垫片

无强化材料以及玻璃纤维、矽胶布增强的导热垫片各项性能对比如下：

绝缘性：PI膜强化＞矽胶布强化>无强化，影响绝缘，绝缘性越高，电气性越好；

强度：PI膜＞矽胶布>无强化，影响耐磨损，强度越高，耐磨损、耐拉扯、耐刺穿性能越好。

导热性：无强化＜矽胶布＜PI膜，影响导热效果；

参考来源：

1、陈继良《从零开始学散热》

2、孟丛丛.导热硅胶垫选型和性能探究[J].汽车零部件.

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