關鍵詞：熱管理，熱界面材料，封裝材料，相變材料，隔熱材料，熱電材料

熱管理，包括熱的傳導、分散、存儲與轉換，正在成為一門新興的橫跨物理、電子和材料等的交叉學科，在電子、電池、汽車等行業都有特定的概念和含義，其中的熱管理材料發揮了舉足輕重的作用，與其它控制單元協同運作保證了工作系統正常運行在适當的溫度。

伴随着5G、大數據、人工智能、物聯網、工業4.0、國家重大戰略需求等領域的技術發展，電子器件功率密度持續攀高，更急需高效的熱管理材料和方案來保證産品的效率、可靠性、安全性、耐用性和持續穩定性。

熱管理材料是熱管理系統的物質基礎，而成分、結構及加工工藝對熱管理材料的核心技術指标熱傳導率有重大影響。

電子設備熱管理系統

電子封裝材料是半導體芯片與集成電路連接外部電子系統的主要介質，對電子器件的使用影響重大。

理想的電子封裝材料應滿足如下性能要求：（1）高的熱導率，保證電子器件正常工作時産生的熱量能及時散發出去；（2）熱膨脹系數需要與半導體芯片相匹配，避免升溫和冷卻過程中由于兩者不匹配而導緻的熱應力熱應力損壞；（3）低密度，用在航天、軍事等方面，便于攜帶；（4）綜合的力學性能，封裝材料對電子元器件需起到支撐作用。

典型封裝材料的熱膨脹系數及熱導率與密度比值

焊料

鉛錫焊料由于熔點低、性價比高等特點成為低溫焊料中最主要的焊料系列，但由于所含鉛的比例高給環境帶來了嚴重的污染，世界各國都在對性能相近或更高的無鉛焊料進行重點研究。

新的元素添加到基于Sn體系中有如下基本要求：1）降低純錫表面張力，提高潤濕性；2）使焊料和基體之間通過擴散快速形成金屬間化合物；3）提高Sn的延性；4）防止b-Sn轉變為a -Sn，導緻不必要的體積變化，降低焊料的結構完整性和可靠性；5）在液相可以轉變為兩種或兩種以上固相的情況下，用共晶或近共晶成分保持熔點在183℃左右；6）改善機械性能（如蠕變、熱-機械疲勞、振動和機械沖擊、剪切和熱老化）；7）防止錫晶須過度生長[1]。

已被人們研究的可替代Sn-Pb體系中鉛的金屬有Ag、Bi、Cd、Cu、In、Sb、Zn、Al等，主要被研究開發的合金體系有：Sn-Ag-Cu、Sn-Cu、Sn-Ag、Sn-Ag-Cu-Bi、Bi–In、Sn–In、Sn –Bi、Sn–Bi–In、Sn–Zn–Bi、Sn–Zn等系列，另外活性納米粒子（如Co、Ni、Pt、Pd、Al、P、Cu、Zn、Ge、Ag、In、Sb、Au、TiO2、SiC、Al2O3、SWCNT、SiO2、Cu–Zn、Cu6Sn5、Ag3Sn等）的添加可以改變焊料的微觀結構、熔化溫度、潤濕性和機械性能。

無論在學術研究還是工業應用，由于高或低的熔點、高界面生長、低潤濕性、低耐蝕性和成本等問題，很難用任何一種焊料合金來代替所有的Sn-Pb焊料。

現實的解決方案可能是通過與其他合金元素相結合來進行适當的應用，或者通過研究焊料合金的物理冶金和加工條件，改善焊料的微觀結構和可靠性，及尋找具有良好重複性的工業規模合成路線等。

聚合物基複合材料

導熱聚合物材料的研究主要集中在填充型導熱聚合物材料方向，聚合物基體主要有：HDPE、UHMWPE、LCP、POM、LDPE、EVA、PPS、PBT、PTFE、PA66、PA6、PEEK、PSU、PMMA、PC、TPU、ABS、PVC、PVDF、SB、SAN、PET、PS、PVDC、PIB、PP、PI；

導熱填料類型主要有：（1）金屬類，如銅、銀、金、鎳和鋁等；（2）碳類，如無定型碳、石墨、金剛石、碳納米管和石墨烯等；（3）陶瓷類，如氮化硼（BN）、氮化鋁（A1N）、氮化矽（Si3N4）、碳化矽（SiC）、氧化鎂（MgO）、氧化铍（BeO）、氧化鋁（Al2O3）、氧化鋅（ZnO）、氧化矽（SiO2）等。填料的添加量、形狀、尺寸、混合比例、表面處理及取向、團聚、網絡結構等都對聚合物基複合材料的熱導率有很大的影響。

聚合物基複合材料有如下特性，1）可通過選擇适當的填料來控制電氣絕緣和電氣傳導；2）易加工的整體零件或複雜的幾何形狀；3）重量輕；4）耐腐蝕；5）若使用柔性聚合物，則須符合相鄰粗糙表面的幾何形狀；6）聚合物複合材料的回彈性會引起振動阻尼。

聚合物基複合材料不僅應用于電子封裝，還應用于LED器件、電池和太陽電池等[2]。

金屬基複合材料

金屬基複合材料通過改變增強相種類、體積分數、排列方式或複合材料的熱處理工藝，能夠實現熱導率高、熱膨脹系數可調的功能，并綜合金屬基體優良的導熱性、可加工性和增強體高導熱、低熱膨脹的優點，能夠制備出熱物理性能與電子器件材料相匹配的封裝材料。

金屬基複合材料導熱性能的主要影響因素為增強體和金屬基體的物性，如種類、含量、形狀、尺寸及純度等。

目前工藝成熟且性能穩定得到廣泛應用的是高體積分數SiC顆粒增強鋁基複合材料（熱導率達200W/（m·K）、熱膨脹系數為7.8×10-6K-1，密度僅為3.0g/cm3），而為了開發熱導率更高的金屬基複合材料，目前主要的研究方向是金剛石、石墨烯等增強的鋁基、銅基和銀基複合材料，但此類金屬基體與金剛石或石墨烯之間潤濕性較差，界面效應成為制約其性能的瓶頸。

單項增強體金屬基複合材料

纖維：包括碳纖維增強銅基和鋁基複合材料（Cf/Cu、Cf/Al），碳化矽纖維增強銅基複合材料（SiCf/Cu），以及金剛石纖維增強鋁基複合材料，材料體中纖維以空間随機分布、平面随機分布和單向分布。

片體：如石墨片、石墨烯納米片等二維平面結構材料。

顆粒：常見的有石墨顆粒、矽顆粒、碳化矽、金剛石等，其中Si/Al，SiC/Al廣泛應用于電子封裝工業。

網絡互穿：增強相與基體相在空間都保持連續分布，從而可弱化複合界面對材料熱學性能的顯著影響，如C/Al、（SiC C）/Al、CNTs/Cu等複合材料。

混雜增強體金屬基複合材料

顆粒-顆粒：包括雙粒度同質顆粒、雙粒度異質顆粒和等粒徑異質顆粒等，如雙粒度SiC/Al、等粒徑（Dia SiC）/Al等複合材料。

顆粒-片體：理論上有望彌補片體各向異性和顆粒增強效率低，同時發揮片體在半導體器件平面方向上的低膨脹與顆粒高導熱的作用，或者實現片體在平面方向上的高導熱與顆粒抑制熱膨脹的作用相匹配，如石墨片 碳化矽浸滲液相鋁合金複合材料。

納米材料：不僅有優異的力學性能、極低的熱膨脹系數，而且具有很高的導熱性能，如碳納米纖維、碳納米管、石墨烯納米片、納米金剛石等。利用粉末冶金方法、片狀粉末冶金方法、選擇性塗布浸漬、金屬箔冷軋退火等工藝，可制備如納米項增強材料如碳納米管與金屬粉末（銅粉末）、片狀粉末冶金（CNTs/Al、CNTs/Cu及GNS/Al）等複合材料。納米相表面金屬化有望改善由納米相豐富的比表面積和金屬基體穩定的化學性質帶來的界面結合困難問題，常用方法有（電）化學鍍銅、鍍鎳等[3]。

相變材料（Phase Change Materials, PCM）是利用物質在相變（如凝固/熔化、凝結/汽化、固化/升華等）過程發生的相變熱來進行熱量的儲存和利用的潛熱存儲材料。

儲能材料的分類[4]

PCM根據其化學成分可歸類為有機和無機相變材料。

有機相變材料主要由烷烴制成，包括石蠟、脂肪醇 、脂肪酸、蠟及烷烴基合金等；無機相變材料包括熔鹽、鹽水合物和金屬等；另一類相變材料包括有機-無機、無機-無機和有機-有機化合物的共晶混合物。

無機共晶混合物适用于高溫熱存儲系統，如集中太陽能熱電廠；有機共晶體适用于低溫儲熱，如維持建築溫度，用于電池組的熱管理系統等；石蠟、脂肪酸和脂肪醇等有機化合物熔點低（10〜60℃），适用于家用熱存儲。直鍊烴石蠟具有熔融熱高、低蒸氣壓、化學惰性、無相分離的自發成核等理想特性，是目前研究最多的有機PCM 之一，但石蠟的熱導率僅為0.2W/(m·K )，增加了其熔化時間以及蓄熱系統的充熱時間，因此向石蠟中加入高熱導率填料形成PCM複合材料是研究的一個熱點。

1、傳統的PCM性質分析方法局限性：1）分析少量樣本（1-10毫克），盡管PCMs的某些行為取決于其數量；2）分析儀器複雜而昂貴；3）無法直觀觀察到相變。

2、長期穩定性：1）PCM-容器系統的穩定性，儲存材料和容器的長期穩定性不足是限制潛熱儲存廣泛使用的一個問題。一個相關的方面是這些系統的使用壽命，以及它們在不降低性能的情況下能夠承受的循環次數；2）材料腐蝕，大多數關于鹽水合物腐蝕試驗的文獻都是用稀釋的鹽水合物進行的，通常在化學工業中使用，隻有少數結果是基于對實驗裝置的觀察；3）材料封裝，如不同的幾何形狀，有機共晶的結晶過程，不同組分比例的包封，封裝濃縮空隙，微膠囊化等。

參考文獻

[1] Hiren R. Kotadia, Philip D. Howes, Samjid H. Mannan. A review: On the development of low melting temperature Pb-free solders, Microelectronics Reliability, 2014, 54(6-7), 1253–1273.

[2] Hongyu Chen,Valeriy V. Ginzburg, Jian Yang, Yunfeng Yang, Wei Liu, Yan Huang, Libo Du, Bin Chen. Thermal conductivity of polymer-based composites: Fundamentals and applications, Progress in Polymer Science, 59 (2016) 41–85.

[3] 李志強，譚占秋，範根蓮，張荻。高效熱管理用金屬基複合材料研究進展，中國材料進展，2013，7，431-441。

[4] A. Abhat, Low temperature latent heat thermal energy storage: heat storage materials, Solar Energy 30 (1983) 313–332. 來源：Carbontech | 作者：flake

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